CN101447775B - 多晶立方相碳化硅微机电***谐振器件及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种采用立方相碳化硅材料制作的微机电***谐振器件及其制作方法。本发明提出的谐振器件是一种静电感应激励方式的谐振器件，振动模式为横向振动和纵向振动。本发明提出的谐振器件采用衬底/隔离层1/隔离层2/牺牲层/立方相碳化硅结构层材料体系：即在衬底和立方相碳化硅材料层之间生长1-2层隔离层和1层牺牲层。以此来实现器件工作层和衬底之间的隔离和器件牺牲层厚度的精确控制。通过采用立方相碳化硅材料作为结构层材料能够有效提高谐振器件的工作频率。
Description
技术领域
本发明涉及半导体器件技术领域，具体涉及一种立方相碳化硅材料微机电***谐振器件及其制作方法。
背景技术
射频微电子机械***是近年出现的新研究领域，利用微机电***技术制作各种用于无线通讯的射频器件或***，包括各种无源器件如：片上高品质因子值谐振器，滤波器，微开关，微型天线以及电感、电容等。射频微电子机械***技术可望实现无源器件和集成电路的高度集成，使制作集信息采集、处理、传播于一体的***集成芯片成为可能。
目前在国际上半导体硅是射频微电子机械***制造的主要材料之一，但是硅器件难以在高于250℃的温度下运行，因此在高温场合直接使用硅器件是不现实的。并且硅器件不适于在强的辐射环境以及强腐蚀环境等恶劣的条件下工作。
具有闪锌矿结构的立方相碳化硅材料因高熔点、高热导率、高临界击穿电场等优异的物理和电学性质，成为高温器件的首选材料。Sundararajan等人的研究表明立方相碳化硅薄膜具有理想的微米/纳米机械及摩擦特性，另外，立方相碳化硅薄膜还具有高硬度和高杨氏模量等优点，其高杨氏模量特性使立方相碳化硅射频微电子机械***器件与相同结构尺寸的硅器件和镓砷器件相比具有更高的工作频率。加之可以在硅衬底上低成本生产，这为立方相碳化硅在高温、辐射、腐蚀等苛刻环境下具有强适应性的射频微电子机械***器件开辟了广阔的应用前景。
发明内容
本发明的目的是提供一种立方相碳化硅材料微电子机械***谐振器件及其制作方法，所述器件为一种静电感应激励方式的谐振器件，振动模式为横向振动和纵向振动。当输入激励信号频率与器件的固有频率接近时器件发生振动，当激励信号频率与器件谐振频率一致时器件振动幅度最大。本器件输出端可以通过检测电容信号的变化得到器件的谐振频率，谐振时器件输出端的感应信号最强，并且输出端感应信号的频率与器件振动频率相一致，从而起到信号选频作用。具体包括：
一种立方相碳化硅材料微机电***谐振器件，其特征在于，所述谐振器件是一种静电感应激励方式的谐振器，振动模式为横向振动和纵向振动，其包括：
一衬底10；
制作在衬底10上的第一隔离层11；
制作在第一隔离层11上的第二隔离层12；
制作在第二隔离层12上的一牺牲层13；
制作在牺牲层13上的一工作材料层14；
制作在工作材料层14的一欧姆接触电极15，其面积小于工作材料层。
进一步，所述衬底10为硅、或为蓝宝石、或为碳化硅、或为氮化镓、或为砷化镓材料。
进一步，所述第一隔离层11为二氧化硅、或为硅、或为多晶硅、或为氮化硅材料，其厚度为300纳米～2000纳米。
进一步，所述第二隔离层12为氮化硅、或为二氧化硅、或为硅、或为多晶硅材料，其厚度为100纳米～400纳米。
进一步，所述牺牲层13为二氧化硅材料、或为磷硅玻璃材料、或为硼硅玻璃材料，或为聚酰亚胺材料，其厚度为1微米～6微米。
进一步，所述工作材料层14为立方相多晶碳化硅、或为立方相非晶碳化硅、或为立方相单晶碳化硅材料。
进一步，所述欧姆接触电极15为镍、或为铝、或为金、或为钛、或为铝/钛、或为铂材料。
进一步，所述工作材料层14结构为交叉手指状结构或者平板结构，振动模式为横向振动或者纵向振动。
一种立方相碳化硅材料微机电***谐振器件的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)在衬底10上利用热氧化设备或薄膜沉积设备生长第一隔离层11；
2)在第一隔离层11上利用薄膜沉积设备生长第二隔离层12；
3)在第二隔离层12上利用薄膜沉积设备生长牺牲层13；
4)在牺牲层13上利用薄膜沉积设备生长工作材料层14；
5)在工作材料层14上利用溅射设备或蒸发设备制作欧姆接触电极15；
6)利用半导体刻蚀设备形成工作材料层14的形状；
7)利用半导体刻蚀设备或者湿法腐蚀工艺、设备去除牺牲层13；
8)进行管芯分割，最后封装在管壳上，制成立方相碳化硅材料微机电***谐振器件。
本发明提出了一种立方相碳化硅材料微电子机械***谐振器件及其制作方法。该器件结构能够充分利用立方相碳化硅材料所具有的可在承受高温、辐射、腐蚀等苛刻环境和高硬度，高杨氏模量等优点。立方相碳化硅射频微电子机械***器件与相同结构尺寸的硅器件和镓砷器件相比具有更高的工作频率，并且器件可以承受更高的温度和更强的辐射环境以及强腐蚀环境等更恶劣的条件。并且由于器件结构是生长在硅衬底上，可以有效降低器件的制作成本，对于器件的广泛应用打下了良好的基础。
附图说明
图1是本发明提出的立方相碳化硅材料微电子机械***谐振器件牺牲层被释放前的横截面结构示意图；
图2是本发明提出的立方相碳化硅材料微电子机械***谐振器件牺牲层被释放后的横截面结构示意图；
图3是本发明提出的立方相碳化硅材料微电子机械***谐振器件正面图；
图4是本发明提出的立方相碳化硅材料微电子机械***谐振器件在不同频率激励信号下的振动幅度示意图；
图5是本发明提出的立方相碳化硅材料微电子机械***谐振器件纵向振动模式示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
本发明提出的立方相碳化硅材料微电子机械***谐振器件的制备过程如下：在硅、蓝宝石、碳化硅、氮化镓或砷化镓材料为衬底10，利用热氧化设备或者等离子体化学气相沉积、或者低压化学气相沉积或者其他生长氧化硅、氮化硅、多晶立方相碳化硅材料的设备生长出器件结构，该结构包括隔离层11、12、牺牲层13、工作材料层14，利用镀膜、光刻等方法先后做出欧姆接触电极15，其中需要热退火实现欧姆接触和改善欧姆接触特性。如图1所示为立方相碳化硅材料微电子机械***谐振器件牺牲层被释放前的横截面结构示意图。利用镀膜、刻蚀等方法制作14层的工作形状，然后利用干法刻蚀设备或湿法刻蚀工艺设备将牺牲层13进行释放。图2所示为立方相碳化硅材料微电子机械***谐振器件牺牲层被释放后的横截面结构示意图，如图3所示为立方相碳化硅材料微电子机械***谐振器件正面图。
为了进一步说明本器件结构的效果，现以选择谐振频率64.5千赫兹的立方相碳化硅材料微电子机械***谐振器件为例说明该器件结构的制备过程，具体如下：
在p型的硅(100)衬底10上通过热氧化法生长一层300纳米～2000纳米厚的氧化硅薄膜隔离层11。
通过注入、扩散得到n+掺杂层作为器件得衬底电极，主要的目的是使器件衬底整体电性均匀(可以统一接地或某一电平)。
然后利用薄膜沉积设备在氧化硅表面上生长一层100纳米-400纳米厚的氮化硅隔离层12。11和12两层用作谐振器件的隔离层以阻挡器件工作层与衬底之间的穿通电流。
在氮化硅隔离层12表面利用薄膜沉积设备(等离子体化学气相沉积或化学气相沉积等)生长1微米-6微米厚的氧化硅牺牲层13。
生长50纳米-10微米厚的碳化硅结构层材料厚膜14采用低压化学气相沉积方法，生长压力为40～100托，生长温度为1200～1350℃，乙烯流量为1.5～6标准毫升/分钟，硅烷流量为0.5～2标准毫升/分钟。掺杂气体为氨气或氮气，流量为0.1标准毫升/分钟-1标准毫升/分钟
用光刻、镀膜等方法先后制作100纳米-1微米厚的欧姆接触电极15和刻蚀出谐振器叉指器件形状，其中，需要在950℃退火来实现欧姆接触和改善欧姆接触特性。
利用湿法刻蚀工艺设备刻蚀牺牲层13对器件结构进行释放。
最后再进行切割、压焊、封装成谐振器件样品。
利用光学微电子机械***动态分析装置对本发明提出的多晶立方相微电子机械***碳化硅材料微电子机械***谐振器件进行了测试，测量了在相同的激励环境中，不同的激励频率引起器件的不同的振动幅度。图4显示了立方相碳化硅材料微电子机械***谐振器件在不同频率激励信号下的振动幅度。图5是本发明提出的立方相碳化硅材料微电子机械***谐振器件纵向振动模式示意图。
从测试结果来看本发明提出的立方相碳化硅材料微电子机械***谐振器件在64.5千赫兹频率信号的激励下有明显的振动尖峰，并且如果进一步将器件置于真空环境中随着空气阻尼的减少，器件的品质因子将会提高至10000以上。
至此已经结合优选实施例对本发明进行了描述。应该理解，本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以进行各种其它的改变、替换和添加。因此，本发明的范围不局限于上述特定实施例，而应由所附权利要求所限定。
Claims (8)
1.一种立方相碳化硅材料微机电***谐振器件，其特征在于，所述谐振器件是一种静电感应激励方式的谐振器，振动模式为横向振动和纵向振动，其包括：
一衬底(10)；
制作在衬底(10)上的第一隔离层(11)；
制作在第一隔离层(11)上的第二隔离层(12)；
制作在第二隔离层(12)上的一牺牲层(13)；
制作在牺牲层(13)上的一工作材料层(14)；该工作材料层(14)为立方相多晶碳化硅、或为立方相非晶碳化硅、或为立方相单晶碳化硅材料；
制作在工作材料层(14)的一欧姆接触电极(15)，其面积小于工作材料层。
2.根据权利要求1所述的器件，其特征在于，所述衬底(10)为硅、或为蓝宝石、或为碳化硅、或为氮化镓、或为砷化镓材料。
3.根据权利要求1所述的器件，其特征在于，所述第一隔离层(11)为二氧化硅、或为硅、或为多晶硅、或为氮化硅材料，其厚度为300纳米～2000纳米。
4.根据权利要求1所述的器件，其特征在于，所述第二隔离层(12)为氮化硅、或为二氧化硅、或为硅、或为多晶硅材料，其厚度为100纳米～400纳米。
5.根据权利要求1所述的器件，其特征在于，所述牺牲层(13)为二氧化硅材料、或为磷硅玻璃材料、或为硼硅玻璃材料，或为聚酰亚胺材料，其厚度为1微米～6微米。
6.根据权利要求1所述的器件，其特征在于，所述欧姆接触电极(15)为镍、或为铝、或为金、或为钛、或为铂材料。
7.根据权利要求1所述的器件，其特征在于，所述工作材料层(14)结构为交叉手指状结构或者平板结构，振动模式为横向振动模式或者纵向振动模式。
8.一种立方相碳化硅材料微机电***谐振器件的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)在衬底(10)上利用热氧化设备或薄膜沉积设备生长第一隔离层(11)；
2)在第一隔离层(11)上利用薄膜沉积设备生长第二隔离层(12)；
3)在第二隔离层(12)上利用薄膜沉积设备生长牺牲层(13)；
4)在牺牲层(13)上利用薄膜沉积设备生长工作材料层(14)；该工作材料层(14)为立方相多晶碳化硅、或为立方相非晶碳化硅、或为立方相单晶碳化硅材料；
5)在工作材料层(14)上利用溅射设备或蒸发设备制作欧姆接触电极(15)；
6)利用半导体刻蚀设备形成工作材料层(14)的形状；
7)利用半导体刻蚀设备或者湿法腐蚀工艺、设备去除牺牲层(13)；
8)进行管芯分割，最后封装在管壳上，制成立方相碳化硅材料微机电***谐振器件。
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