特表 2024-531972 温度安定性の高いＭＥＭＳ共振器

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】

(43)【公表日】2024-09-03

(54)【発明の名称】温度安定性の高いＭＥＭＳ共振器

(51)【国際特許分類】

   H03H 9/02 20060101AFI20240827BHJP

   H03H 3/013 20060101ALI20240827BHJP

   H03H 9/24 20060101ALI20240827BHJP

【ＦＩ】

H03H9/02 N

H03H3/013

H03H9/24 A

【審査請求】未請求

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2024510650

(86)(22)【出願日】2022-09-01

(85)【翻訳文提出日】2024-02-21

(86)【国際出願番号】 FI2022050576

(87)【国際公開番号】W WO2023031521

(87)【国際公開日】2023-03-09

(31)【優先権主張番号】20215933

(32)【優先日】2021-09-03

(33)【優先権主張国・地域又は機関】FI

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【識別番号】520071814

【氏名又は名称】キョーセラ テクノロジーズ オーユー

【住所又は居所原語表記】Ｔｉｅｔｏｔｉｅ ３ ０２１５０ Ｅｓｐｏｏ Ｆｉｎｌａｎｄ

(74)【代理人】

【識別番号】100127188

【弁理士】

【氏名又は名称】川守田 光紀

(72)【発明者】

【氏名】サーレラ ヴィッレ

(72)【発明者】

【氏名】ペルッティラ マティアス

(72)【発明者】

【氏名】ヤーッコラ アンッティ

(72)【発明者】

【氏名】オヤ アールネ

(72)【発明者】

【氏名】コッピネン パヌ

(72)【発明者】

【氏名】ラウティアイネン アンッティ

【テーマコード（参考）】

5J108

【Ｆターム（参考）】

5J108AA04

5J108BB05

5J108CC04

5J108CC11

5J108EE03

5J108EE07

5J108GG03

5J108KK01

5J108NA02

(57)【要約】

基板（１０５）と共振要素（１００）と空洞（１１０）を備えるＭＥＭＳ共振器（１５０）。共振要素は空洞によって基板から分離されており、共振要素は単結晶シリコンの層（１０１）を含む。単結晶シリコンの層には、特定のドーピングプロファイルを得るようにリン原子がドープされる。
【選択図】図５Ｃ

【特許請求の範囲】

【請求項1】

ＭＥＭＳ共振器であって、
基板と；
共振要素と；
キャビティ（空洞）と；
を備え、
前記共振要素は前記キャビティによって前記基板から分離されており、前記共振要素は単結晶シリコンの層を含み、
前記単結晶シリコンの層にはリン原子がドープされており、前記リン原子の濃度ｎ_ｄｏｐは、
（ｉ）ｄ／ｔ_ＤＥＶ＝０．１において、１．９９×１０^２０ｃｍ^－３から２．９７×１０^２０ｃｍ^－３の範囲内であり、ｄ／ｔ_ＤＥＶ＝０．９において、１．２０×１０^２０ｃｍ^－３から１．７８×１０^２０ｃｍ^－３の範囲内であり、
又は、
（ｉｉ）ｄ／ｔ_ＤＥＶ＝０．１において、１．２０×１０^２０ｃｍ^－３から１．８０×１０^２０ｃｍ^－３の範囲内であり、ｄ／ｔ_ＤＥＶ＝０．９において、２．０２×１０^２０ｃｍ^－３から２．９７×１０^２０ｃｍ^－３の範囲内であり、
又は、
（ｉｉｉ）ｄ／ｔ_ＤＥＶ＝０．１において、２．０８×１０^２０ｃｍ^－３から２．９７×１０^２０ｃｍ^－３の範囲内であり、ｄ／ｔ_ＤＥＶ＝０．５において、１．２０×１０^２０ｃｍ^－３から１．８６×１０^２０ｃｍ^－３の範囲内であり、ｄ／ｔ_ＤＥＶ＝０．９において、２．０８×１０^２０ｃｍ^－３から２．９７×１０^２０ｃｍ^－３の範囲内であり、
ここでｄは、前記単結晶シリコンの層内の位置と前記単結晶シリコンの層の上面との間の距離でありｔ_ＤＥＶは前記単結晶シリコン層の厚さである、
ＭＥＭＳ共振器。

【請求項2】

前記共振要素を共振モードに励起するための圧電材料の層を更に含む、請求項１に記載のＭＥＭＳ共振器。

【請求項3】

前記圧電材料の層の厚さは１μｍから２μｍの範囲である、請求項２に記載のＭＥＭＳ共振器。

【請求項4】

前記単結晶シリコンの層の厚さは９μｍから１７μｍの範囲である、請求項１から３のいずれかに記載のＭＥＭＳ共振器。

【請求項5】

リンドープ単結晶シリコンが、前記共振要素の質量の５０％以上を形成する、上記請求項のいずれかに記載のＭＥＭＳ共振器。

【請求項6】

－３０℃から８５℃の温度範囲における共振周波数の変動は、温度２５℃における共振周波数に対して±３０ｐｐｍ以内である、上記請求項のいずれかに記載のＭＥＭＳ共振器。

【請求項7】

前記共振要素は、前記単結晶シリコンの層の面内で前記単結晶シリコンの層の＜１００＞結晶軸と実質的に平行な縦長の材料部分を有する、上記請求項のいずれかに記載のＭＥＭＳ共振器。

【請求項8】

前記共振要素は、長さ伸長共振モード又は曲げ共振モードで共振するように構成される縦長の材料部分を有する、上記請求項のいずれかに記載のＭＥＭＳ共振器。

【請求項9】

前記リン原子の前記濃度ｎ_ｄｏｐは、
（ｉ）ｄ／ｔ_ＤＥＶ＝０．１において、２．１０×１０^２０ｃｍ^－３から２．８６×１０^２０ｃｍ^－３の範囲内であり、ｄ／ｔ_ＤＥＶ＝０．９において、１．２６×１０^２０ｃｍ^－３から１．７２×１０^２０ｃｍ^－３の範囲内であり、
又は、
（ｉｉ）ｄ／ｔ_ＤＥＶ＝０．１において、１．２６×１０^２０ｃｍ^－３から１．７３×１０^２０ｃｍ^－３の範囲内であり、ｄ／ｔ_ＤＥＶ＝０．９において、２．１０×１０^２０ｃｍ^－３から２．８６×１０^２０ｃｍ^－３の範囲内であり、
又は、
（ｉｉｉ）ｄ／ｔ_ＤＥＶ＝０．１において、２．１７×１０^２０ｃｍ^－３から２．８６×１０^２０ｃｍ^－３の範囲内であり、ｄ／ｔ_ＤＥＶ＝０．５において、１．２７×１０^２０ｃｍ^－３から１．７７×１０^２０ｃｍ^－３の範囲内であり、ｄ／ｔ_ＤＥＶ＝０．９において、２．１７×１０^２０ｃｍ^－３から２．８６×１０^２０ｃｍ^－３の範囲内である、
上記請求項のいずれかに記載のＭＥＭＳ共振器。

【請求項10】

前記リン原子の前記濃度ｎ_ｄｏｐは、
（ｉ）ｄ／ｔ_ＤＥＶ＝０．１において、２．１４×１０^２０ｃｍ^－３から２．７５×１０^２０ｃｍ^－３の範囲内であり、ｄ／ｔ_ＤＥＶ＝０．９において、１．２８×１０^２０ｃｍ^－３から１．７０×１０^２０ｃｍ^－３の範囲内であり、
又は、
（ｉｉ）ｄ／ｔ_ＤＥＶ＝０．１において、１．２８×１０^２０ｃｍ^－３から１．７１×１０^２０ｃｍ^－３の範囲内であり、ｄ／ｔ_ＤＥＶ＝０．９において、２．１４×１０^２０ｃｍ^－３から２．７５×１０^２０ｃｍ^－３の範囲内であり、
又は、
（ｉｉｉ）ｄ／ｔ_ＤＥＶ＝０．１において、２．１８×１０^２０ｃｍ^－３から２．７５×１０^２０ｃｍ^－３の範囲内であり、ｄ／ｔ_ＤＥＶ＝０．５において、１．２８×１０^２０ｃｍ^－３から１．７５×１０^２０ｃｍ^－３の範囲内であり、ｄ／ｔ_ＤＥＶ＝０．９において、２．１８×１０^２０ｃｍ^－３から２．７５×１０^２０ｃｍ^－３の範囲内である、
上記請求項のいずれかに記載のＭＥＭＳ共振器。

【請求項11】

前記共振要素は２層の単結晶シリコンを有する、上記請求項のいずれかに記載のＭＥＭＳ共振器。

【請求項12】

前記共振要素は単結晶シリコンの層を２層含み、前記２層のうちの一方は、前記選択肢（ｉ）、（ｉｉ）、（ｉｉｉ）のうちの１つに従ってリン原子がドープされ、前記２層のうちの他方も、前記選択肢（ｉ）、（ｉｉ）、（ｉｉｉ）のうちの１つに従ってリン原子がドープされる、上記請求項のいずれかに記載のＭＥＭＳ共振器。

【請求項13】

前記共振要素は、ケイ素及びリンを含む化合物の析出物を含まない、上記請求項のいずれかに記載のＭＥＭＳ共振器。

【請求項14】

前記単結晶シリコンの層は、熱拡散ドーピングを用いてリン原子がドープされる、上記請求項のいずれかに記載のＭＥＭＳ共振器。

【請求項15】

前記リン原子の前記濃度ｎ_ｄｏｐは、ｄ／ｔ_ＤＥＶが０．８５から０．９５の範囲において局所最大濃度を呈する、上記請求項のいずれかに記載のＭＥＭＳ共振器。

【請求項16】

前記共振要素は単結晶シリコンの層を２層含み、前記２層のうちの第１の層の＜１００＞結晶軸と、前記２層のうちの第２の層の＜１００＞結晶軸とは、それぞれの層の面内で互いに実質的に平行に整列している、上記請求項のいずれかに記載のＭＥＭＳ共振器。

【請求項17】

上記請求項のいずれかに記載のＭＥＭＳ共振器を製造する方法であって、
スターティングウェハー基板を取ることと；
前記共振要素と前記キャビティを作成するプロセスを実行することと；
を含み、前記単結晶シリコンの層が熱拡散ドーピングを用いてドープされる、方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は概して、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）共振器（レゾネータ）に関する。

【0002】

【発明の背景】

【0003】

このセクションは、有用な背景情報を説明するが、ここで説明されている技術が技術水準を示していることを認めている訳ではないことに注意されたい。

【0004】

水晶共振器と同等の機能を持ちながら、チップサイズの小型化、低コスト化、衝撃や振動に対する堅牢性の向上を実現する、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System，微小電気機械システム）共振器が開発されている。ＭＥＭＳ共振器の製造には、ウェハー加工技術が用いられている。ダイシングする前の１つのＭＥＭＳ共振器ウェハーは、ウェハーサイズ、共振器の寸法、レイアウトによるが、１０，０００～５００，０００個の共振器を含むことがある。周波数基準分野に使用されるシリコンＭＥＭＳ共振器などのＭＥＭＳ共振器の主要な性能パラメータには、動作温度範囲における共振周波数の変動が小さいこと、等価直列抵抗（ＥＳＲ）が低いこと、共振周波数の長期安定性が良好であること（経年変化が小さいこと）などがある。

【摘要】

【0005】

本発明の特定の実施形態の目的は、所望の特性を有するＭＥＭＳ共振器を提供すること、又は、少なくとも既存の技術に代わるものを提供することである。

【0006】

特定の実施形態の特定の目的は、動作温度範囲における共振周波数の変動を低減することである。

【0007】

本発明の第１の捉え方によれば、次のようなＭＥＭＳ（微小電気機械システム）共振器が提供される。このＭＥＭＳ共振器は、
基板と；
共振要素と；
キャビティ（空洞）と；
を備え、
前記共振要素は前記キャビティによって前記基板から分離されており、前記共振要素は単結晶シリコンの層を含み、
前記単結晶シリコンの層にはリン原子がドープされており、前記リン原子の濃度ｎ_ｄｏｐは、
（ｉ）ｄ／ｔ_ＤＥＶ＝０．１において、１．９９×１０^２０ｃｍ^－３から２．９７×１０^２０ｃｍ^－３の範囲内であり、ｄ／ｔ_ＤＥＶ＝０．９において、１．２０×１０^２０ｃｍ^－３から１．７８×１０^２０ｃｍ^－３の範囲内であり、
又は、
（ｉｉ）ｄ／ｔ_ＤＥＶ＝０．１において、１．２０×１０^２０ｃｍ^－３から１．８０×１０^２０ｃｍ^－３の範囲内であり、ｄ／ｔ_ＤＥＶ＝０．９において、２．０２×１０^２０ｃｍ^－３から２．９７×１０^２０ｃｍ^－３の範囲内であり、
又は、
（ｉｉｉ）ｄ／ｔ_ＤＥＶ＝０．１において、２．０８×１０^２０ｃｍ^－３から２．９７×１０^２０ｃｍ^－３の範囲内であり、ｄ／ｔ_ＤＥＶ＝０．５において、１．２０×１０^２０ｃｍ^－３から１．８６×１０^２０ｃｍ^－３の範囲内であり、ｄ／ｔ_ＤＥＶ＝０．９において、２．０８×１０^２０ｃｍ^－３から２．９７×１０^２０ｃｍ^－３の範囲内であり、
ここでｄは、前記単結晶シリコンの層内の位置と前記単結晶シリコンの層の上面との間の距離でありｔ_ＤＥＶは前記単結晶シリコン層の厚さである。

【0008】

実施形態によっては、前記共振器又は前記共振要素は、前記共振要素を共振モードに励起するための圧電材料の層を更に含む。

【0009】

実施形態によっては、前記圧電材料の層は前記単結晶シリコンの層の上に存在する。実施形態によっては、前記共振要素は、前記圧電材料の層の上に上部電極層を有する。実施形態によっては、前記上部電極層は、リンをドープした単結晶シリコン（リンドープ単結晶シリコン）を有する。実施形態によっては、前記共振要素は、前記圧電材料の層の両側に、リンドープ単結晶シリコンの層を有する。前記上部電極層におけるドーピング濃度は、上記の選択肢（ｉ）、（ｉｉ）、（ｉｉｉ）のいずれかであってもよい。前記上部電極層におけるドーピング濃度及び／又はプロファイルは、前記圧電体層の反対側のリンドープ単結晶シリコン層におけるドーピング濃度及び／又はプロファイルと比較して、同じであっても異なっていてもよい。

【0010】

実施形態によっては、前記圧電材料の層の厚さは、前記共振要素を共振モードに励起するために、０．５μｍから３μｍの範囲内であり、例えば１μｍから２μｍの範囲内である。

【0011】

実施形態によっては、前記単結晶シリコンの層の厚さは、２μｍから４０μｍの範囲内であり、例えば５μｍから２０μｍの範囲内であり、又は９μｍから１７μｍの範囲内である。

【0012】

実施形態によっては、リンドープ単結晶シリコンが、前記共振要素の質量の５０％以上を形成する。

【0013】

実施形態によっては、－３０℃から８５℃の温度範囲における共振周波数の変動は、温度２５℃における前記共振周波数に対して±３０ｐｐｍ以内である。

【0014】

実施形態によっては、前記共振要素は、前記単結晶シリコン層の面内で前記単結晶シリコン層の＜１００＞結晶軸と実質的に平行な縦長の材料部分を有する。

【0015】

実施形態によっては、前記共振要素は、長さ伸長共振モード又は曲げ共振モードで共振する縦長の材料部分を有する。

【0016】

圧電体層に関連する負の温度係数は、熱的に安定なシリコンＭＥＭＳ共振器を実現することを困難にするので、本発明の実施形態は、圧電体層を有するシリコンＭＥＭＳ共振器に特に有用である。スパッタリングによる圧電体層の堆積の容易さや、圧電体層を横切る大きすぎる電気シャント容量（これはＭＥＭＳ共振器の性能指数（Figure of Merit，ＦＯＭ）を低下させる傾向を有する）の回避を考慮すると、圧電体層の有利な厚さは０．５μｍから３μｍの範囲であり、例えば１μｍから２μｍである。０．５μｍから３μｍの範囲の厚さの圧電体層では、単結晶シリコン層の厚さは好ましくは２μｍから４０μｍの範囲である。より好ましくは、１μｍから２μｍの範囲の厚さの圧電体層に対して、単結晶シリコン層の厚さは５μｍから２０μｍの範囲である。更に好ましくは、１μｍから２μｍの範囲の厚さの圧電体層に対して、単結晶シリコン層の厚さは９μｍから１７μｍの範囲にある。ドープされた単結晶シリコン層の厚さは、単結晶シリコン層と圧電体層を有する熱的に安定な（複合）ＭＥＭＳ共振器を実現するために、圧電体層の厚さに比べて十分に厚い必要がある。共振要素の材料層を貫通するトレンチの高アスペクト比の深い反応性エッチングの容易さを考慮すると、又は、単結晶シリコン層の厚さが増加するにつれて減少する電気機械結合の強さを考慮すると、上に述べた単結晶シリコン層の厚さは、厚すぎるものではない。しかし、実施形態によっては、単結晶のリンのドーピングは、単結晶シリコン層の上記の厚さでは困難になる。単結晶シリコンの（平均の）リンのドープレベルは、熱補償のために十分に大きくする必要があるが、局所的なリンのドープレベルはあまり大きくすべきではない。これは、例えば、シリコンとリンの望ましくない化合物（ＳｉＰなど）の析出や、それに伴うプロセスのばらつきの増加及び歩留まりの低下を回避し、過度に長い高温アニールを回避するためである。本発明によるリンのドーピングプロファイル（深さ方向の濃度分布）は、これらの問題を解決し、－３０℃から８５℃の温度範囲における共振周波数の変動が、温度２５℃における前記共振周波数に対して±３０ｐｐｍ以内（あるいはそれ以下、たとえば±１０ｐｐｍ以内）である、熱的に安定な（化合物）ＭＥＭＳ共振器をもたらす。本発明によるリンのドーピングプロファイルは、キャビティに面する単結晶シリコン層の表面近傍への過剰な不純物ドーピングによって特に応力緩和効果が生じやすいキャビティＳＯＩウェハーに形成されたＭＥＭＳ共振器にも適している。例示的な実施形態では、リン不純物原子は、ウェハー面に垂直なシリコンウェハー表面（ドーピング面）から単結晶シリコンに導入される。従って、リンのドーピング濃度は、ウェハー面に垂直な方向においてのみ変化する。すなわちドーピング濃度は、ドーピング面からの距離の関数として変化する。シリコンデバイス層の厚さは、例えば、シリコンのイオンビームトリミングを使用してシリコンデバイス層の厚さのばらつきを低減することにより、正確に制御することができる。このため、本発明によるＭＥＭＳ共振器では、プロセスのばらつき（ウェハー内の位置による周波数対温度特性のばらつきや共振周波数の値のばらつきなど）を低いレベルに維持することができる。周波数対温度特性のばらつきを更に低減するために、共振要素の形状や共振モード、単結晶シリコン層内の結晶軸の方向を、リンのドーピングプロファイルや、単結晶シリコン層及び圧電体層の厚さと、並行してデザインしてもよい。

【0017】

実施形態によっては、前記共振要素は、リン原子がドープされた単結晶シリコンの層を含み、前記リン原子の濃度ｎ_ｄｏｐは、前記第１の捉え方の式（ｉ）又は（ｉｉ）又は（ｉｉｉ）に従い、前記共振器は、前記共振要素を共振モードに励起するための圧電材料の層を更に含み、前記圧電材料の層の厚さは、１μｍから２μｍの範囲内であり、前記単結晶シリコンの層の厚さは、９μｍから１７μｍの範囲内である。

【0018】

実施形態によっては、前記共振要素は、リン原子がドープされた単結晶シリコンの層を含み、前記リン原子はウェハー面に垂直なシリコンウェハー表面から前記単結晶シリコンに導入されたものであり、前記リン原子の濃度ｎ_ｄｏｐは、前記第１の捉え方の式（ｉ）又は（ｉｉ）又は（ｉｉｉ）に従い、前記共振器は、前記共振要素を共振モードに励起するための圧電材料の層を更に含み、前記圧電材料の層の厚さは、１μｍから２μｍの範囲内であり、前記単結晶シリコンの層の厚さは、９μｍから１７μｍの範囲内である。

【0019】

実施形態によっては、前記共振要素は、リン原子がドープされた単結晶シリコンの層を含み、前記リン原子はウェハー面に垂直なシリコンウェハー表面から前記単結晶シリコンに導入されたものであり、前記リン原子の濃度ｎ_ｄｏｐは、前記第１の捉え方の式（ｉ）又は（ｉｉ）又は（ｉｉｉ）に従い、前記共振器は、前記共振要素を共振モードに励起するための圧電材料の層を更に含み、前記圧電材料の層の厚さは、１μｍから２μｍの範囲内であり、前記単結晶シリコンの層の厚さは、９μｍから１７μｍの範囲内であり、－３０℃から８５℃の温度範囲における共振周波数の変動が、温度２５℃における前記共振周波数に対して±３０ｐｐｍ以内である。

【0020】

実施形態によっては、前記共振要素は、リン原子がドープされた単結晶シリコンの層を含み、前記リン原子の濃度ｎ_ｄｏｐは、前記第１の捉え方の式（ｉ）又は（ｉｉ）又は（ｉｉｉ）に従い、前記共振器は、前記共振要素を共振モードに励起するための圧電材料の層を更に含み、前記圧電材料の層の厚さは、１μｍから２μｍの範囲内であり、前記単結晶シリコンの層の厚さは、９μｍから１７μｍの範囲内であり、前記共振要素は、前記単結晶シリコン層の面内で前記単結晶シリコン層の＜１００＞結晶軸と実質的に平行な縦長の材料部分を有し、前記縦長の材料部分は、長さ伸長共振モード又は曲げ共振モードで共振するように構成される。

【0021】

実施形態によっては、前記共振要素は、リン原子がドープされた単結晶シリコンの層を含み、前記リン原子はウェハー面に垂直なシリコンウェハー表面から前記単結晶シリコンに導入されたものであり、前記リン原子の濃度ｎ_ｄｏｐは、前記第１の捉え方の式（ｉ）又は（ｉｉ）又は（ｉｉｉ）に従い、前記共振器は、前記共振要素を共振モードに励起するための圧電材料の層を更に含み、前記圧電材料の層の厚さは、１μｍから２μｍの範囲内であり、前記単結晶シリコンの層の厚さは、９μｍから１７μｍの範囲内であり、前記共振要素は、前記単結晶シリコン層の面内で前記単結晶シリコン層の＜１００＞結晶軸と実質的に平行な縦長の材料部分を有し、前記縦長の材料部分は、長さ伸長共振モード又は曲げ共振モードで共振するように構成される。

【0022】

実施形態によっては、前記共振要素は、リン原子がドープされた単結晶シリコンの層を含み、前記リン原子はウェハー面に垂直なシリコンウェハー表面から前記単結晶シリコンに導入されたものであり、前記リン原子の濃度ｎ_ｄｏｐは、前記第１の捉え方の式（ｉ）又は（ｉｉ）又は（ｉｉｉ）に従い、前記共振器は、前記共振要素を共振モードに励起するための圧電材料の層を更に含み、前記圧電材料の層の厚さは、１μｍから２μｍの範囲内であり、前記単結晶シリコンの層の厚さは、９μｍから１７μｍの範囲内であり、前記共振要素は、前記単結晶シリコン層の面内で前記単結晶シリコン層の＜１００＞結晶軸と実質的に平行な縦長の材料部分を有し、前記縦長の材料部分は、長さ伸長共振モード又は曲げ共振モードで共振するように構成され、－３０℃から８５℃の温度範囲における共振周波数の変動が、温度２５℃における前記共振周波数に対して±３０ｐｐｍ以内である。

【0023】

ある好ましい実施形態では、前記リン原子の前記濃度ｎ_ｄｏｐは、
（ｉ）ｄ／ｔ_ＤＥＶ＝０．１において、２．１０×１０^２０ｃｍ^－３から２．８６×１０^２０ｃｍ^－３の範囲内であり、ｄ／ｔ_ＤＥＶ＝０．９において、１．２６×１０^２０ｃｍ^－３から１．７２×１０^２０ｃｍ^－３の範囲内であり、
又は、
（ｉｉ）ｄ／ｔ_ＤＥＶ＝０．１において、１．２６×１０^２０ｃｍ^－３から１．７３×１０^２０ｃｍ^－３の範囲内であり、ｄ／ｔ_ＤＥＶ＝０．９において、２．１０×１０^２０ｃｍ^－３から２．８６×１０^２０ｃｍ^－３の範囲内であり、
又は、
（ｉｉｉ）ｄ／ｔ_ＤＥＶ＝０．１において、２．１７×１０^２０ｃｍ^－３から２．８６×１０^２０ｃｍ^－３の範囲内であり、ｄ／ｔ_ＤＥＶ＝０．５において、１．２７×１０^２０ｃｍ^－３から１．７７×１０^２０ｃｍ^－３の範囲内であり、ｄ／ｔ_ＤＥＶ＝０．９において、２．１７×１０^２０ｃｍ^－３から２．８６×１０^２０ｃｍ^－３の範囲内である。

【0024】

ある更に好ましい実施形態では、前記リン原子の前記濃度ｎ_ｄｏｐは、
（ｉ）ｄ／ｔ_ＤＥＶ＝０．１において、２．１４×１０^２０ｃｍ^－３から２．７５×１０^２０ｃｍ^－３の範囲内であり、ｄ／ｔ_ＤＥＶ＝０．９において、１．２８×１０^２０ｃｍ^－３から１．７０×１０^２０ｃｍ^－３の範囲内であり、
又は、
（ｉｉ）ｄ／ｔ_ＤＥＶ＝０．１において、１．２８×１０^２０ｃｍ^－３から１．７１×１０^２０ｃｍ^－３の範囲内であり、ｄ／ｔ_ＤＥＶ＝０．９において、２．１４×１０^２０ｃｍ^－３から２．７５×１０^２０ｃｍ^－３の範囲内であり、
又は、
（ｉｉｉ）ｄ／ｔ_ＤＥＶ＝０．１において、２．１８×１０^２０ｃｍ^－３から２．７５×１０^２０ｃｍ^－３の範囲内であり、ｄ／ｔ_ＤＥＶ＝０．５において、１．２８×１０^２０ｃｍ^－３から１．７５×１０^２０ｃｍ^－３の範囲内であり、ｄ／ｔ_ＤＥＶ＝０．９において、２．１８×１０^２０ｃｍ^－３から２．７５×１０^２０ｃｍ^－３の範囲内である。

【0025】

実施形態によっては、前記共振要素は２層の単結晶シリコンを有する。

【0026】

実施形態によっては、前記共振要素は単結晶シリコンの層を２層含み、前記２層のうちの一方は、前記選択肢（ｉ）、（ｉｉ）、（ｉｉｉ）のうちの１つに従ってリン原子がドープされ、前記２層のうちの他方も、前記選択肢（ｉ）、（ｉｉ）、（ｉｉｉ）のうちの１つに従ってリン原子がドープされる。

【0027】

実施形態によっては、前記共振要素は、ケイ素及びリンを含む化合物の析出物を含まない。

【0028】

実施形態によっては、前記単結晶シリコンの層は、熱拡散ドーピングを用いてリン原子がドープされる。

【0029】

実施形態によっては、前記リン原子の前記濃度ｎ_ｄｏｐは、ｄ／ｔ_ＤＥＶが０．８５から０．９５の範囲において局所最大濃度を呈する。

【0030】

実施形態によっては、前記共振要素は単結晶シリコンの層を２層含み、前記２層のうちの第１の層の＜１００＞結晶軸と、前記２層のうちの第２の層の＜１００＞結晶軸とは、それぞれの層の面内で互いに実質的に平行に整列している。

【0031】

本発明の第２の捉え方によれば、上記のＭＥＭＳ共振器を製造する方法が提供される。この方法は、
スターティングウェハー基板を取ることと；
前記共振要素と前記キャビティを作成するプロセスを実行することと；
を含み、
前記単結晶シリコンの層が熱拡散ドーピングを用いてドープされる。

【0032】

様々な捉え方や実施形態を紹介してきたが、これらは発明の範囲を限定するために提示されたものではない。これらの実施形態や後述の実施形態は、本発明の実施にあたり使用され得る特定の態様やステップを説明するために用いられるにすぎない。いくつかの実施形態は他の実施形態にも適用可能であることが理解されるべきである。紹介する実施形態は適宜組み合わせ可能でありうる。

【図面の簡単な説明】

【0033】

次に、本発明を、添付図面を参照しながら例示的にのみ説明する。
図１は、ある実施形態によるＭＥＭＳ共振器の略断面図である。
図２Ａ－２Ｃは、ある実施形態における、図１に示すタイプのＭＥＭＳレゾネータの製造工程を示す。
図３は、ある実施形態における、不純物（ドーパント）の濃度の変化を示す。
図４Ａ－４Ｃは、ある実施形態に従う、更なる製造工程を示す。
図５Ａ－５Ｆは、代替的な製造方法を示す。
図６は、ある実施形態における、ドーパント濃度を距離の関数として示す。
図７Ａ－７Ｄは、ある実施形態に従う、ある製造工程を示す。
図８－１０は、ある実施形態における、ドーパントの濃度を示す。
図１１に、ある実施形態に従うＭＥＭＳ共振器のレイアウトを示す。
図１２Ａ－１２Ｃは、ある実施形態に従う、図１１のＭＥＭＳレゾネータの更なる特徴を示す。
図１３Ａ－１３Ｂは、ある実施形態に従うＭＥＭＳレゾネータの共振周波数の温度変動を示す。
図１４Ａ－１４Ｂは、ある実施形態に従う別のＭＥＭＳ共振器を示す。
図１５Ａ－１５Ｃは、ある実施形態に従うＭＥＭＳ共振器の更なる実施形態を示す。

【詳細説明】

【0034】

本発明の実施形態は、共振器の共振周波数の温度変化を大幅に低減する（すなわち熱安定性を高める）、シリコンＭＥＭＳ共振器のリンのドーピングプロファイルを開示する。ある実施形態による共振器は、ＡＴカット水晶共振器と同等以上の熱安定性を有する。本発明の実施形態は他の利点も有する。本発明の実施形態によるリンドーパント濃度は、リンとシリコンの望ましくない化合物（ＳｉＰなど）の析出が最小となるような濃度である。また、リンのドーピングプロファイルは、費用対効果の高い大量生産に適したアニール時間を用いて、比較的低いアニール温度で達成される。

【0035】

本発明のある実施形態による、温度安定性の高いＭＥＭＳ共振器の構造は、単結晶シリコン層と、圧電体層と、導電性の上部電極層とを有する。実施形態によっては、このような共振器１５０の断面は図１に示したようなものになる。図面には層１０１～１０５が示されている。これらは次のようなものである。
・ 層１０１： ドープされた単結晶シリコン層（デバイス層ともいう）。リンがドープされた単結晶シリコンは、共振要素１００の質量の５０％以上を形成する。 実施形態によっては、ドープシリコン層は下部電極層として機能する。
・ 層１０２： 圧電体層。この層の材料は、ＡｌＮ、ＺｎＯ、ＳｃドープＡｌＮ（Ｓｃ_ｘＡｌ_１-ｘＮ，ｘ＜０．５）、又は他の圧電性結晶化合物である。共振器の電気機械変換（Transduction）は、圧電体層に対する交流電界の印加に基づいている。
・ 層１０３： 上部電極層。圧電体層の上面の上には上部電極層がある。この層の材料は、Ａｌ、Ｍｏ、Ａｕ、合金、又は縮退ドープされたポリシリコン、又は縮退ドープされた単結晶シリコン、又は導電性である他の適切な材料である。
・ 層１０４： 埋め込まれた酸化シリコン層。この層は、ドープされた単結晶層１０１とハンドル層１０５との間にガルバニック絶縁を提供する。
・ 層１０５：（単結晶）シリコンハンドル層（又は他の材料から作られたハンドル層）であり、基板とも呼ばれる。

【0036】

共振器１５０は共振要素１００を有する。共振要素１００は共振器の振動エネルギーを含む。（ただし、共振要素の周囲の構造物へのエネルギーのわずかな漏れは別である。）共振要素１００は、層１０１（ドープ単結晶シリコン層）、１０２（圧電体層）、１０３（上部電極層）内に材料部分を有する。共振要素１００内の圧電体層１０２の材料部分は、共振要素１００を共振モードに励起するために使用され得る圧電アクチュエータを形成する。キャビティ（空洞）１１０が、共振要素１００の下面をハンドル層１０５から分離している。

【0037】

実施形態によっては、キャビティ１１０の横方向の寸法は、１００ｍから８００ｍの範囲である。キャビティ１１０の深さは、０．５ｍから２００ｍの範囲であり、例えば２μｍから５０μｍの範囲である。

【0038】

実施形態によっては、単結晶シリコン層１０１の厚さは、好ましくは２μｍから４０μｍの範囲であり、より好ましくは５μｍから２０μｍの範囲であり、更に好ましくは９μｍから１７μｍの範囲である。

【0039】

実施形態によっては、圧電体層１０２の厚さは０．５μｍから３μｍの範囲であり、例えば１μｍから２μｍの範囲である。

【0040】

実施形態によっては、上部電極層１０３の厚さは０．１５μｍから０．４μｍであり、例えば０．０５μｍから１μｍの範囲である。実施形態によっては、上部電極層１０３の材料は縮退ドープされた単結晶シリコンであり、層１０３の厚さは２μｍから４０μｍの範囲、例えば５μｍから２０μｍである。

【0041】

実施形態によっては、図２Ａに示されるキャビティＳＯＩ（Cavity-SOI，ＣＳＯＩ）ウェハーが、ＭＥＭＳ共振器１５０の製造のためのスターティングウェハー基板である。キャビティＳＯＩウェハーは、単結晶シリコンハンドル層１０５に形成されたキャビティ１１０、シリコンハンドル層１０５の上面に形成された酸化シリコン層１０４、酸化シリコン層１０４に接合された単結晶シリコンデバイス層１０１を含む。実施形態によっては、図２Ｂに示されるように、ｎ型ドーピング用のリンを含むＰＳＧガラス１２０の膜が、ＰＯＣｌ_３炉内でキャビティＳＯＩウェハーの上面に堆積される。実施形態によっては、蒸着時間は３０分から２００分の範囲であり、温度は１０００℃から１１００℃の範囲である。ＰＳＧ蒸着の後、例えば、１０００℃から１１００℃の範囲の温度で、１２０分から６００分の範囲の時間にわたって行われるドライブインプロセスステップによって、リンが単結晶シリコンデバイス層１０１に拡散される。有利な実施形態では、ＰＳＧ層１２０は、フッ化水素酸を含むウェットエッチング液によって除去される。その後、例えば１１００℃から１２２０℃の範囲の温度でアニールする間に、リンドーパントをデバイス層１０１に拡散させる。アニール中、リンドーパントは、図２Ｃに示されるように、単結晶シリコンデバイス層１０１の上面層からデバイス層１０１の底部に向かって拡散する。（図２Ｃにおいて、ｄは上面層からの距離を示す。）厚さ１１ｕｍのデバイス層１０１を用いた例示的なケースでは、アニールには１０時間から４５時間かかる。厚さ５ｕｍのデバイス層１０１を用いる他の実施形態では、アニールには２時間から１０時間かかるだろう。厚さ１５ｕｍのデバイス層１０１を用いた本発明の他の実施形態では、アニールには１９時間から８４時間を要するだろう。

【0042】

アニール中のデバイス層１０１内のリンドーパントの濃度変化を図３に示す。短いアニールステップの後、リンドーパント濃度の勾配は比較的高いままである。長いアニールの後、ドーパント濃度はより均一になる。

【0043】

実施形態によっては、リンドーパントのアニールに続いて、１０５０℃から１１５０℃の範囲の温度で、５時間から１５時間の範囲の時間で湿式酸化を行う。その後、フッ化水素酸を含む湿式エッチング液によって酸化物を除去してもよい。

【0044】

実施形態によっては、リンドーパントのアニールに続いて、デバイス層の表面層を浅くエッチングする。これは、シリコンの単結晶層構造中のドーパント濃度が高すぎる領域を除去するためである。エッチングの深さは、５０ｎｍから５００ｎｍの範囲としてもよい。

【0045】

実施形態によっては、単結晶シリコン層１０１へのリンのドーピングは、スピンオンリン添加ガラスなどの固体ドーピング材料から出発する熱拡散ドーピングによって行われる。

【0046】

実施形態によっては、製造方法の次のステップは、図４Ａに示されるように、キャビティＳＯＩウェハーの上面に、ＡｌＮ又はＳｃドープＡｌＮなどの圧電体層１０２又は別の圧電材料を堆積することである。実施形態によっては、次に、図４Ｂに示されるように、電極層１０３が堆積される。電極層の材料は、金、アルミニウム、モリブデン、タングステン、（ドープされた）ポリシリコンのいずれかであってもよく、又は他の導電性材料であってもよい。実施形態によっては、次に、共振要素１００を形成する材料層（単結晶シリコンデバイス層１０１、圧電体層１０２、上部電極層１０３）を貫通する垂直トレンチ１１１を、例えば深反応性イオンエッチングを用いてエッチングし、図４Ｃに示されるようにＭＥＭＳ共振要素１００のレイアウトをパターニングする。

【0047】

ある代替実施形態では、共振器の製造は、スターティングウェハーとしてシリコンオンインシュレータ（ＳＯＩ）ウェハーを使用する。図５Ａ～Ｆは、ＳＯＩウェハー上に共振要素１００を作製するために使用され得る例示的な製造ステップを示す。図５Ａは、ハンドル層（符号２０５）の上に酸化シリコン層（符号２０４）を示し、酸化シリコン層２０４の上に単結晶デバイス層１０１を示す。ＳＯＩウェハーの単結晶デバイス層１０１のドーピングは、ＣＳＯＩウェハーの場合と同様に進行する。図５Ｂに示されるように、デバイス層上にＰＳＧ層１２０を堆積し、ドライブインプロセス工程によって、リン原子をデバイス層の内部に拡散させる。その後、図５Ｃに示すように、ＰＳＧ層を除去し、ＳＯＩウェハーをアニールして、リン原子をデバイス層１０１に深く拡散させる。同じデバイス層厚のＳＯＩウェハーとキャビティＳＯＩウェハーをドーピングするために、実質的に同じプロセスパラメータ（すなわち、ドライブインとアニールの温度対時間プロファイル）を使用することができる。図５Ｄに示されるように、圧電体層１０２と上部電極層１０３が堆積される。図５Ｅに示される垂直トレンチ１１１のエッチングは、共振要素１００の横方向寸法を定義する。次に、図５Ｆに示されるように、共振要素１００の下にキャビティ１１０を形成し、それによってハンドル層２０５から切り離すために、例えばＨＦベーパーエッチングが使用される。

【0048】

実施形態によっては、リンドーパントの濃度は、図６に示されるように、単結晶シリコン層１０１の上面からの距離に応じて変化する。図６の縦軸は、二次イオン質量分析（ＳＩＭＳ）装置で測定された、１立方センチメートル当たりのリン原子数という単位でのリンドーパントの絶対濃度ｎ_ｄｏｐである。図６の横軸は相対深度ｄ_ＲＥＬである。相対深度ｄ_ＲＥＬは、単結晶シリコン層１０１の上面からの距離ｄを、単結晶シリコン層１０１の厚さｔ_ＤＥＶで割ったものである。すなわち、ｄ_ＲＥＬ＝ｄ／ｔ_ＤＥＶ．図６のデータによって示される例示的な実施形態では、厚さｔ_ＤＥＶ＝１１μｍである。データによれば、一般的な傾向として、リンドーパント濃度は距離とともに（単調に）減少する。すなわち単結晶シリコン層１０１の奥に入るにつれて減少する。単結晶シリコン層１０１の上面近傍、ｄ_ＲＥＬ＝０．１では、リンドーパント濃度ｎ_ｄｏｐは２．４８×１０^２０ｃｍ^－３である。一方、単結晶シリコン層１０１の下面付近、ｄ_ＲＥＬ＝０．９では、リンドーパント濃度ｎ_ｄｏｐは１．４９×１０^２０ｃｍ^－３である。ｄ_ＲＥＬ＝０．１における濃度はｄ_ＲＥＬ＝０．９における濃度より６６％高い。

【0049】

図６に従うドーピングプロファイルを有する厚さ１０．９±０．２μｍのデバイス層のシート抵抗の測定値は０．４８±０．０１オーム／平方で、これは平均シリコン抵抗率０．５２±０．０２ｍオームｃｍに相当する。

【0050】

図１１～図１３を参照して後述するように、本発明の実施形態に従うリンドーパント分布は、シリコンＭＥＭＳ共振器の熱安定性を、最先端の水晶共振器と同じレベルまで向上させる。

【0051】

実質的に同じリンドーパント分布は、本発明の様々な実施形態におけるシリコンＭＥＭＳ共振器について、クオールレベルの熱安定性をもたらす。共振器の共振モードは、例えば長さ伸長（length-extensional）モード、屈曲（flexural）モード、バルク音響（bulk-acoustic）モード、又はねじり（torsional）モードであってもよい。また、共振器の形状は、モードに応じて異なるものであってもよい。共振運動中の主運動は、面内（in-plain）又は面外（out-of-plane）で生じてもよい。ここで用語「面」は、デバイス層１０１の面を指す。また、共振器の公称周波数は、１ＭＨｚ～２００ＭＨｚなどのＭＨｚ範囲であってもよく、又は３０ｋＨｚ～１０００ｋＨｚなどのｋＨｚ範囲であってもよく、例えば３２ｋＨｚであってもよい。デバイス層１０１、圧電体層１０２、及び上部電極層１０３の厚さは、実装に応じて変わってもよい。

【0052】

実施形態によっては、リンのドーパント濃度ｎ_ｄｏｐは、好ましくは、ｄ／ｔ_ＤＥＶ＝０．１において、１．９９×１０^２０ｃｍ^－３から２．９７×１０^２０ｃｍ^－３の範囲内であり、ｄ／ｔ_ＤＥＶ＝０．９において、１．２０×１０^２０ｃｍ^－３から１．７８×１０^２０ｃｍ^－３の範囲内である。ｎ_ｄｏｐは、より好ましくは、ｄ／ｔ_ＤＥＶ＝０．１において、２．１０×１０^２０ｃｍ^－３から２．８６×１０^２０ｃｍ^－３の範囲内であり、ｄ／ｔ_ＤＥＶ＝０．９において、１．２６×１０^２０ｃｍ^－３から１．７２×１０^２０ｃｍ^－３の範囲内である。ｎ_ｄｏｐは、更により好ましくは、ｄ／ｔ_ＤＥＶ＝０．１において、２．１４×１０^２０ｃｍ^－３から２．７５×１０^２０ｃｍ^－３の範囲内であり、ｄ／ｔ_ＤＥＶ＝０．９において、１．２８×１０^２０ｃｍ^－３から１．７０×１０^２０ｃｍ^－３の範囲内である。

【0053】

なお、共振要素１００の外側のシリコン層のドーピングは、ＭＥＭＳ共振器の共振周波数に影響を与えないため、本開示におけるリンのドーピング濃度の値は、明示されていなくても、常に共振要素１００内のリン濃度を指すことに留意されたい。

【0054】

特定の代替実施形態では、いわゆる接合前ドーピング法（Doping-Before-Bonding Method）において、（未加工の）単結晶シリコンウェハー３０１が、ＭＥＭＳ共振器の製造のためのスターティングウェハー基板である。図７Ａに示すように、ＰＯＣｌ_３ 炉でシリコンウェハー３０１上にＰＳＧガラス３２０の膜を堆積させる。ドライブイン工程で、シリコンウェハー３０１の表面層３２１にリンのドーパントを拡散させる。ＰＳＧ層３２０はその後、エッチングにより除去されてもよい。図７Ｂに示されるように、１１００℃から１２２０℃の範囲の温度でアニールし、リンドーパントを表面層３２１からウェハーのより深い層に拡散させる。実施形態によっては、シリコンウェハー３０１の表面層３２１の一部は、その後、エッチングによって除去される。エッチングの深さは、５０ｎｍから５００ｎｍであってもよい。

【0055】

ドープされたシリコンウェハー３０１は、その後、シリコン（ハンドル）ウェハーに接合される。実施形態によっては、ハンドルウェハー３０５は、図７Ｃの例示的な実施形態に示されるように、キャビティ３１０を有する（キャビティウェハー）。この例では、ドープされたシリコンウェハー３０１は、シリコンウェハー３０１のオリジナルの表面層３２１と、ハンドルウェハー３０５上の酸化シリコン層３０４との間に接合界面が形成されるように、ハンドルウェハー３０５に接合される。その後、接合ウェハー対の一部となったドープシリコンウェハー３０１の（ドープされていない）裏面が、例えば研削及び研磨によって除去され、ドープシリコンウェハー３０１の残りの（ドープされた）表面側が、設計された厚さを有する（共振器１５０の）デバイス層１０１となる。共振器の製造は、図４Ａ～Ｃを用いて上述したように進めてもよい。

【0056】

図７Ｄに示す実施形態では、ドープシリコンウェハー３０１は、酸化シリコン層３３４を有するシリコンハンドルウェハー３３５に接合される。次に、接合ウェハー対の一部となったドープシリコンウェハー３０１の（ドープされていない）裏面が、例えば研削及び研磨によって除去され、ドープシリコンウェハー３０１の残りの（ドープされた）表面側が、設計された厚さを有する（共振器１５０の）デバイス層１０１となる。共振器の製造は、図５Ｄ～Ｆを用いて上述したように進めてもよい。
（図７Ａ～Ｄに図示した）接合前ドーピング法を用いる実施形態によっては、デバイス層３０１内のリンドーパント濃度（ｎ_ｄｏｐ）は、（接合されたウェハー対の）デバイス層３０１内の上面３２２から、（ハンドル）層に面する面３２１に向かって増加する。（ハンドル層は、キャビティウェハー３０５又はシリコンウェハー３３５によって形成される。）この濃度の様子は図８に示されている。

【0057】

ある実施形態では、図９に示されるように、リンドーパントの濃度は、単結晶シリコン層３０１の上面からの距離に応じて変化する。図９の縦軸は、二次イオン質量分析計（ＳＩＭＳ）で測定されたリンドーパントの絶対濃度ｎ_ｄｏｐである。図９の横軸は相対深度ｄ_ＲＥＬである。相対深度ｄ_ＲＥＬは、単結晶シリコン層３０１の上面からの距離ｄを、単結晶シリコン層３０１の厚さｔ_ＤＥＶで割ったものである。すなわち、ｄ_ＲＥＬ＝ｄ／ｔ_ＤＥＶである。図９のデータによって示される例示的な実施形態では、厚さｔ_ＤＥＶ＝１０．５μｍである。

【0058】

このデータによれば、単結晶シリコン層３０１の上面及び下面に近い領域を除けば、リンのドーパント濃度は、距離ｄに応じて（単調に）増加する。すなわち、単結晶シリコン層３０１の奥に入るにつれて増加する。単結晶シリコン層３０１の上面近傍、ｄ_ＲＥＬ＝０．１では、リンドーパント濃度ｎ_ｄｏｐは１．７１×１０^２０ｃｍ^－３である。一方、単結晶シリコン層３０１の下面付近、ｄ_ＲＥＬ＝０．９では、リンドーパント濃度ｎ_ｄｏｐは２．１２×１０^２０ｃｍ^－３である。ｄ_ＲＥＬ＝０．９における濃度はｄ_ＲＥＬ＝０．１における濃度より２４％高い。

【0059】

実施形態によっては、接合前ドーピング法を用いて作製されたＭＥＭＳ共振器において、単結晶シリコン層３０１の下面近傍にリンドーパント濃度の最大値が存在する。濃度が最大となる位置は、図９のデータに例示されるように、距離ｄ_ＲＥＬが０．８５から０．９５である範囲にあってもよい。

【0060】

接合前ドーピング法を利用するいくつかの実施形態がある。図９に示されるものと実質的に同じリンドーパント分布が、シリコンＭＥＭＳ共振器に対して、クォーツレベルの熱安定性をもたらす。

【0061】

共振器の共振モードは、例えば長さ伸長モード、屈曲モード、バルク音響モード、又はねじりモードであってもよい。また、共振器の形状は、モードに応じて異なるものであってもよい。共振運動中の主運動は、面内（in-plain）又は面外（out-of-plane）で生じてもよい。ここで用語「面」は、デバイス層３０１の面を指す。また、共振器の公称周波数は、１ＭＨｚ～２００ＭＨｚなどのＭＨｚ範囲であってもよく、又は３０ｋＨｚ～１０００ｋＨｚなどのｋＨｚ範囲であってもよく、例えば３２ｋＨｚであってもよい。デバイス層１０１、圧電体層１０２、及び上部電極層１０３の厚さは、実装に応じて変わってもよい。

【0062】

本発明者らは、接合前ドーピング法を用いて、様々なリンドーパント分布におけるシリコンＭＥＭＳ共振子の熱安定性について、いくつかの実験を行った。これらの実験の知見は、以下のように要約することができる。実施形態によっては、リンのドーパント濃度ｎ_ｄｏｐは、好ましくは、ｄ／ｔ_ＤＥＶ＝０．１において、１．２０×１０^２０ｃｍ^－３から１．８０×１０^２０ｃｍ^－３の範囲内であり、ｄ／ｔ_ＤＥＶ＝０．９において、２．０２×１０^２０ｃｍ^－３から２．９７×１０^２０ｃｍ^－３の範囲内である。ｎ_ｄｏｐは、より好ましくは、ｄ／ｔ_ＤＥＶ＝０．１において、１．２６×１０^２０ｃｍ^－３から１．７３×１０^２０ｃｍ^－３の範囲内であり、ｄ／ｔ_ＤＥＶ＝０．９において、２．１０×１０^２０ｃｍ^－３から２．８６×１０^２０ｃｍ^－３の範囲内である。ｎ_ｄｏｐは、更により好ましくは、ｄ／ｔ_ＤＥＶ＝０．１において、１．２８×１０^２０ｃｍ^－３から１．７１×１０^２０ｃｍ^－３の範囲内であり、ｄ／ｔ_ＤＥＶ＝０．９において、２．１４×１０^２０ｃｍ^－３から２．７５×１０^２０ｃｍ^－３の範囲内である。

【0063】

両面ドーピング法（Double-Sided-Doping Method）を利用する或る代替実施形態では、シリコンの単結晶デバイス層は、当該デバイス層を形成するシリコンウェハーがハンドル層に接合される前と後の両方でドーピングされる。第１のドーピングでは、図７Ａ～Ｄを参照して接合前ドーピング法に関連して説明したように、リンのドーパントがデバイス層に導入される。第２のドーピングでは、図２Ａ～Ｃ及び図５Ａ～Ｃを参照してキャビティＳＯＩ及びＳＯＩウェハーのドーピングに関連して説明したように、リンドーパントがデバイス層に導入される。両面ドーピング法では、リンドーパント濃度のプロファイルは、図１０に示すように、相対深さｄ_ＲＥＬの関数として変化する。

【0064】

単結晶シリコン層１０１、３０１の上面から下面に向かって移動するとき、すなわち距離ｄが０からｔ_ＤＥＶへと増加するとき、リンドーパント濃度ははじめ減少し、ｄ_ｍｉｎで示されるある距離で最小となる。その後、シリコン層１０１、３０１の下面に移動するに従ってリンドーパント濃度は再び増加する。しかし実施形態によっては、下面及び上面付近では、リン濃度のこの一般的な挙動が僅かに異なる場合がある。特に、実施形態によっては、ｄ／ｔ_ＤＥＶがだいたい０．９という浅い位置でリン濃度が最大値を示す場合がある。これは、図９のデータが示す挙動と同様である。

【0065】

両面ドーピング法を用いた或る実施形態において、２つのドーピングステップのドーピングプロセスパラメータ（ＰＳＧ層の厚さ、ドライブイン時間、アニール時間など）は実質的に同一である。この場合、ドーパント濃度はデバイス層のほぼ中央（ｄ_ｍｉｎが約０．５ｔ_ＤＥＶ）で最小値となる。このような「対称的な」両面ドーピングによれば、比較的短いアニール時間で、比較的厚いデバイス層を持つ共振器を強力にドープすることが可能になる。共振要素のデバイス層の厚みを増加させることにより、より大きな振動エネルギーに到達することが可能となり、ひいては共振器を使用した発振回路のノイズ特性を改善することができる。熱的に安定なシリコンＭＥＭＳ共振器の例示的なケースでは、デバイス層１０１の厚さは２２μｍであり、対称的な両面リンドーピングの２つのアニール工程には、それぞれ１０時間から４５時間を要しうる。熱的に安定なシリコンＭＥＭＳ共振器の別の例示的なケースでは、デバイス層１０１の厚さは１０μｍであり、対称的な両面リンドーピングの２つのアニール工程は、それぞれ２時間から１０時間を要しうる。厚さ３０μｍのデバイス層１０１を有する更に別の例示的なケースでは、２つのアニール工程にそれぞれ１９時間から８４時間を要しうる。

【0066】

実施形態によっては、リンのドーパント濃度ｎ_ｄｏｐは、好ましくは、ｄ／ｔ_ＤＥＶ＝０．１において、２．０８×１０^２０ｃｍ^－３から２．９７×１０^２０ｃｍ^－３の範囲内であり、ｄ／ｔ_ＤＥＶ＝０．５において、１．２０×１０^２０ｃｍ^－３から１．８６×１０^２０ｃｍ^－３の範囲内であり、ｄ／ｔ_ＤＥＶ＝０．９において、２．０８×１０^２０ｃｍ^－３から２．９７×１０^２０ｃｍ^－３の範囲内である。ｎ_ｄｏｐは、より好ましくは、ｄ／ｔ_ＤＥＶ＝０．１において、２．１７×１０^２０ｃｍ^－３から２．８６×１０^２０ｃｍ^－３の範囲内であり、ｄ／ｔ_ＤＥＶ＝０．５において、１．２７×１０^２０ｃｍ^－３から１．７７×１０^２０ｃｍ^－３の範囲内であり、ｄ／ｔ_ＤＥＶ＝０．９において、２．１７×１０^２０ｃｍ^－３から２．８６×１０^２０ｃｍ^－３の範囲内である。ｎ_ｄｏｐは、更により好ましくは、ｄ／ｔ_ＤＥＶ＝０．１において、２．１８×１０^２０ｃｍ^－３から２．７５×１０^２０ｃｍ^－３の範囲内であり、ｄ／ｔ_ＤＥＶ＝０．５において、１．２８×１０^２０ｃｍ^－３から１．７５×１０^２０ｃｍ^－３の範囲内であり、ｄ／ｔ_ＤＥＶ＝０．９において、２．１８×１０^２０ｃｍ^－３から２．７５×１０^２０ｃｍ^－３の範囲内である。

【0067】

温度安定性の高いＭＥＭＳ共振器１５０の例示的なレイアウトを図１１に示す。この図は、共振要素１００を含む長さ伸長モード（length-extensional-mode）共振器を示している。材料層１０１、１０２、１０３を貫通する垂直トレンチ５１１が共振要素１００の横方向寸法を規定する。共振要素１００は、複数の（ここでは５つの）縦長の共振器サブ要素５０１で形成されている。これらのサブ要素５０１は、遠位端部分を除き、垂直トレンチ５１２によって隣接するサブ要素５０１から分離されている。これらの遠位端部分は、結合要素５０２によって相互に結合されている。

【0068】

共振要素１００は、縦長のサブ要素５０１の長手方向軸（ｙ方向）に沿った運動が優勢な、単一の集団的な長さ伸長共振モードで振動する。共振要素１００は、長さ伸長共振モードの節点位置（５２６、５２７）に固定された（そして他端においてそれぞれの１つ又は複数の支持構造に固定された）懸架要素（５２１、５２２）を用いて繋留される。懸架要素（５２１、５２２）は、ｘ方向に沿った機械的柔軟性を提供するべく、ｙ方向に縦長の材料部分を有する。これは、共振器材料スタック（層１０１、１０２、１０３）内の機械的応力を緩和するためである。

【0069】

実施形態によっては、温度による共振周波数の変動をできるだけ小さくするために、サブ要素５０１の長手方向軸（ｙ方向）は、要素層１０１内の単結晶シリコンの＜１００＞結晶軸に実質的に整列される。

【0070】

図１２Ａ－Ｃは、図１１のＭＥＭＳ共振器の更なる特徴を示す。図１２Ａには、ｙ方向の対称軸に沿った断面ＡＡ'が図示されている。本実施形態において、下部電極層として使用されるドープ単結晶シリコン層１０１に電気的接続を行うために、コンタクトパッド６２１が設けられる。圧電体層１０２の開口部６３０は、圧電体層１０２を通る電気的相互接続のための経路を提供するために形成される。コンタクトパッド６２２は上部電極層１０３との電気的接続のために設けられる。上部電極１０３は、２つの電極間にガルバニック絶縁を形成するために、いくつかの領域６３１、６３２で除去されている。機械的共振運動を励起するために、面内長さ伸長共振要素１００の共振周波数の交流電圧がコンタクトパッド６２１、６２２に接続される。これにより圧電膜１０２に交流電界が形成され、圧電膜の面内に力が発生して共振運動が励起される。

【0071】

図１１の共振器の断面ＢＢ'を図１２Ｂに示す。この断面では、トレンチ５１２が５つの共振器サブ要素５０１を分離している。

【0072】

図１１の共振器の断面ＣＣ'を図１２Ｃに示す。この断面において、５つの共振器サブ要素５０１とそれらの結合要素５０２は、単一の材料部分を形成している。

【0073】

本発明の実施形態により、ＭＥＭＳ共振器の共振周波数の温度変化が大幅に低減される。この点を説明するために、図１３Ａは、－３０℃から８５℃の温度範囲で温度を変化させたときの、２４ＭＨｚの長さ伸長モード共振子の共振周波数の測定値を表している。図１３Ａの縦軸は、温度３０℃における共振子の周波数に対する、特定の共振子の周波数の差を表している。周波数差の単位は、温度３０℃での周波数に対する百万分率（ｐｐｍ）である。図１３Ａのデータは、－３０℃から８５℃の温度範囲における共振周波数の変動が、－７．５ｐｐｍから＋２．５ｐｐｍの範囲にあることを示している。図１３Ａのデータは、図１１及び図１２Ａ～Ｃの図に実質的に従った設計を有し、リンのドーピング濃度プロファイルが図６に図示されたドーピングプロファイルと実質的に同一である、相互接続された長さ伸長共振子のものである。

【0074】

図１３Ｂは、リンのドーピングに接合前ドーピング法を用いた、２４ＭＨｚの長さ伸長モード共振子の共振周波数の測定値を示す。

【0075】

図１３Ｂの縦軸は、ある共振子の温度２５℃での周波数に対する当該共振子の周波数差を表している。周波数差の単位は、温度２５℃での周波数に対する百万分率（ｐｐｍ）である。図１３Ｂのデータは、２つの特定の共振子サンプルについて、温度が２５℃から８５℃に上昇すると、共振周波数が約２０ｐｐｍ低下することを示している。図１３Ｂのデータは、図１１及び図１２Ａ～Ｃの図に実質的に従った設計を有し、リンのドーピング濃度プロファイルが図９に図示されたドーピングプロファイルと実質的に同一である、相互接続された長さ伸長共振子のものである。

【0076】

同様の結果は、図１０を参照して上に説明したリンドーピングプロファイルを持つＭＥＭＳ共振器でも得られる。

【0077】

本発明によるリンドーピングプロファイルを有する熱的に安定なシリコンＭＥＭＳ共振器の有利な実施形態では、－３０℃から８５℃の温度範囲における共振周波数の変動は、温度２５℃におけるその共振周波数に対して±３０ｐｐｍ以内である。本発明によるリンドーピングプロファイルを有する熱的に安定なシリコンＭＥＭＳ共振器の有利な実施形態では、－３０℃から８５℃の温度範囲における共振周波数の変動は、温度２５℃におけるその共振周波数に対して±１０ｐｐｍ以内である。

【0078】

本発明による、熱的に安定なＭＥＭＳ共振器１５０の別の実施形態を図１４Ａ－Ｂに示す。この共振器は、面外モード（out-of-plane mode）で振動する屈曲モード（flexural-mode）共振器である。図１４Ａに示されるように、材料層１０１、１０２、及び１０３を貫通する垂直トレンチ１１１は、材料層１０１、１０２、及び１０３の平面に垂直な（すなわち、ｚ方向に沿った、面外）運動が支配的な共振モードで振動する、梁型共振要素１００の横方向寸法を規定する。実施形態によっては、温度による共振周波数の変動を最小化するために、梁型共振要素１００の長手方向軸（ｙ方向）は、要素層１０１内の単結晶シリコンの＜１００＞結晶軸に実質的に整列される。

【0079】

図１４Ｂは、ｙ方向に沿う断面ＡＡ'に沿って、図１４Ａの共振器のさらなる特徴を示している。本実施形態において、下部電極層として使用されるドープ単結晶シリコン層１０１に電気的接続を行うために、コンタクトパッド６２１が設けられる。圧電体層１０２の開口部６３０は、圧電体層１０２を通る電気的相互接続のための経路を提供するために形成される。コンタクトパッド６２２は上部電極層１０３との電気的接続のために設けられる。上部電極は、２つの電極間にガルバニック絶縁を形成するために、いくつかの領域６３２で除去されている。

【0080】

本発明による、熱的に安定なＭＥＭＳ共振器１５０の別の実施形態を図１５Ａ－Ｃに示す。この共振器は、先の１つ又は複数の実施形態に従う濃度分布でリン原子がドープされた２つの単結晶層１０１及び８０３を有する。好ましい実施形態では、単結晶シリコン層１０１又は８０３の少なくとも一方におけるリンのドーピング濃度は、シリコン層の中の位置ｄ_ＲＥＬ＝０．１及びｄ_ＲＥＬ＝０．９において、上に示された好ましい濃度範囲のいずれかに従う濃度プロファイル有する。より好ましい実施形態では、単結晶シリコン層１０１及び８０３の両方において、シリコン層の中の位置ｄ_ＲＥＬ＝０．１及びｄ_ＲＥＬ＝０．９におけるリンのドーピング濃度は、上に示された好ましい濃度範囲のいずれかに従う。ドープシリコン層１０１を下部電極層として使用し、ドープシリコン層８０３を上部電極として使用してもよい。実施形態によっては、層８０３の厚さは２μｍ～２０μｍの範囲である。実施形態によっては、リンドープ単結晶シリコン（すなわち層１０１と層８０３）は、共振要素１００の質量の５０％以上を形成する。層１０１及び８０３をドーピングするために使用される方法には、図２Ａ～Ｃ及び図５Ａ～Ｆを用いて説明した、ＣＳＯＩ又はＳＯＩスターティングウェハーのドーピング法や、図７Ａ～Ｄを用いて説明した接合前ドーピング法、図１０を用いて説明した両面ドーピング法が含まれる。

【0081】

図１５Ａの共振器の断面ＡＡ'が図１５Ｃに図示され、図１５Ａの共振器の断面ＣＣ'が図１５Ｂに図示されている。実施形態によっては、図１５Ｂ及び図１５Ｃに示されるように、圧電体層１０２とシリコン層８０３との間に中間材料層１０２'が設けられる。この層１０２'は、シリコン層８０３を圧電体層１０２に接合するために使用されてもよい。実施形態によっては、共振要素上に、例えば共振器の共振周波数を微調整するために使用できる材料層８０３'（図１５Ａ及び図１５Ｂに示されるようなパターンであるか、又は均一な層）が存在する。材料層８０３'の厚さは、０．１μｍから０．４μｍの範囲であってもよい。

【0082】

図１５Ａに示す実施形態では、共振要素１００のレイアウトは、長さ伸長モード共振器のレイアウトに対応している。共振要素１００は、長手方向の沿った（ｙ方向に沿った）運動が優勢な共振モードで振動する。材料層（１０１、１０２、１０２'、８０３）を貫通する垂直トレンチ１１１は、共振要素１００の横方向寸法を規定する。共振要素１００は、長さ伸長共振モードの節点位置で共振要素１００に固定された懸架要素（８２１、８２２）を用いて繋留される。懸架要素（８２１、８２２）の他端は１つ又は複数の支持構造に固定されている。

【0083】

図１５Ｃは、ｘ方向に沿った断面ＡＡ'における共振器のさらなる特徴を示している。本実施形態において、下部電極層として使用されるドープ単結晶シリコン層１０１に電気的接続を行うために、コンタクトパッド６２１が設けられる。圧電体層１０２、中間層１０２'、及び上部電極層８０３を貫通する開口部６３０は、下部電極１０１への通路を提供するために形成される。コンタクトパッド６２２は上部電極層８０３との電気的接続のために設けられる。上部電極（単結晶シリコン）層８０３には、中間層１０２'まで延びるトレンチ６３２がパターン形成され、電気（相互）接続間のガルバニック絶縁を実現している。（図１５Ｃに示す実施形態では、中間層１０２'は電気絶縁性であると仮定する）。

【0084】

実施形態によっては、共振周波数の温度による変動をなるべく小さくするために、単結晶シリコン層１０１及び８０３の結晶方向並びに共振要素１００のレイアウトは、（下の）シリコン層１０１内の単結晶シリコンの＜１００＞結晶軸と、（上の）シリコン層８０３内の単結晶シリコンの＜１００＞結晶軸と、共振要素１００の長手方向軸（ｙ方向及び共振要素の縦長の材料部分の方向）とが全て互いに実質的に平行に整列される。

【0085】

請求項に係る発明の技術的範囲及び解釈を制限することなく、本明細書に開示された例示的な実施形態の１つ又は複数の技術的効果を以下に列挙する。技術的効果の１つは、シリコンＭＥＭＳ共振器の共振周波数の温度変化が小さいことである（すなわち、良好な熱安定性である）。別の技術的効果は、リンのドーピングプロファイルが、費用対効果の高い大量生産に適したアニール時間を用いて、比較的低いアニール温度で達成されることである。

【0086】

上の説明は、本発明の特定の実装形態および実施形態の非限定的な例によって、本発明を実施するために本発明者らが現在考えている最良の形態の完全かつ有益な説明を提供したものである。しかしながら、当業者には明らかであるように、上述の実施形態の詳細は本発明を限定するものではなく、本発明の特徴から逸脱することなく同等の手段を用いて、他の実施形態に実装することができる。

【0087】

さらに、以上に開示した本発明の実施形態の特徴は、対応する他の特徴を用いることなく用いられてもよい。然るに、以上の説明は、本発明の原理を説明するための例に過ぎず、それを限定するものではないと捉えるべきである。よって、本発明の範囲は添付の特許請求のみによって制限されるものである。

【図1】

【図2A】

【図2B】

【図2C】

【図3】

【図4A】

【図4B】

【図4C】

【図5A】

【図5B】

【図5C】

【図5D】

【図5E】

【図5F】

【図6】

【図7A】

【図7B】

【図7C】

【図7D】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12A】

【図12B】

【図12C】

【図13A】

【図13B】

【図14A】

【図14B】

【図15A】

【図15B】

【図15C】

【国際調査報告】