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Die vorliegende Erfindung betrifft ein piezoelektrisches Element und ein Verfahren zum Herstellen eines piezoelektrischen Elements.
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Piezoelektrische Bauteile wie beispielsweise Ultraschallwandler als auch RF-Schalter (radio frequency) oder Fabry-Perot-Interferometer können bisher nicht einfach in einen CMOS-Prozess (complementary metal-oxide-semiconductor) integriert werden und erfordern daher aufwändige und teure Aufbau- und Verbindungstechnik. Insbesondere sind die hierfür gebräuchlichen piezoelektrischen Werkstoffe Blei-Zirkonat-Titanat (PZT) wie nicht CMOS-kompatibel (complementary metal-oxide-semiconductor) und darüberhinaus nicht nicht RHoS-kompatibel ist (Restriction of Hazardous Substances, EU-Richtlinie 2011/65/EU). Daher wurde für derartige Bauteile bislang oftmals Aluminiumnitrit (AIN) bzw. Scandium-dotiertes AIN verwendet. Dieses Material hat einerseits einen geringen Piezokoeffizient und andererseits einen starken Polymorphismus, der bewirkt, dass das Material häufig in der nicht-piezoelektrischen Kristallphase gewachsen wird. Aus
US 5 536 963 A ist ein Cantilever mit einer ferroelektrischen Schicht bekannt. Auch
US 2013/0 140 156 A1 behandelt einen piezoelektrischen Aktuator.
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Typische Anwendungsgebiete piezoelektrischer Ultraschallwandler liegen zwar im Bereich von Ultraschallsensorik sowie Fingerabdrucksensoren, allerdings ergeben sich hier mehrere Probleme wie eine limitierte Flächenausfüllung als auch Limitierungen hinsichtlich einer Membrandicke und Membrangröße, die auch die verwendbaren Frequenzen und Messauflösung beschränken. Dies ist insbesondere für Hochfrequenzschaltersysteme hinderlich. Zudem sind die verwendeten elektrischen Steuerspannungen oftmals vergleichsweise hoch, so dass Anwendungen im Bereich „Internet of Things (loT)“ oder Anwendungen mit direktem Körperkontakt problematisch sind.
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Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein piezoelektrisches Element und ein Verfahren zu dessen Herstellung vorzuschlagen, das die genannten Nachteile vermeidet, die also die einfache Herstellung eines zuverlässig arbeitenden und in einem weiten Anwendungsbereich verwendbaren piezoelektrischen Elements ermöglichen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein piezoelektrisches Element nach Anspruch 1 und ein Verfahren nach Anspruch 9. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
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Ein piezoelektrisches Element weist ein Substrat auf, bei dem zwischen einer ersten Substratschicht und einer zweiten Substratschicht eine die erste Substratschicht vollständig bedeckende Zwischenschicht angeordnet ist. Auf der zweiten Substratschicht ist eine erste Elektrodenschicht aus einem elektrisch leitfähigen, nicht-ferroelektrischen Werkstoff aufgebracht. Auf der ferroelektrischen, piezoelektrischen und bzw. oder flexoelektrischen Schicht ist eine zweite Elektrodenschicht angeordnet, die aus einem elektrisch leitfähigen, nicht-ferroelektrischen Werkstoff ausgebildet ist. Die Zwischenschicht und bzw. oder die erste Substratschicht ist bzw. sind nur unterhalb eines von der zweiten Substratschicht Schichtstapels entfernt. Der Schichtstapel ist durch die erste Elektrodenschicht, die ferroelektrische, piezoelektrischen und bzw. oder flexoelektrischen Schicht und die zweite Elektrodenschicht gebildet. Der Schichtstapel ist entlang seiner entlang der Schichtenfolge gerichteten Normalen translatorisch bewegbar.
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Durch die Strukturierung des Substrats derart, dass der Schichtstapel samt dem damit verbundenen Bereich der zweiten Substratschicht translatorisch bewegbar ist, also insbesondere schwingen kann, wird ein schwingfähiges System realisiert, das zudem über die Elektrodenschichten und die ferroelektrische, piezoelektrische und bzw. oder flexoelektrische Schicht durch Anlegen und Ändern einer elektrischen Spannung in seiner Bewegung gesteuert oder geregelt werden kann. Der Schichtstapel ist hierbei typischerweise nur noch an einem Ende mit den weiteren Bereichen der jeweiligen Schichten verbunden. Da zudem die Zwischenschicht bzw. die erste Substratschicht entfernt ist, die zweite Substratschicht im Bereich des Schichtstapel also durch einen Freiraum von der ersten Substratschicht räumlich beabstandet ist, kann ein vielfältiges Schwingungsverhalten bei vergleichsweise geringen elektrischen Steuerspannungen realisiert werden.
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Die erste Elektrodenschicht und die zweite Elektrodenschicht können hierbei aus einem identischen bzw. gleichen Werkstoff ausgebildet sein, es können aber auch unterschiedliche Werkstoffe für diese Schichten verwendet werden. Typischerweise wird die erste Elektrodenschicht bzw. die zweite Elektrodenschicht aus Titannitrid (TiN), Tantalnitrid (TaN), Ruthenium (Ru), Rutheniumoxid (RuO) oder Platin ausgebildet. Hierbei kann Atomlagenabscheidung (atomic layer deposition) und bzw. oder physikalische Gasphasenabscheidung (physical vapor deposition) eingesetzt werden.
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Das Substrat kann als sogenannter „silicon-on-insulator‟-Wafer (SOI-Wafer) ausgebildet sein, d. h. die erste Substratschicht und die zweite Substratschicht sind voneinander durch eine elektrisch isolierende Schicht getrennt. Die elektrisch isolierende Schicht ist somit zwischen den beiden Substratschichten angeordnet und mit jeder der Schichten in direktem, also unmittelbar berührendem, Kontakt. Als elektrisch isolierend soll hierbei jeder Werkstoff angesehen werden, der eine elektrische Leitfähigkeit von weniger als 10-8 S/m aufweist. Die Zwischenschicht kann allerdings auch aus einem dielektrischen Werkstoff ausgebildet sein. Als Substrat kann hochdotiertes Silizium verwendet werden, das eine ausreichend hohe elektrische Leitfähigkeit aufweist und gleichzeitig gut strukturiert werden kann.
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Es kann vorgesehen sein, dass die zweite Substratschicht eine geringere Schichtdicke aufweist als die erste Substratschicht, um die mechanische Stabilität wie gewünscht zu gewährleisten.
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Typischerweise weist die ferroelektrische, piezoelektrische und bzw. oder flexoelektrische Schicht eine Schichtdicke von maximal 500 nm auf. Bei diesen Dicken wird bereits bei kleinen elektrischen Spannungen unterhalb von 5 V und vorzugsweise unterhalb von 3 V eine Änderung des Polarisationszustands des Ferroelektrikums erreicht. Damit ist eine benötigte Steuerspannung deutlich geringer als bei bekannten Niederspannungslösungen und ein Einsatz für Low-Power-Anwendungen ist möglich.
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Die Zwischenschicht kann unterhalb eines aus der zweiten Substratschicht gebildeten Stegs entfernt sein, so dass der Steg parallel zu dem Schichtstapel translatorisch bewegbar ist. Der Steg und der Schichtstapel können somit voneinander beabstandet sein und die Variabilität des Elements vergrößern. Der Steg ist in der Regel an zwei Seiten eingespannt, d. h. in einer stoffschlüssigen Verbindung an den Enden seiner Längsachse mit der verbliebenen zweiten Substratschicht. Der auf der strukturierten zweiten Substratschicht angeordnete Schichtstapel kann an einer Seite oder ebenfalls an zwei Seiten eingespannt sein, also ein Festlager aufweisen.
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Die ferroelektrische, piezoelektrischen und bzw. oder flexoelektrischen Schicht kann undotiertes Hafniumoxid (HfO2) oder Zirkoniumoxid (ZrO2) oder dotiertes Hafniumoxid als ferroelektrischen, piezoelektrischen und bzw. oder flexoelektrischen Werkstoff aufweisen, wobei das dotierte Hafniumoxid vorzugsweise mit Silizium, Aluminium, Germanium, Magnesium, Calcium, Strontium, Barium, Titan, Zirkonium und bzw. oder einem Element der Seltenen Erden, also Scandium, Lanthan, Cer, Praseodym, Neodym, Promethium, Samarium, Europium, Yttrium, Gadolinium, Terbium, Dysprosium, Holmium, Erbium, Thulium, Ytterbium, Lutetium dotiert ist. Somit können verschiedene elektrische Eigenschaften wie gewünscht eingestellt werden. Die genannten Elemente und Werkstoffe eignen sich für eine konforme Ausbildung von Schichten.
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Dieses Material weist eine hohe Zahl von positiven Eigenschaften für die Verwendung in sowohl CMOS als auch MEMS-Prozesse sowie piezoelektrische Systeme auf. Es ist CMOS-kompatibel, kann in das sogenannte BEoL („Backend-of-Line“) integriert werden, ist hysteresefrei, ist RHoS-kompatibel, unempfindlich gegenüber elektromagnetischer Felder als auch hochenergetischer Strahlung und zeigt keine Alterungseffekte.
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Es kann auch vorgesehen sein, dass die ferroelektrische, piezoelektrische und bzw. oder flexoelektrische Schicht mindestens ein Ultralaminat aus einer Lage Hafniumoxid und einer Lage eines anderen Oxids aufweist. Zur Erhöhung einer Durchbruchsfestigkeit kann daher vorgesehen sein, dass die ferroelektrische Zwischenschicht mehrlagig ausgebildet ist und mindestens eine Lage aus einer Oxidschicht mit einer Dicke von weniger als 3 nm und einer Hafniumoxidschicht oder Zirkoniumoxidschicht mit einer Dicke zwischen 3 nm und 20 nm aufweist. Diese Konfiguration erhöht neben der Durchbruchspannung auch die Schaltspannung, beispielsweise um einen Faktor 5. Für Hochspannungsanwendungen kann zusätzlich eine alternierende Reihenansteuerung der ferroelektrischen Kondensatoren vorgenommen werden. Aufgrund der CMOS-Kompatibilität des Hafniumoxids bzw. des Zirkoniumoxids sowie der genannten Dotanden bzw. Dotierstoffe ist es somit möglich, weitere Elektronik auf dem gleichen Substrat zu fertigen, also eine Fertigung on-chip. Das beschriebene Element kann als einzelnes miniaturisiertes SMD-Bauelement (surface mounted device) hergestellt werden, so dass selbst kleinste Bauformen wie das 01005-Format bedient werden können. Die Oxidschicht kann als eine Aluminiumoxidschicht (Al2O3), eine Siliziumoxidschicht (SiO2) und bzw. oder eine Zirkoniumoxidschicht (ZrO2) ausgebildet sein.
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Typischerweise ist mindestens eine, vorzugsweise jedoch jede der aufgebrachten Schichten, also die erste Elektrodenschicht, die ferroelektrische, piezoelektrischen und bzw. oder flexoelektrischen Zwischenschicht und die zweite Elektrodenschicht als konforme Schicht ausgebildet, die die darunter liegende Schicht, mit der sie in unmittelbarem, also direktem Kontakt steht, ohne Aussparungen oder Löcher überdeckt.
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Ein erfindungsgemäßer Ultraschallwandler, ein Fingerabdrucksensor, ein RF-Schalter oder Hochfrequenzschalter, ein optisches Interferometer oder Spektrometer, ein Infrarot-Spektrometer oder Infrarot-Spektrometer weist ein piezoelektrisches Element mit den zuvor beschriebenen Eigenschaften auf. Unter dem Begriff „Hochfrequenz“ soll im Rahmen dieser Schrift ein Frequenzbereich des elektromagnetischen Spektrums ab 9 kHz verstanden werden.
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Bei einem Verfahren zum Herstellen eines piezoelektrischen Elements wird auf ein Substrat, bei dem zwischen einer ersten Substratschicht und einer zweiten Substratschicht eine die erste Substratschicht vollständig bedeckende Zwischenschicht angeordnet ist, eine erste Elektrodenschicht aus einem elektrisch leitfähigen, nicht-ferroelektrischen Werkstoff aufgebracht. Auf der ersten Elektrodenschicht wird eine ferroelektrische, piezoelektrische und bzw. oder flexoelektrische Schicht aufgebracht und auf dieser wird eine zweite Elektrodenschicht aus einem elektrisch leitfähigen, nicht-ferroelektrischen Werkstoff abgeschieden. Die Zwischenschicht und bzw. oder die erste Substratschicht werden nur unterhalb eines von der zweiten Substratschicht Schichtstapels entfernt, der durch die erste Elektrodenschicht, die ferroelektrische, piezoelektrische und bzw. oder flexoelektrische Schicht und die zweite Elektrodenschicht gebildet ist, so dass der Schichtstapel entlang seiner entlang der Schichtenfolge gerichteten Normalen translatorisch bewegbar ist.
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Die zweite Substratschicht kann vor dem Entfernen der Zwischenschicht und bzw. oder der ersten Substratschicht perforiert werden, um einen möglichst großen Bereich schwingfähiger Elemente zu erhalten.
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Es kann vorgesehen sein, die ferroelektrische, piezoelektrische und bzw. oder flexoelektrische Schicht mittels Atomlagenabscheidung, insbesondere mittels Atomlagenabscheidung mit alternierenden Abscheidezyklen eines dielektrischen Werkstoffs und eines Dotierstoffs, aufzubringen.
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Die beschriebene Vorrichtung wird typischerweise mit dem beschriebenen Verfahren durchgeführt, d. h. das beschriebene Verfahren ist zum Herstellen der beschriebenen Vorrichtung ausgebildet.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden nachfolgend anhand der 1 bis 29 erläutert.
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Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung eines Verfahrens zum Herstellen eines piezoelektrischen Elements in Querschnittsansicht;
- 2 in einer 1 entsprechenden Darstellung ein Querschnitt eines weiteren piezoelektrischen Elements;
- 3 in einer 1 entsprechenden Darstellung einen Querschnitt eines weiteren piezoelektrischen Elements mit räumlich getrennten Elektroden;
- 4 eine Draufsicht auf das piezoelektrische Element;
- 5 eine 4 entsprechende Darstellung eines piezoelektrischen Elements mit vier Elektroden;
- 6 eine 4 entsprechende Darstellung eines piezoelektrischen Elements mit drei konzentrisch angeordneten Elektroden;
- 7 eine 4 entsprechende Draufsicht auf ein piezoelektrisches Element entsprechend 3 sowie eine weitere Kontaktierung;
- 8 eine 1 entsprechende seitliche Ansicht eines piezoelektrischen Elements mit translatorisch beweglichem Steg;
- 9 eine 8 entsprechende Ansicht eines piezoelektrischen Elements mit räumlich getrennten Elektroden auf dem Steg;
- 10 eine 8 entsprechende Ansicht eines piezoelektrischen Elements mit räumlich getrennten Elektrodenstapeln auf dem Steg;
- 11 eine 8 entsprechende Ansicht eines piezoelektrischen Elements mit auf dem Steg angeordneten Elektrodenstapeln;
- 12 eine 11 entsprechende Ansicht des piezoelektrischen Elements mit auf dem Steg angeordneten und nachträglich strukturierten Elektrodenstapeln;
- 13 eine 11 entsprechende Ansicht eines piezoelektrischen Elements mit mehreren auf mehreren Stegen angeordneten Elektrodenstapeln;
- 14 eine 11 entsprechende Ansicht eines piezoelektrischen Elements mit auf mehreren Stegen angeordneten Elektrodenstapeln;
- 15 eine 14 entsprechende Ansicht eines piezoelektrischen Elements mit einem flüssigkeitsgefüllten Hohlraum;
- 16 in einer 13 entsprechenden Darstellung einen Querschnitt eines weiteren piezoelektrischen Elements;
- 17 in einer 13 entsprechenden Darstellung einen Querschnitt eines weiteren piezoelektrischen Elements mit zusätzlichen Durchkontaktierungen;
- 18 eine Draufsicht auf ein piezoelektrisches Bauelement;
- 19 in einer 18 entsprechenden Darstellung eine Draufsicht auf ein piezoelektrisches Bauelement mit verlängerten Stegen;
- 20 in einer 18 entsprechenden Darstellung eine Draufsicht auf ein piezoelektrisches Bauelement mit verlängerten Stegen und perforierter Oberfläche;
- 21 eine Draufsicht auf eine Anordnung mehrerer piezoelektrischer Bauelemente;
- 22 eine Draufsicht auf ein Array piezoelektrischer Bauelemente und eine elektrische bzw. elektronische Verschaltung;
- 23 eine 20 entsprechende Ansicht mit mehreren Anschlusspads und einer mittig angeordneten Membran;
- 24 eine perspektivische Ansicht der Membran aus 23;
- 25 eine 24 entsprechende Ansicht einer perforierten Membran;
- 26 eine 23 entsprechende Ansicht mit perforierter Membran;
- 27 eine Draufsicht auf ein piezoelektrisches Element mit darunterliegendem Hochfrequenzwellenleiter;
- 28 eine 16 entsprechende Ansicht eines in eine zweite Metallisierungsebene eingebrachten piezoelektrischen Elements und
- 29 eine gegenüber der Ansicht der 28 um 180° gedrehte Ansicht des piezoelektrischen Elements.
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1 zeigt in einer schematischen Ansicht ein Verfahren zum Herstellen eines piezoelektrischen Elements. In 1a) ist in einer Querschnittsansicht ein Substrat 101 dargestellt, bei dem zwischen einer ersten Halbleiterschicht als erste Substratschicht 101a und einer zweiten Halbleiterschicht als zweite Substratschicht 101b eine Zwischenschicht 100 angeordnet ist. Die zweite Halbleiterschicht 101b weist hierbei eine geringere Schichtdicke als die erste Halbleiterschicht 101a auf. Das Substrat 101 ist ein „silicon-on-insulator“-Wafer, d. h. die erste Halbleiterschicht 101a und die zweite Halbleiterschicht 101b sind aus hochdotiertem Silizium während die Zwischenschicht 100 in diesem Ausführungsbeispiel aus einem elektrisch isolierenden Werkstoff gefertigt ist, typischerweise SiO2.
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Wie in 1b) gezeigt, wird im folgenden Verfahrensschritt das Substrat 101 als Membran strukturiert, indem eine Rückseitenätzung der ersten Halbleiterschicht 101a bis zur Zwischenschicht 100 bzw. bis zum „buried oxide“ (BOX) erfolgt. Wie in 1b) dargestellt, kann schließlich auch noch ein weiterer Strukturierungsschritt der Zwischenschicht 100 vorgesehen sein.
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Auf der zweiten Halbleiterschicht 101b des Substrats 101 ist, wie in 1c) gezeigt, konform eine erste Elektrodenschicht 102 als Rückelektrode aufgebracht. Diese erste Elektrodenschicht 102 ist aus Titannitrid gebildet und wurde mittels Atomlagenabscheidung aufgebracht. Alternativ können aber auch andere Metalle als Elektrodenwerkstoff verwendet werden, beispielsweise Ruthenium, Platin, Wolfram.
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Auf der ersten Elektrodenschicht 102 ist eine ferroelektrische, piezoelektrische oder flexoelektrische Schicht 103 aus Hafniumoxid bzw. Zirkoniumoxid abgeschieden, wozu ebenfalls Atomlagenabscheidung verwendet wurde. Die ferroelektrische, piezoelektrische oder flexoelektrische Schicht 103 ist wiederum als konforme Schicht ausgebildet. In weiteren Ausführungsbeispielen kann auch eine alternierende Atomlagenabscheidung von Hafniumoxid und einem jeweiligen Dotierstoff oder eine alternierende Atomlagenabscheidung von Hafniumoxid und einem jeweiligen Dotierstoff sowie alternierend ein weiteres Oxid, beispielsweise Al2O3, erfolgen.
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Eine zweite Elektrodenschicht 104 ist wiederum als konforme Schicht auf der ferroelektrischen, piezoelektrischen oder flexoelektrischen Schicht 103 mittels physikalischer Gasphasenabscheidung aufgebracht. Statt physikalischer Gasphasenabscheidung kann alternativ auch Atomlagenabscheidung oder chemische Gasphasenabscheidung verwendet werden.
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Alle Schichten sind in direktem, also unmittelbar berührendem Kontakt mit den jeweils benachbarten Schichten und bedecken diese Schichten vollständig, wie in 1c) dargestellt.
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Durch Aufbringen einer Maske und entsprechendes Strukturieren wird der in 1d) dargestellte Aufbau erhalten. Dies kann mit bekannten Ätzverfahren, beispielsweise nasschemisches Ätzen, lonenätzen oder reaktivem lonenätzen erfolgen. Hierbei wird ein Schichtstapel erhalten, der gebildet ist aus der ersten Elektrodenschicht 102, der ferroelektrischen, piezoelektrischen oder flexoelektrischen Schicht 103 und der zweiten Elektrodenschicht 104, wobei nun allerdings der Metall-Ferroelektrikum-Metall-Schichtstapel darauf angeordnet ist. Die Zwischenschicht 100 ist so angeordnet, dass der Schichtstapel aus erster Elektrodenschicht 102, ferroelektrischer, piezoelektrischer oder flexoelektrischer Schicht 103 und zweiter Elektrodenschicht 104 fluchtend oder, wie in 1d), nahezu fluchtend mit einer als Sackloch oder Graben ausgeführten Vertiefung 108, welche als Perforation des Substrats 101 dient, ausgebildet ist. Die zweite Halbleiterschicht 101b des Substrats 101 trägt somit den Schichtstapel, der entlang seiner Normalen, die parallel zur Schichtenfolge gerichtet ist, translatorisch bewegbar ist. Durch die fluchtende Anordnung des Schichtstapels auf einem beweglichen Teil der zweiten Halbleiterschicht 101b des Substrats 101 ist ein schwingungsfähiges System realisiert. Da Seitenflächen dieses Systems nicht in Berührung stehen mit Flächen benachbarter Schichten, ist ein hoher Beweglichkeitsgrad realisiert. Als Seitenfläche soll hierbei jede gegenüber einer der ersten Halbleiterschicht 101a des Substrats 101 zugewandten oder abgewandten Oberfläche abgewinkelte Oberfläche des Schichtstapels und des freigelegten Teils der zweiten Halbleiterschicht 101b des Substrats 101 verstanden werden.
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Das beschriebene Verfahren ist im CMOS-Prozessfluss eines High-k-Metal-Gate-Prozessflusses gut integrierbar, indem quasi ein ferroelektrischer, piezoelektrischer oder flexoelektrischer Kondensator auf einer Membran (nämlich dem Substrat 101) aufgebracht wird und somit die piezoelektrischen Eigenschaften realisiert werden. Die piezoelektrische Ausdehnung bzw. Schrumpfung in der Ebene der Membran unter Anlegen einer elektrischen Spannung an die erste Elektrodenschicht 102 und die zweite Elektrodenschicht 104 durch eine elektrische Spannungsquelle führt zu einer Verbiegung der Membran. Anders als in elektrostatischen Systemen ist diese Bewegungsrichtung in beiden mechanischen Spannungsrichtungen realisiert. Hierbei ergeben sich mehrere Anwendungsmöglichkeiten: Bei hochfrequenter Anregung wird eine Schallwelle oder Ultraschallwelle freigesetzt, die beispielsweise für medizinische Anwendungen genutzt werden kann. Außerdem ist eine Rückkopplung des rückgestreuten Schalls über eine Vermessung von Phase und Frequenz des schwingenden Elements möglich. Ein Fingerabdruck ist messbar über einen mechanischen Abdruck des piezoelektrischen Elements, das auch als pMUT-Zelle bezeichnet werden kann (Piezoelectric Micromachined Ultrasonic Transducer). Dies erfolgt typischerweise in einem höherfrequenten Spektrum.
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Im dargestellten Ausführungsbeispiel wird ein Dünnfilm-Ferroelektrikum 103 mit einer Dicke unterhalb von 100 nm verwendet. Somit ergeben sich bereits bei kleinen elektrischen Spannungen Änderungen der mechanischen Verspannung und die benötigte Steuerspannung ist dadurch deutlich geringer als in bereits bekannten Niederspannungslösungen, typischerweise unterhalb von 10V. Dies ist insbesondere bei Low-Power-Lösungen sinnvoll.
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In 2 ist in einer 1 entsprechenden Ansicht ein weiteres Ausführungsbeispiel eines piezoelektrischen Elements dargestellt. Wiederkehrende Merkmale sind in dieser Figur wie auch in den folgenden Figuren mit identischen Bezugszeichen versehen. Abweichend zum Bearbeitungsschritt in 1d) ist in 2 der Schichtstapel der ersten Elektrodenschicht 102, ferroelektrischen, piezoelektrischen oder flexoelektrischen Schicht 103 sowie zweiten Elektrodenschicht 104 oberhalb des Sackloches als einer Vertiefung 108 derart strukturiert, dass zunächst eine Vertiefung oder mehrere Vertiefungen, die bis zur Oberfläche der zweiten Halbleiterschicht 101b des Substrats 101 reichen, ausgebildet werden. Dies kann mit den bereits beschriebenen bekannten Ätzverfahren, beispielsweise nasschemisches Ätzen, lonenätzen oder reaktives lonenätzen, unter Einsatz einer entsprechenden Maske erfolgen. Dadurch entstehen getrennte Schichtstapel mit den entsprechenden Einzelschichten untere (bzw. erste) Elektrodenschicht 102 bzw. 110, ferroelektrische, piezoelektrische oder flexoelektrische Schicht 103 bzw. 111 sowie obere (bzw. zweite) Elektrodenschicht 104 bzw. 112.
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In 3 ist in einer 1 entsprechenden Ansicht ein weiteres Ausführungsbeispiel eines piezoelektrischen Elements dargestellt. Abweichend zum Bearbeitungsschritt in 1d) ist in 3 der Schichtstapel der ersten Elektrodenschicht 102, ferroelektrischen, piezoelektrischen oder flexoelektrischen Schicht 103 sowie zweiten Elektrodenschicht 104 oberhalb des Sacklochs 108 derart strukturiert, dass zunächst eine Vertiefung oder mehrere Vertiefungen ausgebildet werden, die bis zur Oberfläche der ferroelektrischen, piezoelektrischen oder flexoelektrischen Schicht 103 reichen. Dies kann wiederum mit den bekannten Ätzverfahren, beispielsweise nasschemisches Ätzen, lonenätzen oder reaktives lonenätzen, unter Einsatz einer entsprechenden Maske erfolgen. Dadurch entstehen aufgetrennte Schichten der oberen Elektrodenschicht 104 sowie 112.
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In 4 ist eine Draufsicht auf ein piezoelektrisches Bauelement entsprechend der Querschnittsdarstellungen in den 1, 2 und 3 sowie deren Kontaktierung dargestellt. Dazu werden Kontakte an die Elektrodenschichten 102, 104 und 112, sofern das dargestellte Bauteil ein piezoelektrisches Bauelement nach 2 und 3 ist, angebracht. An die oberen Elektrodenschichten 104 sowie 112 und die untere Elektrodenschicht 102 wird eine elektrische Kontaktierung mit einer elektrischen Ansteuerung durch ein Ansteuersystem 113 in Form einer Kontrolleinheit bzw. Steuer-Regelungseinheit gegeben. Durch das Ansteuersystem 113 wird das piezoelektrische Bauelement mittels elektrischer Signale zu einer Auslenkung angeregt. Typischerweise wird hierfür eine hochfrequente elektrische Ansteuerung genutzt, damit eine resonante Auslenkung der Membran über die Vertiefung 108 erreicht werden kann. Das Ansteuersystem 113 kann hierbei jegliches Elektroniksystem sein, welches die Membran anregen kann. Darüber hinaus soll dieses Ansteuersystem 113 es ermöglichen, eine Phasen- oder Frequenzveränderung der Membran aufzuzeichnen. In den 5 bis 7 sind weitere Draufsichten auf ein piezoelektrisches Bauelement entsprechend der 2 und 3 mit weiteren Anordnungen der oberen Elektroden 103 und 104 dargestellt.
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In 8 ist in einer 1 und 2 entsprechenden Ansicht ein weiteres Ausführungsbeispiel eines piezoelektrischen Elements dargestellt. Abweichend zu den Bearbeitungsschritten in 1b) wird auf das Substrat 101 mit der in diesem Ausführungsbeispiel elektrisch isolierenden Zwischenschicht 100 eine erste Elektrodenschicht 102, eine ferroelektrische, piezoelektrische oder flexoelektrische Schicht 103 sowie zweite Elektrodenschicht 104 abgeschieden. Hierfür können die im Zusammenhang mit 1 beschriebenen Abscheideprozesse verwendet werden. Dieser Schichtstapel der Schichten 102, 103 und 104 wird nun derart strukturiert, dass zunächst eine Vertiefung oder mehrere Vertiefungen, die bis zur Oberfläche der zweiten Halbleiterschicht 101b des Substrats 101 reichen, ausgebildet werden. Dies kann mit den bekannten Ätzverfahren, beispielsweise nasschemisches Ätzen, lonenätzen oder reaktives lonenätzen, unter Einsatz einer entsprechenden Maske erfolgen. Dadurch entstehen getrennte Schichtstapel mit den entsprechenden Einzelschichten erste, in diesem Fall untere Elektrodenschicht 102 bzw. 110, ferroelektrische Schicht 103 bzw. 111 sowie obere Elektrodenschicht 104 bzw. 112. Nachfolgend können auch die zweite Halbleiterschicht 101b des Substrates 101 und die Zwischenschicht 100 entsprecht strukturiert werden, so dass die Vertiefungen bis zur Oberfläche der ersten Halbleiterschicht 101a des Substrates 101 reichen. Indem nun der unterhalb des Schichtstapels und unterhalb des Teils der zweiten Halbleiterschicht 101b des Substrates 101, auf dem der Schichtstapels aufsitzt, befindliche Teil der Zwischenschicht 100 ebenfalls noch entfernt wird, wird ein Steg 114 oder ein Balken ausgebildet, der an einer Seite oder auch an beiden Seiten eingespannt ist, sich aber translatorisch bewegen lässt. Die Schichten 110, 111 und 112 sind dabei auf dem Steg 114 angeordnet.
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In 9 ist in einer 8 entsprechenden Ansicht ein weiteres Ausführungsbeispiel eines piezoelektrischen Elements dargestellt. Abweichend vom piezoelektrischen Bauelement nach 8 ist hierbei die auf dem Steg 114 angeordnete zweite Elektrodenschicht 112 aufgetrennt in zwei räumlich getrennte Schichten. Dies ermöglicht eine elektrische Kontaktierung der nun getrennten oberen Elektrodenschichten 104 und 112 mit einem Ansteuersystem 113 entsprechend den 4-7.
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In 10 ist in einer 8 entsprechenden Ansicht ein weiteres Ausführungsbeispiel eines piezoelektrischen Elements dargestellt. Abweichend vom piezoelektrischen Bauelement nach 8 ist hierbei der Schichtstapel aus erster bzw. unterer Elektrode 105 bzw. 110, ferroelektrischer Schicht 103 bzw. 111 und zweiter bzw. oberer Elektrodenschicht 107 bzw. 112 oberhalb des Steges 114 oder eines Balkens aufgetrennt, so dass sich zwei identisch aufgebaute und gleich hohe Schichtstapel ergeben. Dies ermöglicht eine elektrische Kontaktierung der oberen Elektrodenschichten 107 und 112 sowie der darunter liegenden Schichten 110 und 111 mit einem Ansteuersystem 113 entsprechend den 4-7. Auf dem Steg 114 sind somit zwei Schichtstapel angeordnet mit jeweils einer ersten Elektrodenschicht 105 bzw. 110, einer ferroelektrischen Schicht 103 bzw. 111 und einer zweiten Elektrodenschicht 107 bzw. 112.
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In 11 ist in einer 1 und 8 entsprechenden Ansicht ein weiteres Ausführungsbeispiel eines piezoelektrischen Elements dargestellt. Abweichend zu den Bearbeitungsschritten in 1b) weist das Substrat 101 nun nicht mehr die zweite Halbleiterschicht 101b als oberste Lage auf, sondern auf einem Siliziumwafer 134 eine beliebige Zahl von Verdrahtungsebenen aus Metallisierungsschichten sowie Vias 128, ein bereits strukturierte Metallisierungsschichtensystem 131, 132, 133, typischerweise aus TiN, Aluminium mit TiN oder Kupfer, Kobalt, eine Zwischendielektrikaschicht als Zwischenschicht 130, Vias 128 sowie Barriereschichten 129 und eine zweites Metallisierungsschichtsystem typischerweise aus den Einzelschichten 125, 126, 127 entsprechend 131, 132, 133.
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Bei den Metallisierungsschichten 125, 127, 131 und 133 handelt es sich dabei um typischerweise verwendete Barriereschichten. Metallisierungsschichten ohne diese Schichten sind möglich. Die Zwischendielektrikaschicht, die auch als „interlayer dielectric“ bezeichnet wird ist, wie auch das Substrat 101 mit Verdrahtungsebenen 130, nur schematisch dargestellt. In der Realität kann das Substrat 101 mehrere derartige Metallisierungsschichten und Zwischendielektrikaschichten sowie im „Front End of Line“ (FEoL) eingebrachte Transistoren und deren Verdrahtung aufweisen. Die erste Elektrodenschicht 102 wird als konforme Schicht auf der Metallisierungsschicht 125 aufgebracht. Nachfolgend werden die ferroelektrische Schicht 103 und die zweite Elektrodenschicht 104 abgeschieden. Hierbei kann auf die Elektrodenschicht 102 auch verzichtet werden, sofern die Rauigkeit der Schicht 125 gering ist. In den Schichtstapel 102, 103, 104 werden mehrere Vertiefungen mittels in den 1 und 8 beschriebenen Ätzprozessen eingebracht, bei denen zunächst jeweils die zweite Metallisierungsschicht 125 einen Boden bildet. Darauf folgend wird der zweite Metallisierungsschicht 125, 126, 127 und anschließend, ähnlich wie in 3d) wiedergegeben, auch die Zwischendielektrikaschicht 130 strukturiert sowie ein Teil dieser Schicht entnommen, sodass ein Steg 114 aus der dann strukturierten zweiten Metallisierungsschicht 135, 136, 137 als zweiter Substratschicht, der ersten strukturierten Elektrodenschicht 110, der strukturierten ferroelektrischen Schicht 111 und der zweiten strukturierten Elektrodenschicht 112 ausgebildet wird. Der Steg 114 ist seitlich beabstandet von anderen Abschnitten der jeweiligen Schichten und entlang seiner Längsachse an zwischen Enden eingespannt.
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Zur Entnahme der Zwischendielektrikaschicht kann ein Trockenätzprozess bspw. HF-Dampfprozess (high frequency) verwendet werden. Das erläuterte Verfahren wird im „Back End of Line“ (BEoL) durchgeführt, um einen Ultraschallwandler herzustellen. Ein elektrischer Kontakt zur strukturierten ersten, d. h. unteren Elektrodenschicht 110, wird mittels einer Via-Elektrode 128 im nichtunterätzten und damit starren Bereich hergestellt. Die erste Elektrodenschicht 112 als zweite, d. h. obere Elektrodenschicht wird bspw. über eine weitere BEoL-Metallisierung z.B. mittels einer Via-Elektrode auf der oberen Elektrode 104 kontaktiert.
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Ein weiteres Ausführungsbeispiel eines piezoelektrischen Elements ist in 12 in einer 11 entsprechenden Ansicht dargestellt. Hierbei wurden die zweiten, also oberen, Elektrodenschichten 104 und 112 etwas zurückgezogen gegenüber in die Metallisierungsschichten 125, 126 und 127 eingebrachten Aussparungen, so dass die Elektrodenschichten 104 und 112 nun nicht mehr bündig mit der jeweiligen darunterliegenden Schicht 103 bzw. 111 abschließen. Dies kann den Anteil des Leckstroms durch die ferroelektrische Schicht 106 bzw. 111 reduzieren.
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In 13 ist in einer 11 entsprechenden Ansicht ein weiteres Ausführungsbeispiel eines piezoelektrischen Elements dargestellt. Hier werden im Strukturierungsprozess der Metallisierungsschicht 125, 126, 127 sowie des Schichtstapels aus der ersten Elektrodenschicht 102, der ferroelektrischen Schicht 103 und der oberen Elektrodenschicht 104 weitere Perforation eingebracht. Diese können die Entnahme der Zwischendielektrikaschicht 130 erleichtern.
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In 14 ist in einer 11 entsprechenden Ansicht ein weiteres Ausführungsbeispiel eines piezoelektrischen Elements dargestellt. In dieser Figur wurde eine gesonderte Strukturierung des ferroelektrischen Kondensatorstapels 105, 106, 107 vor der Strukturierung des als Membran agierenden Metallisierungsschicht 125, 126, 127 durch die bereits beschrieben Ätzprozesse durchgeführt. In dieser Ausführung des piezoelektrischen Elements ist eine gesonderte Bewegung des Steges 114 oder eines Balkens möglich.
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In 15 ist in einer 14 entsprechenden Ansicht ein weiteres Ausführungsbeispiel eines piezoelektrischen Elements dargestellt. Bei dem in diesem Ausführungsbeispiel gezeigten Bauelement wurde das Element mit einer Flüssigkeit 141, vorzugsweise mit geringer elektrischer Leitfähigkeit, d. h. einer elektrischen Leitfähigkeit von weniger als 5 S/m, gefüllt. Das Einbringen der Flüssigkeit 141 im Schwingungsvolumen der Membran ist in allen vorgestellten Optionen des piezoelektrischen Bauelementes möglich.
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16 zeigt in einer 13 entsprechenden Ansicht ein weiteres Ausführungsbeispiel eines piezoelektrischen Elements, in der das Piezoelement bspw. in der zweiten Metallisierungsebene, im sog. „Back-end-of-Line“ (BEoL) eingebracht ist. Die Einbringung dieses Elements ist dabei ebenso in höheren Metallisierungsebenen möglich. Darüber hinaus ist ein Piezoelement analog zu den 11-15 gleichfalls möglich. Mittels der Via im ersten Metallisierungslevel 128 und der Via im zweiten Metallisierungslevel 152, typischerweise jeweils umgeben von einer Barriereschicht bspw. 129 im Fall des Vias 128, sowie der Metallisierungsschichten 131, 132 und 133 wird die erste Elektrodenschicht 110 des aus den Schichten 110, 111 und 112 gebildeten ferroelektrischen Kondensators an den Drain-Kontakt 155 eines Transistors 150 angeschlossen. Hierbei kann es sich um verschiedene Transistortypen wie beispielsweise PolySiON Bulk, HKMG Bulk (High k metal gate), FDSOI (Fully depleted silicon on insulator) oder FinFET (fin field effect transistor) handeln. Mittels einer elektrischen Spannung am Gatekontakt 154 wird der Transistor geöffnet und die am Source-Kontakt des Transistors anliegende Versorgungsspannung an den ferroelektrischen Kondensator angelegt. Das Schalten des Transistors 150 kann hierbei durch Wahl der Gatespannung an 154 moduliert werden, bspw. stoßweise oder oszillierend. Die am ferroelektrischen Kondensator anliegende elektrische Spannung führt zu einer mechanischen Verspannung der Membran bzw. des Steges 114 bzw. Balkens. Bei hochfrequenter Änderung beispielsweise im Bereich 10 kHz - 10 MHz lässt sich somit eine Ultraschallwelle erzeugen. Der Transistor kann hierbei bspw. Teil eines oszillierenden Schaltkreises sein.
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Bei dem in 17 in einer 13 entsprechenden Ansicht dargestellten Ausführungsbeispiel ist das piezoelektrische Element beispielsweise in der zweiten Metallisierungsebene, im BEoL eingebracht. In diesem Fall ist die untere Elektrode des ferroelektrischen Kondensators an den Gate-Kontakt des Transistors angeschlossen. Unter mechanischer Erschütterung wird die über dem aus den Schichten 110, 111 und 112 gebildeten Kondensator generierte Piezospannung am Gate anliegen. Der Transistor wird dadurch je nach der mechanischen Bewegung der Membran geöffnet oder geschlossen. Unter einer resonanten Bewegung der Membran wird eine stabile oszillierende Öffnung des Transistors generiert, dies ermöglicht einen phasenstabilen Oszillator als Clock weiterer an dieses System angeschlossener Schaltkreise.
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In 18 ist in einer den 4 bis 7 entsprechenden Darstellung eine Draufsicht auf ein piezoelektrisches Bauelement entsprechend der Querschnittsdarstellungen in 11-15 sowie deren Kontaktierung dargestellt. Die Membran 114 ist hierbei über vier gleichmäßig voneinander beabstandete Stege 136 angebunden. Der Bereich 4 ist hierbei freigeätzt. Der pMUT 140 wird hierbei mittels eines herausgeführten oberen Elektrode zum ersten Pad-Anschluss 137 sowie einer herausgeführten und von der ersten Elektrode 137 durch zum Beispiel einen Spalt 139 isolierten unteren Elektrode zu Pad Anschluss 138 kontaktiert. Mittels einer weiteren Kontaktierung analog zu 4 kann der pMUT mittels eines Ansteuersystem 113 betrieben werden.
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19 gibt eine wiederum 18 entsprechende Draufsicht auf ein piezoelektrisches Bauelement entsprechend der Querschnittsdarstellungen in den 11-15 sowie deren Kontaktierung wieder. Die Membran 114 ist hierbei über einen im Vergleich zu 18 verlängerten Steg 136 angebunden. Die in 19 dargestellte Option stellt eine Möglichkeit dar, weitere Möglichkeiten sind zusätzliche Windungen des Steges 136 vorzusehen. Der Bereich 4 ist hierbei wie bei dem in 18 wiedergegebenen Ausführungsbeispiel freigeätzt. Durch die Verlängerung des Steges 136 erhöht sich die Auslenkung der Membran, dies erhöht die Auslenkung der Membran 114 und damit die Amplitude der emittierten Ultraschallwelle, reduziert jedoch die Resonanzfrequenz des pMUT 140.
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In 20 ist eine 18 entsprechende Draufsicht auf ein piezoelektrisches Bauelement entsprechend der Querschnittsdarstellungen in 11-15 sowie deren Kontaktierung dargestellt. Die Membran 114 ist nun entsprechend 13 mit zusätzlichen, gitterartig angeordneten Perforationslöchern 135 versehen, um die Entnahme des Dielektrikums 130 für größere Schwinger zu gewährleisten. Die Positionierung dieser Perforationslöcher 135 ist hierbei beliebig.
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21 zeigt eine Anordnung des piezoelektrischen Bauelements, im dargestellten Ausführungsbeispiel pMUT 140 auf dem Silizium-Wafer 134. Diese kubische Anordnung ermöglicht eine hohe Flächendichte, einfache Kontaktierung. Alternativ dazu ist eine hexagonale Anordnung möglich.
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In 22 ist eine mögliche Kontaktierung eines Arrays aus 2x2 piezoelektrischen Bauelementen wie pMUT 140 dargestellt. Umringt sind diese mit einer Reihe an Elektrodenpads 5 sowie Spalten an den Ecken 142. Die unteren Elektrodenkontakte bzw. ersten Pad-Anschlüsse 137 werden nun elektrisch kontaktiert mit einem ersten Pad 143, die oberen Elektrodenkontakte bzw. zweiten Pad-Anschlüsse 138 mit einem zweiten Pad 144. Die Kontaktierung der Pads 143 und 144 kann nun mit bekannten Mitteln der Aufbau- und Verbindungstechnik in Systeme implementiert werden, bpsw. mittels Drahtbond-Drähten in eine Leiterplatte eingebracht werden.
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Eine 20 entsprechende Anordnung ist in 23 dargestellt. In diesem Ausführungsbeispiel wird auf der oberen Membranfläche der Membran 124 die obere Elektrode entfernt, analog zu 14. Die Stege 136 werden über bspw. vier Kontakte 6, 137, 143, 144 kontaktiert. Dies ermöglicht die gesteuerte drei-dimensionale Verkippung der Membran 124, sowohl statisch als auch dynamisch. Dies kann genutzt werden zur Selektion der mechanischen Resonanz der Einheit aus der Membran 124 und den Stegen 136 für die Auswahl der Ultraschallfrequenz.
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In 24 ist eine schematische Darstellung der zu erwartenden Verzerrung der Membran 124 sowie der Stege 136 eines piezoelektrischen Bauelementes 140 nach den 13-15 sowie der 20 in perspektivischer Ansicht wiedergegeben. Die Membran 124 wird hierbei homogen gehoben bzw. gesenkt, abhängig von der Ansteuerspannung einer Ansteuerschaltung 113. Neben einer runden Realisierung der Membran 124 sind verschiedene Formen bpsw. Quadrate oder Rechtecke ebenso möglich.
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In 25 ist eine 24 entsprechende schematische Darstellung der zu erwartenden Verzerrung der Membran 124 sowie der Stege 136 eines piezoelektrischen Bauelementes 140 nach den 13-15 sowie der 20 daregestellt. Im Gegensatz zu bisherigen Ausführungsformen ist bei dem in dieser Figur wiedergegebenen Ausführungsbeispiel ein Fenster 145 für optische bzw. infrarote Strahlung 145 vorgesehen. Unter optischer Strahlung soll hierbei elektromagnetische Strahlung im Wellenlängenbereich zwischen 400 nm und 780 nm angesehen werden, als infrarote Strahlung hingegen elektromagnetische Strahlung im Wellenlängenbereich zwischen 780 nm und 3 µm. Das Fenster 145 dient in einem Fabry-Perot-Interferometer-Aufbau als Referenzschicht für einem darunter befindlichen Sensor. Durch das Heben und Senken des in der Membran enthaltenen Fensters 145 kann die Absorptionswellenlänge im Sensor eingestellt werden. Alternativ ist eine Spiegelfläche realisierbar. In der 23 entsprechenden Kontaktierung der bspw. vier oberen Elektrode 6, 137, 143, 144 erhält man damit einen verkippbaren Spiegel. Neben einer runden Realisierung der Membran 124 sind wie zuvor auch verschiedene andere Formen möglich.
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Wiederum in Draufsicht ist in 26 eine 23 entsprechende Darstellung eines piezoelektrischen Bauelements entsprechend der Querschnittsdarstellungen in den 11-15 sowie deren Kontaktierung dargestellt. Abweichend zu 23 ist nun das bereits in 25 diskutierte Spiegel- bzw. Fensterelement 145 implementiert. Durch die Kontaktierung der bspw. vier oberen Elektroden 6, 137, 143, 144 wird damit ein verkippbarer Spiegel bzw. optischen Sensor erhalten.
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In 27 ist eine Draufsicht auf ein piezoelektrisches Bauelement entsprechend der Querschnittsdarstellungen in den 11-15 sowie deren Kontaktierung dargestellt. Abweichend von 23 wurde hier eine rechteckige Grundfläche der Membran 124 sowie dazu abstehende Stege 136 gewählt. Analog wird die Membran mittels einer elektrischen Spannung an dem Kontakt der oberen Elektroden 137 und 138 zum Heben und Senken gebracht. Unterhalb bzw. oberhalb der Membran ist ein Hochfrequenzwellenleiter implementiert, der im dargestellten Ausführungsbeispiel aus einer mittigen Masseleitung 147 und beidseitig dazu angeordneten Signalleitungen 148 besteht. Andere planare Hochfrequenzwellenleiter sind hierbei möglich. Durch die Anpassung der Impedanz kann damit für bestimmte Frequenzen eine geringe sowie eine hohe Transmission erreicht werden.
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In 28 ist in einer 16 entsprechenden Ansicht ein weiteres Ausführungsbeispiel eines piezoelektrischen Elements dargestellt, in der das Piezoelement bspw. in der zweiten Metallisierungsebene, im sog. „Back-end-of-Line“ (BEoL) eingebracht ist. Analog zu 27 ist hierbei ein Hochfrequenzwellenleiter in beispielhafter Weise einer Ground 147-Signal 148-Ground 147-Anordnung eingebracht. Diese kann im Herstellungsprozess als Teil der Metallisierungsebenen 131, 132, 133 realisiert sein. Als Materialien für den Hochfrequenzwellenleiter kommen Aluminium, Kupfer, Ruthenium, Cobalt und Legierungen daraus in Frage. Für Höchstfrequenzsysteme kann diese Schicht daher deutlich dicker ausgestaltet sein, bspw. dicker als 1 µm, als in typischen BEoL-Realisierungen. Darüber hinaus kann die Via-Ebene 128, 129, 130 dünner ausgestaltet sein als in typischen Realisierungen, bspw. unterhalb von 500nm.
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In 29 ist einer 28 entsprechenden, jedoch um 180° gegenüber der Darstellung der 28 gedrehten Ansicht ein weiteres Ausführungsbeispiel eines piezoelektrischen Elements gezeigt, in der das piezoelektrische Element bzw. das Piezoelement beispielsweise in der zweiten Metallisierungsebene, im sogenannten „Back-end-of-Line“ (BEoL) eingebracht ist. Dieses Piezoelement wird nun auf einen weiteren Trägerwafer 160 mit bereits aufgebrachten integrierten Schaltkreisen bspw. ASICs (application-specific integrated circuit) 159 sowie einem Zwischendielektrikum 158 in einem Wafer-Bonding-Prozess aufgebracht. Die Kontaktierung des ersten Pad-Anschlusses 137 wird hierbei mittels einer Durchführung 157 eines Ständeraufbaus 156 realisiert und mittels einer Via in den Bereich der integrierten Schaltkreise bzw. ASICs 159 angeschlossen. Damit kann das piezoelektrische Bauelement angesteuert werden, bspw. mittels eines internen Schaltkreises. Eine beispielhafte Realisierung zur Anwendung eines RF-Schalters ist hierbei die Integration eines Hochfrequenzwellenleiters in beispielhafter Weise einer Ground 147-Signal 148-Ground 147-Anordnung. Darüber hinaus ist es möglich, dass der Trägerwafer 160 bis zur Zwischendielektrikumsschicht 158 so strukturiert ist, dass eine Ultraschallwelle emittiert werden kann. Die Emissionsstärke sowie die Frequenz kann hierbei mit internen Schaltkreisen 159 moduliert werden. In diesem Fall würde auf die Einbringung des Hochfrequenzwellenleiters verzichtet werden.
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Die ferroelektrische Schicht 103 bzw. 111 als Dünnfilmferroelektrikum ist, wie bereits erwähnt, CMOS-kompatibel und in gängigen CMOS-Prozessen oft als Gate-Dielektrikum implementiert. Die beschriebenen piezoelektrischen Elemente können daher in einer CMOS-Prozesslinie hergestellt werden, was geringere Fertigungskosten und höheren Durchsatz ermöglicht als mit konventionellen Verfahren. Die geringe Dicke des dadurch gebildeten spannungsveränderlichen ferroelektrischen Kondensators ermöglicht eine hohe Skalierbarkeit für sehr stark miniaturisierte Systeme. Dies ermöglicht eine sehr geringe Dicke des Trägermaterials, der zweiten Halbleiterschicht 101b in Substrat 101 als auch Metallisierungsschichten 125, 126 und 127 bzw. 135, 136 und 137. Der verwendete „silicon-on-insulator“-Ansatz nach den 1, 8 und 11 ermöglicht hierbei die Realisierung des piezoelektrischen Bauelements bei Dicken der zweiten Halbleiterschicht 101b des Substrates 101 von 50 nm bis 1 µm bzw. der Metallisierungsschichten 125, 126 und 127 bzw. 135, 136 und 137 von 50 nm bis 1 µm. Da das piezoelektrische Element bleifrei ist, ist auch eine RHoS-Kompatibilität des Bauelementes gegeben.
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Zum Erhöhen einer Durchbruchsfestigkeit ist es auch möglich, Ultralaminate zu verwenden. Dabei handelt es sich um Oxidschichten aus beispielsweise Al2O3, SiO2, oder ZrO2 mit einer Schichtdicke von maximal 3 nm. Diese werden alternierend zum Hafniumoxid mit Einzelschichtdicken von 3 nm bis 20 nm eingebracht. Neben einer Durchbruchspannung wird somit auch eine Schaltspannung erhöht und um mindestens einen Faktor 5 gesteigert werden. Für Hochspannungsanwendungen kann zusätzlich eine alternierende Reihenansteuerung der ferroelektrischen Kondensatoren vorgenommen werden.
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Als Werkstoffe für die ferroelektrischen Schichten 103 und 111 kommen mit Silizium, Aluminium, Germanium, Magnesium, Calcium, Strontium, Barium, Titan, Zirkonium und Elementen der Seltenen Erden dotiertes oder undotiertes Hafniumoxid sowie weitere konform abscheidbare Ferroelektrika in Frage. Aufgrund der CMOS-Kompatibilität des Hafniumoxids sowie der genannten Dotanden ist es damit außerdem möglich, weitere Elektronik auf dem gleichen Substrat („on-Chip“) zu fertigen. Das beschriebene Bauelement kann als einzelnes miniaturisiertes SMD-Bauelement hergestellt werden. Selbst kleinste Chip-Bauformen wie das 01005-Format können bedient werden.
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Durch die gute Strukturierbarkeit des Dünnfilmpiezoelektrikums kann eine effektive Flächenvergrößerung erreicht werden, welche eine deutliche Erhöhung der Fingerabdruckauflösung als auch der Ultraschallsensoren in einem Array bewirkt. Aufgrund der CMOS-Kompatibilität kann der Sensor auch in das BEoL integriert werden. Damit kann die Ansteuerlogik darunter gestackt werden. Anwendungsfelder dieses Ultraschallwandlers liegen im Bereich medizinischer Anwendung sowie für Sicherheitssysteme bzw. Fingerabdruckscanner.
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Mit dem beschriebenen piezoelektrischen Element kann auch eine Sensoranordnung realisiert werden, bei der mehrere piezoelektrische Elemente als Array angeordnet werden. Ein Rückkontakt, also die erste Elektrodenschicht 102 bzw. 110 jedes Sensors wird an eine gemeinsame Bitline angeschlossen, während ein Vorderkontakt, also die zweite Elektrodenschicht 104 bzw. 112, innerhalb des CMOS-Prozessflusses durch Kontaktpads durchreichend bis zur letzten Metallisierungsebene kontaktiert werden kann.
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Lediglich in den Ausführungsbeispielen offenbarte Merkmale der verschiedenen Ausführungsformen können miteinander kombiniert und einzeln beansprucht werden.
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Bezugszeichenliste
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- 101a
- erste Halbleiterschicht
- 101b
- zweite Halbleiterschicht
- 4
- freigeätzter Bereich
- 6
- Elektrodenpad
- 100
- Zwischenschicht
- 101
- Substrat
- 102
- erste Elektrodenschicht
- 103
- ferroelektrische, piezoelektrische und bzw. oder flexoelektrische Schicht
- 104
- zweite Elektrodenschicht
- 108
- Vertiefung
- 110
- erste Elektrodenschicht
- 111
- ferroelektrische, piezoelektrische und bzw. oder flexoelektrische Schicht
- 112
- zweite Elektrodenschicht
- 113
- Ansteuersystem
- 114
- Steg
- 124
- Membran
- 125
- Metallisierungsschicht
- 126
- Metallisierungsschicht
- 127
- Metallisierungsschicht
- 128
- Via
- 129
- Barriereschicht
- 130
- Zwischenschicht
- 131
- Metallisierungsschicht
- 132
- Metallisierungsschicht
- 133
- Metallisierungsschicht
- 134
- Siliziumwafer
- 135
- Perforationsloch
- 136
- Steg
- 137
- erster Pad-Anschluss
- 138
- zweiter Pad-Anschluss
- 139
- Spalt
- 140
- pMUT
- 141
- Flüssigkeit
- 142
- Ecke
- 143
- erstes Pad
- 144
- zweites Pad
- 145
- Fenster
- 147
- Masseleitung
- 148
- Signalleitung
- 150
- Transistor
- 151
- zweites Metallisierungslevel
- 154
- Gate-Kontakt
- 155
- Drain-Kontakt
- 156
- Ständeraufbau
- 157
- Durchführung
- 158
- Zwischenschichtdielektrikum
- 159
- ASIC
- 160
- Trägerwafer