Die vorliegende Erfindung betrifft ein piezoelektrisches Element und ein Ver- fahren zum Herstellen eines piezoelektrischen Elements.

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 gebräuchli chen piezoelektrischen Werkstoffe Blei-Zirkonat-Titanat (PZT) wie nicht CMOS-kompatibel (complementary metal-oxide-semiconductor) und darüberhinaus nicht nicht RHoS-kompatibel ist (Restriction of Hazardous Sub- stances, EU-Richtlinie 2011/65/EU). Daher wurde für derartige Bauteile bis lang oftmals Aluminiumnitrit (AIN) bzw. Scandium-dotiertes AIN verwendet. Dieses Material hat einerseits einen geringen Piezokoeffizient und anderer- seits einen starken Polymorphismus, der bewirkt, dass das Material häufig in der nicht-piezoelektrischen Kristallphase gewachsen wird.

Typische Anwendungsgebiete piezoelektrischer Ultraschallwandler liegen zwar im Bereich von Ultraschallsensorik sowie Fingerabdrucksensoren, aller dings ergeben sich hier mehrere Probleme wie eine limitierte Flächenausfül lung als auch Limitierungen hinsichtlich einer Membrandicke und Membran größe, die auch die verwendbaren Frequenzen und Messauflösung beschrän ken. Dies ist insbesondere für Hochfrequenzschaltersysteme hinderlich. Zu dem sind die verwendeten elektrischen Steuerspannungen oftmals ver gleichsweise hoch, so dass Anwendungen im Bereich "Internet of Things (loT)" oder Anwendungen mit direktem Körperkontakt problematisch sind.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein piezoelekt risches 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 verwend baren piezoelektrischen Elements ermöglichen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein piezoelektrisches Ele ment nach Anspruch 1 und ein Verfahren nach Anspruch 9. Vorteilhafte Aus gestaltungen und Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen be schrieben.

Ein piezoelektrisches Element weist ein Substrat auf, bei dem zwischen einer ersten Substratschicht und einer zweiten Substratschicht eine Zwischen schicht angeordnet ist. Auf der zweiten Substratschicht ist eine erste Elektro denschicht 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 ausgebil det ist. Die Zwischenschicht und bzw. oder die erste Substratschicht ist bzw. sind unterhalb eines 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 Nor- malen translatorisch bewegbar.

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 ferroelekt rische, piezoelektrische und bzw. oderflexoelektrische 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 verbun den. Da zudem die Zwischenschicht bzw. die erste Substratschicht entfernt ist, die zweite Substratschicht im Bereich des Schichtstapel also durch einen Frei raum von der ersten Substratschicht räumlich beabstandet ist, kann ein viel fältiges Schwingungsverhalten bei vergleichsweise geringen elektrischen Steuerspannungen realisiert werden.

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 wer den. Typischerweise wird die erste Elektrodenschicht bzw. die zweite Elektro denschicht aus Titannitrid (TiN), Tantalnitrid (TaN), Ruthenium (Ru), Rutheni umoxid (RuO) oder Platin ausgebildet. Hierbei kann Atomlagenabscheidung (atomic layer deposition) und bzw. oder physikalische Gasphasenabscheidung (physical vapor deposition) eingesetzt werden.

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 berüh rendem, Kontakt. Als elektrisch isolierend soll hierbei jeder Werkstoff angese hen werden, der eine elektrische Leitfähigkeit von weniger als IO ⁸ S/m auf weist. Die Zwischenschicht kann allerdings auch aus einem dielektrischen Werkstoff ausgebildet sein. Als Substrat kann hochdotiertes Silizium verwen det werden, das eine ausreichend hohe elektrische Leitfähigkeit aufweist und gleichzeitig gut strukturiert werden kann. Es kann vorgesehen sein, dass die zweite Substratschicht eine geringere Schichtdicke aufweist als die erste Substratschicht, um die mechanische Stabi lität wie gewünscht zu gewährleisten.

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 deut lich geringer als bei bekannten Niederspannungslösungen und ein Einsatz für Low-Power-Anwendungen ist möglich.

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 stoffschlüs sigen Verbindung an den Enden seiner Längsachse mit der verbliebenen zwei ten Substratschicht. Der auf der strukturierten zweiten Substratschicht ange ordnete Schichtstapel kann an einer Seite oder ebenfalls an zwei Seiten einge spannt sein, also ein Festlager aufweisen. Vorzugsweise wird die Zwischen schicht nur unterhalb des Stegs entfernt, kann also an anderen Stellen noch stehenbleiben. Die erste Substratschicht und die zweite Substratschicht sind vorzugsweise stets voneinander durch die Zwischenschicht beabstandet, sind also nie in direktem Kontakt miteinander.

Die ferroelektrische, piezoelektrischen und bzw. oder flexoelektrischen Schicht kann undotiertes Hafniumoxid (HfCh) oder Zirkoniumoxid (ZrCh) oder dotiertes Hafniumoxid als ferroelektrischen, piezoelektrischen und bzw. oder flexoelektrischen Werkstoff aufweisen, wobei das dotierte Hafniumoxid vor zugsweise mit Silizium, Aluminium, Germanium, Magnesium, Calcium, Stron tium, Barium, Titan, Zirkonium und bzw. oder einem Element der Seltenen Erden, also Scandium, Lanthan, Cer, Praseodym, Neodym, Promethium, Sama rium, Europium, Yttrium, Gadolinium, Terbium, Dysprosium, Holmium, Erbi um, 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.

Dieses Material weist eine hohe Zahl von positiven Eigenschaften für die Ver wendung in sowohl CMOS als auch MEMS-Prozesse sowie piezoelektrische Systeme auf. Es ist CMOS-kompatibel, kann in das sogenannte BEoL („Back- end-of-Line") integriert werden, ist hysteresefrei, ist RHoS-kompatibel, un empfindlich gegenüber elektromagnetischer Felder als auch hochenergeti scher Strahlung und zeigt keine Alterungseffekte.

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 ei ner Durchbruchsfestigkeit kann daher vorgesehen sein, dass die ferroelektri sche Zwischenschicht mehrlagig ausgebildet ist und mindestens eine Lage aus einer Oxidschicht mit einer Dicke von weniger als 3 nm und einer Hafni umoxidschicht 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 Hochspan nungsanwendungen 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 Elektro nik 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 Baufor men wie das 01005-Format bedient werden können. Die Oxidschicht kann als eine Aluminiumoxidschicht (AI2O3), eine Siliziumoxidschicht (S1O2) und bzw. oder eine Zirkoniumoxidschicht (ZrÜ2) ausgebildet sein.

Typischerweise ist mindestens eine, vorzugsweise jedoch jede der aufge brachten Schichten, also die erste Elektrodenschicht, die ferroelektrische, pie zoelektrischen und bzw. oder flexoelektrischen Zwischenschicht und die zwei te Elektrodenschicht als konforme Schicht ausgebildet, die die darunter lie gende Schicht, mit der sie in unmittelbarem, also direktem Kontakt steht, oh- ne Aussparungen oder Löcher überdeckt.

Ein erfindungsgemäßer Ultraschallwandler, ein Fingerabdrucksensor, ein RF- Schalter oder Hochfrequenzschalter, ein optisches Interferometer oder Spekt rometer, ein Infrarot-Spektrometer oder Infrarot-Spektrometer weist ein pie zoelektrisches Element mit den zuvor beschriebenen Eigenschaften auf. Unter dem Begriff "Hochfrequenz" soll im Rahmen dieser Schrift ein Frequenzbe reich des elektromagnetischen Spektrums ab 9 kHz verstanden werden.

Bei einem Verfahren zum Herstellen eines piezoelektrischen Elements wird auf ein Substrat, bei dem zwischen einer ersten Substratschicht und einer zweiten Substratschicht eine Zwischenschicht angeordnet ist, eine erste Elekt rodenschicht aus einem elektrisch leitfähigen, nicht-ferroelektrischen Werk stoff 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 unterhalb eines Schichtstapels entfernt, der durch die erste Elektrodenschicht, die ferroelektrische, piezoe lektrische und bzw. oder flexoelektrische Schicht und die zweite Elektroden schicht gebildet ist, so dass der Schichtstapel entlang seiner entlang der Schichtenfolge gerichteten Normalen translatorisch bewegbar ist.

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.

Es kann vorgesehen sein, die ferroelektrische, piezoelektrische und bzw. oder flexoelektrische Schicht mittels Atomlagenabscheidung, insbesondere mittels Atomlagenabscheidung mit alternierenden Abscheidezyklen eines dielektri schen Werkstoffs und eines Dotierstoffs, aufzubringen.

Die beschriebene Vorrichtung wird typischerweise mit dem beschriebenen Verfahren durchgeführt, d. h. das beschriebene Verfahren ist zum Herstellen der beschriebenen Vorrichtung ausgebildet. Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden nachfolgend anhand der Figuren 1 bis 29 erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Verfahrens zum Herstellen eines piezoelektrischen Elements in Querschnittsansicht;

Fig. 2 in einer Figur 1 entsprechenden Darstellung ein Querschnitt eines wei teren piezoelektrischen Elements;

Fig. 3 in einer Figur 1 entsprechenden Darstellung einen Querschnitt eines weiteren piezoelektrischen Elements mit räumlich getrennten Elektro den;

Fig. 4 eine Draufsicht auf das piezoelektrische Element;

Fig. 5 eine Figur 4 entsprechende Darstellung eines piezoelektrischen Ele ments mit vier Elektroden;

Fig. 6 eine Figur 4 entsprechende Darstellung eines piezoelektrischen Ele ments mit drei konzentrisch angeordneten Elektroden;

Fig. 7 eine Figur 4 entsprechende Draufsicht auf ein piezoelektrisches Ele ment entsprechend Figur 3 sowie eine weitere Kontaktierung;

Fig. 8 eine Figur 1 entsprechende seitliche Ansicht eines piezoelektrischen Elements mit translatorisch beweglichem Steg;

Fig. 9 eine Figur 8 entsprechende Ansicht eines piezoelektrischen Elements mit räumlich getrennten Elektroden auf dem Steg;

Fig. 10 eine Figur 8 entsprechende Ansicht eines piezoelektrischen Elements mit räumlich getrennten Elektrodenstapeln auf dem Steg;

Fig. 11 eine Figur 8 entsprechende Ansicht eines piezoelektrischen Elements mit auf dem Steg angeordneten Elektrodenstapeln;

Fig. 12 eine Figur 11 entsprechende Ansicht des piezoelektrischen Elements mit auf dem Steg angeordneten und nachträglich strukturierten Elekt rodenstapeln;

Fig. 13 eine Figur 11 entsprechende Ansicht eines piezoelektrischen Elements mit mehreren auf mehreren Stegen angeordneten Elektrodenstapeln;

Fig. 14 eine Figur 11 entsprechende Ansicht eines piezoelektrischen Elements mit auf mehreren Stegen angeordneten Elektrodenstapeln;

Fig. 15 eine Figur 14 entsprechende Ansicht eines piezoelektrischen Elements mit einem flüssigkeitsgefüllten Hohlraum;

Fig. 16 in einer Figur 13 entsprechenden Darstellung einen Querschnitt eines weiteren piezoelektrischen Elements;

Fig. 17 in einer Figur 13 entsprechenden Darstellung einen Querschnitt eines weiteren piezoelektrischen Elements mit zusätzlichen Durchkontaktie rungen;

Fig. 18 eine Draufsicht auf ein piezoelektrisches Bauelement;

Fig. 19 in einer Figur 18 entsprechenden Darstellung eine Draufsicht auf ein piezoelektrisches Bauelement mit verlängerten Stegen;

Fig. 20 in einer Figur 18 entsprechenden Darstellung eine Draufsicht auf ein piezoelektrisches Bauelement mit verlängerten Stegen und perforier ter Oberfläche;

Fig. 21 eine Draufsicht auf eine Anordnung mehrerer piezoelektrischer Bau elemente;

Fig. 22 eine Draufsicht auf ein Array piezoelektrischer Bauelemente und eine elektrische bzw. elektronische Verschaltung; Fig. 23 eine Figur 20 entsprechende Ansicht mit mehreren Anschlusspads und einer mittig angeordneten Membran;

Fig. 24 eine perspektivische Ansicht der Membran aus Figur 23;

Fig. 25 eine Figur 24 entsprechende Ansicht einer perforierten Membran;

Fig. 26 eine Figur 23 entsprechende Ansicht mit perforierter Membran;

Fig. 27 eine Draufsicht auf ein piezoelektrisches Element mit darunterliegen dem Hochfrequenzwellenleiter;

Fig. 28 eine Figur 16 entsprechende Ansicht eines in eine zweite Metallisie rungsebene eingebrachten piezoelektrischen Elements und

Fig. 29 eine gegenüber der Ansicht der Figur 28 um 180° gedrehte Ansicht des piezoelektrischen Elements.

Figur 1 zeigt in einer schematischen Ansicht ein Verfahren zum Herstellen ei nes piezoelektrischen Elements. In Figur la) 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 ge fertigt ist, typischerweise Si02.

Wie in Figur lb) gezeigt, wird im folgenden Verfahrensschritt das Substrat 101 als Membran strukturiert, indem eine Rückseitenätzung der ersten Halbleiter schicht 101a bis zur Zwischenschicht 100 bzw. bis zum "buried oxide" (BOX) erfolgt. Wie in Figur lb) dargestellt, kann schließlich auch noch ein weiterer Strukturierungsschritt der Zwischenschicht 100 vorgesehen sein. Die Zwi- schenschicht 100 ist hierbei in Figur la) die erste Substratschicht 101a voll ständig bedeckend aufgebracht, wird aber in dem in Figur lb) gezeigten Schritt nur in einem einzelnen Bereich entfernt und verbleibt an den Rändern.

Auf der zweiten Halbleiterschicht 101b des Substrats 101 ist, wie in Figur lc) gezeigt, konform eine erste Elektrodenschicht 102 als Rückelektrode aufge bracht. Diese erste Elektrodenschicht 102 ist aus Titannitrid gebildet und wur de mittels Atomlagenabscheidung aufgebracht. Alternativ können aber auch andere Metalle als Elektrodenwerkstoff verwendet werden, beispielsweise Ruthenium, Platin, Wolfram.

Auf der ersten Elektrodenschicht 102 ist eine ferroelektrische, piezoelektri sche oder flexoelektrische Schicht 103 aus Hafniumoxid bzw. Zirkoniumoxid abgeschieden, wozu ebenfalls Atomlagenabscheidung verwendet wurde. Die ferroelektrische, piezoelektrische oder flexoelektrische Schicht 103 ist wiede rum 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 wei teres Oxid, beispielsweise AI2O3, erfolgen.

Eine zweite Elektrodenschicht 104 ist wiederum als konforme Schicht auf der ferroelektrischen, piezoelektrischen oder flexoelektrischen Schicht 103 mittels physikalischer Gasphasenabscheidung aufgebracht. Statt physikalischer Gas phasenabscheidung kann alternativ auch Atomlagenabscheidung oder chemi sche Gasphasenabscheidung verwendet werden.

Alle Schichten sind in direktem, also unmittelbar berührendem Kontakt mit den jeweils benachbarten Schichten und bedecken diese Schichten vollstän dig, wie in Figur lc) dargestellt.

Durch Aufbringen einer Maske und entsprechendes Strukturieren wird der in Figur ld) 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 ers ten Elektrodenschicht 102, der ferroelektrischen, piezoelektrischen oder flexoelektrischen Schicht 103 und der zweiten Elektrodenschicht 104, wobei nun allerdings der Metall-Ferroelektrikum-Metall-Schichtstapel darauf ange ordnet 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 Figur ld), 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 so mit den Schichtstapel, der entlang seiner Normalen, die parallel zur Schichten folge gerichtet ist, translatorisch bewegbar ist. Durch die fluchtende Anord nung des Schichtstapels auf einem beweglichen Teil der zweiten Halbleiter schicht 101b des Substrats 101 ist ein schwingungsfähiges System realisiert.

Da Seitenflächen dieses Systems nicht in Berührung stehen mit Flächen be nachbarter Schichten, ist ein hoher Beweglichkeitsgrad realisiert. Als Seiten fläche 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 Halb leiterschicht 101b des Substrats 101 verstanden werden. Unterhalb des Schichtstapels sind in dem dargestellten Ausführungsbeispiel sowohl die erste Substratschicht 101a als auch die Zwischenschicht 100 entfernt, die genann ten Schichten verbleiben jedoch seitlich davon in nicht unterhalb des Schichtstapels angeordneten Bereichen.

Das beschriebene Verfahren ist im CMOS-Prozessfluss eines High-k-Metal- Gate-Prozessflusses gut integrierbar, indem quasi ein ferroelektrischer, piezo elektrischer oder flexoelektrischer Kondensator auf einer Membran (nämlich dem Substrat 101) aufgebracht wird und somit die piezoelektrischen Eigen schaften realisiert werden. Die piezoelektrische Ausdehnung bzw. Schrump fung 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 Memb ran. 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 medizini sche 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 ei nen mechanischen Abdruck des piezoelektrischen Elements, das auch als pMUT-Zelle bezeichnet werden kann (Piezoelectric Micromachined Ultrasonic Transducer). Dies erfolgt typischerweise in einem höherfrequenten Spektrum.

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 Ver spannung 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.

In Figur 2 ist in einer Figur 1 entsprechenden Ansicht ein weiteres Ausfüh rungsbeispiel eines piezoelektrischen Elements dargestellt. Wiederkehrende Merkmale sind in dieser Figur wie auch in den folgenden Figuren mit identi schen Bezugszeichen versehen. Abweichend zum Bearbeitungsschritt in Figur ld) ist in Figur 2 der Schichtstapel der ersten Elektrodenschicht 102, ferro elektrischen, piezoelektrischen oder flexoelektrischen Schicht 103 sowie zwei ten 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 be kannten Ätzverfahren, beispielsweise nasschemisches Ätzen, lonenätzen oder reaktives lonenätzen, unter Einsatz einer entsprechenden Maske erfolgen. Dadurch entstehen getrennte Schichtstapel mit den entsprechenden Einzel schichten untere (bzw. erste) Elektrodenschicht 102 bzw. 110, ferroelektri sche, piezoelektrische oder flexoelektrische Schicht 103 bzw. 111 sowie obere (bzw. zweite) Elektrodenschicht 104 bzw. 112.

In Figur 3 ist in einer Figur 1 entsprechenden Ansicht ein weiteres Ausfüh rungsbeispiel eines piezoelektrischen Elements dargestellt. Abweichend zum Bearbeitungsschritt in Figur ld) ist in Figur 3 der Schichtstapel der ersten Elektrodenschicht 102, ferroelektrischen, piezoelektrischen oder flexoelektri schen Schicht 103 sowie zweiten Elektrodenschicht 104 oberhalb des Sack lochs 108 derart strukturiert, dass zunächst eine Vertiefung oder mehrere Vertiefungen ausgebildet werden, die bis zur Oberfläche der ferroelektri schen, piezoelektrischen oder flexoelektrischen Schicht 103 reichen. Dies kann wiederum mit den bekannten Ätzverfahren, beispielsweise nasschemisches Ätzen, lonenätzen oder reaktives lonenätzen, unter Einsatz einer entspre chenden Maske erfolgen. Dadurch entstehen aufgetrennte Schichten der obe ren Elektrodenschicht 104 sowie 112.

In Figur 4 ist eine Draufsicht auf ein piezoelektrisches Bauelement entspre chend der Querschnittsdarstellungen in den Figuren 1, 2 und 3 sowie deren Kontaktierung dargestellt. Dazu werden Kontakte an die Elektrodenschichten 102, 104 und 112, sofern das dargestellte Bauteil ein piezoelektrisches Bau element nach Figur 2 und 3 ist, angebracht. An die oberen Elektrodenschich ten 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 hier für eine hochfrequente elektrische Ansteuerung genutzt, damit eine resonan- te 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 auf zuzeichnen. In den Figuren 5 bis 7 sind weitere Draufsichten auf ein piezoe lektrisches Bauelement entsprechend der Figuren 2 und 3 mit weiteren An ordnungen der oberen Elektroden 103 und 104 dargestellt.

In Figur 8 ist in einer Figur 1 und Figur 2 entsprechenden Ansicht ein weiteres Ausführungsbeispiel eines piezoelektrischen Elements dargestellt. Abwei chend zu den Bearbeitungsschritten in Figur lb) 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 abge schieden. Hierfür können die im Zusammenhang mit Figur 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 Halbleiter- Schicht 101b des Substrats 101 reichen, ausgebildet werden. Dies kann mit den bekannten Ätzverfahren, beispielsweise nasschemisches Ätzen, lonenät- zen 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 Substra tes 101 und die Zwischenschicht 100 entsprecht strukturiert werden, so dass die Vertiefungen bis zur Oberfläche der ersten Halbleiterschicht 101a des Sub strates 101 reichen. Indem nun der unterhalb des Schichtstapels und unter halb 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 ei ner 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. Auch wenn sich unterhalb des Stegs 114 noch die erste Halb leiterschicht 101a befindet, ist die Zwischenschicht 100, die ursprünglich die erste Halbleiterschicht 101a vollständig bedeckte, unmittelbar unterhalb des Stegs 114 entfernt, neben dem Steg 114 jedoch noch auf der ersten Halb leiterschicht 101a angeordnet.

In Figur 9 ist in einer Figur 8 entsprechenden Ansicht ein weiteres Ausfüh rungsbeispiel eines piezoelektrischen Elements dargestellt. Abweichend vom piezoelektrischen Bauelement nach Figur 8 ist hierbei die auf dem Steg 114 angeordnete zweite Elektrodenschicht 112 aufgetrennt in zwei räumlich ge trennte Schichten. Dies ermöglicht eine elektrische Kontaktierung der nun getrennten oberen Elektrodenschichten 104 und 112 mit einem Ansteuersys tem 113 entsprechend den Figuren 4-7.

In Figur 10 ist in einer Figur 8 entsprechenden Ansicht ein weiteres Ausfüh rungsbeispiel eines piezoelektrischen Elements dargestellt. Abweichend vom piezoelektrischen Bauelement nach Figur 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 aufge baute und gleich hohe Schichtstapel ergeben. Dies ermöglicht eine elektrische Kontaktierung der oberen Elektrodenschichten 107 und 112 sowie der darun ter liegenden Schichten 110 und 111 mit einem Ansteuersystem 113 entspre chend den Figuren 4-7. Auf dem Steg 114 sind somit zwei Schichtstapel ange ordnet mit jeweils einer ersten Elektrodenschicht 105 bzw. 110, einer ferro elektrischen Schicht 103 bzw. 111 und einer zweiten Elektrodenschicht 107 bzw. 112.

In Figur 11 ist in einer Figur 1 und 8 entsprechenden Ansicht ein weiteres Aus führungsbeispiel eines piezoelektrischen Elements dargestellt. Abweichend zu den Bearbeitungsschritten in Figur lb) 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 Metallisie rungsschichten sowie Vias 128, ein bereits strukturierte Metallisierungsschich tensystem 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 Metallisierungsschichtsys tem typischerweise aus den Einzelschichten 125, 126, 127 entsprechend 131, 132, 133.

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 Zwischen dielektrikaschichten sowie im "Front End of Line" (FEoL) eingebrachte Transis toren und deren Verdrahtung aufweisen. Die erste Elektrodenschicht 102 wird als konforme Schicht auf der Metallisierungsschicht 125 aufgebracht. Nachfol gend werden die ferroelektrische Schicht 103 und die zweite Elektroden schicht 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 Figu ren 1 und 8 beschriebenen Ätzprozessen eingebracht, bei denen zunächst jeweils die zweite Metallisierungsschicht 125 einen Boden bildet. Darauf fol gend wird der zweite Metallisierungsschicht 125, 126, 127 und anschließend, ähnlich wie in Figur 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 Längs achse an zwischen Enden eingespannt.

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 Ultra schallwandler 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 Elektroden schicht 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.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel eines piezoelektrischen Elements ist in Figur 12 in einer Figur 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 abschlie ßen. Dies kann den Anteil des Leckstroms durch die ferroelektrische Schicht 106 bzw. 111 reduzieren.

In Figur 13 ist in einer Figur 11 entsprechenden Ansicht ein weiteres Ausfüh rungsbeispiel 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 einge bracht. Diese können die Entnahme der Zwischendielektrikaschicht 130 er leichtern.

In Figur 14 ist in einer Figur 11 entsprechenden Ansicht ein weiteres Ausfüh- rungsbeispiel eines piezoelektrischen Elements dargestellt. In dieser Figur wurde eine gesonderte Strukturierung des ferroelektrischen Kondensatorsta pels 105, 106, 107 vor der Strukturierung des als Membran agierenden Metal lisierungsschicht 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.

In Figur 15 ist in einer Figur 14 entsprechenden Ansicht ein weiteres Ausfüh rungsbeispiel eines piezoelektrischen Elements dargestellt. Bei dem in diesem Ausführungsbeispiel gezeigten Bauelement wurde das Element mit einer Flüs sigkeit 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 vorgestell ten Optionen des piezoelektrischen Bauelementes möglich.

Figur 16 zeigt in einer Figur 13 entsprechenden Ansicht ein weiteres Ausfüh rungsbeispiel 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 Figuren 11-15 gleichfalls möglich. Mittels der Via im ersten Metallisie- rungslevel 128 und der Via im zweiten Metallisierungslevel 152, typischer weise 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 Versorgungs spannung 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 Konden sator anliegende elektrische Spannung führt zu einer mechanischen Verspan nung der Membran bzw. des Steges 114 bzw. Balkens. Bei hochfrequenter Änderung beispielsweise im Bereich 10 kHz - 10 MHz lässt sich somit eine Ultraschallwelle erzeugen. DerTransistor kann hierbei bspw. Teil eines oszil lierenden Schaltkreises sein.

Bei dem in Figur 17 in einer Figur 13 entsprechenden Ansicht dargestellten Ausführungsbeispiel ist das piezoelektrische Element beispielsweise in der zweiten Metallisierungsebene, im BEoL eingebracht. In diesem Fall ist die un tere 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 Öff nung des Transistors generiert, dies ermöglicht einen phasenstabilen Oszilla tor als Clock weiterer an dieses System angeschlossener Schaltkreise.

In Figur 18 ist in einer den Figuren 4 bis 7 entsprechenden Darstellung eine Draufsicht auf ein piezoelektrisches Bauelement entsprechend der Quer schnittsdarstellungen in Figuren 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 An schluss 138 kontaktiert. Mittels einer weiteren Kontaktierung analog zu Figur 4 kann der pMUT mittels eines Ansteuersystem 113 betrieben werden.

Figur 19 gibt eine wiederum Figur 18 entsprechende Draufsicht auf ein piezoe lektrisches Bauelement entsprechend der Querschnittsdarstellungen in den Figuren 11-15 sowie deren Kontaktierung wieder. Die Membran 114 ist hier bei über einen im Vergleich zu Figur 18 verlängerten Steg 136 angebunden.

Die in Figur 19 dargestellte Option stellt eine Möglichkeit dar, weitere Mög lichkeiten sind zusätzliche Windungen des Steges 136 vorzusehen. Der Bereich 4 ist hierbei wie bei dem in Figur 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 Resonanzfre quenz des pMUT 140.

In Figur 20 ist eine Figur 18 entsprechende Draufsicht auf ein piezoelektri sches Bauelement entsprechend der Querschnittsdarstellungen in Figuren 11- 15 sowie deren Kontaktierung dargestellt. Die Membran 114 ist nun entspre chend Figur 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.

Figur 21 zeigt eine Anordnung des piezoelektrischen Bauelements, im darge stellten Ausführungsbeispiel pMUT 140 auf dem Silizium-Wafer 134. Diese kubische Anordnung ermöglicht eine hohe Flächendichte, einfache Kontaktie rung. Alternativ dazu ist eine hexagonale Anordnung möglich.

In Figur 22 ist eine mögliche Kontaktierung eines Arrays aus 2x2 piezoelektri schen 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 Ver bindungstechnik in Systeme implementiert werden, bpsw. mittels Drahtbond- Drähten in eine Leiterplatte eingebracht werden.

Eine Figur 20 entsprechende Anordnung ist in Figur 23 dargestellt. In diesem Ausführungsbeispiel wird auf der oberen Membranfläche der Membran 124 die obere Elektrode entfernt, analog zu Figur 14. Die Stege 136 werden über bspw. vier Kontakte 6, 137, 143, 144 kontaktiert. Dies ermöglicht die gesteu erte 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 Aus wahl der Ultraschallfrequenz.

In Figur 24 ist eine schematische Darstellung der zu erwartenden Verzerrung der Membran 124 sowie der Stege 136 eines piezoelektrischen Bauelementes 140 nach den Figuren 13-15 sowie der Figur 20 in perspektivischer Ansicht wiedergegeben. Die Membran 124 wird hierbei homogen gehoben bzw. ge senkt, abhängig von der Ansteuerspannung einer Ansteuerschaltung 113. Ne ben einer runden Realisierung der Membran 124 sind verschiedene Formen bpsw. Quadrate oder Rechtecke ebenso möglich.

In Figur 25 ist eine Figur 24 entsprechende schematische Darstellung der zu erwartenden Verzerrung der Membran 124 sowie der Stege 136 eines piezoe lektrischen Bauelementes 140 nach den Figuren 13-15 sowie der Figur 20 da- regestellt. Im Gegensatz zu bisherigen Ausführungsformen ist bei dem in die ser Figur wiedergegebenen Ausführungsbeispiel ein Fenster 145 für optische bzw. infrarote Strahlung 145 vorgesehen. Unter optischer Strahlung soll hier bei elektromagnetische Strahlung im Wellenlängenbereich zwischen 400 nm und 780 nm angesehen werden, als infrarote Strahlung hingegen elektromag netische Strahlung im Wellenlängenbereich zwischen 780 nm und 3 pm. Das Fenster 145 dient in einem Fabry-Perot-Interferometer-Aufbau als Referenz schicht für einem darunter befindlichen Sensor. Durch das Heben und Senken des in der Membran enthaltenen Fensters 145 kann die Absorptionswellen länge im Sensor eingestellt werden. Alternativ ist eine Spiegelfläche realisier bar. In der Figur 23 entsprechenden Kontaktierung der bspw. vier oberen Elektrode 6, 137, 143, 144 erhält man damit einen verkippbaren Spiegel. Ne ben einer runden Realisierung der Membran 124 sind wie zuvor auch ver schiedene andere Formen möglich.

Wiederum in Draufsicht ist in Figur 26 eine Figur 23 entsprechende Darstel lung eines piezoelektrischen Bauelements entsprechend der Querschnittsdar stellungen in den Figuren 11-15 sowie deren Kontaktierung dargestellt. Ab weichend zu Figur 23 ist nun das bereits in Figur 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.

In Figur 27 ist eine Draufsicht auf ein piezoelektrisches Bauelement entspre chend der Querschnittsdarstellungen in den Figuren 11-15 sowie deren Kon taktierung dargestellt. Abweichend von Figur 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 Kon takt der oberen Elektroden 137 und 138 zum Heben und Senken gebracht. Unterhalb bzw. oberhalb der Membran ist ein Hochfrequenzwellenleiter im plementiert, der im dargestellten Ausführungsbeispiel aus einer mittigen Masseleitung 147 und beidseitig dazu angeordneten Signalleitungen 148 be steht. Andere planare Hochfrequenzwellenleiter sind hierbei möglich. Durch die Anpassung der Impedanz kann damit für bestimmte Frequenzen eine ge ringe sowie eine hohe Transmission erreicht werden.

In Figur 28 ist in einer Figur 16 entsprechenden Ansicht ein weiteres Ausfüh rungsbeispiel eines piezoelektrischen Elements dargestellt, in der das Piezoe- lement bspw. in der zweiten Metallisierungsebene, im sog. „Back-end-of-Line" (BEoL) eingebracht ist. Analog zu Figur 27 ist hierbei ein Hochfrequenzwellen leiter in beispielhafter Weise einer Ground 147-Signal 148-Ground 147- Anordnung eingebracht. Diese kann im Herstellungsprozess als Teil der Metal lisierungsebenen 131, 132, 133 realisiert sein. Als Materialien für den Hoch frequenzwellenleiter kommen Aluminium, Kupfer, Ruthenium, Cobalt und Legierungen daraus in Frage. Für Höchstfrequenzsysteme kann diese Schicht daher deutlich dicker ausgestaltet sein, bspw. dicker als 1 miti, als in typischen BEoL-Realisierungen. Darüber hinaus kann die Via-Ebene 128, 129, 130 dün ner ausgestaltet sein als in typischen Realisierungen, bspw. unterhalb von 500nm.

In Figur 29 ist einer Figur 28 entsprechenden, jedoch um 180° gegenüber der Darstellung der Figur 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 inte grierten Schaltkreisen bspw. ASICs (application-specific integrated Circuit) 159 sowie einem Zwischendielektrikum 158 in einem Wafer-Bonding-Prozess auf gebracht. Die Kontaktierung des ersten Pad-Anschlusses 137 wird hierbei mit tels einer Durchführung 157 eines Ständeraufbaus 156 realisiert und mittels einer Via in den Bereich der integrierten Schaltkreise bzw. ASICs 159 ange schlossen. 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 Hochfre quenzwellenleiters 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 Fre quenz kann hierbei mit internen Schaltkreisen 159 moduliert werden. In die sem Fall würde auf die Einbringung des Hochfrequenzwellenleiters verzichtet werden.

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 Ele mente können daher in einer CMOS-Prozesslinie hergestellt werden, was ge ringere Fertigungskosten und höheren Durchsatz ermöglicht als mit konventi onellen Verfahren. Die geringe Dicke des dadurch gebildeten spannungsver änderlichen ferroelektrischen Kondensators ermöglicht eine hohe Skalierbar- keit 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 Figuren 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 pm bzw. der Metallisierungsschichten 125, 126 und 127 bzw. 135, 136 und 137 von 50 nm bis 1 pm. Da das piezoelektrische Element bleifrei ist, ist auch eine RHoS-Kompatibilität des Bauelementes gegeben.

Zum Erhöhen einer Durchbruchsfestigkeit ist es auch möglich, Ultralaminate zu verwenden. Dabei handelt es sich um Oxidschichten aus beispielsweise AI ₂ O ₃ , S1O2, oder ZrÜ2 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 Reihen- ansteuerung der ferroelektrischen Kondensatoren vorgenommen werden. 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 undotier tes 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 glei chen Substrat („on-Chip") zu fertigen. Das beschriebene Bauelement kann als einzelnes miniaturisiertes SMD-Bauelement hergestellt werden. Selbst kleins te Chip-Bauformen wie das 01005-Format können bedient werden.

Durch die gute Strukturierbarkeit des Dünnfilmpiezoelektrikums kann eine effektive Flächenvergrößerung erreicht werden, welche eine deutliche Erhö hung 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 wer den. Anwendungsfelder dieses Ultraschallwandlers liegen im Bereich medizi nischer Anwendung sowie für Sicherheitssysteme bzw. Fingerabdruckscanner.

Mit dem beschriebenen piezoelektrischen Element kann auch eine Sensoran ordnung 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.

Lediglich in den Ausführungsbeispielen offenbarte Merkmale der verschiede nen Ausführungsformen können miteinander kombiniert und einzeln bean sprucht werden. Bezugszeichenliste:

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