DE10004390C2 - Thermoelektrischer Generator und Verfahren zu seiner Herstellung - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen thermoelektrischen Generator, der insbesondere als elektrische Spannungsquelle für Halbleiterbauelemente eingesetzt werden kann.

Unter Ausnutzung des thermoelektrischen Effektes (Seebeck- bzw. Peltier-Effekt) lassen sich Temperaturdifferenzen in elektri­ sche Potentialdifferenzen umwandeln und umgekehrt. Ein auf der Grundlage dieses thermoelektrischen Effektes funktionie­ rendes Thermoelement ist daher geeignet, als elektrische Spannungsquelle zumindest für niedrige Spannungsbereiche ver­ wendet zu werden. Der thermoelektrische Effekt tritt auf, wenn eine Abfolge von Übergängen zwischen n-dotierten und p- dotierten Halbleiterstreifen abwechselnd zwei unterschiedli­ chen Temperaturniveaus ausgesetzt wird.

In der Veröffentlichung von M. Stordeur und I. Stark: "Low Power Thermoelectric Generator - self-sufficient energy supply for micro systems" in IEEE Proc. 16^th International Conference on Thermoelectrics (1997), Seiten 575 bis 577, ist ein thermoelektrischer Generator beschrieben, bei dem eine Anordnung aus einer Vielzahl von schmalen Folien mit einer jeweiligen Kette von Thermoelementen so zwischen zwei Platten angeordnet ist, daß bei Vorhandensein einer Temperaturdiffe­ renz zwischen den Plätten ein elektrischer Strom an den End­ kontakten abgegriffen werden kann. Die Thermoelemente sind dabei im wesentlichen gebildet durch einen mehrfach im rech­ ten Winkel abknickenden Streifen dotierten Halbleitermateri­ als, das abwechselnd p-leitend und n-leitend dotiert ist, wo­ bei die pn-Übergänge abwechselnd mit der einen oder anderen Platte thermisch leitend verbunden sind.

Ein ähnlicher thermoelektrischer Wandler als Spannungsquelle ist in der Veröffentlichung von H. Glosch et al.: "A thermoelectric converter for energy supply" in Sensors and Actua­ tors 74, 246-250 (1999) beschrieben. Hierbei wird eine An­ ordnung aus streifenförmigen dotierten Bereichen in einem Si­ liziumsubstrat, die mit Aluminiumstreifen untereinander ver­ bunden sind, verwendet.

In der DE 197 16 343 A1 ist eine elektrische Spannungsquelle für Halbleiterbauelemente beschrieben, bei der eine gewellte Schicht aus Halbleitermaterial vorhanden ist, die bereichs­ weise abwechselnd für elektrische Leitfähigkeit unterschied­ lichen Vorzeichens dotiert ist. Diese Schicht ist zwischen thermisch leitenden Schichten so angeordnet, daß die pn- Übergänge nach außen elektrisch isoliert sind und abwechselnd mit einer der thermisch leitenden Schichten in thermischem Kontakt und gegen die jeweils ändere thermisch leitende Schicht thermisch isoliert sind.

In der JP-A-10-303469 ist ein Thermoelement als Dünnfilmhalb­ leiterbauelement beschrieben, bei dem N-Typ-Dünnfilme und P- Typ-Dünnfilme abwechselnd aufeinander folgend an einer mit wellenförmigen Erhebungen versehenen Oberfläche eines Bauele­ mentes angeordnet und längs der Grate der Erhebungen und längs der Gräben zwischen den Erhebungen mit elektrisch lei­ tenden Verbindungen versehen sind, die einander benachbarte Flanken der Erhebungen verbinden. Die Flanken der Erhebungen sind jeweils vollständig, mit einem Dünnfilm eines bestimmten Vorzeichens bedeckt.

In der JP-A-11-298052 ist ein thermoelektrisches Element be­ schrieben, das ein poröses Metall als thermoelektrisches Ma­ terial und eine damit verbundene Elektrode einer geringen Porosität aufweist. Die p-leitenden und n-leitenden Anteile des Materials sind in einem gewissen Abstand zueinander wel­ lenförmig aufeinander folgend angeordnet, wobei auch hier die vertikal bezüglich der Elektrode angeordneten Abschnitte durchgehend dasselbe Vorzeichen der Leitfähigkeit aufweisen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen thermoelek­ trischen Generator anzugeben, der im Rahmen eines Herstel­ lungsprozesses für Halbleiterbauelemente unter Verwendung der Standardsiliziumtechnologie herstellbar ist. Außerdem soll ein entsprechendes Herstellungsverfahren angegeben werden.

Diese Aufgabe wird mit dem thermoelektrischen Generator mit den Merkmalen des Anspruches 1 bzw. mit dem Herstellungsver­ fahren mit den Merkmalen des Anspruches 4 gelöst. Ausgestal­ tungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

Der erfindungsgemäße thermoelektrische Generator ist aus ver­ tikal bezüglich eines Substrates angeordneten Mäandern von Thermopaaren aufgebaut, die ihrerseits aus abwechselnd p- leitend und n-leitend dotiertem Monosilizium bestehen und hintereinander in einer Schichtebene ausgerichtet sind. Die Thermopaare sind elektrisch in Reihe und thermisch parallel geschaltet. Bei vertikalem Wärmefluß von der Chipoberseite zur Chipunterseite oder umgekehrt stellt sich infolge der vertikalen Anordnung eine Temperaturdifferenz zwischen den Enden eines jeweils p-leitenden oder n-leitenden Abschnittes der Reihe von Thermopaaren ein, wodurch aufgrund des Seebeck- Effektes elektrische Spannungen erzeugt werden, die in Rei­ henschaltung summiert werden. Jeder n-leitende und p-leitende Abschnitt eines Thermopaares besitzt einen bezüglich der Schichtebenen des Bauelementes vertikalen Anteil, der in ei­ ner außerhalb der Schichtebene verlaufenden Fläche an der Flanke eines Dielektrikums angeordnet ist. Eine elektrisch leitende Verbindung zwischen diesen Anteilen wird durch Me­ tallkontakte hergestellt. Das Bauelement ist so strukturiert, daß es sich mittels einer Grabenätzung und zweier anisotroper Implantationen unter schrägen Einfallswinkeln im Rahmen eines herkömmlichen Halbleiterprozeßkonzeptes herstellen läßt. Ins­ besondere sind keine Herstellungsschritte erforderlich, die über die im Rahmen herkömmlicher BiCMOS-Prozesse angewandten Technologien hinausgehen.

Es folgt eine genauere Beschreibung des erfindungsgemäßen thermoelektrischen Generators und des zugehörigen Herstel­ lungsverfahrens anhand eines in den Fig. 1 bis 6 darge­ stellten Beispieles.

Fig. 1 zeigt einen Ausschnitt aus einem erfindungsgemäßen Generator im Querschnitt.

Fig. 2, 4 und 5 zeigen Querschnitte von Zwischenprodukten des Herstellungsverfahrens.

Fig. 3 und 6 zeigen Aufsichten auf Zwischenprodukte nach verschiedenen Schritten des Herstellungsverfahrens.

Fig. 1 zeigt den Querschnitt eines Ausschnittes aus einem bevorzugten Ausführungsbeispiel des thermoelektrischen Gene­ rators. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist ein SOI-Substrat verwendet. Ein solches SOI-Substrat (Silicon On Insulator) besitzt eine dünne Body-Siliziumschicht über einer Isolati­ onsschicht auf einer vergleichsweise dicken Bulk-Siliziumschicht oder einem Siliziumkörper. Der Generator gemäß Fig. 1 ist in der Body-Siliziumschicht über der Isolationsschicht 2 auf der Bulk-Siliziumschicht 3 ausgebildet. Die Body- Siliziumschicht ist in einzelne voneinander elektrisch iso­ lierte Bereiche 1 strukturiert. Diese Bereiche 1 weisen je­ weils einen p-leitend dotierten Abschnitt 11, einen n-leitend dotierten Abschnitt 12 und je nach Herstellverfahren dazwi­ schen einen undotierten Abschnitt 13 auf. Die dotierten Ab­ schnitte 11, 12 besitzen jeweils bezüglich der Schichtstruk­ tur vertikale Anteile 14, 15, die die Flanken eines jeweili­ gen Distanzbereiches 21 aus einem Dielektrikum bedecken. Die isolierenden Bereiche zwischen den dotierten Abschnitten, d. h. die undotierten Abschnitte 13 und die Distanzbereiche 21, sind mittels Metallkontakten 4, 5 elek­ trisch leitend überbrückt. Auf diese Weise ist eine Abfolge von p-leitenden und n-leitenden Abschnitten längs eines elek­ trisch leitenden Streifens realisiert. An dessen Enden läßt sich die erzeugte Spannung abgreifen, wenn in vertikaler Richtung an das Bauelement eine Temperaturdifferenz angelegt wird. Die in der Body-Siliziumschicht vorhandene Struktur ist hier mittels einer thermisch leitenden dielektrischen Deck­ schicht 22 bedeckt, in der über den oberen Metallkontakten 5 Kontaktlöcher für eine Metallisierung 6 vorhanden sind, mit der einzelne der Thermoelemente elektrisch leitend verbunden sind. Ein thermisch leitendes Material dient als Abdeck­ schicht 7 oder Passivierung auf der Oberseite des Bauelemen­ tes. Diese Abdeckschicht 7 kann gleichzeitig als Wärmequelle vorgesehen sein. Die gewünschte Temperaturdifferenz wird dann durch eine Wärmesenke an der Unterseite des Substrates oder durch die bereits als Wärmesenke fungierende Bulk-Silizium­ schicht 3 hervorgerufen.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zur Her­ stellung des thermoelektrischen Generators geht von einem SOI-Substrat aus, das eine Body-Siliziumschicht aufweist, die von dem Bulk-Silizium durch ein Isolationsschicht getrennt ist. Die Body-Siliziumschicht wird in einzelne Blöcke 10 strukturiert, wie in Fig. 2 bzw. Fig. 3 dargestellt ist. Das geschieht, indem zwischen den Blöcken 10 Gräben bis hin­ unter auf die Isolationsschicht 2 über der Bulk-Silizium­ schicht 3 geätzt werden. Diese Gräben werden dann mit einem Oxid oder einem anderen Dielektrikum 20 aufgefüllt. Aus Fig. 3 ist zu entnehmen, daß die von der Body-Siliziumschicht üb­ rigbleibenden Blöcke 10 vorzugsweise länglich sind und hin­ tereinander in Reihen angeordnet sind, von denen eine Viel­ zahl parallel zueinander vorhanden sein kann. Die jeweiligen Abmessungen und die Anzahl der Reihen von Blöcken 10 richtet sich nach den jeweiligen Anforderungen in der Anwendung des herzustellenden Generators.

Mittels einer an sich bekannten Photomaskentechnik wird das Dielektrikum 20 von den Oberseiten der Blöcke 10 weitgehend entfernt. Ein jeweils über den geätzten Gräben verbleibender Anteil wird zur Herstellung einer Hartmaske ausgehärtet. Statt dessen kann das Dielektrikum so weit entfernt werden, daß nur die Gräben zwischen den Blöcken 10 gefüllt bleiben. In diesem Fall wird anschließend über den Gräben eine geeig­ nete Maske, z. B. eine Hartmaske aus Oxid, gesondert aufge­ bracht. Unter Verwendung dieser Maske wird das dazwischen freiliegende Silizium der Blöcke 10 ausgeätzt. Es wird so die in Fig. 4 im Querschnitt dargestellte Strukturierung herge­ stellt.

In Fig. 4 ist erkennbar, daß die Maske 50 außer dem Dielek­ trikum, das in den Gräben zwischen den Blöcken Distanzberei­ che 21 bildet, jeweils seitlich angrenzende Anteile am Rand der Blöcke bedeckt. Die Blöcke werden so ausgeätzt, daß Aus­ sparungen 23 gebildet werden, die jeweils einen zu der Isola­ tionsschicht 2 koplanaren Schichtanteil und zwei einander ge­ genüberliegende Flanken an den Distanzbereichen 21 übrig las­ sen. Mittels zweier Implantationen, die in zwei verschiedenen schrägen Einfallswinkeln vorgenommen werden und die in Fig. 4 mit den Pfeilen 8, 9 angedeutet sind, werden Dotierstoffe für elektrische Leitfähigkeit unterschiedlicher Vorzeichen in das Silizium eingebracht. Es werden so die p-leitend dotier­ ten Abschnitte 11 und die n-leitend dotierten Abschnitte 12 gebildet, zwischen denen je nach den Abmessungen der Struktu­ rierung und der Wahl der Implantationswinkel ggf. ein undo­ tierter Abschnitt 13 übrig bleibt.

Fig. 5 zeigt das Zwischenprodukt des Verfahrens im Quer­ schnitt, nachdem die Masken 50 entfernt und statt dessen Me­ tallkontakte 4, 5 zur Überbrückung der Distanzbereiche 21 hergestellt worden sind. Die Struktur wird dann mit einem Dielektrikum 22 aufgefüllt und überdeckt, womit auch die in den Blöcken ausgeätzten Aussparungen 23 gefüllt werden. In dem Dielektrikum 22 können Kontaktlöcher 60 (in Fig. 5 ge­ strichelt angedeutet) hergestellt werden, die für einen elek­ trischen Anschluß der oberen Metallkontakte 5 vorgesehen sind. In diese Kontaktlöcher 60 können dann insbesondere die in Fig. 1 dargestellten Metallisierungen 6 zur Verbindung einzelner Thermoelemente eingebracht werden.

Fig. 6 zeigt die Struktur in Aufsicht, wobei die verdeckten Konturen der dotierten Abschnitte 11, 12, der Distanzbereiche 21 zwischen den Siliziumblöcken und der Metallkontakte 4, 5 gestrichelt eingezeichnet sind. Auf der Oberseite befindet sich zur Verdeutlichung des Prinzips eine Leiterbahn der Me­ tallisierung 6, die veranschaulicht, wie die elektrisch lei­ tende Verbindung zwischen Thermoelementen bewirkt ist. Vor­ zugsweise werden solche leitenden Verbindungen jeweils zwi­ schen den Thermoelementen an Enden zweier parallel zueinander angeordneter Reihen von Thermoelementen angebracht.

Die Vorteile des erfindungsgemäßen Generators und des Her­ stellungsverfahrens sind der monolithische Aufbau, die verti­ kale Strukturierung unter Ausnutzung der Chipoberseite und der Chipunterseite zur Wärmeankopplung und die Möglichkeit, die vertikalen Abmessungen der Thermoelemente mit einigen Mi­ krometern thermoelektrisch effektiven Monosiliziums ver­ gleichsweise groß herzustellen. Bei der Herstellung wird die Siliziumtechnologie ausgenutzt, um in Monosiliziummaterial unter Verwendung von an sich bekannten Ätz-, Dotierungs- und Abscheidungsverfahren metallisch miteinander verbundene Ther­ moelemente herzustellen, die die Funktion einer monolithisch integrierten Stromversorgung von Mikrosystemen erfüllen kön­ nen.

Claims (4)

1. Thermoelektrischer Generator,
bei dem eine mit Dotierungen versehene Schicht aus Halb­ leitermaterial vorhanden ist, die nach einer Schichtebene ausgerichtet und zwischen thermisch leitenden Materialien angeordnet ist,
bei dem die Schicht in Bereiche (1) strukturiert ist, die jeweils einen p-leitend dotierten Abschnitt (11) und einen n-leitend dotierten Abschnitt (12) aufweisen,
bei dem diese Abschnitte (11, 12) jeweils einen Anteil (14, 15) aufweisen, der in einer außerhalb der Schichtebe­ ne verlaufenden Fläche angeordnet ist, und
jeweils zwischen einem außerhalb der Schichtebene angeord­ neten Anteil (14) eines p-leitend dotierten Abschnittes (11) eines Bereiches (1) und einem außerhalb der Schicht­ ebene angeordneten Anteil (15) eines n-leitend dotierten Abschnittes (12) eines benachbarten Bereiches (1) ein ver­ tikal zur Schichtebene angeordneter und elektrisch isolie­ render Distanzbereich (21) vorhanden ist,
dadurch gekennzeichnet, daß
jeder Distanzbereich (21) mit einem Metallkontakt (5) der­ art überbrückt ist, daß die durch diesen Distanzbereich voneinander getrennten Anteile (14, 15) elektrisch leitend miteinander verbunden sind, und
zwischen einem p-leitend dotierten Abschnitt (11) und ei­ nem n-leitend dotierten Abschnitt (12) desselben Bereiches (1) jeweils ein undotierter Abschnitt (13) vorhanden ist, der durch einen Metallkontakt (4) elektrisch leitend über­ brückt ist.

2. Generator nach Anspruch 1, bei dem die Distanzbereiche (21) und die außerhalb der Schichtebene angeordneten Anteile (14, 15) der dotierten Ab­ schnitte (11, 12) in Flächen senkrecht zu der Schichtebene ausgerichtet sind.

3. Generator nach Anspruch 1 oder 2, bei dem eine Metallisierung (6) vorhanden ist, mittels derer ein Teil der Metallkontakte miteinander verbunden ist.

4. Verfahren zur Herstellung eines thermoelektrischen Gene­ rators nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem ausgehend von einem SOI-Substrat mit einer Body-Siliziumschicht über einer Isolationsschicht (2)
in einem ersten Schritt die Body-Siliziumschicht bis auf von­ einander isolierte Blöcke (10) aus Silizium entfernt wird,
in einem zweiten Schritt zwischen diese Blöcke ein Dielektri­ kum (20) abgeschieden wird,
in einem dritten Schritt unter Verwendung einer Maske das Si­ lizium aus den mittleren Bereichen der Blöcke (10) so weit abgetragen wird, daß jeweils ein flächiger Anteil (11, 12, 13) parallel zu der Isolationsschicht (2) und daran angren­ zend zwei einander gegenüberliegende flächige Anteile (14, 15) an den Flanken des Dielektrikums (20) übrig bleiben,
in einem vierten Schritt in schrägen Einfallswinkeln ani­ sotrop Dotierstoffe so in das verbliebene Silizium einge­ bracht werden, daß abwechselnd n-leitend und p-leitend do­ tierte Abschnitte hergestellt werden, womit die an den Flan­ ken des Dielektrikums vorhandenen Anteile (14, 15) entweder n-leitend oder p-leitend dotiert werden, und
in einem fünften Schritt Metallkontakte (4, 5) zur elektrisch leitenden Verbindung zwischen aufeinanderfolgenden dotierten Abschnitten (11, 12) aufgebracht werden.