DE10235428A1

DE10235428A1 - Halbleitervorrichtung

Info

Publication number: DE10235428A1
Application number: DE10235428A
Authority: DE
Inventors: Takashi Inbe
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2001-09-27
Filing date: 2002-08-02
Publication date: 2003-04-30
Also published as: US20030057511A1; KR20030026835A; TW557558B; US6774450B2; CN1411058A; JP2003101082A

Abstract

Ein thermoelektrisches Umsetzelement (8) enthält ein N-Halbleitergebiet (13), ein P-Halbleitergebiet (14) und Metallverdrahtungen (12a-12c). Das N-Halbleitergebiet (13) wird gleichzeitig mit einem n·-·-Störstellengebiet und einem n·+·-Störstellengebiet eines Transistors in einem Elementausbildungsgebiet (4) ausgebildet. Das P-Halbleitergebiet (14) wird gleichzeitig mit einem p·-·-Störstellengebiet mit einem p·+·-Störstellengebiet eines weiteren Transistors ausgebildet. Außerdem werden die Verdrahtungen (12a-12c) in dem thermoelektrischen Umsetzelement (8) gleichzeitig mit einer mit dem Transistor verbundenen Metallverdrahtung ausgebildet. Somit kann eine Halbleitervorrichtung erhalten werden, in der die Kühlwirkung leicht erreicht werden kann, ohne daß die Herstellungskosten steigen.

Description

Die Erfindung betrifft das Gebiet der Halbleitervorrichtungen und insbesondere eine Halbleitervorrichtung, in der der Temperaturanstieg im Betrieb unterdrückt wird.
Seit kurzem wird zur Erfüllung verschiedener Anforderungen eine Halbleitervorrichtung mit hoher Leistung gefordert. Dementsprechend werden Anstrengungen unternommen, um eine Halbleitervorrichtung mit kleinerer Größe, höherer Dichte und höherer Integration herzustellen. Mit der Verringerung der Größe der Halbleitervorrichtung wächst die Menge der von ihr im Betrieb erzeugten Wärme.
Wenn die Menge der erzeugten Wärme wächst und eine Temperatur der Halbleitervorrichtung steigt, führt die Halbleitervorrichtung eine gewünschte Operation nicht mehr aus. Somit ist die Halbleitervorrichtung mit einer Maßnahme zum Ableiten der Wärme oder zur Steuerung der Temperatur versehen. Typischerweise ist für die Halbleitervorrichtung beispielsweise eine Wärmeabstrahlrippe angebracht oder ein Kühlgebläse vorgesehen, die ihre Abkühlung erzwingen.
Wie unten beschrieben wird, besitzt eine solche Halbleitervorrichtung aber einen Nachteil. Obgleich wie oben erwähnt dadurch, daß eine Wärmeabstrahlrippe angebracht und ein Kühlgebläse vorgesehen ist, eine Kühlung der Halbleitervorrichtung erreicht wird, wird es, wenn die Halbleitervorrichtung verkleinert wird, schwierig, eine ausreichende Kühlwirkung zu erzielen. Da die Wärmeabstrahlrippe und das Kühlgebläse Zusatzteile sind, führen sie außerdem zu steigenden Produktionskosten.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Halbleitervorrichtung zu schaffen, bei der die Kühlwirkung leicht erhalten werden kann, ohne daß die Herstellungskosten steigen, und in der die obenerwähnten Probleme somit gelöst sind. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1. Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

Eine Halbleitervorrichtung gemäß einem Aspekt der Erfindung besitzt ein vorgeschriebenes Element, ein leitendes Gebiet und ein thermoelektrisches Umsetzelement. Das vorgeschriebene Element ist in einem vorgeschriebenen Gebiet auf einer Hauptoberfläche eines Halbleitersubstrats ausgebildet und enthält ein Störstellengebiet von einem ersten Leitungstyp und ein Störstellengebiet von einem zweiten Leitungstyp. Das leitende Gebiet ist elektrisch mit dem vorgeschriebenen Element verbunden. Das thermoelektrische Umsetzelement ist auf der Hauptoberfläche des Halbleitersubstrats ausgebildet, wobei eine Endseite in der Nähe des vorgeschriebenen Gebietes angeordnet ist, um die im Betrieb des vorgeschriebenen Elements erzeugte Wärme aufzunehmen, während die andere Endseite in einem Gebiet angeordnet ist, das unter den Gebieten des Halbleitersubstrats eine kleinere Wärmemenge erzeugt. Das thermoelektrische Umsetzelement enthält ein Halbleitergebiet vom ersten Leitungstyp und ein Halbleitergebiet vom zweiten Leitungstyp, einen ersten Verdrahtungsabschnitt, einen zweiten Verdrahtungsabschnitt und einen dritten Verdrahtungsabschnitt. Das Halbleitergebiet vom ersten Leitungstyp und das Halbleitergebiet vom zweiten Leitungstyp sind jeweils auf der Hauptoberfläche des Halbleitersubstrats ausgebildet, wobei sie von der Nähe des vorgeschriebenen Gebietes zu dem Gebiet, das eine kleinere Wärmemenge erzeugt, verlaufen. Der erste Verdrahtungsabschnitt ist an der einen Endseite elektrisch mit dem Halbleitergebiet vom ersten Leitungstyp und mit dem Halbleitergebiet vom zweiten Leitungstyp verbunden. Der zweite Verdrahtungsabschnitt ist an der anderen Endseite elektrisch mit dem Halbleitergebiet vom ersten Halbleitergebiet verbunden. Der dritte Verdrahtungsabschnitt ist an der anderen Endseite elektrisch mit dem Halbleitergebiet vom zweiten Leitungstyp verbunden.

Bei dieser Konfiguration wird die im Betrieb in dem vorgeschriebenen Element erzeugte Wärme durch das auf der Hauptoberfläche des Halbleitersubstrats ausgebildete thermoelektrische Umsetzelement mit dem Halbleitergebiet vom ersten Leitungstyp, mit dem Halbleitergebiet vom zweiten Leitungstyp und mit dem ersten bis dritten Verdrahtungsabschnitt aufgenommen. Somit kann die Halbleitervorrichtung leicht gekühlt werden, ohne daß wie in einer herkömmlichen Halbleitervorrichtung extern zusätzliche Kühlelemente wie etwa eine Rippe oder ein Gebläse vorgesehen sind. Außerdem kann dieses thermoelektrische Umsetzelement ohne zusätzliche neue Schritte gleichzeitig in dem vorgeschriebenen Element ausgebildet werden. Somit kann eine Halbleitervorrichtung mit hoher Kühlwirkung leicht erhalten werden, ohne daß die Herstellungskosten steigen.

Genauer wird in dem thermoelektrischen Umsetzelement vorzugsweise das Halbleitergebiet vom ersten Leitungstyp gleichzeitig mit dem Störstellengebiet vom ersten Leitungstyp ausgebildet; wird das Halbleitergebiet vom zweiten Leitungstyp gleichzeitig mit dem Störstellengebiet vom zweiten Leitungstyp ausgebildet; und werden der erste Verdrahtungsabschnitt, der zweite Verdrahtungsabschnitt und der dritte Verdrahtungsabschnitt gleichzeitig mit dem leitenden Gebiet ausgebildet.

Außerdem ist in bezug auf das thermoelektrische Umsetzelement vorzugsweise ein Stromversorgungsabschnitt vorgesehen, der von dem zweiten Verdrahtungsabschnitt über das Halbleitergebiet vom ersten Leitungstyp, den ersten Verdrahtungsabschnitt und das Halbleitergebiet vom zweiten Leitungstyp zu dem dritten Verdrahtungsabschnitt einen Gleichstrom zuführt.

Somit wird die in dem vorgeschriebenen Gebiet mit dem darin ausgebildeten vorgeschriebenen Element erzeugte Wärme durch das thermoelektrische Umsetzelement in das Gebiet, das eine kleinere Wärmemenge erzeugt, abgeleitet, wobei eine Kühlung eines wärmeerzeugenden Abschnitts in einer Halbleitervorrichtung erreicht wird.

Außerdem sind vorzugsweise ein Quellenspannungs-Meßabschnitt, der mit der anderen Endseite des thermoelektrischen Umsetzelements verbunden ist, und ein Temperatursteuerabschnitt, der mit dem Stromversorgungsabschnitt verbunden ist und dadurch, daß er anhand der durch den Quellenspannungs-Meßabschnitt erfaßten Quellenspannung den dem thermoelektrischen Umsetzelement zugeführten Strom einstellt, die Wärmeaufnahme durch das thermoelektrische Umsetzelement steuert, vorgesehen.

Somit wird der dem thermoelektrischen Umsetzelement zugeführte Strom in Übereinstimmung mit einer Temperatur in dem vorgeschriebenen Gebiet eingestellt, wobei eine geeignetere und wirksamere Kühlung erreicht werden kann.

Unterdessen wird die in dem thermoelektrischen Umsetzelement durch Aufnahme der Wärme erzeugte Quellenspannung vorzugsweise zum Ansteuern anderer auf dem Halbleitersubstrat ausgebildeter Elemente verwendet.

In diesem Fall wird die in dem vorgeschriebenen Gebiet erzeugte Wärme in thermoelektrische Spannung umgesetzt, um den Temperaturanstieg darin zu unterdrücken, wobei der wärmeerzeugende Abschnitt in der Halbleitervorrichtung gekühlt wird. Außerdem kann die Verwendung der Quellenspannung zum Ansteuern eines anderen Elements den Leistungsverbrauch senken.

Weitere Merkmale und Zweckmäßigkeiten der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung von Ausführungsformen der Erfindung anhand der Figuren. Von den Figuren zeigen:
Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer Halbleitervorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 2 ein schematisches Diagramm einer Struktur eines thermoelektrischen Umsetzelements in der ersten Ausführungsform;
Fig. 3 eine perspektivische vergrößerte Teilansicht eines Abschnitts der in Fig. 1 gezeigten Halbleitervorrichtung in der ersten Ausführungsform;
Fig. 4 eine Querschnittsansicht längs der Linie IV-IV in Fig. 3 in der ersten Ausführungsform,
Fig. 5 eine Querschnittsansicht längs der Linie V-V in Fig. 3 in der ersten Ausführungsform;
Fig. 6-11 Querschnittsansichten aufeinanderfolgender Schritte eines Herstellungsverfahrens der Halbleitervorrichtung in der ersten Ausführungsform;
Fig. 12 eine Draufsicht eines Beispiels einer Anordnung der Kontaktlöcher auf der Seite des Elementausbildungsgebiets in der ersten Ausführungsform;
Fig. 13 eine perspektivische vergrößerte Teilansicht eines Abschnitts einer Halbleitervorrichtung gemäß einer Abwandlung der ersten Ausführungsform;
Fig. 14 einen Operationsablauf der Halbleitervorrichtung gemäß der Abwandlung der ersten Ausführungsform;
Fig. 15 eine perspektivische vergrößerte Teilansicht eines Abschnitts einer Halbleitervorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung; und
Fig. 16 einen Stromlaufplan einer Struktur eines thermoelektrischen Umsetzelements in der zweiten Ausführungsform.

Erste Ausführungsform

Im folgenden wird eine Halbleitervorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung beschrieben. Wie in Fig. 1 gezeigt ist, ist auf einer Oberfläche eines Halbleitersubstrats (eines Halbleiterchips) 1 ein Halbleiterelement ausgebildet, wobei ein Elementausbildungsgebiet 4, das im Betrieb eine verhältnismäßig große Wärmemenge erzeugt, und ein Gebiet 6, das eine verhältnismäßig kleine Wärmemenge erzeugt, vorgesehen sind. In der Halbleitervorrichtung ist ein thermoelektrisches Umsetzelement (ein Peltier-Element) 8 vorgesehen, das die in dem Elementausbildungsgebiet 4 erzeugte Wärme zu dem Gebiet 6, das eine verhältnismäßig kleine Wärmemenge erzeugt, ableitet. Außerdem ist ein Stromversorgungsabschnitt 10 vorgesehen, der das thermoelektrische Umsetzelement 8 ansteuert.
Nachfolgend wird eine Grundkonfiguration dieses thermoelektrischen Umsetzelements 8 beschrieben. Wie zunächst in Fig. 2 gezeigt ist, sind in dem thermoelektrischen Umsetzelement 8 ein N-Halbleitergebiet 13 bzw. ein P-Halbleitergebiet 14 ausgebildet, die von dem Elementausbildungsgebiet 4 zu dem Gebiet 6, das eine verhältnismäßig kleine Wärmemenge erzeugt, verlaufen. Eine Metallverdrahtung 12a ist elektrisch mit einem Abschnitt des N-Halbleitergebiets 13 und mit einem Abschnitt des P-Halbleitergebiets 14 verbunden, die jeweils in der Nähe des Elementausbildungsgebiets 4 angeordnet sind. Unterdessen ist mit einem Abschnitt des N-Halbleitergebiets 13 in der Nähe des Gebietes 6, das eine verhältnismäßig kleine Wärmemenge erzeugt, eine Metallverdrahtung 12b elektrisch verbunden, während mit einem Abschnitt des P-Halbleitergebiets 14 eine Metallverdrahtung 12c elektrisch verbunden ist. Der Stromversorgungsabschnitt 10 ist eine Gleichstromversorgung, deren positive Elektrode mit der Metallverdrahtung 12b verbunden ist, während ihre negative Elektrode mit der Metallverdrahtung 12c verbunden ist.
Somit fließt ein mit einem Pfeil bezeichneter Strom von der Metallverdrahtung 12b über das N-Halbleitergebiet 13, die Metallverdrahtung 12a und das P-Halbleitergebiet 14 zur Metallverdrahtung 12c.
Wegen des Peltier-Effekts werden hier ein Verbindungsabschnitt des N-Halbleitergebiets 13 mit der Metallverdrahtung 12a und ein Verbindungsabschnitt des P-Halbleitergebiets 14 mit der Metallverdrahtung 12a zu einer wärmeaufnehmenden Seite, die Wärme aufnimmt. Dagegen werden ein Verbindungsabschnitt des N-Halbleitergebiets 13 mit der Metallverdrahtung 12b und ein Verbindungsabschnitt des P-Halbleitergebiets 14 mit der Metallverdrahtung 12c zu einer wärmeerzeugenden Seite, die Wärme ableitet.
In der Halbleitervorrichtung ist die wärmeaufnehmende Seite des thermoelektrischen Umsetzelements 8 in der Nähe des Elementausbildungsgebiets 4, das eine verhältnismäßig große Wärme erzeugt, angeordnet, während die wärmeerzeugende Seite in der Nähe des Elementausbildungsgebiets 6 angeordnet ist, das eine verhältnismäßig kleine Wärmemenge erzeugt. Somit wird die in dem Elementausbildungsgebiet 4 erzeugte Wärme in dem thermoelektrischen Umsetzelement 8 aufgenommen und in ein Gebiet 6 abgeleitet, das eine verhältnismäßig kleine Wärmemenge erzeugt, so daß eine Kühlung des Wärmeerzeugungsabschnitts in der Halbleitervorrichtung erreicht wird. Ein Abstand zwischen der wärmeaufnehmenden Seite und dem Elementausbildungsgebiet 4 beträgt hier vorzugsweise etwa mehrere µm bis mehrere 10 µm.
Im folgenden wird ein Beispiel einer spezifischen Struktur des thermoelektrischen Umsetzelements 8 beschrieben. Wie in Fig. 3 gezeigt ist, sind auf der Oberfläche des Halbleitersubstrats 1 das N-Halbleitergebiet 13 bzw. das P-Halbleitergebiet 14 ausgebildet, die von dem Elementausbildungsgebiet 4 zu dem Gebiet 6, das eine verhältnismäßig kleine Wärmemenge erzeugt, verlaufen. In der Nähe des Elementausbildungsgebiets 4 ist die Metallverdrahtung 12a ausgebildet, die elektrisch sowohl mit dem N-Halbleitergebiet 13 als auch mit dem P-Halbleitergebiet 14 verbunden ist.
In der Nähe des Gebietes 6, das eine verhältnismäßig kleine Wärmemenge erzeugt, sind die Metallverdrahtung 12b, die elektrisch lediglich mit dem N-Halbleitergebiet 13 verbunden ist, und die Metallverdrahtung 12c, die elektrisch lediglich mit dem P-Halbleitergebiet 14 verbunden ist, ausgebildet.
Im folgenden wird auch eine Querschnittsstruktur des thermoelektrischen Umsetzelements 8 beschrieben, die einen Abschnitt des Elementausbildungsgebiets 4 enthält. Zunächst ist in einem Abschnitt des N-Halbleitergebiets 13 (einem Gebiet A) in dem thermoelektrischen Umsetzelement 8 und in einem Abschnitt des Elementausbildungsgebiets 4 (einem Gebiet B) (eine Linie IV-IV) auf der Oberfläche des Halbleitersubstrats 1 wie in Fig. 4 gezeigt ein vorgeschriebener Elementisolationsfilm 16 ausgebildet.
In dem Gebiet A ist auf dem Halbleitersubstrat 1 das N-Halbleitergebiet 13 ausgebildet, auf dem ein Zwischenschicht-Isolierfilm 20 ausgebildet ist. In einem Abschnitt des Zwischenschicht-Isolierfilms 20 in der Nähe des Elementausbildungsgebiets 4 ist ein Kontaktloch 21b ausgebildet, das die Oberfläche des N-Halbleitergebiets 13 freilegt. In einem Abschnitt des Zwischenschicht-Isolierfilms 20 ist in der Nähe des Gebietes 6, das eine verhältnismäßig kleine Wärmemenge erzeugt, ein Kontaktloch 21a ausgebildet, das die Oberfläche des N- Halbleitergebiets 13 freilegt.
Auf dem Zwischenschicht-Isolierfilm 20 sind jeweils die Metallverdrahtungen 12b, 12a beispielsweise aus Aluminium ausgebildet, unter denen die Kontaktlöcher 21a, 21b vergraben sind.
Unterdessen ist in einem Gebiet B auf dem Halbleitersubstrat 1 eine Gate-Elektrode 18 ausgebildet, wobei ein Gate-Isolierfilm 17 dazwischenliegt. Auf der Oberfläche des Halbleitersubstrats sind jeweils auf der Seite einer Seitenfläche und auf der Seite der anderen Seitenfläche der Gate-Elektrode 18 die n^--Störstellengebiete 13a und die n⁺-Störstellengebiete 13b ausgebildet, wobei die Gate-Elektrode 18 dazwischenliegt. Auf beiden Seitenflächen der Gate-Elektrode 18 sind jeweils die Seitenwand-Isolierfilme 19 ausgebildet.
Ein n-MOS-Transistor T1 enthält die Gate-Elektrode 18 und die jeweiligen Paare von n^--Störstellengebieten 13a und n⁺ -Störstellengebieten 13b. Es ist ein Zwischenschicht-Isolierfilm 20 ausgebildet, der den Transistor T1 bedeckt.
In dem Zwischenschicht-Isolierfilm 20 sind die Kontaktlöcher 21c, 21e ausgebildet, die die Oberfläche der n⁺ -Störstellengebiete 13b freilegen, und ist ein Kontaktloch 21d ausgebildet, das die Oberfläche der Gate-Elektrode 18 freilegt.
Auf dem Zwischenschicht-Isolierfilm 20 sind jeweils die Metallverdrahtungen 12d-12f ausgebildet, die beispielsweise Aluminium enthalten und unter denen die Kontaktlöcher 21c-21e vergraben sind. Aus Einfachheitsgründen ist in Fig. 3 insbesondere der Transistor T1 in dem Elementausbildungsgebiet 4 nicht gezeigt.
Hier ist das N-Halbleitergebiet 13 in dem thermoelektrischen Umsetzelement 8 gleichzeitig mit den n^--Störstellengebieten 13a und mit den n⁺-Störstellengebieten 13b des Transistors T1 ausgebildet. Außerdem sind gleichzeitig mit den elektrisch mit dem Transistor T1 verbundenen Metallverdrahtungen 12d-12e die Metallverdrahtungen 12b, 12a in dem thermoelektrischen Umsetzelement 8 ausgebildet.
Wie nachfolgend in Fig. 5 gezeigt ist, ist in einem Abschnitt des P-Halbleitergebiets 14 (einem Gebiet C) in dem thermoelektrischen Umsetzelement 8 und in einem Abschnitt des Elementausbildungsgebiets 4 (einem Gebiet D) (Linie V-V) im Gebiet C auf der Oberfläche des Halbleitersubstrats 1 das P- Halbleitergebiet 14 ausgebildet, auf dem der Zwischenschicht- Isolierfilm 20 ausgebildet ist. In einem Abschnitt des Zwischenschicht-Isolierfilms 20 in der Nähe des Elementausbildungsgebiets 4 ist ein Kontaktloch 21g ausgebildet, das die Oberfläche des P-Halbleitergebiets 14 freilegt. In einem Abschnitt des Zwischenschicht-Isolierfilms 20 in der Nähe des Gebietes 6, das eine verhältnismäßig kleine Wärmemenge erzeugt, ist ein Kontaktloch 21f ausgebildet, das die Oberfläche des P-Halbleitergebiets 14 freilegt.
Auf dem Zwischenschicht-Isolierfilm 20 sind jeweils die Metallverdrahtungen 12c, 12a ausgebildet, die beispielsweise Aluminium enthalten und unter denen die Kontaktlöcher 12f, 21g vergraben sind.
Unterdessen ist im Gebiet D auf dem Halbleitersubstrat 1 die Gate-Elektrode 18 ausgebildet, wobei der Gate-Isolierfilm 17 dazwischenliegt. Auf der Oberfläche des Halbleitersubstrats sind die p^--Störstellengebiete 14a und die p⁺ -Störstellengebiete 14b ausgebildet, die jeweils auf der Seite einer Seitenfläche und auf der Seite der anderen Seitenfläche der Gate-Elektrode 18 liegen, wobei die Gate-Elektrode 18 dazwischenliegt. Auf beiden Seitenflächen der Gate-Elektrode 18 sind jeweils die Seitenwand-Isolierfilme 19 ausgebildet.
Ein p-Kanal-MOS-Transistor T2 enthält die Gate-Elektrode 18 und die jeweiligen Paare von p^--Störstellengebieten 14a und p⁺-Störstellengebieten 14b. Es ist der Zwischenschicht-Isolierfilm 20 ausgebildet, der den Transistor T2 bedeckt.
Im Zwischenschicht-Isolierfilm 20 sind die Kontaktlöcher 21h, 21j ausgebildet, die die Oberfläche der p⁺-Störstellengebiete 14b freilegen, während ein Kontaktloch 21i ausgebildet ist, das die Oberfläche der Gate-Elektrode 18 freilegt.
Auf dem Zwischenschicht-Isolierfilm 20 sind die Metallverdrahtungen 12g-12i ausgebildet, die beispielsweise Aluminium enthalten und unter denen die Kontaktlöcher 21h-21j vergraben sind. In Fig. 3 ist insbesondere der Transistor T2 aus Einfachheitsgründen in dem Elementausbildungsgebiet 4 nicht gezeigt.
Hier ist das P-Halbleitergebiet 14 in dem thermoelektrischen Umsetzelement 8 gleichzeitig mit den p^--Störstellengebieten 14a und mit den p⁺-Störstellengebieten 14b des Transistors T2 ausgebildet. Außerdem sind die Metallverdrahtungen 12c, 12a in dem thermoelektrischen Umsetzelement 8 gleichzeitig mit den elektrisch mit dem Transistor T2 verbundenen Metallverdrahtungen 12g-12i ausgebildet. Die Metallverdrahtungen 12g-12i sind gleichzeitig mit den elektrisch mit dem Transistor T1 verbundenen Metallverdrahtungen 12d-12e ausgebildet.
Im folgenden wird ein Herstellungsverfahren der Halbleitervorrichtung beschrieben. Da der einzige Unterschied zwischen den in den Fig. 4 und 5 gezeigten Querschnittsstrukturen wie obenbeschrieben ein Leitungstyp der Störstellengebiete ist, wird das Herstellungsverfahren in bezug auf die Querschnittsstruktur in Fig. 4 diskutiert, während es für Fig. 5 nicht wiederholt wird.
Wie in Fig. 6 gezeigt ist, wird zunächst auf einer Hauptoberfläche eines Halbleitersubstrats 1 ein vorgeschriebener Elementisolationsfilm 16 ausgebildet, der ein Elementausbildungsgebiet bereitstellt. Wie in Fig. 7 gezeigt ist, wird nachfolgend auf der Oberfläche des Halbleitersubstrats 1 eine Gate-Elektrode 18 ausgebildet, die im Gebiet B liegt, wobei ein Gate-Isolierfilm 17 dazwischenliegt. Wie in Fig. 8 gezeigt ist, werden anschließend unter Verwendung der Gate- Elektrode 17 als Maske n-Störstellen injiziert, die ein n- Störstellengebiet 13a ausbilden.
Gleichzeitig werden die n-Störstellen im Gebiet A auch in ein Gebiet injiziert, das zu einem N-Halbleitergebiet in einem thermoelektrischen Umsetzelement wird. Anschließend werden auf den beiden Seitenflächen der Gate-Elektrode 18 die Seitenwand-Isolierfilme 19 ausgebildet. Die n-Störstellen werden unter Verwendung dieser Seitenwand-Isolierfilme und der Gate- Elektrode 18 als Maske injiziert, um ein n⁺-Störstellengebiet 13b auszubilden.
Gleichzeitig werden die n-Störstellen im Gebiet A auch in ein Gebiet injiziert, das zu dem N-Halbleitergebiet in dem thermoelektrischen Umsetzelement wird. Somit wird im Gebiet B ein n-Kanal-MOS-Transistor T1 ausgebildet, der die Gate-Elektrode 18, das n^--Störstellengebiet 13a und das n⁺-Störstellengebiet 13b enthält.
Unterdessen wird im Gebiet A das N-Halbleitergebiet 13 in dem thermoelektrischen Umsetzelement ausgebildet. Auf ähnliche Weise wird gleichzeitig mit dem p^--Störstellengebiet 14a und mit dem p⁺-Störstellengebiet 14b in einem p-Kanal-MOS-Transistor ein P-Halbleitergebiet in dem thermoelektrischen Umsetzelement ausgebildet.
Wie in Fig. 9 gezeigt ist, wird nachfolgend ein Zwischenschicht-Isolierfilm 20 wie etwa ein Siliciumoxidfilm ausgebildet, der die Gate-Elektrode 18 bedeckt. Wie in Fig. 10 gezeigt ist, wird unter Verwendung eines (nicht gezeigten) auf dem Zwischenschicht-Isolierfilm 20 ausgebildeten vorgeschriebenen Photoresists als Maske der Zwischenschicht-Isolierfilm 20 anisotrop geätzt, um im Gebiet B jeweils die Kontaktlöcher 21c, 21e, die die Oberfläche der n⁺ -Störstellengebiete 13b freilegen, und ein Kontaktloch 21d, das die Oberfläche der Gate-Elektrode 18 freilegt, auszubilden.
Im Gebiet A wird in einem Abschnitt des Zwischenschicht-Isolierfilms 20 in der Nähe des Gebietes 6, das eine verhältnismäßig kleine Wärmemenge erzeugt, ein Kontaktloch 21a ausgebildet, das einen Abschnitt des N-Halbleitergebiets 13 freilegt, während in einem Abschnitt des Zwischenschicht-Isolierfilms 20 in der Nähe des Elementausbildungsgebiets 4 ein Kontaktloch 21b ausgebildet wird, das einen Abschnitt des N- Halbleitergebiets 13 freilegt.
Wie in Fig. 11 gezeigt ist, wird nachfolgend auf dem Zwischenschicht-Isolierfilm 20 ein Metallfilm 12 ausgebildet, der beispielsweise Aluminium enthält und unter dem die Kontaktlöcher 21a-21e vergraben werden. Auf dem Metallfilm 12 wird ein (nicht gezeigtes) vorgeschriebenes Photoresistmuster ausgebildet. Unter Verwendung des Photoresistmusters als Maske wird ein Metallfilm 12 anisotrop geätzt, um wie in Fig. 4 gezeigt die Vorgeschriebenen Metallverdrahtungen 12a-12e auszubilden. Somit ist ein Hauptabschnitt einer Halbleitervorrichtung mit einem thermoelektrischen Umsetzelement 8 fertiggestellt.
Wie oben beschrieben wurde, enthält das thermoelektrische Umsetzelement 8 in der Halbleitervorrichtung das N-Halbleitergebiet 13, das P-Halbleitergebiet 14 und die Metallverdrahtungen 12a-12c. Das N-Halbleitergebiet 13 wird gleichzeitig mit dem n^--Störstellengebiet 13a und mit dem n⁺ -Störstellengebiet 13b des n-Kanal-MOS-Transistors T1 im Elementausbildungsgebiet 4 ausgebildet.
Außerdem wird das P-Halbleitergebiet 14 gleichzeitig mit dem p^--Störstellengebiet 14a und mit dem p⁺-Störstellengebiet 14b des p-Kanal-MOS-Transistors T2 im Elementausbildungsgebiet 4 ausgebildet.
Die Metallverdrahtungen 12a-12c werden gleichzeitig mit den Metallverdrahtungen 12d-12i ausgebildet, die elektrisch mit dem n-Kanal-MOS-Transistor T1 und mit dem p-Kanal-MOS-Transistor T2 verbunden sind.
Somit wird das thermoelektrische Umsetzelement 8 gleichzeitig mit den MOS-Transistoren T1, T2 in dem Elementausbildungsgebiet 4 ausgebildet, ohne daß neue Schritte hinzugefügt werden. Im Ergebnis kann eine Halbleitervorrichtung mit hoher Kühlwirkung hergestellt werden, ohne daß die Herstellungskosten steigen.
Außerdem brauchen im Vergleich zu einer herkömmlichen Halbleitervorrichtung keine Zusatzelemente wie etwa eine Rippe oder ein Gebläse vorgesehen zu werden. Somit kann die Erfindung zur Realisierung einer Halbleitervorrichtung mit höherer Integration und höherer Dichte sowie elektrischer Geräte kleinerer Größe, die eine solche Halbleitervorrichtung enthalten, beitragen.
Wie in Fig. 12 gezeigt ist, sind hier die in einem Abschnitt des Zwischenschicht-Isolierfilms 20, der wenigstens in der Nähe des Elementausbildungsgebiets 6 liegt, ausgebildeten Kontaktlöcher 21b, 21g jeweils mehrfach vorgesehen. Dementsprechend ist die Kontaktfläche der Metallverdrahtung 12a mit dem N-Halbleitergebiet 13 und mit dem P-Halbleitergebiet vergrößert, um eine wirksame Aufnahme der im Elementausbildungsgebiet 4 erzeugten Wärme zu ermöglichen. Solche mehrere Kontaktlöcher können in der Nähe des Gebietes vorgesehen sein, das einen verhältnismäßig kleinen Wärmebetrag erzeugt, um die Wärme wirksam abzuleiten.
Im folgenden wird eine Halbleitervorrichtung gemäß einer Abwandlung beschrieben. Wie in Fig. 13 gezeigt ist, ist eine Halbleitervorrichtung gemäß einer Abwandlung mit einem Quellenspannungs-Meßschaltungsabschnitt 24 versehen, der eine in einem thermoelektrischen Umsetzelement 8 erzeugte Quellenspannung mißt. Es ist ein Temperatursteuerabschnitt 23 vorgesehen, der dadurch, daß er den dem thermoelektrischen Umsetzelement 8 zugeführten Strom anhand der durch den Quellenspannungs-Meßschaltungsabschnitt 24 erfaßten Quellenspannung einstellt, die Wärmeaufnahme und -ableitung durch das thermoelektrische Umsetzelement 8 steuert.
Im folgenden wird eine Operation der Halbleitervorrichtung beschrieben. Wie in Fig. 14 gezeigt ist, wird in einem Elementausbildungsgebiet 4 mit darin ausgebildeten Halbleiterelementen T1, T2 durch einen Betrieb der Halbleitervorrichtung (S1) Wärme erzeugt (S2). Durch die erzeugte Wärme wird zwischen einer Metallverdrahtung 12b und einer Metallverdrahtung 12c in der Nähe eines Gebietes 6, das eine verhältnismäßig kleine Wärmemenge erzeugt, eine thermoelektrische Spannung erzeugt. Der Quellenspannungs-Meßschaltungsabschnitt 24 mißt die thermoelektrische Spannung und ermittelt so die Temperaturdifferenz zwischen dem Elementausbildungsgebiet 4 und dem Gebiet 6, das eine verhältnismäßig kleine Wärmemenge erzeugt (S3).
Der Temperatursteuerabschnitt 23 bestimmt, ob die Temperaturdifferenz größer oder kleiner als eine vorgeschriebene Temperaturdifferenz ist. Wenn bestimmt wird, daß die Temperaturdifferenz größer als die vorgeschriebene Temperaturdifferenz ist, wird an den Stromversorgungsabschnitt 10 ein Befehl ausgegeben, eine Stromversorgung für das thermoelektrische Umsetzelement 8 einzuschalten (S5). Somit wird das Elementausbildungsgebiet 4 mit dem darin ausgebildeten Halbleiterelement gekühlt (S6).
Wenn andererseits bestimmt wird, daß die Temperaturdifferenz kleiner als die vorgeschriebene Temperaturdifferenz ist, wird an den Stromversorgungsabschnitt 10 ein Befehl ausgegeben, die Stromversorgung für das thermoelektrische Umsetzelement 8 auszuschalten (S7). Somit wird durch das thermoelektrische Umsetzelement 8 keine Kühlung ausgeführt, wobei der Leistungsverbrauch gesenkt wird (S8).
Wie oben beschrieben wurde, kann eine Halbleitervorrichtung gemäß der Abwandlung, obgleich sie den Leistungsverbrauch senkt, einen Wärmeerzeugungsabschnitt darin wirksam kühlen, indem sie den Stromversorgungsabschnitt 10 mit dem Quellenspannungs-Meßschaltungsabschnitt 24 und mit dem Temperatursteuerabschnitt 23 ein- oder ausschaltet und anhand der Temperaturdifferenz das thermoelektrische Umsetzelement 8 ansteuert.

Zweite Ausführungsform

In einer in der ersten Ausführungsform beschriebenen Halbleitervorrichtung wird die in einem Halbleiterelement erzeugte Wärme durch ein thermoelektrisches Umsetzelement aufgenommen und in ein Gebiet abgeleitet, das eine verhältnismäßig kleine Wärmemenge erzeugt, so daß eine Kühlung erreicht wird. In einer zweiten Ausführungsform wird eine Halbleitervorrichtung beschrieben, in der die in dem Halbleiterelement erzeugte Wärme durch ein thermoelektrisches Umsetzelement in Elektroenergie (thermoelektrische Spannung) umgesetzt wird, um den Temperaturanstieg darin zu unterdrücken.
Mit Ausnahme des fehlenden Stromversorgungsabschnitts ist eine Grundkonfiguration eines thermoelektrischen Umsetzelements in der Halbleitervorrichtung ähnlich wie in der ersten Ausführungsform. Wie in Fig. 15 gezeigt ist, ist somit in dem thermoelektrischen Umsetzelement 8 eine Metallverdrahtung 12a elektrisch mit einem Abschnitt eines N-Halbleitergebiets 13und mit einem Abschnitt eines P-Halbleitergebiets 14 verbunden, die jeweils in der Nähe eines Elementausbildungsgebiets 4 liegen.
Unterdessen ist eine Metallverdrahtung 12b mit einem Abschnitt des N-Halbleitergebiets 13 in der Nähe eines Gebietes 6, das eine verhältnismäßig kleine Wärmemenge erzeugt, verbunden, während eine Metallverdrahtung 12c mit einem Abschnitt des P-Halbleitergebiets 14 verbunden ist. Diese Metallverdrahtungen 12b, 12c sind elektrisch mit einem Stromversorgungsabschnitt 25 für ein anderes Element verbunden, um das auf dem gleichen Halbleitersubstrat 1 ausgebildete andere Element 26 anzusteuern.
Wie oben beschrieben wurde, besitzt die Halbleitervorrichtung mit Ausnahme des fehlenden Stromversorgungsabschnitts eine ähnliche Konfiguration wie in der ersten Ausführungsform. Somit kann die Halbleitervorrichtung im wesentlichen durch dLe gleichen Schritte wie in dem Herstellungsverfahren in der ersten Ausführungsform ausgebildet werden.
Wie schematisch in Fig. 16 gezeigt ist, sind gemäß dieser Halbleitervorrichtung ein Verbindungsabschnitt der Metallverdrahtung 12a mit dem N-Halbleitergebiet 13 und ein Verbindungsabschnitt der Metallverdrahtung 12a mit dem P-Halbleitergebiet 14 (ein Verbindungsabschnitt A) in der Nähe des Elementausbildungsgebiets 4 angeordnet, das eine verhältnismäßig große Wärmemenge erzeugt. Andererseits sind ein Verbindungsabschnitt der Metallverdrahtung 12b mit dem N-Halbleitergebiet 13 und ein Verbindungsabschnitt der Metallverdrahtung 12c mit dem P-Halbleitergebiet 14 (ein Verbindungsabschnitt B) in der Nähe des Gebietes 6 angeordnet, das eine verhältnismäßig kleine Wärmemenge erzeugt. Wenn im Betrieb der Halbleitervorrichtung die Temperatur des Verbindungsabschnitts A steigt, während die des Verbindungsabschnitts B sinkt, führt dies dementsprechend zu einer thermoelektrischen Spannung zwischen der Metallverdrahtung 12b und der Metallverdrahtung 12c.
Die thermoelektrische Spannung wird dem Stromversorgungsabschnitt 25 zugeführt, der andere auf dem Halbleitersubstrat 1 ausgebildete Halbleiterelemente ansteuert, so daß sie zum Ansteuern anderer Elemente 26 verbraucht wird.
Somit wird die im Elementausbildungsgebiet 6 erzeugte Wärme zunächst durch das thermoelektrische Umsetzelement 8 in thermoelektrische Spannung umgesetzt, so daß ein Temperaturanstieg im Elementausbildungsgebiet 6 unterdrückt werden kann.
Außerdem senkt die Verwendung der erzeugten thermoelektrischen Spannung zum Ansteuern eines anderen Elements den Stromverbrauch in der gesamten Halbleitervorrichtung.
Außerdem kann dieses thermoelektrische Umsetzelement 8 ohne irgendwelche zusätzlichen neuen Schritte gleichzeitig mit dem Schritt des Ausbildens der MOS-Transistoren T1, T2 im Elementausbildungsgebiet 6 ausgebildet werden. Folglich kann eine Halbleitervorrichtung mit hoher Kühlwirkung hergestellt werden, ohne daß die Herstellungskosten steigen.
Wie in der Einleitung erwähnt wurde, neigt ein solcher MOS- Transistor wegen der Anforderungen einer kleineren Größe (Gate-Länge: von etwa 0,01 µm bis 0,20 µm) und dem Hochgeschwindigkeitsbetrieb dazu, leicht Wärme zu erzeugen. Durch das thermoelektrische Umsetzelement 8 kann der Transistor aber wirksam gekühlt werden.
Obgleich als Beispiel für ein Element ein MOS-Transistor vorgesehen ist, kann in einer Halbleitervorrichtung mit einem Element, das Gebiete mit jeweiligen Leitungstypen, d. h. vom P-Typ und vom N-Typ, enthält, und einem mit einem solchen Element verbundenen leitenden Gebiet leicht ein thermoelektrisches Umsetzelement gleichzeitig mit diesen Gebieten jedes Leitungstyps und dem leitenden Gebiet ausgebildet werden, ohne daß neue Schritte hinzugefügt werden.
Obgleich die Erfindung ausführlich beschrieben und gezeigt wurde, dient dies selbstverständlich lediglich zur Erläuterung und als Beispiel und soll nicht als Beschränkung verstanden werden, wobei der Erfindungsgedanke und der Umfang der Erfindung lediglich durch die beigefügten Ansprüche beschränkt ist.

Claims

1. Halbleitervorrichtung, mit:
einem vorgeschriebenen Element (T1, T2), das in einem vorgeschriebenen Gebiet auf einer Hauptoberfläche eines Halbleitersubstrats (1) ausgebildet ist und ein Störstellengebiet (13a, 13b) von einem ersten Leitungstyp und ein Störstellengebiet (14a, 14b) von einem zweiten Leitungstyp enthält;
leitenden Gebieten (12d-12i), die elektrisch mit dem vorgeschriebenen Element (T1, T2) verbunden sind; und
einem thermoelektrischen Umsetzelement (8), das auf der Hauptoberfläche des Halbleitersubstrats (1) ausgebildet ist und dessen eine Endseite in der Nähe des vorgeschriebenen Elements angeordnet ist, um die im Betrieb des vorgeschriebenen Elements (T1, T2) erzeugte Wärme aufzunehmen, während seine andere Endseite in einem Gebiet unter den Gebieten des Halbleitersubstrats (1) angeordnet ist, das eine kleinere Wärmemenge erzeugt; wobei
das thermoelektrische Umsetzelement (8) umfaßt:
ein Halbleitergebiet (13) von einem ersten Leitungstyp und ein Halbleitergebiet (14) von einem zweiten Leitungstyp, die jeweils auf der Hauptoberfläche des Halbleitersubstrats (1) ausgebildet sind und von einer Stelle in der Nähe des vorgeschriebenen Gebietes zu dem Gebiet, das eine kleinere Wärmemenge erzeugt, verlaufen,
einen ersten Verdrahtungsabschnitt (12a), der elektrisch mit dem Halbleitergebiet (13) von dem ersten Leitungstyp und mit dem Halbleitergebiet (14) von dem zweiten Leitungstyp an der einen Endseite verbunden ist,
einen zweiten Verdrahtungsabschnitt (12b), der elektrisch mit dem Halbleitergebiet (13) von dem ersten Leitungstyp an der anderen Endseite verbunden ist, und
einen dritten Verdrahtungsabschnitt (12c), der elektrisch mit dem Halbleitergebiet (14) von dem zweiten Leitungstyp an der anderen Endseite verbunden ist.

2. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in dem thermoelektrischen Umsetzelement (8)
das Halbleitergebiet (13) von dem ersten Leitungstyp gleichzeitig mit dem Störstellengebiet (13a, 13b) von dem ersten Leitungstyp ausgebildet wird,
das Halbleitergebiet (14) von dem zweiten Leitungstyp gleichzeitig mit dem Störstellengebiet (14a, 14b) von dem zweiten Leitungstyp ausgebildet wird, und
der erste Verdrahtungsabschnitt (12a), der zweite Verdrahtungsabschnitt (12b) und der dritte Verdrahtungsabschnitt (12c) gleichzeitig mit den leitenden Gebieten (12d-12i) ausgebildet werden.

3. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das vorgeschriebene Element (T1, T2) enthält:
einen ersten Transistor (T1), der ein Paar Störstellengebiete (13a, 13b) von dem ersten Leitungstyp und einen ersten Elektrodenabschnitt (18) enthält, und
einen zweiten Transistor (T2), der ein Paar Störstellengebiete (14a, 14b) von dem zweiten Leitungstyp und einen zweiten Elektrodenabschnitt (18) enthält.

4. Halbleitervorrichtung nach einem vorangehenden Anspruch, gekennzeichnet durch einen Stromversorgungsabschnitt (10), der von dem zweiten Verdrahtungsabschnitt (12b) über das Halbleitergebiet (13) von dem ersten Leitungstyp, den ersten Verdrahtungsabschnitt (12a) und das Halbleitergebiet (14) von dem zweiten Leitungstyp zu dem dritten Verdrahtungsabschnitt (12c) in bezug auf das thermoelektrische Umsetzelement (8) einen Gleichstrom zuführt.

5. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch
einen Quellenspannungs-Meßabschnitt (24), der mit der anderen Endseite des thermoelektrischen Umsetzelements (8) verbunden ist; und
einen Temperatursteuerabschnitt (23), der mit dem Stromversorgungsabschnitt (10) verbunden ist und dadurch, daß er den dem thermoelektrischen Umsetzelement (8) zugeführten Strom anhand der durch den Quellenspannungs-Meßabschnitt (24) erfaßten Quellenspannung einstellt, die Wärmeaufnahme durch das thermoelektrische Umsetzelement (8) steuert.

6. . Halbleitervorrichtung nach einem vorangehenden Anspruch, gekennzeichnet durch
ein weiteres Element (26) außer dem vorgeschriebenen Element (T1, T2); und
einen Stromversorgungsabschnitt (25), der das andere Element (26) ansteuert; wobei
die in dem thermoelektrischen Umsetzelement (8) durch Aufnahme der Wärme erzeugte Quellenspannung dem Stromversorgungsabschnitt (25) zugeführt wird, um sie zum Ansteuern des anderen Elements (26) zu verwenden.

7. Halbleitervorrichtung nach einem vorangehenden Anspruch, gekennzeichnet durch
einen Zwischenschicht-Isolierfilm (20), der auf dem Halbleitersubstrat (1) ausgebildet ist und das vorgeschriebene Element (T1, T2) und das thermoelektrische Umsetzelement (8) bedeckt;
mehrere erste Kontaktlöcher (21a-21e), die in einem Abschnitt des Zwischenschicht-Isolierfilms (20) auf der einen Endseite ausgebildet sind und jeweils eine Oberfläche des Halbleitergebiets (13) von dem ersten Leitungstyp freilegen; und
mehrere zweite Kontaktlöcher (21f-21j), die in einem Abschnitt des Zwischenschicht-Isolierfilms (20) auf der einen Endseite ausgebildet sind und jeweils eine Oberfläche des Halbleitergebiets (14) von dem zweiten Leitungstyp freilegen; wobei
der erste Verdrahtungsabschnitt (12a) über die mehreren ersten Kontaktlöcher (21a-21e) und über die mehreren zweiten Kontaktlöcher (21f-21j) elektrisch mit dem Halbleitergebiet (13) von dem ersten Leitungstyp und mit dem Halbleitergebiet (14) von dem zweiten Leitungstyp verbunden ist.