JP4482667B2 - 冷却効果を持つ配線構造 - Google Patents

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Description

本発明は、電子素子の内部要素を局所的に冷却することが可能な冷却効果を持つ配線構造に関するものである。
電子素子の微細化、高集積化が進むにつれて、素子内部での発熱が多大となり、内部から外部への放熱設計が重要な課題となっている。素子動作時の放熱が十分でない場合、回路動作に異常をきたしたり、電子素子そのものが故障してしまうので、放熱（より積極的には冷却）の方法として、
１．電子素子のパッケ−ジに熱伝導率の高い材料を用いる、
２．パッケージ表面に放熱用のフィンを取り付ける、
３．放熱用フィンに電動ファンで風を当てる、
４．ポンプを伴う水冷式ラジエーターを持つ放熱器を設置する、などの方法が用いられている。
しかしながら、電子素子のさらなる微細化に伴い、集積回路内部での発熱を、外部に逃がすことが本質的に難しくなっている。特にマイクロメートルサイズ以下のＣＰＰ構造（current perpendicular to plain：電流を薄膜面に垂直に加工した柱状部分に沿って流す構造）を持つ電子素子、あるいは配線回路の部位においては、導電性柱状部分の周囲が絶縁体で囲まれているため、その部分での抵抗発熱を逃がすことが難しい。
一例として、単一導電材料によるＣＰＰ構造の電流−抵抗特性を測定すると、電流に2乗比例した抵抗の上昇が見られる。通常の金属（例えば金、銅）で作成した大きさ0.1ミクロン角程度の素子においては、１ミリアンペアの電流により、数度から十数度の温度上昇に対応する抵抗値の上昇が見られる。これは、電子素子を外部からいかなる方法で冷却したとしても避けられない現象である。
電子素子内部の発熱を効率よく逃がすために、半導体素子内部にペルチェ冷却素子を同一パッケージ内で別の回路として、組み込んだ半導体装置（特許文献１参照）が提案されているが、この方法では、
１）冷却のために、別途電力を必要とする。
２）冷却回路が別回路であるため、吸熱部分は発熱部分に対して電気的に絶縁されており、通常絶縁体の熱伝導度は導体に対して悪いため、放熱に対して大きな時定数を持つという問題がある。
さらに、電子素子内部の局所的な発熱を如何に測定するかという問題がある。電子素子の温度は、サーミスタなどの温度センサ、熱電対、放射される赤外線の強度測定（放射温度計）などの方法によって測定されるが、
１）素子の外部からしか温度測定が出来ない。
２）温度の位置分解能はせいぜい数ミクロンのオーダーである、という問題がある。
位置分解能は温度センサ、熱電対においてはセンサ自身の大きさによって、放射温度計においては熱分析用素子（フォトダイオードなど熱起電力素子、あるいはＣｄＳセルなど光導電効果素子を、アレイ状に並べて面方向分布の情報が得られるセンサとしたもの：デジタルカメラにおけるＣＣＤセンサに対応する部分）のピクセル（構成素子）サイズによって制限されている。すなわち素子内部の温度を、素子内部に作り込んだ微小ＣＰＰ構造ペルチェ素子によって、直接、局所的に測定する方法は今まで提案されていない。
特開平０８−２７４２２６号公報 X.Fan, G.Zeng, C.LaBounty,E.Croke, C.C.Ahn, S.Huxtable, A.Majumdar, and A.Shakouri; Appl. Phys. Lett.,vol.78, pp.1580. 「人工格子によるマイクロペルチェクーラーの実験」
本発明は、係る問題点を解決して、電子素子のＣＰＰ配線部分での、抵抗発熱による局所的な温度上昇を回避あるいは抑制することを目的としている。
また、本発明は、温度差が存在する場合、熱電能（ゼーベック係数）の差に応じた電圧を発生させる温度センサ或いは赤外線センサを提供することを目的としている。
本発明の冷却効果を持つ配線構造は、半導体集積回路内部において、電流を薄膜（あるいは層状構造）の膜（層）を膜面（層面）に対して垂直に加工した柱状部分に沿って流すＣＰＰ構造によって、電気的に能動的な機能を持たず、電源からのリード線の役目のみを果たす配線構造において、前記ＣＰＰ構造は、前記柱状部分内部に異種材料界面を持ち、該異種材料界面は、電流を流した際、柱状部分に於いて冷却が起こる効果を有する異種材料によって構成される。
本発明の電子素子、および配線回路は、集積回路内部のＣＰＰ構造配線内に冷却作用を持つ異種材料界面を設けるため、もっとも発熱しやすく、かつ外部へ放熱しにくい部分での抵抗発熱を、直接的に回避（あるいは軽減）できるという利点がある。
また、本発明の電子素子は、温度差が存在する場合、熱電能（ゼーベック係数）の差に応じた電圧を発生させて、温度センサ或いは赤外線センサとして機能させることができる。
電子素子、配線回路のＣＰＰ構造での発熱を軽減するという目的を、ＣＰＰ構造配線内に異種材料界面を設けることにより、電流を流した際、電流冷却効果（ペルチェ効果）によって、界面近傍での冷却を行うという手法で実現した。これより先、上記の冷却効果を発現する異種材料界面（あるいは複数の界面）を持つＣＰＰ構造を「ＣＰＰ構造冷却配線」と記載する。
以下、例示に基づき、本発明を説明する。図１は、「ＣＰＰ構造冷却配線」の説明図であり、（Ａ）に断面図を、（Ｂ）に斜視図を示している。本発明の対象範囲となるＣＰＰ（current perpendicular to plain）構造について説明する。本発明が対象とするＣＰＰ構造は、多層構造を持つ電子素子、配線回路において、上層から下層（あるいはその反対方向）に電流を流すために、層に対して垂直な方向に加工された「柱状の導電性部分とその周辺を囲う絶縁体部分（一般には層間絶縁膜）からなる構造」を指すものとする。
図１に示したように、ＣＰＰ構造は、異種材料の上部電極と下部電極のそれぞれから、柱状部を一体に延長して、接合することにより構成される。このＣＰＰ構造の伝導体の最も細くなっている「柱状部分」に於いて、その断面サイズ（円形においては直径、長方形においては長辺のサイズ、他の形状においてはもっとも幅の広い部分のサイズ）がマイクロメートル程度の大きさより小さいものであり、ＣＰＰ構造の柱状部分に異種材料（金属、半導体、導電性材料など）による接合界面を持っている。このとき、材料の組み合わせと電流の方向を適切に選ぶことにより、柱状構造に沿って電流を流した際、界面に於いて、ペルチェ効果による吸熱作用が発現する。
ここで、ペルチェ効果が発現する電気回路での熱収支について説明する。異種金属界面を含む閉回路に電流を流すと、異種金属界面において、それぞれの材料の熱電能（ゼーベック係数）の差に比例した吸熱（あるいは発熱）が起こる。これがペルチェ効果である。このとき、電源からみた、閉回路における吸熱（あるいは発熱）の熱収支は、電源の両端の材料が同一で、それぞれの界面の温度が同一であれば、ゼロになる。すなわち、本発明におけるＣＰＰ構造電流冷却配線に於いては、ＣＰＰ構造の上部電極、下部電極と、より大きな電子素子の配線部分（例えば銅、アルミなどの配線部分）との界面で吸熱に相当する発熱が起こる。しかしながら電子素子の配線部分の断面積、体積がＣＰＰ構造に比べて何桁も大きいため、吸熱に相当する発熱の放熱は、通常問題にならない。
望ましくは、ＣＰＰ構造における断面サイズは、１マイクロメートル角以下、長さが１マイクロメートル以下であり、このＣＰＰ構造における面電気抵抗が10Ω／マイクロメートル角以下である。
図２は、ＣＰＰ構造冷却配線の柱の構造についてさらに説明する図であり、（Ａ）はテーパー構造を、（Ｂ）は多段構造を示している。柱状部分は、（Ａ）に示すように、円錐形（テーパー状）になっていてもよく、あるいは（Ｂ）に示すように多段構造（階段状）になっていてもよく、界面の存在する位置はもっとも狭隘な部分で無くともよい。例えば、上部電極、下部電極とＣＰＰ構造の境界部分に界面が存在しても良い。さらにそれらの組み合わせの構造、例えば中央部が最も狭くなっている糸巻き状、上下が狭くなっているそろばん玉状、上方向に向かって狭くなっている階段状、またはその逆などの構造でも良い。また、上部電極、下部電極内において、界面が存在し、電流が界面を貫いて流れる構造を持つ場合、その上部電極、下部電極を広い意味でのＣＰＰ構造と見なすことができる。そのような構造でも冷却効果は期待できるが、断面積が大きくなれば面積あたりの冷却能力は小さくなる。
また、ＣＰＰ構造の内部に発熱体を組み込む配置を取ることも可能である。冷却すべき電子素子の大きさがＣＰＰ構造に比べて同じ程度である場合、冷却界面（冷却が起こる組み合わせである２種類の材料の界面）に、電子素子を挟み込む構造を取ることが出来る。そのような配置を取るために２種類の材料からなるＣＰＰ構造の柱状部分を２つに分割して設置することも可能である。図３（A）に冷却界面に、冷却すべき電子素子を垂直方向に挟んだ例を、図３（B）は２本の柱に分割したＣＰＰ構造の間に、冷却すべき電子素子を水平方向に挟んだ例を示す。図３（B）の場合、上部電極、下部電極の定義は、電流の流れる方向に基づいて定義する。正方向の電流の上流側（流れ出す側）を下部電極、下流側（流れ込む側）を上部電極と定義する。
異種金属界面は、最も簡単な場合は上部、下部の２種類の材料からなるが、３種類以上の材料からなる多層構造にして、電流を流した際ＣＰＰ構造の部分にて、吸熱作用を発現させることもできる。例えば、ＣＰＰ構造の作成工程上、層間にバッファー層となる材料を挟む場合などが、多層構造の例に含まれる。それぞれの層が、概ね１から数十nm程度の異種材料からなる多層膜積層構造によって、接合部分において冷却現象による温度低下が効果的に発現するように設計することが、可能である。
図４は、多種材料による「ＣＰＰ構造冷却配線」の例を示す図である。複数の材料界面が存在する場合、それぞれの界面では発熱が起こるものも出てくる場合があるが、ＣＰＰ構造内で複数の界面に対して、吸熱（あるいは発熱）効果の和をとり、その和として吸熱作用が発現するように設計することが出来る。
導電性部分の材料としては、金、銅、白金、チタンなどの金属とその合金（ここで合金とは母材の材料に、母剤より少ない割合の添加物を加えたものを指す）、コバルト、鉄、ニッケル、クロムなどの磁性金属とその合金、金属と磁性材料の合金、シリコン、ゲルマニウム、ガリウム−ヒ素などの半導体とその合金（例えばシリコン−ゲルマニウム、シリコン−ゲルマニウム−カーボンなど）、ビスマス−テルル、アンチモン−テルルなどの熱電材料とその合金など、周辺の絶縁体より低い抵抗値を持つ材料を用いることができる。また、絶縁体としては、酸化シリコン、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、窒化シリコン、ダイアモンドなど、柱状構造の電導体よりも抵抗率の高い材料を用いることができる。
さらに、材料の組み合わせとしては、それぞれの材料のゼーベック係数の差の絶対値（二種類以上の材料による場合は最大値と最小値の差を指す）が、10μV／K以上の大きな金属、半導体もしくは導電性材料から構成することにより、より冷却能力が高くなるようにすることができる。
図５を参照して、吸熱作用を持つＣＰＰ構造の電子素子（磁性金属多層膜により作製したＣＰＰ−ＧＭＲ素子）の実施例について説明する。本実施例で用いた素子は、熱酸化シリコンウェハー上に製膜された金属（磁性金属）による多層膜を微細加工技術にて、ＣＰＰ構造に加工したものである。
膜は、熱酸化シリコン上に、クロム（下層）10nm、コバルト（下層：磁気固定層）25nm、銅（中間層）5nm、コバルト（上層：磁気自由層）2nm、金（下層）10nm、クロム（上層）10nm、金（上層）200nmからなる多層膜である。この構造でＧＭＲ素子として重要な層は、磁気固定層、中間層、磁気自由層の３層であり、そのほかの層は、密着性を高めるためのバッファー層、または電極層である。
この膜を微細加工により200nm×70nmの断面サイズの柱状に加工し、その周辺を酸化シリコンで埋めることにより、ＣＰＰ構造を作成した。柱状部分にあたる部分はコバルト（下層：下部電極）、銅、コバルト（上層）、金（下層）、クロム（上層）、金（上層：上部電極）の全長60 nmの部分である。
ここで図５に示した構造におけるＧＭＲ（giant magnetoresistance：巨大磁気抵抗）効果について、簡単に説明する。図示の構造の素子は、下部コバルト層（磁気固定層）と上部コバルト層（磁気自由層）の２層の強磁性層を持ち、両層の磁化の方向によって、抵抗値が大きく変化する。さらにこの二つの層で、保磁力（磁化の向きを変化させるのに必要な磁場の大きさ）に差があるため、膜面に水平に磁場を掃引することによって、両層の磁化の方向を揃えたり、反対方向にすることが出来る。このとき、二つの層で磁化が揃っているときは、電子の散乱がすくないため抵抗が小さく、磁化の方向が反対の時は、電子の散乱が大きくなるため抵抗が大きくなる。
図５の構造の素子に於ける、磁場に対する抵抗値の変化を図６に示す。まず、加工した磁気自由層の磁化容易軸の一方向（これを便宜上、磁場の正方向と定義する）に大きな磁場をかけると、両層の磁化の方向が正の方向に揃う（図では便宜上右方向に矢印を書いた）。その後、徐々に磁場を0に戻し、さらに負の方向に掃引していくと、保持力の小さな上層の磁化が反転するため、抵抗値が大きくなる。また、さらに磁場を大きくすると保持力の大きな下層の磁化も反転するため、抵抗値は元に戻る。磁場を、再度、正の方向に掃引する場合も、磁化の方向を逆向きにとる以外は、同じ磁化過程による抵抗変化が起こる。このように、磁気自由層と磁気固定層の磁化の向きにより、抵抗が大きく変化する現象を巨大磁気抵抗と呼ぶ。この現象を利用し、ＧＭＲ素子は、磁場の変化を抵抗の変化として取り出せる磁場センサ、あるいは、抵抗値の高低を０と１に対応させたメモリ素子として、現に使用されている。
この素子に、図７に示した様に電流の方向を定義し、その抵抗値を測定した結果が、図８である。図８に示したように、直流電流値０から３ミリアンペアの範囲に於いて、抵抗値は、電流が０ミリアンペアの状態に比べて、低くなっていることがわかる。このＣＰＰ−ＧＭＲ素子を構成している材料（金、銅、コバルト、クロム）の室温での抵抗変化を考えると、抵抗値が低くなっていることは、その部分での温度が低くなっていることを直接的に示している。抵抗値の変化から見積もった結果、この素子に於いて、ＣＰＰ構造近傍にて、数度から十数度のオーダーで冷却が起こっていることが確かめられている。（図８において、抵抗値に飛びが見られるのは、電流による磁化反転がおきているためであり、電流による冷却効果とは直接の関係はない。）
ここで、冷却効果が見られる電流範囲について述べる。ＣＰＰ構造が外部に対して断熱的であると見なせる場合、電流Iを流した際の熱の収支は、
ΔW ＝ RI2 − πI （１）
となる。ここでΔWはＣＰＰ構造で発生または吸収する熱量、RはＣＰＰ構造の抵抗値、Iは電流の大きさ、πは界面でのペルチェ係数（界面が複数ある場合はペルチェ係数の総和）である。式（１）において、右辺の第１項は抵抗発熱による熱量、第２項はペルチェ効果による吸熱量を表している。この式から、ペルチェ係数が正の場合（電流正方向で吸熱が起こる場合）、電流０からπ／Rの範囲で、電流による冷却が起こることがわかる。
図５の構造の素子において、図７に定義した方向に電流を流す場合、柱状構造全体としては、コバルト−金の界面の吸熱作用が支配的であると考えられる。（他の界面での作用は、材料の積層する順番の対称性から、一次近似の範囲では、熱的にキャンセルされる。）この場合、バルクの材料のゼーベック係数は、コバルト −30.8 μV／K、金 1.9 μV／K であり、電流の正方向にとったペルチェ係数（ゼーベック係数の差）が −32.7μV／K であることより、電流による冷却が起こることを示している。本実施例で、式（１）を図８のデータに当てはめて求めたCPP構造の柱状部分全体でのペルチェ係数は約−70μV／Kである。これを、バルクの材料のゼーベック係数の差によるモデルと比較すると、ペルチェ係数の符号が一致、その大きさはコバルト−金の界面から見積もった値と同程度のオーダーであることが示された。
ＣＰＰ構造の界面の大きさがマイクロメートルサイズ以下であること（サイズが小さくなるとゼーベック係数が変化する可能性があること）、実際の界面は複数の材料からなる５つの界面から構成されていること、実際の素子は完全には断熱であると見なせないことを考慮すると、上記のモデルと、実施例の結果は、良い一致を示している。
図９は、より単純な構造による、吸熱作用を持つＣＰＰ構造の電子素子の構成を説明する図である。図９に例示した素子は、上述の例と同様の作製方法により、熱酸化シリコンウェハー上に製膜された金属による多層膜を、微細加工技術にてＣＰＰ構造に加工したものである。素子の大きさは、200nm×70nmの断面、高さは50から60nmで、その周辺を酸化シリコンで埋めることにより、ＣＰＰ構造を作成した。
本発明における吸熱効果が、ペルチェ効果によるものであることを確かめるため、磁気的な抵抗変化が起こらない膜構成（ＧＭＲ構造を持たない構成）を選び、次の４種類の膜構成による素子を作製した。それぞれの膜構成は、
構成１：クロム10nm、コバルト100nm、金（下層）20nm、チタン20nm、金（上層）200nmからなる多層膜で、ＣＰＰ構造にあたる部分はコバルト、金、チタン、金の部分である。
構成２：クロム100nm、金（下層）20nm、チタン20nm、金（上層）200nmからなる多層膜で、ＣＰＰ構造にあたる部分はクロム、金、チタン、金の部分である。
構成３：クロム（下層）10nm、コバルト100nm、金20nm、クロム（上層）200nmからなる多層膜で、ＣＰＰ構造にあたる部分はコバルト、金、クロムの部分である。
構成４：クロム（下層）100nm、金20nm、クロム（上層）200nmからなる多層膜で、ＣＰＰ構造にあたる部分はクロム、金、クロムの部分である。
これらの構造にて、電流を下部電極から上部電極に流れる方向を正と定義するとき、ＣＰＰ構造全体として期待されるペルチェ係数は、構成１においてはコバルト−金によるペルチェ係数（実施例１のＣＰＰ−ＧＭＲ素子の場合もコバルト−金によるペルチェ係数に等しくなることが期待される）、構成２においてはクロム−金によるペルチェ係数、構成３においてはコバルト−クロムによるペルチェ係数、構成４においてはクロム−クロムにおけるペルチェ係数である。
一般に、２種の材料A、Bが接触している界面でのペルチェ係数は、それぞれの材料の熱電能の差と温度の積に等しくなる。
π = (Sa - Sb) * T
ここで π はペルチェ係数、Sa, Sbはそれぞれの材料の熱電能（ゼーベック係数とも言う）、Tは温度である。
実験に使用した材料のペルチェ係数はそれぞれ、コバルト-30.8μV/K、クロム21.8μV/K、金1.9μV/Kである（これらの値はバルク材料の値である）。従って、構成１、構成３、実施例１においては、電流の正方向（下部電極から上部電極の方向を正とする）で冷却効果が、構成２においては、電流の負方向で冷却効果が、構成４においては冷却効果は現れないことが期待される。
図１０は、図９に示す構成１〜４のそれぞれについて、電流冷却効果として、電流−抵抗のグラフを表す。構成１、構成３、実施例１においては、電流の正方向で抵抗減少の領域が、構成２においては、電流の負方向で抵抗減少の領域が、構成４においては抵抗減少の領域が現れないことが見て取れる。これらの素子が金属膜により構成されていることから、抵抗の温度依存性は正（温度が高くなるほど抵抗が高くなる）であるので、抵抗の減少はすなわち電流による冷却効果が発現していることを示す。構成１、構成２の素子については、抵抗の温度依存性の測定を行っており、５mΩ／Ｋ（ミリオーム／ケルビン）程度の温度係数であることを確かめている。従って、構成１、構成２の素子に於いて、電流による温度現象の最大値は5 K程度であることが解る。
また、本実験の結果を、上記のＣＰＰ構造における熱の収支の式に当てはめることにより、ＣＰＰ構造素子のペルチェ係数を見積もることが出来る。その結果、構成１については115 μV/K、構成２については−100 μV/K、構成３については139 μV/Kとバルクの値よりも大きな値が得られている。このことは、素子の断熱条件が十分でない可能性もあるが、素子自体をサブミクロンの大きさにしたことにより、サイズ効果によってペルチェ係数自体が大きくなった可能性もある。サイズ効果によるペルチェ係数の増加については、非特許文献１にも記述がある。ゆえに、素子のサイズを小さくすることにより、ペルチェ係数を増強できることが分かる。
本発明の構造を持つＣＰＰ−ＧＭＲ素子、あるいはＴＭＲ素子（tunnel magnetoresistance：トンネル磁気抵抗素子。中間層にトンネル障壁を用いたもの。ＴＭＲ素子はその構造上、必然的にＣＰＰ構造を持つ）を用いて、以下の応用が考えられる。ハードディスクの磁気ヘッドなどに用いられる磁気検出センサ（例としてＣＰＰ−ＧＭＲヘッド、ＴＭＲヘッド）への応用では、本発明の構造を持つＣＰＰ−ＧＭＲ素子、あるいはＴＭＲ素子をそのまま使うことが出来る。以下この素子を、「ＣＰＰ構造冷却配線を持つＧＭＲ（ＴＭＲ）素子」と呼ぶ。この場合、図１１に示すように上部電極と下部電極の間に、少なくとも磁気自由層、中間層、磁気固定層の構造を設け、電流を流した際に冷却作用があるような組み合わせにすればよい。実施例１のように下部電極と磁気固定層を同一の層としても良い。また、磁気固定層に、積層フェリ構造を用いたり、磁気固定層の下に反強磁性層を付けたり、その両者を組み合わせた構造を取っても良い。
また、上に述べた「ＣＰＰ構造冷却配線を持つＧＭＲ（ＴＭＲ）素子」を、磁気ランダムアクセスメモリのメモリ素子として使うことが可能である。磁気ランダムアクセスメモリのメモリ書き込みの方式には、電流磁界反転方式と、スピン偏局電流注入による反転方式が知られているが、その両者に対しても本発明の構造は有効である。
図１２に、磁気ランダムアクセスメモリの１セル（１ビット）の構造を示す。本図には電流誘因磁場によるメモリ書き込みの回路は省略されている。この構造を多数集積化することにより、磁気ランダムアクセスメモリを構成することが出来る。
ハードディスクの磁気ヘッドの冷却方法では、磁気ヘッド自体に電流冷却効果が発現する構成を組み込む手法（上述の方法）の他に、磁気ヘッドへの配線部分にＣＰＰ構造電流冷却配線を組み込むという方法も可能である。現行のハードディスクに使われている磁気ヘッドにはＣＩＰ−ＧＭＲ（current in plane − giant magnetoresistance）と呼ばれる構造もある。この構造では、センス電流は磁気多層膜に沿って流れる。この構造において、ＣＩＰ−ＧＭＲセンサへの配線部に、本発明のＣＰＰ構造電流冷却配線を設けることにより、磁気ヘッド部における電流による発熱を低減することが可能である。
図１３に電流冷却配線を付加したＣＩＰ−ＧＭＲ素子の構造図を示す。センス電流は図の左のリード部から、ＣＩＰ−ＧＭＲ層を層に沿い、右のリード部へと流れるとする。このとき、左右のリード部への配線部分に、それぞれA、Bの材料からなるＣＰＰ構造を作製する。この構成は、図３（Ｂ）で説明した構成に対応する。ここで、リード部のゼーベック係数があまり大きくない場合（数 μV/Kである場合）、Aにコバルト、ニッケルなど負のゼーベック係数を持つ材料を、Bにクロム、鉄など正のゼーベック係数を持つ材料を使用することにより、ヘッド全体で電流による冷却効果を発現させることが可能である。この場合、ＣＰＰ構造の断面の大きさに制限はない。原理的にはいかなる大きさでも冷却効果が発現する。さらに、本発明者が発見したように、ＣＰＰ構造のサイズを小さくすることにより、より大きな電流冷却効果が発現する可能性もある。
また、材料Aの部分、材料Bの部分に、それぞれＣＰＰ構造電流冷却配線を設置することも可能である。この場合、Aの部分に使用する電流冷却配線とBの部分に使用する電流冷却配線の構成を、電流の流れる方向に対してそれぞれの部位で冷却効果が発現するように、最適化する必要がある。例えば、リード部のゼーベック係数があまり大きくない場合（数 μV/Kである場合）、Aの部位にコバルト−金によるＣＰＰ構造電流冷却配線を、Bの部位に金−クロムによるＣＰＰ構造電流冷却配線を用いることが可能である。
本発明における構造の利点に、例えば金属による多層膜によっても電流冷却効果が認められるため、本構造自体の抵抗値はきわめて低く出来るという特徴がある。例えば、ＣＰＰ構造による抵抗値は、0.1マイクロメートル角の断面サイズにおいて数Ωのオーダーであり、効果が得られる電流（数ミリアンペア）を流しても、その部分における電圧降下はせいぜい数十ミリボルトの大きさである。このことから、本構造を、既存の電子素子に、その動作を損なうことなく、電子素子の構造の一部（例えば電源に接続する部分）として組み込むことが可能である。
従って、本構造を、例えばダイオード、トランジスタなどの能動素子の端子に組み込むという応用が考えられる。
図１４は、「ＣＰＰ構造冷却配線」をダイオードに応用した例を示す図である。図示のダイオードにおいて、順方向に電流を流した際、吸熱作用が現れる「ＣＰＰ構造冷却配線」を、アノード側（カソード側でも良い）に配置する。この場合、電流冷却効果により、正方向での損失による発熱を軽減することが出来る。「ＣＰＰ構造冷却配線」の材料としては、アノード、あるいはカソードの電極材料と同一とすることも出来る。また、半導体接合を構成する材料自体を「ＣＰＰ構造冷却配線」の材料の一部として使用しても良い。
また、図１５に示すように、ＦＥＴ（トランジスタ）の電極に「ＣＰＰ構造冷却配線」を組み込むことも可能である。ドレイン（エミッタ）側、あるいはソース（コレクター）側に、「ＣＰＰ構造冷却配線」を設けることにより、ＦＥＴ（トランジスタ）動作時の接合部分の発熱を軽減することが可能である。この場合も、ＦＥＴ（トランジスタ）の電極材料、半導体接合を構成する材料を、「ＣＰＰ構造冷却配線」の材料の一部として使用しても良い。
本構造は、構造自体の抵抗値を低くすることが出来るため、既存の半導体集積回路の性能を損なうことなく、配線回路の一部として組み込むことが可能である。それゆえ、半導体集積回路内部で、ビア構造（スルーホール構造とも呼ばれ、多層構造の集積回路で層を貫く方向に電流を流す配線に使われる。形状の特徴はＣＰＰ構造と同一である。）の配線回路において、ＣＰＰ構造部分に異種材料界面を設け、電流を流した際に冷却作用がある配線回路としての応用が考えられる。その場合、以下の様な応用が考えられる。
通常、多層配線構造では各層の電子素子は絶縁体（誘電体）により電気的に絶縁される。このような絶縁材料には一般的には酸化シリコンやアルミナなど、高誘電率を有する酸化物が利用される。これらの物質は一般に熱伝導率が１〜数W／mK程度と低く、これらの絶縁層の集積により絶縁多層回路構造を構成すると、集積回路中心部の機能性電子素子は絶縁体に囲まれた断熱状態に近く置かれることになる。
このような状況では素子の動作にともない発生した熱は、集積回路内部に蓄積してしまい、機能素子が高温状態にさらされる事になる。一般に、電子素子の動作環境が高温になることは、信頼性、寿命、その他の観点から非常に望ましくない状況である。本発明を利用する事により、このような集積回路内部、特に最深部の局所的熱の放散を効率的に行う事ができる。
図１６は、多層配線構造を有する電子回路における、ＣＣＰ構造冷却配線の利用の第１の例を示す。発熱が多く見込まれる素子（あるいは素子群）は多層絶縁体の中心部に位置し、その周囲にＣＰＰ構造冷却配線が配置される。重要なのは、発熱部分とＣＰＰ構造が電気的に直列でつながっていることである。ＣＰＰ構造が発熱素子と電気的に接続される位置は、発熱素子とグラウンド、または電源電圧部分と発熱素子のどちらでも良い。また、両者を組み合わせたものでも良い。
発熱部分に所定の電流を流すと同時にＣＰＰ構造配線にも電流が流れる。その際、ペルチェ効果により、界面Aにおいて吸熱反応が、また界面Bにおいては発熱反応が生じる。発熱素子の近傍に界面Aが存在し、電気的にも接続されていれば、熱は界面A部分で速やかに吸熱され、界面Bで放熱される。界面Bを多層構造の最外部、もしくはより表面に近い部位に設置する事によって、放熱はより容易になる。図示したようにパッケージ材の外部（放熱器）に接触させた金属放熱電極（例えばグラウンド電極）を界面Bに接触させる事により、集積回路の最深部で発生した局所的熱をパッケージ外部に導き、結果的に集積回路の局所部分の高温化を回避する事ができる。特筆すべきことは、本発明による配線構造をとれば、冷却のために別電源を必要としないことである。
この第１の例においてＣＰＰ構成材料１、２はそれぞれ単純金属であっても良いし、また多層金属構造や導電性の高い多層半導体構造でも良い。重要なのはペルチェ吸熱効果が効果的に界面Aにおいて発現し、外部の界面Bに放散した熱が逆流して内部に導かれない事が重要である。
図１７は、ＣＰＰ冷却構造の配置の仕方と冷却性能について説明する為に、（Ａ）〜（Ｃ）にＣＰＰ構造配線と発熱電子素子の配置の仕方を示す集積回路の第２の例を示す。
図１７（Ａ）は、発熱素子に２つのＣＰＰ構造配線を接続した例である。ＣＰＰ構造１つで吸熱できる熱量をQとすると、この場合単純に考えて２Qの電子素子からの発熱を外部に放散する能力を有する。前述したように、本発明のＣＰＰ構造による冷却効果は、冷却効果が現れる電流範囲に制限があるため、一つのＣＰＰ構造配線でその電流範囲を超えてしまう場合、電流を分流し複数のＣＰＰ構造配線に並列に流すことにより、冷却効果のある電流範囲に収めることが出来る。言い換えると、ＣＰＰ構造配線を複数並列にすることにより、冷却効果のある電流範囲を拡大することが出来る。
図１７（Ｂ）では発熱素子に9個のＣＰＰ構造配線を接続した実施例である。この場合9Qの電子素子からの発熱を外部に放散する能力を有する。発熱体の面積が狭い場合には、ＣＰＰ構造群と発熱体の間に金属などのバッファー層を設け、ＣＰＰ構造を増設し、外部に運び出せる吸熱能力を高める事が可能である。
図１７（Ｃ）では、発熱素子にアレイ状に作製したＣＰＰ構造配線を接続した例（図では40個のアレイを表示）である。このように複数のＣＰＰ構造を回路中に作製する事は、プロセス上は困難さを伴わない。この場合、ＣＰＰ構造あたりの吸熱能力をQ(μW)とすると、N個のアレイ状ＣＰＰ構造全体でN×Qの熱量を外部に運ぶ能力を有する事が分かる。中央の発熱電子素子は単一の電子素子でもよいし、発熱密度の高い電子素子が集合した電子素子群でもよい。
図１８は、多層配線構造を有する電子回路における、ＣＰＰ構造冷却配線の利用の第３の例を示す。特に既存の素子構造に本発明を適用する場合を想定している。発熱電子素子は多層絶縁物の中心部に位置し、ＣＰＰ構造は電気的には既存のグラウンド配線と新たなグラウンド電極の間に接続され、位置的には発熱電子素子の周囲に配置される。この場合、ＣＰＰ構造を構成する材料は一直線上に配置するのではなく、互いに並列に作製され、その一端が接合される構造になっている。（太さの異なる二本の柱を頭部でつなぐ構造）吸熱界面が存在するのはＣＰＰ構造（細くなっている方）になっている側で、その界面が出来るだけ発熱素子に近づくようにする。例えば、図１７に示したように複数のＣＰＰ構造を用いても良い。
この例に示すように、冷却効果が発生するためには所定のＣＰＰ構造に電流が流れる事のみが重要であり、各ＣＰＰ配線の配置の仕方には自由度がある。同じ方向に正方向、負方向の電流端子配線を取り出す事も可能である。
本発明によるＣＰＰ構造電流冷却素子は、サブミクロンサイズの柱状部分に異なる材料による界面を持つことを特徴とする。逆に、この構造を持つ素子の上部電極−下部電極間に温度差が存在する場合、熱電能（ゼーベック係数）の差に応じた電圧が発生する。これは熱電対の原理と同じである。
この原理を応用し、ＣＰＰ構造電流冷却素子の温度センサへの応用について述べる。以下本センサをＣＰＰ構造温度センサと呼ぶ。図１９のように、ゼーベック係数の差が大きい２つの材料、材料１、材料２からなる多層膜を加工し、柱状部分に「材料１−（下部界面）−材料２−（上部界面）−材料１」の構造の素子を作製する。この素子に於いて、下部界面と上部界面に温度差 DTが存在する場合、下部電極と上部電極の間には、
V = π * DT
の電圧出力 V が得られる。ここで π は材料１と材料２のゼーベック係数の差によって決まるペルチェ係数である。
本発明によるＣＰＰ構造温度センサに於いて、重要なことは２つの界面に温度差を付けることである。そのため、界面は必ずしも柱状部分の内部にある必要はない。図２０に示すように、片方の界面を上部電極、あるいは下部電極の内部に設置することも可能である。望ましくは、一方の電極を温度が上昇しない部分（ヒートシンク部）とし、もう一方の電極を外界からの熱により容易に温度が上昇する部分（熱センス部分）とし、２つの界面をそれぞれヒートシンク部と熱センス部に設置する。
感度を上昇させる手法として、熱センス部の熱容量を小さくすること、ヒートシンク部と熱センス部の熱伝導を小さくし２つの界面に温度差を付けやすくすることが考えられる。そのような観点から、図２１に示すように、赤外線センサの柱状部分を２つに分け、熱センス部を独立させた構造にすることも可能である。このような形状の素子は一般にπ型構造と呼ばれている。さらにπ型構造においては、熱センス部の大きさを微細加工によってミクロンサイズにまで小さくすることにより、センサの感度をより向上させることが可能である。また、図２２に示すように、熱伝導を小さくする手法として、柱状部分周囲の層間絶縁膜を取り去って、熱センス部を、柱状部分を用いて支え、空中に浮かせる構造により、センサの感度を向上させることも可能である。
よりセンサの感度を向上させる方法として、素子を直列につなぐことが出来る。π型構造の素子において、熱センサ部に温度変化させる界面を、電気的に絶縁した熱センサ部に接触させ、ヒートシンク部にもう片方の界面を接触させ、それぞれの素子を直列に接続することにより、出力電圧を素子の個数に比例して増大させることが出来る。このように、熱センサ部に直列に接続した多数の熱電素子を接触させ、温度差を検出する構造をサーモパイル構造と呼ぶ。
サーモパイル構造を持つＣＰＰ構造温度センサの例として、赤外線センサがある。図２３に本構造の赤外線センサの模式図を表す。このセンサの場合、赤外線の強度は、赤外線による素子の温度上昇を用いて検出される。図示のような配置を取ることにより、単一のＣＰＰ構造温度センサに比べ４倍の出力を得ることが可能である。
実施例７に示したように、本発明の電流冷却素子は微小な温度センサとしても利用することが可能である。本発明の素子はＣＰＰ構造を1ミクロン角以下ときわめて微小にすることが可能なため、これまでの熱電対（通常使われている熱電対の大きさは、もっとも微細なもので直径25ミクロン程度である）に比べて、素子の熱容量を３桁以上小さくすることが出来る。それゆえ、微小領域での温度変化の検出、微小なサンプルの温度変化の検出に適した温度センサとなりうる。例えば、理想的にサンプルとセンサを熱接触させることが出来れば、ＣＰＰ構造の熱センサ部の体積は1al(アトリットル) 程度であることを考慮すると、１pl(ピコリットル)以下のサンプルの温度変化を、0.1℃より良い分解能で検出することが可能である。
図２４にＣＰＰ構造温度センサを組み込んだマイクロチップ型バイオセンサの例を示す。基板上に作製した微小流路（幅はミクロン程度）の途中に、本発明によるＣＰＰ構造温度センサを組み込む。組み込む方法としては、単一のＣＰＰ構造温度センサの場合はＣＰＰ構造部が流体に直に触れる構造を取っても良いし、π型ＣＰＰ構造温度センサあるいはサーモパイル型ＣＰＰ構造温度センサにおいては熱センサ部に流体が触れる構造を取って良い。図の配置では、２種の流体A、Bが反応した時の反応熱（あるいは吸熱）を温度センサによって検出することが出来る。
本発明の冷却効果を持つ電子素子、および配線構造は、情報通信産業における集積回路一般、各種メモリ（磁気ランダムアクセスメモリ等）、演算素子、トランジスタ、ストレージ機器部品（磁気ヘッド等）の配線回路での発熱抑制に適用することができる。
ＣＰＰ構造冷却配線の説明図であり、（Ａ）に断面図を、（Ｂ）に斜視図を示している。 ＣＰＰ構造冷却配線の柱の構造についてさらに説明する図であり、（Ａ）はテーパー構造を、（Ｂ）は多段構造を示している。 図２とは別のＣＰＰ構造冷却配線の柱の構造についてさらに説明する図であり、（Ａ）は発熱素子を垂直に挟み込む構造を、（Ｂ）は発熱素子を水平に挟み込む構造を示している。 多種材料によるＣＰＰ構造冷却配線の例を示す図である。 吸熱作用を持つＣＰＰ構造の電子素子（磁性金属多層膜から作製したＣＰＰ−ＧＭＲ素子）の実施例について説明する図である。 実際の磁場に対する抵抗値の変化を示す図である。 電流の方向を定義する図である。 抵抗値を測定した結果を示す図である。 ＣＰＰ構造電流冷却素子の構成を例示する図である。 ＣＰＰ構造電流冷却素子の電流抵抗特性を表すグラフである。 「ＣＰＰ構造冷却配線」を持つＣＰＰ−ＧＭＲ素子を用いた磁気センサの構造を示す図である。 「ＣＰＰ構造冷却配線」を持つＣＰＰ−ＧＭＲ素子を用いた磁気メモリを例示する図である。 ＣＰＰ構造冷却配線のＣＩＰ−ＧＭＲ磁気ヘッドの応用例を示す図である。 「ＣＰＰ構造冷却配線」を持つダイオードへの応用を示す図である。 「ＣＰＰ構造冷却配線」を持つＦＥＴへの応用を示す図である。 「ＣＰＰ構造冷却配線」を持つ集積回路の第１の例を示す図である。 「ＣＰＰ構造冷却配線」を持つ集積回路の第２の例を示す図である。 「ＣＰＰ構造冷却配線」を持つ集積回路の第３の例を示す図である。 ＣＰＰ構造電流冷却素子の温度センサへの応用を例示する図である。 ＣＰＰ構造温度センサの構造例を示す図である。 π型ＣＰＰ構造温度センサを例示する図である。 空中型π型ＣＰＰ構造温度センサを例示する図である。 サーモパイル型ＣＰＰ構造温度センサを例示する図である。 ＣＰＰ構造冷却素子の温度センサへの応用を例示する図である。

Claims (3)

  1. 半導体集積回路内部において、電流を薄膜或いは層状構造の層を膜面或いは層面に対して垂直に加工した柱状部分に沿って流すＣＰＰ構造によって、電気的に能動的な機能を持たず、電源からのリード線の役目のみを果たす配線構造において、
    前記ＣＰＰ構造は、内部に異種材料界面を持ち、かつ、複数並列に配置し、
    複数の前記ＣＰＰ構造と発熱素子の間に金属バッファー層を設け、
    前記異種材料界面は、電流を流した際、冷却が起こる効果を有する異種材料によって構成される、
    ことを特徴とする冷却効果を持つ配線構造。
  2. 前記柱状部分は、内部に前記異種材料界面を複数有して、電流を流した際に、複数の異種材料界面によって、柱状構造部分全体で冷却が起こるよう構成した請求項１に記載の配線構造。
  3. 発熱素子を多層絶縁物の中心部に配置し、その周囲に互いに並列に結合した複数の前記ＣＰＰ構造を配置した請求項１に記載の配線構造。
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