JP6862339B2

JP6862339B2 - 面外熱流束構成のシリコン集積バイバルブ熱電発電機

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Publication number: JP6862339B2
Application number: JP2017517685A
Authority: JP
Inventors: マスコロ、ダニーロ; ブオシオーロ、アントニエッタ; ギソン、イタロ; ガンマリエッロ、ジュゼッペ
Original assignee: コンソルツィオデルタティリサーチ
Priority date: 2014-10-01
Filing date: 2015-09-23
Publication date: 2021-04-21
Anticipated expiration: 2035-09-23
Also published as: CN106716658A; US10003002B2; EP3201955A1; WO2016051313A1; CN106716658B; EP3201955B1; JP2017537460A; US20170194550A1

Description

本開示は、概して、固体熱電デバイスに関し、具体的には、異質またはハイブリッドな３Ｄ集積化の平面加工技術及び関連する技法によって製作するのに適した熱電発電機（ＴＥＧ）に関する。

熱電発電機（ＴＥＧ）は、環境に優しい材料から作製されている以外に、顕著なロバスト性、信頼性、及び事実上無限の有効寿命の低エンタルピー廃熱利用デバイスとして、鋭意研究されている。

ますます一般的になってきている電子デバイスの電力消費量が絶えず最小化されるにつれて、ＴＥＧは、電池またはスーパーキャパシタのような他のエネルギー貯蔵デバイスと共に、またはさらにそれらの代用となる補助電源とみなされ始めている。

平面加工、マイクロマシニングインプラント及びポストインプラント処理、フリップチップ及びボンディング技法等のような、マイクロエレクトロニクス及び微小電子機械システム（ＭＥＭＳ）において展開される十分に確立された加工技法を活用する薄膜技術ＴＥＧに関する刊行物の数がますます増加している。

ＩｓｒａｅｌＢｏｎｉｃｈｅによる博士号論文「Ｓｉｌｉｃｏｎ−ＭｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｅｄＴｈｅｒｍｏｅｌｅｃｔｒｉｃＧｅｎｅｒａｔｏｒｓｆｏｒＰｏｗｅｒＧｅｎｅｒａｔｉｏｎｆｒｏｍｈｏｔｇａｓｓｔｒｅａｍｓ」、ＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＦｌｏｒｉｄａ、２０１０、及びＤｉａｎａＤａｖｉｌａＰｉｎｅｄａによる「ＭｏｎｏｌｉｔｈｉｃｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎｏｆＶＬＳｓｉｌｉｃｏｎｎａｎｏｗｉｒｅｓｉｎｔｏｐｌａｎａｒｔｈｅｒｍｏｅｌｅｃｔｒｉｃｇｅｎｅｒａｔｏｒｓ」、ＡｕｔｏｎｏｍｏｕｓＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＢａｒｃｅｌｏｎａ、２０１１は、固体熱ポンプ及び電力発電機用熱電デバイスの分野において、最新技術の実施の幅広い導入的な概要を提案する。

概要は、シリコン適合性のマイクロ及びナノ技術によって製造されたＴＥＧの２つの系統も包含する。第１の系統のデバイスでは、熱流は基板に対して平行であり、もう一方の系統のデバイスでは、熱流は基板に対して垂直である。これらの集積ＴＥＧのアーキテクチャは、一般に、ｎ−ｐドープ脚部を有する多くの基本セルを備え、基本セルが熱的に並列かつ電気的に直列になるように配列される。

典型的に、熱が基板に対して平行に流れる集積ＴＥＧデバイスは、基板より数百マイクロメートル上に懸架された、非常に高い熱抵抗材料もしくは膜の上に堆積させた熱電的に活性な材料の導電性脚部を有し得るか、または活性材料自体の脚部が、独立している［膜を有しない］。

他の関連する例は、以下に報告されている：
^■Ｈｕｅｓｇｅｎ，Ｔ．；Ｗｏｉｓ，Ｐ．；Ｋｏｃｋｍａｎｎ，Ｎ．ＤｅｓｉｇｎａｎｄｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎｏｆＭＥＭＳｔｈｅｒｍｏｅｌｅｃｔｒｉｃｇｅｎｅｒａｔｏｒｓｗｉｔｈｈｉｇｈｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ．Ｓｅｎｓ．ＡｃｔｕａｔｏｒｓＡ２００８，１４５−１４６，４２３−４２９．
^■Ｘｉｅ，Ｊ．；Ｌｅｅ，Ｃ；Ｆｅｎｇ，Ｈ．Ｄｅｓｉｇｎ，ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎａｎｄｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎｏｆＣＭＯＳＭＥＭＳ−ｂａｓｅｄｔｈｅｒｍｏｅｌｅｃｔｒｉｃｐｏｗｅｒｇｅｎｅｒａｔｏｒｓ．Ｊ．Ｍｉｃｒｏｍｅｃｈ．Ｓｙｓｔ．２０１０，１９，３１７−３２４．
^■Ｗａｎｇ，Ｚ．；Ｌｅｏｎｏｖ，Ｖ．；Ｆｉｏｒｉｎｉ，Ｐ．；ｖａｎＨｏｏｆ，Ｃ．Ｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎｏｆａｗｅａｒａｂｌｅｍｉｎｉａｔｕｒｉｚｅｄｔｈｅｒｍｏｅｌｅｃｔｒｉｃｇｅｎｅｒａｔｏｒｆｏｒｈｕｍａｎｂｏｄｙａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ．Ｓｅｎｓ．ＡｃｔｕａｔｏｒｓＡ２００９，１５６，９５−１０２．
^■Ｗａｎｇ，Ｚ．；Ｆｉｏｒｉｎｉ，Ｐ．；Ｌｅｏｎｏｖ，Ｖ．；ｖａｎＨｏｏｆ，Ｃ．ＣｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎａｎｄｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｏｆｐｏｌｙｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅＳｉ７０％Ｇｅ３０％ｆｏｒｓｕｒｆａｃｅｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｅｄｔｈｅｒｍｏｐｉｌｅｓｉｎｈｕｍａｎｂｏｄｙａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ．Ｊ．Ｍｉｃｒｏｍｅｃｈ．Ｍｉｃｒｏｅｎｇ．２００９，ｄｏｉ：１０．１０８８／０９６０−１３１７／１９／９／０９４０１１．
^■Ｓｕ，Ｊ．；Ｌｅｏｎｏｖ，Ｖ．；Ｇｏｅｄｂｌｏｅｄ，Ｍ．；ｖａｎＡｎｄｅｌ，Ｙ．；ｄｅＮｏｏｉｊｅｒ，Ｍ．Ｃ．；Ｅｌｆｒｉｎｋ，Ｒ；Ｗａｎｇ，Ｚ．；Ｖｕｌｌｅｒｓ，Ｒ．Ｊ．Ａｂａｔｃｈｐｒｏｃｅｓｓｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｅｄｔｈｅｒｍｏｅｌｅｃｔｒｉｃｅｎｅｒｇｙｈａｒｖｅｓｔｅｒ：Ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎａｎｄｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ．Ｊ．Ｍｉｃｒｏｍｅｃｈ．Ｍｉｃｒｏｅｎｇ．２０１０，ｄｏｉ：１０．１０８８／０９６０−１３１７／２０／１０／１０４００５．
^■Ｙａｎｇ，Ｓ．Ｍ．；Ｌｅｅ，Ｔ．；Ｊｅｎｇ，Ｃ．Ａ．ＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆａｔｈｅｒｍｏｅｌｅｃｔｒｉｃｅｎｅｒｇｙｈａｒｖｅｓｔｅｒｗｉｔｈｔｈｅｒｍａｌｉｓｏｌａｔｉｏｎｃａｖｉｔｙｂｙｓｔａｎｄａｒｄＣＭＯＳｐｒｏｃｅｓｓ．Ｓｅｎｓ．ＡｃｔｕａｔｏｒｓＡ２００９，１５３，２４４−２５０．
^■Ｋａｏ，Ｐ．−Ｈ；Ｓｈｉｈ，Ｐ．−Ｊ．；Ｄａｉ，Ｃ．−Ｌ．；Ｌｉｕ，Ｍ．−Ｃ．ＦａｂｒｉｃａｔｉｏｎａｎｄｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎｏｆＣＭＯＳ−ＭＥＭＳｔｈｅｒｍｏｅｌｅｃｔｒｉｃｍｉｃｒｏｇｅｎｅｒａｔｏｒｓ．Ｓｅｎｓｏｒｓ２０１０，１０，１３１５−１３２５．
^■Ｗａｎｇ，Ｚ．；ｖａｎＡｎｄｅｌ，Ｙ．；Ｊａｍｂｕｎａｔｈａｎ，Ｍ．；Ｌｅｏｎｏｖ，Ｖ．；Ｅｌｆｒｉｎｋ，Ｒ．；Ｖｕｌｌｅｒｓ，Ｊ．Ｍ．Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎｏｆａｂｕｌｋ−ｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｅｄｍｅｍｂｒａｎｅｌｅｓｓｉｎ−ｐｌａｎｅｔｈｅｒｍｏｐｉｌｅ．Ｊ．Ｅｌｅｃｔｒｏｎ．Ｍａｔｅｒ．２０１１，４０，４９９−５０３．１３．
^■ＰａｔｅｎｔＵＳ７，８７５，７９１Ｂ１ ”Ｍｅｔｈｏｄｆｏｒｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇａｔｈｅｒｍｏｐｉｌｅｏｎａｍｅｍｂｒａｎｅａｎｄａｍｅｍｂｒａｎｅ−ｌｅｓｓｔｈｅｒｍｏｐｉｌｅ，ｔｈｅｔｈｅｒｍｏｐｉｌｅｔｈｕｓｏｂｔａｉｎｅｄａｎｄａｔｈｅｒｍｏｅｌｅｃｔｒｉｃｇｅｎｅｒａｔｏｒｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇｓｕｃｈｔｈｅｒｍｏｐｉｌｅｓ”ＶｌａｄｉｍｉｒＬｅｏｎｏｖ，ＰａｏｌｏＦｉｏｒｉｎｉ，ＣｈｒｉｓＶａｎＨｏｏｆ（２０１１）
^■ＭｉｎｉａｔｕｒｉｚｅｄｔｈｅｒｍｏｐｉｌｅｏｎａｍｅｍｂｒａｎｅａｒｅａｌｓｏｄｅｓｃｒｉｂｅｄｂｙＡ．Ｊａｃｑｕｏｔ，Ｗ．ＬＬｉｕ，Ｇ．Ｃｈｅｎ，，Ｊ．ＰＦｌｒｉａｌ，Ａ．Ｄａｕｓｃｈｅｒ，Ｂ．Ｌｅｎｏｉｒ，ｉｎ ”ＦａｂｒｉｃａｔｉｏｎａｎｄＭｏｄｅｌｉｎｇｏｆａｎｉｎ−ｐｌａｎｅｔｈｅｒｍｏｅｌｅｃｔｒｉｃｍｉｃｒｏ−ｇｅｎｅｒａｔｏｒ”，ＰｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓＩＣＴ０２．２１ｓｔＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅｏｎＴｈｅｒｍｏｅｌｅｃｔｒｉｃｓ，ｐ．５６１−５６４（２００２）．

熱流が平行のＴＥＧ構造の他の例は、低熱伝導率の平面基板上に数十ナノメートルの平均直径を有する平行かつ極めて細長い導体（ナノワイヤ）の集団を成長または画定し、最終的にタイルモジュールを積層して、熱電活性な隔壁を形成し、そこを通って、熱が、平行なナノワイヤと同じ方向に流れる能力に依存する。論説の「Ａ．Ｉ．Ｈｏｃｈｂａｕｍ，Ｒ．Ｋ．Ｃｈｅｎ，Ｒ．Ｄ．Ｄｅｌｇａｄｏ，Ｗ．Ｊ．Ｌｉａｎｇ，Ｅ．Ｃ．Ｇａｒｎｅｔｔ，Ｍ．Ｎａｊａｒｉａｎ，Ａ．Ｍａｊｕｍｄａｒ，ａｎｄＰ．Ｄ．Ｙａｎｇ，Ｎａｔｕｒｅ４５１、１６３−Ｕ５（２００８）」及び「Ａ．Ｉ．Ｂｏｕｋａｉ，Ｙ．Ｂｕｎｉｍｏｖｉｃｈ，Ｊ．Ｔａｈｉｒ−Ｋｈｅｌｉ，Ｊ．−Ｋ．Ｙｕ，Ｗ．Ａ．ＧｏｄｄａｒｄＩｉｉ，ａｎｄＪ．Ｒ．Ｈｅａｔｈ，Ｎａｔｕｒｅ４５１、１６８−１７１（２００８）」、ＰＣＴ国際公開特許ＷＯ２００９／１２５３１７号、欧州特許第１，０８３，６１０号、ＰＣＴ国際公開特許ＷＯ２０１１／００７２４１号、ＰＣＴ国際公開特許ＷＯ２０１１／０７３１４２号は、このようなアプローチに従う実施の概要を提案する。

米国特許第７，８７５，７９１Ｂ１号（Ｌｅｏｎｏｖらによる）は、膜層によって支持され得る、または自立型であり得るサーモパイルについて開示している。これらのデバイスの外見上容易な製造性にもかかわらず、熱は、複雑な構造における著しい熱損失を伴う移動をせざるを得ない。加えて、場合によっては、初期基板の上面または底面において熱源への熱接触を確実にするための接着を必要とする。その結果、システムレベルでの不十分な熱結合、損失の大きい熱経路、及び機械的脆性というサーモパイルの性能を不利にするすべての特徴をもたらす。

ＴＥＧデバイスの第２の系統は、多くの場合、「面外」熱流束ＴＥＧと称される。それらは、基板に対して垂直に熱が流れることを特徴とする。これらのデバイスにおいて、熱電的に活性な材料は、通常、基板上に直立する高アスペクト比の支持構造上に敷設されるか、またはその一部である。より精巧かつ一見高価な製作プロセスにもかかわらず、この構成は、熱損失を最小限にして、全体的な性能を高めるシステムレベルでの熱結合を簡略化する。

従来のＣＭＯＳ＼ＢｉＣＭＯＳ＼ＭＥＭｓ材料及びプロセスによって製造されることにより、「面外」熱流束ＴＥＧは、他の用途の中でも、マイクロ電子及び光電子デバイスにおける小型化及び集積化に適している。

Ｍ．Ｓｔｒａｓｓｅｒらによる「ＭｉｎｉａｔｕｒｉｚｅｄＴｈｅｒｍｏｅｌｅｃｔｒｉｃＧｅｎｅｒａｔｏｒｓＢａｓｅｄｏｎＰｏｌｙ−ＳｉａｎｄＰｏｌｙ−ＳｉＧｅＳｕｒｆａｃｅＭｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｉｎｇ」（Ｔｈｅ１１^ｔｈＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅｏｎＳｏｌｉｄ−ＳｔａｔｅＳｅｎｓｏｒｓａｎｄＡｃｔｕａｔｏｒｓ，Ｍｕｎｉｃｈ，Ｇｅｒｍａｎｙ，Ｊｕｎｅ１０−１４，２００１において提示された）、及び「ＭｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｅｄＣＭＯＳＴｈｅｒｍｏｅｌｅｃｔｒｉｃＧｅｎｅｒａｔｏｒｓａｓＯｎ−ＣｈｉｐＰｏｗｅｒＳｕｐｐｌｙ」（Ｔｈｅ１２^ｔｈＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅｏｎＳｏｌｉｄ−ＳｔａｔｅＳｅｎｓｏｒｓａｎｄＡｃｔｕａｔｏｒｓａｎｄＭｉｃｒｏｓｙｓｔｅｍｓ，Ｂｏｓｔｏｎ，ＵＳＡ，Ｊｕｎｅ８−１２，２００３において提示された）において、例が報告されている。

面外または垂直熱流束薄膜構造は、無数の用途、例えば、エネルギー回収もしくは収穫するためのマイクロ発電に対して、または複合的な集積システムにおける温度管理に対して有用である

ＩＣ製作プロセスと適合する一般の半導体または任意の材料に基づく、所与の熱流からの電力収率及び先行技術の面外または垂直熱流束デバイスの設置面積に対する電力収率は、まだ乏しく、より効率的かつ電力集中的なデバイスを必要としている。

集積ＴＥＧの設置面積の単位あたりの著しく増加した電力収率および増強された変換効率は、添付の特許請求の範囲において定義するように、新規の面外（すなわち、垂直または直交の）熱流束のＺ−デバイス構造によって達成され、その内容は、この説明の必須部分であり、明確な参照によって本明細書に組み込まれることを意図する。

以下に続く説明において、基板ウェハと、多結晶半導体のセグメントの画定された薄膜ラインの、交互にｐドープおよびｎドープされたセグメントの並置された端部を結合する丘上部接合金属コンタクトおよび谷底部接合金属コンタクトであって、該多結晶半導体の熱伝導率よりも低い熱伝導率の材料の丘部の傾斜対向側面に延在する、丘上部接合金属コンタクトおよび谷底部接合金属コンタクトとを備え、該低い熱伝導率の材料が、谷部および該丘部を形成する、Ｚ−デバイス構造のセルを参照する。

本開示のＴＥＧアーキテクチャにおいて、台形断面の隔置された丘部の間の、典型的なＺ−デバイスプロファイルのユニットセルの画定された半導体薄膜脚部を敷設する対向する傾いた側面上の、連続して交互するｐ型およびｎ型の堆積させた半導体薄膜の画定されたトラクト（領域）またはセグメントの上の谷部において、かつ谷底接合部でｐ型半導体の画定されたセグメントの並置された端部とｎ型半導体の画定されたセグメントの並置された端部との間に電気的連続性を提供する金属ブリッジの上に堆積させた誘電体充填剤（例えば、シリコン酸化物）を通じて、通常生じる熱伝導による内部バイパス熱伝達は、比較的低いプロファイル（すなわち、低アスペクト比）の接合金属コンタクト、および低減された障害を実現することと、もはや誘電体酸化物で充填することも、ｐ型およびｎ型脚部の並置された端部の電気的接続の高アスペクト比の金属ブリッジをホストすることもない、谷部空間を空に残すことと、によって、著しく低減される。好ましくは、内部ボイド空間は、仕上げられたデバイスをパッケージングする際に真空化される。

本開示による、基板のシリコンウェハの上に形成されたマルチセルラ集積Ｚ−デバイス構造のこれらの内部ボイドを区切ることによって、このような効率を増強させる特徴は、丘上部接合金属コンタクトの上でボンディングされた受動的な平面カバーによってではなく、同じまたは第２のシリコンウェハ基板上に複製された幾何学的に同一の鏡状の集積構造の形態のキャッピング要素によって最適に活用される。

本開示の第１の実施形態によれば、２つの別個のシリコンダイスにおいて集積された、２つの幾何学的に同一の集積Ｚ−デバイス構造は、薄膜多結晶半導体のラインの画定されたトラクトまたはセグメントの反対型の導電性を有することができ、かつ一般的なフリップチップボンディング技法または同様のボンディング技法（すなわち、ウェハ・ツー・ウェハボンディング）によって対面構成において、一緒に結合され、それにより、一方の構造のｐドープ薄膜脚部が、他方の構造のｎドープ薄膜脚部に向かって面し、その逆もまた同じである。

２つの鏡状のＺ−デバイス構造を一緒に結合する際に、一方の集積構造の丘上部金属コンタクトは、他方の集積構造の接続関係にある丘上部金属コンタクトと電気的かつ熱的連続性においてボンディングされ得、同じ設置面積に対する電力収率を増加させ、拡張内部空間を考慮した放射によって、熱の内部バイパスをさらに低減させることにより増強された変換効率を有する、実質的に「バイバルブ」（鏡状の構造）ＴＥＧを形成する。

熱電的に生成された電流は、１つまたはいくつかの端部パッド対から収集されてもよく、そのパッドは、バイバルブデバイスの２つのダイスの一方および他方上の、２つの連結されたダイスの一方および他方にそれぞれ属するマイクロセルの導電性ラインの端部において、それぞれの谷底部コンタクトに接続される。

伝統的な半導体ＴＥＧの古典的回路を電気的に複製する、代替的な実施形態によれば、熱電的に生成された電流は、１つまたはいくつかの端部パッド対から収集してもよく、それらのパッドは、バイバルブデバイス（bivalve device）の２つの連結されたダイスのうちの１つに両方とも属する、それぞれの谷底部コンタクトに接続する。この場合、薄膜半導体ラインの反対の対向するセグメントの導電性の型に関する限り、この２つの連結されたダイスの鏡状の条件が存在し、また、丘上部金属コンタクトは、一方と他方のダイスに属する同型の導電性のセグメントを電気的に接続するために、丘上部の一方および他方側で、それぞれ、２つの電気的に分離された部分に分割され、２つのダイスのうちの一方の谷底部コンタクトは、分割された丘上部コンタクトの２つの部分によって接続された導電性セグメントの他方の端部を接続するために、ベースのそれぞれの丘部の周囲に広がる。

代替的に、フリップチップボンディング技法によって丘上部金属コンタクトをボンディングする代わりに、２つのダイスの構造は両方とも、分割されていない金属コンタクトを有してもよく、２つのダイスは、電気絶縁挿入物、例えば酸化表面を有する薄型シリコンウェハの両面の表面の上に画定された金属ボンドパッドによって機械的にボンディングされてもよい。

第１の実施形態による、フリップチップボンディング技法によって、対面構成において一緒に結合された、同一の鏡状の幾何形状の、しかし反対の型の導電性を持った薄膜半導体のラインの画定されたセグメントを有する２つのモノリシックに集積されたＺ−デバイスダイスによって構成された、本開示の集積ＴＥＧの幾つかの基本マイクロセルの断面図である。別の実施形態による、本開示の集積ＴＥＧの幾つかの基本マイクロセルの断面図である。伝統的な半導体ＴＥＧの古典的回路を複製する、代替的な実施形態により、フリップチップボンディング技法によって、対面構成で一緒に結合された２つのモノリシックに集積されたＺ−デバイスダイスによって構成される、本開示の集積ＴＥＧの幾つかの基本マイクロセルの断面図である。伝統的な半導体ＴＥＧの古典的回路が実現され得る代替的な様式の断面図である。

図面を参照すると、本開示のＴＥＧデバイスのバイバルブの二重Ｚ−デバイス構造を作るために、一般的なフリップチップ技法または同等の技法によって一緒にボンディングされた、マルチセルラＺ−デバイス構造のモノリシック集積化の２つのダイスの幾何的な鏡状の特性は、（上側ダイスに属するものに対してプライム符号を付けた）Ｚ−デバイス構造の同じ機能性の部品を示すために同じ符号を使用することによって、区別される。

任意のサイズおよび一般に、６７５マイクロメートル（μｍ）を超えない厚さを有する市販のシリコンウェハが使用され得る。

図１を参照すると、一般に、１ナノメートル（ｎｍ）〜１マイクロメートル（μｍ）、好ましくは約１０ｎｍからなり得る実質的に一様な厚さの誘電体ベース層２（２´）は、著しい熱抵抗を導くことなく、基板ウェハ１（１´）の表面において必要な底部の電気絶縁を提供する。

マイクロマシニング加工の十分に確立された技法に従い、例えば、連続的に成長させた、または第１に成長させたベース層２（２´）のマスクされていないエリアの上に堆積させた厚い酸化物などの比較的低い熱伝導率材料の隔置された丘部３（３´）の平行線または他の配列は、一般に、最大０．１〜５０μｍからなり得る高さである。丘部３（３´）の典型的な傾斜した側面は、その間の谷部を画定し、その実質的に平面の底部は、一般に、丘部３（３´）の上部の幅と同様に、０．１〜１００μｍ、最も好ましくは０．２〜５０μｍからなる幅を有してもよい。

代替的に、実質的に平坦な底部に向かって、ベース平面から好ましくは４５〜８５度からなる傾斜角だけ徐々にエッチングされた谷部の壁を傾かせるために、制御された等方性エッチング条件下で、一連のマスキングおよびエッチングステップによって、堆積させた酸化物、またはシリコン窒化物などの他の材料の層から開始される丘部３（３´）を画定してもよい。

リンおよび／または水素不純物の量を変化させながら、特定の加工および構造的障害を促進するポスト加工条件によって堆積させたＬＰＣＶＤシリコン酸化物（ｒｅ：Ｙ．Ｓ．ＪｕおよびＫ．Ｅ．Ｇｏｏｄｓｏｎ、「Ｐｒｏｃｅｓｓ−ｄｅｐｅｎｄｅｎｔｔｈｅｒｍａｌｔｒａｎｓｐｏｒｔｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｓｉｌｉｃｏｎ−ｄｉｏｘｉｄｅｆｉｌｍｓｄｅｐｏｓｉｔｅｄｕｓｉｎｇｌｏｗ−ｐｒｅｓｓｕｒｅｃｈｅｍｉｃａｌｖａｐｏｒｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ」、ＡＩＰＪｏｕｒｎａｌｏｆＡｐｐｌｉｅｄＰｈｙｓｉｃｓ、Ｖｏｌｕｍｅ８５、Ｎｕｍｂｅｒ１０、７１３０−７１３４）は、熱伝導に対する増強された抵抗の丘部３（３´）を基板ウェハ１（１´）の酸化表面の上に形成され得る効果的な材料でもある。熱伝導に対する増強された抵抗の丘部３が、基板ウェハ１（１´）の酸化表面の上に形成され得る、さらに別の代替的な材料は、フォノンシリコンのナノメッシュ構造の系統である（ｒｅ：Ｊｅｎ−ＫａｎＹｕ、Ｓ．Ｍｉｔｒｏｖｉｃ、Ｄ．Ｔｈａｍ、Ｊ．Ｖａｒｇｈｅｓｅ、およびＪ．Ｒ．Ｈｅａｔｈによる「Ｒｅｄｕｃｔｉｏｎｏｆｔｈｅｒｍａｌｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙｉｎｐｈｏｎｏｎｉｃｎａｎｏｍｅｓｈｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ」、ＮａｔｕｒｅＮａｎｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ、Ｖｏｌ．５、Ｏｃｔｏｂｅｒ２０１０、（著作権）２０１０ＭａｃｍｉｌｌａｎＰｕｂｌｉｓｈｅｒｓＬｉｍ．）。

切頭された長方形（または矩形）のピラミッド（角錐）形状の丘部３（３´）、または１つの軸に沿った台形の断面と、それに直交する直線の側部または側面を有する丘部の対向する傾いた表面の上に画定された、多結晶ドープ半導体薄膜セグメントまたは脚部４、５（４´、５´）に沿った生産的な熱伝導の経路の代替となる熱伝導流のバイパス経路をさらに不利にするために、丘部３（３´）を作製することができる材料は、その上に支持された導電性材料のｐ型およびｎ型脚部の材料の熱伝導率よりも著しく低い、低熱伝導率を有するべきである。

熱電的に活性な多結晶半導体の熱伝導率よりも熱伝導率が低い好適な材料、およびそのそれぞれの熱伝導係数の例を以下の表に報告する。

基板表面上の誘電体ベース層の上に実現されたフォノンシリコンのナノスケール薄膜の超格子の丘部３（３´）は、集積ＴＥＧ構造の丘部３（３´）の熱伝導率を顕著に低減させることができる別の代替物である。

例えば、ＳｉまたはＳｉＧｅでドープされ、底部分離誘電体２（２´）および隔置された丘部３（３´）の上に実質的に一様の厚さの薄膜の形態でそれぞれ配置された多結晶半導体材料のｐドープおよびｎドープである４（４´）および５（５´）の交互に画定されたトラクトまたはセグメントの平行線は、丘部３（３´）の上部上の２つの隣接する接合部に対して谷底部で接合部を電気的に接続する熱電材料の２つの脚部を構成する（すなわち、Ｚ−デバイス構造のユニットまたは基本セル）。セグメント４（４´）および５（５´）の堆積させたドープ多結晶シリコン層は、概して１０〜１０００ｎｍからなる厚さを有し得るが、企図する用途、基本セル構造のスケーリング、使用される多結晶半導体材料の特性、および集積ＴＥＧの設計選択に応じて、１マイクロメートル以上の厚さでもあり得る。

物理的に、谷底部および丘上部において、またはその逆において、接合部は、それぞれ共に、一連のセルの導電性ライン（鎖）において、基本集積モジュールまたはセルのストリングに沿ったｐｎ接合の形成を回避するために、多結晶薄膜半導体のｐドープセグメントまたは脚部５（５´）の画定された端部とｎドープ熱電セグメントまたは脚部４（４´）の画定された端部との間の中断ギャップを電気的にブリッジングする、それぞれ６（６´）および７（７´）の好適な金属コンタクトによって構成される。

多結晶半導体の２つのセグメント４（４´）および５（５´）の端部部分に延在し、それらと電気接触する接合金属コンタクト６（６´）および７（７´）の堆積金属層は、実質的に平面の谷底部および丘上部に敷設されるそれらの部分の大部分に対して、約０．１〜約５μｍの範囲の厚さのものであってもよい。

図面の断面図は、基本セルの熱電材料の導電性脚部４（４´）および５（５´）の特徴的なＺプロファイルをよく表す。

好ましくは、使用される金属と多結晶半導体薄膜との間をインターフェースする多層が存在し、そこでの金属と半導体材料との間の電気界面抵抗を制御し、最終的に、金属コンタクトの金属バルク、すなわち、谷底部コンタクト６（６´）および丘上部コンタクト７（７´）に向けての熱伝導を低減するために熱伝導率対導電率を不均衡にする。拡大レンズで示すように、効果的なインタフェーシング多層は、多結晶ドープ半導体と接触するＴｉＳｉ_２、ＷＳｉ_２、ＭｏＳｉ_２、ＰｔＳｉ_２、およびＣｏＳｉ_２の群に属するシリサイドの１〜５０ｎｍの膜（６ａ）、中間のＷまたはＴｉの１〜１０ｎｍの膜６ｂ、ならびにＡｌもしくはＡｌ−Ｓｉ合金または銅の金属層６（６´）および７（７´）と接触するＴｉＮの５〜３０ｎｍ厚の膜６ｃを含んでもよい。

本開示の新規の集積面外流束のバイバルブＴＥＧ構造において、そこに隔置された丘部３（３´）の平行線または他の配列の間は、同じ出願人の、先行する伊国特許出願第ＭＩ２０１４−Ａ−００１６３７号に記載されているＴＥＧ構造のものと比較して、２倍の体積のボイド谷部空間であり、図面において示すように、二等分の実質的に鏡状の幾何形状を一緒にボンディングする際に創出される。上で確認された先行する特許出願のあらゆる関連する内容が、明確な参照によって本明細書に組み込まれることを意図する。

フリップチップ整合ボンディングは、ＴＥＧデバイスダイスが連続的に切断され、パッケージングされる加工済みのウェハ上で行われてもよく、またはその切断されたダイス上で行われてもよい。一般に、特定の用途に応じて、本開示のＴＥＧデバイスを実現するための整合ボンディングは、チップ・ツー・チップ、チップ・ツー・ウェハ、またはウェハ・ツー・ウェハモードに従い行われてもよい。

図１の実施形態によれば、新規のＴＥＧアーキテクチャにおいて、基板１および１´の同じまたは別個のシリコンウェハ上で実現された２つの鏡状のＺ−デバイス構造の丘上部金属コンタクト７および７´の平面は、多くのフリップチップボンディング技法のうちの１つにより、好ましくは、ＣＭＰ平坦化の後、拡散層の有無にかかわらず、熱圧縮金属間ボンディングであるＣｕ−Ｃｕ、Ｗ−Ｗ、Ｔｉ−Ｔｉなどの整合ボンディング技法を使用して、またはプラズマボンディング（Ｙ−Ｏｘ／Ｙ−Ｏｘ）、ＰＥＣＶＤＳｉＯ２−ＳｉＯ２、ベンゾシクロブテン（ＢＣＢ）−ＢＣＢボンディングを介して、電気接触において一緒にボンディングされる。ＢＣＢおよび様々なポリマーまたはポリイミドなどのハイブリッドボンディング技法、金属層、このようなＴｉ膜および金属間化合物（ＩＭＣ）、Ｃｕ−Ｓｎ固液相互拡散（ＳＬＩＤ）ボンディング、Ａｕ−ＳｎまたはＡｕ−Ｉｎ共晶ボンディングをアノードボンディングまたはマイクロバンプ積層と同様に代替的に使用してもよい。

好ましくは、デバイス製造後、上部および底部の両方のウェハ１および１´は、機械的または化学的処理、例えば、機械的研削、乾燥研磨、化学機械研削、スピンエッチングの化学機械研磨、およびプラズマドライエッチングを含む、商業用のウェハの厚さを低減することを目的とする裏面薄化プロセスに供されてもよい。目的は、原厚を１００μｍ未満、または４０μｍ未満の超薄値まで低減することである。ウェハの薄化は、集積面外バイバルブＴＥＧ構造の全体的な熱抵抗を低減し、これを次世代の３Ｄ集積回路における展開に適用させる。

セグメント４（４´）および５（５´）を画定する傾いた対向する側部の上の、熱電的に活性な多結晶半導体の熱抵抗よりも高い熱抵抗の材料から作製される隔置された丘部３（３´）のラインアレイに対して垂直に延在する、谷底部および丘上部接合金属コンタクト６（６´）および７（７´）によって結合された、多結晶質半導体材料の、交互にｐドープおよびｎドープされた４（４´）および５（５´）の画定されたトラクトまたはセグメントの隔置された平行の導電性ラインが創出される様式は、ＣＭＯＳまたはＢｉＣＭＯＳプロセス技術における当業者によって直ちに認識され得る。

平行な隔置された導電性ライン（すなわち、セグメント４（４´）および５（５´）の）の幅は、一般に、０．１〜５００μｍ、好ましくは０．５〜１０μｍからなり得る。

図１は、抜群に機能するバイバルブデバイスを形成するために、同じ出願人の上で確認された先行する特許出願による別個のシリコン集積ＴＥＧである、２つの鏡状の集積Ｚ−デバイス構造をフリップチップ様式でボンディングすることに基づく新規のＴＥＧアーキテクチャの基本的な特徴を例証するが、一緒にボンディングされた、幾何学的に鏡状の集積Ｚ−デバイス構造の集積化の２つのシリコン基板をパッケージングすると、それによって、シリコン結晶の２つの基板１と１´との間の周辺のサイドギャップが永久的に封止され、そうした２倍の体積のボイド内部空間Ｖが残存する。

実際には、図１の断面図から観察され得るように、一つの全体のマイクロセルと反復するマルチセルラ構造の隣接する一部の断面図を示し、新規のバイバルブアーキテクチャは、一般に台形断面を有する隔置された丘部３（３´）のラインアレイに対して垂直に、谷底部および丘上部接合金属コンタクト６（６´）および７（７´）によって結合された、多結晶半導体材料の、交互にｐドープおよびｎドープされた画定されたトラクトまたはセグメント４（４´）および５（５´）が隔置されて平行の「二重」ライン（すなわち、上側および下側ライン）を提供する。

好ましくは、２つのＺ−デバイス構造の隔置された丘部３（３´）の間の空の谷部空間Ｖは、バイバルブＴＥＧの２つの反対の対向するＺ−デバイス構造の隔置された、平行の「二重」ライン（すなわち、上側および下側ライン）の交互のｐドープおよびｎドープされた多結晶半導体材料のセグメント４（４´）および５（５´）においてではなく、バイパス経路に沿って高温接合金属コンタクトから低温接合金属コンタクトへ熱伝達するために、そこを通る熱対流の寄与を実質的に排除するために、仕上げられたＴＥＧデバイスをパッケージングする際に真空化される。

いわゆるＺ−デバイス構造に基づく既知のシリコン集積ＴＥＧ、および同じ出願人の上で確認された先行する特許出願のＴＥＧとは異なって、本開示の機能するバイバルブの熱電発電機の高温および低温接合部は、それぞれ、シリコン基板１上に形成されたＺ−デバイス構造の谷底部接合金属コンタクト６およびシリコン基板上に形成されたＺ−デバイス構造の谷底部接合金属コンタクト６´と一致する。

本実施形態によれば、電気接触において一緒にボンディングされた、シリコン基板１上に形成されたＺ−デバイス構造の丘上部接合金属コンタクト７およびシリコン基板１´上に形成されたＺ−デバイス構造の丘上部接合金属コンタクト７´は、外部の負荷または回路に接続可能であってもよいか、または接続可能でなくてもよい内部電気ノードを構成する。

本開示による集積ＴＥＧの修正された実施形態は、図２の基本マイクロセルの断面図において例証される。

シリコンウェハ１（１´）の上に薄い酸化物ベース層２（２´）を形成する前に、薄い酸化物ベース層２（２´）上に形成される丘部３（３´）のベースエリアの幾何学的な突起物の幅と対応し、その幅よりも大きい幅のものである、幅広いトレンチ９（９´）がシリコン結晶内にエッチングされ、その後、シリコンよりも高い熱抵抗の材料８（８´）、例えば、シリコン窒化物で充填される。

事実上、隣接する平行な充填されたトレンチの間の空間は、比較的薄い誘電体酸化物ベース層２（２´）の上、および多結晶半導体の堆積させた薄膜の反対にドープされたセグメント４および５（５´および４´）の並置した画定された端部部分の上に形成される谷底部接合金属コンタクト６（６´）の幾何学的な突起物の幅と一致してもよく、またはそれをわずかに超えてもよい。

薄い酸化物ベース層２（２´）上に形成された丘部３（３´）は、トレンチ９（９´）において充填剤８（８´）として使用される同じ高い熱抵抗材料、例えばシリコン窒化物、またはフォノンシリコンのナノスケール薄膜の格子状のものから作製されてもよい。

高い熱抵抗充填剤８（８´）および同じまたは異なる高い熱抵抗材料の丘部３（３´）は、ドープ多結晶半導体のＺ−デバイスプロファイルの接合金属コンタクト６、７、７´、６´ならびに導電性脚部５−４´および４−５´を通る経路よりも抵抗性の高温側から低温側への集積ＴＥＧデバイスの対面連結されたＺ−デバイス構造の平面に垂直な熱流の直通の伝導経路を作製し、また、真空化されたボイド空間Ｖが、そこを通るバイパス熱伝達に対するいかなる対流の寄与も事実上排除する。

本開示の三次元的に集積されたバイバルブＴＥＧアーキテクチャの代替的な実施形態によれば、伝統的な半導体ＴＥＧの古典的回路を複製してもよい。

図３は、伝統的な半導体ＴＥＧの古典的回路を複製する、フリップチップボンディング技法によって、対面構成において一緒に結合されたモノリシックに集積されたＺ−デバイス構造の２つのダイス１（１´）によって構成される、この代替的な実施形態の集積ＴＥＧデバイスの幾つかの基本マイクロセルの断面図である。

このような代替的な実施形態において、熱電的に生成された電流は、１つまたはいくつかの端部パッド対から収集され、図面の下側ダイス１（すなわち、下側Ｚ−デバイス構造に）に両方とも属する、それらのパッドは、それぞれの谷底部コンタクトに接続し、集積ＴＥＧの開路出力電圧は、上側Ｚ−デバイス構造の高温側谷底部コンタクト６´と下側Ｚ−デバイス構造の低温側谷底部コンタクト６との間のほぼ２倍の温度差に比例してほぼ２倍になる。

伝統的な別個の半導体ＴＥＧの古典的回路を複製するために、半導体薄膜の導電性ラインの、反対の対向する画定されたセグメント４−４´および５−５´の導電性の型が関係する限り、２つの連結されたダイスの鏡状の条件が存在し、また、フリップチップボンディングされた丘上部金属コンタクト７（７´）は、一方および他方のダイスに属する同型の導電性のセグメントを電気的に接続するために、丘上部面の一方および他方側で、それぞれ、２つの電気的に分離された部分に分割され、上側ダイスの谷底部コンタクト６´は、同じ丘部３´の丘上部で分割された金属コンタクト７´の一方および他方の部分によってそれぞれ接続された反対型の導電性の導電性セグメントの他方の端部を一緒に接続するために、それぞれの丘部３´のベースでの周囲に延びている。

上側ダイスの谷底部金属コンタクト６´の矩形ループプロファイルのサンプルレイアウト図は、図の左側のコンタクト７´の断面の上に直接トレースされる。

熱電的に生成された電流ｉは、発電機の正端子を構成する、マイクロセルのストリングのｐドープ脚部またはセグメント５から流れ、負端子は、ストリングの他方の端部においてｎドープ脚部またはセグメントであり、両方とも底部ダイス１のＺ−デバイス構造に属する。

伝統的な半導体ＴＥＧの古典的回路を複製する、本開示の集積バイバルブＴＥＧの実質的に等価な実施形態は、図４に例証される。

図３の実施形態と同様にフリップチップボンディング技法によって、２つの分離部において画定されたボンディング丘上部金属コンタクト７および７´の代わりに、２つのダイスの構造が、両方とも分割されていない金属コンタクト７および７´を有してもよく、使用されている選択肢の整合ボンディング技法によって必要とされるように、ダミー挿入物（またはダイヤフラム）、例えば、画定されたボンド金属パッド１０が上にある酸化された表面層２を有する薄型シリコンウェハＩを用いることによって、２つのダイスの必要な電気絶縁およびボンディングを実現してもよい。

Claims

面外熱流束構成の集積熱電発電機デバイスであって、
ａ）誘電体ベース層（２、２´）を有する、同じ処理がされたシリコンウェハ、または異なる処理がされたシリコンウェハの第１および第２のシリコンダイス（１、１´）と、
ｂ）両方の第１および第２のシリコンダイス（１、１´）の前記誘電体ベース層（２、２´）の上の低い熱伝導率の材料の隔置された丘部（３、３´）の同一の幾何形状を有するラインアレイと、
ｃ）交互にｐドープおよびｎドープされた、堆積および画定された多結晶半導体の薄膜のセグメント（４、４´、５、５´）の平行線であって、前記隔置された丘部の傾斜側面の上、ならびに前記丘部の平面上部および隣接する丘部の傾斜側面の間の平面谷部の上の一部を延在する、平行線と、
ｄ）前記多結晶半導体の薄膜ラインのセグメント（４、４´、５、５´）の並置された端部を電気的に結合する、丘上部接合金属コンタクト（７、７´）および谷底部接合金属コンタクト（６、６´）と、を備え、
前記低い熱伝導率の材料の熱伝導率は、ドープ多結晶半導体よりも低く、
前記丘上部接合金属コンタクト（７、７´）の第１の丘上部接合金属コンタクト（７）は前記丘上部接合金属コンタクト（７、７´）の第２の丘上部接合金属コンタクト（７´）と対向し、前記第１および第２のシリコンダイス（１、１´）が、前記丘上部接合金属コンタクト（７、７´）のフリップチップ整合ボンディングに従って、対面構成で一緒に結合され、
前記谷底部接合金属コンタクト（６、６´）の一方が、高温接合を構成し、前記谷底部接合金属コンタクト（６、６´）の他方が、熱電発電機を機能させる低温接合を構成する、面外熱流束構成の集積熱電発電機デバイス。
前記隔置された丘部（３、３´）の間のボイド空間（Ｖ）が、永久的に封止される、請求項１に記載の熱電発電機デバイス。
前記シリコンウェハ内にエッチングされ、前記誘電体ベース層（２、２´）上に形成される前記隔置された丘部（３、３´）のベースエリアの幾何学的な突起物に対応して、シリコンよりも低い熱伝導率の材料（８、８´）で充填される、規則的に隔置されたトレンチ（９、９´）をさらに備え、
前記トレンチ（９、９´）の幅が、前記丘部（３、３´）のベースエリアの前記幾何学的な突起物の前記幅を超え、隣接するトレンチ間の空間が、前記谷底部接合金属コンタクト（６、６´）の前記幾何学的な突起物の幅と等しいか、またはわずかに大きい、請求項１に記載の熱電発電機デバイス。
前記低い熱伝導率の材料が、シリコン窒化物である、請求項３に記載の熱電発電機デバイス。
前記丘部（３、３´）が、熱的に成長させたシリコン酸化物、堆積させたシリコン酸化物、シリコン窒化物、フォノンシリコンのナノスケール薄膜の格子状のものの群に属する材料のものである、請求項４に記載の熱電発電機デバイス。
前記第１および第２のシリコンダイス（１、１´）の第１のシリコンダイス（１）および第２のシリコンダイス（１´）が、交互にｐドープおよびｎドープで画定された多結晶半導体のセグメント（４、５、４´、５´）のシーケンスをオフセットし、それによって、ボンディングの際に、いずれのｐドープセグメントも、ｎドープセグメントに向かって面し、その逆もまた同じである、請求項１〜５のいずれか一項に記載の熱電発電機デバイス。