TW202343808A - 半導體結構 - Google Patents

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黃國欽
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Abstract

半導體結構可包括位於基板上的半導體裝置、位於上覆半導體裝置的介電材料層內並電連接至半導體裝置的金屬互連結構、及位於金屬互連結構上方並包含肖特基能障二極體、位於肖特基能障二極體的第一側上的第一二極體電極、及連接至肖特基能障二極體的第二側的第二二極體電極的能量採集裝置。

Description

半導體晶片的能量採集及儲存裝置及其形成方法
無
半導體晶粒中半導體裝置的操作會產生大量熱量，這些熱量不用於任何生產目的且造成浪費。隨著半導體裝置在半導體晶粒中的規模縮小，半導體晶粒中的功耗增加，且相應地，耗損熱量增加。
無
以下揭示內容提供用於實施所提供標的物的不同特徵的許多不同實施例、或實例。下文描述組件及配置的特定實例以簡化本揭示內容。當然，這些僅為實例且非意欲為限制性的。舉例而言，在以下描述中第一特徵於第二特徵上方或上的形成可包括第一特徵與第二特徵直接接觸地形成的實施例，且亦可包括額外特徵可形成於第一特徵與第二特徵之間使得第一特徵與第二特徵可不直接接觸的實施例。此外，本揭示內容在各種實例中可重複參考數字及/或字母。此重複係出於簡單及清楚之目的，且本身且不指明所論述之各種實施例及/或組態之間的關係。
此外，為了便於描述，在本文中可使用空間相對術語，諸如「在……下方」、「在……之下」、「下部」、「在……之上」、「上部」及類似者，來描述諸圖中圖示之一個元件或特徵與另一（多個）元件或特徵之關係。空間相對術語意欲涵蓋除了諸圖中所描繪的定向以外的裝置在使用或操作時的不同定向。器件可另外定向（旋轉90度或處於其他定向），且本文中所使用之空間相對描述符可類似地加以相應解釋。
本文揭示的各種實施例可針對具有能量儲存能力的能量採集裝置。能量採集裝置的各種實施例可指以紅外輻射的形式自環境接收能量並將所接收能量轉換成電能的裝置。在一個實施例中，紅外輻射可在基板上半導體裝置的操作期間產生，且各種實施例的能量採集裝置可形成於同一基板上方，舉例而言，在同一半導體晶粒中，或在不同的基板，諸如在近接於包括熱輻射源的另一半導體晶粒的半導體晶粒上。在一些實施例中，來自半導體裝置的熱輻射可在電晶體的切換期間、及/或電晶體接通時產生。在一些實施例中，能量採集裝置可形成為半導體晶粒中金屬互連結構的第一子集上方的後工序(back-end-of-line，BEOL)結構，而半導體晶粒中的金屬互連結構的第二子集可用於在能量採集裝置與同一半導體晶粒內的半導體裝置之間、或與鍵結至半導體晶粒的另一結構之間提供電連接。現在參考隨附圖式描述本揭示內容的各種實施例。
參考第1圖，圖示根據本揭示內容的第一實施例的第一例示性結構。第一例示性結構包括基板8，其可為半導體基板，諸如市售矽基板。基板8至少在其上部部分處可包括半導體材料層9。半導體材料層9可為體半導體基板的表面部分，或可為絕緣體上半導體(semiconductor-on-insulator，SOI)基板的頂部半導體層。在一個實施例中，半導體材料層9包括單晶半導體材料，諸如單晶矽。在一個實施例中，基板8可包括單晶矽基板，單晶矽基板包括單晶矽材料。
可在半導體材料層9的上部部分中形成包括諸如氧化矽的介電材料的淺溝槽隔離結構720。適當摻雜的半導體井，諸如p型井及n型井，可在由淺溝槽隔離結構720的一部分側向包圍的各個區域內形成。場效電晶體701可形成於半導體材料層9的頂表面上方。舉例而言，各個場效電晶體701可包括源電極732、汲電極738、包括在源電極732與汲電極738之間延伸的基板8的表面部分的半導體通道735、及閘極結構750。半導體通道735可包括單晶半導體材料。各個閘極結構750可包括閘極介電層752、閘電極754、閘極帽介電層758、及介電閘極間隔物756。源極側金屬半導體合金區域742可形成於各個源電極732上，且汲極側金屬半導體合金區域748可形成於各個汲電極738上。形成於半導體材料層9的頂表面上的裝置可包括互補金屬氧化物半導體(complementary metal-oxide-semiconductor，CMOS)電晶體及可選的額外半導體裝置（諸如電阻器、二極體、電容器結構等），且統稱為CMOS電路系統700。
CMOS電路系統700中的場效電晶體701中之一或多者可包括半導體通道735，包含基板8中半導體材料層9的一部分。在半導體材料層9包括諸如單晶矽的單晶半導體材料的實施例中，CMOS電路系統700中的各個場效電晶體701的半導體通道735可包括諸如單晶矽通道的單晶半導體通道。在一個實施例中，CMOS電路系統700中的場效電晶體701的子集可包括個別節點，該節點隨後電連接至能量採集裝置的節點及/或連接至隨後形成之電池結構。
在一個實施例中，基板8可包括單晶矽基板，且場效電晶體701可包括單晶矽基板的個別部分作為半導體通道。如本文所用，「半導體」元件指具有在1.0 x 10 -6西門子/公分(S/cm)至1.0 x 10 5西門子/公分範圍內電導率的元件。如本文所用，「半導體材料」指在其中不存在電摻雜劑時具有1.0 x 10 -6西門子/公分至1.0 x 10 5西門子/公分範圍內的電導率的材料，且在適當摻雜有電摻雜劑後能夠產生具有1.0 西門子/公分至1.0 x 10 5西門子/公分範圍內的電導率的摻雜材料。
在介電材料層內形成的各種金屬互連結構可隨後形成於基板8及其上的半導體裝置（諸如場效電晶體701）上方。在說明性實例中，介電材料層可包括例如第一介電材料層601（其可為圍繞連接至源極及汲極的接觸結構的層，有時稱為接觸級介電材料層601，或稱介電材料層601）、第一互連級介電材料層610(或稱介電材料層610)、第二互連級介電材料層620(或稱介電材料層620)、第三互連級介電材料層630(或稱介電材料層630)、及第四互連級介電材料層640(或稱介電材料層640)。金屬互連結構可包括形成於第一介電材料層601中並接觸CMOS電路系統700的個別組件的裝置接觸通孔結構612(或稱金屬互連結構612)、形成於第一互連級介電材料層610中的第一金屬線結構618(或稱金屬互連結構618)、形成於第二互連級介電材料層620的下部部分中的第一金屬通孔結構622(或稱金屬互連結構622)、形成於第二互連級介電材料層620的上部部分中的第二金屬線結構628(或稱金屬互連結構628)、形成於第三互連級介電材料層630的下部部分中的第二金屬通孔結構632(或稱金屬互連結構632)、形成於第三互連級介電材料層630的上部部分中的第三金屬線結構638(或稱金屬互連結構638)、形成於第四互連級介電材料層640的下部部分中的第三金屬通孔結構642(或稱金屬互連結構642)、及形成於第四互連級介電材料層640的上部部分中的第四金屬線結構648(或稱金屬互連結構648)。雖然使用在介電材料層中形成四個層級金屬線結構的實施例來描述本揭示內容，但本文包含設想在介電材料層中形成更少或更多層級的金屬線結構的實施例。
介電材料層（601、610、620、630、640）中之各者可包括介電材料，諸如無摻雜矽酸鹽玻璃、摻雜矽酸鹽玻璃、有機矽酸鹽玻璃、無定形氟化碳、其多孔變體、或其組合物。金屬互連結構（612、618、622、628、632、638、642、648）中之各者可包括至少一個導電材料，其可為金屬襯裡（諸如金屬氮化物或金屬碳化物）與金屬填充材料之組合物。各個金屬襯裡可包括TiN、TaN、WN、TiC、TaC、及WC，且各個金屬填充材料部分可包括W、Cu、Al、Co、Ru、Mo、Ta、Ti、其合金、及/或其組合物。亦可使用設想揭示範圍內的其他適合的金屬襯裡及金屬填充材料。在一個實施例中，第一金屬通孔結構622及第二金屬線結構628可藉由雙重鑲嵌製程形成為整合之線與通孔結構。一般而言，金屬線結構（第二金屬線結構628、第三金屬線結構638、第四金屬線結構648）與至少一個下伏金屬通孔結構（第一金屬通孔結構622、第二金屬通孔結構632、第三金屬通孔結構642）的任何連續集合可形成為整合之線與通孔結構。
一般而言，半導體裝置可形成於基板8上，且金屬互連結構（612、618、622、628、632、638、642、648）及介電材料層（601、610、620、630、640）在半導體裝置上方。金屬互連結構（612、618、622、628、632、638、642、648）可形成於介電材料層（601、610、620、630、640）中，並可電連接至半導體裝置。
根據本揭示內容的態樣，位於最頂互連層的金屬互連結構的子集可用以接觸隨後形成的裝置的電極。舉例而言，位於最頂互連層的金屬互連結構的子集可用以接觸隨後形成的電池結構的電極或接觸隨後形成的能量採集裝置的電極。在所示實例中，第四金屬線結構648的子集可用以接觸隨後形成的電池結構的第二電極18。在一些實施例中，第四金屬線結構648可整體形成為第二電極18 (648)並稱為第二電極18。
參考第2A圖及第2B圖，可在第二電極18上方沉積材料層之層堆疊，並可隨後經圖案化以形成電池結構20(或稱能量儲存裝置20)與能量採集裝置80之堆疊。舉例而言，材料層的層堆疊可包括第二電池電極材料層、能量儲存介質材料層、可選阻擋介電材料層、可選導電金屬氧化物材料層、公共電極材料層、化合物半導體材料層、及為高功函數材料層的第一二極體電極材料層。
光阻劑層（未顯示）可施加於經沉積材料層的層堆疊的頂表面上方，且可經微影術圖案化以覆蓋上覆個別下伏金屬線結構（諸如個別第四金屬線結構648）的至少一個離散區域。可執行諸如各向異性蝕刻製程的蝕刻製程，以蝕刻經沉積材料層的層堆疊的未遮蔽部分。各向異性蝕刻製程可包括具有不同蝕刻化學的多個各向異性蝕刻步驟，以蝕刻穿過經沉積材料層的層堆疊內的各種材料。經沉積材料層的層堆疊的各個經圖案化部分構成電池結構20與能量採集裝置80之垂直堆疊。光阻劑層可隨後例如藉由灰化來移除。
第二電池電極材料層的各個經圖案化部分構成第二電池電極18(第二電極18)。能量儲存介質材料層的各個經圖案化部分包含能量儲存介質22。阻擋介電材料層的各個經圖案化部分構成阻擋介電層24。導電金屬氧化物材料層的各個經圖案化部分構成導電金屬氧化物層26。公共電極材料層的各個經圖案化部分構成公共電極28，其可用以作為第一電池電極及第二二極體電極兩者來操作。化合物半導體材料層的各個經圖案化部分（如沉積於層堆疊中）構成化合物半導體材料板82。第一二極體電極材料層（其係高功函數材料層）的各個經圖案化部分構成第一二極體電極84。第一二極體電極84近接於化合物半導體材料板82的表面部分及包括耗盡區的化合物半導體材料板82的表面部分構成肖特基能障二極體83。
雖然本揭示內容係在層堆疊內的各種材料層以第二電池電極材料層、能量儲存介質材料層、可選阻擋介電材料層、可選導電金屬氧化物材料層、公共電極材料層、化合物半導體材料層、及第一二極體電極材料層的次序沉積的實施例中描述的，但本文設想層堆疊內的各種材料層以相反次序沉積的實施例。在這一實施例中，電池結構20可上覆能量採集裝置80。
一般而言，可形成電池結構20與能量採集裝置80之堆疊。電池結構20自一個末端至另一末端可包括第二電池電極18、能量儲存介質22、阻擋介電層24、導電金屬氧化物層26、及公共電極28（可用以作為至少第一電池電極操作）。能量採集裝置80可包括肖特基能障二極體83，且自一個末端至另一末端可包括第二二極體電極（其可包含公共電極28）、化合物半導體材料板82、及第一二極體電極84。
在一個實施例中，第二電池電極18可形成於金屬互連結構中之一者上，諸如第四金屬線結構648的頂表面上。在一些實施例中，第二電池電極18可包含第四金屬線結構648。換言之，第四金屬線結構648可用以作為第二電池電極18來操作。第二電池電極18可包含、及/或基本由導電材料組成，諸如元素金屬、金屬間合金、導電金屬氮化物（諸如TiN、TaN、WN、或MoN）、導電氧化物材料（諸如銦錫氧化物、銦鋅氧化物、或鋁鋅氧化物）、導電聚合物材料、石墨烯、碳奈米管、或可有效用作能量儲存介質22的導電阻障材料的其他導電材料。第二電池電極18的厚度可在5 奈米至100 奈米的範圍內，儘管亦可使用更小及更大的厚度。
能量儲存介質22可包含、及/或基本由包括離子晶體的離子晶體板組成。在-40攝氏度至125攝氏度的溫度範圍內，離子晶體可具有大於1.0 x 10 -5西門子/公分的離子導電率。離子晶體的非限制性實例包含氟化鋰、氯化鋰、溴化鋰、碘化鋰、氟化鉀、氯化鉀、溴化鉀、碘化鉀、氟化鈉等。能量儲存介質22的厚度可在30 奈米至1000 奈米的範圍內，諸如自100 奈米至500 奈米，儘管亦可使用更小及更大的厚度。
阻擋介電層24包含、及/或基本由介電金屬氧化物材料組成。介電金屬氧化物材料的非限制性實例包含氧化鋁、氧化鉿、氧化鋯、氧化鈦、氧化鉭、氧化錳、氧化鑭、氧化釔等。阻擋介電層24的厚度可經選擇，使得電子可隧穿阻擋介電層24而離子由阻擋介電層24阻擋。舉例而言，阻擋介電層24的厚度可在1 奈米至2 奈米的範圍內，儘管亦可使用更小及更大的厚度。
在存在導電金屬氧化物層26的實施例中，導電金屬氧化物層26可包含、及/或基本由諸如氧化釕的導電過渡金屬氧化物的薄層組成。在此類實施例中，導電金屬氧化物層26的厚度可在0.3 奈米至2.0 奈米的範圍內，諸如0.6 奈米至1.2 奈米，儘管亦可使用更小及更大的厚度。在一個實施例中，導電金屬氧化物層26可包含公共電極28的金屬的表面氧化物，在與阻擋介電層24接觸時藉由氧化形成。
公共電極28可包含、及/或基本由包括至少一個過渡金屬或導電金屬氧化物材料的金屬材料組成。舉例而言，公共電極28可包含、及/或基本由Ti、Ta、W、Ru、Rh、Co、Mo、Nb、Pd、Pt、Re、Os、或Ir組成。或者，公共電極28可包含、及/或基本由導電金屬氧化物材料組成，諸如銦錫氧化物、銦鋅氧化物、或鋁鋅氧化物。公共電極28可用以用作電池結構20的第一電池電極及能量採集裝置80的第二二極體電極。公共電極28的厚度可在10 奈米至100 奈米的範圍內，儘管亦可使用更小及更大的厚度。
一般而言，公共電極28的材料可不同於第一二極體電極的材料，使得能量採集裝置80在化合物半導體材料板82周圍的能帶結構方面可具有不對稱性，且一個肖特基能障二極體83變得優於另一者，從而使能量採集裝置80能夠作為肖特基能障二極體83操作。公共電極28用作肖特基能障二極體83的第二二極體電極。
化合物半導體材料板82可包含、及/或基本由具有在0.1 eV至0.35 eV範圍內的能隙能量的化合物半導體材料組成。與場效電晶體或半導體工業中使用的其他半導體裝置中使用的典型半導體材料的能隙能量相比，化合物半導體材料板82的能隙能量較小。具體地，化合物半導體材料板82的能隙能量可經選擇，以自具有大於2微米的波長（在深紅外範圍內）的電磁輻射捕獲能量。2微米的波長對應於約0.62 eV的光子能量，且5微米的波長對應於約0.25 eV的光子能量。具有在0.1 eV至0.35 eV範圍內能隙能量的化合物半導體材料可有效吸收具有在約0.25 eV至約0.62 eV範圍內能量的光子。可理解，當光子的能量大於能隙能量時，光子吸收的效率最高，這係由於光子吸收期間發生的一些能量損失（約為0.1 eV至0.3 eV）。因此，化合物半導體材料板82的能隙能量經最佳化，用於吸收具有在約2微米至約5微米範圍內波長的光子。
在說明性實例中，化合物半導體材料包含、及/或基本由選自銻化銦(InSb)、砷化銦(InAs)、碲化鉛(PbTe)、或碲化鉍(Bi 2Te 3)的材料組成。化合物半導體材料板82的化合物半導體材料可適當摻雜有p型摻雜劑或n型摻雜劑，以增加在與第一二極體電極84的介面處形成的肖特基能障接面的有效性。一般而言，化合物半導體材料板82的化合物半導體材料可經選擇以提供小於0.35 eV的窄能隙，以偵測用於高效電流產生的熱輻射。較佳地，化合物半導體材料的能隙大於0.1 eV，以確保化合物半導體材料表現為半導體材料，即，不顯示對肖特基能障二極體83的操作產生不利影響的過度電導率。化合物半導體材料板82的厚度可經選擇，以為化合物半導體材料板82中的電荷提供漂移區。舉例而言，化合物半導體材料板82的厚度可在100 奈米至2000 奈米的範圍內，諸如300 奈米至1000 奈米，儘管亦可使用更小及更大的厚度。
一般而言，化合物半導體材料板82的化合物半導體材料的能隙能量可在0.10 eV至0.35 eV的範圍內。第1圖列表顯示可用於化合物半導體材料板82的此類化合物半導體材料之實例。
表格1：可用於化合物半導體材料板的可選材料列表、能隙能量、及電子親和力
化合物半導體材料 能隙能量 （以eV計） 電子親和力 （以eV計）
InSb 0.17 4.59
InAs 0.35 4.90
PbTe 0.32 4.60
Bi 2Te 3 0.12 5.20
第一二極體電極84包括可包含高功函數材料的高功函數材料層。如本文所用，高功函數材料指具有大於4.5 eV的功函數的材料。一般而言，大於4.5eV的功函數可在第一二極體電極84與化合物半導體材料板82之間的介面處提供有效的肖特基能障接面。在說明性實例中，高功函數材料包含選自透明導電氧化物（諸如銦錫氧化物、銦鋅氧化物、或鋁鋅氧化物）、釕、銠、鈷、金、鈀、鎳、銥、或鉑的材料。如上所述，第一二極體電極84的材料可不同於第二二極體電極（可包含公共電極28）的材料，使得第一二極體電極84與化合物半導體材料板82之間的介面處的肖特基能障二極體83可優先於在化合物半導體材料板82與公共電極28之間的介面處形成的任何接面。
一般而言，第一二極體電極84的高功函數材料具有大於4.5 eV的功函數。表格2顯示可用於第一二極體電極84的此類高功函數材料之實例。
表格2：可用於第一二極體電極及其功函數的被選材料列表
電極材料 功函數（以eV計）
Ru 4.71
銦錫氧化物 4.85
Rh 4.98
Co 5.00
Au 5.10
Pd 5.12
Ni 5.15
Ir 5.27
Pt 5.65
一般而言，能量採集裝置80可包含肖特基能障二極體83，肖特基能障二極體83包括肖特基能障接面，位於包括具有大於4.5 eV的功函數的高功函數材料的高功函數板（包含第一二極體電極84）與包括化合物半導體材料的化合物半導體材料板82之間的介面處。能量採集裝置80可包含位於肖特基能障二極體83的第一側上的第一二極體電極84、及連接至肖特基能障二極體83的第二側上的第二二極體電極（其可包含公共電極28）。
在一個實施例中，能量採集裝置80及電池結構20（包括能量儲存介質22）在沿垂直方向的平面視圖中可具有相同的形狀及尺寸（例如，藉由使用各向異性蝕刻製程來圖案化層堆疊）。在這一實施例中，能量採集裝置80的所有側壁與電池結構20的所有側壁可垂直重合，即，可位於同一垂直面集合內。能量採集裝置80及電池結構20的側向尺寸可根據電池結構20的能量儲存容量要求而變化。在說明性實例中，能量採集裝置80及電池結構20的側向尺寸通常可在200 奈米至100000 奈米的範圍內，諸如自1000 奈米至10000 奈米，儘管亦可使用更小及更大的尺寸。能量採集裝置80與電池結構20之組合的水平橫截面形狀可為具有閉合外周的任何二維曲線形狀（諸如圓形、橢圓形、矩形、任何其他多邊形等）。
根據本揭示內容的實施例，肖特基能障二極體83可用於在輻射源溫度低於1000 K時自紅外輻射採集電力。舉例而言，具有在300 K至600 K範圍內表面溫度的輻射源可用作肖特基能障二極體83的有效輻射源，從而肖特基能障二極體83可用作光電二極體。此外，各種實施例中的肖特基能障二極體83可與互補金屬氧化物半導體(complementary metal-oxide-semiconductor，CMOS)積體電路(integrated circuit，IC)整合。在各種實施例中，肖特基能障二極體83的工作輻射源溫度範圍可與積體電路內熱輻射源（諸如場效電晶體）的溫度匹配。在一個實施例中，肖特基能障二極體83可用作波長在2微米至5微米範圍內的紅外輻射的肖特基能障光電二極體。
在一些實施例中，肖特基能障二極體83可藉由使用化合物半導體材料板82的窄能隙半導體材料，自溫度低於600 K的相對低溫輻射源採集電力，化合物半導體材料板82為肖特基能障二極體83的半導體組件。此外，在一些實施例中，能量採集裝置80可與電池結構20整合，使得自能量採集裝置80產生的電能可儲存於電池結構20中。具體地，公共電極28為能量採集裝置80與電池結構20之間的公共組件，並可在肖特基能障與能量儲存裝置20之間提供串聯電連接。
參考第3A圖及第3B圖，可形成額外金屬互連結構，以將第一二極體電極84電連接至金屬互連結構（612、618、622、628、632、638、642、648）中之一者。舉例而言，頂部互連級介電材料層650可形成於電池結構20與能量採集裝置80之堆疊上方，並可經平坦化以提供平面頂表面。頂層互連結構652、658(或稱頂層金屬通孔結構652、658)可形成於頂部互連級介電材料層650中。頂層互連結構（652、658）可包含頂層金屬通孔結構652及頂層金屬通孔結構658。頂層金屬通孔結構658中之一者可包含第一二極體電極84的頂表面的一部分或整體。可在頂部互連級介電材料層650上方形成鍵結級介電層660（諸如包括氮化矽或聚醯亞胺的鈍化介電層）。可在組態為金屬接觸墊的頂層金屬通孔結構658的子集的區域內穿過鍵結級介電層660形成開口。諸如凸塊下金屬化(underbump metallization，UBM)墊的鍵結結構668可形成於頂層金屬通孔結構658中之個別一者的開口中。焊接材料部分678隨後可附接至各個鍵結結構668，使得半導體晶粒可鍵結至另一結構（諸如插入器）。
一般而言，肖特基能障二極體83的第一二極體電極84可電連接至選自金屬互連結構（612、618、622、628、632、638、642、648）的第一金屬互連結構，且電池結構20的第二電池電極18可電連接至選自金屬互連結構（612、618、622、628、632、638、642、648）的第二金屬互連結構。一般而言，金屬互連結構（612、618、622、628、632、638、642、648）可位於上覆半導體裝置的介電材料層（601、610、620、630、640）內，且可將第一二極體電極84電連接至半導體裝置的第一節點，並將第二電池電極18電連接至半導體裝置的第二節點。
在第3A圖及第3B圖中所示的第一例示性結構中，肖特基能障二極體83形成為平面肖特基能障二極體83，其中肖特基能障接面的整體位於水平面內。在一個實施例中，上覆第一二極體電極84的頂層金屬通孔結構658可圖案化有開口，以允許熱輻射穿過其的通路。或者，頂層金屬通孔結構658可接觸第一二極體電極84的頂表面的整個區域。
參考第3C圖，可藉由顛倒能量採集裝置80與電池結構20之層堆疊之次序，自第3A圖及第3B圖中所示的第一例示性結構衍生出第一例示性結構的替代組態。在這一實施例中，層堆疊可由下而上包括第一二極體電極84、化合物半導體材料板82、公共電極28（其係第二二極體電極及第一電池電極兩者）、導電金屬氧化物層26、阻擋介電層24、能量儲存介質22、及第二電池電極18。一般而言，對於本揭示內容的任何實施例，層堆疊的次序可顛倒。
參考第4A圖及第4B圖，根據本揭示內容的實施例的第二例示性結構可自第2A圖及第2B圖中所示的第一例示性結構衍生出，方法係藉由在第2A圖及第2B圖的第一例示性結構上方施加光阻劑層，藉由圖案化光阻劑層以在能量採集裝置80的區域內形成開口，及藉由蝕刻第一二極體電極84中未由光阻劑層遮蔽的部分。光阻劑可隨後例如藉由灰化來移除。
第一二極體電極84可經圖案化，使得第一二極體電極84的面積小於化合物半導體材料板82的面積。化合物半導體材料板82與電池結構20之整體可具有相同的面積。因此，化合物半導體材料板82的側壁與電池結構20的側壁可垂直重合，即，可位於同一垂直面集合內，使得各個垂直面包括化合物半導體材料板82的側壁及電池結構20的側壁。
肖特基能障二極體83包含肖特基能障接面，肖特基能障接面位於包括具有大於4.5 eV的功函數的高功函數材料的高功函數板（包含第一二極體電極84）與包括化合物半導體材料的化合物半導體材料板82之間的介面處。高功函數板（即，第一二極體電極84）可具有貫穿的開口，且化合物半導體材料板82在平面視圖中具有比高功函數板更大的面積，並可不包括貫穿的任何開口。肖特基能障接面的面積可與第一二極體電極84的面積相同。第一二極體電極84中的開口可允許熱輻射自半導體晶粒外部朝向化合物半導體材料板82通過。在一個實施例中，第一二極體電極84可具有數位化圖案，諸如多指叉形圖案，從而可實現熱輻射的高效吸收。
參考第5A圖及第5B圖，可比照執行第3A圖及第3B圖的處理步驟，以形成頂部互連級介電材料層650、頂層互連結構（652、658）、鍵結級介電層660、鍵結結構668、及焊接材料部分678。舉例而言，頂層金屬通孔結構658的圖案可經修改，以最小化第一二極體電極84圖案中開口區域的阻擋。
參考第6A圖及第6B圖，藉由在沉積高功函數材料層（包含第一二極體電極84）之前在化合物半導體材料層的頂表面中引入垂直調變，可自第2A圖及第2B圖中所示的第一例示性結構衍生出根據本揭示內容的實施例的第三例示性結構。舉例而言，光阻劑（未顯示）可施加於化合物半導體材料板82的頂表面上方，且可經微影術圖案化以形成覆蓋區域及未覆蓋區域。在待形成能量採集裝置80的區域內，覆蓋區域與未覆蓋區域之比可在0.2至5的範圍內，諸如自0.5至2.0。可執行蝕刻製程（其可包含各向異性蝕刻製程或各向同性蝕刻製程）以使化合物半導體材料板82的未遮蔽部分凹陷。在執行蝕刻製程之前，經圖案化化合物半導體材料層中的階梯（其可為垂直階梯）的高度可在化合物半導體材料層厚度的20%至95%的範圍內。光阻劑層可隨後例如藉由灰化來移除。第一二極體電極84（即，高功函數材料層）可隨後藉由共形沉積製程或非共形沉積製程來沉積。在一個實施例中，第一二極體電極84可具有一頂表面，該頂表面具有垂直起伏表面輪廓。隨後，經沉積材料的層堆疊可經圖案化以形成電池結構20與能量採集裝置80之堆疊。
化合物半導體材料板82與第一二極體電極84之間的介面具有垂直起伏，使得第三例示性結構中的肖特基能障二極體83的面積在平面視圖（即，沿垂直方向的視圖）中大於能量採集裝置80的面積。化合物半導體材料板82的頂表面可具有凸起水平表面段、凹陷水平表面段、及垂直側壁表面段。凹陷水平表面段的區域的圖案可為任何圖案。一般而言，較佳地增加垂直側壁表面段的總面積的圖案，以便可增加肖特基能障接面的總面積。在一個實施例中，凹陷水平表面段的圖案可具有線性溝槽或非線性溝槽的圖案。一般而言，凹陷區域的深寬比越高（即，相鄰一對垂直側壁表面段的高度與凹陷水平表面段的寬度之比），肖特基能障接面的面積增加越大，且能量採集裝置80的效率越高。
肖特基能障二極體83包含肖特基能障接面，肖特基能障接面位於包括具有大於4.5 eV的功函數的高功函數材料的高功函數板（包含第一二極體電極84）與包括化合物半導體材料的化合物半導體材料板82之間的介面處。高功函數板（即，第一二極體電極84）具有貫穿的開口，且化合物半導體材料板82不包括貫穿的任何開口。肖特基能障接面的面積大於第一二極體電極84的面積。
參考第7A圖及第7B圖，可比照執行第3A圖及第3B圖的處理步驟，以形成頂部互連級介電材料層650、頂層互連結構（652、658）、鍵結級介電層660、鍵結結構668、及焊接材料部分678。上覆第一二極體電極84的頂層金屬通孔結構658可僅接觸第一二極體電極84的頂表面的凸起水平表面段、可接觸第一二極體電極84的凸起水平表面段及垂直側壁表面段的上部部分、或可接觸第一二極體電極84的凸起水平表面段、垂直側壁表面段、及取決於在頂部互連級介電層650中形成的空腔的深度的凹陷水平表面段。在第三例示性結構中，肖特基能障可在垂直橫截面輪廓中具有垂直起伏，使得肖特基能障的凸起部分與肖特基能障的凹陷部分交錯。
第8圖圖示黑體輻射在不同發射溫度下的光譜能量密度之圖。第9圖圖示作為波長與給定波長下光子發射的通用溫度範圍的函數的光子能量相依性之圖。共同參考第8圖及第9圖，能量採集裝置80與電池結構20之組合可將半導體晶粒操作期間產生的熱能捕獲成電能。具體地，隨著半導體裝置在操作期間的升溫，半導體裝置可發射具有對應於經加熱半導體裝置的溫度的光譜能量密度的紅外輻射。一般而言，半導體裝置在最熱位置（例如，在電晶體的汲極處）的升高溫度可在300 K至1000 K的範圍內。如第9圖中所示，當源極溫度自1000 K降低至600 K時，最大光子能量自約0.65 eV改變至約0.30 eV。自0.30 eV至0.65 eV的光子能量範圍及自2微米至5微米的波長範圍對應於最熱的裝置自加熱溫度。
在化合物半導體材料板82中的化合物半導體材料選擇0.10 eV至0.35 eV的能隙，可最大化2微米至5微米波長範圍內熱輻射的光子捕獲效率。肖特基能障提供能量採集裝置80以用作肖特基能障二極體83的功能，用於具有範圍自約2微米至約5微米的波長的紅外輻射，且由能量採集裝置80捕獲的光子能量隨後儲存於電池結構20的能量儲存介質22中。
第10A圖及第10B圖圖示肖特基能障的光子吸收機制。一般而言，來自同一半導體晶粒的半導體裝置的加熱組件的熱輻射或來自另一半導體晶粒的半導體裝置的加熱組件的熱輻射的光子可撞擊肖特基能障二極體83，並可產生電子與電洞的光生對。如第10A圖及第10B圖中所示，取決於光生的確切位置，激發模式可能不同。
電子-電洞對可自肖特基能障接面在相反方向上漂移，從而產生電動勢(electromotive force，EMF)，並將相反類型的電荷轉移至兩個電池電極（公共電極28及第二電池電極18），並使電池結構20的能量儲存介質22能夠在其中儲存電能。一般而言，熱光在肖特基能障接面周圍誘導電子-電洞對的產生，且電荷載流子在肖特基能障上方被激發。肖特基能障的耗盡層中產生的電子-電洞對流動至電池結構20的兩個電極（公共電極28、第二電極18），且電能可儲存於電池結構20中。場效電晶體可用作開關，控制電池結構20中儲存的電能的釋放。釋放的電能可有利地用於各種裝置操作。
第11圖圖示根據本揭示內容的實施例的製造本揭示內容的半導體裝置的通用處理步驟的流程圖。
參考步驟1110及第1圖，可在基板8上形成半導體裝置。
參考步驟1120及第1圖，在半導體裝置701(或稱場效電晶體701)上方形成金屬互連結構（612、618、622、628、632、638、642、648）及介電材料層（601、610、620、630、640）。金屬互連結構（612、618、622、628、632、638、642、648）電連接至半導體裝置，並形成於介電材料層（601、610、620、630、640）中。
參考步驟1130及第2A圖至第10B圖，可在金屬互連結構（612、618、622、628、632、638、642、648）上方形成能量採集裝置80。能量採集裝置80包含肖特基能障二極體83、位於肖特基能障二極體83第一側上的第一二極體電極84、及連接至肖特基能障二極體83第二側的第二二極體電極（包含公共電極28）。
參考所有圖式並根據本揭示內容的各種實施例，提供一種半導體結構，包含：位於基板8上的半導體裝置；金屬互連結構（612、618、622、628、632、638、642、648），位於上覆半導體裝置701的介電材料層（601、610、620、630、640）內，並電連接至半導體裝置；及位於金屬互連結構（612、618、622、628、632、638、642、648）上方的能量採集裝置80，包括肖特基能障二極體83、位於肖特基能障二極體83的第一側上的第一二極體電極84、及連接至肖特基能障二極體83第二側的第二二極體電極（包含公共電極28）。
在一個實施例中，電池結構20上覆金屬互連結構（612、618、622、628、632、638、642、648），並包含能量儲存介質22、與肖特基能障二極體83的第二二極體電極相同的第一電池電極28、及第二電池電極18。在一個實施例中，肖特基能障二極體83的第一二極體電極84可電連接至選自金屬互連結構（612、618、622、628、632、638、642、648）的第一金屬互連結構（612、618、622、628、632、638、642、648）；且電池結構20的第二電池電極18可電連接至選自金屬互連結構（612、618、622、628、632、638、642、648）的第二金屬互連結構（612、618、622、628、632、638、642、648）。在一個實施例中，能量儲存介質22包含離子晶體板，離子晶體板包括在-40攝氏度至125攝氏度的溫度範圍內具有大於1.0 x 10 -5西門子/公分的離子導電率的離子晶體。在一個實施例中，電池結構20包含阻擋介電層24，阻擋介電層24包含介電金屬氧化物材料並位於離子晶體板與公共電極28(或稱第一二極體電極28)之間。在一個實施例中，電池結構20包含位於阻擋介電層24與第一電池電極28之間的導電金屬氧化物層26。在一個實施例中，第一電池電極28包含金屬材料，金屬材料包括至少一個過渡金屬或導電金屬氧化物材料。在一個實施例中，肖特基能障二極體83包含肖特基能障接面，肖特基能障接面位於包括具有大於4.5 eV的功函數的高功函數材料的高功函數板（例如，第一二極體電極84）與包括化合物半導體材料的化合物半導體材料板82之間的介面處。在一個實施例中，化合物半導體材料板82可具有0.1 eV至0.35 eV範圍內的能隙能量。在一個實施例中，高功函數材料包含選自透明導電氧化物、釕、銠、鈷、金、鈀、鎳、銥、或鉑的材料；且化合物半導體材料板82包含選自銻化銦、砷化銦、碲化鉛、或碲化鉍的材料。
根據本揭示內容的另一態樣，提供一種半導體結構，包含：能量採集裝置80，包含肖特基能障二極體83、位於肖特基能障二極體83第一側上的第一二極體電極84、及連接至肖特基能障二極體83第二側的第二二極體電極（包含公共電極28）；及下伏能量採集裝置並包含能量儲存介質的電池結構20、與肖特基能障二極體83的第二二極體電極相同的第一電池電極、及第二電池電極18。
在一個實施例中，能量採集裝置80及能量儲存介質22在沿垂直方向的平面視圖中可具有相同的形狀及尺寸。在一個實施例中，肖特基能障二極體83包含肖特基能障接面，肖特基能障接面位於包括具有大於4.5 eV的功函數的高功函數材料的高功函數板與包括化合物半導體材料的化合物半導體材料板82之間的介面處；且高功函數板具有貫穿的開口，且化合物半導體材料板82具有比高功函數板更大的面積。在一個實施例中，肖特基能障二極體83包含肖特基能障接面，肖特基能障接面位於包括具有大於4.5 eV的功函數的高功函數材料的高功函數板與包括化合物半導體材料的化合物半導體材料板82之間的介面處；且肖特基能障在垂直橫截面輪廓中具有垂直起伏，使得肖特基能障的凸起部分與肖特基能障的凹陷部分交錯。在一個實施例中，半導體結構可進一步包括位於基板8上的半導體裝置701(或稱場效電晶體701)；及金屬互連結構（612、618、622、628、632、638、642、648），位於上覆半導體裝置701的介電材料層（601、610、620、630、640）內，且將第一二極體電極電連接至半導體裝置701的第一節點，並將第二電池電極18電連接至半導體裝置701的第二節點。
一般而言，本揭示內容的裝置允許在高性能CMOS IC裝置的操作期間自半導體裝置採集熱輻射，並進一步允許以電能的形式將捕獲的能量儲存於能量儲存介質22中。本揭示內容的裝置可使用三維積體電路製造製程、矽後段製程或遠端後段製程整合至CMOS IC裝置中。一般而言，本揭示內容的處理步驟與微電子行業中使用的半導體處理步驟相容，並提供能量回收及回收能量之儲存。
前述內容概述若干實施例的特徵，使得熟習此項技術者可更佳地理解本揭示內容的態樣。熟習此項技術者應瞭解，其可易於使用本揭示內容作為用於設計或修改用於實施本文中引入之實施例之相同目的及/或達成相同優勢之其他製程及結構的基礎。熟習此項技術者亦應認識到，此類等效構造並不偏離本揭示內容的精神及範疇，且此類等效構造可在本文中進行各種改變、取代、及替代而不偏離本揭示內容的精神及範疇。
8:基板 9:半導體材料層 18:第二電極 20:電池結構 22:能量儲存介質 24:阻擋介電層 26:導電金屬氧化物層 28:公共電極 80:能量採集裝置 82:化合物半導體材料板 83:肖特基能障二極體 84:第一二極體電極 601:第一介電材料層 610:第一互連級介電材料層 612:裝置接觸通孔結構 618:第一金屬線結構 620:第二互連級介電材料層 622:第一金屬通孔結構 628:第二金屬線結構 630:第三互連級介電材料層 632:第二金屬通孔結構 638:第三金屬線結構 640:第四互連級介電材料層 642:第三金屬通孔結構 648:第四金屬線結構 650:頂部互連級介電材料層 652:頂層互連結構 658:頂層互連結構 660:鍵結級介電層 668:鍵結結構 678:焊接材料部分 700:互補金屬氧化物半導體電路系統 701:場效電晶體 720:淺溝槽隔離結構 732:源電極 735:半導體通道 738:汲電極 742:源極側金屬半導體合金區域 748:汲極側金屬半導體合金區域 750:閘極結構 752:閘極介電層 754:閘電極 756:介電閘極間隔物 758:閘極帽介電層 1110~1130:步驟 A–A':垂直面 B–B':水平面
本揭示內容的態樣在與隨附圖式一起研讀時自以下詳細描述內容來最佳地理解。應注意，根據行業中的標準規範，各種特徵未按比例繪製。實際上，各種特徵的尺寸可為了論述清楚經任意地增大或減小。 第1圖係根據本揭示內容的實施例的互補金屬氧化物半導體(complementary metal-oxide-semiconductor，CMOS)電晶體、金屬互連結構、及介電材料層的形成之後的第一例示性結構的垂直橫截面圖。 第2A圖係根據本揭示內容的實施例的電池結構與能量採集裝置之堆疊的形成之後的第一例示性結構的垂直橫截面圖。 第2B圖係第2A圖的第一例示性結構的俯視圖。垂直面A–A'係第2A圖的垂直橫截面圖的平面。 第3A圖係根據本揭示內容的實施例的頂層互連結構及鍵結結構的形成之後的第一例示性結構的垂直橫截面圖。 第3B圖係沿第3A圖的水平面B–B'的水平橫截面圖。垂直面A–A'係第3A圖的垂直橫截面圖的平面。 第3C圖係根據本揭示內容的實施例的第一例示性結構的替代組態的垂直橫截面圖。 第4A圖係根據本揭示內容的實施例的電池結構與能量採集裝置之堆疊的形成之後的第二例示性結構的垂直橫截面圖。 第4B圖係第4A圖的第二例示性結構的俯視圖。垂直面A–A'係第4A圖的垂直橫截面圖的平面。 第5A圖係根據本揭示內容的實施例的頂層互連結構及鍵結結構的形成之後的第二例示性結構的垂直橫截面圖。 第5B圖係沿第5A圖的水平面B–B'的水平橫截面圖。垂直面A–A'係第5A圖的垂直橫截面圖的平面。 第6A圖係根據本揭示內容的實施例的電池結構與能量採集裝置之堆疊的形成之後的第三例示性結構的垂直橫截面圖。 第6B圖係第6A圖的第三例示性結構的俯視圖。垂直面A–A'係第6A圖的垂直橫截面圖的平面。 第7A圖係根據本揭示內容的實施例的頂層互連結構及鍵結結構的形成之後的第三例示性結構的垂直橫截面圖。 第7B圖係沿第7A圖的水平面B–B'的水平橫截面圖。垂直面A–A'係第7A圖的垂直橫截面圖的平面。 第8圖圖示各種發射溫度下的黑體輻射的光譜能量密度之圖。 第9圖圖示作為波長與給定波長下光子發射的通用溫度範圍的函數的光子能量相依性之圖。 第10A圖及第10B圖圖示肖特基能障的光子吸收機制。 第11圖圖示根據本揭示內容的實施例的製造本揭示內容的半導體裝置的通用處理步驟的流程圖。
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8:基板
9:半導體材料層
18:第二電極
20:電池結構
22:能量儲存介質
24:阻擋介電層
26:導電金屬氧化物層
28:公共電極
80:能量採集裝置
82:化合物半導體材料板
83:肖特基能障光電二極體
84:第一二極體電極
601:第一介電材料層
610:第一互連級介電材料層
612:裝置接觸通孔結構
618:第一金屬線結構
620:第二互連級介電材料層
622:第一金屬通孔結構
628:第二金屬線結構
630:第三互連級介電材料層
632:第二金屬通孔結構
638:第三金屬線結構
640:第四互連級介電材料層
642:第三金屬通孔結構
648:第四金屬線結構
650:頂部互連級介電材料層
652:頂層互連結構
658:頂層互連結構
660:鍵結級介電層
668:鍵結結構
678:焊接材料部分
700:互補金屬氧化物半導體電路系統
701:場效電晶體
720:淺溝槽隔離結構
732:源電極
735:半導體通道
738:汲電極
742:源極側金屬半導體合金區域
748:汲極側金屬半導體合金區域
750:閘極結構
752:閘極介電層
754:閘電極
756:介電閘極間隔物
758:閘極帽介電層
B-B':水平面

Claims (20)

  1. 一種半導體結構，包含： 多個半導體裝置，位於一基板上； 多個金屬互連結構，位於上覆該些半導體裝置的多個介電材料層內並電連接至該些半導體裝置；及 一能量採集裝置，位於該些金屬互連結構上方，並包含： 一肖特基能障二極體； 一第一二極體電極，位於該肖特基能障二極體的一第一側上；及 一第二二極體電極，連接至該肖特基能障二極體的一第二側。
  2. 如請求項1所述之半導體結構，進一步包含： 一電池結構，上覆該些金屬互連結構並包含： 一能量儲存介質； 一第一電池電極，為該肖特基能障二極體的該第二二極體電極；及 一第二電池電極。
  3. 如請求項2所述之半導體結構，其中： 該肖特基能障二極體的該第一二極體電極電連接至選自該些金屬互連結構的一第一金屬互連結構；且 該電池結構的該第二電池電極電連接至選自該些金屬互連結構的一第二金屬互連結構。
  4. 如請求項2所述之半導體結構，其中該能量儲存介質包含一離子晶體板，該離子晶體板包含一離子晶體，該離子晶體板包括在-40攝氏度至125攝氏度的一溫度範圍內具有大於1.0 x 10 -5西門子/公分的離子導電率的一離子晶體。
  5. 如請求項4所述之半導體結構，其中該電池結構包含一阻擋介電層，該阻擋介電層包含一介電金屬氧化物材料並位於該離子晶體板與該第一二極體電極之間。
  6. 如請求項5所述之半導體結構，其中該電池結構包含位於該阻擋介電層與該第一電池電極之間的一導電金屬氧化物層。
  7. 如請求項2所述之半導體結構，其中該第一電池電極包含一金屬材料，該金屬材料包括至少一個過渡金屬或一導電金屬氧化物材料。
  8. 如請求項1所述之半導體結構，其中該肖特基能障二極體包含一肖特基能障接面，該肖特基能障接面位於包括具有大於4.5 eV的一功函數的一高功函數材料的一高功函數板與包括一化合物半導體材料的一化合物半導體材料板之間的一介面處。
  9. 如請求項8所述之半導體結構，其中該化合物半導體材料具有在0.1 eV至0.35 eV的一範圍內的一能隙能量。
  10. 如請求項9所述之半導體結構，其中： 該高功函數材料包含選自一透明導電氧化物、釕、銠、鈷、金、鈀、鎳、銥、或鉑的一材料；且 該化合物半導體材料包含選自銻化銦、砷化銦、碲化鉛、或碲化鉍的一材料。
  11. 一種半導體結構，包含： 一能量採集裝置，包含： 一肖特基能障二極體； 一第一二極體電極，位於該肖特基能障二極體的一第一側上；及 一第二二極體電極，連接至該肖特基能障二極體的一第二側；及 一電池結構，下伏於該能量採集裝置並包含： 一能量儲存介質； 一第一電池電極，為該肖特基能障二極體的該第二二極體電極；及 一第二電池電極。
  12. 如請求項11所述之半導體結構，其中該能量採集裝置及該能量儲存介質在沿一垂直方向的一平面視圖中具有一相同形狀及一相同尺寸。
  13. 如請求項11所述之半導體結構，其中： 該肖特基能障二極體包含一肖特基能障接面，該肖特基能障接面位於包括具有大於4.5 eV的一功函數的一高功函數材料的一高功函數板與包括一化合物半導體材料的一化合物半導體材料板之間的一介面處；且 該高功函數板具有貫穿的多個開口，且該化合物半導體材料板具有比該高功函數板更大的一面積。
  14. 如請求項11所述之半導體結構，其中： 該肖特基能障二極體包含一肖特基能障接面，該肖特基能障接面位於包括具有大於4.5 eV的一功函數的一高功函數材料的一高功函數板與包括一化合物半導體材料的一化合物半導體材料板之間的一介面處；且 該肖特基能障接面在一垂直橫截面輪廓中具有一垂直起伏，使得該肖特基能障接面的多個凸起部分與該肖特基能障接面的多個凹陷部分交錯。
  15. 如請求項11所述之半導體結構，進一步包含： 多個半導體裝置，位於一基板上；及 多個金屬互連結構，位於上覆該些半導體裝置的多個介電材料層內，且將該第一二極體電極電連接至該些半導體裝置的一第一節點，並將該第二電池電極電連接至該些半導體裝置的一第二節點。
  16. 一種形成半導體結構的方法，該方法包含： 在一基板上形成多個半導體裝置； 在該些半導體裝置上方形成多個金屬互連結構及多個介電材料層，其中該些金屬互連結構電連接至該些半導體裝置，並形成於該些介電材料層中；及 在該些金屬互連結構上方形成一能量採集裝置，其中該能量採集裝置包含一肖特基能障二極體、位於該肖特基能障二極體的一第一側上的一第一二極體電極、及連接至該肖特基能障二極體的一第二側的一第二二極體電極。
  17. 如請求項16所述之方法，進一步包含：在該些金屬互連結構上方形成一電池結構，其中該電池結構包含一能量儲存介質、為該肖特基能障二極體的該第二二極體電極的一第一電池電極、及一第二電池電極。
  18. 如請求項17所述之方法，其中： 該第二電池電極形成於該些金屬互連結構中之一者上；且 該方法進一步包含：形成將該第一二極體電極電連接至該些金屬互連結構中之一者的多個額外金屬互連結構。
  19. 如請求項17所述之方法，其中該能量儲存介質藉由在-40攝氏度至125攝氏度的一溫度範圍內沉積並圖案化具有大於1.0 x 10 -5西門子/公分的一離子導電率的一離子晶體來形成的。
  20. 如請求項16所述之方法，其中： 該肖特基能障二極體藉由沉積及圖案化包括一化合物半導體材料層及一高功函數材料層的一層堆疊來形成的； 該高功函數材料層包含具有大於4.5 eV的一功函數的高功函數材料；且 該化合物半導體材料層包含具有在0.1 eV至0.35 eV的一範圍內的一能隙能量的一化合物半導體材料。
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