TWI580063B - 具光能量採集功能之晶片及其製造方法 - Google Patents

具光能量採集功能之晶片及其製造方法 Download PDF

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Description

具光能量採集功能之晶片及其製造方法
本發明是有關於一種晶片結構，且特別是有關於一種可自供電力或接收光能量採集訊號的晶片結構。
隨著可穿戴式電子產品及無線網路元件的發展，物聯網晶片的需求快速成長。目前物聯網晶片多應用於需有電力提供的環境，相反地，如應用於海上的緊急防護系統、戶外的溫度調節系統、室內即時醫療照顧系統及室內商品物流系統等無電力提供環境之物聯網晶片，將是未來自供電力物聯網晶片發展的重點。但物聯網晶片若要自供電力，則必須面臨三大問題：一、長訊號/能量傳輸距離與高功率損失；二、供電電壓不足，難以應用於室內光的環境光能採集；三、不易應用於玻璃基板及可撓式基板。
圖1為傳統二維自供電力晶片裝置的結構配置示意圖。自供電裝置係在電路板91上組合了能量採集元件A，如太陽能電池等，及其他彼此電連接之功能性元件B、C、D...等。其中，光能量採集元件A自能量訊號發送點A1將由其所採集之光能轉化而成的電力，傳輸至能量訊號接收點C1，因而得以供應功能性元件B、C、D...(可包括物聯網晶片等)等的操作電力。由於傳統方法係在電路板上採二維平面配置，故其能量傳輸距離H至少達數公釐以上，不僅不利元件的縮小化， 同時會有傳輸能量損耗等問題。
此外，傳統的環境光能採集裝置，多以單晶矽/多晶矽太陽能電池為主，雖可提供較高的光電轉換效率(16~20%)，但因需採用220~250μm厚的矽基板作為吸收層，對於垂直三維異質整合方面是無法適用；同時矽晶太陽能電池在室內光下的能量採集能力，也較非晶矽太陽能電池低。
本發明的目的之一，即為解決上述自供電力的物聯網晶片裝置在設計上必須面臨的種種問題。
本發明的另一目的為開發出相容於既有之半導體元件及其三維堆疊製程的環境光能採集裝置製程，並解決製程整合中所遇到的困難。
本發明的實施例之一提出具自供電力之積層型三維異質整合晶片(Monolithic heterogeneous 3DIC chips with self-power)結構，低熱預算元件係於絕緣層上，以電漿方式沈積較厚的非晶矽、矽鍺及鍺薄膜，再以綠光雷射結晶(Green laser anneal,GLA)誘發微米級(μm)晶粒之多晶矽(Poly-Si)、多晶矽鍺(Poly-SiGe)及多晶鍺薄膜(Poly-Ge)，加上奈米/微米級化學機械研磨減薄通道厚度，再以蝕刻方式定義出多晶矽、多晶矽鍺及多晶鍺通道區域，後續製作電晶體所需上閘極結構，例如是高介電材料/金屬閘極(high-k/metal gate,HK/MG)及定義源/汲極區域與活化工程，例如是二氧化碳雷射退火(CO2 laser anneal,CO2-LA)，最後完成電晶體金屬連線工程。而環境光能採集裝置係採用單接面(Single-junction)、雙接面(Double-junction)或多接面(Mulit-junction)的非晶矽鍺碳(a-SiGeC：H)薄膜太陽能電池，在最短訊號/能量傳輸距離及最低功率損失設計下，裝置於積層型三維異質 整合晶片的任何位置，自供電力(self-powered)以驅動功能性晶片。其最短訊號傳輸距離/最低自供電力功率損耗、全方位(室內光及室外光)的環境光能採集及低溫製程技術，將可廣泛應用於無電力環境之物聯網晶片及可穿戴式電子產品。
為讓本發明之上述和其他目的、特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。
100‧‧‧具光能量採集功能之半導體裝置(晶片)
1、10‧‧‧光能採集結構
11‧‧‧第一導電層
12‧‧‧第二導電層
121‧‧‧透明導電層
122‧‧‧不透明層
13‧‧‧光能吸收轉化層
131‧‧‧P型半導體層
132‧‧‧本質層
133‧‧‧N型半導體層
14‧‧‧能量訊號發送點
20‧‧‧功能性元件層
201‧‧‧功能性元件
202‧‧‧能量訊號接收點
3‧‧‧內連線結構
4‧‧‧基板
2‧‧‧功能性元件層
21‧‧‧能量接收層
212‧‧‧多晶矽薄膜
213‧‧‧絕緣層
22‧‧‧元件層
221‧‧‧元件
222‧‧‧絕緣層
5、5’‧‧‧鄰接界面
6A、6B、6C、6D‧‧‧阻隔層
7‧‧‧電晶體結構
71‧‧‧汲極結構
72‧‧‧源極結構
73‧‧‧通道結構
74‧‧‧閘極結構
9‧‧‧自供電裝置
91‧‧‧電路板
A‧‧‧光能量採集元件
A1‧‧‧能量訊號發送點
B、C、D、E‧‧‧功能性元件
C1‧‧‧能量訊號接收點
H、H’‧‧‧傳輸距離
圖1為習知二維自供電裝置之結構配置示意圖。
圖2為本發明之一實施例之結構配置示意圖。
圖3A~3D為本發明之一個實施例製作流程之剖面示意圖。
圖4A~4D為本發明之另一個實施例製作流程之剖面示意圖。
圖5A~5D為本發明之另一個實施例製作流程之剖面示意圖。
請參閱圖2，具光能量採集功能之半導體裝置100包括光能採集結構10及與其呈垂直堆疊的功能性元件層20。此處的垂直堆疊，包括但不限於在同一晶片製程中，由於沈積的先後順序不同而造成二結構層在垂直方向具有上下堆疊的空間關係，也包括但不限於將二不同功能的晶片或半導體裝置堆疊結合的情況。功能性元件層20具有功能性元件C，亦可包含其他與C電連接的元件D、E..等。光能採集結構10具有能量訊號發送點14，而功能性元件C則具一與之相對應的能量訊號接收點202，二者藉一內連線結構(圖中未示)電連接。光能採集結構10採集環境光能並轉化為電力，且自能量訊號發送點14將電力輸送至能量訊號接收點202，以供功能性元件C(D、E..)運作。由於光能採集結構10與功能性元件層20係呈垂直堆疊，可 大幅縮短能量訊號接收點202與能量訊號發送點14間的距離H’，甚至可以小於10μm。圖2的功能性元件層20之功能性元件C與能量訊號接收點202可以在同一結構層之中，亦可如圖3D、圖4D、圖5D所示，分屬於具電晶體結構7，以使用其源極72做為能量訊號接收點的能量接收層21，以及具有需使用電力的功能性元件及/或其他邏輯線路/電晶體等的元件層22。
上述結構可以利用具三維異質整合之環境光能量採集(Ambient light energy harvester)結構來實現，將低溫製作的環境光能量採集裝置，垂直堆疊於具低熱預算(Low thermal budget)之邏輯電路(Logic circuit)、靜態揮發性記憶體(SRAMs)、非揮發性記憶體及其他功能性元件之任何位置(如光偵測器、感測元件及光波導元件等)，由環境光能量採集裝置，利用最短訊號及能量傳輸距離與最低功率損失下，自供電力(self-powered)以驅動功能性晶片。以下將藉由圖3A至圖5D介紹利用以上概念所製成之具光能量採集功能之晶片100的各種不同結構態樣。首先請先參閱圖3D、4D及5D，其分別顯示了光能採集結構與其所供電的功能性元件之間各種不同的結構配置變化。具光能量採集功能之半導體晶片100包括基板4，垂直堆疊於基板4上之功能性元件層2及光能量採集層1，以及連接功能性元件層2及光能量採集層1的內連線結構3。功能性元件層2包括能量接收層21及元件層22，光能量採集層1則可以形成於元件層22之上(圖3D)、基板4表面(圖4D)、或能量接收層21與元件層22之間(圖5D)。
基板4可為矽基板、二氧化矽基板、玻璃基板、可撓式基板，或由可承受溫度低於攝氏400度的材質製程之基板。
請參閱圖3D中光能量採集層1的局部放大圖。光能量採集層1包括第一導電層11、第二導電層12及夾於該二導電層之間的光能吸收轉化層13。光能吸收轉化層13由數個非晶矽薄膜堆疊而成，其中包括至少二個極性相反的非本質薄膜，如圖3D所示的P型半導體層131及N型半導體層133。另外更可包括夾於二非本質薄膜間的本質層132。這些薄膜太陽能電 池可為單接面、雙接面或多接面，其中雙接面及多接面薄膜太陽能電池可用於增加輸出電壓。光能量採集層1可為至少一個但不限於以下的薄膜太陽能電池：(一)矽/鍺薄膜：非晶矽、非晶鍺、非晶矽鍺、微晶矽、微晶鍺、微晶矽鍺等所構成的薄膜太陽能電池；(二)有機薄膜太陽能電池(Organic thin film solar cells)；(三)CIGS薄膜太陽能電池(CIGS thin film solar cells)。以上三類薄膜太陽能電池需具備小於400℃的耐熱性及小於400℃製程溫度。
如圖3D、4D及5D所示，第一/第二導電層11/12的至少其中之一與功能性元件層2於至少一鄰接界面5鄰接。晶片100更可包括至少一個阻隔層(圖3D中的6A；圖4D中的6B；及圖5D中的6C)，以及透明導電層，可以為規則或不規則形貌，形成於鄰接界面5之上。阻隔層是由介電材料製成的。
第一導電層11及第二導電層12中靠近鄰接界面5者可為不透明層，另一則為透明導電層。上述不透明層可為光阻隔層或光反射層。在圖3D的實施例中，靠近鄰接界面5的第二導電層12是由透明導電層121及不透明層122組成，以使第二導電層12具有光阻隔或反射的功能。當然，是否使上述導電層為不透明及其功能性的選擇，仍應視實際應用的需求，而為各種不同的變化及調整。
能量接收層21包括絕緣層213及形成於絕緣層213內的多晶矽薄膜212。多晶矽薄膜212具有電晶體結構7的汲極結構71、源極結構72及通道結構73。電晶體結構7另包括閘極結構74，則屬於後續於多晶矽薄膜212上形成的閘極結構。內連線結構3連接於源極結構72及光能量採集層1上鄰接多晶矽薄膜212的透明導電層之間，且內連線結構3之長度小於10μm。傳統的環境光能採集裝置，多以單晶矽/多晶矽晶太陽能電池為主，雖可提供較高的光電轉換效率(16~20%)，但因需採用220~250μm厚的矽基板作為吸收層，對於垂直三維異質整合方面是無 法適用；同時矽晶太陽能電池在室內光下的能量採集能力，也較非晶矽太陽能電池低。依據本發明之概念，可將環境光能量(室內光及室外光)採集裝置嵌入低熱預算之積層型三維異質整合堆疊元件(Monolithic heterogeneous 3DIC)中，製作環境光能採集之自供電力(self-powered)三維異質整合晶片。利用非晶矽鍺碳薄膜太陽能電池作為環境光能採集裝置，嵌入低熱預算的功能性元件中，以非晶矽鍺碳薄膜太陽能電池吸收環境光轉換為電能，提供驅動功能性元件所需之電壓。如圖3A所示，首先在絕緣層(本實施例中為基板4)上以電漿方式沈積較厚的非晶半導體薄膜(在圖3A中標號212的位置)，再以結晶化製程(綠光雷射結晶(Green laser anneal,GLA))誘發微米級(μm)晶粒之多晶半導體薄膜(多晶矽、矽鍺或鍺薄膜)212(poly-Si)，加上奈米/微米級化學機械研磨，改善多晶矽、多晶矽鍺及多晶鍺表面粗糙度及減薄通道厚度，並以多階段界面改質技術，降低多晶矽、多晶矽鍺或多晶鍺表面缺陷密度。再以蝕刻方式定義出通道結構73，並形成汲極結構71及源極結構72，後續再製作電晶體結構7所需的閘極結構74(high-k/metal gate,HK/MG)及定義源/汲極區域及活化工程(CO2 laser anneal,CO2-LA)，亦可同時搭配金屬矽化技術進一步降低元件串聯阻抗，最後再沉積二氧化矽所為絕緣層213，即完成如圖3B所示的能量接收層21，再以不影響能量接收層21元件品質的溫度形成元件層22於能量接收層21上。其中，在製作閘極結構74時，可於奈秒至秒級的時間區間(時間區間的長度介於例如1奈秒至1秒左右)內，及具有可展現出攝氏500度以上溫度活化源/汲極區(即汲極結構71及源極結構72)；另一實施例，以光、電或熱等方式，於奈秒至秒級的時間區間(時間區間的長度介於例如1奈秒至1秒左右)內，活化源/汲極區，其可不破壞金屬閘極例如氮化鈦、氮化鉭或鋁(TiN,TaN,Al)等，並使佈植硼(B)，磷(P)、砷(As)等之源/汲極區的片電阻小於300ohm/sq.。接著以如圖3C所示完成電晶體金屬連線工程，以形成內連線結構3。最後，如圖3D所示，在已完 成的三維異質整合晶片(即基板4及其上的功能性元件層2)上方，先形成阻隔層6A，再沈積透明導電氧化層(Transparent conductive oxide,TCO)而形成第一導電層11，再依序以電漿方式沈積in-situ p-doped非晶矽鍺碳薄膜(P型半導體層131)、本質(intrinsic layer,i-layer)矽鍺碳薄膜(本質層132)及in-situ n-doped非晶矽鍺碳薄膜(N型半導體層133)，最後再於上方沈積TCO薄膜(第二導電層12)，此環境光能採集裝置可以單接面、雙接面及多接面薄膜太陽能電池設計，提供合適的電流/電壓給下層元件。經實驗顯示，相較於單晶矽(c-Si)及微晶矽(μc-Si)太陽能電池，非晶矽鍺碳薄膜太陽能電池在室內光具有相當優異的能量採集能力，另以堆疊型多接面(multi-junction)非晶矽鍺碳薄膜太陽能電池作為光能採集裝置1，除可獲得高效率輸出，也可同時提升非晶矽鍺碳在短波長的外部量子效應及響應，相當合適合應用於日光燈(Fluorescence light)及LED燈等室內照明之能量採集。此處之室內光係指光能強度小於1000lux(流明/平方米)之光源。依據本發明之非晶矽鍺薄膜太陽能電池之驅動能力(Drive capability)，在室內照明下(100μW/cm2)可驅動150,000個反相器(Inverter)及100,000個SRAMs。
圖4A~4D與圖3A~3D之實施例的不同之處，乃先於玻璃基板4製作光能採集結構1，此光能採集結構1可以單接面、雙接面及多接面薄膜太陽能電池設計，提供合適的電流/電壓給下層元件。再於單接面、雙接面及多接面薄膜太陽能電池上，製作以低熱預算技術製作的各類型邏輯及功能性元件，最後，再以最佳化金屬導線製程連結環境光能採集裝置及各層元件。
圖5A~5D則為另一設計，先製作第一層功能性元件(如元件層22)，再於其上製作光能採集結構1，最後於環境光能結構1上製作另一層功能性元件(如能量接收層21)。
由於本發明所製作之邏輯元件、功能性元件及環境光能採集 裝置，其所使用之技術與設備(電漿非晶矽、非晶矽鍺或非晶鍺薄膜沈積、綠光脈衝雷射結晶、化學機械研磨及界面改質技術、原子層沈積high-k材料、長波長雷射活化技術、TCO濺鍍沈積及電漿非晶矽鍺碳薄膜沈積)，皆為半導體製程及薄膜電晶體製程之既有製程，亦可完全相容於相關的產品製作；另一方面，本發明之低溫技術與超薄平坦多晶矽、多晶矽鍺及多晶鍺薄膜通道層及環境光能採集裝置，在新穎的累加型三維堆疊晶片整合方面，將可展現出相當大的技術優勢。
本發明將光捕獲層與功能性元件層垂直堆疊的概念，亦可與矽穿孔(Through silicon via,TSV)堆疊技術配合使用。請再參閱圖2，當光能採集結構10及功能性元件層20分屬於不同晶片時，二者可利用TSV技術結合，此時能量訊號接收點202與能量訊號發送點14間的距離H’將可小於1mm，約為300μm，或介於200~400μm之間，仍然較傳統於二維電路板上組合二者的能量傳輸距離為短。當然，若以前述低熱預算積層型三維異質整合堆疊元件方法，將光能採集結構10及功能性元件層20的製造整合在同一晶片內時，距離H'將可縮至更短。請參閱圖3D，當光能採集結構1與接收能量的源極結構72中間隔了能量接收層21及元件層22時，距離H'可小於100μm。而若如圖4D及圖5D所示，光能量採集結構1與源極結構72相鄰的情況，距離H'更可小於10μm。其中，能量訊號接收點與能量訊號發送點可以是複數個，以加強室內光的採集。
綜上所述，本發明採用非晶矽鍺碳薄膜太陽能電池為半導體相容製程，並可利用單接面、雙接面及多接面方式達到高電流及高電壓輸出需求，同時非晶矽碳鍺碳薄膜太陽能電池，對於室內光及室外光皆有極佳的響應，有利用於採集多方位的環境光(如日光燈及LED燈等室內照明之能量採集)；另一方面，非晶矽鍺碳環境採集裝置搭配低熱預算積層型三維異質整合堆疊元件，利用成熟的微影技術，進行各層間元件-元件(device-to-device)的精確對準，可有效解決環境光能採集裝置與三維異質 整合堆疊元件間，存在的長訊號傳輸、長距離能量傳輸及高功率損失等問題。此外，本發明更可使環境光能採集裝置設計於三維異質整合堆疊元件間的任何位置，具有極高的設計彈性。
雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
100‧‧‧具光能量採集功能之半導體晶片
1‧‧‧光能採集結構
11‧‧‧第一導電層
12‧‧‧第二導電層
121‧‧‧透明導電層
122‧‧‧不透明層
13‧‧‧光能吸收轉化層
131‧‧‧P型半導體層
132‧‧‧本質層
133‧‧‧N型半導體層
14‧‧‧能量訊號發送點
3‧‧‧內連線結構
4‧‧‧基板
2‧‧‧功能性元件層
21‧‧‧能量接收層
212‧‧‧多晶矽薄膜
213‧‧‧絕緣層
22‧‧‧元件層
221‧‧‧元件
222‧‧‧絕緣層
5‧‧‧鄰接界面
6A‧‧‧阻隔層
7‧‧‧電晶體結構
71‧‧‧汲極結構
72‧‧‧源極結構
73‧‧‧通道結構
74‧‧‧閘極結構

Claims (13)

  1. 一種半導體裝置，包含：一光能採集結構，其具有一第一導電層及一第二導電層，及夾於該第一導電層及一第二導電層中的一光能吸收轉化層，其中該光能吸收轉化層至少包含二非本質層，該二非本質層之一為P型半導體層，另一為N型半導體層，且該第一導電層及該第二導電層的至少其中之一具一能量訊號發送點；以及至少一功能性元件層，與該光能採集結構呈垂直堆疊，其中該功能性元件層具至少一功能性元件及電連接該功能性元件之一能量訊號接收點，與該能量訊號發送點相對且經一內連線結構電連接，且該能量訊號接收點與該能量訊號發送點的距離小於1mm，其中該光能量採集結構為一薄膜太陽能電池，該功能性元件層包含至少一個功能性元件，該功能性元件為下列任一者或任意組合：物聯網晶片、光偵測器、感測元件及光波導元件。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之半導體裝置，其中該光能吸收轉化層採集一室內光能並轉化為電力，其中該室內光能強度小於1000lux(流明/平方米)。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之半導體裝置，其中該光能採集結構為一堆疊型多接面薄膜太陽能電池。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之半導體裝置，其中該功能性元件層包含一能量接收層，其包含一源極結構，其中該能量訊號接收點位於該源極結構上；以及一元件層，包含至少一該功能性元件，其中，當該元 件層介於該光能採集結構與該能量接收層之間時，該能量訊號接收點與該能量訊號發送點的距離小於100μm，而當該能量接收層與該光能採集結構相鄰時，該能量訊號接收點與該能量訊號發送點的距離則小於10μm。
  5. 一種具光能量採集功能之晶片，包含：一基板；垂直堆疊於該基板上之至少一功能性元件層及一光能量採集層，其中該光能量採集層為一薄膜太陽能電池，該功能性元件層包含至少一個功能性元件，該功能性元件為下列任一者或任意組合：物聯網晶片、光偵測器、感測元件及光波導元件；以及一內連線結構，電連接該功能性元件層及該光能量採集層。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之晶片，其中該功能性元件層包含一能量接收層及一元件層，該能量接收層包含一源極結構，該內連線結構連接於該源極結構，該元件層包含該至少一個功能性元件。
  7. 如申請專利範圍第5項所述之晶片，其中該光能量採集層與該功能性元件層於至少一鄰接界面鄰接，且該晶片更包含至少一阻隔層，形成於該鄰接界面，其中該阻隔層由介電材料製成。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之晶片，其中該光能量採集層包含二導電層，且該二導電層中與該功能性元件層鄰接者為一不透明層，其中該不透明層包括一光阻隔層或一光反射層。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之晶片，其中該內連線結構係連接於該 能量接收層及該二導電層其中之一之間，且該內連線結構之長度小於1mm。
  10. 如申請專利範圍第5項所述之晶片，其中該基板為一二氧化矽基板、一玻璃基板、一可撓式基板，或由可承受溫度低於攝氏400度的材質製成之基板。
  11. 一種自供電力之晶片製作方法，包含下列步驟：於一基板上形成至少一功能性元件層及一光能量採集結構，並形成該功能性元件層與該光能量採集結構間之內連線結構，其中該內連線結構包含位於該光能量採集結構的一能量訊號發送點，以及位於該功能性元件層之至少其中之一的一能量訊號接收點，且形成該功能性元件層及該光能採集結構之步驟中各自包含至少一於該基板上進行沉積的製程，其中該光能量採集結構為一薄膜太陽能電池，該功能性元件層包含至少一個功能性元件，該功能性元件為下列任一者或任意組合：物聯網晶片、光偵測器、感測元件及光波導元件。
  12. 如申請專利範圍第11項所述之方法，其中形成該功能性元件層的步驟係包含：形成一非晶半導體薄膜；利用一結晶化製程將該非晶半導體薄膜轉換成一多晶半導體薄膜；於該多晶半導體薄膜定義一通道結構、一源/汲極區，並於其上形成一閘極結構。
  13. 如申請專利範圍第12項所述之方法，更包含以光、電或熱的方式， 於1奈秒至1秒之時間活化該源/汲極區，並使得該源/汲極區的片電阻小於300ohm/sq.。
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