JP2017530563A - シリコン集積面外熱流束熱電発電機 - Google Patents

Abstract

増強された電気収率は、基板ウェハ（１）上の面外熱流束構成の集積熱電発電機（ｉＴＥＧ）であって、熱電的に活性な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（３）の傾斜対向側面に延在する、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ドープ及びｎドープされたセグメント（４、５）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（７）及び谷底部接合金属コンタクト（６）を有する、集積熱電発電機を用いて、丘部（３）の間の、それぞれの丘上部接合金属コンタクト（７）とボンディングするように適合された、カップリング表面の上で画定された金属ボンドパッド（１０）を有する、平面の電気非導電性カバー（８）によって上部で区切られた谷部空間（Ｖ）を空けたままにすることによって達成される。接合金属コンタクト（６、７）は、低アスペクト比の断面プロファイルを有し、セグメントの並置された端部部分をオーバーラップする２つのアームまたはウィングを備える。好ましくは、内部ボイドは、ｉＴＥＧをパッケージングする際に真空化される。

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。

Ｉｓｒａｅｌ Ｂｏｎｉｃｈｅによる博士号論文「Ｓｉｌｉｃｏｎ−Ｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｅｄ Ｔｈｅｒｍｏｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｇｅｎｅｒａｔｏｒｓ ｆｏｒ Ｐｏｗｅｒ Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｆｒｏｍ ｈｏｔ ｇａｓ ｓｔｒｅａｍｓ」、Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｆｌｏｒｉｄａ、２０１０、及びＤｉａｎａ Ｄａｖｉｌａ Ｐｉｎｅｄａによる「Ｍｏｎｏｌｉｔｈｉｃ ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ ｏｆ ＶＬＳ ｓｉｌｉｃｏｎ ｎａｎｏｗｉｒｅｓ ｉｎｔｏ ｐｌａｎａｒ ｔｈｅｒｍｏｅｌｅｃｔｒｉｃ ｇｅｎｅｒａｔｏｒｓ」、Ａｕｔｏｎｏｍｏｕｓ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｂａｒｃｅｌｏｎａ、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．Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ＭＥＭＳ ｔｈｅｒｍｏｅｌｅｃｔｒｉｃ ｇｅｎｅｒａｔｏｒｓ ｗｉｔｈ ｈｉｇｈ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ．Ｓｅｎｓ．Ａｃｔｕａｔｏｒｓ Ａ ２００８，１４５−１４６，４２３−４２９．
^■Ｘｉｅ，Ｊ．；Ｌｅｅ，Ｃ；Ｆｅｎｇ，Ｈ．Ｄｅｓｉｇｎ，ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ ａｎｄ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ＣＭＯＳ ＭＥＭＳ−ｂａｓｅｄ ｔｈｅｒｍｏｅｌｅｃｔｒｉｃ ｐｏｗｅｒ ｇｅｎｅｒａｔｏｒｓ．Ｊ．Ｍｉｃｒｏｍｅｃｈ．Ｓｙｓｔ．２０１０，１９，３１７−３２４．
^■Ｗａｎｇ，Ｚ．；Ｌｅｏｎｏｖ，Ｖ．；Ｆｉｏｒｉｎｉ，Ｐ．；ｖａｎ Ｈｏｏｆ，Ｃ．Ｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ａ ｗｅａｒａｂｌｅ ｍｉｎｉａｔｕｒｉｚｅｄ ｔｈｅｒｍｏｅｌｅｃｔｒｉｃ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ ｆｏｒ ｈｕｍａｎ ｂｏｄｙ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ．Ｓｅｎｓ．Ａｃｔｕａｔｏｒｓ Ａ ２００９，１５６，９５−１０２．
^■Ｗａｎｇ，Ｚ．；Ｆｉｏｒｉｎｉ，Ｐ．；Ｌｅｏｎｏｖ，Ｖ．；ｖａｎ Ｈｏｏｆ，Ｃ．Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ ａｎｄ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｐｏｌｙｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ Ｓｉ７０％Ｇｅ３０％ ｆｏｒ ｓｕｒｆａｃｅ ｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｅｄ ｔｈｅｒｍｏｐｉｌｅｓ ｉｎ ｈｕｍａｎ ｂｏｄｙ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ．Ｊ．Ｍｉｃｒｏｍｅｃｈ．Ｍｉｃｒｏｅｎｇ．２００９，ｄｏｉ：１０．１０８８／０９６０−１３１７／１９／９／０９４０１１．
^■Ｓｕ，Ｊ．；Ｌｅｏｎｏｖ，Ｖ．；Ｇｏｅｄｂｌｏｅｄ，Ｍ．；ｖａｎ Ａｎｄｅｌ，Ｙ．；ｄｅ Ｎｏｏｉｊｅｒ，Ｍ．Ｃ．；Ｅｌｆｒｉｎｋ，Ｒ；Ｗａｎｇ，Ｚ．；Ｖｕｌｌｅｒｓ，Ｒ．Ｊ．Ａ ｂａｔｃｈ ｐｒｏｃｅｓｓ ｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｅｄ ｔｈｅｒｍｏｅｌｅｃｔｒｉｃ ｅｎｅｒｇｙ ｈａｒｖｅｓｔｅｒ：Ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ ａｎｄ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ．Ｊ．Ｍｉｃｒｏｍｅｃｈ．Ｍｉｃｒｏｅｎｇ．２０１０，ｄｏｉ：１０．１０８８／０９６０−１３１７／２０／１０／１０４００５．
^■Ｙａｎｇ，Ｓ．Ｍ．；Ｌｅｅ，Ｔ．；Ｊｅｎｇ，Ｃ．Ａ．Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ａ ｔｈｅｒｍｏｅｌｅｃｔｒｉｃ ｅｎｅｒｇｙ ｈａｒｖｅｓｔｅｒ ｗｉｔｈ ｔｈｅｒｍａｌ ｉｓｏｌａｔｉｏｎ ｃａｖｉｔｙ ｂｙ ｓｔａｎｄａｒｄ ＣＭＯＳ ｐｒｏｃｅｓｓ．Ｓｅｎｓ．Ａｃｔｕａｔｏｒｓ Ａ ２００９，１５３，２４４−２５０．
^■Ｋａｏ，Ｐ．−Ｈ；Ｓｈｉｈ，Ｐ．−Ｊ．；Ｄａｉ，Ｃ．−Ｌ．；Ｌｉｕ，Ｍ．−Ｃ．Ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ ａｎｄ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ＣＭＯＳ−ＭＥＭＳ ｔｈｅｒｍｏｅｌｅｃｔｒｉｃ ｍｉｃｒｏ ｇｅｎｅｒａｔｏｒｓ．Ｓｅｎｓｏｒｓ ２０１０，１０，１３１５−１３２５．
^■Ｗａｎｇ，Ｚ．；ｖａｎ Ａｎｄｅｌ，Ｙ．；Ｊａｍｂｕｎａｔｈａｎ，Ｍ．；Ｌｅｏｎｏｖ，Ｖ．；Ｅｌｆｒｉｎｋ，Ｒ．；Ｖｕｌｌｅｒｓ，Ｊ．Ｍ．Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ａ ｂｕｌｋ−ｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｅｄ ｍｅｍｂｒａｎｅｌｅｓｓ ｉｎ−ｐｌａｎｅ ｔｈｅｒｍｏｐｉｌｅ．Ｊ．Ｅｌｅｃｔｒｏｎ．Ｍａｔｅｒ．２０１１，４０，４９９−５０３．１３．
^■Ｐａｔｅｎｔ ＵＳ ７，８７５，７９１Ｂ１ ”Ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ ａ ｔｈｅｒｍｏｐｉｌｅ ｏｎ ａ ｍｅｍｂｒａｎｅ ａｎｄ ａ ｍｅｍｂｒａｎｅ−ｌｅｓｓ ｔｈｅｒｍｏｐｉｌｅ，ｔｈｅ ｔｈｅｒｍｏｐｉｌｅ ｔｈｕｓ ｏｂｔａｉｎｅｄ ａｎｄ ａ ｔｈｅｒｍｏｅｌｅｃｔｒｉｃ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ ｓｕｃｈ ｔｈｅｒｍｏｐｉｌｅｓ”Ｖｌａｄｉｍｉｒ Ｌｅｏｎｏｖ，Ｐａｏｌｏ Ｆｉｏｒｉｎｉ，Ｃｈｒｉｓ Ｖａｎ Ｈｏｏｆ（２０１１）
^■Ｍｉｎｉａｔｕｒｉｚｅｄ ｔｈｅｒｍｏｐｉｌｅ ｏｎ ａ ｍｅｍｂｒａｎｅ ａｒｅ ａｌｓｏ ｄｅｓｃｒｉｂｅｄ ｂｙ Ａ．Ｊａｃｑｕｏｔ，Ｗ．Ｌ Ｌｉｕ，Ｇ．Ｃｈｅｎ，，Ｊ．Ｐ Ｆｌｒｉａｌ，Ａ． Ｄａｕｓｃｈｅｒ，Ｂ．Ｌｅｎｏｉｒ，ｉｎ ”Ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｍｏｄｅｌｉｎｇ ｏｆ ａｎ ｉｎ−ｐｌａｎｅ ｔｈｅｒｍｏｅｌｅｃｔｒｉｃ ｍｉｃｒｏ−ｇｅｎｅｒａｔｏｒ”，Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ＩＣＴ０２．２１ｓｔ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｔｈｅｒｍｏｅｌｅｃｔｒｉｃｓ，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，ａｎｄ Ｐ．Ｄ．Ｙａｎｇ，Ｎａｔｕｒｅ ４５１、１６３−Ｕ５（２００８）」及び「Ａ．Ｉ．Ｂｏｕｋａｉ，Ｙ．Ｂｕｎｉｍｏｖｉｃｈ，Ｊ．Ｔａｈｉｒ−Ｋｈｅｌｉ，Ｊ．−Ｋ．Ｙｕ，Ｗ．Ａ．Ｇｏｄｄａｒｄ Ｉｉｉ，ａｎｄ Ｊ．Ｒ．Ｈｅａｔｈ，Ｎａｔｕｒｅ ４５１、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「Ｍｉｎｉａｔｕｒｉｚｅｄ Ｔｈｅｒｍｏｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｇｅｎｅｒａｔｏｒｓ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｐｏｌｙ−Ｓｉ ａｎｄ Ｐｏｌｙ−ＳｉＧｅ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｉｎｇ」（Ｔｈｅ １１^ｔｈ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｓｏｌｉｄ−Ｓｔａｔｅ Ｓｅｎｓｏｒｓ ａｎｄ Ａｃｔｕａｔｏｒｓ，Ｍｕｎｉｃｈ，Ｇｅｒｍａｎｙ，Ｊｕｎｅ１０−１４，２００１において提示された）、及び「Ｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｅｄ ＣＭＯＳ Ｔｈｅｒｍｏｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｇｅｎｅｒａｔｏｒｓ ａｓ Ｏｎ−Ｃｈｉｐ Ｐｏｗｅｒ Ｓｕｐｐｌｙ」（Ｔｈｅ １２^ｔｈ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｓｏｌｉｄ−Ｓｔａｔｅ Ｓｅｎｓｏｒｓ ａｎｄ Ａｃｔｕａｔｏｒｓ ａｎｄ Ｍｉｃｒｏｓｙｓｔｅｍｓ，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。

著しく増加した変換効率は、添付の特許請求の範囲に記載されるように、新規の「Ｚ−デバイス」構造を有するシリコン集積適合性の面外（または垂直）熱流束ＴＥＧ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。

基本的には、典型的に、連続して交互するｐ型及びｎ型の堆積させた半導体薄膜の画定されたトラクト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れる酸化物（例えばシリコン酸化物）であり、一般に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基本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の上の誘電体充填剤を通じて、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、及び低減された障害を実現することによって、かつ谷部空間を空のままにし、このため、もはや誘電体酸化物で充填することも、ｐ型及びｎ型脚部の並置された端部の電気的接続の高いプロファイルの金属ブリッジをホストすることも行わないことによって、著しく低減される。

Ｚ−デバイスの高温金属接合部から低温金属接合部への内部バイパス熱伝達を低減することは、他の要因以外に、集積熱電発電機（ｉＴＥＧ）の供給電力が、金属コンタクトの２つの段の間の温度差の２乗と同じになるという事実からみて、効率上の優性効果を有する。

好ましい実施形態によれば、ボイド空間は、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デバイスをパッケージングする際に、真空化され、Ｚ−デバイス構造の半導体薄膜ラインに沿った熱電的に有用な熱伝導経路ではなく、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。

新規アーキテクチャの態様によれば、（例えば、高濃度ドープポリＳｉまたはポリＳｉＧｅの）ドープ多結晶半導体のラインのｐドープ及びｎドープ薄膜セグメントを接続し、規則的に隔置された丘部のラインのすべての誘電体＼断熱丘部の片側及び対向する側面にそれぞれ、延在する、谷底部及び丘上部の接合金属コンタクトの両方は、堆積させた金属層の画定されたトラクトの形態であり、交互の低温及び高温熱電接合を電気的に直列に接続するための半導体薄膜のｐドープ脚部の並置された端部部分及びｎドープ脚部の並置された端部部分を部分的にオーバーラップし、これによって単一の鎖または複数の鎖において組織化される。

丘部は、一般に、頂部が切断（切頭）された長方形（または矩形）のピラミッド（角錐）形状を有してもよく、またはそれらは、１つの軸に沿った台形の断面とそれに対して直交する垂直の直線の側部もしくは側面を有してもよいが、円錐台の形状を含む他の形状も使用され得る。

丘部の材料は、その上に支持される材料であるｐ型及びｎ型の脚部の材料の熱伝導率よりも低い、低熱伝導率を有するべきである。実質的に平坦な底部に向けてエッチングされた谷部の壁を傾かせるために、丘部は、熱成長（例えば、いわゆるロコス酸化物）させるものであってもよく、または酸化物、オキシ窒化物、シリコン窒化物などの材料の堆積層のものであってもよく、またはさらに、シリコンのナノスケール薄膜の超格子などの意図的に形成されたナノメートルの長のスケール構造のフォノン材料のものであってもよく、最終的に、連続的に及び／または最終的に段階的にマスキング及び制御されたエッチング条件下でエッチングされる。

接合金属コンタクトのこの形状は、谷底接合部（コヒーレントに低温または高温丘上接合部に相対的に高温または低温）に関する限り関係し、隣接する丘部の間の、ｐドープ及びｎドープ半導体薄膜導電性脚部を敷設する傾いた側面の上に、内部分離空間が残り、これは、エンプティ空間によってもたらされる低減された熱伝達を完全に活用するために実質的に塞がれない。

これらの内部ボイド空間は、平面カバーのカップリング表面の上に画定された金属コンタクトを有し、それぞれの丘上部接合金属コンタクトとボンディングするように適合された、平面カバーによって上部で閉じられる。

本開示の基本的な実施形態による集積Ｚ−デバイスの基本セルの断面図である。 集積Ｚ−デバイス構造の２本のラインの基本セルを示す断片的な三次元断面図である。 回路への接続パッドと電気的に直列である多くのセルのストリングの集積ＴＥＧモジュールを構成する基本セルの平行な導電性ラインの可能なレイアウトを示す。 高温の丘上部金属接合部と低温の谷底部金属接合部との間の温度差のもとで、集積ＴＥＧデバイスによって生成される電流の流路を示す、集積セルの導電部を直列に配列した三次元図である。

図１及び図２を参照すると、シリコンウェハ１は、その上に面外（垂直）熱流束型の集積ＴＥＧの新規のＺ−デバイス構造を製作するための基板として使用される。

任意のサイズ及び一般に、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。

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は、著しい熱抵抗を導くことなく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、熱的に成長させた、または第１に成長させたベース層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、その実質的に平坦な底部は、一般に、丘部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対して、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、一連のマスキング及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を画定してもよい。

様々な量のリン及び／または水素不純物、ならびに構造的障害を促進する特定の加工及びポスト加工条件で堆積させたＬＰＣＶＤシリコン酸化物（ｒｅ：Ｙ．Ｓ．Ｊｕ ａｎｄ Ｋ．Ｅ．Ｇｏｏｄｓｏｎ、「Ｐｒｏｃｅｓｓ−ｄｅｐｅｎｄｅｎｔ ｔｈｅｒｍａｌ ｔｒａｎｓｐｏｒｔ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｓｉｌｉｃｏｎ−ｄｉｏｘｉｄｅ ｆｉｌｍｓ ｄｅｐｏｓｉｔｅｄ ｕｓｉｎｇ ｌｏｗ−ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｖａｐｏｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ」、ＡＩＰ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ、Ｖｏｌｕｍｅ ８５、Ｎｕｍｂｅｒ １０、７１３０−７１３４）は、熱伝導に対する増強された抵抗の丘部３を基板ウェハ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。

２つの両側が適切に傾斜した熱伝導に対する増強された抵抗の丘部３が、基板ウェハ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−Ｋａｎ Ｙｕ、Ｓ．Ｍｉｔｒｏｖｉｃ、Ｄ．Ｔｈａｍ、Ｊ．Ｖａｒｇｈｅｓｅ、及びＪ．Ｒ．Ｈｅａｔｈによる「Ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅｒｍａｌ ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ ｉｎ ｐｈｏｎｏｎｉｃ ｎａｎｏｍｅｓｈ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ」、Ｎａｔｕｒｅ Ｎａｎｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ、Ｖｏｌ．５、Ｏｃｔｏｂｅｒ ２０１０、（著作権）２０１０ Ｍａｃｍｉｌｌａｎ Ｐｕｂｌｉｓｈｅｒｓ Ｌｉｍ．）。

切頭された長方形（または矩形）ピラミッド（角錐）形状の丘部３または１つの軸に沿って台形の断面と、それに直交する直線の側部または側面を有する丘の対向する傾いた表面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に沿って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、丘部の材料は、その上に支持された導電材料のｐ型及び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、及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は、集積ＴＥＧ構造の丘部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及び隔置された丘部３の上に実質的に一様な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ドープ及びｎドープである４及び５の交互の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及び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、及び集積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。

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ｐ‐ｎ接合の形成を回避するために、谷底部及び丘上部において、またはその逆において、それぞれ物理的に低温及び高温接合部は共に、それぞれ６及び７の低アスペクト比の金属コンタクトによって構成され、多結晶薄膜半導体のｐドープセグメントまたは脚部５の画定された端部と多結晶薄膜半導体のｎドープ熱電セグメントまたは脚部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。

多結晶半導体の２つのセグメント４及び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及び７の堆積金属層は、実質的に平面の谷底部及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の範囲の厚さを有し得る。

図面の断面図は、基本セルの熱電気的に活性な材料の導電性脚部４及び５の特徴的な「Ｚプロファイル」をよく表す。

好ましくは、多結晶半導体薄膜をオーバーラップする金属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及び丘上部コンタクト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、効果的なインター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、及び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厚の膜６ｂ、ならびにＡｌもしくはＡｌ−Ｓｉ合金または銅の金属層６、７と接触するＴｉＮの５〜３０ｎｍ厚の膜６ｃを含んでもよい。

新規の集積面外ＴＥＧ構造の好ましい実施形態によれば、隔置された丘部３の平行線または他の配列の間のボイド谷部空間は、第２のウェハ８によって上部で閉じられ、ウェハの表面の上に形成された薄い誘電体層９が提供され、それを電気的に非導電性にして、かつその後、その上に金属ボンドパッド１０が画定され、金属ボンドパッド１０は、ＣＭＰ平坦化の後、拡散層の有無にかかわらず、多くのフリップチップボンディング技法のうちの１つに従って、好ましくは、熱圧縮金属間ボンディング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）、ＰＥＣＶＤ ＳｉＯ２−ＳｉＯ２、ベンゾシクロブテン（ＢＣＢ）−ＢＣＢボンディングを介して、それぞれの丘上部金属コンタクト７とボンディングするように適合される。ＢＣＢ及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膜及び金属間化合物（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（陽極接合）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。

また、米国特許第５，３７４，５６４号に記載される、いわゆる、スマートカット加工または層転写技術である、ＳｏｉｔｅｃのＳｍａｒｔ Ｓｔａｃｋｉｎｇ（商標）を使用してもよい。

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全体で行われてもよく、または代替的にその切断されたダイスで行われてもよい。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、ウェハ・ツー・ウェハモードにおいて、またはチップ・オン・ウェハ・オン・サブストレートもしくはチップ・オン・チップ・オン・サブストレートアプローチに従い行われてもよい。

好ましくは、上部及び底部の両方のウェハは、デバイス製造後に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、及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したものにする。

図２において、集積Ｚ−デバイス構造の基本セルの２本のラインＬの特徴を示す、断片的な三次元断面スケッチが観察され得る。

谷底部及び丘上部接合金属コンタクト６及び７に結合された、半導体材料の交互のｐドープ及びｎドープ４及び５の画定された領域またはセグメントの平行な導電性ラインが、隔置された丘部３の配列ラインに垂直に作られる様式が直ちに認識され得る。

導電性ラインＬの幅は、一般に、０．１〜５００μｍ、より好ましくは０．５〜１０μｍからなり得る。

マイクロセルの複数のラインＬは、通常、電気的に直列、例えば多くの隣接して集積される平行線の配列において接続される。図３は、接続パッドＡ及びＢと終端接続するすべてのラインＬのセル数の合計に対応する電気的直列におけるセルのストリングからなる集積ＴＥＧモジュールを構成するための基本セルの５本の平行線Ｌの導電部の例示的なレイアウトを示す。

２本のラインＬの隣接する端部の接続は、平面からの多結晶半導体脚部４、５の対向する端部間のギャップ空間を充填するための第１に堆積させた金属層を除去した後、横方向の金属接続６´を画定する、すなわち、第２に堆積させた金属層のマスキング及び選択エッチングステップにより画定することによって実現される。

図４の直列のセルの導電部の配列の三次元の図において、矢印は、高温丘上部金属接合７と低温谷底部金属接合６との間の温度差のもとで集積ＴＥＧデバイスによって生成される電流の流路を表す。

当然のことながら、端子Ａ及びＢで生成されるＤＣ電圧は、ストリングのすべての基本の直列接続セルによって展開されたＤＣ電圧の合計に対応する。

ＴＥＧデバイスは、多数のモジュール式集積マルチセルＴＥＧを含んでもよく、各々が用途の必要性に従って生成された電力を収穫または活用する１つまたはいくつかの外部回路に接続するための２つのパッドを必要とする。外部に組織化されるパッケージングされたデバイスの複数のモノリシック集積ＴＥＧの１つまたはいくつかの直列／並列ネットワークのために、デバイスは、個々の集積ＴＥＧごとに２本のピンを構成しなければならない。その結果、所望される数の個々に集積されたＴＥＧを提供する以外に、モノリシック集積の適切なマルチＴＥＧレイアウトは、パッケージングされたデバイスが有し得るピンの最大数と適合されなければならない。

代替的に、仕上げられたＴＥＧデバイスは、大量の開回路出力電圧を達成するために、直列化を最大限にすることを選択することによって、出力ピンのペアをほとんど有しなくてもよいか、またはさらには２−ピンデバイスであってもよい。

Claims (15)

1. 基板ウェハ（１）上の面外熱流束構成の集積熱電発電機であって、前記平面発電機に対して垂直方向に流れる熱の一部を電気的に変換するのに有用な熱電的に活性な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（３）の傾斜対向側面に延在する、前記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ドープ及びｎドープされたセグメント（４、５）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（７）及び谷底部接合金属コンタクト（６）を有し、
   前記丘部（３）の間のすべての谷部が、それぞれの丘上部接合金属コンタクト（７）とボンディングするように適合された、平面カバー（８）のカップリング表面の上で画定された金属ボンドパッド（１０）を有する、非導電性の当該平面カバー（８）によって上部で区切られたボイド空間（Ｖ）であることを特徴とする、集積熱電発電機。
2. 前記ボイド空間（Ｖ）が、パッケージングまたはバックエンド動作中に、前記基板ウェハ（１）と前記平面カバー（８）との間のサイドギャップを閉塞することによって、永久的に封止される、請求項１に記載の熱電発電機。
3. 前記ボイド空間（Ｖ）が、パッケージングの際に真空化される、請求項１または２に記載の熱電発電機。
4. 前記平面カバーが、前記基板ウェハ（１）と同様のウェハ（８）であり、前記カップリング表面の上の誘電体膜（９）であって、その上に画定された前記金属ボンドパッド（１０）を互いに電気的に絶縁する誘電体膜（９）を有する、請求項１に記載の熱電発電機。
5. 前記基板ウェハ（１）及び／または前記カバーウェハ（８）が、薄型または超薄型シリコン結晶ウェハである、請求項４に記載の熱電発電機。
6. 前記平面カバーが、前記基板ウェハ（１）と同様のシリコンウェハ（８）であり、それらが、熱圧縮金属−金属ボンディング、プラズマボンディング、ベンゾシクロブテンボンディング、ポリイミドボンディング、金属間化合物ボンディング、固液相互拡散（ＳＬＩＤ）ボンディング、共晶ボンディング、銅−酸化物ボンディング、金属−（金属酸化物）ボンディング、アノードボンディング、またはマイクロバンプ積層の群に属する技法に沿ってボンディングされる、請求項５に記載の熱電発電機。
7. 前記基板シリコンウェハ（１）及び前記平面カバーシリコンウェハ（８）が、スマートカット加工によって、またはＳｏｉｔｅｃのＳｍａｒｔ Ｓｔａｃｋｉｎｇ（商標）層転写技術を用いて一緒にボンディングされたマイクロ機械加工ウェハ（８）である、請求項５に記載の熱電発電機。
8. 整合ボンディングが、チップ・ツー・チップ、チップ・ツー・ウェハ、もしくはウェハ・ツー・ウェハモードにおいて、またはチップ・オン・ウェハ・オン・サブストレートもしくはチップ・オン・チップ・オン・サブストレートモードにおいて行われる、請求項６に記載の熱電発電機。
9. 前記接合金属コンタクト（６、７）が、低アスペクト比の断面プロファイルを有し、それぞれが、多結晶半導体のセグメントの画定されたライン（Ｌ）のｐドープ及びｎドープセグメント（４、５）の並置された端部部分をオーバーラップする２つのアームまたはウィングを備える、請求項１に記載の熱電発電機。
10. 前記金属コンタクト（６、７）が、アルミニウム、銅、銀、またはそれらの合金である、請求項９に記載の熱電発電機。
11. 前記多結晶半導体薄膜を有する前記オーバーラップする金属コンタクトアームの電気接触が、ＴｉＳｉ_２、ＷＳｉ_２、ＭｏＳｉ_２、ＰｔＳｉ_２、及びＣｏＳｉ_２からなる群に属するシリサイドの膜からなるインターフェーシング多層を介して行われる、請求項８に記載の熱電発電機。
12. 前記多結晶半導体薄膜を有する前記オーバーラップする金属コンタクトアームの電気接触が、前記金属と接触するチタン窒化物の膜及びＷ、Ｔｉ、Ｔａ、からなる群に属する耐火性金属の中間膜からなるインターフェーシング多層を介して行われる、請求項８に記載の熱電発電機。
13. 前記丘部（３）が、シリコン酸化物、シリコン窒化物、熱伝導に対する増強された抵抗の堆積酸化物、フォノン材料のナノメッシュ構造、及びナノスケールの薄膜シリコンの超格子からなる群に属する材料のものである、請求項１に記載の熱電発電機。
14. 前記丘部（３）が、多結晶半導体のセグメント（４、５）の前記ラインに対して垂直な平行線に沿って、規則的に隔置され、切頭矩形の角錐形状、または１本の軸に沿った台形断面及びそれに対して垂直の真っ直ぐな側部または側面を有する、請求項１に記載の熱電発電機。
15. 前記ｎドープ及びｐドープ薄膜セグメントが、多結晶シリコンである、請求項１に記載の熱電発電機。