热电元件和包括热电元件的半导体装置的制造方法
【专利说明】热电元件和包括热电元件的半导体装置
[0001]本申请要求于2014年7月24日在USPT0提交的第62/028，522号美国临时申请的优先权和2014年11月26日在韩国知识产权局(ΚΙΡ0)提交的第10-2014-0166117号韩国专利申请的优先权，通过引用全部包含了这些专利申请的公开内容。
技术领域
[0002]本发明构思涉及热电元件、制造热电元件的方法和包括热电元件的半导体装置。
【背景技术】
[0003]随着半导体装置的集成度的提高，一个半导体装置中可以集成更多数量的组件，并且半导体装置的运行速度逐渐加快。由于半导体装置的集成度和运行速度提高，因此半导体装置内会发出更大量的热，并且由于半导体装置的操作条件导致半导体装置内会发生局部温度差异。
【发明内容】
[0004]根据本发明构思的示例性实施例，热电元件提供如下。第一半导体鳍结构和第二半导体鳍结构设置在半导体基底上。每个半导体鳍结构沿第一方向延伸，从半导体基底突出。第一半导体纳米线和第二半导体纳米线分别设置在第一半导体鳍结构和第二半导体鳍结构上。第一半导体纳米线包括第一杂质。第二半导体纳米线包括与第一杂质不同的第二杂质。第一电极连接到第一半导体纳米线的第一端和第二半导体纳米线的第一端。第二电极连接到第一半导体纳米线的第二端。第三电极连接到第二半导体纳米线的第二端。
[0005]根据本发明构思的示例性实施例，热电元件提供如下。第一半导体纳米线设置在半导体基底中，沿第一方向延伸并包括第一杂质。第二半导体纳米线设置在半导体基底中，沿第一方向延伸并包括与第一杂质不同的第二杂质。第一电极连接到第一半导体纳米线的第一端和第二半导体纳米线的第一端。第二电极连接到第一半导体纳米线的第二端。第三电极连接到第二半导体纳米线的第二端。
[0006]根据本发明构思的示例性实施例，制造热电元件的方法提供如下。在半导体基底上形成第一半导体鳍结构和第二半导体鳍结构。第一半导体鳍结构和第二半导体鳍结构均从半导体基底突出，沿第一方向延伸。在第一半导体鳍结构上形成第一半导体纳米线。第一半导体纳米线包括第一杂质。在第二半导体鳍结构上形成第二半导体纳米线。第二半导体纳米线包括与第一杂质不同的第二杂质。第一电极连接到第一半导体纳米线的第一端和第二半导体纳米线的第一端。第二电极连接到第一半导体纳米线的第二端。第三电极连接到第二半导体纳米线的第二端。
[0007]根据本发明构思的示例性实施例，制造热电元件的方法提供如下。在半导体基底中形成第一半导体纳米线，第一半导体纳米线沿第一方向延伸并包括第一杂质。在半导体基底中形成第二半导体纳米线，第二半导体纳米线沿第一方向延伸并包括与第一杂质不同的第二杂质。第一电极连接到第一半导体纳米线的第一端和第二半导体纳米线的第一端。第二电极连接到第一半导体纳米线的第二端。第三电极连接到第二半导体纳米线的第二端。
[0008]根据本发明构思的示例性实施例，半导体装置提供如下。第一半导体裸片包括第一热电元件。第二半导体裸片设置在第一半导体裸片上并具有第一区域和第二区域。第一热电元件包括:第一半导体纳米线，沿第一方向延伸并包括第一杂质；以及第二半导体纳米线，沿第一方向延伸并包括与第一杂质不同的第二杂质。第一热电元件还包括:第一电极，连接到第一半导体纳米线的第一端和第二半导体纳米线的第一端，并且设置在第二半导体裸片的第一区域上；第二电极，连接到第一半导体纳米线的第二端；以及第三电极，连接到第二半导体纳米线的第二端。第二电极和第三电极设置在第二半导体裸片的第二区域上。
[0009]根据本发明构思的示例性实施例，半导体装置提供如下。半导体基底包括第一区域和第二区域。在半导体装置的运行中，第一区域的温度比第二区域的温度高。片内热电元件设置在半导体基底中。第一热电元件包括:第一半导体纳米线，沿第一方向延伸并包括第一杂质；以及第二半导体纳米线，沿第一方向延伸并包括与第一杂质不同的第二杂质。第一热电元件还包括:第一电极，连接到第一半导体纳米线的第一端和第二半导体纳米线的第一端；第二电极，连接到第一半导体纳米线的第二端；以及第三电极，连接到第二半导体纳米线的第二端。第一电极设置在第一区域中，第二电极和第三电极设置在第二区域中。
[0010]根据本发明构思的示例性实施例，半导体装置提供如下。根据半导体装置的温度分布，半导体装置包括第一区域、第二区域和第三区域。热电元件包括第一电极、第二电极和第三电极。第一电极设置在第一区域上，第二电极和第三电极设置在第二区域上。热电元件包括将第一电极电连接到第二电极的第一半导体纳米线以及将第一电极电连接到第三电极的第二半导体纳米线。第一半导体纳米线和第二半导体纳米线设置在第三区域上。
【附图说明】
[0011]通过参照附图详细地描述发明构思的示例性实施例，发明构思的这些和其他特征将变得更加明了，在附图中:
[0012]图1A和图1B是示出根据本发明构思的示例性实施例的热电元件的图；
[0013]图2A、图2B、图2C和图2D是用于示出根据本发明构思的示例性实施例的制造热电元件的方法的剖视图；
[0014]图3A和图3B是用于示出根据本发明构思的示例性实施例的图1A和图1B的热电元件的操作的图；
[0015]图4是示出根据本发明构思的示例性实施例的热电元件的平面图；
[0016]图5A和图5B是示出根据本发明构思的示例性实施例的热电元件的图；
[0017]图6A和图6B是用于示出根据本发明构思的示例性实施例的制造热电元件的方法的剖视图；
[0018]图7是示出根据本发明构思的示例性实施例的热电元件的平面图；
[0019]图8A和图8B是示出根据本发明构思的示例性实施例的半导体装置的图；
[0020]图9A和图9B是用于示出根据本发明构思的示例性实施例的图8A和图8B的半导体装置的操作的图；
[0021]图10是示出包括在根据本发明构思的示例性实施例的半导体装置中的控制器的框图；
[0022]图11A和图11B是用于示出根据本发明构思的示例性实施例的图10的控制器的操作的流程图；
[0023]图12、图13和图14是用于示出包括在根据本发明构思的示例性实施例的图8A和图8B的半导体装置中的热电元件的电连接的图；
[0024]图15A和图15B是示出根据本发明构思的示例性实施例的半导体装置的图；
[0025]图16是示出根据本发明构思的示例性实施例的半导体装置的平面图；
[0026]图17是根据本发明构思的示例性实施例的存储系统的框图；
[0027]图18是根据本发明构思的示例性实施例的显示系统的框图；
[0028]图19是根据本发明构思的示例性实施例的图像传感器系统的框图；
[0029]图20是根据本发明构思的示例性实施例的移动系统的框图；
[0030]图21是根据本发明构思的示例性实施例的计算系统的框图。
【具体实施方式】
[0031]将在下面参照附图详细地描述发明构思的示例性实施例。然而，发明构思可以以不同形式实现，并且不应被解释为局限于在此阐述的实施例。在附图中，为了清楚起见，可以夸大层和区域的厚度。还将理解的是，当元件称为“在”另一元件或基底“上”时，该元件可以直接在所述另一元件或基底上，或者还可以存在中间层。还将理解的是，当元件称为“结合到”或“连接到”另一元件时，该元件可以直接结合到或直接连接到所述另一元件，或者还可以存在中间元件。在整个说明书和附图中，同样的附图标记可以指示同样的元件。
[0032]图1A和图1B是示出根据示例性实施例的热电元件的图。图1A是热电元件的平面图。图1B是沿着图1A的线1-1’截取的热电元件的剖视图。
[0033]参照图1A和图1B，热电元件100包括半导体基底101 (SSUB1)、多个第一半导体鳍结构110、多个第二半导体鳍结构120、多条第一半导体纳米线130 (N11)、多条第二半导体纳米线140 (P11)、第一电极150 (E11)、第二电极160 (E12)以及第三电极170 (E13)。热电元件100还可以包括第一阱区105(WELL1)、第一绝缘层180 (IL1)和第二绝缘层190 (IL2)。
[0034]多个第一半导体鳍结构110和多个第二半导体鳍结构120均形成为从半导体基底101突出并沿第一方向D1延伸。多个第一半导体鳍结构110可以布置在与第一方向D1交叉(例如，基本垂直)的第二方向D2上，多个第二半导体鳍结构120可以布置在第二方向D2上。第二半导体鳍结构120可以与第一半导体鳍结构110分开。第一半导体鳍结构110可以彼此分开，第二半导体鳍结构120可以彼此分开。
[0035]多条第一半导体纳米线130形成在多个第一半导体鳍结构110上。例如，每条第一半导体纳米线130可以形成在多个第一半导体鳍结构110中对应的一个第一半导体鳍结构110上。第一半导体纳米线130包括第一杂质。例如，第一杂质可以是N型杂质。类似于第一半导体鳍结构110，每条第一半导体纳米线130可以沿第一方向D1延伸，多条第一半导体纳米线130可以布置在第二方向D2上。
[0036]多条第二半导体纳米线140形成在多个第二半导体鳍结构120上。例如，每条第二半导体纳米线140可以形成在多个第二半导体鳍结构120中对应的一个第二半导体鳍结构120上。第二半导体纳米线140包括与第一杂质不同的第二杂质。例如，第二杂质可以是P型杂质。类似于第二半导体鳍结构120，每条第二半导体纳米线140可以沿第一方向D1延伸，多条第二半导体纳米线140可以布置在第二方向D2上。
[0037]在一些示例性实施例中，第一半导体鳍结构110和第二半导体鳍结构120均可以以直线形状沿第一方向D1延伸，因此第一半导体纳米线130和第二半导体纳米线140也均可以以直线形状沿第一方向D1延伸。
[0038]如图1A中所示，第一半导体纳米线130的第一端可以彼此连接，第一半导体纳米线130的第二端可以彼此连接。例如，第二半导体纳米线140的第一端可以彼此连接，第二半导体纳米线140的第二端可以彼此连接。
[0039]第一电极150连接到第一半导体纳米线130的第一端和第二半导体纳米线140的第一端。第二电极160连接到第一半导体纳米线130的第二端。第三电极170连接到第二半导体纳米线140的第二端。第一电极150、第二电极160和第三电极170可以形成在第二绝缘层190上。第一电极150可以称为共电极，使得第一半导体纳米线130和第二半导体纳米线140通过第一电极150而彼此共同地且电地连接。
[0040]在一些示例性实施例中，半导体基底101可以包括第一区域和与第一区域分开的第二区域。第一电极150可以设置在半导体基底101的第一区域中，第二电极160和第三电极170可以设置在半导体基底101的第二区域中。例如，第二区域可以在半导体基底101内距第一区域最远。如将在下面参照图3A和图3B描述的，可以通过第二电极160和第三电极170向热电元件100施加电压以执行水平热分布操作，或者可以将负载连接到热电元件100 (例如，连接在第二电极160和第三电极170之间)以执行能量产生操作。
[0041]第一阱区105可以在半导体基底101内形成在第二半导体鳍结构120下面。
[0042]在一些示例性实施例中，第一阱区105和第二半导体鳍结构120可以分别包括第一杂质。半导体基底101和第一半导体鳍结构110可以分别包括第二杂质。例如，第一讲区105、第二半导体鳍结构120和第一半导体纳米线130可以包括相同类型(例如，N型)的杂质。半导体基底101、第一半导体鳍结构110和第二半导体纳米线140可以包括相同类型(例如，P型)的杂质。
[0043]在一些示例性实施例中，第一半导体纳米线130的掺杂浓度可以分别高于第一阱区105的掺杂浓度和第二半导体鳍结构120的掺杂浓度。第二半导体纳米线140的掺杂浓度可以分别高于半导体基底101的掺杂浓度和第一半导体鳍结构110的掺杂浓度。例如，第一阱区105和第二半导体鳍结构120可以分别为N型区，第一半导体纳米线130可以为(N+)型区。半导体基底101和第一半导体鳍结构110可以分别为P型区，第二半导体纳米线140可以为(P+)型区。
[0044]第一绝缘层180可以在半导体基底101上形成在第一半导体鳍结构110和第二半导体鳍结构120之间。第二绝缘层190可以在第一绝缘层180上形成在第一半导体纳米线130和第二半导体纳米线140之间。
[0045]图2A、图2B、图2C和图2D是用于示出制造根据示例性实