用于在三维集成结构内产生电功率的方法及相应链接器件与流程

技术领域

本发明涉及微电子领域，尤其涉及三维技术平台，并且更具体地涉及在集成结构内产生不同于由传统电源(诸如例如电池)产生的电功率的电功率。

背景技术：

三维集成结构包括例如由链接器件电互连的若干元件(至少两个)，链接器件通常被本领域技术人员称为“插入体(interposer)”。总体而言，插入体包括例如硅衬底，可以在硅衬底上形成金属迹线，金属迹线在至少一个金属化层级上行进和/或被配备有穿过衬底的过孔，过孔通常被本领域技术人员缩写为TSV(用于硅通孔)，以便提供可以被布置在插入体的相同面上或不同面上的各种元件之间的互连。

因此，可以通过珠状体或“凸块(bump)”，在插入体的相同第一面上电互连或非电互连地连接两个元件(诸如集成电路)，并且也可以通过凸块将另一元件(例如印刷电路板(PCB)或者另一集成电路)电连接到插入体的另一面。

技术实现要素：

根据一个实施例及其实施方式，因而其构思是使用专用于集成结构的操作恢复电功率，并且然后潜在地存储电功率，以便能够例如向结构的集成电路的特定部分供电，和/或对电池再充电。然后能够显著地增加电池的寿命和/或减小后者的尺寸。

为了这个目的，构思具体是使用结构的插入体中的可用空间来容纳给将允许产生这种电功率的热电发电器。

实际上，当插入体包括半导体衬底以及在衬底上面掩埋在绝缘涂层中的导电互连部分(互连部分通常被本领域技术人员缩写为BEOL(“后端制程”))，并且当插入体用于采用被包括在这个互连部分(BEOL)中的金属迹线的、在集成结构的各种元件之间的互连时，插入体特别直接地用于将掩埋在所述互连部分和所述半导体衬底之间的绝缘涂层内的热电偶的至少一部分，特别是成对的N和P条。

然后可以在互连部分的至少一个金属化层级上形成在各种热电偶之间的电链接。

在插入体内容纳的热电发电器是有益的，但热电发电器不限于使用CMOS技术制造的发电器，并且热电发电器与在微电子领域已经广泛应用的制造技术完全兼容，尤其是用于板上非易失性存储器或者根据本领域技术人员公知的技术的嵌入式存储器(换句话讲，在同时包括另一部件(例如处理器)的相同集成电路上制造的存储器，该存储器与外部存储器模块相反，外部存储器模块在与包括处理器的集成电路不同的专用集成电路上制造)。

特别地，利用已经可用的材料层(例如多晶硅)，以便形成存储器单元，并且与现有存储器单元的制造工艺相比，发电器不需要任何额外的掩膜或额外的工艺步骤。

作为一个变体，利用发电器，发电器的制造工艺在集成到用于存储器单元的传统制造工艺的同时，不再需要包括一些特别易于实施的额外的制造工艺步骤。

根据一个方面，提供一种用于在三维集成结构内产生电功率的方法，该三维集成结构包括由链接器件电互连的若干元件，方法包括：在链接器件的至少一个区域内产生由所述元件中的至少一个元件的操作所致的温度梯度，并且使用至少一个热电发电器产生电功率，热电发电器包括串联地电连接并且并联地热连接的热电偶的至少一个组件，并且被包含在经受所述温度梯度的所述区域内。

根据另一方面，提供一种用于互连三维集成结构的若干元件的链接器件，还包括至少一个热电发电器，热电发电器包括串联地电连接并且并联地热连接的热电偶的至少一个组件。

根据与用于制造嵌入式非易失性存储器的技术显著兼容的一个有利的实施例，链接器件包括例如由硅制成的半导体衬底和绝缘区域，绝缘区域例如为本领域技术人员熟知为STI(浅沟槽隔离)的浅沟槽，并且热电偶的所述至少一个组件包括平行半导体区域，例如N型或P型掺杂的多晶硅区域，每个半导体区域具有从两种相反导电类型中选取的一种导电类型；

这些平行半导体区域中的至少一些可以在平行绝缘区域之间的衬底中行进，

或者，这些平行半导体区域中的至少一些可以在衬底的一部分之上和上方并且在绝缘区域的至少一部分的顶部上行进而同时与所述衬底的一部分电隔离，

或者，这些平行半导体区域中的至少一些用绝缘材料涂覆，并且这些平行半导体区域中的至少一些可以整体在平行绝缘区域的顶部上或者整体在衬底的位于所述平行绝缘区域之间的区域的顶部上行进。

无论配置如何，所述半导体区域串联地电连接，以便形成交替地具有两种导电类型中的一种和另一种的区域链。

根据一个实施例，发电器还包括在半导体区域之间提供电链接的导电连接装置，这些连接装置位于衬底的顶部之上，并且将具有两种导电类型中的一种(例如N型导电类型)的半导体区域的一个端部区域连接到具有另一导电类型(例如P型导电类型)的半导体区域的端部区域。

例如，这些连接装置用绝缘材料涂覆，并且包括平行于半导体区域的金属迹线，金属迹线通过竖直电链接(被本领域技术人员熟知为“过孔”或“接触”)被连接到所述端部区域。

用于形成热电偶的组件的多个结构是可能的。

发电器还能够包括串联地电连接并且并联地热连接的热电偶的至少一个另一组件热电偶，所有组件相互并联地电连接和热连接。

根据另一方面，还提供一种三维集成结构，其包括由链接器件(诸如上文中限定的那样)电互连的至少两个元件，其热电发电器以如下方式与所述元件中的至少一个元件热耦合，所述元件中的所述至少一个元件能够在操作中在所有热电偶的对应的第一端部区域和对应的第二端部区域之间产生温度梯度；链接器件还包括导电输出装置，其耦合到所述发电器，以便递送由所述发电器产生的所述电功率。

集成结构还能够包括用于存储电功率的装置，该装置电耦合到导电输出装置。

根据一个实施例，链接器件包括在半导体衬底上面的至少一个金属化层级，并且在热电偶之间的电链接的至少一部分包括在至少一个金属化层级之上行进的金属迹线。

附图说明

基于对附图和非限制性的实施例的详细描述的研究，本发明的其它优点和特征将变得明显，其中：

图1示意性地示出根据本发明的方法的一种实施方式，在根据本发明的集成结构的一个示例的链接器件或插入体的一个实施例内并入热电发电器的一个示例，

图2和图3示意性地示出根据本发明的发电器的示例，发电器可以由链接器件支撑和/或被并入到链接器件中，以及

图4到图16更具体地但仍以示意性方式示出根据本发明的发电器的其它示例，发电器可以由链接器件支撑和/或被并入到链接器件中。

具体实施方式

在图1中，附图标记STD指示三维集成结构，三维集成结构包括链接器件或插入体INTP，在本示例中在链接器件或插入体INTP的上部面上通过连接珠状体或“凸块”BL来连接两个集成电路CI1和CI2。

此外，集成结构STD还包括第三元件，在本示例中是集成电路板或PCB(印刷电路板)，同样通过凸块BL将插入体INTP的下部面连接到集成电路板或PCB上。

插入体INTP包括通常由硅制成的衬底SB，以及互连部分INTX，互连部分INTX包括若干金属化层级，在该若干金属化层级内形成连接在一起的金属迹线，其中一些金属迹线通过过孔连接。金属迹线的和过孔的整体组件用绝缘涂层(例如二氧化硅)涂覆，并且具体地提供在两个集成电路CI1和CI2之间的电互连。

衬底SB还包括导电竖直链接LV，该竖直链接LV为TSV(“硅通孔”)的形式，允许例如互连部分INTX的金属迹线中的一些与凸块BL电连接，以提供在集成电路CI1和CI2中的至少一个与板CT之间的竖直电连接。

此处，根据本发明的一个方面，构思是使用插入体INTP，以便将热电发电器并入其中。

热电发电器通常包括串联地电连接并且并联地热连接的热电偶的组件。应理解，并联地热连接的热电偶意味着热电偶被设计为均经受相同的温度梯度，例如当在热电偶的一端设置热源并且当在热电偶的另一端设置冷源时。

由于赛贝克(Seebeck)效应，随后跨串联地电连接的热电偶的组件的两个端子产生电势差。

根据本发明的一个方面，连接在插入体INTP上的各种集成电路CI1、CI2的电活性将产生温度梯度GDT，发电器GEN将经受该温度梯度GDT。

实际上，集成电路未必在相同的时间展现相同的活性。因此，如在图1中所示，发电器GEN的一端与集成电路CI1的一部分(该部分形成热源)热耦合，同时发电器GEN的另一端与另一集成电路CI2的一部分(该部分形成冷源)热耦合。该操作当然是可反转的，换句话讲冷源可以在给定的时刻变为热源，并且热源可以变为冷源。在这个情况下，热梯度与产生的电流的方向一起反转。

如果结构STD只包括单个集成电路(例如电路CI1)，还将可以放置发电器GEN的一端与这个集成电路CI1热耦合，然后形成热源SH，而发电器GEN的另一端将不与任何集成电路热耦合，其将随后构成冷源。

然后可以通过功率管理模块PWM来管理跨发电器GEN端子递送的电功率，该功率管理模块PWM可以是直接在插入体上制造的特定部件，并且更佳地是嵌入式模块，换句话讲与发电器GEN同时制造。

这个模块PWM可以直接向负载或者电池或者备选地存储装置(诸如电容器)供应功率。

总体而言，任何热电发电器结构是合适的。

在下列出版物中所描述的发电器可以被特别地使用：

Vullers等人的文章，名称为“Micropower energy harvesting”，Solid-State Electronics 53(2009)684-693，

Yang等人的文章，名称为“Design and verification of a thermoelectric energy harvester with stacked polysilicon thermocouples by CMOS process”，Sensors and actuators A157(2010)258-266，

Pin-Hsu Kao等人的文章，名称为“Fabrication and Characterization of CMOS-MEMS Thermoelectric Micro Generators”，Sensors 2010，10，1315-1325，

Joao Paulo Carmo等人的文章，名称为“A planar thermoelectric power generator for integration in wearable microsystems”，Sensors and Actuators A161(2010)，199-204，

S.M.Yang等人的文章，名称为“Development of a thermoelectric energy harvester with thermal isolation cavity by standard CMOS process”，Sensors and Actuators A153(2009)，244-250，

Ziyang Wang等人的文章，名称为“Realization of a wearable miniaturized thermoelectric generator for human body applications”，Sensors and Actuators A156(2009)，95-102，

Hélène Lhermet等人的文章，名称为“Efficient Power Management Circuit:From Thermal Energy Harvesting to Above-IC Microbattery Energy Storage”，IEEE Journal of Solid-State Circuits，Vol.43，No.1，January 2008，

Till Huesgen等人的文章，名称为“Design and fabrication of MEMS thermoelectric generators with high temperature efficiency”，Sensors and Actuators A145-146(2008)，423-429，

David Koester等人的文章，名称为“Embedded thermoelectric coolers for semiconductor hot spot cooling”，2006IEEE，

Hiromichi Ohta等人的文章，名称为“Critical thickness for giant thermoelectric Seebeck coefficient of 2DEG confined in SrTiO₃/SrTi_0.8Nb_0.2O₃superlattices”，Thin Solid Films 516(2008),5916-5920。

然而，使用将参照图2及下文描述的发电器GEN特别有益，因为这些与在微电子领域广泛使用的制造技术相兼容，特别是那些用于制作嵌入式非易失性存储器的技术。

在图2中，发电器包括热电偶THi的组件ENS1。

此处每个热电偶THi包括附图标记为RSNi的N型导电类型的条形式的半导体区域以及同样为条形式的附图标记为RSPi的P型导电类型的半导体区域。

热电偶THi的两个半导体区域平行，并且在它们的一端处电连接，并且所有热电偶THi串联电连接，以便形成交替地具有N型导电类型和P型导电类型的平行条链。

将导电输出装置MSE连接到分别属于第一热电偶TH1和最末热电偶THn的条RSN1和条RSPn的相应和对应的端部，例如金属迹线或对应的条的延伸。

热源SH和冷源SF分别设置在热电偶的所有平行半导体区域的对应的端部区域ZX1的以及这些平行半导体区域的对应的端部区域ZX2的前面。

由于赛贝克效应，经受温差或温度梯度的PN对将产生电流，电流将由输出装置MSE进行递送，以然后例如存储在用于存储电功率的装置MSTK中，该用于存储电功率的装置MSTK包括例如连接到装置MSE的端子的电容器，以便形成闭合电路。

作为一个变体，装置MSE可以连接到集成电路的另一部分以便形成闭合电路，并且能够对集成电路的这一另一部分直接供应电功率。

发电器GEN的输出功率主要取决于PN对的数目、发电器表面面积、温度梯度值和材料性质，换句话讲取决于它们的赛贝克系数。

组件ENS1的热电偶并联地热连接，换句话讲它们被连接以便所有热电偶一起经受相同的温度梯度。

如在图3中示出的，作为一个变体，发电器可以包括热电偶的至少一个另一组件，此处为具有与第一组件ENS1相同或不同的结构的第二热电偶组件ENS2。此处再一次地，另一组件ENS2的热电偶串联地电连接并且并联地热连接。

此外，两个组件ENS1、ENS2相互并联地电连接，并且此外还相互并联地热连接，换句话讲在当前情况下，热源SH和冷源SF允许即将由热源SH和冷源SF产生的温差应用到所有组件的所有热电偶。

这就允许向导电输出装置MSE供应更高的电功率。

现在将参照图4至图16描述发电器结构GEN的多个示例。

在图4中，用于发电器GEN的支撑包括插入体INTP的半导体衬底SB的区域，在区域内，布置平行绝缘区域RIS，例如STI(浅沟槽隔离)型的区域。

热电偶ENS1的组件位于衬底SB中，并且包括在衬底中行进的半导体区域RSN、RSP，两个相邻的半导体区域RSN、RSP分别具有两种导电类型(在这一情况下为N型导电类型和P型导电类型)中的一种和另一种，并且由绝缘区域RIS分隔。

组件由绝缘层CS1(例如氮化硅层)覆盖，绝缘层CS1自身用绝缘涂层(例如二氧化硅SiO₂)覆盖。

这种发电器的制造与用于制造嵌入式存储器的传统方法完全兼容，并且不需要任何方法改变或附加掩膜层级。

例如，绝缘涂层ENR例如是在其中形成互连部分ITX的金属化层级的绝缘涂层。

为了这个目的，并且总体而言，无论使用何种热电偶组件结构，发电器都包括在热电偶的半导体区域之间提供电链接的导电连接装置，这些连接装置位于衬底的顶部上，并且将具有两种导电类型中的一种(例如N型导电类型)的半导体区域的一个端部区域连接到具有另一导电类型(例如P型导电类型)的半导体区域的端部区域。

例如，这些连接装置用绝缘材料ENR涂覆，并且包括平行于半导体区域并且通过竖直电链接(例如接触或过孔)连接到所述端部区域的金属迹线。

此外，为了与用于部件制作(例如嵌入式存储器)的传统方法完全兼容，连接装置的金属迹线位于互连部分ITX的金属化层级中的至少一个上。

在图5中更具体地说明这点，图5示出图4中的发电器的连接装置。

因此，半导体区域RSN的端部区域ZX1通过横跨分隔这两个区域RSN1和RSP1的绝缘区域RIS的金属迹线PM，电连接到区域RSP1的相应的端部区域ZX1，金属迹线通过通孔V连接到端部区域ZX1。

类似地，区域RSN1和RSP2的端部区域ZX2也通过横跨这两个区域RSN1和RSP2的金属迹线PM，连接在一起。金属迹线PM通过通孔V连接到端部区域ZX2。

类似地，由横跨绝缘区域RIS的金属迹线PM以相同的方式，连接区域RSP2和RSN2的两个端部区域ZX1，金属迹线通过通孔V连接到端部区域ZX1。

在图6中的实施例在热电偶部件的组件ENS1的意义上，与在图4中和在图5中的实施例不同，一方面，第一平行半导体区域RSP所有都在衬底SB中行进并且所有都具有两种导电类型中的一种，在所述情况下为P型导电类型。由绝缘区域RIS分隔两个相邻的第一半导体区域RSP。

另一方面，热电偶组件包括第二平行半导体区域RSN，所有第二平行半导体区域RSN各自在绝缘区域RIS中行进，并且所有第二平行半导体区域RSN具有另一种导电类型，在所述情况下为N型导电类型。

应注意到，所述实施例具有的优点是，提供一种发电器，发电器在与在图4中相同的表面面积尺寸下，具有更多的PN对，这就允许增大传输的电功率。

相对于用于嵌入式存储器类型的传统制造方法，用于制造发电器的方法略微被修改。更确切地，在形成在硅中的沟槽之后并且在沟槽壁上形成覆盖后者的氧化物层之后，沉积原位掺杂的多晶硅，然后以传统方式(例如干法蚀刻工艺)蚀刻从沟槽外溢的硅。

在图7和图8中的实施例中，在其上形成发电器的衬底区域，在平行绝缘区域RIS之间，包括衬底区域RSB，所有衬底区域RSB具有相同导电类型，即此处为例如N型导电类型。

此外，此处热电偶组件ENS1，在每个半导体区域RSB顶部上，包括至少一对半导体区域RSP、RSN，半导体区域RSP、RSN对用绝缘材料ENR覆盖并且各自具有两种导电类型。

更确切地，在所述示例中，对的低半导体区域RSP具有P型导电类型，并且由具有N型导电类型的区域RSN覆盖。

传统上绝缘涂层包括氮化硅和二氧化硅，并且相当于传统非易失性双栅存储器(其中一个栅浮置)。为了这个目的，用于制造在图7中的发电器GEN的热电偶的方法与用于制造浮栅平面存储器的方法相似。

此处，再一次地，如在图8中示出的，金属迹线和通孔允许热电偶串联地电连接。更确切地，第一半导体区域RSP1的第一端部区域ZX1通过通孔V1和通孔V2以及金属迹线的一部分PM1，连接到相邻对的半导体区域RSN2的相应的第一端部区域ZX10。

此外，区域RSN1的第二端部区域ZX20和区域RSN2的第二端部区域ZX20通过通孔V3、通孔V4、通孔V5、通孔V6和金属迹线的一部分PM2、金属迹线的一部分PM3，连接到区域RSP1和区域RSP2的第二相应端部区域ZX2。

应注意到，此处正如在图4中的实施例，部分PM1横跨分隔半导体对RSP1、RSN1和半导体对RSP2、RSN2两个半导体对绝缘区域RIS。

作为一个变体，半导体区域对还能够位于绝缘区域RIS上方，而不是位于衬底上方。

这特别是在图9中的实施例的情况，其中发电器GEN的热电偶的组件ENS1还包括平行半导体区域RSNA、RSPA，平行半导体区域RSNA、RSPA在衬底中行进，并且在被平行绝缘区域RIS分隔的同时，分别地交替地具有两种导电类型(N和P)中的一种和另一种。

此外，正如在此处及上文中指示的，除了这些衬底区域RSNA、RSPA，在每个绝缘区域的顶部上，组件ENS1还包括半导体区域RSPBi和半导体区域RSNBi的半导体区域对，半导体区域对具有绝缘材料ENR，并且各自具有两种导电类型N和P。

因此，相对于在图7中的实施例，并且在相同的表面面积尺寸下，在图9中的发电器GEN具有相对于在图7中发电器PN对数量的增加数量的PN对。

此处再一次地，在图9中的发电器与用于制造嵌入式非易失性存储器的方法完全兼容。

在图10中示意地示出在各种热电偶的各种元件之间的电链接装置。

更确切地，位于绝缘区域RIS的顶部上的半导体区域RSPB1的第一端部区域ZX1，通过通孔V1和通孔V2和金属线的一部分PM1，连接到区域RSNB1的第一相应端部区域ZX10。

区域RNSB1的第二端部区域ZX20通过通孔V3和通孔V4和金属迹线的一部分PM2，连接到衬底区域RSPA的第二端部区域ZX2A。

由连接区域RSPA的和区域RSNB2的两个相应的第一端部区域ZX1A和ZX10的通孔V5和金属迹线的一部分PM3，提供在区域RSPA和区域PSNB2之间的电连续。

由连接这两个区域的两个相应的端ZX20和ZX2的通孔V6和通孔V7，提供在区域RSNB2和RSPB2之间的电连续。

由通孔V8和通孔V9和金属迹线的一部分PM5，在区域RSPB1和相邻的衬底区域RSNA的各自的第二端部区域ZX2和ZX2A处，提供在区域RSPB1和相邻的衬底区域RSNA之间的电连续。

相似地，由在区域RSNA的端部区域ZX1A的通孔V10和金属迹线的一部分PM6，提供在所述区域RSNA和相邻对的半导体区域RSPB。

在图11中的发电器GEN的实施例与在图9中的发电器的实施例在以下事实方面不同：热电偶的组件ENS1还包括在绝缘区域RIS中行进的平行半导体区域。

更确切地，热电偶的组件ENS1包括平行衬底区域RSNA(所有平行衬底区域RSNA具有相同的导电类型，在所述情况下为N型导电类型)、半导体区域RSPA(在分隔这些衬底区域RSNA的绝缘区域RIS内行进，并且所有半导体区域RSPA具有相同的导电类型，即P型导电类型)以及平行半导体区域RSPBi和RSNBi对(在每个半导体区域RSNA顶部上，用绝缘材料ENR覆盖。

因此，与嵌入式非易失性存储器的技术完全兼容的这样的一个实施例，与在图4中的实施例相比，在相同的表面覆盖区域，包括高得多的PN对数量，这就使得实施例在产生电功率方面更加有效得多。

在图12中示意地示出在图11中的发电器的各种热电偶的各种部分之间的电连接装置。此处，这些装置中的一些同时在集成电路的两个金属化层级(即金属化层级1MET1和金属化层级2MET2)之上行进。

正如在上述实施例中，通过连接具有两种不同的导电类型N和P的两个半导体区域的两个端部区域的通孔和金属迹线的部分，实现在串联连接的各种热电偶的各种元件之间的电连接。

此外，尽管由位于金属化层级MET1上的金属迹线的一部分PM1，实现在区域RSPB1和区域PSNA之间的电连接，但是包封在绝缘区域RIS内的在区域RSNB1和区域RSPA之间的电连接，是由位于金属化层级MET1和MET2的金属迹线的三个部分PM2、PM3、PM4实现的。

图12的右下方示出，使用通孔V以便达成与区域RSPA的接触的，包封在区域RIS内的，在金属迹线的一部分PM和半导体区域RSPA之间的连接。

在图12中示出的区域的另一个电连续特别地包括金属迹线的部分PM4、PM5、PM6、PM7、PM8。

正如在此处及上文中参照图3指示的，热电偶的两个组件可以是并联地电连接的。在图3中示出了这样的一个实施例的一个示例。

在所述附图中，发电器包括例如在图4和图5中示出的热电偶的组件ENS1以及在图7和图8中示出的热电偶的组件ENS2。

硅是热的极良导体，因此在热电偶的两端分别出现的两个温差级以很快地均衡，这就然后中断了电功率的产生。

大体上讲，在图14中的实施例特别地通过使用多晶硅，允许延迟温度的均衡，同时保持与传统CMOS制造技术兼容。

更确切地，正如在图14中很示意地示出的，发电器GEN的热电偶ENS的组件的部分，在由绝缘层CS1(例如二氧化硅薄层)覆盖的衬底SB的部分之上行进，而热电偶的组件的其余部分在比覆盖硅衬底的绝缘层更厚的绝缘区域RIS之上行进，其中所述层RIS可以是STI型的浅绝缘沟槽。

由于这个原因，鉴于绝缘材料(通常为二氧化硅)是热的极不良导体的事实，延迟在热电偶两端之间的温度均衡的达到，这就改进了发电器的效率。

在图15和图16中示出一个更确切的示例实施例。

在这些附图中，由薄二氧化硅绝缘层CS1覆盖衬底SB的相应区域。

热电偶的组件ENS1包括平行半导体区域RSNi、RSPi的多个平行对，多个平行对分别具有两种导电类型N和P，这些对在绝缘层CS1之上和上方以及比绝缘层CS1更厚的绝缘区域RIS之上行进。