[發(fā)明專利]熱電裝置及其形成方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201010144277.3
• 申請日: 2010-04-02
• 公開（公告）號: CN102214784A
• 公開（公告）日: 2011-10-12
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 三重野文健;郭景宗
• 申請（專利權(quán)）人: 中芯國際集成電路制造(上海)有限公司
• 主分類號: H01L35/32
• 分類號: H01L35/32;H01L35/10;H01L35/34
• 代理公司: 北京集佳知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11227
• 代理人: 李麗

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及集成電路芯片的冷卻應(yīng)用領(lǐng)域，特別涉及熱電裝置及其形成方法。

背景技術(shù)

隨著集成電路芯片功能的越來越強(qiáng)大，其所包含的電路結(jié)構(gòu)也越來越龐大。相應(yīng)地，集成電路芯片運(yùn)行時所產(chǎn)生的熱量也持續(xù)增加。集成電路芯片過熱將導(dǎo)致其性能下降。因此，如何對集成電路芯片進(jìn)行冷卻就成為了現(xiàn)今所關(guān)注的一個重要課題。

對集成電路芯片進(jìn)行冷卻的一種常規(guī)方法是采用對流散熱的風(fēng)扇和散熱片進(jìn)行風(fēng)冷冷卻。然而，風(fēng)冷冷卻的工作方式會受到集成電路芯片實際應(yīng)用的諸多限制。例如，在真空室或潔凈室等對空氣條件要求較嚴(yán)格的環(huán)境下，對集成電路芯片進(jìn)行風(fēng)冷冷卻就不太適合。現(xiàn)有技術(shù)還經(jīng)常采用的另一種冷卻方法為液體冷卻。液體冷卻常被應(yīng)用于大型或超大型計算機(jī)中的集成電路芯片冷卻。但液體冷卻由于其所需設(shè)備龐大且成本較高，也不適用于例如便攜式電腦中的集成電路芯片冷卻。

為克服風(fēng)冷和液體冷卻的缺陷，現(xiàn)有技術(shù)研制出了一種熱電致冷器(thermal?electric?cooling)。熱電致冷器所基于的工作原理為珀爾貼(Peltier)效應(yīng)。珀爾貼效應(yīng)中，在兩個不同的材料間施加直流電流會使得熱量在這兩種材料的結(jié)合處被吸收。

現(xiàn)有技術(shù)的一種熱電致冷器應(yīng)用例如美國專利US7022553B2所揭示的，可以使用于疊層芯片(chip-on-chip)的封裝結(jié)構(gòu)中。參照圖1所示，熱電致冷器160包括第一金屬層127、第二金屬層129及第一、第二金屬層間的半導(dǎo)體材料層128。半導(dǎo)體材料層128為多個N型和/或P型半導(dǎo)體構(gòu)成的熱電偶。熱電致冷器160通過連接線133連接于芯片125A上，其與芯片125A間通過絕緣層126進(jìn)行電隔離。若半導(dǎo)體材料層128為P型半導(dǎo)體構(gòu)成的熱電偶，當(dāng)熱電致冷器160經(jīng)由芯片125A獲得的電流沿箭頭170方向傳輸時，熱電致冷器160對芯片125A吸熱以進(jìn)行冷卻。而當(dāng)電流沿箭頭172方向傳輸時，熱電致冷器160則可吸收熱量對芯片125A加熱。

然而，上述熱電致冷器是由單個熱電偶對芯片進(jìn)行冷卻，需通過額外的連接線133連接芯片以獲得直流電流，如此就增加了封裝結(jié)構(gòu)的布線難度且冷卻效果不佳。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明提供一種熱電裝置，以克服現(xiàn)有技術(shù)熱電致冷器效果不佳且需通過額外連接線獲得電流而增加封裝結(jié)構(gòu)的布線難度的缺陷。

為解決上述問題，本發(fā)明提供一種熱電裝置，包括：半導(dǎo)體襯底；貫穿半導(dǎo)體襯底的多個隔離結(jié)構(gòu)、以及分別位于隔離結(jié)構(gòu)兩側(cè)的n型熱電結(jié)構(gòu)、p型熱電結(jié)構(gòu)，且所述p型熱電結(jié)構(gòu)與n型熱電間隔排列；位于半導(dǎo)體襯底上表面的多個第一導(dǎo)電電極，位于半導(dǎo)體襯底下表面的多個第二導(dǎo)電電極；其中第一導(dǎo)電電極電連接相鄰的n型熱電結(jié)構(gòu)與p型熱電結(jié)構(gòu)，第二導(dǎo)電電極電連接相鄰的n型熱電結(jié)構(gòu)與p型熱電結(jié)構(gòu)，且第一導(dǎo)電電極和第二導(dǎo)電電極將所有的n型熱電結(jié)構(gòu)，p型熱電結(jié)構(gòu)串聯(lián)。

可選的，所述n型熱電結(jié)構(gòu)的材料為n型SiGe，所述p型熱電結(jié)構(gòu)的材料為p型SiGe。

可選的，所述n型熱電結(jié)構(gòu)的材料包括兩種n型熱電材料的超晶格，所述p型熱電結(jié)構(gòu)的材料包括兩種p型熱電材料的超晶格。

可選的，所述兩種n型熱電結(jié)構(gòu)的材料包括n型Si和n型SiGe。

可選的，所述兩種p型熱電結(jié)構(gòu)的材料包括p型Si和p型SiGe。

可選的，所述兩種P型熱電材料包括B₄C和B₉C。

可選的，所述隔離結(jié)構(gòu)材料為Al₂O₃、SiO₂、Si₃N₄中的任意一種。

可選的，所述熱電裝置還包括覆蓋所述第一導(dǎo)電電極或第二導(dǎo)電電極的隔離層。

可選的，所述隔離層表面外延有形成待冷卻芯片的半導(dǎo)體基底或者所述隔離層表面外延有半導(dǎo)體基底。

可選的，所述半導(dǎo)體基底為硅襯底、SOI襯底、氮化鎵襯底或者砷化鎵襯底。

本發(fā)明還提供一種熱電裝置的形成方法，包括：提供半導(dǎo)體襯底；形成貫穿所述半導(dǎo)體襯底的多個隔離結(jié)構(gòu)；在隔離結(jié)構(gòu)兩側(cè)形成貫穿半導(dǎo)體襯底n型熱電結(jié)構(gòu)，p型熱電結(jié)構(gòu)，且所述p型熱電結(jié)構(gòu)與n型熱電間隔排列；在半導(dǎo)體襯底上表面形成多個第一導(dǎo)電電極，第一導(dǎo)電電極電連接相鄰的n型熱電結(jié)構(gòu)與p型熱電結(jié)構(gòu)；在半導(dǎo)體襯底下表面形成多個第二導(dǎo)電電極，第二導(dǎo)電電極電連接相鄰的n型熱電結(jié)構(gòu)與p型熱電結(jié)構(gòu)，且第一導(dǎo)電電極和第二導(dǎo)電電極將所有的n型熱電結(jié)構(gòu)，p型熱電結(jié)構(gòu)串聯(lián)。

可選的，隔離結(jié)構(gòu)的形成步驟包括：形成貫穿所述半導(dǎo)體襯底的溝槽陣列，采用隔離介質(zhì)填平溝槽陣列的溝槽。