(57)【要約】      （修正有）【課題】熱を放散しチップの寿命を長くする半導体チップ構造を提供する。【解決手段】一対の電極２００を備えた半導体チップ構造で、一対の電極２００は、電気的接続に用いられる異なる導電型を有する。Ｐ型、Ｎ型の各電極２００内に、熱電冷却材料層２１０、２２０が配置されている。熱電冷却材料層２１０、２２０の低温端は、熱伝導層１１０に近接する半導体チップ１００の表面に近接し、熱が半導体チップ構造の内部から熱電冷却材料層２１０，２２０の低温端へ伝導される。【選択図】図１Ｂ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気接続に用いられる異なる導電型を有する一対の電極を備えた半導体チップと、
前記一対の電極の各々の内に配置された熱電冷却材料層と、
を備える半導体チップ構造。
【請求項２】
前記一対の電極は、Ｐ型電極とＮ型電極とを含む請求項１に記載の半導体チップ構造。
【請求項３】
前記Ｐ型電極および前記Ｎ型電極が配線層を含む請求項２に記載の半導体チップ構造。
【請求項４】
前記Ｐ型電極および前記Ｎ型電極が粘着層をさらに含む請求項３に記載の半導体チップ構造。
【請求項５】
前記粘着層が単一層または複数層を含む請求項４に記載の半導体チップ構造。
【請求項６】
前記熱電冷却材料層の各々が前記配線層と前記粘着層との間に介在する請求項４に記載の半導体チップ構造。
【請求項７】
前記配線層と前記粘着層とが異なる温度を有する請求項６に記載の半導体チップ構造。
【請求項８】
前記一対の電極に電気接続されて同一の電気回路を構成する電源ユニットをさらに備える請求項１に記載の半導体チップ構造。
【請求項９】
前記半導体チップは、発光ダイオードチップまたは高電圧フリップチップである請求項１に記載の半導体チップ構造。
【請求項１０】
前記熱電冷却材料層は、ＢｉＳｂ、Ｂｉ２Ｔｅ３、ＰｂＴｅ、ＣｅＦｅ４−ｘＣｏｘＳｂ１２またはＳｉＧｅを含む請求項１に記載の半導体チップ構造。
【請求項１１】
前記熱電冷却材料層の各々に供給される動作電流Ｉｏｐｔが下式の範囲内である請求項１０に記載の半導体チップ構造。
【数１】
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（式中、Ｌは前記熱電冷却材料層の長さを表し、Ａは前記熱電冷却材料層の接触面積を表し、Ｔｃは低温端温度を表し、Ｔｈは高温端温度を表し、αはゼーベック係数を表し、ρは前記熱電冷却材料層の抵抗率を表し、ｋは前記熱電冷却材料層の熱伝導率を表し、ΔＴはＴｃとＴｈ間の温度差を表す。）
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は半導体技術に関し、より詳細には熱電（ＴＥ）冷却材料を有する半導体チップ構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
発光ダイオードのような典型的な半導体チップには、フェイスアップチップおよびフリップチップがある。半導体チップ内部の熱伝導層がフリップチップの電極層に隣接していることから、高い熱伝導率を有する電極層に熱が容易に伝わる。よって、フリップチップはより優れた放熱性を備えるため、内部温度がより低くなり、かつフリップチップがオーバードライブされるようになって、製造コストを低く抑えられる。
【０００３】
しかしながら、フリップチップにおいても効率低下現象が依然として生じ、かつ過多の熱を放散することは難しく、半導体チップ内部に蓄積されてしまう。これによりチップの寿命は短縮される。
【０００４】
故に、当該技術分野において、上述した問題を軽減または解消することのできる 半導体チップ構造を開発する必要がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記問題を解決できる半導体チップ構造を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
半導体チップ構造の例示的実施形態は、一対の電極を備えた半導体チップを含む。前記一対の電極は、電気的接続に用いられる異なる導電型をそれぞれ有する。前記一対の電極の各々の内に、熱電冷却材料層が配置される。
【０００７】
本実施形態によれば、半導体チップ構造は、Ｐ型電極およびＮ型電極内にそれぞれ配置された熱電冷却材料層を含む。熱電冷却材料層の低温端は、熱伝導層に近接する半導体チップの表面に近接していることから、熱が半導体チップ構造の内部から熱電冷却材料層の低温端へ伝導され得ることとなる。そして、能動的な熱伝導により、熱はさらに熱電冷却材料層の高温端に伝導され得る。結果として、半導体チップ構造の内部から外部へ熱が迅速に放散され、これにより半導体チップ構造の内部温度が効率良く下がる。したがって、半導体チップ構造の動作効率が高まり、かつその寿命も延びる。
【０００８】
さらに、追加の基板により半導体チップ構造を放熱構造に接続する必要はないため、半導体チップ構造のサイズが増大するのが回避され、かつ熱電冷却材料層と半導体チップとの間の接触面（ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）が減少する。よって、熱電冷却材料層の吸熱能が上がると共に、半導体チップ構造の単位面積当たりの最大光出力が向上する。 
【０００９】
本実施形態によれば、動作電流および熱電冷却材料に応じ、熱電冷却材料層の長さと接触面積を調整して、望ましい低温端温度および望ましい高温端温度にコントロールすることで、熱電冷却材料層の吸熱能をより優れたものとすることができる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、半導体チップ構造の内部温度を効率良く下げることができるため、半導体チップ構造の動作効率が高まり、かつ寿命も延びる。また本発明によれば、半導体チップ構造の熱電冷却材料層の吸熱性が向上する。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１Ａ】本発明による半導体チップ構造を形成する方法の例示的実施形態の断面図である。
【図１Ｂ】本発明による半導体チップ構造を形成する方法の例示的実施形態の断面図である。
【図１Ｃ】本発明による半導体チップ構造を形成する方法の例示的実施形態の断面図である。
【図２】本発明による半導体チップ構造の例示的実施形態の上面図である。
【図３】本発明による半導体チップ構造の例示的実施形態の上面図である。
【図４】本発明による半導体チップ構造の例示的実施形態の上面図である。
【図５Ａ】本発明による半導体チップ構造の例示的実施形態の上面図である。
【図５Ｂ】図５Ａにおける線５Ｂ−５Ｂ`に沿った断面図である。
【図６】熱電冷却材料層の透視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下の記載は、本発明の実施形態を説明するものである。本記載は、本発明の基本的な原理を説明する目的でなされており、本発明の技術的範囲を限定的に解釈するために使用されてはならない。本発明の技術的範囲は、添付の特許請求の範囲及びその均等の範囲により判断されるべきである。また、図面および詳細な説明における同じまたは類似の要素には同じ参照番号を付している。
【００１３】
添付の図面を参照することで、以下の実施形態において詳細な説明を行う。
【００１４】
図１Ａから図１Ｃは、本発明による半導体チップ構造を形成する方法の例示的実施形態の断面図である。図１Ａを参照すると、半導体フリップチップ１００が用意される。半導体フリップチップ１００は、半導体チップ１００の表面１０１に近接する位置に熱伝導層１１０を備える。半導体チップ１００は発光ダイオードチップまたは高電圧フリップチップであってもよい。
【００１５】
堆積プロセスにより、半導体チップ１００の表面１０１上に導電材料層を形成することができる。導電材料層は単層または複数層を含み得る。次いで、導電材料層上に第１のパターン化ハードマスク層（図示せず）を形成する。ドライエッチングプロセス、ウェットエッチングプロセス、プラズマエッチングプロセス、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）プロセスまたはその他の適したエッチングプロセスを、第１のハードマスク層を用いて導電材料層に行うことで、パターン化された配線層２５０を形成する。実施形態において、配線層２５０は共晶金属層を含んでもよい。
【００１６】
次に、図１Ｂを参照すると、第１のハードマスク層を除去した後、電気めっきプロセス、スパッタプロセス、シルク印刷プロセスまたはその他の適した堆積プロセスにより配線層２５０上に熱電冷却材料を形成する。次に、第２のパターン化ハードマスク層（図示せず）を熱電冷却材料上に形成する。ドライエッチングプロセス、ウェットエッチングプロセス、プラズマエッチングプロセス、反応性イオンエッチングプロセスまたはその他の適したエッチングプロセスを、第２のハードマスク層を用いて熱電冷却材料に行うことで、パターン化された熱電冷却材料層２１０および２２０を形成する。本実施形態において、熱電冷却材料層２１０および２２０はＢｉＳｂ、Ｂｉ２Ｔｅ３、ＰｂＴｅ、ＣｅＦｅ４−ｘＣｏｘＳｂ１２、ＳｉＧｅまたは類似のものを含み得る。 
【００１７】
半導体チップと他の金属材料との間の整合性（Ｃｏｍｐａｔｉｂｉｌｉｔｉｅｓ）は、熱電冷却材料とその他の金属材料との間の整合性とは異なることから、半導体チップと熱電冷却材料とを互いに接合させると、格子不整合の問題が生じ得る。そこで、配線層２５０を異なる材料の複数の層によって構成する。例えば、配線層２５０はチタンまたはタンタルを含んでもよい。
【００１８】
次に、第２のハードマスク層を除去した後、ホウ素またはＢＦ２のようなＰ型ドーパントおよびリンまたはヒ素のようなＮ型ドーパントを用い、注入プロセスのようなドーピングプロセスを熱電冷却材料層２１０および２２０にそれぞれ行って、熱電冷却材料層２１０がＰ型の導電性を、熱電冷却材料層２２０がＮ型の導電性を持つようにすることができる。別の実施形態では、熱電冷却材料層２１０がＮ型の導電性を有し、熱電冷却材料層２２０がＰ型の導電性を有する。
【００１９】
次に、堆積プロセスにより、熱電冷却材料層２１０および２２０上に粘着材料を形成することができる。 粘着材料上に第３のパターン化ハードマスク層（図示せず）を形成する。第３のハードマスク層を用い粘着材料にエッチングプロセスを行って、パターン化された粘着層３５０を形成する。粘着層３５０は単一層または複数層を含んでいてよく、かつ、ＡｕＳｎ、ＳｎＣｕ、ＳｎＩｎＢｉ、ＢｉまたはＮｉＳｎ合金のような導電材料を含み得る。
【００２０】
本実施形態において、熱電冷却材料層２１０および２２０は配線層２５０と粘着層３５０との間に介在する。Ｐ型電極は配線層２５０、熱電冷却材料層２１０および粘着層３５０からなり、Ｎ型電極は配線層２５０、熱電冷却材料層２２０および粘着層３５０からなる。Ｐ型電極およびＮ型電極は、電気接続に用いられる一対の電極２００となるよう構成されている。
【００２１】
次に、図１Ｃを参照すると、電源ユニット３００が一対の電極２００のＰ型電極およびＮ型電極に電気的に接続され、同一の電気回路４００を構成している。実施形態では、粘着層３５０を他の外部回路またはパッケージ（図示せず）と電気接続させることができる。
【００２２】
本実施形態によれば、半導体フリップチップ構造は、一対の電極２００のＰ型電極およびＮ型電極内にそれぞれ配置された熱電冷却材料層２１０および２２０を含む。図１Ｃに示されるように、電源ユニット３００がオンになると、電流は電源ユニット３００から一対の電極２００のうちのＰ型熱電冷却材料層２１０を通って半導体チップ１００の熱伝導層１１０へ流れ、さらに一対の電極２００のうちのＮ型熱電冷却材料層２２０を通って電源ユニット３００に戻る。このとき、熱電冷却材料層２１０／２２０の一端は低温端（ｃｏｌｄ−ｅｎｄ）を形成し、熱電冷却材料層２１０／２２０の他端は高温端（ｈｏｔ−ｅｎｄ）を形成する。熱電冷却材料層２１０および２２０は能動的な熱伝導を行い、相対的に低い温度を持つ低温端から相対的に高い温度を持つ高温端へ熱を強制的に伝導することができる。つまり、一対の電極２００内の熱電冷却材料層２１０および２２０によって、熱電冷却材料層２１０および２２０の低温端に貼着されている粘着層３５０に、熱電冷却材料層２１０および２２０の高温端に貼着されている配線層２５０とは異なる温度を持たせるようにできる。本実施形態において、Ｐ型熱電冷却材料層２１０を通る熱伝導の方向はＰ型熱電冷却材料層２１０を流れる電流の方向とは反対であり、Ｎ型熱電冷却材料層２２０を通る熱伝導の方向はＮ型熱電冷却材料層２２０を流れる電流の方向と同じである。
【００２３】
熱電冷却材料層２１０および２２０の低温端は、熱伝導層１１０に近接する半導体チップ１００の表面１０１に近接していることから、熱が半導体チップ構造の内部から熱電冷却材料層２１０および２２０の低温端へ伝導され得るようになる。そして、能動的な熱伝導によって、熱はさらに熱電冷却材料層２１０および２２０の高温端に伝導され得る。結果として、半導体チップ構造の内部から外部へ熱が迅速に放散され、これにより半導体チップ構造の内部温度が効率良く下がる。したがって、半導体チップ構造の動作効率が高まり、かつその寿命が延びる。
【００２４】
さらに、熱電冷却材料層２１０および２２０は半導体チップ１００の一対の電極２００内に配置されており、かつ熱電冷却材料層２１０および２２０、半導体チップ１００ならびに電源ユニット３００が同一の電気回路４００を構成するため、半導体チップ構造を追加の基板により放熱構造に接続する必要はない。故に、半導体チップ構造のサイズの増大を回避することができる。また、追加の基板を用いることなく熱電冷却材料層が半導体チップに接続されることから、熱電冷却材料層と半導体チップとの間の接触面（ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）が減少する。よって、熱電冷却材料層の吸熱性が上がると共に、半導体チップ構造の単位面積当たりの最大光出力が向上する。 
【００２５】
本実施形態によれば、熱電冷却材料層２１０および２２０は、下式で示される範囲の動作電流Ｉｏｐｔを有する。
【００２６】
【数１】
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【００２７】
式中、Ｌは熱電冷却材料層２１０／２２０の長さを表し、Ａは熱電冷却材料層２１０／２２０と他の層との接触面積を表し（図６に示されている）、Ｔｃは低温端温度を表し、Ｔｈは高温端温度を表し、αはゼーベック係数を表し、ΔＴはＴｃとＴｈ間の温度差（つまり、Ｔｈ−Ｔｃ）表し、ρは熱電冷却材料層２１０／２２０の抵抗率を表し、ｋは熱電冷却材料層２１０／２２０の熱伝導率を表す。動作電流および熱電冷却材料層２１０／２２０の材料に応じ、熱電冷却材料層２１０／２２０の長さＬと接触面積Ａを調整して、望ましい低温端温度Ｔｃおよび望ましい高温端温度Ｔｈにコントロールし、熱電冷却材料層２１０／２２０の吸熱性をより優れたものとすることができる。
【００２８】
本実施形態において、熱電冷却材料層２１０および２２０は単一層または複数層を含んでいてよい。例えば、熱電冷却材料層２１０および２２０を、セラミック基板またはその他の適した材料を用いて互いに接合された複数の熱電冷却材料層から構成することによって、均一温度を有する表面を提供することができる。複数の熱電冷却材料層は低温端と高温端との間の温度差ΔＴを大きくすることができ、これによって吸熱性が向上する。
【００２９】
図２から図４および図５Ａは、本発明による半導体チップ構造の各種例示的実施形態の上面図であり、図５Ｂは図５Ａにおける線５Ｂ−５Ｂ’に沿った断面図である。図２から図４、図５Ａおよび図５Ｂにおいて、図１Ａから図１Ｃに示された構成要素と同一の構成要素には、図１Ａから１Ｃに示された構成要素と同一の参照番号が付与されているため、これらについては再度説明はしない。半導体チップ構造の構成要素の相対位置を明確に示すため、図２から図４において、粘着層３５０、電源ユニット３００および電気回路４００を示しておらず、図５Ａおよび図５Ｂにおいては電源ユニット３００および電気回路４００を示していない。
【００３０】
図２を参照すると、本実施形態において、半導体チップ構造は、互いに間隔をあけて配された４対の電極２００を備え得る。各対の電極２００はＰ型熱電冷却材料層２１０およびＮ型熱電冷却材料層２２０をそれぞれ含む。熱電冷却材料層２１０および２２０は、半導体チップ１００の表面１０１上にて配列し２×４のマトリクスを成している。同列に配された熱電冷却材料層２１０および２２０は同じ導電型を有し、同行に配された熱電冷却材料層２１０および２２０は異なる導電型を有する。本実施形態では、図６に示されるように、Ｐ型熱電冷却材料層２１０およびＮ型熱電冷却材料層２２０は、長さＬおよび接触面積Ａを有する角柱である。別の実施形態では、Ｐ型熱電冷却材料層２１０およびＮ型熱電冷却材料層２２０は、楕円形の柱体、角丸長方形の柱体、または多角形の柱体（図示せず）であってもよい。
【００３１】
本実施形態において、Ｐ型熱電冷却材料層２１０およびＮ型熱電冷却材料層２２０は接触面積２１０Ａおよび接触面積２２０Ａをそれぞれ有する。接触面積２１０Ａは接触面積２２０Ａより小さい。別の実施形態では、接触面積２１０Ａが接触面積２２０Ａに等しい、またはこれより大きくてもよい。
【００３２】
図３を参照すると、本実施形態において、半導体チップ構造は１対の電極２００のみを有し、Ｐ型熱電冷却材料層２１０の接触面積２１０ＡとＮ型熱電冷却材料層２２０の接触面積２２０Ａとが等しい。 別の実施形態では、接触面積２１０Ａと接触面積２２０Ａとは異なっていてもよい。Ｐ型熱電冷却材料層２１０の接触面積２１０ＡとＮ型熱電冷却材料層２２０の接触面積Ａ２とが等しいとき、放熱性はより優れたものとなる。
【００３３】
図４を参照すると、本実施形態において、半導体チップ構造は、Ｐ型熱電冷却材料層２１０およびＮ型熱電冷却材料層２２０をそれぞれに含む８対の電極２００を備え得る。熱電冷却材料層２１０および２２０は、半導体チップ１００の表面１０１上にて配列し４×４のマトリクスを成しており、かつ同じ接触面積２１０Ａおよび２２０Ａを有する。同列に配された２つの隣り合う熱電冷却材料層は異なる導電型を有し、同行に配された２つの隣り合う熱電冷却材料層も異なる導電型を有する。実施形態においては、半導体チップ構造を粘着層３５０（図示せず）により他の外部配線またはパッケージに貼着して、異なる対の電極２００に電気的に接続させることができる。
【００３４】
同じ接触面積を有する１対の電極２００のみを含む図３における実施形態の半導体チップ構造と比較してみると、図４における実施形態の半導体チップ構造は、図３におけるのと同じ単位面積において互いに間隔をあけて配置され、かつ同じ接触面積を有する複数対の電極２００を含んでいる。図４における熱電冷却材料層２１０および２２０は、電流密度が図３におけるそれらに比してより均一であり、このため有効な吸熱の面積がより大きい。結果として、複数対の電極２００により熱電冷却材料の面積利用率が増大し得るので、吸熱性が向上し、ひいては半導体チップ構造の内部温度がさらに低くなる。
【００３５】
図２から図４に示されるＰ型熱電冷却材料層２１０およびＮ型熱電冷却材料層２２０の数、形状、接触面積のサイズ、および配置は例示であって、本発明はこれらに限定はされないということが理解される。Ｐ型熱電冷却材料層２１０およびＮ型熱電冷却材料層２２０の実際の数、形状、接触面積のサイズ、および配置は、設計の要求により適宜決定される。
【００３６】
図５Ａおよび図５Ｂを参照すると、本発明による半導体チップ構造の別の例示的実施形態の上面図および断面図が示されている。図５Ａおよび図５Ｂに示される半導体チップ構造は図４に示されるものに類似する。両者の違いは、図５Ａおよび図５Ｂに示される半導体チップ構造の粘着層３５０が異なる対の電極２００のＰ型熱電冷却材料層２１０およびＮ型熱電冷却材料層２２０に接続されていることで、異なる対の電極２００間の電気接続を形成するという点である。よって、半導体チップ構造は独立した素子として機能することができ、他の外部配線またはパッケージにさらに接続する必要はない。
【００３７】
本実施形態によれば、電極２００内の熱電冷却材料層２１０および２２０の低温端は、熱伝導層１１０に近接する半導体チップ１００の表面１０１に近接していることから、熱が半導体チップ構造の内部から熱電冷却材料層２１０および２２０の低温端へ伝導され得る。そして、能動的な熱伝導によって、熱はさらに熱電冷却材料層２１０および２２０の高温端に伝導され得る。結果として、半導体チップ構造の内部から外部へ熱が迅速に伝導され、これにより半導体チップ構造の内部温度が効率良く下がる。したがって、半導体フリップチップ構造がオーバードライブされたとしても、半導体フリップチップ構造の高効率は維持され、かつその寿命は延びる。
【００３８】
実施例及び好ましい実施形態の観点から本発明を説明したが、本発明の技術的範囲がこれらに限定されないのは言うまでもない。むしろ、当業者には明らかなように、各種変更および類似の構成がカバーされるよう意図されている。よって、かかる変更および類似の構成がすべて包含されるよう、添付の特許請求の範囲には最も広い解釈が与えられなければならない。
【００３９】
＜関連出願の相互参照＞
本出願は、２０１３年１０月４日に出願された台湾特許出願第１０２１３５９６０号の優先権を主張し、この出願の全てが本明細書において援用される。
【符号の説明】
【００４０】
１００…半導体チップ
１０１…表面
１１０…熱伝導層
２００…電極
２１０、２２０…熱電冷却材料層
２５０…配線層
３００…電源ユニット
３５０…粘着層
４００…電気回路
Ａ、２１０Ａ、２２０Ａ…接触面積
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
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【図２】
2015076607.tif 000008
【図３】
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【図４】
2015076607.tif 000010
【図５Ａ】
2015076607.tif 000011
【図５Ｂ】
2015076607.tif 000012
【図６】
2015076607.tif 000013