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集成三維單元結(jié)構(gòu)、集成冷卻陣列及基于單元的集成電路的制作方法

文檔序號:12288953閱讀:來源:國知局

技術(shù)特征:

1.一種集成三維單元結(jié)構(gòu),包括:

電介質(zhì)基板(10);和

至少一個熱電冷卻裝置陣列(012),所述熱電冷卻裝置(012)安裝在全部或部分電介質(zhì)基板(010)的內(nèi)部,或安裝在全部或部分電介質(zhì)基板(010)的頂部,或安裝在全部或部分電介質(zhì)基板(010)的底部,所述熱電冷卻裝置(012)用于散熱,所述熱電冷卻裝置(012)包括:

至少一個第一導電類型的第一主區(qū)域(014),所述第一主區(qū)域(014)是獨立可控的;

至少一個第一導電類型的第二主區(qū)域(018);和

至少一個設(shè)置在所述第一主區(qū)域(014)和至少一個所述第二主區(qū)域(018)之間的熱電冷卻區(qū)域(020),其中,至少一個移位、移位再縫合(shifted and shifted and stitched)的所述熱電冷卻區(qū)域(020)包括至少一個"移位和縫合熱電偶元件";

和/或

至少一個嵌入有"移位和縫合熱電偶元件"的裝置,所述裝置與柵極區(qū)(060)壓縮在所述安裝的熱電冷卻裝置的頂部;至少一個第一或第二導電類型的第一主區(qū)域(044);

至少一個第一或第二導電類型的第二主區(qū)域(048);和

至少一個設(shè)置在所述第一主區(qū)域(044)和至少一個所述第二主區(qū)域(048)之間的熱電冷卻區(qū)域(046),其中,至少一個所述熱電冷卻區(qū)域(050)包括至少一個"移位和縫合熱電偶元件";

和/或

至少一個用于觸發(fā)所述熱電冷卻裝置的晶體管陣列(24)

和/或

至少一個用于聯(lián)合發(fā)電或單獨發(fā)電的縫合熱電冷卻裝置的賽貝克元件裝置,所述賽貝克元件裝置安裝在移位和縫合熱電冷卻裝置的頂部或者嵌在基板內(nèi)。

2.如權(quán)利要求1所述的單元結(jié)構(gòu),其特征在于,

所述單元結(jié)構(gòu)的形狀為三維立方體、長方體、圓柱體、橢球體或球體。

3.如上述任一權(quán)利要求所述的單元結(jié)構(gòu),其特征在于,

所述單元結(jié)構(gòu)的單元尺寸處于160nm至400mm的范圍內(nèi),優(yōu)選地,在200mm至400mm的范圍內(nèi),優(yōu)選地,在100mm至200mm的范圍內(nèi),優(yōu)選地,在1000nm至100mm的范圍內(nèi),優(yōu)選地,在500nm至1000nm的范圍內(nèi),優(yōu)選地,在300nm至500nm的范圍內(nèi),優(yōu)選地,在160nm至300nm的范圍內(nèi)。

4.如權(quán)利要求1或2所述的單元結(jié)構(gòu),其特征在于,

所述單元結(jié)構(gòu)的單元尺寸小于160nm,優(yōu)選地,在1nm至120nm的范圍內(nèi),更優(yōu)選地,在5nm至80nm的范圍內(nèi),特別優(yōu)選地,在10nm至30nm的范圍內(nèi)。

5.如上述任一權(quán)利要求所述的單元結(jié)構(gòu),其特征在于,

所述單元結(jié)構(gòu)進一步包括:

至少一個柵極區(qū)(060),所述柵極區(qū)(060)具有控制所述第一主區(qū)域(014)和所述第一主區(qū)域(044)之間載流的管路功能(via function),其中,當溫度達到對應的熱電冷卻區(qū)域(20)的所需溫度時,每個所述柵極區(qū)(60)之間電連接。

6.如權(quán)利要求5所述的單元結(jié)構(gòu),其特征在于,

至少一個所述柵極區(qū)(060)嵌入在所述電介質(zhì)基板內(nèi),其中,所述熱電冷卻區(qū)域(20)的數(shù)量與所述柵極區(qū)(060)的數(shù)量相同,并且其中每個所述柵極區(qū)朝向相應的熱電冷卻區(qū)域(20)。

7.如上述任一權(quán)利要求所述的單元結(jié)構(gòu),其特征在于,

所述單元結(jié)構(gòu)包括多個所述熱電冷卻區(qū)域(20),其中,每一個所述熱電冷卻區(qū)域(20)使用相同的第一主區(qū)域(14),但是使用不同的柵極區(qū)(060)。

8.如上述任一權(quán)利要求所述的單元結(jié)構(gòu),其特征在于,

所述熱電冷卻裝置(12)包括多個從所述第一主區(qū)域徑向延伸的指狀結(jié)構(gòu),其中,每個指狀結(jié)構(gòu)包括相互之間順序布置的一個柵極區(qū)(16)、一個熱電冷卻區(qū)域(20)和一個第二主區(qū)域(18)。

9.如權(quán)利要求8所述的單元結(jié)構(gòu),其特征在于,

所述指狀結(jié)構(gòu)沿徑向直線延伸,形成所述熱電冷卻裝置(12)的星形結(jié)構(gòu)。

10.如權(quán)利要求8或9所述的單元結(jié)構(gòu),其特征在于,

所述指狀結(jié)構(gòu)以至少部分彎曲的方式沿徑向延伸,形成如所述熱電冷卻裝置(12)的螺旋狀結(jié)構(gòu)的緊密堆積結(jié)構(gòu)。

11.如上述任一權(quán)利要求所述的單元結(jié)構(gòu),其特征在于,

所述熱電冷卻裝置(12)包括至少4個,特別地至少6個或8個徑向延伸的指狀結(jié)構(gòu)。

12.如上述任一權(quán)利要求所述的單元結(jié)構(gòu),其特征在于,

所述第一主區(qū)域(14)包括表面區(qū)域,所述表面區(qū)域的形狀為六邊形、八邊形或矩形,尤其是二次形。

13.如權(quán)利要求1-11任一所述的單元結(jié)構(gòu),其特征在于,

所述第一主區(qū)域(14)包括表面區(qū)域,所述表面區(qū)域的形狀為圓形,尤其是環(huán)形、橢圓形或卵形。

14.如上述任一權(quán)利要求所述的單元結(jié)構(gòu),其特征在于,

將所述第一主區(qū)域(14)設(shè)計為源極區(qū)或者漏極區(qū),并且在這種情況下,將所述第二主區(qū)域(18)分別設(shè)計為相應的漏極區(qū)和漏極區(qū)。

15.如上述任一權(quán)利要求所述的單元結(jié)構(gòu),其特征在于,

至少一個所述熱電偶元件包括第三導電類型的第一子域(30)和第四導電類型的第二子域(32),所述第四導電類型與所述第三導電類型不同,其中,所述第一和第二子域(30、32)相互間隔,且位移、位移后能相互縫合。

16.如上述任一權(quán)利要求所述的單元結(jié)構(gòu),其特征在于,

至少一個熱電冷卻區(qū)域(20)包括多個順序布置且相互連接的熱電偶元件。

17.如權(quán)利要求16所述的單元結(jié)構(gòu),其特征在于,

相應的彼此間隔開的第一和第二子域(30、32)之間設(shè)置有界層,其中,所述界層部分填充有絕緣材料(34)。

18.如權(quán)利要求16或17所述的單元結(jié)構(gòu),其特征在于,

相鄰的所述第一和第二子域(30、32)的縱向間隔距離相等。

19.如權(quán)利要求16-18任一所述的單元結(jié)構(gòu),其特征在于,

相鄰的所述第一和第二子域(30、32)之間的距離不等,所述第一和/或第二子域(30、32)按鋸齒形布置。

20.如權(quán)利要求19所述的單元結(jié)構(gòu),其特征在于,

所述第一和/或第二子域(30、32)相對于水平面的移位和縫合虛擬角的角度在5°和85°之間的范圍內(nèi),尤其在45°和60°之間的范圍內(nèi),優(yōu)選地,在30°和40°之間的范圍內(nèi),最優(yōu)選地,在10°和20°之間的范圍內(nèi)。

21.如權(quán)利要求19或20所述的單元結(jié)構(gòu),其特征在于,

所述移位和縫合熱電偶元件的所述第一和/或第二子域(30、32)為多部分結(jié)構(gòu),尤其是兩部分結(jié)構(gòu)。

22.如權(quán)利要求21所述的單元結(jié)構(gòu),其特征在于,

所述多部分結(jié)構(gòu)包括第一部分和第二部分,所述第一部分具有第一移位和縫合虛擬角,所述第二部分與所述第一部分相連,所述第二部分具有第二移位和縫合虛擬角,其中,所述第一部分與橋接元件直接相連,所述第一移位和縫合虛擬角等于或者大于所述第二移位和縫合虛擬角,和/或

所述第一移位和縫合虛擬角等于或者小于所述第二移位和縫合虛擬角。

23.如權(quán)利要求22所述的單元結(jié)構(gòu),其特征在于,

所述第一移位和縫合虛擬角在5°和45°之間的范圍內(nèi),尤其在25°和35°之間的范圍內(nèi),和/或

所述第二移位和縫合虛擬角在45°和85°之間的范圍內(nèi),尤其在60°和70°之間的范圍內(nèi)。

24.如上述任一權(quán)利要求所述的單元結(jié)構(gòu),其特征在于,

每個所述第一和第二子域(30、32)包括兩個邊界接口(38、40),其中,相鄰但彼此間隔的第一和第二子域(030、032)的所述邊界接口(38、40)通過橋接元件(36、42)連接。

25.如權(quán)利要求24所述的單元結(jié)構(gòu),其特征在于,

第一橋接元件(36)從所述第一子域(30)的第一邊界接口(38)延伸至所述第二子域(32)的第二邊界接口(40),以使對應的彼此間隔的第一和第二子域(030、032)相互電連接。

26.如權(quán)利要求24或25所述的單元結(jié)構(gòu),其特征在于,

所述橋接元件(36、42)包括高度摻雜的多晶硅、金屬或合金。

27.如上述任一權(quán)利要求所述的單元結(jié)構(gòu),其特征在于,

同一個所述熱電冷卻區(qū)域的至少兩個熱電偶元件彼此相鄰,并通過第二橋結(jié)構(gòu)(42)連接。

28.如上述任一權(quán)利要求所述的單元結(jié)構(gòu),其特征在于,

設(shè)置有至少一個電屏蔽層,其與熱電冷卻區(qū)域的熱側(cè)相鄰,其中所述屏蔽層用于提供從所述電介質(zhì)基板到所述熱電冷卻區(qū)域的熱側(cè)的高導熱率,所述屏蔽層其進一步用于阻止所述電介質(zhì)基板和所述熱電冷卻區(qū)域的熱側(cè)之間電連接。

29.如權(quán)利要求28所述的單元結(jié)構(gòu),其特征在于,

所述屏蔽層包括電絕緣材料,如,氧化硅、低介電和/或高介電材料、AgO、TiO2、Al2O3。

30.如上述任一權(quán)利要求所述的單元結(jié)構(gòu),其特征在于,

設(shè)置有至少一個冷卻層,其與所述熱電冷卻區(qū)域的冷側(cè)的所述橋接元件相連,所述冷卻層的導熱率大,利于散熱。

31.一種集成冷卻陣列,包括:

電介質(zhì)基板,

多個如權(quán)利要求1-30中任一所述的單元結(jié)構(gòu),其中,所述單元結(jié)構(gòu)以陣列的方式設(shè)置在所述常用的電介質(zhì)基板內(nèi)。

32.如權(quán)利要求31所述的冷卻陣列,其特征在于,

所述單元結(jié)構(gòu)彼此電連接,所述電連接的方式為串聯(lián)和/或并聯(lián)。

33.一種基于單元的集成電路,包括:

至少一個如權(quán)利要求1-30中任一所述的單元結(jié)構(gòu),

與每一個柵極區(qū)相連的控制裝置,其用于控制每一個柵極區(qū)獨立地的運行。

34.如權(quán)利要求33所述的集成電路,其特征在于,

所述控制裝置包括程序可控裝置,所述程序可控裝置包括高頻時鐘發(fā)生器(24)和由所述高頻時鐘發(fā)生器(24)觸發(fā)的計數(shù)器(22),其中,每個單元結(jié)構(gòu)的所述柵極區(qū)由所述計數(shù)器(22)根據(jù)計數(shù)器讀數(shù)觸發(fā)。

35.如權(quán)利要求33或34所述的集成電路,其特征在于,

每個所述單元結(jié)構(gòu)的柵極區(qū)的觸發(fā)方式為串聯(lián)或并聯(lián)。

36.如權(quán)利要求33-35中任一所述的集成電路,其特征在于,

在同一個或不同單元結(jié)構(gòu)的相鄰熱電冷卻裝置之間和/或在所述熱電冷卻裝置的冷側(cè)或熱側(cè)設(shè)置有裝置區(qū)域,在一個裝置區(qū)域內(nèi)還進一步包括至少一個電介質(zhì)裝置。

37.如權(quán)利要求36所述的集成電路,其特征在于,

所述電介質(zhì)裝置是下列中的至少一個:

傳感器,尤其是高溫傳感器或光學傳感器,

整流元件,尤其是二極管,

轉(zhuǎn)換元件,尤其是晶體管,優(yōu)選為MOSFET,例如IGFET、NMOS、PMOS、VMOS,

控制元件,

可編程裝置,尤其是微處理器、微控制器和/或可編程邏輯裝置,例如FPGA或PLD,

存儲裝置,例如DRAM、ROM、SRAM,

太陽能電池,

激光二極管,

LED,

微帶。

38.如權(quán)利要求35或37所述的集成電路,其特征在于,

所述電介質(zhì)裝置與所述第一主區(qū)域和所述熱電冷卻裝置彼此隔開,和/或所述電介質(zhì)裝置至少部分地設(shè)置在所述熱電冷卻裝置之間。

39.如權(quán)利要求35-38中任一所述的集成電路,其特征在于,

所述第一移位和縫合部分(700)的長度在第一子域(030)的長度范圍內(nèi),是第一部分長度的1/99和47/500,尤其是,在第一子域(030)的長度范圍內(nèi),在第一部分的1/4和1/3之間,或者,特別地,在第一子域(030)的長度范圍內(nèi),是第一部分長度的1/5和1/4,和/或,其中,所述第二移位和縫合部分(710)的長度在第二子域(032)的長度范圍內(nèi),是第二部分長度的1/99和47/500,尤其是,在第二子域(032)的長度范圍內(nèi),是第二部分長度的1/4和1/3,或者,特別地,在第二子域(032)的長度范圍內(nèi),是第二部分長度的1/5和1/4,和/或,其中,所述第三移位和縫合部分(720)的長度在第一子域(030a)的長度范圍內(nèi),是第三部分長度的1/99和47/500,尤其是,在第一子域(030a)的長度范圍內(nèi),是第三部分長度的1/4和1/3,或者,特別地,在第一子域(030a)的長度范圍內(nèi),是第三部分長度的1/5和1/4,和/或,

其中,所述第四移位和縫合部分(730)的長度在第一子域(030b)的長度范圍內(nèi),是第四部分長度的1/99和47/500,尤其是,在第一子域(030b)的長度范圍內(nèi),是第四部分長度的1/4和1/3,或者,特別地,在第一子域(030b)的長度范圍內(nèi),是第四部分長度的1/5和1/4;

在進一步優(yōu)選的實施例中,所述集成冷卻陣列還包括:

每個所述第一和第二子域(030、032)包括兩個邊界接口(038、040),其中,所述相鄰但彼此間隔的第一和第二子域(030、032)的邊界接口(038、40)通過橋接元件(036、420)連接。

40.如權(quán)利要求35-39中任一所述的集成電路,其特征在于,

所述第一主區(qū)域被至少兩個徑向延伸的區(qū)域圍繞,每個所述第一主區(qū)域包括一個柵極區(qū),一個第二主區(qū)域和一個熱電冷卻區(qū)域。

41.如權(quán)利要求35-40中任一所述的集成電路,其特征在于,

所述集成電路包括計數(shù)器,所述計數(shù)器包括與電源相連的時鐘信號發(fā)生器,其中,至少一個柵極區(qū)通過至少一個傳導元件與所述計數(shù)器相連。

42.如權(quán)利要求35-41中任一所述的集成電路,其特征在于,

所述集成電路如此設(shè)計的目的是使其能夠在0.5pA至500mA范圍的電流下運行,尤其是在1mA至200mA之范圍的電流下運行,優(yōu)選地,在10μΑ至120μΑ范圍的電流下運行,最優(yōu)選地,在10pA至1μΑ范圍的電流下運行。

43.如權(quán)利要求1-30中任一所述的單元結(jié)構(gòu),其特征在于,

設(shè)置有多個可控的熱電冷卻區(qū)域(20),其中,至少設(shè)置有兩個所述可控的熱電冷卻區(qū)域(20),尤其是多個所述可控的熱電冷卻區(qū)域(20)具有不同的移位和縫合虛擬角。

44.如權(quán)利要求1-30或43中任一所述的裝置,其特征在于,

多個熱電冷卻區(qū)域以星形的方式從所述第一主區(qū)域向外延伸。

45.如權(quán)利要求44所述的裝置,其特征在于,

每個星形延伸的熱電冷卻區(qū)域可獨立地觸發(fā)。

46.如權(quán)利要求1-30或43-45中任一所述的裝置,其特征在于,

所述熱電冷卻裝置能夠通過獨立地觸發(fā)多個所述熱電冷卻區(qū)域?qū)?shù)字數(shù)據(jù)進行編碼,所述熱電冷卻區(qū)域具有不同的移位和縫合虛擬角。

47.如權(quán)利要求1-30或43-46中任一所述的裝置,其特征在于,

所述熱電冷卻裝置(12)能夠通過獨立地觸發(fā)多個所述熱電冷卻區(qū)域而作為溫度傳感器使用,所述熱電冷卻區(qū)域具有不同的移位和縫合虛擬角。

48.如權(quán)利要求1-30或43-47中任一所述的裝置,其特征在于,

至少兩個熱電冷卻裝置(12)一個接一個地縱向疊放在電介質(zhì)基板內(nèi)。

49.如權(quán)利要求1-30或43-48中任一所述的裝置,其特征在于,

設(shè)置在相鄰熱電冷卻裝置(12)之間的界層限定了兩個相鄰熱電冷卻裝置(12)的間距。

50.如權(quán)利要求49所述的裝置,其特征在于,

所述間距至少為5nm,且最優(yōu)選地,所述間距為5nm至12nm。

51.如權(quán)利要求49或50所述的裝置,其特征在于,

所述界層至少有部分由絕緣材料構(gòu)成,優(yōu)選地完全由絕緣材料構(gòu)成。

52.如權(quán)利要求1-30或43-51中任一所述的裝置,其特征在于,

在至少兩個熱電冷卻裝置(12)之間設(shè)置有至少一個連接裝置,其中,所述連接裝置由高導熱和電絕緣材料構(gòu)成。

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