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JP2007214285A - Semiconductor device - Google Patents

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JP2007214285A
JP2007214285A JP2006031514A JP2006031514A JP2007214285A JP 2007214285 A JP2007214285 A JP 2007214285A JP 2006031514 A JP2006031514 A JP 2006031514A JP 2006031514 A JP2006031514 A JP 2006031514A JP 2007214285 A JP2007214285 A JP 2007214285A
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thermoelectric power
thermoelectric
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JP2006031514A
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Inventor
Teruyuki Ito
輝之 伊藤
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Renesas Technology Corp
Original Assignee
Renesas Technology Corp
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Publication date
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To obtain a semiconductor device in which the deterioration of performance resulting from a power supply voltage drop (IR drop) in the semiconductor device can be suppressed easily. <P>SOLUTION: When a semiconductor device 100 comprising a semiconductor substrate 10, a circuit element 20 formed on the semiconductor substrate, and a multilayer wiring portion 50 having a large number of wiring formed across a plurality of layers and constituting an integrated circuit together with the circuit element is manufactured on the semiconductor substrate, thermoelectric generating portions 60A-60C are formed in the multilayer wiring portion and individual thermoelectric generating portions are connected with predetermined wiring in the multilayer wiring portion. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

この発明は、半導体基板と、該半導体基板に形成された回路素子と、該回路素子と共に集積回路を構成する多数の配線が複数層に亘って形成された多層配線部とを有する半導体装置に関する。   The present invention relates to a semiconductor device having a semiconductor substrate, a circuit element formed on the semiconductor substrate, and a multilayer wiring portion in which a large number of wirings constituting an integrated circuit together with the circuit element are formed over a plurality of layers.

今日の電子機器には、集積回路を備えた種々の半導体装置が用いられている。個々の半導体装置は、半導体基板と、該半導体基板に形成された回路素子と、該回路素子と共に集積回路を構成する多数の配線が複数層に亘って形成された多層配線部とを有しており、多層配線部は半導体基板上に形成される。近年では電子機器の高性能化が急速に進められており、これに伴って個々の半導体装置の消費電力は増大している。   In today's electronic equipment, various semiconductor devices including integrated circuits are used. Each semiconductor device has a semiconductor substrate, a circuit element formed on the semiconductor substrate, and a multilayer wiring portion in which a large number of wirings constituting an integrated circuit together with the circuit element are formed over a plurality of layers. The multilayer wiring portion is formed on the semiconductor substrate. In recent years, the performance of electronic devices has been rapidly improved, and accordingly, the power consumption of individual semiconductor devices is increasing.

その一方で携帯型電子機器も急速に普及しており、高性能の携帯型電子機器の連続使用時間を長時間にするために、二次電池の改良や小型の燃料電池の開発も併せて進められている。また、新たな電源として熱電発電素子の開発も進められており、例えば特許文献1には、半導体素子と、該半導体素子に外付けされた熱電発電素子とを備えたモジュールが記載されている。   On the other hand, portable electronic devices are also rapidly spreading, and in order to increase the continuous use time of high-performance portable electronic devices, the improvement of secondary batteries and the development of small fuel cells are also being promoted. It has been. Further, development of a thermoelectric power generation element as a new power source is also in progress. For example, Patent Document 1 describes a module including a semiconductor element and a thermoelectric power generation element externally attached to the semiconductor element.

特開2004−158531号公報Japanese Patent Laid-Open No. 2004-158531

高性能の半導体装置を得るうえからは、該半導体装置を構成する個々の回路素子の高性能化を図ることは勿論、半導体装置内での電源電圧の降下(IRドロップ)に起因して信号遅延が生じることによる性能の低下を抑えることが必要となる。   In order to obtain a high-performance semiconductor device, not only the performance of individual circuit elements constituting the semiconductor device is improved, but also signal delay due to a drop in power supply voltage (IR drop) in the semiconductor device. It is necessary to suppress a decrease in performance due to the occurrence of the above.

この発明は上記に鑑みてなされたものであり、IRドロップに起因する性能の低下を抑え易い半導体装置を得ることを目的とする。   The present invention has been made in view of the above, and an object of the present invention is to obtain a semiconductor device that can easily suppress a decrease in performance due to an IR drop.

上記の目的を達成するこの発明の半導体装置は、半導体基板と、半導体基板に形成された回路素子と、回路素子と共に集積回路を構成する多数の配線が複数層に亘って形成された多層配線部と、多層配線部に設けられて該多層配線部における所定の配線と互いに接続された熱電発電部とを有することを特徴とするものである。   A semiconductor device of the present invention that achieves the above object includes a semiconductor substrate, a circuit element formed on the semiconductor substrate, and a multilayer wiring portion in which a plurality of wirings constituting an integrated circuit together with the circuit elements are formed over a plurality of layers. And a thermoelectric power generation part provided in the multilayer wiring part and connected to a predetermined wiring in the multilayer wiring part.

この発明の半導体装置では、多層配線部に熱電発電部が設けられ、かつ該熱電発電部と多層配線部における所定の配線とが互いに接続されているので、IRドロップが生じても、所望の回路素子での電圧降下を熱電発電部からの給電により抑えることができる。その結果として、IRドロップに起因する性能の低下を抑えることが容易になる。   In the semiconductor device according to the present invention, a thermoelectric power generation unit is provided in the multilayer wiring unit, and the thermoelectric power generation unit and a predetermined wiring in the multilayer wiring unit are connected to each other. The voltage drop at the element can be suppressed by feeding from the thermoelectric generator. As a result, it becomes easy to suppress a decrease in performance due to the IR drop.

以下、この発明の半導体装置の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この発明は以下に説明する実施の形態に限定されるものではない。   Embodiments of a semiconductor device according to the present invention will be described below in detail with reference to the drawings. The present invention is not limited to the embodiments described below.

実施の形態1.
図1は、この発明の半導体装置の一例を概略的に示す平面図である。同図に示す半導体装置100は、半導体基板、半導体基板に形成された回路素子、回路素子と共に集積回路を構成する多数の配線が複数層に亘って形成された多層配線部、および多層配線部に設けられて該多層配線部における所定の配線と互いに接続された熱電発電部等を有している。図1には3つの熱電発電部60A〜60Cと、電源電圧供給線WVDD と、接地線WGND と、配線44a,44bと、多層配線部を覆う保護層70と、複数のパッドPとが示されており、3つの熱電発電部60A〜60Cのうちの熱電発電部60Aは、多層配線部の平面上の中央部に配置されて、配線44aにより電源電圧供給線WVDD に接続されていると共に配線44bにより接地線WGND に接続されている。他の熱電発電部60B,60Cは、それぞれ、多層配線部における所定の配線に直接またはコンタクトプラグを介して接続されている。
Embodiment 1 FIG.
FIG. 1 is a plan view schematically showing an example of the semiconductor device of the present invention. The semiconductor device 100 shown in FIG. 1 includes a semiconductor substrate, a circuit element formed on the semiconductor substrate, a multilayer wiring portion in which a plurality of wirings constituting an integrated circuit together with the circuit elements are formed over a plurality of layers, and a multilayer wiring portion. A thermoelectric power generation unit and the like that are provided and connected to predetermined wirings in the multilayer wiring unit are provided. And three thermoelectric power generation unit 60A~60C in FIG. 1, a power supply voltage supply line W VDD, a ground line W GND, wiring 44a, and 44b, a protective layer 70 covering the multilayer wiring portion, and a plurality of pads P thermoelectric power generation unit 60A of the indicated and, three thermoelectric power generation unit 60A~60C is disposed in a central portion of the plane of the multilayer wiring portion is connected to the power voltage supply line W VDD by a wire 44a It is connected to a ground line W GND by a wire 44b with. The other thermoelectric generators 60B and 60C are each connected directly to a predetermined wiring in the multilayer wiring part or via a contact plug.

上記の多層配線部は半導体基板よりも小さく、多層配線部の周囲には、平面視上、半導体基板の縁部が広がっている。配線44a,44bは、多層配線部における最も上の層間絶縁膜に形成されて保護層70により覆われており、電源電圧供給線WVDD および接地線WGND は、多層配線部における最も上の層間絶縁膜から所定のパッドPにかけて形成されて保護層70により覆われている。また、各パッドPは、多層配線部における最も上の層間絶縁膜の縁部上に形成されて、多層配線部における所定の配線またはコンタクトプラグに接続されている。なお、図1においては、熱電発電部60A〜60C、電源電圧供給線WVDD 、接地線WGND 、配線44a、および配線44bの各々を、便宜上、実線で描いている。 The multilayer wiring portion is smaller than the semiconductor substrate, and the edge of the semiconductor substrate spreads around the multilayer wiring portion in plan view. The wirings 44a and 44b are formed on the uppermost interlayer insulating film in the multilayer wiring part and covered with the protective layer 70. The power supply voltage supply line WVDD and the ground line WGND are connected to the uppermost interlayer in the multilayer wiring part. The insulating layer is formed over a predetermined pad P and is covered with a protective layer 70. Each pad P is formed on the edge of the uppermost interlayer insulating film in the multilayer wiring portion and connected to a predetermined wiring or contact plug in the multilayer wiring portion. In FIG. 1, the thermoelectric power generation units 60 </ b> A to 60 </ b> C, the power supply voltage supply line W VDD , the ground line W GND , the wiring 44 a, and the wiring 44 b are drawn with solid lines for convenience.

図2は、図1に示したII−II線断面の概略図である。同図に示すように、半導体装置100では、半導体基板10に回路素子20が形成され、この回路素子20を覆うようにして半導体基板10上に多層配線部50が形成され、この多層配線部50を覆うようにして保護層70が形成されている。図1に示した各熱電発電部60A〜60Cは、上述のように、多層配線部50に設けられている。ただし、図2には熱電発電部60Aのみが現れている。   FIG. 2 is a schematic view of a section taken along line II-II shown in FIG. As shown in the figure, in the semiconductor device 100, a circuit element 20 is formed on the semiconductor substrate 10, and a multilayer wiring part 50 is formed on the semiconductor substrate 10 so as to cover the circuit element 20. A protective layer 70 is formed so as to cover the surface. Each thermoelectric power generation unit 60A-60C shown in FIG. 1 is provided in the multilayer wiring unit 50 as described above. However, only the thermoelectric generator 60A appears in FIG.

半導体基板10は、シリコンのような元素半導体からなる基板であってもよいし、ガリウムヒ素のような化合物半導体からなる基板であってもよい。さらには、SOI(Silicon on Insulator)基板であってもよい。半導体基板10の所定箇所には、該半導体基板10に形成しようとする回路素子の種類に応じた所定の素子領域(ウェル)と、所定形状の素子分離領域とが形成される。図示の半導体基板10は、P- 型シリコン基板1の所定箇所にN型ウェル3およびP型ウェル(図2には現れていない。)を形成し、さらに、各素子領域を平面視上区画するようにして素子分離領域(素子分離膜)7を形成したものである。 The semiconductor substrate 10 may be a substrate made of an elemental semiconductor such as silicon, or may be a substrate made of a compound semiconductor such as gallium arsenide. Furthermore, an SOI (Silicon on Insulator) substrate may be used. A predetermined element region (well) corresponding to the type of circuit element to be formed on the semiconductor substrate 10 and an element isolation region having a predetermined shape are formed at predetermined positions of the semiconductor substrate 10. In the semiconductor substrate 10 shown in the figure, an N-type well 3 and a P-type well (not shown in FIG. 2) are formed at predetermined positions of the P -type silicon substrate 1, and each element region is partitioned in plan view. Thus, the element isolation region (element isolation film) 7 is formed.

回路素子としてどのような素子を形成するかは、半導体装置100に求められる機能等に応じて適宜選定される。図2に示す回路素子20は、電界効果トランジスタ(以下、「電界効果トランジスタ20」という。)である。電界効果トランジスタ20は、N型ウェル3に形成されたソース領域12およびドレイン領域14と、半導体基板10上にゲート絶縁膜16を介して配置されたゲート電極18と、ゲート電極18における線幅方向の両側面それぞれに設けられたサイドウォールスペーサSW,SWとを有している。ゲート電極18に所定の電圧を印加すると、ソース領域12とドレイン領域14との間にチャネルが形成される。   Which element is formed as the circuit element is appropriately selected according to the function required for the semiconductor device 100. The circuit element 20 shown in FIG. 2 is a field effect transistor (hereinafter referred to as “field effect transistor 20”). The field effect transistor 20 includes a source region 12 and a drain region 14 formed in the N-type well 3, a gate electrode 18 disposed on the semiconductor substrate 10 via a gate insulating film 16, and a line width direction in the gate electrode 18. Side wall spacers SW, SW provided on the both side surfaces of each. When a predetermined voltage is applied to the gate electrode 18, a channel is formed between the source region 12 and the drain region 14.

多層配線部50は、最も下に位置する第1層間絶縁膜30と、真中に位置する第2層間絶縁膜35と、最も上に位置する第3層間絶縁膜40とを有しており、層間絶縁膜30、35、40の各々には、コンタクトプラグと、各コンタクトプラグを所定のパターンで電気的に接続して上述の回路素子と共に集積回路を形成する多数の配線とが形成されている。図2においては、各層間絶縁膜30、35、40に形成されているコンタクトプラグおよび配線のうち、ソース領域12に接続された第1層コンタクトプラグ32aと、ドレイン領域14に接続された第1層コンタクトプラグ32bと、4つの第1層配線34a〜34dと、1つの第2層コンタクトプラグ37と、2つの第2層配線39a,39bと、1つの第3層コンタクトプラグ42と、3つの第3層配線(第3層配線44c、電源電圧供給線WVDD 、および接地線WGND )とが現れている。所望の無機材料または有機材料によって多層配線部50上に保護層70が形成されて、多層配線部50に形成されている各配線および各コンタクトプラグを酸化や腐食等から保護している。 The multilayer wiring section 50 includes a first interlayer insulating film 30 positioned at the bottom, a second interlayer insulating film 35 positioned at the center, and a third interlayer insulating film 40 positioned at the top. In each of the insulating films 30, 35, and 40, a contact plug and a large number of wirings that form an integrated circuit together with the above-described circuit elements by electrically connecting the contact plugs in a predetermined pattern are formed. In FIG. 2, of the contact plugs and wirings formed in the interlayer insulating films 30, 35, and 40, the first layer contact plug 32 a connected to the source region 12 and the first plug connected to the drain region 14. Layer contact plug 32b, four first layer wirings 34a to 34d, one second layer contact plug 37, two second layer wirings 39a and 39b, one third layer contact plug 42, three Third layer wiring (third layer wiring 44c, power supply voltage supply line W VDD , and ground line W GND ) appears. A protective layer 70 is formed on the multilayer wiring portion 50 by a desired inorganic material or organic material, and each wiring and each contact plug formed in the multilayer wiring portion 50 are protected from oxidation, corrosion, and the like.

熱電発電部60Aは上記の第2層間絶縁膜35に形成されており、該熱電発電部60Aは、ゼーベック効果を利用して発電する2つの熱電発電素子60A1 ,60A2 を直列に接続した構造を有している。個々の熱電発電素子60A1 ,60A2 は互いに同じ構造を有しており、各々が複数の下部電極と、複数のN型半導体層と、複数のP型半導体層と、複数の上部電極とを有している。図2においては、2つの下部電極52,52と、1つのN型半導体層54と、1つのP型半導体層55と、2つの上部電極57,57とが現れている。ここで、ゼーベック効果を利用して発電する熱電発電素子について、図3を参照して具体的に説明する。 The thermoelectric generator 60A is formed on the second interlayer insulating film 35, and the thermoelectric generator 60A has a structure in which two thermoelectric generators 60A 1 and 60A 2 that generate power using the Seebeck effect are connected in series. have. The individual thermoelectric power generation elements 60A 1 and 60A 2 have the same structure, and each includes a plurality of lower electrodes, a plurality of N-type semiconductor layers, a plurality of P-type semiconductor layers, and a plurality of upper electrodes. Have. In FIG. 2, two lower electrodes 52, 52, one N-type semiconductor layer 54, one P-type semiconductor layer 55, and two upper electrodes 57, 57 appear. Here, a thermoelectric power generation element that generates power using the Seebeck effect will be specifically described with reference to FIG.

図3は、ゼーベック効果を利用して発電する熱電発電素子の一例を概略的に示す側面図である。同図に示す熱電発電素子TEは、3つの発電ユニットU1 〜U3 を直列接続した構造を有する素子であり、個々の発電ユニットU1 〜U3 は、1つのN型半導体層Snと、1つのP型半導体層Spと、これらN型半導体層SnおよびP型半導体層Spを接続する1つの下部電極Beと、N型半導体層Snに接続された上部電極と、P型半導体層Spに接続された上部電極とを有している。 FIG. 3 is a side view schematically illustrating an example of a thermoelectric power generation element that generates electric power using the Seebeck effect. The thermoelectric power generation element TE shown in the figure is an element having a structure in which three power generation units U 1 to U 3 are connected in series, and each power generation unit U 1 to U 3 includes one N-type semiconductor layer Sn, One P-type semiconductor layer Sp, one lower electrode Be connecting the N-type semiconductor layer Sn and the P-type semiconductor layer Sp, an upper electrode connected to the N-type semiconductor layer Sn, and the P-type semiconductor layer Sp And a connected upper electrode.

隣り合う発電ユニット同士は、一方の発電ユニットにおけるP型半導体層と他方の発電ユニットにおけるN型半導体層とが互いに対向する向きで1つの上部電極により接続されている。図示の例では、発電ユニットU1 におけるP型半導体層Spと発電ユニットU2 におけるN型半導体層Snとが上部電極Ue2 により接続され、発電ユニットU2 におけるP型半導体層Spと発電ユニットU3 におけるN型半導体層Snとが上部電極Ue3 により接続されている。また、発電ユニットU1 におけるN型半導体層Snには上部電極Ue1 が接続され、発電ユニットU3 におけるP型半導体層Spには上部電極Ue4 が接続されている。 Adjacent power generation units are connected by one upper electrode so that the P-type semiconductor layer in one power generation unit and the N-type semiconductor layer in the other power generation unit face each other. In the illustrated example, an N-type semiconductor layer Sn are connected by the upper electrode Ue 2 the P-type semiconductor layer Sp and power generation unit U 2 in the power generation unit U 1, the generator and the P-type semiconductor layer Sp in the power generation unit U 2 units U 3 is connected to the N-type semiconductor layer Sn by the upper electrode Ue 3 . The upper electrode Ue 1 is connected to the N-type semiconductor layer Sn in the power generation unit U 1, and the upper electrode Ue 4 is connected to the P-type semiconductor layer Sp in the power generation unit U 3 .

このような構造を有する熱電発電素子TEでは、各下部電極Beと各上部電極Ue1 〜Ue4 との間に温度差が生じると、個々の半導体層Sn,Spにおいて高温側から低温側に向かってキャリアが移動する。N型半導体層Snでは高温側から低温側に向かって自由電子が移動し、P型半導体層Spでは高温側から低温側に向かって正孔が移動する。したがって、上部電極Ue1 と上部電極Ue4 とを外部負荷に接続して1つの回路を形成すると、上部電極Ue1 が負極となり、上部電極Ue4 が正極となって熱電発電素子TEが発電する。 In the thermoelectric power generation element TE having such a structure, when a temperature difference occurs between each lower electrode Be and each upper electrode Ue 1 to Ue 4 , the individual semiconductor layers Sn and Sp go from the high temperature side to the low temperature side. The carrier moves. In the N-type semiconductor layer Sn, free electrons move from the high temperature side to the low temperature side, and in the P type semiconductor layer Sp, holes move from the high temperature side to the low temperature side. Therefore, when the upper electrode Ue 1 and the upper electrode Ue 4 are connected to an external load to form one circuit, the upper electrode Ue 1 becomes the negative electrode and the upper electrode Ue 4 becomes the positive electrode, and the thermoelectric generator TE generates power. .

上記のN型半導体層SnおよびP型半導体層Spそれぞれの材料としては、下部電極Beと各上部電極Ue1 〜Ue4 との温度差が小さい環境下でも比較的大きな熱起電力が得られる半導体、例えばビスマス・テルル系の半導体を用いることが好ましい。ビスマス・テルル系のN型半導体の具体例としてはBi2(Se,Te)3等が挙げられ、ビスマス・テルル系のP型半導体の具体例としては(Bi,Sb)2Te3等が挙げられる。 As a material of each of the N-type semiconductor layer Sn and the P-type semiconductor layer Sp, a semiconductor that can obtain a relatively large thermoelectromotive force even in an environment where the temperature difference between the lower electrode Be and the upper electrodes Ue 1 to Ue 4 is small. For example, it is preferable to use a bismuth-tellurium-based semiconductor. Specific examples of bismuth and tellurium-based N-type semiconductors include Bi 2 (Se, Te) 3 , and specific examples of bismuth and tellurium-based P-type semiconductors include (Bi, Sb) 2 Te 3 and the like. It is done.

図2示した各熱電発電素子60A1 ,60A2 は、上述した熱電発電素子TEと同様の構造を有する熱電発電素子であり、図3に示したN型半導体層Snに対応する所定数のN型半導体層54(図2参照)と、図3に示したP型半導体層Spに対応する所定数のP型半導体層55(図2参照)と有している。そして、これらの熱電発電素子60A1 ,60A2 を備えた熱電発電部60Aは、第3層間絶縁膜40に形成されたコンタクトプラグ(図2には現れていない。)と配線44a(図1参照)とを介して電源電圧供給線WVDD に接続されている一方で、第3層間絶縁膜40に形成されたコンタクトプラグ(図2には現れていない。)と配線44b(図1参照)とを介して接地線WGND に接続されている。このため、電界効果トランジスタ20が駆動により発熱して各熱電発電素子60A1 ,60A2 の下部電極52が上部電極57に比べて高温になると、これらの熱電発電素子60A1 ,60A2 が発電して熱電発電部60Aから電源電圧供給線WVDD に給電される。 Figure 2 each of the thermoelectric power generating device 60A 1, 60A 2 shown is a thermoelectric power generation element having a structure similar to the thermoelectric power generation element TE as described above, N of a predetermined number corresponding to the N-type semiconductor layer Sn shown in FIG. 3 2 and a predetermined number of P-type semiconductor layers 55 (see FIG. 2) corresponding to the P-type semiconductor layer Sp shown in FIG. The thermoelectric power generation section 60A including these thermoelectric power generation elements 60A 1 and 60A 2 has contact plugs (not shown in FIG. 2) and wirings 44a (see FIG. 1) formed in the third interlayer insulating film 40. ) via the while being connected to the power supply voltage supply line W VDD, and a contact plug formed in the third interlayer insulating film 40 (not shown in Figure 2.) and the wiring 44b (see FIG. 1) To the ground line W GND . For this reason, when the field effect transistor 20 generates heat by driving and the lower electrode 52 of each thermoelectric power generation element 60A 1 , 60A 2 becomes hotter than the upper electrode 57, these thermoelectric power generation elements 60A 1 , 60A 2 generate power. Thus , power is supplied from the thermoelectric generator 60A to the power supply voltage supply line WVDD .

なお、図2には現れていないが、図1に示した各熱電発電部60B,60Cもゼーベック効果を利用した熱電発電素子を備えており、各々が所定の回路素子または配線に接続されている。そして、上述した熱電発電部60Aと同様に各熱電発電部60B,60Cも半導体装置100の駆動時に発電して、所定の回路素子あるいは配線に給電する。   Although not shown in FIG. 2, each of the thermoelectric power generation units 60B and 60C shown in FIG. 1 also includes a thermoelectric power generation element using the Seebeck effect, and each is connected to a predetermined circuit element or wiring. . Similarly to the above-described thermoelectric power generation unit 60A, each thermoelectric power generation unit 60B, 60C also generates power when driving the semiconductor device 100 and supplies power to a predetermined circuit element or wiring.

以上説明した半導体装置100においても、従来の半導体装置と同様にIRドロップが生じる。しかしながら、半導体装置100の駆動時には各熱電発電部60A〜60C(図1参照)が発電して電源電圧供給線WVDD 等へ給電するため、半導体基板10(図2参照)に形成されている各回路素子での電圧降下が抑えられる。特に、IRドロップが最も顕著な箇所、すなわち多層配線部50の平面視上の中央部において熱電発電部60Aが電源電圧供給線WVDD に接続されていることから、半導体基板10(図2参照)に形成されている各回路素子での電圧降下が効率よく抑えられる。その結果として、この半導体装置100では、IRドロップに起因する性能の低下を抑え易い。また、半導体装置100では集積回路の設計マージンや製造マージンが大きくなるので、所望の性能を有するものを得易い。 Also in the semiconductor device 100 described above, IR drop occurs as in the conventional semiconductor device. However, for powering the thermoelectric power generation unit 60A~60C during driving of the semiconductor device 100 (see FIG. 1) is generating power to the power voltage supply line W VDD like, each being formed on the semiconductor substrate 10 (see FIG. 2) The voltage drop at the circuit element can be suppressed. In particular, since it is connected most prominent places IR drop, i.e. the thermoelectric power generation unit 60A to the power voltage supply line W VDD in the central portion of a plan view of the multilayer wiring section 50, the semiconductor substrate 10 (see FIG. 2) Thus, the voltage drop in each circuit element formed in the circuit can be efficiently suppressed. As a result, in this semiconductor device 100, it is easy to suppress a decrease in performance due to the IR drop. Further, since the design margin and the manufacturing margin of the integrated circuit are increased in the semiconductor device 100, it is easy to obtain a device having desired performance.

このような技術的効果を奏する半導体装置100は、多層配線部50に熱電発電部60A〜60C(図1参照)を形成する以外は従来の半導体装置と同様にして製造することができる。個々の熱電発電部60A〜60Cを構成している熱電発電素子、例えば熱電発電部60Aを構成している各熱電発電素子60A1 ,60A2 (図2参照)は、例えば、第1層配線34a〜34cの形成時にこれらの第1配線層34a〜34cと一緒に下部電極52を形成し、次いで各熱電発電素子60A1 ,60A2 におけるN型半導体層54およびP型半導体層55を形成してから第2層間絶縁膜35を形成し、その後、第2層配線39a,39bの形成時にこれらの第2配線層39a,39bと一緒に上部電極57を形成することで得られる。他の熱電発電部60B,60〜60Cを構成している熱電発電素子も同様にして形成することができる。 The semiconductor device 100 having such a technical effect can be manufactured in the same manner as a conventional semiconductor device except that the thermoelectric generators 60A to 60C (see FIG. 1) are formed in the multilayer wiring portion 50. The thermoelectric power generation elements constituting the individual thermoelectric power generation units 60A to 60C, for example, the thermoelectric power generation elements 60A 1 and 60A 2 (see FIG. 2) constituting the thermoelectric power generation part 60A are, for example, the first layer wiring 34a. To 34c are formed together with the first wiring layers 34a to 34c, and then the N-type semiconductor layer 54 and the P-type semiconductor layer 55 in each of the thermoelectric generators 60A 1 and 60A 2 are formed. Then, the second interlayer insulating film 35 is formed, and then the upper electrode 57 is formed together with the second wiring layers 39a, 39b when the second layer wirings 39a, 39b are formed. The thermoelectric power generation elements constituting the other thermoelectric power generation units 60B and 60 to 60C can be formed in the same manner.

実施の形態2.
この発明の半導体装置では、該半導体装置に形成されている集積回路における発熱量の多い領域の上方、例えば電界効果トランジスタの集積密度が高い領域や、動作周波数の高い配線が配置されている領域の上方に、熱電発電部を配置することが好ましい。
Embodiment 2. FIG.
In the semiconductor device of the present invention, above the region where the amount of heat generated in the integrated circuit formed in the semiconductor device is large, for example, the region where the integration density of field effect transistors is high or the region where wiring having a high operating frequency is arranged. It is preferable to arrange the thermoelectric power generation unit above.

図4は、集積回路のうちで発熱量の多い領域の上方に熱電発電部が配置された半導体装置の一例を概略的に示す平面図である。同図に示す半導体装置110は、集積回路での発熱量の多寡に応じて、平面視上、4つの領域R1 〜R4 に区分することができる。領域R2 での発熱量が最も少なく、領域R4 での発熱量が最も多い。領域R1 ,R3 での発熱量は、領域R2 での発熱量よりも多く、領域R4 での発熱量よりも少ない。熱電発電部105は、これらの領域R1 〜R4 のうちで発熱量が最も多い領域R4 に配置されている。この場合も、熱電発電部105は多層配線部50(図2参照)に設けられて、該多層配線部50中の所定の配線に接続される。 FIG. 4 is a plan view schematically showing an example of a semiconductor device in which a thermoelectric power generation unit is arranged above a region where a large amount of heat is generated in an integrated circuit. The semiconductor device 110 shown in the figure can be divided into four regions R 1 to R 4 in a plan view according to the amount of heat generated in the integrated circuit. The heat generation amount in the region R 2 is the smallest, and the heat generation amount in the region R 4 is the largest. The amount of heat generated in the regions R 1 and R 3 is larger than the amount of heat generated in the region R 2 and smaller than the amount of heat generated in the region R 4 . The thermoelectric power generation unit 105 is disposed in the region R 4 that generates the largest amount of heat among these regions R 1 to R 4 . Also in this case, the thermoelectric power generation unit 105 is provided in the multilayer wiring unit 50 (see FIG. 2) and is connected to a predetermined wiring in the multilayer wiring unit 50.

集積回路のうちで発熱量の多い領域R4 の上方に熱電発電部105を配置すると、発熱量が少ない領域に配置した場合に比べて熱電発電素子の下部電極と上部電極との温度差が大きくなるので、該熱電発電素子での熱起電力が大きくなって熱電発電部105での発電量も多くなる。その結果として、IRドロップによる電源電圧の降下を熱電発電部105からの給電により補って各回路素子での電圧降下を抑え易くなり、所望の性能を有する半導体装置100を得易くなる。 In the integrated circuit, when the thermoelectric power generation unit 105 is arranged above the region R 4 where the heat generation amount is large, the temperature difference between the lower electrode and the upper electrode of the thermoelectric power generation element is larger than when the thermoelectric generation unit 105 is arranged in the region where the heat generation amount is small. Therefore, the thermoelectromotive force in the thermoelectric power generation element increases, and the amount of power generation in the thermoelectric power generation unit 105 also increases. As a result, the drop in the power supply voltage due to the IR drop is compensated by the power supply from the thermoelectric generator 105, so that the voltage drop in each circuit element can be easily suppressed, and the semiconductor device 100 having desired performance can be easily obtained.

また、集積回路のうちで発熱量の多い領域R4 は電力消費の多い領域でもあり、この領域では電源電圧の降下の割合が高いので、該領域R4 に形成されている各回路素子での電圧降下を熱電発電部105からの給電によって抑えることにより、集積回路の動作マージンを大きくし易くなる。 Further, in the integrated circuit, the region R 4 where the amount of heat generation is large is also a region where power consumption is large. In this region, the rate of decrease in the power supply voltage is high, and therefore, in each circuit element formed in the region R 4 . By suppressing the voltage drop by power feeding from the thermoelectric generator 105, the operation margin of the integrated circuit can be easily increased.

実施の形態3.
実施の形態1で説明した半導体装置は、熱電発電部が第3層間絶縁膜により覆われた構造を有しているが、この発明の半導体装置においては、熱電発電部の上面を多層配線部から露出させることができる。
Embodiment 3 FIG.
The semiconductor device described in the first embodiment has a structure in which the thermoelectric generator is covered with the third interlayer insulating film. In the semiconductor device of the present invention, the upper surface of the thermoelectric generator is formed from the multilayer wiring portion. Can be exposed.

図5は、熱電発電部が該熱電発電部の上面を多層配線部から露出させて配置された半導体装置の一例を概略的に示す断面図である。同図に示す半導体装置150は、電界効果トランジスタ20の上方に配置された熱電発電部120と、第1層配線34c,34eの上方に配置された熱電発電部130とを備えている。   FIG. 5 is a cross-sectional view schematically showing an example of a semiconductor device in which the thermoelectric generator is arranged with the upper surface of the thermoelectric generator exposed from the multilayer wiring portion. A semiconductor device 150 shown in the figure includes a thermoelectric power generation unit 120 disposed above the field effect transistor 20 and a thermoelectric power generation unit 130 disposed above the first layer wirings 34c and 34e.

上記の熱電発電部120は、2つの熱電発電素子120A1 ,120A2 が直列に接続されたものであり、これら2つの熱電発電素子120A1 ,120A2 は、各々の上面を第3層間絶縁間40から露出させた状態で第2層間絶縁膜35から第3層間絶縁膜40に亘って設けられて、多層配線部50中の所定の配線に接続されている。個々の熱電発電素子120A1 ,120A2 はゼーベック効果を利用して発電する素子であり、図3に示した熱電発電素子TEと同様に複数の下部電極、複数のN型半導体層、複数のP型半導体層、および複数の上部電極を備えている。図5には、下部電極112,112、N型半導体層114、P型半導体層115、および上部電極117,117が現れている。 It said thermoelectric power generating unit 120 is for 1 two thermoelectric power generation element 120A, 120A 2 are connected in series, the two thermoelectric power generating device 120A 1, 120A 2 is between the third interlayer insulating each of the upper surface The second interlayer insulating film 35 is exposed from the second interlayer insulating film 35 to the third interlayer insulating film 40 and is connected to a predetermined wiring in the multilayer wiring portion 50. Each of the thermoelectric power generation elements 120A 1 and 120A 2 is an element that generates electric power using the Seebeck effect. Similar to the thermoelectric power generation element TE shown in FIG. 3, a plurality of lower electrodes, a plurality of N-type semiconductor layers, and a plurality of P A type semiconductor layer and a plurality of upper electrodes. In FIG. 5, lower electrodes 112 and 112, an N-type semiconductor layer 114, a P-type semiconductor layer 115, and upper electrodes 117 and 117 appear.

一方、上記の熱電発電部130は、第3層間絶縁膜40に配置されて、その上面を第3層間絶縁間40から露出させた状態で多層配線部50中の所定の配線に接続されている。この熱電発電部130はゼーベック効果を利用して発電する1つの熱電発電素子130Aからなり、該熱電発電素子130Aは2つの下部電極122,122と、2つのN型半導体層124,124と、2つのP型半導体層125,125と、3つの上部電極127,127,127とを備えている。   On the other hand, the thermoelectric power generation unit 130 is disposed in the third interlayer insulating film 40 and connected to a predetermined wiring in the multilayer wiring unit 50 with its upper surface exposed from the third interlayer insulating layer 40. . The thermoelectric power generation unit 130 includes one thermoelectric power generation element 130A that generates power using the Seebeck effect. The thermoelectric power generation element 130A includes two lower electrodes 122 and 122, two N-type semiconductor layers 124 and 124, and 2 Two P-type semiconductor layers 125, 125 and three upper electrodes 127, 127, 127 are provided.

なお、多層配線部50上に形成されている保護層70には、各熱電発電部120,130の上面を露出させる開口部OP1 ,OP2 が形成されている。図5に示した構成要素のうちで、図2に示した構成要素と共通するものには図2で用いた参照符号と同じ参照符号を付してその説明を省略する。図5中の参照符号「39c」は、1つの第2層配線を示している。 Note that openings OP 1 and OP 2 that expose the upper surfaces of the thermoelectric generators 120 and 130 are formed in the protective layer 70 formed on the multilayer wiring portion 50. Among the constituent elements shown in FIG. 5, those common to the constituent elements shown in FIG. 2 are denoted by the same reference numerals as those used in FIG. 2, and description thereof is omitted. Reference numeral “39c” in FIG. 5 indicates one second-layer wiring.

図5に示した半導体装置150では、熱電発電部120の上面が露出しているので、層間絶縁膜によって覆われている場合に比べて該熱電発電部120からの放熱が起こり易い。そのため、各熱電発電素子120A1 ,120A2 での下部電極112,112と上部電極117,117との温度差が大きくなり、個々の熱電発電素子120A1 ,120A2 での熱起電力も大きくなる。その結果として、熱電発電部120での発電量も多くなる。同様の理由から、熱電発電130においても熱起電力が大きくなって、発電量が多くなる。 In the semiconductor device 150 shown in FIG. 5, since the upper surface of the thermoelectric power generation unit 120 is exposed, heat radiation from the thermoelectric power generation unit 120 occurs more easily than when the thermoelectric power generation unit 120 is covered with an interlayer insulating film. Therefore, the temperature difference between the lower electrodes 112 and 112 and the upper electrodes 117 and 117 in each thermoelectric power generation element 120A 1 and 120A 2 is increased, and the thermoelectromotive force in each thermoelectric power generation element 120A 1 and 120A 2 is also increased. . As a result, the amount of power generated by the thermoelectric power generation unit 120 also increases. For the same reason, in the thermoelectric power generation 130, the thermoelectromotive force is increased and the amount of power generation is increased.

実施の形態4.
この発明の半導体装置では、熱電発電部の側方に断熱部を設けることができる。この断熱部を設ける場合には、熱電発電部の熱源となる回路素子または配線の側方から熱電発電部の側方にかけて断熱部を配置して、熱源となる回路素子または配線で生じた熱の多くが熱電発電部に供給されるようにすることが好ましい。
Embodiment 4 FIG.
In the semiconductor device of the present invention, a heat insulating part can be provided on the side of the thermoelectric power generating part. When providing this heat insulation part, arrange the heat insulation part from the side of the circuit element or wiring that becomes the heat source of the thermoelectric power generation part to the side of the thermoelectric power generation part, and the heat generated in the circuit element or wiring that becomes the heat source. It is preferable to supply a large amount to the thermoelectric generator.

図6は、熱電発電部の側方に断熱部が設けられた半導体装置の一例を概略的に示す断面図である。同図に示す半導体装置160は、電界効果トランジスタ20の側方から熱電発電部60Aの側方にかけて断熱部155が設けられているという点を除き、図2に示した半導体装置100と同様の構造を有している。図6に示した構成要素のうちで図2に示した構成要素と共通するものについては、図2で用いた参照符号と同じ参照符号を付してその説明を省略する。   FIG. 6 is a cross-sectional view schematically showing an example of a semiconductor device in which a heat insulating part is provided on the side of the thermoelectric power generating part. The semiconductor device 160 shown in the figure has the same structure as the semiconductor device 100 shown in FIG. 2 except that a heat insulating part 155 is provided from the side of the field effect transistor 20 to the side of the thermoelectric power generation part 60A. have. Among the constituent elements shown in FIG. 6, the same constituent elements as those shown in FIG. 2 are denoted by the same reference numerals as those used in FIG.

上記の断熱部155は、熱電発電部60Aの熱源となる電界効果トランジスタ20で生じた熱の多くが熱電発電部60Aに供給されるようにするものであり、第1層間絶縁膜30および第2層間絶縁膜35のいずれよりも断熱性の高い所望の無機材料または有機材料によって、第1層間絶縁膜30から第2層間絶縁膜35に亘って形成されている。   The heat insulating unit 155 is configured to supply most of the heat generated in the field effect transistor 20 serving as the heat source of the thermoelectric power generation unit 60A to the thermoelectric power generation unit 60A. The interlayer insulating film 35 is formed from the first interlayer insulating film 30 to the second interlayer insulating film 35 with a desired inorganic material or organic material having higher heat insulation than any of the interlayer insulating films 35.

この断熱部155を設けることにより、電界効果トランジスタ20で生じた熱の多くが熱電発電部60Aに供給されるようになるので、当該断熱部155がない場合に比べて熱電発電素子60A1 ,60A2 それぞれでの下部電極52,52と上部電極57,57との温度差が大きくなり、個々の熱電発電素子60A1 ,60A2 での熱起電力も大きくなる。その結果として、熱電発電部60Aでの発電量も多くなる。 By providing the heat insulating portion 155, most of the heat generated in the field effect transistor 20 is supplied to the thermoelectric power generating portion 60A. Therefore, the thermoelectric power generating elements 60A 1 , 60A are compared with the case where the heat insulating portion 155 is not provided. 2 The temperature difference between the lower electrodes 52, 52 and the upper electrodes 57, 57 in each of the two becomes larger, and the thermoelectromotive force in each of the thermoelectric generators 60A 1 , 60A 2 also becomes larger. As a result, the amount of power generated by the thermoelectric generator 60A also increases.

以上、4つの形態を挙げてこの発明の半導体装置について説明したが、既に述べたように、この発明は上述の形態に限定されるものではない。例えば、1つの半導体装置に配置する熱電発電部の数、および個々の熱電発電部を構成する熱電発電素子の数はそれぞれ適宜選定可能であり、各熱電発電素子の構成も適宜選定可能である。また、個々の熱電発電素子の高さは、多層配線部を構成する層間絶縁膜の膜厚より小さくすることもできるし、多層配線部を構成する複数の層間絶縁膜に亘る高さとすることもできる。熱電発電部の上面を多層配線部から露出させる場合には、該熱電発電部の上面を保護層により覆うことも可能である。そして、半導体装置における熱電発電部以外の構成は、目的とする半導体装置の用途や該半導体装置に求められる機能等に応じて適宜変更可能である。この発明の半導体装置については、その他にも種々の変形、修飾、組合せ等が可能である。   Although the semiconductor device according to the present invention has been described with reference to four embodiments, the present invention is not limited to the above-described embodiments as described above. For example, the number of thermoelectric power generation units arranged in one semiconductor device and the number of thermoelectric power generation elements constituting each thermoelectric power generation unit can be appropriately selected, and the configuration of each thermoelectric power generation element can also be appropriately selected. In addition, the height of each thermoelectric power generation element can be made smaller than the film thickness of the interlayer insulating film constituting the multilayer wiring part, or can be set to the height over a plurality of interlayer insulating films constituting the multilayer wiring part. it can. When the upper surface of the thermoelectric power generation unit is exposed from the multilayer wiring unit, the upper surface of the thermoelectric power generation unit can be covered with a protective layer. The configuration of the semiconductor device other than the thermoelectric power generation unit can be appropriately changed according to the intended use of the semiconductor device, the function required for the semiconductor device, and the like. The semiconductor device of the present invention can be variously modified, modified, combined, and the like.

この発明の半導体装置の一例を概略的に示す平面図である。It is a top view which shows roughly an example of the semiconductor device of this invention. 図1に示したII−II線断面の概略図である。It is the schematic of the II-II line cross section shown in FIG. ゼーベック効果を利用して発電する熱電発電素子の一例を概略的に示す側面図である。It is a side view which shows roughly an example of the thermoelectric power generation element which produces electric power using a Seebeck effect. 集積回路のうちで発熱量の多い領域の上方に熱電発電部が配置された半導体装置の一例を概略的に示す平面図である。It is a top view which shows roughly an example of the semiconductor device by which the thermoelectric power generation part was arrange | positioned above the area | region with much calorific value among integrated circuits. 熱電発電部が該熱電発電部の上面を多層配線部から露出させて配置された半導体装置の一例を概略的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows roughly an example of the semiconductor device with which the thermoelectric power generation part has been arrange | positioned with the upper surface of this thermoelectric power generation part exposed from a multilayer wiring part. 熱電発電部の側方に断熱部が設けられた半導体装置の一例を概略的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows roughly an example of the semiconductor device by which the heat insulation part was provided in the side of the thermoelectric power generation part.

符号の説明Explanation of symbols

10 半導体基板
20 回路素子(電界効果トランジスタ)
50 多層配線部
52,112,122 下部電極
54,114,124 N型半導体層
55、115,125 P型半導体層
57,117,127 上部電極
60A1 ,60A2 ,120A1 〜120A4 ,130A 熱電発電素子
60A,60B,60C,105,120,130 熱電発電部
100,110,150,160 半導体装置
155 断熱部
VDD 電源電圧供給線
GND 接地線
10 Semiconductor substrate 20 Circuit element (field effect transistor)
50 multilayer wiring section 52,112,122 lower electrode 54,114,124 N-type semiconductor layer 55,115,125 P-type semiconductor layer 57,117,127 upper electrode 60A 1, 60A 2, 120A 1 ~120A 4, 130A thermoelectric Power generation element 60A, 60B, 60C, 105, 120, 130 Thermoelectric power generation unit 100, 110, 150, 160 Semiconductor device 155 Thermal insulation unit W VDD Power supply voltage supply line W GND Ground line

Claims (5)

半導体基板と、前記半導体基板に形成された回路素子と、前記回路素子と共に集積回路を構成する多数の配線が複数層に亘って形成された多層配線部と、前記多層配線部に設けられて該多層配線部における所定の配線と互いに接続された熱電発電部とを有することを特徴とする半導体装置。   A semiconductor substrate; a circuit element formed on the semiconductor substrate; a multi-layer wiring part in which a plurality of wirings constituting an integrated circuit together with the circuit element are formed over a plurality of layers; A semiconductor device comprising: a predetermined wiring in a multilayer wiring portion; and a thermoelectric generator connected to each other. 前記熱電発電部と前記多層配線部における電源電圧供給線とが互いに接続されていることを特徴とする半導体装置。   The semiconductor device, wherein the thermoelectric power generation unit and the power supply voltage supply line in the multilayer wiring unit are connected to each other. 前記熱電発電部は、前記集積回路のうちで発熱量の多い領域の上方に配置されていることを特徴とする請求項1または2に記載の半導体装置。   3. The semiconductor device according to claim 1, wherein the thermoelectric power generation unit is disposed above a region of the integrated circuit where a large amount of heat is generated. 前記熱電発電部の上面が前記多層配線部から露出していることを特徴する請求項1〜3のいずれか1つに記載の半導体装置。   The semiconductor device according to claim 1, wherein an upper surface of the thermoelectric power generation unit is exposed from the multilayer wiring unit. 前記熱電発電部の側方に設けられた断熱部を更に有することを特徴とする請求項1〜4のいずれか1つに記載の半導体装置。   The semiconductor device according to claim 1, further comprising a heat insulating portion provided on a side of the thermoelectric power generation unit.
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