CN101656252A - 内建磁性电容的集成电路芯片及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种内建磁性电容的集成电路芯片，其包括有：一基板、多个设置于该基板中的集成电路(IC)元件以及一磁性电容(Magnetic Capacitor)单元，其中该磁性电容单元与所述的集成电路元件以半导体制作过程制作于该基板中且彼此电性连接，而该磁性电容单元为一高能量存储密度的元件，藉此该磁性电容单元提供集成电路芯片所需的电力，维持集成电路芯片运作，进一步达到芯片整体轻薄短小的目的。本发明亦提出一种内建磁性电容的集成电路芯片的制作方法。

Description

内建磁性电容的集成电路芯片及其制作方法

技术领域

本发明涉及集成电路芯片及其制作方法，特别是涉及一种内建磁性电容的集成电路芯片及其制作方法。

背景技术

随着科技的进步，许多电子产品(例如：个人计算机、手机、或其它电子设备)提供各种功能使人们的日常生活更为便利，更具体说明，电子产品之所以能提供特定功能，其通过设置于电子产品内部的芯片运作达成的，亦即该等芯片进行运算或控制，藉此使电子产品产生功能来提供服务。然，未来的电子产品的设计概念趋向于重量轻、外观薄等特点，为了设计出更轻薄的电子产品，如何有效缩减电子产品内部的空间实为一大考验，而缩减电子产品内部的空间最直接的解决方式即是缩减芯片的体积，意味着随着芯片体积缩小，电子产品的外观也可进一步缩小，进而达到重量轻、外观薄等目的。

比较目前电子产品内的芯片的设计，可发现具有以下缺点：

1、目前电子产品内的芯片所需的电力皆是以外接电力源的方式来提供芯片所需的电力，而以外接电力源的方式即表示增加电子产品的内部空间，因为除了需要设置芯片的空间外，还必须另外规划出电力源的空间，因此不容易缩小电子产品内的空间。

2、关于芯片外接的电力源，其为目前常见的电池，而虽然标榜着可重复使用，但还是有其寿命的限制。在多次充放电或长时间不使用的情况下，电池的容量会下降，且容易损坏，原因在于电池是利用化学能转换为电能，化学物质要常保其活性，才不至于失效变质，当原来的化合物活性都作用完或将近用完时，便无法再进行新的化学反应，进而导致电池老化而宣告寿终。

3、若是利用多颗电容来存储电能，却造成充电电路的结构复杂、空间过于庞大、成本昂贵等现象。

因此，针对上述缺陷，有必要提出一种合理且有效改善上述缺陷的技术方案。

发明内容

本发明的一目的是在提供一种内建能量存储密度高、体积小、重量轻、储能容量大、使用寿命长等优点的磁性电容的集成电路芯片。

本发明的另一目的是提出以一磁性电容(Magnetic Capacitor)作为能量存储单元，其能以半导体制作过程制作于芯片内，以提供芯片运作时所需的电力。

本发明又一目的在于提供一种内建磁性电容的集成电路芯片及其制作方法，其可将电力源以半导体制作过程制作于任何特定功能的芯片内，使芯片无需持续连接外部电力源来维持运作，藉此达到芯片整体轻薄短小的目的。

为了达成上述的目的，本发明提供一种内建磁性电容的集成电路芯片，其特征在于包括有：一形成有导电线路的基板；多个集成电路(IC)元件，所述的集成电路元件设置于该基板中且彼此电性连接；以及一磁性电容单元，该磁性电容单元设置于该基板中，且该磁性电容单元电性连接所述的集成电路元件，以供应电力维持所述的集成电路元件运作。

所述的内建磁性电容的集成电路芯片，其中，该磁性电容单元包含有至少一个磁性电容，该磁性电容包含有：

一第一磁性电极；

一第二磁性电极；以及

一介电层，该介电层夹设于该第一磁性电极与该第二磁性电极之间，其中该第一磁性电极与该第二磁性电极内具有一磁偶极以抑制该磁性电容单元的漏电流。

所述的内建磁性电容的集成电路芯片，其中，该第一磁性电极的磁偶极与该第二磁性电极的磁偶极指向同一方向。

所述的内建磁性电容的集成电路芯片，其中，该第一磁性电极的磁偶极与该第二磁性电极的磁偶极互为反向。

所述的内建磁性电容的集成电路芯片，其中，该第一磁性电极包含有：

一第一磁性层；

一第二磁性层；以及

一隔离层，包含有非磁性材料，设于该第一磁性层与该第二磁性层之间。

所述的内建磁性电容的集成电路芯片，其中，该第一磁性层具有排列成第一方向的磁偶极，而该第二磁性层具有排列成第二方向的磁偶极，且该第一方向的磁偶极与该第二方向的磁偶极互为反向，以抑制该磁性电容单元的漏电流。

所述的内建磁性电容的集成电路芯片，其中，该磁性电容单元增设为多个，且该些磁性电容单元以并联方式或串联方式电性连接而形成一磁性电容组。

为了达成上述的目的，本发明另提供一种集成电路芯片，其特征在于包括有：一基板；多个集成电路元件设于该基板上，各该集成电路元件相互电连接；一磁性电容单元，设置于该基板上，可选择性的电连接至一外部电源，该磁性电容单元包含有至少一磁性电容，用来存储电位能并提供一电力输出至该些集成电路元件；以及一放电单元，电连接于该磁性电容与该多个集成电路元件之间，该放电单元包含有一直流/直流转换器，用以控制该磁性电容单元至该些集成电路元件的电力输出；其中当该外部电源未供应电力至该集成电路芯片时，该磁性电容会持续提供电力输出至该多个集成电路元件，以维持该多个集成电路元件的运作。

为了达成上述的目的，本发明提供一种内建磁性电容的集成电路芯片的制作方法，其特征在于包括步骤如下：提供一基板；于该基板中形成多个彼此电性连接的集成电路元件；形成一磁性电容单元于该基板中并且电性连接所述的集成电路元件。

较佳地，所述的基板、集成电路元件与磁性电容单元以半导体制作过程所制作出。

较佳地，进一步提供多个基板，并以系统封装(System in Packaging，SIP)方式以堆叠并电性连接各基板。

因此，本发明的内建磁性电容的集成电路芯片及其制作方法具以下有益效果：

本发明通过内建磁性电容单元来供应芯片所需的电力，且其可与集成电路元件共同制作于芯片，故可进一步达到芯片整体轻薄短小的目的。

另外，本发明的磁性电容单元通过于上、下电极处形成的磁场，来抑制漏电流，同时提升能量存储密度，故可作为一极佳的能量存储装置或电力供应来源，且由于磁性电容单元中存储的能量全部以电位能的方式进行存储，相较于主要以化学能存储的其它能量存储媒介(例如：传统电池或超级电容)，磁性电容除了具有可匹配的能量存储密度外，更因充分保有电容的特性，而具有寿命长(高充放电次数)、无记忆效应、可进行高功率输出、快速充放电等特点。

以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。

附图说明

图1A是本发明的内建磁性电容的集成电路芯片的架构示意图。

图1B是本发明的内建磁性电容的集成电路芯片的另一架构示意图。

图2是本发明的磁性电容单元的结构示意图。

图3是本发明的磁性电容单元的另一结构示意图。

图4是本发明的磁性电容单元的第一磁性电极的结构示意图。

图5是本发明的磁性电容组的架构示意图。

图6是本发明的磁性电容单元与其它现有能量存储媒介的比较示意图。

图7是本发明的内建磁性电容的集成电路芯片的制作方法流程图。

其中，附图标记：

100   集成电路芯片

1     基板

11    导电线路

2     集成电路元件

3     磁性电容单元

30    磁性电容

31    第一磁性电极

311   磁偶极

312   第一磁性层

3121  磁偶极

313   隔离层

314   第二磁性层

3141  磁偶极

32    第二磁性电极

321 磁偶极

33  介电层

34  界面

35  界面

4   磁性电容组

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案作进一步更详细的描述。

请参阅图1A所示，本发明提出一种内建磁性电容的集成电路芯片100，该集成电路芯片100包括有：一基板1、多个集成电路(IC)元件2以及一磁性电容单元3，其中该基板1形成有导电线路11，而该多个集成电路元件2设置于该基板1中，且该多个集成电路元件2通过该基板1的导电线路11使彼此互相电性连接；另外，该基板1、该多个集成电路元件2与形成于基板1的导电线路11以半导体制作过程制作。

磁性电容单元3亦以半导体制作过程制作于基板1中，并通过基板1的导电线路11来电性连接该多个集成电路元件2。磁性电容单元3，可选择性的电连接至一外部电源(未显示)，以作为充电之用。其中，磁性电容单元3所接收的电力，以电位能的形式进行存储，并可在该外部电源未连接或未供应电力至集成电路芯片100时，持续提供电力输出至集成电路元件2，以维持该集成电路元件2的运作。

值得注意的是，虽然在现有的集成电路芯片(图未示)中，亦会有一些电容的设计，但由于其所能存储的电力相当小，因此其设计目的多是作为一缓冲装置(例如用于稳压或滤波)或是一记忆单元(例如用于0或1的信号判别)，因此，都必须在有外部电力持续供应的状况下，方能持续运作。换言之，一旦外部电源停止供应电力，现有的集成电路芯片(图未示)就会失去电力来源，而无法继续运作。而本发明中的磁性电容单元3则具有一定的能量存储能力，因此，即使当集成电路芯片100未连接至外部电源时，亦能通过磁性电容单元3内部所存储的电力，来维持集成电路芯片100一段时间(例如数小时)的运作。

在本发明的一实施例中，集成电路芯片100另包含有一放电单元4(如图1B所示)，电连接于磁性电容单元3与集成电路元件2之间，放电单元4包含有一直流/直流转换器，用以根据集成电路元件2的电力需求来控制磁性电容单元3的电力输出，举例来说，可提供一定电压或定电流的电力输出。

本发明的集成电路元件2可为各种不同的电路元件，例如内存元件、逻辑电路，而集成电路元件2与磁性电容单元3间的配置关系亦无一定的限制，可是产品的设计，而水平配置于集成电路芯片100中的不同区域，或是以垂直堆叠的方式配置集成电路芯片100中。

此外，亦可进一步设置多个基板1(图未示)，各基板1皆设有所述的集成电路元件2与所述的磁性电容单元3，且所述的集成电路元件2与所述的磁性电容单元3彼此通过导电线路11电性连接，其中各基板1彼此垂直堆叠且电性连接，进而形成三维集成电路芯片。

请参阅图1A与图2所示，该磁性电容单元3包含有至少一磁性电容(Magnetic Capacitor)30，该磁性电容30的结构包括有：一第一磁性电极31、一第二磁性电极32与一介电层33，该介电层33位于该第一磁性电极31与该第二磁性电极32之间，其中该介电层33用以分隔该第一磁性电极31与该第二磁性电极32，藉此让该第一磁性电极31与该第二磁性电极32能累积电荷，存储电位能。

在本发明的一实施例中，磁性电容单元3包含有多个磁性电容30，且各磁性电容30以串联或并联的方式电连接，以调整磁性电容单元3的等效电压值或电容值，而符合产品的需求。

在此，进一步说明磁性电容30的结构与运作原理如下，第一磁性电极31与第二磁性电极32由磁性导电材料构成，其中该第一磁性电极31与该第二磁性电极32接受适当的外加电场进行磁化，使得其内部形成二磁偶极(Magnetic Dipole)311、321，而该两磁偶极311、321的方向可为同向或反向(如图2与图3所示)，该二磁偶极311、321于该磁性电容单元3内部构成一磁场，对带电粒子的移动造成影响，从而抑制该磁性电容单元3的漏电流。

所需要特别强调的是，图2与图3中磁偶极311、321的箭头方向仅为一示意图。对熟习该项技艺者而言，应可了解到磁偶极311、321实际上由多个整齐排列的微小磁偶极所叠加而成，且在本发明中，磁偶极311、321最后形成的方向并无限定，可依磁性电容单元3的形状进行调整，例如可指向同一方向或不同方向。

另外，该第一磁性电极31与该第二磁性电极32包含有磁性导电材质，例如稀土元素，而该介电层33由氧化钛(TiO3)、氧化钡钛(BaTiO3)或一半导体层，例如：氧化硅(Silicon Oxide)所构成；然而必须强调的是，本发明的磁性电容单元3并不限于此材料，该第一磁性电极31、该第二磁性电极32与该介电层33均可视产品的需求而选用适当的其它材料。

进一步说明磁性电容单元3的操作原理：物质在一定磁场下电阻改变的现象，称为“磁阻效应”，磁性金属和合金材料一般都有这种磁电阻现象，通常情况下，物质的电阻率在磁场中仅产生轻微的减小；在某种条件下，电阻率减小的幅度相当大，比通常磁性金属与合金材料的磁电阻值高出10倍以上，称为“巨磁阻效应”(GMR)。进一步结合Maxwell-Wagner电路模型，磁性颗粒复合介质中也可能产生所谓的庞磁电容(Colossal magneto capacitance，CMC)效应或巨磁电容(Giant magneto capacitance，GMC)效应。

由于现有电容中，电容值C由电容的面积A、介电层的介质常数ε₀ε_r及厚度d决定，如下公式所示： $C=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_0{\mathrm{\ϵ}}_{r}A}{d}$

然而在本发明中，磁性电容单元3主要利用第一磁性电极31与第二磁性电极32中整齐排列的磁偶极311、321来形成磁场来，使内部存储的电子朝同一自旋方向转动，进行整齐的排列，故可在同样条件下，容纳更多的电荷，进而增加能量的存储密度。类比于现有电容，本发明的磁性电容单元3的运作原理相当于通过磁场的作用来改变介电层33的介电常数，故而造成电容值的大幅提升。

此外，该第一磁性电极31与该介电层33之间的界面34以及该第二磁性电极32与该介电层33之间的界面35均为一不平坦的表面，以通过增加表面积A的方式，进一步提升磁性电容单元3的电容值C。

另外请参考图4，图4为该第一磁性电极31的结构示意图，该第一磁性电极31为一多层结构，包含有一第一磁性层312、一隔离层313以及一第二磁性层314，其中该隔离层313由非磁性材料所构成，而该第一磁性层312与该第二磁性层314则包含有具磁性的导电材料，并在磁化时，通过不同的外加电场，使得第一磁性层312与第二磁性层314中的磁偶极3121、3141分别具有不同的方向，其中磁偶极3121、3141的方向为反向，藉此能进一步抑制本发明的磁性电容单元3的漏电流。

此外，需要强调的是，该第一磁性电极31的结构并不限于上述的三层结构，而可以类似的方式，以多个磁性层与非磁性层不断交错堆叠，再通过各磁性层内磁偶极方向的调整来进一步抑制漏电流，甚至达到几乎无漏电流的效果。

由于现有储能元件多半以化学能的方式进行存储，因此都需要有一定的尺寸，否则往往会造成效率的大幅下降。相较于此，本发明的磁性电容单元3以电位能的方式进行存储，且因所使用的材料可适用于半导体制作过程，故可通过适当的半导体制作过程来形成该磁性电容单元3与该多个集成电路元件2，进而缩小磁性电容单元3的体积与重量。

请参阅图5所示，该磁性电容单元3可依据使用者需求，利用半导体制作过程于该基板1上制作多个小尺寸的磁性电容单元3，并通过适当的金属化制作过程，于该多个磁性电容单元3之间形成电性连接，从而构成一个包含有多个磁性电容单元3的磁性电容组4，再以该磁性电容组4作为电力供应的来源。

该磁性电容组4内的多个磁性电容单元3以类似数组的方式电连接，然而本发明并不限于此，而可根据不同的电压或电容值需求，进行适当的串联或并联，以满足各种不同装置的电力供应需求。

请参阅图6所示，图6为本发明的磁性电容单元3与其它现有能量存储媒介的比较示意图。简言之，由于现有储能能量存储媒介(例如传统电池或超级电容)主要是利用化学能的方式来进行能量存储，因此其能量存储密度将会明显优于一般电容，而可应用于各种电力供应装置，但在此同时，其所能产生的瞬间电力输出亦会受限于化学反应速率，而无法快速的充放电或进行高功率输出，且充放电次数有限，过度充放时易滋生各种问题。相较于此，由于磁性电容30中存储的能量全部以电位能的方式进行存储，因此，除了具有可与一般电池或超级电容匹配的能量存储密度外，更因充分保有电容的特性，而具有寿命长(高充放电次数)、无记忆效应、可进行高功率输出、快速充放电等特点，故可有效解决当前电池所遇到的各种问题。

请参阅图7所示，并配合参考图1A、图1B，本发明提出一种内建磁性电容的集成电路芯片的制作方法，其制作方法步骤如下：

步骤701，首先，提供一基板1，其中该基板1为硅基材，且能以半导体制作过程来制作导电线路11于基板1。

步骤702，利用半导体制作过程于基板1中形成多个彼此电性连接的集成电路元件2，而多个集成电路元件2使得制作过程完成后的集成电路芯片100可提供特定功能，例如：该集成电路芯片100为处理器(Processor)芯片、控制器(Controller)芯片或是其它特定功能的芯片。

步骤703，进一步以半导体制作过程制作该磁性电容单元3于该基板1中并且电性连接所述的集成电路元件2，藉该磁性电容单元3来存储电能，以提供集成电路芯片100所需的电力，使集成电路芯片100无需外接任何电力源来维持运作。

值得注意的是，为说明方便起见，在上述的步骤说明中，是将集成电路元件2、磁性电容单元3以及其它电连接制作过程分开描述，然而上述步骤在实施时，并无特定的顺序要求，对熟习该项技艺者而言，应可根据产品的设计，对各项半导体制作过程进行制作过程整合。

另外必须提及的是，该基板1亦可设置多个，各基板1设置有所述的集成电路元件2与磁性电容单元3，且该多个基板1可以系统封装(System inPackaging，SIP)来形成三维集成电路芯片。

是以，本发明的内建磁性电容的集成电路芯片及其制作方法具有如下述的特点：

1、本发明的内建磁性电容的集成电路芯片，是利用内建的电力源来持续提供运作所需的电力，故当外部电源停止供应电力时，仍可维持芯片继续运作。

2、本发明的磁性电容单元可以半导体制作过程来制作，进而缩小体积与重量，故可轻易达到芯片整体轻薄短小的目的。

3、磁性电容单元可与集成电路元件共同的以半导体制作过程制作于芯片中。

4、磁性电容单元能以半导体制作过程制作于任何特定功能的处理器(Processor)或控制器(Controller)。

5、磁性电容单元通过于上、下电极处形成的磁场，来抑制漏电流，同时提升能量存储密度，故可作为一极佳的能量存储装置或电力供应来源。

6、磁性电容单元中存储的能量全部以电位能的方式进行存储，且具有可匹配的能量存储密度，更因充分保有电容的特性，而具有寿命长、无记忆效应、可进行高功率输出、快速充放电等特点。

当然，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (10)

1、一种内建磁性电容的集成电路芯片，其特征在于，包括有：

一形成有导电线路的基板；

多个集成电路元件，所述集成电路元件设置于该基板中且彼此电性连接；以及

一磁性电容单元，设置于该基板中，且电性连接所述集成电路元件，该磁性电容单元用来存储电位能，并供应电力维持所述集成电路元件运作。

2、根据权利要求1所述的内建磁性电容的集成电路芯片，其特征在于，该磁性电容单元包含有至少一个磁性电容，该磁性电容包含有：

一第一磁性电极；

一第二磁性电极；以及

一介电层，该介电层夹设于该第一磁性电极与该第二磁性电极之间，其中该第一磁性电极与该第二磁性电极内具有一磁偶极以抑制该磁性电容单元的漏电流。

3、根据权利要求2所述的内建磁性电容的集成电路芯片，其特征在于，该第一磁性电极的磁偶极与该第二磁性电极的磁偶极指向同一方向。

4、根据权利要求2所述的内建磁性电容的集成电路芯片，其特征在于，该第一磁性电极的磁偶极与该第二磁性电极的磁偶极互为反向。

5、根据权利要求2所述的内建磁性电容的集成电路芯片，其特征在于，该第一磁性电极包含有：

一第一磁性层；

一第二磁性层；以及

一隔离层，包含有非磁性材料，设于该第一磁性层与该第二磁性层之间。

6、根据权利要求5所述的内建磁性电容的集成电路芯片，其特征在于，该第一磁性层具有排列成第一方向的磁偶极，而该第二磁性层具有排列成第二方向的磁偶极，且该第一方向的磁偶极与该第二方向的磁偶极互为反向，以抑制该磁性电容单元的漏电流。

7、根据权利要求1所述的内建磁性电容的集成电路芯片，其特征在于，该磁性电容单元增设为多个，且该些磁性电容单元以并联方式或串联方式电性连接而形成一磁性电容组。

8、一种内建磁性电容的集成电路芯片的制作方法，其特征在于，包括步骤如下：

提供一基板；

形成多个彼此电性连接的集成电路元件于该基板中；

利用半导体制作过程，于该基板上形成一磁性电容单元，该磁性电容单元电性连接至所述集成电路元件。

9、根据权利要求8所述的内建磁性电容的集成电路芯片的制作方法，其特征在于，进一步提供多个基板，并以系统封装方式以堆叠并电性连接各基板。

10、一种集成电路芯片，其特征在于，包括有：

一基板；

多个集成电路元件设于该基板上，各该集成电路元件相互电连接；

一磁性电容单元，设置于该基板上，可选择性的电连接至一外部电源，该磁性电容单元包含有至少一磁性电容，用来存储电位能并提供一电力输出至该些集成电路元件；以及

一放电单元，电连接于该磁性电容与该多个集成电路元件之间，该放电单元包含有一直流/直流转换器，用以控制该磁性电容单元至该些集成电路元件的电力输出；

其中当该外部电源未供应电力至该集成电路芯片时，该磁性电容会持续提供电力输出至该多个集成电路元件，以维持该多个集成电路元件的运作。

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