DE102014113907A1

DE102014113907A1 - Integrierte Schaltkreisstruktur und Batteriestruktur

Info

Publication number: DE102014113907A1
Application number: DE102014113907.0A
Authority: DE
Inventors: Marko Lemke; Stefan Tegen
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2013-09-26
Filing date: 2014-09-25
Publication date: 2015-03-26
Also published as: CN104517940B; US20150086809A1; CN104517940A; US10559859B2

Abstract

Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann eine integrierte Schaltkreisstruktur (100) aufweisen: einen elektronischen Schaltkreis (104), der auf einer Oberfläche (102a) eines Trägers (102) angeordnet ist; und eine Festkörper-Elektrolytbatterie (106), die zumindest teilweise innerhalb des Trägers (102) angeordnet ist, wobei zumindest ein Teil (107) der Festkörper-Elektrolytbatterie (106), der innerhalb des Trägers (102) angeordnet ist, mit dem elektronischen Schaltkreis (104) entlang einer Richtung parallel zur Oberfläche (102a) des Trägers (102) überlappt.

Description

Verschiedene Ausführungsformen betreffen im Allgemeinen eine integrierte Schaltkreisstruktur und eine Batteriestruktur.
In der Halbleiterindustrie werden verschiedene Prozesse zur Herstellung von elektronischen Vorrichtungen, z. B. integrierten Schaltkreisen, Speicherchips, Sensoren und dergleichen, verwendet. Außerdem kann es wünschenswert sein, Herstellungsprozesse für Batterien, z. B. Dünnfilmbatterien, unter Verwendung von ähnlichen Herstellungstechniken zu entwickeln, wie sie in der Halbleiterindustrie verwendet werden. Derzeitige Dünnfilm-Abscheidungsverfahren können die Herstellung von funktionellen Schichten ermöglichen, die eine Batterie bilden, oder die Ausbildung einer aufladbaren Batterie durch Dünnfilmtechnologie. Im Allgemeinen kann ein elektronischer Schaltkreis, der auf einem Wafer oder einem Substrat ausgebildet wird, platzsparend ausgelegt sein, sodass der elektronische Schaltkreis so wenig Platz auf der Oberfläche des Wafers einnimmt wie möglich oder wie für einen bestimmten Entwurf des Schaltkreises erwünscht, was zu einem effizienteren Herstellungsprozessen und/oder höherer Ausbeute führt.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann eine integrierte Schaltkreisstruktur umfassen: einen elektronischen Schaltkreis, der auf einer Oberfläche eines Trägers angeordnet ist; und eine Festkörper-Elektrolytbatterie, die zumindest teilweise innerhalb des Trägers angeordnet ist, wobei zumindest ein Teil der innerhalb des Trägers angeordneten Festkörper-Elektrolytbatterie mit dem elektronischen Schaltkreis entlang einer Richtung parallel zur Oberfläche des Trägers überlappt.
In einer Ausgestaltung kann die Festkörper-Elektrolytbatterie innerhalb eines Hohlraums ausgebildet sein, der im Träger vorgesehen ist. In noch einer Ausgestaltung kann der Hohlraum zumindest eine Hohlraumöffnung an der Oberfläche des Trägers aufweisen, wobei der Hohlraum mit dem elektronischen Schaltkreis entlang einer Richtung parallel zur Oberfläche des Trägers überlappt. In noch einer Ausgestaltung kann die Festkörper-Elektrolytbatterie mit zumindest einem Teil des elektronischen Schaltkreises elektrisch gekoppelt sein. In noch einer Ausgestaltung kann die Festkörper-Elektrolytbatterie einen Schichtstapel aufweisen, der zumindest eine Kathodenschicht, zumindest eine Anodenschicht und zumindest eine Elektrolytschicht, die zwischen der zumindest einen Kathodenschicht und der zumindest einen Anodenschicht angeordnet ist, aufweist. In noch einer Ausgestaltung kann der Schichtstapel ferner eine Anodenstromkollektorschicht, die an die zumindest eine Anodenschicht angrenzt, und eine Kathodenstromkollektorschicht, die an die zumindest eine Kathodenschicht angrenzt, aufweisen. In noch einer Ausgestaltung kann die integrierte Schaltkreisstruktur ferner aufweisen eine elektrisch isolierende Schicht, die zwischen zumindest dem Träger und der Festkörper-Elektrolytbatterie angeordnet ist. In noch einer Ausgestaltung kann der Schichtstapel konturgetreu (anders ausgedrückt konform) über der inneren Oberfläche des Hohlraums angeordnet sein.
In verschiedenen Ausführungsformen wird eine Batteriestruktur bereitgestellt, aufweisend: zumindest einen Hohlraum, der innerhalb eines Träger angeordnet ist, wobei der Hohlraum eine Hohlraumöffnung an einer Oberfläche des Trägers umfasst, wobei zumindest ein Teil des Hohlraums eine Ausdehnung entlang einer Richtung parallel zur Oberfläche des Trägers aufweist, die größer ist als die Ausdehnung der Hohlraumöffnung entlang derselben Richtung; und eine Festkörper-Elektrolytbatterie, die zumindest teilweise innerhalb des Hohlraums angeordnet ist.
In einer Ausgestaltung kann die Festkörper-Elektrolytbatterie einen Schichtstapel aufweisen, der zumindest eine Kathodenschicht, zumindest eine Anodenschicht und zumindest eine Elektrolytschicht, die zwischen der zumindest einen Kathodenschicht und der zumindest einen Anodenschicht angeordnet ist, aufweist. In noch einer Ausgestaltung kann der Schichtstapel ferner eine Anodenstromkollektorschicht, die an die zumindest eine Anodenschicht angrenzt, und eine Kathodenstromkollektorschicht, die an die zumindest eine Kathodenschicht angrenzt, aufweisen. In noch einer Ausgestaltung kann der Schichtstapel ferner zumindest eine dielektrische Schicht aufweisen, die zwischen dem Träger und der Festköper-Elektrolytbatterie angeordnet ist. In noch einer Ausgestaltung kann der Schichtstapel konturgetreu über der inneren Oberfläche des Hohlraums angeordnet sein.
In verschiedenen Ausführungsformen wird eine integrierte Schaltkreisstruktur bereitgestellt, aufweisend: einen elektronischen Schaltkreis, der auf einer Oberfläche eines Trägers angeordnet ist; und eine Festkörper-Elektrolytbatterie, die zumindest teilweise innerhalb des Trägers angeordnet ist, wobei zumindest ein Teil der Festkörper-Elektrolytbatterie, der innerhalb des Trägers angeordnet ist, seitlich mit dem elektronischen Schaltkreis überlappt.
In einer Ausgestaltung kann die Festkörper-Elektrolytbatterie innerhalb eines Hohlraums ausgebildet sein, der im Träger bereitgestellt ist. In noch einer Ausgestaltung kann der Hohlraum zumindest eine Hohlraumöffnung an der Oberfläche des Trägers aufweisen, wobei der Hohlraum seitlich mit dem elektronischen Schaltkreis überlappt. In noch einer Ausgestaltung kann die Festkörper-Elektrolytbatterie mit zumindest einem Teil des elektronischen Schaltkreises elektrisch gekoppelt sein. In noch einer Ausgestaltung kann die Festkörper-Elektrolytbatterie einen Schichtstapel aufweisen, der zumindest eine Kathodenschicht, zumindest eine Anodenschicht und zumindest eine Elektrolytschicht, die zwischen der zumindest einen Kathodenschicht und der zumindest einen Anodenschicht angeordnet ist, aufweist. In noch einer Ausgestaltung kann der Schichtstapel ferner eine Anodenstromkollektorschicht, die an die zumindest eine Anodenschicht angrenzt, und eine Kathodenstromkollektorschicht, die an die zumindest eine Kathodenschicht angrenzt, aufweisen. In noch einer Ausgestaltung kann die integrierte Schaltkreisstruktur ferner aufweisen eine elektrisch isolierende Schicht, die zwischen zumindest dem Träger und der Festkörper-Elektrolytbatterie angeordnet ist.
In den Zeichnungen beziehen sich gleiche Bezugszeichen auf dieselben Teile in den unterschiedlichen Ansichten. Die Zeichnungen sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu, sondern der Schwerpunkt liegt im Allgemeinen auf der Veranschaulichung der Prinzipien der Erfindung. In der folgenden Beschreibung sind verschiedene Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die nachfolgenden Zeichnungen beschrieben, wobei:
1 eine schematische Darstellung einer integrierten Schaltkreisstruktur gemäß verschiedenen Ausführungsformen zeigt;
2A und 2B jeweils eine schematische Darstellung einer integrierten Schaltkreisstruktur gemäß verschiedenen Ausführungsformen zeigen;
3 ein Verfahren zur Herstellung einer integrierten Schaltkreisstruktur gemäß verschiedenen Ausführungsformen in einem Flussdiagramm zeigt;
4A bis 4M jeweils eine schematische Darstellung einer integrierten Schaltkreisstruktur während der Herstellung gemäß verschiedenen Ausführungsformen zeigen;
4M eine integrierte Schaltkreisstruktur, die einen elektronischen Schaltkreis und eine Festkörper-Elektrolytbatterie umfasst, gemäß verschiedenen Ausführungsformen zeigt;
5A und 5B jeweils einen Querschnitt eines Schichtstapels einer Festkörper-Elektrolytbatterie, der in einer integrierten Schaltkreisstruktur enthalten ist, gemäß verschiedenen Ausführungsformen zeigen;
6 ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur Herstellung einer Batteriestruktur gemäß verschiedenen Ausführungsformen zeigt; und
7A und 7B jeweils eine schematische Darstellung einer Batteriestruktur gemäß verschiedenen Ausführungsformen zeigen.
In der folgenden ausführlichen Beschreibung wird auf die beiliegenden Zeichnungen Bezug genommen, die zur Veranschaulichung spezifische Details und Ausführungsformen, in denen die Erfindung umgesetzt werden kann, zeigen.
Das Wort „über” in Bezug auf ein abgeschiedenes Material, das „über” einer Seite oder Oberfläche ausgebildet ist, oder das Abscheiden einer Schicht „über” einem Träger kann hierin bedeuten, dass das abgeschiedene Material „direkt auf”, z. B. in direktem Kontakt mit, der/m betroffenen Seite, Oberfläche oder Träger ausgebildet ist. Das Wort „über” in Bezug auf ein abgeschiedenes Material, das „über” einer Seite oder Oberfläche ausgebildet ist oder das Abscheiden einer Schicht „über” einem Träger kann hierin aber auch verwendet werden, um anzugeben, dass das Material „indirekt” auf der/m betroffenen Seite, Oberfläche oder Träger ausgebildet ist, wobei eine oder mehreren Zusatzschichten zwischen der/m betroffenen Seite, Oberfläche oder Träger und dem abgeschiedenen Material angeordnet sind.
Die Bezeichnung „seitlich” in Bezug auf die „seitliche” Ausdehnung einer Struktur (oder eines Trägers) oder „seitlich” überlappend kann hierin verwendet werden, um eine Ausdehnung entlang einer Richtung parallel zu einer Oberfläche eines Trägers zu bezeichnen. Das bedeutet, dass eine Oberfläche eines Trägers (z. B. eine Oberfläche eines Substrats oder eine Oberfläche eines Wafers) als Bezug dienen kann, was herkömmlicherweise als Hauptbearbeitungsoberfläche eines Wafers (oder Hauptbearbeitungsoberfläche einer anderen Art von Träger) bezeichnet wird. Außerdem kann die Bezeichnung „Breite” in Bezug auf die „Breite” einer Struktur (oder eines Strukturelements, z. B. eines Hohlraums) hierin verwendet werden, um die seitliche Ausdehnung einer Struktur zu bezeichnen. Ferner kann die Bezeichnung „Höhe” in Bezug auf die Höhe einer Struktur (oder eines Strukturelements) hierin verwendet werden, um die Ausdehnung einer Struktur entlang einer Richtung orthogonal zur Oberfläche eines Trägers (z. B. orthogonal zur Hauptbearbeitungsoberfläche eines Trägers) zu bezeichnen.
Das Wort „bedecken” in Bezug auf abgeschiedenes Material, das eine Struktur (oder ein Strukturelement) bedeckt, kann hierin verwendet werden, um ein abgeschiedenes Material zu bezeichnen, das eine Struktur (oder ein Strukturelement) vollständig bedeckt, z. B. alle freiliegenden Seiten und Oberflächen einer Struktur. Das Wort „bedecken”, in Bezug auf abgeschiedenes Material, das eine Struktur (oder ein Strukturelement) bedeckt, kann hierin verwendet werden, um anzugeben, dass das abgeschiedene Material eine Struktur zumindest teilweise bedeckt, z. B. ein Material kann die freiliegenden Seiten und Oberflächen einer Struktur zumindest teilweise bedecken.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann das Ausbilden einer Schicht (z. B. Abscheiden einer Schicht, Abscheiden eines Materials und/oder Anwenden eines Schichtbildungsprozesses) wie hierin beschrieben auch das Ausbilden einer Schicht umfassen, sodass die Schicht verschiedene Unterschichten umfasst, wobei verschiedene Unterschichten unterschiedliche Materialien enthalten können. Mit anderen Worten können mehrere verschiedene Unterschichten in einer Schicht enthalten sein, oder mehrere verschiedene Bereiche können in einer abgeschiedenen Schicht und/oder in einem abgeschiedenen Material enthalten sein.
Da viele Einzelprozesse in einer Halbleiterverarbeitung enthalten sein können (z. B. während der Herstellung eines integrierten Schaltkreises, eines Chips oder einer Batterie, z. B. während der Verarbeitung eines Trägers oder eines Wafers, die eine Batteriestruktur umfassen), die üblicherweise nacheinander ausgeführt werden, können einige grundlegende Herstellungstechniken zumindest einmal im gesamten Herstellungsprozess eingesetzt werden. Die folgende Beschreibung von grundlegenden Techniken ist als Veranschaulichungsbeispiele von Techniken zu verstehen, die in den hierin beschriebenen Prozessen enthalten sein können. Die beispielhaft beschriebenen grundlegenden Techniken sind nicht notwendigerweise bevorzugt oder vorteilhaft gegenüber anderen Techniken oder Methoden, da sie nur dazu dienen, zu veranschaulichen, wie eine oder mehrere Ausführungsformen der Erfindung umgesetzt werden können. Der Kürze halber kann die Veranschaulichung von beispielhaft beschriebenen grundlegenden Techniken nur ein kurzer Überblick sein und sollte nicht als erschöpfende Beschreibung gesehen werden.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann zumindest eine der folgenden Techniken zur Herstellung einer integrierten Schaltkreisstruktur oder einer Batteriestruktur wie hierin beschrieben verwendet werden. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann zumindest eine der Techniken, wie sie nachstehend beschrieben sind, in einem Verfahren zur Herstellung einer integrierten Schaltkreisstruktur oder in einem Verfahren zur Herstellung einer Batteriestruktur oder z. B. in einem Verfahren zur Herstellung eines integrierten Schaltkreises, der eine Dünnfilm-Batteriestruktur wie hierin beschrieben umfasst, enthalten sein.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann zumindest eine Schichtbildung oder ein Schichtbildungsprozess in einem Verfahren zur Herstellung einer integrierten Schaltkreisstruktur oder Batteriestruktur wie hierin beschrieben verwendet werden. In einem Schichtbildungsprozess kann eine Schicht (im Allgemeinen auch als Film oder Dünnfilm bezeichnet) gemäß verschiedenen Ausführungsformen unter Verwendung von Abscheidungstechniken, die chemische Gasphasenabscheidung (CVD oder ein CVD-Prozess) und/oder physikalische Gasphasenabscheidung (PVD oder ein PVD-Prozess) umfassen kann, auf einer Oberfläche abgeschieden werden (z. B. über einem Träger, über einem Wafer, über einem Substrat, über einer anderen Schicht, über einer Vielzahl von Strukturelementen und dergleichen). Die Dicke einer abgeschiedenen Schicht kann, je nach ihrer spezifischen Funktion, im Bereich von wenigen Nanometer bis zu mehreren Mikrometern liegen. Die Dicke einer abgeschiedenen Schicht kann als räumliche Ausdehnung der abgeschiedenen Schicht entlang ihrer Wachstumsrichtung betrachtet werden. Dünnschichten im Bereich von wenigen Nanometern, z. B. mit einer Schichtdicke von weniger als 50 nm, können unter Verwendung von Atomlagenabscheidung (ALD) oder eines anderen geeigneten konturgetreuen Abscheidungsprozesses, z. B. chemischer Niederdruck-Gasphasenabscheidung (LPCVD) ausgebildet werden.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann eine abgeschiedene (ausgebildete oder bereitgestellte) Schicht, in Abhängigkeit von der jeweiligen spezifischen Funktion der abgeschiedenen Schicht, zumindest eines aus einem elektrisch isolierenden Material, einem elektrischen halbleitenden Material und/oder einem elektrisch leitenden Material umfassen. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen können elektrisch leitende Materialien, wie z. B. Aluminium, Aluminium-Silicium-Legierungen, Aluminium-Kupfer-Legierungen, Kupfer, Nichrom (eine Legierung aus Nickel, Chrom und/oder Eisen), Wolfram, Titan, Titannitrid, Molybdän, Platin, Gold, Kohlenstoff(Graphit) oder dergleichen mithilfe eines CVD-Prozesses oder eines PVD-Prozesses abgeschieden werden. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen können halbleitende Materialien, wie z. B. Silicium (z. B. Silicium, polykristallines Silicium (auch als Polysilicium bezeichnet) oder amorphes Silicium), Germanium, ein Halbleiterverbindungsmaterial, wie z. B. Galliumarsenid (GaAs), Indiumphosphid (InP) oder Indiumgalliumarsenid (InGaAs), unter Verwendung eines CVD-Prozesses abgeschieden werden. Isolationsmaterialien, wie z. B. Siliciumoxid, Siliciumnitrid, Siliciumoxynitrid, Metalloxide (z. B. Aluminiumoxid), organische Verbindungen, Polymere (oder dergleichen), können unter Verwendung eines CVD-Prozesses oder eines PVD-Prozesses abgeschieden werden.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen können Modifikationen dieser Prozesse verwendet werden, wie nachstehend beschrieben ist.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann ein chemischer Gasphasenabscheidungsprozess (CVD-Prozess) verschiedene Modifikationen umfassen, wie z. B. Atmosphärendruck-CVD (APCVD), Niederdruck-CVD (LPCVD), Ultrahochvakuum-CVD (UHVCVD), plasmagestützte DVD (PECVD), Hochdichteplasma-CVD (HDPCVD), durch getrenntes Plasma gestützte CVD (RPECVD), Atomlagen-CVD (ALCVD), Gasphasenepitaxie (VPE); metallorganische CVD (MOCVD), gemischte physikalische CVD (HPCVD) und dergleichen. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen können Silicium, Polysilicium, amorphes Silicium, Siliciumdioxid, Siliciumnitrid und dergleichen unter Verwendung von LPCVD oder ALCVD abgeschieden werden. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen können beispielsweise Platin, Titannitrid, Titanoxid, LIPON, LLT, LTO, Kupfernitrid, Vanadiumoxid, LiFePO₄ und LiCoO_x unter Verwendung von Atomlagenabscheidung (ALD oder ALCVD) abgeschieden werden.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann ein physikalischer Gasphasenabscheidungsprozess verschiedene Modifikationen umfassen, beispielsweise Magnetronsputtern, Ionenstrahlsputtern (IBS), reaktives Sputtern, Hochenergieimpulsmagnetronsputtern (HIPIMS), Vakuumverdampfung, Molekularstrahlepitaxie (MBE) und dergleichen.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann ein Schichtbildungsprozess ferner thermische Oxidation umfassen (auch als thermischer Oxidationsprozess bezeichnet). Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann thermische Oxidation verwendet werden, um hochqualitative Siliciumoxidschichten (so genannte Hochtemperator-Oxidschicten (HTO)) auf einer Siliciumoberfläche zu züchten, z. B. bei Temperaturen im Bereich von etwa 800°C bis etwa 1200°C. Die thermische Oxidation kann bei Atmosphärendruck oder Hochdruck erfolgen, und eine weitere Modifikation ist der schnelle thermische Bearbeitungsprozess (RTO). Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann auch thermische Nitridation angewendet werden, um hochqualitative Nitrid- oder Oxynitridschichten (z. B. Siliciumnitridschichten oder Siliciumoxynitridschichten) herzustellen, z. B. unter Verwendung von rascher thermischer Nitridation (z. B. bei Temperaturen von bis zu 1300°C).
Ferner kann gemäß verschiedenen Ausführungsformen ein Prozess, der zur Erzeugung einer Metallschicht angewendet werden kann, Plattieren sein, z. B. Elektroplattieren oder stromloses Plattieren. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann ein Plattierprozess verwendet werden, um eine Metallisierungsschichtstruktur oder eine Metallisierung auszubilden. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann eine Metallisierungsschicht beispielsweise eine oder mehrere Metalllinien und eine oder mehrere Leitungen umfassen, die mehrere Strukturen oder Strukturelemente auf einem Träger, z. B. eine Batterie und einen elektronischen Schaltkreis, die auf einem Träger angeordnet sind, verbinden.
Es gilt anzumerken, dass gemäß verschiedenen Ausführungsformen unterschiedliche Kombinationen aus Materialien und Prozessen in einem Schichtbildungsprozess eingesetzt werden können. Je nach spezifischen Aspekten oder erwünschten Eigenschaften der auszubildenden Schicht, beispielsweise Kristallqualität, Oberflächenrauigkeit, Kantenabdeckungsverhalten, Wachstumsgeschwindigkeit und Ausbeute, kann gemäß verschiedenen Ausführungsformen der für das jeweilige Material am besten geeignete Prozess eingesetzt werden.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen können manche Prozesse während der Herstellung eines integrierten Schaltkreises eine konturgetreu abgeschiedene Schicht oder das konturgetreue Abscheiden einer Schicht (z. B. zur Ausbildung eines Schichtstapels über einer Seitenwand eines Strukturelements oder über einer inneren Seitenwand eines Hohlraums), umfassen, was bedeutet, dass eine Schicht (oder ein Material, das eine Schicht bildet) nur geringe Dickeschwankungen entlang einer Berührungsfläche mit einem anderen Körper aufweisen kann, z. B. kann eine Schicht nur geringe Dickeschwankungen enthalten von Kanten, Stufen oder anderen Elementen der Morphologie der Berührungsfläche aufweisen. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen können Schichtbildungsprozesse, wie z. B. Plattieren, Atomlagenabscheidung (ALD) oder verschiedene CVD-Prozesse (z. B. ALCVD oder LPCVD) zur Erzeugung einer konturgetreuen Schicht oder einer konturgetreu abgeschiedenen Schicht aus einem Material geeignet sein. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann beispielsweise unter Verwendung eines Atomlagenabscheidungs-(ALD-)Prozesses eine Struktur mit einem hohen Aspektverhältnisses (z. B. über 5, z. B. über 10, z. B. über 20) konturgetreu mit einer konturgetreuen Schicht oder einem konturgetreuen Dünnfilm bedeckt werden. Außerdem kann gemäß verschiedenen Ausführungsform unter Verwendung beispielsweise eines Atomlagenabscheidungs-(ALD-)Prozesses die innere Seitenwand eines Hohlraums oder einer Hohlkammer (vollständig oder teilweise) mit einer konturgetreuen Schicht oder einem konturgetreuen Dünnfilm bedeckt werden. Mit anderen Worten kann die Verwendung von Atomlagenabscheidung das Bedecken der inneren Seitenwand eines Hohlraums oder einer Hohlraumstruktur mit einer Materialschicht (z. B. mit einer konturgetreuen Materialschicht) ermöglichen, wenn der Hohlraum oder die Hohlraumstruktur zumindest eine Öffnung aufweisen, sodass das die Materialschicht bildende Material das Innere des Hohlraums oder der Hohlraumstruktur erreichen kann.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann zumindest eine Strukturierung oder zumindest ein Strukturierungsprozess verwendet werden, um eine integrierte Schaltkreisstruktur oder eine Batteriestruktur, wie sie hierin beschrieben sind, auszubilden. Zumindest eine Strukturierung oder zumindest ein Strukturierungsprozess kann in einem Verfahren zur Herstellung einer integrierten Schaltkreisstruktur oder in einem Verfahren zur Herstellung einer Batteriestruktur, wie sie hierin beschrieben sind, verwendet werden. Ein Strukturierungsprozess kann das Entfernen von ausgewählten Abschnitten einer Oberflächenschicht oder eines Materials umfassen. Nachdem gegebenenfalls eine Oberflächenschicht teilweise entfernt wurde, kann eine Struktur (oder eine Strukturschicht oder Strukturoberflächenschicht oder eine Vielzahl von Strukturelementen) auf zumindest einem aus über und in der darunterliegenden Struktur verbleiben (z. B. kann eine strukturierte Basisschicht auf einer darunterliegenden Struktur verbleiben). Da eine Vielzahl von Prozessen enthalten sein kann, gibt es gemäß verschiedenen Ausführungsformen verschiedene Möglichkeiten zur Durchführung eines Strukturierungsverfahrens, wobei Aspekte sein können: die Auswahl zumindest eines Abschnitts einer Oberflächenschicht (oder zumindest eines Abschnitts eines Materials, oder zumindest eines Abschnitts eines Wafers), der entfernt werden soll, z. B. mithilfe zumindest eines lithographischen Prozesses; und das Entfernen der ausgewählten Abschnitte einer Oberflächenschicht z. B. mithilfe zumindest eines Ätzprozesses. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen können verschiedene lithographische Prozesse angewendet werden, wodurch eine lithographische Maske (eine so genannte Photomaske) erzeugt wird, beispielsweise Photolithographie, Mikrolithographie oder Nanolithographie, Elektronenstrahllithographie, Röntgenlithographie, Extremultraviolettlithographie (EUV oder EUVL), Interferenzlithographie und dergleichen. Ein lithographischer Prozess kann zumindest eines aus einem anfänglichen Reinigungsprozess, einem Vorbereitungsprozess, dem Auftragen eines Resists (z. B. eines Photoresists), dem Bestrahlen des Resists (z. B. Bestrahlen des Photoresists mit einem Lichtmuster), dem Entwickeln des Resists (z. B. Entwickeln des Photoresists unter Verwendung eines chemischen Photoresistentwicklers) umfassen.
Ein anfänglicher Reinigungsprozess oder ein Reinigungsprozess, der in einem lithographischen Prozess enthalten sein kann (oder der in einem allgemeinen Prozess der Halbleiterbearbeitung enthalten sein kann), kann angewendet werden, um organische oder anorganische Verunreinigungen (oder Materialien) von einer Oberfläche (z. B. von einer Oberflächenschicht, von einem Träger, von einem Wafer und dergleichen) zu entfernen, beispielsweise mithilfe einer chemischen Nassbehandlung. Der anfängliche Reinigungsprozess oder ein Reinigungsprozess kann zumindest einen der folgenden Prozesse umfassen: RCA-(Radio Corporation of America)Reinigung (auch bekannt als Organic Clean (SC1) und Ionic Clean (SC2)); SCROD (Einzelwafer-Rotationsreinigung mit wiederholter Anwendung von ozonisiertem Wasser und verdünntem HF); IMEC-Waferreinigung; post-chemisch-mechanischer Polier-(post-CMP-)Reinigungsprozess, Reinigung mithilfe von deionisiertem Wasser (DIW), Piranha-Ätzen und/oder Metallätzen (und dergleichen). Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann ein Reinigungsprozess auch zur Entfernung einer dünnen Oxidschicht (z. B. einer dünnen Siliciumoxidschicht) von einer Oberfläche (z. B. von einer Oberflächenschicht, von einem Träger oder von einem Wafer und dergleichen) angewendet werden.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann ein Herstellungsprozess, der in einem lithographischen Prozess enthalten sein kann, angewendet werden, um die Haftung des Photoresists auf einer Oberfläche (z. B. auf einer Oberflächenschicht, auf einem Träger oder auf einem Wafer und dergleichen) zu fördern. Die Der Herstellungsprozess kann das Aufbringen eines flüssigen oder gasförmigen Haftverstärkers (z. B. Bis(trimethylsilyl)amin (HMDS)) umfassen.
Ein Resist, das in einem lithographischen Prozess enthalten sein kann, kann angewendet werden, um eine Oberfläche (z. B. eine Oberflächenschicht, einen Träger oder einen Wafer und dergleichen) homogen zu bedecken. Das Aufbringen eines Resists kann Schleuderbeschichtung umfassen, um eine dünne Schicht aus dem Resist zu erzeugen. Danach kann ein Resist gemäß verschiedenen Ausführungsformen ausgeheizt werden, um überschüssiges Resistlösungsmittel auszutreiben. Verschiedene Arten von Resists (z. B. ein Photoresist) können angewendet werden, die für den Prozess des Bestrahlens des Resists angepasst sind, um gewünschte Ergebnisse zu erhalten. Positive Photoresists (z. B. DNQ-Novolac, PMMA, PMIPK, PBS und dergleichen) können verwendet werden, und/oder negative Photoresists (z. B. SU-8, Polyisopren, COP und dergleichen) können verwendet werden.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann ein lithographischer Prozess das Bestrahlen eines Resists umfassen, sodass eine gewünschte Struktur auf das Resist übertragen wird, z. B. durch Verwendung von Licht oder Elektronen, wobei die gewünschte Struktur durch eine strukturierte Maske definiert sein kann (z. B. ein Glasträger mit einer strukturierten Chromschicht). Maskenlose Lithographie kann auch angewendet werden, wobei ein präziser Strahl (z. B. Elektronenstrahl oder Laserstrahl) ohne Verwendung einer Maske direkt auf die Oberfläche, die das Resist umfasst, projiziert wird. die Wellenlänge des verwendeten Lichts kann von der Wellenlänge des sichtbaren Lichts bis zu einer kleineren Wellenlänge im Ultaviolettbereich reichen. Das Bestrahlen kann unter Verwendung von Röntgenstrahlen oder Elektronen mit sogar noch kürzerer Wellenläge als Ultraviolettlicht erfolgen. Projektionsbestrahlungssysteme (Stepper oder Scanner) können verwendet werden, um die Maske viele Male auf eine Oberfläche, die ein Resist umfasst, zu projizieren, um das vollständige Bestrahlungsmuster zu erzeugen.
Ein lithographischer Prozess kann das Entwickeln eines Resists (z. B. Entwickeln eines Photoresists unter Verwendung eines Photoresistentwicklers) umfassen, um das Resist teilweise zu entfernen, wodurch eine strukturierte Resistschicht erzeugt wird, die auf der Oberfläche verbleibt (z. B. auf einer Oberflächenschicht oder auf einem Träger, einem Wafer und dergleichen). Das Entwickeln eines Resists kann ein Vortrocknen nach dem Bestrahlen (eine Wärmebehandlung, z. B. rasches thermisches Verarbeiten) umfassen, bevor der tatsächliche Entwicklungsprozess durchgeführt wird. Der Entwicklungsprozess kann eine chemische Lösung (einen so genannten Entwickler) umfassen, wie z. B. Natriumhydroxid oder Tetramethylammoniumhydroxid (TMAH), ein Metallionen-freier Entwickler). Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann das verbleibende strukturierte Resist in einem Vortrocknungsprozess (eine Wärmebehandlung, z. B. rasches thermisches Verarbeiten) verfestigt werden, wodurch eine beständigere Schutzschicht für spätere Prozesse, z. B. Ionenimplantation, nasschemisches Ätzen oder Plasmaätzen (und dergleichen) umgesetzt wird.
Unabhängig von den beschriebenen lithographischen Prozessen kann ein Resist in einer gewünschten Verarbeitungsstufe vollständig in einem so genannten Resistablösungsprozess entfernt werden (z. B. nachdem zumindest ein Ätzprozess, ein Ionenimplantationsprozess und ein Abscheidungsprozess durchgeführt wurden). Ein Resist kann chemisch und/oder durch Verwendung von Sauerstoffplasma entfernt werden.
Es gilt anzumerken, dass ein lithographischer Prozess, der das Aufbringen eines Resists, Bestrahlen eines Resists und Entwickeln eines Resists einschließt, auch als Strukturierungsprozess gesehen werden kann, wobei eine strukturierte Resistschicht (eine weiche Maske oder eine Resistmaske) durch den lithographischen Prozess erzeugt werden kann. Anschließend kann eine Struktur unter Verwendung eines Ätzprozesses von einer strukturierten Resistschicht auf eine vorher abgeschiedene oder gezüchtete Schicht (oder einen Träger und dergleichen) übertragen werden, wobei die vorher abgeschiedene oder gezüchtete Schicht ein hartes Maskenmaterial umfassen kann, z. B. ein Oxid oder ein Nitrid (z. B. Siliciumoxid, z. B. Siliciumnitrid), wodurch eine so genannte harte Maske erzeugt wird.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann ein Ätzverfahren, das beispielsweise in einem Strukturierungsverfahren enthalten sein kann oder das zur Ausbildung eines Hohlraums und/oder einer Vertiefung verwendet werden kann, angewendet werden, um Material von einer vorher abgeschiedenen Schicht, einer gezüchteten Oberflächenschicht, einem Träger (oder Substrat, oder Wafer) und dergleichen zu entfernen. Ein Ätzverfahren kann in Abhängigkeit von den spezifischen Anforderungen für den gewünschten Prozess angepasst und durchgeführt werden. Ein Ätzverfahren kann ein Nassätzverfahren und/oder ein Trockenätzverfahren umfassen. Ein Ätzverfahren kann selektiv oder nichtselektiv in Bezug auf zwei unterschiedliche Materialien sein oder kann konfiguriert sein, um selektiv oder nichtselektiv zu sein, wobei ein selektiver Ätzprozess eine andere Ätzgeschwindigkeit für eine erste Material bereitstellen kann als für ein zweites Material, und ein nichtselektiver Ätzprozess die gleiche Ätzgeschwindigkeit für ein erstes Material und ein zweites Material bereitstellen kann. Ein Ätzprozess kann isotrop oder anisotrop sein oder konfiguriert sein, um isotrop oder anisotrop zu sein, wobei ein anisotroper Ätzprozess unterschiedliche Ätzgeschwindigkeiten entlang unterschiedlicher räumlicher Richtungen aufweist und ein isotroper Ätzprozess die gleichen Ätzgeschwindigkeiten entlang aller räumlichen Richtungen aufweist. Ein Ätzprozess kann aufgrund unterschiedlicher Ätzgeschwindigkeiten entlang unterschiedlicher kristallographischer Richtungen des Materials, das geätzt werden soll, anisotrop sein. Ein Ätzprozess unter Verwendung eines Maskierungsmaterials und eines Trockenätzprozesses (z. B. Plasmaätzen oder reaktives Ionenätzen) kann die Ausbildung von anisotropen Strukturen, z. B. Vertiefungen, ermöglichen.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann ein selektiver Ätzprozess ein spezifisches Ätzmittel umfassen (z. B. ein Nassätzmittel, z. B. ein Plasmaätzmittel), das Ätzen von zumindest einem gewünschten Material ermöglicht, während ein anderes Material verschont wird, z. B. kann eine bestrahlte Region einer Schicht oder eines Trägers entfernt (geätzt) werden, während ein Maskenmaterial (oder anders Material) verbleiben kann. Siliciumdioxid kann im Vergleich zu Silicium selektiv entfernt (geätzt) werden, indem Fluorwasserstoffsäure (HF_wässr) als Ätzmittel verwendet wird. Siliciumdioxid kann zusammen mit Silicium (nichtselektiv) entfernt (geätzt) werden, indem ein Gemisch aus Stickstoffsäure und Fluorwasserstoffsäure (HNO₃/HF_wassr) als Ätzmittel verwendet wird.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann ein anisotroper Nassätzprozess eine andere Ätzgeschwindigkeit entlang einer jeweiligen kristallographischen Richtung eines spezifischen Materials aufwiesen. Ein Nassätzprozess, der Kaliumhydroxid (KOH) als Ätzmittel umfasst, kann durchgeführt werden, um Silicium (z. B. einen Siliciumwafer) anisotrop zu ätzen. Ein Nassätzprozess, der (HNO₃/HF_wassr) als Ätzmittel umfasst, kann durchgeführt werden, um Silicium (z. B. einen Siliciumwafer) isotrop zu ätzen. Ein anisotroper Trockenätzprozess kann eine andere Ätzgeschwindigkeit für Oberflächen mit einer spezifischen geometrischen Anordnung aufweisen. Ein physikalischer Ätzprozess kann angewendet werden (z. B. Ionenstrahlätzen, z. B. Plasmaätzen), um eine anisotrope Entfernung eines Materials durchzuführen.
Außerdem kann zur Schaffung von zumindest einem aus tiefer Penetration, einem steilwandigen Loch und eines Grabens in einem Material (z. B. in einem Wafer, in einem Substrat, in einer abgeschiedenen oder gezüchteten Schicht und dergleichen) reaktives Ionentiefätzen (DRIE) angewendet werden. Gepulstes Ätzen (Zeitmultiplexätzen) kann angewendet werden.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann eine strukturierte Schicht auch als Maske (so genannte harte Maske) für andere Prozesse, wie z. B. Ätzen, Ionenimplantation und/oder Schichtbildung, dienen. Außerdem kann ein strukturiertes Photoresist auch als Maske (so genannte weiche Maske) dienen. Das Maskenmaterial kann üblicherweise in Bezug auf spezifische Anforderungen, wie z. B. chemische Stabilität, um beispielsweise einen selektiven Ätzprozess durchzuführen, der sich nicht auf das Maskenmaterial auswirkt (der z. B. das Maskenmaterial nicht vollständig wegätzt), oder mechanische Stabilität, um beispielsweise Bereiche vor dem Eindringen von Ionen zu schützen, oder zur Definition der Form der erzeugten Strukturelemente während eines Schichtbildungsprozesses und dergleichen ausgewählt werden.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann zumindest ein Dotierprozess verwendet werden, um eine integrierte Schaltkreisstruktur wie hierin beschrieben auszubilden. Zumindest ein Dotierprozess kann in einem Verfahren zur Herstellung einer integrierten Schaltkreisstruktur wie hierin beschrieben enthalten sein. Verschiedene Verfahren können angewendet werden oder angepasst werden, um einen Dotierprozess durchzuführen, beispielsweise Thermodiffusion und/oder Ionenimplantation. Elektronendotiertes Material kann als n-Typ (negativer Typ) bezeichnet werden, und löcherdotiertes Material kann als p-Typ (positiver Typ) bezeichnet werden. In der Metalloxid-Halbleitertechnologie (MOS-Technologie) kann ein Kanal Elektronen (n-Kanal oder nMOS) oder Löcher (p-Kanal oder pMOS) enthalten, und analog dazu kann ein Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (MOSFET) einen n-Kanal (nMOSFET) Oder einen p-Kanal (pMOSFET) enthalten.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann eine Wärmebehandlung zur Ausbildung einer integrierten Schaltkreisstruktur oder einer Batteriestruktur angewendet werden; oder eine Wärmebehandlung kann in verschiedenen Prozessen (oder verschiedenen Prozessstufen) während der Herstellung einer integrierten Schaltkreisstruktur oder einer Batteriestruktur wie hierin beschrieben enthalten sein, z. B. in Kombination mit einem Strukturierungsverfahren, nach dem Auftragen eines Photoresists und/oder nach dem Aufbringen von elektrischen Kontakten, um das elektrisch leitende Material (z. B. ein Metall) mit einem Träger (oder mit der darunterliegenden Struktur) zu legieren, oder um optimale Abscheidungsbedingungen für einen Schichtbildungsprozess bereitzustellen. Das Erhitzen eines Trägers (eines Wafers, eines Substrats und dergleichen) kann mit direktem Kontakt, z. B. mit einer Heizplatte, oder durch Strahlung, z. B. unter Verwendung eines Lasers oder von Lampen, erfolgen. Schnelle thermische Bearbeitung (RTP) kann angewendet werden, die unter Vakuumbedingungen unter Verwendung einer Laserheizung oder Lampenheizung erfolgen kann, wobei ein Material (z. B. ein Wafer, ein Substrat, ein Träger und dergleichen) innerhalb kurzer Zeit, z. B. innerhalb einiger Sekunden (z. B. etwa 1 s bis etwa 10 s) auf mehrere hundert Grad Celsius oder bis zu etwa 1000°C oder sogar mehr erhitzt werden kann. Untergruppen von schnellem thermischem Bearbeiten sind schnelles thermisches Tempern (RTA) und schnelle thermische Oxidation (RTO).
Zumindest ein Metallisierungsprozess kann in einem Verfahren zur Herstellung einer integrierten Schaltkreisstruktur oder einer Batteriestruktur angewendet werden. Eine Metallisierung kann in direktem Kontakt mit zumindest einem Strukturelement eines elektronischen Schaltkreises (oder mit zumindest einer Struktur auf einem Träger) sein, wobei ein Metallisierungsprozess erforderliche elektrische Verbindungen (oder Zusammenschaltungen) für das zumindest eine Strukturelement eines elektronischen Schalkreises und/oder einer Batterie, die in einem Träger integriert sind, bereitstellen. Ein Metallisierungsprozess kann zumindest einen Schichtbildungsprozess und zumindest einen Strukturierungsprozess umfassen. Ein Metallisierungsprozess kann das Abscheiden einer Schicht aus einem dielektrischen Material (z. B. einem Low-k-Dielektrikum, z. B. undotiertem Silicatglas und dergleichen), das Ausbilden von Kontaktlöchern an den gewünschten Stellen (z. B. unter Verwendung zumindest eines Strukturierungsprozesses) und das Füllen der Kontaktlöcher mit zumindest einem elektrisch leitenden Material (z. B. mit zumindest einem aus einem Metall (z. B. Aluminium, Kupfer, Wolfram, Titan, Molybdän, Gold, Platin und dergleichen), einem metallischen Material (z. B. Titannitrid, Platinsilicid, Titansilicid, Wolframsilicid, Molybdänsilicid und dergleichen), elektrisch leitendem Polysilicium und einer Metalllegierung (z. B. Aluminium-Silicium-Legierungen, Aluminium-Kupfer-Legierungen, Aluminium-Silicium-Kupfer-Legierungen, Nichrom, Titan-Wolfram-Legierungen und dergleichen)) unter Verwendung eines Schichtbildungsverfahrens umfassen. Außerdem kann der Metallisierungsprozess (oder ein Metallisierungsprozess) das Ausbilden zusätzlicher Schichten, beispielsweise als Barriereschicht (z. B. einschließlich zumindest einem aus Molybdän, einem Übergangsmetallnitrid (z. B. Titannitrid), Platinsilicid, Titansilicid, Wolframsilicid, Molybdänsilicid, Boride und dergleichen) oder als Adhäsionspromotor (z. B. einschließlich zumindest einem aus Platinsilicid, Titansilicid, Wolframsilicid, Molybdänsilicid und dergleichen) umfassen.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann das Anwenden eines Metallisierungsprozesses außerdem eine Planarisierung einer Trägeroberfläche (Waferoberfläche, Substratoberfläche und dergleichen) und/oder eine Planarisierung von Zwischenschichten, die in einem Mehrlagenmetallisierungsprozess enthalten sind, umfassen (z. B. unter Verwendung von chemisch-mechanischem Polieren).
Ein Planarisierungsprozess kann beispielsweise angewendet werden, um die Oberflächenrauigkeit zu verringern oder Schwankungen im Tiefenprofil einer Oberfläche eines Trägers, die Strukturelemente mit unterschiedlichen Höhen umfasst, zu verringern, da manche Prozesse eine flache Oberfläche (eine planare Oberfläche) erfordern können (z. B. hochauflösende Lithographie). Ein Planarisierungsprozess kann erwünscht sein, wenn die Anzahl an durchgeführten Schichtbildungsprozessen und Strukturierungsprozessen zunimmt und wenn eine planare Oberfläche erforderlich ist. Ein chemisch-mechanischer Polierprozess (CMP oder CMP-Prozess) kann durchgeführt werden, wobei dieser Prozess selektiv bezüglich spezifischer Materialien auf der Oberfläche eines Trägers (eines Wafers, eines Substrats, einer Oberflächenschicht und dergleichen) sein kann. Ein chemisch-mechanischer Polierprozess (CMP) kann durchgeführt werden, wobei dieser Prozess nichtselektiv bezüglich spezifischer Materialien auf der Oberfläche eines Trägers (eines Wafers, eines Substrats, einer Oberflächenschicht und dergleichen) sein kann. Ein Planarisierungsprozess kann außerdem in verschiedenen Prozessen enthalten sein, beispielsweise in Schichtbildungsprozessen, Strukturierungsprozessen und dergleichen. Ein chemisch-mechanischer Polierprozess (CMP) kann verwendet werden, um eine Oberflächenschicht oder einen Teil einer Oberflächenschicht zu entfernen.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann ein Träger (z. B. eine Substrat, ein Wafer und dergleichen) aus Halbleitermaterialien verschiedener Arten bestehen, einschließlich Silicium, Germanium, Gruppe III bis V oder anderer Arten, einschließlich etwa Polymeren, obwohl in anderen Ausführungsformen auch andere geeignete Materialien verwendet werden können. Das Wafersubstrat kann aus Silicium (dotiert oder undotiert) bestehen, in einer alternativen Ausführungsform kann das Wafersubstrat ein Silicium- oder Isolator(SOI-)Wafer sein. Als Alternative können beliebige andere geeignete Halbleitermaterialien für das Wafersubstrat verwendet werden, beispielsweise Halbleiterverbindungsmaterialien, wie z. B. Galliumarsenid (GaAs), Indiumphosphid (INP); aber auch jedes beliebige geeignete ternäre Halbleiterverbindungsmaterial oder quaternäre Halbleiterverbindungsmaterial, wie z. B. Indiumgalliumarsenid (InGaAs). Ein Träger kann eine beschichtete Struktur umfassen, z. B. ein Metallband, das mit Silicium beschichtet ist, und dergleichen.
Das Integrieren einer Batterie in einen elektronischen Schaltkreis (oder das Integrieren einer Batterie in eine Halbleitervorrichtung) kann für verschiedene Vorrichtungen oder integrierte Schaltkreise vorteilhaft sein. Außerdem kann es in vielen Anwendungen wünschenswert sein, eine Energiespeichereinheit direkt in einen intergierten Schaltkreis oder in einen elektronischen Schaltkreis zu integrieren. Energie in Form von elektrischem Potential kann physikalisch gespeichert werden, beispielsweise in einem Kondensator, oder in elektrochemischer Form, beispielsweise in einer Batterie oder aufladbaren Batterie, wobei die höchsten Energiedichten mit sowohl sehr dünnen aktiven Schichten und sehr großen Bereichen solcher aktiven Schichten erreicht werden. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann, um die gewünschten Energiedichte zu erreichen und den Platzbedarf einer Energiespeicherstruktur gering zu halten, die elektrochemische Energie in einer Batteriestruktur gespeichert werden, die innerhalb eines Trägers unter dem elektronischen Schaltkreis wie hierin beschrieben angeordnet ist, beispielsweise unter Verwendung von Strukturierungsverfahren, wie durch die Halbleitertechnologie zur Herstellung der Batteriestruktur bereitgestellt. Zur Veranschaulichung kann nachstehend gemäß verschiedenen Ausführungsformen eine integrierte Schaltkreisstruktur, die ein Batterie umfasst, und/oder eine Batteriestruktur bereitgestellt sein, wobei der Platzbedarf der Batteriestruktur auf der Waferoberfläche gering im Vergleich zur Fläche der aktiven Batterieschichten der Batteriestruktur sein kann, wodurch eine Batterie mit sehr großer Energiespeicherkapazität bereitgestellt werden kann, die effizient zusammen mit einem elektronischen Schaltkreis auf einem Träger integriert ist. Außerdem kann, veranschaulichend beschrieben, eine integrierte Schaltkreisstruktur bereitgestellt werden, wobei die integrierte Schaltkreisstruktur einen Träger und einen elektronischen Schaltkreis umfasst, wobei der ungenutzte Platz im Träger unter einem elektronischen Schaltkreis verwendet werden kann, um eine Batteriestruktur mit hoher Energiespeicherkapazitiät im Vergleich zum erforderlichen Platz auf der Hauptbearbeitungsoberfläche des Trägers im bereitzustellen. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann eine integrierte Schaltkreisstruktur bereitgestellt sein, wobei die integrierte Schaltkreisstruktur einen Träger und einen elektronischen Schaltkreis umfasst, wobei eine Batteriestruktur nahe dem elektronischen Schaltkreis bereitgestellt ist, die eine hohe Energiespeicherkapazität aufweist.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann eine Batteriestruktur innerhalb eines Trägers bereitgestellt sein, sodass die Energiespeicherkapazität der Batteriestruktur im Vergleich zur erforderlichen Fläche auf der Hauptbearbeitungsoberfläche des Trägers groß sein kann. Weitere Strukturen können auf der Hauptbearbeitungsoberfläche des Trägers bereitgestellt sein, die seitlich mit der Batteriestruktur oder zumindest einem Teil der Batterie überlappen, wobei die zusätzlichen Strukturen gegebenenfalls nicht durch die darunterliegende Batteriestruktur beeinflusst werden.
Im Allgemeinen kann eine aufladbare Batterie zumindest zwei Elektroden, einen Separator und einen Elektrolyt umfassen, der beispielsweise Lithiumionen umfassen kann. Um Energie in einer aufladbaren Batterie auf Lithiumionenbasis zu speichern, können Lithiumionen chemisch an die negative Elektrode gebunden werden.
Im Fall, dass die aufladbare Batterie einen Festkörperelektrolyt enthalten kann, kann der Elektrolyt selbst die Funktion des Separators übernehmen, sodass kein zusätzlicher Separator oder keine zusätzliche Separatorschicht notwendig sein können. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen können, um elektronische Leitfähigkeit der Batterie zu erreichen, zumindest zwei Stromkollektor notwendig sein, z. B. jeweils an die beiden Elektroden angrenzend. Ein Stromkollektor für eine Batterie kann einen Elektronenleiter mit hoher elektrischer Leitfähigkeit, z. B. Cu, TiN, Pt, Al, AlCu, W, Au, umfassen.
Ferner kann im Falle der Integration einer Lithiumbatterie in einen elektronischen Schaltkreis das Lithium z. B. in den die Batterie bildenden Schichten enthalten sein, von anderen elektronischen Bauteilen getrennt sein, z. B. mittels einer Barriereschicht oder einer Barrierestruktur, um Lithiumdiffusion zu verhindern. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann eine Lithiumbarriereschicht beispielsweise eine konturgetreu abgeschiedene (dichte und kompakte) Schicht oder einen solchen Dünnfilm sein, die zumindest ein Material aus der folgenden Gruppe von Materialien umfassen: Titannitrid, Wolframnitrid und Siliciumnitrid. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen können die Barrierefunktion und die Stromkollektorfunktion in einer einzelnen Schicht kombiniert sein, z. B. durch Bereitstellung einer elektrisch leitenden Barriereschicht, die beispielsweise Titannitrid umfasst.
Nachstehend kann eine integrierte Schaltkreisstruktur bereitgestellt werden, die eine integrierte aufladbare Batterie umfassen kann, und ein Verfahren zur Herstellung einer integrierten Schaltkreisstruktur, die eine integrierte aufladbare Batterie umfasst, kann bereitgestellt werden. Außerdem kann eine Batteriestruktur bereitgestellt werden und ein Verfahren zur Herstellung einer Batteriestruktur kann bereitgestellt werden.
Eine integrierte aufladbare Batterie kann bereitgestellt werden, wobei das Ausbilden der integrierten aufladbaren Batterie Halbleitertechnologie umfassen kann. Eine Batterie auf der Leiterplatte kann auf einfache und leichte Weise in eine integrierte Schaltkreisstruktur integriert werden, wobei die Herstellungskosten im Vergleich zu herkömmlicherweise verwendeten Herstellungsprozessen verringert werden können. Ein Verfahren zur Herstellung einer integrierten Schaltkreisstruktur oder das Verfahren zur Herstellung einer Batteriestruktur, wie sie hierin beschrieben sind, können leicht angepasst werden, um ähnliche und/oder modifizierte Strukturen zu schaffen, da das Verfahren in jede beliebige Halbleitertechnologie integriert werden kann. Eine Batterie, die in der integrierten Schaltkreisstruktur enthalten ist, kann ausgebildet werden, nachdem der elektronische Schaltkreis, der in der integrierten Schaltkreisstruktur enthalten ist, ausgebildet wurde, sodass es gegebenenfalls keine Einschränkungen bezüglich der Ausbildung des elektronischen Schaltkreises aufgrund der Wärmestabilität der verwendeten aktiven Batterieschichten gibt, z. B. kann das Ausbilden einer CMOS-Struktur nach dem Ausbilden der Batterie die Batterie zerstören, weil in der CMOS-Technologie während des Herstellungsprozesses hohe Temperaturen erwünscht sind, oder eine Bearbeitungstemperatur während des Ausbilden des elektronischen Schaltkreises kann durch die Wärmestabilität der Batterie eingeschränkt sein.
1 veranschaulicht eine integrierte Schaltkreisstruktur 100 gemäß verschiedenen Ausführungsformen; die integrierte Schaltkreisstruktur 100 kann einen Träger 102, einen elektronischen Schaltkreis 104 und eine Batterie 106 umfassen. Der Träger 102 kann ein Halbleiterwafer oder ein Halbleitersubstrat wie schon beschrieben sein, z. B. ein Siliciumwafer oder eine Siliciumsubstrat. Der elektronische Schaltkreis 104 kann zumindest eines aus über und in dem Träger 102 ausgebildet sein. Außerdem kann der elektronische Schaltkreis 104 zumindest eines aus über und in einer Hauptbearbeitungsoberfläche 102a (e. g. einer ersten Oberfläche) des Trägers 102 angeordnet sein. Der elektronische Schaltkreis 104 kann beispielsweise auf einer Hauptbearbeitungsoberfläche 102a (e. g. einer ersten Oberfläche) des Trägers 102 angeordnet sein. Die Batterie 106 kann zumindest teilweise innerhalb des Trägers ausgebildet und/oder angeordnet sein. Zumindest ein Teil 107 der Festkörper-Elektrolytbatterie 106 (der Batterie 106) kann mit dem elektronischen Schaltkreis 104 entlang einer Richtung 101 parallel zur Oberfläche 102a des Trägers 102, z. B. entlang einer Richtung parallel zur Hauptbearbeitungsoberfläche 102a des Trägers 102, überlappen. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann das Teil 107, das seitlich mit dem elektronischen Schaltkreis 104 überlappt, innerhalb des Trägers 106 angeordnet sein.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann der elektronische Schaltkreis 104 zumindest eine aus den folgenden grundlegenden Halbleiterstrukturen umfassen: eine MOS-Struktur (Metalloxid-Halbleiterstruktur), eine nMOS-Struktur (n-Kanal-MOS-Struktur), eine pMOS-Struktur (p-Kanal-MOS-Struktur), eine CMOS-Struktur (komplementäre Metalloxid-Halbleiterstruktur). Außerdem kann gemäß verschiedenen Ausführungsformen der elektronische Schaltkreis 104 zumindest eines der folgenden Bauteile umfassen oder Teil davon sein (oder einen Teil davon bereitstellen): ein Chip, ein Speicherchip, ein Die, ein Mikroprozessor, ein Mikrokontroller, eine Speicherstruktur, ein Ladungsspeicherungsspeicher, ein Direktzugriffsspeicher, ein dynamischer Direktzugriffsspeicher, ein logischer Schaltkreis, ein Sensor, ein Nanosensor, ein integrierter Sendeempfänger, eine mikromechanische Vorrichtung, eine mikroelektronische Vorrichtung, eine nanoelektronische Vorrichtung, ein elektrischer Schaltkreis, ein digitaler Schaltkreis, ein analoger Schaltkreis und jede beliebige andere elektronische Vorrichtung, die auf Halbleitertechnologie basiert, wie z. B. ein Funkfrequenzidentifikations-(RFID-)chip und ein Chipkartenmodul.
Außerdem kann eine Speicherstruktur (z. B. die Speicherstruktur, die im elektronischen Schaltkreis 104 enthalten ist) zumindest eines der Folgenden umfassen: einen flüchten Speicher, einen DRAM (dynamischen Direktzugriffsspeicher), oder einen nichtflüchten Speicher, einen PROM (programmierbaren Festwertspeicher), einen EPROM (löschbaren PROM), einen EEPROM (elektrisch löschbaren PROM), einen Flash-Speicher, einen Speicher mit schwebendem Gate, einen Ladungseinfachspeicher, einen MRAM (magnetoresistiver Direktzugriffsspeicher), ein CBRAM (Direktzugriffsspeicher mit leitender Brücke) und ein PCRAM (Phasenänderungsdirektzugriffsspeicher).
Der elektronische Schaltkreis 104 kann zumindest ein elektronisches Bauteil aus der folgenden Gruppe von elektronischen Bauteilen umfassen: einen Widerstand, einen Kondensator, eine Induktivität, einen Transistor (z. B. einen Feldeffekttransistor (FET) (z. B. einen Metalloxid-Halbleiter-Feldeffektortransistor (MOSFET), einen Fin-Feldeffekttransistor (FinFET) oder einen Transistor mit schwebendem Gate), einen Leistungstransistor, einen bipolaren Transistor, einen bipolaren Transistor mit isoliertem Gate (IGBT)), eine Teststruktur und jedes beliebige andere elektronische Bauteil, das auf Halbleitertechnologie basiert.
Die Batterie 106 kann zumindest einen Typ der folgenden Batterietypen umfassen: eine Dünnfilmbatterie 106, eine Festkörper-Elektrolytbatterie 106, eine aufladbare Batterie auf Lithiumionenbasis 106, eine aufladbare Dünnfilmbatterie auf Lithiumionenbasis 106, eine aufladbare Festkörper-Elektrolytbatterie auf Lithiumionenbasis, eine aufladbare Festkörper-Elektrolyt-Dünnfilmbatterie auf Lithiumionenbasis und dergleichen. Außerdem kann die Batterie 106 eine Nickel-Metallhydrid-Batterie umfassen, z. B. eine aufladbare Nickel-Metallhydrid-Batterie, z. B. eine Nickel-Metallhydrid-Dünnfilmbatterie.
Eine Dünnfilmbatterie wie hierin beschrieben kann einen Schichtstapel (einen Batterieschichtstapel) umfassen, der die aktiven Batterieschichten umfasst, z. B. zumindest eine aus einer Kathodenschicht, einer Elektrolytschicht, einer Anodenschicht, einer Anodenstromkollektorschicht und einer Kathodenstromkollektorschicht. Die Batterie 106 kann einen Schichtstapel umfassen, der über einer inneren Oberfläche eines Hohlraums angeordnet ist, der im Träger 102 ausgebildet ist, wobei zumindest ein Teil des Hohlraums, der innerhalb des Trägers 102 ausgebildet ist, mit dem elektronischen Schaltkreis 104 entlang einer Richtung 101 parallel zur Oberfläche 102a des Trägers 102 überlappt. Folglich kann die Batterie 106 eine Fläche der Oberfläche 102a des Trägers 102 einnehmen, die kleiner ist als die Oberfläche der einzelnen aktiven Batterieschichten. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Batterie 106 mit dem elektronischen Schaltkreis 104 oder zumindest mit einem Bauteil des elektronischen Schaltkreises 104 elektrisch gekoppelt sein (nicht dargestellt). Die integrierte Schaltkreisstruktur 100 kann ferner eine Metallisierungsstruktur umfassen, welche die Batterie 106 elektrisch leitend mit dem elektronischen Schaltkreis 104 verbindet. Die Metallisierungsstruktur, welche die Batterie 106 mit dem elektronischen Schaltkreis 104 verbindet, kann zumindest teilweise auf dem elektronischen Schaltkreis 104 angeordnet sein, z. B. zumindest teilweise über der Oberfläche 104a des elektronischen Schaltkreises 104.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen, kann der größere Teil der Batterie 106 innerhalb des Trägers 102 angeordnet sein, z. B. können über 50% der aktiven Batterieschichten, die in der Batterie 106 enthalten sind, innerhalb des Träger 102 angeordnet sein (z. B. unter der Hauptbearbeitungsoberfläche 102a des Trägers 102). Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann der Träger 102 eine erste Seite 102a, wobei der elektronische Schaltkreis 104 auf dieser ersten Seite 102a angeordnet sein kann, und eine zweite Seite 102b entgegengesetzt zu ersten Seite 102a aufweisen, wobei die Batterie 106 (z. B. die Festkörper-Elektrolytbatterie 106) zumindest teilweise (z. B. Teil 107 der Batterie 106 wie in 1 gezeigt) zwischen dem elektronischen Schaltkreis 104 und der zweiten Seite 102b des Trägers 102 angeordnet sein kann. Mit anderen Worten kann sich die Batterie 106 in den Träger 102 hinein erstrecken, wobei zumindest ein Teil 107 der Batterie 106 mit einer Überlappungsdistanz 107a unter dem elektronischen Schaltkreis 104 angeordnet sein kann, wie in 1 dargestellt. Wie hierin beschrieben kann gemäß verschiedenen Ausführungsformen die Überlappungsdistanz 107a parallel zur Oberfläche 102a des Trägers 102 sein; folglich kann die integrierte Schaltkreisstruktur 100 so konfiguriert sein, dass die Batterie 106 mit dem elektronischen Schaltkreis 104 entlang einer Richtung parallel zur Oberfläche 102a des elektronischen Schaltkreises 104 überlappt.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann, da der Träger 102 eine seitliche Ausdehnung entlang der Richtung 101 aufweisen kann, die Batterie 106 zumindest seitlich mit dem elektronischen Schaltkreis 104 überlappen, was bedeuten kann, dass der Oberflächenbereich der Oberfläche 102a des Trägers 102 zumindest über einem Teil 107 der Batterie 106 zur Aufbringung einer gewünschten Struktur verwendet werden kann, z. B. eines elektronischen Schaltkreises 104, eines Sensors 104, einer elektro-mikromechanischen Vorrichtung 104 und/oder einer mikromechanischen Vorrichtung 104.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann der Teil 107 der Batterie 106, der unter dem elektronischen Schaltkreis 104 angeordnet ist, mit dem elektronischen Schaltkreis 104 elektrisch verbunden sein. Ferner kann die integrierte Schaltkreisstruktur 100 so konfiguriert sein, dass die Batterie 106 Energie zum Betreiben des elektronischen Schaltkreises 104 speichern kann.
Wie in 2A dargestellt kann die Batterie 106 innerhalb eines Hohlraums 108 ausgebildet sein, wobei sich der Hohlraum 108 von der ersten Oberfläche 102a des Trägers 102 in den Träger 102 erstrecken kann. Der Hohlraum 108 kann zumindest eine Hohlraumöffnung 108o an der ersten Oberfläche 102a des Trägers 102 aufweisen. Wie in 2A dargestellt kann. der Durchmesser des Hohlraums 108 größer sein als der Durchmesser der Hohlraumöffnung 108o des Hohlraums 108 an der Oberfläche 102a des Trägers 102 (z. B. kann eine Ausdehnung des Hohlraums 108 entlang einer Richtung parallel zur Oberfläche 102a des Trägers 102 größer sein als eine Ausdehnung der Hohlraumöffnung 1080 des Hohlraums 108 entlang derselben Richtung parallel zur Oberfläche 102a des Trägers 102).
Zumindest ein Teil des Hohlraums 108 kann mit einem elektronischen Schaltkreis 104 überlappen, der auf der Oberfläche 102a des Trägers 102 entlang einer Richtung parallel zur Oberfläche 102a des Trägers 102 angeordnet ist (zumindest ein Teil des Hohlraums 108 kann seitlich mit zumindest einem Teil des elektronischen Schaltkreises 104 überlappen). Folglich kann, da die Batterie 106 innerhalb des Hohlraums 108 ausgebildet ist, zumindest ein Teil 107 der Batterie 106, der innerhalb des Hohlraums 108 angeordnet ist, mit einem elektronischen Schaltkreis 104 überlappen, der auf der Oberfläche 102a des Trägers 102 angeordnet ist, wie schon beschrieben wurde.
Wie in 2B veranschaulicht, kann ein Schichtstapel 110 über der inneren Oberfläche (Seitendwand oder Wand) 108a des Hohlraums 108 ausgebildet sein, wobei der Schichtstapel 110 die funktionalen Schichten umfassen kann, welche die Batterie 106 bereitstellen. Mit anderen Worten kann die innere Oberfläche 108a des Hohlraums 108 mit einer Vielzahl von Materialschichten bedeckt (oder beschichtet) sein, welche die Dünnfilm-Festkörper-Elektrolytbatterie 106 bereitstellen. Die integrierte Schaltkreisstruktur 100 wie hierin beschrieben kann eine Vielzahl von Hohlräumen 108 umfassen, die im Träger 102 angeordnet sind, wobei eine Batterie 106 in jedem Hohlraum 108 der Vielzahl von Hohlräumen 108 enthalten sein kann.
Zumindest ein Teil des Hohlraums 108 kann mit einem elektronischen Schaltkreis 104 überlappen, der auf der Oberfläche 102a des Trägers 102 angeordnet ist, und folglich kenn zumindest ein Teil des Schichtstapels 110, der auf der inneren Oberfläche 108a des Hohlraums 108 ausgebildet ist, mit dem elektronischen Schaltkreis 104 überlappen, der auf der Oberfläche 102a des Trägers 102 ausgebildet ist (z. B. kann zumindest ein Teil des Schichtstapels 110, der innerhalb des Hohlraums 108 im Träger 102 ausgebildet ist, seitlich mit zumindest einem Teil des elektronischen Schaltkreises 104 überlappen). Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Batterie 106, die innerhalb des Hohlraums 108 ausgebildet ist, einen Schichtstapel 110 umfassen, wie unter Bezugnahme auf 5A und 5B genauer beschrieben ist.
Ferner kann gemäß verschiedenen Ausführungsformen die Batterie 106 oder der Schichtstapel 110 mit zumindest einem Teil des elektronischen Schaltkreises 104 elektrisch verbunden sein, z. B. durch die Öffnung 108a des Hohlraums 108. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die integrierte Schaltkreisstruktur 100 eine Batterie 106 oder einen Schichtstapel 110 umfassen, die mit zumindest einem Teil des elektronischen Schaltkreises 104 elektrisch verbunden sind. Elektrisch verbunden, wie hierin verwendet, kann das Koppeln über eine elektrisch leitende Metallisierungsstruktur oder induktives Koppeln, z. B. über eine oder mehrere Spulen- oder Antennenstrukturen umfassen (nicht dargestellt).
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann der Schichtstapel 110 zumindest eine Kathodenschicht, zumindest eine Anodenschicht und zumindest eine Elektrolytschicht umfassen, wobei die zumindest eine Elektrolytschicht zwischen der zumindest einen Kathodenschicht und der zumindest einen Anodenschicht angeordnet ist. Der Schichtstapel 110 kann ferner eine Anodenstromkollektorschicht, die an die zumindest eine Anodenschicht angrenzt, und eine Kathodenstromkollektorschicht, die an die zumindest eine Kathodenschicht angrenzt, umfassen. Zumindest eine aus der Anodenstromkollektorschicht und der Kathodenstromkollektorschicht kann mit zumindest einem Teil des elektronischen Schaltkreises 104 elektrisch gekoppelt sein, z. B. durch die zumindest eine Öffnung 108a des Hohlraums 108.
Eine elektrisch isolierende Schicht kann zwischen dem Material des Trägers 102 und dem Material, das die Festkörper-Elektrolytbatterie 106 bildet, angeordnet sein, z. B. zwischen dem Träger 102 und dem Schichtstapel 110. Die elektrisch isolierende Schicht, die zwischen dem Träger 102 und der Batterie 106 angeordnet ist, kann die Batterie 106 elektrisch vom Träger 102 trennen, z. B. im Fall, dass der Träger 102 elektrisch leitend sein kann und/oder der Träger 102 ein elektrisch leitendes Material umfassen kann. Ferner kann gemäß verschiedenen Ausführungsformen die elektrisch isolierende Schicht die zwischen dem Träger 102 und der Batterie 106 angeordnet ist, eine Barriereschicht umfassen oder kann als Barriereschicht konfiguriert sein, um einen Materialtransport, z. B. aufgrund von Diffusion, zwischen dem Träger 102 und der Batterie 106 (oder dem Schichtstapel 110) oder zwischen dem elektronischen Schaltkreis 104 und der Batterie 106 zu verhindern oder zu verringern.
Der Schichtstapel 110 kann konturgetreu über der inneren Oberfläche 108a (oder inneren Seitenwand 108a) des Hohlraums 108 angeordnet sein. Jede Schicht, die im Schichtstapel 110 enthalten ist, kann konturgetreu über der inneren Oberfläche 108a des Hohlraums 108 angeordnet sein. Zur Veranschaulichung kann der Schichtstapel 110 eine ähnliche Form aufweisen wie die innere Oberfläche 108a des Hohlraums 108, da jede Schicht des Schichtstapels 110 beispielsweise unter Verwendung eines konturgetreuen Abscheidungsprozesses ausgebildet wird, z. B. ALD oder ALCVD.
Der Hohlraum 108, der im Träger 102 ausgebildet ist, kann auch eine andere Form aufweisen, wie in den Figuren dargestellt ist. die Form des Hohlraums 108 kann zumindest eine Form aus der folgenden Gruppe von Formen umfassen: eine Zylinderform, eine Kugelform, eine Prismaform, eine Würfelform, eine Kegelform oder jede beliebige andere geeignete Form, z. B. die Form eines Rotationsfestkörpers. Die Form des Hohlraums 108 kann angepasst sein, um eine große innere Oberfläche 108a bei kleiner Öffnung 108a an der Oberfläche 102a des Trägers 102 bereitzustellen. Folglich kann der Hohlraum 108 auch eine asymmetrische Form aufweisen. Ferner kann der Hohlraum 108 eine Vielzahl von Hohlräumen umfassen, die miteinander verbunden sind, und so eine verbundene innere Oberfläche 108a bereitstellen. Der Schichtstapel 110 kann konturgetreu über einer verbundenen inneren Oberfläche 108a einer Vielzahl von Hohlräumen 108, die im Träger 102 angeordnet sind, angeordnet sein, wobei zumindest eine Öffnung 108a an der Oberfläche 102a des Trägers 102 vorhanden ist.
Der Schichtstapel 110 kann konturgetreu durch die zumindest eine Öffnung 108a an der Oberfläche 102a des Trägers 102 abgeschieden werden. Die Öffnung 108a kann geringen Platzbedarf 102f aufweisen, sodass die Oberfläche des Trägers 102, die für den elektronischen Schaltkreis 104 verfügbar ist, so große wie möglich sein kann.
3 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur Herstellung einer integrierten Schaltkreisstruktur 100 gemäß verschiedenen Ausführungsformen. Das Verfahren kann bei 310 das Bereitstellen eines elektronischen Schaltkreises 104 auf einer Oberfläche 102a eines Trägers 102; bei 320 das Ausbilden zumindest eines Hohlraums 108 im Träger 102, wobei der Hohlraum eine Hohlraumöffnung 108o an der Oberfläche 102a des Trägers 102 umfasst, wobei zumindest ein Teil des Hohlraums 108 eine Ausdehnung entlang einer Richtung 101 parallel zur Oberfläche 102a des Trägers 102 aufweist, die größer ist als die Ausdehnung der Hohlraumöffnung 108o entlang derselben Richtung; und bei 330 das Ausbilden einer Festkörper-Elektrolytbatterie 106 über der inneren Oberfläche 108a des Hohlraums 108 umfassen.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann das Bereitstellen eines elektronischen Schaltkreises 104 das Bereitstellen zumindest eines elektronischen Bauteils aus der folgenden Gruppe von elektronischen Bauteilen umfassen: ein integrierter Schaltkreis, eine Sensorstruktur, eine mikromechanische Vorrichtung, eine elektrooptische Struktur, ein Transistor, eine Induktivität, ein Kondensator, ein Sender, und ein Sendeempfänger. Der Prozess 310, der das Bereitstellen eines elektronischen Schaltkreises 104 auf einer Oberfläche 102a eines Trägers 102 umfasst, kann zum Schaffen (oder Ausbilden) des elektronischen Schaltkreises 104, wie schon beschrieben, angewendet werden, wobei der elektronische Schaltkreis 104 zumindest eine der folgenden grundlegenden Halbleitertechnologien: MOS-Technologie (Metalloxid-Halbleitertechnologie) nMOS-Technologie (n-Kanal-MOS-Technologie), pMOS-Technologie (p-Kanal-MOS-Technologie), CMOS-Technologie (komplementäre Metalloxid-Halbleitertechnologie).
Der Prozess 310, der das Bereitstellen eines elektronischen Schaltkreises 104 auf einer Oberfläche 102a eines Trägers 102 umfasst, kann zumindest einen Prozess der folgenden Prozesse umfassen: ein oder mehrere Schichtbildungsprozesse, ein oder mehrere Strukturierunngsprozesse, ein oder mehrere Dotierprozesse, ein oder mehrere Wärmebehandlungen, ein oder mehrere Reinigungsprozesse, ein oder mehrere Polierprozesse und beliebige andere erwünschte (oder notwendige) Halbleiterprozesse, z. B. Ausbildung einer Metallisierungsstruktur (z. B. ein oder mehrere Metallisierungsprozesse).
Der Prozess 310 kann das Ausbilden oder zumindest teilweise Ausbilden von zumindest einem der Folgenden umfassen: ein Chip, ein Speicherchip, ein Nacktchip, ein Mikroprozessor, ein Mikrokontroller, eine Speicherstruktur, ein Ladungsspeicherungsspeicher, ein Direktzugriffsspeicher, ein dynamischer Direktzugriffsspeicher, ein logischer Schaltkreis, ein Sensor, ein Nanosensor, ein integrierter Sendeempfänger, eine mikromechanische Vorrichtung, eine mikroelektronische Vorrichtung, eine nanoelektronische Vorrichtung, ein elektrischer Schaltkreis, ein digitaler Schaltkreis, ein analoger Schaltkreis und jede beliebige andere elektronische Vorrichtung, die auf Halbleitertechnologie basiert.
Das Ausbilden eines elektronischen Schaltkreises, z. B. in Prozess 310 (wie in 3 gezeigt), kann das Ausbilden zumindest eines elektronischen Bauteils aus der folgenden Gruppe von elektronischen Bauteilen umfassen: einen Widerstand, einen Kondensator, eine Induktivität, einen Transistor (z. B. einen Feldeffekttransistor (FET) (z. B. einen Metalloxid-Halbleiter-Feldeffektortransistor (MOSFET), einen Fin-Feldeffekttransistor (FinFET) oder einen Transistor mit schwebendem Gate), eine Teststruktur und jedes beliebige andere elektronische Bauteil, das auf Halbleitertechnologie basiert.
Das Ausbilden eines Hohlraums 108 kann das Ausbilden des Hohlraums 108, wie schon unter Bezugnahme auf 2A und 2B beschrieben oder wie nachstehend beschrieben, umfassen. Das Ausbilden eines Hohlraums 108 kann zumindest eines der Folgenden umfassen: einen Schichtbildungsprozess, das Ausbilden einer Maskenmaterialschicht unter Verwendung zumindest eines Schichtbildungsprozesses, das Ausbilden einer harten Maske, das Ausbilden einer weichen Maske, einen Strukturierungsprozess, einen lithographischen Prozess, einen Ätzprozess und andere Halbleiterprozesse, wie beispielsweise das Ausbilden eines Seitenwandabstandshalters und isotropes Ätzen eines Hohlraums 108 in den Träger 102.
Das Ausbilden einer Festkörper-Elektrolytbatterie 106 über der inneren Oberfläche 108a des Hohlraums 108 kann das Ausbilden einer Batterie 106 wie schon unter Bezugnahme auf 1, 2A und 2B beschrieben oder wie nachstehend beschrieben umfassen. Das Ausbilden einer Batterie 106 kann zumindest einen Prozess der folgenden Prozesse umfassen: ein Schichtbildungsprozess, eine Wärmebehandlung.
Das Ausbilden einer Festkörper-Elektrolytbatterie 106 kann das Ausbilden eines Schichtstapels 110 umfassen, wobei der Schichtstapel 110 zumindest eine Schicht aus den folgenden Schichten umfassen kann: eine Kathodenschicht, eine Anodenschicht, eine Elektrolytschicht (z. B. einschließlich eines Festkörperelektrolyts), eine Kathodenstromkollektorschicht, eine Anodenstromkollektorschicht und eine Isolationsschicht (die z. B. den Schichtstapel 110 elektrisch vom Träger 102 und/oder vom elektronischen Schaltkreis 104 trennt).
Die Festkörper-Elektrolytbatterie kann unter Verwendung eines konturgetreuen Abscheidungsprozesses ausgebildet werden, z. B. unter Verwendung von zumindest einem aus einem chemischen Niederdruck-Gasphasenabscheidungsprozess und einem Atomlagen-Abscheidungsprozess. Die Festkörper-Elektrolytbatterie kann durch Anwenden einer Vielzahl von konturgetreuen Abscheidungsprozessen ausgebildet werden, z. B. unter Verwendung einer Vielzahl von chemischen Niederdruck-Gasphasenabscheidungsprozessen und/oder einer Vielzahl von Atomlagen-Abscheidungsprozessen.
Der Prozess 330 kann das Ausbilden zumindest eines aus den folgenden Typen von Batterien umfassen: Festkörper-Elektrolytbatterie (d. h. Festkörperbatterie, wobei die Elektroden durch Festkörpermaterialien bereitgestellt sind und der Elektrolyt ebenfalls ein Festkörpermaterial ist), Batterie auf Lithiumionenbasis, Festkörperbatterie auf Lithiumionenbasis, Dünnfilmbatterie, Dünnfilmbatterie auf Lithiumionenbasis oder jeder beliebige andere Typ von geeigneter Festkörper-Elektrolytbatterie, z. B. eine Dünnfilmbatterie auf Metallhydridbasis, die eine Festkörperelektrolytschicht umfasst. Die Batterie 106, die im Prozess 330 ausgebildet wird, kann eine Primär- oder Sekundärbatterie sein; mit anderen Worten kann die Festkörper-Elektrolytbatterie 106 eine aufladbare Batterie oder eine nichtaufladbare Batterie sein.
Das Ausbilden des Schichtstapels 110 kann das Ausbilden einer Dünnfilmbatterie auf Lithiumionenbasis, z. B. einer aufladbaren Dünnfilmbatterie auf Lithiumionenbasis, umfassen. Das Verfahren zur Herstellung einer integrierten Schaltkreisstruktur 100 kann ferner das Bereitstellen (oder Ausbilden) einer Metallisierungsstruktur (oder einer Metallisierungsschicht) umfassen, welche die Festkörper-Elektrolytbatterie 106 mit zumindest einem Teil des elektronischen Schaltkreises 104 elektrisch verbindet. Die Verwendung des Verfahrens 300, wie es oben beschrieben ist, kann die Herstellung einer integrierten aufladbaren Batterie (wobei eine aufladbare Batterie in einen elektronischen Schaltkreis integrierte ist) mittels Halbleitertechnologie ermöglichen. Das Verfahren 300 kann in jede beliebige Halbleitertechnologie integriert werden. Da der Prozess 330 zur Ausbildung der Batterie 106 am Ende des Herstellungsprozesses 300 ausgeführt werden kann, kann es kaum Bedenken bezüglich der Wärmestabilität der verwendeten Batterieschichtstapel 110 geben. Die Batterie 106, wie sie hierin beschrieben ist, kann eine Batterie auf der Leiterplatte sein, wobei das Integrieren einer Batterie auf der Leiterplatte (oder einer Vielzahl von Batterien auf der Leiterplatte) in den integrierten Schaltkreis eine Senkung der Vorrichtungskosten ermöglichen kann. Im Allgemeinen kann das Verfahren 300 Techniken und Materialien kombinieren, die sowohl bei der Ausbildung einer aufladbaren Batterie als auch bei der Ausbildung einer Halbleiterstruktur verwendet werden, was zu einem einfachen und/oder kosteneffizienten Herstellungsprozess führen kann.
Analog dazu kann eine Batteriestruktur ausgebildet werden, die einen Hohlraum 108 umfasst, der in einem Träger 102 ausgebildet ist, wobei eine Batterie 106 zumindest teilweise in dem Hohlraum angeordnet sein kann, wobei der Hohlraum 108 zumindest eine Hohlraumöffnung 108o an der Oberfläche 102a des Trägers 102 umfassen kann, wobei die seitliche Ausdehnung des Hohlraums größer sein kann als die seitliche Ausdehnung der Öffnung 108a des Hohlraums 108. Folglich kann eine Batterie 106 in einem Träger 102 angeordnet sein, wobei zumindest ein Oberflächenbereich der Oberfläche 102a des Trägers 102 über der Batterie 106 für einen anderen Zweck frei sein kann, z. B. zur Ausbildung eines elektronischen Schaltkreises 104 (wie in 6, 7A und 7B veranschaulicht).
4A bis 4M zeigen jeweils eine schematische Darstellung einer integrierten Schaltkreisstruktur 100 während der Herstellung gemäß verschiedenen Ausführungsformen. Das Verfahren 300 zur Ausbildung einer integrierten Schaltkreisstruktur 100 kann das Bearbeiten eines Trägers 102 umfassen, wie nachstehend beschrieben ist. Ferner kann die integrierte Schaltkreisstruktur 100 konfiguriert sein, wie nachstehend beschrieben ist.
4A zeigt einen Träger 102, der einen elektronischen Schaltkreis 104, z. B. nachdem der Prozess 310 des Verfahrens 300 ausgeführt wurde, gemäß verschiedenen Ausführungsformen umfasst Der Träger 102 kann wie zuvor beschrieben die Materialien umfassen und konfiguriert sein. Der Träger 102 kann ein Siliciumwafer sein. Der elektronische Schaltkreis 104 kann einen problemlos bearbeiteten elektronischen Schaltkreis oder integrierten Schaltkreis in jede beliebigen Technologie umfassen, z. B. einen integrierten CMOS-Schaltkreis, einen bipolaren Transistor, einen IGBT und/oder ein mikro-elektro-mechanisches System, oder jedes beliebige andere Bauteil oder jede beliebige andere Struktur, wie sie schon beschrieben wurden.
Der elektronische Schaltkreis 104 über der gesamten Oberfläche 102a des Trägers 102 oder zumindest über einem Teil der Oberfläche 102a des Trägers 102 ausgebildet sein. Das Ausbilden des elektronischen Schaltkreises 104 kann einen Halbleiterprozess umfassen, der in einem Temperaturbereich ausgeführt wird, der einen Schichtstapel 110, der z. B. in Prozess 330 des Verfahrens 300 ausgebildet wurde, beschädigen könnte, sodass der Prozess 310 zur Ausbildung (oder Bereitstellung) des elektronischen Schaltkreises 104 vor dem Prozess 330 zur Ausbildung einer Batterie 106 ausgeführt wird. Folglich ist das Ausbilden eines elektronischen Schaltkreises 104 gegebenenfalls nicht durch eine Abbautemperatur der Batterie 106 beschränkt.
Wie in 4B veranschaulicht kann der elektronische Schaltkreis 104 mit einem Maskierungsmaterial 112 oder mit einer Maskenschicht 112 bedeckt sein. Die Maskenschicht 112 kann ein hartes Maskenmaterial umfassen. Die Maskenschicht kann zumindest eines aus den folgenden Maskierungsmaterialien umfassen: ein Oxid, z. B. Siliciumoxid, Polysilicium, Kohlenstoff, ein Nitrid, Siliciumnitrid, Siliciumoxynitrid und dergleichen. Die Maskenschicht 112 kann ein weiches Maskenmaterial, z. B. ein Resist, umfassen.
Wie in 4C veranschaulicht kann die Maskenschicht strukturiert (geöffnet) sein, sodass zumindest eine Region 104f des elektronischen Schaltkreises 104 freigelegt sein kann. Die strukturierte Maskenschicht 112, wie sie in 4C dargestellt ist, kann eine strukturierte Resistschicht 112 und/oder eine strukturierte harte Maskenschicht 112 umfassen. Die strukturierte Maskenschicht 112 kann zumindest eine Öffnung 112o aufweisen, die einen Teil 104f des elektronischen Schaltkreises 104 freilegt. Die Breite 109 (die seitliche Ausdehnung, oder die Ausdehnung entlang einer Richtung parallel zur Oberfläche 102a des Trägers 102) der Öffnung 112o, und somit die Breite 109 der freigelegten Region 104f des elektronischen Schaltkreises 104 kann gemäß der dicke eines Schichtstapels (Batterieschichtstapel) angepasst sein, der in einem nachfolgenden Prozess auszubilden ist (vgl. 4J). Die Breite 109 der Öffnung 112o kann im Bereich von einigen hundert Nanometern bis zu einigen Mikrometern liegen, z. B. kann die Breite 109 der Öffnung 112o im Bereich von etwa 100 nm bis etwa 5 μm liegen, z. B. im Bereich von etwa 500 nm bis etwa 2 μm, oder über 5 μm.
Die Region 104f, der freiliegt, kann eine reservierte Region sein, die ausgelegt ist, um zur Bereitstellung der Batterie 106 im Träger 102 entfernt zu werden. Die Region 104f kann eine funktionslose Region sein oder funktionslose Strukturen umfassen, z. B. kann die Region 104f eine nichtaktive Region des elektronischen Schaltkreises 104 sein. Die Region 104f, die freiliegt, kann geringen Platzbedarf (102f) aufweisen, sodass die Oberfläche des Trägers 102, die für den elektronischen Schaltkreis 104 verfügbar ist, so groß wie möglich sein kann.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen, wie in 4D veranschaulicht, kann die Oberfläche 102a des Trägers 102 teilweise freiliegen, z. B. kann die Region 104f des elektronischen Schaltkreises 104 entfernt werden (unter Verwendung eines Ätzprozesses), um einen Teil 102f der Oberfläche 102a des Trägers 102 freizulegen. Die Fläche der freiliegenden Oberfläche 102f des Trägers 102 kann durch die Öffnung 112o der strukturierten Maskenschicht 112 und den Ätzprozess, der zur Entfernung des Teils 104f des elektronischen Schaltkreises 104 verwendet wird, definiert sein.
Der bearbeitete Träger 102, der in 4A bis 4D dargestellt ist, kann ausgebildet werden, indem der Prozess 310 des Verfahrens 300 angewendet wird; mit anderen Worten kann das Verfahren 300 in Prozess 310 das Bearbeiten eines Trägers 102 wie unter Bezugnahme auf 4A bis 4D beschrieben umfassen. Alternativ dazu kann das Bereitstellen eines Trägers 102 das Ausbilden (Bereitstellen) eines strukturierten elektronischen Schaltkreises 104, z. B. eines elektronischen Schaltkreises 104, der auf einem Träger 102 angeordnet ist, umfassen, wobei zumindest eine Oberflächenregion 102f des Trägers 102 freiliegen kann (z. B. kann die zumindest eine Oberflächenregion 102f des Trägers 102 frei von Strukturen des elektronischen Schaltkreises 104 sein). Wie in 4E dargestellt kann eine Ausnehmung 102r im Träger 102 ausgebildet sein, die sich von der freiliegenden Region 102f der Oberfläche des Trägers 102 in den Träger erstreckt Die Ausnehmung 102r kann unter Verwendung der strukturierten Maskenschicht 112 in Kombination mit einem anisotropen Ätzprozess, z. B. Plasmaätzen oder reaktives Ionenätzen, ausgebildet werden.
Die Tiefe 102d der Ausnehmung 102r (oder des Grabens) kann von der gewünschten Größe und/oder Form des Hohlraums 108 abhängen, der in einem nachfolgend durchgeführten Prozess hergestellt werden soll (vgl. 4H). Mit anderen Worten kann die Größe des Hohlraums 108 durch die Tiefe 102d der Ausnehmung 102r definiert und/oder beschränkt sein. Die Tiefe 102d der Ausnehmung 102r (die räumliche Ausdehnung der Ausnehmung 102r entlang einer Richtung 103 orthogonal zur Oberfläche 102a des Trägers 102) kann im Bereich von einigen hundert Nanometern bis zu mehreren hundert Mikrometern liegen, z. B. im Bereich von etwa 100 nm bis etwa 100 μm, oder über 100 μm. Die Tiefe 102d der Ausnehmung 102r kann kleiner sein als die Hälfte der Dicke des Trägers 102 (die räumliche Ausdehnung des Trägers 102 entlang einer Richtung 103 orthogonal zur Oberfläche 102a des Trägers 102).
Wie in 4F und 4G veranschaulicht kann eine Hilfsabstandshalterstruktur 114a, 114b ausgebildet sein. Folglich kann eine Abstandshaltermaterialschicht 114 über der Oberfläche des bearbeiteten Trägers 102 abgeschieden oder ausgebildet sein. Die Abstandshaltermaterialschicht 114 kann unter Verwendung eines konturgetreuen Abscheidungsprozesses abgeschieden werden, sodass zumindest die Seitenwände der Ausnehmung 102r im Träger 102 und/oder die freiliegenden Seitendwände des elektronischen Schaltkreises 104 mit der Abstandshaltermaterialschicht 114 bedeckt sind, wie in 4F dargestellt ist. Die Abstandshaltermaterialschicht 114 kann zumindest ein Material aus der folgenden Gruppe von Materialien umfassen: Ein Oxid, z. B. Siliciumoxid, ein Metalloxid, Polysilicium, Kohlenstoff, ein Nitrid, Siliciumnitrid, ein Metallnitrid, Siliciumoxynitrid und dergleichen.
Anschließend kann, wie in 4G dargestellt, die Hilfsabstandshalterstruktur 114a, 114b ausgebildet werden, indem beispielsweise ein anisotroper Ätzprozess (z. B. Plasmaätzen, z. B. reaktives Ionenätzen) an der abgeschiedenen Abstandshaltermaterialschicht 114 angewendet wird. Die Hilfsabstandshalterstruktur 114a, 114b bedeckt zumindest die Seitenwände der Ausnehmung 102r, die innerhalb des Träger 102 ausgebildet ist, und/oder die freiliegenden Seitenwände des elektronischen Schaltkreises 104. Das Ausbilden einer Hilfsabstandshalterstruktur 114a, 114b aus der Abstandshaltermaterialschicht 114 (in 4F dargestellt) kann das Freilegen der unteren Oberfläche 102s der Ausnehmung 102r, die im Träger 102 ausgebildet ist, umfassen. Die Hilfsabstandshalterstruktur 114a, 114b kann als Ätzbarriereschicht oder als Maskierungsstruktur dienen, sodass in einem nachfolgend durchgeführten zusätzlichen Ätzprozess ein Hohlraum 108 im Träger 102 ausgebildet werden kann (vgl. 4H). Gemäß verschiedenen Ausführungsformen, wie sie in 4H und 4I dargestellt sind, kann ein Hohlraum 108 im Träger 102 ausgebildet sein, wobei der Hohlraum 108 eine innere Oberfläche 108a und eine Hohlraumöffnung 108o an der Oberfläche 102a des Trägers 102 aufweist. Der Hohlraum 108 kann durch Anwenden eines isotropen Ätzprozesses, z. B. eines isotropen Nassätzprozesses oder eines isotropen Trockenätzprozesses, ausgebildet werden, was in einem Hohlraum 108 innerhalb des Trägers 102 resultiert, wie er in 4H dargestellt ist. Der Ätzprozess zur Ausbildung des Hohlraums 108 kann so ausgeführt werden, dass die seitliche Ausdehnung 108d des Hohlraums 108 größer sein kann als die seitliche Ausdehnung der Ausnehmung 102r (z. B. mit der Breite 109). Die strukturierte Maskenmaterialschicht 112 kann während oder nach dem Ätzen des Hohlraums 108 entfernt werden.
Wie in 4I dargestellt kann die Hilfsabstandshalterstruktur 114a, 114b entfernt werden (unter Verwendung eines Ätzprozesses), nachdem der Hohlraum 108 geätzt (ausgebildet) wurde.
Der bearbeitete Träger 102, wie er in 4E bis 4I dargestellt ist, kann durch Anwenden des Prozesses 320 von Verfahren 300 ausgebildet werden, z. B. nachdem Prozess 310 ausgeführt wurde; mit anderen Worten kann das Verfahren 300 in Prozess 320 das Bearbeiten eines Trägers 102 wie unter Bezugnahme auf 4E bis 4I beschrieben erfolgen. Der Hohlraum 108 kann bereitgestellt (oder ausgebildet) werden, sodass der Hohlraum eine Hohlraumöffnung 108o an der Oberfläche des Trägers aufweisen kann, wobei zumindest ein Teil des Hohlraums 108 eine Ausdehnung 108d entlang einer Richtung parallel zur Oberfläche 102a des Trägers 102 aufweist, die größer ist als die Ausdehnung 109 der Öffnung 108a entlang derselben Richtung. Der Durchmesser 108d (oder zumindest die seitliche Ausdehnung) des Hohlraums 108 kann im Bereich von mehreren hundert Nanometern bis zu mehreren hundert Mikrometern liegen. Der Hohlraum 108 kann im Träger 102 so ausgebildet (geätzt) werden, dass der Bereich der inneren Oberfläche 108a des Hohlraums 108 so groß wie möglich sein kann.
Das Ausbilden des Hohlraums 108, wie hierin beschrieben, kann das Kombinieren von Materialien (z. B. Maskierungsmaterialien und/oder Abstandshaltermaterialien) und Ätzprozessen umfassen, wobei die jeweiligen Materialien und entsprechenden Ätzprozesse so kombiniert werden können, dass ein Hohlraum 108 im Träger ausgebildet werden kann, wie er hierin beschrieben ist, z. B. mit einer Hohlraumöffnung 108o an der Oberfläche des Trägers 102, die von einem elektronischen Schaltkreis 104 umgeben ist. Wie schon beschrieben kann der Hohlraum 108 jede beliebige gewünschte Form aufweisen, die unter Verwendung von Halbleiterstrukturierungsprozessen umsetzbar ist, wobei zumindest ein Teil des Hohlraums 108 eine Ausdehnung 108d entlang einer Richtung parallel zur Oberfläche 102a des Trägers 102 aufweist, die größer ist als die Ausdehnung 109 der Öffnung 108a entlang derselben Richtung.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen, wie in 4J dargestellt, kann eine Batterie 106 ausgebildet (oder bereitgestellt) sein, die zumindest teilweise innerhalb des Hohlraums 108 angeordnet ist. Die Batterie 106 kann ein Schichtstapel 110 sein oder einen solchen umfassen, wobei der Schichtstapel 110 durch Anwenden eines konturgetreuen Abscheidungsprozesses (z. B. Atomlagenabscheidung, z. B. LPCVD) für jede Schicht des Schichtstapels ausgebildet sein kann, sodass der Schichtstapel konturgetreu die innere Oberfläche 108a des Hohlraums 108 bedecken kann, und wobei beispielsweise ein Teil des Schichtstapels 110 außerhalb des Hohlraums 108 angeordnet sein kann, wie in 4J dargestellt ist.
Das Ausbilden des Schichtstapels 110 zumindest teilweise innerhalb des Hohlraums 108 im Träger 102 kann die Kapazität der Batterie 106 erhöhen, ohne die Oberfläche zu vergrößern, die mit dem Schichtstapel 110 bedeckt ist. Die Kapazität der Batterie 106 kann zunehmendem Durchmesser 108d des Hohlraums 108 steigen, unabhängig davon, ob ein Teil der Batterie 106 außerhalb des Hohlraums 108 angeordnet ist. Das konturgetreue Abscheiden des Schichtstapels 110 über der inneren Oberfläche des Hohlraums 108 kann höhere Kapazität der Batterie 106 bereitstellen als das Abscheiden des Schichtstapels 110 auf der inneren Oberfläche einer auf herkömmliche Weise bearbeiteten Ausnehmung oder eines solchen Grabens, da zumindest ein Teil des Hohlraums 108 eine Ausdehnung 108d entlang einer Richtung parallel zur Oberfläche 102a des Trägers 102 aufweist, die größer ist als die Ausdehnung 109 der Öffnung 108a entlang derselben Richtung. Mit anderen Worten kann die innere Oberfläche 108a des Hohlraums 108 größer sein als eine innere Oberfläche einer auf herkömmliche Weise bearbeiteten Ausnehmung oder eines solchen Grabens mit der gleichen Tiefe wie der Hohlraum 108 und der gleichen Öffnungsfläche an der Oberfläche des Trägers 102 wie der Hohlraum 108. Der Hohlraum 108 kann eine im Wesentlichen kugelförmig sein, wodurch eine große Oberfläche in Bezug auf ein spezifisches Volumen bereitgestellt wird.
Das Ausbilden des Schichtstapels 110 kann das konturgetreue Abscheiden einer dielektrischen Schicht 106a zumindest über der inneren Oberfläche 108a des Hohlraums 108 umfassen, z. B. das konturgetreue Beschichten des Hohlraums 108 und des elektronischen Schaltkreises 104 (wie in 41 dargestellt), nachdem die Prozesse 310 und 320 des Verfahrens 300 ausgeführt wurden. Ferner kann das Ausbilden des Schichtstapels 110 das konturgetreue Abscheiden einer ersten Stromkollektorschicht 106b über der dielektrischen Schicht 106a umfassen. Ferner kann, das Ausbilden des Schichtstapels 110 das konturgetreue Abscheiden einer ersten Elektrodenschicht 106c über der ersten Stromkollektorschicht 106b umfassen. Ferner kann das Ausbilden des Schichtstapels 110 das konturgetreue Abscheiden einer Elektrolytschicht 106d über der ersten Elektrodenschicht 106c umfassen; die Elektrolytschicht 106d kann einen Festkörperelektrolyt umfassen. Ferner kann das Ausbilden des Schichtstapels 110 das konturgetreue Abscheiden einer zweiten Elektrodenschicht 106e über der Elektrolytschicht 106d umfassen. Ferner kann das Ausbilden des Schichtstapels 110 das das konturgetreue Abscheiden einer zweiten Stromkollektorschicht 106f über der zweiten Elektrodenschicht 106e umfassen.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen können die erste Stromkollektorschicht 106b, die erste Elektrodenschicht 106c, die Elektrolytschicht 106d, die zweite Elektrodenschicht 106e und die zweite Stromkollektorschicht 106f funktionale Batterieschichten sein, die eine Batterie 106 bilden. Die erste Stromkollektorschicht 106b, die erste Elektrodenschicht 106c, die Elektrolytschicht 106d, die zweite Elektrodenschicht 106e und die zweite Stromkollektorschicht 106f können ein Batterieschichtstapel sein.
Die erste Stromkollektorschicht 106b kann außerdem als Diffusionsbarriereschicht konfiguriert sein, um die Diffusion von Material aus dem Schichtstapel in den Träger 102 und/oder in den elektronischen Schaltkreis 104 zu verhindern oder zu reduzieren; die erste Stromkollektorschicht 106b kann beispielsweise ein Titannitrid als elektrisch leitendes Barrierematerial umfassen. Eine weitere Barriereschicht, die z. B. Titannitrid umfasst, kann zwischen der dielektrischen Schicht 106a und der ersten Stromkollektorschicht 106b ausgebildet oder angeordnet sein.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann zumindest ein Teil der ersten Stromkollektorschicht 106b und der zweiten Stromkollektorschicht 106f außerhalb des Hohlraums 108 angeordnet sein, und/oder die erste Stromkollektorschicht 106b und die zweite Stromkollektorschicht 106f können elektrisch verbunden sein (z. B. über eine Metallisierungsstruktur), sodass ein Zugang zur Batterie 106 (oder zum Schichtstapel 110) bereitgestellt werden kann, z. B. zum Laden der Batterie 106 und/oder zum Betreiben des elektronischen Schaltkreises 104 durch die Batterie 106.
Die Hohlraumöffnung 108o des Hohlraums 108 kann durch den Schichtstapel versiegelt sein, wie in 4J dargestellt ist. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Dicke der Schichten, die im Schichtstapel enthalten sind, angepasst sein (vgl. 5A und 5B), um die gewünschten Eigenschaften der Batterie 106, z. B. hohe Kapazität und/oder lange Lebensdauer bereitzustellen.
Wie in 4K bis 4M dargestellt kann ein Teil des Schichtstapels 110, der außerhalb des Hohlraums 108 angeordnet ist, strukturiert sein, z. B. unter Verwendung eines lithographischen Prozesses und eines Ätzprozesses (wie z. B. in 4K dargestellt), sodass der Schichtstapel 110 angepasst und/oder versiegelt werden kann, indem eine dielektrische Abstandshalterstruktur 116a, 116b aus einer vorher abgeschiedenen dielektrischen Abstandshaltermaterialschicht 116 ausgebildet wird, z. B. unter Verwendung eines Schichtbildungsprozesses und eines nachfolgend durchgeführten Ätzprozesses (wie z. B. in 4L und 4M dargestellt).
Die dielektrische Abstandshaltermaterialschicht 116 kann zumindest eines aus Phosphosilicatglas (PSG), Borsilicatglas (BSG) und Phosphoborsilicatglas (PBSG) umfassen. Die dielektrische Abstandshaltermaterialschicht 116 kann jedes beliebige andere geeignete elektrisch isolierende Material umfassen.
4M veranschaulicht eine integrierte Schaltkreisstruktur 100, die einen elektronischen Schaltkreis 104 oder eine elektronischen Schaltkreisstruktur 104, einen Hohlraum 108 und eine Batterie 106, die innerhalb des Hohlraums 108 ausgebildet ist, umfasst, wobei zumindest ein Teil der Batterie 106, der innerhalb des Hohlraums 108 angeordnet ist, seitlich mit dem elektronischen Schaltkreis 104 überlappen. Dies kann eine effiziente Verwendung der Oberfläche des Trägers 102 für einen elektronischen Schaltkreis 104 ermöglichen, wobei gleichzeitig eine Batterie 106 mit ausreichend hoher Ladungsspeicherungskapazität bereitgestellt werden kann.
5A und 5B zeigen jeweils eine detaillierte Darstellung des Schichtstapels 110, der hierin schon beschrieben wurde. Der Schichtstapel 110 kann zumindest eine erste Stromkollektorschicht 106b, eine erste Elektrodenschicht 106c, eine Elektrolytschicht 106d, eine zweite Elektrodenschicht 106e, und eine zweite Stromkollektorschicht 106f umfassen, um eine Batterie 106 bereitzustellen.
Die Batterie 106 kann auch zumindest eine erste Stromkollektorregion 106b, eine erste Elektrodenregion 106c, eine Elektrolytregion 106d, eine zweite Elektrodenregion 106e und eine zweite Stromkollektorregion 106f umfassen, wobei der spezifische Aufbau der Regionen an die gewünschten Eigenschaften der Batterie 105, z. B. hohe Kapazität, angepasst werden kann.
Die erste Elektrodenschicht 106c kann eine Anodenschicht sein oder als Anode der Batterie 106 dienen, sodass die erste Stromkollektorschicht 106b die Anodenstromkollektorschicht 106b sein kann. In Bezug darauf kann die zweite Elektrodenschicht 106e eine Kathodenschicht sein oder als Kathode der Batterie 106 dienen, sodass die zweite Stromkollektorschicht 106f die Kathodenstromkollektorschicht 106b sein kann.
Alternativ dazu kann die erste Elektrodenschicht 106c eine Kathodenschicht sein oder als Kathode der Batterie 106 dienen, sodass die erste Stromkollektorschicht 106b die Kathodenstromkollektorschicht 106b sein kann. In Bezug dazu kann die zweite Elektrodenschicht 106e eine Anodenschicht sein oder als Anode der Batterie 106 dienen, sodass die zweite Stromkollektorschicht 106f die Anodenstromkollektorschicht 106b sein kann.
Eine Stromkollektorschicht oder eine Stromkollektorregion (z. B. die Anodenstromkollektorschicht und die Kathodenstromkollektorschicht) können zumindest ein Material aus der folgenden Gruppe von Materialien umfassen oder daraus bestehen: ein elektrisch leitendes Material, ein Metall, ein Metallnitrid, ein Übergangsmetall, ein Übergangsmetallnitrid, Platin, Kupfer, Aluminium, Aluminiumnanostäbchen, Gold, Titaninitrid, Vanadiumnitrid, Molybdännitrid, Tantalnitrid. Zumindest eine Stromkollektorschicht kann als Diffusionsbarriere dienen (z. B. kann zumindest eine Stromkollektorschicht eine Titaniumnitrid-Diffusionsbarriere sein), wobei die Stromkollektorschicht eine Diffusion von Atomen, Ionen oder Materialien (z. B. Lithium und/oder Lithiumionen) von der Festkörper-Elektrolytbatterie 106 in den elektronischen Schaltkreis 104 oder in den Träger 102 verhindern oder verringern kann. Zumindest eine Stromkollektorschicht kann als Diffusionsbarriere dienen (z. B. kann zumindest eine Stromkollektorschicht eine Titaninitrid-Diffusionsbarriere sein), wobei die Stromkollektorschicht eine Diffusion von Atomen, Ionen, oder Materialien (z. B. Lithium und/oder Lithiumionen) vom elektronischen Schaltkreis 104 oder Träger 102 in die Festkörper-Elektrolytbatterie 106 verhindern oder verringern kann.
Die Anodenschicht oder die Anodenregion kann zumindest ein Material aus folgender Gruppe von Materialien umfassen oder daraus bestehen: Silicium, Polysilicium, amorphes Silicium, Kohlenstoff, amorpher Kohlenstoff, Graphit, Li₄Ti₅O₁₂(LTO), CuN₃, Titanoxid (TiO₂) oder jedes beliebige andere geeignete Anodenmaterial, beispielsweise Titan, ein Metallsilicid (z. B. Calciumsilicid, Magnesiumsilicid, Molybdänsilicid), Li₁₅Si₄, eine lithiumhaltige Legierung (z. B. Li₂₂M₅/M (M = Ge, Sn, Pb, Si)), Li_4,4Si, Li_4,4Ge, Gläser auf Zinnoxidbasis (z. B. SnO-B₂O₃-P₂O₅-Al₂O₃), SnS-P₂S₅, Li₂S-P₂S₅, siliciumhaltige Übergangsmetallnitride (z. B. SiM_xN_y (M = Co, Ni, Cu)), Ni beschichtet mit TiO₂, Sn, Ge, Al, Pb, In, ZnO. Die Anode kann hierein beispielsweise als negative Elektrode während des Ladens der Batterie 106 definiert sein.
Die Kathode kann zumindest ein Material aus der folgenden Gruppe von Materialien umfassen oder daraus bestehen: Lithium, Cobalt, Nickel, Aluminium, Sauerstoff, Eisen, Phosphor, Schwefel, Mangan, Vanadium, Manganspinell, Lithiumnickelmangancobalt, Lithiumeisenphosphat (dotiert oder undotiert), Übergangsmetalloxide (z. B. MnO₂, Fe₃O₄, Co₃O₄, TiO₂, NiO), Olivin (z. B. LiCoPO₄), LiCoO₂, LiNiO₂, LiNi_xMn_yO₂, LiNi_1-xCo_xO₂, LiNi_0.85Co_0.1Al_0.05O₂, LiNi_0.33Co_0.33MnO₂, LiMn₂O₄ (Spinellstruktur), Li_4/3Ti_5/3O₄, V₂O₅, amorphes V₂O₅, LiMn₂O₄, und LiFePO₄ oder jedes beliebige andere geeignete Kathodenmaterial, z. B. einschließlich Nickel oder Edelstahl. Die Anode kann hierin beispielsweise als positive Elektrode während des Ladens der Batterie 106 definiert sein. Die Elektrolytschicht oder die Elektrolytregion (z. B. ein(e) Festkörper-Elektrolytschicht oder -region) kann zumindest ein Material aus folgender Gruppe von Materialien umfassen oder daraus bestehen: Lithium, Phosphor, Lanthan, Titan, Lithiumphosphoroxynitrid, Lithiumlanthantitanoxid (LLTO), ein Polymer, Polyoxyethylen, LiPO_1-xNi_1-y, Thio-LISICON-Materialien (superionischer Lithiumleiter, z. B. Li_xGe_yP_zS₄), Li_xM_1-yM'_yS₄ (M = Si oder Ge, und M' = P, Al, Zn, Ga oder Sb), Li_xAl_yTi_z(PO₄) oder jeder beliebige andere geeignete Elektrolyt, z. B. Natriumsuperionenleiter (NASICON), Materialien vom NASICON-Typ (z. B. Na_1+x+4yM_2-ySi_xP_3-xO₁₂, 0 ≦ x ≦ 3, 0 ≦ y ≦ 1 (M = Ti, Hf oder Zr)), Li₂S-P₂S₅, Li₂S-P₂S₅-SiS₂, Li₂S-SiS₂ oder Oxysulfidglas (z. B. [[Li₂S]_0.6[SiS₂]_0.4]_1-x[Li_xMO_y]_x (M = Si, P, Ge, B, Al, Ga, In)). Ein Festkörperelektrolyt kann als Material betrachtet werden, das elektrische Ladung aufgrund der Bewegung von Ionen im Material, z. B. durch Kanäle, Hohlräume oder leere kristallographische Positionen in ihrer Kristallstruktur, leitet. Eine Stromkollektorschicht (z. B. die erste Stromkollektorschicht 106b und/oder die zweite Stromkollektorschicht 106f) kann eine Dicke im Bereich von etwa 5 nm bis etwa 100 nm, z. B. im Bereich von etwa 10 nm bis etwa 50 nm, aufweisen. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Schichtdicke einer Stromkollektorschicht von der spezifischen elektrischen Leitfähigkeit der jeweiligen Schicht, die als Stromkollektorschicht dient, abhängen.
Die Anodenschicht kann eine Dicke beispielsweise im Bereich von etwa 5 nm bis etwa 100 nm, z. B. über 100 nm, z. B. etwa 10 nm bis etwa 50 nm, z. B. weniger als 10 nm, z. B. über 50 nm, aufweisen.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Kathodenschicht eine Dicke beispielsweise im Bereich von etwa 5 nm bis etwa 100 nm, z. B. über 100 nm, z. B. etwa 10 nm bis etwa 50 nm, z. B. weniger als 10 nm, z. B. über 50 nm, aufweisen.
Die Elektrolytschicht kann eine Dicke beispielsweise im Bereich von etwa 5 nm bis etwa 100 nm, z. B. über 100 nm, z. B. etwa 10 nm bis etwa 50 nm, z. B. weniger als 10 nm, z. B. über 50 nm, aufweisen.
Die Anodenschicht kann eine Dicke von etwa 30 nm aufweisen, die Kathodenschicht kann eine Dicke von etwa 30 nm aufweisen und die Elektrolytschicht kann eine Dicke von etwa 30 nm aufweisen.
Die Dicke der Anodenschicht und die entsprechende Dicke der Kathodenschicht können gemäß den Ladungsspeicherungseigenschaften des jeweiligen Materials, das die Anodenschicht und die entsprechende Kathodenschicht bildet, ausgewählt werden. Die Dicke der Elektrolytschicht 106d kann groß genug sein, z. B. über 5 nm, um als Elektrolytschicht zu dienen, z. B. um Lithiumionen zu leiten, oder z. B. durchlässig für Lithiumionen sein (wobei die Elektrolytschicht gegebenenfalls keinen gesonderten Transport von Elektronen erlaubt). Die Elektrolytschicht 106d kann unter Verwendung von Atomlagenabscheidung abgeschieden werden, z. B. chemische Atomlagengasphasenabscheidung, was in einer glatten, geschlossenen und dichten Schicht resultiert.
Nachdem der Schichtstapel 110 (oder die Batterie 106) ausgebildet wurde, kann ein Temperprozess, z. B. eine Wärmebehandlung, durchgeführt werden, z. B. um Umkristallisationsprozesse oder andere Verbesserungen einzubringen, z. B. mechanische Stabilität.
Die Schichtdicke der Anodenschicht in der Batterie 106 kann aufgrund von physikalischen oder chemischen Gründen beschränkt sein, z. B. kann sich eine Siliciumschicht als Anode während der Speicherung von Lithiumionen verschlechtern, wenn die Siliciumschicht zu dick ist, z. B. etwa dicker als 50 nm oder dicker als 100 nm. Die Ladungsspeicherungskapazität der Batterie 106 kann mit steigendem Volumen der Ladungsspeicherungsanodenschicht zunehmen, z. B. Volumen des die Anode bereitstellenden Materials. Durch das Bedecken der inneren Oberfläche des Hohlraums 108 kann sich die Größe der Oberfläche der Anodenschicht gemäß der Form und Größe des Hohlraums 108 verändern. Folglich kann die Ladungsspeicherungskapazität angepasst (z. B. erhöht) werden, während die Schichtdicke der Ladungsspeicherungsanodenschicht eine gewünschte Dicke aufweisen kann.
Wie in 5B dargestellt kann der Schichtstapel ferner eine erste dielektrische Schicht 106a umfassen, die ein elektrisch isolierendes Material enthält, z. B. ein elektrisch isolierendes Oxid, z. B. Siliciumoxid. Die erste dielektrische Schicht 106a kann die Batterie 106 elektrisch vom Träger 102 und/oder vom elektronischen Schaltkreis 104 trennen. Der Schichtstapel kann ferner eine Schutzschicht 520 auf der zweiten Stromkollektorschicht 106f umfassen, z. B. um die Batterie 106 zu schlitzen.
6 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens 600 zur Herstellung einer Batteriestruktur gemäß verschiedenen Ausführungsformen; das Verfahren umfasst bei 610 das Ausbilden zumindest eines Hohlraums 108 in einem Träger 102, wobei der zumindest eine Hohlraum 108 eine Hohlraumöffnung 108o an einer Oberfläche 102a des Trägers 102 umfassen kann, wobei zumindest ein Teil des Hohlraums 108 eine Ausdehnung 108d entlang einer Richtung parallel zur Oberfläche 102a des Trägers 102 aufweist, die größer ist als die Ausdehnung 109 der Öffnung 108a entlang derselben Richtung, und bei 620 das Ausbilden einer Festkörper-Elektrolytbatterie 106 über der inneren Oberfläche 108a des Hohlraums 108.
Der Prozess 610 des Verfahrens 600 kann auf ähnliche Weise durchgeführt werden wie hierin für den Prozess 320 des Verfahrens 300 beschrieben. Der Prozess 620 des Verfahrens 600 kann auf ähnliche Weise durchgeführt werden wie hierin für den Prozess 330 des Verfahrens 300 beschrieben.
Das Ausbilden der Festkörper-Elektrolytbatterie 106 das das Ausbilden eines Schichtstapels 110 umfassen, wobei der Schichtstapel zumindest eine Kathodenschicht, zumindest eine Anodenschicht und zumindest eine Elektrolytschicht, die zwischen der zumindest einen Kathodenschicht und der zumindest einen Anodenschicht angeordnet ist, umfassen kann. Das Ausbilden der Festkörper-Elektrolytbatterie 106 kann das Ausbilden eines Schichtstapels 110 umfassen, der die funktionalen Schichten 106b, 106c, 106d, 106e, 106f wie schon beschrieben umfasst.
Das Ausbilden des Schichtstapels 110 kann ferner das Ausbilden zumindest einer Kathodenstromkollektorschicht umfassen, die an die zumindest eine Kathodenschicht angrenzt, sowie das Ausbilden zumindest einer Anodenstromkollektorschicht, die an die zumindest eine Anodenschicht angrenzt.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann das Ausbilden des Schichtstapels das Ausbilden einer Dünnfilmbatterie auf Lithiumionenbasis umfassen.
7A veranschaulicht eine Batteriestruktur 600; die Batteriestruktur 600 umfasst: einen Hohlraum 108, der in einem Träger 102 angeordnet ist, wobei sich der Hohlraum 108 von der ersten Oberfläche 102a des Trägers 102 in den Träger 102 hinein erstrecken kann. Der Hohlraum 108 kann zumindest eine Hohlraumöffnung 108o an der ersten Oberfläche 102a des Trägers 102 aufweisen. Wie in 7A dargestellt kann der Durchmesser 108d des Hohlraums 108 (z. B. eine Ausdehnung 108d des Hohlraums 108 entlang einer Richtung 101 parallel zur Oberfläche 102a des Trägers 102) größer sein als der Durchmesser 109 der Hohlraumöffnung 108o des Hohlraums 108 an der Oberfläche 102a des Trägers 102 (z. B. eine Ausdehnung der Hohlraumöffnung 108o des Hohlraums 108 entlang einer Richtung 101 parallel zur Oberfläche 102a des Trägers 102). Eine Batterie 106 kann zumindest teilweise innerhalb des Hohlraums 108 angeordnet sein. Wie in 7B veranschaulicht kann ein Schichtstapel 110 über der inneren Oberfläche 108a des Hohlraums 108 ausgebildet sein, wobei der Schichtstapel 110 die funktionalen Schichten umfassen kann, welche die Batterie 106 bereitstellen. Mit anderen Worten kann die innere Oberfläche 108a des Hohlraums 108 mit einer Vielzahl von Materialschichten bedeckt (oder beschichtet) sein, welche die funktionalen Schichten der Dünnfilm-Festkörper-Elektrolytbatterie 106 bereitstellen. Die Batteriestruktur 600, wie sie hierin beschrieben ist, kann eine Vielzahl von Hohlräumen 108 umfassen, die im Träger 102 angeordnet sind, wobei eine Batterie 106 in jedem Hohlraum 108 aus der Vielzahl von Hohlräumen 108 enthalten sein kann. Die Batterie 106, die innerhalb des Hohlraums 108 ausgebildet ist, kann den Schichtstapel 110 umfassen, wie in Bezug auf 5A und 5B beschrieben ist.
Der Schichtstapel 110, der in der Batteriestruktur 600 enthalten ist, kann konturgetreu über der inneren Oberfläche 108a des Hohlraums 108 abgeschieden werden. Jede Schicht, die im Schichtstapel 110 enthalten ist, kann konturgetreu über der inneren Oberfläche 108a des Hohlraums 108 abgeschieden werden. Zur Veranschaulichung kann der Schichtstapel 110 eine ähnliche Form aufweisen wie die innere Oberfläche 108a des Hohlraums 108, da jede Schicht des Schichtstapels 110 beispielsweise unter Verwendung eines konturgetreuen Abscheidungsprozesses, z. B. ALD oder ALCVD ausgebildet werden kann.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann der Hohlraum 108, der im Träger 102 ausgebildet ist, auch eine andere Form aufweisen, wie in den Figuren dargestellt ist. Die Form des Hohlraums 108 kann zumindest eine Form aus der folgenden Gruppe von Formen aufweisen: eine Zylinderform, eine Kugelform, eine Prismaform, eine Würfelform, eine Kegelform oder jede beliebige andere geeignete Form, z. B. die Form eines Rotationsfestkörpers. Die Form des Hohlraums 108 kann angepasst sein, um eine große innere Oberfläche 108a bei kleiner Öffnung 108a an der Oberfläche 102a des Trägers 102 bereitzustellen. Folglich kann der Hohlraum 108 auch eine asymmetrische Form aufweisen. Ferner kann der Hohlraum 108 eine Vielzahl von Hohlräumen umfassen, die miteinander verbunden sind, und so eine verbundene innere Oberfläche 108a bereitstellen. Der Schichtstapel 110 kann konturgetreu über einer verbundenen inneren Oberfläche 108a (oder inneren Seitenwand 108a) einer Vielzahl von Hohlräumen 108, die im Träger 102 angeordnet sind, angeordnet sein. Der Schichtstapel 110 kann durch die zumindest eine Öffnung 108a an der Oberfläche 102a des Trägers 102 konturgetreu abgeschieden werden.
Der Träger 102, der in der Batteriestruktur 600 enthalten ist, kann ein Siliciumwafer oder ein beliebiger anderer Trägertyp sein, wie zuvor beschrieben wurde.
Die Batteriestruktur 600, wie sie hierin beschrieben ist, kann einen Hohlraum 108 und eine Batterie 106 umfassen, ähnlich wie die integrierte Schaltkreisstruktur 100, die schon beschrieben wurde. Die Batteriestruktur 600, wie sie hierin beschrieben ist, kann einen Träger 102 bereitstellen, der eine Batterie 106 umfasst, wobei der bereitgestellte Bereich für den Schichtstapel 110, der die Batterie 106 bildet, größer als die aufgebrauchte Oberfläche 102f des Trägers 102 sein kann.
Das Bereitstellen eines elektronischen Schaltkreises 104 oder das Bereitstellen einer elektronischen Struktur 104 kann zumindest einen Front-End-of-Line-(FEOL-)Prozess umfassen. Das Ausbilden der Batterie 106 kann durchgeführt werden, nachdem der elektronische Schaltkreis 104 oder die elektronische Struktur 104 fertiggestellt sind, z. B. die FEOL-Bearbeitung abgeschlossen ist, separat von der Metallisierungsstruktur. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die integrierte Schaltkreisstruktur 100 wie hierin dargestellt schließlich mit einer Schutzschicht überzogen werden, um die darunterliegende Batterie 106 und/oder den elektronischen Schaltkreis 104 zu schützen. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann ein Hohlraum wie hierin beschrieben eine Hohlkammer, ein Hohlraum oder ein Leerraum sein, die zumindest teilweise von einem Material, z. B. vom Trägermaterial, umgeben sind. Die freiliegende Oberfläche des Materials, das die Hohlkammer umgibt (oder bildet), die in der Hohlkammer liegt, kann als innere Oberfläche 108a des Hohlraums 108 bezeichnet werden.
Eine integrierte Schaltkreisstruktur 100 kann umfassen: einen elektronischen Schaltkreis 104, der auf einer Oberfläche 102a eines Trägers 102 angeordnet ist; eine Festkörper-Elektrolytbatterie 106, die zumindest teilweise innerhalb des Trägers 106 angeordnet ist, wobei zumindest ein Teil der Festkörper-Elektrolytbatterie 106, der innerhalb des Trägers 102 angeordnet ist, mit dem elektronischen Schaltkreis 104 entlang einer Richtung parallel zur Oberfläche 102a des Trägers 102 überlappt. Eine integrierte Schaltkreisstruktur 100 kann umfassen: einen elektronischen Schaltkreis 104 der auf einer Oberfläche 102a eines Trägers 102 angeordnet ist; eine Festkörper-Elektrolytbatterie 106, die zumindest teilweise innerhalb eines Trägers 106 angeordnet ist, wobei zumindest ein Teil der Festkörper-Elektrolytbatterie 106, der innerhalb des Trägers 102 angeordnet ist, unter dem elektronischen Schaltkreis 104 angeordnet ist. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Festkörper-Elektrolytbatterie innerhalb eines Hohlraums 108 ausgebildet sein, der im Träger 102 bereitgestellt ist. Der Hohlraum kann zumindest eine Hohlraumöffnung 108o an der Oberfläche 102a des Trägers 102 umfassen, wobei der Hohlraum 108 mit dem elektronischen Schaltkreis 104 entlang einer Richtung parallel zur Oberfläche 102a des Trägers 102 überlappen kann. Der Hohlraum kann zumindest eine Hohlraumöffnung 108o an der Oberfläche 102a des Trägers 102 umfassen, wobei sich der Hohlraum 108 in einem Bereich unter dem elektronischen Schaltkreis 104 erstrecken kann.
Die Festkörper-Elektrolytbatterie 106 kann mit zumindest einem Teil des elektronischen Schaltkreises 104 elektrisch gekoppelt sein. Die Festkörper-Elektrolytbatterie 106 kann konfiguriert sein, um den elektronischen Schaltkreis 104 mit elektrischer Energie zu versorgen. Die Festkörper-Elektrolytbatterie 106 kann konfiguriert sein, um elektrische Energie zu speichern, die vom elektronischen Schaltkreis 104 erzeugt wird.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Festkörper-Elektrolytbatterie 104 einen Schichtstapel 110 umfassen, der zumindest eine Kathodenschicht, zumindest eine Anodenschicht, und zumindest eine Elektrolytschicht, die zwischen der zumindest einen Kathodenschicht und der zumindest einen Anodenschicht angeordnet ist, umfassen. Der Schichtstapel kann ein Batterieschichtstapel sein, der die Batterie 106 bereitstellt. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann der Schichtstapel ferner eine Anodenstromkollektorschicht umfassen, die an die zumindest eine Anodenschicht angrenzt, sowie eine Kathodenstromkollektorschicht, die an die zumindest eine Kathodenschicht angrenzt.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die integrierte Schaltkreisstruktur ferner eine elektrisch isolierende Schicht 106a umfassen, die zumindest zwischen dem Träger 102 und der Festkörper-Elektrolytbatterie 106 angeordnet ist.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann der Schichtstapel 110 konturgetreu (anders ausgedrückt konform) über der inneren Oberfläche 108a des Hohlraums 108 angeordnet sein oder werden.
Eine Batteriestruktur 600 kann umfassen: zumindest einen Hohlraum 108, der innerhalb eines Trägers 102 angeordnet ist, wobei der Hohlraum 108 eine Hohlraumöffnung 108o an einer Oberfläche 102a des Trägers 102 umfasst, wobei zumindest eine Teil des Hohlraums 108 eine Ausdehnung 108d entlang einer Richtung parallel zur Oberfläche 102a des Trägers 102 aufweist, die größer ist als die Ausdehnung 109 der Hohlraumöffnung 108a entlang derselben Richtung, und eine Festkörper-Elektrolytbatterie 106, die zumindest teilweise innerhalb des Hohlraums 108 angeordnet ist.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Festkörper-Elektrolytbatterie 106 einen Schichtstapel 110 umfassen, der zumindest eine Kathodenschicht, zumindest eine Anodenschicht und zumindest eine Elektrolytschicht, die zwischen der zumindest einen Kathodenschicht und der zumindest einen Anodenschicht angeordnet ist, umfasst. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann der Schichtstapel 110 ferner eine Anodenstromkollektorschicht umfassen, die an die zumindest eine Anodenschicht angrenzt, sowie eine Kathodenstromkollektorschicht, die an die zumindest eine Kathodenschicht angrenzt.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Festkörper-Elektrolytbatterie 106 einen Schichtstapel 110 umfassen, der zumindest eine Kathodenschicht, zumindest eine Anodenschicht, zumindest eine Elektrolytschicht, die zwischen der zumindest einen Kathodenschicht und der zumindest einen Anodenschicht angeordnet ist, und zumindest eine Anodenstromkollektorschicht, die an die zumindest eine Anodenschicht angrenzt, und zumindest eine Kathodenstromkollektorschicht, die an die zumindest eine Kathodenschicht angrenzt, umfassen, wobei jede Schicht des Schichtstapels 110 eine Dicke im Bereich von etwa 5 nm bis etwa 10 μm, z. B. im Bereich von etwa 5 nm bis etwa 5 μm, z. B. im Bereich von etwa 5 nm bis etwa 1 μm aufwiesen kann. Folglich können die Schichtdicken der Schichten, die im Schichtstapel 110 enthalten sind, von Anforderungen wie Energiedichte und/oder Leistungsdichte abhängen.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann der Schichtstapel 110 ferner zumindest eine dielektrische Schicht 106a umfassen, die zwischen dem Träger und der Festkörper-Elektrolytbatterie angeordnet ist.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann der Schichtstapel 110 konturgetreu über der inneren Oberfläche 108a des Hohlraums 108 angeordnet sein.
Ein Verfahren 300 zur Herstellung einer integrierten Schaltkreisstruktur 100 kann umfassen: das Bereitstellen eines elektronischen Schaltkreises 104 auf einer Oberfläche 102a eines Trägers 102; (z. B. anschließend) das Ausbilden zumindest eines Hohlraums 108 im Träger 102, wobei der Hohlraum 108 eine Hohlraumöffnung 108o an der Oberfläche 102a des Trägers 102 umfassen kann wobei zumindest ein Teil des Hohlraums 108 eine Ausdehnung 108d entlang einer Richtung parallel zur Oberfläche 102a des Trägers 102 aufweist, die größer ist als die Ausdehnung 109 der Öffnung entlang derselben Richtung; und das Ausbilden einer Festkörper-Elektrolytbatterie 106 über der inneren Oberfläche 108a des Hohlraums 108.
Das Bereitstellen eines elektronischen Schaltkreises 104 kann das Bereitstellen (oder Ausbilden) zumindest eines elektronischen Bauteils 104 aus der folgenden Gruppe von elektronischen Bauteilen umfassen: ein integrierter Schaltkreis, eine Sensorstruktur, eine mikromechanische Vorrichtung, elektrooptische Struktur, ein Transistor, eine Induktivität, ein Kondensator, ein Sender, und ein Sendeempfänger.
Das Verfahren 300 zur Herstellung einer integrierten Schaltkreisstruktur 100 kann ferner das Ausbilden einer elektrisch isolierenden Schicht 106a über zumindest der inneren Oberfläche 108a des Hohlraums 108 umfassen, bevor die Festkörper-Elektrolytbatterie 106 ausgebildet wird. Die elektrisch isolierende Schicht 106a kann ein Teil des Schichtstapels 110 sein.
Das Ausbilden der Festkörper-Elektrolytbatterie 106 kann das Ausbilden eines Schichtstapels 110 umfassen, wobei der Schichtstapel zumindest eine Kathodenschicht, zumindest eine Anodenschicht und zumindest eine Elektrolytschicht, die zwischen der zumindest einen Kathodenschicht und der zumindest einen Anodenschicht angeordnet ist, umfassen.
Das Ausbilden des Schichtstapels kann ferner das Ausbilden zumindest einer Kathodenstromkollektorschicht, die an die zumindest eine Kathodenschicht angrenzt, und das Ausbilden zumindest einer Anodenstromkollektorschicht, die an die zumindest eine Anodenschicht angrenzt, umfassen.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Festkörper-Elektrolytbatterie unter Verwendung eines konturgetreuen Abscheidungsprozesses ausgebildet werden. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Festkörper-Elektrolytbatterie unter Verwendung einer Vielzahl von konturgetreuen Abscheidungsprozessen ausgebildet werden.
Das Ausbilden des Schichtstapels kann das Ausbilden einer Dünnfilmbatterie auf Lithiumionenbasis umfassen.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann das Verfahren 300 zur Herstellung einer integrierten Schaltkreisstruktur 100 ferner das Bereitstellen einer Metallisierungsstruktur umfassen, welche die Festkörper-Elektrolytbatterie 106 mit zumindest einem Teil des elektronischen Schaltkreises 104 elektrisch verbindet.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann ein Verfahren zur Herstellung einer Batteriestruktur umfassen: das Ausbilden zumindest eines Hohlraum im Träger, wobei der Hohlraum eine Öffnung an einer Oberfläche des Trägers umfassen kann, wobei zumindest ein Teil des Hohlraums eine Ausdehnung entlang einer Richtung parallel zur Oberfläche des Trägers aufweist, die größer ist als die Ausdehnung der Öffnung entlang derselben Richtung; und das Ausbilden einer Festkörper-Elektrolytbatterie über der inneren Oberfläche des Hohlraums.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann das Ausbilden der Festkörper-Elektrolytbatterie 106 das Ausbilden eines Schichtstapels 110 umfassen, wobei der Schichtstapel 110 zumindest eine Kathodenschicht, zumindest eine Anodenschicht und zumindest eine Elektrolytschicht, die zwischen der zumindest einen Kathodenschicht und der zumindest einen Anodenschicht angeordnet ist, umfassen.
Das Ausbilden des Schichtstapels 110 kann ferner das Ausbilden zumindest einer Kathodenstromkollektorschicht, die an die zumindest eine Kathodenschicht angrenzt, und das Ausbilden zumindest einer Anodenstromkollektorschicht, die an die zumindest eine Anodenschicht angrenzt, umfassen.
Das Ausbilden des Schichtstapels 110 kann das Ausbilden einer Dünnfilmbatterie auf Lithiumionenbasis umfassen.
Das Ausbilden der Batterie 106 kann das Ausbilden einer Dünnfilmbatterie auf Lithiumionenbasis umfassen, z. B. durch Ausbilden der geeigneten Kathodenschicht, Anodenschicht und Elektrolytschicht. Die Batterie 106 kann als Dünnfilmbatterie auf Lithiumionenbasis konfiguriert sein, z. B. durch die Auswahl einer geeigneten Kathodenschicht, Anodenschicht und Elektrolytschicht.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann eine integrierte Schaltkreisstruktur 100 umfassen: einen elektronischen Schaltkreis 104, der auf einer Oberfläche 102a eines Trägers 102 angeordnet ist; eine Festkörper-Elektrolytbatterie 106, die zumindest teilweise innerhalb des Trägers 102 angeordnet ist, wobei zumindest der Teil der Festkörper-Elektrolytbatterie, der innerhalb des Trägers 102 angeordnet ist, seitlich mit dem elektronischen Schaltkreis 104 überlappt.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann eine integrierte Schaltkreisstruktur 100 umfassen: einen elektronischen Schaltkreis 104, der auf einer Oberfläche 102a eines Trägers 102 angeordnet ist; eine Festkörper-Elektrolytbatterie 106, die zumindest teilweise innerhalb des Trägers 102 angeordnet ist, wobei zumindest ein erster Teil der Festkörper-Elektrolytbatterie seitlich mit dem elektronischen Schaltkreis 104 überlappt, wobei der erste Teil innerhalb des Trägers 102 angeordnet ist.
Die Festkörper-Elektrolytbatterie kann innerhalb eines Hohlraums 108 ausgebildet sein, der im Träger 102 bereitgestellt ist.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann der Hohlraum 108 zumindest eine Hohlraumöffnung 108o an der Oberfläche 102a des Trägers 102 umfassen, wobei der Hohlraum 108 seitlich mit dem elektronischen Schaltkreis 104 überlappen kann. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Festkörper-Elektrolytbatterie 106 mit zumindest einem Teil des elektronischen Schaltkreises 104 elektrisch gekoppelt sein. Die integrierte Schaltkreisstruktur kann ferner umfassen: eine elektrisch isolierende Schicht, die zwischen zumindest dem Träger und der Festkörper-Elektrolytbatterie angeordnet ist.
Die integrierte Schaltkreisstruktur kann eine Batterie und zumindest eines aus einem oder mehreren integrierten Schaltkreisen, einem oder mehreren Speicherchip, einem oder mehreren Sensoren und dergleichen umfassen.
Die Erfindung wurde zwar unter Bezugnahme auf spezifische Ausführungsformen genauer gezeigt und beschrieben, Fachleute auf dem Gebiet der Erfindung werden jedoch erkennen, dass verschiedene Veränderungen an der Form und an Details vorgenommen werden können, ohne vom Geist und Schutzumfang der Erfindung, wie sie in den beiliegenden Ansprüchen definiert sind, abzuweichen. Der Schutzumfang der Erfindung ist somit durch die beiliegenden Ansprüche gegeben, und es ist vorgesehen, dass daher alle Änderungen, die der Bedeutung und dem Äquivalenzbereich der Ansprüche entsprechen, eingeschlossen sind.

Claims

Integrierte Schaltkreisstruktur (100), aufweisend: einen elektronischen Schaltkreis (104), der auf einer Oberfläche (102a) eines Trägers (102) angeordnet ist; und eine Festkörper-Elektrolytbatterie (106), die zumindest teilweise innerhalb des Trägers (102) angeordnet ist, wobei zumindest ein Teil (107) der Festkörper-Elektrolytbatterie (106), der innerhalb des Trägers (102) angeordnet ist, mit dem elektronischen Schaltkreis (104) entlang einer Richtung parallel zur Oberfläche (102a) des Trägers (102) überlappt.
Integrierte Schaltkreisstruktur (100) nach Anspruch 1, wobei die Festkörper-Elektrolytbatterie (106) innerhalb eines Hohlraums ausgebildet ist, der im Träger (102) bereitgestellt ist; wobei vorzugsweise der Hohlraum zumindest eine Hohlraumöffnung an der Oberfläche (102a) des Trägers (102) aufweist, wobei der Hohlraum mit dem elektronischen Schaltkreis (104) entlang einer Richtung parallel zur Oberfläche (102a) des Trägers (102) überlappt.
Integrierte Schaltkreisstruktur (100) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Festkörper-Elektrolytbatterie (106) mit zumindest einem Teil des elektronischen Schaltkreises (104) elektrisch gekoppelt ist.
Integrierte Schaltkreisstruktur (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Festkörper-Elektrolytbatterie (106) einen Schichtstapel aufweist, der zumindest eine Kathodenschicht, zumindest eine Anodenschicht und zumindest eine Elektrolytschicht, die zwischen der zumindest einen Kathodenschicht und der zumindest einen Anodenschicht angeordnet ist, aufweist; wobei vorzugsweise der Schichtstapel ferner eine Anodenstromkollektorschicht, die an die zumindest eine Anodenschicht angrenzt, und eine Kathodenstromkollektorschicht, die an die zumindest eine Kathodenschicht angrenzt, aufweist.
Integrierte Schaltkreisstruktur (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, ferner aufweisend: eine elektrisch isolierende Schicht, die zwischen zumindest dem Träger (102) und der Festkörper-Elektrolytbatterie (106) angeordnet ist.
Integrierte Schaltkreisstruktur (100) nach Anspruch 4 oder 5, wobei der Schichtstapel konturgetreu über der inneren Oberfläche des Hohlraums angeordnet ist.
Batteriestruktur, aufweisend: zumindest einen Hohlraum, der innerhalb eines Trägers (102) angeordnet ist, wobei der Hohlraum eine Hohlraumöffnung an einer Oberfläche (102a) des Trägers (102) aufweist, wobei zumindest ein Teil des Hohlraums eine Ausdehnung entlang einer Richtung parallel zur Oberfläche (102a) des Trägers (102) aufweist, die größer ist als die Ausdehnung der Hohlraumöffnung entlang derselben Richtung; und eine Festkörper-Elektrolytbatterie (106), die zumindest teilweise innerhalb des Hohlraums angeordnet ist.
Batteriestruktur nach Anspruch 7, wobei die Festkörper-Elektrolytbatterie (106) einen Schichtstapel aufweist, der zumindest eine Kathodenschicht, zumindest eine Anodenschicht und zumindest eine Elektrolytschicht, die zwischen der zumindest einen Kathodenschicht und der zumindest einen Anodenschicht angeordnet ist, aufweist.
Batteriestruktur nach Anspruch 8, wobei der Schichtstapel ferner eine Anodenstromkollektorschicht, die an die zumindest eine Anodenschicht angrenzt, und eine Kathodenstromkollektorschicht, die an die zumindest eine Kathodenschicht angrenzt, aufweist.
Batteriestruktur nach Anspruch 8 oder 9, wobei der Schichtstapel ferner zumindest eine dielektrische Schicht aufweist, die zwischen dem Träger (102) und der Festkörper-Elektrolytbatterie (106) angeordnet ist.
Batteriestruktur nach einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei der Schichtstapel konturgetreu über der inneren Oberfläche des Hohlraums angeordnet ist.
Integrierte Schaltkreisstruktur (100), aufweisend: einen elektronischen Schaltkreis (104), der auf einer Oberfläche (102a) eines Trägers (102) angeordnet ist; und eine Festkörper-Elektrolytbatterie (106), die zumindest teilweise innerhalb des Trägers (102) angeordnet ist, wobei zumindest ein Teil (107) der Festkörper-Elektrolytbatterie (106), der innerhalb des Trägers (102) angeordnet ist, seitlich mit dem elektronischen Schaltkreis (104) überlappt.
Integrierte Schaltkreisstruktur (100) nach Anspruch 12, wobei die Festkörper-Elektrolytbatterie (106) innerhalb eines Hohlraums ausgebildet ist, der im Träger (102) bereitgestellt ist; wobei vorzugsweise der Hohlraum zumindest eine Hohlraumöffnung an der Oberfläche (102a) des Trägers (102) aufweist, wobei der Hohlraum seitlich mit dem elektronischen Schaltkreis (104) überlappt.
Integrierte Schaltkreisstruktur (100) nach einem der Ansprüche 12 oder 13, wobei die Festkörper-Elektrolytbatterie (106) mit zumindest einem Teil des elektronischen Schaltkreises (104) elektrisch gekoppelt ist.
Integrierte Schaltkreisstruktur (100) nach einem der Ansprüche 12 bis 14, wobei die Festkörper-Elektrolytbatterie (106) einen Schichtstapel aufweist, der zumindest eine Kathodenschicht, zumindest eine Anodenschicht und zumindest eine Elektrolytschicht, die zwischen der zumindest einen Kathodenschicht und der zumindest einen Anodenschicht angeordnet ist, aufweist; wobei vorzugsweise der Schichtstapel ferner eine Anodenstromkollektorschicht, die an die zumindest eine Anodenschicht angrenzt, und eine Kathodenstromkollektorschicht, die an die zumindest eine Kathodenschicht angrenzt, aufweist.
Integrierte Schaltkreisstruktur (100) nach einem der Ansprüche 12 bis 15, ferner aufweisend: eine elektrisch isolierende Schicht, die zwischen zumindest dem Träger (102) und der Festkörper-Elektrolytbatterie (106) angeordnet ist.