JP2003046077A - 半導体装置 - Google Patents
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- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
- Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
- Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product
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- Wire Bonding (AREA)
- Secondary Cells (AREA)
- Battery Electrode And Active Subsutance (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【課題】 球状半導体素子に外部電源に頼ることなく作
動できる自立機能を持たせ、球状半導体素子の有する優
れた機能を発揮させる。 【解決手段】 球状半導体素子をシェル構造とし、その
球状半導体素子のコア部分に電源としての電気化学素子
を形成して半導体装置を構成する。上記半導体装置は、
例えば、球状半導体素子を多結晶シリコン層と、その上
に形成された半導体集積回路、保護層、厚いシリコン酸
化膜などで構成し、電気化学素子をシリコン−リチウム
合金からなる負極と窒化リチウムを主体とする化合物か
らなる電解質層とイオウ化合物（Ｓx ）を活物質とする
正極とで構成するか、または球状半導体素子を薄いシリ
コン酸化膜と、その上に形成された多結晶シリコン層、
半導体集積回路、保護層、厚いシリコン酸化膜などで構
成し、電気化学素子をリチウムの析出膜からなる負極と
固体のポリマー電解質からなる電解質層と酸化チタンを
主体とする正極とで構成する。
動できる自立機能を持たせ、球状半導体素子の有する優
れた機能を発揮させる。 【解決手段】 球状半導体素子をシェル構造とし、その
球状半導体素子のコア部分に電源としての電気化学素子
を形成して半導体装置を構成する。上記半導体装置は、
例えば、球状半導体素子を多結晶シリコン層と、その上
に形成された半導体集積回路、保護層、厚いシリコン酸
化膜などで構成し、電気化学素子をシリコン−リチウム
合金からなる負極と窒化リチウムを主体とする化合物か
らなる電解質層とイオウ化合物（Ｓx ）を活物質とする
正極とで構成するか、または球状半導体素子を薄いシリ
コン酸化膜と、その上に形成された多結晶シリコン層、
半導体集積回路、保護層、厚いシリコン酸化膜などで構
成し、電気化学素子をリチウムの析出膜からなる負極と
固体のポリマー電解質からなる電解質層と酸化チタンを
主体とする正極とで構成する。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体装置に関
し、さらに詳しくは、球状半導体素子の内部に電源とし
て電池やキャパシタなどの電気化学素子を形成して構成
した半導体装置に関する。
し、さらに詳しくは、球状半導体素子の内部に電源とし
て電池やキャパシタなどの電気化学素子を形成して構成
した半導体装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】近年、シリコンウェハ上に集積回路を形
成する、これまでの半導体デバイスに代えて球状シリコ
ンの表面に回路を形成した球状半導体素子が開発されて
いる。この球状半導体素子はその表面に１つ以上の電極
を有し、種々の機能を持つ球状半導体素子を組み合わせ
ることにより、多様な機能を持つ半導体装置を実現する
ことができる。
成する、これまでの半導体デバイスに代えて球状シリコ
ンの表面に回路を形成した球状半導体素子が開発されて
いる。この球状半導体素子はその表面に１つ以上の電極
を有し、種々の機能を持つ球状半導体素子を組み合わせ
ることにより、多様な機能を持つ半導体装置を実現する
ことができる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記球
状半導体素子は、それ自体では機能することができず、
外部回路などと電気信号をやり取りするために外部と電
気的に接続する入出力手段が必要である。また、電源が
遮断されたときのメモリーバックアップ機能やリアルタ
イムクロック機能を外部電源に頼っている。
状半導体素子は、それ自体では機能することができず、
外部回路などと電気信号をやり取りするために外部と電
気的に接続する入出力手段が必要である。また、電源が
遮断されたときのメモリーバックアップ機能やリアルタ
イムクロック機能を外部電源に頼っている。
【０００４】このように球状半導体素子自体は、優れた
機能を有しながら、これまではその実装レベルで優れた
機能を生かすことができなかった。
機能を有しながら、これまではその実装レベルで優れた
機能を生かすことができなかった。
【０００５】本発明は、上記のような従来技術の問題点
を解決し、球状半導体素子の有する優れた機能を発揮さ
せることができる半導体装置を提供することを目的とす
る。
を解決し、球状半導体素子の有する優れた機能を発揮さ
せることができる半導体装置を提供することを目的とす
る。
【０００６】
【課題を解決するための手段】本発明は、球状半導体素
子をシェル構造とし、その球状半導体素子のコア部分に
電源としての電気化学素子を形成して半導体装置を構成
することにより、前記課題を解決したものである。
子をシェル構造とし、その球状半導体素子のコア部分に
電源としての電気化学素子を形成して半導体装置を構成
することにより、前記課題を解決したものである。
【０００７】また、本発明の半導体装置においては、前
記電気化学素子が電池であること、その電池の負極がエ
ネルギー密度の大きい金属リチウムまたはリチウム合金
またはリチウムイオンを含有する炭素材料を主材として
構成されていること、電池の電解質が固体電解質であっ
て電池が液体を含まないこと、球状半導体素子の内部の
シリコン面にリチウムとの合金相を形成し、シリコン−
リチウム合金として電池の負極機能を持たせたことを好
ましい形態とする。
記電気化学素子が電池であること、その電池の負極がエ
ネルギー密度の大きい金属リチウムまたはリチウム合金
またはリチウムイオンを含有する炭素材料を主材として
構成されていること、電池の電解質が固体電解質であっ
て電池が液体を含まないこと、球状半導体素子の内部の
シリコン面にリチウムとの合金相を形成し、シリコン−
リチウム合金として電池の負極機能を持たせたことを好
ましい形態とする。
【０００８】さらに、本発明の半導体装置においては、
球状半導体素子の表面に電源接続用の端子となるバンプ
を形成し、そのバンプと内部の電気化学素子の端子をリ
ードで接続することにより球状半導体素子とその内部の
電源とを接続して半導体装置を機能できるようにするこ
と、球状半導体素子内部の電気化学素子が充放電機能を
有する二次電池やキャパシタなどの場合、充電終了時検
出や残存容量検出などの充放電制御回路が必要となる
が、表面の球状半導体素子の半導体集積回路内にそのよ
うな充放電制御回路を形成すること、球状半導体素子と
その内部の電源との接続により球状半導体素子の表面に
形成された電極がそのバンプを介して、セラミックス基
板、フィルムキャリア、シリコン基板、プリント回路基
板、リードフレーム、半導体チップまたは他の球状半導
体素子のいずれかまたは２以上の電極と接続されるこ
と、球状半導体素子や回路接続部や電池の端子などを含
む半導体装置の周囲が封止材料で被覆されていることを
好ましい形態とする。
球状半導体素子の表面に電源接続用の端子となるバンプ
を形成し、そのバンプと内部の電気化学素子の端子をリ
ードで接続することにより球状半導体素子とその内部の
電源とを接続して半導体装置を機能できるようにするこ
と、球状半導体素子内部の電気化学素子が充放電機能を
有する二次電池やキャパシタなどの場合、充電終了時検
出や残存容量検出などの充放電制御回路が必要となる
が、表面の球状半導体素子の半導体集積回路内にそのよ
うな充放電制御回路を形成すること、球状半導体素子と
その内部の電源との接続により球状半導体素子の表面に
形成された電極がそのバンプを介して、セラミックス基
板、フィルムキャリア、シリコン基板、プリント回路基
板、リードフレーム、半導体チップまたは他の球状半導
体素子のいずれかまたは２以上の電極と接続されるこ
と、球状半導体素子や回路接続部や電池の端子などを含
む半導体装置の周囲が封止材料で被覆されていることを
好ましい形態とする。
【０００９】
【発明の実施の形態】つぎに、図面に基づき本発明の半
導体装置の好適な実施形態を説明する。 実施例１ 図１は本発明の半導体装置の一実施例を示す断面図であ
る。この実施例１の半導体装置では、図１に示すよう
に、球状半導体素子１をシェル構造にし、そのコア部分
（つまり、内部の空洞に当たる部分）に電気化学素子２
が形成されている。なお、この実施例１では、半導体装
置の電源としての電気化学素子として電池を形成した場
合について示す。
導体装置の好適な実施形態を説明する。 実施例１ 図１は本発明の半導体装置の一実施例を示す断面図であ
る。この実施例１の半導体装置では、図１に示すよう
に、球状半導体素子１をシェル構造にし、そのコア部分
（つまり、内部の空洞に当たる部分）に電気化学素子２
が形成されている。なお、この実施例１では、半導体装
置の電源としての電気化学素子として電池を形成した場
合について示す。
【００１０】この半導体装置の製造工程を以下に説明す
る。まず、図４〜図１１にシェル構造の球状半導体素子
の製造方法を模式的に示す。ただし、図面はいずれも模
式的に示すものであり、断面図においても、繁雑化を避
けるため、切断面のみを示し、切断面より背面側の輪郭
線などは省略している。
る。まず、図４〜図１１にシェル構造の球状半導体素子
の製造方法を模式的に示す。ただし、図面はいずれも模
式的に示すものであり、断面図においても、繁雑化を避
けるため、切断面のみを示し、切断面より背面側の輪郭
線などは省略している。
【００１１】まず、図４に示すように、球状のシリコン
結晶からなるコア２１の表面に薄いシリコン酸化膜２２
を形成し、その上にさらに多結晶シリコンを堆積させ
る。この多結晶シリコン層２３が球状半導体素子のシェ
ルを構成する主材となる。この一例を示すと、厚さが
０．１μｍの薄いシリコン酸化膜２２と厚さが１００μ
ｍの多結晶シリコン層２３を形成した。この厚さが１０
０μｍの多結晶シリコン層２３はシェルとして構造的に
充分な強度を有している。
結晶からなるコア２１の表面に薄いシリコン酸化膜２２
を形成し、その上にさらに多結晶シリコンを堆積させ
る。この多結晶シリコン層２３が球状半導体素子のシェ
ルを構成する主材となる。この一例を示すと、厚さが
０．１μｍの薄いシリコン酸化膜２２と厚さが１００μ
ｍの多結晶シリコン層２３を形成した。この厚さが１０
０μｍの多結晶シリコン層２３はシェルとして構造的に
充分な強度を有している。
【００１２】上記多結晶シリコン層２３は、図５に示す
ような半導体集積回路２４を形成する上での基板となる
が、そのまま半導体集積回路２４を形成するための基板
とする以外に、あらかじめ単結晶化して、そのキャリア
移動度などを向上させてから、半導体集積回路２４を形
成するための基板とすることもできる。すなわち、多結
晶シリコン層２３を形成する前に、前記薄いシリコン酸
化膜２１の一部にフォトレジスト膜形成工程、露光工
程、パターン現像工程、エッチング工程などを経て図６
に示すように薄いシリコン酸化膜２２の一部を除去して
あらかじめ貫通孔２６ａを形成し（ただし、図６は図５
と同様に多結晶シリコン層２３などを形成した後の状態
を示している）、多結晶シリコンを堆積後にレーザーあ
るいは熱処理炉を用いて熱処理を行うことにより、貫通
孔２６ａのところで露出したコア２１のシリコン結晶を
成長核とした多結晶シリコン層２３の単結晶化を行うこ
とができる。このような単結晶化を行うことにより、シ
ェルの主構成材料となる多結晶シリコン層２３のキャリ
ア移動度を向上させることができる。
ような半導体集積回路２４を形成する上での基板となる
が、そのまま半導体集積回路２４を形成するための基板
とする以外に、あらかじめ単結晶化して、そのキャリア
移動度などを向上させてから、半導体集積回路２４を形
成するための基板とすることもできる。すなわち、多結
晶シリコン層２３を形成する前に、前記薄いシリコン酸
化膜２１の一部にフォトレジスト膜形成工程、露光工
程、パターン現像工程、エッチング工程などを経て図６
に示すように薄いシリコン酸化膜２２の一部を除去して
あらかじめ貫通孔２６ａを形成し（ただし、図６は図５
と同様に多結晶シリコン層２３などを形成した後の状態
を示している）、多結晶シリコンを堆積後にレーザーあ
るいは熱処理炉を用いて熱処理を行うことにより、貫通
孔２６ａのところで露出したコア２１のシリコン結晶を
成長核とした多結晶シリコン層２３の単結晶化を行うこ
とができる。このような単結晶化を行うことにより、シ
ェルの主構成材料となる多結晶シリコン層２３のキャリ
ア移動度を向上させることができる。
【００１３】そして、電気化学素子を形成するための空
洞を形成する以前に、複数の工程を経て球状シリコン結
晶材料の表面（多結晶シリコン層２３または単結晶化し
た多結晶シリコン層２３の表面）に、図５または図６に
示すように半導体集積回路２４とその保護層２５とを形
成する。この工程は、シリコン結晶材料の表面の清浄工
程、シリコン酸化膜形成工程、フォトレジスト膜形成工
程、球面露光によるフォトリソグラフィ工程、パターン
現像工程、エッチング工程などを主工程として含んでい
る。上記保護層２５は、主として、シリコン酸化膜、シ
リコン窒化膜、金属配線などで構成されている。その一
例を示すと、シリコン酸化膜は厚さが１μｍで、金属配
線はアルミニウムを用いて行われ、その厚さは０．５μ
ｍである。なお、図面はいずれも模式的に示したもので
あり、保護層２５も均一な厚みを持ったものとして図示
されているが、上記例示からも明らかなように、例え
ば、シリコン酸化膜で構成されている部分と金属配線で
構成されている部分とでは厚みが異なっていて、実際に
は均一な厚みのものではない。
洞を形成する以前に、複数の工程を経て球状シリコン結
晶材料の表面（多結晶シリコン層２３または単結晶化し
た多結晶シリコン層２３の表面）に、図５または図６に
示すように半導体集積回路２４とその保護層２５とを形
成する。この工程は、シリコン結晶材料の表面の清浄工
程、シリコン酸化膜形成工程、フォトレジスト膜形成工
程、球面露光によるフォトリソグラフィ工程、パターン
現像工程、エッチング工程などを主工程として含んでい
る。上記保護層２５は、主として、シリコン酸化膜、シ
リコン窒化膜、金属配線などで構成されている。その一
例を示すと、シリコン酸化膜は厚さが１μｍで、金属配
線はアルミニウムを用いて行われ、その厚さは０．５μ
ｍである。なお、図面はいずれも模式的に示したもので
あり、保護層２５も均一な厚みを持ったものとして図示
されているが、上記例示からも明らかなように、例え
ば、シリコン酸化膜で構成されている部分と金属配線で
構成されている部分とでは厚みが異なっていて、実際に
は均一な厚みのものではない。
【００１４】上記のように半導体集積回路２４やその保
護層２５を形成した球状シリコン結晶材料の内部に、フ
ォトレジスト膜形成工程、パターン現像工程、エッチン
グ工程などを主工程として含む工程を経て、電気化学素
子を形成するための空洞を形成する。まず、図７に示す
ように、表面を保護している保護層２５の一部と多結晶
シリコン層２３の一部をフォトレジスト膜形成工程、露
光工程、パターン現像工程、エッチング工程を経て除去
して開口部２６を形成する。その際に薄いシリコン酸化
膜２２がエッチングの停止膜となる。次に、露出した多
結晶シリコン層２３の側壁を図８に示すように厚いシリ
コン酸化膜２７で保護する。その後にその厚いシリコン
酸化膜２７の一部と薄いシリコン酸化膜２２の一部を図
９に示すように除去して貫通孔２６ａを形成し、その貫
通孔２６ａを利用して、コア２１のシリコン結晶をすべ
てエッチングして図１０に示すように空洞２８を形成す
る。この空洞２８を形成するためのエッチングとして
は、二フッ化ゼノン（ＸｅＦ 2 ）の減圧気相エッチング
を採用した。二フッ化ゼノンはシリコン以外の材料をほ
とんどエッチングしないのに加え、シェルを構成する多
結晶シリコン層２３の表面は厚いシリコン酸化膜２７な
どで覆われ、空洞２８内は薄いシリコン酸化膜２２に覆
われているので、多結晶シリコン層２３によるシェル構
造とその上に形成された半導体集積回路２４を破壊する
ことなく大きな空洞を形成することができる。最後に図
１１に示すように空洞２８内の薄いシリコン酸化膜２２
を除去することにより、電気化学素子を形成する準備が
整う。
護層２５を形成した球状シリコン結晶材料の内部に、フ
ォトレジスト膜形成工程、パターン現像工程、エッチン
グ工程などを主工程として含む工程を経て、電気化学素
子を形成するための空洞を形成する。まず、図７に示す
ように、表面を保護している保護層２５の一部と多結晶
シリコン層２３の一部をフォトレジスト膜形成工程、露
光工程、パターン現像工程、エッチング工程を経て除去
して開口部２６を形成する。その際に薄いシリコン酸化
膜２２がエッチングの停止膜となる。次に、露出した多
結晶シリコン層２３の側壁を図８に示すように厚いシリ
コン酸化膜２７で保護する。その後にその厚いシリコン
酸化膜２７の一部と薄いシリコン酸化膜２２の一部を図
９に示すように除去して貫通孔２６ａを形成し、その貫
通孔２６ａを利用して、コア２１のシリコン結晶をすべ
てエッチングして図１０に示すように空洞２８を形成す
る。この空洞２８を形成するためのエッチングとして
は、二フッ化ゼノン（ＸｅＦ 2 ）の減圧気相エッチング
を採用した。二フッ化ゼノンはシリコン以外の材料をほ
とんどエッチングしないのに加え、シェルを構成する多
結晶シリコン層２３の表面は厚いシリコン酸化膜２７な
どで覆われ、空洞２８内は薄いシリコン酸化膜２２に覆
われているので、多結晶シリコン層２３によるシェル構
造とその上に形成された半導体集積回路２４を破壊する
ことなく大きな空洞を形成することができる。最後に図
１１に示すように空洞２８内の薄いシリコン酸化膜２２
を除去することにより、電気化学素子を形成する準備が
整う。
【００１５】このように準備した球状半導体素子の内部
の空洞２８、すなわち、シェル構造の球状半導体素子の
コア部分に電池を電気化学素子として形成する第１の例
について以下に説明するが、この第１の例では、多結晶
シリコン層２３の内部側のシリコン結晶表面にリチウム
を析出させてシリコン−リチウム合金を形成して負極と
することから、その負極との電気的接続は球状半導体素
子の内部から取るので、図４〜図１１では開口部２６や
貫通孔２６ａは２箇所ずつ設けたものを図示している
が、この実施例１では、１箇所だけでよく、したがっ
て、電気化学素子形成後の半導体装置は図１に示す構造
のものとなる。
の空洞２８、すなわち、シェル構造の球状半導体素子の
コア部分に電池を電気化学素子として形成する第１の例
について以下に説明するが、この第１の例では、多結晶
シリコン層２３の内部側のシリコン結晶表面にリチウム
を析出させてシリコン−リチウム合金を形成して負極と
することから、その負極との電気的接続は球状半導体素
子の内部から取るので、図４〜図１１では開口部２６や
貫通孔２６ａは２箇所ずつ設けたものを図示している
が、この実施例１では、１箇所だけでよく、したがっ
て、電気化学素子形成後の半導体装置は図１に示す構造
のものとなる。
【００１６】この実施例１における電気化学素子の形成
について説明すると、上記のように空洞２８が形成され
た球状半導体素子１を、−４０℃の液体アンモニアに金
属リチウムを溶解して調製したリチウムのアンモニア溶
液に浸漬し、減圧含浸法によってリチウムのアンモニア
溶液を充填し、ついで球状半導体素子１をリチウムのア
ンモニア溶液中から取り出し、室温にゆっくりと戻すこ
とでアンモニアを揮発除去することによって、リチウム
を析出させた。このリチウムの析出膜の膜厚は１５０μ
ｍであった。続いて、それを０．２ＭＰａのＮ2 ガスの
雰囲気にさらすことで上記リチウムの析出膜の表面から
厚さ５０μｍの部分を窒化リチウムを主体とする化合物
に変化させた。
について説明すると、上記のように空洞２８が形成され
た球状半導体素子１を、−４０℃の液体アンモニアに金
属リチウムを溶解して調製したリチウムのアンモニア溶
液に浸漬し、減圧含浸法によってリチウムのアンモニア
溶液を充填し、ついで球状半導体素子１をリチウムのア
ンモニア溶液中から取り出し、室温にゆっくりと戻すこ
とでアンモニアを揮発除去することによって、リチウム
を析出させた。このリチウムの析出膜の膜厚は１５０μ
ｍであった。続いて、それを０．２ＭＰａのＮ2 ガスの
雰囲気にさらすことで上記リチウムの析出膜の表面から
厚さ５０μｍの部分を窒化リチウムを主体とする化合物
に変化させた。
【００１７】上記リチウムの析出膜の多結晶シリコン層
２３と接触する側では、リチウムとシリコンとの反応に
よりシリコン−リチウム合金が形成され、このシリコン
−リチウム合金が負極としての機能を有していて、その
シリコン−リチウム合金が図１に示すように球状半導体
素子１のコア部分に負極２ａを構成することになる。そ
して、上記のＮ2 ガスとの接触により形成された窒化リ
チウムはリチウムイオン伝導体として固体電解質として
の機能を有するので、それが電解質層２ｂを構成するこ
とになる。続いて、その内部に残る空洞部分に、イオウ
化合物（Ｓx ）と導電助剤のアセチレンブラックとを
１：１の重量比で混合し、ポリフッ化ビニリデンのＮ−
メチル−２−ピロリドン溶液を混合することによって流
動性のあるぺーストとしたものを減圧含浸法で充填し、
その後、１００℃の真空処理を行い、Ｎ−メチル−２−
ピロリドンを揮発除去して球状半導体素子１の内部に正
極２ｃを形成した。そして、そのようにして形成した電
気化学素子の活物質の封止と電気取り出しを兼ねてピン
をその一方の端部が前記正極２ｃに達するように挿し込
んで端子３とし、電気化学素子の封止と端子３の補強と
絶縁を兼ねて樹脂材料２９で固定し、上記端子３と球状
半導体素子１の表面に形成されたバンプ４のうちの一つ
をリード５で接続することにより、シェル構造の球状半
導体素子１の半導体集積回路２４と上記球状半導体素子
１の内部のコア部分に形成された電源としての電気化学
素子２とが電気的に接続され、図１に示す構造の半導体
装置が構成され、この半導体装置がそれ自体で機能する
ことができるようになる。
２３と接触する側では、リチウムとシリコンとの反応に
よりシリコン−リチウム合金が形成され、このシリコン
−リチウム合金が負極としての機能を有していて、その
シリコン−リチウム合金が図１に示すように球状半導体
素子１のコア部分に負極２ａを構成することになる。そ
して、上記のＮ2 ガスとの接触により形成された窒化リ
チウムはリチウムイオン伝導体として固体電解質として
の機能を有するので、それが電解質層２ｂを構成するこ
とになる。続いて、その内部に残る空洞部分に、イオウ
化合物（Ｓx ）と導電助剤のアセチレンブラックとを
１：１の重量比で混合し、ポリフッ化ビニリデンのＮ−
メチル−２−ピロリドン溶液を混合することによって流
動性のあるぺーストとしたものを減圧含浸法で充填し、
その後、１００℃の真空処理を行い、Ｎ−メチル−２−
ピロリドンを揮発除去して球状半導体素子１の内部に正
極２ｃを形成した。そして、そのようにして形成した電
気化学素子の活物質の封止と電気取り出しを兼ねてピン
をその一方の端部が前記正極２ｃに達するように挿し込
んで端子３とし、電気化学素子の封止と端子３の補強と
絶縁を兼ねて樹脂材料２９で固定し、上記端子３と球状
半導体素子１の表面に形成されたバンプ４のうちの一つ
をリード５で接続することにより、シェル構造の球状半
導体素子１の半導体集積回路２４と上記球状半導体素子
１の内部のコア部分に形成された電源としての電気化学
素子２とが電気的に接続され、図１に示す構造の半導体
装置が構成され、この半導体装置がそれ自体で機能する
ことができるようになる。
【００１８】ここで、図１に示す半導体装置についてあ
らためて説明すると、この半導体装置はシェル構造の球
状半導体素子１とそのコア部分に電源として形成された
電気化学素子２とを有している。そして、電気化学素子
２はシリコン−リチウム合金からなる負極２ａと窒化リ
チウムを主体とする化合物からなる電解質層２ｂとイオ
ウ化合物（Ｓx ）を活物質とする正極２ｃとで構成され
ている。そして、球状半導体素子１は多結晶シリコン層
２３と、その上に形成された半導体集積回路２４と、そ
の上に形成された保護層２５と、さらにその上に形成さ
れた厚いシリコン酸化膜２７などで構成され、端子３は
ピンで構成され、その一方の端部は電気化学素子２の正
極２ｃに達し、他方の端部には表面の球状半導体素子１
より外部に突出し、文字通り端子部を構成し、その端子
３とバンプ４はリード５で接続されて、半導体装置が構
成されている。なお、端子３とバンプ４とのリード５に
よる接続によって球状半導体素子１の表面に形成された
電極は、例えば、セラミックス基板、フィルムキャリ
ア、シリコン基板、プリント回路基板、リードフレー
ム、半導体チップまたは他の球状半導体素子のいずれか
または２以上の電極と接続するようにしてもよい。
らためて説明すると、この半導体装置はシェル構造の球
状半導体素子１とそのコア部分に電源として形成された
電気化学素子２とを有している。そして、電気化学素子
２はシリコン−リチウム合金からなる負極２ａと窒化リ
チウムを主体とする化合物からなる電解質層２ｂとイオ
ウ化合物（Ｓx ）を活物質とする正極２ｃとで構成され
ている。そして、球状半導体素子１は多結晶シリコン層
２３と、その上に形成された半導体集積回路２４と、そ
の上に形成された保護層２５と、さらにその上に形成さ
れた厚いシリコン酸化膜２７などで構成され、端子３は
ピンで構成され、その一方の端部は電気化学素子２の正
極２ｃに達し、他方の端部には表面の球状半導体素子１
より外部に突出し、文字通り端子部を構成し、その端子
３とバンプ４はリード５で接続されて、半導体装置が構
成されている。なお、端子３とバンプ４とのリード５に
よる接続によって球状半導体素子１の表面に形成された
電極は、例えば、セラミックス基板、フィルムキャリ
ア、シリコン基板、プリント回路基板、リードフレー
ム、半導体チップまたは他の球状半導体素子のいずれか
または２以上の電極と接続するようにしてもよい。
【００１９】ここで、この実施例１の半導体装置をはじ
め本発明の半導体装置を実装するにあたっては、図３に
示すように半導体装置１０の周囲を封止材料１１で被覆
することが好ましい。この封止材料１１としては、樹脂
または樹脂とフィラーを含むモールドコンパウンドなど
の絶縁材料を用いることが好ましい。電気化学素子の構
成材料が外部の水分や酸素により活性を失うことから、
この封止材料１１による被覆が電気化学素子２の外装を
兼ねるとともに、このように封止材料１１により被覆す
ることによって、球状半導体素子１の半導体集積回路２
４の保護を図ることができ、また、半導体装置とプリン
ト回路基板などとの熱膨張係数の差に起因する熱歪みを
有効に抑制することができる。
め本発明の半導体装置を実装するにあたっては、図３に
示すように半導体装置１０の周囲を封止材料１１で被覆
することが好ましい。この封止材料１１としては、樹脂
または樹脂とフィラーを含むモールドコンパウンドなど
の絶縁材料を用いることが好ましい。電気化学素子の構
成材料が外部の水分や酸素により活性を失うことから、
この封止材料１１による被覆が電気化学素子２の外装を
兼ねるとともに、このように封止材料１１により被覆す
ることによって、球状半導体素子１の半導体集積回路２
４の保護を図ることができ、また、半導体装置とプリン
ト回路基板などとの熱膨張係数の差に起因する熱歪みを
有効に抑制することができる。
【００２０】実施例２
この実施例２では、電池を電気化学素子として形成する
場合の第２の例について示す。この実施例２の電気化学
素子形成では、図１０に示すように、多結晶シリコン層
２３の内側に薄いシリコン酸化膜２２を残した状態のも
のを使用する。そして、製造後の半導体装置は図２に示
す通りである。
場合の第２の例について示す。この実施例２の電気化学
素子形成では、図１０に示すように、多結晶シリコン層
２３の内側に薄いシリコン酸化膜２２を残した状態のも
のを使用する。そして、製造後の半導体装置は図２に示
す通りである。
【００２１】この実施例２の半導体装置の製造方法につ
いて以下に説明する。実施例１の場合と同様に図１０に
示す状態に作製した球状半導体素子１に、アセチルアセ
トンチタンの溶液を減圧含浸法により、その内部の空洞
２８に充填し、その後、熱分解処理を施してシリコン酸
化膜２２の内周側のシリコン面上に酸化チタンを主体と
する正極２ｃを形成した。この正極２ｃの厚みは約１０
０μｍであった。その後、トリフルオロメタンスルホン
酸リチウム（ＬｉＣＦ3 ＳＯ3 ）とポリエチレンオキサ
イド（ＰＥＯ）をアセトンに溶解させた溶液を減圧充填
で球状半導体素子１の空洞２８の内部に充填した。減圧
含浸後、トリフルオロメタンスルホン酸リチウムとポリ
エチレンオキサイドとからなる固体のポリマー電解質を
電解質層２ｂとして形成した。この電解質層２ｂの厚み
は約５０μｍであった。
いて以下に説明する。実施例１の場合と同様に図１０に
示す状態に作製した球状半導体素子１に、アセチルアセ
トンチタンの溶液を減圧含浸法により、その内部の空洞
２８に充填し、その後、熱分解処理を施してシリコン酸
化膜２２の内周側のシリコン面上に酸化チタンを主体と
する正極２ｃを形成した。この正極２ｃの厚みは約１０
０μｍであった。その後、トリフルオロメタンスルホン
酸リチウム（ＬｉＣＦ3 ＳＯ3 ）とポリエチレンオキサ
イド（ＰＥＯ）をアセトンに溶解させた溶液を減圧充填
で球状半導体素子１の空洞２８の内部に充填した。減圧
含浸後、トリフルオロメタンスルホン酸リチウムとポリ
エチレンオキサイドとからなる固体のポリマー電解質を
電解質層２ｂとして形成した。この電解質層２ｂの厚み
は約５０μｍであった。
【００２２】ついで、球状半導体素子１の空洞２８内部
の残っている部分にリチウムを溶解した液体アンモニア
溶液を充填し、続いて乾燥することにより球状半導体素
子の空洞の内部にリチウムを析出させて負極２ａとする
ことによって、電気化学素子２を形成した。つまり、こ
の実施例２の半導体装置の電気化学素子２は、実施例１
に示す半導体装置の電気化学素子とは異なり、最内部を
負極２ａとし、その外側に電解質層２ｂ、その外側に正
極２ｃが形成されており、また、正極２ｃを外側に形成
した関係でコア２１の周囲に形成していた薄いシリコン
酸化膜２２を絶縁層として残している。したがって、こ
の電気化学素子２とその周囲の球状半導体素子１とを接
続するためには負極側の端子と正極側の端子とが必要で
あり、そのため、図２において軸部が細く描かれている
ピンをその先端が最内部の負極２ａに達しかつその頭部
に当たる側の端部が球状半導体素子１より外部に突出す
るように挿入して負極側の端子３とし、電気化学素子の
封止と端子３の補強と絶縁を兼ねて樹脂材料２９で固定
し、上記端子３の球状半導体素子１より外部に突出した
部分でバンプ４とリード５で接続して電気的経路が形成
されるようにしている。また、正極側の電気的経路が形
成されるようにするため、図２において軸部が太く描か
れているピンをその先端が正極２ｃに達しかつその頭部
に当たる側の端部が球状半導体素子１より外部に突出す
るように挿入して正極側の端子３とし、負極側と同様に
樹脂材料２９で固定し、上記正極側の端子３の球状半導
体素子１より外部に突出した部分でバンプ４とリード５
で接続して、シェル構造の球状半導体素子１とその内部
に電源として形成された電気化学素子２とを電気的に接
続し、半導体装置が自立して機能できるようにしてい
る。
の残っている部分にリチウムを溶解した液体アンモニア
溶液を充填し、続いて乾燥することにより球状半導体素
子の空洞の内部にリチウムを析出させて負極２ａとする
ことによって、電気化学素子２を形成した。つまり、こ
の実施例２の半導体装置の電気化学素子２は、実施例１
に示す半導体装置の電気化学素子とは異なり、最内部を
負極２ａとし、その外側に電解質層２ｂ、その外側に正
極２ｃが形成されており、また、正極２ｃを外側に形成
した関係でコア２１の周囲に形成していた薄いシリコン
酸化膜２２を絶縁層として残している。したがって、こ
の電気化学素子２とその周囲の球状半導体素子１とを接
続するためには負極側の端子と正極側の端子とが必要で
あり、そのため、図２において軸部が細く描かれている
ピンをその先端が最内部の負極２ａに達しかつその頭部
に当たる側の端部が球状半導体素子１より外部に突出す
るように挿入して負極側の端子３とし、電気化学素子の
封止と端子３の補強と絶縁を兼ねて樹脂材料２９で固定
し、上記端子３の球状半導体素子１より外部に突出した
部分でバンプ４とリード５で接続して電気的経路が形成
されるようにしている。また、正極側の電気的経路が形
成されるようにするため、図２において軸部が太く描か
れているピンをその先端が正極２ｃに達しかつその頭部
に当たる側の端部が球状半導体素子１より外部に突出す
るように挿入して正極側の端子３とし、負極側と同様に
樹脂材料２９で固定し、上記正極側の端子３の球状半導
体素子１より外部に突出した部分でバンプ４とリード５
で接続して、シェル構造の球状半導体素子１とその内部
に電源として形成された電気化学素子２とを電気的に接
続し、半導体装置が自立して機能できるようにしてい
る。
【００２３】ここで、図２に示す半導体装置についてあ
らためて説明すると、この半導体装置もシェル構造の球
状半導体装置１とそのコア部分に電源として形成された
電気化学素子２とを有している。そして、電気化学素子
２はリチウムの析出膜からなる負極２ａと固体のポリマ
ー電解質からなる電解質層２ｂと酸化チタンを主体とす
る正極２ｃとで構成されている。そして、球状半導体素
子１は、薄いシリコン酸化膜２２と、その上に形成され
た多結晶シリコン層２３と、その上に形成された半導体
集積回路２４と、その上に形成された保護層２５と、さ
らにその上に形成された厚いシリコン酸化膜２７などで
構成されている。端子３は負極側と正極側に設けられ、
負極側の端子３は図２において軸部が細く図示されてい
る側のピンで構成され、正極側の端子３は図２において
軸部が大きく図示されている側のピンで構成されてい
る。
らためて説明すると、この半導体装置もシェル構造の球
状半導体装置１とそのコア部分に電源として形成された
電気化学素子２とを有している。そして、電気化学素子
２はリチウムの析出膜からなる負極２ａと固体のポリマ
ー電解質からなる電解質層２ｂと酸化チタンを主体とす
る正極２ｃとで構成されている。そして、球状半導体素
子１は、薄いシリコン酸化膜２２と、その上に形成され
た多結晶シリコン層２３と、その上に形成された半導体
集積回路２４と、その上に形成された保護層２５と、さ
らにその上に形成された厚いシリコン酸化膜２７などで
構成されている。端子３は負極側と正極側に設けられ、
負極側の端子３は図２において軸部が細く図示されてい
る側のピンで構成され、正極側の端子３は図２において
軸部が大きく図示されている側のピンで構成されてい
る。
【００２４】そして、端子３とバンプ４とのリード５に
よる接続によって球状半導体素子１の表面に形成された
電極は、セラミックス基板、フィルムキャリア、シリコ
ン基板、プリント回路基板、リードフレーム、半導体チ
ップまたは他の球状半導体素子のいずれかまたは２以上
の電極と接続するようにしてもよい。そして、実施例１
と同様に封止材料を用いて半導体装置を被覆することに
より信頼性の向上を図るようにすることが好ましい。
よる接続によって球状半導体素子１の表面に形成された
電極は、セラミックス基板、フィルムキャリア、シリコ
ン基板、プリント回路基板、リードフレーム、半導体チ
ップまたは他の球状半導体素子のいずれかまたは２以上
の電極と接続するようにしてもよい。そして、実施例１
と同様に封止材料を用いて半導体装置を被覆することに
より信頼性の向上を図るようにすることが好ましい。
【００２５】上記実施例１〜２の半導体装置の電気化学
素子２はいずれも二次電池であることから、その球状半
導体装置１の半導体集積回路２４には、あらかじめ、そ
の二次電池の制御回路として、充電電流制御、充電終止
検出回路、放電容量積算と開路電圧検出による残量検出
などの機能を付加しておいた。したがって、実施例１〜
２の半導体装置は、信頼度の高い自立機能を有する半導
体装置として作動できる。
素子２はいずれも二次電池であることから、その球状半
導体装置１の半導体集積回路２４には、あらかじめ、そ
の二次電池の制御回路として、充電電流制御、充電終止
検出回路、放電容量積算と開路電圧検出による残量検出
などの機能を付加しておいた。したがって、実施例１〜
２の半導体装置は、信頼度の高い自立機能を有する半導
体装置として作動できる。
【００２６】また、上記の実施例では、電源としての電
気化学素子として二次電池を形成した場合について説明
したが、電気化学素子としては、キャパシタでもよい
し、また、消費電流と半導体素子の要求寿命を鑑みて１
回の使いきりの機能でよければ、一次電池でも電源とし
て充分に機能を果たすことができる。
気化学素子として二次電池を形成した場合について説明
したが、電気化学素子としては、キャパシタでもよい
し、また、消費電流と半導体素子の要求寿命を鑑みて１
回の使いきりの機能でよければ、一次電池でも電源とし
て充分に機能を果たすことができる。
【００２７】さらに、上記実施例では、球状半導体素子
１の内部に空洞を形成し、その内部に電気化学素子２を
形成したが、最近は、非晶質シリコンなどの半導体素子
に回路形成が可能となりつつあるので、まず、電気化学
素子を作製し、その周囲に非晶質シリコン層を化学気相
法（ＣＶＤ）などの気相法によって形成し、その上に半
導体集積回路を形成することも可能である。この場合
は、電気化学素子作製の自由度が大幅に広がる。
１の内部に空洞を形成し、その内部に電気化学素子２を
形成したが、最近は、非晶質シリコンなどの半導体素子
に回路形成が可能となりつつあるので、まず、電気化学
素子を作製し、その周囲に非晶質シリコン層を化学気相
法（ＣＶＤ）などの気相法によって形成し、その上に半
導体集積回路を形成することも可能である。この場合
は、電気化学素子作製の自由度が大幅に広がる。
【００２８】
【発明の効果】以上説明したように、典型的な実施例を
挙げて本発明の半導体装置を説明したが、本発明によれ
ば、上記のように球状半導体素子の内部に電源として機
能する電気化学素子を形成することにより、球状半導体
素子の体積利用効率が大幅に向上するのをはじめ、電気
化学素子の封止を球状半導体素子が受け持つので信頼性
が向上する上に、半導体装置そのものが外部電源に頼る
ことなく作動できる自立機能を有するようになる。ま
た、外部電源に頼ることなく、半導体装置そのものに電
気化学素子によるメモリバックアップ機能やリアルタイ
ムクロック機能をもたせることもできる。
挙げて本発明の半導体装置を説明したが、本発明によれ
ば、上記のように球状半導体素子の内部に電源として機
能する電気化学素子を形成することにより、球状半導体
素子の体積利用効率が大幅に向上するのをはじめ、電気
化学素子の封止を球状半導体素子が受け持つので信頼性
が向上する上に、半導体装置そのものが外部電源に頼る
ことなく作動できる自立機能を有するようになる。ま
た、外部電源に頼ることなく、半導体装置そのものに電
気化学素子によるメモリバックアップ機能やリアルタイ
ムクロック機能をもたせることもできる。
【図１】本発明の半導体装置の一実施例を模式的に示す
断面図である。
断面図である。
【図２】本発明の半導体装置の他の実施例を模式的に示
す断面図である。
す断面図である。
【図３】図１に示す半導体装置を封止材料で被覆後の状
態を模式的に示す図である。
態を模式的に示す図である。
【図４】本発明の半導体装置の製造にあたり、その球状
半導体素子の内部に空洞を形成する工程の一つの段階を
模式的に示す断面図である。
半導体素子の内部に空洞を形成する工程の一つの段階を
模式的に示す断面図である。
【図５】本発明の半導体装置の製造にあたり、その球状
半導体素子の内部に空洞を形成する工程の一つの段階を
模式的に示す断面図である。
半導体素子の内部に空洞を形成する工程の一つの段階を
模式的に示す断面図である。
【図６】本発明の半導体装置の製造にあたり、その球状
半導体素子の内部に空洞を形成する工程の一つの段階を
模式的に示す断面図である。
半導体素子の内部に空洞を形成する工程の一つの段階を
模式的に示す断面図である。
【図７】本発明の半導体装置の製造にあたり、その球状
半導体素子の内部に空洞を形成する工程の一つの段階を
模式的に示す断面図である。
半導体素子の内部に空洞を形成する工程の一つの段階を
模式的に示す断面図である。
【図８】本発明の半導体装置の製造にあたり、その球状
半導体素子の内部に空洞を形成する工程の一つの段階を
模式的に示す断面図である。
半導体素子の内部に空洞を形成する工程の一つの段階を
模式的に示す断面図である。
【図９】本発明の半導体装置の製造にあたり、その球状
半導体素子の内部に空洞を形成する工程の一つの段階を
模式的に示す断面図である。
半導体素子の内部に空洞を形成する工程の一つの段階を
模式的に示す断面図である。
【図１０】本発明の半導体装置の製造にあたり、その球
状半導体素子の内部に空洞を形成した状態を模式的に示
す断面図である。
状半導体素子の内部に空洞を形成した状態を模式的に示
す断面図である。
【図１１】本発明の半導体装置の製造にあたり、その球
状半導体素子の内部に空洞を形成し、最内層の薄いシリ
コン酸化膜を除去した状態を模式的に示す断面図であ
る。
状半導体素子の内部に空洞を形成し、最内層の薄いシリ
コン酸化膜を除去した状態を模式的に示す断面図であ
る。
１ 球状半導体素子
２ 電気化学素子
２ａ 負極
２ｂ 電解質層
２ｃ 正極
３ 端子
４ バンプ
５ リード
１０ 半導体装置
１１ 封止材料
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考）
Ｈ０１Ｍ 10/40 Ｈ０１Ｍ 10/40 Ｂ
(72)発明者 長井 龍
大阪府茨木市丑寅一丁目１番88号 日立マ
クセル株式会社内
(72)発明者 竹田 宣生
アメリカ合衆国テキサス州ダラス市センチ
ュリー・パークウェイ415 ボールセミコ
ンダクター インコーポレーテッド
Ｆターム(参考） 5F044 KK01 KK16 LL01 QQ02 QQ03
QQ04 RR18
5H029 AK05 AL12 AM16 BJ04 BJ13
CJ24 DJ06 EJ12
5H050 BA17 CA11 CB12 FA18 GA24
Claims (9)
- 【請求項１】 半導体素子と電源とを有する半導体装置
であって、前記半導体素子がシェル構造の球状半導体素
子であり、前記球状半導体素子のコア部分に電源として
電気化学素子を形成したことを特徴とする半導体装置。 - 【請求項２】 前記半導体装置の電源としての電気化学
素子が電池であることを特徴とする請求項１記載の半導
体装置。 - 【請求項３】 電池の負極が、金属リチウム、リチウム
合金またはリチウムイオンを含有した炭素材料を主材と
して構成されていることを特徴とする請求項２記載の半
導体装置。 - 【請求項４】 電池の電解質が固体電解質であり、電池
が液体を含まないことを特徴とする請求項２または３記
載の半導体装置。 - 【請求項５】 球状半導体素子の内部のシリコン面にリ
チウムとの合金相を形成し、シリコン−リチウム合金と
して電池の負極としたことを特徴とする請求項２〜４の
いずれかに記載の半導体電池。 - 【請求項６】 球状半導体素子の表面に電源接続用の端
子となるバンプを形成し、その球状半導体素子の内部に
形成した電気化学素子の端子とバンプとをリードで接続
することにより、球状半導体素子とその内部の電源とを
接続したことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記
載の半導体装置。 - 【請求項７】 表面の球状半導体素子に内部の電気化学
素子の充放電制御回路機能を持たせたことを特徴とする
請求項１〜６のいずれかに記載の半導体装置。 - 【請求項８】 請求項１〜７のいずれかに記載の半導体
装置において、その球状半導体素子と内部の電源との接
続により球状半導体素子の表面に形成された電極がバン
プを介して、セラミックス基板、フィルムキャリア、シ
リコン基板、プリント回路基板、リードフレーム、半導
体チップまたは他の球状半導体素子のいずれかまたは２
以上の電極と接続されることを特徴とする半導体装置。 - 【請求項９】 周囲を封止材料で被覆したことを特徴と
する請求項１〜８のいずれかに記載の半導体装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001234945A JP2003046077A (ja) | 2001-08-02 | 2001-08-02 | 半導体装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001234945A JP2003046077A (ja) | 2001-08-02 | 2001-08-02 | 半導体装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2003046077A true JP2003046077A (ja) | 2003-02-14 |
Family
ID=19066467
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2001234945A Pending JP2003046077A (ja) | 2001-08-02 | 2001-08-02 | 半導体装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2003046077A (ja) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101788353B1 (ko) * | 2013-11-28 | 2017-11-15 | 주식회사 엘지화학 | 구형의 전극조립체 및 이를 구비한 이차전지 |
| KR20180021422A (ko) | 2016-08-22 | 2018-03-05 | 주식회사 엘지화학 | 구형 이차전지용 전극, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 구형 이차전지 |
| EP3331061A1 (en) * | 2016-12-01 | 2018-06-06 | Vestel Elektronik Sanayi ve Ticaret A.S. | Spherical battery and production method |
| CN112823436A (zh) * | 2018-05-21 | 2021-05-18 | 创新实验室Pinc公司 | 并联集成纳米组件(pinc)及相关方法与器件 |
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| JP2000343463A (ja) * | 1999-05-31 | 2000-12-12 | Ball Semiconductor Kk | マイクロマシンの製造方法 |
| JP2000349227A (ja) * | 1999-06-02 | 2000-12-15 | Yamatake Corp | 球体接続器 |
| JP2001028411A (ja) * | 1999-07-15 | 2001-01-30 | Ngk Spark Plug Co Ltd | 球面半導体実装配線基板及びその製造方法 |
-
2001
- 2001-08-02 JP JP2001234945A patent/JP2003046077A/ja active Pending
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