JP2004320011A - 電池搭載集積回路装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】 多量のＮ型不純物を用いることなく、半導体素子の特性劣化や半導体素子の誤作動を効率的に防止することができる電池搭載集積回路装置を提供する。
【解決手段】 （１）半導体基板、（２）前記半導体基板上に搭載された固体電池、（３）前記半導体基板上に搭載された集積回路、（４）前記半導体基板の前記固体電池が搭載される領域と、前記集積回路が搭載される領域との間に形成された、Ｎ型不純物を含む第１拡散層、ならびに（５）前記半導体基板の前記固体電池が搭載された領域の下方に形成され、前記第１拡散層と互いに重なり合っている、Ｎ型不純物を含む第２拡散層を具備する電池搭載集積回路装置。ここで、前記固体電池は、正極、負極、および前記正極と前記負極との間に配置された固体電解質からなり、前記第１拡散層におけるＮ型不純物の濃度は、前記第２拡散層におけるＮ型不純物の濃度よりも高い。
【選択図】図１
【解決手段】 （１）半導体基板、（２）前記半導体基板上に搭載された固体電池、（３）前記半導体基板上に搭載された集積回路、（４）前記半導体基板の前記固体電池が搭載される領域と、前記集積回路が搭載される領域との間に形成された、Ｎ型不純物を含む第１拡散層、ならびに（５）前記半導体基板の前記固体電池が搭載された領域の下方に形成され、前記第１拡散層と互いに重なり合っている、Ｎ型不純物を含む第２拡散層を具備する電池搭載集積回路装置。ここで、前記固体電池は、正極、負極、および前記正極と前記負極との間に配置された固体電解質からなり、前記第１拡散層におけるＮ型不純物の濃度は、前記第２拡散層におけるＮ型不純物の濃度よりも高い。
【選択図】図１
Description
本発明は、集積回路と固体電池を共存させてなる電池搭載集積回路装置に関する。
近年、電子機器の小型化に伴い、半導体基板上に、半導体素子とともに、全固体電池が形成されている。このような半導体基板においては、固体電池の充放電を担うイオン、例えば、リチウムイオンが半導体基板に拡散する場合がある。このような半導体基板に拡散したイオンが、半導体素子に達すると、半導体素子の特性が劣化したり、半導体素子が誤作動を起こしたりする可能性がある。
このような半導体素子と固体電池を同一の半導体基板に形成した電池搭載集積回路装置において、固体電池の充放電を担うイオンが半導体基板に与える影響を低減する方法として、固体電池直下の半導体基板にＮ型の不純物をドープした拡散層を形成し、この拡散層に固体電池の正極の電位以上の高い電位を印加することが提案されている（特許文献１参照）。
固体電池の正極の電位以上の高い電位を印加された拡散層は、固体電池の充放電を担う正のイオン、例えばリチウムイオンが半導体基板へ拡散するのを防止することができる。このため、充放電を担うイオンにより、半導体素子の特性が劣化したり、半導体素子が誤作動を起こしたりすることを防止することができる。
特開２００３−１３３４２０号公報
しかしながら、上記のような構成では、拡散層に固体電池の正極の電位より高い電位を印加する際、拡散層と電位印加用の電極との接触抵抗が高くなる。この接触抵抗を低減するためには、固体電池直下の拡散層内のＮ型不純物の濃度を高くする必要がある。
固体電池の基板上に占める面積が小さい場合には、形成すべき拡散層の領域を小さくすることができる。このため、拡散層内のＮ型不純物の濃度を高くするために必要なＮ型不純物の量は少なくて済む。しかしながら、固体電池の基板上に占める面積が大きい場合には、形成すべき拡散層の領域が大きくなる。このため、拡散層内のＮ型不純物の濃度を高くするために必要なＮ型不純物の量も多くなる。さらに、必要とされるＮ型不純物の量が多くなると、拡散層の形成に必要とされる時間も増大してしまう。このように、半導体基板上に形成される固体電池が大きくなるにつれて、生産効率が低下するという問題が生じる。
そこで、本発明は、多量のＮ型不純物を用いることなく、半導体素子の特性劣化や半導体素子の誤作動を効率的に防止することができる電池搭載集積回路装置を提供することを目的とする。
本発明は、
（１）半導体基板、
（２）前記半導体基板上に搭載された固体電池、
（３）前記半導体基板上に搭載された集積回路、
（４）前記半導体基板の前記固体電池が搭載される領域と、前記集積回路が搭載される領域との間に形成された、Ｎ型不純物を含む第１拡散層、ならびに
（５）前記半導体基板の前記固体電池が搭載される領域の下方に形成され、前記第１拡散層と互いに重なり合っている、Ｎ型不純物を含む第２拡散層を具備する電池搭載集積回路装置に関する。固体電池は、正極、負極、および正極と負極との間に配置された固体電解質からなり、第１拡散層におけるＮ型不純物の濃度は、第２拡散層におけるＮ型不純物の濃度よりも高い。
（１）半導体基板、
（２）前記半導体基板上に搭載された固体電池、
（３）前記半導体基板上に搭載された集積回路、
（４）前記半導体基板の前記固体電池が搭載される領域と、前記集積回路が搭載される領域との間に形成された、Ｎ型不純物を含む第１拡散層、ならびに
（５）前記半導体基板の前記固体電池が搭載される領域の下方に形成され、前記第１拡散層と互いに重なり合っている、Ｎ型不純物を含む第２拡散層を具備する電池搭載集積回路装置に関する。固体電池は、正極、負極、および正極と負極との間に配置された固体電解質からなり、第１拡散層におけるＮ型不純物の濃度は、第２拡散層におけるＮ型不純物の濃度よりも高い。
上記電池搭載集積回路装置において、第１拡散層におけるＮ型不純物の濃度が、１×１０19ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以上であることが好ましい。
上記電池搭載集積回路装置において、第２拡散層におけるＮ型不純物の濃度に対する第１拡散層におけるＮ型不純物の濃度の比が、１×１０5以下であることが好ましい。
上記電池搭載集積回路装置において、第１拡散層および第２拡散層が、正の電位を有することが好ましい。
上記正の電位は、負極に対する正極の電位以上であることがさらに好ましい。
上記電池搭載集積回路装置において、第１拡散層は、固体電池が搭載された領域を包囲することが好ましい。
上記電池搭載集積回路装置は、さらに、第１拡散層と外部とを導通する配線層を備えることが好ましい。
上記電池搭載集積回路装置は、さらに、第１拡散層および第２拡散層に与えられる電位を制御する電位制御部を備えることが好ましい。
本発明により、多量のＮ型不純物を用いることなく、半導体素子の特性劣化や半導体素子の誤作動を効率的に防止することができる電池搭載集積回路装置を提供することができる。
以下、本発明の電池搭載集積回路装置について、図面を参照しながら説明する。
実施の形態１
本発明の一実施形態に係る電池搭載集積回路装置を図１に示す。
図１の電池搭載集積回路装置１０は、半導体基板１１と、半導体基板１１上に搭載された固体電池１２および集積回路（図示せず）を有する。電池搭載集積回路装置１０は、さらに半導体基板１１の固体電池１２が搭載される領域１８と、集積回路が搭載される領域１９との間に形成された、Ｎ型不純物を含む第１拡散層１３、および半導体基板１１の固体電池１２が搭載された領域１８の下方に形成された、Ｎ型不純物を含む第２拡散層１４を有する。ここで、半導体基板１１の表面には、絶縁層１５が形成されている。また、半導体基板１１上に形成された配線層１６は、第１拡散層１３に接続している。第１拡散層１３と第２拡散層１４とは、互いに重なっている。また、第１拡散層１３は、第２拡散層１４内に形成されてもよい。
本発明の一実施形態に係る電池搭載集積回路装置を図１に示す。
図１の電池搭載集積回路装置１０は、半導体基板１１と、半導体基板１１上に搭載された固体電池１２および集積回路（図示せず）を有する。電池搭載集積回路装置１０は、さらに半導体基板１１の固体電池１２が搭載される領域１８と、集積回路が搭載される領域１９との間に形成された、Ｎ型不純物を含む第１拡散層１３、および半導体基板１１の固体電池１２が搭載された領域１８の下方に形成された、Ｎ型不純物を含む第２拡散層１４を有する。ここで、半導体基板１１の表面には、絶縁層１５が形成されている。また、半導体基板１１上に形成された配線層１６は、第１拡散層１３に接続している。第１拡散層１３と第２拡散層１４とは、互いに重なっている。また、第１拡散層１３は、第２拡散層１４内に形成されてもよい。
固体電池１２は、半導体基板１１上に順次積層された、負極集電体膜１２１、負極膜１２２、固体電解質膜１２３、正極膜１２４、および正極集電体膜１２５からなる。また、正極と負極の位置は、逆であってもよい。
本実施形態において、固体電池１２は、表面保護層１７によって保護されている。
半導体基板１１としては、種々のものを用いることができる。例えば、シリコン基板、サファイア基板、ならびにシリコン窒化物、アルミナ、石英などからなる基板が挙げられる。
半導体基板１１の表面にある絶縁層１５としては、半導体基板１１と負極集電体膜１２１とを絶縁できるものを用いることができる。絶縁層１５の例としては、シリコン酸化膜からなるもの、またはシリコン窒化物、アルミナ、石英、もしくはポリイミドのような樹脂からなるもの等が挙げられる。
例えば、シリコン基板上に絶縁層としてシリコン酸化膜を形成する場合には、プラズマＣＶＤ法を用いて、シリコン基板上にシリコン酸化膜からなる絶縁層を形成することができる。シリコン酸化膜の場合、５００オングストローム程度の厚みがあれば、その絶縁性を確保することができる。
例えば、シリコン基板上に絶縁層としてシリコン酸化膜を形成する場合には、プラズマＣＶＤ法を用いて、シリコン基板上にシリコン酸化膜からなる絶縁層を形成することができる。シリコン酸化膜の場合、５００オングストローム程度の厚みがあれば、その絶縁性を確保することができる。
Ｎ型不純物としては、リンや砒素などの５価の元素を用いることができる。
負極集電体膜１２１としては、薄膜形成可能な負極集電体材料からなるものを用いることができる。その負極集電体材料の例としては、銅やニッケルなどが挙げられる。
負極膜１２２としては、薄膜形成可能な負極材料からなるものを用いることができる。その負極材料としては、グラファイトや金属リチウムなどが挙げられる。
正極膜１２４としては、薄膜形成可能な正極材料からなるものを用いることができる。その正極材料としては、ＬｉＣｏＯ2、ＬｉＭｎ2Ｏ4などが挙げられる。
正極集電体膜１２５としては、薄膜形成可能な正極集電体材料からなるものを用いることができる。その正極集電体材料としては、アルミニウムやニッケルなどが挙げられる。
固体電解質膜１２３としては、リチウムイオン導電性固体電解質、銀イオン導電性固体電解質、銅イオン導電性固体電解質などを、電極材料に応じて用いることができる。
リチウムイオン導電性固体電解質としては、Ｌｉ2Ｓ−ＳｉＳ2、Ｌｉ3ＰＯ4−Ｌｉ2Ｓ−ＳｉＳ2、ＬｉＩ−Ｌｉ2Ｓ−ＳｉＳ2、ＬｉＩ、ＬｉＩ−Ａｌ2Ｏ3、Ｌｉ3Ｎ、Ｌｉ3Ｎ−ＬｉＩ−ＬｉＯＨ、Ｌｉ2Ｏ−ＳｉＯ2、Ｌｉ2Ｏ−Ｂ2Ｏ3、ＬｉＩ−Ｌｉ2Ｓ−Ｐ2Ｏ5、ＬｉＩ−Ｌｉ2Ｓ−Ｂ2Ｓ3、Ｌｉ3.6Ｓｉ0.6Ｐ0.4Ｏ4、ＬｉＩ−Ｌｉ3ＰＯ4−Ｐ2Ｓ5等が用いることができる。また、ポリエチレンオキサイドなどの有機ドライポリマー等も、リチウムイオン導電性固体電解質として用いることができる。
リチウムイオン導電性固体電解質を用いた場合、電極材料としては、ＬｉxＣｏＯ2、ＬｉxＮｉＯ2、ＬｉxＭｎ2Ｏ4、ＬｉxＴｉＳ2、ＬｉxＭｏＳ2、ＬｉxＭｏＯ2、ＬｉxＶ2Ｏ5、ＬｉxＶ6Ｏ13、金属リチウム、Ｌｉ3/4Ｔｉ5/3Ｏ4等、通常リチウム電池に用いられる化合物を、所望する電池電圧となるように組み合わせて用いることができる。なお、上記化合物において、０＜ｘ＜２とする。
銅イオン導電性固体電解質としては、ＲｂＣｕ4Ｉ1.5Ｃｌ3.5、ＣｕＩ−Ｃｕ2Ｏ−ＭｏＯ3、Ｒｂ4Ｃｕ16Ｉ7Ｃｌ13等を用いることができる。
固体電解質に銅イオン導電体を用いた場合、電極材料としては、金属Ｃｕ、Ｃｕ2Ｓ、ＣｕxＴｉＳ2、Ｃｕ2Ｍｏ6Ｓ7.8等を用いることができる。
固体電解質に銅イオン導電体を用いた場合、電極材料としては、金属Ｃｕ、Ｃｕ2Ｓ、ＣｕxＴｉＳ2、Ｃｕ2Ｍｏ6Ｓ7.8等を用いることができる。
銀イオン導電性固体電解質としては、α−ＡｇＩ、Ａｇ6Ｉ4ＷＯ4、Ｃ6Ｈ5ＮＨＡｇ5Ｉ6、ＡｇＩ−Ａｇ2Ｏ−ＭｏＯ3、ＡｇＩ−Ａｇ2Ｏ−Ｂ2Ｏ3、ＡｇＩ−Ａｇ2Ｏ−Ｖ2Ｏ5等を用いることができる。
また、銀イオン導電性固体電解質を用いた場合、電極材料としては、金属Ａｇ、Ａｇ0.7Ｖ2Ｏ5、ＡｇxＴｉＳ2等を用いることができる。
また、銀イオン導電性固体電解質を用いた場合、電極材料としては、金属Ａｇ、Ａｇ0.7Ｖ2Ｏ5、ＡｇxＴｉＳ2等を用いることができる。
上記負極集電体膜、正極集電体膜、負極膜、正極膜、および固体電解質膜は、真空蒸着法、スパッタ法などで作製することができる。
配線層１６としては、導電性材料からなるものを用いることができる。この導電性材料としては、アルミニウム等が挙げられる。
次に、第１拡散層１３と第２拡散層１４について説明する。
上記のように、第１拡散層１３は半導体基板の固体電池を搭載する領域と集積回路を搭載する領域との間に配置され、第２拡散層１４は固体電池を搭載する領域の下方に配置されている。また、第１拡散層１３と第２拡散層１４は互いに重なり合っている。このため、配線層を通して第１拡散層１３に正の電位を与えると、半導体基板の固体電池を搭載する領域の下方の第２拡散層も正の電位となる。
上記のように、第１拡散層１３は半導体基板の固体電池を搭載する領域と集積回路を搭載する領域との間に配置され、第２拡散層１４は固体電池を搭載する領域の下方に配置されている。また、第１拡散層１３と第２拡散層１４は互いに重なり合っている。このため、配線層を通して第１拡散層１３に正の電位を与えると、半導体基板の固体電池を搭載する領域の下方の第２拡散層も正の電位となる。
例えば、リチウム固体電池の場合、陽イオンであるリチウムイオンが、固体電池の充放電を担う。第１拡散層１３および第２拡散層１４は、正の電位であるため、陽イオンであるリチウムイオンは、第１拡散層１３や第２拡散層１４と電気的に反発することになる。このため、リチウムイオンが、第１拡散層１３や第２拡散層１４を越えて、半導体基板中を拡散することを防止することができる。従って、集電体膜１２１や絶縁層１５にピンホールやクラックなどが生じていたとしても、リチウムイオン等の充放電を担う陽イオンが、固体電池を充放電する際に固体電池から回路形成領域へと拡散するのを防ぐことが可能になる。
さらに、本発明においては、第１拡散層におけるＮ型不純物の濃度は、第２拡散層におけるＮ型不純物の濃度よりも高い。これにより、配線層１６と、配線層１６と導通する第１拡散層１３との間の接触抵抗が低減する。このため、従来とは異なり、第１拡散層を通して、第２拡散層１４に正の電位を印加することが可能となる。
このように、Ｎ型不純物の濃度が高い第１拡散層１３を設けることにより、第２拡散層１４におけるＮ型不純物の濃度を高くする必要がないため、用いるＮ型不純物の量を低減することができる。
また、第１拡散層におけるＮ型不純物の濃度は、1×１０19ａｔｏｍｓ／ｃｍ3〜１×１０23ａｔｏｍｓ／ｃｍ3であることが好ましく、１×１０20ａｔｏｍｓ／ｃｍ3〜１×１０22ａｔｏｍｓ／ｃｍ3であることがさらに好ましい。第１拡散層におけるＮ型不純物の濃度が、１×１０19ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以上であれば、第１拡散層における電位のふらつきを抑えることが可能となる。
一方、第１拡散層におけるＮ型型不純物の濃度が、１×１０23ａｔｏｍｓ／ｃｍ3より大きい場合には、第２拡散層の濃度をさらに大きくする必要が生じ、用いるＮ型不純物の量が増加してしまう。
さらに、第２拡散層におけるＮ型不純物の濃度に対する第１拡散層におけるＮ型不純物の濃度の比が、１×１０1〜１×１０5であることが好ましく、１×１０2〜１×１０3であることがさらに好ましい。
第２拡散層におけるＮ型不純物の濃度に対する第１拡散層におけるＮ型不純物の濃度の比が、１×１０1以上であれば、単セルからなる固体電池を搭載した場合において、陽イオンの半導体基板への拡散を確実に防止することができ、信頼性の高い電池搭載集積回路装置とすることができる。
一方、上記濃度の比が、１×１０5より大きくなると、第１拡散層１３または第２拡散層１４のブレークダウン電圧が低下し、所望の電圧を印加することができなくなる。
一方、上記濃度の比が、１×１０5より大きくなると、第１拡散層１３または第２拡散層１４のブレークダウン電圧が低下し、所望の電圧を印加することができなくなる。
第１拡散層に含まれるＮ型不純物と第２拡散層に含まれるＮ型不純物とは、同じ元素であっても、異なる元素であってもよい。また、上記のような５価の元素を複数種混合したものをＮ型不純物としてもよい。
上記第１拡散層１３および第２拡散層１４の大きさや深さは、用いられる半導体基板の大きさ、半導体基板上に搭載される固体電池の大きさ等によって、適宜決定される。
上記第１拡散層１３および第２拡散層１４に印加される正の電位は、負極を基準とする正極の電位以上の電位であることが好ましい。これは、正極から出る固体電池の充放電を担うイオン、例えば、Ｌｉ+イオンのようなアルカリ金属イオンなどは、負極のような正極電位よりも低いところに引っ張られる傾向にあるからである。
また、負極を基準とする正極の電位以上の正の電位は、固体電池の充放電が行われているときのみに印加されてもよいし、常時印加されていてもよい。例えば、電池や半導体回路の特性に影響を与えなければ、第１拡散層１３または第２拡散層１４のブレークダウン電圧まで、正の電位を印加できる。
この正の電位を印加するための電源としては、上記固体電池を用いてもよいし、他の電源を用いてもよい。
また、本発明においては、単セルからなる固体電池１２の代わりに、単セルを複数個積層した固体電池または単セルからなる固体電池を、直列または並列に接続したものを用いてもよい。この場合、積層数等によって固体電池の電圧が変化するので、この固体電池の電圧以上の正の電位を第１拡散層１３および第２拡散層１４に印加することが好ましい。
また、本発明においては、単セルからなる固体電池１２の代わりに、単セルを複数個積層した固体電池または単セルからなる固体電池を、直列または並列に接続したものを用いてもよい。この場合、積層数等によって固体電池の電圧が変化するので、この固体電池の電圧以上の正の電位を第１拡散層１３および第２拡散層１４に印加することが好ましい。
このような正の電位の制御は、電位制御部によって行われてもよい。この場合、電位制御部に、拡散層１３および１４に印加される正の電位の大きさを予め設定しておくことにより、正の電位の大きさを制御することができる。または、負極に対する正極の電位を検出し、その電位以上の正の電位を印加させるようにしてもよい。ここで、電位制御部は、正の電位を印加するための電源部を有していてもよい。
また、この電位制御部により、拡散層１３および１４に、正の電位が常時印加されるようにしてもよいし、固体電池の充放電が行われるときにのみ、拡散層１３および１４に正の電位が印加されるようにしてもよい。また、この電位制御部は、電池搭載集積回路装置に設けてもよいし、電池搭載集積回路装置外に設けてもよい。
次に、第１拡散層１３と第２拡散層１４の作製方法の一例を示す。
Ｎ型不純物を含む第１拡散層１３は、例えば、半導体基板上に半導体素子からなる集積回路を形成する際に、集積回路搭載領域と固体電池搭載領域との間に、Ｎ型不純物をイオン注入することにより形成することができる。例えば、Ｎ型不純物の加速電圧４０ｋｅＶ、ドーズ量４．０×１０15／ｃｍ2の注入条件で、幅０．５ｍｍ、厚さ０．２μｍの第１拡散層を形成することができる。
Ｎ型不純物を含む第１拡散層１３は、例えば、半導体基板上に半導体素子からなる集積回路を形成する際に、集積回路搭載領域と固体電池搭載領域との間に、Ｎ型不純物をイオン注入することにより形成することができる。例えば、Ｎ型不純物の加速電圧４０ｋｅＶ、ドーズ量４．０×１０15／ｃｍ2の注入条件で、幅０．５ｍｍ、厚さ０．２μｍの第１拡散層を形成することができる。
Ｎ型不純物を含む第２拡散層１４は、例えば、以下のように形成することができる。第１拡散層を形成する前に、固体電池が形成される領域に、Ｎ型不純物をイオン注入する。このときの注入条件は、例えば、Ｎ型不純物の加速電圧１００ｋｅＶ、ドーズ量５．０×１０15／ｃｍ2とする。その後、１０００℃で６０分間、熱処理する。これにより、幅１０ｍｍ、厚さ３μｍの第２拡散層１４を形成することができる。
上記のように、第２拡散層１４は、熱処理を必要とすることから、第１拡散層の形成前に形成することが好ましい。
また、第１拡散層１３および第２拡散層１４におけるＮ型不純物の濃度は、第１拡散層１３および第２拡散層１４を形成するときの、Ｎ型不純物の加速電圧やドーズ量を調節することにより、適宜制御することができる。
実施の形態２
第１拡散層が、固体電池が搭載された領域を包囲するように形成された電池搭載集積回路装置について、図２および図３を参照しながら説明する。
図２の電池搭載集積回路装置２０は、半導体基板２１上に、固体電池２２および集積回路（図示せず）を搭載している。図３に示されるように、半導体基板２１の固体電池が搭載される領域２８と、集積回路が搭載される領域２９との間には、Ｎ型不純物を含む第１拡散層２３が形成されている。また、半導体基板２１の固体電池２２が搭載される領域２８の下方には、Ｎ型不純物を含む第２拡散層２４が形成されている。ここで、上記実施の形態１の場合と同様に、半導体基板２１の表面には、絶縁層２５が形成されている。また、半導体基板２１上に形成された配線層２６は、第１拡散層２３に接続している。第１拡散層２３と第２拡散層２４とは、互いに重なっている。また、第１拡散層２３は、第２拡散層２４内に形成されてもよい。
第１拡散層が、固体電池が搭載された領域を包囲するように形成された電池搭載集積回路装置について、図２および図３を参照しながら説明する。
図２の電池搭載集積回路装置２０は、半導体基板２１上に、固体電池２２および集積回路（図示せず）を搭載している。図３に示されるように、半導体基板２１の固体電池が搭載される領域２８と、集積回路が搭載される領域２９との間には、Ｎ型不純物を含む第１拡散層２３が形成されている。また、半導体基板２１の固体電池２２が搭載される領域２８の下方には、Ｎ型不純物を含む第２拡散層２４が形成されている。ここで、上記実施の形態１の場合と同様に、半導体基板２１の表面には、絶縁層２５が形成されている。また、半導体基板２１上に形成された配線層２６は、第１拡散層２３に接続している。第１拡散層２３と第２拡散層２４とは、互いに重なっている。また、第１拡散層２３は、第２拡散層２４内に形成されてもよい。
本実施形態においても、第１拡散層２３におけるＮ型不純物の濃度は、第２拡散層２４におけるＮ型不純物に濃度よりも大きい。また、第１拡散層２３におけるＮ型不純物の濃度、ならびに第２拡散層２４におけるＮ型不純物の濃度に対する第１拡散層２３におけるＮ型不純物の濃度の比は、上記実施の形態１の場合と同様である。
固体電池２２は、半導体基板２１上に順次積層された、負極集電体膜２２１、負極膜２２２、固体電解質膜２２３、正極膜２２４、および正極集電体膜２２５からなる。また、正極と負極の位置は、逆であってもよい。
半導体基板２１、固体電池２２、Ｎ型不純物等は、上記実施の形態１と同様なものを用いることができる。
本実施形態において、第１拡散層２３は、固体電池が搭載された領域を包囲するように形成されている。このため、固体電池の直下だけでなく固体電池の周囲も、負極に対する正極の電位以上の高い電位を印加することにより、正の電位にすることができる。これにより、第１拡散層２３により包囲された領域からの、固体電池の充放電を担うイオンの移動をより抑制するとともに、その領域の周りに、集積回路を自在に配置することが可能となる。
また、負極に対する正極の電位以上の正の電位は、固体電池の充放電を行うときだけ印加してもよいし、常時印加してもよい。また、正の電位の制御は、上記実施の形態１と同様に、電位制御部を用いて行うことができる。
上記第１拡散層２３および第２拡散層２４の大きさや深さは、上記実施の形態１の場合と同様に、用いられる半導体基板の大きさ、半導体基板上に搭載される固体電池の大きさ等によって、適宜決定される。
以下、本発明を、実施例に基づいて説明する。
図４〜図７に示されるようにして、図１に示されるような電池搭載集積回路装置を作製した。図４〜図７では、第１拡散層、第２拡散層、および固体電池の作製方法を主に示している。
図４（１）に示されるシリコン基板３１上に、プラズマＣＶＤ法により、厚さ１５００オングストロームのシリコン酸化膜３２を形成した。ここで、シリコン基板３１としては、直径４インチ、厚さ５２５μｍ、Ｐ型で、比抵抗が１０〜１５Ω・ｃｍのものを用いた。プラズマＣＶＤ法において、反応ガスとしてＳｉＨ4およびＮ2Ｏを用い、周波数５０ｋＨｚの低周波を、４ｋＷの出力で反応ガスに照射することにより、プラズマを発生させた。また、シリコン酸化膜３２の成長温度を３８０℃とした。
シリコン酸化膜３２の上に、感光性レジストを塗布した。この塗布には、回転数２０００ｒｐｍのスピンコーターを用い、塗布した感光性レジストの厚さを３０００オングストロームとした。塗布後、１００℃で１５分間熱処理を行い、レジスト膜３３を形成した（図４（２））。
次に、図４（３）に示すように、露光装置を用いて、レジスト膜３３に短波長光線（波長：４３６ｎｍ）を照射した。このとき、開口部３５を有するようにパターニングされた石英マスク３４を用いた。
その後、有機アルカリ（テトラメチルアンモニウムハイドロオキサイド）からなる現像液に浸し、レジスト膜３３のパターニングを行った。
次に、ＲＩＥ（Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ）ドライエッチングにより、レジスト膜３３により被覆されていない部分のシリコン酸化膜３２をエッチングし、シリコン基板上に、レジスト膜に被覆されたシリコン酸化膜３６のみを残した。
ここで、ドライエッチングには、１３．５６ＭＨｚの高周波、およびエッチングガスとしてＣＨＦ3を用いた。また、このとき、マスク合わせマークも形成した。以降のレジスト露光工程では、このマークを基準にしてマスク合わせを行った。これにより、後の工程で形成され、パターニングされる膜が、各々ずれないようにした。
シリコン酸化膜３６上に残ったレジスト膜を、レジスト剥離液に浸漬して除去した。次に、リンを、イオン注入機を用いて、シリコン基板３１のシリコン酸化膜３６で被覆されていない部分にイオン注入した（図４（４））。このとき、リンの加速電圧を１００ＫｅＶとし、ドーズ量を５×１０12／ｃｍ2とした。
この後、炉中において、１０００℃で１時間、加熱処理して、Ｎ型不純物を含む第２拡散層３７を形成した（図５（５））。ここで、形成した第２拡散層３７は、深さを３μｍとし、面積を１００ｍｍ2（１０ｍｍ（縦）×１０ｍｍ（横））とした。また、第２拡散層３７に含まれるＮ型不純物濃度を、ＳＩＭＳ（Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ Ｉｏｎ Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）を用いて測定すると、その濃度は１×１０16／ｃｍ3であった。
次に、シリコン酸化膜３６および第２拡散層３７上に、プラズマＣＶＤ法を用いて、厚さ１５００オングストロームのシリコン酸化膜３８を形成した（図５（６））。ここで、プラズマＣＶＤ法において、反応ガスとしてＳｉＨ4およびＮ2Ｏを用い、この反応ガスに、周波数５０ｋＨｚの低周波を４ｋＷの出力で照射することにより、プラズマを発生させた。また、シリコン酸化膜３８の成長温度を３８０℃とした。
シリコン酸化膜３８上に、感光性レジストを、厚さ３０００オングストロームとなるように塗布した。この塗布には、回転数２０００ｒｐｍのスピンコーターを用いた。次いで、１００℃で１５分間熱処理を行い、レジスト膜３９を形成した（図５（７））。
開口部４１を有するようにパターニングされた石英マスク４０を用いて、レジスト膜３９に短波長光線を照射した（図５（８））。このとき、短波長光線の照射には、露光装置を用いた。この後、有機アルカリ（テトラメチルアンモニウムハイドロオキサイド）からなる現像液に浸し、レジスト膜３９のパターニングを行った。これにより、第１拡散層が形成される部分のレジスト膜３９を取り除いた。
次に、レジスト膜３９が取り除かれた部分のシリコン酸化膜３８を、ＲＩＥドライエッチングによりエッチングして取り除いた。この除去により、第１拡散層が形成される部分のシリコン基板を露出させた。この後、残ったレジスト膜３９を、レジスト剥離液に浸漬して除去した。
ここで、上記ドライエッチングには、１３．５６ＭＨｚの高周波、およびエッチングガスとしてＣＨＦ3を用いた。
ここで、上記ドライエッチングには、１３．５６ＭＨｚの高周波、およびエッチングガスとしてＣＨＦ3を用いた。
上記ようにして形成されたシリコン基板の露出した部分に、Ｎ型不純物であるヒ素を、イオン注入機を用いてイオン注入した。このとき、ヒ素の加速電圧を４０ＫｅＶとし、ドーズ量を４×１０15／ｃｍ2とした（図６（９））。
これにより、Ｎ型不純物を含む第１拡散層４２を形成した（図６（１０））。ここで、第１拡散層４２は、その深さを０．２μｍとし、面積を４．７５ｍｍ2（０．５ｍｍ（縦）×９．５ｍｍ（横））とした。また、第１拡散層４２に含まれるＮ型不純物（この場合、リンおよびヒ素）の濃度を、ＳＩＭＳを用いて測定した結果、不純物濃度は、１×１０20／ｃｍ3であった。以上により、第２拡散層におけるＮ型不純物の濃度に対する第１拡散層におけるＮ型不純物の濃度の比は、１×１０4となった。
次に、フッ酸水溶液（５ｖｏｌ％）に１０分間浸漬して、シリコン酸化膜３６および３８を除去した。
ここまでの工程は、集積回路（ＭＯＳトランジスタ）の形成と同時に行った。
次に、第１拡散層および第２拡散層が形成されたシリコン基板３１上に、回転数１０００ｒｐｍのスピンコーターを用いて、ポリイミド膜４３を１μｍの厚さで形成した（図６（１１））。
この後、上述のようなフォトリソグラフィ技術を用いて、ポリイミド膜４３を、１５ｍｍ(縦)×１５ｍｍ(横)(面積：２２５ｍｍ2)にパターニングした。これにより、第１拡散層４２が形成されているシリコン基板部分を露出させた。
次いで、第１拡散層４２が形成されているシリコン基板部分およびポリイミド膜４３上に、チャンバ内圧が１０ｍＴｏｒｒの真空蒸着装置を用いて、厚み１μｍおよび面積８１ｍｍ2（９ｍｍ（縦）×９ｍｍ（横））の金属アルミニウム膜を形成した。この金属アルミニウム膜を、上述のフォトリソグラフィ技術とＲＩＥドライエッチング装置を用いてパターニングして、正極集電体膜４５と、第１拡散層４２に接続された配線層４４を形成した（図７（１２））。
正極集電体膜４５上に、ＲＦマグネトロンスパッタ法により、ＬｉＣｏＯ2からなる膜を形成した。このとき、厚み５μｍおよび面積６４ｍｍ2（８ｍｍ（縦）×８ｍｍ（横））を有するように、所定の金属マスク（ＳＵＳ３０４製）を用いた。また、上記スパッタリングにおいて、ターゲットへの照射線の出力を２００Ｗ、スパッタガスとしてＡｒとＯ2との混合ガス（Ａｒ：Ｏ2＝３：１）、スパッタガスの導入量を２０ＳＣＣＭ、チャンバ内圧を２０ｍＴｏｒｒとした。
次いで、このＬｉＣｏＯ2からなる膜を、４００℃で２時間アニールして、正極膜４６を形成した。
正極膜４６上に、Ｌｉ2Ｓ−ＳｉＳ2−Ｌｉ3ＰＯ4からなる厚さ２μｍの固体電解質膜４７を形成した。次いで、固体電解質膜４７上に、グラファイトからなる厚さ５μｍの負極膜４８を形成した。固体電解質膜４７および負極膜４８の形成には、レーザーアブレーション法を用いた。上記レーザーアブレーション法において、チャンバ内圧を１０-2Ｔｏｒｒとし、シリコン基板３１の温度を８００℃とした。レーザーとしては、波長が２６６ｎｍであり、エネルギー密度が２０２５ｍＪ／ｃｍ2であるＹＡＧレーザーを用いた。また、このＹＡＧレーザーの繰り返し周波数を１０Ｈｚとし、ショット数を３６０００とした。
上記固体電解質膜４７および負極膜４８は、それぞれ、上述のフォトリソグラフィー技術とＲＩＥドライエッチング装置とを用いて、面積が４９ｍｍ2（７ｍｍ（縦）×７ｍｍ（横））となるようにパターニングした。
負極膜４８上に、金属銅からなる負極集電体膜４９を真空蒸着法により形成した（図７（１３））。このとき、所定の形状にパターニングされた金属マスク（ＳＵＳ３０４製）を用いて、負極集電体膜４９の厚さを１μｍとし、面積を４９ｍｍ2（７ｍｍ（縦）×７ｍｍ（横））とした。ここで、得られた電池の容量は、３００μＡｈであった。
固体電池が形成されたシリコン基板３１上に、回転数１５００ｒｐｍのスピンコーターを用いて、液状エポキシ樹脂（日立化成工業（株）製：ＣＥＬ−Ｃ−１１０２）を、１μｍの厚さで塗布した。次いで、塗布した液状エポキシ樹脂を、１５０℃で３時間、熱硬化することにより、表面保護層５０を形成した。最後に、表面保護層５０を、上述のようなフォトリソグラフィ技術およびＲＩＥドライエッチング装置を用いて、図７（１４）に示されるようにパターニングして、電池搭載集積回路装置を得た。得られた電池搭載集積回路装置を、装置１とした。
固体電池搭載領域を包囲するように、第１拡散層および配線層を形成したこと以外、実施例１と同様にして、図２に示されるような電池搭載集積回路装置を作製した。このようにして得られた電池搭載集積回路装置を装置２とした。
［評価］
上記装置１および２の第１拡散層および第２拡散層に、外部電源を用いて負極に対する正極の電位以上の正の電位（５Ｖ）を印加した状態で、固体電池の充放電を行った。このとき、隣接するＰ型およびＮ型のＭＯＳトランジスタの基本特性の異常の有無について調べた。
上記装置１および２の第１拡散層および第２拡散層に、外部電源を用いて負極に対する正極の電位以上の正の電位（５Ｖ）を印加した状態で、固体電池の充放電を行った。このとき、隣接するＰ型およびＮ型のＭＯＳトランジスタの基本特性の異常の有無について調べた。
基本特性として、Ｖd−Ｉd特性およびオン電圧特性について調べた。
［Ｖd−Ｉd特性］
まず、ゲートに、０Ｖ、１Ｖ、２Ｖ、３Ｖ、４Ｖ、または５Ｖの電圧を印加した状態で、Ｎ型のＭＯＳトランジスタのドレインに０Ｖから５Ｖの電圧を連続的に印加することにより、流れるドレイン電流を測定した。
［Ｖd−Ｉd特性］
まず、ゲートに、０Ｖ、１Ｖ、２Ｖ、３Ｖ、４Ｖ、または５Ｖの電圧を印加した状態で、Ｎ型のＭＯＳトランジスタのドレインに０Ｖから５Ｖの電圧を連続的に印加することにより、流れるドレイン電流を測定した。
［オン電圧特性］
ドレインに５Ｖの電圧を印加した状態で、ゲートに印加する電圧（ゲート電圧）を増加させて、ドレイン電流が１μＡとなるゲート電圧を測定した。
いずれの測定においても、５Ｖ仕様のＮ型ＭＯＳトランジスタの設計値通りであった。
ドレインに５Ｖの電圧を印加した状態で、ゲートに印加する電圧（ゲート電圧）を増加させて、ドレイン電流が１μＡとなるゲート電圧を測定した。
いずれの測定においても、５Ｖ仕様のＮ型ＭＯＳトランジスタの設計値通りであった。
Ｐ型のＭＯＳトランジスタについても、上記と同様に、Ｖd−Ｉd特性およびオン電圧特性について調べた。
ゲートに、０Ｖ、−１Ｖ、−２Ｖ、−３Ｖ、−４Ｖ、または−５Ｖの電圧を印加した状態で、ドレインに、０Ｖから−５Ｖの電圧を連続的に印加して、流れるドレイン電流を測定した。
ゲートに、０Ｖ、−１Ｖ、−２Ｖ、−３Ｖ、−４Ｖ、または−５Ｖの電圧を印加した状態で、ドレインに、０Ｖから−５Ｖの電圧を連続的に印加して、流れるドレイン電流を測定した。
また、ドレインに−５Ｖの電圧を印加した状態で、ゲートに印加する電圧（ゲート電圧）をマイナス方向に増加させて、ドレイン電流が−１μＡとなるゲート電圧を測定した。
いずれの測定においても、５Ｖ仕様のＰ型ＭＯＳトランジスタの設計値通りであった。
このように、ＭＯＳトランジスタの基本特性に異常は見られなかった。
いずれの測定においても、５Ｖ仕様のＰ型ＭＯＳトランジスタの設計値通りであった。
このように、ＭＯＳトランジスタの基本特性に異常は見られなかった。
また、第２拡散層におけるＮ型不純物の濃度に対する第１拡散層におけるＮ型不純物の濃度の比が、１×１０1、１×１０2、１×１０3、または１×１０5となるようにしたこと以外、実施例１と同様にして、電池搭載集積回路装置を作製した。得られた装置を、それぞれ、装置３、装置４、装置５および装置６とした。なお、第１拡散層のＮ型不純物の濃度は、１×１０19／ｃｍ3とした。
装置３〜６についても、上記と同様にして、ＭＯＳトランジスタのＶd−Ｉd特性とオン電圧特性を測定した。その結果、いずれの装置においても、ＭＯＳトランジスタの基本特性に異常は見られなかった。
装置３〜６についても、上記と同様にして、ＭＯＳトランジスタのＶd−Ｉd特性とオン電圧特性を測定した。その結果、いずれの装置においても、ＭＯＳトランジスタの基本特性に異常は見られなかった。
以上のように、本発明の電池搭載集積回路装置は、固体電池と同一基板上に形成される集積回路が、固体電池の充放電を担うイオンにより汚染されることを効率的に防止することができる。
上記では、半導体基板上に、半導体素子からなる集積回路と固体電池を形成したものについて説明した。本発明は、半導体素子からなる集積回路を搭載した場合だけでなく、電子素子からなる集積回路が搭載されている場合にも、用いることができる。
また、本発明は、半導体基板のみではなく、リチウムイオンが拡散するすべての基板を用いる場合にも適用することができる。さらに、リチウムイオン電池のみではなく、アルカリ金属イオンが充放電を担うすべての固体電池の場合にも、本発明を適用することが可能である。
本発明により、固体電池の充放電を担うイオンが半導体基板に拡散することにより生じる半導体素子の特性劣化や半導体素子の誤作動を効率的に防止することができる電池搭載集積回路装置を提供することができる。
１０、２０ 電池搭載集積回路装置
１１、２１ 半導体基板
１２、２２ 固体電池
１２１、２２１、４９ 負極集電体膜
１２２、２２２、４８ 負極膜
１２３、２２３、４７ 固体電解質
１２４、２２４、４６ 正極膜
１２５、２２５、４５ 正極集電体膜
１３、２３ 第１拡散層
１４、２４ 第２拡散層
１５、２５ 絶縁層
１６、２６、４４ 配線層
１７、５０ 表面保護層
１８、２８ 固体電池が搭載される領域
１９、２９ 集積回路が搭載される領域
３１ シリコン基板
３２、３６、３８ シリコン酸化膜
３３、３９ レジスト膜
３４、４０ 石英マスク
３５、４１ 石英マスクの開口部
３７ 第２拡散層
４２ 第１拡散層
４３ ポリイミド膜
１１、２１ 半導体基板
１２、２２ 固体電池
１２１、２２１、４９ 負極集電体膜
１２２、２２２、４８ 負極膜
１２３、２２３、４７ 固体電解質
１２４、２２４、４６ 正極膜
１２５、２２５、４５ 正極集電体膜
１３、２３ 第１拡散層
１４、２４ 第２拡散層
１５、２５ 絶縁層
１６、２６、４４ 配線層
１７、５０ 表面保護層
１８、２８ 固体電池が搭載される領域
１９、２９ 集積回路が搭載される領域
３１ シリコン基板
３２、３６、３８ シリコン酸化膜
３３、３９ レジスト膜
３４、４０ 石英マスク
３５、４１ 石英マスクの開口部
３７ 第２拡散層
４２ 第１拡散層
４３ ポリイミド膜
Claims (8)
- 電池搭載集積回路装置であって、
（１）半導体基板、
（２）前記半導体基板上に搭載された固体電池、
（３）前記半導体基板上に搭載された集積回路、
（４）前記半導体基板の前記固体電池が搭載される領域と、前記集積回路が搭載される領域との間に形成された、Ｎ型不純物を含む第１拡散層、ならびに
（５）前記半導体基板の前記固体電池が搭載された領域の下方に形成され、前記第１拡散層と互いに重なり合っている、Ｎ型不純物を含む第２拡散層
を具備し、
前記固体電池は、正極、負極、および前記正極と前記負極との間に配置された固体電解質からなり、
前記第１拡散層におけるＮ型不純物の濃度は、前記第２拡散層におけるＮ型不純物の濃度よりも高い
電池搭載集積回路装置。 - 前記第１拡散層におけるＮ型不純物の濃度が、１×１０19ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以上である請求項１記載の電池搭載集積回路装置。
- 前記第２拡散層におけるＮ型不純物の濃度に対する前記第１拡散層におけるＮ型不純物の濃度の比が、1×１０5以下である請求項１記載の電池搭載集積回路装置。
- 前記第１拡散層および前記第２拡散層が、正の電位を有する請求項１記載の電池搭載集積回路装置。
- 前記正の電位が、前記負極に対する前記正極の電位以上である請求項４記載の電池搭載集積回路装置。
- 前記第１拡散層が、前記固体電池が搭載された領域を包囲する請求項１記載の電池搭載集積回路装置。
- さらに、前記第１拡散層と外部とを導通する配線層を備える請求項１記載の電池搭載集積回路装置。
- さらに、前記第１拡散層および前記第２拡散層に与えられる電位を制御する電位制御部を備える請求項１記載の電池搭載集積回路。
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