JP6599816B2 - リチウム電池、リチウム電池を製造するための方法、集積回路、および集積回路を製造するための方法 - Google Patents

Description

ノートブック、携帯電話、カメラなど携帯用電子装置の使用が増えるとともに、また電流駆動の自動車の使用が増えるとともに、これらの装置向けの電源として、エネルギー密度の高いリチウム・イオン２次電池がますます脚光を浴びてきている。

通常、リチウム・イオン２次電池は、リチウム含有遷移金属酸化物などを含む正極、炭素材料を含む負極、および非水電解質、ならびに正極と負極の間に配置されたセパレータを備える。

容量および性能に対する要求の増大に応えるために、電池のエネルギー蓄積容量を増大でき、その結果として得られるリチウム電池を簡単に製造できるように、新規のアノード材料を開発することが望ましい。

さらに、必要とする電気エネルギーの量が比較的少ない集積回路または電子装置が、多くの用途において使用されることが増えている。これらの集積回路または電子装置にエネルギーを供給する小型電池を提供することが、本発明の一目的である。

小型電池の製造方法、ならびに、小型電池を含む集積回路および電子装置を提供することが、さらなる目的である。

これらの問題の解決策は、独立クレームにおいて明示されている。各実施形態は、従属クレームにおいて定義されている。

リチウム電池の一実施形態によれば、リチウム電池は、カソード、シリコンから作製される構成要素を含むアノード、カソードとアノードの間に配置されたセパレータ素子、電解質、および基板を備える。アノードは基板上に配置され、またはアノードは基板と一体形成される。

リチウム電池を製造する方法の一実施形態によれば、この方法は、基板の表面にアノードを形成するステップと、セパレータ素子を形成するステップと、セパレータ素子がカソードとアノードの間に配置されるようカソードを形成するステップと、アノード、カソード、および基板によって形成された空間（空洞部）に電解質を充填するステップとを含む。

集積回路の一実施形態によれば、集積回路は、半導体基板に形成された回路素子およびリチウム電池を備える。リチウム電池は、シリコンから作製される構成要素を含むアノード、および基板を備える。リチウム電池は、基板に形成されるか、または基板上の層に形成される。

集積回路を製造する方法の一実施形態によれば、この方法は、半導体基板に回路素子を形成するステップと、リチウム電池を形成するステップとを含む。半導体基板の表面上、または半導体基板上の半導体層にアノードを形成することによって、リチウム電池が形成される。

リチウム電池を製造する方法の別の実施形態によれば、この方法は、第１の半導体基板に回路素子を形成するステップと、第２の半導体基板の表面上にアノードを形成することによって、リチウム電池を形成するステップと、第１の半導体基板と第２の半導体基板を共通のハウジング内にパッケージ化するステップとを含む。

電子装置の一実施形態によれば、この電子装置は、電気回路およびリチウム電池を備える。リチウム電池は、カソード、シリコンから作製される構成要素を含むアノード、カソードとアノードの間に配置されたセパレータ素子、電解質、および基板を備える。アノードは基板上に配置され、または基板と一体形成される。

電子装置の別の実施形態によれば、この電子装置は、電気回路および集積回路を備える。集積回路は、半導体基板に形成される回路素子、およびリチウム電池を備える。リチウム電池は、シリコンから作製される構成要素を含むアノード、および半導体基板を備える。リチウム電池は、半導体基板に形成されるか、または半導体基板上の層に形成される。

以下の詳細な説明を読み、添付の図面を見れば、さらなる特徴および利点が当業者には理解されよう。

添付図面は、本発明の実施形態をさらに理解できるように添付されており、本明細書に組み込まれ、またその一部分をなす。各図面は、本発明の実施形態を示しており、その記述とともに原理を説明する働きをする。以下の詳細な説明を参照することによって、さらによく理解されるにつれて、本発明の他の実施形態および意図された利点の多くが容易に理解されよう。図面の各要素は、必ずしも互いに縮尺通りではない。同じ参照番号は、対応する同様の部品を指す。

図１Ａは、リチウム電池の横断面図を示し、図１Ｂは、一代替実施形態によるリチウム電池の横断面図を示す。 図２Ａは、リチウム電池を含む集積回路の横断面図を示し、図２Ｂは、リチウム電池を含む集積回路の上面図を示す。 一実施形態による電子装置を示す。 一実施形態による電子装置を示す。 一実施形態による電子装置を示す。 図６Ａおよび図６Ｂは、リチウム電池を製造する方法を実行するときのキャリアの横断面図および上面図を示す。 図７Ａおよび図７Ｂは、キャリアに溝を形成した後のキャリアの横断面図および上面図を示す。 さらなる処理ステップを実行した後のキャリアの横断面図を示す。 溝を含むキャリアの一例の横断面図を示す。 さらなる処理ステップを実行した後のキャリアの横断面図を示す。 リチウム電池を形成する方法を概略的に示す。 集積回路を製造する方法を概略的に示す。 電池を含む電子装置の一例を示す。

以下の詳細な説明では、本発明を実施することができる具体的な実施形態を示す添付図面について述べる。この点に関しては、「頂部」、「底部」、「前部」、「後部」、「先行」、「後続」など方向を表す用語は、説明している（１つまたは複数の）図の向きに関して使用されている。本発明の各実施形態の構成要素は、複数の異なる向きに配置することができるので、方向を表す用語は、説明するために使用されるものであって、限定するものではない。特許請求の範囲によって定義された範囲から逸脱することなく、別の実施形態を利用してもよく、構造的または論理的な変更を加えてもよいことを理解されたい。

以下の説明で使用されている「キャリア」または「半導体キャリア」という用語には、半導体表面を有する任意の半導体ベースの構造体が含まれ得る。キャリアおよび構造体は、シリコン、シリコン・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）、シリコン・オン・サファイア（ＳｏＳ）、ドープ半導体およびアンドープ半導体、ベースの半導体下地によって支持されたシリコンのエピタキシャル層、ならびに他の半導体構造を含むものと理解されたい。さらに、「キャリア」または「半導体キャリア」という用語は、任意の種類の半導体層をさらに含み、これらは、結晶質、多結晶質、非晶質でもよく、適切な基板材料上に形成される。さらに、キャリアは、絶縁体を含んでもよい。具体例として、石英ガラス（ＳｉＯ_２）などのガラス、セラミック、またはポリマーを含む。さらに、「基板」という用語にもまた、半導体表面を有する任意の半導体ベースの構造体が含まれ得る。半導体は、シリコン・ベースである必要はない。半導体はまた、炭化ケイ素、シリコン・ゲルマニウム、ゲルマニウムヒ素またはガリウムヒ素とすることもできる。基板は、半導体または絶縁体を含んでもよい。具体例として、石英ガラス（ＳｉＯ_２）などのガラス、セラミック、またはポリマーを含む。

この明細書の文脈において使用される「接続された」または「相互接続」という用語は、それぞれの構成要素が互いに信号接続されていてもよいことを意味する。たとえば、さらなる要素を各構成要素間に配置してもよい。さらに、それぞれの構成要素は、それらの間で信号が交換できている限り、物理的に接続されている必用はない。さらに、「接続された」および「相互接続」という用語は、たとえば、電圧が印加されない場合をも含む。

図１Ａには、リチウム電池２の一例の横断面図が示してある。この横断面図は、図６Ｂに示すＩＩ〜ＩＩ間に沿って見たものである。

図１Ａに示すリチウム電池は、カソード１３、シリコンで作製される構成要素を含むアノード１７、カソード１３とアノード１７の間に配置されたセパレータ素子１８、電解質１２、および基板１９を備え、アノード１７は基板１９上に配置される。たとえば、アノード１７は、基板１９と一体形成してもよい。あるいは、アノード１７は、基板１９上に形成される追加の層でもよい。アノード１７、セパレータ素子１８、および電解質１２は、シリコン体１に配置された溝３１内に配置してもよい。たとえば、アノード１７は、溝３１の壁を形成してもよい。溝３１は、側壁および底部側を含んでもよく、アノード１７は、溝３１の底部側を形成してもよい。アノード１７はさらに、薄い金属層１１を含んでもよい。

基板１９は、前述の通り任意の材料から作製してもよい。基板１９にパターン形成してもよい。したがって、図１Ａに示すように、溝３１を基板１９に形成してもよい。アノード１７は、単結晶質、多結晶質、または非晶質でもよい、シリコン材料を含んでもよい。シリコン材料は、ホウ素（Ｂ）、ヒ素（Ａｓ）、リン（Ｐ）またはアンチモン（Ｓｂ）など、通常使用される任意のドーパントでドープしてもよい。アノード１７の活性シリコン表面は、平面でもよく、またはパターン形成されてもよい。たとえば、ピラミッド、トレンチ、カラムなどの３次元構造を、アノードの表面に形成してもよい。電解質１２に接触するアノード１７の表面上に、薄い金属層１１を形成してもよい。たとえば、金属層１１は、銀（Ａｇ）、アルミニウム（Ａｌ）、金（Ａｕ）、パラジウム（Ｐｄ）または白金（Ｐｔ）を含んでもよい。リチウムと合金を形成する金属を使用してもよい。さらなる例として、Ｚｎ、Ｃｄ、Ｈｇ、Ｂ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｔｈ、Ｃ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｐｂ、Ａｓ、Ｓｂ、Ｂｉ、ＳｅおよびＴｅを含む。金属層１１の厚さは、１００ｎｍ未満で、たとえば１ｎｍより厚くてもよい。たとえば、Ａｇは、ほぼ５００ｍＶの電圧でＬｉと合金を形成するが、Ｓｉは、ほぼ３３０ｍＶの電圧で合金を形成する。したがって、Ａｇ金属層を加えるとき、Ｓｉ材料をリチウムで充電する前にアノード１７の表面でＡｇ−Ｌｉ合金が形成されることになり、その結果、ＬｉイオンがＳｉアノードに一様に移動することになる。さらに、金属層のおかげで、アノード表面上への自然のＳｉＯ_２の形成が防止され、その結果、イオンの輸送がさらに促進される。さらに、ＳｉアノードへのＬｉ原子の挿入がより一様に実現して、その結果、リチウム電池の性能が改善されることになる。さらに、薄い金属層が存在するおかげで、充放電中での電極の機械的安定性が改善する。

充電時間は、第１の充電サイクル中に増えるようになることが分かってきた。これは、アノード１７の表面上に存在する薄い金属層１１が原因になることがある。しかし、充電サイクルを何度も繰り返した後、充電速度は、金属層がないアノードを利用する場合に等しくなる。

カソード１３については、リチウム・イオン電池に使用されている、一般に知られている電気材料を利用してもよい。例として、ＬｉＣｏＯ_２、ＬｉＮｉＯ_２、ＬｉＮｉ_ｉ−ｘＣｏ_ｘＯ_２、ＬｉＮｉ_０．８５Ｃｏ_０．１Ａｌ_０．０５Ｏ_２、ＬｉＮｉ_０．３３Ｃｏ_０．３３Ｍｎ_０．３３Ｏ_２、ＬｉＭｎ_２Ｏ_４スピネル、およびＬｉＦｅＰＯ_４を含む。電解質には、プロピレンカーボネート、炭酸ジメチル、または１，２−ジメトキシメタン、エチレンカーボネート、ジエチルカーボネートなど、水分のない非プロトン性溶媒中のたとえばＬｉＰＦ６、ＬｉＢＦ４などの塩、ポリマー、たとえば、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）もしくはポリフッ化ビニリデンヘキサフルオロプロペン（ＰＶＤＦ−ＨＦＰ）または他のポリマーなど、Ｌｉ３ＰＯ４Ｎなど、リチウム電池向けに普通使用される電解質が含まれ得る。

セパレータ１８は、アノード１７とカソード１３を、互いに電気的かつ空間的に分離する。しかし、蓄積された化学エネルギーを電気エネルギーに変換できるよう、セパレータ１８はイオンに対して透過性でなければならない。セパレータ１８の材料の例として、ファイバ・ガラス、ポリエチレン、または微細孔材料などの材料で作製される不織布を含む。さらに、いくつかの層を含んでもよい微細孔シートから作製される膜を利用することができる。さらなる例として、セラミック材料で被覆された不織布を含む。さらなる例が、当技術分野で知られている。

シーラント１４は、カソード１３上に形成してもよい。シーラント１４によって、水密と気密が可能になる。シーラント１４の材料の例として、よく知られたポリマー、たとえばポリイミドを含む。パッシベーション層１０は、シリコン体１の、アノード１７を形成しない部分に形成される。より具体的には、溝３１の側壁が、パッシベーション層１０で覆われる。さらに、基板１９の外側または電池のハウジングが、パッシベーション層１０で覆われる。パッシベーション層１０は、酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）、窒化ケイ素（Ｓｉ_３Ｎ_４）、ポリマー、イミド、スピンオン・ガラス（ＳＯＧ）、ポリエチレン、金属、またはこれらの材料の任意の組合せ、たとえばポリマーと金属の積層構造など、様々な材料を含んでもよい。パッシベーション層１０は、隣接する構成要素にリチウム原子が拡散するのを防止する。

導電層１５、１６は、電池２の裏側に形成される。たとえば、銅などの金属層１６を裏側に形成してもよく、ＴｉＷなどの界面層１５が、アノード材料１７と銅層１６の間に配置される。たとえば、界面層１５の厚さは、５０〜１５０ｎｍの範囲、たとえば１００ｎｍでもよい。さらに、銅層１６の厚さは、５００ｎｍを超えてもよく、たとえば１μｍ以上でもよい。あるいは、電流は、たとえば多結晶シリコンもしくはドープ・シリコンで作製された、埋込み層または埋込みチャネルを使用して放電してもよい。

電池２は、再充電可能なリチウム・イオン電池、すなわちリチウム・イオン２次電池でもよい。さらなる実施形態によれば、電池２は、再充電可能でない１次電池でもよい。

シリコンはリチウムの挿入容量が大きいので、図１Ａに示した電池２は、エネルギー貯蔵において容量が改善されている。すなわち、シリコンに貯蔵すなわち挿入できるリチウム原子の量は、従来の場合よりもはるかに多い。アノード１７はシリコンを含むので、シリコンまたは一般半導体の処理方法を利用してもよい。具体的には、従来の電池と比較してサイズの小さい電池を製造するのに、小型サイズを製造するための方法を効果的に適用することができる。各実施形態によれば、パッケージ化は、ガラス化合物またはモールド化合物など、半導体処理で知られている材料を含む。さらなる実施形態によれば、アノード１７は、基板１９と一体化してもよい。これらの場合、半導体処理方法を利用して、電池２をさらに小型化してもよい。知られている半導体処理方法によれば、より速く、より一様に、またより効率的にシリコン材料にリチウムを挿入できるよう、小型サイズの構造体を形成してもよい。さらに、長期間にわたる機械的な高い安定性も得られる。さらに、リチウム電池を含む単一ダイに、追加の構成要素を一体化することが可能である。

図１Ａに示すように、アノード１７は、シリコン体１に形成された溝３１内に配置される。任意選択的に、アノード１７はさらに３次元表面構造を含み、その結果、アノード１７の活性表面が増大する。それにより、リチオ化によってシリコンの体積が増大するという有害な結果を防止することができる。さらに、セパレータ１８が存在するので、シリコンの体積が増大するのが緩和され、その結果、リチオ化による機械ストレスが低減される。図１Ａに示した構造では、基板１９は、電池２のハウジング３４を形成する。一実施形態によれば、アノード１７は、基板１９およびハウジング３４と一体形成してもよい。

図１Ｂには、リチウム電池２のさらなる一例の横断面図が示してある。この横断面図は、たとえば図３Ｂに示すＩＩ〜ＩＩ間に沿って見てもよい。

図１Ｂに示すリチウム電池２は、カソード１３、シリコンで作製される構成要素を含むアノード１７、カソード１３とアノード１７の間に配置されたセパレータ素子１８、電解質１２を備え、これらは基板１９上に配置される。基板１９にパターン形成してもよい。たとえば、複数の溝またはカラムを基板１９に形成してもよい。たとえば、溝またはカラムをエッチングで形成してもよい。あるいは、溝またはカラムを平面上に選択的に成長させて、延在部分１９ａを形成してもよい。延在部分１９ａは、基板１９の平面に対して深さがｄであり、ここで深さｄは２０〜１００μｍである。基板１９は、前述の通り任意の基板材料から作製してもよい。溝またはカラムの形状は、長方形の断面である必要はない。各実施形態によれば、ピラミッドなどの様々な形状も利用してよい。

アノード１７は、半導体層１７ａを含んでもよく、この半導体層は、前述の半導体材料のうち任意の材料を含んでもよい。アノード１７は、基板１９の表面上の層として形成してもよい。たとえば、基板１９の電池部分では、アノード１７を形成する半導体層１７ａが、基板１９の表面全体を覆う。しかし、明らかに理解できるように、さらなる実施形態によれば、基板１９は半導体基板でもよく、基板１９の表面部分は、結果として得られる電池２のアノード１７を形成する。これまで説明してきたのと同様に、電解質１２に接触するアノード１７の表面上に、薄い金属層１１を形成してもよい。金属層１１の材料は、前述の材料から選択してもよい。金属層１１の厚さは、１００ｎｍ未満で、たとえば１ｎｍより厚くてもよい。図１Ｂに示した電池２の残りの構成要素は、図１Ａに示した電池の構成要素と同じでもよい。パッシベーション層１０は、基板１９および電池２の側壁部分に形成される。カソード１３は、セパレータ１８上に形成されて、電解質１２を密閉する。これまで説明してきたように、シーラント１４は、カソード１３上に形成してもよい。

図２Ａおよび２Ｂには、電池２および回路素子２０を含む集積回路３６が示してある。図２Ａの横断面図は、図２Ｂに示すＩＩＩ〜ＩＩＩ間に沿って見たものである。図２Ａでは、電池２は、図１Ａおよび１Ｂに示す構造と同様の構造を有してもよい。さらに、回路素子２０は、半導体基板１の中または上に形成してもよい。たとえば、回路素子２０は、トランジスタ、抵抗器、キャパシタ、ＭＥＭＳ（微小電気機械システム）装置、センサ、エネルギー・ハーベスタ、たとえば外部エネルギー源（たとえば、ソーラー・パワー、熱エネルギー、風力エネルギー、塩分勾配、および運動エネルギー）からエネルギー放出装置、エネルギー受入装置、太陽電池などのエネルギー変換装置、たとえばＲＦＩＤ（無線周波数認識装置）などエネルギーを放射するための装置、表示装置、ビデオ装置もしくはオーディオ装置、音楽プレーヤ、単一処理回路、情報処理回路、情報記憶回路、またはこれらの装置などのいずれかの構成要素を含んでもよい。回路素子２０のさらなる例として、充電プロセスまたは放電プロセスを制御する回路を含む。たとえば、回路素子２０は、電池２の充電を制御して、その結果、その完全な蓄電容量に達する前に充電が停止するように構成されてもよい。回路素子２０は、半導体基板１に形成してもよく、または半導体基板上に配置された層に形成してもよい。電池２は、同じ半導体基板１に形成してもよい。あるいは、電池２は、半導体基板１上に配置された層に形成してもよい。電池２と回路素子２０の間に素子分離トレンチ３０を形成して、集積回路３へのリチウム原子の拡散を防止してもよい。以上に記載の通り、素子分離トレンチ３０は、パッシベーション層１０の材料で満たしてもよい。利用される製造方法に応じて、集積回路３６のパッシベーション層１０および素子分離トレンチ３０は、同じ層から作製してもよい。

図２Ｂには、図２Ａに示した集積回路３６の上面図が示してある。電池２は、酸化ケイ素および／または窒化ケイ素で満たされてもよい素子分離トレンチ３０によって密閉される。ダイの周辺部分には、集積回路３が示してある。明らかに理解できるように、図２Ｂには、構成の一例のみが示してあり、さらに適切な構成が容易に考えられる。一実施形態によれば、エネルギーを利用するセンサまたは他の構成要素を、１つの集積回路３によって実装してもよい。さらに、エネルギー・ハーベスタを、他の集積回路３によって実装してもよい。この構成を用いる場合、センサを駆動するための電気エネルギーを、集積回路３６において生成して蓄積してもよい。切口３５は、集積回路３６の端部に配置してもよい。これらの集積回路３６のいくつかは、直列に接続してもよい。ハンダ付けパッドは、集積回路３６のハウジングの外側に配置してもよい。

図３には、電子装置５０の一実施形態が示してあり、いくつかのチップが、１つの層内に配置され、１つのハウジング５５によって収容されている。すなわち、この構成によれば、電池を含むいくつかの構成要素が、共通のパッケージによってパッケージ化される。しかし、これらは、モノリシックに集積化されるものではない。図に示すように、キャリア基板５４の一方の側には、たとえば、図１Ａおよび１Ｂに示した電池が配置された電池基板５１を含むいくつかのチップ、ならびに集積回路（ＩＣ）基板５３を配置してもよい。たとえば、ポリマー、セラミックなどの絶縁材料を含んでもよい中間素子５２ａ、５２ｂ、５２ｃは、電池基板５１とＩＣ基板５３の間に配置してもよい。図２Ａを参照して先に述べた回路素子２０は、ＩＣ基板５３内に配置してもよい。電池基板５１およびＩＣ基板５３は、キャリア基板５４によって、互いに物理的に接続される。さらに、キャリア基板５４内に導電線を配置して、構成要素間の電気接触を可能にしてもよい。たとえば、キャリア基板５４は、任意の適切な基板材料、またはセラミック、ポリマーなどの絶縁基板から作製してもよい。キャリア基板５４の厚さは、２０〜１００μｍでもよい。電池基板５１およびＩＣ基板５３の厚さは、ほぼ２００μｍでよい。図３に示す電子装置５０のサイズは、たとえば、半導体チップのサイズにほぼ同様でもよく、１×１ｍｍ^２〜数百ｍｍ^２の範囲、たとえば４×４ｍｍ^２または５×５ｍｍ^２でもよい。サイズが４×４ｍｍ^２のこのような電池の典型的な蓄電容量は、ほぼ約１０ｍＡｈ程度でもよい。一実施形態によれば、エネルギーを利用するセンサまたは他の構成要素は、ＩＣ基板５３に配置してもよいが、電池は電池基板５１に配置され、エネルギー・ハーベスタはＩＣ基板５３またはさらなる集積回路基板に配置される。この構成を用いる場合、センサを駆動するための電気エネルギーを、やはりセンサを備える電子装置５０において生成して蓄積してもよい。

図４には、電子装置６０のさらなる例が示してある。この電子装置６０は、第１の基板６１および第２の基板６２を備える。図１Ａおよび１Ｂに関して先に述べた電池が、第１の基板６１内に配置される。電気回路、たとえば図２Ａを参照して先に述べた回路素子２０を備える集積回路は、第２の基板６２内に配置してもよい。さらに、このような構成要素または回路素子は、第１の基板６１内に配置してもよい。たとえば、何らかの電気回路を第１の基板６１内に配置してもよく、追加の集積回路または回路素子を第２の基板６２内に配置してもよい。第１の基板６１および第２の基板６２を、１つの層に配置してもよい。しかし、これらの層を互いに異なる層に配置してもよい。たとえば、これらの層を積み重ねてもよい。第１の基板６１および第２の基板６２は、同じサイズでも異なるサイズでもよい。第１の基板と第２の基板、および／または第１の基板６１と第２の基板６２の各素子は、１つまたは複数のワイヤ６３によって相互接続してもよい。これらをハウジング６５によって収納してもよい。さらに、電子装置６０のハウジング６５の内部の構成要素は、接点６４を介してアクセス可能でもよい。電子装置６０内の構成要素の特定の構成は、たとえば、特定の使用条件および電子装置６０の特定の実装形態に依存してもよい。一実施形態によれば、電池が第１の基板６１に配置され、エネルギーを利用するセンサまたは他の構成要素が第２の基板６２に配置され、エネルギー・ハーベスタが第１の基板６１または第２の基板６２に配置されてもよい。この構成を用いる場合、センサを駆動するための電気エネルギーを、やはりセンサを備える電子装置６０において生成して蓄積してもよい。電子装置６０の典型的なサイズは、約１×１ｍｍ^２〜数百ｍｍ^２であり、たとえば１０×１０ｍｍ^２未満である。

図５には、電子装置７０のさらなる実施形態が示してある。この電子装置７０は、第１の電池７１ａ、および場合によっては第２の電池７１ｂを備える。明らかに理解できるように、電子装置７０は、３つ以上の電池を備えてもよい。第１の電池７１ａおよび第２の電池７１ｂは、別々のハウジング７２ａ、７２ｂによって収容される。さらに、第１の電池７１ａ、第２の電池７１ｂは互いに接続される。電子装置７０はさらに、別のハウジング７３によって収容された電子構成要素７４を備える。電子構成要素７４の例として、任意の種類の電気装置または前述の回路素子２０を含む。電子構成要素７４のさらなる例として、コンピュータ、たとえばパーソナル・コンピュータもしくはノートブック、サーバ、ルータ、ゲーム機、たとえばビデオ・ゲーム機、さらなる例として、ポータブル・ビデオ・ゲーム機、グラフィックス・カード、携帯型情報端末、デジタル・カメラ、携帯電話、任意の種類の音楽プレーヤなどのオーディオ・システム、ビデオ・システム、または、自動車、オートバイ、個人の輸送装置、もしくは電池駆動できる任意の種類の機器を含む。当業者には、電池駆動できる電子装置のさらなる例が容易に考えられる。たとえば、電子装置７４は、携帯用電子装置でも、非携帯用電子装置でもよい。図５に示した構成によれば、電池７１ａ、７１ｂならびに電子構成要素７４は、別々に収容されており、組み立てられて機能的な電子装置７０を形成してもよい。電子装置７０の典型的なサイズは、たとえば、１×１ｍｍ^２〜数百ｍｍ^２の範囲である。

図６〜１０には、電池および／または集積回路を製造するプロセスの一例が示してある。

以下に説明するプロセスは、半導体技術においてよく知られているいくつかの方法を使用する。したがって、同じチップ上に形成してもよい集積回路を処理するのに、電池の製造に対して実行される各ステップのいずれも使用することができる。図６〜１０に示した例には、電池素子のみを製造する各ステップが示してある。しかし、明らかに理解できるように、利用されるプロセスまたはその一部を使用して回路素子を処理してもよいが、それを各図面に明瞭に示してはいない。

図６Ａには、キャリアの一部分の横断面図が示してあり、図６Ｂには、キャリアの平面図が示してある。図６Ａの横断面図は、図６Ｂに示すＩ〜Ｉ間に沿って見たものである。以下の各図では、図６Ａおよび６Ｂに示したように、ＩＩ〜ＩＩ間の横断面図も示してある。分離トレンチ３０がキャリアに形成される。分離トレンチは、キャリア内にかなり深く延在し、その結果、後の処理ステップにおいてキャリアの裏側を薄くし、分離トレンチ３０を使用して隣接する電池を互いに絶縁してもよい。分離トレンチの位置を画定し、半導体処理の技術分野で一般に知られているドライエッチングまたはウェットエッチングを含む既知の処理によってエッチングするためのリソグラフィ法を含め、一般に知られた処理法を使用して、分離トレンチが形成される。図６Ｂには、平面図の一例が示してある。図６Ｂに示すように、分離トレンチは、キャリア部分１の中心部分を囲む。図示した分離トレンチ３０は長方形状を有しているが、他のどんな形状をとることもできる。具体的には、分離トレンチは、垂直および水平の連続線として形成して、メッシュを形成してもよい。分離トレンチ３０のそれぞれの幅は、後で説明するように、拡散隔壁を形成する材料で分離トレンチ３０を適切に満たすことができるように選択される。

したがって、溝３１は、キャリア１の表面に形成してもよい。溝３１は、一般に知られたエッチング法、たとえばＫＯＨを使用する湿式化学エッチングによって形成して、単結晶シリコンのキャリアが使用される場合には結晶方向に応じて溝の傾斜側面を実現してもよい。しかし、明らかに理解できるように、代替のエッチング法を利用してもよい。溝３１の深さは、電池の所望の蓄電容量を達成するように選択してもよい。溝３１の下端側は、活性シリコン表面を形成する。図７Ａには、溝３１を形成した後でのＩ〜Ｉ間のダイの横断面図が示してあり、図７Ｂには、ダイの平面図が示してある。

溝３１の下端側を覆わない状態で、拡散隔壁の機能を有してもよいパッシベーション層１０が、キャリアの表面上に形成される。パッシベーション層１０は、酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）および／または窒化ケイ素（Ｓｉ_３Ｎ_４）、ポリマー、イミド、スピンオン・ガラス（ＳＯＧ）、ポリエチレン、またはこれらの材料の任意の組合せを含んでもよい。さらなる例として、金属、または金属と前述の材料との組合せを含む。パッシベーション層１０が堆積している間、溝３１の下端側を適切な材料によってマスクして、パッシベーション層１０の堆積を防止してもよい。層の厚さを調整して、コンフォーマル・ライナまたは充填剤を分離トレンチ３０に形成してもよい。たとえば、後の処理ステップにおいて単電池を絶縁するために分離トレンチ３０が使用される場合、パッシベーション層１０はコンフォーマル・ライナを形成することができる。一方で、後の処理ステップにおいて分離トレンチ３０が素子絶縁トレンチとして使用される場合、パッシベーション層１０は充填剤を形成することができる。図８には、パッシベーション層１０をコンフォーマル・ライナとして形成した後の、一例の横断面図が示してある。

次いで、場合によっては、活性表面に３次元構造体を形成するための処理を実行して、その表面積を増大させてもよい。この処理は、リソグラフィ法、および、エッチング・プロセス、電気化学的プロセスの実行、湿式化学プロセス、適切な堆積プロセスを使用することによる自然の高温構造物の形成によるパターン形成を含んでもよい。それにより、Ｌｉイオンの挿入が容易になり、リチウムの挿入によるアノード材料の機械的な膨張が補償される。たとえば、トレンチ、ピラミッド、カラムなどを、溝３１の下端側に形成してもよい。たとえば、パッシベーション層１０をマスクとして使用して、これらのステップを実行してもよい。図９には、溝３１の下端側から垂直に延在するトレンチ構造３２が示してある。トレンチ構造３２は、溝３１の平面の底部側から測定した深さｄが約２０〜７００μｍでもよい。しかし、さらに、トレンチ構造３２に下部構造を形成してもよい。たとえば、トレンチ構造３２のそれぞれに、水平に延在する下部構造を形成してもよい。さらなる例では、トレンチ構造３２にメソ細孔などを形成して、その表面積を拡大してもよい。

その後、露出したシリコン材料上に薄い金属層１１が形成されて、アノードを形成する。金属層１１の厚さは、約１０〜１００ｎｍでもよい。その材料は、Ａｇ、Ａｌ、Ａｕ、Ｐｄ、またはＰｔなどの金属を含んでもよく、これらにはリチウムと合金を形成する可能性がある。さらなる例として、Ｚｎ、Ｃｄ、Ｈｇ、Ｂ、Ｇａ、Ｅｎ、Ｔｈ、Ｃ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｐｂ、Ａｓ、Ｓｂ、Ｂｅ、ＳｅおよびＴｅを含む。一般に知られているように、金属層１１は、スパッタリングまたは他の任意の堆積プロセスによって形成してもよい。その後、セパレータまたはセパレータ・スタック１８が溝３１に形成される。セパレータまたはセパレータ・スタック１８は、一般に知られている方法によって形成してもよい。次いで、電解質材料１２が、溝３１内に満たされる。これもまた、一般に知られている方法によって実行される。

その後、カソード１３が、溝３１上に配置される。カソード１３の材料は、前述の各例を含んでもよい。カソード１３は、一般に知られている方法で形成してもよい。最後に、シーラント材料１４が、カソード１３の表面上に形成される。その後、ダイが、裏側から薄くされることになる。たとえば、これは、化学的機械的研磨（ＣＭＰ）またはエッチングによって実行してもよい。薄くするこのステップにより、単電池を絶縁することができる。しかし、たとえば切断またはレーザ・カッティングなど、各素子を絶縁する代替方法が実行可能である。図１０には、電池を絶縁した後の横断面図の一例が示してある。

次いで、キャリア１の裏側に、裏側メタライゼーションが形成される。たとえば、まず既知の方法によってＴｉの界面層１５が形成され、それに続いて、銅または他の任意の適切な導電性材料などの金属層１６が形成されてもよい。金属層１６の厚さは、約５００ｎｍ〜５０μｍでもよい。

その後、金属層１６をパターン形成して、電池によって生成される電流を放電するための導電ラインを形成してもよい。

電池を製造するための各ステップを図６〜１０に示してきたが、この方法は、図２に示す集積回路を製造することができるように修正できることが明確に理解されよう。たとえば、半導体基板に形成された回路を含む集積回路、およびリチウム電池を製造するために、素子分離トレンチ３０（図２Ａ参照）を形成して、パッシベーション層を形成するステップにおいて充填剤が形成されるように、ある程度の幅を有することができる。

図１１には、電池を形成する方法の一例を示す流れ図が示してある。図に示すように、この方法は、基板の表面にアノードを形成するステップ（Ｓ１１）と、セパレータ素子を形成するステップ（Ｓ２１）と、セパレータ素子がカソードとアノードの間に配置されるようカソードを形成するステップ（Ｓ３１）と、アノード、カソード、および基板によって形成された空間（空洞部）に電解質を充填するステップ（Ｓ４１）とを含む。たとえば、アノードを形成するステップは、基板に溝を形成することによって基板の表面にパターン形成するステップを含み、この溝の壁がアノードを形成する。この方法はさらに、シリコン体の少なくとも一部分に、金属を含む層を形成するステップ（Ｓ５１）を含む。

図１２には、集積回路を製造する方法を示す。図に示すように、この方法は、半導体基板に回路素子を形成するステップ（Ｓ２、Ｓ２１、Ｓ２２、Ｓ２３）およびリチウム電池を形成するステップ（Ｓ３）を含んでもよく、リチウム電池を形成するステップは、半導体基板の表面上、または半導体基板上の半導体層にアノードを形成するステップ（Ｓ３１、Ｓ３２、Ｓ３３）を含む。半導体基板に回路素子を形成するステップ（Ｓ２１、Ｓ２２、Ｓ２３）、およびリチウム電池を形成するステップ（Ｓ３１、Ｓ３２、Ｓ３３）は、共通の処理ステップを含んでもよい。たとえば、それぞれの方法は、共通および非共通の処理ステップを含んでもよい。したがって、処理ステップには、続いて実行されるステップもあれば、同時に実行されるステップもある。

図１３には、一実施形態による電子装置４０が概略的に示してある。図１３に示すように、電子装置４０は、電気回路４１および電池４２を備えてもよい。電池４２は、たとえば図１Ａおよび１Ｂを参照してこれまで述べてきた電池でもよい。さらなる実施形態によれば、電池４２は、たとえば図２Ａおよび２Ｂを参照してこれまで述べてきた集積回路でもよい。より具体的には、電池４２はさらに、図２Ａに示した回路素子２０を備えてもよい。あるいは、図３および４に関してこれまで説明してきたように、電池４２および電気回路４１は、別々のチップまたはダイに実装してもよい。電池４２および電気回路４１が別々のチップに配置されるとき、電池４２は、相互接続部４４を介して電気回路４１と接続されてもよい。電気回路４１は、データを処理するための処理装置を備えてもよい。電気回路４１はさらに、データを表示するための１つまたは複数の表示装置を備えてもよい。電気回路４１はさらに、データを送信するための送信機を備えてもよい。電子装置４０はさらに、特定の電子システムを実装するように構成された構成要素を備えてもよい。一実施形態によれば、電子装置４０はさらに、電気エネルギーを電池４２に供給できるエネルギー・ハーベスティング装置４３を備えてもよく、このエネルギーは、太陽、熱、運動、または他の種類のエネルギーから生成されたものである。たとえば、電子装置４０は、タイヤ空気圧センサなどのセンサでもよく、電気回路４１はさらに、センサ回路、および、場合によっては、検知したデータを外部受信機に送信する送信機を備える。別の実施形態によれば、電子装置４０は、アクチュエータ、ＲＦＩＤタグ、またはスマート・カードでもよい。たとえば、スマート・カードはさらに、指紋センサを備えてもよく、このセンサは、電池４２が供給するエネルギーを使用して動作してもよい。

これまで本発明の各実施形態を説明してきたが、さらなる実施形態を実施してもよいことが明らかである。たとえば、さらなる実施形態は、特許請求の範囲に示す特徴の任意のサブコンビネーション、または前述の各例で説明した要素の任意のサブコンビネーションを含んでもよい。したがって、添付特許請求の範囲に記載のこの精神および範囲は、本明細書に含まれる各実施形態の説明に限定すべきではない。

Claims (11)

1. 同一のシリコン基板上に、回路素子とともに形成されるリチウム電池であって、
   前記シリコン基板の表面に溝が形成され、
   前記リチウム電池は、
   前記シリコン基板の溝に一体形成されたアノードと、
   前記溝によって、前記アノードとの間に空洞部が形成されるように形成されたカソードと、
   前記空洞部に充填された電解質と
   を備えるリチウム電池。
2. 前記シリコン基板の溝は、前記アノードの活性面積を増大させる三次元表面構造を有する、請求項１に記載のリチウム電池。
3. 前記シリコン基板の溝はメソ細孔を有するようにパターン形成されている、請求項２に記載のリチウム電池。
4. 前記シリコン基板の溝が、複数の溝またはカラムを画定するようにパターン形成されている、請求項１に記載のリチウム電池。
5. 請求項１に記載のリチウム電池と、
   電気回路と
   を備える電子装置。
6. 前記電気回路は、前記シリコン基板とは別のシリコン基板上に形成されている、請求項５に記載の電子装置。
7. 前記回路素子が、エネルギー受取り装置、エネルギー放射装置、信号処理回路、情報処理回路、情報記憶回路、トランジスタ、キャパシタ、抵抗器、ＭＥＭＳ（微小電気機械システム）装置、センサ、アクチュエータ、エネルギー・ハーベスタ、エネルギー変換装置、表示装置、ビデオ装置、オーディオ装置、音楽プレーヤ、および各装置のいずれかの構成要素からなる群から選択される、請求項５または６に記載の電子装置。
8. 前記電子装置が、センサ、アクチュエータ、ＲＦＩＤ（無線周波数認識装置）タグ、およびスマート・カードからなる群から選択される、請求項５から７のいずれか一項に記載の電子装置。
9. 同一のシリコン基板上に、回路素子とともにリチウム電池を形成する、リチウム電池の製法であって、
   前記シリコン基板の表面をパターン形成して溝を画定するステップと、
   前記シリコン基板の溝にアノードを一体形成するステップと、
   前記アノードとの間に空洞部が形成されるようにしてカソードを形成するステップと、
   前記空洞部に電解質を充填するステップと
   を含む、リチウム電池の製法。
10. 前記溝を画定するステップは、複数のメソ細孔を形成するステップを含む、請求項９に記載のリチウム電池の製法。
11. 前記溝を画定するステップは、複数の溝またはカラムを画定するステップを含む、請求項９に記載のリチウム電池の製法。

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