TW201342406A - 多孔矽電化學電容器的製造 - Google Patents

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Abstract

本發明揭述一種形成微電子結構之方法。諸方法之實施例可包括藉由在低純度材料形成孔隙，以形成一電化學電容器裝置。本文內所述之許多實施例可使用低成本技術達成高電容性裝置之製造。

Description

多孔矽電化學電容器的製造
本發明關於多孔矽電化學電容器的製造。
包括電池及電容器在內之電荷儲存裝置廣泛使用在電子裝置中。特別是，電容器廣用於從電路與電力輸送到電壓調節與電池更換之應用上。隨著電容器技術持續發展，已出現許多類型。例如，包括電偶層電容器(EDLCs)在內之電化學電容器(除了其他名稱之外)亦稱為超級電容器，其係一具有高能量儲存及電力密度、小尺寸、及質輕之電容器類型，且其已成為使用在許多應用中之最佳候選。
在文後之詳細說明中，請參閱附圖，圖中揭示可實施之特定實施例。這些實施例詳細揭述以供熟悉本項技術人士實施本實施例。應該瞭解的是許多實施例雖有不同，但是不必然為互斥。例如，在不脫離其精神及範疇下，與一實施例相關聯之本文內所述特性、結構、或特徵也可以在其他實施例內執行。此外，應該瞭解的是在不脫離其精神及範疇下，各揭露實施例內之個別元件之位置或配置方式可以修改。因此，文後之詳細說明並無拘限意味，且實施例之範疇僅由文後適度闡釋之申請專利範圍伴隨其全範圍等效技術而界定。在圖中，數個圖面之相同元件符號表示 相同或相似功能。
本發明揭露形成及使用微電子結構之方法及相關聯結構，例如，電化學電容器結構。這些方法及結構可包括藉由形成孔隙於一低純度矽基板中而形成低純度多孔矽結構。本文內所述之許多實施例可達成使用低成本技術製造高電容性裝置。降低能量儲存用之多孔矽超級電容器的製造成本包括使用矽材料，例如低純度矽、冶金級矽、單晶矽、多晶矽、及噴霧矽。降低這些成本之製造過程包括批次原子層沉積(ALD)、捲對捲ALD及批次電化學蝕刻系統。
圖1a-1g揭示形成微電子結構之實施例，例如低純度、低成本之多孔矽結構。圖1a揭示一方法之流程圖，藉此使電化學電容器結構可形成於低純度矽基板上。在一實施例中，在步驟101，可以取得一低純度矽基板/材料。低純度基板可包含大約99.999%或更低之純度，以致使此一基板之成本大幅低於一較高純度基板之成本，例如一般使用在微電子裝置製造上者(在某些情況中，此高純度基板包含一99.9999999%或更高之純度，及其要花費達到25倍於本文實施例之低純度多孔矽材料者的成本)。
例如，在某些情況中，相較於成本高達每磅25美元之高純度(>99.9999999%)頂級矽，低純度(99.999%)矽成本為每磅大約1至6美元。在實施例中，一低純度多孔矽結構(容後詳述)可以藉由使用低純度99.999%或更低矽原料形成之多晶矽或單晶矽作為一原始材料而製 備。欲進一步減低成本時，在某些實施例中，這些低純度矽基板可藉由省略一或多個用於製備頂級矽基板之晶圓製程步驟而製備，例如研磨、蝕刻、拋光、等等。
低純度矽材料包含雜質，例如碳、氧、氮、鐵、鋁、銅、鈦、錳、鉻、鎳、鈣、鋯、鈉、及鋅，其可使用成分測量技術偵測，例如包括感應耦合電漿質譜法(ICP-MS)、二次離子質譜法(SIMS)、及輝光放電質譜法(GDMS)之光譜技術。這些雜質在低純度矽材料中是以遠高於習知技術一般用於裝置製造之較高純度矽材料中所發現者的雜質濃度存在。例如，在某些情況中，低純度矽材料中所發現之雜質濃度可以是大約100倍於較高純度矽材料中所發現者。在一實施例中，低純度矽材料可以摻入一p型摻雜劑或一n型摻雜劑的其中之一，例如硼或磷。
在圖1a之步驟103，孔隙/通道可形成於低純度矽基板中，以形成一多孔低純度矽結構。此一多孔低純度矽結構例如可使用作為一電化學電容器或其他相似能量儲存裝置之一部分。在一實施例中，一蝕刻劑可用於在低純度矽材料中製成多孔結構。舉例而言，一低純度多孔矽結構可以藉由一氫氟酸混合物蝕刻一低純度矽基板而產生，及其亦可含有一有機溶劑，例如異丙醇或乙醇。
在另一實施例中，電化學蝕刻在某些情況下可包含批次電化學蝕刻，其可用於在低純度矽材料中形成孔隙。在另一實施例中，可以藉由使用諸如陽極化與染色蝕刻產生多孔性。在某些情況中，含有一大約20微米深度106之 孔隙104可在大約5分鐘內形成於低純度矽基板100中，以形成低純度多孔矽結構102(圖1b)。在其他實施例中，孔隙深度106可以達到大約300微米。孔隙深度可依特殊應用改變。
各孔隙104具有一朝向低純度多孔矽結構102之表面109的開口。在一實施例中，開口隨後可依特殊應用要求而由形成於開口上方之一層外延矽覆蓋，其例如作為一供生長於通道/孔隙104頂部上之電路或其他配線位置。根據實施例之低純度多孔矽結構102可製成具有極精準及均一之孔隙大小分佈(對比於活性碳)。此容許快速充電(孔隙大小可經最佳化，以利於與陰離子及陽離子之尺寸相容)及亦增進使用本實施例低純度多孔矽結構102之電荷儲存裝置的電容值。
應該注意的是以不同於上述情形形成之活性(多孔)碳典型上有一不同結構-即其特徵在具有無表面開口之全圍封式孔穴。同樣應該注意的是本案諸圖中所示之孔隙104為高度理想化，即其揭示為僅在垂直方向延伸。在一些實施例中，通道/孔隙104分支於多數個方向，以產生一糾結、無序模式。在一實施例中，孔隙104可包含一漸縮形結構，亦即孔隙之頂部可包含一直徑且較大於孔隙之底部直徑。
復參閱圖1a，在步驟105，一導電性材料可形成於低純度多孔矽結構之至少一孔隙內。該至少一孔隙104可使用一製程(例如捲對捲技術)、一批次製程及/或一原子 層沉積製程(ALD)(圖1c)，以一導電性材料111塗佈/內襯。在一實施例中，低純度多孔矽結構102可放置於一沉積系統中，例如但是不限定的有一ALD系統及/或一流延系統。例如，捲對捲ALD或批次ALD處理也可使用於流動前驅物以供形成薄膜於低純度矽基板上，或流動通過低純度矽基板。同樣地，可以使用批次電化學蝕刻系統，其中在一些實施例中晶圓可以在一多容室系統中呈電氣串聯。
請參閱圖3a，一用於塗佈一低純度多孔矽結構302之ALD系統320可包括一平移系統、捲對捲組態，其中導電性材料可形成/塗佈於低純度多孔矽結構/基板302上，其在某些情形下可以是一晶圓形式。ALD系統320包括氣體用之孔，氣體可流過/穿過低純度矽基板，根據特殊應用，其例如為氮301、三甲基鋁(TMA)303、水305、等等。低純度多孔矽結構302可移動通過系統，以用於高體積製造應用。
在另一實施例中，一使用穿過基板ALD之系統322(圖3b)可用於塗佈供晶圓/低純度多孔矽結構302用之低純度多孔矽結構中的孔隙/通道，孔隙/通道係完全蝕刻貫穿，在此情況中沉積製程可以快很多。例如可以使用TMA 303及N2 301等氣體。在一實施例中，此可使用一捲對捲ALD製程進行。在另一實施例中，製程可以使用一批次ALD反應器(圖中未示)完成，其可在0.1與760托(Torr)之間操作。使用一ALD系統之優點在於其有 助於終止表面處之結合或改善晶圓302內之孔隙表面之可濕性。增加孔隙之可濕性即提供一電解質貫穿較深至低純度多孔矽結構302之孔隙內，藉此增加一使用低純度多孔矽結構302之電荷儲存裝置之電容。
可形成並可作為低純度多孔矽結構之孔隙之內襯的導電性材料111減少低純度多孔矽結構之有效串聯電阻(ESR)，藉此提升性能。例如，一具有較低ESR之裝置可輸送較高功率(其可由較大加速度、較大馬力、等等表示)。對比之下，較高ESR(一般為內部有電池之狀況)則限制了可用能量，至少一部分歸因於許多能量是以熱的形式消耗。適當導電性材料111之範例包括但是不限定的有鎢、鋁、銅、鎳、鐵、鈷、碳(石墨烯)、鈀、釕、錫、及含錫合金、氮化鋁鈦(AlTiN)、氮化鈦(TiN)、氮化鎢(WN2)、氮化鉭(TaN)、氮化鎢鈦(W-Ti-N)、氮化鈦矽(Ti-Si-N)、氮化鎢矽(W-Si-N)、氮化鈦硼(Ti-B-N)、及氮化鉬(Mo-N)。在一情況中，例如一超導電性TiN膜(電阻低到20μ ohm-cm)可使用一ALD製程沉積。
在一實施例中，導電性材料111可用於維持或增強低純度多孔矽結構之導電率-特別是低純度多孔矽結構之多孔性超過大約20%者。在一實施例中，導電性材料111可使用如圖3a-3b中所示之一系統，以例如電鍍、無電電鍍、化學氣相沉積(CVD)、及/或ALD製程施加。若有需要，低純度多孔矽結構也可以摻入一設計用於增加結構 導電率之摻雜劑(例如硼、砷、或磷)。
在另一實施例中，一材料可形成於多孔結構內，以利於形成一偽電容器。在一些實施例中，材料可以是一過渡金屬氧化物，例如MnO2、RuO2、NiOx、Nb2O5、或V2O5。在其他實施例中，材料可以是WC、VN、或一導電性聚合物。在同一或其他實施例中，在多孔結構內形成材料可以使用一ALD製程完成。其他沉積或形成方法也可以使用。偽電容器係另一等級之電化學電容器，其中取代EDL電容的是一不同類型電容-其原為法拉第電流式且非靜電式-可出現於某些類型之電極處。此不同類型電容即稱為「偽電容」。偽電容器係能量儲存裝置，其行為有如電容器但是也會呈現反應而造成電荷儲存。典型上，一偽電容器之其中一電極係以過渡金屬氧化物塗佈。這些材料可以配合一電解質使用，例如氫氧化鉀(KOH)。當偽電容器裝置充電時，電解質將在一反應中與過渡金屬氧化物材料反應，以容許能量以相似於電池能量儲存之情形儲存。更明確地說，這些材料透過高可逆性表面與次表面氧化還原(法拉第)反應而儲存能量，但是同時電偶層能量儲存機構仍存在並提供高功率之可能性。
在另一實施例中，一介電性材料可形成於低純度多孔矽結構之至少一孔隙內(復參閱圖1a，步驟107)。可包括高k介電性材料之介電性材料113可包含一至少大約3.9之介電常數及可襯裡於低純度多孔矽結構102之孔隙104(圖1d)。在一實施例中，介電性材料113可沉積於 導電性材料111上而導電性材料沉積於低純度多孔矽基板100上。在另一實施例中，導電性材料111可沉積於介電性材料113上而介電性材料可直接形成於低純度多孔矽基板100上。
大抵上，高能量密度對於電容性結構而言係一所需特徵。為了增加可達成之能量密度，本文內之實施例結合了可容許較高崩潰電壓之材料，例如本實施例中所用之導電性材料111及介電性材料113。因此使用本實施例低純度多孔矽結構之電荷儲存裝置的整體崩潰電壓即增加。
舉例而言，增加崩潰電壓之材料可以是良好之電絕緣體或者其可以是極為電化學惰性(例如水銀)。若這些材料也有高介電常數，例如高k材料，則材料可以具有增加電容及減少漏電流等額外效益。另者，各別層或材料可用於此目的，亦即一材料用於隨著各別高k材料而增加崩潰電壓。使用高崩潰電壓材料並連同多孔結構與有機電解質之電荷儲存裝置具有遠大於不具有諸此組件之電荷儲存裝置者的能量密度。
圖1e-1f說明電荷儲存電化學電容器裝置之實施例。在圖1e所示之一實施例中，一電荷儲存裝置122包含一電絕緣體及離子導體130，用於將一第一低純度多孔矽結構110分隔於一第二低純度多孔矽結構120，其中電絕緣體130包含一介電性材料。第一及第二低純度多孔矽結構之至少一者包含孔隙104(例如相似於圖1d之孔隙)。在一實施例中，第一及第二低純度多孔矽結構110、120 可以藉由介置之隔離件130而面對面接合。第一及第二低純度多孔矽結構110、120之至少一者之孔隙104可以進一步包含一離子材料150，例如離子電解質150。第一及第二低純度多孔矽結構110、120的其中之一可以是正側(電極)及另一低純度多孔矽結構可以是負側(電極)。
舉另一範例而言，在圖1f之實施例中，電荷儲存電化學電容器裝置124包含一單一平面形多孔結構，其中一第一段(低純度多孔矽結構110)係藉由一含有隔離件130之渠溝131而分隔於一第二段(低純度多孔矽結構120)。第一及第二低純度多孔矽結構110、120的其中之一可以是正側(電極)及另一低純度多孔矽結構可以是負側(電極)。隔離件130容許離子從電解質150轉移，但是防止電極之間之一電氣接觸。
在一使用到電解質150之實施例中，可以形成二電偶層(EDL)，一在低純度多孔矽結構110之孔隙中及另一在低純度多孔矽結構120之孔隙中。圖1g中所簡示之電偶層可補充或替代上述介電性材料130。如圖1g中所示，一電偶層(EDL)132已形成於其中一孔隙/通道104內。EDL 132係由二層離子構成，其中之一為通道/孔隙104之側壁之電荷(在圖1g中所示為正，但是其亦可為負)，及其中另一係由電解質150中之自由離子形成。EDL 132將表面電絕緣，因此提供電容器發揮功能所需之電荷分離。電偶層電容器之大電容及能量儲存電位即因電解質離子與電極之間之小(大約1 nm)分隔而產生。
應該注意的是當一電荷儲存裝置(例如電荷儲存裝置122、124)放電時，EDL即耗盡。本文內所指之「藉由一電絕緣體及離子導體而彼此分隔之一第一低純度多孔矽結構及一第二低純度多孔矽結構」更明確為包括如上所述電絕緣體僅在電荷儲存裝置充電時存在之狀況。
在一些實施例中，電解質150係一有機電解質。舉例而言，電解質可以是有機材料之一液體或固體溶液，例如在乙晴中之四氟硼酸四乙基銨。其他範例包括硼酸基溶液、硼酸鈉、或弱有機酸。另者，(非有機)水性溶液可以使用作為電解質。
在另一實施例中，取代使用低純度矽基板，例如低純度矽晶圓，一方法可用於使一低純度矽顆粒/粉末材料(例如冶金級矽粉或顆粒)在一溶液中處理，以令其呈多孔性(例如使用一電化學蝕刻或陽極化製程)。依據粉末粒度，可以蝕刻孔隙穿過顆粒之至少一部分(若非完全是微米尺寸顆粒)，產生一具有高表面積之低純度多孔矽顆粒網絡。在另一實施例中，低純度矽粉或顆粒可以在用於形成多孔結構之電化學蝕刻製程後形成。亦即，低純度多孔矽結構形成後，低純度多孔矽結構可在蝕刻孔隙之後碎裂成顆粒。此外，低純度多孔矽結構可在低純度多孔矽粉/顆粒形成前使用例如ALD的技術塗覆以一導電體或介電性材料。
低純度多孔矽粒度典型上可以是數微米左右，但是其可藉由使用例如超音波或一球磨製程等技術碎裂成100 nm尺寸之顆粒。低純度多孔矽粉隨後可沉積於具良好導電率之多孔結構上，例如多孔之鋁支架或泡沫上。導電性及機械性穩定之黏結劑(例如碳奈米管或導電性聚合物)可用於將含有一可控制粒度與多孔性等之顆粒互連。低純度多孔矽粉可以噴鑄/燒結至任意類型之表面、基板、或薄膜上。在一實施例中，此一含有低純度多孔矽粉之基板可以使用一捲對捲方法藉由溶液沉積而製備。此低純度多孔矽材料之粉末形式之使用可大幅減低製造電化學電容器結構(例如超級電容器)之材料成本。
欲製備低純度多孔矽顆粒/粉末以用於能量儲存時，表面可以藉由晶圓形式或粉末形式ALD、進一步之HF/HNO3/H2O處理以產生可控制之3-5 nm表面元件、在氣體環境中之熱退火、或在溶液中之濕式化學處理而修改。諸處理產生一導電性、鈍化、穩定之低純度多孔矽粒表面，供一偶層形成於其上。為了提升低純度多孔矽粒之機械性聯結，顆粒可以隨著導電性及/或結構性穩定之黏結材料在水性或非水性溶液中混合。在一實施例中，低純度多孔矽粒接著可從溶液澆鑄至電極結構上，例如質輕之導電性支架，藉此製成電化學電容器裝置用之電極。在一實施例中，複數個非連續性電極(例如質輕之支架)可設置與一電解質接觸，其中低純度多孔矽粒沉積於電極上，以形成一電化學電容器裝置。
這些支架可以基於成捲之箔片(其本質上可為多孔性或紋理化)相容於一捲對捲、可調整大小之製程，以用於 低純度多孔矽粒之溶液澆鑄。在一實施例中，為了製成一最終之電化學電容器裝置，這些塗佈低純度多孔矽粒與黏結材料之薄膜式集收器可與一電解質一起夾合。在一實施例中，一流延法/製程可用於沉積由低純度多孔矽粒組成之平滑薄膜。
圖2a說明一根據一實施例之方法。在一實施例中，可以取得低純度矽粒(步驟210)，其中孔隙可形成於其內，以形成低純度多孔矽粒(步驟220)。在步驟225，低純度多孔矽粒可塗佈一導電性及一介電性材料之至少一者。塗佈可以使用一塗佈製程達成，例如且不欲限定的有ALD製程。在步驟230，低純度多孔矽粒可與一黏結材料混合。在步驟240，低純度多孔矽粒可從溶液澆鑄至一基板上(例如一支架)，以形成一電化學電容器電極結構之一部分。
圖2b說明另一根據一實施例之方法。在一實施例中，可以取得低純度矽基板(步驟250)，其中孔隙可形成於其內，以形成一低純度多孔矽基板(步驟260)。在步驟270，低純度多孔矽可碎裂以形成低純度多孔矽粒。在步驟280，可使用一導電性及一介電性材料之至少一者塗佈低純度多孔矽粒。塗佈可以使用一塗佈製程達成，例如且不欲限定的有ALD製程。在另一實施例中，低純度多孔矽基板可在形成低純度多孔矽粒前先塗佈。在步驟290，低純度多孔矽粒可與一黏結材料混合。在步驟292，低純度多孔矽粒可從溶液澆鑄至一基板上(例如一 支架)，以形成一電化學電容器電極結構之一部分。
本實施例之電化學電容器結構可用於形成低頻解耦合電容器，其可用於電力輸送及簡化未來電力需求。本實施例之電化學電容器結構可在多核芯微處理器中及較小型裝置中達成渦輪加速模式之操作，而其一般需要較高電容量，亦即越小型則電容密度越高。
根據本實施例之電化學電容器裝置使用與矽處理科技相容之低成本多孔矽。這些低成本、低純度多孔矽之電化學電容器裝置可超越每公斤及每公升之電池電量。因此，諸實施例可達成具有能量密度較高於電池者之電化學電容器結構。本實施例之低成本多孔矽結構/粒也可以用於形成偽電容器或混合型超級電容器-電池電極，以及傳統電池裝置中之電極。本文內之電化學電容器結構之一優點在於其可快速充電及放電，因為其並不依賴化學反應儲存能量。其在有效期限內亦不致嚴重劣化，即使在快速充電及放電時，同時其對溫度則比習知電池更不敏感。
以本文內所含括之低成本、低純度多孔矽結構製成之裝置具有一密度2.3290 g．cm-3，其相似於碳石墨者(2.267 g．cm-3)。因此，本實施例之電化學電容器裝置具有相似於可使用碳製備者之多孔性及重量。根據本文實施例製成之電化學電容器裝置之一項應用為其可整合於矽裝置內或封裝上，以提供具快速反應之能量儲存裝置。
本文實施例之另一項應用為電化學電容器裝置可以和電池一起使用在一系統中，以保護電池免於高功率猝發， 藉此延長電池壽命。同樣地，電池中之電極可以藉由使用本文內之電化學電容器結構而製成較薄，因為其可提供高功率需求，藉此減輕其重量。此外，任何具有瞬間高能量、高功率需求之裝置皆可因併合本文實施例內所述之低純度多孔矽結構/粒而獲益。同樣地，本實施例內所述裝置之快速充電及放電時間改善一使用者之經驗，致使其為行動裝置所需者，例如智慧型手機及其他可攜式裝置。廣泛而言，由於能量儲存對於間歇性之替代能源很重要，例如太陽能及風力應用，所以本文內所述之低純度多孔矽結構/粒可用於諸如太陽能及風力裝置等應用中。
圖4係方塊圖，代表一根據本發明實施例之行動電子裝置4000。如圖4中所示，行動電子裝置4000包含一基板4010，可供一微處理器4020與一相關聯於微處理器4020之電荷儲存裝置/電化學電容器裝置4030設置於其上。電荷儲存裝置4030可以定位在遠離於微處理器4020之基板4010上，如圖中之實線所示，或定位在微處理器4020本身上，如圖中之虛線所示。在一實施例中，電荷儲存裝置4030包含藉由一電絕緣體而彼此隔離之第一及第二低純度多孔矽結構，其中第一及第二低純度多孔矽結構之至少一者包含一含有多個通道/孔隙之低純度多孔矽結構，例如本文實施例內所述者。
舉例而言，本實施例可以相似於(及包括)圖1e-1f中所示及文內所述之一或多個實施例。在至少一些實施例中，電荷儲存裝置4030係行動電子裝置4000內所包含的 複數個電荷儲存裝置(其全部在圖4中由方塊4030代表)的其中之一。在諸實施例之一或多者中，行動電子裝置4000進一步包含一與電荷儲存裝置相關聯之切換網路4040。當一電容器放電時，其典型上並不維持一恆壓，而是呈指數性衰減(不同於電壓在放電期間仍較恆定之電池者)。切換網路4040包含電路或某些其他機構，用於切換不同電容器進出，以致維持一較恆定電壓。例如，電荷儲存裝置初始可彼此並聯及在衰減某一電壓量後，電荷儲存裝置之一次組可由切換網路改變，以利於串聯，致使其個別電壓可升高整體下滑之電壓。在一實施例中，切換網路4040可使用現有矽裝置科技實施，如同此技藝中所用者(電晶體、矽控整流器(SCR)、等等)，而在其他實施例中，其可使用微電機系統(MEMS)繼電器或開關實施(請注意其應有極低電阻)。
在一些實施例中，行動電子裝置4000進一步包含一與電荷儲存裝置4030相關聯之感測器網路4050。在至少一些實施例中，複數個電荷儲存裝置將各有其感測器，用於指出電荷儲存裝置之某些行為參數。例如，感測器可以指出現在的電壓位準、以及接續之放電反應，兩者為可供切換網路使用之參數-特別是在所用之介電性材料(或其他電絕緣體)並非線性，而是具有一隨著電壓改變之介電常數的情況中。在諸情況中，有利的是隨著感測器網路而包括一有限狀態機，例如一瞭解介電質行為並據此而響應之電壓控制單元4060。一瞭解介電質行為之電壓控制單 元可以補償任意非線性。一與電荷儲存裝置4030相關聯之溫度感測器4070也可以包括在內，以利感應溫度(或其他安全性相關參數)。在某些實施例中，行動電子裝置4000進一步包含下列之一或多者：一顯示器4081、天線/射頻(RF)元件4082、一網路介面4083、一資料輸入裝置4084(例如一鍵盤或一觸控螢幕)、一麥克風4085、一照相機4086、一投影機4087、一全球定位系統(GPS)接收器4088、及類似者。
圖5係方塊圖，代表一根據本發明實施例之微電子裝置5100。如圖5中所示，微電子裝置5100包含一基板5110、一設於基板5110上之微處理器5120、及一根據本文內實施例且與微處理器5120相關聯之電荷儲存裝置/電化學電容器裝置5130。電荷儲存裝置5130可以定位在遠離於微處理器5120之基板5110上(例如一晶片側電容器)，如圖中之實線所示，或定位在微處理器5120本身上(例如在微處理器上方之一內建層中)，如圖中之虛線所示。在一實施例中，電荷儲存裝置5130包含藉由一電絕緣體而彼此隔離之第一及第二低純度多孔矽結構，其中第一及第二低純度多孔矽結構之至少一者包含多數個通道/孔隙。舉例而言，本實施例之低純度多孔矽結構可以相似於圖1e-1f中所示及文內所述之一或多個實施例。
本文內所揭露之電荷儲存裝置可以在一些實施例中使用作為微電子裝置5100內之一解耦合電容器-即其較小型及為了本文內其他處所述之理由而提供比現有解耦合電容 器者更高電容及更低阻抗。如上所述，電荷儲存裝置5130可以是一支撐積體電路(IC)或晶片之一部分或其可定位在微處理器本身上。舉例而言，根據本發明之實施例，吾人可以在一微處理器晶片上形成多個低純度多孔矽(或上述之相似者)之區域，及隨後在微處理器晶片之基板正上面產生一高表面積嵌埋式解耦合電容器。因為低純度矽之多孔性，嵌埋式電容器即有極高表面積。針對所揭露電荷儲存裝置之其他可行使用方式包括使用作為一記憶體儲存元件(其中嵌埋式DRAM之z方向尺寸問題可以藉由大幅增加每單位面積之法拉數而解決)，或使用作為升壓電路中之電壓轉換器之一組件，或許使用在電路區塊、個別微處理器核心、或類似者。
舉例而言，較高電容值在本文內是有利的，因為部分電路可以表面上在某一(較低)電壓運作，但是在需要較高電壓以增加速度處(例如快取記憶體、輸入/輸出(I/O)應用)，電壓可以升高至一較高值。此類型之一操作方案可能在處處使用較高電壓的情況下較佳，亦即僅少量電路需要一較高電壓的情況，其可能較佳為從小部分電路用之一較低基線電壓升高電壓，而不是從大部分電路用之一較高基線值降低電壓。未來世代之微處理器也可以使用本文內所述類型之電壓轉換器。有較多電容用於配置在一封裝周圍或一微處理器晶片周圍可有助於解決目前在一電路周圍轉移電壓的電晶體之間無法忍受的高電感問題。
儘管以上說明已明確指出可用於本實施例中之某些步驟及材料，習於此技者應該瞭解仍有許多修改及替代型式。據此，其目的在於所有諸此修改、變換、替代及增補應視為屬於申請專利範圍所界定之本實施例精神及範疇內。本文內所提供之圖式揭示僅舉例關於實施例實施方式的微電子結構之一部分。因此諸實施例並不限於本文內所述之結構。
100‧‧‧低純度矽基板
102‧‧‧低純度多孔矽結構
104‧‧‧孔隙
106‧‧‧深度
109‧‧‧表面
110‧‧‧第一低純度多孔矽結構
111‧‧‧導電性材料
113‧‧‧介電性材料
120‧‧‧第二低純度多孔矽結構
122‧‧‧電荷儲存裝置
124‧‧‧電荷儲存電化學電容器裝置
130‧‧‧隔離件
131‧‧‧渠溝
132‧‧‧電偶層
150‧‧‧離子電解質
301‧‧‧氮
302‧‧‧低純度多孔矽結構
303‧‧‧三甲基鋁
305‧‧‧水
320‧‧‧原子層沉積系統
322‧‧‧系統
4000‧‧‧行動電子裝置
4010‧‧‧基板
4020‧‧‧微處理器
4030‧‧‧電荷儲存裝置/電化學電容器裝置
4040‧‧‧切換網路
4050‧‧‧感測器網路
4060‧‧‧電壓控制單元
4070‧‧‧溫度感測器
4081‧‧‧顯示器
4082‧‧‧天線/射頻(RF)元件
4083‧‧‧網路介面
4084‧‧‧資料輸入裝置
4085‧‧‧麥克風
4086‧‧‧照相機
4087‧‧‧投影機
4088‧‧‧全球定位系統(GPS)接收器
5100‧‧‧微電子裝置
5110‧‧‧基板
5120‧‧‧微處理器
5130‧‧‧電荷儲存裝置
儘管本說明書係總結以特別指出及明確主張某些實施例之申請專利範圍，許多實施例之優點則可從審讀實施例之說明及附圖而獲確實肯定，其中：圖1a代表一根據實施例之形成結構方法之流程圖。
圖1b-1g代表根據實施例之結構。
圖2a-2b代表根據實施例之方法之流程圖。
圖3a-3b代表根據實施例之系統。
圖4-5代表根據實施例之系統。
100‧‧‧低純度矽基板
102‧‧‧低純度多孔矽結構
104‧‧‧孔隙
106‧‧‧深度
109‧‧‧表面
110‧‧‧第一低純度多孔矽結構
111‧‧‧導電性材料
113‧‧‧介電性材料
120‧‧‧第二低純度多孔矽結構
122‧‧‧電荷儲存裝置
124‧‧‧電荷儲存電化學電容器裝置
130‧‧‧隔離件
131‧‧‧渠溝
132‧‧‧電偶層
150‧‧‧離子電解質

Claims (71)

  1. 一種製造電荷儲存結構之方法，該方法包含：在一低純度矽基板中形成孔隙，以形成一低純度多孔矽結構。
  2. 如申請專利範圍第1項之方法，進一步包含其中該孔隙包含一達到大約300微米之深度。
  3. 如申請專利範圍第1項之方法，進一步包含在該孔隙內形成一導電性材料，其中該導電性材料形成該孔隙內襯層。
  4. 如申請專利範圍第3項之方法，進一步包含其中該導電性材料係藉由一原子層沉積製程形成。
  5. 如申請專利範圍第4項之方法，其中該導電性材料係使用一捲對捲製程及一批次製程的其中之一形成。
  6. 如申請專利範圍第4項之方法，其中該原子層沉積製程流動通過該低純度多孔矽結構。
  7. 如申請專利範圍第3項之方法，進一步包含在該導電性材料上形成一介電性材料。
  8. 如申請專利範圍第3項之方法，進一步包含其中該導電性材料包含鎢、鋁、銅、鎳、鐵、鈷、碳、鈀、釕、錫、氮化鋁鈦、氮化鈦、氮化鎢、氮化鉭、氮化鎢鈦、氮化鈦矽、氮化鎢矽、氮化鈦硼、及氮化鉬其中至少一者。
  9. 如申請專利範圍第1項之方法，進一步包含在該孔隙內形成一介電性材料。
  10. 如申請專利範圍第9項之方法，進一步包含在該介電性材料上形成一導電性材料。
  11. 如申請專利範圍第9項之方法，進一步包含其中該介電性材料包含一高k介電性材料。
  12. 如申請專利範圍第1項之方法，進一步包含其中該電荷儲存結構包含一電化學電容器結構之一部分。
  13. 如申請專利範圍第1項之方法，進一步包含形成一電化學電容器，其包含由一電絕緣體分隔之一第一低純度多孔矽結構及一第二低純度多孔矽結構。
  14. 如申請專利範圍第13項之方法，其中該電絕緣體可供離子導通。
  15. 如申請專利範圍第1項之方法，進一步包含使用一電解質以在一孔隙內形成一電偶層，及其中該孔隙包含該電偶層之一通道。
  16. 如申請專利範圍第1項之方法，進一步包含其中該低純度基板包含冶金級矽及多晶矽的其中之一。
  17. 如申請專利範圍第1項之方法，進一步包含其中該低純度多孔矽結構包括一p型摻雜劑及一n型摻雜劑的其中之一。
  18. 如申請專利範圍第1項之方法，其中該孔隙包含一漸縮形結構。
  19. 如申請專利範圍第13項之方法，進一步包含形成一耐火金屬氧化物、一耐火金屬氮化物、及一耐火金屬碳化物其中至少一者於該第一低純度多孔矽結構及該第二 低純度多孔矽結構的其中之一上。
  20. 如申請專利範圍第19項之方法，其中該電化學電容器包含一偽電容器。
  21. 如申請專利範圍第1項之方法，其中該孔隙係藉由電化學蝕刻、陽極化及染色蝕刻的其中之一形成。
  22. 如申請專利範圍第21項之方法，其中該電化學蝕刻包含一批次電化學蝕刻製程。
  23. 一種方法，包含：形成一電化學電容器，其具有一第一段及一第二段，其中該第一段及該第二段其中至少一者包含一低純度多孔矽結構；放置一介電性隔離件於該第一段及該第二段之間，其中該隔離件容許離子電荷轉移；及使一電解質與該電化學電容器實體接觸。
  24. 如申請專利範圍第23項之方法，進一步包含其中該低純度多孔矽材料包含99999純度或更低。
  25. 如申請專利範圍第23項之方法，進一步包含其中該低純度多孔矽結構包含一單晶矽材料、一多晶矽材料、冶金級矽、噴霧矽、及矽顆粒的其中之一。
  26. 如申請專利範圍第24項之方法，進一步包含其中該低純度多孔矽結構包含藉由電化學蝕刻、陽極化及染色蝕刻的其中之一形成之孔隙。
  27. 如申請專利範圍第26項之方法，進一步包含在該孔隙內形成一導電性材料，其中該導電性材料形成該孔 隙內襯層。
  28. 如申請專利範圍第26項之方法，進一步包含在該孔隙內形成一介電性材料。
  29. 如申請專利範圍第23項之方法，進一步包含其中該電解質在一孔隙內形成一電偶層，及其中該孔隙包含該電偶層之一通道。
  30. 一種方法，包含：形成低純度矽顆粒；及在該低純度矽顆粒中形成孔隙，以形成低純度多孔矽顆粒。
  31. 如申請專利範圍第30項之方法，其中該低純度矽顆粒係由一含有較小於大約99999純度之低純度矽基板構成。
  32. 如申請專利範圍第30項之方法，進一步包含其中該孔隙使用一電化學蝕刻製程及一陽極化製程的其中之一形成。
  33. 如申請專利範圍第30項之方法，進一步包含使用一導電性材料及一介電性材料其中至少一者塗佈該低純度多孔矽顆粒。
  34. 如申請專利範圍第33項之方法，其中該低純度多孔矽基板係藉由批次原子層沉積及捲對捲原子層沉積的其中之一塗佈。
  35. 如申請專利範圍第30項之方法，進一步包含將該低純度多孔矽顆粒與一黏結材料混合。
  36. 如申請專利範圍第35項之方法，其中該黏結材料包含碳奈米管及導電性聚合物其中至少一者。
  37. 如申請專利範圍第35項之方法，其中該黏結材料包含一導電性與機械性穩定之黏結劑。
  38. 如申請專利範圍第35項之方法，其中該黏結材料將該顆粒互連，以形成一含有可控制粒度與多孔性之顆粒網絡。
  39. 如申請專利範圍第30項之方法，進一步包含將該低純度多孔矽顆粒鑄造於一基板上，以形成一電極結構。
  40. 如申請專利範圍第39項之方法，其中該低純度多孔矽顆粒可鑄造於箔片上，以製成一電化學電容器裝置之電極。
  41. 如申請專利範圍第39項之方法，其中該低純度多孔矽顆粒係藉由一流延製程鑄造於箔片上。
  42. 一種方法，包含：在一低純度矽基板中形成孔隙，以形成一低純度多孔矽結構；及由該低純度多孔矽結構形成低純度多孔矽顆粒。
  43. 如申請專利範圍第42項之方法，進一步包含其中該低純度多孔矽基板係藉由原子層沉積使用一導電性材料及一介電性材料的其中之一塗佈。
  44. 如申請專利範圍第42項之方法，其中該低純度多孔矽基板係藉由批次原子層沉積及捲對捲原子層沉積的 其中之一塗佈。
  45. 如申請專利範圍第42項之方法，進一步包含其中該孔隙使用一電化學蝕刻製程形成。
  46. 如申請專利範圍第42項之方法，進一步包含將該低純度多孔矽顆粒與一黏結材料混合。
  47. 如申請專利範圍第46項之方法，其中該黏結材料包含碳奈米管及導電性聚合物其中至少一者。
  48. 如申請專利範圍第46項之方法，其中該黏結材料包含一導電性與機械性穩定之黏結劑。
  49. 如申請專利範圍第46項之方法，其中該黏結材料將含有一可控制粒度與多孔性之顆粒互連。
  50. 一種結構，包含：一電容器，其具有由一介電性材料分隔之一第一段及一第二段，其中該第一段及該第二段其中至少一者包含一低純度多孔矽材料。
  51. 如申請專利範圍第50項之結構，進一步包含：一電絕緣隔離件，其設於該第一段及該第二段之間，其中該隔離件可轉移離子電荷；及一電解質，其與該導電性結構實體接觸。
  52. 如申請專利範圍第50項之結構，其中該低純度多孔矽材料含有雜質，其包含碳、氮、氧、鐵、鋁、銅、鈦、錳、鉻、鎳、鈣、鋯、鈉、及鋅其中至少一者，及其中該雜質包含一大約高於在高純度多孔矽材料中所發現雜質者100倍之濃度。
  53. 如申請專利範圍第50項之結構，其中該第一段及該第二段其中至少一者包含孔隙，及其中該孔隙包含一達到大約300微米之深度。
  54. 如申請專利範圍第53項之結構，其中該孔隙內襯以一導電性材料。
  55. 如申請專利範圍第54項之結構，其中該導電性材料包含鎢、鋁、銅、鎳、鐵、鈷、碳、鈀、釕、錫、氮化鋁鈦、氮化鈦、氮化鎢、氮化鉭、氮化鎢鈦、氮化鈦矽、氮化鎢矽、氮化鈦硼、及氮化鉬其中至少一者。
  56. 如申請專利範圍第53項之結構，其中該孔隙內襯以一介電性材料。
  57. 如申請專利範圍第56項之結構，其中該介電性材料包含一高k介電性材料。
  58. 如申請專利範圍第50項之結構，其中該電容器包含一電化學電容器結構之一部分。
  59. 如申請專利範圍第50項之結構，其中一電偶層設在該至少一孔隙內，及其中該至少一孔隙包含該電偶層之一通道。
  60. 如申請專利範圍第50項之結構，其中該低純度多孔矽材料包括一p型摻雜劑及一n型摻雜劑的其中之一。
  61. 如申請專利範圍第53項之結構，其中該孔隙包含一漸縮形結構。
  62. 如申請專利範圍第50項之結構，其中該第一段 及該第二段的其中之一包含一耐火金屬氧化物、一耐火金屬氮化物、及一耐火金屬碳化物其中至少一者，其設於該第一低純度多孔矽結構及該第二低純度多孔矽結構的其中之一上。
  63. 如申請專利範圍第62項之結構，其中該電容器包含一偽電容器。
  64. 如申請專利範圍第50項之結構，其中該低純度矽材料包含一單晶矽材料、一多晶矽材料、冶金級矽、噴霧矽、及矽顆粒的其中之一。
  65. 一種結構，包含：複數個分離電極；一電解質，其與該複數個分離電極其中至少一些實體接觸；及低純度多孔矽顆粒，其設於該電極上。
  66. 如申請專利範圍第65項之結構，其中該低純度多孔矽顆粒包含孔隙，其中該孔隙包含一達到大約300微米之深度。
  67. 如申請專利範圍第66項之結構，其中該孔隙內襯以一導電性材料及一介電性材料其中至少一者。
  68. 如申請專利範圍第67項之結構，其中該導電性材料包含鎢、鋁、銅、鎳、鐵、鈷、碳、鈀、釕、錫、氮化鋁鈦、氮化鈦、氮化鎢、氮化鉭、氮化鎢鈦、氮化鈦矽、氮化鎢矽、氮化鈦硼、及氮化鉬其中至少一者。
  69. 如申請專利範圍第66項之結構，其中一電偶層 設在該至少一孔隙內，及其中該至少一孔隙包含該電偶層之一通道。
  70. 如申請專利範圍第65項之結構，其中該結構包含一電化學電容器結構之一部分。
  71. 如申請專利範圍第70項之結構，其中該電容器之電容包含大於1毫法。
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