TWI832909B - 離散金屬-絕緣體-金屬(mim)能量儲存構件及製造方法 - Google Patents

離散金屬-絕緣體-金屬(mim)能量儲存構件及製造方法 Download PDF

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Abstract

本發明提供一種離散金屬-絕緣體-金屬（MIM）能量儲存構件，該能量儲存構件包含：一MIM配置，其包含：一第一電極層；自該第一電極層生長之複數個導電奈米結構；覆蓋該複數個導電奈米結構中之每個奈米結構及未被該等導電奈米結構覆蓋之該第一電極層之一導電控制材料；以及覆蓋該導電控制材料之一第二電極層；用於電容器構件之外部電連接之一第一連接結構；用於該電容器構件之外部電連接之一第二連接結構；以及至少部分地嵌入有該MIM配置之一電絕緣密封材料。

Description

離散金屬-絕緣體-金屬(MIM)能量儲存構件及製造方法
本發明係關於離散金屬-絕緣體-金屬(MIM)靜電及/或電化學能量儲存構件，包括電容器及電池，且係關於製造此類離散金屬-絕緣體-金屬(MIM)能量儲存構件之方法。
電子件之小型化數十年來已經成為趨勢，這使得我們能夠見證具有許多功能性之不同種類之小工具。在很大程度上，藉由使用於邏輯應用之電晶體、電阻器及電容器小型化且將其整合於矽上而實現此發展。藉由比較，電路板級之被動構件(電阻器、電容器及電感器)僅在尺寸及密度方面實現漸進式發展。因此，被動構件佔據電子系統之愈來愈大的面積及質量分數，並且是以較低系統成本進一步使許多電子系統小型化之主要障礙。當前智慧型電話通常使用多於1000個離散電容器構件。電動汽車之電路板粗略地利用10000個此類離散電容器構件且趨勢為利用更多。對此較大數目之電容器之需求主要由以下需求驅動：解決關於驅動穿過封裝方案(PCB/SLP/SoC/SiP)自能量源(電池/市電)至功能性矽晶片/裸晶及晶片上積體電路之功率的功率管理系統的問題。在此類小工具之整合之不同階段處均存在待解決之不同功率管理問題。
矽電路之小型化使我們能夠達成每單位面積之更多功能。此類成 就有一定代價且使晶粒之功率管理系統達到極端。現今之矽晶片嚴重遭受由來自電晶體之洩漏電流、互連柵格中之高頻反射、沿著電力柵格之寄生切換雜訊等等所誘發之電源雜訊。此類電源雜訊會引起電路之電壓波動及阻抗失配且可導致閘延遲及邏輯誤差、抖動等等且可為災難性的。對於如何解決此類晶片上功率管理解決方案進行大量研究。解決此類問題之方式中之一者為使用與電路整合之金屬-絕緣體-金屬(MIM)解耦電容器。然而，解決晶粒內部之問題的此類整合方案對於將解耦電容器整合於晶粒表面上受到閒置空間(晶粒上可用之昂貴的實際面積空間)限制。據報導，閒置空間正減小，且對於晶片上解耦電容器，僅約10%分配用於每一晶粒之現今之生產。
因此，需要在規定2D面積內增大此類解耦電容器之電容密度。一些解決方案提出且展現於A.M.Saleem等人之「使用CMOS溫度可相容製程生長之基於豎直對準碳奈米纖維之整合式晶片上固態電容器(Integrated on-chip solid state capacitor based on vertically aligned carbon nanofibers,grown using a CMOS temperature compatible process)」固態電子第139卷第75頁(2018年1月)中及EP2074641中。先前技術已展示電容值相對於傳統的MIM電容器之改良。然而，所展現裝置易於遭受來自存在於接觸點上之場氧化物或來自在裝置面積外部隨機生長之奈米結構之寄生電容，從而使無意且不可控的寄生效應(電容性/電阻性/電感性)存在於裝置中，這將對電路實施產生不利影響。預期需要大量設計及處理改良步驟(例如，CMP平坦化處理、場氧化物移除等等)來使此類裝置免受寄生效應影響，這基本上減少用於實際實施之此類技術概念之益處。
在PCB/SLP板級自另一視角觀察，在大多數狀況下進行供電之電力供應導軌(例如，±2.5V、±12V或3.3V等)由線性電源或開關模式電力供應技術所產生。儘管該等導軌在饋送至電子電路之電力柵格之前具有整流及濾波或調節階段，但其仍可具有波狀雜訊。因此，板上通常發現大量電容器，且電 容器之數量及值隨著IC之切換頻率上升而變得更高。另外，隨著IC之電力供應要求正朝向較低工作電壓發展，電力供應要求及雜訊餘量變為愈來愈嚴格。另外，隨著如不同IC/異質整合之SoC/SiP、FOWLP/FIWLP/Chiplet晶圓級封裝之系統級封裝的發展，功率管理正變為主要問題。歸因於較差電力供應調節、PCB電源互連件之長度/形狀、導線寄生效應、IC之切換頻率及EMI效應等等，電壓位準中可出現雜訊。對於此類複合整合式封裝，為更佳效能而需要較接近於不同IC之電容器。
使製造此類離散構件之現今之工業標準MLCC/TSC/LICC電容器技術在符合使較低高度(Z高度)低於100μm且較佳地低於20μm之不斷提高的需求上受到挑戰。此需求係由於以下事實：整合於封裝SoC/SiP封裝中之IC歸因於凸塊互連件高度及間距/間隔之減小而需要低於70μm高度之電容器以容納於SoC/SiP封裝解決方案之間。
為避開此問題，US20170012029展現在晶粒之後側處容納MIM電容器組態之具體實例。然而，此方案需要係CMOS可相容的且必須對待裝配之每個晶粒進行。此可歸因於此MIM結構在不同技術節點中之調適複雜度及與此類實施相關聯之成本而引起對此類技術概念之限制。基本上，此可實質上增加每一晶粒之成本且可消除封裝級所需的每一功能之成本效益。
MLCC為全球使用之最主要類型之離散電容器構件。每年在任何給定系統/小工具中會使用數兆此類離散構件。在此等構件之小型化方面已取得一定進展且商業上可發現之最薄構件由日本太陽誘電(Taiyo Yuden)要求為110μm。三星機電系統已引入LICC之概念以甚至進一步減小厚度且達到較低有效串聯電感(ESL)。Ipdia(目前為Murata之部分)已引入TSC離散電容器構件以在交錯電容值超過900nF/mm2之情況下與80μm一樣薄。然而，MLCC、LICC及TSC歸因於所涉及材料(原始金屬/介電粒子)、處理方案(燒結/矽蝕刻)及原材料 及處理成本而傾向於難以在Z維度(高度)上進一步下降。MLCC製程需要徹底理解對電容器製造中使用之原材料，包括銅、鎳、銀、金、鉭、鈦酸鋇、氧化鋁等等之限制。亦已知，陶瓷2類MLCC在溫度變化下不利地遭受施加電壓，且隨時間推移(老化)而引起電容值自供應商原先規定之電容值之顯著降低。此降低可不利地影響與系統(例如，電動汽車)之安全性相關的任何子系統。
基於彼等確立技術之此等構件之進一步小型化因此可能並非與之前一樣具有成本競爭力。與在2D及3D空間中均足夠小，使得離散電容器構件可在不妥協成本下裝配於覆晶凸塊互連件之間之需求相匹配尤其具有挑戰性。
離散電容器構件需要以數兆計地生產以滿足工業需要，且簡言之，CMOS可相容技術受成本限制而無法用於生產相對於MLCC或LICC或TSC的離散構件。
因此，顯而易見，整合式電容器與需要創新的解決方案之離散電容器構件產品之間存在較大差距。上述情況亦適用於其他類型之能量儲存構件。
根據本發明之第一態樣，因此提供一種離散金屬-絕緣體-金屬(MIM)能量儲存構件，該能量儲存構件包含：MIM配置，其包含：第一電極層；自該第一電極層生長之複數個導電奈米結構；導電控制材料，其覆蓋該複數個導電奈米結構中之每個奈米結構及保持未被該等導電奈米結構覆蓋之該第一電極層；以及覆蓋該導電控制材料之第二電極層；用於該能量儲存構件之外部電連接之第一連接結構；用於該能量儲存構件之外部電連接之第二連接結構；以及至少部分地嵌入有該MIM配置之電絕緣密封材料。
根據具體實例，能量儲存構件可有助於儲存靜電能量或電化學能量或其組合。
根據具體實例，導電控制材料可為固體介電質，且MIM能量儲存構件可為奈米結構電容器構件。
根據其他具體實例，導電控制材料可為電解質，且MIM能量儲存構件可為奈米結構電池構件。
有利地，奈米結構可「非水平地」生長，諸如大體上豎直地生長。奈米結構大體上可為豎直的、螺旋形、分支的、波狀的或傾斜的。
在本申請案之上下文中，術語「保形地塗佈」應理解為意謂沈積於材料層之表面上，以此方式使得材料層之厚度變得相同，無關於表面之定向。用於實現此類所謂的保形層或膜的各種沈積方法對於所屬領域中具通常知識者為熟知的。可能合適的沈積方法之值得注意的實例為各種氣相沈積方法，諸如CVD、ALD及PVD。
「固體介電質材料」應理解為在室溫下呈固態之介電質材料。因此，此措辭排除在室溫下為液體之任何材料。
「固體電解質材料」應理解為在室溫下呈固態或溶膠-凝膠狀態之電解質材料。
固體介電質材料有利地可為所謂的高k介電質。高k介電質材料之實例包括例如HfOx、TiOx、TaOx及其他熟知的高k介電質。替代地，介電質可基於聚合物，例如聚丙烯、聚苯乙烯、聚(對二甲苯)、聚對二甲苯基等等。亦可使用其他熟知介電質材料，諸如Al2Ox、SiOx或SiNx。本發明考慮在需要時使用至少一個介電質材料層。亦設想多於一種介電質材料或不同介電質層中之多個層來控制有效介電性質或電場性質。
在奈米結構電化學儲存裝置或電池中，導電控制材料主要涉及離子以作為存在於導電控制材料中之能量儲存機制之部分，諸如藉由允許經由導電控制材料輸送離子而提供能量儲存。合適的電解質可為固體或半固體電解 質，且可為充當電解質之固體晶體、陶瓷、石榴石或聚合物或凝膠之所選形式，例如鈦酸鍶、氧化釔穩定氧化鋯、PMMA、KOH、氮氧化鋰磷、基於鋰的複合物等等。電解質層可包括聚合物電解質。聚合物電解質可包括聚合物基質、添加劑及鹽。
導電控制電解質材料可經由CVD、熱製程，或旋塗或噴塗或工業中使用之任何其他合適的方法來沈積。
根據本發明之具體實例，導電控制材料可包含呈分層組態之固體介電質及電解質。在此類具體實例中，MIM能量儲存構件可被視為在電容器類型(靜電)能量儲存裝置與電池類型(電化學)能量儲存裝置之間的混合式能量儲存裝置。此組態可相較於純電容器構件提供較高能量密度及功率密度且相較於純電池構件提供較快速充電。
本發明考慮使用任何基板，例如，Si、玻璃、SiC、不鏽鋼、例如Al箔/Cu箔/Ag箔等等的金屬箔或工業中使用之任何其他合適的基板。該基板可呈現實質上平坦的表面或可為不平坦的。
該第一電極層及該第二電極層中之一者或兩者有利地可為均勻且連續的層，實質上不具有內部圖案或孔等等。在另一態樣中，電極中之一者或兩者可經圖案化以適應電容器電極之任何特定所要設計，其例如呈環狀圖案或在使電容器製作於通孔周圍的情況下。
本發明考慮按照能量儲存構件之設計及效能需要使用任何金屬或金屬合金或摻雜矽或金屬的氧化物，例如LiCoO2等等。例如，金屬層可包括過渡金屬氧化物、鋰與過渡金屬之複合氧化物，或其混合物。過渡金屬氧化物可包括鋰鈷氧化物、鋰錳氧化物，或氧化釩。金屬接觸層可包括選自由以下各者組成的群組之一者：Li、矽錫氮氧化物、Cu，及其組合。
本發明亦考慮將基板用作該第一電極層或包括於該第一電極層 中。本發明係基於以下認識：有成本效益且極其緊湊(詳言之薄)的離散金屬-絕緣體-金屬(MIM)能量儲存構件可使用包含複數個豎直生長之導電奈米結構之MIM配置來實現。經由本發明之具體實例，可實現輪廓高度低於100μm之被動能量儲存構件，且其可為針對目前現存之MLCC/TSC構件之競爭性替代方案。減小之構件高度可允許對電路板上之可用空間之更高效利用。例如，根據本發明之具體實例的極其薄的離散MIM電容器或電池構件可配置於積體電路(IC)封裝之底側上，這提供較緊湊的電路佈局，以及在IC與電容器之間的較短導體距離。至少此等情況中之後一情況提供減小之寄生電容及電感，這又提供IC之改良效能。
然而，本發明並不排除在輪廓高度不受約束時製造厚於100μm之輪廓高度(其可適合於用於其他工業應用中)之可能性。
本發明之具體實例可滿足以下要求：(a)每單位面積/體積之極高靜電或電化學電容值；(b)2D及Z方向上之低輪廓；(c)可相容且適合於2D、2.5D及3D封裝/裝配/嵌入技術之表面安裝；(d)易於設計外觀尺寸；(e)抵抗溫度及所施加電壓之穩定且穩固效能；(f)每平方之低等效串聯電感(ESL)；(g)在無電容劣化情況下之較長壽命或經增強生命週期；及(h)低成本。
根據本發明之各種具體實例，該第二電極層可完全填充該複數個導電奈米結構中的鄰近奈米結構之間的空間，填充奈米結構之底部與頂端之間而自底部朝向頂端之至少一半。此組態提高包含於能量儲存構件中之MIM配置之穩固性及可靠性，這又提供更為穩固且可靠的能量儲存構件。詳言之，MIM配置中的奈米結構之機械穩定性可提高。另外，可降低奈米結構之間出現空隙之可能性，這對於能量儲存構件尤其在溫度循環等等方面之可靠性可為有益的。
在具體實例中，該第二電極層可完全填充該複數個導電奈米結構中的鄰近奈米結構之間的空間，填充奈米結構之底部與頂端之間的全部，這甚 至可進一步改良能量儲存構件之穩固性及可靠性。
根據各種具體實例，該第二電極層有利地可包含保形地塗佈固體介電質材料層之第一子層；及形成於第一子層上之第二子層。
在此等具體實例中，該第二電極層可使用不同沈積技術來形成。第一子層可使用適合於保形塗佈之沈積技術，諸如原子層沈積(ALD)沈積，且第二子層可使用確保底部至頂部之沈積的相對便宜且快速的沈積技術，諸如電鍍或無電極鍍製來沈積。因此，此組態可提供效能與成本之間的有利折衷。
有利地，該第二電極層可另外包含在第一子層與第二子層之間的第三子層，該第三子層保形地塗佈第一子層。在此組態中，第一子層可為所謂的黏附層，第三子層可為用於電鍍之晶種層，且第二子層可為電鍍層。另外，例如作為金屬擴散障壁之一或多個額外子層可方便地根據本發明記載內容而沈積。本發明亦考慮使用可用作金屬擴散障壁以及黏附層之第一子層。
本發明亦考慮使用在第一與第二電極層中之不同材料或材料組成物。
使用生長之奈米結構允許對奈米結構之性質進行大量調整。例如，生長狀況可經選擇以達成給出每個奈米結構之較大表面積之形態，從而增大奈米結構之電荷載運能力，這又會提供電容器構件具體實例之增大電容及電池構件具體實例之增大能量密度。
導電奈米結構有利地可為碳奈米纖維(CNF)。替代地，導電奈米結構可為碳奈米管(CNT)或碳化物衍生之碳奈米結構或石墨烯壁。另外，在具體實例中，奈米結構可為奈米線，諸如銅、鋁、銀、矽化物或具有導電性質之其他類型之奈米線。
然而，使用CNF可尤其有利於根據本發明之具體實例的離散能量儲存構件。已知CNT能夠相較於CNF提供較高導電性。然而，用以形成導電CNT 之製程亦傾向於引起一定比例之半導電性CNT之形成，且此比例可能並不已知或可精確控制。另一方面，CNF為金屬，這會提供改良再現性。另外，可在相同總體尺寸(直徑及高度)情況下使CNF之表面積顯著大於CNT之表面積，這會提供更多電荷累積位點，且藉此提供較高電荷載運能力，繼而針對MIM配置中具有相同數目及總體尺寸之奈米結構產生較高電容。
在具體實例中，碳奈米纖維可至少部分地由非晶碳來形成。此引起每一表面積之較高碳原子數目，從而產生更多電荷累積位點，這又會針對MIM配置中具有相同數目及總體尺寸之奈米結構產生較高電容。
在具體實例中，碳奈米纖維可為分支的碳奈米纖維。此可引起可獲得表面積之進一步增大，從而產生更多電荷累積位點，這又會針對MIM配置中具有相同數目及總體尺寸之奈米結構產生較高電容。
另外，根據具體實例，該複數個CNF中之每個CNF可具有波狀表面結構，這亦會使(每一CNF)之電荷累積位點之數目增大。
為完全得益於具有波狀表面結構或分支的奈米纖維結構之CNF之使用，將固體介電質材料沈積為極薄保形膜可尤其有利，從而能夠再現CNF之極其精細的波狀或分支的奈米結構。
另外，根據本發明之第一態樣之具體實例的離散MIM能量儲存構件可有利地包括於電子裝置中，其進一步包含印刷電路板(PCB)；及PCB上之積體電路(IC)。離散MIM能量儲存構件可經由PCB上之導體圖案而連接至IC。替代地，離散MIM能量儲存構件可連接至IC封裝。電路板無需是習知PCB，而可以是可撓性印刷電路(FPC)或基板狀PCB(SLP)。
此類基於CNF MIM能量儲存之構件可方便地被稱作CNF-MIM能量儲存構件。
根據本發明之第二態樣，提供一種離散金屬-絕緣體-金屬(MIM) 能量儲存構件，該能量儲存構件包含：至少第一及第二MIM配置，其各自包含：第一電極層；自該第一電極層生長之複數個導電奈米結構；導電控制材料，其覆蓋該複數個導電奈米結構中之每個奈米結構及未被該等導電奈米結構所覆蓋之該第一電極層；以及第二電極層，其覆蓋導電控制材料；用於能量儲存構件之外部電連接之第一連接結構，該第一連接結構以導電方式連接至第一MIM配置之第一電極層；用於能量儲存構件之外部電連接之第二連接結構，該第二連接結構以導電方式連接至第一MIM配置之第二電極層；用於能量儲存構件之外部電連接之第三連接結構，該第三連接結構以導電方式連接至第二MIM配置之第一電極層；用於能量儲存構件之外部電連接之第四連接結構，該第四連接結構以導電方式連接至第二MIM配置之第二電極層；以及至少部分地嵌入有至少第一與第二MIM配置之電絕緣密封材料。
本發明之此第二態樣之另外具體實例及經由本發明之此第二態樣之獲得效應大部分類似於上文針對本發明之第一態樣描述之彼等者。
根據本發明之第三態樣，提供一種製造離散金屬-絕緣體-金屬(MIM)能量儲存構件之方法，其包含以下步驟：設置基板；在基板上形成MIM配置；形成用於能量儲存構件之外部電連接之第一連接結構；形成用於能量儲存構件之外部電連接之第二連接結構；以及將MIM配置至少部分地嵌入於介電質密封材料中。
在具體實例中，該方法可進一步包含在形成MIM配置之步驟之後移除基板之步驟。
在具體實例中，該基板可構成該第一電極層或包括於該第一電極層中。在此類具體實例中，在形成MIM配置之後，基板將未移除。
本發明之此第三態樣之另外具體實例及經由本發明之此第三態樣之獲得效應大部分類似於上文針對本發明之第一及第二態樣描述之彼等者。
1:行動電話/電子裝置
3:電路板
5:積體電路(IC)
7:電容器
9:印刷電路板(PCB)
11:電容器/MIM電容器構件/MIM能量儲存構件
13:連接球/MIM配置
13a:第一MIM配置
13b:第二MIM配置
15:第一凸塊/第一連接結構
17:第二凸塊/第二連接結構
19:電絕緣密封材料/介電質密封材料
21:第一電極層
23:導電奈米結構
25:固體介電質材料層
27:第二電極層
27a:第二電極
27b:第二電極
29:底部
31:頂部
33:第一子層/黏附金屬層
34:陽極/陰極材料層
35:第二子層
36:電解質
37:第三子層/晶種金屬層
39:基板
41:導電通孔
參看展示本發明之例示具體實例之隨附圖式，現將更詳細地描述本發明之此等及其他態樣，其中：圖1示意性地說明呈示意性行動電話的形式之根據本發明之具體實例的離散MIM能量儲存構件之應用；圖2示意性地說明根據先前技術之電路板之實例，其可表示當前電子裝置中之典型電路板；圖3示意性地說明用根據本發明之例示具體實例的能量儲存構件替代圖2中之電路板上之習知能量儲存構件之可行結果；圖4為根據本發明之第一例示具體實例的MIM能量儲存構件之示意圖；圖5A為用於MIM電容器構件之第一例示MIM配置之放大圖示；圖5B為用於MIM電池構件之第二例示MIM配置之放大圖示；圖6為說明根據本發明的製造方法之例示具體實例之流程圖；圖7為根據本發明之第二例示具體實例的MIM能量儲存構件之示意圖；圖8為根據本發明之第三例示具體實例的MIM能量儲存構件之示意圖；圖9為根據本發明之第四例示具體實例的MIM能量儲存構件之示意圖；圖10為根據本發明之第五例示具體實例的MIM能量儲存構件之示意圖；圖11為根據本發明之第六例示具體實例的MIM能量儲存構件之示意圖；且圖12為根據本發明之第七例示具體實例的MIM能量儲存構件之示意圖。
圖1示意性地說明根據本發明之具體實例的電子裝置，在此呈行動電話1的形式。在圖1中之簡化示意圖中，指出如大多數電子裝置的行動電話 包含電路板3，其填充有經封裝的積體電路(IC)5及包括能量儲存構件(在此呈電容器7的形式)之被動構件。
在圖2(其為使用目前可供用於合理且有成本效益之大規模生產之技術的電路板3的例示性圖示)中，存在安裝在印刷電路板(PCB)9上之大量電容器7。當前使用之電容器7常常為所謂的多層陶瓷電容器(MLCC)，具有約0.4mm之最小封裝高度。
為提供甚至更為緊湊的電子裝置，在甚至更高的處理速度下，需要減小被解除耦接及暫時性能量儲存所需之電容器7所佔據的空間且減小在IC 5與為該IC 5服務之電容器7之間的距離。
這可使用根據本發明之具體實例的離散MIM能量儲存構件(在此狀況下為MIM電容器構件)實現，由於可在相同電容及佔據面積情況下使此類MIM電容器構件相較於習知MLCC具有顯著較小的封裝高度。
圖3為用根據本發明之例示具體實例的MIM電容器構件替代圖2中之電路板上之習知電容器構件的可行結果的示意圖。如自圖3顯而易見，根據本發明之具體實例的MIM電容器構件11之減小的封裝高度允許將IC 5封裝下方之電容器11置於IC 5封裝之連接球13之間。顯然，電容器11之此配置實現較小PCB 9，且因此實現更為緊湊的電子裝置1。明顯地，亦實現在IC 5中之主動電路系統與電容器11之間的較短距離。
圖4為根據本發明之第一例示具體實例的MIM能量儲存構件11之示意圖；此MIM能量儲存構件為離散MIM能量儲存構件，包含MIM配置13、第一連接結構(在此呈第一凸塊15形式)、第二連接結構(在此呈第二凸塊17形式)，及至少部分地嵌入有MIM配置13之介電質密封材料19。如圖4中可見，電絕緣密封材料19至少部分地形成能量儲存構件之外邊界表面。第一連接結構15及第二連接結構17亦至少部分地形成能量儲存構件之外邊界表面。
現將參看圖5A描述MIM配置13之第一實例組態。圖5A中包含MIM配置13之MIM能量儲存構件為MIM電容器構件。如圖5A中示意性地所展示，MIM配置13包含第一電極層21、自該第一電極層21豎直地生長之複數個導電奈米結構23、保形地塗佈該複數個導電奈米結構中之每個導電奈米結構23及未被導電奈米結構23所覆蓋之該第一電極層21的固體介電質材料層25，及覆蓋固體介電質材料層25之第二電極層27。如圖5A中可見，該第二電極層27完全填充在鄰近奈米結構之間的空間，填充導電奈米結構23之底部29與頂部31之間的多於一半。在圖5A中的例示性MIM配置13中，該第二電極層27完全填充在鄰近導電奈米結構23之間的空間，填充自底部29至頂部31全部且超出。
如圖5A中的在導電奈米結構23與第二電極層27之間的邊界的放大視圖中可見，該第二電極層27包含保形地塗佈固體介電質材料層25之第一子層33、第二子層35，及在第一子層33與第二子層35之間的第三子層37。
另外，可方便地根據本發明記載內容存在例如作為圖中未示之金屬擴散障壁之一或多個額外子層。
固體介電質材料層25可為多層結構，其可包括不同材料組成物之子層。
現將參看圖5B描述MIM配置13之第二實例組態。圖5B中包含MIM配置13之MIM能量儲存構件為MIM電化學能量儲存/電池構件。如圖5B中示意性地所示，MIM配置13包含第一電極層21、自該第一電極層21豎直地生長之複數個導電奈米結構23、塗佈該複數個導電奈米結構中之每個導電奈米結構23及未被導電奈米結構23所覆蓋之該第一電極層21之視情況存在之陽極/陰極材料層34、覆蓋導電奈米結構23之電解質36，及覆蓋電解質36之第二電極層27。在圖5B之例示具體實例中，電解質36完全填充在鄰近奈米結構之間的空間，填充導電奈米結構23之底部29與頂部31之間的多於一半。在圖5B中之例示性MIM配 置13中，電解質36完全填充在鄰近導電奈米結構23之間的空間，填充自底部29至頂部31全部且超出。然而，在具體實例中，在導電奈米結構23上將電解質36設置為保形塗層可為有益的。
另外，可方便地根據本發明記載內容存在例如作為圖中未示之金屬擴散障壁之一或多個額外子層。
混合式構件可包括MIM配置13，其為圖5A及圖5B中之MIM配置之組合。例如，圖5A中之固體介電質材料層25可設置於圖5B中之導電奈米結構23與電解質36之間。此混合式構件可進一步包含圖5B中之電解質36與頂部電極(第二電極層27)之間的額外介電質層。
現將參看圖6中之流程圖描述根據本發明之具體實例的製造離散MIM電容器構件(包括圖5A中之例示性MIM配置13)之實例方法。應理解，類似步驟可用於形成圖5B中之MIM配置13。
在第一步驟601中，設置基板39(參見圖5A)。
可使用各種基板，例如，矽、玻璃、不鏽鋼、陶瓷、SiC，或工業中發現之任何其他合適的基板材料。然而，基板可為高溫聚合物，諸如聚醯亞胺。基板之主要功能為根據本發明記載內容有助於對MIM電容器之處理。
在後續步驟602中，第一電極層21形成於基板39上。該第一電極層21可經由物理氣相沈積(PVD)、化學氣相沈積(CVD)、原子層沈積(ALD)，或工業中使用之任何其他方法形成。在一些實施中，該第一電極層21可包含一或多種金屬，選自：Cu、Ti、W、Mo、Co、Pt、Al、Au、Pd、Ni、Fe及矽化物。在一些實施中，該第一電極層21可包含一或多種導電合金，選自：TiC、TiN、WN及AlN。在一些實施中，第一電極層21可包含一或多種導電聚合物。在一些實施中，該第一電極層21可為金屬氧化物，例如LiCoO2、摻雜矽。在一些實施中，第一電極層21可為基板自身，例如Al箔/Cu箔/Ag箔等等。
在下一步驟603中，催化劑層設置於該第一電極層21上。例如，催化劑可為鎳、鐵、鉑、鈀、矽化鎳、鈷、鉬、Au或其合金，或可與其他材料(例如，矽)組合。催化劑可為視情況存在的，由於本文中所描述之技術亦可應用在用於奈米結構之無催化劑式生長製程中。催化劑亦可經由催化劑顆粒之旋塗而沈積。
在一些實施中，催化劑層用於使奈米結構生長以及用作連接電極。在此等實施中，催化劑可為鎳、鐵、鉑、鈀、矽化鎳、鈷、鉬、Au或其合金之厚層，或可與來自元素週期表之其他材料組合。催化劑層(圖5A中未示)可設置為均勻層或經圖案化層。當然，經圖案化層之形成相較於未經圖案化層需要更多處理，但可提供導電奈米結構23之較高或較低且較常規的密度，這又可提供已完成MIM電容器構件11之較高電容或在多於一個電容器嵌入於MIM電容器構件11中之情況下對每一電容器裝置之絕對電容值之更多控制。
在步驟604中，導電奈米結構23自催化劑層生長。如上文發明內容部分中所解釋，本發明者已發現，豎直生長之碳奈米纖維(CNF)可尤其適合於MIM電容器構件11。豎直生長之奈米結構之使用允許對奈米結構之性質之大量調整。例如，生長狀況可經選擇以達成給出每個奈米結構之較大表面積的形態，這又可增大每一2D佔據面積之電荷儲存電容或電容。作為CNF之替代方案，奈米結構可為金屬碳奈米管或碳化物衍生之碳奈米結構、奈米線，諸如具有導電性質之銅、鋁、銀、矽化物或其他類型之奈米線。有利地，可以本身已知的方式選擇催化劑材料及生長氣體等以達成導電奈米結構23之所謂的頂端生長，這可在導電奈米結構23之頂端31處產生催化劑層材料。隨著豎直對準之導電奈米結構23之生長，導電奈米結構23及第一電極層21可視需要保形地塗佈有金屬層，主要用於導電奈米結構23與導電控制材料之間的改良式黏附。
隨著豎直對準之導電奈米結構23之生長，導電奈米結構23及第一 電極層21中保持未被導電奈米結構23所覆蓋之部分在步驟605中由固體介電質材料層25保形地塗佈。固體介電質材料層25可有利地由所謂的高k介電質製成。高k介電質材料可例如為HfOx、TiOx、TaOx或其他熟知高k介電質。替代地，介電質可基於聚合物，例如聚丙烯、聚苯乙烯、聚(對二甲苯)、聚對二甲苯基等等。其他熟知介電質材料，諸如SiOx或SiNx等，亦可用作介電質層。可適當地使用任何其他合適的導電控制材料。介電質材料可經由CVD、熱製程、原子層沈積(ALD)或旋塗或噴塗或工業中使用之任何其他合適的方法來沈積。在各種具體實例中，使用多於一個介電質層或具有介電質材料之不同介電常數或不同厚度之不同介電質材料來控制有效介電常數或影響崩潰電壓或這兩者之組合，從而控制介電膜性質可為有利的。有利地，在導電奈米結構23上方以原子均勻性來均勻地塗佈固體介電質材料層25，使得介電質層覆蓋導電奈米結構23全部，以使得電容器裝置之洩漏電流最小化。提供具有原子均勻性之固體介電質材料層25之另一優點為固體介電質材料層25可符合導電奈米結構23之極小表面不規則，其可在奈米結構之生長期間所引入。這提供MIM配置13之增大之總電極表面積，這又針對給定構件尺寸提供較高電容。在奈米結構上保形地塗佈金屬層之步驟可視需要在步驟604與步驟605之間引入以例如有助於固體介電質材料層25或(在適用情況下)電解質層到導電奈米結構23之黏附。
在下一步驟606中，將黏附金屬層(第二電極層27之上文所提到的第一子層33)保形地塗佈於固體介電質材料層25上。黏附金屬層33可有利地使用ALD來形成，且用於黏附金屬層33之合適的材料之實例可為Ti或TiN。
在黏附金屬層33頂部上，所謂的晶種金屬層37(第二電極層27之上文所提到的第三子層37)可視需要在步驟607中形成。晶種金屬層37可保形地塗佈於黏附金屬層33上。晶種金屬層37可例如由Al、Cu或任何其他合適的晶種金屬材料製成。
在晶種金屬層37形成之後，在步驟608中設置上文所提到的第二子層35。第二電極層27之此第二子層35可例如經由化學方法，諸如電鍍、無電極鍍製或此項技術中已知的任何其他方法形成。如圖5中示意性地所示，第二子層35可有利地填充導電奈米結構23之間的空間以提供改良式結構穩固性等等。
第一連接結構15及第二連接結構17，諸如凸塊、球或導柱，在步驟609中使用本身已知的技術形成。
在後續步驟610中，提供電絕緣密封材料19以至少部分地嵌入有MIM配置13。任何已知合適的密封劑材料可用於密封劑層，例如，聚矽氧烷、環氧樹脂、聚醯亞胺、BCB、樹脂、矽膠、環氧樹脂底膠等等。在一些態樣中，聚矽氧烷材料可為有利的，若其適合於某些其他IC封裝方案。密封劑可經固化以形成密封層。在本發明之一些態樣中，密封劑層可為可固化材料，以使得被動構件可經由固化製程來附接。在一些態樣中，密封劑之介電常數不同於MIM構造中所使用之介電質材料之介電常數。在一些態樣中，相較於製造MIM電容器時所使用之介電質材料，密封劑材料之較低介電常數為較佳的。在一些態樣中，SiN、SiO或旋塗式玻璃亦可用作密封劑材料。密封劑層可經旋塗及乾燥、藉由CVD或藉由此項技術中已知之任何其他方法進行沈積。
在此步驟之後，基板39在視情況存在之步驟611中可視需要經薄化或完全移除，取決於已完成MIM電容器構件之所要組態。
對於基板為第一電極之狀況，除非進一步薄化為必需的，否則此步驟為視情況存在的。
在下一步驟612中，使用已知技術使面板或晶圓單體化以提供離散MIM電容器構件11。
先前所描述之具體實例中之任一者適合於在工業中使用之晶圓級製程及面板級製程下進行製造。該等製程可方便地分別被稱作晶圓級處理及 面板級處理。在晶圓級處理中，通常使用圓形基板，尺寸範圍介於2吋至12吋晶圓。在面板級處理中，尺寸由機器能力所限定且通常可為範圍上較大尺寸之圓形或矩形或正方形，但不限於12至100吋。面板級處理通常用於生產智慧型電視。因此，尺寸可為電視之尺寸或更大。在晶圓級製程之態樣中，在半導體處理鑄造廠中在晶圓級下處理上文所描述之具體實例中之至少一者。在面板級製程之另一態樣中，使用面板級處理來處理上文所描述之具體實例中之至少一者。取決於設計要求，在處理之後，利用標準切割、電漿切割或雷射切割將晶圓或面板切成較小片件。此單體化製程步驟可經由切割或電漿切割或雷射切割組態以調整根據需要所形成之離散構件之形狀及尺寸。
本發明亦考慮為可相容地使用於卷輪式(roll to roll)製造技術中。卷輪式處理為在一卷塑膠或金屬箔上產生可撓性且大面積的電子裝置之方法。該方法亦描述為印刷方法。卷輪式印刷中使用之基板材料通常為紙張、塑膠膜或金屬箔或不鏽鋼。相較於如晶圓級或面板級等其他方法，卷輪式方法實現高得多的產量且具有小得多的碳佔據面積且利用較少能量。卷輪式處理應用於多個製造領域中，諸如可撓性且大面積的電子裝置、可撓性太陽能面板、印刷/可撓性薄膜電池、纖維及織物、金屬箔及薄片製造、醫療產品、建築物中之能源產品、薄膜及奈米技術。
圖7為根據本發明之第二例示具體實例的MIM能量儲存構件11之示意圖。圖7中之MIM能量儲存構件11與上文參看圖4所描述之MIM能量儲存構件的不同之處在於：設置有導電通孔41以有助於構件堆疊。
圖8為根據本發明之第三例示具體實例的MIM能量儲存構件11之示意圖。圖8中之MIM能量儲存構件11與上文參看圖4所描述之MIM能量儲存構件的不同之處在於：在MIM能量儲存構件11之相對側表面上設置有第一連接結構15及第二連接結構17以作為末端觸點。在圖8中，將第一連接結構15及第二 連接結構17說明為經配置於矩形的MIM能量儲存構件11之短側上。在具體實例中，第一連接結構15及第二連接結構17可替代地配置於構件之長側上。此組態可提供構件之經減小串聯電感。
圖9為根據本發明之第四例示具體實例的MIM能量儲存構件11之示意圖。圖9中之MIM能量儲存構件11與上文參看圖4所描述之MIM能量儲存構件的不同之處在於：設置有第一連接結構15及第二連接結構17以作為MIM能量儲存構件11之頂部表面與底部表面。在此例示具體實例中，在MIM配置13之上述製造中所使用之基板在形成第一連接結構15及第二連接結構17之後已經完全或部分地移除。
圖10為根據本發明之第五例示具體實例的MIM能量儲存構件11之示意圖。圖10中之MIM能量儲存構件11包含第一MIM配置13a及第二MIM配置13b。如圖10中所指示，第一MIM配置13a之第二電極27a連接至第一連接結構15，且第二MIM配置13b之第二電極27b連接至第二連接結構17。第一電極層21為第一MIM配置13a及第二MIM配置13b所共用。所得的MIM能量儲存構件11因此包含串聯連接之兩個能量儲存器。此意謂跨越MIM能量儲存構件11(在第一連接結構15與第二連接結構17之間)的總電壓分佈於第一能量儲存器(第一MIM配置13a)與第二能量儲存器(第二MIM配置13b)之間。由此，可提供構件之較高工作電壓，且可增大崩潰電壓。
圖11為根據本發明之第六例示具體實例的MIM能量儲存構件之示意圖，呈多層的MIM能量儲存構件11之形式。圖11中之MIM能量儲存構件11在概念上類似於MLCC構件，但替代介電質材料層，將類似於上文結合圖9所描述之MIM能量儲存構件之MIM配置設置於分別連接至第一連接結構15及第二連接結構17之電極之間。圖11中之MIM能量儲存構件11可展現類似於習知MLCC構件之封裝高度，但具有高得多的電容。
圖12為根據本發明之第七例示具體實例的MIM能量儲存構件之示意圖。此MIM能量儲存構件11包含複數個MIM能量儲存器以及導電通孔41。可視需要將不同MIM能量儲存器調諧至不同能量儲存容量值。圖12中之MIM能量儲存構件11在一些應用中可為對於大量離散能量儲存構件之有益替代方案。
所屬領域中具通常知識者應意識到，本發明決不限於上述較佳具體實例。相反，隨附申請專利範圍之範圍內的許多修改及變化係可能的。
在申請專利範圍中，詞「包含」不排除其他元件或步驟且不定冠詞「一(a)」或「一(an)」不排除複數個。單一處理器或其他單元可滿足申請專利範圍中所述之若干項之功能。在相互不同之附屬請求項中敍述某些措施之純粹實情並未指出不能有利地使用此等措施之組合。申請專利範圍中之任何參考符號均不應解讀為限制範圍。
11:電容器/MIM電容器構件/MIM能量儲存構件
13:連接球/MIM配置
15:第一凸塊/第一連接結構
17:第二凸塊/第二連接結構
19:電絕緣密封材料/介電質密封材料

Claims (38)

  1. 一種離散金屬-絕緣體-金屬(MIM)能量儲存構件，其包含：MIM配置，其包含：第一電極層；複數個導電奈米結構，其自該第一電極層生長之；導電控制材料，其保形地塗佈該複數個導電奈米結構中之每個導電奈米結構及保持未被該複數個導電奈米結構所覆蓋之該第一電極層；以及第二電極層，其覆蓋該導電控制材料，該第二電極層包含第一子層和第二子層，該第一子層保形地塗佈該導電控制材料，且該第二子層形成於該第一子層上；第一連接結構，其用於該離散MIM能量儲存構件之外部電連接；第二連接結構，其用於該離散MIM能量儲存構件之外部電連接；以及電絕緣密封材料，其至少部分地嵌入有該MIM配置，其中該電絕緣密封材料至少部分地形成該離散MIM能量儲存構件之外邊界表面，且其中該第一連接結構及該第二連接結構中之每一者至少部分地形成該離散MIM能量儲存構件之外邊界表面。
  2. 如請求項1所述之離散MIM能量儲存構件，其中該電絕緣密封材料使該第一連接結構及該第二連接結構保持未被該電絕緣密封材料所覆蓋。
  3. 如請求項1或2所述之離散MIM能量儲存構件，其中該第二電極層完全填充該複數個導電奈米結構中的鄰近導電奈米結構之間的空間，至少填充該複數個導電奈米結構之底部與頂部之間的一半。
  4. 如請求項1或2所述之離散MIM能量儲存構件，其中該第二電極層完全填充該複數個導電奈米結構中的鄰近導電奈米結構之間的空間，填充該複 數個導電奈米結構之底部與頂部之間的全部。
  5. 如請求項4所述之離散MIM能量儲存構件，其中該第二電極層包含在該第一子層與該第二子層之間的第三子層，該第三子層保形地塗佈該第一子層。
  6. 如請求項1或2所述之離散MIM能量儲存構件，其中該複數個導電奈米結構為碳奈米纖維(CNF)。
  7. 如請求項6所述之離散MIM能量儲存構件，其中該碳奈米纖維至少部分地由非晶碳所形成。
  8. 如請求項6所述之離散MIM能量儲存構件，其中該碳奈米纖維具有波狀表面結構及/或為分支奈米纖維。
  9. 如請求項1或2所述之離散MIM能量儲存構件，其中該MIM配置進一步包含在該第一電極層與該複數個導電奈米結構中之導電奈米結構之間的催化劑層。
  10. 如請求項9所述之離散MIM能量儲存構件，其中該催化劑層為經預圖案化催化劑層。
  11. 如請求項10所述之離散MIM能量儲存構件，其中該催化劑層在週期性組態下經預圖案化。
  12. 如請求項9所述之離散MIM能量儲存構件，其中包含於該MIM配置中之該複數個導電奈米結構中之每個導電奈米結構包括在該導電奈米結構之頂端處之催化劑材料。
  13. 如請求項1或2所述之離散MIM能量儲存構件，其中包含於該MIM配置中之該複數個導電奈米結構中之導電奈米結構之導電表面密度至少為1000/mm2。
  14. 如請求項1或2所述之離散MIM能量儲存構件，其進一步包含直 接支撐該第一電極層之基板。
  15. 如請求項14所述之離散MIM能量儲存構件，其中該基板不導電。
  16. 如請求項1或2所述之離散MIM能量儲存構件，其中：該離散MIM能量儲存構件具有頂部表面、底部表面，及連接該頂部表面與該底部表面之側表面；該第一連接結構構成該頂部表面之第一部分；且該第二連接結構構成該頂部表面之第二部分。
  17. 如請求項1或2所述之離散MIM能量儲存構件，其中：該離散MIM能量儲存構件具有頂部表面、底部表面，及連接該頂部表面與該底部表面之側表面；該第一連接結構構成該頂部表面之一部分；且該第二連接結構構成該底部表面之一部分。
  18. 如請求項1或2所述之離散MIM能量儲存構件，其中：該離散MIM能量儲存構件具有頂部表面、底部表面，及連接該頂部表面與該底部表面之側表面；該第一連接結構構成該側表面之一部分；且該第二連接結構構成該側表面之一部分。
  19. 如請求項16所述之離散MIM能量儲存構件，其中該離散MIM能量儲存構件進一步包含自該底部表面延伸至該頂部表面之至少一個通孔。
  20. 如請求項1或2所述之離散MIM能量儲存構件，其中：該第一連接結構以導電方式連接至該MIM配置之該第一電極層；且該第二連接結構以導電方式連接至該MIM配置之該第二電極層。
  21. 如請求項1或2所述之離散MIM能量儲存構件，其包含至少第一MIM配置及第二MIM配置，至少該第一MIM配置與該第二MIM配置中之每一者 包含：第一電極層；複數個導電奈米結構，其自該第一電極層豎直地生長；導電控制材料，其覆蓋該複數個導電奈米結構中之每個導電奈米結構及未被該複數個導電奈米結構所覆蓋之該第一電極層；以及第二電極層，其覆蓋該導電控制材料。
  22. 如請求項21所述之離散MIM能量儲存構件，其中：該第一連接結構連接至該第一MIM配置之該第一電極層及該第二電極層中之一者；該第一MIM配置之該第一電極層及該第二電極層中之另一者連接至該第二MIM配置之該第一電極層及該第二電極層中之一者；且該第二連接結構連接至該第二MIM配置之該第一電極層及該第二電極層中之另一者。
  23. 如請求項21所述之離散MIM能量儲存構件，其中：該第一連接結構連接至該第一MIM配置之該第一電極層且至該第二MIM配置之該第一電極層及該第二電極層中之一者；且該第二連接結構連接至該第一MIM配置之該第二電極層且至該第二MIM配置之該第一電極層及該第二電極層中之另一者。
  24. 如請求項22所述之離散MIM能量儲存構件，其中該第一MIM配置及該第二MIM配置以分層組態進行配置。
  25. 如請求項1或2所述之離散MIM能量儲存構件，其中該導電控制材料為固體介電質，且該離散MIM能量儲存構件為奈米結構電容器構件。
  26. 如請求項1或2所述之離散MIM能量儲存構件，其中該導電控制材料為電解質，且該離散MIM能量儲存構件為奈米結構電池構件。
  27. 如請求項1或2所述之離散MIM能量儲存構件，其中該導電控制材料包含呈分層組態之固體介電質與電解質。
  28. 一種電子裝置，其包含：印刷電路板(PCB)；積體電路(IC)，其在該PCB上；以及如請求項1至27中任一項所述之離散MIM能量儲存構件，其連接至該IC。
  29. 一種離散金屬-絕緣體-金屬(MIM)能量儲存構件，其包含：至少第一MIM配置及第二MIM配置，其各自包含：第一電極層；複數個導電奈米結構，其自該第一電極層豎直地生長；導電控制材料，其保形地塗佈該複數個導電奈米結構中之每個導電奈米結構及未被該複數個導電奈米結構所覆蓋之該第一電極層；以及第二電極層，其覆蓋該導電控制材料，該第二電極層包含第一子層和第二子層，該第一子層保形地塗佈該導電控制材料，且該第二子層形成於該第一子層上；用於該離散MIM能量儲存構件之外部電連接之第一連接結構，該第一連接結構以導電方式連接至該第一MIM配置之該第一電極層；用於該離散MIM能量儲存構件之外部電連接之第二連接結構，該第二連接結構以導電方式連接至該第一MIM配置之該第二電極層；用於該離散MIM能量儲存構件之外部電連接之第三連接結構，該第三連接結構以導電方式連接至該第二MIM配置之該第一電極層；用於該離散MIM能量儲存構件之外部電連接之第四連接結構，該第四連接結構以導電方式連接至該第二MIM配置之該第二電極層；以及電絕緣密封材料，其至少部分地嵌入有至少該第一MIM配置與該第二MIM 配置，其中該電絕緣密封材料至少部分地形成該離散MIM能量儲存構件之外邊界表面，且其中該第一連接結構、該第二連接結構、該第三連接結構、及該第四連接結構中之每一者至少部分地形成該離散MIM能量儲存構件之外邊界表面。
  30. 一種電子裝置，其包含：印刷電路板(PCB)；積體電路(IC)，其在該PCB上；以及如請求項29所述之離散MIM能量儲存構件，其連接至該IC。
  31. 一種製造離散金屬-絕緣體-金屬(MIM)能量儲存構件之方法，其包含以下步驟：設置基板；在該基板上形成MIM配置；形成用於該離散MIM能量儲存構件之外部電連接之第一連接結構；形成用於該離散MIM能量儲存構件之外部電連接之第二連接結構；以及將該MIM配置至少部分地嵌入於電絕緣密封材料中，其中該電絕緣密封材料至少部分地形成該離散MIM能量儲存構件之外邊界表面，且其中該第一連接結構及該第二連接結構中之每一者至少部分地形成該離散MIM能量儲存構件之外邊界表面；其中形成該MIM配置之步驟包含以下步驟：在該基板上形成第一電極層；使複數個導電奈米結構自該第一電極層生長；用導電控制材料保形地塗佈該複數個導電奈米結構中之每個導電奈米結構 及未被該複數個導電奈米結構所覆蓋之該第一電極層；以及形成第二電極層以覆蓋該導電控制材料；其中形成該第二電極層之步驟包含以下步驟：藉由第一金屬子層以保形地塗佈該導電控制材料；以及在該第一金屬子層上設置第二金屬子層。
  32. 如請求項31所述之方法，其中該第一金屬子層使用原子層沈積直接沈積於該導電控制材料上。
  33. 如請求項31或32所述之方法，其中使用電鍍來設置該第二金屬子層。
  34. 如請求項31或32所述之方法，其中使用材料及製程設定使該複數個導電奈米結構生長，從而引起碳奈米纖維(CNF)之形成。
  35. 如請求項31或32所述之方法，其進一步包含以下步驟：在形成該MIM配置之步驟之後移除該基板。
  36. 如請求項31或32所述之方法，其中以晶圓之形式來設置該基板。
  37. 如請求項31或32所述之方法，其中以面板之形式來設置該基板。
  38. 如請求項31或32所述之方法，其中以呈一卷膜之形式來設置該基板。
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