具有微電池的半導體結(jié)構及其制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種集成結(jié)構的一個實施例，該集成結(jié)構包括由埋置在第一半導體襯底中的第一導電材料形成的第一電極；由埋置在第二半導體襯底中的第二導電材料形成的第二電極；以及設置在第一和第二電極之間的電解質(zhì)。通過接合焊盤將第一和第二半導體襯底接合在一起，從而使得第一和第二電極被封閉在第一和第二半導體襯底之間。第二導電材料不同于第一導電材料。本發(fā)明還提供了一種具有微電池的半導體結(jié)構及其制造方法。
【專利說明】具有微電池的半導體結(jié)構及其制造方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及半導體領域，更具體地，本發(fā)明涉及一種具有微電池的半導體結(jié)構及其制造方法。
【背景技術】
[0002]消費者電子器件變得更薄而微電子系統(tǒng)則變得小得多。對于消費者電子器件而言，電池是一個尺寸受限的因素。因此，為電池被廣泛地使用在多種領域中，諸如，用于微型化的互補金屬氧化物半導體(CMOS)和微機電系統(tǒng)(MEMS)。例如，微機電系統(tǒng)(MEMS)具有作為自主完成系統(tǒng)的微機電部件、傳感器和致動器并且其需要采用用于電源的微電池。
[0003]現(xiàn)存的制造全固體電池的方法是形成薄膜式的功率存儲器件，并且微電池的所有部件(諸如，集電器、正負電極和固體電解質(zhì))是通過沉積法所形成的薄層。
[0004]常常相互比較微電池和薄膜電池。通常，薄膜電池制造工藝不與近幾十年中影響使用在半導體制造工藝中的硅技術的半導體封裝技術相結(jié)合。
[0005]所考慮到的另一個問題是大多數(shù)微電池都是平面形狀的。根據(jù)所使用的材料，微電池的工作電壓在IV和4V之間，而且對于特定應用而言工作電壓值是受限的，例如，傳感器或制動器要求工作電壓高于幾十伏。而且，存在另一個應用限制因素，其中，全固體微電池的表面電容在幾十μ Ah/cm2至幾百μ Ah/cm2之間且該電壓太低而不能使用。
[0006]現(xiàn)今市場上售賣的和以涂布技術制造的迷你電池具有在300 μ m和650 μ m之間的厚度且?guī)в袔爪?Ah/cm2的表面電容。盡管迷你電池的表面電容比微電池的表面電容大得多，但是厚度使得他們無法集成在集成電路(IC)之上。
[0007]因此，需要解決上述缺陷/問題的微電池結(jié)構以及制造該微電池結(jié)構的萬法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]為了解決現(xiàn)有技術中所存在的問題，根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供了一種集成結(jié)構，包括:第一電極，由第一導電材料形成，被埋置在第一半導體襯底中；第二電極，由第二導電材料形成，被埋置在第二半導體襯底中；以及電解質(zhì)，設置在所述第一電極和所述第二電極之間，其中，所述第一半導體襯底和所述第二半導體襯底通過接合焊盤接合在一起，使得所述第一電極和所述第二電極被封閉在所述第一半導體襯底和所述第二半導體襯底之間，并且所述第二導電材料不同于所述第一導電材料。
[0009]在所述集成結(jié)構中，所述電解質(zhì)是選自由NH4C1、ZnCl2, H2SOjP聚醋酸乙烯酯(PVAc)聚合物凝膠所構成的組中的材料。
[0010]在所述集成結(jié)構中，所述第一導電材料包括選自由石墨、硬質(zhì)碳、軟質(zhì)碳、鈦酸鋰(Li4Ti5O12)、鋁(Al)、鋅(Zn)、氧化錳(MnO4)和鉛(Pb)所構成的組中的材料，并且所述第二導電材料包括選自由LiCo02、LiMn2O4, LiNiCoMnO2、二氧化鋰鎳(LiNiO2)、CuO2和PbO2所構成的組中的材料。
[0011]在所述集成結(jié)構中，所述第一半導體襯底和所述第二半導體襯底均包括硅(Si)。[0012]在所述集成結(jié)構中，所述第一半導體襯底和所述第二半導體襯底通過共熔接合、瞬間液相接合、擴散接合、熱壓接合和熔融接合中的一種接合在一起。
[0013]在所述集成結(jié)構中，所述第一半導體襯底和所述第二半導體襯底通過形成在所述第一半導體襯底上的第一接合焊盤和形成在所述第二半導體襯底上的第二接合焊盤接合在一起，其中，所述第一和所述第二接合材料包括選自由Al/S1、Al/Ge、AlCu/Ge、Au/S1、Au/Ge、Au/Sn、Cu/Sn、Au/In、Ag/Sn、Cu/Cu、Al/Al、Au/Au、Si/S1、Si02/Si02 和 Si/Si02 所構成的組中的一對材料。
[0014]在所述集成結(jié)構中，所述第一接合焊盤和所述第二接合焊盤與所述第一電極和所述第二電極相互間隔開。
[0015]在所述集成結(jié)構中，所述第一半導體襯底包括溝槽；所述第二半導體襯底包括被配置成至少部分地處在所述溝槽中的突出部件；以及所述第一接合焊盤和所述第二接合焊盤被配置在所述突出部件和所述溝槽的底面之間。
[0016]在所述集成結(jié)構中，所述第一電極和所述第二電極被圖案化并且被配置成形成填充有所述電解質(zhì)的腔。
[0017]在所述集成結(jié)構中，所述第一電極包括第一鰭部件；所述第二電極包括第二鰭部件；以及所述第一鰭部件和所述第二鰭部件被配置成相互交錯的。
[0018]根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種微電池結(jié)構，包括:第一襯底，具有第一凹部；第二襯底，具有第二凹部且與所述第一襯底相接合，使得所述第一凹部和所述第二凹部相對準來在所述第一襯底和所述第二襯底之間形成腔；陽極，形成在所述第一襯底上且設置在所述腔中；陰極，形成在所述第二襯底上且設置在所述腔中；以及電解質(zhì)，處在所述腔中且分布在所述第一電極和所述第二電極之間，其中，所述陽極包括第一鰭部件，并且所述陰極包括與所述第一鰭部件相交錯的第二鰭部件。
[0019]在所述微電池結(jié)構，其中，所述第一襯底和所述第二襯底均包括硅襯底；所述陽極包括第一導電材料；以及所述陰極包括不同于所述第一導電材料的第二導電材料。
[0020]在所述微電池結(jié)構中，所述第一導電材料包括選自由石墨、硬質(zhì)碳、軟質(zhì)碳、鈦酸鋰(Li4Ti5O12)、鋁(Al)、鋅(Zn)、氧化錳(MnO4)和鉛(Pb)所構成的組中的材料，并且所述第二導電材料包括選自由LiCo02、LiMn2O4, LiNiCoMnO2、二氧化鋰鎳(LiNiO2)、CuO2和PbO2所構成的組中的材料。
[0021]在所述微電池結(jié)構中，所述電解質(zhì)包括選自由NH4C1、ZnCl2、H2SO4和聚醋酸乙烯酯(PVAc)聚合物凝膠所構成的組中的材料。
[0022]在所述微電池結(jié)構中，所述第一襯底和所述第二襯底之一包括朝向所述腔的開□。
[0023]在所述微電池結(jié)構中，通過選自由陽極接合工藝、真空接合工藝、粘附接合工藝、增強接合工藝、等離子體活化接合工藝、擴散接合工藝、共熔接合工藝和直接接合工藝所構成的組中的接合技術將所述第一襯底和所述第二襯底接合在一起。
[0024]在所述微電池結(jié)構中，所述第一半導體襯底和所述第二半導體襯底通過形成在所述第一半導體襯底上的第一接合部件和形成在所述第二半導體襯底上的第二接合部件接合在一起，其中，所述第一接合部件和所述第二接合部件包括選自由Al/S1、Al/Ge、AI Cu/Ge、Au/S1、Au/Ge、Au/Sn、Cu/Sn、Au/In 和 Ag/Sn 所構成的組中的一對材料。[0025]根據(jù)本發(fā)明的又一方面，提供了一種用于形成微電池結(jié)構的方法，所述方法包括:進行蝕刻以在所述第一襯底中形成第一凹部；在所述第一襯底的所述第一凹部上形成陽極；進行蝕刻以在所述第二襯底上形成第二凹部；在所述第二襯底的所述第二凹部上形成陰極；將所述第一和所述第二襯底接合在一起，使得所述第一凹部和所述第二凹部相對準以在所述第一襯底和所述第二襯底之間形成腔，所述陽極和所述陰極被封閉在所述腔中；以及將電解質(zhì)設置在所述第一襯底和所述第二襯底之間的所述腔中。
[0026]在所述方法中，在所述第一襯底中形成所述陽極包括:在所述第一襯底的所述第一凹部中沉積第一導電材料；以及蝕刻所述第一導電材料，以形成具有多個鰭部件的所述陽極。
[0027]在所述方法中，在所述腔中設置所述電解質(zhì)包括:進行蝕刻以在所述第一襯底和所述第二襯底之一中形成開口 ；以及通過所述開口將所述電解質(zhì)填充到所述腔中。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0028]當結(jié)合附圖進行閱讀時，根據(jù)下面詳細的描述可以更好地理解本發(fā)明。應該強調(diào)的是，根據(jù)工業(yè)中的標準實踐，各種部件沒有被按比例繪制。實際上，為了清楚的討論，各種部件的尺寸可以被任意增大或減小。
[0029]圖1至圖7是根據(jù)一個或更多實施例中的本發(fā)明的微電池結(jié)構在各個制造階段中的不意圖；
[0030]圖8至圖12是根據(jù)一個或更多實施例中的本發(fā)明的微電池結(jié)構在各個制造階段中的不意圖；
[0031]圖13是示出了根據(jù)一個或更多實施例中的本發(fā)明形成微電池結(jié)構的半導體制造工藝的流程圖；
[0032]圖14是示出了根據(jù)其他一個或更多實施例中的本發(fā)明形成微電池結(jié)構的半導體制造工藝的流程圖。
【具體實施方式】
[0033]以下公開提供了多種不同實施例或?qū)嵗?，用于實現(xiàn)本發(fā)明的不同特征。以下將描述組件和布置的特定實例以簡化本發(fā)明。當然，這些僅是實例并且不旨在限制本發(fā)明。另夕卜，本發(fā)明可以在多個實例中重復參考符號和/或字符。這種重復用于簡化和清楚，并且其本身不表示所述多個實施例和/或配置之間的關系。另外，第一層“在第二層上”，“覆在第二層之上”(以及類似的描述)包括第一層和第二層直接接觸的實施例以及在第一和第二層之間插入了一個或更多層的實施例。
[0034]圖1至圖7是根據(jù)一個或更多實施例中本發(fā)明的微電池結(jié)構100在多個制造階段中的示意圖。圖13是流程圖，示出了根據(jù)一個或更多實施例中的本法明制造微電池結(jié)構100的半導體制造工藝方法200。圖1和圖2具體地示出了在各個制造階段中的第一電極結(jié)構101。圖3和圖4示出了在各個制造階段中的第二電極結(jié)構102。圖5、圖6和圖7示出了在各個制造階段中的微電池結(jié)構100。微電池結(jié)構100特別形成在半導體結(jié)構之上，該半導體結(jié)構與其他器件和部件，諸如，集成電路器件和/或微機電系統(tǒng)(MEMS)器件(即使圖中沒有示出)相互結(jié)合。在多個實例中，集成電路器件包括金屬氧化物半導體場效應晶體管(MOSFET)、二極管、成像傳感器、存儲單元、電阻器、電容器或它們的組合。方法200包括多個半導體制造操作，這些操作與用于形成其他半導體器件的半導體制造工藝相兼容且相結(jié)合。整體地參考圖1-圖7和圖13來描述微電池結(jié)構100和方法200。
[0035]參考圖1和圖13，方法200以用于陰極結(jié)構101的第一半導體襯底開始。第一襯底10包括半導體襯底。在本實施例中，第一襯底10包括硅(Si)襯底，諸如，硅晶圓。在其他實施例中，第一襯底10可以額外地或可選地包括選自于由砷化鎵(GaAs)、磷砷化鎵(GaAsP)、磷化銦(InP)、砷鋁化鎵(GaAlAs)、磷鎵化銦(InGaP)、碳化硅(SiC)以及硅鍺(SiGe)所構成的組中的半導體材料。
[0036]方法200包括在第一襯底10中形成第一腔(或第一凹部)11的操作202。用于形成第一腔11的操作202包括光刻工藝和蝕刻。在一個實例中，光刻工藝包括抗蝕劑涂布、軟烘焙、曝光、曝光后烘焙(PEB)、顯影和硬烘焙。在另一個實例中，蝕刻可以包括適合的蝕刻工藝，諸如，濕式蝕刻、干式蝕刻或它們的組合。在一個實施例中，操作202包括使用圖案化的抗蝕劑層來限定用于腔11的區(qū)域的光刻工藝和應用于第一襯底10從而使用圖案化的抗蝕劑層作為蝕刻掩模來形成腔的蝕刻工藝。在這種情況下，通過光刻工藝和蝕刻來沉積和圖案化硬掩模。然后，穿過硬掩模的開口向第一襯底10應用另一個蝕刻工藝從而形成腔11。
[0037]在使用硬掩模的實施例的發(fā)展中，硬掩模包括介電材料，諸如，氮化硅(SiN)、氧化硅(SiO)、氮氧化硅(SiON)或它們的組合。在一個實例中，硬掩模包括形成在第一襯底10上的熱氧化硅膜和形成在熱氧化硅膜上的SiN膜。在實例的發(fā)展中，通過熱氧化工藝來形成熱氧化硅膜層并且通過CVD工藝形成SiN膜。另外圖案化硬掩模從而通過包括了光刻工藝和蝕刻工藝的工序來形成一個或更多開口。然后，穿過圖案化的抗蝕劑層的開口蝕刻硬掩模。隨后可以使用適合的工藝(諸如，濕法脫膜或等離子灰化)來去除該圖案化的硬掩模。在一個實例中，蝕刻工藝包括應用干式(等離子體)蝕刻來蝕刻圖案化的抗蝕劑層的開口內(nèi)的硬掩模。在另一個實例中，蝕刻工藝包括應用等離子體蝕刻來去除圖案化的光刻膠層的開口內(nèi)的SiN膜，以及應用帶有氫氟酸(HF)溶液的濕式蝕刻來去除圖案化的抗蝕劑層內(nèi)的SiO膜。
[0038]操作202可以包括一個以上由光刻工藝和蝕刻組成的工序，從而形成具有適合輪廓的腔11。在本實施例中，腔11包括兩個具有相應深度的區(qū)域。在該實施例的發(fā)展中，腔11包括具有第一深度的第一區(qū)域和具有第二深度的第二區(qū)域。第二區(qū)域圍繞著第一區(qū)域且第二深度小于第一深度。第一和第二深度之間的區(qū)別被設計成使得第一區(qū)域中的第一電極12的最終厚度是具有將電解質(zhì)保持在封閉的腔內(nèi)的適合的機械強度的厚度。在此情況下，包括光刻工藝和蝕刻的第一工序被設計用于將第一和第二區(qū)域中的第一襯底10蝕刻至第二深度。包括光刻工藝和蝕刻的第二工序被設計用于進一步蝕刻第一區(qū)域中的第一襯底10從而達到第一深度。
[0039]仍參考圖1和圖13，方法200包括用于在第一腔11中形成第一電極12的操作204。在本實施例中，第一電極12是陰極。在操作204中，通過適合的沉積方案沉積第一導電材料來基本上填充第一襯底10的第一腔11。該沉積方案可以包括物理汽相沉積(PVD)、化學汽相沉積(CVD)或其他適合的技術。用于第一電極(本實施例中的陰極)的第一導電材料包括選自于由LiCo02、LiMn2O4, LiNiCoMnO2, LiNiO2, CuO2和PbO2所構成的組中的導電材料。在一個實例中，操作204可以進一步包括用于將第一導電材料從第一襯底10的其他區(qū)域中去除的光刻工藝和蝕刻。
[0040]仍參考圖1和圖13，方法200包括用于在與腔11相鄰接的接合區(qū)域中的第一襯底10上形成第一接合焊盤(或第一接合部件)13的操作206。在一個實例中，第一接合焊盤包括適用于根據(jù)適合的接合技術的接合目的的第一接合材料。在多個實施例中，接合技術包括能夠?qū)崿F(xiàn)期望的微電池單元密封效應的共熔接合或擴散接合。在其他實施例中可以使用其他接合技術。在一個實施例中，圖案化第一襯底10從而形成突出的部件并且將第一接合部件13設置在第一襯底10的突出部件上。在一個實例中，通過包括了光刻工藝和蝕刻的工序來形成該突出部件。在另一個實例中，用于形成突出部件的工序與用于形成腔11的工序相結(jié)合。在一個實施例中，通過沉積和圖案化來形成第一接合焊盤13。第一接合焊盤13的第一接合材料的沉積可以包括CVD、PVD或其他適合的技術。第一接合焊盤13的圖案化包括用于將第一接合材料從接合區(qū)域以外的區(qū)域中去除的光刻工藝和蝕刻。當介紹了第二接合部件且描述了接合操作時，將在接合技術、成分和形成方面進一步描述第一接合焊盤13
[0041]參考圖2和圖13，方法200包括圖案化第一電極13從而形成第一鰭結(jié)構的操作208。在操作208之后，第一電極13包括第一多個溝槽14和第一多個鰭，每個鰭均被限定在兩個相鄰接的溝槽之間。因此，第一電極12的這種結(jié)構也被稱為第一鰭結(jié)構。通過另一種包括了光刻圖案化和蝕刻的工序來形成該第一鰭結(jié)構。光刻圖案化形成了帶有用于限定溝槽區(qū)域的開口的圖案化的抗蝕劑層。隨后實施蝕刻(諸如，干式等離子體蝕刻)來蝕刻第一電極12的第一導電材料，該蝕刻下行且在預先確定的深度處停止從而形成第一多個溝槽14并且使得第一區(qū)域中的第一電極12的一部分具有用于適當?shù)臋C械強度的足夠的厚度。
[0042]在另一個實施例中，可以可選地在操作208的過程中去除其他無電極區(qū)域中的第一導電材料。更具體地，蝕刻掩模(圖案化的抗蝕劑層或硬掩模)包括用于溝槽14的開口和用于無電極區(qū)域的其他開口。因此，在下面的蝕刻工藝過程中，形成了溝槽14且同時去除了無電極區(qū)域中的第一導電材料。
[0043]在方法200中，使用操作212至218來在第二襯底中形成第二電極結(jié)構102。操作212至218與操作202至208類似。然而，所形成的第二電極結(jié)構102在成分和配置方面與第一電極結(jié)構101不同。在可以不相關聯(lián)地實施兩種工序的情況下，可以并行地執(zhí)行或以任意適合的順序執(zhí)行用于形成第一電極結(jié)構101的第一形成工序(操作202至208)和用于形成第二電極結(jié)構的第二形成工藝(操作212至218)。在一個可選的實施例中，通過結(jié)合的工藝流程在相同的襯底中形成了第一和第二電極結(jié)構。然后，通過適合的機制(諸如，分割)將第一和第二電極結(jié)構相分離。
[0044]更具體地，用于形成第二電極結(jié)構102的第二工序始于第二襯底15。在本實施例中，第二電極是陽極。第二襯底15與第一襯底10類似且是半導體襯底。在本實施例中，第二襯底15包括Si襯底，諸如，硅晶圓。在其他實施例中，第二襯底15可以額外地或可選地包括其他半導體材料，諸如，那些使用在一個或更多實施例中所描述的第一襯底10中的材料。
[0045]參考圖3和圖13，方法200包括用于在第二襯底15中形成第二腔16(或第二凹部)的操作212。用于形成第二腔16的操作212包括光刻工藝和蝕刻，該操作與操作202類似。在一個實施例中，操作212包括使用圖案化的抗蝕劑層來限定用于腔16的區(qū)域的光刻工藝以及被應用于第二襯底15從而使用圖案化的抗蝕劑層作為蝕刻掩模來形成腔的蝕刻工藝。在另一個實施例中，使用硬掩模作為蝕刻掩模。操作212可以包括一個以上由光刻工藝和蝕刻所構成的工序來形成具有適合輪廓的腔16。
[0046]仍參考圖3和圖13，方法200包括用于在第二腔16中形成第二電極17的操作214。在本實施例中，第二電極17是陽極。在操作214中，通過適合的沉積方案在第二襯底15的第二腔16中沉積第二導電材料。該沉積方案可以包括PVD、CVD或其他適合的技術。用于第二電極(本實施例中的陽極)的第二導電材料包括選自于由石墨、硬質(zhì)碳、軟質(zhì)碳、Li4Ti5O12, Al、Zn、MnO4和Pb所構成的組中的導電材料。在一個實例中，操作214可以進一步包括用于將第二導電材料從第二襯底15的其他區(qū)域中去除的光刻工藝和蝕刻。
[0047]第二電極17包括在第一方向(X方向)上增大的寬度W且包括在垂直于第一方向的第二方向(Y方向)上增大的厚度T。在本實施例中，寬度基本上大于厚度T。在一個實例中，寬度W在大約2*T和大約3*Τ的范圍內(nèi)。
[0048]仍參考圖3和圖13，方法200包括用于在與腔16相鄰接的接合區(qū)域中的第二襯底10上形成第二接合焊盤(或第二接合部件)19的操作216。尤其是第二襯底15的接合區(qū)域被設計成與第一襯底的接合區(qū)域相對準，當它們在后面的制造階段中被接合在一起時。
[0049]在一個實施例中，圖案化第二襯底15從而在第二襯底15的相應的接合區(qū)域中形成溝槽18，而且在溝槽18中設置有第二接合部件19。溝槽18被設計具有當兩個襯底接合在一起時使得第一襯底10的突出的部件部分地放置在溝槽18中的尺寸。在一個實例中，通過包括了光刻工藝和蝕刻的工序來形成溝槽18。在另一個實例中，用于形成溝槽18的工藝與用于形成腔16的工序相結(jié)合。
[0050]在一個實施例中，通過沉積和圖案化形成第二接合焊盤19。第二接合焊盤19的第二接合材料的沉積可以包括CVD、PVD或其他適合的技術。第二接合焊盤19的圖案化包括將第二接合材料從相應的接合區(qū)域以外區(qū)域中去除的光刻工藝和蝕刻。
[0051]在另一個實施例中，第二接合焊盤19包括適用于根據(jù)適合的接合技術的接合目的的第二接合材料。在一個實施例中，結(jié)合技術包括共熔接合或擴散接合?？梢钥蛇x地使用其他接合技術，諸如，瞬間液相(TLP)接合、熱壓接合或熔融接合。按照根據(jù)多個實施例的相應的接合技術，用于第一接合焊盤13的第一接合材料和用于第二接合焊盤19的第二接合材料包括選自于由 Al/S1、Al/Ge、AlCu/Ge、Au/S1、Au/Ge、Au/Sn、Cu/Sn、Au/In、Ag/Sn、Cu/Cu、Al/Al、Au/Au、Si/S1、Si02/Si02 和 Si/Si02 所構成的組中的一對接合材料。
[0052]參考圖4和圖13，方法200包括用于圖案化第二電極17從而形成第二鰭結(jié)構的操作218。在操作218之后，第二電極17包括第二多個溝槽20和第二多個鰭，每個鰭被限定在兩個相鄰接的溝槽之間。第二電極17的相應的結(jié)構也被稱為第二鰭結(jié)構。通過另一種包括了光刻圖案化和蝕刻的工序來形成該第二鰭結(jié)構，該工序與被用來形成第一鰭結(jié)構的工序類似。該工序具體地包括光刻工藝和蝕刻工藝。如圖4中所示的那樣，蝕刻工藝被實施用于蝕刻第二導電材料，該蝕刻下行停止在目標厚度處從而形成了第二多個溝槽20。另夕卜，第一和第二鰭結(jié)構被設計成當?shù)谝灰r底10和第二襯底15在后面的階段中接合在一起時彼此相互交錯。[0053]第二電極17的鰭結(jié)構包括基礎部分和具有多個處在基礎部分上的鰭的鰭部分?；A部分具有在第二方向(Y方向)上的第一厚度Tl，而其部分具有第二厚度T2。相應地，T與Tl和T2相關，T = T1+T2。在本實施例中，Tl基本上等于T2且是總厚度T的大約一半。
[0054]在形成了第一電極結(jié)構101和第二電極結(jié)構102之后，方法200執(zhí)行用于組裝第一電極結(jié)構101和第二電極結(jié)構102且進一步完成微電池結(jié)構100的形成的多個操作。
[0055]參考圖5和圖13，方法200包括通過第一接合焊盤13和第二接合焊盤19將第一襯底10和第二襯底15接合在一起的操作222。尤其是第一接合焊盤13和第二接合焊盤19是對準的，直接相接觸的，并且使用適合的接合技術相接合。在一個實施例中，接合技術包括共熔接合或擴散接合。在另一個實施例中，該接合技術是中混合接合，使用了一種以上結(jié)合在一起的接合機制。例如，第一接合焊盤13和第二接合焊盤19分別包括多個與用于第一接合機制(諸如，共熔接合)的第一子集和用于第二接合機制(諸如，擴散接合)的第二子集配對的域(domains)。
[0056]在其他實施例中，接合技術可以可選地使用TLP接合、熱壓接合或熔融接合。在多個實施例的發(fā)展中，當使用了共熔接合技術時，用于第一接合焊盤13的第一接合材料和用于第二接合焊盤19的第二接合材料包括接合材料Al/S1、Al/Ge、AlCu/Ge、Au/S1、Au/Ge或Au/Sn中的一對。當使用TLP接合技術時，用于第一接合焊盤13的第一接合材料和用于第二接合焊盤19的第二接合材料包括接合材料Cu/Sn、Au/1 η或Ag/Sn中的一對。當使用熱壓接合技術時，用于第一接合焊盤13的第一接合材料和用于第二接合焊盤19的第二接合材料包括用于這兩者的相同的接合材料，諸如，Cu、Al或Au。當使用熔融接合技術時，接合材料包括硅，諸如，P型摻雜的硅、η型摻雜的硅或非摻雜的硅。在更具體的實例中，用于第一接合焊盤13的第一接合材料和用于第二接合焊盤19的第二接合材料包括包括接合材料Si/S1、Si02/Si02 和 Si/Si02 中的一對。
[0057]在又一個實施例中，相應的接合技術可以包括陽極接合工藝、真空接合工藝、粘附接合工藝、增強的接合工藝、等離子體活化接合工藝、擴散接合工藝或直接接合工藝。
[0058]在操作222中，兩個襯底被相接合且兩個腔(11和16)相對準從而形成了位于兩個襯底之間的封閉的腔。第一電極12和第二電極17被設置在該封閉的腔中。另外，第一電極12和第二電極17被配置成使得第一電極12的第一鰭結(jié)構和第二電極17的第二鰭結(jié)構彼此相互交錯。
[0059]參考圖6和圖13，方法200包括分別減薄第一和第二襯底以暴露出第一和第二電極的操作224。第一和第二襯底中的每個均被減薄，從而暴露出用于進一步的電布線的相應的電極。在圖6中，為了暴露出陰極觸點21和陽極觸點22而通過化學機械剖光(CMP)工藝、蝕刻工藝或其他適合的技術去除了第一襯底10和第二襯底10的過量部分，從而露出了埋置在相應的第一和第二襯底10和15中的陰極觸點21和陽極觸點22。陰極觸點21和陽極觸點22被設計具有合適的尺寸。
[0060]參考圖7和圖13，方法200包括在第一和第二襯底之一中形成可進入到封閉的腔中的開口(也被稱為孔)23的操作226。在圖7中所示的一個實例中，通過適合的工序(諸如，光刻圖案化和蝕刻)在第一襯底10的背面上形成開口 23。
[0061]仍參考圖7和圖13，方法200包括隨后實施穿過開口 23將電解質(zhì)材料24填充到處在陰極結(jié)構101和陽極結(jié)構102之間的封閉的腔(或室)中的填充方案的操作228。在一個實施例中，電解質(zhì)材料24包括聚醋酸乙烯酯(PVAc)。在該實施例的發(fā)展中，預凝膠溶液形式(pre-gel solution)的PVAc被填充到封閉的腔25中且隨后通過適合的技術,諸如，在升高的溫度下將其交聯(lián)成凝膠。
[0062]在其他實施例中，電解質(zhì)材料24包括NH4Cl、ZnCl2、H2SO4或類似的。在電解質(zhì)材料保持液態(tài)而隨后被填充到腔25中的情況下，實施密封工藝來密封開口 23從而使得腔25中的電解質(zhì)材料不會泄漏。該密封工藝使用了適合的密封機制，諸如，使用粘滯密封膠及隨后固化該密封膠。
[0063]圖8至圖12是根據(jù)另一個實施例中的本發(fā)明的微電池結(jié)構110在各個制造階段中的示意圖。圖14是流程圖，示出了根據(jù)一個或更多實施例中的本發(fā)明制造微電池結(jié)構100的半導體制造工藝方法250。具體地，圖8示出了第一電極結(jié)構111。圖9示出了第二電極結(jié)構112。圖10、圖11和圖12示出了各個制造階段中的微電池結(jié)構110。尤其是微電池結(jié)構110形成在與其他器件和部件，諸如，集成電路器件和/或MEMS器件(盡管圖中沒有示出)相結(jié)合的半導體結(jié)構之上。在各個實例中，集成電路器件和部件包括M0SFET、二極管、成像傳感器、存儲單元、電阻器、電容器或它們的組合。方法250包括多個與用于形成其他半導體器件的半導體制造工藝相兼容和相結(jié)合的半導體制造操作。整體上參考圖8-圖12和圖14來描述微電池結(jié)構110和方法250。為了簡潔此處則不再重復類似部件和工藝的類似描述。
[0064]參考圖8和圖14，方法250以用于陰極結(jié)構111的第一半導體襯底26開始。第一襯底26與第一襯底10類似且包括半導體襯底。在本實施例中，第一襯底26包括硅襯底，諸如，娃晶圓。
[0065]方法250包括在第一襯底26中形成第一腔(或第一凹部)27的操作252。用于形成第一腔27的操作252類似于操作202且在本實例中包括光刻工藝和蝕刻。
[0066]具體地，操作252可以包括一個以上由光刻工藝和蝕刻組成的工序，從而形成具有適合輪廓的腔27。在本實施例中，腔27包括兩個具有相應深度的區(qū)域。在該實施例的發(fā)展中，腔27包括具有第一深度的第一區(qū)域和具有第二深度的第二區(qū)域。第二區(qū)域圍繞著第一區(qū)域且第二深度小于第一深度。第一和第二深度之間的區(qū)別被設計成使得第一區(qū)域中的待形成的電極的最終厚度是具有將電解質(zhì)保持在封閉的腔內(nèi)的適合的機械強度的厚度。在此情況下，包括光刻工藝和蝕刻的第一工序被設計用于將第一和第二區(qū)域中的第一襯底26蝕刻至第二深度。包括光刻工藝和蝕刻的第二工序被設計用于進一步蝕刻第一區(qū)域中的第一襯底26從而達到第一深度。
[0067]仍參考圖8和圖14，方法250包括用于在第一腔27中形成第一電極28的操作254。在本實施例中，第一電極28是陰極。通過適合的沉積方案在第一襯底26的第一腔27中沉積第一導電材料。用于第一電極(本實施例中的陰極)的第一導電材料包括選自于由LiCoO2, LiMn2O4, LiNiCoMnO2, LiNiO2, CuO2和PbO2所構成的組中的導電材料。操作254與操作204類似。然而，如圖8所示，第一電極28未以與第一腔27共形的的適當厚度和輪廓而沉積在第一腔27中。
[0068]仍參考圖8和圖14，方法250包括用于在與腔27相鄰接的接合區(qū)域中的第一襯底26上形成第一接合焊盤(或第一接合部件)29的操作256。操作256類似于操作206。第一接合焊盤29類似于第一接合焊盤13。在一個實例中，第一接合焊盤29包括適用于根據(jù)適合的接合技術的接合目的的第一接合材料。在另一個實施例中，第一接合部件29形成在接合區(qū)域中的第一襯底26的突出部件之上。
[0069]通過沉積將第一電極28形成為與第一腔27共形的，具有適合的厚度，并且可以額外地包括將第一導電材料從第一襯底26的其他區(qū)域中去除的工序(諸如，光刻圖案化和蝕刻)。第一電極28沒有被進一步圖案化。因此，方法250中去除了方法200中的操作208。
[0070]在方法250中，使用操作262至266在第二襯底30中形成第二電極結(jié)構112。操作262至266與操作252至256類似。然而，所形成的第二電極結(jié)構112在成分方面與第一電極結(jié)構111不同。在可以不相關聯(lián)地實施兩種工序的情況下，可以并行地執(zhí)行或以任意適合的順序執(zhí)行用于形成第一電極結(jié)構111的第一形成工序(操作252至256)和用于形成第二電極結(jié)構的第二形成工藝(操作262至266)。在一個可選的實施例中，通過結(jié)合的工藝流程在相同的襯底中形成了第一和第二電極結(jié)構。然后，通過適合的機制(諸如，分害IJ)將第一和第二電極結(jié)構相分離。
[0071]更具體地，用于形成第二電極結(jié)構112的第二工序始于第二襯底30。在本實施例中，第二電極30是陽極。第二襯底30與第一襯底26類似且是半導體襯底。在本實施例中，第二襯底30包括Si襯底，諸如，硅晶圓。在其他實施例中，第二襯底30可以額外地或可選地包括其他半導體材料。
[0072]參考圖9和圖14，方法250包括用于在第二襯底30中形成第二腔(或第二凹部)31的操作262。用于形成第二腔31的操作262包括光刻工藝和蝕刻，該操作與操作252類似。操作262可以包括一個以上由光刻工藝和蝕刻所構成的工序來形成具有適合輪廓的腔31。
[0073]仍參考圖9和圖14，方法250包括用于在第二腔31中形成第二電極32的操作264。在本實施例中，第二電極32是陽極。在操作264中，通過適合的沉積方案在第二襯底30的第二腔31中沉積第二導電材料。該沉積方案可以包括PVD、CVD或其他適合的技術。用于第二電極(本實施例中的陽極)的第二導電材料包括選自于由石墨、硬質(zhì)碳、軟質(zhì)碳、Li4Ti5O12, Al、Zn、MnO4和Pb所構成的組中的導電材料。在一個實例中，操作264可以進一步包括用于將第二導電材料從第二襯底30的其他區(qū)域中去除的光刻工藝和蝕刻。
[0074]仍參考圖9和圖14，方法250包括用于在與腔31相鄰接的接合區(qū)域中的第二襯底30上形成第二接合焊盤(或第二接合部件)34的操作266。尤其是第二襯底30的接合區(qū)域被設計成與第一襯底的接合區(qū)域相對準，當它們在后面的制造階段中被接合在一起時。
[0075]在一個實施例中，圖案化第二襯底30從而在第二襯底30的相應的接合區(qū)域中形成溝槽33，而且在溝槽33中設置有第二接合部件34。溝槽33被設計具有當兩個襯底接合在一起時使得第一襯底26的突出的部件部分地放置在溝槽33中的尺寸。在一個實例中，通過包括了光刻工藝和蝕刻的工序來形成溝槽33。在另一個實例中，用于形成溝槽33的工藝與用于形成腔31的工序相結(jié)合。
[0076]在一個實施例中，通過沉積和圖案化形成第二接合焊盤34。第二接合焊盤34在組成、結(jié)構和形成方面與接合部件19類似。
[0077]例如，第二接合焊盤34包括適用于根據(jù)適合的接合技術的接合目的的第二接合材料。在一個實施例中，結(jié)合技術包括共熔接合或擴散接合?？梢钥蛇x地使用其他接合技術，諸如，TLP接合、熱壓接合或熔融接合。按照根據(jù)多個實施例的相應的接合技術，用于第一接合焊盤29的第一接合材料和用于第二接合焊盤34的第二接合材料包括選自于由Al/S1、Al/Ge、AlCu/Ge、Au/S1、Au/Ge、Au/Sn、Cu/Sn、Au/In、Ag/Sn、Cu/Cu、Al/Al、Au/Au、Si/S1、Si02/Si02和Si/Si02所構成的組中的一對接合材料。
[0078]在形成第一電極結(jié)構111和第二電極結(jié)構112之后，方法250執(zhí)行組裝第一電極結(jié)構111和第二電極結(jié)構112且進一步完成微電池結(jié)構110的形成的多個操作。
[0079]參考圖10和圖14，方法250包括通過第一接合焊盤29和第二接合焊盤34將第一襯底26和第二襯底30接合在一起的操作272。尤其是第一接合焊盤29和第二接合焊盤34是對準的，直接相接觸的，并且使用適合的接合技術相接合，該接合技術與用于微電池結(jié)構100中的接合焊盤13和19的接合技術類似。在一個實施例中，接合技術包括共熔接合、擴散接合或混合接合。在其他實施例中，接合技術可以可選地使用TLP接合、熱壓接合或熔融接合。在多個實施例的發(fā)展中，用于第一接合焊盤29的第一接合材料和用于第二接合焊盤34的第二接合材料包括與使用在微電池結(jié)構中的那些接合材料類似的一對接合材料。在操作272中，兩個襯底被相接合且兩個腔(27和31)相對準從而形成了位于兩個襯底之間的封閉的腔。第一電極28和第二電極32被設置在該封閉的腔中。
[0080]參考圖11和圖14,方法250包括分別減薄第一和第二襯底以暴露出第一和第二電極用于進一步的電布線的操作274。在圖11中，為了暴露出陰極觸點35和陽極觸點36而通過CMP工藝、蝕刻工藝或其他適合的技術去除了第一襯底26和第二襯底30的過量部分，從而露出了埋置在相應的第一和第二襯底26和30中的陰極觸點35和陽極觸點36。陰極觸點35和陽極觸點36被設計具有適合于機械強度和其他功能性考量的尺寸。
[0081]參考圖12和圖14，方法250包括在第一和第二襯底之一中形成可進入到封閉的腔(或室)38中的開口(也被稱為孔)39的操作276。在圖12中所示的一個實例中，通過適合的工序(諸如，光刻圖案化和蝕刻)在第一襯底26的背面上形成開口 39。
[0082]仍參考圖12和圖14，方法250包括隨后實施穿過開口 39將電解質(zhì)材料37填充到處在陰極結(jié)構111和陽極結(jié)構112之間的封閉的腔38中的填充方案的操作278。在一個實施例中，電解質(zhì)材料37包括聚合物電解質(zhì)PVAc。在該實施例的發(fā)展中，預凝膠溶液形式的PVAc被填充到封閉的腔38中且隨后通過適合的技術，諸如，在升高的溫度下將其交聯(lián)成凝膠。
[0083]在其他實施例中，電解質(zhì)材料37包括NH4Cl、ZnCl2、H2SO4或其他適合的電解質(zhì)材料。在電解質(zhì)材料保持液態(tài)而隨后被填充到腔38中的情況下，實施密封工藝來密封開口 39從而使得腔38中的電解質(zhì)材料不會泄漏。該密封工藝使用了適合的密封機制，諸如，使用粘滯密封膠及隨后固化該密封膠。
[0084]盡管通過現(xiàn)今所能考慮到的最為實用和優(yōu)選的實施例來描述了本發(fā)明，但應該理解，本發(fā)明并不局限于所公開的實施例。反之，它旨在涵蓋包含在所附權利要求的理念和范圍內(nèi)的各種更改和類似的布置，所附的權利要求應與最為寬泛的理解相應從而包括了所有這些更改和類似的結(jié)構。
[0085]可以存在其他變型和更改。在一個實施例中，微電池和充電系統(tǒng)被結(jié)合以在不使用額外的裝置的條件下即時實現(xiàn)耗電器件的自行充電。在另一個實施例中，可以通過結(jié)合的制造工序在相同的硅晶圓中制造微電池的兩個電極結(jié)構，然后通過分割來將他們分離開且隨后接合在一起，這樣降低了制造成本和縮短了生產(chǎn)周期。
[0086]本發(fā)明的多個實施例中存在多種優(yōu)勢和益處。在一個實施例中，微電池結(jié)構及它的制造與硅結(jié)成電路制造相兼容且容易集成到IC器件，諸如，互補金屬氧化物半導體場效應晶體管(CM0SFET)器件和MEMS器件中。在另一個實施例中，公開的金屬結(jié)核(諸如，擴散接合或共熔接合)可以理想地密封微電池單元。在另一個實施例中，微電池結(jié)構(諸如，100和110)具有小封裝件和非常輕的重量，并且具有延長的器件使用壽命。在又一個實施例中，微電池結(jié)構100包括具有交錯的鰭結(jié)構的電極，其具有更大的反應區(qū)域且進一步增大了電池電流。
[0087]因此，本發(fā)明提供了一種集成結(jié)構的一個實施例，該集成結(jié)構包括由埋置在第一半導體襯底中的第一導電材料形成的第一電極；由埋置在第二半導體襯底中的第二導電材料形成的第二電極；以及設置在第一和第二電極之間的電解質(zhì)。通過接合焊盤將第一和第二半導體襯底接合在一起，從而使得第一和第二電極被封閉在第一和第二半導體襯底之間。第二導電材料不同于第一導電材料。
[0088]本發(fā)明提供了微電池結(jié)構的另一個實施例，該微電池結(jié)構包括具有第一凹部的第一襯底；具有第二凹部且與第一襯底相接合使得第一和第二凹部相對準從而在第一和第二襯底之間形成了腔的第二襯底；形成在第一襯底上且設置在腔中的陽極；形成在第二襯底上且設置在腔中的陰極；以及處在腔中且分布在第一和第二電極之間的電解質(zhì)。陽極包括第一鰭部件，而陰極包括與第一鰭部件相交錯的第二鰭部件。
[0089]本發(fā)明提供了形成微電池結(jié)構的方法的一個實施例。該方法包括蝕刻以在第一襯底中形成第一凹部；在第一襯底的第一凹部上形成陽極；蝕刻以在第二襯底上形成第二凹部；在第二襯底的第二凹部上形成陰極；將第一和第二襯底接合在一起從而使得第一和第二凹部相對準而在第一和第二襯底之間形成了腔，其中，陽極和陰極被封閉在腔中；以及將電解質(zhì)設置在第一和第二襯底之間的腔中。
[0090]為了可以更好地理解隨附的實施例的詳細描述，以上概括地描述了多個實施例的特征。應該理解，本領域技術人員可以容易地利用所披露的理念和具體實施例作為修改或設計用于執(zhí)行本發(fā)明的相同目的的其他結(jié)構或處理的基礎。本領域技術人員還應該認識至IJ，這種等效結(jié)構不脫離在所附權利要求中所述的本發(fā)明的精神和范圍且在不背離本發(fā)明的理念和范圍的條件下在此可以做出各種改變、替換和變化。
【權利要求】
1.一種集成結(jié)構，包括: 第一電極，由第一導電材料形成，被埋置在第一半導體襯底中； 第二電極，由第二導電材料形成，被埋置在第二半導體襯底中；以及 電解質(zhì)，設置在所述第一電極和所述第二電極之間，其中， 所述第一半導體襯底和所述第二半導體襯底通過接合焊盤接合在一起，使得所述第一電極和所述第二電極被封閉在所述第一半導體襯底和所述第二半導體襯底之間，并且所述第二導電材料不同于所述第一導電材料。
2.根據(jù)權利要求1所述的集成結(jié)構，其中，所述電解質(zhì)是選自由NH4C1、ZnCl2,H2SO4和聚醋酸乙烯酯(PVAc)聚合物凝膠所構成的組中的材料。
3.根據(jù)權利要求1所述的集成結(jié)構,其中， 所述第一導電材料包括選自由石墨、硬質(zhì)碳、軟質(zhì)碳、鈦酸鋰(Li4Ti5O12)、鋁(Al)、鋅(Zn)、氧化錳(MnO4)和鉛(Pb)所構成的組中的材料，并且 所述第二導電材料包括選自由LiCoO2、LiMn204、LiNiCoMnO2、二氧化鋰鎳(LiNiO2) ,CuO2和PbO2所構成的組中的材料。
4.根據(jù)權利要求1所述的集成結(jié)構，其中，所述第一半導體襯底和所述第二半導體襯底均包括硅(Si)。
5.根據(jù)權利要求1所述的集成結(jié)構，其中，所述第一半導體襯底和所述第二半導體襯底通過共熔接合、瞬間液相接合、擴散接合、熱壓接合和熔融接合中的一種接合在一起。
6.根據(jù)權利要求5所述的集成結(jié)構，其中，所述第一半導體襯底和所述第二半導體襯底通過形成在所述第一半導體襯底上的第一接合焊盤和形成在所述第二半導體襯底上的第二接合焊盤接合在一起，其中，所述第一和所述第二接合材料包括選自由Al/S1、Al/Ge、AlCu/Ge > Au/S i > Au/Ge > Au/Sn > Cu/Sn > Au/In > Ag/Sn > Cu/Cu>Al/Al> Au/Au >Si/S1、Si02/Si02和Si/Si02所構成的組中的一對材料。
7.根據(jù)權利要求6所述的集成結(jié)構，其中，所述第一接合焊盤和所述第二接合焊盤與所述第一電極和所述第二電極相互間隔開。
8.根據(jù)權利要求6所述的集成結(jié)構，其中， 所述第一半導體襯底包括溝槽； 所述第二半導體襯底包括被配置成至少部分地處在所述溝槽中的突出部件；以及 所述第一接合焊盤和所述第二接合焊盤被配置在所述突出部件和所述溝槽的底面之間。
9.一種微電池結(jié)構,包括: 第一襯底，具有第一凹部； 第二襯底，具有第二凹部且與所述第一襯底相接合，使得所述第一凹部和所述第二凹部相對準來在所述第一襯底和所述第二襯底之間形成腔； 陽極，形成在所述第一襯底上且設置在所述腔中； 陰極，形成在所述第二襯底上且設置在所述腔中；以及 電解質(zhì)，處在所述腔中且分布在所述第一電極和所述第二電極之間， 其中，所述陽極包括第一鰭部件，并且所述陰極包括與所述第一鰭部件相交錯的第二鰭部件。
10.一種用于形成微電池結(jié)構的方法，所述方法包括: 進行蝕刻以在所述第一襯底中形成第一凹部； 在所述第一襯底的所述第一凹部上形成陽極； 進行蝕刻以在所述第二襯底上形成第二凹部； 在所述第二襯底的所述第二凹部上形成陰極； 將所述第一和所述第二襯底接合在一起，使得所述第一凹部和所述第二凹部相對準以在所述第一襯底和所述第二襯底之間形成腔，所述陽極和所述陰極被封閉在所述腔中；以及 將電解質(zhì)設置在所 述第一襯底和所述第二襯底之間的所述腔中。
【文檔編號】H01M10/04GK103928699SQ201310156467
【公開日】2014年7月16日 申請日期:2013年4月28日 優(yōu)先權日:2013年1月15日
【發(fā)明者】倪其聰, 王乙翕, 邱義勛, 蘇欽豪 申請人:臺灣積體電路制造股份有限公司