在集成电路中生成电能的方法、相应集成电路及制造方法

专利名称：在集成电路中生成电能的方法、相应集成电路及制造方法
技术领域：
本发明涉及集成电路，更具体地涉及在集成电路中生成电能，而不是由诸如电池 之类的常规电源产生能量。

发明内容
根据一种实施方式和实施例，提出使用例如球形或者更一般的马铃薯体形状 (potatoid-shaped)的三维物体在包含一个或多个压电元件的一个或多个封闭空间内的不 规则运动，并且使用这些物体对这些压电元件的碰撞在每次碰撞时产生电脉冲，电脉冲可 以用于对集成电路的至少一部分供电或者对微型电池进行再充电，或者被储存于诸如电容 器之类的存储装置中，以在随后被再次使用。因此，可以延长例如电池的寿命，或者可选地使得器件自供电，而不需要为其配备 电池。根据一种实施方式和实施例，可以以多种方式将球设置为在封闭体内运动。通过 非限制性示例，可以提到声学振动或其它起源，或者位于本身移动的支持件上的集成电路 的移动。因此，本发明得到众多应用，以非限制性方式举例来说，可以在健康领域中，用于 传感器的电源和/或用于延长传感器的电池寿命，其中该传感器用于监控人类的心跳并且 位于例如人类心脏附近(心脏的运动使球被设置为在壳体中不规则运动)。还应当提到用 于在桥上检测汽车通过的传感器，汽车通过使其上放置有传感器的桥振动，从而将球设置 为在壳体中运动，并引起电信号的产生，所产生的电信号可以用于对传感器自供电或者可 选地用于产生检测信号。可以进一步提到的应用是，对车辆水泵的操作的监控，车辆的水泵在操作中振动， 从而允许球被设置为在壳体中运动，进而使得在传感器中生成电能。根据一种实施方式和实施例，提出一种在集成电路中生成电能的方法，以及一种 能够以宽频带并且独立于放置有集成电路的支持件的运动方向而操作的集成电路。根据一方面，提出一种在集成电路中生成电能的方法，该方法包括将所述集成电 路中制作的一个或多个三维封闭空间与所述一个三维封闭空间或每个三维封闭空间内以 自由方式容纳的一个或多个物体设置为相对运动，所述一个或多个三维封装空间包含一个 或多个压电元件；以及由所述相对运动期间所述一个物体或所述多个物体中的至少一个物 体与所述一个压电元件或所述多个压电元件中的至少一个压电元件之间的至少一次碰撞 产生电能。词语三维封闭空间应当被理解为指开孔的或其它的例如盒子或栅格(cage)之类 的任意装置，使得可以防止通常是三维的物体在物体与封装空间的运动期间从封闭空间出来。此外，自由容纳于这种封闭空间中的物体具有在封闭空间和物体被设置为相对运 动时，考虑随意对壳体各个壁的碰撞，通常以不规则的方式在空间中任意方向上自由移动的能力。三维空间与通常是三维的例如马铃薯体(POtatOid)形式的物体的使用，允许操 作不受限于运动被设置的特定方向，从而使操作可以适应集成电路所承受的任意类型的运 动。此外，能够在封闭空间中以不规则方式移动从而撞击压电元件的物体的使用，完全独立 于任何运动频率和/或压电元件的操作频率，从而使得可以提供能够在运动频率(如果有 的话)有极大变化的集成电路中产生能量的方法。当然，物体的尺寸和/或它们的数目以及封闭空间的体积和/或它们的数目可以 根据应用的目的而调整。因此，可以在一个封闭空间或多个封闭空间中的至少一个封闭空间中以自由方式 容纳多个物体，这样能量产生就由一个或多个物体对所述一个封闭空间或所述多个封闭空 间中至少一个封闭空间内的一个或多个压电元件的每次碰撞引起。还可以有一个或多个封闭空间包含多个压电元件，并且电能产生由一个或多个物 体对所述一个封闭空间或所述多个封闭空间中至少一个封闭空间内的一个或多个压电元 件的每次碰撞引起。实际上，对于封闭空间来说，所产生的能量的量依赖于碰撞的次数，从而依赖于该 封闭空间中物体的数目和/或压电元件的数目。本领域技术人员知晓如何根据所设想的应 用目的来调整这些参数。当然，为了使物体能够在封闭空间中自由移动，必需使得它们的体积之和小于封 闭空间中可用的自由体积。然而，优选使得物体的体积之和远小于自由体积，从而能够给物 体以更大的运动自由，进而允许物体更容易地撞击压电元件。这里，本领域技术人员知晓如何根据所设想的应用目的来调整这些参数。然而举 例来说，封闭空间中物体的体积之和可以例如大于封闭空间的自由内体积的十分之一并且 小于该自由内体积的四分之一。同样，同一封闭空间内物体的尺寸可以相同也可以不同。使用不同尺寸的事实使 得可以进一步增加器件的带宽，从而能够避免例如以单一频率为中心的高斯分布。物体的尺寸也可以在一个封闭空间与另一个空间之间不同。同样，压电元件的尺寸和/或形状也可以在一个封闭空间与另一封闭空间之间或 者在同一封闭空间内相同或不同。根据一种实施方式，以以下方式将一个或多个压电元件固定于所述一个封闭空间 或所述多个封闭空间中至少一个封闭空间的一个壁的至少一部分附近使得所述物体以自 由方式被容纳于所述压电元件与所述封闭空间的其它壁之间。根据另一实施方式，还可以以以下方式将一个或多个第一压电元件固定于所述一 个封闭空间或所述多个封闭空间中至少一个封闭空间的第一壁例如下壁的至少一部分附 近，并将一个或多个第二压电元件固定于所述封闭空间的第二壁例如上壁的至少一部分附 近使得所述物体以自由方式被容纳于所述第一压电元件、所述第二压电元件与所述封闭 空间的其它壁例如侧面壁之间。这种配置使得可以进一步增加可能碰撞的次数，从而增加 所产生的电能的量。作为一种变体，封闭空间的至少一个壁本身可以由压电材料形成，前提是壁的厚 度以及物体的尺寸和重量允许该材料在物体对该壁进行碰撞期间变形。
当然，压电元件的表面和/或可选地形成压电元件的壁的表面可以是任意形式 (平面的、粗糙的、起伏的、倾斜的等等)。所述封闭空间有利地被制作在集成电路的金属化层之上，也就是说，被制作在集 成电路中包括金属互连并通常由本领域技术人员使用“后端线”(BEOL)来表示的部分中。例如可以连续使用物体对压电元件碰撞所产生的能量，从而例如对用于给集成电 路供电的电池进行再充电。然而，也可以将产生的电能储存于集成电路中制作的存储装置 例如电容器中，该存储装置例如电容器能够在随后被完全放电或部分放电，从而给集成电 路的全部或部分有源元件供电。将壳体与物体设置为相对运动可以由集成电路外部与所述集成电路直接或以一 距离交互的事件发生而引起。直接交互发生于例如集成电路位于会移动的支持件上时。以一定距离交互可以例如由事件发生所导致的声波引起，该声波在壳体层处被接 收时，导致所述将封闭空间(或壳体)与物体设置为相对运动。一种示例性应用是检测非法进入。例如，如果集成了所述集成电路的传感器被置 于开口例如凸窗上，则凸窗的破碎会引起振动，振动会将球与壳体设置为相对运动，结果生 成能够例如被用于发射检测信号的电能产生。因此，根据另一方面，提出一种检测集成电路外部事件发生的方法，包括如上所述 的在集成电路中生成能量的方法，所述设置为相对运动由从所述发生引起的动作导致，并 且所述检测方法包括发射基于所述能量产生而生成信号。根据另一方面，提出一种集成电路，包括在所述集成电路内制作并且包含一个或 多个压电元件的一个或多个三维封闭空间；以自由方式被容纳于所述一个三维封闭空间或 每个封闭空间中的一个或多个物体；以及导电输出装置，连接至所述压电元件，并且被配置 为传送由所述物体与相应封闭空间的相对运动期间所述一个物体或所述多个物体中的至 少一个物体与所述一个压电元件或所述多个压电元件中的至少一个压电元件的至少一次 碰撞产生的电能。根据一个实施例，多个物体以自由方式被容纳于所述一个封闭空间或所述多个封 闭空间中的至少一个封闭空间中。根据一个实施例，所述一个封闭空间或所述多个封闭空间中的至少一个封闭空间 包含多个压电元件。根据另一实施例，一个或多个压电元件以以下方式被固定于所述一个封闭空间或 所述多个封闭空间中至少一个封闭空间的第一壁的至少一部分附近使得所述物体以自由 方式被容纳于所述压电元件与所述封闭空间的其它壁之间。根据另一实施例，一个或多个第一压电元件以以下方式被固定于所述一个封闭空 间或所述多个封闭空间中至少一个封闭空间的第一壁的至少一部分附近，并且一个或多个 第二压电元件以以下方式被固定于所述封闭空间的第二壁的至少一部分附近使得所述物 体以自由方式被容纳于所述第一压电元件、所述第二压电元件与所述封闭空间的其它壁之 间。—个或多个压电元件可以包括以悬臂样式安装并且由至少一种压电材料形成的 至少一个梁。
作为一种变体，一个或多个压电元件可以包括单块组件，所述单块组件包括多个 梁，每个梁以悬臂样式安装并且由至少一种压电材料形成。根据一个实施例，以悬臂样式安装的梁被安装于距所述第一壁一距离处，从而形 成面向所述第一壁布置的开孔的压电垫，所述垫的孔隙的尺寸小于每个物体的尺寸。举例来说，在物体基本是球形的情况下，可以提供尺寸为球的直径的一半量级的 孔隙。根据另一实施例，一个或多个压电元件包括开孔板，所述开孔板通过其边缘固定 在一个或多个封闭空间中，从而能够在与所述开孔板的表面正交的方向上变形，所述板由 至少一种压电材料形成，所述板的孔隙的尺寸小于每个物体的尺寸。因此，梁垫以及所述开孔板可以有利地被布置为彼此面对，所述物体以自由方式 被容纳于所述垫与所述板之间。每个物体的尺寸可以是最大为微米尺寸，或者实际上是纳米尺寸。所述封闭空间可以有利地被布置于所述集成电路的金属化层之上，即被布置在集 成电路的“后端线”部分中。集成电路可以进一步包括连接至电输出装置并被配置为储存所产生的能量的存 储装置。根据另一方面，提出一种检测事件发生的装置，该检测装置包括以上所述的集成 电路，被设计为接收例如振动的事件信号，该事件信号由所述发生引起并且能够导致所述 设置为相对运动；以及发射装置，被配置为传送基于所述集成电路的输出装置传送的能量 而生成的输出信号。因此，这种传感器可以可选地完全不用电源，而是事件的发生使得壳体与球被设 置为相对运动，并且传送例如红外或射频的检测信号的发射所需的能量。根据另一方面，提出一种制造集成电路的方法，包括制作集成电路中本领域技术 人员通常以名称“前端线”(FEOL)来表示的有源部分，以及在有源部分上制作本领域技术人 员以名称“后端线”(BEOL)来表示的互连部分。根据该方面的一般特征，该制造方法进一步包括在制作互连部分期间，制作一个 或多个三维封闭空间，在所述封闭空间中制作一个或多个第一压电元件；以及制作以自由 方式容纳于一个封闭空间或每个封闭空间中的一个或多个物体。根据一种实施方式，制作用于形成相应封闭空间的下壁的下层，如金属化层，以支 持所述一个第一压电元件或每个第一压电元件。根据一种实施方式，制作所述一个第一压电元件或每个第一压电元件包括在所述下层上形成包括例如电介质材料层的支持层和压电材料层的堆叠；对所述压电材料层进行刻蚀以形成梁垫；以及对所述支持层进行部分刻蚀以使所述梁垫以悬臂样式被安装。制作所述一个第一压电元件或每个第一压电元件可以进一步包括在所述压电材 料层上形成金属线路的网络。该形成可以优选在对压电材料层进行刻蚀之前执行，从而避 免金属沉积在位于以悬臂样式安装的梁下面的腔中。根据一种实施方式，制作所述物体包括在所述压电元件上形成中间层，例如电介质层，
在所述中间层上形成额外层，例如铝层或诸如钽之类的任意其它相对较重的材 料，对所述额外层进行刻蚀，以部分地形成所述物体，所述物体仍停留于中间层上，在刻蚀后的层上形成附加层，例如电介质层，形成围绕所述第一压电元件、所述中间层、所述刻蚀后的层和所述附加层的侧面 沟槽，例如使用钨填充所述沟槽，在所述附加层和所述沟槽上形成上层，例如氮化硅上层，对所述上层进行刻蚀，以形成尺寸小于所述物体的开口，以及通过所述开口对所述中间层和所述附加层进行选择性刻蚀，从而使得物体可以完 全自由，随后物体落到壳体(封闭空间)的底部。制作所述封闭空间可以进一步包括在开孔的上层上形成最终层，例如用于支持 集成电路的另一上金属化层的电介质层。该制造方法可以进一步包括制作面向所述第一压电元件的一个或多个第二压电 元件。在这种情况下，通过其对各层进行刻蚀以使物体完全自由的开孔的上层可以是用 于形成第二压电元件的压电层，则该第二压电元件的形成可以包括在开孔的压电层上形成辅助层，例如氮化硅层，对所述辅助层进行部分刻蚀以在所述压电层的一部分上形成腔和用于稳固所述 腔周围的压电层的部分，以及在稳固部分上形成覆盖所述腔的最终覆盖层。


通过研究对完全非限制性的实施方式和实施例的详细描述以及附图，本发明的其 它优点和特征将更明显。附图中图1以极简化的方式示出根据本发明的集成电路的实施例；图2示出根据本发明的方法的示例性实施方式；图3至图18示意性地示出根据本发明的集成电路的制造步骤的示例；图19示出用于储存根据本发明的集成电路的实施例所产生的能量的示例性电路 图；图20示意性地示出合并了根据本发明的示例性集成电路的示例性传感器；并且图21示出这种传感器的操作方式的示例。
具体实施例方式图1中，附图标记CI表示集成电路，该集成电路以本身已知的常规方式包括本领 域技术人员通常使用词语“前端线”来表示的FEOL部分，在FEOL上面有本领域技术人员通 常使用词语“后端线”来表示的第二部分BE0L。FEOL部分实际上是集成电路中首先被制造的部分，其中置有诸如晶体管、电阻器 等独立的有源部件。FEOL部分通常包括集成电路中到第一金属层为止的所有各个元件。
集成电路的上部，即BEOL部分，是集成电路中通过金属化层Mn，Mn+1，...以及通孔 将有源部件(晶体管、电阻器等)互连的部分。该BEOL部分从第一金属化层开始，并且还 包括通孔、绝缘层以及布置在集成电路上部的接触焊盘。如图1所示，集成电路CI在BEOL部分中合并有至少一个三维封闭空间CG，通常是 多个三维封闭空间。在图1中，为了简化起见，仅表示出两个三维封闭空间。每个三维封闭空间实际上均形成各自合并有至少一个物体BL的栅格或封闭壳体 CG，物体BL例如为球形或者更一般地为马铃薯体形状。每个栅格CG中包含的物体BL都能 够在其中自由移动。另外，每个封闭壳体CG都配置有至少一个压电元件EPZ1。因此，从以下更详细的描述中可以看出，当栅格CG与其中所包含的物体被设置为 相对运动时，这些物体中的至少一些物体会在其不规则运动期间与压电元件EPZl相接触， 例如物体BLi或物体BLj就是这种情况。这种碰撞随之会使压电元件变形，并引起电能的传送。该电能通过连接至各个压电元件EPZl的电输出装置MSE传送。这从以下对这些 电输出装置MSE的示例性实施例的更详细描述中也可以看出。这些电输出装置MSE还通过 电连接CNX链接至特定电路CEL。从以下更详细的描述中可以看出，该特定电路CEL例如能够储存通过球对压电元 件的连续碰撞而产生的能量。虽然可以在金属化层之间制作该特定电路CEL的元件，尤其在涉及电容器时更是 如此，但实际应用中，可以在集成电路的FEOL部分中制作特定电路的元件，并不必需如图1 的示例所示那样在栅格CG之下制作。在例如如图1所示的集成电路中生成电能的方法的主要步骤已在图2中以示意性 方式示出。如上所述，栅格_球相对运动20 (例如通过将集成电路本身设置成运动而引起，或 者从以下更详细的描述中可以看出，通过接收振动而引起)会引起球在栅格中的不规则移 位，这通过栅格壁的直接或间接反弹，引起一个或甚至是多个球与压电元件的一次以及通 常是多次碰撞(步骤21)。球与压电元件的每次碰撞都会使压电元件变形，从而引起电能脉冲的传送(步骤 22)。该电能可以用于对例如集成电路中布置的微电池进行再充电，或者对集成电路的 非常特定的部分供电，使其不再需要由集成电路的电池本身供电。还可以将传送的能量储存(步骤23)在特定的存储电路CEL中，以便在随后被返 回。能够在三维封闭空间中自由移动从而与压电元件相接触的例如球形或更一般的 马铃薯体形式的三维物体的使用，在集成电路的移位运动方向上提供了极大的使用灵活 性。实际上，不管集成电路可能承受什么样的运动类型和运动方向，都能够保证这种相对运 动。同样，这种壳体与球相结合的三维方案使得能量产生器件的操作可以与移位的任 意具体频率和/或压电元件的谐振的任意具体频率不相关。结果，集成电路呈现出宽的操作带宽。当然，为了在不存在破坏压电元件的风险的情况下获得足够的碰撞次数，必须根 据封闭空间的内体积和压电元件的机械特性对物体尺寸和它们的重量进行调整，从而能够 提供物体在该体积中进行充分不规则运动的可能性。同样，尽管通常为了简化制造工艺，各个封闭空间CG中物体的尺寸相等，但也可 以在一个物体与另一个物体之间不同，和/或在一个栅格与另一栅格之间不同。同样，压电元件可以在一个栅格与另一栅格之间或者当栅格包括多个压电元件时 在同一栅格内呈现出不同的几何配置和/或形式。实际应用中，马铃薯体的尺寸是微米量级，甚至是纳米量级，也就是说，它们的尺 度是微米或更小的量级，或者甚至是纳米量级。现在将参考图3至图18更详细地描述根据本发明的集成电路的示例性实施例。在这些图中，为了简化起见，仅示出制作配备有压电元件并合并有诸如微球之类 的物体的单个栅格(封闭空间)，当然应当理解，在集成电路合并多个栅格的情况下，可以 同时制作这些栅格。在图3中，假设栅格CG、压电元件和物体的制作开始于下层Cl的沉积，下层Cl在 这里对应于金属层Mn。该层Cl例如为铜或铝，具有例如4000埃量级的厚度。然后由层C2覆盖该层Cl，从以下更详细的描述中可以看出，层C2形成支持层，并 且由例如诸如二氧化硅或层间电介质之类的电介质材料构成。该层C2以本身已知的常规 方式，例如通过化学气相沉积(CVD)形成，并且其厚度可以例如从几百埃到几千埃变化。之后，在支持层C2上例如通过沉积形成由压电材料形成的层C3。这里，依据所使 用的技术，该层的厚度同样可以例如从几百埃到几千埃变化。有大量压电材料可以使用，例如石英、钽、氮化钽、或者来自化学式为Pb(Zrx， Ti1JO3 (Lead Titano-Zirconate，锆钛酸铅)族的材料。例如，对于PZT型的材料， 使用液相沉积，而对于钽或氮化钽，则使用本身已知的CVD型常规沉积。在通过本身已知的常规各向异性刻蚀GRVO对压电层C3进行刻蚀(图4)，以得到 用于在其中制作多个压电元件的压电层部分C30之后，使用导电层C4，例如后续的金属化 层Mn+1的金属层，覆盖该组件。从图5和图6中将更详细地看出，该金属层C4允许制作交错(interleaved)的金 属线路，这使得可以传导与物体碰撞期间由压电材料变形而产生的电能。从图5以及俯视图5得出的图6中可以看出，层C30追求的最终图案由各自形成若 干个梁(beam)的三个单块组件C300、C301和C302形成。因此，组件C300包括由间隔ESP 隔开的三个梁P3000、P3001和P3002。组件C301 包括三个梁 P3010、P3011、P3012 和三个梁 P3013、P3014 和 P3015 的两
个对称组。每组的梁也由间隔ESP隔开。组件C302也包括同样由间隔ESP互相隔开的三个梁P3020、P3021和P3022的组。此外，组件C300、C301和C302它们本身也由间隔ESP互相隔开。在该图中，使用相同的标记ESP来表示间隔。在实际应用中，这些间隔可以相同也 可以不同。
通过掩膜以及之后对金属层C4的刻蚀GRVOl制作在梁组件上延伸的两条金属线 路PSA和PSB。更具体地说，在组件C301上可以看出，这两条金属线路在每个梁的上表面上 形成梳齿互锁的两个梳。此外，这两条线路PSA和PSB中离开各个组件C300、C301和C302 的部分表示为PSS，并且在这里形成电输出装置MSE(图1)的示例性实施例，使得可以转移 压电元件所生成的电能。这两条金属线路PSS将通过金属化层Mn+1的线路得以延伸，从而借助于通孔或可 选地借助于其它金属化层，在集成电路的另一位置处与布置在集成电路FEOL部分中的特 定电路CEL联接。这些其它的线路和通孔(如果有的话)形成输出装置PSS与特定电路 CEL之间的电连接CNX (图1)的示例性实施例。为了简化起见，没有示出组件C300和C302上金属线路PSA和PSB的弯曲，而仅示 出它们的输出PSS。一旦刻蚀了这些金属线路，就在掩膜之后对层C30执行本身已知的常规刻蚀 GRV02,从而形成组件C300、C301和C302。接着，如图7所示，通过间隔ESP对层C2执行另一刻蚀GRVl，以在组件C300、C301 和C302下面创建腔CVA和CVB。刻蚀GRVl首先是各向异性接着是各向同性，从而创建所述腔。在完成该刻蚀操作时，各个组件的各个梁以悬臂样式设置，也就是说，它们悬于层 C2中剩下的支持件C23、C22和C21之上。因此，在该示例中，制作了由标记EPZl统一表示的三个压电元件。第一压电元件由三个悬臂梁P3000、P3001和P3002形成。第二压电元件由两组对 称的悬臂梁 P3010、P3011、P3012 以及 P3013、P3014 和 P3015 形成。第三压电元件由三个悬臂梁P3020、P3021和P3022形成，所有的这些梁由形成线 路PSA和PSB的金属化层C400、C401和C402覆盖。可以在刻蚀金属线路之前执行梁的刻蚀。然而，优选如上所述的相反的顺序，从而 避免在梁之间沉积金属的风险。然后，在压电材料EPZl上以及在剩余层C21和C23上形成成分例如与层C2相同 从而与剩余部分C21和C23相同的中间层C5 (图8)。
0125]接着，例如通过沉积，在中间层上形成用于在其中制作在栅格中自由运动的物体 的额外层C6。该层C6可以由例如铝、钽、氮化硅或者PZT族的材料或者任意其它足够重的材料 形成。该层C56的厚度将决定每个物体的一个尺度。该尺度依据所使用的技术而变化。举 例来说，其可以在几百埃至约一微米之间。在对层C6进行掩膜从而界定物体之后，对该层C6执行刻蚀GRV2 (图9)，从而得到 多个物体0B6。尽管在图9中为了简化起见将每个物体的前面表示为方形，但物体的实际形状更 接近于如图10所示的马铃薯体形状，这是由刻蚀操作导致的。此时，每个物体0B6停留在层C5的上表面上。各个物体之间的间隔SP例如等于 每个物体的尺寸，也就是例如微米量级。在接下来的步骤中(图11)，使用成分例如也与层C5相同的附加层C7覆盖物体0B6和层C5。接着，在压电元件EPZl的两侧对组件进行刻蚀，从而限定侧面沟槽TR。该刻 蚀GRV3是本身已知的常规各向异性刻蚀，其会在下层Cl上停止。接下来，如图12所示，使用例如钨的填充材料MRL来填充该侧面部分TR。因此，这里可以看出，随后形成的栅格CG在其下部由下层Cl界定，并且在其侧面 由侧面沟槽TR界定。这里应当注意的是，沟槽TR可以是一片或多片，这由对信号输出和/或栅格尺寸 的需求来决定。在常规的平坦化步骤后，例如通过常规的CVD型沉积在层C7上以及在被填充的沟 槽TR上形成上层C8。接着，如图12以及俯视图12得出的图13所示，对层C8进行本身已知的常规各向 异性刻蚀GRV4，从而一方面对层C8进行界定，另一方面在该层C8中制作开口 0UV。开口 OUV优选被垂直布置为与每个物体0B6的边界一致。层C8的厚度例如为几千埃的量级。接着，如图14所示，通过开口 OUV进行等离子体刻蚀GRV5，从而去除层C7和C5中 围绕物体0B6的剩余部分。通过这次刻蚀，形成了完全自由并且因此在该方法的这个时候落到栅格CG底部、 压电元件EPZl上的马铃薯体形状的最终物体BL。当然，只要栅格与物体BL之间有相对运动，物体BL就能够在其上部由开孔板C8 界定的栅格CG的内部自由体积VLI中自由运动。为此，开口 OUV的尺寸以及压电元件之间的间隔ESP的尺寸被选择为，使得物体一 方面不能通过上部从栅格CG中出去，也不会掉到悬臂梁之下制作的腔中。举例来说，如果D表示球体BL或更准确地说是马铃薯体的直径，则开口的尺寸以 及间隔的尺寸优选小于D/2。因此，对于90纳米的技术来说，如果选择球体BL的尺寸D为0. 6微米量级，则采 用尺寸从0. 2到0. 3微米范围内的开口 OUV和间隔ESP。此外，如果球BL由诸如钽之类的导电材料形成，则提议使用绝缘材料，如氮化硅 或者氮化硅_ 二氧化硅双层，来覆盖压电元件上行进的金属线路。该操作例如在对线路进 行刻蚀之前执行。如果另一方面球BL由诸如氮化硅之类的电绝缘材料形成，则没有必要使 布置在压电元件上的金属线路电绝缘。如图16所示，可选地可以使用例如二氧化硅的最终层C9来覆盖开孔层C8。这里应当注意的是，要在极低的压力下进行刻蚀和沉积操作，从而可以在栅格CG 中维持极低的压力，进而有利于物体BL在栅格内的运动。然而，即使栅格中包含处于大气 压力下的空气，该器件也能操作。作为一种变体，还可以在栅格的上壁层处为栅格配备另一压电元件。以下参见图 17和18进行描述。实际上，该变体可以通过以下方式容易地实现使用上面具有刻蚀的金属线路 (为简化起见，未在图中示出)的压电材料层，例如材料与元件EPZl所使用的材料相同，来 替代图14中的开孔的氮化硅层C8。然后，以同样的方式通过开孔的压电材料层C80的开口 对栅格内布置的层进行刻蚀(图17)。
接着，在开孔的压电材料层C80上沉积例如氮化硅的辅助层C90。在掩膜之后，对 该层C90进行部分刻蚀，从而在开孔的压电层C80的中心部分之上形成CVT腔。在该刻蚀操作之后，压电层C80的边缘由层C90的剩余部分维持，从而形成能够在 与其平面正交的方向上弯曲的易弯曲层，这种弯曲会在与球BL碰撞期间发生。之后，层C90以及CVT腔由最终覆盖层ClO覆盖，最终覆盖层ClO可以在例如集成 电路的另一金属化层处(图17)。该层ClO也可以接着由另一电介质层Cll覆盖。基于图16或图18所示的配置，集成电路制造的最后通常通过可选地制作其它金 属化层并在集成电路上表面上形成接触焊盘来以常规方式继续。图19以示意方式示出在这里可以储存物体对压电元件的每次碰撞过程中产生的 能量的电路CEL的电路图。更准确地说，在这里所描述的完全非限制性的示例中，电路CEL包括基于二极管 的整流桥PRD，整流桥PRD的两个输入端连接至各个压电元件的输出装置PSS。整流桥的输出端连接至存储电容器CST的两个端子，存储电容器CST能够可选地 将储存的能量返回给集成电路的负载。可以提供连接至压电元件组件的单个CEL，也可以提供分别连接至一个或多个压 电元件的多个电路CEL。图20以非限制性示例方式示出以将集成电路CI合并到传感器CPT中为主要部分 的本发明的具体应用。该传感器可以位于移动的支持件上，或者可以接收基于例如传感器 CPT所处的玻璃板破碎的事件发生而向远处发射的诸如振动之类的信号SIN。响应于可选地放置有传感器CPT的支持件的运动，或者响应于振动信号SIN的接 收(图21，步骤210)，将栅格和球设置为相对运动(步骤211)，结果产生如图2所描述的电 能2。该电能可以用于通过常规的发射电路MEM生成例如红外信号或射频信号的检测 信号SDT的发射(步骤212)。
权利要求
一种在集成电路中生成电能的方法，包括将所述集成电路(CI)内制作的一个或多个三维封闭空间(CG)与所述一个三维封闭空间或每个三维封闭空间(CG)内以自由方式容纳的一个或多个物体(BL)设置为相对运动(20)，所述一个或多个三维封闭空间(CG)包含一个或多个压电元件(EPZ1)；以及由所述相对运动(20)期间所述一个物体或所述多个物体中的至少一个物体与所述一个压电元件或所述多个压电元件中的至少一个压电元件之间的至少一次碰撞产生电能(22)。
2.根据权利要求1所述的方法，其中多个物体(BL)以自由方式被容纳于所述一个封 闭空间(CG)或所述多个封闭空间(CG)中的至少一个封闭空间(CG)中，并且所述电能产生 (22)由一个或多个物体(BL)对所述一个封闭空间或所述多个封闭空间中至少一个封闭空 间内的一个或多个压电元件(EPZl)的每次碰撞引起。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中一个或多个封闭空间(CG)包含多个压电元 件(EPZ1，C80)，并且所述电能产生(22)由一个或多个物体对所述一个封闭空间或所述多 个封闭空间中至少一个封闭空间内的一个或多个压电元件的每次碰撞引起。
4.根据前述权利要求之一所述的方法，其中以以下方式将一个或多个压电元件 (EPZl)固定于所述一个封闭空间或所述多个封闭空间中至少一个封闭空间的一个壁的至 少一部分附近使得所述物体以自由方式被容纳于所述压电元件与所述封闭空间的其它壁 之间。
5.根据前述权利要求之一所述的方法，其中以以下方式将一个或多个第一压电元件 (EPZl)固定于所述一个封闭空间或所述多个封闭空间中至少一个封闭空间的第一壁的至 少一部分附近，并将一个或多个第二压电元件(C80)固定于所述封闭空间的第二壁的至少 一部分附近使得所述物体以自由方式被容纳于所述第一压电元件、所述第二压电元件与 所述封闭空间的其它壁之间。
6.根据前述权利要求之一所述的方法，其中相同或不同尺寸的物体(BL)以自由方式 被容纳于所述一个封闭空间或所述多个封闭空间中的至少一个封闭空间中。
7.根据前述权利要求之一所述的方法，其中所述封闭空间被制作在所述集成电路的金 属化层(Mn)之上。
8.根据前述权利要求之一所述的方法，其中所产生的能量被储存于(23)所述集成电 路中制作的存储装置(CST)中。
9.前述权利要求之一所述的方法，其中所述设置为相对运动由集成电路外部与所述集 成电路(Cl)直接或以一距离(SIN)交互的事件发生而引起。
10.一种检测集成电路外部事件发生的方法，包括根据权利要求1至9之一的在集成电路中生成能量的方法，所述设置为相对运动(211) 由从所述发生引起的动作导致，以及发射(212)基于所述能量产生而生成的信号(SDT)。
11.一种集成电路，包括在所述集成电路(Cl)内制作、并且包含一个或多个压电元件(EPZl)的一个或多个三 维封闭空间(CG)；以自由方式被容纳于所述一个三维封闭空间或每个封闭空间中的一个或多个物体(BL)；以及导电输出装置(MSE)，连接至所述压电元件，并且被配置为传送由所述物体与相应封闭 空间的相对运动期间所述一个物体或所述多个物体中的至少一个物体与所述一个压电元 件或所述多个压电元件中的至少一个压电元件之间的至少一次碰撞产生的电能。
12.根据权利要求11所述的集成电路，其中多个物体(BL)以自由方式被容纳于所述一 个封闭空间或所述多个封闭空间中的至少一个封闭空间中。
13.根据权利要求11或12所述的集成电路，其中所述一个封闭空间或所述多个封闭空 间中的至少一个封闭空间包含多个压电元件(EPZ1，C80)。
14.根据权利要求11至13之一所述的集成电路，其中一个或多个压电元件(EPZl)以 以下方式被固定于所述一个封闭空间或所述多个封闭空间中至少一个封闭空间的第一壁 的至少一部分附近使得所述物体(BL)以自由方式被容纳于所述压电元件与所述封闭空 间的其它壁之间。
15.根据权利要求11至14之一所述的集成电路，其中一个或多个第一压电元件 (EPZl)以以下方式被固定于所述一个封闭空间或所述多个封闭空间中至少一个封闭空间 的第一壁(Cl)的至少一部分附近，并且一个或多个第二压电元件(C80)以以下方式被固定 于所述封闭空间的第二壁的至少一部分附近使得所述物体(BL)以自由方式被容纳于所 述第一压电元件、所述第二压电元件与所述封闭空间的其它壁之间。
16.根据权利要求11至15之一所述的集成电路，其中一个或多个压电元件(EPZl)包 括以悬臂样式安装并且由至少一种压电材料形成的至少一个梁(P3002)。
17.根据权利要求11至16之一所述的集成电路，其中一个或多个压电元件(EPZl)包 括单块组件(C300，C301，C302)，所述单块组件(C300，C301，C302)包括多个梁，每个梁以悬 臂样式安装并且由至少一种压电材料形成。
18.根据权利要求16或17结合权利要求14所述的集成电路，其中以悬臂样式安装的 梁被安装于距所述第一壁(Cl) 一距离处，从而形成面向所述第一壁(Cl)布置的开孔的压 电垫(P3000-P3001 ；P3010-P3015 ；P3020-P3022)，所述垫的孔隙(ESP)的尺寸小于每个物 体的尺寸。
19.根据权利要求11至15之一所述的集成电路，其中一个或多个压电元件包括开孔板 (C80)，所述开孔板(C80)通过该开孔板(C80)的边缘固定在一个或多个封闭空间中，从而 能够在与所述开孔板(C80)的表面正交的方向上变形，所述板由至少一种压电材料形成， 所述板的孔隙的尺寸小于每个物体的尺寸。
20.根据权利要求15、18和19所述的集成电路，其中开孔的梁垫和所述开孔板(C80) 被布置为彼此面对，所述物体(BL)以自由方式被容纳于所述垫与所述板之间。
21.根据权利要求11至20之一所述的集成电路，其中容纳于所述一个封闭空间(CG) 或所述多个封闭空间(CG)中至少一个封闭空间(CG)中的物体(BL)具有相同或不同的尺 寸。
22.根据权利要求21所述的集成电路，其中每个物体的尺寸(D)最大为微米尺寸。
23.根据权利要求11至22之一所述的集成电路，其中每个物体(BL)为马铃薯体形状。
24.根据权利要求11至23之一所述的集成电路，其中所述封闭空间被布置于所述集成 电路的金属化层(Mn)之上。
25.根据权利要求11至24之一所述的集成电路，进一步包括连接至电输出装置并被配 置为储存所产生的能量的存储装置(CST)。
26.一种检测事件发生的装置，包括根据权利要求11至25之一所述的集成电路(Cl)，被设计为接收事件信号(SIN)，该事 件信号(SIN)由所述发生引起并且能够导致所述设置为相对运动；以及发射装置(MEM)，被配置为传送基于所述集成电路的输出装置传送的能量而生成的输 出信号。
27.一种制造集成电路的方法，其特征在于，该方法包括 制作一个或多个三维封闭空间(CG)；在所述封闭空间中制作一个或多个第一压电元件(EPZl)；以及 制作以自由方式容纳于一个封闭空间或每个封闭空间中的一个或多个物体(BL)。
28.根据权利要求27所述的方法，包括制作所述集成电路的有源部分(FE0L)，并且在所述有源部分之上制作互连部分 (BEOL)，所述制作一个或多个三维封闭空间(CG)、所述在所述封闭空间中制作一个或多个 第一压电元件(EPZl)以及所述制作以自由方式容纳于所述一个封闭空间或每个封闭空间 中的一个或多个物体(BL)在制作所述互连部分(BEOL)期间执行。
29.根据权利要求28所述的方法，其中制作用于形成相应封闭空间的下壁的下层 (Cl)，以支持所述一个第一压电元件或每个第一压电元件。
30.根据权利要求29所述的方法，其中制作所述一个第一压电元件或每个第一压电 元件包括在所述下层上形成包括支持层(C2)和压电材料层(C3)的堆叠；对所述压电材 料层进行刻蚀以形成梁垫；以及对所述支持层进行部分刻蚀以使所述梁垫以悬臂样式被安 装。
31.根据权利要求30所述的方法，其中制作所述一个第一压电元件或每个第一压电元 件(EPZl)进一步包括在所述压电材料层上形成金属线路(PSA，PSB)的网络。
32.根据权利要求28至31之一所述的方法，其中制作所述物体包括 在所述压电元件上形成中间层(C5)，在所述中间层(C5)上形成额外层(C6)，对所述额外层(C6)进行刻蚀(GRV2)，以部分地形成所述物体，在刻蚀后的层上形成附加层(C7)，形成围绕所述第一压电元件(EPZl)、所述中间层(C5)、所述刻蚀后的层(0B6)和所述 附加层(C7)的侧面沟槽(TR)， 填充所述沟槽(TR)，在所述附加层(C7)和所述沟槽(TR)上形成上层(C8)，对所述上层(C8)进行刻蚀(GVR4)，以形成具有开口(OUV)的开孔层，所述开口(OUV) 的尺寸小于所述物体的尺寸，以及通过所述开口(OUV)对所述中间层(C5)和所述附加层(C7)进行选择性刻蚀。
33.根据权利要求32所述的方法，其中制作所述封闭空间进一步包括在开孔的上层 上形成最终层(C9)。
34.根据权利要求28至33之一所述的方法，进一步包括制作面向所述第一压电元件的一个或多个第二压电元件(C80)。
35.根据权利要求32和34所述的方法，其中开孔的上层是形成第二压电元件的压电 层(C80)，并且形成该第二压电元件包括在所述压电层上形成辅助层(C90)，对所述辅助 层(C90)进行部分刻蚀以在所述压电层的一部分上形成腔(CVT)和用于稳固所述腔周围的 压电层的部分，以及在稳固部分上形成覆盖所述腔(CVT)的最终覆盖层(ClO)。
全文摘要
本发明提供一种在集成电路中生成电能的方法、相应集成电路及制造方法。所述集成电路包括在所述集成电路(CI)内制作、并且包含一个或多个压电元件(EPZ1)的一个或多个三维封闭空间(CG)；以自由方式被容纳于所述一个三维封闭空间或每个封闭空间中的一个或多个物体(BL)；以及导电输出装置(MSE)，连接至所述压电元件，并且被配置为传送由所述物体与相应封闭空间的相对运动期间所述一个物体或所述多个物体中的至少一个物体与所述一个压电元件或所述多个压电元件中的至少一个压电元件的至少一次碰撞产生的电能。
文档编号H02N2/18GK101908835SQ201010198989
公开日2010年12月8日 申请日期2010年6月4日 优先权日2009年6月4日
发明者克利斯汀·施瓦兹, 克里斯托弗·蒙塞里, 朱利安·德拉洛 申请人:St微电子(鲁塞)有限公司;普罗斯旺埃克斯马赛大学