专利名称：内建磁性电容的集成电路芯片及其制作方法
技术领域：
本发明涉及集成电路芯片及其制作方法，特别是涉及一种内建磁性电容的集成电路芯片及其制作方法。
背景技术：
随着科技的进步，许多电子产品(例如个人计算机、手机、或其它电子设备)提供各种功能使人们的日常生活更为便利，更具体说明，电子产品之所以能提供特定功能，其通过设置于电子产品内部的芯片运作达成的，亦即该等芯片进行运算或控制，藉此使电子产品产生功能来提供服务。然，未来的电子产品的设计概念趋向于重量轻、外观薄等特点，为了设计出更轻薄的电子产品，如何有效縮减电子产品内部的空间实为一大考验，而縮减电子产品内部的空间最直接的解决方式即是縮减芯片的体积，意味着随着芯片体积縮小，电子产品的外观也可进一歩縮小，进而达到重量轻、外观薄等目的。
比较目前电子产品内的芯片的设计，可发现具有以下缺点1 、目前电子产品内的芯片所需的电力皆是以外接电力源的方式来提供芯片所需的电力，而以外接电力源的方式即表示增加电子产品的内部空间，因为除了需要设置芯片的空间外，还必须另外规划出电力源的空间，因此不容易縮小电子产品内的空间。
2、 关于芯片外接的电力源，其为目前常见的电池，而虽然标榜着可重复使用，但还是有其寿命的限制。在多次充放电或长时间不使用的情况下，电池的容量会下降，且容易损坏，原因在于电池是利用化学能转换为电能，化学物质要常保其活性，才不至于失效变质，当原来的化合物活性都作用完或将近用完时，便无法再进行新的化学反应，进而导致电池老化而宣告寿终。
3、 若是利用多颗电容来存储电能，却造成充电电路的结构复杂、空间过于庞大、成本昂贵等现象。
因此，针对上述缺陷，有必要提出一种合理且有效改善上述缺陷的技术方案。
发明内容
本发明的一目的是在提供一种内建能量存储密度高、体积小、重量轻、储 能容量大、使用寿命长等优点的磁性电容的集成电路芯片。
本发明的另一 目的是提出以一磁性电容(Magnetic Capacitor)作为能量存储 单元，其能以半导体制作过程制作于芯片内，以提供芯片运作时所需的电力。
本发明又一目的在于提供一种内建磁性电容的集成电路芯片及其制作方 法，其可将电力源以半导体制作过程制作于任何特定功能的芯片内，使芯片无 需持续连接外部电力源来维持运作，藉此达到芯片整体轻薄短小的目的。
为了达成上述的目的，本发明提供一种内建磁性电容的集成电路芯片，其 特征在于包括有 一形成有导电线路的基板；多个集成电路(I C)元件，所 述的集成电路元件设置于该基板中且彼此电性连接；以及一磁性电容单元，该 磁性电容单元设置于该基板中，且该磁性电容单元电性连接所述的集成电路元 件，以供应电力维持所述的集成电路元件运作。
所述的内建磁性电容的集成电路芯片，其中，该磁性电容单元包含有至少 一个磁性电容，该磁性电容包含有
一第一磁性电极；
一第二磁性电极；以及
一介电层，该介电层夹设于该第一磁性电极与该第二磁性电极之间，其中 该第一磁性电极与该第二磁性电极内具有一磁偶极以抑制该磁性电容单元的 漏电流。
所述的内建磁性电容的集成电路芯片，其中，该第一磁性电极的磁偶极与 该第二磁性电极的磁偶极指向同 一方向。
所述的内建磁性电容的集成电路芯片，其中，该第一磁性电极的磁偶极与 该第二磁性电极的磁偶极互为反向。
所述的内建磁性电容的集成电路芯片，其中，该第一磁性电极包含有
一第一磁性层；
一第二磁性层；以及
一隔离层，包含有非磁性材料，设于该第一磁性层与该第二磁性层之间。所述的内建磁性电容的集成电路芯片，其中，该第一磁性层具有排列成第 一方向的磁偶极，而该第二磁性层具有排列成第二方向的磁偶极，且该第一方 向的磁偶极与该第二方向的磁偶极互为反向，以抑制该磁性电容单元的漏电流。
所述的内建磁性电容的集成电路芯片，其中，该磁性电容单元增设为多个， 且该些磁性电容单元以并联方式或串联方式电性连接而形成一磁性电容组。
为了达成上述的目的，本发明另提供一种集成电路芯片，其特征在于包括 有 一基板；多个集成电路元件设于该基板上，各该集成电路元件相互电连接； 一磁性电容单元，设置于该基板上，可选择性的电连接至一外部电源，该磁性 电容单元包含有至少一磁性电容，用来存储电位能并提供一电力输出至该些集 成电路元件；以及一放电单元，电连接于该磁性电容与该多个集成电路元件之 间，该放电单元包含有一直流/直流转换器，用以控制该磁性电容单元至该些 集成电路元件的电力输出；其中当该外部电源未供应电力至该集成电路芯片 时，该磁性电容会持续提供电力输出至该多个集成电路元件，以维持该多个集 成电路元件的运作。
为了达成上述的目的，本发明提供一种内建磁性电容的集成电路芯片的制 作方法，其特征在于包括步骤如下提供一基板；于该基板中形成多个彼此电 性连接的集成电路元件 ，形成一磁性电容单元于该基板中并且电性连接所述的 集成电路元件。
较佳地，所述的基板、集成电路元件与磁性电容单元以半导体制作过程所 制作出。
较佳地，进一步提供多个基板，并以系统封装(System in Packaging,SIP) 方式以堆叠并电性连接各基板。
因此，本发明的内建磁性电容的集成电路芯片及其制作方法具以下有益效
果
本发明通过内建磁性电容单元来供应芯片所需的电力，且其可与集成电路 元件共同制作于芯片，故可进一步达到芯片整体轻薄短小的目的。
另外，本发明的磁性电容单元通过于上、下电极处形成的磁场，来抑制漏 电流，同时提升能量存储密度，故可作为一极佳的能量存储装置或电力供应来 源，且由于磁性电容单元中存储的能量全部以电位能的方式进行存储，相较于主要以化学能存储的其它能量存储媒介(例如传统电池或超级电容)，磁性电 容除了具有可匹配的能量存储密度外，更因充分保有电容的特性，而具有寿命 长(高充放电次数)、无记忆效应、可进行高功率输出、快速充放电等特点。
以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的 限定。
图1A是本发明的内建磁性电容的集成电路芯片的架构示意图。
图1B是本发明的内建磁性电容的集成电路芯片的另一架构示意图。
图2是本发明的磁性电容单元的结构示意图。
图3是本发明的磁性电容单元的另 一结构示意图。
图4是本发明的磁性电容单元的第一磁性电极的结构示意图。
图5是本发明的磁性电容组的架构示意图。
图6是本发明的磁性电容单元与其它现有能量存储媒介的比较示意图。 图7是本发明的内建磁性电容的集成电路芯片的制作方法流程图。 其中，附图标记 1 0 0 集成电路芯片
1 基板
11 导电线路
2 集成电路元件
3 磁性电容单元
3 0 磁性电容
31 第一磁性电极
3 1 1 磁偶极
312 第一磁性层
3 12 1 磁偶极
313 隔离层
314 第二磁性层
3 14 1 磁偶极 3 2 第二磁性电极3 2 1 磁偶极
3 3 介电层 3 4 界面 3 5 界面 4 磁性电容组
具体实施例方式
下面结合附图和具体实施方式
对本发明的技术方案作进一步更详细的描述。
请参阅图1A所示，本发明提出一种内建磁性电容的集成电路芯片1 0 0 ，该集成电路芯片1 0 0包括有 一基板1 、多个集成电路(I C)元件2 以及一磁性电容单元3 ，其中该基板1形成有导电线路1 1 ，而该多个集成电 路元件2设置于该基板1中，且该多个集成电路元件2通过该基板1的导电线 路1 1使彼此互相电性连接；另夕卜，该基板1 、该多个集成电路元件2与形成 于基板1的导电线路11以半导体制作过程制作。
磁性电容单元3亦以半导体制作过程制作于基板1中，并通过基板1的导 电线路1 1来电性连接该多个集成电路元件2 。磁性电容单元3 ，可选择性的 电连接至一外部电源(未显示)，以作为充电之用。其中，磁性电容单元3所接 收的电力，以电位能的形式进行存储，并可在该外部电源未连接或未供应电力 至集成电路芯片l 0 0时，持续提供电力输出至集成电路元件2，以维持该集 成电路元件2的运作。
值得注意的是，虽然在现有的集成电路芯片(图未示)中，亦会有一些电 容的设计，但由于其所能存储的电力相当小，因此其设计目的多是作为一缓冲 装置(例如用于稳压或滤波)或是一记忆单元(例如用于0或1的信号判别)，因 此，都必须在有外部电力持续供应的状况下，方能持续运作。换言之， 一旦外 部电源停止供应电力，现有的集成电路芯片(图未示)就会失去电力来源，而 无法继续运作。而本发明中的磁性电容单元3则具有一定的能量存储能力，因 此，即使当集成电路芯片l 0 O未连接至外部电源时，亦能通过磁性电容单元 3内部所存储的电力，来维持集成电路芯片l 0 0—段时间(例如数小时)的运 作。在本发明的一实施例中，集成电路芯片l 0 0另包含有一放电单元4 (如
图1B所示)，电连接于磁性电容单元3与集成电路元件2之间，放电单元4 包含有一直流/直流转换器，用以根据集成电路元件2的电力需求来控制磁性 电容单元3的电力输出，举例来说，可提供一定电压或定电流的电力输出。
本发明的集成电路元件2可为各种不同的电路元件，例如内存元件、逻辑 电路，而集成电路元件2与磁性电容单元3间的配置关系亦无一定的限制，可 是产品的设计，而水平配置于集成电路芯片1 0 O中的不同区域，或是以垂直 堆叠的方式配置集成电路芯片1 0 0中。
此外，亦可进一步设置多个基板l (图未示)，各基板l皆设有所述的集 成电路元件2与所述的磁性电容单元3 ，且所述的集成电路元件2与所述的磁 性电容单元3彼此通过导电线路1 1电性连接，其中各基板1彼此垂直堆叠且 电性连接，进而形成三维集成电路芯片。
请参阅图1 A与图2所示，该磁性电容单元3包含有至少一磁性电容 (Magnetic Capacitor) 3 0，该磁性电容3 0的结构包括有 一第一磁性电极3 1 、 一第二磁性电极3 2与一介电层3 3 ，该介电层3 3位于该第一磁性电极 3 l与该第二磁性电极3 2之间，其中该介电层3 3用以分隔该第一磁性电极 3 l与该第二磁性电极3 2，藉此让该第一磁性电极3 l与该第二磁性电极3 2能累积电荷，存储电位能。
在本发明的一实施例中，磁性电容单元3包含有多个磁性电容3 0 ，且各 磁性电容3 0以串联或并联的方式电连接，以调整磁性电容单元3的等效电压 值或电容值，而符合产品的需求。
在此，进一步说明磁性电容3 0的结构与运作原理如下，第一磁性电极3 1与第二磁性电极3 2由磁性导电材料构成，其中该第一磁性电极3 1与该第 二磁性电极3 2接受适当的外加电场进行磁化，使得其内部形成二磁偶极 (Magnetic Dipole) 3 11、 3 2 1，而该两磁偶极3 11、 3 2 1的方向可 为同向或反向(如图2与图3所示)，该二磁偶极3 1 1 、 3 2 l于该磁性电 容单元3内部构成一磁场，对带电粒子的移动造成影响，从而抑制该磁性电容 单元3的漏电流。
所需要特别强调的是，图2与图3中磁偶极3 1 1、 3 2 l的箭头方向仅 为一示意图。对熟习该项技艺者而言，应可了解到磁偶极3 11、 3 2 l实际上由多个整齐排列的微小磁偶极所叠加而成，且在本发明中，磁偶极3 1 1、
3 2 l最后形成的方向并无限定，可依磁性电容单元3的形状进行调整，例如
可指向同 一 方向或不同方向。
另外，该第-一磁性电极3 l与该第二磁性电极3 2包含有磁性导电材质， 例如稀土元素，而该介电层3 3由氧化钛(Ti03)、氧化钡钛(BaTi03)或--半导 体层，例如氧化硅(Silicon Oxide)所构成；然而必须强调的是，本发明的磁 性电容单元3并不限于此材料，该第一磁性电极3 1 、该第二磁性电极3 2与 该介电层3 3均可视产品的需求而选用适当的其它材料。
进一步说明磁性电容单元3的操作原理物质在一定磁场下电阻改变的现 象，称为"磁阻效应"，磁性金属和合金材料一般都有这种磁电阻现象，通常 情况下，物质的电阻率在磁场中仅产生轻微的减小；在某种条件下，电阻率减 小的幅度相当大，比通常磁性金属与合金材料的磁电阻值高出1 0倍以上，称 为"巨磁阻效应"(GMR)。进一步结合Maxwell-Wagner电路模型，磁性颗 粒复合介质中也可能产生所谓的庞磁电容(Colossal magneto capacitance,CMC) 效应或巨磁电容(Giant magneto capacitance,GMC)效应。
由于现有电容中，电容值C由电容的面积A、介电层的介质常数q、及 厚度d决定，如下公式所示 ，
然而在本发明中，磁性电容单元3主要利用第一磁性电极3 1与第二磁性 电极3 2中整齐排列的磁偶极3 1 1 、 3 2 l来形成磁场来，使内部存储的电 子朝同一自旋方向转动，进行整齐的排列，故可在同样条件下，容纳更多的电 荷，进而增加能量的存储密度。类比于现有电容，本发明的磁性电容单元3的 运作原理相当于通过磁场的作用来改变介电层3 3的介电常数，故而造成电容 值的大幅提升。
此外，该第一磁性电极3 1与该介电层3 3之间的界面3 4以及该第二磁 性电极3 2与该介电层3 3之间的界面3 5均为一不平坦的表面，以通过增加 表面积A的方式，进一步提升磁性电容单元3的电容值C。
另外请参考图4，图4为该第一磁性电极3 l的结构示意图，该第一磁性电极3 1为一多层结构，包含有一第一磁性层3 12、 一隔离层3 1 3以及一 第二磁性层3 1 4，其中该隔离层3 1 3由非磁性材料所构成，而该第一磁性 层3 1 2与该第二磁性层3 1 4则包含有具磁性的导电材料，并在磁化时，通 过不同的外加电场，使得第一磁性层3 1 2与第二磁性层3 1 4中的磁偶极3 12 1、 3 14 1分别具有不同的方向，其中磁偶极3 12 1、 3 1 4 1的方 向为反向，藉此能进一步抑制本发明的磁性电容单元3的漏电流。
此外，需要强调的是，该第一磁性电极3 1的结构并不限于上述的三层结 构，而可以类似的方式，以多个磁性层与非磁性层不断交错堆叠，再通过各磁 性层内磁偶极方向的调整来进一步抑制漏电流，甚至达到几乎无漏电流的效 果。
由于现有储能元件多半以化学能的方式进行存储，因此都需要有一定的尺 寸，否则往往会造成效率的大幅下降。相较于此，本发明的磁性电容争元3以 电位能的方式进行存储，且因所使用的材料可适用于半导体制作过程，故可通 过适当的半导体制作过程来形成该磁性电容单元3与该多个集成电路元件2 ， 进而縮小磁性电容单元3的体积与重量。
请参阅图5所示，该磁性电容单元3可依据使用者需求，利用半导体制作 过程于该基板1上制作多个小尺寸的磁性电容单元3 ，并通过适当的金属化制 作过程，于该多个磁性电容单元3之间形成电性连接，从而构成一个包含有多 个磁性电容单元3的磁性电容组4 ，再以该磁性电容组4作为电力供应的来 源。
该磁性电容组4内的多个磁性电容单元3以类似数组的方式电连接，然而 本发明并不限于此，而可根据不同的电压或电容值需求，进行适当的串联或并 联，以满足各种不同装置的电力供应需求。
请参阅图6所示，图6为本发明的磁性电容单元3与其它现有能量存储媒 介的比较示意图。简言之，由于现有储能能量存储媒介(例如传统电池或超级 电容)主要是利用化学能的方式来进行能量存储，因此其能量存储密度将会明 显优于一般电容，而可应用于各种电力供应装置，但在此同时，其所能产生的 瞬间电力输出亦会受限于化学反应速率，而无法快速的充放电或进行高功率输 出，且充放电次数有限，过度充放时易滋生各种问题。相较于此，由于磁性电 容3 0中存储的能量全部以电位能的方式进行存储，因此，除了具有可与一般电池或超级电容匹配的能量存储密度外，更因充分保有电容的特性，而具有寿 命长(高充放电次数)、无记忆效应、可进行高功率输出、快速充放电等特点， 故可有效解决当前电池所遇到的各种问题。
请参阅图7所示，并配合参考图1A、图1B，本发明提出一种内建磁性
电容的集成电路芯片的制作方法，其制作方法步骤如下
步骤701，首先，提供一基板l，其中该基板l为硅基材，且能以半导体
制作过程来制作导电线路11于基板1。
步骤702,利用半导体制作过程于基板1中形成多个彼此电性连接的集成 电路元件2 ,而多个集成电路元件2使得制作过程完成后的集成电路芯片1 0 0可提供特定功能，例如该集成电路芯片1 0 0为处理器(Processor)芯片、 控制器(Controller)芯片或是其它特定功能的芯片。
步骤703，进一步以半导体制作过程制作该磁性电容单元3于该基板1中 并且电性连接所述的集成电路元件2 ，藉该磁性电容单元3来存储电能，以提 供集成电路芯片l 0 0所需的电力，使集成电路芯片1 0 O无需外接任何电力 源来维持运作。
值得注意的是，为说明方便起见，在上述的步骤说明中，是将集成电路元 件2 、磁性电容单元3以及其它电连接制作过程分开描述，然而上述步骤在实 施时，并无特定的顺序要求，对熟习该项技艺者而言，应可根据产品的设计， 对各项半导体制作过程进行制作过程整合。
另外必须提及的是，该基板1亦可设置多个，各基板1设置有所述的集成 电路元件2与磁性电容单元3 ，且该多个基板1可以系统封装(System in Packaging, SIP)来形成三维集成电路芯片。
是以，本发明的内建磁性电容的集成电路芯片及其制作方法具有如下述的 特点
1、 本发明的内建磁性电容的集成电路芯片，是利用内建的电力源来持续 提供运作所需的电力，故当外部电源停止供应电力时，仍可维持芯片继续运作。
2、 本发明的磁性电容单元可以半导体制作过程来制作，进而縮小体积与 重量，故可轻易达到芯片整体轻薄短小的目的。
3 、磁性电容单元可与集成电路元件共同的以半导体制作过程制作于芯片中。4、 磁性电容单元能以半导体制作过程制作于任何特定功能的处理器
(Processor)或t空帝ij器(Controller)。
5、 磁性电容单元通过于上、下电极处形成的磁场，来抑制漏电流，同时 提升能量存储密度，故可作为一极佳的能量存储装置或电力供应来源。
6、 磁性电容单元中存储的能量全部以电位能的方式进行存储，且具有可 匹配的能量存储密度，更因充分保有电容的特性，而具有寿命长、无记忆效应、 可进行高功率输出、快速充放电等特点。
当然，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情 况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但 这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。
1权利要求
1、一种内建磁性电容的集成电路芯片，其特征在于，包括有一形成有导电线路的基板；多个集成电路元件，所述集成电路元件设置于该基板中且彼此电性连接；以及一磁性电容单元，设置于该基板中，且电性连接所述集成电路元件，该磁性电容单元用来存储电位能，并供应电力维持所述集成电路元件运作。
2、 根据权利要求l所述的内建磁性电容的集成电路芯片，其特征在于， 该磁性电容单元包含有至少一个磁性电容，该磁性电容包含有一第一磁性电极-， 一第二磁性电极；以及一介电层，该介电层夹设于该第一磁性电极与该第二磁性电极之间，其中 该第一磁性电极与该第二磁性电极内具有一磁偶极以抑制该磁性电容单元的 漏电流。
3、 根据权利要求2所述的内建磁性电容的集成电路芯片，其特征在于， 该第一磁性电极的磁偶极与该第二磁性电极的磁偶极指向同一方向。
4、 根据权利要求2所述的内建磁性电容的集成电路芯片，其特征在于， 该第一磁性电极的磁偶极与该第二磁性电极的磁偶极互为反向。
5、 根据权利要求2所述的内建磁性电容的集成电路芯片，其特征在于， 该第一磁性电极包含有一第一磁性层； 一第二磁性层；以及一隔离层，包含有非磁性材料，设于该第一磁性层与该第二磁性层之间。
6、 根据权利要求5所述的内建磁性电容的集成电路芯片，其特征在于， 该第一磁性层具有排列成第一方向的磁偶极，而该第二磁性层具有排列成第二 方向的磁偶极，且该第一方向的磁偶极与该第二方向的磁偶极互为反向，以抑 制该磁性电容单元的漏电流。
7、 根据权利要求l所述的内建磁性电容的集成电路芯片，其特征在于， 该磁性电容单元增设为多个，且该些磁性电容单元以并联方式或串联方式电性连接而形成一磁性电容组。
8 、 一种内建磁性电容的集成电路芯片的制作方法，其特征在于，包括歩 骤如下提供一基板；形成多个彼此电性连接的集成电路元件于该基板中；利用半导体制作过程，于该基板上形成一磁性电容单元，该磁性电容单元 电性连接至所述集成电路元件。
9、根据权利要求8所述的内建磁性电容的集成电路芯片的制作方法，其 特征在于，进一步提供多个基板，并以系统封装方式以堆叠并电性连接各基板。
10、 一种集成电路芯片，其特征在于，包括有 一基板；多个集成电路元件设于该基板上，各该集成电路元件相互电连接；一磁性电容单元，设置于该基板上，可选择性的电连接至一外部电源，该 磁性电容单元包含有至少一磁性电容，用来存储电位能并提供一电力输出至该些集成电路元件；以及一放电单元，电连接于该磁性电容与该多个集成电路元件之间，该放电单 元包含有一直流/直流转换器，用以控制该磁性电容单元至该些集成电路元件 的电力输出；其中当该外部电源未供应电力至该集成电路芯片时，该磁性电容会持续提 供电力输出至该多个集成电路元件，以维持该多个集成电路元件的运作。
全文摘要
本发明公开了一种内建磁性电容的集成电路芯片，其包括有一基板、多个设置于该基板中的集成电路(IC)元件以及一磁性电容(Magnetic Capacitor)单元，其中该磁性电容单元与所述的集成电路元件以半导体制作过程制作于该基板中且彼此电性连接，而该磁性电容单元为一高能量存储密度的元件，藉此该磁性电容单元提供集成电路芯片所需的电力，维持集成电路芯片运作，进一步达到芯片整体轻薄短小的目的。本发明亦提出一种内建磁性电容的集成电路芯片的制作方法。
文档编号H01L27/02GK101656252SQ20081021404
公开日2010年2月24日 申请日期2008年8月22日 优先权日2008年8月22日
发明者曹旭明 申请人:光宝科技股份有限公司