具有共享电极储能装置的集成电路的制作方法

相关申请的交叉引用

本专利申请涉及下列专利申请，它们通过引用的方式各自并入本文：

美国专利申请号14/469,004，2014年8月26日提交，名称为“制造超级电容器是方法”，分配的代理人案卷号为2550/e73和命名yingqijiang和kuangl.yang作为发明人，

美国专利申请号14/492,376，2014年9月22日提交，名称为“具有分离器的超级电容器及其制造方法”，分配的代理人案卷号为2550/e75和命名yingqijiang和kuangl.yang作为发明人，

美国专利申请号14/509,950，2014年10月8日提交，名称为“集成超级电容器”，分配的代理人案号为2550/e76和命名yingqijiang和kuangl.yang作为发明人。

本发明一般涉及集成电路，更具体地说，本发明涉及集成电路上的储能装置。

背景技术：

尽管便携式电子设备的尺寸继续缩小，但是其能源需求往往没有同等减少。例如，下一代mems加速度计可以具有10％减小的体积，然而，仅需要比现有代mems加速度计小于5％的能量。在该情况下，多个mems芯片可用于储能。不期望的是，这种趋势可以限制这样的电子设备的小型化和适用性。

本领域已经通过开发芯片级超级电容器(也被称为“微超级电容器”)响应这一问题，其具有比常规电容器大得多的电容。以类似于常规电容器的方式，超级电容器通常具有比电池更高的功率密度。然而，不期望的是，超级电容器通常具有比电池更低的存储能力。

技术实现要素：

依照本发明的一个实施方案，集成电路具有基板、由基板支持的超级电容器、和由基板支持的电池。超级电容器包括超级电容器电极和共享电极，并且电池具有电池电极和现有所述的共享电极。超级电容器和电池形成单态集成电路的至少一部分.

电池和超级电容器可并联电连接。而且，共享电极可至少部分由这样的材料形成，使得其具有表面储能能力(即，这种类型电极用于超级电容器，例如石墨烯)和基本不具有体积储存能力(即，这种类型电极用于电池，例如石墨)。在该情况下，共享电极可形成用于超级电容器和所述电池的共享阳极。在该情况和其他情况下，超级电容器电极和共享电极可具有大约相同的电容。作为另一个例子，共享阳极实施方案可具有三个单独电极，包含石墨烯(超级电容器)、石墨烯(共享阳极)和锂钴氧化物(电池阴极)。

相反，共享电极可包含具有表面储能能力和体积储能能力的材料。在该情况下，超级电容器可形成具有共享电极的非对称超级电容器，因此形成用于所述超级电容器和所述电池的共享阴极。例如，共享阴极实施方案可具有三个单独电极，包含石墨烯(超级电容器)、和锂钴氧化物(共享阴极)、和金属锂(电池阳极)。

在一些实施方案中，至少一种有源电路和mems结构也由基板支持，并且与电池和超级电容器电通信。例如，集成电路可包括切换电路以至少在下列两者之间切换：a)仅使用电池的第一状态，和b)仅使用超级电容器的第二状态。而且，集成电路可包括多个层，并且所述层的至少一个可包括两个电极。因此，这两个相同的层电极都可以由相同的处理/微加工步骤形成。

电极可定型和取向为多种几何形状。例如，超级电容器电极可具有和所电池电极的一部分叉指的部分。

依照本发明的另一实施方案，微水平储能装置具有基板、由具有表面储能能力(但没有体积储能能力)的材料形成的第一电极、和由具有体积储能能力的材料形成的第二电极。所述装置还具有由具有表面储能能力和体积储能能力中的一者或两者的材料形成的第三电极、以及与第一电极、第二电极和第三电极通信的电解质。第一电极被构造为和第三电极相互作用以形成第一储能装置，和以类似的方式，第二电极被构造为和第三电极相互作用以形成第二储能装置。基板、第一电极、第二电极和第三电极形成单态集成电路的至少一部分。

依照其他实施方案，形成具有储能装置的集成电路的方法，包括：在基板上形成第一、第二和第三电极，并增加电解质至基板，使得电解质至少部分囊封第一和第二电极。第三电极与第一和第二电极分隔开。电解质在第一电极和第三电极之间以及在第二电极和第三电极之间。该方法还将基板分成(例如通过切削、切割、破碎、或其它常规技术)多个单独单态集成电路芯片。多个芯片具有第一电极、第二电极和第三电极。而且，多个芯片均被构造为使得第一电极和第三电极相互作用以形成第一储能装置，和使得第二电极和第三电极相互作用以形成第二储能装置。

附图说明

从下面参照立即总结如下的附图讨论的“示例性实施方案的说明”，本领域的技术人员应当更充分地理解本发明的各种实施例的优点。

图1示意性示出可依照本发明所示实施方案构造的具有共享能量装置的集成电路的透视图。

图2示意性示出沿着线2-2图1中所示集成电路的剖视图。

图3示意性示出图1的集成电路内内部电池和超级电容器的电连接的图。

图4a示意性示出依照本发明所示实施方案构造的电极的第一叉指式布置。

图4b示意性示出依照本发明所示实施方案构造的电极的第二叉指式布置。

图4c示意性示出图4a和4b的电极布置的剖视图。

图5a示意性示出依照本发明所示实施方案构造的另一电极布置的透视分解图。

图5b示意性示出图5a的电极布置的剖视图。

图6示出依照本发明所示实施方案构造的具有共享能量装置的单态集成电路的形成方法。

图7a通过步骤600示意性示出图6的方法的剖视图。

图7b通过步骤602示意性示出图6的方法的剖视图。

图7c通过步骤604示意性示出图6的方法的剖视图。

图7d通过步骤606示意性示出图6的方法的剖视图。

图7e通过步骤608示意性示出图6的方法的剖视图。

具体实施方式

在所示实施方案中，集成电路包括具有一起共享共同电极的超级电容器和电池的共享能量装置。根据设计，共同电极能形成共同阳极或共同阴极。因此这样的共享能量装置可相应于来自下层设备或电路的高功率尖峰，同时仍然提供有效的长期储能需求。所示实施方案的细节将在下面讨论。

图1示意性示出依照本发明所示实施方案构造的具有共享能量装置12的集成电路10的透视图。图2示意性示出沿着图1的线2-2的集成电路10的剖视图的一个实施方案。如所示，集成电路10可以被认为是具有多层基板14支撑的盖16(它们一起形成内室18)的单态整体芯片级装置。除其他事项外，内室18具有多个电极22a-22c和电解质材料24，它们一起形成超级电容器26和电池28。换句话说，电极22a-22c和电解质材料24协作以具有存储规定电荷的能力。

内室18也可以具有内部电路20，其可以包括在集成电路上通常形成的多种不同装置中任一种。除其他事项外，电路20可含有有源电路器件(例如二极管和晶体管)和/或无源电路元件(电阻器、和电感器、以及标准电容器)，它们一起提供期望的功能。例如，电路20可以形成一个或多个数字信号处理器、控制器、微处理器、和加法器、数模转换器和/或存储器。此外或可选地，集成电路10也可以具有可移动的微结构，因此形成微机电系统(即，mems装置)。

在一些实施方案中，电路20可包括不共享电极的一个或多个附加的电池和/或超级电容器。另外的实施方案可以具有类似于上述和下面所讨论的更多共享能量装置12。因此，所示实施方案不限于仅具有一个共享能量装置12的集成电路10。为简单起见，图2通常识别由附图标记20示出的两个电路(例如额外的蓄电池、超级电容器、转换器等)和微结构。

仅用于超级电容器26的电极在本文中被称为“超级电容器电极22a”(图2)，而仅用于电池28的电极在本文中称作“电池电极22b”(图2)。超级电容器26和电池28都共享的电极简单地在本文中被称为“共享电极22c”(图2)。正如下面所讨论的，这些电极22a-22c形成在基板14上，它有绝缘层33。

在图2中所示的实施方案中，共享电极22c夹在电池电极22b和超级电容器电极22a之间-本质上是“堆叠”电极布置。因此，电池电极22b和共享电极22c相互作用以形成电池28，而超级电容器电极22a和共享电极22c之间相互作用以形成超级电容器26。在一些实施方案中，共享电极22c和超级电容器电极22a相互作用以形成在本领域中已知的“非对称超级电容器”。下面更详细讨论在如，与图2中所示的类似的堆叠构造是各种各样的不同配置的电极之一。

为了提高导电性，并提供给电极22a-22c的外部访问，所示实施方案形成集流层30。各集流层30电接触电极22a-22c中的一个。另外，集流层30与集成电路10的外部上的导电接触31电通信。通过使集流层30延长到内室18的外部，一些实施方案形成导电接触31。除其他事项外，集流层30可以由高导电性金属(诸如金)形成，或高掺杂半导体(例如多晶硅)形成。本领域技术人员可以选择用于此目的的其他材料。

在优选的实施方案中，电池电极22b和超级电容器电极22a通过由附图标记30a表示的连接保持在大致相同的电位。尽管连接30a被示意性地示出为简单的线，但是本领域技术人员可以使用多种不同技术中的任一种用于制造该连接。然而，一些实施方案可不使电池电极22b和超级电容器电极22a保持在相同的电位。

分别用于超级电容器26和电池28的电极22a和22b可以从该领域已知的常规的材料形成。更具体地讲，为了改善表面电荷储存能力，超级电容器电极22a优选由多孔材料形成。例如，超级电容器电极22a可以由石墨烯形成，其已知是具有曲折的内部和外部表面的多孔材料。因此，暴露于电解质24的超级电容器电极22a的几乎每一个表面可被认为已知等式中表示的电容器板的表面积的部分：

c＝ε*(a/d)(等式1),

其中:

c是电容,

ε是常数,

a是面积，和

d是距离。

实际上，本领域技术人员可以使用其它材料以形成超级电容器电极22a，仅举几例，如活性碳、碳气凝胶、或碳纳米管。一些实施方案可由多个石墨烯单层形成超级电容器电极22a。因此，石墨烯层的讨论仅作为例子，并不用于限制本发明的各种其他实施方案。

如本领域技术人员知道的，超级电容器电极22a具有表面储能能力。特别地，该电极具有能够在其表面上存储电荷的质量。然而，相反，超级电容器电极22a不具有有效能力以在其表面之下明显的距离存储电荷/功率；即，在形成超级电容器电极22a的材料的较大体积内的分子水平。

因此，超级电容器通常被认为有着不可忽视的“体积储能能力。”因此，在相比于电池时，超级电容器已知具有用于存储能量/充电较低能力。尽管这一缺点，但是超级电容器也已知具有通常比同等大小的电池提供更高的功率密度的能力。因此，当电池28供电的电路短期要求非常高的电流/功率时(功率“尖峰”)，超级电容器26应该是有用的。如在下面更详细讨论，共享能量装置12兼具在尖峰期间提供足够功率、和在稳定状态操作期间提供基本储能能力的能力。

电池电极22b可以由具有不可忽略的体积储能能力的任何常规材料构成。例如，除其他事项外，电池电极22b可至少部分地由石墨或锂形成。而且，尽管其基本具有体积储能能力，但是电池电极22b还可以在它的表面或附近储存它的一些能量/电荷。

本领域技术人员可以选择用于共享电极22c的多种材料中的任一种。一些实施方案可以形成由更适合于超级电容器应用的材料形成的共享电极22c。例如，共享电极22c可充当从石墨烯形成的阳极。在该情况下，所示实施方案可以形成和超级电容器电极22a具有大约相同的电容的共享电极22c。

然而，其他实施方案可以形成由更适合于电池应用的材料形成的共享电极22c。例如，共享电极22c可充当由锂钴氧化物(licoo2)形成的阴极。在稍后情况中，超级电容器电极22a和共享电极22c可以被认为形成非对称超级电容器(上面所建议的)。因此，共享电极22c可兼具表面储能能力和体积储能能力，或仅具有表面储能能力。实际上，如上所述，本领域技术人员可以选择用于共享电极22c的适当材料，因此，上面讨论的材料仅用于说明性目的提及。

电解质24可以由典型地用于供电应用的多种其他对应材料中的任一种形成。例如，电解质24可从水性盐(如氯化钠)来形成，或凝胶，如以盐中浸泡的聚乙烯醇聚合物。另外的实例包括四氟硼酸锂(libf4)或六氟磷酸锂(lipf6)和聚吡咯。一些实施方案可使用的离子液体，其中离子在室温下是液体状态。尽管不是必须水性的，但是这种电解质已知是非常导电的，因为它们的离子的相对自由运动。本发明人相信，这种电解质24应该导致超级电容器26具有相对高的储能能力，因为如本领域技术人员知道的，电容器的储能是电压平方的函数。

如所示，电解质24优选通常与电极22a-22c中一个或多个的内表面和外表面都集成。除其他事项外，内表面可由电极22a-22c内的曲折的内部通道和孔洞形成。外表面可以简单地是从电极外部可见的那些表面。因此，电解质24和所述电极表面被认为形成存储能量的电极/电解质接口。

取决于电极材料，电子可以在电极内22-22c内稍微自由地流动。例如，电子可以在超级电容器电极22a的石墨烯内流动。但是，电解质24充当绝缘体，因此，不传导来自超级电容器电极22a的电子。以相应的方式，电解质24具有能够稍微自由地迁移至超级电容器电极22a所提到的接口的离子。如同在超级电容器电极22a的电子，电解质24中的离子不迁移通过该接口。

继续超级电容器电极示例，当经受电场时，电解质24内的离子迁移以与电场对齐。这会导致超级电容器电极22a中电子和空穴以相应的方式迁移，从而有效地存储电荷。例如，在规定的电场中，电解质24中的正离子可以迁移朝向第一超级电容器电极表面，并且电解质24中的负离子可以迁移朝向第二超级电容器电极表面。在该情况下，靠近第一超级电容器电极表面的正离子(在电极22a中)吸引电子朝向接口，而靠近第二超级电容器电极表面的负离子(在电极22a中)吸引空穴朝向接口。离子到接口的距离加上电子到相同接口的距离(在接口的相反侧)表示上面等式1的距离“d”。

如上所述，电池电极以及超级电容器电极22b和22a优选固定为相同的电位。因此，作为并联连接的装置，共享能量装置12(即超级电容器26和电池28)可以有效地同时满足短期功率尖峰/浪涌需求和长期的电力需求。但是，其他实施方案可以包括切换电路，以选择性地连接和断开来自下面电路的电池28和/或超级电容器26。

为了这些目的，图3示意性示出图1-a电源电路37的集成电路10内电池28和超级电容器26的电连接的图。更具体地讲，电源电路37具有电路接口32，其一起接收来自组合的共享能量装置12的功率。因此，其它电路可以连接两个接口32以接收功率。电源电路37还具有一个或多个开关34连同开关控制器36，以在四种不同状态之间选择性连接电池28和超级电容器26。这四种状态包括：

1)并联状态:电池28和超级电容器26都在电源电路37中-两个开关34都关闭,

2)电池状态:仅有电池28在电源电路37中-仅有电池28的开关34关闭,

3)超级电容器状态:仅有超级电容器26在电源电路37中-仅有超级电容器26的开关34关闭,和

4)断开状态:电池28和超级电容器26都不在电源电路37中-开关34都开启。

开关控制器36可以控制开关34用于多种电源管理功能中的任一种。在其他的方式中，开关控制器36可以从其它电路元件接收开关控制输入，或具有预编程指令以在电源电路37中进行核实的切换连接。因此，开关控制器36可以由多种常规开关设计来形成，例如使用无源或有源电路的那些。

如上所述，图2的堆叠的电极构造不过是用于共享能量装置12的多种潜在可行的电极构造中的一种。图4a和4b示意性示出具有重叠形状的两种相关但不同的实施例的电极布置。该重叠通常在本领域以类似于交缠人的手指的方式通常被称为“叉指”。更具体地讲，图4a和48中的电池与超级电容器电极228和22a在集成电路10的相同平面内形成为所示重叠构造。

在图4a的实施方案中，电池电极228是单独统一的电极。以类似的方式，图4a的超级电容器电极22a也具有单独统一的电极。这是相对于的图48的实施例中，其中电池电极228由三个分开和物理上不连接的电池电极228(它们可以电连接)形成。以相应的方式，图48的超级电容器电极22a也由三个分开和物理上不连接的超级电容器电极22a形成。像形成电池电极228的单独电极，超级电容器电极22a的电极可以电连接。为方便起见，这些电极22a和228中的每个被称为“手指”。图4c示意性示出跨过基本上垂直于基板14平面的平面的电极22a-22c的的剖视图。

因此，图4b的实施方案允许功率管理电路(未示出)以根据需要选择性连接各种手指。例如，在系统启动期间，对于给定应用快速地提高系统电压从零到可用水平，控制电路可充电和只连接一些超级电容器手指到系统。随着电压升高，控制电路可以逐渐充电，并为系统引入更多超级电容器的手指。在将超级电容器26充分充电并提供初始功率后，电池28可以作为主电源。而且，如果电池和/或超级电容器手指具有缺陷或以其他方式发生故障，则控制电路可以从系统中除去该手指。虽然这种解决方案可以减少电力输送能力，但它仍然可以为特定的应用足够的电力。

图5a和58示意性示出另外电极构造，其中超级电容器电极22a和电池电极228也形成在集成电路10的相同平面中。在该情况下，超级电容器电极22a包围电池电极228，而共享电极22c形成在集成电路10的不同层/平面内。实际上，该实施方案选择性地可以使电池电极228围绕超级电容器电极22a，或使电池或超级电容器电极228或22a中的一个围绕共享电极22c。在稍后情况中，其他电极22a或228在其他平面中。应该注意，特定电极构造的讨论，如图2、4a-4c和5a-58中的讨论的，只是可能有效的多种不同电极构造中的一些。因此，本领域技术人员可以应用所示实施方案的原则，以形成包含这些实施方案精神的不同的电极构造。

图6示出依照本发明的所示实施方案制造集成电路10的方法。在该例子中，集成电路10具有如图5a和5b所示的电极构造。应该注意，该方法从通常用于形成集成电路10及其共享能量装置12的更长的过程大大简化。因此，形成集成电路10的方法有许多步骤，例如增加所述集流层30、测试单独芯片、或本领域技术人员可使用的附加钝化步骤。另外，一些步骤可以以与所示步骤不同的顺序执行，或者同时执行。因此，本领域技术人员可以适当修改流程。

还应当注意的是，图6中的方法是本体方法，其同时在同一晶片/基底上形成多个集成电路10。虽然通常效率较低，但是本领域技术人员可以应用这些原理到仅形成一个集成电路10的方法。

方法开始于步骤600，其将电池电极228沉积和图案化在绝缘的晶片/基板14上。为简单起见，图7a-7e中未示出晶片/基板14。除了其他方式之外，该步骤可以使用常规溅射或其他熟知的沉积技术、以及常规图案化技术来沉积和图案化电池电极228。在该步骤的结论处图7a示意性示出集成电路10的相关部分。

接下来，该方法用诸如光刻胶的掩模材料38涂覆电池电极22b(步骤602)。一旦掩模材料38固化，步骤602也将掩模材料38图案化为超级电容器电极22a的预期形状的阴模。在该步骤的结论处图78示意性示出集成电路10的相关部分。

步骤604然后将超级电容器电极材料沉积到掩模材料38上，然后去除掩模，从而使两个电极22a和228保留在基板14上的适当位置。因此，在该实施方案中，电极22a和228来自它们各自装置的阳极并且位于集成电路10的同一层上。在该步骤的结论处图7c示意性示出集成电路10的相关部分。

该方法继续到步骤606，其在电极22a和228上沉积电解质24。为此，所示实施方案可将液态电解质倾倒或以其他方式沉积在暴露的顶表面上，然后对基板14施加真空渗透过程，包括至电极22a和228，其将液态电解质24吸入多孔电极材料，从而形成电极22a和228。

示意性真空渗透方法优选基本均匀地将电解质24分布在多孔材料内，而不损害电极22a和228的形态。由于电解质24是液体形式，所以在此阶段通常不需要加热。但是，一些实施方案可以省略真空渗透过程。步骤可以通过允许电解质24固化来得出结论。

不是使用液态电解质24，一些实施方案旋涂或以其他方式将固体/凝胶电解质沉积到基板14。其他实施方案可使用其他电解质。在该步骤的结论处图7d示意性示出集成电路10的相关部分。

此时，固体/凝胶电解质24能够支持共享电极22c。因此，使用诸如溅射的常规技术，步骤608将共享电极22c沉积到固态电解质24的表面上。在该情况下，共享电极22c充当超级电容器26和电池28的阴极。如果需要，该步骤也可以图案化共享电极22c。在该步骤的结论处图7e示意性示出集成电路10的相关部分。

在封顶(例如使用帽16)或以其他方式封装集成电路10(例如使用原位盖)之后，方法结束于步骤610，其分离/分割在基板14上形成的所述集成电路芯片。实际上，本领域技术人员可以使用多种技术中的任一种来分离芯片，例如沿着划痕街道或规定区域的常规锯或切割工艺。其他实施方案可以使用穿孔晶片或本领域已知的其它技术。无论技术如何，该方法的最后步骤总结为具有能够进行测试，进一步处理或商业使用的多个具有共享能量装置12的芯片级集成电路10。

这些所得芯片/集成电路10提供了一些好处。例如，如上述所述，在正常操作条件下重复电源尖峰可能会损坏电池28。所示实施方案可以通过使超级电容器26响应尖峰来有效地在尖峰的短期内从电路中消除电池28，缓解电池在微芯片级的损坏。因此电池28可能在稳定状态下提供大部分电源给电路，同时电容器主要处理电源尖峰。

因此，所示实施方案可以在单独稳健的集成电路10上递送高能量密度和高功率功能。通过共享电极22c，这些实施方案还可以提供具有更小足迹-使用更少模具地方的两种功能。这应该增加成本效益和允许在单个基板14上形成多个器件。另外，共享电极22c减少超级电容器26和电池28之间的必要的互连，从而相应减少内部芯片电阻，以有利地减少了内部芯片的功率消耗。

因此，所示实施方案提供超级电容器26和电池28在微水平半导体规模上的组合功能；即在单态集成电路10上。这种新的设计从而开辟了各种各样的新应用，提高电路设计的灵活性和功能。

尽管上述讨论公开了本发明的各种示例性实施例，但是应当清楚，在不脱离本发明的真实范围的情况下，本领域的技术人员可以做出会实现一些本发明的优点的各种变型。