特表2023-521718層状スタックを備えた金属－絶縁体－金属（ＭＩＭ）エネルギー蓄積デバイス、及び製造方法
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公表特許公報(A)
(11)【公表番号】
(43)【公表日】2023-05-25
(54)【発明の名称】層状スタックを備えた金属－絶縁体－金属（ＭＩＭ）エネルギー蓄積デバイス、及び製造方法
(51)【国際特許分類】
H01G 4/33 20060101AFI20230518BHJP
H01G 4/30 20060101ALI20230518BHJP
H01G 4/40 20060101ALI20230518BHJP
【ＦＩ】
H01G4/33 102
H01G4/30 540
H01G4/40 A
【審査請求】未請求
【予備審査請求】未請求
(21)【出願番号】P 2022561094
(86)(22)【出願日】2021-04-13
(85)【翻訳文提出日】2022-10-06
(86)【国際出願番号】 SE2021050335
(87)【国際公開番号】W WO2021211038
(87)【国際公開日】2021-10-21
(31)【優先権主張番号】2050444-5
(32)【優先日】2020-04-17
(33)【優先権主張国・地域又は機関】SE
(81)【指定国・地域】
(71)【出願人】
【識別番号】513091308
【氏名又は名称】スモルテク アクティエボラーグ
(74)【代理人】
【識別番号】100099759
【弁理士】
【氏名又は名称】青木 篤
(74)【代理人】
【識別番号】100123582
【弁理士】
【氏名又は名称】三橋 真二
(74)【代理人】
【識別番号】100092624
【弁理士】
【氏名又は名称】鶴田 準一
(74)【代理人】
【識別番号】100114018
【弁理士】
【氏名又は名称】南山 知広
(74)【代理人】
【識別番号】100153729
【弁理士】
【氏名又は名称】森本 有一
(72)【発明者】
【氏名】エム シャフィクル カビル
(72)【発明者】
【氏名】ビンセント デスマリス
(72)【発明者】
【氏名】アンデシュ ヨハンソン
(72)【発明者】
【氏名】オラ ティベルマン
(72)【発明者】
【氏名】カール ルンダール
(72)【発明者】
【氏名】リキャルド アンデション
(72)【発明者】
【氏名】ムハンマド アミン サレーム
(72)【発明者】
【氏名】マリア ビルンド
(72)【発明者】
【氏名】ビクトル マルクネス
【テーマコード（参考）】
5E001
5E082
【Ｆターム（参考）】
5E001AB01
5E082AB01
5E082DD11
5E082EE05
5E082EE15
5E082EE23
5E082FF05
5E082FG03
5E082FG27
5E082FG34
5E082FG35
(57)【要約】
ＭＩＭエネルギー蓄積デバイスは、下部電極と、複数の導電性垂直ナノ構造体と、複数の導電性垂直ナノ構造体における各ナノ構造体をコンフォーマルにコーティングする下部伝導制御層と、伝導制御層と電極層を交互に重ね、下部伝導制御層をコンフォーマルにコーティングする層状スタックとを備え、層状スタックは、層状スタックの下部に少なくとも第１奇数番目電極層と、第１奇数番目電極層の真上の第１奇数番目伝導制御層と、第１奇数番目伝導制御層の真上の第１偶数番目電極層とを含む。層状スタックの各偶数番目電極層は、下部電極に導電的に接続され、層状スタックの各奇数番目電極層は、層状スタックの他の任意の奇数番目電極層に導電的に接続される。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
金属－絶縁体－金属（ＭＩＭ）エネルギー蓄積デバイスであって、複数の導電性垂直ナノ構造体と、各々は前記ナノ構造体の第１端部から前記ナノ構造体の第２端部に延び、
前記複数の導電性垂直ナノ構造体における各ナノ構造体をコンフォーマルにコーティングする下部伝導制御層と、
伝導制御層と電極層を交互に重ね、前記下部伝導制御層をコンフォーマルにコーティングすることを含む層状スタックとを備え、前記層状スタックは、前記層状スタックの下部に少なくとも第１奇数番目電極層と、前記第１奇数番目電極層の真上の第１奇数番目伝導制御層と、前記第１奇数番目伝導制御層の真上の第１偶数番目電極層とを含み、
前記層状スタックの各偶数番目電極層は、前記ナノ構造体に導電的に接続され、
前記層状スタックの各奇数番目電極層は、前記層状スタックの他の任意の奇数番目電極層に導電的に接続される、金属－絶縁体－金属（ＭＩＭ）エネルギー蓄積デバイス。
【請求項2】
前記ＭＩＭエネルギー蓄積デバイスは、上部電極をさらに備え、前記層状スタックの最上部の奇数番目電極層は、前記上部電極に導電的に接続される、請求項１に記載のＭＩＭエネルギー蓄積デバイス。
【請求項3】
前記層状スタックの前記最上部の奇数番目電極層は、複数の接続位置で前記上部電極に導電的に接続され、各々は、前記複数の導電性垂直ナノ構造体における前記ナノ構造体のそれぞれの前記第１端部及び前記第２端部を通過する直線に沿う、請求項２に記載のＭＩＭエネルギー蓄積デバイス。
【請求項4】
前記複数の導電性垂直ナノ構造体における前記導電性垂直ナノ構造体は、カーボン・ナノファイバーである、請求項１から３の何れか一項に記載のＭＩＭエネルギー蓄積デバイス。
【請求項5】
前記カーボン・ナノファイバーは、少なくとも部分的に無定形炭素によって形成される、請求項４に記載のＭＩＭエネルギー蓄積デバイス。
【請求項6】
前記カーボン・ナノファイバーの各々は、波状の面構造を有し、及び／又は分岐したナノファイバーである、請求項４又は５に記載のＭＩＭエネルギー蓄積デバイス。
【請求項7】
前記複数の導電性垂直ナノ構造体における前記ナノ構造体は、下部電極から成長する、請求項１から６の何れか一項に記載のＭＩＭエネルギー蓄積デバイス。
【請求項8】
前記下部電極と前記複数の導電性垂直ナノ構造体における各ナノ構造体の前記第１端部の間に触媒層をさらに備える、請求項７に記載のＭＩＭエネルギー蓄積デバイス。
【請求項9】
前記触媒層は、予めパターン化された触媒層である、請求項８に記載のＭＩＭエネルギー蓄積デバイス。
【請求項10】
前記触媒層は、周期的な構成で予めパターン化されている、請求項９に記載のＭＩＭエネルギー蓄積デバイス。
【請求項11】
前記複数の導電性垂直ナノ構造体における各ナノ構造体は、前記ナノ構造体の前記第２端部に触媒材料を含む、請求項８から１０の何れか一項に記載のＭＩＭエネルギー蓄積デバイス。
【請求項12】
前記複数の導電性垂直ナノ構造体における前記ナノ構造体の面密度は、少なくとも１ｍｍ2当たり１０００である、請求項１から１１の何れか一項に記載のＭＩＭエネルギー蓄積デバイス。
【請求項13】
前記ナノ構造体を支持する基板をさらに備える、請求項１から１２の何れか一項に記載のＭＩＭエネルギー蓄積デバイス。
【請求項14】
前記基板は非導電性である、請求項１３に記載のＭＩＭエネルギー蓄積デバイス。
【請求項15】
各伝導制御層は固体の誘電材料で作られる、請求項１から１４の何れか一項に記載のＭＩＭエネルギー蓄積デバイス。
【請求項16】
各伝導制御層は電解質である、請求項１から１４の何れか一項に記載のＭＩＭエネルギー蓄積デバイス。
【請求項17】
各伝導制御層は、固体誘電体サブレイヤー及び電解質サブレイヤーを備える、請求項１から１４の何れか一項に記載のＭＩＭエネルギー蓄積デバイス。
【請求項18】
前記ＭＩＭエネルギー蓄積デバイスの外部電気接続のための第１接続構造体と、前記ＭＩＭエネルギー蓄積デバイスの外部電気接続のための第２接続構造体とをさらに備え、
前記ナノ構造体及び前記層状スタック内の各偶数番目電極層は、前記第１接続構造体に導電的に接続され、
前記層状スタックの各奇数番目電極層は、前記第２接続構造体に導電的に接続される、請求項１から１７の何れか一項に記載のＭＩＭエネルギー蓄積デバイス。
【請求項19】
前記ＭＩＭエネルギー蓄積デバイスは、前記複数の導電性垂直ナノ構造体、前記下部伝導制御層、及び前記層状スタックを含むＭＩＭエネルギー蓄積デバイス層と、
前記第１接続構造体及び前記第２接続構造体を含む接続構造体層と、
前記ＭＩＭエネルギー蓄積デバイス層と前記接続構造体層の間に配置される再分配層とを備え、前記再分配層は、前記ＭＩＭエネルギー蓄積デバイス層の前記ナノ構造体を前記接続構造体層の前記第１接続構造体に導電的に接続し、前記ＭＩＭエネルギー蓄積デバイス層の前記層状スタックの少なくとも一つの奇数番目電極層を前記接続構造体層の前記第２接続構造体に導電的に接続するように構成される、請求項１８に記載のＭＩＭエネルギー蓄積デバイス。
【請求項20】
前記再分配層は、前記ＭＩＭエネルギー蓄積デバイス層の前記ナノ構造体に導電的に接続された第１パッド、及び前記ＭＩＭエネルギー蓄積デバイス層の前記層状スタック内の少なくとも一つの奇数番目電極層に導電的に接続された第２パッドを含む第１導体パターン層を有する第１再分配サブレイヤーと、
前記第１再分配サブレイヤーの前記第１パッドを前記接続構造体層の前記第１接続構造体に導電的に接続する第１導体トレース、及び前記第１再分配サブレイヤーの前記第２パッドを前記接続構造体層の前記第２接続構造体に導電的に接続する第２導体トレースを含む第２導体パターン層を有する第２再分配サブレイヤーとを備える、請求項１９に記載のＭＩＭエネルギー蓄積デバイス。
【請求項21】
前記再分配層は、前記再分配層を通過して、前記再分配層の第１面を前記再分配層の第２面に導電的に接続する、少なくとも一つのバイアをさらに備える、請求項１９又は２０に記載のＭＩＭエネルギー蓄積デバイス。
【請求項22】
前記再分配層は、前記再分配層の前記第１面上にある第１複数のパッドと、
前記再分配層の前記第２面上にある第２複数のパッドと、
複数のバイアとを備え、前記複数のバイアにおける各バイアは、前記再分配層を通過して、前記第１複数のパッドにおけるそれぞれのパッドを前記第２複数のパッドにおけるそれぞれのパッドに導電的に接続する、請求項２１に記載のＭＩＭエネルギー蓄積デバイス。
【請求項23】
前記ＭＩＭエネルギー蓄積デバイスを少なくとも部分的に埋め込む電気絶縁性カプセル化材料をさらに含み、一方、前記第１接続構造体及び前記第２接続構造体は、前記カプセル化材料によって覆われていないままである、請求項１８から２２の何れか一項に記載のＭＩＭエネルギー蓄積デバイス。
【請求項24】
前記電気絶縁性カプセル化材料は、前記ＭＩＭエネルギー蓄積デバイスの外側境界面を少なくとも部分的に形成する、請求項２３に記載のＭＩＭエネルギー蓄積デバイス。
【請求項25】
前記第１接続構造体及び前記第２接続構造体の各々は、前記ＭＩＭエネルギー蓄積デバイスの外側境界面を少なくとも部分的に形成する、請求項１８から２４の何れか一項に記載のＭＩＭエネルギー蓄積デバイス。
【請求項26】
電子デバイスであって、プリント回路基板（ＰＣＢ）と、
前記ＰＣＢ上の集積回路（１Ｃ）と、
前記ＩＣに接続される、請求項１８から２５の何れか一項に記載のＭＩＭエネルギー蓄積デバイスとを備える、電子デバイス。
【請求項27】
電子デバイスであって、請求項２２に記載のＭＩＭエネルギー蓄積デバイスと、
前記ＭＩＭエネルギー蓄積デバイスの前記再分配層の前記第１面上にある前記第１複数のパッドに電気的及び機械的に接続される第１電気回路素子と、
前記ＭＩＭエネルギー蓄積デバイスの前記再分配層の前記第２面上にある前記第２複数のパッドに電気的及び機械的に接続される第２電気回路素子とを備える、電子デバイス。
【請求項28】
前記電子デバイスは、携帯電話、娯楽ユニット、ナビゲーション・デバイス、通信デバイス、固定位置データ・ユニット、移動位置データ・ユニット、全地球測位システム（ＧＰＳ）デバイス、スマート・ウォッチ、ウェアラブル・コンピューティング・デバイス、タブレット、サーバー、コンピュータ、携帯コンピュータ、モバイル・コンピューティング・デバイス、充電器、ＵＳＢデバイス、デスクトップ・コンピュータ、携帯情報端末（ＰＤＡ）、モニター、コンピュータ・モニター、テレビ、チューナー、ラジオ、衛星ラジオ、音楽プレーヤー、デジタル音楽プレーヤー、携帯音楽プレーヤー、デジタル・ビデオ・プレーヤー、自動車、電気自動車、自動車部品、アビオニクス・システム、ドローン、及びマルチコプターの一つである、請求項２６又は２７に記載の電子デバイス。
【請求項29】
金属－絶縁体－金属（ＭＩＭ）エネルギー蓄積デバイスを製造する方法であって、基板に下部電極を設けるステップと、
複数の導電性ナノ構造体における各ナノ構造体が前記下部電極から実質的に垂直に延び、前記ナノ構造体の第１端部が前記下部電極と導電的に接触するように、前記下部電極上に前記複数の導電性ナノ構造体を設けるステップと、
前記下部電極上に設けられた前記複数の導電性ナノ構造体における各ナノ構造体上に、コンフォーマルな下部伝導制御層を適用するステップと、
伝導制御層と電極層を交互に重ね、前記下部伝導制御層をコンフォーマルにコーティングする層状スタックを前記下部伝導制御層上に形成するステップとを含み、前記層状スタックは、前記層状スタックの下部に少なくとも第１奇数番目電極層と、前記第１奇数番目電極層の真上の第１奇数番目伝導制御層と、前記第１奇数番目伝導制御層の真上の第１偶数番目電極層とを含み、
前記層状スタックは、前記層状スタックの各偶数番目電極層が前記下部電極に導電的に接続され、前記層状スタックの各奇数番目電極層が前記層状スタックの他の任意の奇数番目電極層に導電的に接続されるように形成される、方法。
【請求項30】
前記ＭＩＭエネルギー蓄積デバイスの外部電気接続のための第１接続構造体を形成するステップと、前記ＭＩＭエネルギー蓄積デバイスの外部電気接続のための第２接続構造体を形成するステップと、
前記第１接続構造体及び前記第２接続構造体が電気絶縁性カプセル化材料によって覆われないように、前記ＭＩＭエネルギー蓄積デバイスを前記電気絶縁性カプセル化材料に少なくとも部分的に埋め込むステップをさらに含む、請求項２９に記載の方法。
【請求項31】
前記層状スタックを形成する前記ステップの後に、前記基板を除去するステップをさらに含む、請求項２９又は３０に記載の方法。
【請求項32】
前記基板はウェハの形態で提供される、請求項２９から３１の何れか一項に記載の方法。
【請求項33】
前記基板はパネルの形態で提供される、請求項２９から３１の何れか一項に記載の方法。
【請求項34】
前記基板はロール上のフィルムの形態で提供される、請求項２９から３１の何れか一項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、コンデンサ及び電池を含む、金属－絶縁体－金属（ＭＩＭ）静電気、及び／又は電気化学エネルギー蓄積デバイス、並びにそのような金属－絶縁体－金属（ＭＩＭ）エネルギー蓄積デバイスを製造する方法に関する。
【背景技術】
【0002】
電子機器の小型化は数十年来のトレンドであり、それにより、多くの機能を有する様々な種類のガジェットを経験することができるようになった。この進歩の大部分は、ロジック・アプリケーション用のトランジスタ、抵抗器、及びコンデンサをシリコン上に小型化及び統合することによって可能になった。それに比べ、回路基板レベルの受動部品（抵抗器、コンデンサ、及びインダクタ）は、サイズ及び密度は最適な漸進的な進歩を遂げた。その結果、受動部品は電子システムのますます大きな面積及び質量分率を占めており、多くの電子システムをより低いシステム・コストでさらに小型化にするための主要なハードルとなっている。現在のスマートフォンには通常、１０００個を超える個別のコンデンサ部品が使用されている。電気自動車の回路基板には、このような個別のコンデンサ部品が約１００００個使用されており、増加傾向にある。このような多数のコンデンサの必要性は、主に、エネルギー源（バッテリ／主電源）からパッケージング方式（ＰＣＢ／ＳＬＰ／ＳｏＣ／ＳｉＰ）を経て機能的なシリコン・チップ／ダイ、及びオンチップ集積回路に至るまで、電力を駆動する電力管理システムの問題に対処する必要性によって促進される。このようなガジェットの統合の様々な段階で対処するべき様々な電源管理の問題がある。
【0003】
シリコン回路の微細化により、単位面積当たりにより多くの機能を実現できるようになった。このような成果には代償が伴い、ダイの電力管理システムに極度のストレスがかかった。今日のシリコン・チップは、トランジスタからの漏れ電流、相互接続網での高周波反射、電力網に沿った寄生スイッチング・ノイズなどによって引き起こされる電源ノイズの影響を大きく受ける。このような電源ノイズは、回路の電圧変動及びインピーダンスの不一致を引き起こし、ゲート遅延及び論理エラー、ジッターなどをもたらし、壊滅的になる可能性がある。このようなオンチップ電源管理ソリューションにどのように対処するかは、膨大な研究領域である。このような問題に対処する方法の一つは、回路に統合された金属－絶縁体－金属（ＭＩＭ）デカップリング・コンデンサを使用することである。しかしながら、ダイ内部の問題に対処するためのこのような統合方式は、ダイの面にデカップリング・コンデンサを統合するためのホワイト・スペース（ダイ上で利用可能な高価な不動産スペース）によって制限される。ホワイト・スペースは減少していて、今日の世代ではオンチップ・デカップリング・コンデンサ用にダイあたり約１０％しか割り当てられていないことが報告されている。
【0004】
したがって、規定された２Ｄ領域内でそのようなデカップリング・コンデンサの静電容量密度を増加させる必要性がある。Ａ．Ｍ．Ｓａｌｅｅｍ ｅｔ ａｌ．による「ＣＭＯＳ温度互換プロセスを使用して成長させた、垂直に配列したカーボン・ナノファイバーに基づく統合オンチップ固体コンデンサ」、Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ、ｖｏｌ.１３９,７５（２０１８年１月）、及び欧州特許２０７４６４１号明細書で、いくつかのソリューションが提案され、実証されている。従来技術は、従来のＭＩＭコンデンサに関して容量値の改善を示してきた。ただし、実証されたデバイスは、接点に存在するフィールド酸化物からの寄生容量、又はデバイス領域の外側でランダムに成長するナノ構造体に起因する寄生容量の影響を受けやすく、回路実装に有害な影響を及ぼす可能性のある寄生効果（容量性／抵抗性／誘導性）を意図せず、かつ制御せずにデバイスに存在させる。多くの設計と処理の改善ステップが必要になる（たとえば、ＣＭＰ平坦化処理、フィールド酸化物の除去など）と予想され、そのようなデバイスに、実用的な実装のためのそのような技術概念の利点を本質的に減少させる寄生成分がないようにする。
【0005】
別の観点－ＰＣＢ／ＳＬＰボード・レベル－から見ると、ほとんどの場合、電力を供給する電源レール（例えば、±２．５Ｖ、±１２Ｖ、又は３．３Ｖなど）は、通常、リニア電源又はスイッチ・モード電源技術によって生成される。それらは両者とも、電子回路の電力網に給電する前に整流及びフィルタリング又は調整段階を備えているが、それでもなおリップル・ノイズを保有している場合がある。したがって、多くのコンデンサがボード上に通常見られ、コンデンサの量及び値は、ＩＣのスイッチング周波数が高くなるにつれてより高くなる。さらに、ＩＣの電源要件がより低い動作電圧に向かって進むにつれて、電源要件及びノイズ・マージンはますます厳しくなっている。さらに、異種ＩＣ／異種統合のＳｏＣ／ＳｉＰ、ＦＯＷＬＰ／ＦＩＷＬＰ／チップレット・ウェハ・レベル・パッケージングのようなシステム・レベル・パッケージングの進歩に伴い、電源管理は主要な課題になりつつある。電源レギュレーションの低下、ＰＣＢ電源相互接続の長さ／形状、ワイヤの寄生、ＩＣのスイッチング周波数、及びＥＭＩ効果などにより、ノイズは電圧レベルに発生する場合がある。このような複雑な統合パッケージの場合、より優れた性能を得るには、様々なＩＣの近くにコンデンサを必要とする。
【0006】
このような個別の部品を製造するための今日の業界標準のＭＬＣＣ／ＴＳＣ／ＬＩＣＣコンデンサ技術は、より低い高さ（Ｚ高さ）が１００μｍ未満、好ましくは、２０μｍ未満になるという高まる要求に対応することが求められる。この要求は、パッケージＳｏＣ／ＳｉＰパッケージに統合されるＩＣでは、バンプ相互接続の高さ及びピッチ／間隔の減少により、ＳｏＣ／ＳｉＰパッケージ・ソリューションの間で対応するために、コンデンサの高さが７０μｍ未満である必要があるという事実によるものである。
【0007】
この課題を回避するために、米国特許出願公開第２０１７００１２０２９号明細書は、ダイの裏面にＭＩＭコンデンサ構成を収容する実施形態を明示している。ただし、このような方式はＣＭＯＳ互換である必要があり、組み立てることになっているすべてのダイで実行しなければならない。これは、異なる技術ノードにおけるそのようなＭＩＭ構造の適応の複雑さ、及びそのような実装に関連するコストのために、そのような技術概念の制限が伴うこともある。これにより、本質的にダイあたりのコストが大幅に増加することがあり、パッケージング・レベルで必要とされる機能あたりの費用便益が失われる場合がある。
【0008】
ＭＬＣＣは、世界で使用される個別のコンデンサ部品の中で最も著名なタイプである。毎年、何兆ものそのような個別の部品が、任意に指定されたシステム／ガジェットで使用される。これらの部品の小型化にはある程度の進歩があり、太陽誘電では、市販されている最も薄いものを１１０μｍと主張する。ＳａｍｓｕｎｇＥｌｅｃｔｒｏＭｅｃｈａｎｉｃａｌシステムは、ＬＩＣＣの概念を導入して厚さを低減し、さらにより低いＥＳＬ（実効直列インダクタンス）に達する。Ｉｐｄｉａ（現在は村田製作所の一部）は、９００ｎＦ／ｍｍ2を超える静電容量値で８０μｍの薄いＴＳＣ個別のコンデンサ部品を導入した。ただし、ＭＬＣＣ、ＬＩＣＣ、及びＴＳＣは、関連する材料（原料金属／誘電体粒子）、処理スキーム（焼結／シリコン・エッチング）、及び原料と処理のコストのため、Ｚ寸法（高さ）をさらに下げるのに苦労しがちである。ＭＬＣＣプロセスでは、銅、ニッケル、銀、金、タンタル、チタン酸バリウム、アルミナなどを含む、コンデンサの製造に使用される原材料の制限を完全に理解する必要がある。また、セラミック・クラス２ＭＬＣＣは、温度変化、印加電圧、及び時間の経過（エージング）によって負の影響を受け、ベンダーによって最初に規定された静電容量値から静電容量値が大幅に低下することが知られている。このような劣化は、システム（例えば、電気自動車）のセキュリティに関連する任意のサブシステムに悪影響を及ぼす可能性がある。
【0009】
したがって、それらの確立された技術に基づくこれらの部品のさらなる小型化は、以前ほどのコスト競争力がないかもしれない。コストを犠牲にすることなく、個別のコンデンサ部品がフリップ・チップ・バンプ相互接続の間に適合できるような２Ｄ空間も３Ｄ空間も両方で充分に小さくする必要性に対応することは特に挑戦的なことである。
【0010】
個別のコンデンサ部品は、産業上の需要を満たすために数兆単位で生産する必要があり、ＣＭＯＳ互換技術をＭＬＣＣ、ＬＩＣＣ、又はＴＳＣに関する個別の部品の生産に利用するには、単に法外なコストがかかる。
【発明の概要】
【0011】
したがって、革新的なソリューションを必要とする統合されたコンデンサと個別のコンデンサ部品の間に大きなギャップがあることは明らかである。同様なことが他のタイプのエネルギー蓄積デバイスに当てはまる。
【0012】
したがって、本発明の第１態様によれば、金属－絶縁体－金属（ＭＩＭ）エネルギー蓄積デバイスであって、複数の導電性垂直ナノ構造体と、各々はナノ構造体の第１端部からナノ構造体の第２端部に延び、複数の導電性垂直ナノ構造体における各ナノ構造体をコンフォーマルにコーティングする下部伝導制御層と、伝導制御層と電極層を交互に重ね、下部伝導制御層をコンフォーマルにコーティングすることを含む層状スタックとを備え、層状スタックは、層状スタックの下部に少なくとも第１奇数番目電極層と、第１奇数番目電極層の真上の第１奇数番目伝導制御層と、第１奇数番目伝導制御層の真上の第１偶数番目電極層とを含み、
層状スタックの各偶数番目電極層は、ナノ構造体に導電的に接続され、
層状スタックの各奇数番目電極層は、層状スタックの他の任意の奇数番目電極層に導電的に接続される、金属－絶縁体－金属（ＭＩＭ）エネルギー蓄積デバイスが提供される。
層状スタックの各偶数番目電極層は、ナノ構造体に導電的に接続され、
層状スタックの各奇数番目電極層は、層状スタックの他の任意の奇数番目電極層に導電的に接続される、金属－絶縁体－金属（ＭＩＭ）エネルギー蓄積デバイスが提供される。
【0013】
ＭＩＭエネルギー蓄積デバイスは、下部電極を備えてもよいし、複数の導電性垂直ナノ構造体における各ナノ構造体の第１端部は、下部電極と導電的に接触してもよい。次いで、層状スタックにおける各偶数番目電極層は、下部電極に導電的に接続されてもよい。
【0014】
“垂直”ナノ構造体とは、下部電極に対して垂直に配置されるナノ構造体であると理解されたい。
【0015】
本出願の文脈では、“コンフォーマル・コーティング”という用語は、材料の層の厚さが面の向きに関係なく実質的に同じになるように材料の層を面に堆積させることを意味すると理解されたい。このようないわゆるコンフォーマルな層又はフィルムを達成するための様々な堆積方法は、当業者には周知である。適切であり得る堆積方法の注目すべき例は、ＣＶＤ、ＡＬＤ、及びＰＶＤなどの様々な蒸着方法である。
【0016】
導電性ナノ構造体は、導電性材料から形成されてもよいし、又は、電気絶縁性材料から形成されてもよいし、好ましくは、金属などの導電性材料でコンフォーマルにコーティングされてもよい。後者の場合、ナノ構造体の第１端部は、ナノ構造体の第１端部の導電性材料によって下部電極と導電的に接触してもよい。あるいは、非導電性ナノ構造体を覆う導電性材料は、ＭＩＭエネルギー蓄積デバイスのための下部電極として機能する場合がある。
【0017】
下部伝導制御層は、少なくとも各ナノ構造体をコンフォーマルにコーティングしてもよいし、したがって、ナノ構造体の間の下部電極の部分をさらにコンフォーマルにコーティングしてもよい。
【0018】
層状スタックは、複数のコンフォーマル・コーティング層を有利に備えてもよい。例えば、層状スタック内のすべての層がコンフォーマル・コーティング層であってもよい。しかしながら、実施形態では、層状スタック内の最上部電極層は、コンフォーマル・コーティング層でなくてもよい。
【0019】
本発明は、ナノ構造体ベースのＭＩＭエネルギー蓄積デバイスの単位表面積当たりのエネルギー蓄積容量は、下部コンフォーマル伝導制御層の上に、電極層と伝導制御層を交互に重ねる層状スタックを設け、並列に結合されたエネルギー蓄積回路を達成するためにデバイス内の電極層を選択的に相互接続することによって、大幅に増加させることができるという理解に基づいている。このアプローチにより、エネルギー蓄積容量を大幅に増加させることができる。
【0020】
様々な実施形態によれば、ＭＩＭエネルギー蓄積デバイスは、下部電極に平行な上部電極をさらに備えてもよいし、層状スタックの最上部の奇数番目電極層は、上部電極に導電的に接続されてもよい。上部電極は、実質的に平坦な上部電極面を含んでもよいし、一方、上部電極の下部は、ＭＩＭエネルギー蓄積デバイスの構成に応じて、平坦化又は構造化してもよい。
【0021】
様々な用途に対して、これは、並列結合エネルギー蓄積回路の外部接続を可能とする有利で便利な方法である場合がある。実施形態では、より少ないプロセス・ステップが必要とされる場合があり、及び／又はより粗い導体パターンが使用される場合があり、これにより生産歩留まりの向上を可能とし、それ故に、また、生産コストを低下させることができる。
【0022】
有利には、層状スタックにおける最上部の奇数番目電極層は、複数の接続位置で上部電極に導電的に接続されてもよいし、各々は、複数の導電性垂直ナノ構造体におけるナノ構造体のそれぞれの第１端部及び第２端部を通過する直線に沿うものである。この構成は、比較的簡単で信頼性の高い接続構成をもたらし、しかもコンパクトである。
【0023】
導電性ナノ構造体は、有利には、カーボン・ナノファイバー（ＣＮＦ）であってもよい。あるいは、導電性ナノ構造体は、カーボン・ナノチューブ（ＣＮＴ）又は炭化物由来のカーボンナノ構造体又はグラフェン壁であってもよい。さらに、実施形態では、ナノ構造体は、例えば、銅、アルミニウム、銀、シリサイド、又は導電性を有する他のタイプのナノワイヤで作られるナノワイヤであってもよい。
【0024】
しかしながら、ＣＮＦを使用すると、本発明の実施形態によるエネルギー蓄積デバイスは特に有利な場合がある。ＣＮＴは、ＣＮＦよりも高い導電性を実現できることが知られている。しかしながら、導電性ＣＮＴを形成するプロセスは、また、半導体ＣＮＴのある割合の形成をもたらす傾向があり、この割合は、知られていないか又は正確に制御できない場合がある。一方、ＣＮＦは金属的（電気的）な特性を有し、そのことは再現性の向上を可能にする。さらに、ＣＮＦの表面積は、同じ全体寸法（直径及び高さ）を備えたＣＮＴの表面積よりもかなり大きくすることができ、それはより多くの電荷蓄積サイトを可能にする。それにより、より高い電荷運搬能力を可能にし、結果として、ＭＩＭエネルギー蓄積デバイスのナノ構造体と同じ数及び全体寸法についてより高いエネルギー蓄積能力をもたらす。
【0025】
実施形態において、カーボン・ナノファイバーは、少なくとも部分的に無定形炭素によって形成してもよい。これにより、表面積当たりの炭素原子の数が多くなり、より多くの電荷蓄積サイトをもたらし、同様に、ＭＩＭエネルギー蓄積デバイスにおけるナノ構造体と同じ数及び全体寸法について、より高いエネルギー蓄積能力をもたらす。
【0026】
実施形態において、カーボン・ナノファイバーは、分岐したカーボン・ナノファイバーであってもよい。これは、アクセス可能な表面積のさらなる増加をもたらし、より多くの電荷蓄積サイトをもたらし、同様に、ＭＩＭエネルギー蓄積デバイスにおけるナノ構造体と同じ数及び全体寸法についてより高い電荷蓄積能力を引き起こす。
【0027】
実施形態によれば、さらに、複数のＣＮＦにおける各ＣＮＦは、波状の面構造を有する場合があり、これはまた、（ＣＮＦ当たりの）電荷蓄積サイトの数を増加させる。
【0028】
波状の面構造又は分岐したナノファイバー構造を備えたＣＮＦの使用から充分にメリットを得るには、下部の伝導制御層と同様に、ＣＮＦの極めて細かい波形を再現できる非常に薄いコンフォーマルフィルムとして層状スタック内の様々な層（おそらく最上部の奇数番目電極層を除く）の各々も堆積させることが特に有利である場合がある。
【0029】
様々な実施形態によれば、導電性垂直ナノ構造体は、成長したナノ構造体であってもよい。成長したナノ構造体を使用すると、ナノ構造体の特性を広範囲に調整することができる。例えば、成長条件は、各ナノ構造体の大きな表面積を与える形態を達成するように選択してもよいし、同様に、これはＭＩＭエネルギー蓄積デバイスのエネルギー蓄積能力を増加させてもよい。
【0030】
実施形態によれば、ＭＩＭエネルギー蓄積デバイスは、静電気又は電気化学エネルギー、又はそれらの組み合わせを蓄積することができる。
【0031】
実施形態によれば、伝導制御材料は固体誘電体であってもよいし、ＭＩＭエネルギー蓄積デバイスはナノ構造体多層コンデンサ・デバイスであってもよい。
【0032】
他の実施形態によれば、伝導制御材料は電解質であってもよいし、ＭＩＭエネルギー蓄積デバイスはナノ構造体多層電池デバイスであってもよい。
【0033】
“固体誘電体”とは、室温で固体状態にある誘電材料と理解されたい。したがって、この文言は、室温で液体であるどんな材料も除外する。
【0034】
“固体電解質”とは、室温で固体状態又はゾル－ゲル状態にある電解質材料と理解されたい。
【0035】
固体誘電体は、有利には、いわゆる高誘電率体であってもよい。高誘電率体材料の例としては、例えば、ＨｆＯx、ＴｉＯx、ＴａＯx及び他のよく知られた高誘電率体が挙げられる。あるいは、誘電体は、例えば、ポリプロピレン、ポリスチレン、ポリ（ｐ－キシリレン）、パリレンなどのポリマー・ベースであってもよい。他のよく知られた誘電材料、例えば、ＡＯx、ＳｉＯx、又はＳｉＮxなども使用してもよい。本発明は、必要に応じて、少なくとも一つの誘電材料層を使用することを意図している。また、実効的な誘電特性又は電界特性を制御するために、複数の誘電材料又は異種誘電体層の多層化も想定される。
【0036】
ナノ構造体の電気化学的蓄積又は電池では、伝導制御材料は、主に、伝導制御材料を介してイオンを輸送することによってエネルギーの蓄積を可能にすることにより、伝導制御材料に存在するエネルギー蓄積メカニズムの一部としてイオンを含む。適切な電解質は、固体又は半固体電解質であってもよいし、電解質、例えば、チタン酸ストロンチウム、イットリア安定化ジルコニア、ＰＭＭＡ、ＫＯＨ、リチウムリン酸窒化物、Ｌｉベースの複合体などとして作用する固体結晶、セラミック、ガーネット、又はポリマー又はゲルの形態を選択してもよい。電解質層は、ポリマー電解質を含んでもよい。ポリマー電解質は、ポリマー・マトリックス、添加剤、及び塩を含んでもよい。
【0037】
伝導制御電解質材料は、ＣＶＤ、熱プロセス、スピン・コーティング又はスプレー・コーティング、あるいは産業界で使用される他の任意の適切な方法を使用して堆積させてもよい。
【0038】
本発明の実施形態によれば、伝導制御材料は、層状構成の固体誘電体及び電解質を含んでもよい。そのような実施形態では、ＭＩＭエネルギー蓄積デバイスは、コンデンサ型（静電気）と電池型（電気化学）エネルギー蓄積デバイスの間のハイブリッドと見なしてもよい。この構成により、純粋なコンデンサ・デバイスよりも高いエネルギー密度及び電力密度、並びに純粋なバッテリー・デバイスよりも速い充電を可能とする場合がある。
【0039】
本発明は、例えば、Ｓｉ、ガラス、ＳｉＣ、ステンレス鋼、金属箔、例えばＡｌ／Ｃｕ／Ａｇなどホイルの任意の基板、又は産業界で使用される他の任意の適切な基板を使用することを意図している。基板は、実質的に平坦な面を呈することも、又は平坦でないこともある。
【0040】
本発明では、エネルギー蓄積部品の設計及び性能の必要性に応じて、任意の金属、金属合金、ドープされたシリコン、又は金属酸化物、例えば、ＬｉＣｏＯ2などを使用することを意図している。例えば、金属層は、遷移金属酸化物、リチウムと遷移金属の複合酸化物、又はこれらの混合物を含んでもよい。遷移金属酸化物は、リチウム・コバルト酸化物、リチウム・マンガン酸化物、又はバナジウム酸化物を含んでもよい。金属接触層は、Ｌｉ、シリコンスズ酸窒化物、Ｃｕ、及びそれらの組み合わせからなる群から選択されるものを含んでもよい。
【0041】
また、本発明では、下部電極として使用される、又は下部電極に含まれる基板を意図する。本発明は、複数の垂直に成長した導電性ナノ構造体を含むＭＩＭ配列体を使用して、コスト効率が高く、極めてコンパクトな、特に薄い個別の金属－絶縁体－金属（ＭＩＭ）エネルギー蓄積部品を実現できるという理解に基づいている。本発明の実施形態により、プロファイル高さが１００μｍ未満の受動エネルギー蓄積部品を達成することができ、それらは現在存在するＭＬＣＣ／ＴＳＣ部品の競争力のある代替品となる場合がある。部品の高さを低減すると、回路基板上の利用可能なスペースをより効率的に利用できる場合がある。例えば、本発明の実施形態による非常に薄い個別のＭＩＭコンデンサ又は電池部品は、集積回路（ＩＣ）-パッケージの下面に配置することができ、それは、よりコンパクトな回路レイアウトと同様にＩＣとコンデンサの間のより短い導体距離も可能にする。これらのうちの少なくとも後者は、寄生キャパシタンス及びインダクタンスの低減を可能にし、同様にＩＣの性能の改善を可能にする。
【0042】
しかしながら、本発明は、プロファイルの高さが制約されない他の産業用途で使用するのに適した、１００μｍを超えるプロファイルの高さを有する、より厚い部品を製造する可能性を排除しない。
【0043】
本発明の実施形態は、（ａ）単位面積／体積当たりの非常に高い静電容量値又は電気化学容量値、（ｂ）２Ｄ及びＺ方向の低いプロファイル、（ｃ）面実装互換性があり、２Ｄ、２．５Ｄ、及び３Ｄのパッケージング／アセンブリ／組み込み技術に適している（ｄ）フォーム・ファクタの設計が容易、（ｅ）温度及び印加電圧に対する安定した堅牢な性能、（ｆ）平方当たりの等価直列インダクタンス（ＥＳＬ）が低い、（ｇ）容量劣化なしに長寿命又はライフ・サイクル性の向上、及び（ｈ）費用対効果が高い、という要件を満たすことができる。
【0044】
本発明の様々な実施形態によれば、層状スタックの最上部電極層は、複数の導電性ナノ構造体の隣接するナノ構造体の間の空間を、ナノ構造体の第１端部と第２端部の間の少なくとも中間で、第１端部から第２端部に向かって完全に満たすことができる。この構成により、ＭＩＭエネルギー蓄積デバイスの堅牢性及び信頼性を高めることができ、これにより、同様に、より堅牢で信頼性の高いエネルギー蓄積デバイスを実現する。特に、ＭＩＭエネルギー蓄積デバイスにおけるナノ構造体の機械的安定性を高めることができる。さらに、ナノ構造体の間の空間の発生の可能性を減らすことができ、特に温度サイクルなどに関して、エネルギー蓄積部品の信頼性に有益である場合がある。
【0045】
実施形態では、層状スタックの最上部電極層は、ナノ構造体の第２端部までずっと、複数の導電性ナノ構造体の隣接するナノ構造体の間の空間を完全に満たすことができ、それにより、エネルギー蓄積デバイスの堅牢性及び信頼性をさらに改善することができる。
【0046】
さらに、本発明の第１態様の実施形態によるＭＩＭエネルギー蓄積デバイスは、電子デバイスに有利に含まれてもよいし、プリント回路基板（ＰＣＢ）及びＰＣＢ上の集積回路（ＩＣ）をさらに備える。個別のＭＩＭエネルギー蓄積デバイスは、ＰＣＢ上の導体パターンを介してＩＣに接続されてもよい。あるいは、個別のＭＩＭエネルギー蓄積デバイスはＩＣパッケージに接続されてもよい。回路基板は必ずしも従来のＰＣＢである必要はなく、フレキシブル・プリント回路（ＦＰＣ）又はＳＬＰ（基板状ＰＣＢ）であってもよい。
【0047】
さらに、本発明の第１態様の実施形態によるＭＩＭエネルギー蓄積デバイスは、電子デバイスに有利に含まれてもよいし、ＭＩＭエネルギー蓄積デバイスの再分配層の第１面上の第１複数のパッドに電気的及び機械的に接続される第１電気回路素子と、ＭＩＭエネルギー蓄積デバイスの再分配層の第２面上の第２複数のパッドに電気的及び機械的に接続される第２電気回路素子とをさらに備える。これらの実施形態では、ＭＩＭエネルギー蓄積デバイスは、第１回路素子と第２回路素子の間のインターポーザとしてさらに機能する。第１電気回路素子及び第２電気回路素子の各々又はいずれかは、例えば、集積回路、パッケージ化された電子部品、又はＰＣＢＦＲ－４基板のような回路基板を含む、電子デバイスの任意の電気部分であってもよい。
【0048】
本発明の第２態様によれば、基板に下部電極を設けるステップと、複数の導電性ナノ構造体における各ナノ構造体が下部電極から実質的に垂直に延び、ナノ構造体の第１端部が下部電極と導電的に接触するように、下部電極上に複数の導電性ナノ構造体を設けるステップと、下部電極上に設けられた複数の導電性ナノ構造体における各ナノ構造体上に、コンフォーマルな下部伝導制御層を適用するステップと、伝導制御層と電極層を交互に重ね、下部伝導制御層をコンフォーマルにコーティングする層状スタックを下部伝導制御層上に形成するステップとを含み、層状スタックは、層状スタックの下部に少なくとも第１奇数番目電極層と、第１奇数番目電極層の真上の第１奇数番目伝導制御層と、第１奇数番目伝導制御層の真上の第１偶数番目電極層とを含み、層状スタックは、層状スタックにおける各偶数番目電極層が下部電極に導電的に接続され、層状スタックの各奇数番目電極層が層状スタックの他の任意の奇数番目電極層に導電的に接続されるように形成される、金属－絶縁体－金属（ＭＩＭ）エネルギー蓄積デバイスを製造する方法が提供される。
【0049】
本発明のこの第２態様のさらなる実施形態及び第２態様を介して得られる効果は、本発明の第１態様について上述したものとほぼ類似している。
【0050】
したがって、要約すると、本発明は、下部電極と、複数の導電性垂直ナノ構造体と、複数の導電性垂直ナノ構造体における各ナノ構造体をコンフォーマルにコーティングする下部伝導制御層と、伝導制御層と電極層を交互に重ね、下部伝導制御層をコンフォーマルにコーティングする層状スタックとを備え、層状スタックは、層状スタックの下部に少なくとも第１奇数番目電極層と、第１奇数番目電極層の真上の第１奇数番目伝導制御層と、第１奇数番目伝導制御層の真上の第１偶数番目電極層とを備える、ＭＩＭエネルギー蓄積デバイスに関する。層状スタックの各偶数番目電極層は、下部電極に導電的に接続され、層状スタックの各奇数番目電極層は、層状スタックの他の任意の奇数番目電極層に導電的に接続される。
【0051】
態様によれば、本発明は、また
第１電極層と、
第１電極層上に設けられる複数の導電性ナノ構造体と、
複数の導電性ナノ構造体における各ナノ構造体及び導電性ナノ構造体によって覆われていないままの第１電極層をコンフォーマルにコーティングする第１伝導制御材料層と、
第１伝導制御層をコンフォーマルにコーティングする第２電極層と、
第２電極層をコンフォーマルにコーティングする第２伝導制御層と、
第２伝導制御層をコンフォーマルにコーティングする第３電極層とを備え、第１電極層及び第３電極層は互いに導電的に接続される、金属－絶縁体－金属（ＭＩＭ）エネルギー蓄積デバイスに関する。
第１電極層と、
第１電極層上に設けられる複数の導電性ナノ構造体と、
複数の導電性ナノ構造体における各ナノ構造体及び導電性ナノ構造体によって覆われていないままの第１電極層をコンフォーマルにコーティングする第１伝導制御材料層と、
第１伝導制御層をコンフォーマルにコーティングする第２電極層と、
第２電極層をコンフォーマルにコーティングする第２伝導制御層と、
第２伝導制御層をコンフォーマルにコーティングする第３電極層とを備え、第１電極層及び第３電極層は互いに導電的に接続される、金属－絶縁体－金属（ＭＩＭ）エネルギー蓄積デバイスに関する。
【0052】
ＭＩＭエネルギー蓄積デバイスは、
第３電極層をコンフォーマルにコーティングする第３伝導制御層と、
第３伝導制御層をコンフォーマルにコーティングする第４電極層とをさらに備えてもよく、第２電極層及び第４電極層は互いに導電的に接続される。
第３電極層をコンフォーマルにコーティングする第３伝導制御層と、
第３伝導制御層をコンフォーマルにコーティングする第４電極層とをさらに備えてもよく、第２電極層及び第４電極層は互いに導電的に接続される。
【0053】
ＭＩＭエネルギー蓄積デバイスは、
エネルギー蓄積部品の外部電気接続のための第１接続構造体と、
エネルギー蓄積部品の外部電気接続のための第２接続構造体と、
ＭＩＭ配列体を少なくとも部分的に埋め込む電気絶縁カプセル化材料とをさらに備え、第１電極層及び第３電極層は第１接続構造体に導電的に接続され、第２電極層は第２接続構造体に導電的に接続される、個別の金属－絶縁体－金属（ＭＩＭ）エネルギー蓄積部品に含まれてもよい。
エネルギー蓄積部品の外部電気接続のための第１接続構造体と、
エネルギー蓄積部品の外部電気接続のための第２接続構造体と、
ＭＩＭ配列体を少なくとも部分的に埋め込む電気絶縁カプセル化材料とをさらに備え、第１電極層及び第３電極層は第１接続構造体に導電的に接続され、第２電極層は第２接続構造体に導電的に接続される、個別の金属－絶縁体－金属（ＭＩＭ）エネルギー蓄積部品に含まれてもよい。
【0054】
本発明は、また
第１電極層と、
複数の導電性垂直ナノ構造体と、各々は第１電極層と導電的に接触している第１端部から第２端部まで延び、
伝導制御層と電極層を交互に重ね、複数の導電性ナノ構造体における各ナノ構造体及び導電性ナノ構造体によって覆われていないままの第１電極層をコンフォーマルにコーティングする層状スタックとを備え、
複数の導電性ナノ構造体の真上の層状スタック内の層は、第１伝導制御層であり
第１伝導制御層の真上の層状スタック内の層は、第２電極層であり、
第２電極層の真上の層状スタック内の層は、第２伝導制御層であり、
第２伝導制御層の真上の層状スタック内の層は、第３電極層であり、並びに
第１電極層及び第３電極層は互いに導電的に接続される、金属－絶縁体－金属（ＭＩＭ）エネルギー蓄積デバイスに関する。
第１電極層と、
複数の導電性垂直ナノ構造体と、各々は第１電極層と導電的に接触している第１端部から第２端部まで延び、
伝導制御層と電極層を交互に重ね、複数の導電性ナノ構造体における各ナノ構造体及び導電性ナノ構造体によって覆われていないままの第１電極層をコンフォーマルにコーティングする層状スタックとを備え、
複数の導電性ナノ構造体の真上の層状スタック内の層は、第１伝導制御層であり
第１伝導制御層の真上の層状スタック内の層は、第２電極層であり、
第２電極層の真上の層状スタック内の層は、第２伝導制御層であり、
第２伝導制御層の真上の層状スタック内の層は、第３電極層であり、並びに
第１電極層及び第３電極層は互いに導電的に接続される、金属－絶縁体－金属（ＭＩＭ）エネルギー蓄積デバイスに関する。
【0055】
第３電極層の真上の層状スタック内の層は、第３伝導制御層であってもよいし、
第３伝導制御層の真上の層状スタック内の層は、第４電極層であってもよいし、並びに
第２電極層及び第４電極層は、互いに導電的に接続されてもよい。
第３伝導制御層の真上の層状スタック内の層は、第４電極層であってもよいし、並びに
第２電極層及び第４電極層は、互いに導電的に接続されてもよい。
【0056】
層状スタックは、奇数の電極層を備えてもよいし、
層状スタックの下部から始まる偶数番目電極層は、第１電極層に導電的に接続され、及び
層状スタックの下部から始まる奇数番目電極層は、層状スタックの最上部にある最上部電極層に導電的に接続される。
層状スタックの下部から始まる偶数番目電極層は、第１電極層に導電的に接続され、及び
層状スタックの下部から始まる奇数番目電極層は、層状スタックの最上部にある最上部電極層に導電的に接続される。
【0057】
ＭＩＭエネルギー蓄積デバイスは、第１電極層に平行な実質的に平面の上部電極をさらに備えてもよく、及び
層状スタックの最上部にある最上部電極層は、上部電極に導電的に接続されてもよい。
層状スタックの最上部にある最上部電極層は、上部電極に導電的に接続されてもよい。
【0058】
層状スタックの最上部にある最上部電極層は、複数の接続位置の上部電極に導電的に接続されてもよいし、各々は、複数の導電性垂直ナノ構造体におけるナノ構造体のそれぞれの第１端部から第２端部まで延びる線の延長に沿っている。
【0059】
さらに、本発明は、金属－絶縁体－金属（ＭＩＭ）エネルギー蓄積部品に関し、
第１電極層と、第１電極層から成長した複数の導電性ナノ構造体と、複数の導電性ナノ構造体における各ナノ構造体及び導電性ナノ構造体によって覆われていないままの第１電極層をコンフォーマルにコーティングする第１伝導制御材料層と、第１伝導制御層をコンフォーマルにコーティングする第２電極層と、第２電極層をコンフォーマルにコーティングする第２伝導制御層と、第２伝導制御層をコンフォーマルにコーティングする第３電極層とを備えるＭＩＭ配列体と、
エネルギー蓄積部品の外部電気接続のための第１接続構造体と、
エネルギー蓄積部品の外部電気接続のための第２接続構造体と、
ＭＩＭ配列体を少なくとも部分的に埋め込む電気絶縁カプセル化材料とを備え、第１電極層及び第３電極層は第１接続構造体に導電的に接続され、第２電極層は第２接続構造体に導電的に接続される、個別の金属－絶縁体－金属（ＭＩＭ）エネルギー蓄積部品に関する。
第１電極層と、第１電極層から成長した複数の導電性ナノ構造体と、複数の導電性ナノ構造体における各ナノ構造体及び導電性ナノ構造体によって覆われていないままの第１電極層をコンフォーマルにコーティングする第１伝導制御材料層と、第１伝導制御層をコンフォーマルにコーティングする第２電極層と、第２電極層をコンフォーマルにコーティングする第２伝導制御層と、第２伝導制御層をコンフォーマルにコーティングする第３電極層とを備えるＭＩＭ配列体と、
エネルギー蓄積部品の外部電気接続のための第１接続構造体と、
エネルギー蓄積部品の外部電気接続のための第２接続構造体と、
ＭＩＭ配列体を少なくとも部分的に埋め込む電気絶縁カプセル化材料とを備え、第１電極層及び第３電極層は第１接続構造体に導電的に接続され、第２電極層は第２接続構造体に導電的に接続される、個別の金属－絶縁体－金属（ＭＩＭ）エネルギー蓄積部品に関する。
【図面の簡単な説明】
【0060】
本発明のこれら及び他の態様を、本発明の例示的実施形態を示す添付の図面を参照して、より詳細に説明する。
【0061】
【発明を実施するための形態】
【0062】
図１は、本発明の一実施形態による電子デバイスを、ここでは携帯電話１の形態で概略的に示す。図１の簡略化された概略図では、携帯電話は、多くの電子デバイスと同様に、パッケージ化された集積回路５を実装した回路基板３、及びここではコンデンサ７の形態でエネルギー蓄積部品を含む受動部品を備えているのが示される。
【0063】
図２は、合理的で費用効果の高い大量生産のために現在利用可能な技術を使用した回路基板３の好ましい図であり、プリント回路基板（ＰＣＢ）９に取り付けられた多数のコンデンサ７がある。現在使用されているコンデンサ７は、いわゆる多層セラミック・コンデンサ（ＭＬＣＣ）であることが多く、パッケージの最小の高さは約０．４ｍｍである。
【0064】
処理速度がさらに速く、さらにコンパクトな電子デバイスを可能にするために、デカップリング及び一時的なエネルギー蓄積に必要なコンデンサ７が占める空間を縮小し、ＩＣ５とそのＩＣ５の目的を果たすコンデンサ７との間の距離を縮小することが望ましい。
【0065】
これにより、本発明の実施形態によるＭＩＭエネルギー蓄積デバイス、この場合、個別のＭＩＭコンデンサ部品を使用して達成することができる。なぜなら、そのようなＭＩＭコンデンサ部品は、同じキャパシタンス及びフットプリントを有する従来のＭＬＣＣよりもかなり小さいパッケージの高さで作ることができるからである。
【0066】
図３は、図２の回路基板上の従来のコンデンサ部品を、本発明の例示的実施形態によるＭＩＭコンデンサ部品１１で置き換えることの可能性を意味する概略図である。図３から明らかなように、本発明の実施形態によるＭＩＭコンデンサ部品１１のパッケージ高さの低減により、ＩＣパッケージ５の接続ボール１２の間でＩＣパッケージ５の下にコンデンサ１１を配置させる。明らかに、コンデンサ１１のこの配置は、より小さなＰＣＢ９を可能にし、したがって、よりコンパクトな電子デバイス１を可能にする。ＩＣ５内の能動回路とコンデンサ１１の間のより短い距離もまた、実現されることは明らかである。
【0067】
図４Ａは、本発明の第１例示的実施形態によるＭＩＭエネルギー蓄積デバイス１１を部分的に開いた透視概略図であり、個別のコンデンサ部品などの個別のＭＩＭエネルギー蓄積部品の形態であり、ＭＩＭ－配列体１３、第１接続構造体（図４Ａでは見えない）、第２接続構造体（図４Ａでは見えない）、及びエネルギー蓄積部品１１の外側境界面を少なくとも部分的に形成するためにＭＩＭ－配列体１３を少なくとも部分的に埋め込む誘電体カプセル化材料を備える。
【0068】
図４Ｂは、図４Ａの線Ａ-Ａ'に沿って取られた断面の図４ＡのＭＩＭエネルギー蓄積デバイス１１の概略断面図である。図４Ｂにおいて、この実施形態のＭＩＭエネルギー蓄積デバイスは、ＭＩＭエネルギー蓄積デバイス層２１、接続構造体層２３、及びＭＩＭエネルギー蓄積デバイス層２１と接続構造体層２３の間に配置される再分配層２５を備えることが分かる。ＭＩＭエネルギー蓄積デバイス層２１は、下部電極２７、複数の導電性垂直ナノ構造体２９（図面の乱雑さを避けるために図４Ｂではこれらのうちの一つだけが参照番号で示されている）、下部伝導制御層３１、及び伝導制御層と電極層を交互に重ね下部伝導制御層３１をコンフォーマルにコーティングすることを含む層状スタック３３を備える。ＭＩＭエネルギー蓄積デバイス層２１の例示的構成は、図５Ａ及びＢ及び他の図を参照して、以下でより詳細に説明する。
【0069】
接続構造体層２３は、ＭＩＭエネルギー蓄積デバイス１１の外部電気接続のために、図４Ａを参照して上記で言及した第１接続構造体１５及び第２接続構造体１７を備える。図４Ｂに概略的に示すように、第１接続構造体１５は、下部電極２７に導電的に接続され、第２接続構造体１７は、層状スタック３３内の選択された電極層に導電的に接続される。特に、第２接続構造体１７は、層状スタック３３内の各奇数番目電極層に導電的に接続される。これは、層状スタック３３の構成を図５Ａ-Ｂ及び他の図を参照してより詳細に説明するとき、以下でより明確になるだろう。
【0070】
再分配層２５は、ＭＩＭエネルギー蓄積デバイス層２１の下部電極２７を接続構造体層２３の第１接続構造体１５に導電的に接続し、ＭＩＭエネルギー蓄積デバイス層２１の層状スタック３３内の少なくとも一つの奇数番目電極層を接続構造体層２３の第２接続構造体１７に導電的に接続するように構成される。
【0071】
図４Ｂに概略的に示すように、電気絶縁性カプセル化材料１９は、第１接続構造体１５及び第２接続構造体１７を埋め込み、一方、第１接続構造体１５及び第２接続構造体１７を覆わないままにしている。ＭＩＭエネルギー蓄積デバイス１１の外側境界面は、カプセル化材料１９並びに第１接続構造体１５及び第２接続構造体１７によって形成される。
【0072】
図５Ａは、図４Ａ及びＢのＭＩＭエネルギー蓄積デバイス１１の第１例示的構成を示す拡大図である。図５Ａに概略的に示すように、導電性垂直ナノ構造体２９の各々は、下部電極２７と導電的に接触する第１端部３５から上部の端部３７まで延びる。図５Ａの拡大部分で最もよく分かるように、下部伝導制御層３１は、ナノ構造体２９をコンフォーマルにコーティングする。図５Ａの例示的構成では、下部伝導制御層３１は、ナノ構造体２９によって覆われない下部電極２７の部分をさらにコンフォーマルにコーティングする。
【0073】
図５Ａの拡大部分を引き続き参照すると、伝導制御層と電極層を交互に重ねる層状スタック３３は、下部伝導制御層３１をコーティングし、層状スタック３３の下部に少なくとも第１奇数番目（第１）電極層３９と、第１奇数番目電極層３９の真上の第１奇数番目（第１）伝導制御層４１と、第１奇数番目伝導制御層４１の真上の第１偶数番目（第２）電極層４３とを含む。図５Ａの例示的構成では、層状スタック３３は、さらに、第１偶数番目（第２）伝導制御層４５及び第２奇数番目（第３）電極層４７を含む。図５Ａには示していないが、層状スタック３３における各偶数番目電極層（第２電極層４３）は、下部電極２７に導電的に接続され、層状スタック３３における各奇数番目電極層（第１電極層３９及び第３電極層４７）は、層状スタックにおける他の任意の奇数番目電極層に（互いに）導電的に接続される。
【0074】
ＭＩＭエネルギー蓄積デバイス１１がコンデンサである実施形態では、各伝導制御層は、固体誘電体で作られる。
【0075】
図５Ａの例示的構成では、最上部電極層（この場合、第３電極層４７）は、ナノ構造体２９の第１端部３５と第２端部３７の間の中間を越えて、隣接するナノ構造体２９の間の空間を完全に満たす。図５Ａの好ましい構成では、最上部電極層４７は、第１端部３５から第２端部３７までずっと、さらにその先まで、隣接するナノ構造体２９の間の空間を完全に満たす。
【0076】
図５Ａには示していないが、層状スタック内のどの層も、サブレイヤーによって形成してもよいことを理解されたい。特に、最上部電極層４７は、真下にある伝導制御層４５をコンフォーマルにコーティングする第１サブレイヤーと、ナノ構造体２９の間の空間を満たす第２サブレイヤーとを備えてもよい。
【0077】
さらに、例えば、図に示していない金属拡散バリアとしての追加のサブレイヤーが、本発明の開示に従って都合よく存在する場合がある。
【0078】
次に、ＭＩＭエネルギー蓄積デバイス１１の第２例示的構成について、図５Ｂを参照して説明する。図５ＢのＭＩＭエネルギー蓄積デバイス１１は、ナノ構造体２９及び層状スタック３３が、例えば、スピン・コーティング、スプレー・コーティング、又はディッピングなどを用いて適用することができる誘電材料４９に埋め込まれる点で、図５Ａを参照して上述したものと主に相違する。
【0079】
図５Ａ及びＢのＭＩＭエネルギー蓄積デバイス１１の構成は、示すコンデンサ構成からエネルギー蓄積／電池構成に変更できることを理解されたい。そのような構成では、伝導制御層は、固体誘電体ではなく、電解質、好ましくは固体電解質で作られる。また、固体誘電体層及び固体電解質層の組み合わせによるデバイスが想定される。
【0080】
図６Ａは、本発明の第２例示的実施形態によるＭＩＭエネルギー蓄積デバイス１１を、インターポーザとエネルギー蓄積デバイスとを組み合わせた形態で示す透視概略図である。図６Ａでは、ＭＩＭエネルギー蓄積デバイスは、ここでは第１集積回路（ＩＣ）５３の形態の第１電気回路素子と、ここでは第２ＩＣ５５の形態の第２電気回路素子と、第１ＩＣ５３と第２ＩＣ５５を電気的及び機械的に相互接続するＭＩＭエネルギー蓄積デバイス１１とを備える本発明の実施形態による電子デバイス５１に含まれるように図示される。
【0081】
図６Ａに概略的に示すように、ＭＩＭエネルギー蓄積デバイス（インターポーザ）１１は、第１ＭＩＭ配列体１３ａ及び第２ＭＩＭ配列体１３ｂを備える。
【0082】
図６Ａでは参照番号で示していないが（ただし図６Ｂでは）、第１ＭＩＭ配列体１３ａ及び第２ＭＩＭ配列体１３ｂは、ＭＩＭエネルギー蓄積デバイス層に配置され、インターポーザ１１は、第１接続構造体層及び第２接続構造体層、並びにＭＩＭエネルギー蓄積デバイス層の様々な構造体を接続構造体層における接続構造体に結合するための再分配層をさらに備える。インターポーザ１１は、インターポーザ１１の第１面５９上の第１複数のパッド５７、及びインターポーザ１１の第２面６１上の第２複数のパッド（図６Ａでは見えない）を備える。第１複数のパッド５７におけるパッドは、第１ＩＣ５３の対応するパッドに電気的及び機械的に接続するように配置及び構成され、第２複数のパッドにおけるパッドは、第２ＩＣ５５の対応するパッド６３に電気的及び機械的に接続するように配置及び構成される。図６Ｂでより良く分かるように、インターポーザ１１は複数のバイアをさらに備え、各々はインターポーザ１１（少なくともインターポーザ１１の再分配層）を通過して第１複数のパッド５７におけるそれぞれのパッドを第２複数のパッドにおけるそれぞれのパッドに導電的に接続する。
【0083】
図６Ａの例では、第１ＩＣ５３はインターポーザ１１によって第２ＩＣ５５に結合され、第１ＩＣ５３も第２ＩＣ５５も共にインターポーザ１１のＭＩＭ配列体１３ａ-ｂに接続される。これにより、インターポーザ１１は、例えば、第２ＩＣ５５から供給される電気エネルギーによって充電し、第１ＩＣ５３に放電することができる。このように、インターポーザ１１は、第１ＩＣ５３及び／又は第２ＩＣ５５の電荷蓄積器として機能することができる。
【0084】
図６Ａに示す以外に多くの導体パターンが可能であり、特定の用途に応じて有利になる場合があることに注意されたい。例えば、電力網及び信号ルーティングの目的で追加の導体パターンが存在する場合がある。
【0085】
図６Ｂは、図６ＡのＭＩＭエネルギー蓄積デバイス１１の図６Ａの線Ｂ-Ｂ'に沿って取られた断面の概略的な部分断面図である。図６Ｂから分かるように、上述した第１接続構造体層２３ａ及び第２接続構造体層２３ｂは、第１再分配層２５ａ及び第２再分配層２５ｂを介してＭＩＭエネルギー蓄積デバイス層２１に導電的に接続される。インターポーザ１１の第１面５９には、図６Ｂの断面図において、第１パッド５７ａ及び第２パッド５７ｂが見え、インターポーザ１１の第２面６１には、一つのパッド６５が見える。図６Ｂに概略的に示すように、インターポーザ１１の第１面５９上の第１パッド５７ａは、第１バイア６７ａを介してＭＩＭエネルギー蓄積デバイス層２１の下部電極２７に導電的に接続される。インターポーザ１１の第１面５９上の第２パッド５７ｂは、第２バイア６７ｂを介してＭＩＭエネルギー蓄積デバイス層２１の上部電極６９に導電的に接続される。インターポーザ１１の第１面５９上の第１パッド５７ａは、さらに、第１接続構造体層２３ａの導体トレース７１及び第３バイア６７ｃを介してインターポーザの第２面６１上のパッド６５に導電的に接続される。
【0086】
図７Ａ及び図７Ｂは、図６Ａ及びＢのＭＩＭエネルギー蓄積デバイス１１におけるＭＩＭエネルギー蓄積層２１の様々な構成を示す部分断面図である。図７Ａ及び図７Ｂの構成は、図４Ａ及び図４Ｂを参照して説明するＭＩＭエネルギー蓄積デバイス１１に使用してもよいし、図５Ａ及び図５Ｂを参照して上述する構成は、図６Ａ及び図６ＢのＭＩＭエネルギー蓄積デバイス１１に使用してもよいことに注意されたい。
【0087】
最初に図７Ａを参照すると、ここでは導電性垂直ナノ構造体２９は、下部電極２７上に周期的な構成で予めパターン化された触媒層７３から成長する。ナノ構造体２９は、例えば、各ナノ構造体２９がナノ構造体２９の第２端部３７に触媒材料を含むように、それ自体は既知の先端成長により触媒層７３から成長する、カーボン・ナノファイバーなどの導電性カーボンナノ構造体であってもよい。
【0088】
【0089】
伝導制御層と電極層を交互に重ねる層状スタック３３は、下部伝導制御層３１をコーティングし、層状スタック３３の下部に少なくとも第１奇数番目（第１）電極層３９と、第１奇数番目電極層３９の真上の第１奇数番目（第１）伝導制御層４１と、第１奇数番目伝導制御層４１の真上の第１偶数番目（第２）電極層４３とを含む。図７Ａの例示的構成では、層状スタック３３は、さらに、第１偶数番目（第２）伝導制御層４５、及び第２奇数番目（第３）電極層４７を含む。図７Ａの例示的構成では、第３電極層４７は、層状スタック３３の最上部の奇数番目電極層であり、図７Ａで分かるように、この電極層４７は、複数の接続位置７５（図面の乱雑さを避けるため、図７Ａではこれらのうちの一つだけを参照番号で示す）で上部電極６９に導電的に接続され、各々はそれぞれのナノ構造体２９の第１端部３５及び第２端部３７を通過する直線７７に沿うものである。
【0090】
層状スタック３３における各偶数番目電極層（第２電極層４３）は、下部電極２７に導電的に接続され、層状スタック３３における各奇数番目電極層（第１電極層３９及び第３電極層４７）は、層状スタックにおける他の任意の奇数番目電極層に（互いに）、したがって、また上部電極６９にも導電的に接続される。図７Ａの例示的構成では、第２電極層４３及び下部電極２７は、第１インターコネクト７９によって互いに接続され、第１電極層３９及び第３電極層４７は、第２インターコネクト８１によって互いに接続される。図７Ａの第１例示的構成では、ナノ構造体２９の間の空間は、誘電材料８３によって満たされる。図７ＡのＭＩＭエネルギー蓄積デバイス層２１を形成するとき、層状スタック３３は誘電材料８３によって覆ってもよいし、その後、層状スタック３３の最上部電極層４７が露出するまで、平坦化プロセスで過剰な誘電材料を除去してもよい。その後、上部電極６９を堆積させてもよい。
【0091】
図７Ｂの第２例示的構成では、ナノ構造体の間の空間は、代わりに最上部電極層４７で満たされ、その後、平坦化されて上部電極６９が形成される。
【0092】
図８は、本発明の実施形態によるＭＩＭエネルギー蓄積デバイス１１を製造するための、本発明の例示的実施形態による方法を概略的に示すフローチャートである。
【0093】
第１ステップ１００では、基板が提供される。基板は、例えば、ガラス、シリコン、ＳｉＣ、セラミック、又はポリマー基板であってよく、その上には上述した下部電極２７が設けられる。基板と下部電極２７の間には、いわゆる犠牲層が存在してもよい。
【0094】
続くステップ１０１では、複数の導電性ナノ構造体２９は、各ナノ構造体２９が下部電極２７から実質的に垂直に延び、ナノ構造体２９の第１端部３５が下部電極２７と導電的に接触するように設けられる。有利には、ナノ構造体２９は、垂直ナノ構造体を成長させるため、それ自体は既知の技術を使用して、下部電極２７から成長してもよい。
【0095】
その後、ステップ１０２では、垂直ナノ構造体２９、及びナノ構造体２９によって覆われていないままの下部電極２７の部分は、下部伝導制御層３１によってコンフォーマルにコーティングしてもよい。下部伝導制御層３１と同様にＭＩＭエネルギー蓄積デバイス１１における追加のコンフォーマル層も、例えば、蒸着、熱プロセス、原子層堆積（ＡＬＤ）などを介して、コンフォーマル層を作るのに適した任意の既知の方法を用いて堆積させてもよい。
【0096】
有利には、下部伝導制御層３１は、ナノ構造体２９の一面に原子均一性で均一にコーティングしてもよい。
【0097】
次のステップ１０３では、伝導制御層と電極層を交互に重ね、下部伝導制御層をコンフォーマルにコーティングすることを含む層状スタック３３が、下部伝導制御層３１上に形成される。層状スタックは、層状スタック３３の下部に少なくとも第１奇数番目電極層３９と、第１奇数番目電極層３９の真上の第１奇数番目伝導制御層４１と、第１奇数番目伝導制御層４１の真上の第１偶数番目電極層４３とを含む。層状スタック３３は、層状スタックにおける各偶数番目電極層が下部電極に導電的に接続され、層状スタックにおける各奇数番目電極層が層状スタックにおける他の任意の奇数番目電極層に導電的に接続されるように形成される。
【0098】
任意のステップ１０４では、基板は、例えば、犠牲層を選択的に除去することにより、そのような層が基板上に存在する場合、除去してもよい。あるいは、基板は、例えば、化学的又は機械的研磨によって薄肉化してもよい。
【0099】
追加の任意ステップ１０５では、一つ又は複数の再分配層及び一つ又は複数の接続構造体層などの一つ又はいくつかの層は、それ自体は既知の方法及び材料を用いて形成してもよい。
【0100】
本発明が決して上述した好ましい実施形態に限定されるものではないことを当業者なら理解する。それどころか、添付の特許請求の範囲内で、多くの修正及び変形が可能である。
【0101】
特許請求の範囲において、単語“ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ”は他の要素又はステップを排除せず、不定冠詞“ａ”又は“ａｎ”は複数を排除しない。単一のプロセッサ又は他のユニットは、特許請求の範囲に記載される複数の項目の機能を果たすこともある。特定の措置が相互に異なる従属請求項に記載されているという単なる事実は、これらの措置の組み合わせが有利に使用できないことを示すものではない。特許請求の範囲におけるいかなる参照符号も、その範囲を限定するものとして解釈されるべきではない。
【図1-2】
【図3】
【図4A】
【図4B】
【図5A】
【図5B】
【図6A】
【図6B】
【図7A】
【図7B】
【図8】
【国際調査報告】