JP2000340785A - 円筒状半導体素子及びこれを用いた半導体装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 プレーナー型の半導体素子に比較して、回路
の形成面積が大きく、更には、電極パッド等の形成も比
較的容易な円筒状半導体素子及びこれを用いた半導体装
置を提供する。 【解決手段】 円筒状の素子部材１４〜１６の外側周部
分に、能動素子及び受動素子を含む半導体回路１７〜１
９を形成している。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、円筒状の素子部材
の外側周部分に電子回路を構成する半導体回路が形成さ
れた円筒状半導体素子及びこれを用いた半導体装置に関
する。

【０００２】

【従来の技術】現在、最も多く使用されている集積回路
のタイプとしてプレーナー型のＩＣがある。このプレー
ナー型のＩＣの製造にあっては、一般的には、シリコン
ウエハーの表面に酸化膜を形成してその上に感光剤を塗
布し、露光処理をして現像し、エッチング処理をして酸
化膜を部分的に除去し、リンやホウ素等を所定の部分に
注入してトランジスタ等の能動素子、場合によっては受
動素子を形成し、所定のメタル配線の形成を行う。これ
らの工程を必要回数繰り返して所定の回路を形成し、サ
イジングを行って半導体素子を製造し、パッケージに封
止している。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】このようなプレーナー
型のＩＣの集積度は極めて高いものであるが、平面的な
シリコンウエハーの上に形成しているので、集積度にも
限界がある。そこで、更に集積度を向上させようとする
場合には、サイズに対する表面積を増大すれば可能とな
り、例えば、ＷＯ９８／２５０９０号公報に記載のよう
に、球状シリコンの表面に多数の能動素子及び受動素子
を組み込んだ球状半導体素子が提案されている。しかし
ながら、この球状半導体素子の製造においては、個々の
球状シリコンの表面に半導体回路やこれに接続される電
極パッドを形成するので、球状シリコンの位置決めや露
光が問題となる。本発明はかかる事情に鑑みてなされた
もので、プレーナー型の半導体素子に比較して、回路の
形成面積が大きく、更には、電極パッド等の形成も比較
的容易な円筒状半導体素子及びこれを用いた半導体装置
を提供することを目的とする。

【０００４】

【課題を解決するための手段】前記目的に沿う本発明に
係る円筒状半導体素子は、円筒状の素子部材の外側周部
分に、能動素子及び受動素子を含む半導体回路を形成し
ている。円筒の場合、その側周の面積Ｓ１は以下の
（１）式に示すように、直径ｄのπ倍に比例し、その高
さｈに比例する。 Ｓ１＝πｄｈ ・・・・（１） 従って、単位長１の球状シリコンを考えると、その全表
面積Ｓ２＝πとなり、単位長１の直径及び高さを有する
円筒状シリコン（円筒状の素子部材）の場合にも、その
側周面積はＳ２′＝πとなるが、円筒状シリコンの場合
には、外側周面は三次元曲面でなく、軸方向に直線部分
を有する二次元曲面であるから、球状シリコンに比較し
て露光が容易となり、より高密度の回路パターンの形成
が容易となる。

【０００５】次に、この円筒状シリコンを製造する場合
には、従来のＣＺ法やＦＺ法によって製造可能である
が、小型を目的とするので、小径の円筒状シリコンを製
造する。内部の空間は、予め芯材を用いてシリコン結晶
を製造し、芯材を抜いてもよいし、円柱状シリコンの内
部に孔を開けてもよい。円筒状シリコンの表面に能動素
子や受動素子を含む半導体回路を形成する場合、円筒状
シリコンの側周への回路パターンの形成が問題となる
が、円筒状シリコンの一端又は両端をハンドリングし
て、円筒状シリコンを中心にして、パターンからの光を
相対回転させながら露光する方法や、円筒状シリコンの
軸方向にスキャニングするレーザー光を円筒状シリコン
に対して相対回転することによって、可能となる。円筒
状シリコンへの酸化膜の形成、露光層の現像処理、導体
回路（例えば、Ａｌ等の金属の蒸着やスパッターリング
を含む）の形成等はプレーナー型のＩＣと略同様に行う
ことができる。

【０００６】ここで、本発明に係る円筒状半導体素子に
おいて、前記半導体回路の接続端子となる電極パッド
は、前記素子部材の外側周部の軸方向端部側に形成され
ているのが好ましい。これによって、電極パッドと半導
体回路を同一面上に形成することができる。そして、本
発明に係る円筒状半導体素子において、前記半導体回路
の接続端子となる電極パッドを、前記素子部材の軸方向
端部に形成することも可能である。こうすることによっ
て、円筒状半導体素子への例えば、ワイヤボンディング
等による接続を平面上で行うことができ、また、接続後
の接続部分の保護を簡単に行うことができる。

【０００７】前記目的に沿う本発明に係る半導体装置
は、それぞれ能動素子及び受動素子を含む半導体回路が
外周部分に形成された第１、第２の円筒状半導体素子を
有する半導体装置であって、前記第１の円筒状半導体素
子の内部空間に、前記第２の円筒状半導体素子が軸芯を
並行にして配置されている。このように構成することに
よって、第１の円筒状半導体素子の内部空間を利用して
集積度を上げることができる。ここで、本発明に係る半
導体装置において、前記第２の円筒状半導体素子の全長
を前記第１の円筒状半導体素子の全長より長くして、外
側端部に形成された前記第２の円筒状半導体素子の電極
パッドを前記第１の円筒状半導体素子の内部空間から突
出させるのが好ましい。このように構成することによっ
て、第２の円筒状半導体素子の外側周部の軸方向端部に
電極パッドを形成した場合でも接続を容易に行うことが
できる。また、本発明に係る半導体装置において、前記
第１、第２の円筒状半導体素子の接続端子となる電極パ
ッドを、それぞれの素子部材の軸方向端部に形成するこ
とも可能である。このようにすると、第１、第２の円筒
状半導体素子の長さによらず、軸方向から電極パッドの
接続を行うことができる。さらに、本発明に係る半導体
装置において、前記第２の円筒状半導体素子の全長を前
記第１の円筒状半導体素子と実質的に同一とすることも
可能である。こうすることによって、必要なデバイスを
第１、第２の円筒状半導体素子に分散して配置すること
ができ、半導体装置の高さをより低くすることができ
る。そして、本発明に係る半導体装置において、前記第
１の円筒状半導体素子と前記第２の円筒状半導体素子
の、それぞれの軸芯を実質的に同一とすることも可能で
ある。こうすることによって、第１、第２の円筒状半導
体素子の対応する電極パッドの距離を一定にして接続を
行うことができる。

【０００８】

【発明の実施の形態】続いて、添付した図面を参照しつ
つ、本発明を具体化した実施の形態につき説明し、本発
明の理解に供する。図１は本発明の一実施の形態に係る
円筒状半導体素子を用いた半導体装置の斜視図、図２は
同円筒状半導体素子の製造方法の工程図、図３、図４は
同円筒状半導体素子の製造方法の一工程を示す説明図、
図５は同円筒状半導体素子の他の製造方法の一工程を示
す平面図、図６は本発明の他の実施の形態に係る円筒状
半導体素子及びこれを用いた半導体装置の斜視図であ
る。

【０００９】図１に示すように、本発明の一実施の形態
に係る半導体装置１０の第１〜第３の円筒状半導体素子
１１〜１３は、直径が例えば０．３〜５ｍｍ（好ましく
は１〜５ｍｍ）、厚みが０．１ｍｍ〜２．５ｍｍ、高さ
が０．１〜５ｍｍ程度の素子部材の一例である円筒状シ
リコン本体１４〜１６の外側周部に、能動素子及び受動
素子を含む半導体回路１７〜１９がそれぞれ形成され、
それぞれの軸方向端部側の上外端部２０〜２２及び下外
端部２３〜２５に半導体回路１７〜１９の接続端子とな
るそれぞれ複数の電極パッド２６〜３１が形成されてい
る。第１の円筒状半導体素子１１より全長が長い第２の
円筒状半導体素子１２は、第１の円筒状半導体素子１１
の内部空間に少しの隙間３２を有し、それぞれの軸芯を
実質的に同一にして装入されている。また、第２の円筒
状半導体素子１２より全長が長い第３の円筒状半導体素
子１３は、第２の円筒状半導体素子１２の内部空間に少
しの隙間３３を有し、それぞれの軸芯を実質的に同一に
して装入されている。そして、第１、第２の円筒状半導
体素子１１、１２の間の隙間３２と第２、第３の円筒状
半導体素子１２、１３の間の隙間３３は絶縁体で埋めら
れている。また、第２の円筒状半導体素子１２の電極パ
ッド２７、３０は、第１の円筒状半導体素子１１の内部
空間から、第３の円筒状半導体素子１３の電極パッド２
８、３１は、第２の円筒状半導体素子１２の内部空間か
ら、それぞれ突出して設けられている。第１の円筒状半
導体素子１１の対となる電極パッド２６及び２９は、第
１の円筒状半導体素子１１をいずれの方向にも接続でき
るように同一の入出力端子であってもよいし、電極パッ
ド２６及び２９で第１の円筒状半導体素子１１の全体の
入出力端子としてもよい。電極パッド２７及び３０、電
極パッド２８及び３１も同様に同一の入力端子であって
もよいし、異なる入力端子であってもよい。第１〜第３
の円筒状半導体素子１１〜１３の電極パッド２６〜３１
は、それぞれ隣り合う第１〜第３の円筒状半導体素子１
１〜１３の電極パッド２６〜３１にワイヤボンディング
によって接合されている。

【００１０】次いで、第１の円筒状半導体素子１１の製
造方法について説明する。この第１の円筒状半導体素子
１１を製造するには、図２に示すように、円筒状シリコ
ンの製造工程Ａと、円筒状シリコン本体１４の外側周部
へのトランジスタの形成工程Ｂと、メタル配線の形成工
程Ｃと、上外端部２０及び下外端部２３における電極パ
ッド２６、２９の形成工程Ｄとを有する。円筒状シリコ
ン本体１４の製造工程Ａにおいては、溶融したシリコン
から、ＣＺ（引上げ）法やＦＺ（Ｆｌｏａｔｉｎｇ Ｚ
ｏｎｅ）法等で製造された単結晶の円柱状のシリコン素
材を用意し、その中心軸に沿って穿孔する。また、断面
円形の軸の周りにシリコンの結晶を生成し、完成後に軸
を除去することも可能である。このシリコン素材はその
表面が均一であることが必要であるので研磨を行う。

【００１１】次のトランジスタの形成工程Ｂにおいて
は、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏ
ｓｉｔｉｏｎ）法等で円筒状シリコン本体１４の外側周
部に均一な厚みの酸化膜を形成する。そして、酸化膜の
表面にフォトレジスト膜を塗布する。この場合の塗布は
円筒状シリコン本体１４を一定の速度で回転させなが
ら、吹き付け塗布を行うか、蒸気化したレジスト液を外
側周部に凝結付着させる（蒸着法に類似した方法）。円
筒状シリコン本体１４の外側周部に形成したフォトレジ
スト膜を露光するには、例えば、図３、図４に示すよう
な方法で行う。図３の場合には、周囲にフォトレジスト
膜が塗布された円筒状シリコン本体１４の一端又は両端
を支持して回転駆動装置３４によって所定速度（例え
ば、５〜１００ｒｐｍ）で回転を行い、発光素子３５か
らのレーザー光をレンズ系３６を介してスキャンミラー
３７に反射させ、スリット３８を介して円筒状シリコン
本体１４の外側周部に形成されたフォトレジスト膜に照
射する。勿論、発光素子３５、スキャンミラー３７のス
キャン駆動装置３８ａ及び回転駆動装置３４はコンピュ
ータを含む制御装置３９によって制御され、円筒状シリ
コン本体１４の所定位置が確実に露光されるようになっ
ている。円筒状シリコン本体１４の軸方向にスキャンさ
れたレーザー光は円筒状シリコン本体１４の軸方向に長
い開口部を有するスリット３８によってその光束が制御
されている。なお、レーザー光の光束が十分に細い場合
にはスリット３８は省略できる。

【００１２】また、図５に示す別の方法では、予め円筒
状フィルム４０に露光パターンを形成し、これを円筒状
シリコン本体１４の周囲に同心状に配置し、これらを回
転駆動装置４５によって同期回転させる。一方、円筒状
シリコン本体１４の半径方向の対向する位置に紫外線の
発光装置４１、４２を配置し、円筒状シリコン本体１４
の軸方向に並行なスリット４３、４４を介して露光さ
せ、これらを、円筒状シリコン本体１４及び円筒状フィ
ルム４０に対して１８０度の相対回転を行って、円筒状
フィルム４０に形成された露光パターンを円筒状シリコ
ン本体１４の表面に転写する。なお、円筒状フィルム４
０のパターンの形成にあっては平面的なフィルムに所定
のパターンを形成した後、円筒状に形成してもよいし、
円筒の状態で露光パターンを形成してもよい。発光装置
４１、４２が十分小さな幅を有するレーザー光（スキャ
ンレーザー光であってもよい）の場合には、スリット４
３、４４は省略できる。また、発光装置とこれに対応す
るスリットは１台でも良いし、円筒状シリコン本体１４
に対して均等に３組以上あってもよい。

【００１３】次に、所定の露光パターンを露光させたフ
ォトレジスト膜の現像処理を行い、酸化膜の部分除去
（エッチング）を行い、フォトレジストを全部除去し
て、不純物を注入する。この不純物の注入には、熱拡散
法やイオン注入法等がある。ここの処理はプレーナー型
の半導体素子と同様で、以上の処理を複数回行って所定
の半導体回路１７を形成する。所定の半導体回路１７の
形成の後、メタル配線の形成工程Ｃを行うが、蒸着法や
スパッターリング法によって、Ａｌ（アルミ）等の金属
配線を行う。この配線は必要な場合には、トランジスタ
の形成工程Ｂでも行う。これによって、所定の処理（メ
モリ、ＣＰＵ、Ｉ／Ｏ等）を行う回路パターンが円筒状
シリコン本体１４の外側周部に形成される。

【００１４】以上の工程が終了した後、電極パッド２
６、２９の形成工程Ｄになるが、これも蒸着法やスパッ
ターリング法を用いて所定の接続端子を形成し、更にそ
の上にソルダーバンプを搭載する。この実施の形態にお
いては、後の配線を容易にするため、電極パッド２６、
２９は円筒状シリコン本体１４の上外端部２０や下外端
部２３に形成したが、円筒状シリコン本体１４の軸方向
の両端部又は中央部に形成することもでき、この場合は
周方向の厚みを抑えて製造することができる。以上の工
程が終了した後、電極パッド２６、２９を除く第１の円
筒状半導体素子１１の樹脂等による表面のコーティング
処理を行う。なお、この実施の形態においては、一つの
第１の円筒状半導体素子１１を製造する場合について述
べているが、複数の第１の円筒状半導体素子１１を同時
に製造する場合には、所定長さの円筒状シリコンを用意
し、これらの表面に同時に半導体回路を形成し、所定長
のサイジングを行い、必要なメタル配線を形成した後、
端部に電極パッドを形成することになる。

【００１５】第２、第３の円筒状半導体素子１２、１３
の製造は、第１の円筒状半導体素子１１と同様の方法で
行うので、説明は省略する。このようにして、第１〜第
３の円筒状半導体素子１１〜１３を製造した後、第１の
円筒状半導体素子１１の内部に第２の円筒状半導体素子
１２を挿入し、その間の隙間３２を絶縁体で埋めて固定
する。同様にして、第２の円筒状半導体素子１２の内部
に第３の円筒状半導体素子１３を装入し、その間の隙間
３３を絶縁体で埋めて固定する。その後、各円筒状半導
体素子１１〜１３の対となる電極パッド２６〜３１をボ
ンディングワイヤ４６で接続する。図示しないが、上記
の方法によって製造された同形状の円筒状半導体素子を
軸方向に複数直列に連結して一つの半導体装置を形成す
ることも可能である。この場合の円筒状半導体素子の結
線は、ボンディングワイヤを使用してもよいが、各円筒
状半導体素子の電極パッドを軸方向の端部に形成し、こ
の電極パッドをソルダーバンプを利用して直接連結して
もよい。また、各円筒状半導体素子を並列に配置して各
電極パッドをボンディングワイヤで連結することも可能
である。密に配置することによって、装置全体の小型化
が可能となる。

【００１６】また、図６に示す他の実施の形態に係る半
導体装置４８は、第１の円筒状半導体素子４９の内部に
は、外側周部分に、能動素子及び受動素子を含む半導体
回路を形成した第２の円柱状半導体素子４７を配置して
いる。第２の円柱状半導体素子４７は、内部に空間部を
有しないので、径方向の外形を小さく形成することがで
き、これを内側に配置することによって、半導体装置４
８の径方向の寸法を小さくして小型化することができ
る。さらに、全長を実質的に同一にし、軸芯を実質的に
同一にした第２の円柱状半導体素子４７、第１の円筒状
半導体素子４９に形成する電極パッド５０、５１は、素
子部材の一例である円柱状シリコン本体５２、円筒状シ
リコン本体５３の軸方向端部である上端部５４、５５に
形成している。こうすることによって、電極パッド５
０、５１を平面部に形成することができ、接続が容易に
行える。また、第２の円柱状半導体素子４７及び第１の
円筒状半導体素子４９が同じ高さになるので、それぞれ
に配置されるデバイスの数を考慮してその高さを決める
ことができ、半導体装置４８の部品高さを低くすること
ができる。前記実施の形態においては、円筒状半導体素
子の端部は軸方向に直角になっているが、斜めに形成す
ることも可能であり、これによって、円筒状半導体素子
の円周方向の原点が形成され、更には、円筒状半導体素
子を寝かせて配置しても電極パッドを上向きに（厳密に
は斜めに）することもできるので、その後の接続配線が
容易になるという利点がある。さらに、第２の円筒状半
導体素子は、第１の円筒状半導体素子に軸芯を同一にし
て装入しているが、軸芯を並行にして複数装入すること
も可能である。これによって、第１の円筒状半導体素子
の内部空間をさらに有効に使用することができる。ま
た、前記実施の形態においては、具体的数字を用いて説
明したが、本発明はこれらの数字に限定されるものでは
ない。更に、前記実施の形態においては、素子部材とし
てシリコンを用いたがその他の材料（例えば、ゲルマニ
ウム等）であっても本発明は適用される。また、電極パ
ッドは、上外端部及び下外端部の一方のみに形成される
場合もあり、他方の電極パッドを省略してその分の半導
体装置の高さを低くすることもできる。さらに、円筒状
半導体素子の使用数は、１又は２以上のいずれの場合も
本発明に含まれる。

【００１７】

【発明の効果】請求項１〜３記載の円筒状半導体素子
は、以上の説明からも明らかなように、円筒状の素子部
材の外側周部分に、能動素子及び受動素子を含む半導体
回路を形成しているので、サイズに対する素子の形成面
積が大きくなって、より小型の半導体素子を提供できる
と共に、内部が空洞となるので使用時の放熱効果も高
い。特に、請求項２記載の円筒状半導体素子において
は、半導体回路の接続端子となる電極パッドは、素子部
材の外側周部の軸方向端部側に形成されているので、電
極パッドと半導体回路を同一面上に形成することがで
き、電極パッドの形成を容易にすることができる。請求
項３記載の円筒状半導体素子においては、電極パッドが
素子部材の軸方向端部に形成されているので、電極パッ
ドが平面上に形成され、接続を容易かつ精度よく行うこ
とができる。請求項４〜８記載の半導体装置において
は、第１の円筒状半導体素子の内部空間に第２の円筒状
半導体素子を配置するので、半導体装置の集積度を上
げ、小型化することができる。特に、請求項５記載の半
導体装置においては、第２の円筒状半導体素子が第１の
円筒状半導体素子の内部空間から突出しているので、外
側端部に形成した電極パッドの接続を容易にすることが
できる。請求項６記載の半導体装置においては、円筒状
半導体素子の電極パッドが素子部材の軸方向端部に形成
されているので、軸方向から電極パッドの接続を行うこ
とができ、径方向の寸法を小さくすることができる。請
求項７記載の半導体装置においては、第２の円筒状半導
体素子の全長を第１の円筒状半導体素子と実質的に同一
とすることができるので、必要なデバイスを第１、第２
の円筒状半導体素子に分散して配置することができ、半
導体装置の高さを低く抑えて装置を高さ方向に小型化す
ることができる。そして、請求項８記載の半導体装置に
おいては、第１、第２の円筒状半導体素子の軸芯を実質
的に同一とすることができるので、対応する電極パッド
の距離を一定にして接続を簡単に行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施の形態に係る円筒状半導体素子
を用いた半導体装置の斜視図である。

【図２】同円筒状半導体素子の製造方法の工程図であ
る。

【図３】同円筒状半導体素子の製造方法の一工程を示す
説明図である。

【図４】同円筒状半導体素子の製造方法の一工程を示す
説明図である。

【図５】同円筒状半導体素子の他の製造方法の一工程を
示す平面図である。

【図６】本発明の他の実施の形態に係る円筒状半導体素
子及びこれを用いた半導体装置の斜視図である。

【符号の説明】

１０：半導体装置、１１：第１の円筒状半導体素子、１
２：第２の円筒状半導体素子、１３：第３の円筒状半導
体素子、１４〜１６：円筒状シリコン本体、１７〜１
９：半導体回路、２０〜２２：上外端部、２３〜２５：
下外端部、２６〜３１：電極パッド、３２、３３：隙
間、３４：回転駆動装置、３５：発光素子、３６：レン
ズ系、３７：スキャンミラー、３８：スリット、３８
ａ：スキャン駆動装置、３９：制御装置、４０：円筒状
フィルム、４１、４２：発光装置、４３、４４：スリッ
ト、４５：回転駆動装置、４６：ボンディングワイヤ、
４７：第２の円柱状半導体素子、４８：半導体装置、４
９：第１の円筒状半導体素子、５０、５１：電極パッ
ド、５２：円柱状シリコン本体、５３：円筒状シリコン
本体、５４、５５：上端部

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 円筒状の素子部材の外側周部分に、能動
   素子及び受動素子を含む半導体回路を形成したことを特
   徴とする円筒状半導体素子。
2. 【請求項２】 請求項１記載の円筒状半導体素子におい
   て、前記半導体回路の接続端子となる電極パッドは、前
   記素子部材の外側周部の軸方向端部側に形成されている
   ことを特徴とする円筒状半導体素子。
3. 【請求項３】 請求項１記載の円筒状半導体素子におい
   て、前記半導体回路の接続端子となる電極パッドは、前
   記素子部材の軸方向端部に形成されていることを特徴と
   する円筒状半導体素子。
4. 【請求項４】 それぞれ能動素子及び受動素子を含む半
   導体回路が外周部分に形成された第１、第２の円筒状半
   導体素子を有する半導体装置であって、前記第１の円筒
   状半導体素子の内部空間に、前記第２の円筒状半導体素
   子が軸芯を並行にして配置されていることを特徴とする
   半導体装置。
5. 【請求項５】 請求項４記載の半導体装置において、前
   記第２の円筒状半導体素子の全長が前記第１の円筒状半
   導体素子の全長より長くなって、外側端部に形成された
   前記第２の円筒状半導体素子の電極パッドが前記第１の
   円筒状半導体素子の内部空間から突出していることを特
   徴とする半導体装置。
6. 【請求項６】 請求項４記載の半導体装置において、前
   記第１、第２の円筒状半導体素子の接続端子となる電極
   パッドは、それぞれの素子部材の軸方向端部に形成され
   ていることを特徴とする半導体装置。
7. 【請求項７】 請求項６記載の半導体装置において、前
   記第２の円筒状半導体素子の全長が前記第１の円筒状半
   導体素子と実質的に同一となっていることを特徴とする
   半導体装置。
8. 【請求項８】 請求項４〜７のいずれか１項に記載の半
   導体装置において、前記第１の円筒状半導体素子と前記
   第２の円筒状半導体素子とは、それぞれの軸芯が実質的
   に同一であることを特徴とする半導体装置。