JP2006228927A - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 誘導素子を備えた半導体装置において、共振周波数等の特性に優れ、しかも小型化が可能となる半導体装置を提供する。
【解決手段】 半導体基板１と、第１の絶縁樹脂層１１と、第１の配線層１２と、第２の絶縁樹脂層１３と、第１の配線層１２に接続された第２の配線層１４とを備え、第２の配線層１４が誘導素子１５を有し、第２の絶縁樹脂層１３上には、凸部１８が形成され、第２の配線層１４は、隣り合う位置関係にある一方の部分と他方の部分のうち、一方が第２の絶縁樹脂層１３上に形成され、他方が凸部１８の上に形成されている。
【選択図】 図２

Description

本発明は、シリコンウエハ等の半導体基板上に誘導素子を備えた半導体装置に関する。

インピーダンスマッチング等を目的として、半導体基板上に、螺旋状のインダクタ（スパイラルインダクタ）等の誘導素子が設けられた半導体装置が用いられている（例えば、特許文献１および特許文献２参照）。
特開２００２−２４６５７号公報 特開２００３−８６６９０号公報

従来の半導体装置においては、誘導素子を構成する配線層どうしの間隔が大きいほど共振周波数等の特性を良好にすることができるが、配線層の間隔を大きくすると誘導素子の占有面積が大きくなり、半導体装置の小型化が難しくなるという問題があった。
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、誘導素子を備えた半導体装置において、共振周波数等の特性に優れ、しかも小型化が可能となる半導体装置を提供することを目的とする。

本発明の請求項１に係る半導体装置は、表面に電極が設けられた半導体基板と、該半導体基板の上に設けられた第１の絶縁樹脂層と、該第１の絶縁樹脂層の上に設けられ、前記電極に接続された第１の配線層と、前記第１の絶縁樹脂層および前記第１の配線層の上に設けられた第２の絶縁樹脂層と、該第２の絶縁樹脂層上に設けられ、前記第１の配線層に接続された第２の配線層とを備え、該第２の配線層が、螺旋状の誘導素子を有し、該誘導素子の少なくとも一部が第２の絶縁樹脂層を介して前記第１の配線層と重なるように配置され、前記第２の絶縁樹脂層上には、凸部が形成され、前記第２の配線層が、隣り合う配線の一方が前記第２の絶縁樹脂層上に形成され、他方が前記凸部の上に形成されている部分を備えていることを特徴とする。
本発明の請求項２に係る半導体装置は、請求項１において、前記凸部が、少なくとも、前記第１の配線層と第２の配線層とが第２の絶縁樹脂層を介して重なる位置に形成されていることを特徴とする。
本発明の請求項３に係る半導体装置は、請求項１または２において、前記凸部が、上方に向かって徐々に幅が狭くなる形状とされていることを特徴とする。
本発明の請求項４に係る半導体装置は、請求項１〜３のうちいずれか１項において、前記凸部が、第２の配線層の長さ方向に沿って延在して形成されていることを特徴とする。

本発明の半導体装置では、第２の配線層において、隣り合う位置関係にある配線部分のうち、一方が凸部上に形成され、他方が第２の絶縁樹脂層上に形成されているため、これら２つの配線部分は、互いに異なる高さに位置することになる。
このため、これら隣り合う２つの配線部分の相互距離を十分に確保し、それにより共振周波数などの特性を向上させることができる。共振周波数を高めることは、誘導素子の使用可能周波数が向上することにつながるため、有用である。
また、上記構造によれば、誘導素子における間隔を狭くし、装置のサイズを小さくすることができる。

図１および図２は、本発明の半導体装置の一例を示す図面であり、図１は平面図、図２（ａ）は部分切欠斜視図、図２（ｂ）は、図１に示すＡ−Ａ線に沿う断面図である。
この半導体装置１０は、半導体基板１上に設けられた第１の絶縁樹脂層１１（第１の絶縁層）と、この第１の絶縁樹脂層１１の上に設けられた第１の配線層１２（第１の導電部）と、第１の絶縁樹脂層１１および第１の配線層１２の上に設けられた第２の絶縁樹脂層１３（第２の絶縁層）と、第２の絶縁樹脂層１３上に設けられた第２の配線層１４（第２の導電部）とを有する。

半導体基板１は、シリコンウエハなどの基材２上に、集積回路（図示略）の電極３と、パッシベーション膜４が形成されている。
電極３は、Ａｌ、Ｃｕなどで構成することができる。
パッシベーション膜４は、不動態化された絶縁膜であり、ＳｉＮ、ＳｉＯ_２等からなる。
パッシベーション膜４には、電極３と整合する位置に開口部５が設けられており、この開口部５で電極３が露出している。
パッシベーション膜４は、例えばＬＰ−ＣＶＤ法等により形成することができ、その厚さは例えば０．１〜０．５μｍである。

第１の絶縁樹脂層１１は、パッシベーション膜４を覆うように設けられ、電極３と整合する位置に形成された第１の開口部１６を有する。第１の絶縁樹脂層１１は、例えばポリイミド樹脂、エポキシ樹脂、シリコン樹脂等からなり、その厚さは例えば１〜３０μｍとすると良い。
第２の絶縁樹脂層１３は、第１の絶縁樹脂層１１と同様の材料が使用でき、第１の絶縁樹脂層１１および第１の配線層１２を覆うように設けられ、第２の配線層１４の端部１４ａ、１４ｂに整合する位置に、第２の開口部１７が形成されている。

第１の配線層１２は、電極３とスパイラルコイル１５とを接続する再配線層である。第１の配線層１２の一端部１２ａは、第１の開口部１６を介して電極３と接続されている。第１の配線層１２の他端部１２ｂは、第２の開口部１７と整合する位置まで延びている。
第１の配線層１２の材料としては例えばＣｕ等が用いられ、その厚さは例えば１〜２０μｍである。

第２の配線層１４は、螺旋状に形成されたスパイラルコイル１５（誘電素子）を有する。第２の配線層１４の端部１４ａ、１４ｂは、第２の開口部１７を介して、それぞれ第１の配線層１２の他端部１２ｂと接続されている。第２の配線層１４は、凸部１８上を経由して形成されている。
第２の配線層１４の材料としては例えばＣｕ等が用いられ、その厚さは例えば１〜３０μｍとすると良い。

第２の絶縁樹脂層１３上には、凸部１８が形成されている。
凸部１８は、例えばポリイミド樹脂、エポキシ樹脂、シリコン樹脂等の合成樹脂からなり、第２の絶縁樹脂層１３の表面から上方に突出して形成されている。凸部１８の形状は、例えば円錐台状、角錐台状、円柱状、角柱状、半球状、直方体状とすることができる。
凸部１８は、上方に向かって徐々に幅が狭くなる形状とするのが好ましい。図示例では、縦断面形状（半導体基板１に対し垂直な方向の断面形状）が、上方に向かって徐々に幅が狭くなる台形とされ、その側面は、上方に向かって凸部１８の中心軸に漸次近づくように傾斜した傾斜面となっている。
凸部１８の高さは、例えば１０〜５０μｍとすることができる。
凸部１８の底部の幅（または直径）は、２０〜６０μｍとするのが望ましい。

凸部１８は、第１の配線層１２と第２の配線層１４とが第２の絶縁樹脂層１３を介して重なる位置（以下、重複部分ということがある）に形成するのが好ましい。図示例では、２つの凸部１８は、いずれも重複部分、すなわち配線層１２、１４が交差する部分に形成されている。
なお、第１の配線層１２と第２の配線層１４とが重なるとは、絶縁樹脂層１１、１３の面内における配線層１２、１４の位置が一致することを意味する。

図示例では、２つの凸部１８のうち、第１の凸部１８ａは、スパイラルコイル１５の第２周回めの始端に相当する位置に形成され、第２の凸部１８ｂは、第４周回めの始端に相当する位置に形成されている。
第１の凸部１８ａ上に相当する部分のスパイラルコイル１５（第２周始端部分１５ａ）に隣接する第３周始端部分１５ｂは、第２の絶縁樹脂層１３上に形成されている。
よって、隣り合う位置関係にある２つの配線部分である第２周始端部分１５ａと第３周始端部分１５ｂは、互いに異なる高さに位置することになる。
また、第３周始端部分１５ｂに隣接する第４周始端部分１５ｃは第２の凸部１８ｂ上に形成されているため、これら第３周始端部分１５ｂと第４周始端部分１５ｃも、互いに異なる高さに位置することになる。

第２の絶縁樹脂層１３および第２の配線層１４の上には、必要に応じて、少なくとも第２の配線層１４を覆う封止層（図示略）を設けることができる。
封止層は、例えばポリイミド樹脂、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂等からなり、その厚さは例えば１０〜１５０μｍである。封止層には、外部への端子を出力するための開口部が設けられる。
図１、図２では、半導体基板上の誘導素子１つに対応する部分のみを図示したが、本発明は、複数の誘導素子を備えた半導体装置に適用することもできる。また、図示しないが、本発明の半導体装置には、第２の配線層を封止する封止層、バンプ等の外部への出力端子等の構造物を付加することができる。

次に、半導体装置１０の製造方法について説明する。
図３および図４に示すように、半導体基板１のパッシベーション膜４の上に、第１の開口部１６を有する第１の絶縁樹脂層１１を形成する。
第１の絶縁樹脂層１１は、回転塗布法、印刷法、ラミネート法などによって、上記樹脂からなる膜を形成した後、フォトリソグラフィ技術等を利用して、電極３と整合する位置に第１の開口部１６を形成する方法によって得ることができる。

図５に示すように、第１の絶縁樹脂層１１の上に第１の配線層１２を形成する。
第１の配線層１２は、例えば次のようにして形成することができる。スパッタ法等によりシード層を第１の絶縁樹脂層１１上に形成する。シード層は、例えばＣｕ層とＣｒ層からなる積層体、またはＣｕ層とＴｉ層からなる積層体とすることができる。
次いで、シード層の上に、電解メッキ用のレジスト膜（図示略）を形成する。このレジスト膜は第１の配線層１２を形成すべき領域以外の領域に形成する。
シード層上に、電解銅メッキ法等のメッキ法、スパッタ法、蒸着法等により、Ｃｕ等からなる第１の配線層１２を形成する。第１の配線層１２を形成した後、不要なレジスト膜およびシード層をエッチング等により除去する。

図６に示すように、第１の絶縁樹脂層１１および第１の配線層１２を覆うように第２の絶縁樹脂層１３を形成する。
第２の絶縁樹脂層１３は、第１の絶縁樹脂層１１と同様に、樹脂膜を形成した後、第２の配線層１４の端部１４ａ，１４ｂに整合する位置に第２の開口部１７を形成する方法によって得ることができる。

図７に示すように、第２の絶縁樹脂層１３上に、凸部１８を形成する。
凸部１８は、第２の絶縁樹脂層１３上に、例えば回転塗布法、印刷法、ラミネート法などにより上記樹脂（ポリイミド樹脂など）からなる膜を形成した後に、フォトリソグラフィ技術を利用したパターニングにより形成することができる。
凸部１８は、インクジェット式樹脂吐出装置を用いて、液状樹脂を吐出させて第２の絶縁樹脂層１３上に堆積させ、これを熱処理などにより硬化させる方法によって形成することもできる。この方法によれば、フォトリソグラフィ技術を利用した場合よりも製造時間の短縮、コスト削減が可能となる。

図８に示すように、第２の絶縁樹脂層１３上および凸部１８上に、スパイラルコイル１５を有する第２の配線層１４を形成する。
第２の配線層１４は、第１の配線層１２と同様にして形成することができる。

封止層は、ポリイミド樹脂等の感光性樹脂をフォトリゾグラフィ技術によりパターニングすることによって形成することができる。
上記方法によって半導体基板上に上記各構造を形成した積層体を所定の寸法にダイシングすることにより、前記誘導素子などがパッケージ化された半導体チップを得ることができる。

半導体装置１０では、第２の配線層１４の隣り合う位置関係にある２つの配線部分（例えば第２周始端部分１５ａと第３周始端部分１５ｂ）のうち、一方が凸部１８上に形成され、他方が第２の絶縁樹脂層１３上に形成されているため、これら２つの配線部分は、互いに異なる高さに位置することになる。
このため、これら隣り合う２つの配線部分の相互距離を十分に確保し、それにより共振周波数などの特性を向上させることができる。共振周波数を高めることは、誘導素子の使用可能周波数が向上することにつながるため、有用であるといえる。
また、上記構造によれば、スパイラルコイル１５における配線間隔を狭くし、装置のサイズを小さくすることができる。

半導体装置１０では、凸部１８が、配線層１２、１４が第２の絶縁樹脂層１３を介して重なる位置（重複部分）に形成されているので、この重複部分において、第１の配線層１２と第２の配線層１４とを十分に離間させることができる。
このため、第１の配線層１２と第２の配線層１４との間に生じる容量結合を小さくし、スパイラルコイル１５の品質係数Ｑ値が低下するのを防ぐことができる。

凸部１８を、上方に向かって徐々に幅が狭くなる形状とすることによって、凸部１８の側面を半導体基板１に対し垂直とする場合に比べ、凸部１８の側面に第２の配線層１４を確実に形成することができる。従って、第２の配線層１４の形成不良を防ぐことができる。

図９は、本発明の半導体装置の第２の例を示すものである。
ここに示す半導体装置２０は、凸部１８が、配線層１２、１４が重なる位置だけでなく、それ以外の位置にも形成されている。
これら凸部１８は、スパイラルコイル１５の下に相当する位置に、その長さ方向に間隔をおいて形成されている。図示例では、１６個の凸部１８が形成されている。
凸部１８は、その上に形成された部分の配線層１４と、これに隣接する部分の配線層１４とが、互いに異なる高さになるように、配線層長さ方向の位置が定められている。

半導体装置２０では、凸部１８が、配線層１２、１４が重なる位置以外にも形成されているので、より多くの部分の配線層１４が、隣接する部分との高さが異なるようになる。
従って、スパイラルコイル１５における配線間隔をいっそう狭くすることができ、さらなる小型化を図ることができる。

図１０は、本発明の第３の例を示すものである。
ここに示す半導体装置３０は、凸部２８が、第２の配線層１４の長さ方向に沿って延在して形成されている点で、上記半導体装置１０と異なる。
凸部２８は、その上に形成された部分の配線層１４と、これに隣接する部分の配線層１４とが、互いに異なる高さになるように、配線層長さ方向の位置が定められている。

半導体装置３０では、凸部２８が、配線層長さ方向に沿って延在して形成されているので、より多くの部分の配線層１４を、隣り合う部分との高さが異なるようにすることができる。
従って、スパイラルコイル１５における配線間隔をいっそう狭くし、さらなる小型化を図ることができる。

（実施例１）
図１に示すように、シリコン基板である半導体基板１と、ポリイミド樹脂からなる第１の絶縁樹脂層１１と、Ｃｕからなる第１の配線層１２と、ポリイミド樹脂からなる第２の絶縁樹脂層１３と、ポリイミド樹脂からなる２つの凸部１８、１８と、スパイラルコイル１５を有するＣｕからなる第２の配線層１４とを有する半導体装置１０を作製した。
第１および第２の絶縁樹脂層１１、１３の厚さは１０μｍとした。第１の配線層１２の幅は２０μｍとした。第２の配線層１４は、その幅が２０μｍであり、スパイラルコイル１５は、巻き数が３．５で、配線間隔は４０μｍとした。
凸部１８は、螺旋状の第２の配線層１４の２周目と４周目において、第１の配線層１２と第２の配線層１４とが交差する部分に形成した。凸部１８は、底部直径６０μｍ、上部直径３０μｍ、高さ３０μｍの円錐台状に形成した。
この半導体装置１０における周波数とＱ値の関係を測定した。
また、比較例として、凸部１８が設けられていないこと以外は実施例１と同様に半導体装置を製造し、その周波数とＱ値の関係を測定した。結果を図１１に示す。
図１１より、凸部１８を設けた実施例１は、優れたＱ値を示したことがわかる。

（実施例２）
図９に示すように、スパイラルコイル１５の長さ方向に間隔をおいて１６個の凸部１８が形成された半導体装置２０を作製した。その他の条件は実施例１に準じた。
半導体装置２０における周波数とＱ値の関係を測定した。結果を図１２に示す。
図１２より、凸部１８を設けた実施例２は、優れたＱ値を示したことがわかる。

（実施例３）
図１０に示すように、凸部２８が、第２の配線層１４の長さ方向に沿って延在して形成された半導体装置３０を作製した。その他の条件は実施例１に準じた。
半導体装置３０における周波数とＱ値の関係を測定した。結果を図１３に示す。
図１３より、凸部２８を設けた実施例３は、優れたＱ値を示したことがわかる。

本発明は、例えば誘導素子がアンテナコイルとして機能する非接触ＩＣタグ用半導体装置など、誘導素子を有する各種半導体装置に適用できる。

本発明の半導体装置の一例を示す平面図である。 （ａ）図１に示す半導体装置の部分切欠斜視図であり、（ｂ）図１に示す半導体装置の要部を示す断面図である。 図１に示す半導体装置の製造方法の一例を示す工程図である。 図１に示す半導体装置の製造方法の一例を示す工程図である。 図１に示す半導体装置の製造方法の一例を示す工程図である。 図１に示す半導体装置の製造方法の一例を示す工程図である。 図１に示す半導体装置の製造方法の一例を示す工程図である。 図１に示す半導体装置の製造方法の一例を示す工程図である。 本発明の半導体装置の第２の例を示す平面図である。 本発明の半導体装置の第３の例を示す平面図である。 試験結果を示すグラフである。 試験結果を示すグラフである。 試験結果を示すグラフである。

符号の説明

１…半導体基板、３…電極、１０、２０、３０…半導体装置、１１…第１の絶縁樹脂層、１２…第１の配線層、１３…第２の絶縁樹脂層、１４…第２の配線層、１５…スパイラルコイル（誘導素子）、１８、２８…凸部

Claims (4)

1. 表面に電極が設けられた半導体基板と、
   該半導体基板の上に設けられた第１の絶縁樹脂層と、
   該第１の絶縁樹脂層の上に設けられ、前記電極に接続された第１の配線層と、
   前記第１の絶縁樹脂層および前記第１の配線層の上に設けられた第２の絶縁樹脂層と、
   該第２の絶縁樹脂層上に設けられ、前記第１の配線層に接続された第２の配線層とを備え、
   該第２の配線層が、螺旋状の誘導素子を有し、該誘導素子の少なくとも一部が第２の絶縁樹脂層を介して前記第１の配線層と重なるように配置され、
   前記第２の絶縁樹脂層上には、凸部が形成され、
   前記第２の配線層は、隣り合う配線の一方が前記第２の絶縁樹脂層上に形成され、他方が前記凸部の上に形成されていることを特徴とする半導体装置。
2. 前記凸部は、少なくとも、前記第１の配線層と第２の配線層とが第２の絶縁樹脂層を介して重なる位置に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
3. 前記凸部は、上方に向かって徐々に幅が狭くなる形状とされていることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体装置。
4. 前記凸部は、第２の配線層の長さ方向に沿って延在して形成されていることを特徴とする請求項１〜３のうちいずれか１項に記載の半導体装置。

Images