JP2006295047A - 半導体装置および電子装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 螺旋状またはつづら折り形状の誘導素子を備えた半導体装置において、曲がり配線部における高周波電流の集中を抑制し、Ｑ値が高く、特性の優れた誘導素子を有する半導体装置、及びこの半導体装置を備えてなる電子装置を提供する。
【解決手段】 本発明の半導体装置は、少なくとも一方の面に電極が設けられた基板と、該基板の一方の面を被覆する絶縁樹脂層と、該絶縁樹脂層上に配され、前記電極と電気的に接続された配線層とを備えた半導体装置であって、前記配線層は、略直線状の複数の主配線部と、該主配線部が直列をなすように、隣接する主配線部同士を接続する曲がり配線部とを有する螺旋形状またはつづら折形状の誘導素子を構成し、前記曲がり配線部は、Ｒ形状またはＣ形状であることを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、シリコンウエハ等の半導体基材やポリイミド等の樹脂基材の上に誘導素子を備えた半導体装置、及びこの半導体装置を備えてなる電子装置に関する。

近年、高周波半導体素子を作製する際、インピーダンスマッチング用インダクタの実装面積低減のため、半導体基板上の配線を用いた螺旋形状のインダクタ（以下スパイラルインダクタ）が形成されている（例えば、特許文献１参照）。しかし、このようなインダクタを、シリコンのような抵抗値の低い半導体基板上に、アルミニウム配線を用いて形成すると、シリコン基板からの距離が近い位置に形成されるため、過電流損失が大きくなり、高いＱ値を得ることができない。

そこで、ウエハレベルＣＳＰ（chip scale package）の銅めっき再配線プロセスと、厚膜樹脂を絶縁層として利用することで、インダクタと基板間の距離を大きくとり、かつ配線抵抗を小さくすることにより、高いＱ値を実現したインダクタが開発されている（例えば、特許文献２参照）。

図７、図８は、スパイラルインダクタを有する従来の半導体装置の一例を示す図面であり、図７は平面図、図８（ａ）は部分切り欠き斜視図、図８（ｂ）は図７のＢ−Ｂ線に沿う断面図である。
この半導体装置２０においては、集積回路２が形成された半導体基板１の表面に集積回路（ＩＣ）の電極３およびパッシベーション膜４（絶縁膜）が形成されている。さらに、半導体基板１のパッシベーション膜４の上には、第一の絶縁樹脂層２１が設けられ、この第一の絶縁樹脂層２１の上には、電極３と電気的に接続された下部配線層２２が形成されている。さらに半導体基板１および下部配線層２２の上を覆うように第二の絶縁樹脂層２３が形成されており、この第二の絶縁樹脂層２３の上に、誘導素子としてスパイラルインダクタ２５を有する上部配線層２４が設けられている。スパイラルインダクタ２５を形成する上部配線層２４の少なくとも一端は、下部配線層２２を介して集積回路２の電極３と電気的に接続されている。
特開２００２−２４６５７号公報 特開２００２−５７２９１号公報

このようなスパイラルインダクタには、通常、銅めっき配線を円形状もしくは角型形状に数回巻いたパターンが用いられるが、同一スペース内に円形と角型のインダクタを同じ配線幅、巻き数で形成した場合、円形よりも角型のほうが配線部分の面積が大きくとれるため（円形の場合、内接円になるため、四角のほうが面積は大きい）、電流が周回して流れる領域が広くなり、インダクタンス値は大きくなる。

例えば、従来の角型スパイラルインダクタでは、曲がり配線部は略直角に形成されている。図９は、略直角の曲がり配線部における電流を模式的に示す図である。図９から明らかなように、この曲がり配線部において、高周波領域では、電流（三角マークにて表示）は全長の短い内側に集中し、外側にはほとんど流れない傾向がある。このため、曲がり配線部においてインピーダンス値が不連続となり、反射が起こやすく、ひいては特性を劣化させる要因の一つとなっていた。そのため、略直角の曲がり配線部を数多く有する角型スパイラルインダクタでは、円形スパイラルインダクタと比較して高いＱ値（Quality Factor）が得られにくい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、螺旋状またはつづら折り形状の誘導素子を備えた半導体装置において、曲がり配線部における高周波電流の集中を抑制し、Ｑ値が高く、特性の優れた誘導素子を有する半導体装置、及びこの半導体装置を備えてなる電子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、少なくとも一方の面に電極が設けられた基板と、該基板の一方の面を被覆する絶縁樹脂層と、該絶縁樹脂層上に配され、前記電極と電気的に接続された配線層とを備えた半導体装置であって、前記配線層は、略直線状の複数の主配線部と、該主配線部が直列をなすように、隣接する主配線部同士を接続する曲がり配線部とを有する螺旋形状またはつづら折形状の誘導素子を構成し、前記曲がり配線部は、Ｒ形状またはＣ形状であ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、前記主配線部の線幅と前記曲がり配線部の線幅とが略等しいことを特徴とする。
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、前記曲がり配線部の内側を円弧として近似した際の半径が、使用周波数における表皮深さよりも大きいことを特徴とする。
本発明の請求項４に係る電子装置は、請求項１乃至３のうちいずれか１項に記載の半導体装置を備えたことを特徴とする。

本発明に係る半導体装置（請求項１）では、螺旋状またはつづら折り形状の誘導素子の曲がり配線部をＲ形状またはＣ形状とすることで、該曲がり配線部において内側への電流集中を軽減することができる。これにより、曲がり配線部におけるインピーダンスの変化を抑制し、電流損失の低減が図れるので、Ｑ値が高く、特性の優れた誘導素子を有する半導体装置が得られる。
本発明に係る電子装置（請求項４）は、上述したＱ値が高く、特性の優れた誘導素子を有する半導体装置を備えているので、通信信号の安定化や高品質化などを著しく図ることが可能となる。

以下、本発明に係る半導体装置の一実施形態を図面に基づいて説明する。

図１、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）は部分切欠き斜視図、図２（ｂ）は図１のＡ−Ａ線に沿う断面図である。
この半導体装置１０においては、集積回路２が形成された半導体基板１の表面に集積回路２（ＩＣ）の電極３およびパッシベーション膜４が形成されている。
さらにこの半導体装置１０は、半導体基板１のパッシベーション膜４上に設けられた第一の絶縁樹脂層１１と、この第一の絶縁樹脂層１１の上に設けられた第一の配線層１２と、第一の絶縁樹脂層１１および第一の配線層１２を覆うように設けられた第二の絶縁樹脂層１３と、第二の絶縁樹脂層１３上に設けられた第二の配線層１４とを有する。

半導体基板１は、少なくとも表層が絶縁部（図示略）をなす基材１ａの一面上に、例えば電極３としてＡｌパッドを設け、さらにその上にＳｉＮまたはＳｉＯ_２ 等のパッシベーション膜４（不動態化による絶縁膜）を形成してなるものである。この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を通して電極３が露出されている。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、その膜厚は例えば０．１〜０．５μｍである。
ここでは、スパイラルインダクタ１５を有する配線層を、集積回路２と電気的に接続するための電極３が、半導体基板１の表面の２箇所に設けられている。

前記スパイラルインダクタ１５は、略直線状の複数の主配線部１５ａと、該主配線部１５ａが直列をなすように、隣接する主配線部１５ａ同士を接続する曲がり配線部１５ｂとから構成される角型の螺旋形状を有している。
ここで上述したように、従来の曲がり配線部が直角形状の角型スパイラルインダクタでは、該曲がり配線部において、高周波電流は内側に集中し、外側ではほとんど流れない。これにより曲がり配線部においてインピーダンスが変化することで電流損失が起こり、Ｑ値が低下してしまうという問題があった。

そこで本発明では、角型スパイラルインダクタ１５において、曲がり配線部１５ｂをＲ形状またはＣ形状としている。ここで、Ｒ形状とは、略円弧状のことを意味する。また、Ｃ形状とは、複数の角部を有する多角形状のことを意味する。
図１および図２では、曲がり配線部１５ｂをＲ形状とした場合を示している。
スパイラルインダクタ１５の曲がり配線部１５ｂをＲ形状またはＣ形状にすることで、該曲がり配線部１５ｂにおいて、内側への電流集中を抑制することができる。これにより、曲がり配線部１５ｂにおけるインピーダンスの変化を抑制し、電流損失を低減させることができる。その結果、従来の誘導素子よりもＱ値を向上させることができる。

また、スパイラルインダクタ１５において、主配線部１５ａの配線幅Ｔと曲がり配線部１５ｂの配線幅ｔとが略等しくなされていることが好ましい。主配線部１５ａの配線幅と曲がり配線部１５ｂの配線幅とを略等しいものとすることで、主配線部１５ａと曲がり配線部１５ｂとの間での抵抗変化をより少なくすることができる。

半導体基板１は、シリコンウエハ等の半導体ウエハでもよく、半導体ウエハをチップ寸法に切断（ダイシング）した半導体チップであっても構わない。半導体基板１が半導体チップである場合は、まず、半導体ウエハの上に、各種半導体素子やＩＣ、誘導素子等を複数組、形成した後、チップ寸法に切断することで複数の半導体チップを得ることができる。

第一の絶縁樹脂層１１は、各電極３と整合する位置に形成された第一の開口部１６１６を有する。第一の絶縁樹脂層１１は、例えばポリイミド樹脂、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂等からなり、その厚さは例えば１〜３０μｍである。
第一の絶縁樹脂層１１は、例えば回転塗布法、印刷法、ラミネート法などにより形成することができる。また第一の開口部１６は、例えばフォトリソグラフィ技術を利用したパターニングなどにより形成することができる。

第二の絶縁樹脂層１３は、半導体基板１の表面に沿う位置が第一の開口部１６とは異なる位置に開口した第二の開口部１７を有する。これら第二の開口部１７は、それぞれ第二の配線層１４の端部に整合する位置に形成されている。

第一の配線層１２は、電極３とスパイラルインダクタ１５とを電気的に接続する再配線層（アンダーパス）である。第一の配線層１２の一端部は、第一の開口部１６を介して第一の絶縁樹脂層１１を貫通し、電極３と電気的に接続されている。また、第一の配線層１２の他端部は、第二の開口部１７と整合する位置まで延びている。
第一の配線層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。これにより十分な導電性が得られる。第一の配線層１２は、例えば、電解銅めっき法等のめっき法、スパッタリング法、蒸着法、または２つ以上の方法の組み合わせにより形成することができる。

第二の配線層１４は、誘導素子としてのスパイラルインダクタ１５を有する。第二の配線層１４の端部は、第二の開口部１７を介して第二の絶縁樹脂層１３を貫通しており、それぞれ、第一の配線層１２の他端部と接続されている。
第二の配線層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１〜２０μｍである。これにより十分な導電性が得られる。第一の配線層１２は、例えば、電解銅めっき法等のめっき法、スパッタリング法、蒸着法、または２つ以上の方法の組み合わせにより形成することができる。

図３は、Ｒ形状を有する曲がり配線部１５ｂを拡大して示す図である。
図３において、曲がり配線部１５ｂの内側を円弧として近似した際の半径ｒ_１ が、使用周波数における表皮深さよりも大きいことが好ましい。
また、内側の半径ｒ_１ は、曲がり配線部１５ｂの配線幅ｔの０．１倍以上であり、かつ、主配線部１５ａの内側で短辺の長さＬ（図１参照）の０．５倍よりも小さいことが好ましい。すなわち、０．１ｔ≦ｒ_１ ＜０．５Ｌの範囲が好適である。ｒ_１ が０．１ｔ倍より小さい場合には 略直角に近い形状となりＱ値の向上が望めない。０．５Ｌの場合には略丸形と同一形状になり、配線部分の面積が小さくなるので芳しくない。
また、曲がり配線部１５ｂの外側を円弧として近似した際の半径ｒ_２ は、内側の半径ｒ_１ に配線幅ｔを加えた値であることが好ましい。すなわち、ｒ_２ ＝（ｒ_１ ＋ｔ）である。この条件を満たすことにより、曲がり配線部におけるインピーダンス不整合を低減することができる。
曲がり配線部１５ｂにおいて、内側の半径ｒ_１および外側の半径ｒ_２を上記のように規定することで、曲がり配線部１５ｂにおける内側への電流集中をより効果的に抑制することができるとともに、主配線部１５ａと曲がり配線部１５ｂとの間での抵抗変化をより少なくすることができる。

図１、図２では、曲がり配線部１５ｂがＲ形状を有する場合を示したが、Ｃ形状を有する曲がり配線部１５ｂを拡大して図４に示す。図４においては、２段階で折り曲げた場合を例に挙げて示している。この場合、配線の曲がり角θ_１ 、θ_２ 、θ_３ の少なくとも一つが１３５°以上であることが好ましい。すなわち、この構成を満たすことにより、二段階以上（多段階）の折り曲げが実現するので望ましい。

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１０には、第二の絶縁樹脂層１３および第二の配線層１４の上に、必要に応じて、少なくとも第二の配線層１４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。
封止層（図示略）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１０〜１５μｍ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。

次に、図１．図２に示す半導体装置の製造方法について説明する。
まず、図５（ａ）に示すように、集積回路２、電極３およびパッシベーション膜４を有する半導体基板１を用意する。この半導体基板１は、上述したように、基材１ａの一面上に電極３とパッシベーション膜４が形成されており、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が設けられた半導体ウエハである。

次いで、図５（ｂ）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、第一の開口部１６を有する第一の絶縁樹脂層１１を形成する。
このような第一の絶縁樹脂層１１は、例えば上記樹脂からなる膜を例えば回転塗布法、印刷法、ラミネート法などによってパッシベーション膜４の全面に成膜した後、例えばフォトリソグラフィ技術を利用したパターニングなどにより、電極３と整合する位置に第一の開口部１６を形成することによって形成することができる。

次いで、図５（ｃ）に示すように、第一の絶縁樹脂層１１の上に第一の配線層１２を形成する。この第一の配線層１２を所定の領域に形成する方法は、特に限定されるものではないが、例えば国際公開第００／０７７８４４号公報に記載された方法を用いることができる。

ここで、第一の配線層１２を形成する好適な方法の一例について説明する。
まず、スパッタリング法等により、電解めっき用の薄いシード層（図示略）を第一の絶縁樹脂層１１上の全面または必要な領域に形成する。シード層は、例えばスパッタリング法により形成されたＣｕ層およびＣｒ層からなる積層体、またはＣｕ層およびＴｉ層からなる積層体である。また、無電解Ｃｕめっき層でもよいし、蒸着法、塗布法または化学気相成長法（ＣＶＤ）等により形成された金属薄膜層であってもよいし、上記の金属層形成方法を組み合わせてもよい。

次に、シード層の上に、電解めっき用のレジスト膜（図示略）を形成する。このレジスト膜には第一の配線層１２の形成すべき領域に開口部を設け、該開口部において、前記シード層を露出させておく。レジスト膜は、例えば、フォトリソグラフィ技術によるパターニング、フィルムレジストをラミネートする方法、液体レジストを回転塗布する方法等により形成することができる。
そして、前記レジスト膜をマスクとして露出したシード層上に、電解めっき法等により、Ｃｕ等から構成された第一の配線層１２を形成する。このように、所望の領域に第一の配線層１２が形成された後、不要なレジスト膜およびシード層はエッチングにより除去し、第一の配線層１２が形成された領域以外の部分では第一の絶縁樹脂層１１が露出されるようにする（図５（ｃ）参照）。

次いで、図５（ｄ）に示すように、第一の絶縁樹脂層１１および第一の配線層１２の上を覆うように第二の絶縁樹脂層１３を形成する。
このような第二の絶縁樹脂層１３は、例えば上記樹脂からなる膜を例えば回転塗布法、印刷法、ラミネート法などによって第一の絶縁樹脂層１１および第一の配線層１２の全面を覆うように成膜した後、例えばフォトリソグラフィ技術を利用したパターニングなどにより、第一の配線層１２の他端部と整合する位置に第二の開口部１７を形成することによって形成することができる。

次いで、図５（ｅ）に示すように、第二の絶縁樹脂層１３の上に、誘導素子としてスパイラルインダクタ１５を有する第二の配線層１４を形成する。
第二の配線層１４を所定の領域に設ける方法は、第一の配線層１２を設ける方法とほぼ同様に行うことができるので、詳しい説明は省略するが、スパイラルインダクタ１５のレジストパターンをフォトリソグラフィ等により形成する工程で、曲がり配線部にＲ形状またはＣ形状を持たせたパターンを有するフォトマスクを用いることで、曲がり配線部にＲ形状またはＣ形状を有する形状のフォトレジストパターンが得られる。この後に電解銅めっきを行い、シード層を除去する。これにより、曲がり配線部１５ｂがＲ形状またはＣ形状を有するスパイラルインダクタ１５が得られる。

第二の配線層１４上に封止層を設ける場合は、例えば、感光性ポリイミド樹脂等の感光性樹脂をフォトリソグラフィ技術によりパターニングすることによって、所望の位置に開口部を有する封止層を形成することができる。なお、封止層の形成方法は、この方法に限定されるものではない。
封止層の形成後、前記誘導素子などの各種構造物が形成された半導体ウエハ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、角型スパイラルインダクタ１５において、曲がり配線部１５ｂをＲ形状またはＣ形状としている。
このため、該曲がり配線部１５ｂにおいて、内側への電流集中を抑制することができる。その結果、半導体装置１０では、曲がり配線部１５ｂにおけるインピーダンスの変化が抑制されて電流損失が減り、従来の誘導素子よりもＱ値を向上させることができる。

特に、巻き数の多いインダクタでは、直角曲がり部の数が多くその損失が大きいため、直角曲がり部での損失低減の効果が大きく、従来の角型インダクタよりも高いＱ値を得ることができる。
本発明によるスパイラルインダクタ１５の形状は四角形状に近いため、同一の実装スペースにおいて円形よりもインダクタ部分の面積を広く取ることができるため、従来の円形スパイラルインダクタよりも高いインダクタンス値を得ることができる。

なお、上述した実施の形態では、誘導素子として、略螺旋形状のインダクタを備えた半導体装置を例に挙げて説明してきたが、本発明は、誘導素子としてつづら折れ形状のインダクタを備えた半導体装置についても適用することができる。
つづら折れ形状のインダクタにおいて、その曲がり配線部をＲ形状またはＣ形状とする。これにより、該曲がり配線部において、内側への電流集中を抑制することができる。その結果、この半導体装置では、曲がり配線部におけるインピーダンスの変化が抑制されて電流損失が減り、従来の誘導素子よりもＱ値を向上させることができる。

次に、上記実施形態の半導体装置を備えた電子装置の例について説明する。
電子装置としては、例えば、アンテナ装置、該アンテナ装置を内蔵し無線通信を行う携帯電話端末、ＰＤＡ、ノートブック型パソコン、非接触ＩＣカード等が挙げられる。
前記アンテナ装置としては、例えば、コイルの電磁誘導を利用して受電する、磁界型のオンチップアンテナ装置が挙げられる。このアンテナ装置に、上記実施形態の半導体装置を搭載することで、Ｑ値の高いアンテナとすることができる。アンテナのＱ値が高いと、帯域幅は狭くなるが、受電効率が向上する。これにより優れた特性を有するアンテナ装置および電子装置を実現することができる。

（実施例）
図１、図２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一の絶縁樹脂層１１と、Ｃｕからなる第一の配線層１２と、ポリイミド樹脂からなる第二の絶縁樹脂層１３と、誘導素子としてスパイラルインダクタ１５を有するＣｕからなる第二の配線層１４とを有する半導体装置１０を作製した。
第一および第二の絶縁樹脂層１１、１３の厚さは１０μｍとした。第一の配線層１２の幅は２０μｍとした。
第二の配線層１４において、スパイラルインダクタ１５は、曲がり配線部１５ｂがＲ形状をなしており、当該Ｒの半径は、内側で２０μｍ、外側で４０μｍとした。また、配線幅は、直線の主配線部１５ａとＲ部分とで等しく２０μｍとした。また、スパイラルインダクタ１５は、配線間隔が１０μｍで、巻き数は３．５とした。
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、スパイラルインダクタの曲がり配線部が略直角であること以外は実施例１と同様に半導体装置を作製し、その周波数とＱ値の関係を測定した。結果を図６に示す。
図６において、実線は実施例、点線は比較例の結果である。両者を比較すると、同等のインダクタンス値で、曲がり配線部１５ｂをＲ形状とした実施例のほうがより高いＱ値であることがわかる。

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。 Ｒ形状を有する曲がり配線部を拡大して示す平面図である。 Ｃ形状を有する曲がり配線部を拡大して示す平面図である。 （ａ）〜（ｅ） 図１に示す半導体装置の製造方法の一例を工程順に示す模式的断面図である。 試験結果を示すグラフである。 従来の半導体装置の一例を示す平面図である。 （ａ）図７に示す半導体装置の部分切欠斜視図であり、（ｂ）図７に示す半導体装置の要部を示す断面図である。 略直角の曲がり配線部における電流を模式的に示す図である。

符号の説明

１ 半導体基板、３ 電極、１０ 半導体装置、１１ 第一の絶縁樹脂層、１２ 第一の配線層、１３ 第二の絶縁樹脂層、１４ 第二の配線層、１５ スパイラルインダクタ（誘導素子）、１５ａ 主配線部、１５ｂ 曲がり配線部。

Claims (3)

1. 少なくとも一方の面に電極が設けられた基板と、
   該基板の一方の面を被覆する絶縁樹脂層と、
   該絶縁樹脂層上に配され、前記電極と電気的に接続された配線層とを備えた半導体装置であって、
   前記配線層は、略直線状の複数の主配線部と、該主配線部が直列をなすように、隣接する主配線部同士を接続する曲がり配線部とを有する螺旋形状またはつづら折形状の誘導素子を構成し、
   前記曲がり配線部は、Ｒ形状またはＣ形状であることを特徴とする半導体装置。
2. 前記主配線部の線幅と前記曲がり配線部の線幅とが略等しいことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
3. 前記曲がり配線部の内側を円弧として近似した際の半径が、使用周波数における表皮深さよりも大きい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。
   

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