JP2007005702A - 半導体装置およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 誘導素子を備えた半導体装置において、損失を抑えることができる半導体装置およびその製造方法を提供する。
【解決手段】 半導体基板１と、第１の絶縁層１１と、第１の導電部１２と、第２の絶縁層１３と、第２の導電部１４を備え、第２の導電部１４は、渦状の誘導素子１５を有し、第２の絶縁層１３は、誘導素子１５の最内周部よりも内側である中央領域２１に凹部２０が形成され、これによって、この部分が他の部分に比べて薄く形成されている。
【選択図】 図１

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およびその製造方法に関する。

従来、半導体基板上に誘導素子を備え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を参照）。
図１２は、従来の半導体装置の一例を示すもので、ここに示す半導体装置４０は、電極３を有する半導体基板１と、第１の絶縁樹脂層１１と、第１の絶縁樹脂層１１上に設けられた第１の配線層１２と、第２の絶縁樹脂層１３と、第２の絶縁樹脂層１３上に設けられた第２の配線層１４とを備えている。第２の配線層１４は、誘導素子１５を有する。
半導体装置４０では、誘導素子１５からの磁束が半導体基板１を通過する際に渦電流損失が生じることがあるが、半導体基板１と誘導素子１５との間の絶縁樹脂層１１、１３を厚くすることによって、誘導素子１５と半導体基板１との距離を大きくし、損失を小さくすることができる。
特開２００２−２４６５４７号公報 特開２００３−８６６９０号公報

しかしながら、従来の半導体装置では損失を十分に小さくするのは難しく、さらなる損失低減が要望されている。
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、損失を低減することができる半導体装置およびその製造方法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、電極を有する半導体基板と、該半導体基板上に設けられ、前記電極に整合する位置に第１の開口部を有する第１の絶縁層と、該第１の絶縁層上に設けられ、前記第１の開口部を通して一端部が前記電極に接続された第１の導電部と、該第１の導電部上に設けられ、第１の導電部の他端部に整合する位置に第２の開口部を有する第２の絶縁層と、該第２の絶縁層上に設けられ、前記第２の開口部を通して前記第１の導電部の他端部に接続された第２の導電部を備え、前記第１の導電部と第２の導電部のうちいずれか一方が、渦状の誘導素子を有し、前記第１の絶縁層と第２の絶縁層のうち一方または両方が、前記誘導素子の最内周部よりも内側である中央領域の少なくとも一部が、他の部分に比べて薄く形成され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、前記第１の絶縁層および第２の絶縁層のうち一方または両方が、比誘電率が３以下である低誘電率材料からな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、前記第１の絶縁層と第２の絶縁層のうち一方または両方が、前記中央領域の少なくとも一部が凹部または開口部とされることによって、この部分が他の部分に比べて薄く形成されていることを特徴とする。

本発明の請求項４に係る半導体装置の製造方法は、電極を有する半導体基板と、該半導体基板上に設けられ、前記電極に整合する位置に第１の開口部を有する第１の絶縁層と、該第１の絶縁層上に設けられ、前記第１の開口部を通して一端部が前記電極に接続された第１の導電部と、該第１の導電部上に設けられ、第１の導電部の他端部に整合する位置に第２の開口部を有する第２の絶縁層と、該第２の絶縁層上に設けられ、前記第２の開口部を通して前記第１の導電部の他端部に接続された第２の導電部を備え、前記第１の導電部と第２の導電部のうちいずれか一方が、渦状の誘導素子を有する半導体装置を製造する方法であって、前記第１の絶縁層と第２の絶縁層のうち一方または両方の、前記誘導素子の最内周部よりも内側である中央領域の少なくとも一部を、他の部分に比べて薄く形成することを特徴とする。
本発明の請求項５に係る半導体装置の製造方法は、請求項４において、前記第１の絶縁層と第２の絶縁層のうち一方または両方を、前記中央領域の少なくとも一部が凹部または開口部となるように形成することによって、この部分を他の部分に比べて薄く形成することを特徴とする。
本発明の請求項６に係る半導体装置の製造方法は、請求項４において、前記第１の絶縁層と第２の絶縁層のうち一方または両方を形成するにあたって、樹脂膜を形成した後、この樹脂膜の中央領域の少なくとも一部を、エッチングによって他の部分に比べて薄く形成することを特徴とする。

本発明の半導体装置では、第１の絶縁層と第２の絶縁層のうち一方または両方の中央領域の少なくとも一部が他の部分に比べて薄く形成されているので、中央領域における比誘電率を低くし、渦電流を抑え、損失を低減することができる。

図１〜図３は、本発明の半導体装置の第１の例を示すものであり、図１は断面図、図２は部分切欠斜視図、図３は平面図である。図１は、図３に示すＡ−Ａ線に沿う断面図である。
半導体装置１０は、半導体基板１と、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、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、シリコンウエハ等の半導体ウエハなどからなり、その上面１ａには、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と第１の配線層１２の他端部１２ｂとが電気的に導通可能なように、第２の開口部１７が形成されている。

第１および第２の絶縁樹脂層１１、１３のうち一方または両方は、比誘電率が３以下である低誘電率材料からなることが好ましい。特に、より第２の配線層１４に近い第２の絶縁樹脂層１３が低誘電率材料からなることが好ましい。
低誘電率材料としては、たとえばベンゾシクロブテン樹脂（ＢＣＢ：Benzocyclobutene）がある。ＢＣＢ樹脂の比誘電率は例えば約２．５であり、誘電正接は例えば約０．００２である。ポリイミド樹脂の中にも、比誘電率約２．９、誘電正接約０．０１の材料がある。
低誘電率材料を使用することによって、渦電流損失を低減させることができる。
第１および第２の絶縁樹脂層１１、１３のうち一方または両方を構成する材料は、誘電正接が０．０１５以下である低誘電正接材料であることが望ましい。

絶縁樹脂層１１、１３には、ポリイミド樹脂、エポキシ樹脂、シリコン樹脂等を用いることもできる。
第１の絶縁樹脂層１１の厚さは１〜３０μｍが好ましく、第２の絶縁樹脂層１３の厚さは１０〜５０μｍが好ましい。

第１の配線層１２は、電極３と第２の配線層１４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、Ｃｕ、Ａｌ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、平面視渦状に形成されたスパイラルコイルである誘導素子１５（インダクタ）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の材料としてはＣｕ、Ａｌ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の表面には、凹部２０が形成されており、この部分で第２の絶縁樹脂層１３は他の部分に比べて薄く形成されている。
凹部２０の平面視形状は、特に限定されず、多角形、円形などとすることができる。図示例では、凹部２０は平面視矩形状とされている（図３を参照）。凹部２０の断面形状は、特に限定されず、矩形状、半円状、Ｖ字状などとすることができる。図示例では、凹部２０は断面コ字状とされている（図１を参照）。

図３に示すように、凹部２０は、誘導素子１５の中央領域２１に形成されている。
中央領域２１は、誘導素子１５の内周端部１５ａから１周回、すなわち内周端部１５ａから第２周の始端部１５ｂまでの部分（最内周部）よりも内側の領域である。
凹部２０は、中央領域２１の全体にわたって形成してもよいし、中央領域２１の一部に形成してもよい。

誘導素子１５に通電すると、中央領域２１を通る磁路が形成され、中央領域２１には高密度の磁束が通過する。
中央領域２１には凹部２０が形成されているため、磁束の一部は凹部２０内を通過する。空気の比誘電率は１であり、一般的な樹脂材料の比誘電率よりも低いため、半導体装置１０では、凹部２０を形成しない場合に比べて渦電流を抑えることができる。従って、損失を低減することができる。
また、半導体装置１０では、２つの絶縁樹脂層１１、１３のうち誘導素子１５に近い第２の絶縁樹脂層１３に凹部２０が形成されているため、渦電流損失をいっそう低くすることができる。

次に、半導体装置１０を製造する方法を説明する。
図４に示すように、半導体基板１の上面１ａに、電極３およびパッシベーション膜４を設ける。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る。
図５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６に示すように、第１の絶縁樹脂層１１の上に、スパッタ法、蒸着法、メッキ法などにより第１の配線層１２を形成する。
第１の配線層１２は、第１の絶縁樹脂層１１の全面にわたって金属膜を形成した後に、この金属膜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形成することができる。
第１の配線層１２を形成するには、第１の絶縁樹脂層１１上にレジストを形成した後、レジストが形成されていない領域に金属膜を形成する方法も可能である。

図７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の中央領域２１の一部には、凹部２０を形成する。
例えば、回転塗布法、印刷法、ラミネート法などによって樹脂膜を形成した後、この樹脂膜にエッチングにより凹部２０を形成する方法が可能である。この方法は、エッチング時間の設定によって凹部２０の深さを容易に調整できるという利点がある。

この製造方法をとる場合には、エッチングを長時間行うことによって、第２の絶縁樹脂層１３に開口部を形成することもできる。この場合も、この部分で第２の絶縁樹脂層１３が薄く形成されたとみなすことができる。
第２の絶縁樹脂層１３に開口部を形成した後、エッチングをさらに進行させることによって、第１の絶縁樹脂層１１に凹部を形成することもできる。

なお、中央領域２１に開口部を形成するには、フォトリソグラフィ技術を用いてもよい。
具体的には、第１の絶縁樹脂層１１および第１の配線層１２の上に、ほぼ全面にわたって樹脂膜を形成した後、この樹脂膜を露光、現像することによって、第２の開口部１７を形成すると同時に中央領域２１にも開口部を形成する方法が可能である。
この製造方法は、第２の開口部１７と同時に、中央領域２１にも開口部を形成することができるため、工程数を増加させる必要がないことから、製造コストの点で有利である。

図１に示すように、第２の絶縁樹脂層１３上には、誘導素子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（図示略）は、ポリイミド樹脂等からなる膜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。
以上の工程を経て、図１〜図３に示す半導体装置１０が得られる。

次に、本発明の半導体装置の第２の例を、その製造方法とともに説明する。
図４〜６に示すように、半導体基板１上に、電極３、パッシベーション膜４、第１の絶縁樹脂層１１、および第１の配線層１２を形成する。
次いで、図８および図９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、下層２３ａおよび上層２３ｂからなる２層構造の第２の絶縁樹脂層２３を形成する。
下層２３ａには、ポリイミド樹脂、エポキシ樹脂、シリコン樹脂等を用いることができ、その厚さは例えば１〜３０μｍとすると良い。図示例では、下層２３ａは、開口部１７を除いて第１の絶縁樹脂層１１の全面にわたって形成されている。

上層２３ｂには、中央領域２１に、フォトリソグラフィ技術、エッチングなどにより開口部２４を形成する。上層２３ｂには、ＢＣＢ樹脂などの低誘電率材料を使用するのが好ましく、その厚さは例えば１０〜５０μｍとすると良い。
図示例では、上層２３ｂは、下層２３ａの全面には形成されておらず、誘導素子１５に相当する領域にのみ形成されている。

次いで、図１０に示すように、第２の絶縁樹脂層２３上に、誘導素子１５を有する第２の配線層１４を形成する。
これによって、第２の絶縁樹脂層２３の上層２３ｂに開口部２４が形成され、この部分で第２の絶縁樹脂層２３が他の部分に比べて薄く形成された半導体装置３０が得られる。

なお、上述の例では、第２の絶縁樹脂層に凹部または開口部を形成したが、第１の絶縁樹脂層に凹部または開口部を形成してもよい。凹部または開口部は、第１の絶縁樹脂層と第２の絶縁樹脂層のうち一方に形成することもできるし、両方に形成することもできる。
また、上記各例では、第２の配線層１４が誘導素子１５を有するが、本発明ではこれに限らず、第１の配線層１２が誘導素子を有する構成も可能である。

（実施例１）
図１〜図３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、ＢＣＢ樹脂からなる第２の絶縁樹脂層１３と、Ｃｕからなり、誘導素子１５を有する第２の配線層１４とを備えた半導体装置１０を作製した。
第２の絶縁樹脂層１３の中央領域２１には凹部２０を形成した。凹部２０は幅１００μｍ、長さ１００μｍの正方形状とし、深さは５μｍとした。
誘導素子１５の配線幅は３０μｍ、配線間隔は２０μｍとした。誘導素子１５の全体の幅は５００μｍとした。第１の絶縁樹脂層１１および第２の絶縁樹脂層１３の厚さはそれぞれ１０μｍとした。
第２の絶縁樹脂層１３を構成するＢＣＢ樹脂の比誘電率は２．５であり、誘電正接は０．００２であった。
半導体装置１０におけるＱ値と周波数の関係を調べた。また、誘導素子１５のインダクタンスと周波数の関係も調べた。結果を図１１に実線で示す。

（比較例１）
凹部２０を形成しないこと以外は実施例１と同様にして半導体装置を作製し、Ｑ値とインダクタンスを測定した。結果を図１１に破線で示す。

図１１より、凹部２０を形成した実施例１は、優れたＱ値およびインダクタンスを示したことがわかる。

本発明は、たと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第１の例を示す断面図である。 図１に示す半導体装置の部分切欠斜視図である。 図１に示す半導体装置を示す平面図である。 図１に示す半導体装置を製造する方法の一例を示す工程図である。 前図に続く工程図である。 前図に続く工程図である。 前図に続く工程図である。 本発明の半導体装置の第２の例を製造する方法を示す工程図である。 前図に続く工程図である。 前図に続く工程図である。 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断面図である。

符号の説明

１…半導体基板、３…電極、１０…半導体装置、１１…第１の絶縁樹脂層（第１の絶縁層）、１２…第１の配線層（第１の導電部）、１２ａ…第１の配線層の一端部、１２ｂ…第１の配線層の他端部、１３、２３…第２の絶縁樹脂層（第２の絶縁層）、１４…第２の配線層（第１の導電部）、１５…誘導素子、１６…第１の開口部、１７…第２の開口部、２０…凹部、２１…中央領域、２４…開口部

Claims (6)

1. 電極を有する半導体基板と、
   該半導体基板上に設けられ、前記電極に整合する位置に第１の開口部を有する第１の絶縁層と、
   該第１の絶縁層上に設けられ、前記第１の開口部を通して一端部が前記電極に接続された第１の導電部と、
   該第１の導電部上に設けられ、第１の導電部の他端部に整合する位置に第２の開口部を有する第２の絶縁層と、
   該第２の絶縁層上に設けられ、前記第２の開口部を通して前記第１の導電部の他端部に接続された第２の導電部を備え、
   前記第１の導電部と第２の導電部のうちいずれか一方は、渦状の誘導素子を有し、
   前記第１の絶縁層と第２の絶縁層のうち一方または両方は、前記誘導素子の最内周部よりも内側である中央領域の少なくとも一部が、他の部分に比べて薄く形成されていることを特徴とする半導体装置。
2. 前記第１の絶縁層および第２の絶縁層のうち一方または両方は、比誘電率が３以下である低誘電率材料からなることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
3. 前記第１の絶縁層と第２の絶縁層のうち一方または両方は、前記中央領域の少なくとも一部が凹部または開口部とされることによって、この部分が他の部分に比べて薄く形成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. 電極を有する半導体基板と、該半導体基板上に設けられ、前記電極に整合する位置に第１の開口部を有する第１の絶縁層と、該第１の絶縁層上に設けられ、前記第１の開口部を通して一端部が前記電極に接続された第１の導電部と、該第１の導電部上に設けられ、第１の導電部の他端部に整合する位置に第２の開口部を有する第２の絶縁層と、該第２の絶縁層上に設けられ、前記第２の開口部を通して前記第１の導電部の他端部に接続された第２の導電部を備え、前記第１の導電部と第２の導電部のうちいずれか一方は、渦状の誘導素子を有する半導体装置を製造する方法であって、
   前記第１の絶縁層と第２の絶縁層のうち一方または両方の、前記誘導素子の最内周部よりも内側である中央領域の少なくとも一部を、他の部分に比べて薄く形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。
5. 前記第１の絶縁層と第２の絶縁層のうち一方または両方を、前記中央領域の少なくとも一部が凹部または開口部となるように形成することによって、この部分を他の部分に比べて薄く形成することを特徴とする請求項４に記載の半導体装置の製造方法。
6. 前記第１の絶縁層と第２の絶縁層のうち一方または両方を形成するにあたって、樹脂膜を形成した後、この樹脂膜の中央領域の少なくとも一部を、エッチングによって他の部分に比べて薄く形成することを特徴とする請求項４に記載の半導体装置の製造方法。

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