JP2007243676A - 半導体デバイスおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】小さな表面積であっても長い通信距離を確保することができるアンテナ回路を備えた半導体デバイスおよびその製造方法を提供する。
【解決手段】導電層６は、帯状の導電材を絶縁樹脂層５の一面５ａに沿ってスパイラル形状に巻回させたアンテナ回路７を構成している。このような構成によって、電極３に電気的に接続されたアンテナ回路７の一端７ａからアンテナ回路７の他端７ｂに至る２アンテナＰが形成される。こうしたアンテナＰの配線長さ（アンテナ回路７の一端７ａから他端７ｂまでの長さ）は、アンテナＰの通信実効波長に対して、等倍、１／２倍または１／４倍になるように設定される。
【選択図】図７

Description

本発明は、半導体基板の上にアンテナ回路を形成した半導体デバイスおよびその製造方法に関する。

近年、ＩＣチップにアンテナ回路を備え、このアンテナ回路を介して各種信号を無線で送受信する半導体デバイスが提案されている。このような、非接触で通信が可能な半導体デバイスとしては、例えば、半導体基板の絶縁層内に渦巻状のアンテナコイルが形成されたものが知られている。また、さらに小型、ローコスト化したものとして、半導体プロセスによってＩＣチップ上にアンテナコイルを形成したものも知られている（特許文献１）。
特許第３３４７１３８号公報

しかしながら、従来の半導体デバイスによって非接触で通信を行う場合、通信可能な距離がアンテナ回路の開口面積に依存するため、極めて小さな表面積しか有しないＩＣチップなどにアンテナ回路を形成しても、開口面積が大きく取れないためにその通信距離は限られ、例えば、１〜２ｍｍ程度といった接触状態に近い送受信が限界であった。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、小さな表面積であっても長い通信距離を確保することができるアンテナ回路を備えた半導体デバイス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に係る半導体デバイスは、少なくとも一面に電極が形成された半導体基板と、前記半導体基板の一面を覆うように順に絶縁樹脂層、導電層とを備えた半導体デバイスであって、
前記導電層はアンテナ回路を構成し、前記アンテナ回路の一端から他端までの長さであるアンテナの配線長さは、前記アンテナの通信実効波長に対して等倍、１／２倍、または１／４倍に設定したことを特徴とする。
本発明の請求項２に係る半導体デバイスは、請求項１において、前記導電層は前記絶縁樹脂層を介して複数積層され、それぞれの前記導電層は互いに電気的に接続されていることを特徴とする
本発明の請求項３に係る半導体デバイスは、請求項１または２において、前記アンテナはスパイラル状に形成されていることを特徴とする。
本発明の請求項４に係る半導体デバイスの製造方法は、少なくとも一面に電極が形成された半導体基板と、前記半導体基板の一面を覆うように順に第１の絶縁樹脂層、第１の導電層、第２の絶縁樹脂層、および第２の導電層とを備え、前記第１の導電層はスパイラル形状の第１のアンテナ回路を、前記第２の導電層はスパイラル形状の第２のアンテナ回路をそれぞれ構成し、前記第１のアンテナ回路の一端が前記第２のアンテナ回路の一端に、前記第１のアンテナ回路の他端が前記第１の電極に、電気的に接続された半導体デバイスの製造方法であって、前記第１の導電層の上に絶縁材を積層する工程と、前記絶縁材の一面を平坦化して第２の絶縁樹脂層を形成する工程とを少なくとも備えたことを特徴とする。

本発明の半導体デバイスによれば、アンテナ回路の一端から他端までの長さであるアンテナの配線長さを、アンテナの通信実効波長に対して等倍、１／２倍、または１／４倍に設定した電波型アンテナであるので、小さな表面積であってもアンテナの通信距離を長くとることができる。これにより、信号の送受信にあたって、半導体デバイスのアンテナと送受信機とを接触させることが困難な環境においても適用可能となり、半導体デバイスの利用範囲を広げることができる。
また、本発明の半導体デバイスの製造方法によれば、アンテナの配線長さを、アンテナの通信実効波長に対して等倍、１／２倍、または１／４倍に設定した半導体デバイスを容易に製造することができる。

以下の実施形態では、本発明に係る半導体デバイスを詳細に説明するが、ここでは、該半導体デバイスを構成するアンテナ回路が２層構造からなり、各層のアンテナ回路がスパイラル状になる事例を取り上げて具体的に述べる。
図１は、本発明の半導体デバイスの一例を示す分解斜視図であり、図２は、図１に示す半導体デバイスの断面図である。本発明の半導体デバイス（ＲＦ−ＩＣ）１０においては、集積回路（図示せず）が形成された半導体基板１１の表面に、集積回路の第１の電極１２ａ，第２の電極１２ｂおよびパッシベーション膜（絶縁膜）１３が形成されている。

さらに、この半導体デバイス１０は、半導体基板１１のパッシベーション膜（絶縁膜）１３上に順に配された第１の絶縁樹脂層１４と、第１の導電層１５と、第２の絶縁樹脂層１６と、第２の導電層１７とから概略構成されている。

半導体基板１１は、シリコンウェハ等の半導体ウェハであればよく、半導体ウェ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よい。半導体基板１１として半導体チップを用いる場合、まず、半導体ウェハの上に、各種半導体素子やＩＣ、誘導素子等を複数形成した後、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。

半導体基板１１の一面１１ａ上には、第１の電極１２ａ，第２の電極１２ｂとしてＡｌパッドを設け、さらにその上にＳｉＮないしＳｉＯ_２ 等のパッシベーション膜１３を形成してなるものである。パッシベーション膜１３には、第１の電極１２ａおよび第２の電極１２ｂと整合する位置に開口１８が設けられており、この開口１８を通して第１の電極１２ａおよび第２の電極１２ｂが露出されている。パッシベーション膜１３は、例えばＣＶＤ法などによって形成されればよい。パッシベーション膜１３は、膜厚が例えば０．１〜１μｍ程度に形成されればよい。

第１の絶縁樹脂層１４は、第１の電極１２ａと整合する位置に形成された開口部１４ａと、第２の電極１２ｂと整合する位置に形成された開口部１４ｂとを有する。第１の絶縁樹脂層１４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構成されれば良く、特に、感光性樹脂からなることが好ましい。これにより、絶縁樹脂層を容易に形成することができる。第１の絶縁樹脂層１４は例えば１〜２０μm程度の厚みに形成されればよい。

第１の絶縁樹脂層１４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。また開口部１４ａ，１４ｂ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１の導電層１５は、帯状の導電材を第１の絶縁樹脂層１４の一面１４ｃに沿ってスパイラル形状に巻回させた第１のアンテナ回路２１を構成している。第１のアンテナ回路２１は、例えば反時計回り方向Ｌに巻回されていればよい。この第１のアンテナ回路２１を成す第１の導電層１５は、例えばＣｕ等が用いられ、厚みが例えば１〜２０μm程度に形成されればよい。

こうした第１の導電層１５は、メタル膜をスパッタリングなどによって全面に成膜した後、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。また、シード層（例えばＣｕ，Ｃｒ，Ｔｉ，Ｎｉなど）をスパッタリングなどによって全面に成膜した後、フォトリソグラフィ技術によって、第１のアンテナ回路２１を構成する第１の導電層１５に相当する部分以外の領域にレジストを形成し、電解メッキによって形成すればよい。

第１のアンテナ回路２１の一端２１ａは、後述する第２のアンテナ回路２２の一端２２ａと電気的に接続される。また第１のアンテナ回路２１の他端２１ｂは、第１の絶縁樹脂層１４の開口部１４ａを介して第１の電極１２ａに電気的に接続される。

第２の絶縁樹脂層１６は、第２の電極１２ｂと整合する位置に形成された開口部１６ａと、第１のアンテナ回路２１の一端２１ａと第２のアンテナ回路２２の一端２２ａに整合する位置に形成された開口部１６ｂとを有する。第２の絶縁樹脂層１６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構成されれば良く、特に、感光性樹脂からなることが好ましい。これにより、絶縁樹脂層を容易に形成することができる。

第２の絶縁樹脂層１６は、例示したような絶縁材を第１の導電層１５を覆うように積層し、表面を平坦化して形成した平坦化面１６ｃを有する。こうした第２の絶縁樹脂層１６の平坦化後の厚みは、例えば１〜２０μm程度になるように形成されればよい。

第２の絶縁樹脂層１６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。また開口部１６ａ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２の導電層１７は、帯状の導電材を第２の絶縁樹脂層１６の平坦化面１６ｃに沿ってスパイラル形状に巻回させた第２のアンテナ回路２２を構成している。第２のアンテナ回路２２は、例えば時計回り方向Ｒに巻回されていればよい。この第１のアンテナ回路２２を成す第２の導電層１７は、例えばＣｕ等が用いられ、厚みが例えば１〜２０μm程度に形成されればよい。

こうした第２の導電層１７は、メタル膜をスパッタリングなどによって全面に成膜した後、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。また、シード層（例えばＣｕ，Ｃｒ，Ｔｉ，Ｎｉなど）をスパッタリングなどによって全面に成膜した後、フォトリソグラフィ技術によって、第２のアンテナ回路２２を構成する第２の導電層１７に相当する部分以外の領域にレジストを形成し、電解メッキによって形成すればよい。

第２のアンテナ回路２２の一端２２ａは、第２の絶縁樹脂層１６の開口部１６ａを介して、下層に形成された第１のアンテナ回路２１の一端２１ａと電気的に接続される。また第２のアンテナ回路２２の他端２２ｂは、第２の絶縁樹脂層１６の開口部１６ａおよび第１の絶縁樹脂層１４の開口部１４ｂとを介して第２の電極１２ｂに電気的に接続される。

このような構成によって、第１のアンテナ回路２１の他端２１ｂから、第１のアンテナ回路２１の一端２１ａと第２のアンテナ回路２２の一端２２ａを介して、第２のアンテナ回路２２の他端２２ｂに至る２層構造のアンテナＰが形成される。こうしたアンテナＰの配線長さ（第１のアンテナ回路２１の他端２１ｂから第２のアンテナ回路２２の他端２２ｂまでの長さ）は、アンテナＰの通信実効波長に対して、等倍、１／２倍または１／４倍になるように設定される。

以上のような構成の半導体デバイス１０によって、アンテナを多層に重ねたアンテナ回路から構成し、アンテナＰの通信実効波長に対して、等倍、１／２倍または１／４倍になるようにアンテナＰの配線長さを設定することで電波型のアンテナの動作により、通信距離を長くとることができるので、信号の送受信にあたって接触させることが困難な環境などにおいても適用可能となり、利用範囲を広げることに役立つ。

上述したような第１のアンテナ回路２１と第２のアンテナ回路２２とを備えた半導体デバイス１０の受電能力を図３に示す。測定条件は、信号発生器によって生成した出力３００ｍＷ、周波数２．４５ＧＨｚの信号をパッチアンテナから送信し、第１のアンテナ回路２１と第２のアンテナ回路２２からなるアンテナＰによって受電した電力を整流後、オシロスコープによって測定した。図３は、周波数２．４５ＧＨｚ時の受電能力と通信距離との関係を示したグラフである。図３に示す測定結果によれば、最大受電能力は１８３．２μＷ、受電能力が１０μＷ以上の通信距離は約４００ｍｍに達することが確認された。

なお、上述した実施形態では、第１のアンテナ回路２１を反時計回り方向Ｌに巻回させ、かつ第２のアンテナ回路２２を時計回り方向Ｒに巻回させて、第１のアンテナ回路２１と第２のアンテナ回路２２の巻回方向を互いに逆方向にしているが、図４に示すように、第１のアンテナ回路３１と、これに重ねて形成される第２のアンテナ回路３２とを、両方とも反時計回り方向Ｌに巻回させるなど、同じ方向に巻回させて形成してもよい。

また、上述した実施形態では、アンテナ回路を２層に形成した事例を示したが、もちろんこれに限定されるものではなく、アンテナ回路を１層に形成したり、あるいはアンテナ回路を３層以上にわたって形成し、互いに電気的に接続して１つのアンテナとしても良い。また、上述した実施形態では、アンテナ回路をスパイラル状に形成しているが、もちろんこれに限定されるものではなく、アンテナ回路をソレノイドコイル状、メアンダ状などにするなど、アンテナとして機能する形状であれば、どのような形状に形成しても良い。なお、本実施形態においては、アンテナの両端が半導体デバイスに接続される例を示したが、アンテナの一端のみが半導体デバイスに接続される構成であっても良い。

図７は、本発明に係る半導体デバイスの他の一例を示す分解斜視図である。本発明の半導体デバイス（ＲＦ−ＩＣ）１においては、集積回路（図示せず）が形成された半導体基板２の表面に、集積回路の電極３およびパッシベーション膜（絶縁膜）４が形成されている。さらに、この半導体デバイス１は、半導体基板２のパッシベーション膜（絶縁膜）４上に順に配された絶縁樹脂層５と導電層６とから概略構成されている。

導電層６は、帯状の導電材を絶縁樹脂層５の一面５ａに沿ってスパイラル形状に巻回させたアンテナ回路７を構成している。このような構成によって、電極３に電気的に接続されたアンテナ回路７の一端７ａからアンテナ回路７の他端７ｂに至る２アンテナＰが形成される。こうしたアンテナＰの配線長さ（アンテナ回路７の一端７ａから他端７ｂまでの長さ）は、アンテナＰの通信実効波長に対して、等倍、１／２倍または１／４倍になるように設定される。

以上のような構成の半導体デバイス１によって、アンテナＰの通信実効波長に対して、等倍、１／２倍または１／４倍になるようにアンテナＰの配線長さを設定することで、電波型アンテナとして動作し、通信距離を長くとることができ、信号の送受信にあたって接触させることが困難な環境などにおいても適用可能となり、利用範囲を広げることに役立つ。

次に、本発明の半導体デバイスの製造方法について詳細に説明するが、ここでは、該半導体デバイスを構成するアンテナ回路が２層構造からなり、各層のアンテナ回路がスパイラル状になる事例を取り上げて具体的に述べる。
まず、図５（ａ）に示すように、第１の電極１２ａと第２の電極１２ｂが形成され、一面１１ａ全体にパッシベーション膜１３が形成された半導体基板１１を用意する。第１の電極１２ａと第２の電極１２ｂはＡｌなどから形成されていればよい。また、パッシベーション膜１３はＳｉＮ，ＳｉＯ_２ などを用いて、ＣＶＤ法などで膜厚０．１〜１μｍ程度に形成すればよい。そして、このパッシベーション膜１３の第１の電極１２ａと第２の電極１２ｂと整合する位置に開口１８を形成し、第１の電極１２ａおよび第２の電極１２ｂとを露出させる。

次に、図５（ｂ）に示すように、パッシベーション膜１３の上層に第１の電極１２ａと第２の電極１２ｂに整合する部分に開口部１４ａ，１４ｂとを有する第１の絶縁樹脂層１４を形成する。第１の絶縁樹脂層１４は、例えばポリイミド樹脂、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂等を回転塗布法、印刷法、ラミネート法などによって膜厚が１〜２０μm程度になるように形成されればよい。開口部１４ａ，１４ｂは、絶縁樹脂層１４を構成するポリイミド樹脂などを全面に成膜した後、フォトリソグラフィ技術によってパターニングして形成すればよい。

次に、図５（ｃ）に示すように、第１の絶縁樹脂層１４の一面１４ｃに沿ってスパイラル形状に巻回させた第１の導電層１５を形成する。第１の導電層１５は、例えばＣｕ等を厚みが１〜１０μm程度に形成すればよい。また、第１の導電層１５のスパイラル部分の幅および形成ピッチは、厚みの２倍程度、例えば２〜２０μｍ程度に形成すればよい。これにより、第１のアンテナ回路２１が形成される。

こうした第１の導電層１５は、メタル膜をスパッタリングなどによって全面に成膜した後、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ればよく、また、シード層（例えばＣｕ，Ｃｒ，Ｔｉ，Ｎｉなど）をスパッタリングなどによって全面に成膜した後、フォトリソグラフィ技術によって、第１のアンテナ回路２１を構成する第１の導電層１５に相当する部分以外の領域にレジストを形成し、電解メッキによって形成してもよい。

次に、図６（ａ）に示すように、第１の導電層１５を覆うように絶縁材３５を形成する。絶縁材３５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構成されれば良い。スパイラル状に形成された第１の導電層１５の上に絶縁材３５を形成すると、第１の導電層１５の形成パターンに倣って絶縁材３５の表面に凹凸３６が生じる。この凹凸３６が存在するままでは、次工程でこの絶縁材３５の上に、第２のアンテナ回路２２を構成する第２の導電層１７が形成できない。このため、図６（ｂ）に示すように、絶縁材３５の表面を平坦化し、凹凸３６を除去し、平坦化面１６ｃを有する第２の絶縁樹脂層１６を形成する。第２の絶縁樹脂層１６の平坦化後の厚みは、例えば１〜２０μm程度になるように形成されればよい。こうした第２の絶縁樹脂層１６の平坦化は、例えば、ＣＭＰ装置による表面研磨などによって行われればよい。

また、第２の絶縁樹脂層１６には、第２の電極１２ｂと整合する位置に開口部１６ａを、第１のアンテナ回路２１の一端２１ａと第２のアンテナ回路２２の一端２２ａに整合する位置に開口部１６ｂをそれぞれ形成する。こうした開口部１６ａ，１６ｂ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ればよい。

次に、図６（ｃ）に示すように、第２の絶縁樹脂層１６の平坦化面１６ｃに沿ってスパイラル形状に巻回させた第２の導電層１７を形成する。第２の導電層１７は、例えばＣｕ等を厚みが１〜２０μm程度に形成すればよい。また、第２の導電層１７のスパイラル部分の幅および形成ピッチは、厚みの２倍程度、例えば２〜２０μｍ程度に形成すればよい。これにより、第２のアンテナ回路２２が形成される。

こうした第２の導電層１７は、メタル膜をスパッタリングなどによって全面に成膜した後、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ればよく、また、シード層（例えばＣｕ，Ｃｒ，Ｔｉ，Ｎｉなど）をスパッタリングなどによって全面に成膜した後、フォトリソグラフィ技術によって、第２のアンテナ回路２２を構成する第２の導電層１７に相当する部分以外の領域にレジストを形成し、電解メッキによって形成してもよい。以上のような各工程を経て、本発明の半導体デバイス１０を得ることができる。

なお、１層のアンテナ回路からなる半導体デバイスの製造では、図５（ａ）〜図５（ｃ）に示す各工程を経て形成することができる。また、アンテナ回路を３層以上から構成する半導体デバイスの製造では、図５（ａ）〜図５（ｃ）に示す各工程と、図６（ａ）〜図６（ｃ）に示す各工程とを繰り返すことによって形成することができる。

本発明の半導体デバイス一例を示す分解斜視図である。 本発明の半導体デバイス一例を示す断面図である。 本発明の半導体デバイスの特性を示グラフである。 本発明の半導体デバイスの他の一例を示す分解斜視図である。 本発明の半導体デバイスの製造方法を示す断面図である。 本発明の半導体デバイスの製造方法を示す断面図である。 本発明の半導体デバイスの他の一例を示す分解斜視図である。

符号の説明

１，１０…半導体デバイス、２，１１…半導体基板、５…絶縁樹脂層、６…導電層、７…アンテナ回路、１４…第１の絶縁樹脂層、１５…第１の導電層、１６…第２の絶縁樹脂層、１６ａ…平坦化面、１７…第２の導電層、２１…第１のアンテナ回路、２２…第２のアンテナ回路。

Claims (4)

1. 少なくとも一面に電極が形成された半導体基板と、前記半導体基板の一面を覆うように順に絶縁樹脂層、導電層とを備えた半導体デバイスであって、
   前記導電層はアンテナ回路を構成し、前記アンテナ回路の一端から他端までの長さであるアンテナの配線長さは、前記アンテナの通信実効波長に対して等倍、１／２倍、または１／４倍に設定したことを特徴とする半導体デバイス。
2. 前記導電層は前記絶縁樹脂層を介して複数積層され、それぞれの前記導電層は互いに電気的に接続されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体デバイス。
3. 前記アンテナはスパイラル状に形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体デバイス。
4. 少なくとも一面に電極が形成された半導体基板と、前記半導体基板の一面を覆うように順に第１の絶縁樹脂層、第１の導電層、第２の絶縁樹脂層、および第２の導電層とを備え、
   前記第１の導電層はスパイラル形状の第１のアンテナ回路を、前記第２の導電層はスパイラル形状の第２のアンテナ回路をそれぞれ構成し、
   前記第１のアンテナ回路の一端が前記第２のアンテナ回路の一端に、前記第１のアンテナ回路の他端が前記第１の電極に、それぞれ電気的に接続された半導体デバイスの製造方法であって、
   前記第１の導電層の上に絶縁材を積層する工程と、前記絶縁材の一面を平坦化して第２の絶縁樹脂層を形成する工程とを少なくとも備えたことを特徴とする半導体デバイスの製造方法。
   
   

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