JP2009027005A

JP2009027005A - 半導体装置

Info

Publication number: JP2009027005A
Application number: JP2007189508A
Authority: JP
Inventors: Masakazu Sato; 正和佐藤; Takuya Aizawa; 卓也相沢; Satoru Nakao; 知中尾
Original assignee: Fujikura Ltd
Current assignee: Fujikura Ltd
Priority date: 2007-07-20
Filing date: 2007-07-20
Publication date: 2009-02-05

Abstract

【課題】金属面上に配置した場合でも磁束のトラップが少ない半導体装置を提供する。
【解決手段】半導体基板１１の一方の面上の第１の絶縁層１３上に複数本が略平行に並設された第１の金属配線１９と、他方の面上の第２の絶縁層１４上に複数本が略平行に並設された第２の金属配線１８と、第２の金属配線１８の一端１８ａ側で半導体基板１１を貫通した複数個の第１の貫通配線１７ａと、第２の金属配線１８の他端１８ｂ側で半導体基板１１を貫通した複数個の第２の貫通配線１７ｂとを備え、第１の金属配線１９の一端１９ａと第２の金属配線１８の一端１８ａが第１の貫通配線１７ａを介して接続され、第１の金属配線１９の他端１９ｂと第２の金属配線１８の他端１８ｂが第２の貫通配線１７ｂを介して接続され、配線１７ａ，１７ｂ，１８，１９からなる配線結線が半導体基板１１の平面方向と垂直な向きに中心軸線を有するソレノイドアンテナ２０を構成している。
【選択図】図１

Description

本発明は、アンテナとして使用可能なソレノイドコイルを備えた半導体装置に関する。

近年、ＩＣチップと無線通信用のアンテナコイルを有し、このアンテナコイルによって信号の送受信を行う半導体モジュールが提案されている。この半導体モジュールは、ＲＦ−ＩＤ（Ｒａｄｉｏ−ＦｒｅｑｕｅｎｃｙＩＤｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍ）タグと呼ばれる無線認証システムで、ＩＣチップによる高い情報処理能力を有し、また非接触で信号の読み取りや書き込みができる。このため近年では、アクセスコントロール、電子マネー、偽造防止技術や物流管理などの分野で普及が進んでいる。前述のＲＦ−ＩＤタグに搭載されているアンテナは、ダイポールタイプ等の比較的通信距離の大きい、外付け接続タイプが主である。

また、さらなる半導体モジュールの小型化や低価格化のため、電極が設けられたＩＣチップ上の同一面内かつＩＣの直上に半導体プロセスを応用して平面コイルアンテナが形成されたオンチップ型アンテナも提案されている（特許文献１および非特許文献１を参照）。オンチップ型アンテナは、通信距離等においてダイポールタイプ等の外付けアンテナに劣るものの、アンテナを実装接続する必要がないため接点不良等が発生する可能性が低く、かつ低コストであるなどの利点がある。また、オンチップ型アンテナは、サイズもＩＣチップレベル程度であるため非常に小さく、有価証券に漉き込むなどの応用アプリケーションが各種提案されている。
特許第３３４７１３８号公報 "Ｃｏｉｌ−ｏｎ−Ｃｈｉｐ（ＴＭ）ＲＦＩＤＳｙｓｔｅｍｓ"、［ｏｎｌｉｎｅ］、マクセル精器株式会社、［平成１９年７月３日検索］、インターネット＜ＵＲＬ：ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｍａｘｅｉ．ｃｏ．ｊｐ／ｐｒｏｄｕｃｔｓ／ｃｏｃ／ｉｎｄｅｘ．ｈｔｍｌ＞

前述したオンチップ型アンテナは、基本的にアンテナコイルの巻き方が平面であるので、金属面に貼り付けて使用した場合、アンテナから発生する磁束が金属面にトラップされてしまい、通信距離が大幅に低下する可能性が高い。また、平面アンテナタイプを備える半導体モジュールを物体に貼付した場合、物体を貫通する方向に磁界が形成されるので、物体に有害な作用を及ぼす恐れがある。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、金属面上に配置した場合でも磁束のトラップが少ない半導体装置を提供することを課題とする。

前記課題を解決するため、本発明は、一方の面に集積回路への入出力電極が設けられた半導体基板と、前記半導体基板の前記一方の面上に設けられ、前記入出力電極と整合する位置に開口部を有する第１の絶縁層と、前記半導体基板の他方の面上に設けられた第２の絶縁層と、前記第１の絶縁層上に複数本が略平行に並設された第１の金属配線と、前記第２の絶縁層上に複数本が略平行に並設された第２の金属配線と、前記第２の金属配線の一端側で前記半導体基板を貫通した複数個の第１の貫通配線と、前記第２の金属配線の他端側で前記半導体基板を貫通した複数個の第２の貫通配線とを備え、第１の金属配線の一端と第２の金属配線の一端とが前記第１の貫通配線を介して接続されるとともに、第１の金属配線の他端と第２の金属配線の他端とが前記第２の貫通配線を介して接続されることにより、前記第１の金属配線、第１の貫通配線、第２の金属配線および第２の貫通配線からなる配線結線が前記半導体基板の平面方向と垂直な向きに中心軸線を有するソレノイドアンテナを構成しており、前記ソレノイドアンテナは、前記第１の絶縁層上に設けられた第３の金属配線によって前記入出力電極と接続されていることを特徴とする半導体装置を提供する。

本発明の半導体装置によれば、ＲＦ−ＩＤのＩＣチップとして用いたときに金属面上に配置した場合でも、ソレノイドコイルから発生する磁束の向きが半導体基板の平面方向と垂直な向きとされているので、金属にトラップされる磁束が平面アンテナタイプと比較して少ないことから、通信距離の低下が発生しにくい。

以下、最良の形態に基づき、図面を参照して本発明を説明する。
本形態例の半導体装置１０は、図１、図２（ｈ）に示すように、一方の面１１ａに集積回路への入出力電極１２が設けられた半導体基板１１と、半導体基板１１の一方の面１１ａ上に設けられ、入出力電極１２と整合する位置に開口部１３ａを有する第１の絶縁層１３と、半導体基板１１の他方の面１１ｂ上に設けられた第２の絶縁層１４と、第１の絶縁層１３上に複数本が略平行に並設された第１の金属配線１９と、第２の絶縁層１４上に複数本が略平行に並設された第２の金属配線１８と、第２の金属配線１８の一端１８ａの側で半導体基板１１を貫通した複数個の第１の貫通配線１７ａと、第２の金属配線１８の他端１８ｂの側で半導体基板１１を貫通した複数個の第２の貫通配線１７ｂとを備えている。

そして、本形態例の半導体装置１０は、第１の金属配線１９の一端１９ａと第２の金属配線１８の一端１８ａとが第１の貫通配線１７ａを介して接続されるとともに、第１の金属配線１９の他端１９ｂと第２の金属配線１８の他端１８ｂとが第２の貫通配線１７ｂを介して接続されることにより、第１の金属配線１９、第１の貫通配線１７ａ、第２の金属配線１８および第２の貫通配線１７ｂからなる配線結線が半導体基板１１の平面方向と垂直な向きに中心軸線を有するソレノイドアンテナ２０を構成しており、このソレノイドアンテナ２０は、第１の絶縁層１３上に設けられた第３の金属配線２２によって入出力電極１２と接続されていることを特徴とする。

このように、アンテナとして、磁束の向きが半導体基板の平面方向と垂直な向きとされているソレノイドコイル２０を備えているので、金属にトラップされる磁束を平面アンテナタイプと比較して低減することができ、通信距離の低下が発生しにくくなる。また、ＩＣチップの厚さがそのままアンテナコイルの開口断面積となる。

ソレノイドコイル２０の巻き数は特に限定されるものではないが、図１に示すように、第１の金属配線１９、第１の貫通配線１７ａ、第２の金属配線１８および第２の貫通配線１７ｂをソレノイドの中心軸線の方向に沿って所望の数だけ並べることで、必要な巻き数を得ることができる。

本形態例の半導体装置は、特開２００４−９５８４９号公報に記載された製造技術を元に製造することができる。以下、製造方法を、図２を参照して説明する。

まず、図２（ａ）に示すように、一方の面１１ａ側に集積回路（図示略）と入出力電極１２が形成された半導体基板１１の両面１１ａ，１１ｂに、第１の絶縁層１３および第２の絶縁層１４を形成する。これらの絶縁層１３，１４としては、例えば厚さ１μｍ程度のシリコン酸化膜を用いることができる。シリコン酸化膜を形成する方法としては、例えばテトラエトキシシラン（ＴＥＯＳ）などを原料としたプラズマＣＶＤ法、熱酸化法（例えば温度１０００℃程度）、スパッタリング法などが挙げられ、膜厚やデバイスの用途、電子デバイスへ与えるダメージ等を考慮して選択することができる。

次に、図２（ｂ）に示すように、第１の絶縁層１３において、入出力電極１２と整合する位置に第１の開口部１３ａを開口するとともに、貫通配線１７ａ，１７ｂが設けられる箇所に第２の開口部１３ｂを開口する。なお、入出力電極１２としては、例えばアルミニウム（Ａｌ）電極を用いることができる。

次に、図２（ｃ）に示すように、第２の開口部１３ｂを通じて、貫通配線１７ａ，１７ｂが形成される箇所の基板材料を除去して、半導体基板１１の一方の面１１ａから他方の面１１ｂに達する細孔１５を形成する。細孔１５を形成する方法は特に限定されるものではないが、シリコン基板の場合、Ｄｅｅｐ−ＲｅａｃｔｉｖｅＩｏｎＥｔｃｈｉｎｇ法（以下「ＤＲＩＥ法」）によって形成するのが好適である。

ここで、ＤＲＩＥ法とは、エッチングガスとして六フッ化硫黄（ＳＦ６）などを用い、高密度プラズマによるエッチングと、細孔の側壁へのパッシベーション成膜を交互に行うことにより（Ｂｏｓｃｈプロセス）、半導体基板に深堀エッチングする方法である。なお、細孔１５の深さ方向と垂直な断面の形状は、円形、楕円形、三角形、四角形、矩形などいかなる形状であってもよく、その大きさも、所望の半導体基板の大きさ、導電性（抵抗値）などに応じて適宜設定される。

次に、図２（ｄ）に示すように、細孔１５の側壁に第３の絶縁層１６を形成する。第３の絶縁層１６は、例えば厚さ１μｍ程度のシリコン酸化膜を用いることができる。シリコン酸化膜を形成する方法としては、プラズマＣＶＤ法、熱酸化法、スパッタリング法などが挙げられる。細孔１５の側壁に第３の絶縁層１６を形成することにより、後工程で細孔１５内に形成される貫通配線１７ａ，１７ｂと半導体基板１１とが電気的に絶縁される。

次に、図２（ｅ）に示すように、第２の絶縁層１４の上に、複数本が略平行に並設された第２の金属配線１８を形成する。第２の金属配線１８は、例えばスパッタリング法により金属薄膜を形成した後、必要に応じて適宜の方法でパターニングすることにより、形成することができる。別の方法としては、めっき法などが挙げられる。

第２の金属配線１８を構成する材料としては、例えばアルミニウム（Ａｌ）が挙げられるが、特にこれに限定されるものではなく、そのほか、金、白金、チタン、銀、銅、ビスマス、錫、ニッケル、クロム、亜鉛などの金属、およびこれらの合金などから選択して用いることができる。また、第２の金属配線１８が複数の導電性材料層からなる積層体であっても良い。平面配線である第２の金属配線１８と貫通配線１７ａ，１７ｂと貫通配線との密着性を高めるために、導電性材料の組み合わせを適宜選択して組み合わせることが好ましい。

次に、図２（ｆ）に示すように、細孔１５を通じて第２の絶縁層１４のうち細孔１５に面している部分を除去し、第２の絶縁層１４に開口部１４ａを形成する。開口部１４ａは、例えばエッチング法によって形成することができる。シリコン酸化膜の場合、エッチングガスとして四フッ化炭素（ＣＦ_４）を用い、ＲｅａｃｔｉｖｅＩｏｎＥｔｃｈｉｎｇ法（以下「ＲＩＥ法」）を利用したドライエッチング法が挙げられる。

次に、図２（ｇ）に示すように、細孔１５内に導電性物質を充填して貫通配線１７ａ，１７ｂを形成する。このとき、第２の絶縁層１４の開口部１４ａを通じて貫通配線１７ａ，１７ｂと第２の金属配線１８とが電気的に接続される。貫通配線を形成する方法としては、溶融金属吸引法、印刷法、メッキ法などが挙げられる。

ここで、溶融金属吸引法とは、真空チャンバ内などの減圧環境下で半導体基板を溶融金属浴に浸した後、増圧する（例えば、真空度を低くしたり、大気圧とする）ことによって、細孔内に溶融金属を充填する方法である。この溶融金属吸引法では、例えば、導電性物質として、金（Ａｕ）８０重量％−錫（Ｓｎ）２０重量％からなる共晶金属が挙げられる。溶融金属吸引法を用いて、細孔内に導電性物質を充填すれば、微細な細孔内にも効率良く導電性物質を充填することができる。また、細孔内の端部まで導電性物質を充填することができるから、この導電性物質によって形成される貫通配線１７ａ，１７ｂと第２の金属配線１８とが電気的に接続される。

なお、溶融金属吸引法によって細孔内に充填される導電性物質としては、金８０重量％−錫２０重量％からなる共晶金属に限定されるものではなく、このほか、異なる組成の金−錫合金や、錫、インジウムなどの金属、または、錫−鉛系、錫基、鉛基、金基、インジウム基、アルミニウム基などのはんだを使用することができる。

また、印刷法では、例えば、孔版印刷法により、銅（Ｃｕ）ペーストを細孔内に充填する。印刷法を用いて、細孔内に導電性物質を充填すれば、半導体基板の主面の面積が大きくなっても、細孔内に均一に、効率良く導電性物質を充填することができる。また、細孔内の端部まで導電性物質を充填することができるから、この導電性物質によって形成される貫通配線１７ａ，１７ｂと第２の金属配線１８とが電気的に接続される。なお、印刷法によって細孔内に充填される導電性物質としては、銅ペーストに限定されるものではなく、このほか、銀ペースト、カーボンペースト、金−錫ペーストなどの導電性ペーストを使用することができる。また、銅めっき法などのめっき法などによっても、同様の貫通配線を形成することができる。

次に、図２（ｇ）に示すように、第１の絶縁層１３の上に、複数本が略平行に並設された第１の金属配線１９を形成するとともに、ソレノイドアンテナ２０の両端２０ａ、２０ｂを、入出力電極１２と接続するための第３の金属配線２２を形成する。図１に示す形態例では、第３の金属配線２２の入出力電極１２側の端部にはパッド２１が設けられ、このパッド２１が第１の開口部１３ａを通じて入出力電極１２と電気的に接続されている。

第１の金属配線１９および第３の金属配線２２は、例えばスパッタリング法により金属薄膜を形成した後、必要に応じて適宜の方法でパターニングすることにより、形成することができる。別の方法としては、めっき法などが挙げられる。

第１の金属配線１９および第３の金属配線２２を構成する材料としては、例えばアルミニウム（Ａｌ）が挙げられるが、特にこれに限定されるものではなく、そのほか、金、白金、チタン、銀、銅、ビスマス、錫、ニッケル、クロム、亜鉛などの金属、およびこれらの合金などから選択して用いることができる。また、第１の金属配線１９や第３の金属配線２２が複数の導電性材料層からなる積層体であっても良い。平面配線である第１の金属配線１９および第３の金属配線２２と貫通配線１７ａ，１７ｂとの密着性を高めるために、導電性材料の組み合わせを適宜選択して組み合わせることが好ましい。

第１の金属配線１９は、図１に示すように、第１の金属配線１９の一端１９ａが第１の貫通配線１７ａを介して第２の金属配線１８の一端１８ａと接続され、第１の金属配線１９の他端１９ｂが第２の貫通配線１７ｂを介して第２の金属配線１８の他端１８ｂと接続されるように設けられる。

また、図１、図２（ｆ）に示すように、第３の金属配線２２のうち一方（図１において右側に配されるもの）は、一端が開口部１３ａ上に設けられたパッド２１を通じて入出力電極１２に接続され、他端が、ソレノイドコイル２０の一端２０ａに対応する第１の貫通配線１７ａを介して第２の金属配線１８の一端１８ａと接続されるように設けられる。また、第３の金属配線２２のうち他方（図１において左側に配されるもの）は、一端が開口部１３ａ上に設けられたパッド２１を通じて入出力電極１２に接続され、他端が、ソレノイドコイル２０の他端２０ｂに対応する第２の貫通配線１７ｂを介して第２の金属配線１８の他端１８ｂと接続されるように設けられる。

ソレノイドアンテナ２０においては、一端２０ａから他端２０ｂまで、第１の金属配線１９、第１の貫通配線１７ａ、第２の金属配線１８および第２の貫通配線１７ｂが順に直列接続されている。特定の第２の金属配線１８の一端１８ａに接続された第１の貫通配線１７ａを介して接続される第１の金属配線１９と、当該第２の金属配線１８の他端１８ｂに接続された第２の貫通配線１７ｂを介して接続される第１の金属配線１９とは、第１の絶縁層１３上において互いに隣り合うものであるので、第１の金属配線１９、第１の貫通配線１７ａ、第２の金属配線１８および第２の貫通配線１７ｂが順に直列接続されたものがソレノイドの１巻きに対応し、これらが全体として、一端２０ａから他端２０ｂまでにおいて、１つのソレノイドコイルを構成している。

上記の方法によって、図１に示すように、第１の金属配線１９の一端１９ａと第２の金属配線１８の一端１８ａとが第１の貫通配線１７ａを介して接続されるとともに、第１の金属配線１９の他端１９ｂと第２の金属配線１８の他端１８ｂとが第２の貫通配線１７ｂを介して接続し、第１の金属配線１９、第１の貫通配線１７ａ、第２の金属配線１８および第２の貫通配線１７ｂからなる配線結線を形成することにより、半導体基板１１の平面方向と垂直な向きに中心軸線を有するソレノイドアンテナ２０を形成することができる。

本発明は、ＲＦ−ＩＤ用の半導体モジュールに利用することができる。また、ソレノイドコイル配線を、アンテナ以外の用途、例えば高周波ＩＣ用のインダクタとして利用することもできる。

本発明の半導体装置の一例における配線結線の様子を示す斜視図である。（ａ）〜（ｈ）は、本発明の半導体装置の製造工程の一例を説明する断面図である。

符号の説明

１０…半導体装置、１１…半導体基板、１１ａ…一方の面、１１ｂ…他方の面、１２…入出力電極、１３…第１の絶縁層、１３ａ…開口部、１４…第２の絶縁層、１６…第３の絶縁層、１７ａ…第１の貫通配線、１７ｂ…第２の貫通配線、１８…第２の金属配線、１８ａ…第２の金属配線の一端、１８ｂ…第２の金属配線の他端、１９…第１の金属配線、１９ａ…第１の金属配線の一端、１９ｂ…第１の金属配線の他端、２０…ソレノイドコイル（アンテナ）、２１…パッド、２２…第３の金属配線。

Claims

一方の面に集積回路への入出力電極が設けられた半導体基板と、
前記半導体基板の前記一方の面上に設けられ、前記入出力電極と整合する位置に開口部を有する第１の絶縁層と、
前記半導体基板の他方の面上に設けられた第２の絶縁層と、
前記第１の絶縁層上に複数本が略平行に並設された第１の金属配線と、
前記第２の絶縁層上に複数本が略平行に並設された第２の金属配線と、
前記第２の金属配線の一端側で前記半導体基板を貫通した複数個の第１の貫通配線と、
前記第２の金属配線の他端側で前記半導体基板を貫通した複数個の第２の貫通配線とを備え、
第１の金属配線の一端と第２の金属配線の一端とが前記第１の貫通配線を介して接続されるとともに、第１の金属配線の他端と第２の金属配線の他端とが前記第２の貫通配線を介して接続されることにより、前記第１の金属配線、第１の貫通配線、第２の金属配線および第２の貫通配線からなる配線結線が前記半導体基板の平面方向と垂直な向きに中心軸線を有するソレノイドアンテナを構成しており、前記ソレノイドアンテナは、前記第１の絶縁層上に設けられた第３の金属配線によって前記入出力電極と接続されていることを特徴とする半導体装置。