JP4141857B2 - 半導体装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置に係り、より詳しくは、外部と非接触で通信を行うRF−ID等を構成する半導体チップに形成されるアンテナ接続用の電極の配列に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来よりリーダライタ装置との間で通信を行うRF−IDと呼ばれる半導体装置が提案されている。この半導体装置は、リーダライタ装置との間で非接触通信を行うためアンテナを備えている。アンテナは、通常、半導体チップの外部に設けられ、ボンディング等により半導体チップに設けられた電極と接続される。この明細書において、このような構成におけるアンテナを外部アンテナと呼ぶ。最近は、さらに半導体モジュールを小型化する等の目的からアンテナを半導体チップ上に形成する技術が実現されている。この明細書において、このような構成におけるアンテナをチップ上アンテナと呼ぶ。
外部アンテナを接続する場合には、半導体チップの2つの外部アンテナ接続用電極は、通常ボンディングにより外部アンテナと接続されるため、双方とも半導体チップの外縁部に設けることが一般的である。
【0003】
チップ上アンテナを接続する場合における、半導体チップのチップ上アンテナ接続用電極は、例えば、半導体チップの中央部に一方の電極が設けられ、さらに他方の電極を半導体チップの外縁部に設け、双方の電極にコイル状のチップ上アンテナを接続する構成としている。また、特許文献1に示されるように、半導体チップの外縁部に2つの電極(特許文献1の図6における端子21A及び端子22A)を設け、一方の電極(特許文献1の図6における端子21A)を再配線により引き延ばし、中央部に電極(特許文献1の図6における端子21B)を形成する構成を採用することも提案されている。
【0004】
【特許文献1】
特開2001−351082号公報
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、2つの外部アンテナ接続用電極がチップ外縁部に設けられた半導体チップ上に複数ターンのコイル上アンテナを設けるためには、単層のアンテナではアンテナ両端と電極を接続不可能であり複数層にすることが必要となる。反対に、チップの中央部と外縁部にアンテナ接続用電極を設けたチップ上アンテナ用電極に外部アンテナを接続しようとした場合、電極間の距離が狭く、アンテナ接続工程で電極が短絡するといった問題がある。
【0006】
また、この特許文献1に示された構成によれば、再配線により中央部に電極を再配置しているため、その工程分、製造工程が増加し、製造コストが増加するという問題点がある。また、再配線後の電極(特許文献1の図6における端子21A)は、絶縁膜に覆われてしまうため、外部アンテナと接続するためには、再配線により中央部に設けられた電極(特許文献1における端子21B)と、外縁部の電極(特許文献1における端子22B)と接続させる必要がある。
【0007】
また、従来は、外部アンテナ又はチップ上アンテナのいずれか一方を接続するための専用の半導体チップのみ提案され、容易に、外部アンテナ又はチップ上アンテナのいずれか一方を接続することができる半導体チップは提案されていない。
【0008】
本発明は、このような問題点を解決するためになされたもので、外部アンテナとの接続及びチップ上アンテナとの接続の両方に対応可能な半導体装置を提供することを目的とする。
【0009】
さらに、本発明は、製造容易な半導体装置を提供することを目的とする。
【0010】
【課題を解決するための手段】
本発明にかかる半導体装置は、半導体チップの外縁部に設けられ、チップ上アンテナ及び外部アンテナとの接続用の第1の電極(例えば、本実施の形態におけるアンテナ接続用電極パッド1a)と、当該半導体チップの外縁部に設けられ、外部アンテナとの接続用の第2の電極(例えば、本実施の形態におけるアンテナ接続用電極パッド2)と、前記第1の電極及び前記第2の電極より内側に設けられたチップ上アンテナ接続用電極(例えば、本実施の形態におけるアンテナ接続用電極パッド1b)と、当該半導体チップに形成された回路を備えた半導体装置であって、前記第1の電極及び前記第2の電極は、内部配線により前記回路と接続され、前記チップ上アンテナ接続用電極は、内部配線により前記回路及び前記第2の電極と接続されているものである。このような構成を有する半導体装置は、外部アンテナとの接続及びチップ上アンテナとの接続の両方に対応することができる。特に、チップ上アンテナ接続用電極は、内部配線により第2の電極と接続されているため、再配線により接続する場合に比べて、製造工程が少なく、製造コストを低減することができる。
【0011】
また、前記第1の電極及び前記第2の電極は、半導体チップの角部近傍であって、それぞれ別の角部近傍に配置することにより、外部アンテナとワイヤボンディングにより接続する場合に、十分に両電極間の距離が離れているため、両者の短絡を減らすことができる。
【0012】
さらに、前記チップ上アンテナ接続用電極と前記第1の電極は、絶縁層を介して形成されるチップ上アンテナと接続されることが好ましい。
【0013】
また、前記第1の電極及び前記第2の電極が接続された外部アンテナを備えるようにしてもよい。
【0015】
好適な実施の形態におけるチップ上アンテナ接続用電極は、半導体チップに形成された電極上に形成された絶縁層に開口部を設けることにより形成されている。また、好適な実施の形態における内部配線は、半導体チップの内部に形成された配線である。さらに、好適な実施の形態におけるチップ上アンテナ接続用電極は、半導体チップの中央領域に設けられており、第1の電極及び第2の電極よりも主面の面積において小さい。
【0016】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態にかかる半導体装置である半導体チップについて図面を用いて説明する。図1は、チップ上アンテナ及び外部アンテナを接続する前の半導体チップ10のアンテナ接続用パッドの配線例を示す図である。
【0017】
図1では、ウエハ上の2つの半導体チップが示されており、これらの半導体チップ10の間がダイシングエリアとなる。この半導体チップ10は、例えば、複数の回路ブロックを備えたものである。ここで、回路ブロックには、データやチップを識別する識別情報などの情報を記憶するメモリと、CPUのような論理制御回路を内蔵する。メモリはデータを保存するROM、RAM、EEPROM、FRAMなどから構成され、論理制御回路はCPUやワイヤードロジックにより実現される。
【0018】
半導体チップ10は、チップ上アンテナや外部アンテナを接続することによりリーダライタユニットと識別情報に基づいて交信したり、論理制御回路が所定の処理を行ったりすることができる。さらに、回路ブロックは、復調回路と変調回路とを含む送受信回路と、受信した電波を電力に変える電源回路とを有する。変調回路や復調回路は論理制御回路によって制御されて、クロックに同期して動作を行う。
【0019】
送受信回路の復調回路は、受信した電波を検波した後データを得るために基底帯域信号を復元する。また、送受信回路の変調回路は、データを送信するために搬送波を送信データに応じて変化させてアンテナに送信する。変調方式は、例えば、キャリア(搬送)周波数の振幅を変えるASK、位相を変えるPSKなどを使用することができる。半導体チップ10は、バッテリを内蔵しておらず、その電源回路は接続したアンテナが受信した電波から電磁誘導によってその動作電力を得る。
【0020】
図1に示されるように、半導体チップ10では、アンテナ接続用電極パッド1a、1b、2がチップ面に形成される。アンテナ接続用電極パッド1a、2は、半導体チップ10の外縁部、即ち周辺部に設けられている。より詳細には、アンテナ接続用電極パッド1aは、角部近傍に設けられ、アンテナ接続用電極パッド2は、別の角部近傍に設けられている。尚、この例では、アンテナ接続用電極パッド1aと2とは、隣の角部近傍に設けられているが、対角となる角部近傍にそれぞれ設けるようにしてもよい。アンテナ接続用電極パッド1bは、アンテナ接続用電極パッド1a、2よりも内側に設けられており、この例では、半導体チップ10の中央領域に設けられている。
【0021】
アンテナ接続用電極パッド1a、1bは、チップ上アンテナと接続する場合に用いられる。アンテナ接続用電極パッド1a、1bを図1に示されるような配置とすることにより、複数の巻線(10〜50ターン)で形成されるアンテナ形成領域を跨ぐための多層配線とすることなく単層によりアンテナ配線を形成することが可能となる。
【0022】
アンテナ接続用電極パッド1a、2は、外部アンテナと接続する場合に用いられる。半導体チップ10内に設けられた各種の内部回路(図示せず)と各パッドは内部配線より接続される。特に、アンテナ接続用電極パッド1bとアンテナ接続用電極パッド2とは、内部配線により接続されている。
【0023】
即ち、アンテナ接続用電極パッド1bは、チップ上アンテナを接続する場合には、そのチップ上アンテナと接続されるが、外部アンテナを接続する場合には、この外部アンテナとは接続されない。これに対して、アンテナ接続用電極パッド1aは、チップ上アンテナを接続する場合には、そのチップ上アンテナと接続され、外部アンテナを接続する場合にもこの外部アンテナと接続される。即ち、アンテナ接続用電極パッド1aは、チップ上アンテナ用の電極パッドと、外部アンテナ接続用の電極パッドを兼用している。
【0024】
ここで、図1では、このチップ内側に位置するアンテナ接続用電極パッド1bとチップの角部近傍に位置する外部アンテナ接続用電極パッド2とを接続する内部配線4のみ点線で示す。その他の内部配線については、図示を省略している。
【0025】
チップ内部に位置するアンテナ接続用電極パッド1bは、チップサイズを小さくする観点から、出来るだけ小さい方がよい。他方、アンテナ接続用電極パッド1a、2は、外部アンテナを接続するボンディング装置の精度の制限からある程度の面積を確保しなければならない。このような観点から、チップ内部に位置するアンテナ接続用電極パッド1bは、アンテナ接続用電極パッド1a、2よりも主面の面積において小さくなることが好ましい。
【0026】
図2は、本発明の実施の形態にかかる半導体チップ10の一部断面を示す図であり、アンテナと接続する前の段階を示す。図2は、図1のA−A’断面を示す。この例では、シリコン7の内部にメタル層4a、4bが別の層にそれぞれにおいて配線されている。そして、これらメタル層4aとメタル層4bの間は、ビア4cにより接続されている。
【0027】
このうち、メタル層4a及びビア4cは、チップ内部に形成された内部回路と、外部アンテナ接続用電極パッド1a、1b、2のそれぞれを接続し、かつ、アンテナ接続用電極パッド2とアンテナ接続用電極パッド1bとを接続するための内部配線である。メタル層4bは、チップ内部に形成された内部回路上の配線である。メタル層4は、例えば、Al(アルミニウム)やCu(銅)により形成される。
【0028】
シリコン7の上面には、絶縁層6が形成されている。この絶縁層6の直下には、通常パッシベーション層(図示せず)が設けられる。絶縁層6は、例えば、ポリイミドにより形成される。
【0029】
絶縁層6には、半導体チップ10の外縁部に相当する位置に、開口部が設けられている。絶縁層6の開口部からは、メタル層4aの一部が露出することになる。この露出したメタル層4aの一部が外部アンテナ接続用電極パッド2として機能する。
【0030】
絶縁層6は、外部アンテナ接続用電極パッド2を構成するための開口部に加えて、半導体チップ10の内側領域において、チップ上アンテナと接続するための開口部を有する。この開口部では、メタル層4aの一部が露出している。この露出したメタル層4aの一部がアンテナ接続用電極パッド1bとして機能する。
【0031】
このような状態における半導体チップ10は、再配線によるチップ上のアンテナを形成せずに外部アンテナ接続用電極パッド2、アンテナ接続用電極パッド1aを介してボンディングによりバルクコイル等からなる外部アンテナと接続することもできるし、半導体チップ10上に再配線技術によりチップ上アンテナを形成し、アンテナ接続用電極パッド1aおよびアンテナ接続用電極パッド1bを電気的に接続することもできる。即ち、小型化が可能となる半導体チップ上にアンテナを直接形成するコイルオンチップ型のRF−IDと長距離の通信要求に対応可能な外部アンテナ接続型のRF−IDの両方に対応可能な半導体チップを実現可能な構造になる。
【0032】
続いて、図3を用いて、チップ上アンテナが接続される、いわゆるコイルオンチップ型の半導体チップの構成について説明する。
【0033】
半導体チップ30では一対のアンテナ接続用電極パッド1a、1bがチップ上アンテナとの接続に用いられる。これらの電極パッド1a、1bは、銅などから構成される、チップ上アンテナであるアンテナコイル32が接続されている。また、半導体チップ30とアンテナコイル32とを一体形成しても良い。アンテナコイル32は半導体チップ30の内部回路に接続されるとともに、データ通信を行うリーダライタ装置側のパタンアンテナ(図示せず)と非接触に電磁結合されている。アンテナコイル32とパタンアンテナは互いに密着又は微小ギャップにより近接して配置され、アンテナコイル32はコイルオンチップ型の半導体チップにおける通信部として機能する。
【0034】
アンテナコイル32は、パタンアンテナとの配置、実装面積、その他の条件に応じて所望の寸法、形状、自己インダクタンス、相互インダクタンスを有する。例えば、上から見た場合にコイルの形状は正方形に限定されず、円形、四角形、楕円形などとしても良い。
【0035】
半導体チップ30は例えば、特開2000−323643号公報に開示されたIC素子と同様のものである。半導体チップ30は、図3に示すように、半導体チップ30の入出力端子であるアンテナ接続用電極パッド1a、1bの形成面側に、酸化シリコン膜や樹脂膜等の絶縁性の表面保護膜である絶縁層31(図2における絶縁層6に相当する)を介して、矩形スパイラル形状のアンテナコイル32を一体に形成して成る。絶縁層31におけるアンテナ接続用電極パッド1a、1bと対応する位置にフォトリゾグラフ法等を用いて開口部を形成し、この開口部を介して絶縁層31上に形成したアンテナコイル32と半導体チップ30の内部に形成された内部回路が電気的に接続される。
【0036】
なお、実用上十分な電力の供給を受け、かつ、リーダライタ装置のパタンアンテナとの間の通信特性を確保するためには、アンテナコイル32の線幅を7μm以上、線間距離を5μm以下、巻数を20ターン以上とすることが好ましい。
【0037】
図4に示されるように半導体チップ30の電極パッド30a(図3における電極パッド1aに相当する)及び電極パッド30b(図3における電極パッド1bに相当する)とアンテナコイル32との接続は、絶縁層31に設けられた開口部34を介して行われる。この場合、アンテナコイル32の形成位置が若干ずれた場合にも、電極パッド30aとアンテナコイル32との接続が確実に行われるように、開口部34の直径又は幅をアンテナコイル32の線幅よりも小さくすることがより好ましい。
【0038】
アンテナコイル32を構成する導体は、図4に示すように、金属蒸着層35と金属めっき層36を含む多層構造になっている。金属蒸着層35及び金属めっき層36は、任意の導電性金属をもって形成することができるが、比較的安価で導電率が高いことから、金属蒸着層35についてはアルミニウム、ニッケル、銅及びクロムから選択される金属又はこれらの金属群から選択される2種以上の金属の合金で形成することが好ましく、均質な単層構造とするほか、異なる金属層又は合金層を多層に積層した他層構造とすることもできる。一方、前記金属めっき層36は、銅で形成することが好ましく、無電解めっき法又は電気めっき法若しくは精密電鋳法により形成することができる。
【0039】
次に、チップ上アンテナを有する半導体チップ30の製造方法を図5及び図6に基づいて説明する。図5は、所定のプロセス処理を経て完成されたいわゆる完成ウエハ37の平面図、図6は半導体チップ30の製造方法を示す工程図である。
【0040】
図5に示すように、完成ウエハ37には、最外周部を除く内周部分に多数個のIC素子用の回路33が等間隔に形成されており、その回路形成面側には、所要の絶縁層31が形成されている。
【0041】
図3に示す構造を有する半導体チップ30の製造方法では、まず図6(a)に示すように、完成ウエハ37の回路形成面に形成された絶縁層31上に、アルミニウム又はアルミニウム合金若しくは銅又は銅合金を用いて、金属蒸着層35を均一に形成する。次いで、図6(b)に示すように、当該金属蒸着層35上にフォトレジスト層38を均一に形成し、形成されたフォトレジスト層38にコイルを含む所要のパターンが形成されたマスク39を被せ、マスク39の外側から所定波長の光40を照射してフォトレジスト層38を露光する。しかる後に露光されたフォトレジスト層38の現像処理を行い、図6(c)に示すように、フォトレジスト層38の露光部分を除去して、前記金属蒸着層35の前記露光パターンと対応する部分を露出させる。次いで、金属蒸着層35の露出部分に電気めっき又は精密電鋳を施し、図6(d)に示すように、金属蒸着層35の露出部分に金属めっき層36を積層する。次いで、完成ウエハ37の表面に付着したフォトレジスト層38をアッシング処理等によって除去し、図6(e)に示すように、均一な金属蒸着層35上に金属めっき層36が形成された完成ウエハ37を得る。次いで、金属めっき層36より露出した金属蒸着層35を選択的にエッチングし、図6(f)に示すように、金属めっき層36より露出した金属蒸着層35を除去する。これによって、金属蒸着層35と金属めっき層36からなり、アンテナコイルとなる導電パターンが形成された完成ウエハ37を得ることができる。最後に完成ウエハ37をダイシングすることで図3の構造のアンテナ一体型半導体チップが完成する。
【0042】
続いて、図7乃至9を用いて、外部アンテナを接続した場合の構成について説明する。図7乃至図9から明らかなように、本例のフレキシブルICモジュールは、半導体チップ10と、当該半導体チップ10の電極パッド1a、2に直接接続され、図示しないリーダライタ装置から半導体チップ10への電源の供給を非接触で受けると共にリーダライタ装置との間でデータの伝送を非接触で行う非接触伝送用コイルである外部アンテナ200とを、例えば常温においてシート状に成形されたホットメルト接着剤などの熱圧着性合成樹脂シート(フレキシブル基体)300の片面に熱圧着により固定した構成になっている。半導体チップ10及び外部アンテナ200は、その一部が熱圧着性合成樹脂の内部に埋設されるように熱圧着されるが、熱圧着性合成樹脂シート300の厚みや熱圧着時の加熱条件及び押圧条件等を工夫することによって、半導体チップ10及び外部アンテナ200が熱圧着性合成樹脂シート300の内部に完全に埋設されるように熱圧着することも可能である。
【0043】
いずれの場合にも、半導体チップ10及び外部アンテナ200は、接続部分を保護するために、電極パッド1a、2を熱圧着性合成樹脂シート300側に向けて熱圧着し、前記電極パッド1a、2を熱圧着性合成樹脂シート300内に埋設することが好ましい。
【0044】
半導体チップ10としては、任意のICチップを用いることができるが、搭載された非接触式ICカード等の製品の薄形化を図るため、全厚が300μm以下、好ましくは200μm以下に薄形化されたものを用いることが望ましい。また、特に薄形のカードに適用するためには、半導体チップ10として全厚が50μm〜150μm程度に薄形化されたものを用いることが好ましい。
【0045】
外部アンテナ200に関しては、銅やアルミニウムなどの良導電性金属材料からなる心線の周囲を樹脂などの絶縁層で被覆された線材から成るものを用いる。外部アンテナ200を構成する線材の直径は、20μm〜200μmであり、半導体チップ10と外部アンテナ200との接続を確実にするため、半導体チップ10に設けられた電極パッド1a、2の一辺の長さよりも小さいものが選択的に用いられる。外部アンテナ200は、所要の被覆が設けられ、かつ所要の直径を有する線材をICチップの特性に合わせて数回〜数十回ターンさせることにより形成される。半導体チップ10と外部アンテナ200の直接接続方式としては、ウェッジボンディング、ハンダ付け又は溶接が特に好適である。
【0046】
半導体チップ10と外部アンテナ200とをウェッジボンディングする場合には、図9(a)に示すように、半導体チップ10として電極パッド1a、2に予め金バンプ又はニッケルバンプ1dが形成されたものが用いられる。ニッケルバンプを形成した場合には、金バンプを形成した場合に比べて、半導体チップ10の低コスト化を図ることができる。金バンプ又はニッケルバンプ1dが形成された半導体チップ10を用いる場合、外部アンテナ200としては、接合用金属層200cを有しないものを用いることもできるが、接合をより容易かつ確実にするため、心線200aの周囲に金層が被覆されたものを用いることが特に好ましい。電極パッド1a、2と外部アンテナ200とのウェッジボンディングは、図9(a)に示すように、電極パッド1a、2に外部アンテナ200の端部を重ねあわせ、外部アンテナ200側よりボンディングツール51を押し付けて超音波を負荷し、そのエネルギによって絶縁層を炭化すると共にバンプ1dを溶融するすることによって行う。これによって、図9(b)に示すように、半導体チップ10の電極パッド1a、2と外部アンテナ200とが直接接続される。なお、これらの図に示すように、外部アンテナ200としては、金バンプ又はニッケルバンプ1dの幅よりも線径が小さい線材からなるものが用いられることは当然である。
【0047】
尚、本発明にかかる半導体装置の製造方法は、上述の方法には限定されず、任意の製造方法により製造することができる。
【0048】
【発明の効果】
本発明によれば、外部アンテナとの接続及びチップ上アンテナとの接続の両方に対応可能な半導体装置を提供することができる。さらに、本発明によれば、製造容易な半導体装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明にかかる半導体装置における配線例を示す図である。
【図2】本発明にかかる半導体装置の断面図である。
【図3】本発明にかかる半導体装置の構成を示す図である。
【図4】本発明にかかる半導体装置の一部断面図である。
【図5】完成ウェハの平面図である。
【図6】本発明にかかる半導体装置の製造方法の工程図である。
【図7】本発明にかかる半導体装置の構成を示す図である。
【図8】本発明にかかる半導体装置の一部を示す図である。
【図9】本発明にかかる半導体装置の製造工程における一部断面図である。
【符号の説明】
1a、1b、2、30a 電極パッド
4a メタル層(内部配線)
4b メタル層(回路)
10、30 半導体チップ
32 チップ上アンテナコイル
200 外部アンテナコイル
Claims (5)
- 半導体チップの角部近傍であって、露出された上面に設けられ、チップ上アンテナ又は外部アンテナとの接続用の第1の電極と、
前記第1の電極が設けられる角部とは異なる位置の当該半導体チップの角部近傍であって、露出された上面に設けられ、外部アンテナとの接続用の第2の電極と、
当該半導体チップの中央領域であって、露出された上面に設けられ、チップ上アンテナとの接続用のチップ上アンテナ接続用電極と、
当該半導体チップに形成された回路を備え、
前記第1の電極及び前記第2の電極は、内部配線により前記回路と接続され、
前記チップ上アンテナ接続用電極は、内部配線により前記回路及び前記第2の電極と接続され、
前記チップ上アンテナを取り付ける場合は、前記チップ上アンテナが前記第1の電極と前記チップ上アンテナ接続用電極に接続され、前記外部アンテナを取り付ける場合は、前記外部アンテナが前記第1の電極及び前記第2の電極に接続されることを特徴とする半導体装置。 - 前記チップ上アンテナ接続用電極と前記第1の電極は、絶縁層を介して形成されるチップ上アンテナと接続されることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
- 前記チップ上アンテナ接続用電極は、半導体チップに形成された電極上に形成された絶縁層の開口部を設けることにより形成されていることを特徴とする請求項1又は2に記載の半導体装置。
- 前記内部配線は、半導体チップの内部に形成された配線であることを特徴とする請求項1乃至3いずれかに記載の半導体装置。
- 前記チップ上アンテナ接続用電極は、前記第1の電極及び前記第2の電極よりも主面の面積において小さいことを特徴とする請求項1乃至4いずれかに記載の半導体装置。
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