JP4444683B2 - コイル状アンテナを有する半導体チップ及びこれを用いた通信システム - Google Patents

Description

本発明は、外部装置と無線で信号を送受信する半導体チップであって、コイル状アンテナと外部装置との電磁結合係数を増加させる構成を具備する半導体チップ、及びこれを用いた通信システムに関するものである。

外部装置（リーダライタ）から無線信号を送り、タグにおけるメモリの記録情報などを読み取るRFID(Radio Frequency Identification)は、ユビキタス社会に向けた根幹技術として注目されている。日本国内においては、電波法で規定された１３.５６MHzや２.４５GHzなどを共振周波数とする無線通信技術が開発されている。

RFIDタグの第１の例は、コイル状アンテナが形成されたクレジットカードサイズのPET基板と半導体チップで構成されるRFIDタグである。又、RFIDタグの第２の例は、ID情報が記録された０.４ｍｍ角の半導体チップと、例えば５６×２ｍｍの矩形アンテナが形成されたフレキシブル基板とで構成されるRFIDタグである。超小形な半導体チップのため、紙にも実装可能である。

このようなRFIDは、リーダライタとタグが非接触で通信する。即ち、リーダライタのトランスから放射された電磁波がコイル状アンテナを貫通し、コイル状アンテナに起電力が生じる。起電力は直流に変換され、タグの半導体チップを駆動させる。半導体チップでは、予めプログラムされた手順の処理を行い、IDをはじめとする情報をリーダライタへ送信する。半導体チップの情報は、コイル状アンテナを経てリーダライタへ返信される。リーダライタはサーバなどの大規模演算ストレージ装置に接続されており、例えば、乗車券の精算、農作物の生産および流通の情報管理などを行う。非接触での通信は、磁気カードよりもセキュリティの高いシステムであり、有価証券の偽造防止にも期待される。また、磁気カードやバーコードと比較してそのデータ容量は桁違いに大きく、汚れや遮蔽物の影響も受けにくい利点ももつ。

規格の標準化も進んでいる。リーダライタからの交流磁場領域に複数のタグが存在するとき、リーダのリクエストコマンドに対してタグがランダムに応答すると、信号が重なって、リーダは正確にデータを受信できない。そのため、共振周波数１３.５６MHzでのISO１５６９３では、衝突防止処理によりタグのIDを認識し、選択されたタグを活性状態にする手順（アンチコリジョン）について規定している。

又、コイル状アンテナをRFIDのチップサイズ程度に縮小した従来技術として、特開２００２-１４０７２号公報が挙げられる（特許文献１）。イオン感応性FETなどのセンサとコイル状アンテナなど通信機能を備えた半導体チップと、これを用いた計測システムが提供されている。半導体チップは、物質の量的あるいは濃度の変化を検出するセンサ部と、検出結果を処理する制御部と、信号を外部へ送信する一方、その送信動作とセンサ部及び制御部の動作に必要なエネルギを外部から受け取るアンテナ部とで構成され、これらを単一の集積回路素子として形成するとしている。

このように、RFIDは、従来のIDシステムを遙かに上回る特性を有しており、非常に高く期待された技術である。

特開２００２-１４０７２号公報

紙をはじめとするあらゆる物体に内蔵するには、RFIDの小形化が必須である。半導体チップについては、集積度の飛躍的な向上により、メモリやRF回路などをはじめとするRFIDに必要な機能のサイズは小さくなっている。これに加え、制御部をも単一チップに盛り込んだシステムオンチップも登場しており、RFID用半導体チップは今後とも小形化、多機能化が進むと考えられる。

一方、半導体チップの駆動に必要な電力供給およびコマンド送信と、半導体チップからリーダライタへの返信は、いわゆる電磁結合型の通信により行う。図１に模式図を示し、以下に説明する。図１は電磁結合を説明する模式図である。符号５１は透磁率μｒでありループ面積Ｓｔａｇのループを、その下部に巻き数ｎのコイル状アンテナを示している。アンテナに対向して、このアンテナと信号を送受信するトランス５４が配置される。符号５２は電圧計、符号５３は交流電源、符号２０３は交流磁場（磁力線）を示す。

リーダライタに設けたインダクタンスLrwのトランスに、電源から共振周波数の交流電流Irwを流すことで、磁束Φrwが発生する。Φrwの一部であるΦtagが、インダクタンスLtagのタグのコイル状アンテナを貫通し、起電力Vtagが生じる。ここで、

これらの（式１）（式２）は、透磁率の高い磁性体により向上させた磁束密度Btagがタグの大きなループ面積Stagを通過することにより、高い起電力Vtagを得ることができることを示している。

又、コイル状アンテナとトランス間の距離や構造に起因する結合係数kを用いて、（式３）（式４）からも説明できる。

ここでMは相互インダクタンスである。小型コイル状アンテナでは小さなループ面積Stagを貫通する磁束Φtagは小さく、半導体チップの駆動に必要以上の起電力Vtagを得ることは困難となり、返信時の通信効率も低下する。

インダクタンスLの他にVtagの変数としては、結合係数k(０＜k≦１)と電流値Irwがある。大きなVtagを得るには、コイル状アンテナとトランスとの間の距離、即ち、通信距離を短くすることで結合係数kを１に近づける方法やIrwを増加する方法がある。しかし、前者はRFIDの使用環境を大きく制限し、後者はチップからの返信がリーダライタからの信号にかき消され、読み取れなくなる。その為、従来は、コイル状アンテナを貫通する十分な磁束を得るため、ループ面積StagはメモリやRF回路などに必要な半導体チップサイズよりも遙かに大きく設計されることが多かった。このことが、従来のRFIDの実装対象すなわち適用製品群を制限していた。特開２００２-１４０７２号公報のように、チップ上にコイル状アンテナを形成する場合、上記の理由により通信距離が非常に短くなることが予想される。

このように、小形アンテナ、理想的には半導体チップサイズのコイル状アンテナにより、用途に応じた環境で十分な通信距離を得る技術が必要となる。

上記課題を解決するための本発明の一様態によれば、スパイラル形状のコイル状アンテナと回路面を有し、外部装置と無線で信号を送受信する通信部を備えた半導体チップであって、アンテナコイルと外部装置との結合係数を増大させる構成を有する半導体チップである。このアンテナコイルと外部装置との結合係数を増大させる構成の主な例としては、次のような諸形態を考えることが出来る。
（１）磁性体を配置し磁束を集中させる形態。
（２）コイル状アンテナとして複数層の積層構造体とする。インダクタンス、Ｌを増大させることが出来る。
（３）半導体チップの回路によるコイル状アンテナの鏡像効果を利用した形態。より具体的に説明すれば、アンテナコイルの囲まれる中央部に回路面を集中させ対角線状に鏡像効果を持たせるものである。
（４）上記（１）より（３）の各形態を組み合わせて用いる形態。

先ず、磁性体を配置し磁束を集中させる形態である。この形態の代表的な諸例を列挙すれば、次の通りであえる。

即ち、本発明の趣旨は、コイル状アンテナと、当該コイル状アンテナを用いて信号を外部装置と送受信する為の回路と、前記コイル状アンテナと外部装置との電磁結合に関する結合係数の増大をはかる機構とをする半導体チップである。前記コイル状アンテナはスパイラル形状が代表的な形態である。

本発明の第１の形態は、前記コイル状アンテナと外部装置との電磁結合に関する結合係数の増大をはかる機構が、当該半導体チップのチップ面側に磁性体を搭載した機構である。

前記磁性体を搭載する半導体チップのチップ面は、前記半導体チップの前記コイル状アンテナを搭載する側の面、或いは前記半導体チップの前記コイル状アンテナを搭載する側と反対の面を取ることが出来る。

本発明は、前記前記半導体チップの前記コイル状アンテナを搭載する側の面に、所望物質に感応する感応部材を配置する形態に利用することが出来る。

さて、本発明の趣旨は次の通りである。前記（式１）（式２）のように、磁性体の透磁率μrに比例して、ループ面積Stagを貫く磁束は増える。磁性体のない場合の磁力線の様子を図２Ａに、ある場合を図２Ｂに、それぞれ模式的に示す。図２Ａの例では、シリコンウエハ１０１上に高分子樹脂層１０２が形成されている。そして、この高分子樹脂層１０２上にコイル状アンテナ１０４が搭載される。図２Ｂの例では、前記コイル状アンテナ１０４の内部に磁性体１３０が搭載されている。図において、符号２０３は交流磁場、即ちこの磁力線を示している。

更に、前記（式３）（式４）においても、起電力Vtagに対する磁性体の効果を示しており、チップだけでなく、リーダライタのトランスにも透磁率の高い磁性体を配することが有利であることがわかる。磁性材料の一例を以下に示す。日立金属製MN５０S（商品名）は、１０MHzにおける透磁率が２００を超えるNi-Zn系フェライト材料として例示される。又、日立金属製アブゾシールド（商品名）K-Eシリーズは、軟磁性体粉末と樹脂の混合シートであり１GHzで透磁率８.５を実現している。通信に使用する周波数領域に対し、透磁率の高い材料を適宜選択することが、起電力Vtagを大きくする効果を奏する。

タグのコイル状アンテナのループ面積Stagは大きく、又、巻数が多い方が、大きな起電力Vtagを得るのに有効だが、小形RFIDの場合、コイル状アンテナの実装面積は小さく制限される。外形サイズを制限されたコイル状アンテナでは、配線密度を向上させることでループ面積と巻数の両方を大きくすることができる。これに加え、同じ方向に巻いたコイルを積層した積層構造体は、大きな自己インダクタンスを得ることができる。例えば、第１層が外側から内側にその径を狭めながら右巻きに、第２層は内側から外側に径を拡大させながら同じく右巻きに巻いた構成とする。さらにコイル長ｌが短い方が有効であり、層間絶縁膜厚を小さくするとよい。

トランスからの交流磁場に対してコイル状アンテナを共振させるには、所望の周波数におけるリアクタンス成分が０に近いほど望ましい。小形のコイル状アンテナの場合、リアクタンスは誘導性を示すことが多く、アンテナ部に容量性のリアクタンス、即ち、コンデンサをタグの共振回路に挿入することが一般的に行われる。ここで、例えば誘電体としてＳｉＯ_２、電極間距離を１０ｎｍとした薄膜コンデンサにより１pF形成するためには、（式５）より、約２.９×１０^-１０ｍ^２の面積の電極が必要である。これは、正方形とした場合、一辺１７μｍ程度である。そのため、小さな半導体チップに占める薄膜コンデンサの実装面積は、小さく抑えられることが望まれる。そこで、コイル状アンテナにより高い寄生容量を内包することにより、共振周波数を調整するために挿入するコンデンサ容量を小さく、すなわちコンデンサの実装面積を小さくできる。厚い配線、短い配線間隔、高い比誘電率材料による配線の被覆は、上記に対する効果がある。

又、コイル状アンテナを複数層の積層構造体とした場合、層間における寄生容量を高めることができる。このとき、図３Ａに示すように、大きい配線幅のコイル配線の平行成分をコイル平面の法線方向に重ね、高い比誘電率の薄い配線層間絶縁膜とした構造は、より高い寄生容量を得るに効果的である。

図３Ａの例では、シリコンウエハ１０１に半導体集積回路が形成され、その上部面が符号１０９で示される。この上部に設けられた高分子樹脂層１０２を介して、コイル状の第１のアンテナ第１層１０４１、コイル状の第２のアンテナ第２層が配置されている。最上部は保護用の高分子樹脂膜１０７で覆われる。この高分子樹脂膜１０７としてはポリイミド樹脂が好適である。図３Ｂは図３Ａの構造における、層間の寄生容量を説明する断面図である。コイル状の第１のアンテナ第１層１０４１とコイル状の第２のアンテナ第２層との間の容量が図示される。その他、図中の符号は図３Ａと同様である。

次に、コイル状のアンテナの鏡像効果を利用する形態を説明する。電荷近傍に金属板があると、鏡像の効果により、金属板の面対称位置に逆電荷が存在するものと同じ電磁力線を描くことが、一般的に知られている。電流の流れるコイル状アンテナとアルミニウムなどで構成される半導体チップの回路面も、同様の関係にあり、コイル状アンテナの回路面に対する対称位置に鏡像があるときと、同様の磁力線が発生する。そのため半導体チップの集積回路が、コイル状アンテナ配線の直下にある場合（図４Ａ）と、コイル状アンテナ配線の内部にある場合（図４Ｃ）では、鏡像ができる場所が異なる。図４Ａは金属板１１０が電流経路１５１に対して、どのように鏡像を形成するかを説明する図である。電流経路１５１はその周囲に交流磁場２０３を形成し、金属板１１０によりその鏡像、即ち、電流経路の鏡像１５２及び鏡像による交流磁場２０４を形成する。図４Ｂは、具体的なコイル面の下に導体１１０が存在する場合の磁力線の状態を示している。コイルによる電流経路１５１は交流磁場２０３を形成し、導体１１０によって、この電流経路の鏡像１５２及び鏡像による交流磁場２０４が形成される。この結果、図４Ｂの紙面上の縦方向の磁力線は弱め合い、横方向の磁力線２０５は強め合う。一方、図４Ｃは、金属板１１０が、コイル状アンテナ配線の内部にある場合の磁力線の状態を示している。コイルによる電流経路１５１は交流磁場２０３を形成し、導体１１０によって、電流経路１５１の金属板１１０に対する対角線位置に、この電流経路の鏡像１５２及び鏡像による交流磁場２０４が形成される。この結果、図４Ｄの紙面上の縦方向の磁力線２０５が強め合う。

このように、コイル状アンテナの真下に半導体チップの回路面がある場合、コイル状アンテナの磁力線と鏡像の磁力線は、図の縦方向の磁力線を弱めあうため、図４Ｂのように、コイル状アンテナを通過する磁束Φtagを減ずる。これに対し、半導体チップの回路面に対して面対称位置にコイル状アンテナが存在する場合、図４Ｃに原理を示すように、縦方向の磁力線を強めあい、結果として、図４Ｄのように、Φtagを増加させる効果を奏する。

以上詳細に説明したように、所望の周波数におけるコイル状アンテナのリアクタンスが０に近づく様な高い寄生容量と高いインダクタンスを有するコイル状アンテナとし、コイル状アンテナの内部にチップ回路を配することが、通信特性を高める効果を奏する。

このように、所望の周波数におけるコイル状アンテナのリアクタンスが０に近づく様な高い寄生容量と高いインダクタンスを有するコイル状アンテナとし、コイル状アンテナの内部にチップ回路を配することにより、通信特性を高める効果を奏する。

本発明は、コイル状アンテナを有する半導体チップにおいて、半導体チップのサイズの増大を抑えつつ、用途に応じた諸環境での、当該半導体チップを用いた通信の十分な通信効率を確保することを可能とする。又、装置サイズの増大を抑えつつ、コイル状アンテナを有する半導体チップを用いた電磁結合型通信を、十分な通信効率で行うことを可能とする。

以下、本発明の実施の形態について、図を用いて説明する。尚、本発明はこれらの実施例に限定されるものではないし、実施例に記載の半導体チップを適宜組み合わせてもよいことは言うまでもない。

＜実施例１＞
本実施例におけるセンサ機能を有する半導体チップの構成を図５に模式的に示す。半導体チップ１００には、リーダライタ２０１が配置される。リーダライタ２０１は、センサ機能を有する半導体チップ１００に交流磁場を送信し、半導体チップ１００からの返信を受信する機能を有する。尚、リーダライタ２０１はPC（Ｐｅｒｓｏｎａｓｌ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ）などの制御装置２００により制御される。この送信部にはスパイラル状に形成されたトランス２０６などが使用される。

一方、センサ機能を有する半導体チップ１００はチップ化されており、その内部構成は機能別に、アンテナ部２０７、RF部２０８、制御部２０９、センサ部２１０に区分できる。アンテナ部２０７では、センサ機能を有する半導体チップ１００の駆動に必要な交流磁場２０３を外部リーダライタ２０１から受信する。アンテナ部２０７を介して供給された交流磁場２０３は、RF部２０８や制御部２０９などによりセンサ機能を有する半導体チップ１００の駆動に必要な電力やクロックとして抽出され、受信信号の復調、送信信号の変調やクロックの変換を処理する。又、センサ部２１０を駆動させ、検出した信号を制御部内のメモリに記録する。センサ部２１０には計測対象に応じた検出物質が形成されている。制御部２０９に従って検出した結果を電気信号に変換し、これをRF部２０８へ伝送し、副搬送波によりアンテナ部２０７から送信する。

次に、上記構成を有するセンサ機能を有する半導体チップ１００の斜視図を図６に、又、その線ＡＡ’でのチップの断面図を図８Ｅに示す。尚、図７は当該半導体チップ１００が当初作り込まれる半導体ウエハ１０１を例示する斜視図である。即ち、半導体製造プロセスのいわゆる前工程により、上記のRF部２０８、制御部２０９をシリコンウエハ１０１上に形成する。最終的に、各半導体チップ１００は半導体ウエハ１０１より切り出される。

このような集積回路上にアンテナ部２０７およびセンサ部２１０を形成する工程の例を、図８に示し、説明する。図８Ａは集積回路を形成したシリコン基板に絶縁層となるポリイミド膜を形成する工程、図８Ｂは集積回路におけるRF部の電極およびセンサ部の端子を開口させるスルーホール形成工程、図８Ｃはセミアディティブ法により、コイル状アンテナを形成する工程、図８Ｄは保護ポリイミド膜とセンサ部を形成する工程、図８Ｅは集積回路面の裏側に磁性体を配した半導体チップの断面図である。

図８Ａのように、半導体チップの集積回路部１０９を有する上記シリコンウエハ１０１上に絶縁層となるポリイミド膜１０２を形成する。形成方法としては、液状ポリイミドをスピンコートしキュアする方法、フィルム状ポリイミドを積層接着する方法などがある。

次に、RF部２０８の電極およびセンサ部２１０の端子を開口させるスルーホール形成工程（図８Ｂ）を説明する。先に示した液状ポリイミドとして感光性ポリイミドを用い、ホトリソグラフィによりスルーホール１０５を形成する方法が例示される。RF部２０８の電極およびセンサ部２１０の端子に関する位置情報に準じたマスクによる感光性ポリイミドの露光、現像工程を経て、上記RF部２０８の電極およびセンサ部２１０の端子を開口させる。

又、ドライプロセスによりスルーホールを形成する方法でもよい。例えば、ガルバノミラーをはじめとする光学部品により位置決めしたレーザをポリイミド膜１０２に照射する方法は、加工用マスクが不要である。樹脂の炭化作用による残渣の発生を制御しつつ、より微小径なスルーホールを加工するには、アブレーション加工が可能な紫外光レーザが望ましく、高調波YAGレーザなどが例示される。又、炭酸ガスレーザを用いても、反応性ガスのドライエッチングなどにより残渣を除去すれば、小径スルーホールの形成は可能である。

又、高いアライメント精度を確保できる方法として、金属マスクを利用する例を示す。ポリイミド膜にアルミニウムのスパッタ膜を形成し、感光性レジストのホトリソグラフィとリン酸を主成分とした混酸によるアルミニウムのエッチングを行う。これにより、RF部２０８の電極及びセンサ部２１０の端子のアルミニウム膜を除去する。RF部２０８の電極及びセンサ部２１０の端子が露出するまでレーザ又は反応性ガスによりドライエッチングを施し、ポリイミド膜に１０μｍ〜５０μｍ程度の微小穴からなるスルーホールを形成する。レーザ加工を用いる場合、エキシマレーザなど、アブレーション加工が支配的な紫外線レーザが望ましい。加工面でのエネルギ密度により、レーザ光軸１１の垂直面１２とスルーホールの側壁とのなす角度、即ち、図９に示すテーパ角１６を制御できることが知られている。図９は、半導体集積回路部１０９上に形成された高分子樹脂膜１０２の開口状態を示すものである。符号１３は加工用マスク、符号１０は加工用レーザである。エネルギ密度を高めるとテーパ角は拡大するが、テーパ角が９０度を超えて拡大することはない。さらに、樹脂の炭化作用が小さく残渣の発生を抑制できるため、加工後のクリーニング処理が不要もしくは軽減できる。

ところで、スルーホール部に配線形成する際、テーパ角が９０度以上だと、以下のような障害が発生する。即ち、めっきなどのウェットプロセスを行うと、めっき層２５には、図１０Ａのようにスルーホール上部がはじめに塞がり、スルーホール中にめっき未充填部分２６ができることがある。スパッタなどドライプロセスで金属膜を形成する場合には、図１０Ｂにように、均一な膜厚のスパッタ膜２０３が形成できない。このような逆テーパ角の発生防止の点で、レーザ加工は有利な加工法である。

反応性ガスの場合、酸素ガスを主反応性ガスとする反応性イオンエッチングが例示される。これによると、酸素のイオン衝撃あるいは酸化作用が加工を支配する。ガス圧力、加工時間などにより、スルーホールが９０度を超えたテーパ角、いわゆる逆テーパ角とならないようスルーホールの形状を制御できる。即ち、反応性ガスを用いると、テーパ角９０度程度のスルーホールを形成できる。水酸化ナトリウム水溶液に浸漬してアルミニウム膜を除去する。以上によりスルーホール１０５を形成したものの断面図を、図８Ｂに示す。

次に、スルーホール側壁を含むポリイミド膜上に、クロムと銅の膜をスパッタにより逐次積層する。そして、これを種膜として、いわゆるセミアディティブ法により、レジストパターニング、銅めっき１１１を施す。更に、パターン分離を施して、スパイラル形状のコイル状アンテナ１０４とセンサ部２１０の端子と接続したセンサ電極部１０８を形成する。同時に前記スルーホール１０５内は銅が埋め込まれ、RF部２０８の電極とコイル状アンテナ１０４を接続するスルーホール配線も形成される。

レジストを除去した後、コイル状アンテナを保護する保護用ポリイミド膜１０７を形成する（図８Ｄ）。これにより、センサ機能を有する半導体チップ１００を溶液中などの電解質中で使用する場合、コイル間に発生する漏れ電流を防ぐことができる。

次いで、上記スルーホール形成工程と同様の方法により、センサ部２１０の端子と接続したセンサ電極部１０８を露出させ、計測対象となる物質に対する感応膜１２２と参照電極１２１を適宜選択し形成する。上記センサの形成場所は、コイル状アンテナ１０４のループ面積を大きくできることから、コイル状アンテナ１０４に囲まれた領域が望ましい。このときの断面図を、図８Ｄに示す。

感応膜の種類としては、センサとして検出する物質もしくは物理量により異なる。窒化シリコン、二酸化錫、タンタルオキサイドなどがイオン感応性FETの膜材料として例示される。DNAを計測対象物質として検出するためのセンサ膜も同様である。上記構成のセンサ機能を有する半導体チップ１００について、計測対象の有機物質、例えば一本鎖DNAに対して相補的な配列を有する一本鎖DNAをイオン感応性FET１２２の上に配置したセンサの拡大した断面図を、図１１に模式的に示す。DNAの符号の配列には個体差があることが知られている。この符号配列に適合する配列のDNAをセンサ上に形成すれば、両者は吸着する。DNAはわずかながら負に帯電しており、吸着によりセンサ部２１０の電位の変化をモニタできる。この場合、試料溶液中に半導体チップを投入するとセンサ面は様々な環境にさらされる。特に、液体中に投入された場合、センサ面に吸着物質が付着する。吸着物質だけを除去し、リフレッシュすることは困難であるため、同一のセンサ機能を有する半導体チップ１００による複数回のセンシングでは、高い検出精度を得ることができない。従って、信頼性の高い測定データを得るには、センサ機能を有する半導体チップ１００は使い捨てとすることが望ましい。

参照電極としては、センサ電極部１０８の上に厚さ２μｍ程度のニッケルめっきを施し、次いで金めっきを厚さ１μｍ程度形成したものが例示される。

図８Ｅに示すように、集積回路面の裏側に磁性体１３０を接着し、ダイシング工程によりチップ化して、センサ機能を有する半導体チップ１００を形成する。尚、センサ機能を有する半導体チップ自体の概念は知られたものであるので、その詳細説明は省略する。

このようにして作成されたセンサ機能を有する半導体チップ１００を、交流磁場発生手段であるトランス２０６に近接させ、リーダライタ２０１やPCなどの制御装置２００に従い発生させた交流磁場のうち、センサ機能を有する半導体チップ１００のコイル状アンテナ１０４を貫通した交流磁場がコイル状アンテナ１０４に起電力を生じさせ、半導体チップ１００での処理がなされ、センサ情報をトランス２０６に送信することができた。

又、シリコン基板の片面にだけポリイミド膜を形成した場合、材料の熱膨張係数の差と工程中の熱履歴のため、表裏で応力が異なり、基板の反りの原因となっていた。シリコンウエハ１０１をポリイミド膜１０２と接着剤で挟み込むことにより、反りの発生を抑制する効果もみられた。

本実施例では、コイル状アンテナの材料として銅を用いた。コイル状アンテナの電気抵抗により、逆起電力の一部はジュール熱として消費されるため、電気抵抗の低い材料で構成されたコイル状アンテナが望ましい。金、銀、銅、アルミニウムなどがその例である。

又、本実施例では、有機物質を計測対象としたセンサについて述べたが、センサの機能としては、これに限定されるものではなく、温度、湿度、光などを計測対象としたセンサでも良い。本実施例のように磁性体を集積回路面の裏側に蓄積することにより、半導体チップの駆動を安価に得ることができた。

＜実施例２＞
本実施例の半導体チップ９９は、無線通信の対象をチップのID情報としたものである。従って、センサ機能を有していない。半導体チップ９９の電磁結合を高める構造として、集積回路の裏面側にシリコン基板のハーフエッチングで形成した穴に磁性材料を配した半導体チップ９９とした。

本実施例における半導体チップ９９の構成を図１２に模式的に示す。リーダライタ２０１はPCなどの制御装置２００により制御され、半導体チップ９９に電磁場を送信し、半導体チップ１００からの返信を受信する機能を有する。この送信部にはスパイラル形状のトランス２０６が使用される。一方、半導体チップ９９の内部構成は、機能別に、アンテナ部２０７、RF部２０８、制御部２０９に区分できる。アンテナ部２０７では、リーダライタ２０１からの電磁場を受ける。電磁場は、RF部２０８や制御部２０９などで受信信号の復調、送信信号の変調やクロックに変換する。制御部２０９に従って半導体チップ９９のデータをRF部２０８へ伝送し、副搬送波によりアンテナ部２０７から送信する。

上記構成を有する半導体チップ９９の斜視図を図１３に、又、この図の線ＡＡ’での断面図を図１４に示す。図１３では、シリコンウエハ１０１の上部に保護ポリイミド樹脂膜１０７が形成され、且つシリコンウエハの所望領域周辺にコイル状アンテナ１０７が配置されている。

表面に二酸化シリコン膜を有するSOI基板を用い、通例の半導体製造プロセスの前工程により、上記のRF部２０８、制御部２０９をシリコンウエハ１０１上に形成する。

上記シリコン基板の集積回路面１０９上に、有機高分子樹脂膜１０２として、例えばポリイミド膜を形成する。次に、RF部２０８の電極に位置するポリイミド膜を貫通するスルーホールを形成する。スルーホール側壁を含むポリイミド膜１０２上に、クロムと銅の膜をスパッタにより逐次積層し、セミアディティブ法によりスパイラル形状のコイル状アンテナ１０４を形成する。同時にスルーホール１０５内は銅が埋め込まれ、RF部２０８の電極とコイル状アンテナ１０４を接続するスルーホール配線も形成される。レジストを除去した後、コイル状アンテナ１０４を保護するポリイミド膜１０７を形成する。

集積回路の裏面側における二酸化シリコン膜１４０の表面に、厚さ３μｍの感光性レジストを塗布し、磁性材料を配置する領域のレジストをホトリソグラフィにより除去する。フッ化水素酸とフッ化アンモニウムの混合液に浸漬し、開口部の二酸化シリコン膜をエッチングし、感光性レジストを除去する。次に、インバー(Fe-３６％Ni)製治工具により保護ポリイミド膜１０７の側を外部より遮断し密閉する。二酸化シリコン膜１４０をマスクとして、９０度の水酸化カリウム水溶液により、露出したシリコン面をエッチングする。内部の二酸化シリコン層１４１に到達したら、洗浄と乾燥の後、加工された穴に磁性体１３０を形成する。磁性体１３０の形成方法として、粒子状フェライトのような磁性体の粒子を分散させた樹脂を上記箇所に塗布または印刷し硬化させる方法、穴の周辺および内部に金属膜を形成し、これを種膜としたセミアディティブ法によるニッケルめっきの充填、鉄系合金材の接着などが挙げられる。ところで、磁界中において導体には渦電流が発生する。磁性体粒子を分散させた樹脂は、渦電流の発生を抑制できる点において優れている。特に、表面を酸化処理した磁性体粒子とした樹脂は優れている。

最後に、ダイシング工程によりチップ化して、半導体チップ９９を形成する。

このようにして作成された半導体チップ９９を、リーダライタ２０１のトランス２０６に近接させる。PCなどの制御装置２００に制御されたトランス２０６からの電磁場の一部が、半導体チップ９９のコイル状アンテナ１０４を貫通し、コイル状アンテナに逆起電力が生じ、予め半導体チップ９９に記録されていたID番号をトランス２０６に送信できた。

シリコン基板のエッチング工程において基板が過剰にエッチングされると、製造歩留まりの低下を招くおそれがある。SOI基板を使用すると、内部の二酸化シリコン層１４１をエッチングのストッパー層とできるため、均一な深さの穴を容易に形成することができる。

本実施例では、チップ裏面のシリコンエッチングに水酸化カリウム水溶液を用いたが、フッ酸硝酸混合水溶液や、ヒドラジンを用いても構わない。同様に、ドライエッチングによる加工をしてもよい。また、本実施例では、加工後の表面に直接磁性体を充填したが、表面に窒化シリコンを堆積した後に充填することで、シリコン基板中への拡散を抑制できる。

＜実施例３＞
本実施例は、上記実施例１の半導体チップ１００において、磁性体を別構造で配置した例である。以下いずれの例も、磁性体を形成した後にダイシングによりチップ化する工程が望ましい。

図１５は、コイル状アンテナ１０４の内側に磁性体１３０を接着する例の断面図である。上記実施例１と同様にコイル状アンテナ１０４を形成した後、イオン感応膜FET１２２や参照電極１２１と重ならないよう磁性体１３０を接着して作成する。磁性体１３０の貼付に要する工程数は少なく、安価に製造することができる。

図１６は、保護ポリイミド１０７として磁性体１３１を分散させた樹脂を積層接着して作成した例の断面図である。

このようなセンサ機能を有する半導体チップ１００は、磁性体１３０によりコイル状アンテナ１０４を貫通する交流磁場２０３を増加できた。磁性体１３０として日立金属製MN５０Sを用い１３.５６MHz付近での通信を行った場合、誘起電圧を１５倍程度に高めることが見込まれる。

＜実施例４＞
本実施例は、上記実施例１において、コイル状アンテナを複数層の積層構造体とした半導体チップ１００に関する実施例である。

集積回路を形成したシリコンウエハ１０１に、ポリイミド膜１０２の形成からコイル状アンテナ１０４の形成までの工程を、実施例１に記載の方法と同様に、所望の回数繰り返す。コイル状アンテナ１０４に保護用ポリイミド膜１０７を形成する。センサ部２１０の端子と接続したセンサ電極部１０８を露出させ、計測対象となる物質に対する感応膜を適宜選択し、形成して作成する。図１７には２層構造体としたコイル状アンテナ、図１８には異なる配線幅で２層のコイル状アンテナ、図１９にはさらに積層し３層としたコイル状アンテナとした半導体チップ１００の断面図を、それぞれ示す。

図２０、図２１には、半導体チップ１００の両面にコイル状アンテナを設けた構造の断面図を示す。

図２０の例について、以下に説明する。上記実施例１に記載と同様の方法により、集積回路を形成した半導体チップ１００にポリイミド膜１０２からイオン感応膜FET１２２や参照電極１２１形成までの工程を行う。次いで、裏面シリコンの所望箇所の二酸化シリコン膜を除去し、インバー製治工具により保護ポリイミド膜１０７の側を外部より遮断し密閉する。二酸化シリコン膜をマスクとして、水酸化カリウム水溶液によるシリコンエッチングとドライエッチングを行い、集積回路のRF部２０８の電極を露出させる。裏面からクロムと銅のスパッタ膜を形成し、セミアディティブ法により銅のコイル状アンテナ１０４を形成する。集積回路面の側においては、センサ部２１０の端子におけるポリイミド膜にスルーホールを形成し、計測対象となる物質に対する感応膜を適宜選択し形成して、図２０の断面構造をもつ半導体チップ１００を得る。

図２１は、樹脂付き金属箔を用い、両面にコイル状アンテナを形成した半導体チップ１００の断面である。樹脂付き金属箔として、ビルドアップ基板の製造工程で用いられる樹脂付き銅箔、スパッタ膜を形成したポリイミドシートなどが例示できる。集積回路を形成したシリコンウエハ１０１をダイシングによりチップ化する。高温真空プレスにより、半導体チップの両面に樹脂付き金属箔を積層接着する。これにより、半導体チップを樹脂で内包する。回路面が形成された側の金属箔にドライフィルムレジストをラミネートし、サブトラクティブ法によりパターニングする。このようにして、RF部２０８の電極と裏面コイルとの接続箇所の金属箔を除去する。除去した箇所の樹脂にレーザを照射してスルーホールを形成する。薄付無電解めっきと電気めっきを施し、表裏金属箔を電気的に接続する。サブトラクティブ法を両面の金属箔に行うことでコイル状アンテナ１０４を形成し、ソルダレジストなどの保護層１０７を作成して、図２１の断面を有する半導体チップ１００を得る。

センサ部２１０の裏面にコイル状アンテナ１０４を形成したことにより、センサ部２１０の面積を大きくできた。これにより、検出対称物質との反応確率を向上でき、検出精度の向上、測定時間の短縮がなされた。また、リーダライタ２０１が検出容器の底面にある場合、センサ部２１０は検出対称物質に、リーダライタ２０１のトランス２０６にコイル状アンテナ１０４の面を向けることができ、高い誘起電圧を得ることができた。

さらに、層数を増やし自己インダクタンスが向上したため、タグである半導体チップ１００の誘起電圧を大きくできた。これに加え、寄生容量の向上により、半導体チップ１００の回路に付加させる共振調整用コンデンサの容量を小さく、すなわちコンデンサの面積を小さくできた。ところで、積層工程はホトリソグラフィを繰り返して行うため、主として露光工程のアライメントに起因する位置ずれを完全になくすことは難しい。図１７のように、各層の配線幅を同じくして設計した場合、コイル状アンテナ１０４の寄生容量のバラツキが大きくなり、半導体チップ１００ごとに共振周波数のずれが発生する。図１８や図１９に示すように、層により配線幅を変えることで、コイル層間の位置ずれによる配線容量の製造誤差を小さくできる。すなわち、近接するコイル層M１およびM２の配線幅(M１<M２)において、M１の最大配線幅ｗ１＋ｄとＭ２の最小配線幅Ｗ２−ｄ−δとが、上方からみて配線の平行成分が重なることが望ましい。ここで、Ｍ１およびＭ２の配線幅の設計値をそれぞれｗ１、ｗ２(ｗ１＜ｗ２)、製造精度を±ｄ、露光工程のアライメント精度を±δとした。

このようにして作成された半導体チップ１００を、リーダライタ２０１のトランス２０６に近接させる。PCなどの制御装置２００に従い、トランス２０６から放射させた電磁波が半導体チップ１００のコイル状アンテナ１０４を貫通した。上記の効果により生じた大きな逆起電力を電源とし、半導体チップ１００を駆動させ、半導体チップ１００のデータをトランス２０６に送信できた。このときの通信特性では、より遠くの通信距離で実現できた。これは、さらに小型化したコイル状アンテナで実現できることを示している。

＜実施例５＞
本実施例は、半導体チップ１００においてRF部２０８、制御部２０９等の回路面の配置に関するものである。上記実施例１に記載の半導体チップ１００の回路面１０９を小さい領域に集約して形成する。このとき、隣のチップの回路面との間隔を通常ダイシングに必要とされる０.１ｍｍを超えて形成する。上記回路面の外形１３２よりも外側の領域に、前記実施例１と同様の方法によりコイル状アンテナ１０４を形成する。従って、コイル状アンテナの内形１３３内部に回路面の外形１３２が収まる。図２２で、これまでの実施例と同様の部位はこれまでと同じ符号で示す。

次いで、ダイシングによりチップ化して、図２２に示すような半導体チップ１００を作成する。

２.３ｍｍ角のアルミニウム板を中央に配し、外形２.３ｍｍ角、中央のループ面積０.６ｍｍ角程度、５０巻としたコイル状アンテナ１０４とした半導体チップと、アルミニウム板を０.５ｍｍ角とした半導体チップ１００について、電磁界シミュレーションによる通信特性評価を行った。アルミニウム板とコイル状アンテナ１０４とは中心軸合わせとした。

リーダライタ２０１のトランス２０６は、直径７ｍｍ、５巻とした。両者の距離を１ｍｍとし、１３.５６MHzで通信させた。その結果、相互インダクタンスはそれぞれ、０.０６８０μＨ、０.０７７５μＨであった。タグである半導体チップ１００の誘起電圧と相互インダクタンスとは、式３の関係であるため、本実施例により１５％程度の向上を図れることを確認した。

＜実施例６＞
本実施例は、半導体チップ１００においてRF部２０８、制御部２０９等の回路面の配置に関するものである。上記実施例１に記載の半導体チップ１００の回路面１０９を小さい領域に形成する。このとき、隣のチップの回路面との間隔を通常ダイシングに必要とされる０.１ｍｍを超えて形成する。その後、上記回路面の外形１３２よりも外側を主とする領域に、前記実施例１と同様の方法によりコイル状アンテナ１０４を形成する。ダイシングによりチップ化して、図２３に示すような半導体チップ１００を作成する。本例では、コイル状アンテナの内形１３３と回路面の外形１３２は同程度の領域を占める。

こうして作成された半導体チップ１００は、チップの回路によるコイル状アンテナ１０４の鏡像効果のため、高い誘起電圧を得ることができた。また、実施例５と比較して半導体チップ１００のサイズを小さくできた。

＜実施例７＞
本実施例は、上記実施例１記載のようにコイル状アンテナを多層とし、実施例４記載のように磁性体を配置し、実施例５または６に記載のようにコイル状アンテナのチップ回路による鏡像効果を得ることを、全て実施するものである。例えば、磁性体として日立金属製MN５０S、コイル状アンテナを２層、半導体チップ１００の回路の外形より外側にコイル状アンテナを位置させた場合、誘起電圧を２０倍程度に大きくすることができた。

＜実施例８＞
本実施例は、上記実施例１に記載の半導体チップ１００を用いて、検査容器内の検査対象溶液における検査対象物質の検知システムについて示すものである。図２４Ａに、DNA測定システムの概要を示す。検査対象であるDNAを含む溶液３０１と、検査対象のDNAと相補的な配列をしたDNAセンサ部２１０を備えた半導体チップ１００複数個を、検査容器３００に投入する。センサ部２１０のDNAと適合する配列のDNAだけが吸着する。また、図２４Ｂは、リーダライタ２０１と接続されたトランス２０６から発生させた磁力線２０３がコイル状アンテナ１０４を貫通する様子を表す。半導体チップ１００のコイル状アンテナを貫通した磁束により半導体チップ１００は駆動し、センサ部２１０の電位の変化をイオン感応性FET１２２によりモニタする。ISO１５６９３のアンチコリジョンに従い、トランス２０６を介してセンサ情報をリーダライタ２０１へ返信する。返信された情報は、測定機器にて処理され、有機膜の符号配列と適合したDNAの有無を検出する。これにより、特定DNAの有無を測定できた。

尚、図２４Ｂの半導体チップの各部はこれまでの実施例と同一の部位は同一符号で示される。

＜実施例９＞
本実施例は、電源となるボタン型電池および電池の両極と前記半導体チップ１００の回路とを接続する配線構造を備えたタグに関するものである。図２５に構造図を示す。

ボタン型電池１６１の両極との接続により、半導体チップ１００は予めプログラムされた動作を外部電源の供給なしに行う。上記実施例１に記載の半導体チップ１００に外部環境を測定するセンサを内蔵し、本実施例の構造を備えることで、例えば温度センサや湿度センサによる、熱履歴、湿度履歴をメモリ部に記録する。これらの記録データは、リーダライタ２０１のトランス２０６からの読み出し信号に従いコイル状アンテナから返信される。尚、図２５の半導体チップの各部はこれまでの実施例と同一の部位は同一符号で示される。

以上、本実施例のタグによると、リーダライタ２０１から電源供給を受けていない間もセンサとして機能し、蓄積したデータはリーダライタ２０１に効率よく送信できる。
なお、本実施例では電源供給手段として電池の例を記載したが、有線による電源供給手段を備えたタグでもよい。

図１は、電磁結合を表す模式図である。 図２Ａは、磁性体のない場合の磁力線の状態を説明する模式図である。 図２Ｂは、磁性体のある場合の磁力線の様子を説明する模式図である。 図３Ａは、コイル状アンテナを２層とした半導体チップの断面図である。 図３Ｂは、層間における寄生容量の説明図である。 図４Ａは、電流の電送線路と金属板により発生する鏡像の原理を説明する図である。 図４Ｂは、アンテナの下部に半導体回路面が存在する状態に発生する鏡像の原理を説明する図である。 図４Ｃは、電流の電送線路の内部に金属板が存在する場合に発生する鏡像の原理を説明する図である。 図４Ｄは、コイル状アンテナの内部に半導体回路面が存在する状態に発生する鏡像の原理を説明する図である。 図５は、実施例１に記載のセンサ機能を有する半導体チップの構成図である。 図６は、センサ部とコイル状アンテナが形成された半導体チップを示す斜視図である。 図７は、半導体チップが配列されたウエハを示す斜視図である。 図８Ａは、実施例１における半導体チップの製造工程を工程順に示す装置の断面図である。 図８Ｂは、実施例１における半導体チップの製造工程を工程順に示す装置の断面図である。 図８Ｃは、実施例１における半導体チップの製造工程を工程順に示す装置の断面図である。 図８Ｄは、実施例１における半導体チップの製造工程を工程順に示す装置の断面図である。 図８Ｅは、実施例１における半導体チップの製造工程を工程順に示す装置の断面図である。 図９は、スルーホールにおけるテーパ角を示す説明図である。 図１０Ａは、テーパ角が９０度を越えたスルーホールに対するスパッタ不良の様子を説明する図である。 図１０Ｂは、テーパ角が９０度を越えたスルーホールに対するめっき不良の様子を説明する図である。 図１１は、有機膜を用いたイオン感応性ＦＥＴの模式図である。 図１２は、実施例２に記載の半導体チップの構成を示す図である。 図１３は、コイル状アンテナが形成された半導体チップを示す斜視図である。 図１４は、図１３の半導体チップのＡ−Ａ'における断面図である。 図１５は、実施例３に記載の磁性体を配した半導体チップに構造として、コイル状アンテナ内側に磁性体を配した半導体チップの断面図である。 図１６は、実施例３に記載の磁性体を配した半導体チップに構造として、保護ポリイミドとして磁性体を分散させた樹脂を積層接着した半導体チップの断面図である。 図１７は、実施例４に記載の２層コイル状アンテナとした半導体チップの断面図である。 図１８は、実施例４に記載の２層コイル状アンテナとして、層により異なる配線幅で形成した半導体チップの断面図である。 図１９は、実施例４に記載の３層コイル状アンテナとした半導体チップの断面図である。 図２０は、実施例４に記載の、表裏にわたり２層のコイル状アンテナを形成した半導体チップの断面図である。 図２１は、実施例４に記載の、表裏にわたり４層のコイル状アンテナを樹脂付き金属箔を用いて形成した半導体チップの断面図である。 図２２は、実施例５に記載の半導体チップに構造として、集積回路面の外形よりも外側の領域に、コイル状アンテナを形成した半導体チップの断面図である。 図２３は、実施例６に記載の半導体チップに構造として、集積回路面の外形よりも外側を主とする領域に、コイル状アンテナを形成した半導体チップの断面図である。 図２４Ａは、実施例８に記載のDNA測定システムの概要を示す説明図である。 図２４Ｂは、トランスからの磁束がコイル状アンテナを貫通する様子を表す断面図である。 図２５は、実施例９に記載の、ボタン型電池および電池の両極と半導体チップの回路とを接続する配線構造を備えたタグの断面図である。

符号の説明

１０…レーザ、１１…レーザ光軸、１２…レーザ光軸垂直面、１３…金属膜マスク、１６…テーパ角、２３…スパッタ膜、２４…スパッタ膜未形成部分、２５…スパッタ膜とめっき膜、２６…めっき未充填部分、５０…コイル長．、５１…比透磁率μrでありループ面積Stagのループ、５２…起電力Vtagを指す電圧計、５３…電流Irwの交流電源、５４…トランス、５５…巻数nのコイル状アンテナ、９９…センサを備えない半導体チップ、１００…センサを備えた半導体チップ、１０１…シリコンウエハ、１０２…ポリイミド、１０４…コイル状アンテナ、１０４１…コイル状アンテナ第１層、１０４２…コイル状アンテナ第２層、１０４３…コイル状アンテナ第３層、１０４４…コイル状アンテナ第４層、１０５…スルーホール、１０６…レジスト、１０７…保護ポリイミド、１０８…センサ電極部、１０９…半導体チップの集積回路面、１１０…金属板、１１１…銅めっき層、１２１…参照電極、１２２…イオン感応性FET、１２３…有機膜、１２４…外部環境測定センサ、１３０…磁性体、１３１…磁性体を分散させた樹脂、１３２…半導体チップ回路面の外形、１３３…コイル状アンテナの内形、１４０…チップ裏面の二酸化シリコン膜、１４１…SOI基板内部の二酸化シリコン膜、１５１…電流経路、１５２…電流経路の鏡像、１６１…ボタン型電池、１６２…電源配線、２００…測定装置、２０１…外部装置（リーダライタ）、２０２…トランス、２０３…交流磁場（磁力線）、２０４…鏡像による磁力線、２０５…合成磁力線の強めあう方向、２０６…トランス、２０７…コイル状アンテナ、２０８…RF部、２０９…制御部、２１０…センサ部、３００…検査容器、３０１…検査対象溶液

Claims (6)

1. コイル状アンテナと、当該コイル状アンテナを用いて信号を外部装置と送受信する為の回路と、前記コイル状アンテナと外部装置との電磁結合に関する結合係数の増大をはかる機構と、前記コイル状アンテナで囲まれた部位に配置された所望物質に感応するイオン感応性ＦＥＴを有し、
   前記コイル状アンテナと外部装置との電磁結合に関する結合係数の増大をはかる機構が、前記半導体チップの回路面の外形よりも外側もしくは外側を主とする領域に、前記コイル状アンテナを形成して、前記半導体チップの回路面の外形が前記コイル状アンテナの外形より内側にあるようにし、前記半導体チップの回路面によるコイル状アンテナの鏡像効果として、前記コイル状アンテナを貫通する磁力線が強まる様にしたことを特徴とする半導体チップ。
2. 前記コイル状アンテナと外部装置との電磁結合に関する結合係数の増大をはかる機構が、前記コイル状アンテナが複数層搭載された機構であることを特徴とする請求項１に記載の半導体チップ。
3. 前記複数層を有するコイル状アンテナにおいて、コイル状アンテナの奇数層のコイル配線と偶数層のコイル配線の平行成分が、当該コイル状アンテナのアンテナ面の上面から見て重なる様に配置したことを特徴とする請求項２に記載の半導体チップ。
4. 前記複数層を有するコイル状アンテナにおいて、最近接層のコイル配線幅が異なることを特徴とする請求項２に記載の半導体チップ。
5. 前記コイル状アンテナの最内周径より前記半導体チップの回路面の幅が大きいことを特徴とする請求項１に記載の半導体チップ。
6. 前記請求項１より請求項５に記載の半導体チップと、当該半導体チップと信号を無線で送受信する外部装置とを有する通信システム。

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