JP4717411B2

JP4717411B2 - 半導体装置

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Publication number: JP4717411B2
Application number: JP2004302696A
Authority: JP
Inventors: 正和佐藤; 達也伊藤; 和久糸井
Original assignee: Fujikura Ltd
Current assignee: Fujikura Ltd
Priority date: 2004-10-18
Filing date: 2004-10-18
Publication date: 2011-07-06
Anticipated expiration: 2024-10-18
Also published as: JP2006114814A

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が形成されてパッケージングされる半導体装置に関する。

近年、高周波半導体素子を作製する際には、そのインピーダンスマッチング等に利用する目的で、半導体基板上にスパイラルインダクタ等の誘導素子が形成されている（例えば特許文献１参照）。また、半導体基板と誘導素子との間に厚い樹脂層を介在させて電磁エネルギー損失を抑制するという提案がある。
特開２００３−８６６９０号公報

しかしながら、従来の半導体装置では、配線を多層構造化することが必要となる場合がある。この場合には、異なる層に形成された誘導素子と配線とを接合する接合部（コンタクトホール）にて、インピーダンスの不整合が起こり、品質係数Ｑ値が悪化することがあった。
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、誘導素子を有する半導体装置において、Ｑ値に優れた半導体装置を提供することを目的とする。

本発明は、表面に電極が設けられた半導体基板と、この半導体基板を覆うように設けられ、前記電極と整合する位置に第１の開口部を有する第１の絶縁樹脂層と、この第１の絶縁樹脂層上に設けられ、前記第１の開口部を介して前記電極に接続された第１の配線層と、前記第１の絶縁樹脂層および第１の配線層を覆い、第１の配線層に整合する位置に第２の開口部を有する第２の絶縁樹脂層と、この第２の絶縁樹脂層上に設けられ、誘導素子を有する第２の配線層とを備え、この第２の配線層が、前記第２の開口部内に設けられた接合部を介して前記第１の配線層に接続され、前記接合部の幅が、前記誘導素子を構成する第２の配線層の線幅とほぼ同じまたはそれより大きくされ、前記第１および第２の配線層に、それぞれコンタクトパッドが形成され、前記接合部は、前記第１および第２の配線層のコンタクトパッド間に設けられ、前記第１および第２の配線層のコンタクトパッドのうち少なくともいずれか一方の幅Ｃと、前記接合部の幅Ａとの差（Ｃ−Ａ）が１０〜３０μｍである半導体装置を提供する。
前記誘導素子は、スパイラルコイルであることが好ましい。
前記コンタクトパッドは、略矩形、略円形、または多角形であることが好ましい。

本発明では、接合部の幅が、誘導素子を構成する第２の配線層の幅とほぼ同じまたはそれより大きくされているので、接合部で電流が阻害されることがなく、損失を低く抑えることができる。特に、高周波では、誘導素子内のインピーダンスの不整合を防ぐことができる。
従って、高いＱ値（ＱｕａｌｉｔｙＦａｃｔｏｒ）（品質係数）を有する誘導素子を備えた半導体装置を得ることができる。

以下、図面を参照して本発明の一例を説明する。
図１〜図５は、本発明の半導体装置の一例を示すもので、図１は断面図、図２は部分切欠斜視図、図３は要部の平面図、図４および図５は要部の斜視図である。なお、図１は図３に示すＤ−Ｄ線に沿う断面図である。
図１に示すように、この半導体装置は、半導体基板１と、半導体基板１を覆うように設けられた第１の絶縁樹脂層１０と、第１の絶縁樹脂層１０上に設けられた第１の配線層１１、１２と、第１の絶縁樹脂層１０および第１の配線層１１、１２を覆うように設けられた第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とを有する。

半導体基板１は、シリコンウエハなどの基材２上に、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は、例えばＬＰ−ＣＶＤ法等により形成することができ、その厚さは例えば０．１〜０．５μｍである。
本発明では、半導体基板は、シリコンウエハ等の半導体ウエハでもよく、半導体チップでもよい。半導体チップは、半導体ウエハの上に、各種半導体素子、ＩＣ、誘導素子等を複数組、形成した後、所定寸法になるように切断（ダイシング）することによって製造することができる。

第１の絶縁樹脂層１０は、電極３、３と整合する位置に貫通して形成された第１の開口部１６、１６を有する。
第１の絶縁樹脂層１０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なり、その厚さは例えば１〜３０μｍである。

第２の絶縁樹脂層１３は、第２の配線層１４の両端部に整合する位置に形成された第２の開口部１７、１７を有する。
第２の絶縁樹脂層１３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なる。
第２の絶縁樹脂層１３の厚さは、１０μｍ以上とすることによって、第１の配線層１１、１２と第２の配線層１４とを十分に離間させ、エネルギー損失を少なくし、Ｑ値を向上させることができる。第２の絶縁樹脂層１３の厚さは１０〜２０μｍが好ましい。
絶縁樹脂層１０、１３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。開口部１６、１７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の配線層１１、１２（第１の導電層）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１１、１２の一端部１１ａ、１２ａは、第１の開口部１６、１６に設けられた第１の接合部１８、１８を介して電極３、３に接続されている。

図１、図４、図５に示すように、第１の配線層１１、１２の他端部には、略矩形板状のコンタクトパッド１１ｂ、１２ｂが設けられている。
コンタクトパッド１１ｂ、１２ｂは、第２の開口部１７、１７に整合する位置に形成され、その長さおよび幅は、第１の配線層１１、１２の幅より大きくされている。
第１の配線層１１、１２の材料としては例えばＡｌ、Ｃｕが用いられ、その厚さは例えば１〜２０μｍである。第１の配線層１１、１２は、例えばスパッタリング法、蒸着法、メッキ法等により形成することができる。

図１〜図３に示すように、第２の配線層１４（第２の導電層）は、誘導素子としてのスパイラルコイル１５を有する。
第２の配線層１４の材料としては例えばＣｕ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、例えば電解銅メッキ法等のメッキ法、スパッタリング法、蒸着法により形成することができる。

第２の配線層１４の両端部には、それぞれ略矩形板状のコンタクトパッド１４ａ、１４ｂが設けられている。
コンタクトパッド１４ａ、１４ｂは、第２の開口部１７、１７に整合する位置に形成され、その長さおよび幅は、第２の配線層１４の幅より大きく形成されている。
コンタクトパッド１４ａ、１４ｂは、第２の開口部１７、１７に設けられた第２の接合部１９、１９を介して、それぞれ第１の配線層１１、１２のコンタクトパッド１１ｂ、１２ｂに接続されている。

第２の開口部１７のアスペクト比、すなわち最小幅と、長さ（第２の絶縁樹脂層１３の厚さ）との比（幅／長さ）が小さすぎる場合には、第２の接合部１９を形成する際に、金属材料が第２の開口部１７に完全には充填されず、第２の接合部１９が形状不良となるおそれがある。このため、上記アスペクト比は、１以上とするのが好ましい。

第２の接合部１９は、第２の開口部１７に沿う形状とされている。
図示例では、第２の接合部１９は、断面矩形の角柱状とされ、４つの側面はそれぞれコンタクトパッド１４ａ、１４ｂ、１１ｂ、１２ｂの各辺にほぼ平行になっている。なお、以下、コンタクトパッド１４ａ、１４ｂ、１１ｂ、１２ｂを「コンタクトパッド１４ａ、…」と表記することがある。
第２の接合部１９は、コンタクトパッド１４ａ、…のほぼ中央に設けるのが好ましい。

第２の接合部１９の幅（図１、図４および図５に示す幅Ａ）は、スパイラルコイル１５を構成する第２の配線層１４の線幅（図１、図４および図５に示すスパイラルコイル１５の幅Ｂ）とほぼ同じまたはそれより大きくなるようにされる。
第２の接合部１９の幅を上記範囲とすることによって、スパイラルコイル１５内のインピーダンスの不整合を防ぎ、優れたＱ値を得ることができる。
第２の接合部１９の幅と、スパイラルコイル１５を構成する第２の配線層１４の線幅との差（Ａ−Ｂ）は、１０μｍ以下とするのが好ましい。

コンタクトパッド１４ａ、…の幅（図１、図４および図５に示す幅Ｃ）と、第２の接合部１９の幅（図１、図４および図５に示す幅Ａ）との差（Ｃ−Ａ）は、３０μｍ以下であることが好ましい。この幅の差をこの範囲とすることによって、優れたＱ値が得られる。
第２の接合部１９の形成位置ずれが起きた場合にも導通不良を防ぐことができるように、上記幅の差は、１０μｍ以上とするのが好ましい。

コンタクトパッド１４ａ、…の幅Ｃと、第２の接合部１９の幅Ａとの比（Ｃ／Ａ）は、２以下であることが好ましい。この比（Ｃ／Ａ）をこの範囲とすることによって、優れたＱ値が得られる。
この比（Ｃ／Ａ）は、１．３３以上とすると、第２の接合部１９の形成位置ずれが起きた場合にも導通不良を防ぐことができるため好ましい。

コンタクトパッド１４ａ、…の面積と、第２の接合部１９の断面積との差は、２７００μｍ^２以下であることが好ましい。この面積差をこの範囲とすることによって、優れたＱ値が得られる。
上記面積差は、７００μｍ^２以上とすると、第２の接合部１９の形成位置ずれが起きた場合にも導通不良を防ぐことができるため好ましい。

コンタクトパッド１４ａ、…の面積と、第２の接合部１９の断面積との比は、４以下であることが好ましい。面積差をこの範囲とすることによって、優れたＱ値が得られる。
上記面積比は、１．７８以上とすると、第２の接合部１９の形成位置ずれが起きた場合にも導通不良を防ぐことができるため好ましい。

コンタクトパッド１４ａ、…と第２の接合部１９との幅差、幅比、面積差、面積比は、すべてのコンタクトパッド１４ａ、…について、上記関係が成立するのが好ましいが、第２の接合部１９が接続するコンタクトパッドのうちいずれか１つについて上記関係が成立する場合でも、上記効果は得られる。
なお、スパイラルコイル１５を構成する第２の配線層１４の幅とは、スパイラルコイル１５の平均幅を意味する。
また、コンタクトパッド１４ａ、…および第２の接合部１９の幅とは、最大幅を意味する。

第２の絶縁樹脂層１３及び第２の配線層１４の上には、必要に応じて、少なくとも第２の配線層１４を覆う封止層（図示略）を設けることができる。
封止層は、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なり、その厚さは例えば５〜２０μｍである。封止層には、外部への端子を出力するための開口部（図示略）が設けられる。

次に、上記半導体装置の製造方法について説明する。
図６は、上記半導体装置の製造方法の一例を示す工程図である。図６は、図３に示すＤ−Ｄ線に沿う断面図である。
図６（ａ）および図６（ｂ）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１０を形成する。
第１の絶縁樹脂層１０は、例えば次の方法によって形成することができる。
回転塗布法、印刷法、ラミネート法などによって、前記樹脂からなる層を、パッシベーション膜４上に全面にわたり形成する（第１の絶縁樹脂層形成工程）。
次いで、フォトリソグラフィ技術等を利用したパターニングなどにより、電極３と整合する位置に第１の開口部１６を形成する（第１の開口部形成工程）。

図６（ｃ）に示すように、第１の絶縁樹脂層１０の上に第１の配線層１１、１２を形成する（第１の配線層形成工程）。
第１の配線層１１、１２を形成するには、例えば次の方法を用いることができる。
スパッタ法等によりシード層を第１の絶縁樹脂層１０上に形成する。シード層は、例えばＣｕ層とＣｒ層からなる積層体、またはＣｕ層とＴｉ層からなる積層体である。
次いで、シード層の上に、電解メッキ用のレジスト膜（図示略）を形成する。このレジスト膜は第１の配線層１１、１２を形成すべき領域以外の領域に形成する。
シード層上に、電解メッキ法等により、Ｃｕ等からなる第１の配線層１１、１２を形成するとともに、第１の開口部１６内に第１の接合部１８を形成する。第１の配線層１１、１２および第１の接合部１８を形成した後、不要なレジスト膜およびシード層をエッチングにより除去する。

図６（ｄ）に示すように、第１の絶縁樹脂層１０および第１の配線層１１、１２の上を覆うように第２の絶縁樹脂層１３を形成する。
第２の絶縁樹脂層１３は、例えば次の方法によって形成することができる。
回転塗布法、印刷法、ラミネート法などによって、前記樹脂からなる層を、第１の絶縁樹脂層１０および第１の配線層１１、１２の全面を覆うように形成する（第２の絶縁樹脂層形成工程）。
次いで、フォトリソグラフィ技術等を利用したパターニングなどにより、第１の配線層１１、１２のコンタクトパッド１１ｂ、１２ｂの一部に相当する位置に第２の開口部１７を形成する（第２の開口部形成工程）。

図６（ｅ）に示すように、第２の絶縁樹脂層１３の上に、スパイラルコイル１５を有する第２の配線層１４を形成する（第２の配線層形成工程）。
第２の配線層１４を形成するには、第１の配線層１１、１２と同様の方法を用いることができる。
すなわち、シード層およびレジスト膜を第２の絶縁樹脂層１３上に形成し、シード層上に、電解メッキ法等により、Ｃｕ等からなる第２の配線層１４を形成するとともに、第２の開口部１７内に第２の接合部１９を形成する。

第２の配線層１４の上に封止層を設ける場合は、例えば、感光性ポリイミド樹脂等の感光性樹脂からなる樹脂層を形成し、この樹脂層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、所望の領域に封止層を形成することができる。

次に、上記半導体装置の作用および効果を説明する。
（１）第２の接合部１９の幅Ａを、第２の配線層１４（スパイラルコイル１５）の線幅Ｂとほぼ同じまたはそれより大きくなるようにするので、第２の接合部１９で電流が阻害されることがなく、損失を低く抑えることができる。特に、高周波では、スパイラルコイル１５内のインピーダンスの不整合を防ぐことができる。
従って、高いＱ値（ＱｕａｌｉｔｙＦａｃｔｏｒ）（品質係数）を有するスパイラルコイル１５を備えた半導体装置を得ることができる。
（２）コンタクトパッド１４ａ、…の幅Ｃと、第２の接合部１９の幅Ａとの差（Ｃ−Ａ）を、３０μｍ以下とすることによって、スパイラルコイル１５のＱ値をさらに高めることができる。
上記幅の差（Ｃ−Ａ）を上記範囲とすることによってＱ値を高めることができるのは、電流がコンタクトパッドを流れる際に、電流分布のばらつきを抑えることができるためであると推測できる。
（３）コンタクトパッド１４ａ…を略矩形状に形成したので、第２の接合部１９の形成位置ずれが起きた場合にも第２の接合部１９とコンタクトパッド１４ａ、…との導通不良が発生しにくい。

図１に示す半導体装置では、第２の接合部１９を深さ方向にほぼ一定の幅としたが、本発明はこれに限定されない。
図７に示す半導体装置は、第２の接合部２９の幅が深さ方向に徐々に小さくなっている点で、図１に示す半導体装置と異なる。
第２の接合部２９は、第２の開口部２７を、幅が深さ方向に徐々に小さくなる形状にすることによって、容易に形成することができる。
第２の接合部２９を有する半導体装置では、電解メッキ法などにより第２の接合部２９を形成する際に、金属材料が第２の開口部２７内に確実に行き渡り、隙間なく充填される。
従って、第２の接合部２９の形成不良を防ぐことができる。

図８および図９は、コンタクトパッドの他の例を示すものである。
図８に示すコンタクトパッド２４ｂは、平面視略円形である点で、図２〜図５に示す矩形状（四角形状）のコンタクトパッド１４ａ、…と異なる。
図９に示すコンタクトパッド３４ｂは、平面視多角形である点で、コンタクトパッド１４ａ、…と異なる。
コンタクトパッド３４ｂは、５角形以上の多角形状とするのが好ましい。図示例では８角形状に形成されている。
コンタクトパッド２４ｂ、３４ｂを有する半導体装置では、スパイラルコイル１５のＱ値をさらに高めることができる。特に、略円形のコンタクトパッド２４ｂを有する半導体装置では、優れたＱ値が得られる。
Ｑ値を高めることができるのは、電流がコンタクトパッドを流れる際に、電流分布のばらつきを抑えることができるためであると推測できる。

（試験例１〜５）
図１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１０と、Ｃｕからなる第１の配線層１１、１２と、ポリイミド樹脂からなる第２の絶縁樹脂層１３と、Ｃｕからなる第２の配線層１４とを有する半導体装置を作製した。
第１および第２の絶縁樹脂層１０、１３の厚さは、１０μｍとした。
第１の配線層１１、１２の幅は、３０μｍとした。
スパイラルコイル１５の巻き数は３．５とし、その線幅は３０μｍとした。
第２の接合部１９は、断面正方形とし、その幅は表１に示す通りとした。
コンタクトパッド１４ａ、…は正方形とし、その幅は５０μｍとした。
スパイラルコイル１５のＱ値を、周波数２ＧＨｚの条件で測定した。測定結果を表１に示す。

表１より、第２の接合部１９の幅を、スパイラルコイル１５の幅以上にすることによって、優れたＱ値が得られたことがわかる。

（試験例６〜１０）
図１に示す半導体装置を作製した。
第２の接合部１９は、断面正方形とし、その幅は３０μｍとした。
コンタクトパッド１４ａ、…は正方形とし、その幅はそれぞれ４０μｍ、５０μｍ、６０μｍ、７０μｍ、８０μｍとした。その他の条件は試験例１と同様とした。
スパイラルコイル１５のＱ値を、周波数０．１〜２０ＧＨｚの条件で測定した。測定結果を図１０に示す。

図１０より、コンタクトパッド１４ａ、…の幅を７０〜８０μｍとした場合に比べ、４０〜６０μｍとした場合には、優れたＱ値が得られたことがわかる。
コンタクトパッドの幅が３０μｍであることから、コンタクトパッドの幅と第２の接合部の幅との差を３０μｍ以下とした場合に優れた結果が得られたことになる。

本発明は、例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、誘導素子を有する半導体装置に適用できる。

本発明の半導体装置の一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に示す半導体装置の要部を示す平面図である。図１に示す半導体装置の要部を示す斜視図である。図１に示す半導体装置の要部を示す斜視図である。図１に示す半導体装置の製造方法の一例を工程順に示す模式的断面図である。第２の接合部の変形例を示す断面図である。コンタクトパッドの変形例を示す平面図である。コンタクトパッドの変形例を示す平面図である。試験結果を示すグラフである。

符号の説明

１…半導体基板、３…電極、１０…第１の絶縁樹脂層、１１、１２…第１の配線層、１１ｂ、１２ｂ、１４ａ、１４ｂ…コンタクトパッド、１３…第２の絶縁樹脂層、１４…第２の配線層、１５…スパイラルコイル（誘導素子）、１６…第１の開口部、１７…第２の開口部、１９…第２の接合部、Ａ…第２の接合部の幅、Ｂ…スパイラルコイルの線幅（誘導素子を構成する第２の配線層の線幅）、Ｃ…コンタクトパッドの幅

Claims

表面に電極が設けられた半導体基板と、
この半導体基板を覆うように設けられ、前記電極と整合する位置に第１の開口部を有する第１の絶縁樹脂層と、
この第１の絶縁樹脂層上に設けられ、前記第１の開口部を介して前記電極に接続された第１の配線層と、
前記第１の絶縁樹脂層および第１の配線層を覆い、第１の配線層に整合する位置に第２の開口部を有する第２の絶縁樹脂層と、
この第２の絶縁樹脂層上に設けられ、誘導素子を有する第２の配線層とを備え、
この第２の配線層が、前記第２の開口部内に設けられた接合部を介して前記第１の配線層に接続され、
前記接合部の幅が、前記誘導素子を構成する第２の配線層の線幅とほぼ同じまたはそれより大きくされ、
前記第１および第２の配線層に、それぞれコンタクトパッドが形成され、
前記接合部は、前記第１および第２の配線層のコンタクトパッド間に設けられ、
前記第１および第２の配線層のコンタクトパッドのうち少なくともいずれか一方の幅Ｃと、前記接合部の幅Ａとの差（Ｃ−Ａ）が１０〜３０μｍであることを特徴とする半導体装置。
前記誘導素子がスパイラルコイルであることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
前記コンタクトパッドが略矩形、略円形、または多角形であ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。