JP5702675B2 - 半導体装置の作製方法 - Google Patents

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Description

開示される発明の一態様は、無線通信機能を有する半導体装置(IDタグともいう)に関する。
近年、IDタグ(RFIDタグ、ICタグ、電子タグ、無線タグともいう)とリーダ/ライタ(又はリーダ)との間でデータの交信を行うRFIDシステムが普及している。このRFIDシステムは、IDタグ及びリーダ/ライタの各々に備えたアンテナを用いてデータの交信を行うため、IDタグをリーダ/ライタから数cm乃至数m離しても通信可能であり、また、汚れや静電気等に強いという長所から、工場の生産管理、物流の管理、入退室管理等の様々な分野に利用されるようになってきている。
このRFIDシステムでデータの通信を行う場合、IDタグ及びリーダ/ライタの双方のアンテナの共振周波数を、送信するキャリア周波数にある程度の精度で合わせ込む必要がある。ここで、アンテナの共振周波数fは、アンテナコイルのインダクタンスLとコンデンサの容量Cとを用いて式(1)のように表される。
f=1/2π√(LC) (式1)
式(1)より、アンテナコイルのインダクタンスL又はコンデンサの容量Cのいずれかを増減させることにより共振周波数fを所望の値に調整することができる(特許文献1参照)。
逆に、共振周波数fが予め定まっている場合、アンテナコイルのインダクタンスL及びコンデンサの容量Cの積を一定の値にする必要がある。
インダクタンスLは、コイルの巻数Nの2乗と断面積Sに比例し,コイルの軸方向の長さdに反比例する。すなわちインダクタンスLは、コイルの巻数Nに大きく依存すると言える。しかしながら、IDタグの面積が決まると、アンテナコイルが占める面積も決まってしまう。つまりアンテナコイルが占める面積が決まってしまうと、コイルの巻数Nも必然的に決まってしまう。そのためコイルの巻数Nにより、共振周波数fを所望の値に調整することは難しい。
一方コンデンサの容量Cは、電極の面積Sに比例し、電極間の距離dに反比例する。
IDタグのコンデンサとして、例えば、誘電体の表裏両面に2枚の平行平板導電体材料からなる電極を形成した平行平板コンデンサが挙げられる(特許文献2参照)
特開2007−306601号公報 特開2002−42083号公報
コンデンサの電極に用いられる導電材料は、リーダ/ライタから送信される信号を含む電磁波を遮断する原因となる。そのため、コンデンサの電極の面積が大きいと、当該電磁波が遮断され、半導体装置の応答感度や応答範囲が抑制される原因となる。よってコンデンサの電極の面積は可能な限り縮小する必要がある。
上述のようにコンデンサの容量Cは、電極の面積Sに比例し、電極間の距離dに反比例する。つまり所望の共振周波数fを有する半導体装置を形成する場合、コンデンサの電極の面積Sを縮小させるには、電極間の距離dも短縮させなくてはならない。
以上を鑑み、開示される発明の一様態は、コンデンサの電極間距離を可能な限り短縮することを課題の一とする。
開示される発明の一様態は、コンデンサの電極の面積を可能限り縮小することを課題の一とする。
開示される発明の一様態は、半導体装置の応答感度や応答範囲が抑制されるのを防ぐことを課題の一とする。
開示される発明の一様態では、コンデンサの誘電体の厚さを薄くする。これによりコンデンサの電極間距離を短縮させることが可能である。
開示される発明の一様態は、基材の第1の領域に設けられたアンテナコイルと、当該基材の第2の領域を誘電体とし、当該基材の第2の領域の両面に設けられた電極を有するコンデンサとを有するアンテナにおいて、当該基材の第2の領域の厚さは、当該基材の第1の領域の厚さより薄いことを特徴とする。
開示される発明の一様態は、基材の第1の領域に設けられた第1のアンテナコイルと、当該基材の第2の領域を誘電体とし、当該基材の第2の領域の両面に設けられた電極を有するコンデンサと、半導体集積回路と第2のアンテナコイルを有するチップとを有する半導体装置において、当該基材の第2の領域の厚さは、当該基材の第1の領域の厚さより薄いことを特徴とする。
開示される発明の一様態は、アンテナコイルとコンデンサを有するアンテナの作製方法において、突起部を有するローラを、第1の厚さの基材に押しつけながら回転させ、当該突起部を当該基材の第1の面に押しつけることにより、当該基材に、当該第1の厚さより薄い第2の厚さを有する当該コンデンサの誘電体を形成する。当該基材に開口部を形成し、当該第2の厚さを有する領域の第1の面上、当該開口部の内部、及び当該基材の第1の面上に、第1の導電性材料を形成する。当該基材の第1の面と反対側の第2の面上に、第2の導電性材料を形成し、当該第1の導電材料及び第2の導電性材料を加熱することにより、当該アンテナコイル及び当該コンデンサの電極を形成することを特徴とする。
開示される発明の一様態において、当該基材は、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、ポリエーテルサルフォン、ポリイミドのいずれか一のフィルムであることを特徴とする。
開示される発明の一様態において、当該第1の導電性材料及び第2の導電性材料のそれぞれは、銀(Ag)、金(Au)、銅(Cu)、ニッケル(Ni)、白金(Pt)、パラジウム(Pd)、タンタル(Ta)、モリブデン(Mo)及びチタン(Ti)の少なくとも一つを含むことを特徴とする。
開示される発明の一様態では、コンデンサの誘電体の厚さを薄くすることにより、コンデンサの電極間距離を短縮することができる。コンデンサの電極間距離を短縮することにより、コンデンサの電極の面積を縮小させることができる。コンデンサの電極の面積を縮小することができるので、半導体装置の応答感度や応答範囲が抑制されるのを防ぐことができる。
半導体装置の上面図及び断面図。 半導体装置の作製工程を示す断面図。 半導体装置の作製工程を示す断面図。 半導体装置の作製工程を示す断面図。 半導体装置の上面図及びブロック図。 半導体装置の上面図。
以下、本明細書に開示された発明の実施の態様について、図面を参照して説明する。但し、本明細書に開示された発明は多くの異なる態様で実施することが可能であり、本明細書に開示された発明の趣旨及びその範囲から逸脱することなくその形態及び詳細を様々に変更し得ることは当業者であれば容易に理解される。従って、本実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。なお、以下に示す図面において、同一部分又は同様な機能を有する部分には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。
本実施の形態を、図1(A)〜図1(B)、図2(A)〜図2(C)、図3(A)〜図3(C)、図4(A)〜図4(C)、図5(A)〜図5(C)、図6を用いて説明する。
図1(A)は半導体装置100の上面図、図1(B)は図1(A)のA−A’の断面図である。図1(A)及び図1(B)に示す半導体装置100は、第1の厚さを有する基材101、アンテナコイル102、及びコンデンサ103を含むアンテナ、並びに半導体集積回路チップ117を有する。コンデンサ103は、誘電体として基材101の一部の領域113を有し、当該領域113の両面には、コンデンサ103の電極111及び電極112が設けられている。アンテナコイル102は基材101上に設けられ、コンデンサ103と電気的に接続されている。半導体集積回路チップ117は、半導体基板を用いて形成された回路又は半導体薄膜を用いて形成された回路である。
なお図1(B)において、アンテナコイル102、コンデンサ103の電極111及び電極112は、連続した一つの導電層である。しかしながら、当該導電層のうち、誘電体(基材101の一部の領域113)の両面に設けられた領域は、コンデンサ103の電極(電極111及び電極112)として機能する。また当該導電層のうち、誘電体と重畳しない領域に設けられた領域は、アンテナコイル102として機能する。
コンデンサ103の誘電体、すなわち基材101の領域113の厚さである第2の厚さは、基材101のアンテナコイル102が形成されている領域の厚さである第1の厚さよりも薄い。コンデンサ103の誘電体の厚さを薄くすることにより、コンデンサ103の電極111及び電極112の間の距離を短縮することができる。コンデンサ103の電極111及び電極112の間の距離を短縮することにより、コンデンサ103の電極111及び電極112の面積を縮小させることができる。コンデンサ103の電極111及び電極112それぞれの面積を縮小することができるので、半導体装置100の応答感度や応答範囲が抑制されるのを防ぐことができる。
基材101は、例えばポリエチレンナフタレート(Polyethylene naphthalate:PEN)、ポリエチレンテレフタレート(Polyethylene terephthalate:PET)、ポリエーテルサルフォン(Polyether sulfone:PES)、ポリイミド(Polyimide:PI)等の可撓性を有するフィルムを用いることができる。
また基材101のアンテナコイル102が形成されている領域の厚さである第1の厚さは、1μm以上300μm以下、さらには1μm以上50μm以下が好ましい。このような厚さの基材101を用いることで、薄型で湾曲することが可能な半導体装置100を作製することができる。
基材101の領域113(コンデンサ103の誘電体)の厚さである第2の厚さ、すなわち、コンデンサ103の電極111と電極112の間の距離dは、アンテナの共振周波数f及びコイルの巻数Nに基づいて決定すればよい。
本実施の形態では、基材101として、25μmの厚さを有するポリエチレンナフタレートフィルムを用いる。
アンテナコイル102、並びにコンデンサ103の電極111及び電極112は、銀(Ag)、金(Au)、銅(Cu)、ニッケル(Ni)、白金(Pt)、パラジウム(Pd)、タンタル(Ta)、モリブデン(Mo)及びチタン(Ti)の少なくとも一つの金属元素を含む導電材料を用いればよい。
なお図1(A)において、半導体集積回路チップ117は、アンテナコイル102と重畳しないように配置されているが、図6に示すように、半導体集積回路チップ117をアンテナコイル102と重畳するように配置してもよい。
本実施の形態の半導体装置100の作製方法について以下に述べる。
まず第1の厚さを有する基材101を用意する(図2(A)参照)。
次いで、突起部108を有するローラ107を、基材101に押しつけながら回転させ、突起部108を基材101の第1の面に押しつける。これにより基材101に凹部106を形成する(図2(B)参照)。凹部106が形成された領域113は、基材101の厚さが薄くなる。当該基材101の厚さが薄くなった領域113が、コンデンサ103の誘電体となる。また当該基材の厚さが薄くなった領域の厚さが上述の第2の厚さである。なお凹部106の形成方法は、突起部108を有するローラ107を用いずに、レーザビームを照射して行ってもよい。
次いで、基材101に開口部109を形成する(図2(C)参照)。開口部109は、基材101が吸収する波長を有するレーザビームを照射することにより形成する。代表的には、紫外領域、可視領域、又は赤外領域のレーザビームを適宜選択して照射する。
上記のレーザビームを発振することが可能なレーザ発振器としては、KrF発振器、ArF発振器、XeCl発振器等のエキシマレーザ発振器が挙げられる。また当該レーザ発振器としては、He、He−Cd、Ar、He−Ne、HF、CO等の気体を用いた気体レーザ発振器が挙げられる。また当該レーザ発振器としては、YAG、GdVO、YVO、YLF、YAlOなどの結晶にCr、Nd、Er、Ho、Ce、Co、Ti又はTmをドープした結晶を用いた固体レーザ発振器、ガラスやルビー等の固体レーザ発振器が挙げられる。固体レーザ発振器においては基本波〜第5高調波を適宜適用するのが好ましい。或いは当該レーザ発振器として、GaN、GaAs、GaAlAs、InGaAsP等の半導体レーザ発振器を用いることができる。
本実施の形態では、基材101に波長266nmのUVレーザビームを照射することにより、形状が直径50μmの円である開口部109を形成する。開口部109は、凹部106が形成された基材101の第1の面、及び第1の面と反対側の第2の面に対して開口している。開口部109の形状は円で無くてもよく、例えば、三角形や四角形でもよい。また開口部の断面の幅も適宜決めることができる。また開口部109の数は1個でも2個以上でもよい。このような開口部109の形状や個数は、基材101の両面に形成される導電性材料が、当該開口部を介して良好な電気的接続が行われるように適宜決定すればよい。
金型形成によるプレス打ち抜き加工やカッターナイフ等を用いて、開口部109を形成してもよい。
基材101の第2の面に、基材115及び接着剤114を有する支持基材116を、機械的手段或いは人的手段で貼り付ける(図3(A)参照)。
次いで、凹部106の内部、開口部109の内部、及び基材101の第1の面上に、導電性材料104を形成する(図3(B)参照)。なお図3(B)では凹部106の内部が導電性材料104で充填されているが、図3(C)に示すように、凹部106の内部が導電性材料104で充填されていなくてもよい。
導電性材料104として、導電性粒子と有機樹脂を有する材料を用いる。具体的には、粒径が数nmから数十μmの導電性粒子を有機樹脂に溶解または分散させた導電性ペーストを用いる。導電性粒子としては、銀(Ag)、金(Au)、銅(Cu)、ニッケル(Ni)、白金(Pt)、パラジウム(Pd)、タンタル(Ta)、モリブデン(Mo)及びチタン(Ti)等のいずれか一つ以上の金属粒子、ハロゲン化銀の微粒子、または分散性ナノ粒子を用いることができる。また、導電性ペーストに含まれる有機樹脂は、金属粒子のバインダ、溶媒、分散剤および被覆材として機能する有機樹脂から選ばれた一つまたは複数を用いることができる。代表的には、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂等の有機樹脂が挙げられる。また、導電層の形成にあたり、導電性のペーストを押し出した後に焼成することが好ましい。
導電性材料104は、スクリーン印刷法、グラビア印刷法、インクジェット法、ロータリースクリーン法などを用いて形成することができる。
本実s施の形態では、導電性材料104として、銀ペーストをスクリーン印刷法にて形成する。
導電性材料104を形成後、第1の加熱工程を行う。当該第1の加熱工程は、導電性材料104に含まれる有機樹脂の硬化を行うために行われる。本実施の形態では、第1の加熱工程として、90℃で10分間加熱を行った。なお当該第1の加熱工程は、後の工程で、基材101の第2の面上に導電性材料110を形成するため、導電性材料104が剥がれるのを防ぐために行われる。そのため、導電性材料104が剥がれる恐れがなければ、当該第1の加熱工程を行わなくてもよい。
次いで、基材115及び接着剤114を有する支持基材116を、基材101の第2の面から分離する(図4(A)参照)。
支持基材116を分離後、基材101の第2の面の上に導電性材料110を形成する(図4(B)参照)。導電性材料110は、導電性材料104と同じ材料であってもよいし、異なる材料であってもよい。ただし、導電性材料110は、開口部109に形成された導電性材料104と接するように形成する。なお、導電性材料110の形成は、導電性材料104の形成に用いた方法を用いることができる。
次いで第2の加熱工程を行うことにより、導電性材料104及び導電性材料110に含まれる有機樹脂を除去し、導電性材料104及び導電性材料110を低抵抗化する。以上により、導電性材料104及び導電性材料110から、アンテナコイル102、並びにコンデンサ103の電極111及び電極112を形成する。
なお図4(C)において、開口部109中の導電性材料104、及び基材101の第2の面上に形成された導電性材料110が連続しているように描かれている。導電性材料104及び導電性材料110として同じ材料が用いられる場合は、導電性材料104及び導電性材料110は連続する。導電性材料104及び導電性材料110として異なる材料を用いる場合は、必ずしも連続しない。開口部109中の導電性材料104、及び基材101の第2の面上に形成された導電性材料110は、アンテナコイル102及び電極112として機能すればよく、導電性材料104及び導電性材料110が電気的に接続されていれば、連続していても、連続していなくてもよい。
以上から、基材101に設けられたアンテナコイル102及びコンデンサ103が形成される(図4(C)参照)。なお図4(C)と図1(B)は同じ図面である。
図1(A)に示すように、半導体装置100は、アンテナ(オンチップアンテナとも記す)が設けられた半導体集積回路チップ117と、アンテナコイル102(ブースタアンテナとも記す)、及びコンデンサ103が設けられた基材101とを有している。
半導体集積回路チップ117内に設けられる半導体集積回路には、メモリ部やロジック部を構成する複数のトランジスタ等の素子が設けられる。メモリ部やロジック部を構成するトランジスタとして、電界効果型トランジスタが挙げられる。また当該電界効果型トランジスタを用いて、メモリ部の記憶素子を形成してもよい。
図5(A)に、図1(A)に示した半導体集積回路チップ117に含まれるアンテナコイル124(オンチップアンテナ)と半導体集積回路123の拡大図を示す。
図5(A)において、アンテナコイル124は巻き数が1である矩形のループアンテナであるが、この構成に限定されない。ループアンテナの形状は矩形を有することに限定されず、輪郭に曲線を有する形状、例えば円形を有していても良い。そして巻き数は1に限定されず、複数であっても良い。ただしアンテナコイル124の巻き数が1の場合、半導体集積回路123とアンテナコイル124の間に生じる寄生容量を低減することができる。
また図5(A)において、アンテナコイル124は、半導体集積回路123の周囲を取り囲むように配置されており、破線で示す給電点128に相当する部分以外は、アンテナコイル124は半導体集積回路123とは異なる領域に配置されている。
また図5(A)に示す構成に限定されず、図5(B)に示すように、破線で示す給電点128に相当する部分以外において、アンテナコイル124が半導体集積回路123と少なくとも一部重なるように配置されていても良い。
ただし、図5(A)に示すように、アンテナコイル124が半導体集積回路123とは異なる領域に配置されていることで、半導体集積回路123とアンテナコイル124の間に生じる寄生容量を低減することができる。
次に、本実施の形態に係る半導体装置100の動作について説明する。図5(C)は、本実施の形態に係る半導体装置の構成を示すブロック図の一例である。
図5(C)に示す半導体装置100は、ブースタアンテナとしてアンテナコイル102、半導体集積回路123、及び半導体集積回路チップ117を有している。半導体集積回路チップ117は、オンチップアンテナとしてアンテナコイル124を有している。
リーダ/ライタ121から電磁波が送信されると、アンテナコイル102が該電磁波を受信することで、アンテナコイル102内に交流の電流が生じ、アンテナコイル102の周囲に磁界が発生する。そして、アンテナコイル102が有するループ状の部分と、ループ状の形状を有するアンテナコイル124とが電磁結合することで、アンテナコイル124に誘導起電力が生じる。
半導体集積回路123は上記誘導起電力を用いることで、信号又は電力をリーダ/ライタ121から受け取る。半導体集積回路123において生成された信号に従って、アンテナコイル124に電流を流してアンテナコイル102に誘導起電力を生じさせることで、リーダ/ライタ121から送られてくる電波の反射波にのせて、リーダ/ライタ121に信号を送信することができる。
なお、アンテナコイル102は、主にアンテナコイル124との間において電磁結合するループ状の部分と、主にリーダ/ライタ121からの電波を受信する部分とに分けられる。リーダ/ライタ121からの電波を主に受信する部分における、アンテナコイル102の形状は、電波を受信できる形であればよい。
本実施の形態に係る半導体装置では、オンチップアンテナを用いており、なおかつ、ブースタアンテナとオンチップアンテナの間における信号又は電力の授受を非接触で行うことができるので、外付けのアンテナを半導体集積回路に接続する場合とは異なり、外力によって半導体集積回路とアンテナとの接続が分断されにくく、該接続における初期不良の発生も抑えることができる。また本実施の形態ではブースタアンテナを用いているので、オンチップアンテナのみの場合とは異なり、オンチップアンテナの寸法又は形状が半導体集積回路の面積の制約を受けにくく、受信可能な電波の周波数帯が限定されず、通信距離を伸ばすことができる、という外付けのアンテナが有するメリットを享受することができる。
なお本実施の形態では、アンテナコイル102をブースタアンテナとして用いる例について説明したが、アンテナコイル102をオンチップアンテナとしても用いてもよい。アンテナコイル102をオンチップアンテナとして用いる場合は、図5(A)及び図5(B)に示すアンテナコイル124に接続してコンデンサを設ける。当該コンデンサの誘電体となる領域の基材の厚さを、上述の突起部108を有するローラ107、或いはレーザビームを用いて薄くなるように形成すればよい。
半導体集積回路は、直接可撓性基板に形成することもできる。また、作製基板(例えばガラス基板)より半導体集積回路を他の基板(例えばプラスチック基板)へ転置してもよい。
本実施の形態では、コンデンサの誘電体の厚さを薄くすることにより、コンデンサの電極間距離を短縮することができる。コンデンサの電極間距離を短縮することにより、コンデンサの電極の面積を縮小させることができる。コンデンサの電極の面積を縮小することができるので、半導体装置の応答感度や応答範囲が抑制されるのを防ぐことができる。
100 半導体装置
101 基材
102 アンテナコイル
103 コンデンサ
106 凹部
107 ローラ
108 突起部
109 開口部
111 電極
112 電極
113 領域
114 接着剤
115 基材
116 支持基材
117 半導体集積回路チップ
121 リーダ/ライタ
123 半導体集積回路
124 アンテナコイル
128 給電点

Claims (4)

  1. アンテナコイルとコンデンサを有する半導体装置の作製方法において、
    突起部を有するローラを、第1の厚さの基材に押しつけながら回転させ、
    前記突起部を前記基材の第1の面に押しつけることにより、前記基材に、前記第1の厚さより薄い第2の厚さを有する前記コンデンサの誘電体を形成し、
    前記基材に開口部を形成し、
    前記基材の第1の面とは反対側の第2の面に支持基材を貼り付け、
    前記第2の厚さを有する領域の第1の面上、前記開口部の内部、及び前記基材の第1の面上に、第1の導電性材料を形成し、
    前記支持基材を前記基材の第2の面から分離し、
    前記基材の第2の面上に、第2の導電性材料を形成し、
    前記第1の導電材料及び前記第2の導電性材料を加熱することにより、前記アンテナコイル及び前記コンデンサの電極を形成することを特徴とする半導体装置の作製方法。
  2. 請求項1において、
    前記第2の導電性材料は、前記第1の導電性材料と同じ材料であることを特徴とする半導体装置の作製方法。
  3. 請求項1又は2において、
    前記第1の厚さは、1μm以上50μm以下であることを特徴とする半導体装置の作製方法。
  4. 請求項1乃至3のいずれか一項において、
    前記突起部は、上面が平坦な形状を有することを特徴とする半導体装置の作製方法。
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