專利名稱：具有線圈狀天線的半導體芯片及使用它的通信系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明是一種用外部裝置和無線收發(fā)信號的半導體芯片，涉及具有增加線圈狀天線和外部裝置的電磁耦合系數的結構的半導體芯片、以及使用它的通信系統(tǒng)。
背景技術：
從外部裝置(讀寫器)發(fā)送無線信號，讀取標簽中的存儲器的記錄信息等的RFID(Radio Frequency Identification)作為面向ユビキタス社會的根本技術引人注目。日本國內開發(fā)了將電波法中規(guī)定的13.56MHz和2.45GHz等作為共振頻率的無線通信技術。
RFID標簽的第一例是用形成了線圈狀天線的信用卡尺寸大小的PET基板和半導體芯片構成的RFID標簽。另外，RFID標簽的第二例是用記錄了ID信息的0.4mm見方的半導體芯片和例如形成了56×2mm的矩形天線的撓性基板構成的RFID標簽。由于是超小型的半導體芯片，所以也能安裝在紙中。
這樣的RFID是讀寫器和標簽進行非接觸通信。即，從讀寫器的變壓器發(fā)射的電磁波貫通線圈狀天線，在線圈狀天線中產生電動勢。電動勢變換成電流，驅動標簽的半導體芯片。在半導體芯片中，預先進行編程順序的處理，將以ID為主的信息發(fā)送給讀寫器。半導體芯片的信息經過線圈狀天線返回讀寫器。讀寫器連接在服務器等大規(guī)模運算存儲裝置上，例如，進行車票的計算、農作物的生產及流通的信息管理等。非接觸通信是一種安全性比磁卡更高的系統(tǒng)，還能期待防止有價證券的偽造。另外，與磁卡或條型碼相比，其數據容量相差懸殊，還具有不容易受污垢或遮蔽物的影響的優(yōu)點。
規(guī)格的標準化也在進展。在來自讀寫器的交流磁場區(qū)中存在多個標簽時，如果標簽對閱讀器的請求命令隨機地進行應答，則信號重疊，閱讀器不能正確地接收數據。因此，在共振頻率為13.56MHz的ISO15693中，通過沖突防止處理來識別標簽的ID，規(guī)定了使被選擇的標簽呈激活狀態(tài)的順序(anti-collision)。
另外，作為將線圈狀天線縮小到RFID的芯片尺寸大小的現有技術，能舉出特開2002-14072號公報(專利文獻1)。能提供具有離子感應性FET等傳感器和使用它的測量系統(tǒng)。半導體芯片由檢測物質的量或濃度的變化的傳感部；處理檢測結果的控制部；以及將信號發(fā)送到外部，另一方面，從外部取得該發(fā)送工作和傳感部及控制部的工作所需的能量的天線部構成，將它們作為單一的集成電路元件形成。
這樣，RFID有遠高于現有的ID系統(tǒng)的特性，是一種能寄以非常高的期待的技術。
特開2002-14072號公報為了安裝在以紙為代表的所謂的物體中，RFID的小型化是必須的。關于半導體芯片，由于集成度的飛速提高，以存儲器或RF電路等為代表的RFID所需的功能的尺寸變小。此外，將控制部裝入單一芯片中的系統(tǒng)單片也已上市，可以認為RFID用半導體芯片今后當然會小型化，進而多功能化。
另一方面，通過所謂的電磁耦合型的通信，進行半導體芯片的驅動中必要的電力供給及命令發(fā)送、以及從半導體芯片向讀寫器回信。圖1中示出了模式圖，以下進行說明。圖1是說明電磁耦合的模式圖。標記51是在其下部纏繞了導磁率為μr、匝面積為Stag的匝數為n的線圈狀天線。與天線相對地配置著與該天線進行信號收發(fā)的變壓器54。標記52表示電壓表，標記53表示交流電源，標記203表示交流磁場(磁力線)。
在設置在讀寫器中的電感為Lrw的變壓器中，從電源流過共振頻率的交流電流Irw，產生磁通Φrw。作為Φrw的一部分的Φtag通過電感為Ltag的標簽的線圈狀天線，產生電動勢Vtag。這里， Vtag＝-Φtag/t(yī)(式1)[數學式2]Φtag＝BtagStag ＝μ0μrHtagStag(式2)這些(式1)(式2)表示由于利用導磁率高的磁性體提高了的磁通密度Btag通過標簽的大的匝面積Stag，所以能獲得高的電動勢Vtag。
另外，還能根據(式3)(式4)，用線圈狀天線和變壓器之間的距離和結構引起的耦合系數k進行說明。
Vtag=M dIrw/dt=kLtag·LrwdIrw/dt]]>(式3)[數學式4]Ltag＝μ0μrn2Stag/ltag(式4)式中μ是互感。在小型線圈狀天線中，貫通小的匝面積Stag的磁通Φtag小，難以獲得驅動半導體芯片所需以上的電動勢Vtag，回信時的通信效率也低。
作為Vtag的變量，除了電感L以外，還有耦合系數k(0＜k≤1)和電流值Irw。為了獲得大的Vtag，有縮短通信距離，使耦合系數接近1的方法和增加Irw的方法。可是，前者使得RFID的使用環(huán)境受到很大限制，后者使得來自芯片的回信消失在來自讀寫器的信號中，不能讀取。因此，以往為了獲得貫通線圈狀天線的足夠的磁通，多半將匝面積Stag設計得遠大于存儲器和RF電路等所需的半導體芯片尺寸。這種情況限制了現有的RFID的安裝對象即適用產品群。如特開2002-14072號公報所示，在芯片上形成線圈狀天線的情況下，由于上述的理由，能預料到通信距離會變得非常短。
這樣，需要一種小型天線、理想地利用半導體芯片尺寸大小得線圈狀天線，在對應于用途的環(huán)境中獲得充分的通信距離的技術。

發(fā)明內容
根據用來解決上述課題的本發(fā)明的一種形態(tài)，是一種具有具有螺旋形的線圈狀天線和電路面、與外部裝置進行無線信號的收發(fā)的通信部的半導體芯片，是有使天線線圈和外部裝置的耦合系數增大的結構的半導體芯片。作為使天線線圈和外部裝置的耦合系數增大的結構的主要例，考慮以下的各形態(tài)。
(1)配置磁性體，使磁通集中的形態(tài)。
(2)制成多層的層疊結構體作為線圈狀天線。能增大電感L。
(3)利用由半導體芯片的電路構成的線圈狀天線的鏡像效應的形態(tài)。更具體地說，是一種具有使電路面集中在被天線線圈包圍著的中央部，具有對角線狀鏡像效應。
(4)將上述(1)至(3)的各形態(tài)組合使用的形態(tài)。
首先，是配置磁性體，使磁通集中的形態(tài)。列舉該形態(tài)的代表性的諸例如下。
即，本發(fā)明的意圖是制成線圈狀天線、用該線圈狀天線與外部裝置進行信號收發(fā)用的電路、以及謀求增大上述線圈狀天線和外部裝置的電磁耦合的耦合系數的機構的半導體芯片。上述線圈狀天線的代表性的形態(tài)呈螺旋狀。
本發(fā)明的第一種形態(tài)是這樣一種形態(tài)謀求增大上述線圈狀天線和外部裝置的電磁耦合的耦合系數的機構，是在該半導體芯片的側面安裝了磁性體的機構。
安裝上述磁性體的半導體芯片的面，能采取上述半導體芯片上安裝了上述線圈狀天線的一側的面、或者與上述半導體芯片上安裝了上述線圈狀天線的一側的面相反的面。
本發(fā)明能利用在上述半導體芯片上安裝了上述線圈狀天線的一側的面上配置使所希望的物質感應的感應部件的形態(tài)。
其次，本發(fā)明的意圖如下。如上述(式1)(式2)所示，貫通匝面積Stag的磁通與磁性體的導磁率μr成正比地增加。圖2A中模式地示出了沒有磁性體時的磁力線的模樣，圖2B中模式地示出了某種情況。在圖2A的例中，在硅晶片101上形成高分子樹脂層102。然后，在該高分子樹脂層102上安裝線圈狀天線104。在圖2B的例中，在上述線圈狀天線104的內部安裝磁性體130。圖中，標記203表示交流磁場，即表示其磁力線。
另外，在上述(式3)(式4)中，也示出了磁性體對電動勢Vtag的效果，可知不僅芯片，而且在讀寫器的變壓器中也配置導磁率高的磁性體是有利的。以下給出磁性材料的一例。日立金屬制MN50S(商品名)作為10MHz的導磁率超過200的Ni-Zn系列鐵氧體材料舉例示出。另外，日立金屬制ァブゾシ-ルド(商品名)K-E系列是軟磁性體粉末和樹脂的混合薄片，用1GHz實現導磁率8.5。對通信中使用的頻率區(qū)域，適當地選擇導磁率高的材料，具有增大電動勢Vtag的效果。
標簽的線圈狀天線的匝面積Stag大或者匝數多時，有助于獲得大的電動勢Vtag，但在小型RFID的情況下，線圈狀天線的安裝面積小，受到限制。在外形尺寸受限制的線圈狀天線中，提高布線密度能增大匝面積和圈數這兩者。此外，將纏繞方向相同的線圈層疊起來層疊結構體能獲得大的自感。例如，制成第一層從外側向內側一邊使其直徑縮小一邊向右纏繞，第二層從內側向外側一邊使直徑擴大一邊同樣地向右纏繞的結構。另外，線圈長度l短時有效，也可以使層間絕緣膜厚度薄。
為了對應于來自變壓器的交流磁場使線圈狀天線共振，所希望的頻率的電抗分量最好接近0。在線圈狀天線小的情況下，電感多半呈現感應性，天線部中呈電容性電感，即一般將電容器插入標簽的共振電路中。這里，例如SiO2作為電介質，為了用電極間距離為10nm的薄膜電容器形成1pF，根據(式5)，約2.9×10-10m2的面積是必要的。這在正方形的情況下，每一邊為17微米左右。因此，薄膜電容器在小的半導體芯片中占有的安裝面積有望被抑制得較小。因此，通過用線圈狀天線包含高寄生電容，能使為了調整共振頻率而插入的電容器電容小，即能使電容器的安裝面積小。厚的布線、窄的布線間隔、高介電常數材料構成的布線的覆蓋有上述效果。
另外，在將線圈狀天線制成多層的層疊結構體的情況下，能提高層間的寄生電容。這時，如圖3所示，使布線寬度大的線圈布線的平行分量沿線圈平面的法線方向重合，制成高電容率的薄的布線層間絕緣膜的結構，有助于獲得更高的寄生電容。
在圖3A的例子中，在硅晶片101上形成半導體集成電路，其上部表面用標記109表示。通過設置在其上部的高分子樹脂層102，配置線圈狀的第一天線第一層1041、線圈狀的第二天線第二層。用保護用的高分子樹脂膜107覆蓋最上部。作為該高分子樹脂膜107最好是聚酰亞胺樹脂。圖3B是圖3A的結構中的說明層間寄生電容的剖面圖。示出了線圈狀的第一天線第一層1041和線圈狀的第二天線第二層之間的電容。此外，圖中的標記與圖3A相同。
C＝ε0εrS/d (式5)其次，說明利用線圈狀天線的鏡像效應的形態(tài)。已知一般情況下，如果在電荷附近有金屬板，則根據鏡像效應，描繪與在金屬板的面對稱位置存在逆電荷者相同的電力線磁力線。用通電流的線圈狀天線和鋁構成的半導體芯片的電路面也有同樣的關系，在相對于線圈狀天線的電路面對稱的位置有鏡像時，發(fā)生同樣的磁力線。因此在半導體芯片的集成電路位于線圈狀天線布線的正下方的情況下(圖4A)、以及位于線圈狀天線布線的內部的情況下(圖4C)，產生鏡像的位置不同。圖4A是說明金屬板110相對于電流路徑151怎樣形成鏡像的圖。電流路徑151在其周圍形成交流磁場203，由金屬板110形成其鏡像、即電流路徑的鏡像152及由鏡像產生的交流磁場204。圖4B示出了在具體的線圈面的下方存在導體110時的磁力線的狀態(tài)。由線圈構成的電流路徑151形成交流磁場203，由導體110形成其電流路徑的鏡像152及由鏡像產生的交流磁場204。其結果，圖4B中紙面上縱向的磁力線弱，橫向的磁力線205強。另一方面，圖4C表示金屬板110位于線圈狀天線布線的內部時的磁力線的狀態(tài)。由線圈構成的電流路徑151形成交流磁場203，由導體110在電流路徑151相對于金屬板110的對角線位置，形成該電流路徑的鏡像152及由鏡像產生的交流磁場204。其結果，圖4D中紙面上的縱向的磁力線205強。
這樣，在線圈狀天線的正下方有半導體芯片的電路面的情況下，線圈狀天線的磁力線和鏡像的磁力線使圖中縱向的磁力線減弱，所以如圖4B所示，通過線圈狀天線的磁通Φtag減少。與此不同，在相對于半導體芯片的電路面呈面對稱位置存在線圈狀天線的情況下，按照圖4所示的原理，縱向的磁力線增強，其結果，如圖4D所示，具有使Φtag增加的效果。
如上所述，制成所希望的頻率的線圈狀天線的電抗接近0的有高寄生電容和高電感的線圈狀天線，將芯片電路配置在線圈狀天線內部，具有提高通信特性的效果。
這樣，通過制成所希望的頻率的線圈狀天線的電抗接近0的有高寄生電容和高電感的線圈狀天線，將芯片電路配置在線圈狀天線內部，具有提高通信特性的效果。
在具有線圈狀天線的半導體芯片中，本發(fā)明能抑制半導體芯片的尺寸增大，能確保對應于用途的諸環(huán)境中的使用該半導體芯片的通信的充分的通信效率。另外，能抑制裝置尺寸的增大，能以充分的通信效率進行使用有線圈狀天線的半導體芯片的電磁耦合型通信。


圖1是表示電磁耦合的模式圖。
圖2A是說明沒有磁性體的情況下的磁力線的形態(tài)的模式圖。
圖2B是說明有磁性體的情況下的磁力線的形態(tài)的模式圖。
圖3A是將線圈狀天線制成了兩層的半導體芯片的剖面圖。
圖3B是層間的寄生電容的說明圖。
圖4A是說明由電流的輸電線路和金屬板發(fā)生的鏡像的原理圖。
圖4B是說明在天線的下部存在半導體電路面的狀態(tài)下發(fā)生的鏡像的原理圖。
圖4C是說明在電流的輸電線路的內部存在金屬板的情況下的鏡像的原理圖。
圖4D是說明在線圈狀天線的內部存在半導體電路面的狀態(tài)下發(fā)生的鏡像的原理圖。
圖5是實施例1中記載的具有傳感功能的半導體芯片的結構圖。
圖6是表示形成了傳感部和線圈狀天線的半導體芯片的斜視圖。
圖7是表示排列了半導體芯片的晶片的斜視圖。
圖8A是表示實施例1的半導體芯片的制造工序的裝置的剖面圖。
圖8B是表示實施例1的半導體芯片的制造工序的裝置的剖面圖。
圖8C是表示實施例1的半導體芯片的制造工序的裝置的剖面圖。
圖8D是表示實施例1的半導體芯片的制造工序的裝置的剖面圖。
圖8E是表示實施例1的半導體芯片的制造工序的裝置的剖面圖。
圖9是表示通孔的錐形角的說明圖。
圖10A是說明錐形角超過90度的通孔的濺射不良的模樣圖。
圖10B是說明錐形角超過90度的通孔的電鍍不良的模樣圖。
圖11是使用有機膜的離子感應性FET的模式圖。
圖12是實施例2中記載的半導體芯片的結構圖。
圖13是表示形成了線圈狀天線的半導體芯片的斜視圖。
圖14是表示圖13中的半導體芯片沿A-A’的剖面圖。
圖15是構成配置了實施例3中記載的磁性體的半導體芯片，將磁性體配置在線圈狀天線內側的半導體芯片的剖面圖。
圖16是構成配置了實施例3中記載的磁性體的半導體芯片，作為保護聚亞酰胺，層疊粘接了散布了樹脂的半導體芯片的剖面圖。
圖17是實施例4中記載的作為兩層線圈狀天線的半導體芯片的剖面圖。
圖18是實施例4中記載的作為兩層線圈狀天線，隨著層的不同用寬度不同的布線形成的半導體芯片的剖面圖。
圖19是實施例4中記載的作為三層線圈狀天線的半導體芯片的剖面圖。
圖20是實施例4中記載的在表面和背面上分別形成了兩層線圈狀天線的半導體芯片的剖面圖。
圖21是實施例4中記載的在表面和背面上用粘有樹脂的金屬箔分別形成了四層線圈狀天線的半導體芯片的剖面圖。
圖22是構成實施例5中記載的半導體芯片，在集成電路面的外形的外側區(qū)域中形成了線圈狀天線的半導體芯片的剖面圖。
圖23是構成實施例6中記載的半導體芯片，在以集成電路面的外形的外側為主的區(qū)域中形成了線圈狀天線的半導體芯片的剖面圖。
圖24A是表示實施例8中記載的DNA測定系統(tǒng)的概要的說明圖。
圖24B是表示來自變壓器的磁通貫通線圈狀天線的模樣的剖面圖。
圖25是實施例9中記載的具有按鈕型電池及連接電池的兩端和半導體芯片的電路布線結構的標簽的剖面圖。
(標記說明)10...激光、11...激光光軸、12...激光光軸垂直面、13...金屬膜掩模、16...錐形角、23...濺射膜、24...濺射膜未形成部分、25...濺射膜和電鍍膜、26...未電鍍填充部分、50...線圈長、51...相對導磁率μr，匝面積Stag的匝、52...指示電動勢Vtag的電壓表、53...電流Irw的交流電源、54...變壓器、55...圈數為n的線圈狀天線、99...不具有傳感器的半導體芯片、100...具有傳感器的半導體芯片、101...硅晶片、102...聚酰亞胺、104...線圈狀天線、1041...線圈狀天線第一層、1042...線圈狀天線第二層、1043...線圈狀天線第三層、1044...線圈狀天線第四層、105...通孔、106抗蝕劑、107...保護聚酰亞胺、108...傳感電極部、109...半導體芯片的集成電路面、110...金屬板、111...鍍銅層、121...參照電極、122...離子感應性FET、123...有機膜、124...外部環(huán)境測定傳感器、130...磁性體、131...分散了磁性體的樹脂、132...半導體芯片電路面的外形、133...線圈狀天線的內形、140...芯片背面的二氧化硅膜、141...SOI基板內部的二氧化硅膜、151電流路徑、152...電流路徑的鏡像、161...紐扣型電池、162...電源布線、200...測定裝置、201...外部裝置(讀寫器)、202...變壓器、203...交流磁場(磁力線)、204...鏡像的磁力線、205...合成磁力線強的方向、206...變壓器、207...線圈狀天線、208...RF部、209...控制部、210...傳感部、300...檢測容器、301...檢測對象溶液具體實施方式
以下，用圖說明本發(fā)明的實施形態(tài)。另外，本發(fā)明不限定于這些實施例，不用說，也可以將實施例中記載的半導體芯片適當地組合。
<實施例1>
圖5中模式地示出了本實施例的具有傳感功能的半導體芯片的結構。在半導體芯片100中配置了讀寫器201。讀寫器201具有將交流磁場發(fā)送給有傳感功能的半導體芯片100、接收來自半導體芯片100的回信的功能。另外，由PC(個人計算機)等控制裝置200控制讀寫器201。形成了螺旋狀的變壓器206被用于該發(fā)送部。
另一方面，具有傳感功能的半導體芯片100被芯片化，其內部結構按照功能的不同能區(qū)分成天線部207、RF部208、控制部209、傳感部210。用天線部207從外部讀寫器201接收驅動有傳感功能的半導體芯片100所需的交流磁場203。由RF部208和控制部209等抽出通過天線部207供給的交流磁場203，作為驅動具有傳感功能的半導體芯片100所需的電力和時鐘，進行接收信號的解調、發(fā)送信號的調制和時鐘的變換的處理。另外，驅動傳感部210將檢測的信號記錄在控制部內的存儲器中。在傳感部210中形成對應于測量對象的檢測物質。將跟隨控制部209檢測的結果變換成電信號，將它發(fā)送給RF部208，利用副載波從天線部207發(fā)送。
其次，圖6中示出了具有上述結構的具有傳感功能的半導體芯片100的斜視圖，另外，圖8E中示出了其AA’線處的芯片的剖面圖。另外，圖7是舉例表示最初制成該半導體芯片100的半導體晶片101的斜視圖。即，由半導體制造工藝的所謂前工序，在硅晶片101上形成上述的RF部208、控制部209。最后，從半導體晶片101切出各半導體芯片100。
圖8中示出了在這樣的集成電路上形成天線部207及傳感部210的工序的例子，說明如下。圖8A表示在形成了集成電路的硅基板上形成構成絕緣層的聚酰亞胺膜的工序，圖8B表示使集成電路中的RF部的電極及傳感部的端子開口的通孔形成工序，圖8C表示利用半添加法，形成線圈狀天線的工序，圖8D表示形成保護聚酰亞胺膜和傳感部的工序，圖8E是在集成電路面的里側配置了磁性體的半導體芯片的剖面圖。
如圖8A所示，在具有半導體芯片的集成電路部109的上述硅晶片101上形成構成絕緣層的聚酰亞胺膜102。作為形成方法，有旋涂液態(tài)聚酰亞胺后使其硬化的方法、層疊粘接薄膜狀聚酰亞胺的方法等。
其次，說明使RF部208的電極及傳感部210的端子開口的通孔形成工序(圖8B)。舉例示出用感光性聚酰亞胺作為前面所述的液態(tài)聚酰亞胺，通過光刻形成通孔105的方法。經過由以RF部208的電極及傳感部210的端子的位置信息為基準的掩模進行的感光性聚酰亞胺的曝光、顯影工序，使上述RF部208的電極及傳感部210的端子開口。
另外，用干式工藝形成通孔的方法也可以。例如，使利用以電流鏡為代表的光學部件定位了的激光照射在聚酰亞胺膜102上的方法不需要加工用掩模。為了抑制樹脂的炭化作用產生的殘渣的發(fā)生、以及加工直徑更微小的通孔，最好采用能進行燒熔加工的紫外線激光，舉例示出了高次諧波YAG激光等。另外，即使使用二氧化碳激光，如果通過反應性氣體的干刻蝕等將殘渣除去，也能形成直徑小的通孔。
另外，作為能確保對準精度高的方法，示出了利用金屬掩模的例子。在聚酰亞胺膜上形成鋁的濺射膜，進行感光性抗蝕劑的光刻和以磷酸為主要成分的混合酸進行的鋁的刻蝕。由此，將RF部208的電極及傳感部210的端子的鋁膜除去。利用激光或反應性氣體進行干法刻蝕，直至RF部208的電極及傳感部210的端子露出為止，在聚酰亞胺膜上形成10微米～50微米左右的微小孔構成的通孔。在用激光加工的情況下，最好是受激準分子激光等燒熔加工中具有支配性的紫外線激光。已知利用加工面上的能量密度，能控制激光光軸11的垂直面12和通孔的側壁構成的角度、即圖9所示的錐形角16。圖9是表示在半導體集成電路部109上形成的高分子樹脂膜102的開口形態(tài)的圖。標記13是加工用掩模，標記10是加工用激光。如果提高能量密度，則能擴大錐形角，但不要將錐形角擴大得超過90度。另外，由于樹脂的炭化作用小，能抑制殘渣的發(fā)生，所以能不要或減輕加工后的清洗處理。
可是，在通孔部上形成布線時，如果錐形角達到90度以上，則會發(fā)生以下的故障。即，如果進行電鍍等濕法工藝，則如圖10A所示，在電鍍層25中，通孔上部首先被堵塞，通孔中產生電鍍未填充部分26。在用濺射等干法工藝形成金屬膜的情況下，如圖10B所示，不能形成厚度均勻的濺射膜203。在防止發(fā)生這樣的倒錐形角方面，激光加工是有利的加工方法。
在反應性氣體的情況下，舉例示出了將氧氣作為主反應性氣體的反應性離子刻蝕。如果采用該方法，則氧離子撞擊或氧化作用支配著加工。利用氣體壓力、加工時間等，能控制得不致構成通孔超過了90度的錐形角、所謂的倒錐形角這樣的通孔的形狀。即，如果用反應性氣體，則能形成錐形角為90度左右的通孔。浸漬在氫氧化鈉水溶液中，將鋁膜除去。圖8B中示出了用以上方法形成了通孔105的剖面圖。
其次，在包含通孔側壁的聚酰亞胺膜上，用濺射法依次層疊鉻膜和銅膜。然后，將其作為種膜，用所謂的半添加法進行抗蝕劑構圖、鍍銅111。另外，進行圖形分離，形成連接了螺旋形的線圈狀天線104和傳感部210的端子的傳感電極部108。同時銅被埋入上述通孔105內，還形成連接RF部208的電極和線圈狀天線104的通孔布線。
將抗蝕劑除去后，形成保護線圈狀天線的保護用聚酰亞胺膜107(圖8D)。由此，在溶液中等的電解質中使用具有傳感功能的半導體芯片100的情況下，能防止線圈之間發(fā)生的泄漏電流。
其次，用與上述通孔形成工序同樣的方法，使與傳感部210的端子連接的傳感電極部108露出，適當地選擇并形成針對作為測量對象的物質的感應膜122和參照電極121。上述傳感器的形成位置，由于能增大線圈狀天線104的匝面積，所以最好是被線圈狀天線104包圍的區(qū)域。圖8D中示出了這時的剖面圖。
作為感應膜的種類，隨著作為傳感器檢測的物質或物理量的不同而不同。作為離子感應性FET的膜材料，能舉例示出氮化硅、二氧化錫、鉭氧化物等。將DNA作為測量對象物質檢測用的傳感膜也同樣。關于上述結構的具有傳感功能的半導體芯片100，圖11中模式地示出了在離子傳感性FET122上配置了作為測量對象的有機物質、例如對單鏈DNA具有互補性的排列的單鏈DNA的傳感器的放大剖面圖。在DNA的符號的排列中已知有個體差。如果在傳感器上形成適合于該符號排列的排列DNA，則兩者吸附。DNA一邊帶有微量負電，一邊吸附，所以能監(jiān)視傳感部210的電位變化。在此情況下，如果將半導體芯片投入試樣溶液中，則傳感面呈各種各樣的環(huán)境。特別是在投入了液體中的情況下，吸附物質附著在傳感面上。只將吸附物質除去，進行更新是困難的，所以由具有同一傳感功能的半導體芯片100進行的多次傳感(sensing)中，不能獲得高的檢測精度。因此，為了獲得可靠性高的測定數據，有傳感功能的半導體芯片100最好使用后就廢棄。
作為參照電極，舉例示出了在傳感電極部108上進行厚度為2微米左右的鍍鎳，其次，形成了厚度為1微米左右的鍍金。
如圖8E所示，將磁性體130粘接在集成電路面的里側，通過切片工序進行芯片化，形成有傳感功能的半導體芯片100。另外，有傳感功能的半導體芯片本身的概念是已知的，所以其詳細說明從略。
使這樣制成的有傳感功能的半導體芯片100接近作為交流磁場發(fā)生單元的變壓器206，在跟隨讀寫器201和PC等控制裝置200發(fā)生的交流磁場中，貫通具有傳感功能的半導體芯片100的線圈狀天線104的交流磁場在線圈狀天線104中發(fā)生電動勢，進行半導體芯片100中的處理，能將傳感信息發(fā)送給變壓器206。
另外，在只在硅基板的一面上形成了聚酰亞胺膜的情況下，由于材料的熱膨脹系數的差和工序中的熱歷史不同，所以表面和背面上的應力不同，成為基板翹曲的原因。通過用聚酰亞胺膜102和粘合劑將硅晶片101夾入，也能看到抑制翹曲的發(fā)生的效果。
在本實施例中，作為線圈狀天線的材料使用了銅。由于線圈狀天線存在電阻，所以反電動勢的一部分作為焦耳熱被消耗掉，因此最好采用由電阻低的材料構成的線圈狀天線。金、銀、銅、鋁等就是其例子。
另外，在本實施例中，雖然說明了以有機物質為測量對象的傳感器，但作為傳感器的功能不限定于此，以溫度、濕度、光等為測量對象的傳感器也可以。如本實施例所示，通過將磁性體蓄積在集成電路面的里側，能廉價地獲得半導體芯片的驅動。
<實施例2>
本實施例的半導體芯片99是將無線通信的對象制成了芯片的ID信息的芯片。因此，沒有傳感功能。作為提高半導體芯片99的電磁耦合的結構，制成了將磁性材料配置在硅基板的用半刻蝕在集成電路的背面?zhèn)刃纬傻目字械陌雽w芯片99。
圖12中模式地示出了本實施例的半導體芯片99的結構。讀寫器201由PC等控制裝置200進行控制，具有將電磁場發(fā)送給半導體芯片99、接收來自半導體芯片100的回信的功能。其發(fā)送部使用螺旋狀的變壓器206。另一方面，半導體芯片99的內部結構按照功能的不同能區(qū)分成天線部207、RF部208、控制部209。用天線部207接收來自讀寫器201的電磁場。用RF部208和控制部209等，將電磁場變換成接收信號的解調、發(fā)送信號的調制或時鐘。跟隨控制部209，將半導體芯片99的數據發(fā)送給RF部208，利用副載波從天線部207發(fā)送。
圖13中示出了具有上述結構的半導體芯片99的斜視圖，另外，圖14中示出了圖13中的AA’線的剖面圖。在圖13中，在硅晶片101的上部形成保護聚酰亞胺樹脂膜107，而且線圈狀天線107配置在硅晶片的所希望的區(qū)域周邊。
用表面上有二氧化硅膜的SOI基板，通過常規(guī)的半導體制造工藝的前工序，在硅晶片101上形成上述的RF部208、控制部209。
在上述硅基板的集成電路面109上形成例如聚酰亞胺膜，作為有機高分子樹脂膜102。其次，形成位于RF部208的電極上的貫通聚酰亞胺膜的通孔。通過濺射，在包含通孔側壁的聚酰亞胺膜102上依次層疊鉻膜和銅膜，用半添加法形成螺旋形的線圈狀天線104。同時銅被埋入通孔105內，還形成連接RF部208的電極和線圈狀天線104的通孔布線。將抗蝕劑除去后，形成保護線圈狀天線104的聚酰亞胺膜107。
在集成電路的背面?zhèn)鹊亩趸枘?40的表面上涂敷厚度為3微米的感光性抗蝕劑，通過光刻將配置磁性材料的區(qū)域的抗蝕劑除去。浸漬在氫氟酸和氟化銨的混合液中，對開口部的二氧化硅膜進行刻蝕，除去感光性抗蝕劑。其次，用殷鋼(Fe-36％Ni)制的工卡模具從外部將保護聚酰亞胺膜107一側遮斷并密封。將二氧化硅膜140作為掩模，用90度的氫氧化鉀水溶液，對露出的硅面進行刻蝕。如果到達內部的二氧化硅層141，則在清洗和干燥后，在加工的孔中形成磁性體130。作為磁性體130的形成方法，能舉出將分散了粒子狀鐵氧體之類的磁性體粒子的樹脂涂敷或印刷在上述位置進行硬化的方法；利用在孔的周邊及內部形成金屬膜、將它作為種膜的半添加法，進行鍍鎳填充，粘接鐵系合金材料等。可是，在磁場中，導體中發(fā)生渦電流。分散了磁性體粒子的樹脂能抑制渦電流的發(fā)生，在這方面有優(yōu)越性。特別是對表面進行了氧化處理的磁性體粒子的樹脂優(yōu)異。
最后，通過切片工序進行芯片化，形成半導體芯片99。
使這樣制作的半導體芯片99接近讀寫器201的變壓器206。來自被PC等控制裝置200控制的變壓器206的電磁場的一部分貫通半導體芯片99的線圈狀天線104，在線圈狀天線中發(fā)生反電動勢，將預先記錄在半導體芯片99中的ID編號發(fā)送給變壓器206。
在硅基板的刻蝕工序中，如果基板被過度刻蝕，則導致產品的合格率下降。如果使用SOI基板，則能使內部的二氧化硅層141成為刻蝕的阻擋層，所以能容易地形成深度均勻的孔。
在本實施例中，芯片背面的硅刻蝕時雖然使用了氫氧化鉀水溶液，但使用氟酸硝酸混合水溶液、或聯(lián)氨也沒關系。另外，在本實施例中，雖然直接將磁性體填充在加工后的表面上，但將氮化硅淀積在表面上后進行填充，能抑制向硅基板中的擴散。
<實施例3>
本實施例是在上述實施例1的半導體芯片100中，按照另一種結構配置了磁性體的例子。以下的任何一例，最好在形成了磁性體后，進行用切片進行芯片化的工序。
圖15是將磁性體130粘貼在線圈狀天線104的內側的例的剖面圖。與上述實施例1相同，形成了線圈狀天線104后，粘貼制成離子感應膜FET122和參照電極121不重合的磁性體130。磁性體130的粘貼所需要的工序數少，能廉價地制造。
圖16是作為保護聚酰亞胺107，制成了將分散了磁性體131的樹脂層疊粘接起來的例子的剖面圖。
這樣的具有傳感功能的半導體芯片100能利用磁性體130，增加貫通線圈狀天線104的交流磁場203。在作為磁性體130使用日立金屬制MN50S進行13.56MHz附近的通信的情況下，能期待將感應電壓提高15倍左右。
<實施例4>
本實施例是在上述實施例1中，將線圈狀天線制成多層的層疊結構體的半導體芯片100的實施例。
與實施例1中記載的方法相同，在形成了集成電路的硅晶片101上，從形成聚酰亞胺膜102到形成線圈狀天線104的工序，反復進行所希望的次數。在線圈狀天線104上形成保護用聚酰亞胺膜107。使與傳感部210的端子連接的傳感電極部108露出，適當地選擇作為測量對象的物質的感應膜而作成。圖17中示出了作為兩層結構體的線圈狀天線，圖18中示出了布線寬度不同的兩層的線圈狀天線，圖19中示出了再進行層疊，制成了三層的線圈狀天線的半導體芯片100的剖面圖。
圖20、圖21中示出了將線圈狀天線設置在半導體芯片100的兩面上的結構的剖面圖。
以下說明20的例子。采用與上述實施例1中記載的相同的方法，在形成了集成電路的半導體芯片100上進行從形成聚酰亞胺膜102到形成離子感應膜FET122和參照電極121的工序。其次，將背面硅的所希望的位置的二氧化硅膜除去，用殷鋼制的工卡模具從外部將保護聚酰亞胺膜107一側遮斷并密封。將二氧化硅膜作為掩模，用氫氧化鉀水溶液進行硅刻蝕和干法刻蝕，使集成電路的RF部208露出。從里面形成鉻和銅的濺射膜，用半添加法形成制銅的線圈狀天線104。在集成電路面?zhèn)?，在傳感?10的端子的聚酰亞胺膜上形成通孔，適當地選擇并形成作為測量對象的物質的感應膜，獲得具有圖2中的剖面結構的半導體芯片100。
圖21是用帶樹脂的金屬箔，在兩面上形成了線圈狀天線的半導體芯片的剖面。作為帶樹脂的金屬箔，能舉例給出組合基板的制造工序中用的帶樹脂銅箔、形成了濺射膜的聚酰亞胺薄片等。通過切片將形成了集成電路的硅晶片101芯片化。通過高溫真空加壓，將帶樹脂的金屬箔層疊粘接在半導體芯片的兩面上。因此，用樹脂將半導體芯片包在里面。將干膜抗蝕劑層疊在形成了電路面?zhèn)鹊慕饘俨希孟?subtractive)法進行構圖。這樣做，將RF部208的電極和里面線圈的接觸位置的金屬箔除去。使激光照射在除去了的位置的樹脂上，形成通孔。進行微薄無電解鍍敷和電鍍，將表面和背面金屬箔導電性地連接起來。對兩面的金屬箔實施消除法，形成線圈狀天線104，制作了抗焊劑等的保護層107，獲得有圖21所示斷面的半導體芯片100。
由于在傳感部210的背面上形成了線圈狀天線104，所以能增大傳感部210的面積。因此，能提高與檢測對稱物質的反應概率，檢測精度高，測定時間短。另外，在讀寫器201位于檢測容器的底面上的情況下，傳感部210對檢測對稱物質，能使線圈狀天線104的面朝向讀寫器201的變壓器206，能獲得高感應電壓。
另外，由于增加層數提高了自感，所以能增大作為標簽的半導體芯片100的感應電壓。此外，由于寄生電容的提高，能減少附加在半導體芯片100的電路上的共振調整用電容器的電容，即能減少電容器的面積?？墒?，由于層疊工序反復進行光刻，所以難以完全消除主要由曝光工序的對準引起的位置偏移。如圖17所示，在同樣地設計了各層的布線寬度的情況下，線圈狀天線104的寄生電容的離散增大，每個半導體芯片100上都發(fā)生共振頻率的偏移。如圖18和圖19所示，隨著層的不同而改變布線寬度，能減少由線圈層間的位置偏移引起的布線電容的制造誤差。即，在接近的線圈層M1及M2的布線寬度(M1＜M2)中，M1的最大布線寬度w1+d和M2的最小布線寬度W2-d-δ，從上方看布線的平行成分最好重合。這里，假設M1及M2的布線寬度的設計值分別為w1、w2(w1＜w2)，制造精度為±d，曝光工序的對準精度為±δ。
使這樣制作的半導體芯片100接近讀寫器201的變壓器206。跟隨PC等控制裝置200，從變壓器206發(fā)射的電磁波貫通半導體芯片100的線圈狀天線104。將由上述的效應產生的大的反電動勢作為電源，驅動半導體芯片100，將半導體芯片100的數據發(fā)送給變壓器206。在這時的通信特性中，能實現更遠的通信距離。這表明能用更小型化的線圈狀天線來實現。
<實施例5>
本實施例關于在半導體芯片中RF部208、控制部209等的電路面的配置。在小區(qū)域中集中形成上述實施例1中記載的半導體芯片100的電路面109。這時，使相鄰的芯片的電路面之間的間隔形成得超過通常切片所需的0.1mm。在上述電路面的外形132的外側區(qū)域，采用與上述實施例1同樣的方法，形成線圈狀天線104。因此，電路面的外形132收容在線圈狀天線的內形133的內部。圖22中用相同的標記表示與上述實施例同樣的部位。
其次，通過切片進行芯片化，制成圖22所示的半導體芯片100。
對將2.3mm見方的鋁板配置在中央，制成了外形為2.3mm見方、中央的匝面積為0.6mm見方左右、纏繞了50圈的線圈狀天線104的半導體芯片、以及將鋁板制成了0.5mm見方的半導體芯片100，進行了電磁場模擬通信特性評價。鋁板和線圈狀天線104中心軸一致。
讀寫器201的變壓器206直徑7mm，纏繞5圈。兩者的距離為1mm，用13.56MHz進行通信。其結果，互感分別為0.0680μH、0.0775μH。作為標簽的半導體芯片100的感應電壓和互感的關系為式3所示的關系，所以由本實施例確認了能謀求提高15％左右。
<實施例6>
本實施例關于在半導體芯片中RF部208、控制部209等的電路面的配置。在小區(qū)域中集中形成上述實施例1中記載的半導體芯片100的電路面109。這時，使相鄰的芯片的電路面之間的間隔形成得超過通常切片所需的0.1mm。此后，在以上述電路面的外形132的外側為主的區(qū)域中，采用與上述實施例1同樣的方法形成線圈狀天線104。通過切片進行芯片化，制成圖23所示的半導體芯片100。在本例中，線圈狀天線的內形133和電路面的外形132占有相同程度的區(qū)域。
這樣制成的半導體芯片100由于由芯片電路引起的線圈狀天線104的鏡像效應，所以能獲得高的感應電壓。另外，與實施例5相比，能縮小半導體芯片100的尺寸。
<實施例7>
本實施例中，把將線圈狀天線如上述實施例1所述做成多層，如實施例4所述配置磁性體，如實施例5或6所述獲得由芯片線圈狀天線的芯片電路引起的鏡像效應，全部實施。例如，作為磁性體使用日立金屬制MN50S，將線圈狀天線做成兩層，在使線圈狀天線位于半導體芯片100的電路外形的外側的情況下，能使感應電壓增大20倍左右。
<實施例8>
本實施例給出用上述實施例1中記載的半導體芯片100，對檢測容器內的檢測對象溶液中的檢測對象物質進行檢測的檢測系統(tǒng)。圖24A中示出了DNA測定系統(tǒng)的概要。將包含作為檢測對象的DNA的溶液、以及多個具有進行了與檢測對象的DNA互補的排列的DNA傳感部210的半導體芯片100投入檢測容器300中。只吸附與傳感部210的DNA相適合的排列的DNA。另外，圖24B表示從與讀寫器201連接的變壓器206發(fā)生的磁力線203貫通線圈狀天線104的模樣。由貫通半導體芯片100的線圈狀天線的磁通驅動半導體芯片100，由離子感應性FET122監(jiān)視傳感部210的電位變化。按照ISO15693的防撞規(guī)定，通過變壓器206將傳感信息返回讀寫器201。返回的信息在測定裝置中進行處理，檢測是否有適合與有機膜的標記排列的DNA。由此，能測定特定DNA的有無。
另外，用同一標記表示圖24B中的半導體芯片的各部中與上述
<實施例9>
本實施例關于具有作為電源的紐扣型電池及連接電池的兩極和上述半導體芯片100的電路的布線結構的標簽。圖25中示出了結構圖。
通過與紐扣型電池161的兩極的連接，在沒有外部電源的供給的情況下，半導體芯片100進行預先編程的工作。測定外部環(huán)境的傳感器安裝在上述實施例1中記載的半導體芯片100中，具有本實施例的結構，例如將溫度傳感器和濕度傳感器檢測到的熱歷史、濕度歷史記錄在存儲部中。根據來自讀寫器201的變壓器206的讀出信號，這些記錄數據從線圈狀天線返回。另外，用同一標記表示圖25中的半導體芯片的各部的與上述實施例相同的部位。
以上，如果采用本實施例的標簽，則即使在不從讀寫器201接收電源供給的期間，也具有作為傳感器的功能，能將蓄積的數據有效地發(fā)送給讀寫器201。另外，在本實施例中，雖然記載了電池的例作為電源供給單元，但也可以是具有有線進行的電源供給單元。
權利要求
1.一種半導體芯片，其特征在于具有線圈狀天線；用該線圈狀天線與外部裝置進行信號收發(fā)用的電路；以及用來增大上述線圈狀天線和外部裝置的電磁耦合的耦合系數的機構。
2.根據權利要求1所述的半導體芯片，其特征在于用來增大上述線圈狀天線和外部裝置的電磁耦合的耦合系數的機構是將磁性體安裝在該半導體芯片上得到的機構。
3.根據權利要求1所述的半導體芯片，其特征在于用來增大上述線圈狀天線和外部裝置的電磁耦合的耦合系數的機構是安裝了多層上述線圈狀天線的機構。
4.根據權利要求3所述的半導體芯片，其特征在于在上述有多層的線圈狀天線中，線圈狀天線的奇數層的線圈布線和偶數層的線圈布線的平行成分，從該線圈狀天線的天線面的上面看，重合地配置。
5.根據權利要求3所述的半導體芯片，其特征在于在上述有多層的線圈狀天線中，最接近的層的線圈布線寬度不同。
6.根據權利要求1所述的半導體芯片，其特征在于用來增大上述線圈狀天線和外部裝置的電磁耦合的耦合系數的機構，把該半導體芯片的電路面和上述線圈狀天線配置成，作為由上述半導體芯片的電路面產生的線圈狀天線的鏡像效應，使得貫通上述線圈狀天線的磁力線增強。
7.根據權利要求6所述的半導體芯片，其特征在于在上述半導體芯片的電路面的外形的外側或以外側為主的區(qū)域中，形成了上述線圈狀天線。
8.根據權利要求1所述的半導體芯片，其特征在于上述半導體芯片的電路面的寬度比上述線圈狀天線的最內周直徑大。
9.根據權利要求1至權利要求8中的任意一項所述的半導體芯片，其特征在于具有使所希望的物質感應的感應部件。
10.一種通信系統(tǒng)，其特征在于具有上述權利要求1至權利要求9所述的半導體芯片、以及與該半導體芯片進行無線收發(fā)信號的外部裝置。
全文摘要
提供一種具有線圈狀天線的半導體芯片及使用它的通信系統(tǒng)。如果將線圈狀天線小型化到芯片尺寸大小，則伴隨感應電壓的減少，通信距離縮短。本發(fā)明的半導體芯片，是具有線圈狀天線和電路面，與外部裝置進行無線收發(fā)，具有使線圈狀天線和外部裝置的電磁耦合系數增加的結構。其具體例是配置磁性體，由重疊多層導體層和絕緣層構成的層疊體形成了線圈狀天線，或者將線圈狀天線配置在半導體芯片電路的外形的外側區(qū)域中。
文檔編號G06K19/077GK1655185SQ20051000558
公開日2005年8月17日 申請日期2005年1月19日 優(yōu)先權日2004年2月10日
發(fā)明者長谷部健彥, 后藤康, 上坂晃一, 矢澤義昭, 鳥越誠 申請人:株式會社日立制作所