(57)【要約】複数の半導体集積回路と複数のコイルとから構成される半導体装置にて、当該半導体装置の製造過程における金属膜を積層する半導体集積回路のチップ表面に対して複数のコイルのコイル面がそれぞれ略垂直になるように複数のコイル配置し、複数のコイルのうち隣接する１対のコイル間で信号を伝送する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の半導体集積回路と複数のコイルとから構成される半導体装置において、
当該半導体装置の製造過程における金属膜を積層する前記半導体集積回路のチップ表面に対して前記複数のコイルのコイル面がそれぞれ略垂直になるように前記複数のコイルを配置し、前記複数のコイルのうち隣接する１対のコイル間で信号を伝送する半導体装置。
【請求項２】
請求項１に記載の半導体装置において、
前記１対のコイルのコイル面の面積が等しいことを特徴とする半導体装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の半導体装置において、
前記１対のコイルのコイル面が略平行であることを特徴とする半導体装置。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか１項に記載の半導体装置において、
前記１対のコイルの中心軸が一致することを特徴とする半導体装置。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか１項に記載の半導体装置において、
前記１対のコイルのうち、少なくとも一方が、前記半導体集積回路内に配置されることを特徴とする半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、信号を伝送するための半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、複数のチップを1つのパッケージ内部に集積するマルチチップモジュール技術が用いられるようになっている。これらのマルチチップモジュール内部のチップ間信号伝送には、ワイヤボンディングなどを用い直接物理的に接続し信号伝送を行う方法に加え、チップ同士が近傍に集積されること利用し、容量やコイルを用いた非接触で信号伝送を行う方法が用いられるようになっている。【０００３】
中でも、積層された半導体集積回路であるＬＳＩチップ間でのコイルを用いた非接触信号伝送の手段が提案されている（例えば、特許公開２００５−２０３６５７号公報および特許公開２００６−１０５６３０号公報参照。）。これらの技術はシリコン基板上に形成された送信コイルにデータを重畳した電流を流し、電磁結合現象により受信側に誘起された電力を検出することで非接触な信号伝送を実施している。特に、これらの手法によるとＬＳＩチップの表面に対してコイル面が略平行なコイルを１個以上ＬＳＩ内部に配置し、複数の積層された別のチップ同士でチップ表面に対して略垂直な方向の非接触信号伝送を実施している。【０００４】
しかしながら、上述した技術においては、以下の２つの問題点がある。【０００５】
第１の問題点は、コイルを用いチップ表面に対して略平行な方向に信号伝送を実施する場合、チップ表面に対してコイル面を略平行に配置したコイルでは通信に必要なコイルの面積が大きくなってしまうという点である。このことは、コイルの発生する磁束の向きはコイル面に対して略垂直であることから、チップ表面に対してコイル面を略平行にコイルを配置する構成では、発生する磁束の向きが通信方向と直交してしまう。そのため、発生した磁束を有効に利用できないことに起因する。【０００６】
第２の問題点は、信号伝送用のコイルが、他の用途でチップ内部に配置されているコイルに影響し、チップ全体の性能を劣化させてしまうおそれがあるという点である。通常、チップ内部には様々な回路が集積される。例えば、発信回路やＲＦ通信のためのアンテナ回路などは、細かくパラメータが調整された高精度なコイルを回路の一部に利用している。そのため、信号伝送用コイルが信号伝送のために発生する磁束が、これらの高精度なコイルに洩れこみコイルの特性を変化させる。これにより、回路性能の劣化を引き起こし、結果的にチップ全体のマージン劣化や動作不良を招いてしまうおそれがある。
【発明の開示】
【０００７】
本発明の目的は、上述した課題を解決する半導体装置を提供することである。
【０００８】
上記目的を達成するために本発明は、
複数の半導体集積回路と複数のコイルとから構成される半導体装置において、
当該半導体装置の製造過程における金属膜を積層する前記半導体集積回路のチップ表面に対して前記複数のコイルのコイル面がそれぞれ略垂直になるように前記複数のコイルを配置し、前記複数のコイルのうち隣接する１対のコイル間で信号を伝送する。
【０００９】
以上説明したように本発明においては、複数の半導体集積回路と複数のコイルとから構成される半導体装置にて、当該半導体装置の製造過程における金属膜を積層する半導体集積回路のチップ表面に対して複数のコイルのコイル面がそれぞれ略垂直になるように複数のコイル配置し、複数のコイルのうち隣接する１対のコイル間で信号を伝送する構成としたため、コイル面積を低減し、且つチップ内部に配置された他のコイルへの影響を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の第１の実施の形態を示す図である。
【図２】ＬＳＩチップ内部に信号伝送用コイルを配置した形態を示す図である。
【図３】半導体装置内部に形成したコイルの製造例を示す図である。
【図４】信号を送受信するためのＬＳＩチップ内部の回路図である。
【図５】図４に示した回路における各信号の動作波形を示す図である。
【図６】コイル製造の他の例を示す図である。
【図７】本発明の第２の実施の形態を示す図である。
【図８】本発明の第３の実施の形態を示す図である。
【図９ａ】本発明の第４の実施の形態を示す図である。
【図９ｂ】本発明の第４の実施の形態を示す図である。
【図１０ａ】本発明の第５の実施の形態を示す図である。
【図１０ｂ】本発明の第５の実施の形態を示す図である。
【図１１ａ】本発明の第６の実施の形態を示す図である。
【図１１ｂ】本発明の第６の実施の形態を示す図である。
【図１１ｃ】本発明の第６の実施の形態を示す図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下に、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
（第１の実施の形態）
［構成の説明］
図１は、本発明の第１の実施の形態を示す図である。【００１２】
本形態は図１に示すように、隣接配置された２つのＬＳＩチップ１１ａ，１１ｂで構成され、それぞれのチップ側面１４ａ，１４ｂが向かい合うように近接して配置する。信号伝送を行うＬＳＩチップ１１ａ，１１ｂには、信号伝送用コイル１２ａ，１２ｂをそれぞれ配置する。信号伝送用コイル１２ａ，１２ｂは、コイル面がチップ表面１３ａ，１３ｂに対してそれぞれ略垂直になるように配置する。ここで、信号伝送用コイル１２ａのコイル面の面積と、信号伝送用コイル１２ｂのコイル面の面積とは等しいものであっても良い。【００１３】
本形態により配置された信号伝送用コイル１２ａ，１２ｂは、チップ表面１３ａ，１３ｂに対してそれぞれ略平行な方向に磁束を発生させることが可能である。そのため、チップ表面１３ａ，１３ｂに対してそれぞれ略平行な方向の信号伝送において、背景技術で述べたコイル配置よりもコイル間の結合が強く、また、背景技術で述べたコイル配置よりもコイル面積の小さなコイルで、隣接配置されたＬＳＩチップ１１ａ，１１ｂ間での非接触信号伝送を達成することができる。【００１４】
ここで、本明細書で用いている言葉の定義を説明する。【００１５】
略垂直とは、ある面に対して完全に垂直（９０度）な面でなく、製造ばらつきや通信方向に応じてある程度傾きを有しても良い。同様に略水平及び略平行とは、ある面に対して完全に平行（無限に面を拡張しても交わらない）な面でなく、製造ばらつきや通信方向に応じてある程度傾きを有しても良い。【００１６】
チップ表面とは、ウエハからチップをダイシングしたときの断面に対して略垂直な面、もしくは製造過程において金属膜などを積層する面に対して略平行な面を示している。【００１７】
コイル表面とは、円状もしくは多角形状に設置されたコイル配線のループ面のことである。【００１８】
また、背景技術で述べたコイル配置とは、コイル面がチップ表面に対して略平行になるように配置したコイルのことである。
［動作の説明］
ＬＳＩチップ１１ａ，１１ｂ内部にそれぞれ配置された信号伝送用コイル１２ａ，１２ｂ同士が電磁結合現象を利用し信号伝送を行う。信号伝送用コイル１２ａ，１２ｂが送信コイルとして働く場合、送信コイルはデータを重畳した電流を流すことで信号を送信する。また、もう一方の受信コイルは電磁結合現象によりコイルに誘起された電位を検出し、信号を復元する。このように送信側から受信側へ電位を誘起することで信号伝送を実現する。
［実施例］
次に、具体的な実施例を用いて本発明を実施するための最良の形態の構成及び動作を説明する。【００１９】
本実施例では、一例としてＬＳＩチップ内部に信号伝送用コイルを配置した場合について説明する。【００２０】
図２は、ＬＳＩチップ内部に信号伝送用コイルを配置した形態を示す図である。また、図３は、半導体装置内部に形成したコイルの製造例を示す図である。【００２１】
本実施例で半導体装置内に形成したコイルは図３に示すように、金属配線層の１層〜５層（Ｍ１〜Ｍ５）を用いて通常の半導体装置製造プロセスにて形成した。図２に示す信号伝送用コイル１２ａ，１２ｂの直径は数十マイクロメートルで設計し、ＬＳＩチップ１１ａ，１１ｂの端に、コイル面がチップ表面１３ａ，１３ｂに対してそれぞれ略垂直になるように形成した。信号伝送を行うＬＳＩチップ１１ａ，１１ｂ同士はコイル間距離がコイル直径の２倍程度になるように近傍に隣接配置した。なお、コイルは外部にあってもよい。【００２２】
図４は、信号を送受信するためのＬＳＩチップ１１ａ，１１ｂ内部の回路図である。【００２３】
図４に示すように、送信コイル２１には送信制御回路２０を接続し、送信クロック（ＴＸｃｋ）と送信データ（ＴＸｄａｔａ）信号とを基に、送信コイル２１に電流を流すことで信号伝送のための磁束を発生した。この磁束により信号送信を実施できる。【００２４】
受信コイル２３の両端にはラッチコンパレータ２２を接続し、受信コイル２３に誘起された電圧（Ｖｒｘ）を検出する。この検出した電圧を受信クロック（ＲＸｃｋ）のタイミングでデジタル信号（ＲＸｄａｔａ）へ変換することで、信号受信を実現できる。このとき、受信コイル２３に電圧が誘起されるように、受信コイル２３の両端に抵抗２４を挿入し、その中間電位を固定した。【００２５】
なお、図４に示した送信コイル２１は、図１または図２に示した信号伝送用コイル１２ａ，１２ｂのどちらか一方に該当し、図４に示した受信コイル２３は、図１または図２に示した信号伝送用コイル１２ａ，１２ｂの送信コイル２１に該当しない方に該当する。【００２６】
図５は、図４に示した回路における各信号の動作波形を示す図である。【００２７】
図５中、Ａタイミングではデータ“１”の送受信を、また、Ｂタイミングでは“０”の送受信を実現している。【００２８】
送信コイル２１はＴＸｃｋの立ち上がり時のＴＸｄａｔａの値を送信する。送信はデータ“１”送信時は正方向の電流（Ｉｔｘ）を、データ“０”送信時には負方向の電流（Ｉｔｘ）を送信コイル２１に流すことで、送信データにより極性の異なる磁束の発生を行った。【００２９】
受信側では送信電流波形を微分した形の電圧が誘起される（Ｖｒｘ）ため、ラッチコンパレータ２２を用いＲＸｃｋの立ち上がりタイミングでＶｒｘを増幅後、デジタル値に変換し、送信データを受信データ（ＲＸｄａｔａ）として復元を実現した。【００３０】
図６は、コイル製造の他の例を示す図である。【００３１】
コイル製造の他の例として図６に示す形状も通常製造プロセスで製造可能である。図６に示す信号伝送用コイル１２ａは螺旋の形状を有し、深さ方向の巻き数が背景技術で述べたコイル配置のコイルよりも多いことが特徴である。これは、背景技術で述べたコイル配置の深さ方向の巻き数が配線層数で制限されるのに対して、図６に示した信号伝送用コイル１２ａの配置ではその制限が無く任意の巻き数のコイルを形成できることにある。信号伝送用コイル１２ａの巻き数は当該コイルの発生する磁束の強さに比例するため、巻き数を増やすことで背景技術で述べたコイル配置のコイルよりも強い磁束を発生させ、長い距離の信号伝送を実現することがきる。
（第２の実施の形態）
図７は、本発明の第２の実施の形態を示す図である。【００３２】
本形態は図７に示すように、ＬＳＩチップ４１ａと信号伝送用コイル４２ｂと外部機器４５とで構成した。ＬＳＩチップ４１ａは、チップ内部にチップ表面４３ａに対してコイル面が略垂直な方向（チップ側面４４ａに対してコイル面が略平行な方向）の信号伝送用コイル４２ａを有し、信号伝送用コイル４２ａはチップ内部に図４に示す回路に接続した。一方、チップ外に設置された信号伝送用コイル４２ｂはコイル面が信号伝送用コイル４２ａのコイル面と略平行になるように配置した。また、チップ外に設置された信号伝送用コイル４２ｂは、信号伝送制御のための外部機器４５に接続した。【００３３】
本形態の特徴は、チップ表面４３ａに対して略垂直に配置した信号伝送用コイル４２ａに対して、略平行な信号伝送用コイル４２ｂをチップ外部に配置したことにある。これにより、本形態はＬＳＩチップ４１ａと外部機器４５との間で非接触信号伝送を実現することができる。このことは、例えば外部信号生成器からチップへの信号を入力する場合や、チップの動作結果を外部測定器へ出力する場合など様々な用途に適用することが可能した。
（第３の実施の形態）
図８は、本発明の第３の実施の形態を示す図である。【００３４】
本形態は図８に示すように、ＬＳＩチップ５１と信号用伝送コイル５２ｂとで構成した。ＬＳＩチップ５１は内部にコイル面がチップ側面５４と略垂直に配置された信号伝送以外の用途のコイル５６と、コイル面がチップ表面５３と略垂直に配置された信号伝送用コイル５２ａとを有し、信号伝送用コイル５２ａは、そのコイル面が信号伝送以外の用途のコイル５６のコイル面に対して略垂直になるように配置した。コイルはコイル面に対して略垂直な方向に磁束を発生する。本形態の特徴は信号伝送用コイル５２ａの発生する磁束の向き５５と信号伝送以外の用途のコイル５６の発生する磁束の向き５５とが直交するように信号伝送コイルを配置することにある。【００３５】
信号伝送用コイル５２ａ，５２ｂ同士は電磁結合現象を利用し信号伝送を行うが、本形態のコイル配置によりデータ送受信時に信号伝送用コイル５２ａが発生する磁束が信号伝送以外の用途のコイル５６に洩れこむことを回避できる。これにより、信号伝送以外の用途のコイル５６に雑音として誘起される電位を低減し、他の機能への影響を低減することができる。これは、例えば、ＲＦ用のチップに本形態のコイルを用いる場合、磁束洩れによるＲＦ信号の受信アンテナや周波数変換のための発信回路への干渉を抑えることができるため、高いチップの性能を維持することが可能になる。
（第４の実施の形態）
図９ａおよび図９ｂは、本発明の第４の実施の形態を示す図である。【００３６】
本形態は図９ａおよび図９ｂに示すように、ＬＳＩチップ６１ａ，６１ｂで構成した。それぞれのＬＳＩチップ６１ａ，６１ｂ内部には第１の実施の形態で記載したように、チップ表面６３ａ，６３ｂに対してコイル面が略垂直になるように（チップ側面６４ａ，６４ｂに対してコイル面が略平行になるように）信号伝送用コイル６２ａ，６２ｂがそれぞれ配置している。図９ａおよび図９ｂにそれぞれ示した信号伝送用コイル６２ａ，６２ｂはそれぞれコイルの中心軸をずらした状態で配置した。【００３７】
図９ａは、ＬＳＩチップ６１ａ，６１ｂ内部でコイル配置位置を変えコイル中心軸をずらした形態を示している。また、図９ｂは、ＬＳＩチップ６１ａ，６１ｂ内部のコイル配置位置は同じであるがＬＳＩチップ６１ａ，６１ｂの配置関係を変えコイルの中心軸をずらした形態を示している。第１〜３の実施の形態のように、信号伝送を行う１対のコイルの中心軸を一致させるものであっても良いが、本形態のようにコイルの中心軸を若干ずらしたものであっても良い。本形態は信号伝送を行う１対のコイルの中心軸が異なるが、信号伝送からの角度が小さく、上記の手法により信号伝送を実現することができる。【００３８】
本形態は、チップを近接配置する場合、状況により信号伝送を実施するコイル同士を完全に対面して配置するとは限らないことを考慮しており、より実用的な状況でのコイル間信号伝送を実現できる手段である。
（第５の実施の形態）
図１０ａおよび図１０ｂは、本発明の第５の実施の形態を示す図である。【００３９】
本形態は図１０ａおよび図１０ｂに示すように、ダイシング前のウエハ８５の状態で、多数のＬＳＩチップ８１で構成している。それぞれのＬＳＩチップ８１は内部にチップ表面８３に対してコイル面が略垂直になるように信号伝送用コイル８２が配置さてれおり、ＬＳＩチップ８１同士はスクライブライン（ダイシングライン）８４を介して隣接配置している。それぞれのＬＳＩチップ８１に配置された信号伝送用コイル８２は電磁結合現象を利用し信号伝送を行う。【００４０】
これにより、本形態はチップをダイシングする前の工程でのチップ間通信を実現することができる。図１０ａは、スクライブライン８４を介してＬＳＩチップ８１同士が複数の信号伝送用コイル８２による信号伝送の例を示している。また、図１０ｂは、スクライブライン８４上の補助コイルを介してＬＳＩチップ８１同士の信号伝送する形態、およびスクライブライン８４上に形成された信号線８６と信号伝送用コイル８２とを用いて、ＬＳＩチップ８１へ信号を送受信する形態を示す。いずれの形態においても本形態は信号伝送を可能とするため、ウエハ状態でのチップ検査などを実現することがきる。
（第６の実施の形態）
図１１ａ、図１１ｂおよび図１１ｃは、本発明の第６の実施の形態を示す図である。【００４１】
本形態は図１１ａ、図１１ｂおよび図１１ｃに示すように、接続基板７５上の複数のＬＳＩチップ７１からなるマルチチップモジュール７６の構成からなる。マルチチップモジュール７６を構成するＬＳＩチップ７１内部に信号伝送用コイル７２を配置した。信号伝送用コイル７２はコイル面がチップ表面７３に対して略垂直になるように（チップ面７４に対して略平行になるように）配置している。【００４２】
図１１ａは、マルチチップモジュール７６内部でＬＳＩチップ７１同士が隣接配置された形態を示している。また、図１１ｂは、別々のマルチチップモジュール７６間でチップ表面７３に対して略平行な方向の信号伝送を実施する形態を示す。また、図１１ｃは、チップ表面７３に対して略垂直に配置された信号伝送用コイル７２を有するＬＳＩチップ７１と、チップ表面７３に対して略平行なに配置された信号伝送用コイル７２とを有するＬＳＩチップとが、信号伝送用コイル７２同士が略平行になるように配置されたマルチチップモジュール７６を示す。【００４３】
いずれの形態においても信号伝送用コイル７２同士は電磁結合現象を利用し信号伝送を行う。マルチチップモジュール７６では、チップ間信号通信のためにボンディングワイヤや表面実装技術が用いられるが、いずれの技術でもチップ表面に対して略垂直な方向から信号を取り出す必要があるため、その部分にチップを積層できないなどの実装上の制約がある。本形態ではチップ表面に対して略平行な方向に非接触信号伝送を可能とするため、図１１ａ、図１１ｂおよび図１１ｃのように自由度の高い実装手法の提供を実現することができる。【００４４】
なお、本発明の活用例として、マルチチップモジュール内部の信号伝送やテストのための信号伝送などの通信のインタフェースとしての利用が挙げられる。【００４５】
以上説明したように本発明においては以下の効果を奏する。【００４６】
第１の効果は、チップ表面に対して略垂直な方向の磁束を発生させるコイル配置よりもコイル面積を低減できることである。それは、チップ表面に対して略平行な方向の信号伝送を行う場合、発明手法により配置されたコイルはチップ表面に対して略平行な方向に磁束を発生するためである。【００４７】
第２の効果は、チップ間信号伝送以外の用途で用いられる細かくパラメータが調整された高精度なコイルへの磁束の洩れこみを低減し、発信回路やRF通信のためのアンテナ回路の性能劣化を回避することができることである。それは、発明手法により配置されたコイルの発生する磁束の向きは、チップ間信号伝送以外の用途で用いられているチップ内部のコイルの発生する磁界の向きと直交するためである。【００４８】
以上、実施の形態を参照して本願発明を説明したが、本願発明は上記実施の形態に限定されるものではない。本願発明の構成や詳細には、本願発明のスコープ内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。【００４９】
この出願は、２００８年３月１３日に出願された日本出願特願２００８−０６４１６４を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９ａ】
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【図９ｂ】
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【図１０ａ】
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【図１０ｂ】
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【図１１ａ】
2009113372.tif 000015
【図１１ｂ】
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【図１１ｃ】
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【国際調査報告】
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2009113372.tif 000019
2009113372.tif 000020
2009113372.tif 000021