(57)【要約】【課題】半導体装置内に形成されるアンテナの高性能化を図る。【解決手段】半導体装置は通信回路を有する半導体チップと、半導体チップの第１の面を覆う第１の再配線層に形成され且つ通信回路に接続された第１のアンテナエレメントと、半導体チップの第１の面とは反対側の第２の面を覆う第２の再配線層に形成され且つ通信回路に接続された第２のアンテナエレメントと、を含む【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
通信回路を有する半導体チップと、
前記半導体チップの第１の面を覆う第１の再配線層に形成され且つ前記通信回路に接続された第１のアンテナエレメントと、
前記半導体チップの前記第１の面とは反対側の第２の面を覆う第２の再配線層に形成され且つ前記通信回路に接続された第２のアンテナエレメントと、
を含む半導体装置。
【請求項２】
前記第１のアンテナエレメントおよび前記第２のアンテナエレメントの一方は、接地電位が印加される
請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記第１のアンテナエレメントおよび前記第２のアンテナエレメントのうち接地電位が印加される方は、島状パターンを有する
請求項２に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記第１のアンテナエレメントおよび前記第２のアンテナエレメントのうち接地電位が印加される方は、格子状パターンを有する
請求項２に記載の半導体装置。
【請求項５】
前記第１のアンテナエレメントと前記第２のアンテナエレメントとは、互いに異なるパターンを有する
請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項６】
前記第１のアンテナエレメントと前記第２のアンテナエレメントとは、互いに異なるアンテナ指向性を有する
請求項５に記載の半導体装置。
【請求項７】
前記第１のアンテナエレメントと前記第２のアンテナエレメントとは、前記半導体チップを貫通する貫通電極を介して互いに接続されている
請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項８】
前記第１のアンテナエレメントおよび前記第２のアンテナエレメントの少なくとも一方のインピーダンスと前記通信回路のインピーダンスとを整合させるための整合回路を更に含む
請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項９】
複数の通信回路を有する半導体チップと、
前記半導体チップの第１の面を覆う第１の再配線層に形成され且つ前記複数の通信回路に接続された少なくとも１つの第１のアンテナエレメントと、
前記半導体チップの前記第１の面とは反対側の第２の面を覆う第２の再配線層に形成され且つ各々が前記複数の通信回路のいずれかに接続された複数の第２のアンテナエレメントと、
を含む半導体装置。
【請求項１０】
請求項１から請求項９のいずれか１項に記載の半導体装置と、
前記通信回路と通信する通信装置と、
を含む通信システム。
【請求項１１】
通信回路を有する半導体チップの第１の面を覆う第１の再配線層に前記通信回路に接続された第１のアンテナエレメントを形成する工程と、
前記半導体チップの前記第１の面とは反対側の第２の面を覆う第２の再配線層に前記通信回路に接続された第２のアンテナエレメントを形成する工程と、
を含む半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置、通信システムおよび半導体装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
表面に無線通信用のアンテナを備えた半導体装置が知られている。例えば、特許文献１には、半導体チップを貫通して形成された２つの貫通電極を有する半導体装置において、半導体チップの一方の面に貫通電極の一方と接続したグランド層と、貫通電極の他方に接続したパッチアンテナとを無機絶縁層介して積層した構成が記載されている。
【０００３】
また、特許文献２には、基板上にループ形状からなるループ部分を有したアンテナを備える半導体装置において。ループ部分の根元に、アンテナに対して並列に接続されるキャパシタが設けられることを特徴とする半導体装置が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−１５８７４３号公報
【特許文献２】特開２０１０−１３５５００号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来の無線通信は、システム運用上必要となる十分な通信距離を得る為、効率が高いアンテナを用いていた。しかしながら近年においては、比較的短い距離の通信区間で無線通信を行うシステムが増えつつある。例えば、RFID(radio frequency identifier)のように通信距離が数ミリメートルから数メートルであるものも少なくない。また、近年では、無線通信を用いて真贋判定を行う試みもなされている。このような用途で用いられる無線通信機器は、その用途の性質上可能な限り小型であることが好ましい場合が多い。無線通信機器としての小型化が強く求められることで、アンテナの小型化も求められる。既にスマートフォン等のモバイル機器ではアンテナの存在を感じさせないデザインが主流になっており、アンテナの小型化が商品価値にもなっている。
【０００６】
半導体装置の分野において知られている再配線技術を用いることで、半導体チップ上に小型のアンテナを形成することが可能となる。しかしながら、従来の構成では、必要十分な性能を備えたアンテナを形成することが困難であった。
【０００７】
本発明は、半導体装置内に形成されるアンテナの高性能化を図ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係る半導体装置は、通信回路を有する半導体チップと、前記半導体チップの第１の面を覆う第１の再配線層に形成され且つ前記通信回路に接続された第１のアンテナエレメントと、前記半導体チップの前記第１の面とは反対側の第２の面を覆う第２の再配線層に形成され且つ前記通信回路に接続された第２のアンテナエレメントと、を含む。
【０００９】
本発明に係る他の半導体装置は、  複数の通信回路を有する半導体チップと、前記半導体チップの第１の面を覆う第１の再配線層に形成され且つ前記複数の通信回路に接続された少なくとも１つの第１のアンテナエレメントと、前記半導体チップの前記第１の面とは反対側の第２の面を覆う第２の再配線層に形成され且つ各々が前記複数の通信回路のいずれかに接続された複数の第２のアンテナエレメントと、を含む半導体装置。
【００１０】
本発明に係る通信システムは、上記の半導体装置と、前記通信回路と通信する通信装置と、を含む。
【００１１】
本発明に係る半導体装置の製造方法は、通信回路を有する半導体チップの第１の面を覆う第１の再配線層に前記通信回路に接続された第１のアンテナエレメントを形成する工程と、前記半導体チップの前記第１の面とは反対側の第２の面を覆う第２の再配線層に前記通信回路に接続された第２のアンテナエレメントを形成する工程と、を含む。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、半導体装置内に形成されるアンテナの高性能化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施形態に係る半導体装置の構成を示す断面図である。
【図２】本発明の実施形態に係る通信システムの構成を示す図である。
【図３Ａ】本発明の実施形態に係る第１のアンテナエレメントのパターンを模式的に示す斜視図である。
【図３Ｂ】本発明の実施形態に係る第２のアンテナエレメントのパターンを模式的に示す斜視図である。
【図４】本発明の実施形態に係る通信ユニットの構成を示す図である。
【図５Ａ】本発明の実施形態に係る半導体装置の製造方法の一例を示す断面図である。
【図５Ｂ】本発明の実施形態に係る半導体装置の製造方法の一例を示す断面図である。
【図５Ｃ】本発明の実施形態に係る半導体装置の製造方法の一例を示す断面図である。
【図５Ｄ】本発明の実施形態に係る半導体装置の製造方法の一例を示す断面図である。
【図５Ｅ】本発明の実施形態に係る半導体装置の製造方法の一例を示す断面図である。
【図５Ｆ】本発明の実施形態に係る半導体装置の製造方法の一例を示す断面図である。
【図５Ｇ】本発明の実施形態に係る半導体装置の製造方法の一例を示す断面図である。
【図５Ｈ】本発明の実施形態に係る半導体装置の製造方法の一例を示す断面図である。
【図５Ｉ】本発明の実施形態に係る半導体装置の製造方法の一例を示す断面図である。
【図５Ｊ】本発明の実施形態に係る半導体装置の製造方法の一例を示す断面図である。
【図５Ｋ】本発明の実施形態に係る半導体装置の製造方法の一例を示す断面図である。
【図５Ｌ】本発明の実施形態に係る半導体装置の製造方法の一例を示す断面図である。
【図６Ａ】本発明の実施形態に係る第１のアンテナエレメントのパターンを模式的に示す斜視図である。
【図６Ｂ】本発明の実施形態に係る第２のアンテナエレメントのパターンを模式的に示す斜視図である。
【図７Ａ】本発明の実施形態に係る第１のアンテナエレメントのパターンを模式的に示す斜視図である。
【図７Ｂ】本発明の実施形態に係る第２のアンテナエレメントのパターンを模式的に示す斜視図である。
【図８】本発明の実施形態に係る通信ユニットの構成を示す図である。
【図９】本発明の実施形態に係る半導体装置の構成を示す断面図である。
【図１０】本発明の実施形態に係る通信ユニットの構成を示す図である。
【図１１Ａ】本発明の実施形態に係る第１のアンテナエレメントのパターンを模式的に示す斜視図である。
【図１１Ｂ】本発明の実施形態に係る第２のアンテナエレメントのパターンを模式的に示す斜視図である。
【図１２Ａ】本発明の実施形態に係る第１のアンテナエレメントのパターンを模式的に示す斜視図である。
【図１２Ｂ】本発明の実施形態に係る第２のアンテナエレメントのパターンを模式的に示す斜視図である。
【図１３Ａ】本発明の実施形態に係る通信ユニットの構成を示す図である。
【図１３Ｂ】本発明の実施形態に係る通信ユニットの構成を示す図である。
【図１３Ｃ】本発明の実施形態に係る通信ユニットの構成を示す図である。
【図１４】本発明の実施形態に係る半導体装置の構成を示す断面図である。
【図１５】本発明の実施形態に係る２つの通信ユニットの構成を示す図である。
【図１６】本発明の実施形態に係る半導体装置の構成を示す断面図である。
【図１７】本発明の実施形態に係る２つの通信ユニットの構成を示す図である。
【図１８Ａ】本発明の実施形態に係るアンテナエレメントのパターンを模式的に示す斜視図である。
【図１８Ｂ】本発明の実施形態に係るアンテナエレメントのパターンを模式的に示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の実施形態の一例を図面を参照しつつ説明する。なお、各図面において同一または等価な構成要素および部分には同一の参照符号を付与している。
【００１５】
[第１の実施形態]
図１は、本発明の実施形態に係る半導体装置１００の構成を示す断面図である。半導体装置１００は、ＷＬ−ＣＳＰ（wafer-level chip size package）の形態を有する。半導体装置１００は、通信回路２１を有する半導体チップ１０１と、半導体チップ１０１の第１の面Ｓ１を覆う第１の再配線層１０２に形成され且つ通信回路２１に接続された第１のアンテナエレメントＡ１と、半導体チップ１０１の第１の面Ｓ１とは反対側の第２の面Ｓ２を覆う第２の再配線層１０３に形成され且つ通信回路２１に接続された第２のアンテナエレメントＡ２と、を含む。
【００１６】
半導体チップ１０１は、例えばシリコンで構成される半導体基板２０、ＳｉＯ２等の絶縁体で構成される絶縁膜２３、ビア２４ａ、２４ｂ、２６、および電極パッド２５ａ、２５ｂ、２７を含んで構成されている。半導体基板２０の回路形成面には、半導体装置１００の外部に設けられた通信装置１５０（図２参照）と無線通信を行う通信回路２１が設けられている。なお、通信回路２１は、送信および受信の少なくとも一方の機能を有する。また、半導体基板２０の回路形成面には、通信回路２１以外の回路として、例えば電源回路２２が設けられている。電極パッド２５ａおよび２５ｂは、それぞれ、ビア２４ａおよび２４ｂを介して通信回路２１に接続されている。電極パッド２７は、ビア２６を介して電源回路２２に接続されている。
【００１７】
半導体チップ１０１の第２の面Ｓ２は、ポリイミドやＰＢＯ（ポリベンゾオキサゾール）等の絶縁体で構成される絶縁膜５０で覆われている。絶縁膜５０の表面には、第２の再配線層１０２における再配線によって形成された第２のアンテナエレメントＡ２および回路配線５１が設けられている。第２のアンテナエレメントＡ２は、電極パッド２５ｂおよびビア２４ｂを介して通信回路２１に接続されている。回路配線５１は、電極パッド２７およびビア２６を介して電源回路２２に接続されている。
【００１８】
第２の再配線層１０３の表面は、例えば感光性樹脂などの絶縁体で構成される封止膜６０で覆われている。端子パッド６１は、封止膜６０に形成された開口部において露出した回路配線５１に接続されている。端子パッド６１の表面には、半田ボールによって構成される外部接続端子７０が設けられている。
【００１９】
半導体チップ１０１には、第１の面Ｓ１から電極パッド２５ａに達する貫通電極３２が設けられている。貫通電極３２と半導体基板２０とは、これらの間に設けられたＳｉＯ２等の絶縁体で構成される絶縁膜３１によって絶縁されている。絶縁膜３１は、半導体チップ１０１の第１の面Ｓ１の全体も覆っている。
【００２０】
絶縁膜３１の表面には、第１の再配線層１０２における再配線によって形成された第１のアンテナエレメントＡ１が設けられている。第１のアンテナエレメントＡ１は、貫通電極３２に接続されている。すなわち、第１のアンテナエレメントＡ１は、貫通電極３２、電極パッド２５ａおよびビア２４ａを介して通信回路２１に接続されている。第１のアンテナエレメントＡ１、絶縁膜３１および貫通電極３２は、エポキシ樹脂等で構成される封止膜４０で覆われている。
【００２１】
図２は、本発明の実施形態に係る通信システム２００の構成を示す図である。通信回路２１は、第１のアンテナエレメントＡ１および第２のアンテナエレメントＡ２を通信用のアンテナとして用いて、半導体装置１００の外部に設けられた通信装置１５０と、無線通信を行う。
【００２２】
図３Ａは、第１の再配線層１０２に形成された第１のアンテナエレメントＡ１のパターンを模式的に示す斜視図である。図３Ｂは、第２の再配線層１０３に形成された第２のアンテナエレメントＡ２のパターンを模式的に示す斜視図である。
【００２３】
図３Ａに示すように第１のアンテナエレメントＡ１は、半導体チップ１０１の辺と平行なＹ方向に沿って再配線を蛇行往復させた１本の線状パターンを有する。第１のアンテナエレメントＡ１のパターンは、第１の再配線層１０２に形成される再配線のパターニングによって形成される。なお、アンテナエレメントＡ１の配線長は、無線通信に使用される電波の波長等に応じて適宜定められる。
【００２４】
一方、図３Ｂに示すように第２のアンテナエレメントＡ２は、半導体チップ１０１の第２の面Ｓ２の所定範囲を塗りつぶした島状パターン（ベタパターン）を有する。第２のアンテナエレメントＡ２のパターンは、第２の再配線層１０３に形成される再配線のパターニングによって形成される。なお、第２のアンテナエレメントＡ２の島状パターンの配置、形状および範囲は、電波の放射パターンや放射効率の設計目標などに応じて適宜定められる。
【００２５】
本実施形態に係る半導体装置１００は、典型的には、第２のアンテナエレメントＡ２に接地電位を印加して使用する。図４は、第２のアンテナエレメントＡ２に接地電位を印加した場合における、通信回路２１、第１のアンテナエレメントＡ１および第２のアンテナエレメントＡ２を含む通信ユニット２１０の構成を示す図である。第２のアンテナエレメントＡ２に接地電位を印加することで、第１のアンテナエレメントＡ１および第２のアンテナエレメントＡ２によりモノポールアンテナが構成される。すなわち、第１のアンテナエレメントＡ１は、モノポールアンテナのアンテナ線として機能し、第２のアンテナエレメントＡ２は、モノポールアンテナの接地面として機能する。第２のアンテナエレメントＡ２への接地電位の印加は、例えば、外部接続端子７０と同様の半田ボールを用いた外部接続端子を介して行ってもよい。
【００２６】
以下に、半導体装置１００の製造方法について説明する。図５Ａ〜図５Ｌは、本発明の実施形態に係る半導体装置１００の製造方法の一例を示す断面図である。
【００２７】
はじめに、公知の半導体製造プロセスを用いて、半導体基板２０に、通信回路２１、電源回路２２および必要に応じてその他の回路を形成する。続いて、公知のＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法を用いて、半導体基板２０の回路形成面にＳｉＯ２等の絶縁体で構成される絶縁膜２３を形成する。続いて、公知のフォトリソグラフィー技術を用いて絶縁膜２３の所定位置にコンタクトホールを形成する。続いて、公知のスパッタ法を用いてＡｌ等の導体で構成される導体膜を絶縁膜２３の表面に形成する。これにより、絶縁膜２３に形成されたコンタクトホールに導体が埋め込まれ、通信回路２１に接続されたビア２４ａ、２４ｂおよび電源回路２２に接続されたビア２６が形成される。続いて、公知のフォトリソグラフィー技術を用いて導体膜をパターニングすることで、ビア２４ａに接続された電極パッド２５ａ、ビア２４ｂに接続された電極パッド２５ｂ、およびビア２６に接続された電極パッド２７を形成する（図５Ａ）。
【００２８】
次に、上記の工程を経ることによって得られた半導体チップ１０１の電極パッド２５ａ、２５ｂおよび２７の形成面である第２の面Ｓ２に接着剤（図示せず）を介して支持基板８０を貼り付ける（図５Ｂ）。
【００２９】
次に、公知のエッチング技術を用いて、半導体チップ１０１の第１の面Ｓ１から半導体基板２０および絶縁膜２３を貫通して電極パッド２５ａに達する貫通孔２０ａ形成する（図５Ｃ）。
【００３０】
次に、公知のＣＶＤ法を用いて、半導体チップ１０１の第１の面Ｓ１上にＳｉＯ２等の絶縁体で構成される絶縁膜３１を形成する。これにより、貫通孔２０ａの側面および底面も絶縁膜３１で覆われる。絶縁膜３１の貫通孔２０ａの底面を覆う部分は、その後のエッチングによって除去される。これにより、貫通孔２０ａの底面において電極パッド２５ａが露出する（図５Ｄ）。
【００３１】
次に、公知のめっき法を用いて絶縁膜３１の表面を覆うと共に貫通孔２０ａの側面および底面を覆うＣｕ等の導体で構成される導体膜を形成する。この導体膜は、第１の再配線層１０２における再配線を構成する。続いて、公知のフォトリソグラフィー技術を用いて導体膜をパターニングする。これにより、電極パッド２５ａに接続された貫通電極３２が形成されると共に、第１の再配線層１０２に第１のアンテナエレメントＡ１が形成される（図５Ｅ）。第１のアンテナエレメントＡ１は、図３Ａに示すような線状パターンとなるようにパターニングされる。
【００３２】
次に、半導体チップ１０１の第１の面Ｓ１側を覆うエポキシ樹脂等で構成される封止膜４０を形成する。第１のアンテナエレメントＡ１、貫通電極３２は、封止膜４０によって覆われ、貫通孔２０ａは、封止膜４０によって埋められる（図５Ｆ）。
【００３３】
次に、支持基板８０を剥離して半導体チップ１０１の第２の面Ｓ２を表出させる（図５Ｇ）。
【００３４】
次に、半導体チップ１０１の第２の面Ｓ２上にポリイミドやＰＢＯ（ポリベンゾオキサゾール）等の樹脂を塗布し、その後、この樹脂を硬化させることで、絶縁膜５０を形成する。続いて、公知のフォトリソグラフィー技術を用いて絶縁膜５０に開口部５０ａおよび５０ｂを形成する。開口部５０ａにおいて電源回路２２に接続された電極パッド２７が露出し、開口部５０ｂにおいて通信回路２１に接続された電極パッド２５ｂが露出する（図５Ｈ）。
【００３５】
次に、公知のめっき法を用いて絶縁膜５０の表面を覆うＣｕ等の導体で構成される導体膜を形成する。この導体膜は、第２の再配線層１０３における再配線を構成する。続いて、公知のフォトリソグラフィー技術を用いて導体膜をパターニングする。これにより、電極パッド２７に接続された回路配線５１が形成されると共に、電極パッド２５ｂに接続された第２のアンテナエレメントＡ２が形成される（図５Ｉ）。第２のアンテナエレメントＡ２は、図３Ｂに示すような島状パターンとなるようにパターニングされる。
【００３６】
次に、第２の再配線層１０３の表面に感光性樹脂を塗布し、その後、この感光性樹脂を硬化させることで、封止膜６０を形成する。続いて、公知のフォトリソグラフィー技術を用いて封止膜６０に開口部６０ａを形成する。開口部６０ａにおいて回路配線５１が部分的に露出する（図５Ｊ）。
【００３７】
次に、公知のめっき法を用いて封止膜６０の表面を覆うＣｕ等の導体で構成される導体膜を形成する。続いて、公知のフォトリソグラフィー技術を用いてこの導体膜をパターニングすることで、回路配線５１に接続された端子パッド６１を形成する（図５Ｋ）。
【００３８】
次に、端子パッド６１上に半田ボールで構成される外部接続端子７０を形成する（図５Ｌ）。
【００３９】
以上の説明から明らかなように、本発明の実施形態に係る半導体装置１００によれば、半導体チップ１０１の第１の面Ｓ１を覆う第１の再配線層１０２に第１のアンテナエレメントＡ１が形成され、半導体チップ１０１の第２の面Ｓ２を覆う第２の再配線層１０２に第２のアンテナエレメントＡ２が形成される。このように、半導体チップ１０１の両面に形成された再配線層の各々にアンテナエレメントを形成することで、従来よりも高性能なアンテナを構成することが可能である。
【００４０】
また、本実施形態に係る半導体装置１００によれば、島状パターンを有する第２のアンテナエレメントＡ２に接地電位を印加することで、第２のアンテナエレメントＡ２をモノポールアンテナの接地面として機能させることができる。また、半導体装置１００を搭載するリードフレーム等の基体をモノポールアンテナの接地面とする場合には、リードフレーム等の基体に第２のアンテナエレメントＡ２を電気的に接続することで、接地面の面積を拡大することができ、無線通信に用いられる電波の放射効率を向上させる効果が期待できる。また、半導体装置内に設けられる再配線によって接地面を構成することにより、半導体装置内に接地面を有していない場合と比較して電波の送受信状態の安定性を高めることができる。
【００４１】
なお、本実施形態では、第１の再配線層に形成された第１のアンテナエレメントＡ１をモノポールアンテナにおけるアンテナ線として用い、第２の再配線層に形成された第２のアンテナエレメントＡ２をモノポールアンテナの接地面として使用する場合を例示した。しかしながら、第１のアンテナエレメントＡ１を島状パターンとしてモノポールアンテナの接地面として機能させ、第２のアンテナエレメントＡ２を線状パターンとしてモノポールアンテナのアンテナ線として機能させてもよい。
【００４２】
［第２の実施形態］
図６Ａは、本発明の第２の実施形態に係る半導体装置における第１の再配線層１０２に形成された第１のアンテナエレメントＡ１のパターンを模式的に示す斜視図である。図６Ｂは、本発明の第２の実施形態に係る半導体装置における第２の再配線層１０３に形成された第２のアンテナエレメントＡ２のパターンを模式的に示す斜視図である。
【００４３】
第２の実施形態に係る半導体装置は、第２のアンテナエレメントＡ２のパターンが上記第１の実施形態に係る第２のアンテナエレメントＡ２のパターンと異なる。第２の実施形態に係るアンテナエレメントＡ２は、図６Ｂに示すように、Ｘ方向に伸びる複数の配線とＹ方向に伸びる複数の配線とが交差した格子状のパターン（メッシュ状パターン）を有する。各格子の一辺の長さは、無線通信に使用される電波の波長よりも十分に短いものとされている。このように、各格子の一辺の長さを電波の波長よりも十分に短くすることで、第２のアンテナエレメントＡ２を、島状パターンとした場合と同様、モノポールアンテナの接地面として機能させることができる。
【００４４】
第２のアンテナエレメントＡ２のパターンを格子状パターンとすることで、島状パターンとする場合と比較して、第２のアンテナエレメントＡ２の材料となる導体（例えばＣｕ）の使用量を低減することができ、コストダウンを図ることができる。
【００４５】
［第３の実施形態］
図７Ａは、本発明の第３の実施形態に係る半導体装置における再配線層１０２に形成された第１のアンテナエレメントＡ１のパターンを模式的に示す斜視図である。図７Ｂは、本発明の第３の実施形態に係る半導体装置における第２の再配線層１０３に形成された第２のアンテナエレメントＡ２のパターンを模式的に示す斜視図である。図８は、通信回路２１、第１のアンテナエレメントＡ１および第２のアンテナエレメントＡ２を含む本発明の第３の実施形態に係る通信ユニット２１０の構成を示す図である。
【００４６】
上記第１および第２の実施形態に係る半導体装置においては、第２のアンテナエレメントＡ２がモノポールアンテナの接地面として機能するものであった。これに対して、第３の実施形態に係る半導体装置においては、第１のアンテナエレメントＡ１および第２のアンテナエレメントＡ２によってダイポールアンテナが構成される。
【００４７】
図７Ａに示すように、第１のアンテナエレメントＡ１は、半導体チップ１０１の辺と平行なＹ方向に沿って再配線を蛇行往復させた１本の線状パターンを有する。図７Ｂに示すように、第２のアンテナエレメントＡ２は、Ｙ方向と直交するＸ方向に沿って再配線を蛇行往復させた１本の線状パターンを有する。
【００４８】
このように、第１のアンテナエレメントＡ１と第２のアンテナエレメントＡ２とで、アンテナ線の伸長方向を変えることで、第１のアンテナエレメントＡ１および第２のアンテナエレメントＡ２は、互いに異なる指向性を備えることができる。これにより、第１のアンテナエレメントＡ１は、第２のアンテナエレメントＡ２のアンテナ利得の低い方向を補い、第２のアンテナエレメントＡ２は、第１のアンテナエレメントＡ１のアンテナ利得の低い方向を補うように作用する。
【００４９】
なお、本実施形態では、第１のアンテナエレメントＡ１と第２のアンテナエレメントＡ２とで、アンテナ線の伸長方向を変えることで両者において指向性を異ならせる場合を例示したが、第１のアンテナエレメントＡ１と第２のアンテナエレメントＡ２とでアンテナ線の長さ、形状、伸長方向および配置の少なくとも１つを変えることで、両者において指向性を含むアンテナの放射特性を異ならせるように構成してもよい。また、第１のアンテナエレメントＡ１と第２のアンテナエレメントＡ２とを、同じパターンで形成し、両者において同等の指向性を持たせるように構成してもよい。
【００５０】
［第４の実施形態］
図９は、本発明の第４の実施形態に係る半導体装置１００Ａの構成を示す断面図である。半導体装置１００Ａにおいて、第１の再配線層１０２に形成された第１のアンテナエレメントＡ１および第２の再配線層１０３に形成された第２のアンテナエレメントＡ２の双方が電極パッド２５ａに接続されている。すなわち、第１のアンテナエレメントＡ１と第２のアンテナエレメントＡ２とが相互に接続され、第１のアンテナエレメントＡ１と第２のアンテナエレメントＡ２とによって一体的な単一のアンテナエレメントが構成されている。
【００５１】
図１０は、通信回路２１、第１のアンテナエレメントＡ１および第２のアンテナエレメントＡ２を含む本発明の第４の実施形態に係る通信ユニット２１０の構成を示す図である。相互に接続された第１のアンテナエレメントＡ１および第２のアンテナエレメントＡ２は、モノポールアンテナのアンテナ線として機能する。なお、半導体装置１００Ａを搭載するリードフレーム等の基体をモノポールアンテナの接地面として使用してもよい。
【００５２】
図１１Ａは、半導体装置１００Ａにおける第１の再配線層に形成された第１のアンテナエレメントＡ１のパターンを模式的に示す斜視図である。図１１Ｂは、半導体装置１００Ａにおける第２の再配線層１０３に形成された第２のアンテナエレメントＡ２のパターンを模式的に示す斜視図である。第１のアンテナエレメントＡ１および第２アンテナエレメントＡ２は、それぞれ半導体チップ１０１の辺と平行なＹ方向に沿って再配線を蛇行往復させた線状パターンを有する。第１のアンテナエレメントＡ１の終端部ｅ１は、貫通電極３２を介して第２のアンテナエレメントＡ２の終端部ｅ２に接続されている。
【００５３】
以上のように、本実施形態に係る半導体装置１００Ａによれば、第１のアンテナエレメントＡ１と第２のアンテナエレメントＡ２とが相互に接続され、第１のアンテナエレメントＡ１と第２のアンテナエレメントＡ２とによって一体的な単一のアンテナエレメントが構成される。これにより、半導体チップの一方の面を覆う再配線層に形成されたアンテナエレメントのみでは実現することが困難なアンテナ性能をも実現することが可能となる。特に、第１のアンテナエレメントＡ１と第２のアンテナエレメントＡ２とを接続することで、より長い線長のアンテナ線を構成することができる。
【００５４】
図１２Ａおよび図１２Ｂは、それぞれ、第１のアンテナエレメントＡ１および第２のアンテナエレメントＡ２のパターンの他の例を模式的に示す斜視図である。図１２Ａおよび図１２Ｂに示すように、第１のアンテナエレメントＡ１および第２のアンテナエレメントＡ２は、それぞれ半導体チップ１０１の各辺に沿った渦巻き状のパターンを有していてもよい。第１のアンテナエレメントＡ１の終端部ｅ１は、貫通電極３２を介して第２のアンテナエレメントＡ２の終端部ｅ２に接続されている。
【００５５】
上記した本発明の第１〜第４の実施形態に係る半導体装置のアンテナエレメントの構成は、適宜組み合わせることが可能である。例えば、図３Ａに示す線状パターンを有する第１のアンテナエレメントＡ１と図３Ｂに示す島状パターンを有する第２のアンテナエレメントＡ２とを、貫通電極を介して相互に接続してもよい。同様に、図６Ａに示す線状パターンを有する第１のアンテナエレメントＡ１と図６Ｂに示す格子状パターンを有する第２のアンテナエレメントＡ２とを、貫通電極を介して相互に接続してもよい。また、図３Ａ、図７Ａ、図７Ｂに示される蛇行パターンを、図１２Ａおよび図１２Ｂに示されるような渦巻き状パターンに変更することも可能である。また、第１のアンテナエレメントＡ１および第２のアンテナエレメントＡ２のパターンは、上記した蛇行パターン、渦巻き状パターン、島状パターン、格子状パターンに限らず任意のパターンで構成することも可能である。また、第１のアンテナエレメントＡ１および第２のアンテナエレメントＡ２は、積層された複数の再配線層の再配線で構成されていてもよい。例えば、第１のアンテナエレメントＡ１は、半導体チップの第１の面Ｓ１を覆う１層目の再配線と、２層目の再配線を含んで構成されていてもよい。第２のアンテナエレメントＡ２についても同様である。
【００５６】
［第５の実施形態］
図１３Ａ、図１３Ｂおよび図１３Ｃは、それぞれ、本発明の第５の実施形態に係る通信ユニット２１０の構成を示す図である。通信ユニット２１０は、第１のアンテナエレメントＡ１および第２のアンテナエレメントＡ２と、通信回路２１との間に設けられた整合回路３００を更に含み得る。第１のアンテナエレメントＡ１は第１の再配線層１０２に形成され、第２のアンテナエレメントＡ２は第２の再配線層１０３に形成されている。
【００５７】
整合回路３００は、例えば、キャパシタおよびインダクタ等の回路素子を含んで構成され、通信回路２１と、第１のアンテナエレメントＡ１および第２のアンテナエレメントＡ２との間のインピーダンスを整合させる役割を担う。整合回路３００を構成する回路素子は、例えば、半導体チップ１０１とは別体のディスクリート部品で構成されていてもよい。この場合、整合回路３００を構成するディスクリート部品を半導体チップ１０１の第１の面Ｓ１側または第２の面Ｓ２側に搭載し、第１のアンテナエレメントＡ１および第２のアンテナエレメントＡ２の少なくとも一方に整合回路３００を構成するディスクリート部品を接続させる形態としてもよい。
【００５８】
［第６の実施形態］
図１４は、本発明の第６の実施形態に係る半導体装置１００Ｂの構成を示す断面図である。図１５は、半導体装置１００Ｂに備えられた２つの通信ユニット２１０Ａおよび２１０Ｂの構成を示す図である。
【００５９】
通信ユニット２１０Ａは、半導体チップ１０１に形成された通信回路２１Ａと、半導体チップ１０１の第１の面Ｓ１を覆う第１の再配線層１０２に形成されたアンテナエレメントＡ１−１およびＡ１−２と、を含んで構成されている。アンテナエレメントＡ１−１およびＡ１−２は、例えば図３Ａに示すような線状パターンを有し、これらによってダイポールアンテナが構成されている。図１４に示すように、アンテナエレメントＡ１−１は、貫通電極３２−１、電極パッド２５ａおよびビア２４ａを介して通信回路２１Ａに接続され、アンテナエレメントＡ１−２は、貫通電極３２−２、電極パッド２５ｂおよびビア２４ｂを介して通信回路２１Ａに接続されている。
【００６０】
一方、通信ユニット２１０Ｂは、半導体チップ１０１に形成された通信回路２１Ｂと、半導体チップ１０１の第２の面Ｓ２を覆う第２の再配線層１０３に形成されたアンテナエレメントＡ２−１およびＡ２−２と、を含んで構成されている。アンテナエレメントＡ２−１およびＡ２−２は、例えば図３Ａに示すような線状パターンを有し、これらによってダイポールアンテナが構成されている。図１４に示すように、アンテナエレメントＡ２−１は、電極パッド２５ｃおよびビア２４ｃを介して通信回路２１Ｂに接続され、アンテナエレメントＡ２−２は、電極パッド２５ｄおよびビア２４ｄを介して通信回路２１Ｂに接続されている。
【００６１】
なお、通信ユニット２１０Ａおよび２１０Ｂの各々において、一方のアンテナエレメントが第１の再配線層１０２に形成された再配線で構成され、他方のアンテナエレメントが第２の再配線層１０３に形成された再配線で構成されていてもよい。
【００６２】
このように、半導体装置１００Ｂが複数の通信ユニットを備えることで、ダイバーシティアンテナを構成することも可能である。なお、半導体装置１００Ｂが２つの通信ユニット２１０Ａおよび２１０Ｂを備える場合を例示したが、半導体装置１００Ｂは、３つ以上の通信ユニットを備えていてもよい。なお、半導体装置１００Ｂにおいて、半導体チップ１０１には、図１に示される電源回路２２や電極パッド２７が設けられていてもよい。
【００６３】
［第７の実施形態］
図１６は、本発明の第７の実施形態に係る半導体装置１００Ｃの構成を示す断面図である。図１７は、半導体装置１００Ｂに備えられた２つの通信ユニット２１０Ａおよび２１０Ｂの構成を示す図である。図１８Ａは、半導体装置１００Ｃにおいて、第１の再配線層１０２に形成されるアンテナエレメントＡ１のパターンを模式的に示す斜視図である。図１８Ｂは、半導体装置１００Ｃにおいて、第２の再配線層１０３に形成された第２のアンテナエレメントＡ２−１、Ａ２−２およびＡ２−３のパターンを模式的に示す斜視図である。
【００６４】
通信ユニット２１０Ａは、半導体チップ１０１に形成された通信回路２１Ａと、半導体チップ１０１の第１の面Ｓ１を覆う第１の再配線層１０２に形成されたアンテナエレメントＡ１と、半導体チップ１０１の第２の面Ｓ２を覆う第２の再配線層１０３に形成され且つ接地電位が印加されるアンテナエレメントＡ２−１を含んで構成されている。アンテナエレメントＡ１は、例えば図１８Ａに示すような線状パターンを有し、アンテナエレメントＡ２−１は、例えば図１８Ｂに示すような島状パターンを有し、これらによってモノポールアンテナが構成されている。なお、アンテナエレメントＡ２−１は、図６Ｂに示すような格子状パターンを有していてもよい。図１６に示すように、アンテナエレメントＡ１は、貫通電極３２、電極パッド２５ａおよびビア２４ａを介して通信回路２１Ａに接続され、アンテナエレメントＡ２−１は、電極パッド２５ｂおよびビア２４ｂを介して通信回路２１Ａに接続されている。
【００６５】
一方、通信ユニット２１０Ｂは、半導体チップ１０１に形成された通信回路２１Ｂと、半導体チップ１０１の第２の面Ｓ２を覆う第２の再配線層１０３に形成されたアンテナエレメントＡ２−２と、半導体チップ１０１の第２の面Ｓ２を覆う第２の再配線層１０３に形成され且つ接地電位が印加されるアンテナエレメントＡ２−３を含んで構成されている。アンテナエレメントＡ２−２は、例えば図１８Ｂに示すような線状パターンを有し、アンテナエレメントＡ２−３は、例えば図１８Ｂに示すような島状パターンを有し、これらによってモノポールアンテナが構成されている。なお、アンテナエレメントＡ２−３は、図６Ｂに示すような格子状パターンを有していてもよい。図１６に示すように、アンテナエレメントＡ２−２は、電極パッド２５ｄおよびビア２４ｄを介して通信回路２１Ｂに接続され、アンテナエレメントＡ２−３は、電極パッド２５ｂおよびビア２４ｃを介して通信回路２１Ｂに接続されている。
【００６６】
接地電位が印加されるアンテナエレメントＡ２−１およびＡ２−３は、図１６に示すように、第２の再配線層１０３に形成された共通の再配線で構成されていてもよい。また、第２の通信ユニット２１０Ｂにおいて、モノポールアンテナのアンテナ線を構成するアンテナエレメントＡ２−２を第１の再配線層１０２に形成された再配線で構成してもよい。
【００６７】
このように、半導体装置１００Ｃが複数の通信ユニットを備えることで、ダイバーシティアンテナを構成することも可能である。なお、半導体装置１００Ｃが２つの通信ユニット２１０Ａおよび２１０Ｂを備える場合を例示したが、半導体装置１００Ｃは、３つ以上の通信ユニットを備えていてもよい。また、半導体装置１００Ｃにおいて、半導体チップ１０１には、図１に示される電源回路２２や電極パッド２７が設けられていてもよい。
【符号の説明】
【００６８】
２０   半導体基板
２１、２１Ａ、２１Ｂ 通信回路
３２   貫通電極
１００、１００Ａ、１００Ｂ、１００Ｃ      半導体装置
１０１ 半導体チップ
１０２ 第１の再配線層
１０３ 第２の再配線層
１５０ 通信装置
２００ 通信システム
２１０、２１０Ａ、２１０Ｂ  通信ユニット
３００ 整合回路
Ａ１   第１のアンテナエレメント
Ａ２   第２のアンテナエレメント
【図１】
2017224900.tif 000003
【図２】
2017224900.tif 000004
【図３Ａ】
2017224900.tif 000005
【図３Ｂ】
2017224900.tif 000006
【図４】
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【図５Ａ】
2017224900.tif 000008
【図５Ｂ】
2017224900.tif 000009
【図５Ｃ】
2017224900.tif 000010
【図５Ｄ】
2017224900.tif 000011
【図５Ｅ】
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【図５Ｆ】
2017224900.tif 000013
【図５Ｇ】
2017224900.tif 000014
【図５Ｈ】
2017224900.tif 000015
【図５Ｉ】
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【図５Ｊ】
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【図５Ｋ】
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【図５Ｌ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【図１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
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【図１３Ｃ】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８Ａ】
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【図１８Ｂ】
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