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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2023-07-28
(45)【発行日】2023-08-07
(54)【発明の名称】半導体装置および通信システム
(51)【国際特許分類】
H01Q 21/28 20060101AFI20230731BHJP
H01Q 9/30 20060101ALI20230731BHJP
H01Q 1/50 20060101ALI20230731BHJP
H01Q 9/16 20060101ALI20230731BHJP
【ＦＩ】
H01Q21/28
H01Q9/30
H01Q1/50
H01Q9/16
【請求項の数】
7
(21)【出願番号】P 2022048191
(22)【出願日】2022-03-24
(62)【分割の表示】P 2021068630の分割
【原出願日】2016-06-13
(65)【公開番号】P2022075939
(43)【公開日】2022-05-18
【審査請求日】2022-03-24
(73)【特許権者】
【識別番号】308033711
【氏名又は名称】ラピスセミコンダクタ株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100084995
【弁理士】
【氏名又は名称】加藤 和詳
(74)【代理人】
【識別番号】100099025
【弁理士】
【氏名又は名称】福田 浩志
(72)【発明者】
【氏名】赤堀 博次
【審査官】白井 亮
(56)【参考文献】
【文献】特開２００７－１８０７６２（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１０－０９７９９０（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００１－２７４５２７（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開平１０－１４５２６７（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００２－０９２５７６（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｈ０１Ｑ ２１／２８
Ｈ０１Ｑ ９／３０
Ｈ０１Ｑ １／５０
Ｈ０１Ｑ ９／１６
(57)【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の面を覆い、前記通信回路に電気的に接続されて前記半導体チップの前記第１の面に平行な第１の方向で蛇行往復させた線状パターンを含む第１のアンテナエレメントを有する第１の再配線層と、
前記半導体チップの前記第１の面とは反対側の第２の面を覆い、前記通信回路に電気的に接続されて前記半導体チップの前記第２の面に平行な第２の方向で蛇行往復させた線状パターンを含む第２のアンテナエレメントを有する第２の再配線層と、
を含む半導体装置。
【請求項2】
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の面を覆い、前記通信回路に電気的に接続されて前記半導体チップの前記第１の面に平行な渦巻き状のパターンを含む第１のアンテナエレメントを有する第１の再配線層と、
前記半導体チップの前記第１の面とは反対側の第２の面を覆い、前記通信回路に電気的に接続されて前記半導体チップの前記第２の面に平行な渦巻き状のパターンを含む第２のアンテナエレメントを有する第２の再配線層と、
を含む半導体装置。
【請求項3】
前記第２のアンテナエレメントの一端は前記通信回路に接続され、前記第２のアンテナエレメントの他端は前記第１のアンテナエレメントの一端に接続される請求項１または２に記載の半導体装置。
【請求項4】
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の面を覆い、前記通信回路に接続されて前記半導体チップの前記第１の面に平行な第１の方向で蛇行往復させた線状パターンを含む第１のアンテナエレメントを有する第１の再配線層と、
前記半導体チップの前記第１の面とは反対側の第２の面を覆い、前記通信回路に接続されて前記半導体チップの前記第２の面に平行な第２の方向で蛇行往復させた線状パターンと、前記通信回路に接続されて前記第２の方向で隣り合う島状パターンとを含む第２のアンテナエレメントを有する第２の再配線層と、
を含む半導体装置。
【請求項5】
前記島状パターンに接地電位が印加される請求項４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及び前記第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５のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項7】
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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、半導体装置および通信システムに関する。
【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】
【文献】特開２００９－１５８７４３号公報
【文献】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の面を覆い、前記通信回路に電気的に接続されて前記半導体チップの前記第１の面に平行な第１の方向で蛇行往復させた線状パターンを含む第１のアンテナエレメントを有する第１の再配線層と、前記半導体チップの前記第１の面とは反対側の第２の面を覆い、前記通信回路に電気的に接続されて前記半導体チップの前記第２の面に平行な第２の方向で蛇行往復させた線状パターンを含む第２のアンテナエレメントを有する第２の再配線層と、を含む。
【0009】
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。
【発明の効果】
【0010】
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】
【0011】
【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】
【0012】
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。
【0013】
[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。
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。
【0014】
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。
【0015】
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。
【0016】
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。
【0017】
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。
【0018】
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。
【0019】
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。
【0020】
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。
【0021】
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。
【0022】
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。
【0023】
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。
【0024】
【0025】
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）。
【0026】
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）。
【0027】
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）。
【0028】
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）。
【0029】
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。
【0030】
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）。
【0031】
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）。
【0032】
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）。
【0033】
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。
【0034】
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）。
【0035】
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）。
【0036】
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）。
【0037】
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。
【0038】
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。
【0039】
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。
【0040】
［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。
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。
【0041】
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。
【0042】
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。
【0043】
［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。
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。
【0044】
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。
【0045】
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。
【0046】
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。
【0047】
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。
【0048】
［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。
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。
【0049】
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。
【0050】
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。
【0051】
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。
【0052】
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。
【0053】
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。
【0054】
［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。
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。
【0055】
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。
【0056】
［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。
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。
【0057】
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。
【0058】
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。
【0059】
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。
【0060】
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。
【0061】
［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。
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。
【0062】
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。
【0063】
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。
【0064】
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。
【0065】
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】
【0066】
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
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】
【図2】
【図3A】
【図3B】
【図4】
【図5A】
【図5B】
【図5C】
【図5D】
【図5E】
【図5F】
【図5G】
【図5H】
【図5I】
【図5J】
【図5K】
【図5L】
【図6A】
【図6B】
【図7A】
【図7B】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11A】
【図11B】
【図12A】
【図12B】
【図13A】
【図13B】
【図13C】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】
【図18A】
【図18B】
