柔性半导体器件和识别标签的制作方法
专利名称：柔性半导体器件和识别标签的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种柔性半导体器件，其包括半导体衬底和设有多个半导体元件的集成电路，所述多个半导体元件限定在半导体衬底的表面上并根据互连结构中的所希望的图案而互连。
本发明还涉及一种包括该柔性半导体器件的安全纸以及包括载体和柔性半导体器件的识别标签。
本发明还涉及一种在读出器和至少一个柔性半导体器件之间进行通信的方法。
本发明还涉及一种制造柔性半导体器件的方法，包括以下步骤提供至少一个半导体器件，其包括设有衬底和多个半导体元件的集成电路，这些半导体元件根据互连结构中的所希望的图案而互连，该器件具有第一和相对的第二面，在该第一面上存在互连结构，在该第二面上存在衬底，以及从器件的第二面使衬底变薄，以便使器件是柔性的。
这种柔性器件、这种标签以及这种制造方法从US-A 6291877中可知。该已知的器件是限定在所谓的绝缘体上硅(SOI)衬底中的集成电路。在限定集成电路之后使该SOI衬底变薄，以便只保持绝缘层和其顶部上的硅层。因此，该器件变得很薄，例如5到10微米，并且呈现出柔性。然后以这种结构对其进行键合，使得它通过柔性粘合剂保持在卡衬底之间。使用键合焊盘将集成电路设置在其中，所述键合焊盘通过导电墨连接到卡衬底上的布线。在将集成电路组装在其上之后将这种导电墨印刷在卡衬底之一上。该布线包括例如用于接收和发送数据和能量的线圈。
这种已知器件的缺点是最终的识别标签限于在较低频率下使用。导电墨形成相当大阻抗的迹线(trace)，这在较高频率下是尤其不利的。鉴于使用导电墨而得到的有限的印刷分辨率，迹线不会很容易地缩短。通过溶胶-凝胶法印刷金属在原理上是一种替代方法；然而，这种溶胶-凝胶前体到金属的转换温度限制了卡衬底的选择。
因此本发明的第一目的是提供一种在开篇中所提到的这种类型的柔性器件，其中布线和连接技术不会限制用于接收和发送数据和能量的频率。
本发明的第二目的是提供一种包括这种柔性器件的识别标签。
第一目的是通过以下手段实现的半导体衬底在有源区中横向地延伸；并且存在电绝缘材料的支撑层和天线。天线横向地限定在与支撑层相邻的导电层中的有源区的外部，并且电连接到互连结构，半导体衬底不位于天线和集成电路之间的非衬底区域中。
通过实施这种柔性器件而在标签中实现第二目的。提供集成天线不需要到卡衬底的连接。因此，根本不需要导电墨。
本发明的识别标签的优点在于大大地降低了组装成本。使用需要特定组装方法的至少两个工艺步骤来制造已知标签第一，在卡衬底的特殊位置上提供集成电路；以及第二，通过印刷提供导电迹线。组装本标签不需要这种特定的位置和特定的键合。
另外的优点是该标签可只包括一个卡衬底，而不是两个。该柔性器件可以固定到其上或者在层叠工艺中集成在其中。这提高了标签的柔性并且减少了元件，由此降低了成本。
另一优点的是集成电路包括所有功能性。如果意味着用于用户设备中，用在产品的聚合物封装上，则这种设备或封装的制造商不需要具有任何印刷或天线的知识。
而且，集成天线一般在尺寸上受限制。与卡衬底上的布线和导电墨迹线相比，减小了具有集成天线的柔性器件的可见性。这对于很多安全应用是特别有利的，在所述安全应用中不希望每个人立即识别出安全特征。此外，鉴于不存在任何连接，因此提高了标签的可靠性。
由于电绝缘材料的支撑层，提高了调谐行为。此外，支撑层允许在分离器件之前除去任何附加支撑衬底。在已知器件中，使用支撑衬底，并且只在柔性器件固定到卡衬底上之后才将其除去。
支撑层还允许半导体衬底完全不存在于有源区和天线之间。这样，大大减小了天线和集成电路之间的相互作用，导致良好的天线性能。优选地，半导体衬底不存在于有源区外部的任何位置上。这提高了柔性。衬底的有源区优选是台面形状的，这种形状是很坚固的，并且可以用常规蚀刻技术来制造。
从DE 196 01 358 C2获知一种类似的器件。然而，在这种器件中，天线设置在集成电路的表面上。在有些区域中没有除去衬底，并且没有提供支撑层。本发明的器件具有至少两个优点本发明的天线具有更大的尺寸，导致更低的发送频率以及增加的距离和功率传送；以及基本上减小了天线和集成电路之间的相互作用。
支撑层例如包括聚合物材料，如聚酰胺、聚碳酸酯、氟化聚合物、多磺酸盐、环氧化物、聚酯等。优选使用聚酰胺。为了提高天线性能，磁性颗粒可以存在于支撑层中。适当的磁性颗粒是铁氧体颗粒，平均直径优选为0.5-1.0微米。这种支撑层的另一优点在于可以防止潮湿、灰尘和污染。在现有技术中，不能实现这种连续的支撑层，因为必须从该器件到天线应用接触。
可以以不同技术来提供本发明的器件的集成电路。首先，它可以限定在绝缘体上硅衬底的表面上。这种技术是公知的。其次，可以使用III-V族材料的半导体衬底或者另一方面使用多晶硅的半导体衬底。这种选择取决于所希望的集成电路性能。优选地，使用常规的单晶硅半导体衬底。这具有的优点是与SOI衬底相比很便宜，同时，可以采用常规地用于非柔性集成电路的设计。此外，使用单晶硅允许使用标准半导体工厂。台面结构能使器件具有良好的柔性。
本发明的柔性器件可以有利地使用临时支撑、用衬底传送法来制造。
可以实现不同的天线，如基于电容性的天线、偶极天线、多极天线。然而，优选该天线是适合于无线通信的电感器。可获得的频率范围大致为1到3GHz。最小值是通过线圈尺寸确定的，最大值是通过集成电路中的整流器的强度确定的。具有表面面积为1.5*1.5mm的匝的电感器适合于2.4GHz的频率。这种天线可用于在3mm距离的范围内发送，以便提供在2V、100mA的3-4mW。
如果在与第一面相对的第二面设置另一电感器绕组，可以进一步提高天线质量。由于除去衬底，因此第二面可用于另一绕组。可以通过互连结构来形成绕组之间的接触。另一绕组可以具有或不具有与第一绕组相同的直径和形状。然而，可选择地，绕组，或者一般情况下，在两面上的天线结构可以是互补的。而且，在第二面上的电感器可以是螺旋形的。此外，为了不同的目的可以实现一个以上的天线一个相对大的天线用于将能量传输到半导体器件，一个相对小的天线用于传输信号。
在适当的另一实施例中，集成电路横向地位于电感器中。因此实现了可获得表面面积的最佳使用。此外，特别是如果相对于电感器中心对称地设置集成电路，则限制了电感器对电路的影响。
特别优选的是集成电路被细分成多个电路块，这些电路块彼此隔开，但是通过互连结构互连起来。这减小了由于电感器在集成电路中的涡电流的大小。这里另外优选的是半导体元件限定在半导体衬底的表面上；并且该器件包括对应于电路块的有源区，在有源区之间和在这些区域的周围横向地限定非衬底区，半导体衬底不存在于所述非衬底区中。
在另一实施例中，集成电路到天线的导电层上的垂直投影(projection)至少基本上与天线重叠。本实施例特别适合于与先进类型的半导体元件组合，因此其具有亚微米尺寸的分辨率。本实施例的优点首先是非常小的涡点流。此外，天线可以形成集成电路的机械保护。
在另一实施例中，集成电路设有安全涂层，其是大体上既不对紫外线辐射、可见光透明也不对红外辐射透明的层。此外，这种涂层难以通过蚀刻来除去。通过这种方式，提供良好的保护以防电脑黑客的侵入，所述电脑黑客希望进入或修改电路设计。这种安全涂层优选是用颗粒填充的层。该层可以是有机材料或无机材料。涂层的厚度和材料将是完美保护和柔性之间的最佳值。在本发明的器件中使用安全涂层比在现有技术中更容易，因为不需要键合焊盘，因此可以采用未构图的涂层。
具有集成电路的安全纸例如可以从WO-A 99/54842中获知。这里，集成电路包括有机半导体材料。这具有的缺点是新的、未测试的技术。对于这种安全应用，公知和证实的技术看起来是优选的。本发明的安全纸的特征在于本发明的柔性器件是存在的。这具有重要的优点层叠技术可以用于柔性器件的集成。结果，该器件可以完全嵌入在该纸中。因此更不容易从安全纸中除去该柔性器件。而且，在一定程度上隐藏集成电路。该器件可以进一步设有用于最佳保护的安全涂层。
在本申请的上下文中，应理解术语“纸”意味着由自然或合成纤维制成的纸，以及目前可以由塑料膜制成的纸，这种纸已知用作安全纸。这种纸可用于各种应用，包括钞票、护照和其它正式文件、入场券等。
除了集成电路之外，还可以存在其它安全特征。其例子是导电安全线、全息图、光学有源元件、以及在衬底中存在可检测荧光的、磁性的、或导电颗粒或纤维。
安全纸和/或柔性器件非常适合于集成在识别文件或设备中，特别是集成在其封装中。其柔性和薄度使其非常适合于集成在安全纸等中，因此适合于柔性器件的可见性不是优选的应用。
本发明还涉及在无线通信中使用本发明的柔性器件。在这种无线通信中，能量和数据从读出器发送到柔性器件。在完成所希望的操作之后，数据返回到读出器。所希望的操作一般包括根据预定图案读取存储器。密码技术可用于提高无线传输的安全性。在密码学中公知的一种非常适合的方式是使用散列函数(hash-function)。在这种情况下，柔性器件在读取存储器之前使第一信号随机化。利用不可逆函数进行这种随机化。读取之后，可以施加第二散列函数。然后将得到的第二信号与储存在读出器中或储存在与读出器相连的中央数据库中的参考信号进行比较。使用相同的散列函数获得这个参考信号。由于存在非常大量的可能第一信号，因此任何读出可以使用另外的第一信号，由此减少了未经授权的人获得存储器代码的机会。在另一实施例中，柔性器件设有安全涂层，该涂层具有非均匀分布在其上的可测量特性，并且该柔性器件还设有用于测量所述特性的测量元件。该特性优选是通过不同成份、尺寸和密度的嵌入介电、导电、电阻性或磁性颗粒实现的。这里的测量元件测量阻抗。这提供了非常好的保护，并且特别适合于与散列函数组合使用，如在非预先公布的申请EP03101515.9(PHNL030634)中所述。
在优选实施例中，如此进行数据传输，使得将来自半导体器件的信号以不同于用于从读出器发送到半导体器件的频率发送回到读出器。然而，在很多情况下可以只提供一个天线，而存在用于接收和发送信号的两个分开的频率，因此可以容易地和便宜地将两个信号分开。
发送回来的信号例如使用较低频率，该频率是通过提供分频器来实现的。或者，这个频率可以是谐波频率，并优选是三次谐波。然后可以利用读出器通过比较谐波频率上的信号的大小来测量该信号。本实施例具有几个优点第一，由于在相同天线上的较高频率，使发送回来更有效。另外，发送回来的信号的检测对于未经授权的人来说更困难。这是因为用于较高频率的天线是非常规的。特别适合于其的是在半导体器件中包括非线性元件。这种非线性元件优选与天线串联设置。这将在谐波频率周围的频率上产生峰值。由于谐波频率是确切已知的，因此可以很容易地检测这些峰值。
在另一实施例中，在半导体器件中增加调制器。这允许从读出器到该器件的信号含有代码。由于非线性元件，将位转换成一系列短信号(在有些变宽的时间间隔内)，这些短信号是很容易检测的。使用调制器具有可以解决抗震问题的附加优点。这个问题特别与钞票有关，因为人们可以一次读出一堆钞票。对于这个问题看来有两个特别的解决方案。第一个解决方案是在识别第一半导体器件之后，将特定代码发送给该器件，以便使它在一段期间内不发送任何其它响应。第二个选择是在识别第一器件之后，传输到钞票的信号将请求修改调制。然后接收机将在其它频率接收信号，或者在所要求的响应频率下响应的钞票数量减少，因为在其它频率响应。
使用调制和使用谐波具有的优点是可以用更简单的技术制造半导体器件。其原因是不需要分频器。尤其应该使用多晶硅而不是单晶硅，而且沟道长度不是关键性的。总之，本实施例非常适合于包含在钞票和其它安全纸中的半导体器件，其需要低成本和小的传输距离。
本发明的这些和其他方案将参照附图进一步说明，其中
图1A-G示出在制造本发明的柔性器件时的不同阶段的概略剖面图；图2示出本发明的最终柔性器件；图3示出本发明的柔性器件中的天线和集成电路的第一布图；图4示出第二布图；图5示出第三布图；以及图6示出具有天线的电路的电气图。
附图不是按比例画出的，并且相同的参考标记表示相同的部件。
图1A示出具有第一面1和第二面2的衬底10。衬底10包括单晶硅。热氧化物位于衬底的顶部，在所述热氧化物上设置互连结构3。互连结构一般包括3到5个导电层，这些导电层通过已构图的电介质层相互分开。互连结构3将限定在衬底10的第一面上的半导体元件互连起来。在这种情况下半导体元件是CMOS晶体管，此外，二极管用作整流器。互连结构3和半导体元件一起限定集成电路5。除了集成电路之外，还存在天线6。在本实施例中，天线6是具有一匝的电感器。
尽管在图1中建议天线6位于互连结构3的顶部，但是鉴于工艺步骤，天线6优选淀积为互连结构3的一个金属层的一部分。尽管在图1中示出了互连结构3在整个衬底10上延伸，但不必是这种情况。实际上，由于限制机械应力的原因，优选互连结构的金属层和电介质层只淀积在它们对功能性作出贡献的区域中。
也可以存在其它元件，如二极管、肖特基二极管、双极性晶体管、电容器、电阻器、光电元件等。它们根据所希望的电路图案而互连，其本身是本领域技术人员所公知的。为了制造开关元件和其他元件，在衬底10上或在衬底10附近执行工艺。这些工艺包括例如氧化步骤、光刻步骤、选择性蚀刻步骤和中间掺杂步骤，如扩散或离子注入，本身都是公知的。在薄膜或CMOS晶体管的情况下，源和漏电极以及中间沟道设置在有源层中，该有源层被栅极氧化物层以及多晶硅、金属、硅化物的栅电极覆盖。还可以提供用于互连目的的附加金属层。然而，优选使层的数量受到限制。
图1B示出设置涂层4之后的衬底10。衬底和互连结构覆盖有柔性涂层、优选为聚合物。优选地，该层是通过旋涂、喷射或膜的形成，然后进行固化而提供的。通过首先利用发烟(fuming)HNO3进行清洗步骤并且之后利用合适的底漆进行处理，增强了涂层4与衬底10及其顶部上的叠层的粘合性。然后，通过施加聚酰亚胺的前体形成聚酰胺树脂涂层4。将这种材料的溶液旋涂到晶片上之后，在125℃下蒸发溶剂。之后，在200℃下进行加热步骤，从而激活底漆。随后，施加诸如HPR504的光刻胶并使其曝光。
图1C示出一些其它步骤之后的结果。首先，对涂层进行构图。为了对涂层进行构图，使用常规的显影溶液，如环戊酮。然后，在丙酮和异丙醇的混合物中剥离光刻胶。之后，在300-400℃下使涂层4固化。最后，在大约300℃下淀积0.5μm厚的PECVD氧化物层。这个层没有明确地示出。
然后，利用粘接手段(adhesion means)，在这种情况下是硅烷偶联剂(silane coupling agent)，处理保护区，所述保护区横向限定在柔性器件的区域的外部。以所谓的“边缘击打除去(edge beat removal)”方式进行这个处理。或者，将保护区浸在这种硅烷底漆溶液中。接着，提供UV胶可分离(releasable)胶层31和载体衬底30。通过这种方式，利用UV可分离胶层31将衬底10临时附着到载体衬底30上。载体衬底30是透明的，从而可以利用UV照射分离该胶层。
图1D示出在已经使衬底10薄到大约5-20微米的厚度d之后的结果。例如通过研磨使该衬底变薄，但是可选择地或者除此之外也可以使用例如利用KOH溶液的蚀刻。图1E示出在设置适当的硬蚀刻掩模15并且对其进行构图以便保护集成电路5之后的结果。硬蚀刻掩模可以根据需要进行选择，如本领域技术人员所公知的那样。
图1F示出在未被硬蚀刻掩模15保护的区域中除去衬底10之后的结果。通过这种方式，产生有源区10A和非衬底区10B。
图1G和2最后示出除去载体衬底30之后的器件100。首先使用UV照射。之后将衬底分离成单独的器件100。这是通过切穿氧化物层来进行的，所述氧化物层横向地位于器件100周围。利用例如剃刀进行切割操作。尽管这里作为一个器件示出柔性器件100，但是应该理解，这包括多个器件100。后来可以将这些器件分开。而且，可以由用户进行分离步骤。在未预先公布的申请EP02079697.5(PHNL021153)中对这种方法进行了进一步的说明，这里将其包括作为参考。
图3示出本发明的器件100的第一布图。这里，天线6是电感器，集成电路5设置在被电感器6包围的区域中。天线6和集成电路位于用作支撑的电绝缘材料层4上。更具体地讲，中心对称地设置集成电路5，以便限制电感器6对所述集成电路的负面影响。从电感器6到集成电路5的互连未示出，但其是存在的。
图4示出第二布图。这里，集成电路5分成几个区域5A-5D。这被假定减少了集成电路5中的涡电流。区域5A-5D互相互连，尽管未示出这一点。集成电路5包括整流器、存储器、诸如移位寄存器或微控制器的状态机、、时钟发生器、以及一些其他互连和用于切换和/或其他放大目的的晶体管。优选地通过将每一个功能放置在分离的区域中来实现分割。
图5示出第三布图。这里，集成电路5被分割成几个区域5A-5H。将区域5A-5H设置成基本上与天线6重叠。这将进一步减少任何的涡电流和天线对集成电路5的其它影响。对区域的数量进行进一步设计。这进一步允许在第一匝内提供天线6的第二匝，或者如果需要使用除了电感器以外的其它天线设计，例如，偶极天线，而基本上不必使用更大的面积。
图6示出具有一些附加元件的天线6的电气图。这里示出了用作天线6的电感器，用于调谐目的的电容器61、以及电压感应器(voltageinducer)62、总和电阻63、和负载电阻器64。负载电阻器64可以是整流器电路，其将RF电压转换成DC电压并可包括集成电路的有源电路。总和电阻63是一系列辐射电阻Rrad和电阻损失Rohmic的和。该辐射电阻Rrad对于具有许多匝的电感器来说是很小的，例如，大约等于3.1×104(nS/λ2)2，其中S是天线的面积，λ是波长，n是匝数。因而，芯片上的1-或2-匝电感器的辐射电阻Rrad在2.4GHz的频率下小于0.1Ω。通过集成高-Q并联LC电路，在辐射电阻Rrad中感应的相对低电压乘以LC谐振回路的Q因数。Q因数在2.4GHz下大约为60。结果，电感器位于有源区的外部，在电绝缘材料的支撑衬底上。这个Q足够高以便在短距离例如1-2mm的范围内传输时在集成电路中实现几伏的电压水平和几mW的功率水平。外部RF源功率在2.4GHz下大约为0.5W。当谐振回路上的负载等于谐振回路的阻抗，例如大约等于Q2·总和电阻时，将取得最佳功率效率。
简而言之，提供具有集成电路和天线的柔性器件100，所述天线结合在集成电路的互连结构中或者直接耦合到互连结构上。电绝缘或电介质层作为天线和集成电路的支撑层而存在。优选地，在集成电路的有源区外部的非衬底区除去衬底。这种除去可以与单晶硅衬底的使用相结合。
权利要求
1.一种柔性半导体器件，包括在有源区中横向延伸的半导体衬底；设有多个半导体元件的集成电路，所述多个半导体元件限定在所述半导体衬底的表面上，所述半导体衬底以适当的厚度存在，以便是柔性的，并且所述半导体元件根据互连结构中的所希望的图案进行互连，电绝缘材料的支撑层，以及天线，其横向地限定在与所述支撑层相邻的导电层中的有源区外部，并且电连接到所述互连结构，所述半导体衬底不存在于所述天线和所述集成电路之间的非衬底区中，其特征在于至少一个导体从所述互连结构横向延伸到所述天线，以便构成电互连。
2.根据权利要求1所述的柔性半导体器件，其中所述集成电路没有任何键合焊盘结构。
3.根据权利要求1所述的柔性半导体器件，其中所述集成电路设有钝化层，所述互连结构夹在所述钝化层和半导体衬底之间，以及所述支撑层是所述集成电路的所述钝化层的一部分。
4.根据权利要求1所述的柔性半导体器件，其特征在于所述衬底的所述有源区是台面形状。
5.根据权利要求1或2所述的柔性半导体器件，其特征在于所述半导体衬底只位于所述有源区中。
6.根据权利要求1所述的柔性半导体器件，其特征在于所述天线是适合于无线通信的电感器。
7.根据权利要求6所述的柔性半导体器件，其中所述集成电路横向地位于所述电感器中。
8.根据权利要求7所述的柔性半导体器件，其中将所述集成电路细分成多个电路块，所述电路块互相隔开，但是通过互连结构互连在一起。
9.根据权利要求8所述的柔性半导体器件，其中该器件包括对应于电路块的有源区，并且非衬底区横向限定在所述有源区之间和在这些区域周围，所述半导体衬底不位于所述非衬底区中。
10.根据权利要求6所述的柔性半导体器件，其特征在于所述集成电路到所述天线的所述导电层上的垂直投影至少基本上与天线重叠。
11.一种安全纸，包括根据权利要求1至10中任一项所述的柔性半导体器件。
12.一种识别标签，包括载体和根据权利要求1至10中任一项所述的柔性半导体器件。
13.根据权利要求12所述的识别标签，还包括导电元件，以便提高无线能量传输。
14.根据权利要求12或13所述的识别标签，其中所述载体包括安全纸，该安全纸包封了所述柔性器件。
15.根据权利要求14所述的识别标签，其适合于钞票或安全纸。
16.一种识别文件，包括根据权利要求11所述的安全纸。
17.一种设备，包括根据权利要求1至10中任一项所述的柔性半导体器件或者根据权利要求12、13或14中所述的识别标签。
18.一种在读出器和至少一个根据权利要求1至10中任一项所述的柔性半导体器件之间进行通信的方法，包括以下步骤提供从所述读出器到所述柔性器件的所述天线的第一信号；使用第一信号中的能量和信息读出所述柔性器件的存储器的至少一部分，由此提供第二信号，以及将所述第二信号从所述柔性器件传输到所述读出器。
19.根据权利要求18所述的方法，其中所述第二信号由所述读出器进行比较，从而检查所述柔性器件是其一部分的所述标签、文件或设备的身份或核实其真实性。
20.一种制造柔性半导体器件的方法，包括以下步骤提供具有至少一个集成电路的主体，所述集成电路具有多个半导体元件，所述半导体元件限定在所述半导体衬底的表面上，并且所述半导体元件根据互连结构中的所希望的图案进行互连，该互连结构设有钝化层；将临时载体附着到所述主体的所述钝化层上；至少部分地除去所述半导体衬底；以及除去所述临时载体，以便获得所述柔性半导体器件，其特征在于-所述互连结构利用第一导体延伸到横向限定与所述集成电路分开的天线，该天线由钝化层覆盖；以及在所述天线和所述集成电路之间的非衬底区中完全除去所述衬底。
全文摘要
提供具有集成电路(5)和天线(6)的柔性器件(100)，所述天线(6)结合在集成电路(5)的互连结构中或者直接耦合到互连结构上。互连结构在有源区的外部延伸。电绝缘或电介质层(4)作为天线(6)和集成电路(5)的支撑层而存在。优选地，在集成电路(5)的有源区(10A)外部的非衬底区(10B)除去衬底(10)。这种除去可以与单晶硅衬底的使用相结合。该柔性器件非常适合于集成在识别标签和安全纸中，并且可以使用临时附着的载体衬底来制造。
文档编号H01L23/498GK1816817SQ200480018675
公开日2006年8月9日 申请日期2004年7月1日 优先权日2003年7月4日
发明者罗纳德·德克尔, 特奥多鲁斯·M·米西尔森, 安东·M·H·图姆博, 彼得·W·胡贾曼斯 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司
技术领域：
本发明涉及一种柔性半导体器件，其包括半导体衬底和设有多个半导体元件的集成电路，所述多个半导体元件限定在半导体衬底的表面上并根据互连结构中的所希望的图案而互连。
本发明还涉及一种包括该柔性半导体器件的安全纸以及包括载体和柔性半导体器件的识别标签。
本发明还涉及一种在读出器和至少一个柔性半导体器件之间进行通信的方法。
本发明还涉及一种制造柔性半导体器件的方法，包括以下步骤提供至少一个半导体器件，其包括设有衬底和多个半导体元件的集成电路，这些半导体元件根据互连结构中的所希望的图案而互连，该器件具有第一和相对的第二面，在该第一面上存在互连结构，在该第二面上存在衬底，以及从器件的第二面使衬底变薄，以便使器件是柔性的。
这种柔性器件、这种标签以及这种制造方法从US-A 6291877中可知。该已知的器件是限定在所谓的绝缘体上硅(SOI)衬底中的集成电路。在限定集成电路之后使该SOI衬底变薄，以便只保持绝缘层和其顶部上的硅层。因此，该器件变得很薄，例如5到10微米，并且呈现出柔性。然后以这种结构对其进行键合，使得它通过柔性粘合剂保持在卡衬底之间。使用键合焊盘将集成电路设置在其中，所述键合焊盘通过导电墨连接到卡衬底上的布线。在将集成电路组装在其上之后将这种导电墨印刷在卡衬底之一上。该布线包括例如用于接收和发送数据和能量的线圈。
这种已知器件的缺点是最终的识别标签限于在较低频率下使用。导电墨形成相当大阻抗的迹线(trace)，这在较高频率下是尤其不利的。鉴于使用导电墨而得到的有限的印刷分辨率，迹线不会很容易地缩短。通过溶胶-凝胶法印刷金属在原理上是一种替代方法；然而，这种溶胶-凝胶前体到金属的转换温度限制了卡衬底的选择。
因此本发明的第一目的是提供一种在开篇中所提到的这种类型的柔性器件，其中布线和连接技术不会限制用于接收和发送数据和能量的频率。
本发明的第二目的是提供一种包括这种柔性器件的识别标签。
第一目的是通过以下手段实现的半导体衬底在有源区中横向地延伸；并且存在电绝缘材料的支撑层和天线。天线横向地限定在与支撑层相邻的导电层中的有源区的外部，并且电连接到互连结构，半导体衬底不位于天线和集成电路之间的非衬底区域中。
通过实施这种柔性器件而在标签中实现第二目的。提供集成天线不需要到卡衬底的连接。因此，根本不需要导电墨。
本发明的识别标签的优点在于大大地降低了组装成本。使用需要特定组装方法的至少两个工艺步骤来制造已知标签第一，在卡衬底的特殊位置上提供集成电路；以及第二，通过印刷提供导电迹线。组装本标签不需要这种特定的位置和特定的键合。
另外的优点是该标签可只包括一个卡衬底，而不是两个。该柔性器件可以固定到其上或者在层叠工艺中集成在其中。这提高了标签的柔性并且减少了元件，由此降低了成本。
另一优点的是集成电路包括所有功能性。如果意味着用于用户设备中，用在产品的聚合物封装上，则这种设备或封装的制造商不需要具有任何印刷或天线的知识。
而且，集成天线一般在尺寸上受限制。与卡衬底上的布线和导电墨迹线相比，减小了具有集成天线的柔性器件的可见性。这对于很多安全应用是特别有利的，在所述安全应用中不希望每个人立即识别出安全特征。此外，鉴于不存在任何连接，因此提高了标签的可靠性。
由于电绝缘材料的支撑层，提高了调谐行为。此外，支撑层允许在分离器件之前除去任何附加支撑衬底。在已知器件中，使用支撑衬底，并且只在柔性器件固定到卡衬底上之后才将其除去。
支撑层还允许半导体衬底完全不存在于有源区和天线之间。这样，大大减小了天线和集成电路之间的相互作用，导致良好的天线性能。优选地，半导体衬底不存在于有源区外部的任何位置上。这提高了柔性。衬底的有源区优选是台面形状的，这种形状是很坚固的，并且可以用常规蚀刻技术来制造。
从DE 196 01 358 C2获知一种类似的器件。然而，在这种器件中，天线设置在集成电路的表面上。在有些区域中没有除去衬底，并且没有提供支撑层。本发明的器件具有至少两个优点本发明的天线具有更大的尺寸，导致更低的发送频率以及增加的距离和功率传送；以及基本上减小了天线和集成电路之间的相互作用。
支撑层例如包括聚合物材料，如聚酰胺、聚碳酸酯、氟化聚合物、多磺酸盐、环氧化物、聚酯等。优选使用聚酰胺。为了提高天线性能，磁性颗粒可以存在于支撑层中。适当的磁性颗粒是铁氧体颗粒，平均直径优选为0.5-1.0微米。这种支撑层的另一优点在于可以防止潮湿、灰尘和污染。在现有技术中，不能实现这种连续的支撑层，因为必须从该器件到天线应用接触。
可以以不同技术来提供本发明的器件的集成电路。首先，它可以限定在绝缘体上硅衬底的表面上。这种技术是公知的。其次，可以使用III-V族材料的半导体衬底或者另一方面使用多晶硅的半导体衬底。这种选择取决于所希望的集成电路性能。优选地，使用常规的单晶硅半导体衬底。这具有的优点是与SOI衬底相比很便宜，同时，可以采用常规地用于非柔性集成电路的设计。此外，使用单晶硅允许使用标准半导体工厂。台面结构能使器件具有良好的柔性。
本发明的柔性器件可以有利地使用临时支撑、用衬底传送法来制造。
可以实现不同的天线，如基于电容性的天线、偶极天线、多极天线。然而，优选该天线是适合于无线通信的电感器。可获得的频率范围大致为1到3GHz。最小值是通过线圈尺寸确定的，最大值是通过集成电路中的整流器的强度确定的。具有表面面积为1.5*1.5mm的匝的电感器适合于2.4GHz的频率。这种天线可用于在3mm距离的范围内发送，以便提供在2V、100mA的3-4mW。
如果在与第一面相对的第二面设置另一电感器绕组，可以进一步提高天线质量。由于除去衬底，因此第二面可用于另一绕组。可以通过互连结构来形成绕组之间的接触。另一绕组可以具有或不具有与第一绕组相同的直径和形状。然而，可选择地，绕组，或者一般情况下，在两面上的天线结构可以是互补的。而且，在第二面上的电感器可以是螺旋形的。此外，为了不同的目的可以实现一个以上的天线一个相对大的天线用于将能量传输到半导体器件，一个相对小的天线用于传输信号。
在适当的另一实施例中，集成电路横向地位于电感器中。因此实现了可获得表面面积的最佳使用。此外，特别是如果相对于电感器中心对称地设置集成电路，则限制了电感器对电路的影响。
特别优选的是集成电路被细分成多个电路块，这些电路块彼此隔开，但是通过互连结构互连起来。这减小了由于电感器在集成电路中的涡电流的大小。这里另外优选的是半导体元件限定在半导体衬底的表面上；并且该器件包括对应于电路块的有源区，在有源区之间和在这些区域的周围横向地限定非衬底区，半导体衬底不存在于所述非衬底区中。
在另一实施例中，集成电路到天线的导电层上的垂直投影(projection)至少基本上与天线重叠。本实施例特别适合于与先进类型的半导体元件组合，因此其具有亚微米尺寸的分辨率。本实施例的优点首先是非常小的涡点流。此外，天线可以形成集成电路的机械保护。
在另一实施例中，集成电路设有安全涂层，其是大体上既不对紫外线辐射、可见光透明也不对红外辐射透明的层。此外，这种涂层难以通过蚀刻来除去。通过这种方式，提供良好的保护以防电脑黑客的侵入，所述电脑黑客希望进入或修改电路设计。这种安全涂层优选是用颗粒填充的层。该层可以是有机材料或无机材料。涂层的厚度和材料将是完美保护和柔性之间的最佳值。在本发明的器件中使用安全涂层比在现有技术中更容易，因为不需要键合焊盘，因此可以采用未构图的涂层。
具有集成电路的安全纸例如可以从WO-A 99/54842中获知。这里，集成电路包括有机半导体材料。这具有的缺点是新的、未测试的技术。对于这种安全应用，公知和证实的技术看起来是优选的。本发明的安全纸的特征在于本发明的柔性器件是存在的。这具有重要的优点层叠技术可以用于柔性器件的集成。结果，该器件可以完全嵌入在该纸中。因此更不容易从安全纸中除去该柔性器件。而且，在一定程度上隐藏集成电路。该器件可以进一步设有用于最佳保护的安全涂层。
在本申请的上下文中，应理解术语“纸”意味着由自然或合成纤维制成的纸，以及目前可以由塑料膜制成的纸，这种纸已知用作安全纸。这种纸可用于各种应用，包括钞票、护照和其它正式文件、入场券等。
除了集成电路之外，还可以存在其它安全特征。其例子是导电安全线、全息图、光学有源元件、以及在衬底中存在可检测荧光的、磁性的、或导电颗粒或纤维。
安全纸和/或柔性器件非常适合于集成在识别文件或设备中，特别是集成在其封装中。其柔性和薄度使其非常适合于集成在安全纸等中，因此适合于柔性器件的可见性不是优选的应用。
本发明还涉及在无线通信中使用本发明的柔性器件。在这种无线通信中，能量和数据从读出器发送到柔性器件。在完成所希望的操作之后，数据返回到读出器。所希望的操作一般包括根据预定图案读取存储器。密码技术可用于提高无线传输的安全性。在密码学中公知的一种非常适合的方式是使用散列函数(hash-function)。在这种情况下，柔性器件在读取存储器之前使第一信号随机化。利用不可逆函数进行这种随机化。读取之后，可以施加第二散列函数。然后将得到的第二信号与储存在读出器中或储存在与读出器相连的中央数据库中的参考信号进行比较。使用相同的散列函数获得这个参考信号。由于存在非常大量的可能第一信号，因此任何读出可以使用另外的第一信号，由此减少了未经授权的人获得存储器代码的机会。在另一实施例中，柔性器件设有安全涂层，该涂层具有非均匀分布在其上的可测量特性，并且该柔性器件还设有用于测量所述特性的测量元件。该特性优选是通过不同成份、尺寸和密度的嵌入介电、导电、电阻性或磁性颗粒实现的。这里的测量元件测量阻抗。这提供了非常好的保护，并且特别适合于与散列函数组合使用，如在非预先公布的申请EP03101515.9(PHNL030634)中所述。
在优选实施例中，如此进行数据传输，使得将来自半导体器件的信号以不同于用于从读出器发送到半导体器件的频率发送回到读出器。然而，在很多情况下可以只提供一个天线，而存在用于接收和发送信号的两个分开的频率，因此可以容易地和便宜地将两个信号分开。
发送回来的信号例如使用较低频率，该频率是通过提供分频器来实现的。或者，这个频率可以是谐波频率，并优选是三次谐波。然后可以利用读出器通过比较谐波频率上的信号的大小来测量该信号。本实施例具有几个优点第一，由于在相同天线上的较高频率，使发送回来更有效。另外，发送回来的信号的检测对于未经授权的人来说更困难。这是因为用于较高频率的天线是非常规的。特别适合于其的是在半导体器件中包括非线性元件。这种非线性元件优选与天线串联设置。这将在谐波频率周围的频率上产生峰值。由于谐波频率是确切已知的，因此可以很容易地检测这些峰值。
在另一实施例中，在半导体器件中增加调制器。这允许从读出器到该器件的信号含有代码。由于非线性元件，将位转换成一系列短信号(在有些变宽的时间间隔内)，这些短信号是很容易检测的。使用调制器具有可以解决抗震问题的附加优点。这个问题特别与钞票有关，因为人们可以一次读出一堆钞票。对于这个问题看来有两个特别的解决方案。第一个解决方案是在识别第一半导体器件之后，将特定代码发送给该器件，以便使它在一段期间内不发送任何其它响应。第二个选择是在识别第一器件之后，传输到钞票的信号将请求修改调制。然后接收机将在其它频率接收信号，或者在所要求的响应频率下响应的钞票数量减少，因为在其它频率响应。
使用调制和使用谐波具有的优点是可以用更简单的技术制造半导体器件。其原因是不需要分频器。尤其应该使用多晶硅而不是单晶硅，而且沟道长度不是关键性的。总之，本实施例非常适合于包含在钞票和其它安全纸中的半导体器件，其需要低成本和小的传输距离。
本发明的这些和其他方案将参照附图进一步说明，其中
图1A-G示出在制造本发明的柔性器件时的不同阶段的概略剖面图；图2示出本发明的最终柔性器件；图3示出本发明的柔性器件中的天线和集成电路的第一布图；图4示出第二布图；图5示出第三布图；以及图6示出具有天线的电路的电气图。
附图不是按比例画出的，并且相同的参考标记表示相同的部件。
图1A示出具有第一面1和第二面2的衬底10。衬底10包括单晶硅。热氧化物位于衬底的顶部，在所述热氧化物上设置互连结构3。互连结构一般包括3到5个导电层，这些导电层通过已构图的电介质层相互分开。互连结构3将限定在衬底10的第一面上的半导体元件互连起来。在这种情况下半导体元件是CMOS晶体管，此外，二极管用作整流器。互连结构3和半导体元件一起限定集成电路5。除了集成电路之外，还存在天线6。在本实施例中，天线6是具有一匝的电感器。
尽管在图1中建议天线6位于互连结构3的顶部，但是鉴于工艺步骤，天线6优选淀积为互连结构3的一个金属层的一部分。尽管在图1中示出了互连结构3在整个衬底10上延伸，但不必是这种情况。实际上，由于限制机械应力的原因，优选互连结构的金属层和电介质层只淀积在它们对功能性作出贡献的区域中。
也可以存在其它元件，如二极管、肖特基二极管、双极性晶体管、电容器、电阻器、光电元件等。它们根据所希望的电路图案而互连，其本身是本领域技术人员所公知的。为了制造开关元件和其他元件，在衬底10上或在衬底10附近执行工艺。这些工艺包括例如氧化步骤、光刻步骤、选择性蚀刻步骤和中间掺杂步骤，如扩散或离子注入，本身都是公知的。在薄膜或CMOS晶体管的情况下，源和漏电极以及中间沟道设置在有源层中，该有源层被栅极氧化物层以及多晶硅、金属、硅化物的栅电极覆盖。还可以提供用于互连目的的附加金属层。然而，优选使层的数量受到限制。
图1B示出设置涂层4之后的衬底10。衬底和互连结构覆盖有柔性涂层、优选为聚合物。优选地，该层是通过旋涂、喷射或膜的形成，然后进行固化而提供的。通过首先利用发烟(fuming)HNO3进行清洗步骤并且之后利用合适的底漆进行处理，增强了涂层4与衬底10及其顶部上的叠层的粘合性。然后，通过施加聚酰亚胺的前体形成聚酰胺树脂涂层4。将这种材料的溶液旋涂到晶片上之后，在125℃下蒸发溶剂。之后，在200℃下进行加热步骤，从而激活底漆。随后，施加诸如HPR504的光刻胶并使其曝光。
图1C示出一些其它步骤之后的结果。首先，对涂层进行构图。为了对涂层进行构图，使用常规的显影溶液，如环戊酮。然后，在丙酮和异丙醇的混合物中剥离光刻胶。之后，在300-400℃下使涂层4固化。最后，在大约300℃下淀积0.5μm厚的PECVD氧化物层。这个层没有明确地示出。
然后，利用粘接手段(adhesion means)，在这种情况下是硅烷偶联剂(silane coupling agent)，处理保护区，所述保护区横向限定在柔性器件的区域的外部。以所谓的“边缘击打除去(edge beat removal)”方式进行这个处理。或者，将保护区浸在这种硅烷底漆溶液中。接着，提供UV胶可分离(releasable)胶层31和载体衬底30。通过这种方式，利用UV可分离胶层31将衬底10临时附着到载体衬底30上。载体衬底30是透明的，从而可以利用UV照射分离该胶层。
图1D示出在已经使衬底10薄到大约5-20微米的厚度d之后的结果。例如通过研磨使该衬底变薄，但是可选择地或者除此之外也可以使用例如利用KOH溶液的蚀刻。图1E示出在设置适当的硬蚀刻掩模15并且对其进行构图以便保护集成电路5之后的结果。硬蚀刻掩模可以根据需要进行选择，如本领域技术人员所公知的那样。
图1F示出在未被硬蚀刻掩模15保护的区域中除去衬底10之后的结果。通过这种方式，产生有源区10A和非衬底区10B。
图1G和2最后示出除去载体衬底30之后的器件100。首先使用UV照射。之后将衬底分离成单独的器件100。这是通过切穿氧化物层来进行的，所述氧化物层横向地位于器件100周围。利用例如剃刀进行切割操作。尽管这里作为一个器件示出柔性器件100，但是应该理解，这包括多个器件100。后来可以将这些器件分开。而且，可以由用户进行分离步骤。在未预先公布的申请EP02079697.5(PHNL021153)中对这种方法进行了进一步的说明，这里将其包括作为参考。
图3示出本发明的器件100的第一布图。这里，天线6是电感器，集成电路5设置在被电感器6包围的区域中。天线6和集成电路位于用作支撑的电绝缘材料层4上。更具体地讲，中心对称地设置集成电路5，以便限制电感器6对所述集成电路的负面影响。从电感器6到集成电路5的互连未示出，但其是存在的。
图4示出第二布图。这里，集成电路5分成几个区域5A-5D。这被假定减少了集成电路5中的涡电流。区域5A-5D互相互连，尽管未示出这一点。集成电路5包括整流器、存储器、诸如移位寄存器或微控制器的状态机、、时钟发生器、以及一些其他互连和用于切换和/或其他放大目的的晶体管。优选地通过将每一个功能放置在分离的区域中来实现分割。
图5示出第三布图。这里，集成电路5被分割成几个区域5A-5H。将区域5A-5H设置成基本上与天线6重叠。这将进一步减少任何的涡电流和天线对集成电路5的其它影响。对区域的数量进行进一步设计。这进一步允许在第一匝内提供天线6的第二匝，或者如果需要使用除了电感器以外的其它天线设计，例如，偶极天线，而基本上不必使用更大的面积。
图6示出具有一些附加元件的天线6的电气图。这里示出了用作天线6的电感器，用于调谐目的的电容器61、以及电压感应器(voltageinducer)62、总和电阻63、和负载电阻器64。负载电阻器64可以是整流器电路，其将RF电压转换成DC电压并可包括集成电路的有源电路。总和电阻63是一系列辐射电阻Rrad和电阻损失Rohmic的和。该辐射电阻Rrad对于具有许多匝的电感器来说是很小的，例如，大约等于3.1×104(nS/λ2)2，其中S是天线的面积，λ是波长，n是匝数。因而，芯片上的1-或2-匝电感器的辐射电阻Rrad在2.4GHz的频率下小于0.1Ω。通过集成高-Q并联LC电路，在辐射电阻Rrad中感应的相对低电压乘以LC谐振回路的Q因数。Q因数在2.4GHz下大约为60。结果，电感器位于有源区的外部，在电绝缘材料的支撑衬底上。这个Q足够高以便在短距离例如1-2mm的范围内传输时在集成电路中实现几伏的电压水平和几mW的功率水平。外部RF源功率在2.4GHz下大约为0.5W。当谐振回路上的负载等于谐振回路的阻抗，例如大约等于Q2·总和电阻时，将取得最佳功率效率。
简而言之，提供具有集成电路和天线的柔性器件100，所述天线结合在集成电路的互连结构中或者直接耦合到互连结构上。电绝缘或电介质层作为天线和集成电路的支撑层而存在。优选地，在集成电路的有源区外部的非衬底区除去衬底。这种除去可以与单晶硅衬底的使用相结合。
权利要求
1.一种柔性半导体器件，包括在有源区中横向延伸的半导体衬底；设有多个半导体元件的集成电路，所述多个半导体元件限定在所述半导体衬底的表面上，所述半导体衬底以适当的厚度存在，以便是柔性的，并且所述半导体元件根据互连结构中的所希望的图案进行互连，电绝缘材料的支撑层，以及天线，其横向地限定在与所述支撑层相邻的导电层中的有源区外部，并且电连接到所述互连结构，所述半导体衬底不存在于所述天线和所述集成电路之间的非衬底区中，其特征在于至少一个导体从所述互连结构横向延伸到所述天线，以便构成电互连。
2.根据权利要求1所述的柔性半导体器件，其中所述集成电路没有任何键合焊盘结构。
3.根据权利要求1所述的柔性半导体器件，其中所述集成电路设有钝化层，所述互连结构夹在所述钝化层和半导体衬底之间，以及所述支撑层是所述集成电路的所述钝化层的一部分。
4.根据权利要求1所述的柔性半导体器件，其特征在于所述衬底的所述有源区是台面形状。
5.根据权利要求1或2所述的柔性半导体器件，其特征在于所述半导体衬底只位于所述有源区中。
6.根据权利要求1所述的柔性半导体器件，其特征在于所述天线是适合于无线通信的电感器。
7.根据权利要求6所述的柔性半导体器件，其中所述集成电路横向地位于所述电感器中。
8.根据权利要求7所述的柔性半导体器件，其中将所述集成电路细分成多个电路块，所述电路块互相隔开，但是通过互连结构互连在一起。
9.根据权利要求8所述的柔性半导体器件，其中该器件包括对应于电路块的有源区，并且非衬底区横向限定在所述有源区之间和在这些区域周围，所述半导体衬底不位于所述非衬底区中。
10.根据权利要求6所述的柔性半导体器件，其特征在于所述集成电路到所述天线的所述导电层上的垂直投影至少基本上与天线重叠。
11.一种安全纸，包括根据权利要求1至10中任一项所述的柔性半导体器件。
12.一种识别标签，包括载体和根据权利要求1至10中任一项所述的柔性半导体器件。
13.根据权利要求12所述的识别标签，还包括导电元件，以便提高无线能量传输。
14.根据权利要求12或13所述的识别标签，其中所述载体包括安全纸，该安全纸包封了所述柔性器件。
15.根据权利要求14所述的识别标签，其适合于钞票或安全纸。
16.一种识别文件，包括根据权利要求11所述的安全纸。
17.一种设备，包括根据权利要求1至10中任一项所述的柔性半导体器件或者根据权利要求12、13或14中所述的识别标签。
18.一种在读出器和至少一个根据权利要求1至10中任一项所述的柔性半导体器件之间进行通信的方法，包括以下步骤提供从所述读出器到所述柔性器件的所述天线的第一信号；使用第一信号中的能量和信息读出所述柔性器件的存储器的至少一部分，由此提供第二信号，以及将所述第二信号从所述柔性器件传输到所述读出器。
19.根据权利要求18所述的方法，其中所述第二信号由所述读出器进行比较，从而检查所述柔性器件是其一部分的所述标签、文件或设备的身份或核实其真实性。
20.一种制造柔性半导体器件的方法，包括以下步骤提供具有至少一个集成电路的主体，所述集成电路具有多个半导体元件，所述半导体元件限定在所述半导体衬底的表面上，并且所述半导体元件根据互连结构中的所希望的图案进行互连，该互连结构设有钝化层；将临时载体附着到所述主体的所述钝化层上；至少部分地除去所述半导体衬底；以及除去所述临时载体，以便获得所述柔性半导体器件，其特征在于-所述互连结构利用第一导体延伸到横向限定与所述集成电路分开的天线，该天线由钝化层覆盖；以及在所述天线和所述集成电路之间的非衬底区中完全除去所述衬底。
全文摘要
提供具有集成电路(5)和天线(6)的柔性器件(100)，所述天线(6)结合在集成电路(5)的互连结构中或者直接耦合到互连结构上。互连结构在有源区的外部延伸。电绝缘或电介质层(4)作为天线(6)和集成电路(5)的支撑层而存在。优选地，在集成电路(5)的有源区(10A)外部的非衬底区(10B)除去衬底(10)。这种除去可以与单晶硅衬底的使用相结合。该柔性器件非常适合于集成在识别标签和安全纸中，并且可以使用临时附着的载体衬底来制造。
文档编号H01L23/498GK1816817SQ200480018675
公开日2006年8月9日 申请日期2004年7月1日 优先权日2003年7月4日
发明者罗纳德·德克尔, 特奥多鲁斯·M·米西尔森, 安东·M·H·图姆博, 彼得·W·胡贾曼斯 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司
最新回复(0)