JP4666592B2 - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、半導体装置及びその製造方法に関し、特に詳しくは複数の半導体チップを有する半導体装置及びその製造方法に関する。

近年、電子機器の小型化に伴い、半導体チップの高密度化や高集積化が要求されており、１つのパッケージ内に複数の半導体チップを有するマルチチップモジュールが開発されている（例えば、特許文献１〜３参照。）。

一般的に、マルチチップモジュールは、リードフレーム上に、トランジスタや抵抗などの素子を任意に接続して回路構成した複数の半導体チップを有している。図５は、２個の半導体チップ１２を同一リードフレーム１１上に実装した従来のマルチチップモジュール１０の構成を示す模式図である。図５に示すように、リードフレーム１１のアイランド上には、半導体チップ１２がダイマウント材１３を介してフェースアップ接続される。それぞれの半導体チップ１２の上面には、回路配線１４及びボンディングパッド１５が形成されている。対応するボンディングパッド１５間は、ボンディングワイヤ１６を用いて接続される。
特開２００３−２７３３１４号公報 特開２０００−６８３１６号公報 特開２０００−１１４４５２号公報

ところで、上述したマルチチップモジュール１０において、ボンディングワイヤ１６で半導体チップ１２間をボンディングする際に用いるボンディングパッド１５は、ボンディング時の半導体チップへのダメージを低減するため、その厚さが半導体チップへのダメージを低減するのに必要な厚さとなるように形成されている。

近年の半導体チップの高集積化に伴い回路配線１４のピッチを狭くする必要があり、寸法精度よく加工するために回路配線１４の厚さを薄くする必要がある。しかしながら、回路配線１４とボンディングパッド１５とは同時に形成されるため、ボンディングパッド１５の厚さを厚くすると、回路配線１４の厚さも厚くなる。このため、回路配線１４のピッチを狭くすることが困難となり、半導体チップ１２の小型化が難しいという問題があった。また、回路配線１４部分の厚さのみを薄くする場合には、ボンディングパッド１５の厚さを厚くするための工程が別に必要となるため、コストが高くなるという問題がある。

本発明にかかる半導体装置は、複数の半導体チップを備える半導体装置であって、第１のボンディングパッドを備える第１の半導体チップと、前記第１のボンディングパッドよりも薄い第２のボンディングパッドを備える第２の半導体チップと、前記第１のボンディングパッドと、前記第２のボンディングパッドのそれぞれに接合されたボンディングワイヤとを備え、前記第１のボンディングパッドが前記ボンディングワイヤの第１ボンド側端部と接合され、前記第２のボンディングパッドが前記ボンディングワイヤの第２ボンド側端部と接合されたものである。これによって、ボンディングパッドの厚さを厚くする工程を追加せずに回路配線の厚さを薄くすることができ、狭いピッチの回路配線を寸法精度よく形成することができる。

本発明によれば、集積度の高い半導体装置及びその製造方法を提供することが可能である。

実施の形態１．
本発明の実施の形態１にかかる半導体装置について、図１を参照して説明する。図１は、本実施の形態にかかる半導体装置であるマルチチップモジュール１００の構成を示す模式的概略図である。図１に示すように、マルチチップモジュール１００は、リードフレーム１０１、第１の半導体チップ１０２ａ、第２の半導体チップ１０２ｂ、ダイマウント材１０３を備えている。ここでは、第１の半導体チップ１０２ａ及び第２の半導体チップ１０２ｂの２個の半導体チップを同一のリードフレーム１０１上に実装した場合について説明する。本実施の形態において注目すべき点は、第１の半導体チップ１０２ａと第２の半導体チップ１０２ｂとを接続する際に用いられるボンディングパッド１０５である。

リードフレーム１０１は、第１の半導体チップ１０２ａ及び第２の半導体チップ１０２ｂを支持する基板となる。リードフレーム１０１上には、第１の半導体チップ１０２ａ及び第２の半導体チップ１０２ｂを接続するためのアイランドが形成されている。第１の半導体チップ１０２ａ及び第２の半導体チップ１０２ｂは、それぞれに対応するアイランド上にダイマウント材１０３を介してフェースアップ接続される。

第１の半導体チップ１０２ａ及び第２の半導体チップ１０２ｂは、前工程においてトランジスタや抵抗などの素子を任意に接続して回路構成されている。また、第１の半導体チップ１０２ａの上面には、回路配線１０４及び第１のボンディングパッド１０５ａが設けられている。一方、第２の半導体チップ１０２ｂの上面には、回路配線１０４及び第２のボンディングパッド１０５ｂが設けられている。回路配線１０４及びボンディングパッド１０５は、一般的に、リソグラフィーやパターニングなどの同一プロセスで同時に形成される。ボンディングパッド１０５の材料としては、Ａｌ、ＡｌＳｉ、ＡｌＳｉＣｕ、Ｃｕなどの導電性材料を用いることができる。ボンディングパッド１０５については、後に詳述する。

また、第１のボンディングパッド１０５ａと第２のボンディングパッド１０５ｂとは、ボンディングワイヤ１０６によって電気的に接続されている。ボンディングワイヤ１０６の材料としては、Ａｌ、ＡｌＳｉ、ＡｌＮｉ、ＡｌＳｉＮｉなどのＡｌを含む金属を用いることができる。また、ボンディングパッド１０５とボンディングワイヤ１０６との接合は、従来広く知られているウエッジボンディングを用いて行うことができる。ウエッジボンディングとは、ウエッジを用いて行うワイヤボンディングであり、超音波振動するウエッジ先端で、ボンディングワイヤ１０６をボンディングパッド１０５に押し付け超音波振動と荷重により常温で接合を行うものである。また、ボンディングワイヤ１０６としてＡｕ線を用い、低温加熱によりウエッジボンディングすることも可能である。

ここで、図２を参照して本実施の形態にかかる半導体装置の製造方法について説明する。ボンディングパッド１０５とボンディングワイヤ１０６との接合方法としては、上述したウエッジボンディング法を用いる。なお、説明の簡略化のために、回路配線１０４などの図示を省略している。

まず、図２（ａ）に示すように、ボンディングワイヤ１０６をウエッジ１０７の先端に図示しないワイヤスプールから供給しておく。そして、ウエッジ１０７を下降させ、第１のボンディングパッド１０５ａ上にボンディングワイヤ１０６を接触させる。その後、ウエッジ１０７を下降させ、ボンディングワイヤ１０６を第１のボンディングパッド１０５ａに押し付ける。

そして、上述のようにボンディングワイヤ１０６を第１のボンディングパッド１０５ａに押し付けた状態で、ウエッジ１０７から超音波振動を与えることにより、第１のボンディングパッド１０５ａとボンディングワイヤ１０６との接合を行う。第１のボンディングパッド１０５ａとボンディングワイヤ１０６の接合部を第１ボンドとする。第１ボンドにおいては、ボンディングワイヤ１０６の先端まで第１のボンディングパッド１０５ａとの接合に用いられるのではなく、ボンディングワイヤ１０６の先端が残った状態となっている。

次に、図２（ｃ）に示すようにボンディングワイヤ１０６が第１のボンディングパッド１０５ａにつながったままの状態でウエッジ１０７を上昇させ、第２のボンディングパッド１０５ｂの真上の位置に移動する。そして、図２（ｄ）に示すように、再びウエッジ１０７を下降させ、ボンディングワイヤ１０６をボンディングパッド１０５ｂに押し付ける。このように、ボンディングワイヤ１０６を押し付けた状態でウエッジ１０７から超音波振動を与え、第２のボンディングパッド１０５ｂとの接合を行う。第２のボンディングパッド１０５ｂとボンディングワイヤ１０６との接合部を第２ボンドとする。このようにして、第１のボンディングパッド１０５ａと第２のボンディングパッド１０５ｂとをつなぐボンディングワイヤ１０６のループを形成する。この第１のボンディングパッド１０５ａと第２のボンディングパッド１０５ｂとをつなぐボンディングワイヤ１０６のループの第１ボンド側を第１ボンド側端部とし、第２ボンド側を第２ボンド側端部とする。

その後、ボンディングワイヤ１０６を引きちぎるように力を加えて、切断する。したがって、第２ボンドにおいては、ボンディングワイヤ１０６を引きちぎった跡が残ることとなる。このように、第１ボンドと第２ボンドとは、異なった形状となる。このため、第１ボンド側であるか、第２ボンド側であるかはボンディングワイヤ１０６の形状などにより顕微鏡下において、容易に目視により確認が可能である。すべてのボンディングが終了した後、樹脂を用いてリードフレーム１０１、半導体チップ１０２、ボンディングワイヤ１０６などの全体を封止してマルチチップモジュール１００が完成する。

ここで、本実施の形態のボンディングパッド１０５について説明する。ボンディングパッド１０５は、上述したように第１の半導体チップ１０２ａと第２の半導体チップ１０２ｂとの２つの半導体チップの間を、ボンディングワイヤ１０６によって電気的に接続する際に用いられる。

図３（ａ）に示すように、最初にボンディングワイヤ１０６との接合を行う第１のボンディングパッド１０５ａにおいては、先端が切れた状態のボンディングワイヤ１０６が、ウエッジ１０７から所定の長さ延出した状態で、斜めに第１のボンディングパッド１０５ａに接触する。ボンディングワイヤ１０６は、その先端にボールは形成されておらず、先端まで実質同一径となっている。通常、第１のボンディングパッド１０５ａとボンディングワイヤ１０６とのなす角度が４５°となる。その後、ウエッジ１０７が下降し、ボンディングワイヤ１０６の延出部分は、第１のボンディングパッド１０５ａに押し付けられる。ウエッジ１０７が下降して第１のボンディングパッド１０５ａに接触するまでのボンディングワイヤ１０６の押し付けによって、第１のボンディングパッド１０５ａは大きなダメージを受ける。この際に、ボンディングパッド１０５ａの厚さが十分でない場合には、半導体チップ１０２ａがダメージを受ける可能性がある。

一方、第２のボンディングパッド１０５ｂは、第１のボンディングパッド１０５ａとボンディングワイヤ１０６とが接合された後に、ボンディングワイヤ１０６と接合される。したがって、ボンディングワイヤ１０６の中間部分が、第２のボンディングパッド１０５ｂと接触する。ボンディングワイヤ１０６は、第１のボンディングパッド１０５ａと第２のボンディングパッド１０５ｂとの間にループを形成しているため、上方向に引っ張られる。このため、図３（ｂ）に示すように、ボンディングワイヤ１０６は、第２のボンディングパッド１０５ｂと接触するときには、ウエッジ１０７の形状に沿って折れ曲がり、第２のボンディングパッド１０５ｂと略平行となる。したがって、ウエッジ１０７が下降し、第２のボンディングパッド１０５ｂにボンディングワイヤ１０６が押し付けられるときに発生するダメージは、第１のボンディングパッド１０５ａよりも小さい。

また、ボンディングを行う際に超音波によって与えられる振動エネルギーは、その全てがボンディングパッド１０５とボンディングワイヤ１０６との接合のみに使われるのではなく、ボンディングワイヤ１０６からロスしてしまう分を含んでいる。最初に第１のボンディングパッド１０５ａとボンディングワイヤ１０６との接合を行うときには、ボンディングワイヤ１０６の先端は切れた状態となっている。したがって、このときのボンディングを行う際に生じる振動エネルギーのロスは、ボンディングワイヤ１０６の供給側の片側からのみ発生する。

一方、第２のボンディングパッド１０５ｂとボンディングワイヤ１０６との接合は、第１のボンディングパッド１０５ａを接合した後に行う。このとき、ボンディングワイヤ１０６は、第１のボンディングパッド１０５ａにつながった状態となっている。この状態でボンディングを行う際に生じる振動エネルギーのロスは、ボンディングワイヤ１０６の供給側及び第１ボンド側の両側から発生する。したがって、第２のボンディングパッド１０５ｂとボンディングワイヤ１０６との接合に用いられる振動エネルギーは、第１のボンディングパッドの接合に用いられるときよりも小さくなる。このため、先に接合される第１のボンディングパッド１０５ａに発生するダメージよりも、後に接合される第２のボンディングパッド１０５ｂに発生するほうが小さくなる。

したがって、第１のボンディングパッド１０５ａとボンディングワイヤ１０６とを接合した後に、第２のボンディングパッド１０５ｂとボンディングワイヤ１０６とを接合することで、第２のボンディングパッド１０５ｂの厚さを第１のボンディングパッド１０５ａよりも薄くすることができる。

上記のような理由により、先に接合する第１のボンディングパッド１０５ａよりも第２のボンディングパッド１０５ｂの厚さを薄くしても、第２の半導体チップ１０２ｂの内部回路はボンディングワイヤ１０６との接合により深刻なダメージを受けない。上述したように、第１のボンディングパッド１０５ａ、第２のボンディングパッド１０５ｂが、それぞれ第１ボンド側であるか、第２ボンド側であるかは、ボンディングワイヤ１０６残りの形状などにより顕微鏡下において、容易に目視により確認が可能である。

このように、厚さの厚い第１のボンディングパッド１０５ａへのボンディングワイヤ１０６の接合を行い、その後、厚さの薄い第２のボンディングパッド１０５ｂの接合を行う。すなわち、第１のボンディングパッド１０５ａよりも薄い第２のボンディングパッド１０５ｂに、第１のボンディングパッド１０５ａと接合されたボンディングワイヤ１０６が接合されるような構成とする。このような構成とすることによって、第２のボンディングパッド１０５ｂの厚さが薄くても、半導体チップ１０２にダメージを与えることなく良好な接合を行うことができる。

また、ボンディングパッド１０５は、一般的に、回路配線１０４と同一プロセスで同時に形成される。このため第２の半導体チップ１０２ｂにおいては、ボンディングパッド１０５ｂと同時に形成される回路配線１０４の厚さを薄くすることができる。これにより、ピッチの狭い回路配線１０４を寸法制度よく形成することが可能となり、第２の半導体チップ１０２ｂの集積度を向上させることができる。また、第２の半導体チップ１０２ｂのサイズを小さくすることが可能であるため、マルチチップモジュール１００全体のサイズを小さくすることができる。

また、第２の半導体チップ１０２ｂにおいては、第２のボンディングパッド１０５ｂを厚くする必要がない。したがって、回路配線１０４と別に第２のボンディングパッド１０５ｂを形成する工程が必要ない。これによって、製造工程の増加を抑制することができ、製造コストを抑制することができる。

出力チップは、電力の出力を行うものであり、大電流のパワーＭＯＳなどを備える。大電流に対応するために回路配線の厚さを厚くすることが要求される。また、制御回路チップは、論理回路が形成されているＬＳＩである。制御回路チップは、集積度を向上させるため、回路配線を薄くすることが要求されている。したがって、例えば、ボンディングパッドの厚さが厚い第１の半導体チップ１０２ａを回路配線１０４の厚さが必要な出力チップとし、ボンディングパッド１０５の厚さが薄い第２の半導体チップ１０２ｂを回路配線１０４の厚さを薄くし、高集積度の制御回路チップとすることができる。

実施の形態２．
図４を参照して、本発明の実施の形態２にかかる半導体装置について説明する。図４は、本実施の形態にかかる半導体装置であるマルチチップモジュール１００の構成を示す模式図である。本実施の形態において、実施の形態１と異なる点は、第２の半導体チップ１０２ｂがリードフレーム１０１上に接続された第１の半導体チップ１０２ａの上に搭載されている点である。図４において、図１と同じ構成要素には同じ符号を付し、説明を省略する。

本実施の形態にかかるマルチチップモジュール１００においては、リードフレーム１０１上には、第１の半導体チップ１０２ａを接続するためのアイランドが形成されている。第１の半導体チップ１０２ａは、当該アイランド上にダイマウント材１０３を介してフェースアップ接続される。

第１の半導体チップ１０２ａの上面には、前工程において形成された回路配線１０４及び第１のボンディングパッド１０５ａが設けられている。また、第１の半導体チップ１０２ａの上面には、第２の半導体チップ１０２ｂを接続するためのアイランド１０８が設けられている。

第１の半導体チップ１０２ａのアイランド１０８上には、第２半導体チップ１０２ｂがダイマウント材１０３を介してフェースアップ接続されている。第２の半導体チップ１０２ｂは、第１の半導体チップ１０２ｂに形成されたボンディングパッド１０５ａを覆わないようなチップサイズである。第２の半導体チップ１０２ｂ上面には、回路配線１０４及び第２のボンディングパッド１０５ｂが設けられている。また、第２のボンディングパッド１０５ｂは、第１のボンディングパッド１０５ａよりも薄く形成される。

第１のボンディングパッド１０５ａと第２のボンディングパッド１０５ｂとはボンディングワイヤ１０６によって電気的に接続されている。上述したように、厚さが厚い第１のボンディングパッド１０５ａとボンディングワイヤ１０６との接合を行った後に、第２のボンディングパッド１０５ｂとの接合を行うことによって、半導体チップ１０２にダメージを与えることがない。

これよって、第２の半導体チップ１０２ｂの回路配線１０４を薄くすることができ、第２の半導体チップ１０２ｂの集積度を向上させることが可能である。したがって、例えば、第１の半導体チップ１０２ａを大電流に対応するために回路配線の厚さを厚くすることが要求される出力チップとすることができる。また、第２の半導体チップ１０２ｂを、集積度を向上させるため、回路配線を薄くすることが要求される制御回路チップとすることができる。これによって、製造コストを低減させ、マルチチップモジュール１００を高集積化することが可能である。

このように、本発明は３次元に半導体チップ１０２をスタックする方式のマルチチップモジュールにも応用することが可能である。

なお、本実施の形態においては、第１の半導体チップ１０２ａの上に実装される第２の半導体チップ１０２ｂの第２のボンディングパッド１０５ｂを第１のボンディングパッド１０５ａよりも膜厚を厚くする場合について説明したが、これに限定されない。接合の順序を変えることにより、第２の半導体チップ１０２ｂの下に実装される第１の半導体チップ１０２ａの第１のボンディングパッド１０５ａを第２のボンディングパッド１０５ｂよりも薄くすることも可能である。すなわち、３次元にスタックする方式のマルチチップモジュールにおいて、上側に搭載される半導体チップ又は下側に搭載される半導体チップのどちらであっても、第２ボンド側のボンディングパッドを薄くすることができる。

また、本発明は当然、アイランドが複数に分割されたパッケージについても適用することが可能である。

以上のように、マルチチップモジュール１００のボンディングワイヤ１０６による半導体チップ１０２間のボンディングに関して、ボンディングの順序を考慮することによって、一方の半導体チップ１０２のボンディングパッド１０５を低コストで薄化可能とすることができる。このため、半導体チップ１０２の回路配線１０４のピッチを狭くすることができ、半導体チップ１０２の小型化が容易に実現できる。これによって、半導体装置の高集積化・小型化に寄与できる。

実施の形態１にかかる半導体装置の構成を示す模式図である。 実施の形態１にかかる半導体装置の製造方法を説明するための図である。 ボンディングパッドとボンディングワイヤとの接触状態を説明するための図である。 実施の形態２にかかる半導体装置の構成を示す模式図である。 従来の半導体装置の構成を示す模式図である。

符号の説明

１００ 半導体装置
１０１ リードフレーム
１０２ａ 第１の半導体チップ
１０２ｂ 第２の半導体チップ
１０３ ダイマウント材
１０４ 回路配線
１０５ａ 第１のボンディングパッド
１０５ｂ 第２のボンディングパッド
１０６ ボンディングワイヤ
１０７ ウエッジ
１０８ アイランド

Claims (4)

1. 複数の半導体チップを備える半導体装置の製造方法であって、
   第１のボンディングパッドを備える第１の半導体チップを配置し、
   第１のボンディングパッドよりも薄い第２のボンディングパッドを備える第２の半導体チップを配置し、
   ウエッジボンディングにより、前記第１のボンディングパッドとボンディングワイヤの一端とを接合した後に、前記第２のボンディングパッドと前記ボンディングワイヤの他端とを接合する半導体装置の製造方法。
2. 前記ボンディングワイヤは、Ａｌを含む金属である請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
3. 前記第１の半導体チップは出力チップであり、前記第２の半導体チップは制御回路チップである請求項１又は２に記載の半導体装置の製造方法。
4. 前記第２のボンディングパッドと前記ボンディングワイヤとの接合における前記第２のボンディングパッドへの外力が、前記第１のボンディングパッドと前記ボンディングワイヤとの接合における前記第１のボンディングパッドへの外力より小さい請求項１〜３のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。

Images