JP5494293B2 - Wire bonding method and semiconductor device manufacturing method - Google Patents
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Description
この発明は、ワイヤボンディング方法、半導体装置の製造方法に関する。 The present invention, a wire bonding method, a method of manufacturing a semi-conductor device.
従来、例えば、特開昭59−150437号公報に開示されているように、銅(Cu)ワイヤを用いてワイヤボンディングを行う技術が知られている。当該公報では、銅ワイヤの先端にボールを形成し、このボールを溶融した金に浸漬させている。Cuボールを金の溶融被膜により被覆させた状態で、ボールボンディングを行っている。 Conventionally, for example, as disclosed in JP-A-59-150437, a technique for performing wire bonding using a copper (Cu) wire is known. In this publication, a ball is formed at the tip of a copper wire, and the ball is immersed in molten gold. Ball bonding is performed in a state where a Cu ball is covered with a molten gold film.
また、例えば特開平11−054541号公報には、Cuワイヤ先端にAuボールを形成する手法が提案されている。当該公報に係る技術においては、具体的には、放電によって瞬間的に高温雰囲気を形成することにより、Cuワイヤ先端にAuのFAB(Free Air Ball)を生成することを図っている。 For example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-045441 proposes a method of forming an Au ball at the tip of a Cu wire. Specifically, in the technology according to the gazette, an Au FAB (Free Air Ball) is generated at the tip of the Cu wire by instantaneously forming a high temperature atmosphere by discharge.
図4は、本発明において解決される課題を説明するために示す、ワイヤボンディング構造の不具合発生の模式図である。図4において、符号101はワイヤ、符号102はチップの電極部(パッド)、符号103はクラック状の変形、符号109は半導体チップ、符号110は配線層、符号112は絶縁層を示している。ワイヤボンディングが行われる際には、パッド側に荷重が加わる。この荷重が過大なものである場合、パッド側の構造がクラック状の変形103のような深刻なダメージを受けてしまう。
FIG. 4 is a schematic view of the occurrence of a defect in the wire bonding structure shown to explain the problem to be solved in the present invention. In FIG. 4,
ワイヤボンディング時にチップ側(パッド側)へ加わる荷重の大きさは、FABの材料の硬度に左右される。ワイヤ先端に当該ワイヤ自身の材料からなるFABを設ける場合に、高硬度の材料からなるワイヤを用いると、ワイヤボンディング時にチップ側に付与されるダメージが大きくなり易い。ワイヤが高硬度であるほど、図4に示すクラック状の変形103のごとく、ワイヤボンディング時におけるチップへのダメージが深刻化するおそれがある。 The magnitude of the load applied to the chip side (pad side) during wire bonding depends on the hardness of the FAB material. When a FAB made of the material of the wire itself is provided at the wire tip, if a wire made of a material with high hardness is used, damage given to the chip side during wire bonding tends to increase. The higher the hardness of the wire, the more serious the damage to the chip during wire bonding, like the crack-like deformation 103 shown in FIG.
上記の点に鑑み、ワイヤボンディングの際にパッドと接続されるワイヤ先端に、ワイヤ材料と異なる材料で層(被膜)を形成する手法が考えられる。この層(被膜)の材料としては、種々の観点から、ワイヤの材料と異なる材料を適宜に選択することができる。ワイヤの先端の材料を選択的に低硬度にすることにより、ワイヤボンディング時のダメージを抑制することができる。 In view of the above points, a method of forming a layer (film) with a material different from the wire material at the wire tip connected to the pad at the time of wire bonding can be considered. As a material of this layer (film), a material different from the material of the wire can be appropriately selected from various viewpoints. By selectively reducing the material at the tip of the wire to a low hardness, damage during wire bonding can be suppressed.
上記のような手法に関し、特開昭59−150437号公報には、Cuで形成したFABを、Auの溶融皮膜により被覆する手法が提案されている。しかしながら、当該公報においては、FAB自体はCuで形成されたものであり、このCu製のFABの表面にAu皮膜を設けているにすぎない。このため、ワイヤボンディング時にチップ側が受ける力という面ではCu製のワイヤを用いる場合と大差なく、高硬度のCu製のFABがワイヤボンディング時のチップへのダメージを発生させるおそれがある。
また、特開平11−054541号公報には、Cuワイヤ先端にAuボールを形成する手法が提案されている。しかしながら、当該公報に係る技術においては、放電によって瞬間的に高温雰囲気を形成しているため、Auを溶融させてボールを形成する際にAu中にCuが拡散して合金化してしまう。Cuの拡散により合金化した材料の物性は、Auのみで形成した場合に期待される物性とは異なる。その結果、上記公報にかかる技術によっては、ワイヤ先端に被覆させた材料に本来期待されるボンディング性を享受することができない。
Regarding the above-described technique, Japanese Patent Application Laid-Open No. 59-150437 proposes a technique in which FAB formed of Cu is covered with a molten Au film. However, in this publication, the FAB itself is made of Cu, and only an Au film is provided on the surface of the Cu FAB. For this reason, in terms of the force that the chip side receives during wire bonding, there is a great difference between the case where a Cu wire is used and the high hardness Cu FAB may cause damage to the chip during wire bonding.
Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-045441 proposes a method of forming an Au ball at the tip of a Cu wire. However, in the technique according to the publication, since a high temperature atmosphere is instantaneously formed by electric discharge, when Au is melted to form a ball, Cu diffuses into Au and forms an alloy. The physical properties of the material alloyed by the diffusion of Cu are different from those expected when formed only by Au. As a result, depending on the technique disclosed in the above publication, it is not possible to enjoy the bonding properties originally expected for the material coated on the wire tip.
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、パッド側構造へのダメージ発生を抑制可能なワイヤボンディングを実施できるようにワイヤ自身の材料とは異なる材料をワイヤ先端に設けることのできるワイヤボンディング方法、半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above problems, and a material different from the material of the wire itself is provided at the wire tip so that wire bonding capable of suppressing the occurrence of damage to the pad side structure can be performed. An object of the present invention is to provide a wire bonding method and a method for manufacturing a semiconductor device.
第1の発明は、上記の目的を達成するため、ワイヤボンディング方法であって、
FAB未形成のワイヤの先端を前記ワイヤの材料よりも低融点かつ低硬度の導電性材料を溶融させた溶融体に浸漬することにより、前記ワイヤの前記先端に前記導電性材料のFABを形成する工程と、
前記ワイヤの前記先端に形成された前記FABを、半導体装置のパッドにボンディングする工程と、
を備えることを特徴とする。
In order to achieve the above object, a first invention is a wire bonding method,
The tip of the wire on which the FAB is not formed is immersed in a melt obtained by melting a conductive material having a lower melting point and lower hardness than the material of the wire, thereby forming the FAB of the conductive material at the tip of the wire. Process,
Bonding the FAB formed at the tip of the wire to a pad of a semiconductor device;
It is characterized by providing.
第2の発明は、上記の目的を達成するため、半導体装置の製造方法であって、
パッドを有する半導体装置を準備する工程と、
上記第1の発明にかかるワイヤボンディング方法で前記半導体装置の前記パッドにワイヤボンディングを実施する工程と、
を備えることを特徴とする。
In order to achieve the above object, a second invention is a method of manufacturing a semiconductor device,
Preparing a semiconductor device having a pad;
Performing wire bonding on the pad of the semiconductor device by the wire bonding method according to the first invention;
It is characterized by providing.
第1の発明によれば、ワイヤ自身の材料とワイヤ先端を被覆する導電性材料とが合金化するのを抑制しつつ、ワイヤ先端にワイヤ自身より低い硬度の材料でFABを形成することができる。 According to the first invention, it is possible to form the FAB with a material having a lower hardness than the wire itself at the wire tip while suppressing alloying of the material of the wire itself and the conductive material covering the wire tip. .
第2の発明によれば、第1の発明にかかるワイヤボンディング方法を用いて、ワイヤボンディング時にパッド側の構造へダメージが発生することを抑制することができる。 According to the second invention, by using the wire bonding method according to the first invention, it is possible to suppress the occurrence of damage to the structure on the pad side during wire bonding.
実施の形態1.
図1は、本発明の実施の形態1にかかるワイヤボンディング方法の工程を示す模式図である。図中の4はCuワイヤ、5は溶融したAu、6はキャピラリ、7は加熱るつぼ、8はFAB(Free Air Ball)である。なお、本実施形態においては、Auの融点は1064℃であり、Cuの融点は1084℃であるものとする。
Embodiment 1 FIG.
FIG. 1 is a schematic diagram showing the steps of the wire bonding method according to the first embodiment of the present invention. In the figure, 4 is a Cu wire, 5 is a molten Au, 6 is a capillary, 7 is a heating crucible, and 8 is a FAB (Free Air Ball). In this embodiment, the melting point of Au is 1064 ° C., and the melting point of Cu is 1084 ° C.
図1(a)のように、キャピラリ6先端から0.5mmだけCuワイヤ(直径25μm)を突出させ、1100℃に加熱された加熱るつぼの中の液体化したAuに、Cuワイヤの先端を50μmだけ、0.2s浸漬する。図1(b)のように、先端部に直径50μmのFAB8が形成され、これを用いて半導体装置(不図示)の電極パッド(不図示)へワイヤボンドを行う。
As shown in FIG. 1A, a Cu wire (diameter 25 μm) is projected by 0.5 mm from the tip of the
本実施形態においては、溶融したAuにCuワイヤ4先端を浸漬することにより、ワイヤ4先端にFAB8を形成することができる。このため、ワイヤ4は自身の融点を大きく超えて加熱されることなく、すなわち本実施形態においてはCuワイヤ4がCuの融点を大きく超えて加熱されることがない。 In the present embodiment, the FAB 8 can be formed at the tip of the wire 4 by immersing the tip of the Cu wire 4 in molten Au. For this reason, the wire 4 is not heated greatly exceeding its melting point, that is, in this embodiment, the Cu wire 4 is not heated greatly exceeding the melting point of Cu.
このため、FABを形成する材料がワイヤ4本体に拡散することを最小限に抑えることができる。その結果、FABを形成する金属の物性が変化して当該金属に期待されているボンディング性が確保できないという事態が生ずるのを抑制することができる。すなわち、本実施形態においてはAu中へのCuの拡散を最小限に抑えることが可能となり、Au中にCuが拡散して合金化し、物性が変化してAu本来のボンディング性が確保できないという事態を避けることができる。 For this reason, it can suppress to the minimum that the material which forms FAB diffuses in the wire 4 main body. As a result, it is possible to suppress the occurrence of a situation in which the physical properties of the metal forming the FAB change and the bonding properties expected for the metal cannot be ensured. That is, in this embodiment, it becomes possible to minimize the diffusion of Cu into Au, and Cu diffuses into Au and forms an alloy, so that the physical properties change and the original bonding property of Au cannot be secured. Can be avoided.
また、本実施形態によれば、1stボンドで用いられるFAB8がAuで形成されているため、Cuワイヤで問題視されるようなFABの偏芯の問題が抑制され、窒素などの不活性ガス雰囲気の設備も不要となる。 Further, according to the present embodiment, since the FAB 8 used in the first bond is formed of Au, the problem of eccentricity of the FAB, which is regarded as a problem with the Cu wire, is suppressed, and an inert gas atmosphere such as nitrogen This equipment is also unnecessary.
すなわち、ワイヤボンディグの際には一般的にAuワイヤが使用されているが、近年のAu価格の高騰により、コストの安いCuワイヤが注目されている。しかし、Auが非常に安定した金属であるのに対し、Cuは酸化しやすく、FABを形成する際には窒素などの不活性ガス雰囲気で最適なガス量に調整しなければFABが偏芯してしまう。 In other words, Au wire is generally used for wire bonding, but due to the recent rise in Au prices, low-cost Cu wire has attracted attention. However, while Au is a very stable metal, Cu is easy to oxidize. When forming FAB, the FAB will be eccentric unless it is adjusted to the optimum gas amount in an inert gas atmosphere such as nitrogen. End up.
パッドにクラック状の変形を発生させる要因の1つとしてFAB(Free Air Ball)の偏心の大きさもあり、過大な偏心を有するFABでワイヤボンディングが行われることは避けるべきである。FABの偏心の度合は、ワイヤの金属材料に影響を受ける。例えば、比較的酸化しやすい金属であるCuは、窒素などの不活性ガス雰囲気下で最適なガス量に調整したうえでFABを形成しなければ、FABが偏芯する問題が生じやすい。FABの偏心が過大である場合、図4に示すクラック状の変形103のごとく、ワイヤボンディング時におけるチップへのダメージが深刻化するおそれがある。 One of the factors that cause crack-like deformation in the pad is the size of FAB (Free Air Ball) eccentricity, and it should be avoided that wire bonding is performed with FAB having excessive eccentricity. The degree of FAB eccentricity is affected by the metal material of the wire. For example, Cu, which is a metal that is relatively easy to oxidize, tends to cause a problem that the FAB is eccentric unless the FAB is formed after adjusting the gas amount to an optimum amount in an inert gas atmosphere such as nitrogen. When the eccentricity of the FAB is excessive, damage to the chip during wire bonding may become serious, as in the crack-like deformation 103 shown in FIG.
この点、本実施形態によれば、Cuワイヤで問題視されるようなFABの偏芯の問題が抑制され、窒素などの不活性ガス雰囲気の設備も不要となる。 In this regard, according to the present embodiment, the problem of eccentricity of FAB, which is regarded as a problem with Cu wires, is suppressed, and the installation of an inert gas atmosphere such as nitrogen becomes unnecessary.
またAuとCuでは硬度が異なり、Cuの方が硬い金属であるため、ワイヤボンディング時のチップへのダメージが問題となる。この問題から、Si半導体と比べて脆い化合物半導体を用いた半導体装置のワイヤボンディング時には、Cuワイヤの適用が困難な状況にある。 Further, the hardness is different between Au and Cu, and Cu is a harder metal, so damage to the chip during wire bonding becomes a problem. Due to this problem, it is difficult to apply Cu wire at the time of wire bonding of a semiconductor device using a compound semiconductor that is brittle compared to Si semiconductor.
また、本実施形態によれば、ワイヤ4先端のFAB8のみを、部分的にAuで形成している。このため、FAB8がCuで形成されている場合と比べるとチップへのダメージの問題が小さく、しかもAuワイヤを使用する場合に比べてコストもほぼCuワイヤと同等に抑えることができる。
Further, according to the present embodiment, only the
この点、本実施形態によれば、チップ側(パッド側)のダメージを抑制しつつ低コストのCuワイヤを活用することができる。 In this regard, according to the present embodiment, it is possible to utilize a low-cost Cu wire while suppressing damage on the chip side (pad side).
なお、特開平11−054541号公報には、Cuワイヤ先端にAuボールを形成する手法が提案されているが、装置が極めて複雑で専用装置が必須である。さらに、当該公報に係る技術では、Au(融点1064℃)とCu(融点1084℃)は融点が20℃しか離れていない点が問題となる。つまり、当該公報に係る技術においては放電によって瞬間的に高温雰囲気を形成しているため、Auを溶融させてボールを形成する際にAu中にCuが拡散して合金化してしまう。放電の場合、瞬間的にワイヤの融点以上の温度に達するため、融点の差が20℃程度ではAuの溶融とともにCuも溶融してしまう。Cuの拡散により合金化した材料は、Auのみで形成した場合に期待される物性とは異なる物性を有する。結局、上記公報にかかる技術によっては、Au本来のボンディング性を享受することができない。 Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-045441 proposes a method of forming an Au ball at the tip of a Cu wire, but the apparatus is extremely complicated and a dedicated apparatus is essential. Furthermore, in the technique according to the publication, there is a problem that Au (melting point 1064 ° C.) and Cu (melting point 1084 ° C.) are separated from each other by only 20 ° C. That is, in the technique according to the publication, a high temperature atmosphere is instantaneously formed by electric discharge, so that when Au is melted to form a ball, Cu diffuses into Au and forms an alloy. In the case of discharge, since the temperature instantaneously reaches the melting point of the wire, if the difference between the melting points is about 20 ° C., Cu melts together with the melting of Au. A material alloyed by diffusion of Cu has physical properties different from those expected when formed only by Au. Eventually, depending on the technique according to the above publication, the original bonding property of Au cannot be enjoyed.
この点、前述した本実施形態にかかる製造方法を用いれば、上記の合金化を抑制することができる。すなわち、るつぼ内に溶融させられた状態のAuであればAuの融点以上の温度にはならず、るつぼにワイヤを浸漬することにより、従来の放電を用いた場合と比較してワイヤ中へのAuの拡散、物性変化を防ぐことが可能である。また、融点の差を100℃、500℃以上とすることで、るつぼの温度管理(るつぼの加熱装置のコントロール)が容易となる。 In this regard, the above-described alloying can be suppressed by using the manufacturing method according to the present embodiment described above. In other words, if the Au is melted in the crucible, the temperature does not exceed the melting point of Au, and the wire is immersed in the crucible as compared with the case of using the conventional discharge. It is possible to prevent Au diffusion and physical property changes. Moreover, the temperature control of the crucible (control of the crucible heating device) is facilitated by setting the difference between the melting points to 100 ° C. and 500 ° C. or more.
なお、実施の形態1では、Cuワイヤと液体化したAuを用いたが、本発明はこれに限られない。例えば、AuワイヤとAuSnはんだ(80wt%Au−20wt%Sn、融点280℃)の組合せのように、融点の差が大きい組合せを用いてもよい。 In the first embodiment, Cu wire and liquefied Au are used, but the present invention is not limited to this. For example, a combination having a large difference in melting point may be used, such as a combination of Au wire and AuSn solder (80 wt% Au-20 wt% Sn, melting point 280 ° C.).
ワイヤ材料よりも十分に低融点の金属でワイヤ4の先端を被覆することにより、ワイヤ材料の拡散をより一層抑制しつつワイヤ4の先端にワイヤ材料以外のFAB8を形成することができる。
By covering the tip of the wire 4 with a metal having a melting point sufficiently lower than that of the wire material, the
なお、ワイヤ4としては、Cuの他、例えば、融点の低い金属材料としてアルミニウム(Al、融点=660℃)、或いは銀(Ag、融点=960℃)などを用いても良い。 In addition to Cu, for example, aluminum (Al, melting point = 660 ° C.), silver (Ag, melting point = 960 ° C.), or the like may be used as the wire 4 as a metal material having a low melting point.
FAB8の材料として、SnやAlなどの純金属のほかに、AuSiやAuGeなどの合金はんだを用いても良い。
As a material for the
また、Au以外のFABの偏心を抑制可能な材料(ワイヤ材料に比して酸化し難い材料)で、FABを作製してもよい。 Moreover, you may produce FAB with the material (material which is hard to oxidize compared with wire material) which can suppress eccentricity of FAB other than Au.
また、浸漬するワイヤの長さの調節(例えばワイヤの長さを10μm単位で変更)や、浸漬する時間の調節(例えば浸漬時間を0.1秒ステップで変更)によって、FAB8の寸法を最適化することが可能である。 Also, by adjusting the length of the wire to be immersed (for example, changing the length of the wire in units of 10 μm) and adjusting the time for immersion (for example, changing the immersion time in 0.1 second steps), the dimensions of the FAB8 are optimized. Is possible.
また、ワイヤボンドを行うパッド表面に、AuSnはんだなど低融点で且つ柔らかい導電性材料や金属を供給してもよい。 Alternatively, a soft conductive material or metal having a low melting point such as AuSn solder may be supplied to the pad surface where wire bonding is performed.
図2は、スリットを設けたワイヤボンディング構造を説明するための模式図である。図中の各符号は、9が半導体チップを、10が配線層を、11がAuで形成したパッドを、12が絶縁層を、13がフォトリソグラフィマスクを、14、15がスリットをそれぞれ指している。スリット14、15は、図2の紙面奥行方向に並列に延びている。
FIG. 2 is a schematic diagram for explaining a wire bonding structure provided with slits . In the figures, 9 indicates a semiconductor chip, 10 indicates a wiring layer, 11 indicates a pad formed of Au, 12 indicates an insulating layer, 13 indicates a photolithography mask, and 14 and 15 indicate slits. Yes. The
図2(a)のように、フォトリソグラフィマスク13によって開口部を形成し、Au蒸着によってパッドを形成する。その後、図2(b)のように、パッド11の下のフォトリソグラフィレジストと絶縁層12を除去することによって、ワイヤボンディング時の超音波印加方向に直交したスリットを形成する。スリットが形成されたパッド11に対し、ワイヤボンディングを実施する。ワイヤボンディングの際には超音波を印加するものとし、超音波印加方向はスリット14、15と直交する方向(図2の紙面左右方向)とする。
As shown in FIG. 2A, an opening is formed by the
パッド11が縞状のスリットを有する構成とされることにより(或いは、複数の線状の金属パターンが縞状に並んでパッド11を構成することにより)、ワイヤボンディング時にそのスリットと交差する方向への超音波印加を実施したときに、パッド11が超音波印加方向に変形しやすくなる。また、接触する表面積を広くし、接合性を向上させることも可能である。
When the
化合物半導体などの半導体装置ではパッドにAuが使用される場合が多いが、近年のAu価格の高騰により、コストダウンを目的にAuパッド膜厚を少しでも薄くしたいという要望がある。しかし、膜厚の薄いパッドに十分な接合性を得るために、荷重や超音波などの際の接合性向上に寄与するパラメータを大きくしてワイヤボンディングを行うと、パッドの剥離を招いたりパッド下の構成(電極やチップ)にダメージを与えたりするおそれがある。本構成によれば、ワイヤボンディング時に荷重、超音波印加をパッド11自身の変形によって緩和できるので、こういった問題を解決することができる。
In a semiconductor device such as a compound semiconductor, Au is often used for the pad. However, due to the recent increase in the price of Au, there is a demand for reducing the thickness of the Au pad as much as possible for the purpose of cost reduction. However, in order to obtain sufficient bondability to thin pads, wire bonding with increased parameters that contribute to improved bondability during loads, ultrasonic waves, etc. may lead to pad peeling or There is a risk of damaging the structure (electrode or chip). According to this configuration, the load and the application of ultrasonic waves can be alleviated by deformation of the
なお、図3に示すように、スリット14内部に絶縁層12を残してもよい。これにより、耐候性に優れたチップを作製することが可能となる。
As shown in FIG. 3, the insulating
なお、絶縁層12としてはBCB(ベンゾシクロブテン)を用いたが、本発明はこれに限られるものではない。チップ9のコーティング膜として適切な他の材料を用いてもよい。
Although BCB (benzocyclobutene) is used as the insulating
なお、パッド11の製造方法として蒸着を用いたが、本発明はこれに限られるものではない。めっきやスパッタなど他の製膜方法を採用してもよい。
In addition, although vapor deposition was used as a manufacturing method of the
なお、上記のようにスリット14、15の両方を設ける構成に本発明が限定されるものではない。スリット14、15のいずれか一方のみを設けても良い。
In addition, this invention is not limited to the structure which provides both the
4 ワイヤ
5 溶融したAu
6 キャピラリ
7 加熱るつぼ
8 FAB(Free Air Ball)
9 半導体チップ
10 配線層
11 パッド
12 絶縁層
13 フォトリソグラフィマスク
14、15 スリット
101 ワイヤ
102 チップの電極部(パッド)
103 クラック状の変形
109 半導体チップ
110 配線層
112 絶縁層
4 wires
5 Molten Au
6 Capillary
7 Heating crucible
8 FAB (Free Air Ball)
13 Photolithographic masks 14 and 15
102 Electrode part (pad) of chip
103 Crack-
Claims (5)
前記ワイヤの前記先端に形成された前記FABを、半導体装置のパッドにボンディングする工程と、
を備えることを特徴とするワイヤボンディング方法。 By immersing the tip of an unformed FAB (Free Air Ball) wire in a melt in which a conductive material having a lower melting point and lower hardness than the material of the wire is melted, the conductive material is placed on the tip of the wire. Forming a FAB of
Bonding the FAB formed at the tip of the wire to a pad of a semiconductor device;
A wire bonding method comprising:
請求項1乃至4のいずれか1項にかかるワイヤボンディング方法で前記半導体装置の前記パッドにワイヤボンディングを実施する工程と、
を備えることを特徴とする半導体装置の製造方法。 Preparing a semiconductor device having a pad;
A step of performing wire bonding on the pad of the semiconductor device by the wire bonding method according to claim 1;
The method of manufacturing a semiconductor device, characterized in that it comprises a.
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