JP5494293B2 - ワイヤボンディング方法、半導体装置の製造方法 - Google Patents

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。

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。

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。

特開昭５９−１５０４３７号公報 特開平１１−０５４５４１号公報 特開平９−２３７５６６号公報 特開２００２−３７３９１０号公報 特開２００６−３２６６６号公報

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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を説明するための模式図である。 スリットを設けたワイヤボンディング用パッドを説明するための模式図である。 スリットを設けたワイヤボンディング用パッドを説明するための模式図である。 本発明において解決される課題である不具合の発生を説明するための図である。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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

Claims (5)

1. ＦＡＢ（Ｆｒｅｅ Ａｉｒ Ｂａｌｌ）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ワイヤボンディング方法。
2. 前記導電性材料は、前記ワイヤの材料の融点よりも１００℃以上低い融点を有することを特徴とする請求項１に記載のワイヤボンディング方法。
3. 前記導電性材料は、前記ワイヤの材料の融点よりも５００℃以上低い融点を有することを特徴とする請求項１に記載のワイヤボンディング方法。
4. 前記ワイヤの材料がＣｕであり、前記導電性材料がＡｕであることを特徴とする請求項１に記載のワイヤボンディング方法。
5. パッドを有する半導体装置を準備する工程と、
   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。

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