JP2003258022A - 半導体装置およびその製造方法 - Google Patents
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- H01L2224/44—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors prior to the connecting process
- H01L2224/45—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors prior to the connecting process of an individual wire connector
- H01L2224/45001—Core members of the connector
- H01L2224/45099—Material
- H01L2224/451—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron (B), silicon (Si), germanium (Ge), arsenic (As), antimony (Sb), tellurium (Te) and polonium (Po), and alloys thereof
- H01L2224/45138—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron (B), silicon (Si), germanium (Ge), arsenic (As), antimony (Sb), tellurium (Te) and polonium (Po), and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than or equal to 950°C and less than 1550°C
- H01L2224/45144—Gold (Au) as principal constituent
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- H01L2224/48151—Connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive
- H01L2224/48221—Connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked
- H01L2224/48225—Connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked the item being non-metallic, e.g. insulating substrate with or without metallisation
- H01L2224/48227—Connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked the item being non-metallic, e.g. insulating substrate with or without metallisation connecting the wire to a bond pad of the item
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- H01L2224/48—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process of an individual wire connector
- H01L2224/484—Connecting portions
- H01L2224/4845—Details of ball bonds
- H01L2224/48451—Shape
- H01L2224/48453—Shape of the interface with the bonding area
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- H01L2224/484—Connecting portions
- H01L2224/48463—Connecting portions the connecting portion on the bonding area of the semiconductor or solid-state body being a ball bond
- H01L2224/48465—Connecting portions the connecting portion on the bonding area of the semiconductor or solid-state body being a ball bond the other connecting portion not on the bonding area being a wedge bond, i.e. ball-to-wedge, regular stitch
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- H01L2224/47—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process
- H01L2224/48—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process of an individual wire connector
- H01L2224/485—Material
- H01L2224/48505—Material at the bonding interface
- H01L2224/48599—Principal constituent of the connecting portion of the wire connector being Gold (Au)
- H01L2224/486—Principal constituent of the connecting portion of the wire connector being Gold (Au) with a principal constituent of the bonding area being a metal or a metalloid, e.g. boron (B), silicon (Si), germanium (Ge), arsenic (As), antimony (Sb), tellurium (Te) and polonium (Po), and alloys thereof
- H01L2224/48617—Principal constituent of the connecting portion of the wire connector being Gold (Au) with a principal constituent of the bonding area being a metal or a metalloid, e.g. boron (B), silicon (Si), germanium (Ge), arsenic (As), antimony (Sb), tellurium (Te) and polonium (Po), and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than or equal to 400°C and less than 950 °C
- H01L2224/48624—Aluminium (Al) as principal constituent
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- H01L2224/49—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process of a plurality of wire connectors
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- H01L2224/783—Means for applying energy, e.g. heating means by means of pressure
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- H01L2224/85009—Pre-treatment of the connector or the bonding area
- H01L2224/8503—Reshaping, e.g. forming the ball or the wedge of the wire connector
- H01L2224/85035—Reshaping, e.g. forming the ball or the wedge of the wire connector by heating means, e.g. "free-air-ball"
- H01L2224/85045—Reshaping, e.g. forming the ball or the wedge of the wire connector by heating means, e.g. "free-air-ball" using a corona discharge, e.g. electronic flame off [EFO]
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- H01L2224/85148—Aligning involving movement of a part of the bonding apparatus
- H01L2224/85169—Aligning involving movement of a part of the bonding apparatus being the upper part of the bonding apparatus, i.e. bonding head, e.g. capillary or wedge
- H01L2224/8518—Translational movements
- H01L2224/85181—Translational movements connecting first on the semiconductor or solid-state body, i.e. on-chip, regular stitch
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- H01L23/522—Arrangements for conducting electric current within the device in operation from one component to another, i.e. interconnections, e.g. wires, lead frames including external interconnections consisting of a multilayer structure of conductive and insulating layers inseparably formed on the semiconductor body
- H01L23/532—Arrangements for conducting electric current within the device in operation from one component to another, i.e. interconnections, e.g. wires, lead frames including external interconnections consisting of a multilayer structure of conductive and insulating layers inseparably formed on the semiconductor body characterised by the materials
- H01L23/53204—Conductive materials
- H01L23/53209—Conductive materials based on metals, e.g. alloys, metal silicides
- H01L23/53214—Conductive materials based on metals, e.g. alloys, metal silicides the principal metal being aluminium
- H01L23/53223—Additional layers associated with aluminium layers, e.g. adhesion, barrier, cladding layers
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- H01L2924/04941—TiN
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- H01L2924/0496—6th Group
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- H01L2924/0504—14th Group
- H01L2924/05042—Si3N4
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Abstract
ワイヤのボール部との接着性を向上させ、半導体装置の
信頼性を向上させる。 【解決手段】 半導体基板上の、TiN膜、Al膜M3
bおよびTiN膜からなる第3層配線上であって、Al
膜M3bが露出したボンディングパッド部BP上に、ボ
ンディングワイヤのボール部Bを接着させる際、Al膜
M3bと金ボール部Bとの接続領域dと、Al膜M3b
と金ボール部Bとの間に形成されるAl−Au合金層5
0の形成領域の径gとの関係を、g≧0.8dとし、接
触領域の径dと金ボール部Bの最大外周径Dとの関係
を、d≧0.8Dとする。その結果、Al膜M3b(第
3層配線)が薄膜であっても、金ボール部Bとの接着性
を確保することができ、また、ショートマージンを確保
することができる。
Description
その製造技術に関し、特に、半導体チップ(ペレット)
と外部接続端子とを接続するワイヤを有する半導体装置
およびその製造方法に適用して有効な技術に関する。
能させるためには、電気信号の入出力を外部へ取り出す
必要がある。そのため、ICチップのボンディングパッ
ド部とリードフレーム等の外部引き出し用端子とを金線
(ボンディングワイヤ)で接続し、その後、ICチップ
や金線等を樹脂で封止するという実装方法がある。
は、半導体ペレットと、リードフレームとをコネクタ用
ワイヤにより接続し樹脂封止される半導体装置の、ワイ
ヤ先端のボール部の厚み(t)とボンディング幅(S)
との比(t/S)が0.2以下となるような構造とする
ことにより、ボンディングパッド部の下部に生じるクラ
ック(14)を防止する技術が開示されている。
装置の研究・開発に従事しており、前述の金線や樹脂を
用いた半導体装置の実装方法を採用している。
線)の露出部であるボンディングパッド部上に、金線の
一端を溶融させ圧着(第1ボンド)することにより、I
Cチップと金線とを接続し、金線の他端を配線基板上の
外部接続用端子上に同様に熱圧着(第2ボンド)する。
さらに、ICチップや金線等を樹脂等で封止することに
よりパッケージを完成させる。
ングパッド部にアルミニウムと金との合金が形成される
ことによりAl膜(配線)と金線の先端(ボール部)と
が接続される。
ircuit)の多機能化に伴い、ピン数(外部接続用端子
数)は増加し、さらに、LSIの高集積化に伴い、ピン
(外部接続用端子)のピッチは益々狭くなる傾向にあ
る。また、LSIの微細化に伴い、配線が薄膜化する傾
向にある。
置について、前述のボンディング方法を適用した結果、
半導体装置の耐久性を評価(試験)するための温度サイ
クル試験後に、断線不良が多発した。
らが鋭意検討した結果、アルミニウムと金との合金層内
での破壊現象(クラック、亀裂)が原因であることが判
明した。なお、前述の特開平1−215030号公報に
示すように、かかる部位における破壊現象は、ボンディ
ングパッド部の下部におけるクラックが多かったことか
ら、さらに、検討を進めると、追って詳細に説明するよ
うに、アルミニウムと金との合金層の様態が、従来のも
のとは異なることが判明した。
(配線)とボール部との接着性を向上させることにあ
る。特に、配線の膜厚が小さい場合であっても、配線と
ボール部との接着性を確保することを目的とする。
部との接着性を向上させることにより半導体装置の信頼
性を向上させることにある。また、半導体装置の歩留ま
りを向上させることにある。
パッド部のピッチが狭い半導体装置やその製造方法に適
用して好適な技術を提供することにある。
書の記述および添付図面から明らかになるであろう。
発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、
次のとおりである。
プの上方に形成された第1金属膜と、前記第1金属膜上
に形成された第2金属よりなるボール部とを有し、これ
らの間に形成された第1金属と第2金属との合金層が、
前記第1金属膜の底部まで達しているものである。ま
た、前記ボール部を、樹脂で覆ってもよい。また、前記
ボール部の高さhと前記金ボールの最大外周径Dとの関
係を、9≧D/h≧2としてもよい。
プの上方に形成された第1金属膜と、前記第1金属膜上
に形成された第2金属よりなるボール部と、前記第1金
属膜と前記ボール部との間に形成された前記第1金属と
第2金属との合金層と、を有し、前記第1金属膜と前記
ボール部との接触領域の径dと、前記合金層形成領域の
径gとの関係を、g≧0.8dとしたものである。ま
た、前記第1金属膜と前記ボール部との接触領域の径d
と前記ボールの最大外周径Dとの関係を、d≧0.8D
としてもよい。
半導体チップの上方の第1金属膜上にパッド部が開口し
た絶縁膜を形成した後、周波数が110kHz以上の超
音波を用いた超音波熱圧着法により、前記パッド部上に
第2金属よりなるボール部を接着する工程を有するもの
である。
半導体チップの上方の第1金属膜上にパッド部が開口し
た絶縁膜を形成した後、前記第1金属膜上に第2金属よ
りなるボール部を前記パッド部上に、前記第1金属膜と
前記ボール部との接触領域の70%以上の領域に前記第
1金属と第2金属の合金層を形成することにより接着す
るものである。この後、前記ボール部を樹脂で覆い、ま
た、樹脂で覆われた半導体チップを高温下にさらした
後、その特性を検査してもよい。また、第2金属よりな
るボール部を、前記接触領域の径dとボール部の最大外
周径Dがd≧0.8Dとなるよう成形してもよい。
に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明す
るための全図において同一機能を有するものは同一の符
号を付し、その繰り返しの説明は省略する。
導体集積回路装置)をその製造方法に従って説明する。
よび第2層配線M2が形成された半導体基板1を準備す
る。なお、酸化シリコン膜11中には、MISFET
(Metal Insulator Semiconductor Field Effect Trans
istor)等の半導体素子や第1層配線、素子と第1層配
線とを接続するプラグ、第1層配線と後述する第2層配
線とを接続するプラグ等が形成されているが、その図示
は省略する。また、半導体基板1中には、適宜酸化シリ
コン膜等よりなる素子分離が形成されているがその図示
を省略する。
2上に層間絶縁膜として酸化シリコン膜12をCVD
(Chemical Vapor Deposition)法で堆積する。次い
で、第2層配線M2上の酸化シリコン膜12をドライエ
ッチングにより除去し、コンタクトホールC3を形成す
る。次いで、コンタクトホールC3内を含む酸化シリコ
ン膜11上に、導電性膜として例えばタングステン
(W)膜をCVD法で堆積する。次いで、コンタクトホ
ールC3の外部のW膜を例えばCMP(Chemical Mecha
nical Polishing)法により除去することにより、プラ
グP3を形成する。
ラグP3上を含む酸化シリコン膜12上に、導電性膜と
して50nm程度のTiN(窒化チタン)膜M3a、7
00nm程度のAl(アルミニウム)膜M3bおよび5
0nm程度のTiN膜M3cを例えばスパッタ法で順次
堆積する。ここで、Al膜とは、Alを主成分とする膜
であり、他の金属との合金膜も含むものとする。
膜M3bと酸化シリコン膜12等の絶縁膜との接着性を
高める、また、2)Al合金よりなる第2層配線M2の
エレクトロマイグレーション耐性を向上させる等、配線
の信頼性を確保するために形成される。なお、TiN膜
の他、Ti(チタン)膜、TiW(チタンタングステ
ン)膜、Ta(タンタル)膜、W膜もしくはWN(窒化
タングステン)膜の単層膜、もしくはこれらの膜の積層
膜を用いてもよい。
にTiN膜M3a、Al膜M3bおよびTiN膜M3c
をドライエッチングすることによって第3層配線M3を
形成する。なお、図4は、図3のA−A部の断面図(第
3層配線M3の延在方向の断面図)である(図6および
図8について同じ)。
3層配線M3上に、保護膜として窒化シリコン膜および
酸化シリコン膜を、例えばCVD法で順次堆積し、これ
らの積層膜よりなるパッシベーション膜41を形成す
る。なお、パッシベーション膜41を、単層で構成して
もよい。
ッシベーション膜41の上層に、所望の位置に開口部を
有するポリイミド樹脂膜43を形成する。このポリイミ
ド樹脂膜43を形成するには、まず、感光性ポリイミド
樹脂膜を5μm程度スピン塗布し、熱処理(プリベー
ク)を施す。次いで、ポリイミド樹脂膜を露光、現像し
て開口した後、熱処理(ポストベーク)を施し、ポリイ
ミド樹脂膜を硬化(キュア)させる。
にして下層のパッシベーション膜41をドライエッチン
グし、さらに、TiN膜M3cをドライエッチングす
る。その結果、Al膜M3bの表面の一部が露出する。
このAl膜M3bの露出領域を、ボンディングパッド部
BPと呼ぶ。図9に、ボンディングパッド部BP形成後
の基板(チップ領域)の要部平面図を示す。
行われることが多い。この場合、略矩形状の半導体チッ
プ領域を複数有するウエハ(半導体基板)を、個々の半
導体チップに切断(ダイシング)する。
ッド部BP上に金線WRを接着(第1ボンド)するので
あるが、この工程について図10〜図11を参照しなが
ら説明する。
Rを通すための細穴を有するキャピラリCAを準備し、
その内部に金線WRを通す。次いで、電気トーチ(図示
せず)によって、キャピラリCAの先端から出た金線W
Rに、電極からの放電エネルギーを加え、金線WRを溶
融させることによりボールMBを形成する。
溶融ボールMBをボンディングパッド部BPに接着させ
る。この接着工程は、キャピラリCAにより溶融ボール
MBを加圧しつつ、また、キャピラリCAに超音波を印
加しながら行われる。この際、ボンディングパッド部B
Pは、図示しないヒーターにより加熱されている。この
ような処理方法を、超音波熱圧着法という。その後、金
線WRを引き上げると、ボンディングパッド部BP上に
金線WRが接着される。なお、図12に示すように、接
着された金線WRの先端をボール部Bもしくは金ボール
部Bという。この金ボール部Bとボンディングパッド部
BP(Al膜M3b)とは、これらの界面にAl−Au
合金層が形成されることにより接着する。
と、時間(T)の関係を示す。図13に示すように、時
間T0からキャピラリCAが降下し始めるが、時間T1
においてその速度が小さくなる。次いで、期間T2にお
いて、溶融ボールMBがボンディングパッド部BP上に
搭載され、一定期間(T2〜T3)その状態を保持す
る。この期間をボンディング期間という。その後(時間
T3以降)、キャピラリCAが上昇し、金線WRが引き
上げられる。なお、図14に示すように、引き上げられ
た金線WRは、例えば配線基板60上の印刷配線(図示
せず)上に超音波熱圧着される(第2ボンド)。
て説明する。
Al膜M3b上に金線WRを接合した場合、温度サイク
ル試験後に断線不良が発生した。そこで、断線箇所を探
求した結果、図15に示すように、Al−Au合金層5
0中においてクラック(crack)が生じていること
が判明した。そこで、さらに、Al−Au合金層50を
詳しく解析した結果、Al−Au合金層50は、下層か
らAlAu2膜50a、Al2Au5膜50bおよびAl
Au4膜50cの3層の膜からなることが判明した(図
16および図17参照)。また、金ボール部Bとボンデ
ィングパッド部BP(Al膜M3b)との界面には、A
l−Au合金層50が形成されていない領域53が確認
された。なお、Al−Au合金層50を構成するAlA
u2膜50a、Al2Au5膜50bおよびAlAu4膜5
0cのうち、最も安定なものはAl2Au5である。図1
6および図17は、図15の丸で囲んだ領域E部の拡大
図である。
較的Al膜M3bの膜厚が大きい場合には、AlAu4
が確認されていないことから、Al膜M3b(配線)の
薄膜化によりAlの供給量が減少し、金ボール部B側に
おいては、Alの組成比が小さいAlAu4膜が生成す
るのではないかと考えられる。
u合金層50の形成時に、Al2Au5膜50bとAlA
u4膜50cとの間で、合金化反応の非整合部が生じ、
ボイド(空孔)55となる。
よって拡大し、図17に示すようなクラックとなり、断
線不良に至ったと考えられる。なお、クラック部には、
AlやAu等の酸化物Oxが生じている。これは、後述
する封止樹脂中に含まれる微量の酸素によるものだと考
えられる。
ル部Bをより大きく潰し、Al膜M3bとの接着面積を
増加させる方法が考え得る。しかしながら、金ボール部
Bを大きく潰すと、隣のボンディングパッドやその上に
ある別の金ボールとのショートマージンが確保できなく
なり、ショート(短絡)不良が増加する。特に、半導体
装置の微細化により、ボンディングパッド部BPのピッ
チが小さくなると、この短絡不良の問題が大きくなる。
また、金ボール部Bをより大きく潰すと、ボンディング
条件によってはボンディングパッドに与えるダメージが
大きくなることがある。
状を大きく変形させることなく、その変形量をスペック
値以内としつつ、接合強度を確保することができる金ボ
ール部Bの形状、およびその製造工程を検討した。
を参照しながら説明する。図18に示すように、金ボー
ル部Bの接続領域径dと金ボール部Bの最大外周径Dと
の関係を、d≧0.8Dとする。接続領域Adとは、金
ボール部BとAl膜M3b(配線)との接触領域をい
う。接続領域径dとは、金ボール部BとAl膜M3b
(配線)との接触領域の径をいう。
トマージンを確保することができ、また、接触面積を確
保することができる。
Bの接続領域Adと金ボール部Bの最大外周で区画され
る領域ADとの関係で示すと、Ad≧0.64ADとな
る。なお、製造におけるパッド部の表面状態やボンディ
ング条件のばらつきを考慮するとAd≧0.7ADの関
係を満たす方がより好ましい。
D/h≧2の範囲が好ましい。また、Dが、65μm以
下の場合には、5μm以上15μm以下が好ましい。ま
た、金線の径(幅)WWは、25μm以下が好ましい。
−Au合金層50の形成領域径gとの関係を、g≧0.
8dとする。
ル部BとAl膜M3b(配線)とのAl−Au合金層5
0による接合強度を確保することができ、前述したボイ
ドやクラックの影響を低減できる。その結果、接続不良
を低減することができる。
Bの接続領域AdとAl−Au合金層50の形成領域A
gとの関係で示すと、Ag≧0.64Adとなる。な
お、後述するデータ(図23)よりAg≧0.7Adの
関係を満たす方がより好ましい。
700nm以下であって、Alの組成比が小さい合金層
(AlAu4)が形成されるような場合であっても、接
合強度を確保することができる。
は、Al−Au合金層50が、Al膜M3bの底部まで
延在する。従って、Al−Au合金層50の下層には、
TiN膜M3aが存在する(図27参照)。
d、金ボール部Bの最大外周径DおよびAl−Au合金
層50の形成領域径gは、真円の径である必要はなく、
これらの領域の中心部における線分であれば足る。
厚が大きく、また、ボンディングパッド部BPのピッチ
が比較的大きい場合に検討したボンディング条件、例え
ば、この条件のうちボンディング温度、ボンディング期
間を同じに設定し、キャピラリと金線径を所望のパッド
ピッチに対応したものに変え(初期ボール体積)、ボン
ディング荷重と超音波印加出力を調整して所望の圧着ボ
ール径になるように、薄いAl膜上にボンディングを行
うと、図19に示す形状となった。
金ボール部Bの最大外周径Dとの関係は、d≦0.8D
となり、また、金ボール部Bの接続領域径dとAl−A
u合金層50の形成領域径gとの関係は、g≦0.8d
であった。
線)とのAl−Au合金層50による接合強度を確保す
ることが困難となる。特に、Al膜が薄い場合には、A
lの組成比が小さいAlAu4膜が厚く生成し、その後
の温度サイクル試験等の影響によりAlAu4膜の界面
においてクラックが発生しやすい。
ンディングパッド部BPのピッチが130μmと広い場
合にも起こり得た。但し、この場合は、絶対的な接合領
域やAl−Au合金層の形成領域径を大きく確保できる
ため、断線不良を回避し得たと考えられる。ここで、ボ
ンディングパッド部BPのピッチとは、ボンディングパ
ッド部BPの中心部間の距離をいう。
形状をそのまま縮小し、狭ピッチ(例えば、70μm以
下)に適用した場合には、接続不良となってしまう。ま
た、かかる形状で、接続領域を確保しようとすると、金
ボール部Bの接続領域径dと金ボール部Bの最大外周径
Dとの差が大きいため、ショート不良を生じさせてしま
う。
態の構成によれば、金ボール部BとAl膜M3b(配
線)とのAl−Au合金層による接合強度を確保するこ
とができ、また、ショートマージンを確保することがで
きる。特に、狭ピッチのボンディングパッド部BPや薄
いAl膜(配線)上のボンディングパッド部BPに用い
て効果的である。
成するためのボンディング工程の一例について説明す
る。
ッド部BP上に搭載されているボンディング期間(図1
3のT2〜T3)に、110kHz以上の超音波を印加
するものである。
ール部の径(μm)と剪断強度(N)との関係を示す。
なお、接合温度は、200℃、初期のボール径は、35
±5μmとした。剪断強度(N)とは、ボール部Bに対
し横から応力を加え、その応力を増加させた際、ボール
部Bの剥離に至る応力をいう。
の周波数を加えたものよりも120kHzおよび180
kHzの超音波を加えたものの方が剪断強度が大きくな
る。120kHzと180kHzとでは、180kHz
の方が若干剪断強度が大きかった。また、例えば、60
kHzの周波数を加えたものは、圧着ボール径が50μ
m程度で剪断強度が0.35Nであるが、例えば、18
0kHzの周波数を加えたものは、圧着ボール径が42
μm程度でも、同等の剪断強度(0.35N)を確保で
きる。
振幅(μm)と剪断強度(N)との関係を示す。図22
に示すように、周波数が高いほど振幅(μm)が小さ
く、点振幅であることがわかる。振幅(μm)が小さい
と、ボンディングダメージを低減するといった効果も有
する。
各超音波周波数における圧着ボール部の径(μm)と合
金形成面積率(%)との関係を調べた。その結果を、図
23に示す。合金形成面積率とは、剪断の結果ボンディ
ングパッド部BP上に表れた圧着跡面積Lに対する合金
形成面積Sの割合(%)をいう。
の周波数を加えたもの(グラフ(a))よりも120k
Hz(グラフ(b))および180kHz(グラフ
(c))の超音波を加えたものの方が合金形成面積率
(%)が大きくなる。また、120kHzと180kH
zとでは、180kHzの方が合金形成面積率(%)が
大きくなる。また、例えば、180kHzの周波数を加
えたものは、圧着ボール径が65μmから50μm程度
であっても、70%以上の合金形成面積率(%)が得ら
れた。また120kHzの周波数を加えたものは、圧着
ボール径が65μmから55μm程度であっても、70
%程度の合金形成面積率(%)が得られた。
とによって、図18に示す構造の金ボール部BやAl−
Au合金層を形成したが、金ボール部BやAl−Au合
金層の形状を調整し得る要素としては、図25に示すも
のが考え得る。
の他、振幅(a)および超音波を加える時間(s)、ま
た、キャピラリによる荷重(F)や、ボンディングパッ
ド部BPの加熱温度(℃)等である。
方法の他、ボンディング期間(T2〜T3)にキャピラ
リCAによる荷重(F)をゆっくりと上昇させる、もし
くは段階的に大きくしていく等、また、超音波の印加時
間については、時間の長短の他、ボンディング期間以前
から超音波を印加する等の方法、およびこれらの条件を
組み合わせる方法が考え得る(図26参照)。
(pad pitch)と、金ボール部Bの接続領域径dとAl
−Au合金層の形成領域径gとの比(g/d)との関係
を示す。グラフ(a)の上部領域は、金ボール部Bの信
頼性を確保できる領域Qを示し、グラフ(a)の下部領
域は、断線不良が生じる領域NQを示す。なお、Al膜
の膜厚は、700nmとした。
%以上の場合、ボンディングパッドピッチが60μm以
下であっても信頼性を確保できる。
金線WRを接着(第1ボンド)した後の基板の要部断面
図を示す。
うに、金線WRをガラス・エポキシ等の配線基板60上
の印刷配線(図示せず)上に超音波熱圧着(第2ボン
ド)する。図28に、第2ボンド後のICチップ(1)
および配線基板60の状態(斜視図)を示す。図29
は、図28の丸部の要部拡大図である。
よびICチップの周囲を樹脂封止体64により封止す
る。例えば、前記樹脂封止体64は、配線基板60を金
型で狭持し、金型内に溶融樹脂を注入し、硬化させるこ
とにより封止するトンンスファモールド法により形成さ
れる。前記樹脂は例えばフィラーとしてシリカを含むエ
ポキシ系の熱硬化性樹脂である。
やそのボール部Bに応力が加わるが、本実施の形態によ
れば、金ボール部Bの接続領域径dとAl−Au合金層
50の形成領域径gとの関係を、g≧0.8dとしたの
で、金ボール部BとAl膜M3b(配線)とのAl−A
u合金層50による接合強度を確保することができる。
0の裏面に、バンプ電極62を形成する。このバンプ電
極は、図示しないが、前記配線基板60の裏面に形成さ
れた裏面電極に接続される。
を介して金線WRと電気的に接続される。前記バンプ電
極62は、図示しないが、例えば携帯機器等に用いられ
る電子部品が複数搭載される実装基板と電気的接続を行
うために用いられる。なお、図30に示すような実装形
態は、BGA(ball grid array)と呼ばれる。
ないサンプルを用いて温度サイクル試験等の品質試験を
行う。この温度サイクル試験では、半導体装置を、例え
ば、顧客実装時の熱履歴(260℃×10s×3回)の
後、150℃の高温下に10分間晒し、次いで、−55
℃の低温下に10分間晒すことを交互に1000回行う
(1000サイクル)。
び配線基板60の熱膨張係数が異なるため、樹脂64と
ICチップの熱による変形の程度が異なる。その結果、
金ボール部Bに1サイクル毎に応力が加わる。
金ボール部Bの接続領域径dとAl−Au合金層50の
形成領域径gとの関係を、g≧0.8dとしたので、金
ボール部BとAl膜M3b(配線)とのAl−Au合金
層50による接合強度を確保することができ、応力によ
る断線を防止できる。
AlAu4膜の生成によって、応力に対し弱い部分が形
成された場合であっても、接合強度を確保し断線を防止
できる。これに対し、AlAu4膜の生成を防止するた
め、金線WRの第1ボンドの前に、ボンディングパッド
部BP上にAl膜を積み増しすることも考え得る。しか
しながら、この場合、Al膜の積み増しにより、工程が
複雑化する。これに対し、本実施の形態によれば、Al
膜の積み増しによる工程の複雑化を回避することができ
る。
配線パターンを同時に形成する事が一般的だが、本実施
の形態を適用するとICチップ上の配線幅を細くする事
に有利な薄いAl膜でも充分な強度が得られる。
事でチップの集積度向上が図れるため、1枚のウエハあ
たりのチップ取得数を増加させ、製造原価を低減でき
る。
る多ピン化によってボンディングパッド部BPが小さく
なった場合でも、接合強度を確保し断線を防止できる。
る多ピン化によってボンディングパッド部BPのピッチ
が小さくなった場合でも、接合強度を確保し断線を防止
できる。
ボール部Bの最大外周径Dとの関係を、d≧0.8Dと
すれば、半導体装置の微細化や高機能化による多ピン化
によってボンディングパッド部BPのピッチが小さくな
った場合でも、金ボールのショートマージンを確保する
ことができる。
施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実
施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱し
ない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。
と金ボール部Bとの接合に本発明を用いたが、この他、
金属配線と金属ボール部(例えば、バンプ電極でもよ
い)とを合金層を形成することにより接合する半導体装
置に広く適用可能である。
レームを用いたQFP(quad flatpackage)などの半導
体装置にも適用可能である。
表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば、
以下の通りである。
膜と、第2金属よりなるボール部とを、第1金属と第2
金属との合金層で接合する際、第1金属膜と前記ボール
部との接触領域の径dと、前記合金層形成領域の径gと
の関係を、g≧0.8dとし、また、接触領域の径dと
ボールの最大外周径Dとの関係を、d≧0.8Dとした
ので、第1金属膜を有する配線とボール部との接着性を
確保することができる。
とができる。
ことができる。
配線パターンを同時に形成する事が一般的だが、本実施
の形態の構成を適用するとICチップ上の配線幅を細く
する事に有利な薄いAl膜でも充分な強度が得られる。
事でチップの集積度向上が図れるため、1枚のウエハあ
たりのチップ取得数を増加させ、製造原価を低減でき
る。
程を示す基板の要部断面図である。
程を示す基板の要部断面図である。
程を示す基板の要部断面図である。
程を示す基板の要部断面図である。
程を示す基板の要部断面図である。
程を示す基板の要部断面図である。
程を示す基板の要部断面図である。
程を示す基板の要部断面図である。
程を示す基板の要部平面図である。
工程に用いられるキャピラリを示す図である。
工程を示す基板(ボンディングパッド部)の要部断面図
である。
工程を示す基板(ボンディングパッド部)の要部断面図
である。
工程に用いられるキャピラリの動きを示すグラフであ
る。
工程を示す基板(ボンディングパッド部)の要部断面図
である。
半導体装置のボンディングパッド部の要部断面図であ
る。
半導体装置のボンディングパッド部の要部断面図であ
る。
半導体装置のボンディングパッド部の要部断面図であ
る。
ディングパッド部の要部断面図である。
半導体装置のボンディングパッド部の要部断面図であ
る。
半導体装置のボンディングパッド部の要部断面図であ
る。
(μm)と剪断強度(N)との関係を示すグラフであ
る。
と剪断強度(N)との関係を示すグラフである。
(μm)と合金形成面積率(%)との関係を示すグラフ
である。
部Bの接続領域径dとAl−Au合金層の形成領域径g
との比(g/d)との関係を示すグラフである。
工程を示す基板(ボンディングパッド部)の要部断面図
である。
工程に用いられるキャピラリの動き等を示すグラフであ
る。
工程を示す基板の要部断面図である。
工程を示す基板等の斜視図である。
工程を示す図28の部分拡大図である。
工程を示す基板等の斜視図である。
Claims (49)
- 【請求項1】 (a)半導体チップの上方に形成された
第1金属膜と、 (b)前記第1金属膜上に形成された第2金属よりなる
ボール部と、 (c)前記第1金属膜と前記ボール部との間に形成され
た前記第1金属と第2金属との合金層と、を有する半導
体装置であって、 (d)前記合金層は、前記第1金属膜の底部まで達し、 (e)前記ボール部は、樹脂で覆われていることを特徴
とする半導体装置。 - 【請求項2】 (a)半導体チップの上方に形成された
アルミニウム(Al)を主成分とするAl膜と、 (b)前記Al膜上に形成された金(Au)を主成分と
する金ボール部と、 (c)前記Al膜と前記金ボール部との間に形成された
アルミニウムと金との合金層と、を有する半導体装置で
あって、 (d)前記合金層は、前記Al膜の底部まで達し、 (e)前記金ボール部は、樹脂で覆われていることを特
徴とする半導体装置。 - 【請求項3】 前記合金層中には、AlAu4膜が含ま
れていることを特徴とする請求項2記載の半導体装置。 - 【請求項4】 前記合金層は、積層膜からなり、前記積
層膜は、下層から上層にかけてアルミニウムに対する金
の組成比が大きくなることを特徴とする請求項2記載の
半導体装置。 - 【請求項5】 前記合金層は、下層からAlAu2膜、
Al2Au5膜およびAlAu4膜よりなることを特徴と
する請求項2記載の半導体装置。 - 【請求項6】 前記Al膜は、700nm以下の膜厚で
あることを特徴とする請求項2記載の半導体装置。 - 【請求項7】 前記半導体装置は、複数の前記Al膜を
有し、 前記複数のAl膜は、パッド領域を開口した絶縁膜で覆
われており、 前記パッド領域の最短距離は、70μm以下であること
を特徴とする請求項2記載の半導体装置。 - 【請求項8】 前記金ボール部の最大外周径は、65μ
m以下であることを特徴とする請求項2記載の半導体装
置。 - 【請求項9】 前記金ボール部の高さhと前記金ボール
部の最大外周径Dとの関係は、9≧D/h≧2であるこ
とを特徴とする請求項2記載の半導体装置。 - 【請求項10】 前記金ボール部の高さは、15μm以
下であることを特徴とする請求項2記載の半導体装置。 - 【請求項11】 前記金ボール部の高さは、5μm以上
15μm以下であることを特徴とする請求項2記載の半
導体装置。 - 【請求項12】 前記金ボール部上からは、金線が外部
接続端子まで延在していることを特徴とする請求項2記
載の半導体装置。 - 【請求項13】 (a)半導体チップの上方に形成され
た第1金属膜と、 (b)前記第1金属膜上に形成された第2金属よりなる
ボール部と、 (c)前記第1金属膜と前記ボール部との間に形成され
た前記第1金属と第2金属との合金層と、を有する半導
体装置であって、 (d)前記合金層は、前記第1金属膜の底部まで達し、 (e)前記ボール部の高さhと前記金ボール部の最大外
周径Dとは、9≧D/h≧2であることを特徴とする半
導体装置。 - 【請求項14】 前記第1金属膜は、アルミニウム(A
l)を主成分とする膜であり、前記ボール部は、金(A
u)を主成分とするボール部であることを特徴とする請
求項13記載の半導体装置。 - 【請求項15】 前記合金層中には、AlAu4膜が含
まれていることを特徴とする請求項14記載の半導体装
置。 - 【請求項16】 前記合金層は、積層膜からなり、前記
積層膜は、下層から上層にかけてアルミニウムに対する
金の組成比が大きくなることを特徴とする請求項14記
載の半導体装置。 - 【請求項17】 前記合金層は、下層からAlAu
2膜、Al2Au5膜およびAlAu4膜よりなることを特
徴とする請求項14記載の半導体装置。 - 【請求項18】 前記Al膜は、700nm以下の膜厚
であることを特徴とする請求項14記載の半導体装置。 - 【請求項19】 前記半導体装置は、複数の前記Al膜
を有し、 前記複数のAl膜は、パッド領域を開口した絶縁膜で覆
われており、 前記パッド領域の最短距離は、70μm以下であること
を特徴とする請求項14記載の半導体装置。 - 【請求項20】 前記金ボール部の最大外周径は、65
μm以下であることを特徴とする請求項14記載の半導
体装置。 - 【請求項21】 前記金ボール部の高さは、15μm以
下であることを特徴とする請求項14記載の半導体装
置。 - 【請求項22】 前記金ボール部の高さは、5μm以上
15μm以下であることを特徴とする請求項14記載の
半導体装置。 - 【請求項23】 前記金ボール部上からは、金線が外部
接続端子まで延在していることを特徴とする請求項14
記載の半導体装置。 - 【請求項24】 (a)半導体チップの上方に形成され
た第1金属膜と、 (b)前記第1金属膜上に形成された第2金属よりなる
ボール部と、 (c)前記第1金属膜と前記ボール部との間に形成され
た前記第1金属と第2金属との合金層と、を有し、 (d)前記第1金属膜と前記ボール部との接触領域の径
dと、前記合金層形成領域の径gとの関係が、g≧0.
8dであることを特徴とする半導体装置。 - 【請求項25】 前記第1金属膜は、アルミニウム(A
l)を主成分とする膜であり、前記ボール部は、金(A
u)を主成分とするボール部であることを特徴とする請
求項24記載の半導体装置。 - 【請求項26】 前記合金層は、前記第1金属膜の底部
まで達していることを特徴とする請求項24記載の半導
体装置。 - 【請求項27】 前記接触領域の径dと前記ボール部の
最大外周径Dとの関係が、d≧0.8Dであることを特
徴とする請求項24記載の半導体装置。 - 【請求項28】 前記接触領域は、前記ボール部の最大
外周で区画される領域の70%以上であることを特徴と
する請求項24記載の半導体装置。 - 【請求項29】 前記合金層中には、AlAu4膜が含
まれていることを特徴とする請求項25記載の半導体装
置。 - 【請求項30】 前記合金層は、積層膜からなり、前記
積層膜は、下層から上層にかけてアルミニウムに対する
金の組成比が大きくなることを特徴とする請求項25記
載の半導体装置。 - 【請求項31】 前記合金層は、下層からAlAu
2膜、Al2Au5膜およびAlAu4膜よりなることを特
徴とする請求項25記載の半導体装置。 - 【請求項32】 前記Al膜は、700nm以下の膜厚
であることを特徴とする請求項25記載の半導体装置。 - 【請求項33】 前記半導体装置は、複数の前記Al膜
を有し、 前記複数のAl膜は、パッド領域を開口した絶縁膜で覆
われており、 前記パッド領域の最短距離は、70μm以下であること
を特徴とする請求項25記載の半導体装置。 - 【請求項34】 前記金(Au)を主成分とするボール
部の最大外周径は、65μm以下であることを特徴とす
る請求項25記載の半導体装置。 - 【請求項35】 前記金(Au)を主成分とするボール
部の高さhと前記金ボール部の最大外周径Dとの関係
は、9≧D/h≧2であることを特徴とする請求項25
記載の半導体装置。 - 【請求項36】 前記金(Au)を主成分とするボール
部の高さは、15μm以下であることを特徴とする請求
項25記載の半導体装置。 - 【請求項37】 前記金(Au)を主成分とするボール
部の高さは、5μm以上15μm以下であることを特徴
とする請求項25記載の半導体装置。 - 【請求項38】 前記金(Au)を主成分とするボール
部上からは、金線が外部接続端子まで延在していること
を特徴とする請求項25記載の半導体装置。 - 【請求項39】 (a)半導体チップの上方に形成され
た第1金属膜と、 (b)前記第1金属膜上に形成された第2金属よりなる
ボール部と、 (c)前記第1金属膜と前記ボール部との間に形成され
た前記第1金属と第2金属との合金層と、を有し、 (d)前記第1金属膜と前記ボール部との接触領域の7
0%以上の領域に合金層が形成されていることを特徴と
する半導体装置。 - 【請求項40】 前記接触領域の径dと前記ボール部の
最大外周径Dとの関係が、d≧0.8Dであることを特
徴とする請求項39記載の半導体装置。 - 【請求項41】 (a)半導体チップの上方に形成され
た第1金属膜と、 (b)前記第1金属膜上に形成された第2金属よりなる
ボール部と、 (c)前記第1金属膜と前記ボール部との間に形成され
た前記第1金属と第2金属との合金層と、を有し、 (d)前記第1金属膜と前記ボール部との接触領域の径
dと前記ボール部の最大外周径Dとの関係が、d≧0.
8Dであることを特徴とする半導体装置。 - 【請求項42】 (a)半導体チップの上方に形成され
た第1金属膜と、 (b)前記第1金属膜上に形成された第2金属よりなる
ボール部と、 (c)前記第1金属膜と前記ボール部との間に形成され
た前記第1金属と第2金属との合金層と、を有し、 (d)前記第1金属膜と前記ボール部との接触領域は、
前記ボール部の最大外周で区画される領域の70%以上
であることを特徴とする半導体装置。 - 【請求項43】 (a)半導体チップ領域の上方に第1
金属膜を形成する工程と、 (b)前記第1金属膜上に前記第1金属膜上のパッド部
が開口した絶縁膜を形成する工程と、 (c)超音波熱圧着法を用いて、前記パッド部上に第2
金属よりなるボール部を接着する工程であって、 周波数が110kHz以上の超音波を用いて接着する工
程と、を有することを特徴とする半導体装置の製造方
法。 - 【請求項44】 前記(c)工程は、前記超音波を加え
ている期間に、前記パッド部にかかる加圧力を上昇させ
ることを特徴とする請求項43項記載の半導体装置の製
造方法。 - 【請求項45】 前記半導体装置の製造方法は、前記
(c)工程の後、 (d)前記ボール部を樹脂で覆うことにより封止する工
程、を有することを特徴とする請求項43記載の半導体
装置の製造方法。 - 【請求項46】 (a)半導体チップ領域の上方に第1
金属膜を形成する工程と、 (b)前記第1金属膜上に前記第1金属膜上のパッド部
が開口した絶縁膜を形成する工程と、 (c)超音波熱圧着法を用いて、前記パッド部上に第2
金属よりなるボール部を接着する工程であって、 周波数が110kHz以上の超音波を用いて接着する工
程と、 (d)前記ボール部を樹脂で覆うことにより封止する工
程と、 (e)前記(d)工程の後、封止された半導体チップを
複数準備し、前記複数の半導体チップの一部を高温下に
さらし、その特性を検査する工程と、を有することを特
徴とする半導体装置の製造方法。 - 【請求項47】 (a)半導体チップ領域の上方に第1
金属膜を形成する工程と、 (b)前記第1金属膜上に前記第1金属膜上のパッド部
が開口した絶縁膜を形成する工程と、 (c)前記第1金属膜上に第2金属よりなるボール部を
形成する工程であって、 前記第1金属膜と前記ボール部との接触領域の70%以
上の領域に前記第1金属と第2金属の合金層を形成する
ことにより前記パッド部上に前記ボール部を接着する工
程と、 (d)前記ボール部を樹脂で覆うことにより封止する工
程と、 (e)前記(d)工程の後、封止された半導体チップを
複数準備し、前記複数の半導体チップの一部を高温下に
さらし、その特性を検査する工程と、を有することを特
徴とする半導体装置の製造方法。 - 【請求項48】 (a)半導体チップ領域の上方に第1
金属膜を形成する工程と、 (b)前記第1金属膜上に前記第1金属膜上のパッド部
が開口した絶縁膜を形成する工程と、 (c)前記第1金属膜上に第2金属よりなるボール部を
形成する工程であって、 前記第1金属膜と前記ボール部との接触領域の70%以
上の領域に前記第1金属と第2金属の合金層を形成する
ことにより前記第1金属膜上にボール部を接着し、前記
接触領域の径dとボール部の最大外周径Dがd≧0.8
Dとなるよう成形する工程と、 (d)前記ボール部を樹脂で覆うことにより封止する工
程と、を有することを特徴とする半導体装置の製造方
法。 - 【請求項49】 (a)半導体チップ領域の上方に第1
金属膜を形成する工程と、 (b)前記第1金属膜上に前記第1金属膜上のパッド部
が開口した絶縁膜を形成する工程と、 (c)前記第1金属膜上に第2金属よりなるボール部を
形成する工程であって、 前記第1金属膜と前記ボール部との接触領域の70%以
上の領域に前記第1金属と第2金属の合金層を形成する
ことにより前記第1金属膜上にボール部を接着し、前記
接触領域の径dとボール部の最大外周径Dがd≧0.8
Dとなるよう成形する工程と、 (d)前記ボール部を樹脂で覆うことにより封止する工
程と、 (e)前記(d)工程の後、封止された半導体チップを
複数準備し、前記複数の半導体チップの一部を高温下に
さらし、その特性を検査する工程と、を有することを特
徴とする半導体装置の製造方法。
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