JP2005259915A - 半導体装置およびその製造方法 - Google Patents

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alloy ball
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Tomomutsu Obiya
智睦 帯屋
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    • H01L2224/48481Connecting portions connected to auxiliary connecting means on the bonding areas, e.g. pre-ball, wedge-on-ball, ball-on-ball between the wire connector and the bonding area being a pre-ball (i.e. a ball formed by capillary bonding) the connecting portion being a ball bond, i.e. ball on pre-ball
    • H01L2224/48482Connecting portions connected to auxiliary connecting means on the bonding areas, e.g. pre-ball, wedge-on-ball, ball-on-ball between the wire connector and the bonding area being a pre-ball (i.e. a ball formed by capillary bonding) the connecting portion being a ball bond, i.e. ball on pre-ball on the semiconductor or solid-state body
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    • H01L2224/48475Connecting portions connected to auxiliary connecting means on the bonding areas, e.g. pre-ball, wedge-on-ball, ball-on-ball
    • H01L2224/48499Material of the auxiliary connecting means
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    • H01L2224/485Material
    • H01L2224/48505Material at the bonding interface
    • H01L2224/48507Material at the bonding interface comprising an intermetallic compound
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    • H01L2224/47Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process
    • H01L2224/48Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process of an individual wire connector
    • H01L2224/485Material
    • H01L2224/48505Material at the bonding interface
    • H01L2224/48599Principal constituent of the connecting portion of the wire connector being Gold (Au)
    • H01L2224/486Principal 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
    • H01L2224/48617Principal 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
    • H01L2224/48624Aluminium (Al) as principal constituent
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    • H01L2224/485Material
    • H01L2224/48505Material at the bonding interface
    • H01L2224/48699Principal constituent of the connecting portion of the wire connector being Aluminium (Al)
    • H01L2224/487Principal constituent of the connecting portion of the wire connector being Aluminium (Al) 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
    • H01L2224/48717Principal constituent of the connecting portion of the wire connector being Aluminium (Al) 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
    • H01L2224/48724Aluminium (Al) as principal constituent
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    • H01L2224/47Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process
    • H01L2224/48Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process of an individual wire connector
    • H01L2224/485Material
    • H01L2224/48505Material at the bonding interface
    • H01L2224/48799Principal constituent of the connecting portion of the wire connector being Copper (Cu)
    • H01L2224/488Principal constituent of the connecting portion of the wire connector being Copper (Cu) 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
    • H01L2224/48817Principal constituent of the connecting portion of the wire connector being Copper (Cu) 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
    • H01L2224/48824Aluminium (Al) as principal constituent
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    • H01L2224/00Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/73Means for bonding being of different types provided for in two or more of groups H01L2224/10, H01L2224/18, H01L2224/26, H01L2224/34, H01L2224/42, H01L2224/50, H01L2224/63, H01L2224/71
    • H01L2224/732Location after the connecting process
    • H01L2224/73201Location after the connecting process on the same surface
    • H01L2224/73203Bump and layer connectors
    • H01L2224/73204Bump and layer connectors the bump connector being embedded into the layer connector
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    • H01L2224/73Means for bonding being of different types provided for in two or more of groups H01L2224/10, H01L2224/18, H01L2224/26, H01L2224/34, H01L2224/42, H01L2224/50, H01L2224/63, H01L2224/71
    • H01L2224/732Location after the connecting process
    • H01L2224/73251Location after the connecting process on different surfaces
    • H01L2224/73265Layer and wire connectors
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Abstract

【課題】長期信頼性に優れる半導体装置を提供する。
【解決手段】半導体チップ104と、半導体チップ104に設けられたアルミニウムパッド106a、106bと、アルミニウムパッド106a、106b上に設けられ、金とPdとを含有する合金ボールバンプ108a、108bと、合金ボールバンプ108a、108bに接続し、金からなる表面を有する金線110a、110bと、を備える半導体装置100を提供する。合金ボールバンプ108a、108bは、金を98質量%以上99.5質量%以下含み、パラジウムを0.5質量%以上2質量%以下含有する組成とすることができる。
【選択図】図1


Description

本発明は、半導体装置およびその製造方法に関する。
近年、半導体素子の高信頼性の実現を目的として、様々なワイヤーボンディング法による半導体素子の接続方法の開発が精力的に行われている。この種の技術として、特許文献1記載のものがある。同文献に記載された半導体装置を図4に示す。
この半導体装置(高周波回路装置200)は、ベースプレート201上に高周波用半導体基板204と高周波用回路基板206とを備える。高周波用回路基板206上には高周波伝送線路205が設けられている。
一方、高周波用半導体基板204上にはボンディングパッド208が設けられている。ボンディングパッド208上には金属バンプ211が設けられている。ワイヤーボンディング始点209から伸ばされたボンディングワイヤ207は金属バンプ211に接続している。
この技術では、接続部での信頼性の充分な保持が得られるように、ボンディングパッド208上に金、銅などの金属からなる金属バンプ211をあらかじめ形成し、これにワイヤーボンディングを行っている。
また、この種の技術として、特許文献2記載のものもある。同文献に記載された半導体装置を図5に示す。
この半導体装置300は、配線基板301上に下側の半導体チップ303と上側の半導体チップ306とを備える。下側の半導体チップ303は、配線基板301と金ボールバンプ304a、304bを介してフェイスダウン接続している。半導体チップ306は、主面が上向きとなるように、接着剤307を介して下側の半導体チップ303上に設けられている。半導体チップ303の側面および下面は接着性樹脂層309に覆われており、接着性樹脂層309により配線基板301上に固着されている。
上側の半導体チップ306の上面には、アルミニウムなどからなる電極パッド310a、310bが設けられている。配線基板301の上面にも、アルミニウムなどからなる接続パッド302a、302bが設けられている。電極パッド310a、310bと接続パッド302a、302bとはボンディングワイヤ308a、308bによりそれぞれ接続されている。
この技術では、複数の半導体素子を高密度に実装することを目的とし、上記のような構造を採用している。また、アルミニウムなどからなる電極パッド310a、310bおよび接続パッド302a、302b上に直接ワイヤーボンディングを行っている。
また、この種の技術として、特許文献3記載のものもある。同文献に記載された半導体装置を図6に示す。
この半導体装置400は、絶縁膜410内にリード405を備える。絶縁膜410およびリード405上には、接着テープ406を介して、半導体チップ401が設けられている。半導体チップ401上には電極パッド402が設けられている。電極パッド402上には金ボールバンプ414が設けられている。
リード405上のワイヤーボンディング始点415から伸ばされたボンディングワイヤ404が、金ボールバンプ414に接続している。接着テープ406、半導体チップ401、電極パッド402、金ボールバンプ414、ボンディングワイヤ404、ワイヤーボンディング始点415は、いずれも樹脂封止体407により封止されている。絶縁膜410の裏面には半田ボール408が設けられている。
この技術では、半導体装置の小型化を目的として、電極パッド402に金ボールバンプ414を形成した後、ワイヤーボンディング始点415から垂直に近い角度でボンディングワイヤ404を伸ばし、金ボールバンプ414までリバースワイヤーボンディングしている。
特開2001−237263号公報 特開2001−15677号公報 特開平11−97476号公報
しかしながら、上記文献記載の従来技術は、以下の点で改善の余地を有していた。
本発明者は、上述のようなエポキシ樹脂などの樹脂封止体により封止された半導体装置で、半導体チップと外部リードとを接続するのに、純度99.99%程度の純金からなる金線のワイヤーボンディングを使用する場合、長期に渡り使用した場合に、微量の水分により半導体チップのアルミニウムパッドと金線との接合部分のコンタクト性が低下する場合があることを見出した。
特許文献1は、アルミニウムなどからなるボンディングパッド上に予め金、銅などからなる金属バンプを形成しているが、上述のように、アルミニウムパッドと金バンプとの接合部分のコンタクト性は、長期に渡る使用により低下する場合がある。また、金属バンプが銅バンプである場合に、金線によるワイヤーボンディングを行った場合には、銅バンプと金線とのコンタクト性が不充分となる場合がある。
特許文献2は、アルミニウムパッドに直接、金線のワイヤーボンディングを行っている構成であるため、上述のように、アルミニウムパッドと金線との接合部分のコンタクト性が、長期に渡る使用により低下する場合がある。
特許文献3は、電極パッド上に金ボールバンプを備える構成であるため、電極パッドがアルミニウムパッドである場合には、上述のように、アルミニウムパッドと金バンプとの接合部分のコンタクト性は、長期に渡る使用により低下する場合がある。
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、長期信頼性に優れる半導体装置を提供することにある。
本発明によれば、半導体素子と、半導体素子に設けられた電極パッドと、電極パッド上に設けられ、金とPdとを含有する金属バンプと、金属バンプに接続し、金からなる表面を有する導電線と、を備える半導体装置が提供される。
この構成によれば、金属バンプは、金とPdとを含有するため、電極パッドと金属バンプとの接合部分のコンタクト抵抗の安定性が長期にわたり維持され、長期信頼性に優れる半導体装置が得られる。
また、本発明によれば、半導体素子に電極パッドを設ける工程と、電極パッド上に、金とPdとを含有する金属バンプを設ける工程と、金属バンプに金からなる表面を有する導電線を接続する工程と、を含む半導体装置の製造方法が提供される。
この方法によれば、電極パッド上に、金とPdとを含有する金属バンプを設ける工程を含むため、コンタクト抵抗の安定性が長期にわたり維持される電極パッドと金属バンプとの接合部分を形成でき、長期信頼性に優れる半導体装置を製造できる。
以上、本発明の構成について説明したが、これらの構成を任意に組み合わせたものも本発明の態様として有効である。また、本発明の表現を他のカテゴリーに変換したものもまた本発明の態様として有効である。
例えば、本発明の半導体装置は、単独の半導体素子を備える半導体装置であってもよいが、複数の半導体素子を備える半導体装置であってもよい。これらの半導体素子は互いに接続されていてもよいし、互いに接続されていなくてもよい。
本発明によれば、特定の組成からなる金属バンプを備えるため、長期信頼性に優れる半導体装置が得られる。
本発明において、金属バンプは、金を98質量%以上99.5質量%以下含み、Pdを0.5質量%以上2質量%以下含有することができる。
この構成によれば、長期にわたる使用においても、電極パッドと金属バンプとの接続部における腐食の発生が抑制されるため、電極パッドと金属バンプとのコンタクト抵抗の安定性が長期にわたり維持される。
また、電極パッドは、アルミニウムを含有してもよい。
この構成によれば、導電性、加工性および低コスト性に優れるアルミニウムからなる電極パッドを備える半導体装置を得ることができる。また、長期にわたる使用においても、アルミニウムからなる電極パッドと金属バンプとの接続部における腐食の発生が抑制されるため、電極パッドと金属バンプとのコンタクト抵抗の安定性が長期にわたり維持される。
また、上記導電線は、金線であってもよい。
この構成によれば、金線は成形性が良好であり、金線と上記組成からなる金属バンプとのコンタクト性も良好であるため、ワイヤーボンディングなどにより金線と金属バンプとの接続を好適に行うことができる。また、金線は導電性にも優れる。
また、上記導電線は、TABテープ上の導電線であってもよい。
この構成によれば、TABテープは成形性が良好であり、TABテープ上の金からなる表面を有する導電線と上記組成からなる金属バンプとのコンタクト性も良好であるため、TABボンディングなどによりTABテープ上の導電線と金属バンプとの接続を好適に行うことができる。
本発明において、上記半導体装置は、半導体素子と、電極パッドと、金属バンプと、導電線と、を封止する樹脂封止体をさらに備えてもよい。
この構成によれば、樹脂封止体により水分の侵入が抑制されるため、電極パッドと金属バンプとのコンタクト抵抗の安定性が長期にわたって維持される。
本発明において、上記半導体装置は、リード線と、リード線の端部に設けられ、導電線と接続し、金とPdとを含有する第二の金属バンプと、をさらに備えてもよい。
この構成によれば、リード線と金属バンプとの接続部における腐食の発生が抑制されるため、リード線と金属バンプとのコンタクト抵抗の安定性が長期にわたり維持される。
また、リード線の端部は、アルミニウムを含有してもよい。
この構成によれば、導電性、加工性および低コスト性に優れるアルミニウムからなるリード線を備える半導体装置を得ることができる。また、アルミニウムを含有するリード線の端部と金属バンプとの接続部における腐食の発生が抑制されるため、リード線と金属バンプとのコンタクト抵抗の安定性が長期にわたり維持される。
また、樹脂封止体は、リード線の端部と、第二の金属バンプと、をさらに封止してもよい。
この構成によれば、樹脂封止体により水分の侵入が抑制されるため、リード線の端部と金属バンプとのコンタクト抵抗の安定性が長期にわたり維持される。
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。尚、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。
<実施形態1>
図1は、本実施の形態に係る半導体装置を模式的に示した断面図である。
半導体装置100は、アイランド102の上に接着剤で接着された半導体チップ104を備える。半導体チップ104上面には、ワイヤーボンディング用のアルミニウムパッド106a、106bが形成されている。アルミニウムパッド106a、106b上には、それぞれ合金ボールバンプ108a、108bが形成されている。
半導体チップ104の両側には、半導体チップ104と間隔を空けてリード112a、112bが設けられている。リード112bの端部には、合金ボールバンプ118が設けられている。合金ボールバンプ118は、高純度金線110bにより合金ボールバンプ108bと接続されている。リード112aの端部は、高純度金線110aにより、合金ボールバンプ108aと接続されている。
上記のアイランド102、半導体チップ104、アルミニウムパッド106a、106b、合金ボールバンプ108a、108b、高純度金線110a、110b、リード112a、112bの端部は、樹脂封止体114により封止されている。
半導体装置100に用いられる合金ボールバンプ108a、108b、118は、たとえば99.99%以上の純度からなる高純度金に、Pdを混合溶融して得られる金線を用いて作成される。このため、アルミニウムパッド106a、106bと合金ボールバンプ108a、108bとの接合部分のコンタクト抵抗の安定性が長期にわたり維持される利点がある。なお、合金ボールバンプ108a、108bは、Ag、Cu、Fe、Mg、BeおよびCaからなる群から選ばれる1種以上の金属を微量に含んでいてもよい。
以下、本実施形態の構成による作用効果について説明する。
半導体装置100は、合金ボールバンプ108a、108bに高純度金線110a、110bが接続している。高純度金線110a、110bは、成形性に優れる。また、高純度金線110a、110bと、上記組成からなる合金ボールバンプ108a、108bとはコンタクト性も良好である。このため、高純度金線110a、110bは、ワイヤーボンディングにより容易に合金ボールバンプ108a、108bとコンタクト性よく接続しうる。よって、半導体装置100は、コンタクト性および製造安定性に優れる構成を有する利点がある。
一方、従来の半導体装置においては、半導体チップのアルミニウムパッドと金線とが直接に接合していたので、長期に渡り使用した場合に、微量の水分によりアルミニウムパッドと金線との接合部分のコンタクト性が低下する場合があった。
図8は、このようにアルミニウムパッドと金線とが直接に接合する構成を備える半導体装置について説明するための模式的な断面図である。
図8(a)は、Br腐食モードによるアルミニウムパッドと金線との接合部分のコンタクト性の低下のメカニズムを示す模式的な断面図である。このように、アルミニウムパッドと金線との接合部分の周囲の樹脂中にBrが含まれている場合、樹脂中のBrが触媒となり、ボンディングボール802と接触するアルミニウムパッド中の合金層が酸化され、腐食層804となる場合がある。
具体的には、下記の2式に示す化学反応が生じると考えられる。
Au4Al+3Br→AlBr3+4Au
2AlBr3+3O→Al23+6Br
このように、最終的には、アルミニウムパッドの表面にアルミナが生成してしまう。
図8(b)は、カーケンダールボイドモードによるアルミニウムパッドと金線との接合部分のコンタクト性の低下のメカニズムを示す模式的な断面図である。このように、ボンディングボール802とアルミニウムパッドとの接合部分におけるAuとAlとの拡散係数の差により接合部分の周囲にボイドが発生し、カーケンダールボイド層806となる場合がある。
図9は、従来の半導体装置におけるアルミニウムパッドと金線との接合部分のコンタクト性について説明するための写真断面図である。
図9(a)は、Br腐食モードによるアルミニウムパッドと金線との接合部分のコンタクト性の低下のメカニズムを示す写真断面図である。このように、ボンディングボール902と接触するアルミニウムパッド中の合金層が酸化され、腐食層904となる場合がある。
図9(b)は、カーケンダールボイドモードによるアルミニウムパッドと金線との接合部分のコンタクト性の低下のメカニズムを示す写真断面図である。このように、ボンディングボール902とアルミニウムパッドとの接合部分におけるAuとAlとの拡散係数の差により接合部分の周囲にボイドが発生し、カーケンダールボイド層906となる場合がある。
これに対して、本実施形態の半導体装置においては、金線のボンディングボールとアルミニウムパッドとの間に、金とPdとを含有する合金ボールバンプが設けられているため、アルミニウムパッドと合金ボールバンプとの接合部分のコンタクト抵抗の安定性が長期にわたり維持される。また、金線のボンディングボールと金とPdとを含有する合金ボールバンプとのコンタクト性も良好である。よって、この構成によれば、長期信頼性に優れる半導体装置が得られる。
金線のボンディングボールとアルミニウムパッドとの間に、金とPdとを含有する合金ボールバンプが設けられている場合には、下記のメカニズムによりアルミニウムパッドと合金ボールバンプとの接合部分のコンタクト抵抗の安定性が長期にわたり維持されると考えられる。
図10は、本実施形態において、アルミニウムパッドと合金ボールバンプとの接合部分のコンタクト抵抗の安定性が長期にわたり維持されるメカニズムを説明する参考とするための写真断面図である。
図10には、金とPdとを含有する合金線をアルミニウムパッドにワイヤーボンディングした場合の、合金線のボンディングボール1002とアルミニウムパッドとの接合部分が拡大して示されている。Pd元素濃度の濃い箇所ほど白く示されており、ボンディングボール1002とアルミニウムパッドとの接合部分に沿ってPdリッチな層1004が形成されていることがわかる。
一般には、AuとAlが拡散していく時、AuとAlとの合金層においては、Alの方が絶対量が少なく、Auリッチな層ができる。ところが、本実施形態においては、合金線にPdが含有されることによって、ボンディングボール1002とアルミニウムパッドとの界面近傍にPdリッチな層1004が形成される。このPdリッチな層1004は、上部のボンディングボール1002からのAuの拡散を抑制することで、AuとAlとの合金層がAuリッチとなることを抑制する。なぜなら、PdはAuに拡散しにくい性質を有するからである。このため、ボンディングボール1002とアルミニウムパッドとの接合部分においてボイドの発生が抑制される。
また、半導体装置100は、樹脂封止体114を備える場合には、合金ボールバンプ108a、108bとアルミニウムパッド106a、106bとの接合部分における腐食がさらに抑制され、コンタクト抵抗の安定性がさらに長期にわたり維持される。
また、半導体装置100は、このように、合金ボールバンプ118が、たとえば99.99%以上の純度からなる高純度金に、Pdを溶融混合して得られる合金線を用いて作成されているので、リード112bと合金ボールバンプ118との接合部分のコンタクト抵抗の安定性が長期にわたり維持される。なお、合金ボールバンプ118には、他にもAg、Cu、Fe、Mg、BeおよびCaからなる群から選ばれる1種以上の金属が含まれていてもよい。
また、アルミニウムからなるリード112bの端部と合金ボールバンプ118との接合部分のコンタクト抵抗の安定性も同様に長期にわたり維持される。
この箇所においても、高純度金線110bが合金ボールバンプ118に接続している。高純度金線110a、110bは、成形性に優れる。また、高純度金線110a、110bと、上記組成からなる合金ボールバンプ118とはコンタクト性も良好である。このため、高純度金線110a、110bは、ワイヤーボンディングにより容易に合金ボールバンプ118とコンタクト性よく接続しうる。このため、本実施形態に係る半導体装置100は、このような構造を備える場合にはさらに長期信頼性に優れる利点がある。
ここで、アルミニウムパッド106a、106b上およびリード112b端部に形成する合金ボールバンプ108a、108b、118の材料となる金線、金ボールまたは金めっきなどの組成は、特に限定しないが、例えば、金を98質量%以上99.5質量%以下含み、Pdを0.5質量%以上2質量%以下含有する組成とすることができる。
また、銀が30PPM以下、銅が20PPM以下、鉄が10PPM以下、マグネシウムが20PPM以下、ベリリウムが20PPM以下、カルシウムが40PPM以下含有された組成とすることができる。
この場合、このような組成からなる金線を用いて、金線、金ボールまたは金めっきにより合金ボールバンプ108a、108b、118を形成することができる。
このような組成の場合には、合金ボールバンプ108a、108bとアルミニウムパッド106a、106bとの接合部分、および合金ボールバンプ118と高純度金線110bとの接合部分における腐食が効果的に抑制され、コンタクト抵抗の安定性がさらに長期にわたって維持される。
また、このような組成であれば、導電性および成形性にも優れる。さらに、後述する金線とのコンタクト性も良好となる。よって、導電性、成形性、長期信頼性のバランスに優れた合金ボールバンプ108a、108b、118を形成することができる。
また、半導体装置100は、アルミニウムパッド106a,106bおよびリード112b上に形成された合金ボールバンプ108a、108b、118に99.99%程度の高純度金線110a、110bによりワイヤーボンディングを行う。
このような組成の金線を用いると、ワイヤーボンディングなどに用いた場合の成形性がよく、また合金ボールバンプ108a、108bとのコンタクト性にも優れる。さらに、このような組成の金線は、導電性にも優れる。
一方、上述のアルミニウムパッド106a、106bとの接合部分のコンタクト性の低下を抑制するためには、合金ボールバンプ108a、108bを設けることなく、高純度金線110にパラジウムや銀、銅等の金属を2%以下溶融混合して得られる金線を用いることも可能である。しかし、この場合には、高純度金線にこれらの金以外の異種金属を微量に溶融混合すると、金線の硬度が増し、所望の金線形状を得られない場合がある。
図11は、材料の異なる導電線によるワイヤーボンディングの作業性を比較した結果を示したグラフ図である。
図11に示したように、純金線を直接アルミニウムパッドにワイヤーボンディングした場合のU−Barは、金とPdとを含有する合金線よりも大きい。このように、合金線は純金線に比べると、堅くてもろい場合があり、半導体装置組み立て工程中のワイヤーボンディングの作業性が純金線に比べると低下する場合がある。
なお、U−Barとは、半導体装置の製造ラインにおけるワイヤーボンディング工程のチョコ停(一時的にラインを停止する必要のある不具合の発生を意味する)から次のチョコ停までに行うことができる作業数を意味する。
たとえば、1時間に2000回作業を行うとして、1時間に3回のチョコ停が発生すると、U−Barの値は、2000/3≒667となる。U−Barの値は高いほど作業性が良好となり、好ましい。
これに対して、本実施形態に係る半導体装置100は、高純度金線110a、110bを用いているため、ワイヤーボンディングにより容易に合金ボールバンプ108a、108bとのコンタクト性が良好な接続を形成可能であり、コンタクト性および成形性に優れる構成を有する。また、合金ボールバンプ108a、108bを備えるので、アルミニウムパッド106a、106bとの接合部分における腐食が抑制され、コンタクト抵抗の安定性が長期にわたり維持される。
このため、半導体装置100は、ワイヤーボンディングなどに適するコンタクト性、導電性、製造安定性および長期信頼性などに優れる構成を備える。
すなわち、本実施形態の半導体装置100によれば、金とPdとを含有する合金ボールバンプと、高純度金線と、からなる二つの要素の組合せ構造により、電極パッドがアルミニウムパッドである場合にも、従来は実現が困難であった、ワイヤーボンディングの際の製造安定性と長期信頼性とのバランスに優れる半導体装置を提供することができる。
また、高純度金線110a、110b以外にも、薄いリボン状の樹脂などからなる細線に高純度金めっき等を施してなる導電線を用いても良い。
また、高純度金線110a、110b以外にも、高純度金からなる導電線を備える樹脂テープなどからなるTABテープを用いてもよい。TABテープは成形性に優れるため、良好なTABボンディングに用いることができる。TABテープ上の導電線の表面が高純度金めっき等に覆われていれば、導電性に優れ、合金ボールバンプ108a、108b、118とのコンタクト性に優れる。
なお、TABとは、Tape Automated Bondingの略であり、耐熱フィルムをベース基板に用いたIC・LSIの薄型実装方式を意味する。
本実施形態に用いるアルミニウムパッド106a、106bおよびリード112bは、純粋なアルミニウム金属を材料としてもよく、アルミニウムと他の金属との合金などを材料としてもよい。
ここで、従来の半導体装置においては、アルミニウムパッドと金線との接合部において、通常は微量な水分の侵入により腐食が生じる場合があった。
しかし、本実施形態の半導体装置100においては、特定の組成の合金ボールバンプ108a、108bでアルミニウムパッド106a、106b近傍を接合し、その上に高純度金線110a、110bでワイヤーボンディングを行う。このため、高純度金線110a、110bとアルミニウムパッド106a、106bとの距離を確保できるために、接合部分の腐食を回避できる。
リード112bがアルミ系の金属で構成されている場合は、リード112bの端部に、異種金属元素を含む金線などを用いて、合金ボールバンプ118を形成すれば、同様に腐食を抑制できる。合金ボールバンプ118を形成する代わりに、同様の組成からなる合金めっきをリード112bの端部に施しても同様の作用効果を得る。
なお、リード112aのように、合金ボールバンプを形成せずに、直接高純度金線110aを接続してもよいが、コンタクト性の面からは、リード112bのように、合金ボールバンプ118を設けることが効果的である。
このとき、ワイヤーボンディングは、半導体チップ104側から開始し、リード112a、112b側へボンディングするノーマルボンディングにて行ってもよい。または、リード112a、112b側から開始し、半導体チップ104側へボンディングするリバースボンディングで行ってもよい。
また、リード112a、112b側には、純粋なアルミニウムからなるリードの代わりに、鉄系合金または銅系合金、アルミ系合金等の金属を使用したQFP等の構造からなるリード112a、112bが設けられていてもよい。この場合にも、半導体装置100は、信頼性に優れるモールド系半導体装置として動作し得る。
リード112a、112b側には、純粋なアルミニウムからなるリードの代わりに、セラミックス基板またはガラスエポキシ基板に銅やニッケル、アルミ、金、チタンなどの金属配線を施し、リードとしたリード112a、112bが設けられていてもよい。この場合にも、半導体装置100は、全体を樹脂封止した場合には、信頼性に優れるモールド系のBGA形式の半導体装置として動作し得る。
また、半導体装置100は、樹脂封止体114を備えるため、合金ボールバンプ108a、108bとアルミニウムパッド106a、106bとの接合部分にくわえ、合金ボールバンプ118と高純度金線110bとの接合部分における腐食も同様に抑制され、コンタクト抵抗の安定性が一層良好となる。
本実施形態の半導体装置100を封止する樹脂封止体114は、絶縁性を有する樹脂または樹脂組成物であれば、任意の樹脂封止体114で封止することができる。たとえばエポキシ樹脂等の有機材で樹脂封入するタイプとしてもよい。このようなエポキシ樹脂等の有機材からなる樹脂封止体114は、絶縁性、成形性および耐湿性に優れるため、信頼性に優れる半導体装置100を実現できる。
<実施形態2>
図2および図3は、本実施の形態に係る半導体装置の製造方法を示した工程断面図である。
図2(a)は、リードフレームにチップを搭載接合する断面図である。実施形態1に係る半導体装置100を製造するには、図2(a)に示すように、アイランド102上に半導体チップ104を設ける。アイランド102と半導体チップ104とは、たとえば接着剤などにより接合する。半導体チップ104上面には、アルミニウムパッド106a、106bを形成する。また、半導体チップ104とは間隔を空けて、アルミニウムなどからなるリード112a、112bを設ける。
図2(b)は、合金をワイヤボンダによりボールを形成し高温状態で接合した断面図である。図2(b)に示すように、アルミニウムパッド106a、106bの上およびリード112bの上にワイヤボンダやウエファボンダを用いて、特定の組成構成を有する合金線で合金ボールバンプ108a、108bおよび合金ボールバンプ118を形成する。なお、特定の組成構成とは、高純度金にPd、Ag、Cu、Fe、Mg、BeおよびCaからなる群から選ばれる1種以上の金属を添加してなる合金を含む組成構成を意味する。
合金ボールバンプ108a、108bおよび合金ボールバンプ118は、金めっき方式にて形成してもよい。なお、リード112bの端部には、合金ボールバンプ118を形成しなくてもよい。また、リード112aの端部にも合金ボールバンプを形成してもよい。
図3(c)は、高純度金線をワイヤボンダにより形成する図である。図3(c)に示すように、高純度金線110a、110bを用いて、ワイヤボンダにて半導体チップ104上の合金ボールバンプ108a、108bからリード112aの端部およびリード112bの端部に設けられた合金ボールバンプ118に向かってワイヤリングを行う。
このとき、たとえば、左側のリード112aにおいては、アルミニウムパッド106a上にのみ合金ボールバンプ108aが形成されたところに、半導体チップ104側からリード112a側へ高純度金線110aによるワイヤーボンディングを行う。
または、リード112a、112bの側から半導体チップ104上の合金ボールバンプ108a、108bに向かってリバースボンディングによるワイヤリングを行う。
図3(d)は、全体を樹脂封止しリードを所定の形状に形成した断面図である。図3(d)に示すように、リード112a、112bの外側の端部をのぞく半導体装置100全体を、樹脂封止体114により樹脂封止する。さらに、リード112a、112bの外側の端部を所定の形状に形成する。
この方法によれば、アルミニウムパッド106a、106bの上面に、高純度金にPd、Ag、Cu、Fe、Mg、BeおよびCaからなる群から選ばれる1種以上の金属を添加してなる合金を含む、合金ボールバンプ108a、108bを設ける工程を含むため、長期にわたる使用におけるコンタクト性の低下が抑制されたアルミニウムパッド106a、106bと合金ボールバンプ108a、108bとの接合部分を形成することができ、長期信頼性に優れる半導体装置100を製造できる。
また、リード112bの端部に、高純度金にPd、Ag、Cu、Fe、Mg、BeおよびCaからなる群から選ばれる1種以上の金属を添加してなる合金を含む、合金ボールバンプ118を設けた構成を備えるため、長期にわたる使用におけるコンタクト性の低下が抑制されたリード112bと合金ボールバンプ118との接合部分を有することとなり、長期信頼性に優れる半導体装置100が得られる。
また、成形性に優れる高純度金線110a、110bによりワイヤーボンディングを行っているので、合金ボールバンプ108a、108bとのコンタクト性に優れるワイヤーボンディングを容易に行うことができる。
半導体装置100の左側に関しては、アルミニウムパッド106aの上に合金ボールバンプ108aが形成されており、リード112aには合金ボールバンプが形成されておらず、これに高純度金線110aにてリード112a側から半導体チップ104側へリバースボンディングを行う。
半導体装置100の右側に関しては、アルミニウムパッド106bの上とリード112bに合金ボールバンプ108b、118が形成されており、これに高純度金線110bにてリード112b側から半導体チップ104側へリバースボンディングを行う。
このとき、同一の半導体チップ104で、上記半導体装置100の左側の構成と同じになるように両側をボンディングしても良いし、上記半導体装置100の右側の構成と同じになるように両側をボンディングしても良い。また、上記半導体装置100の左側の構成と右側の構成とを混合して使用しても良い。
また、樹脂封止体114により、リード112a、112bの外側の端部をのぞく半導体装置100全体を封止するため、水分の侵入を効果的に抑制できる。このため、長期にわたる使用において、アルミニウムパッド106a、106bと合金ボールバンプ108a、108bとのコンタクト性の低下が抑制され、信頼性の高い半導体装置100を製造できる。また、リード112bと合金ボールバンプ118とのコンタクト性の低下が抑制され、信頼性の高い半導体装置100が得られる。
<実施形態3>
図7は、本実施の形態の変形例に係る半導体装置の製造方法を示した工程断面図である。
本実施形態に係る半導体装置500は、基本的には、実施形態1に係る半導体装置100と同様の構成であるが、複数の半導体チップ104a、104bを備える点において異なる。
半導体装置500は、アイランド102の上面および下面にそれぞれ半導体チップ104a、104bを備える。これらの半導体チップ104a、104bは、アイランド102の上面および下面に、たとえば接着剤などにより接合されている。
半導体チップ104aの上面には、アルミニウムパッド106a、106bが設けられている。アルミニウムパッド106a、106b上にはそれぞれ合金ボールバンプ108a、108bが形成されている。
一方、半導体チップ104bの下面には、アルミニウムパッド106c、106dが設けられている。アルミニウムパッド106c、106dの下にはそれぞれ合金ボールバンプ108c、108dが形成されている。
半導体チップ104a、104bとは間隔を空けて、アルミニウムなどからなるリード112a、112bが設けられている。リード112bの端部の上面および下面には、それぞれ合金ボールバンプ118a、118bが形成されていてもよい。
合金ボールバンプ118a、118bは、それぞれ合金ボールバンプ108b、108dと、高純度金線110b、110dを用いて、ワイヤーボンディングにより接続されている。
リード112aの端部は、合金ボールバンプ108a、108bと、高純度金線110a、110cを用いて、ワイヤーボンディングにより接続されている。
半導体装置500は、リード112a、112bの外側端部をのぞいて、樹脂封止体114により封止されている。
この構成によれば、アルミニウムパッド106a、106b、106c、106dの上面に、高純度金にPd、Ag、Cu、Fe、Mg、BeおよびCaからなる群から選ばれる1種以上の金属を添加してなる合金を含む、合金ボールバンプ108a、108b、108c、108dを設ける工程を含むため、長期にわたる使用におけるコンタクト性の低下が抑制されたアルミニウムパッド106a、106b、106c、106dと合金ボールバンプ108a、108b、108c、108dとの接合部分を形成することができ、長期信頼性に優れる半導体装置500を製造できる。
また、リード112bの端部に、高純度金にPd、Ag、Cu、Fe、Mg、BeおよびCaからなる群から選ばれる1種以上の金属を添加してなる合金を含む、合金ボールバンプ118a、118bを設けた構成からなるため、長期にわたる使用におけるコンタクト性の低下が抑制されたリード112bと合金ボールバンプ118a、118bとの接合部分を有することとなり、長期信頼性に優れる半導体装置500が得られる。
また、成形性に優れる高純度金線110a、110b、110c、110dによりワイヤーボンディングを行っているので、合金ボールバンプ108a、108b、108c、108d、118a、118bとのコンタクト性に優れるワイヤーボンディングを容易に行うことができる製造安定性に優れた半導体装置500が得られる。
また、樹脂封止体114により、リード112a、112bの外側の端部をのぞく半導体装置500全体を封止する構成からなるため、水分の侵入を効果的に抑制できる。このため、長期にわたる使用において、アルミニウムパッド106a、106b、106c、106dと合金ボールバンプ合金ボールバンプ108a、108b、108c、108dとのコンタクト性の低下が抑制され、信頼性の高い半導体装置500が得られる。また、リード112bと合金ボールバンプ118a、118bとのコンタクト性の低下が抑制され、信頼性の高い半導体装置500が得られる。
以上、本発明の構成について説明したが、これらの構成を任意に組み合わせたものも本発明の態様として有効である。また、本発明の表現を他のカテゴリーに変換したものもまた本発明の態様として有効である。
例えば、上記実施の形態ではアイランド102の上面および下面に半導体チップ104a、104bを設ける構成としたが、アイランド102の上面に半導体チップ104a、104bを積層してなる構成としてもよい。このとき、半導体チップ104a、104bは、ともにフェイスアップした形で積層されてもよい。あるいは、半導体チップ104a、104bは、半導体チップ104bがフェイスダウンした形で積層されてもよい。このようにすれば、半導体チップ104a、104bを、たとえば半導体チップ104bの貫通電極による接続やフェイスダウン接続などにより互いに容易に短い経路で接続することができ、信号伝達速度の高速化を図ることができるという利点が得られる。
以下、本発明を実施例によりさらに説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
<実験例1>
アルミニウムパッド上に、金99質量%とPd1質量%とを含む合金線を用いて作成した合金ボールパッドを設け、その合金ボールパッドに純度99.99%以上の高純度金線によりワイヤーボンディング接続を行って、基板にワイヤーボンディングされた半導体チップを備える試験サンプル(I)を作成した。
<実験例2>
アルミニウムパッド上に、金99.8質量%とPd0.2質量%とを含む合金線を用いて作成した合金ボールパッドを設け、その合金ボールパッドに純度99.99%以上の高純度金線によりワイヤーボンディング接続を行って、基板にワイヤーボンディングされた半導体チップを備える試験サンプル(II)を作成した。
<実験例3>
アルミニウムパッド上に、純度99.99%以上の高純度金線を用いて作成した金ボールパッドを設け、その合金ボールパッドに純度99.99%以上の高純度金線によりワイヤーボンディング接続を行って、基板にワイヤーボンディングされた半導体チップを備える試験サンプル(III)を作成した。
<評価結果>
上記のようにして得た試験サンプル(I)〜(III)を150℃、175℃、200℃などの幾つかの温度条件において加熱処理して、加速安定性試験を行った。そして、168時間、500時間、1000時間、2000時間、30000時間などの幾つかの時点で、試験サンプル(I)〜(III)を一時取り出し、それぞれ20個ずつのボンディングボールの断面を観察し、Br腐食またはカーケンダールボイドの発生があるか否かを顕微鏡で確認した。
Br腐食またはカーケンダールボイドの確認されたボンディングボールをそれぞれ欠点数として対数正規プロットし、欠点発生時間L(10)を以下のように定義した。
L(10):電気的特性は無視して、半導体チップ全体のボンディングボールの中で10%のボンディングボールにBr腐食またはカーケンダールボイドが発生する時間として定義した。
このようにして求めた、試験サンプル(I)〜(III)のL(10)の評価結果を図12に示す。
図12は、材料の異なる合金ボールバンプによるワイヤーボンディングのコンタクト抵抗の安定性を比較した結果を示したグラフ図である。
このように、Pdを1質量%含む合金ボールバンプを備える試験サンプル(I)は、高純度金からなる金ボールバンプを備える試験サンプル(III)に比べて、半導体チップのワイヤーボンディング箇所の寿命を推定する指標となるL(10)の値が大きい。
よって、Pdを1質量%含む合金ボールバンプを備える半導体装置は、高純度金からなる金ボールバンプを備える半導体装置よりも、長期信頼性に優れることがわかる。
また、Pdを1質量%含む合金ボールバンプを備える試験サンプル(I)は、Pdを0.2質量%含む合金ボールバンプを備える試験サンプル(II)に比べて、半導体チップのワイヤーボンディング箇所の寿命を推定する指標となるL(10)の値が大きい。
よって、合金ボールバンプを備える半導体装置は、Pdを0.2質量%含む合金ボールバンプを備える半導体装置よりも、長期信頼性に優れることがわかる。
以上、本発明を実施例に基づいて説明した。この実施例はあくまで例示であり、種々の変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。
たとえば、上記実施例では、合金ボールバンプとしてPdを1質量%含む合金ボールバンプを用いたが、Pd以外の元素を微量であれば含有していてもよい。たとえば、Ag、Cu、Fe、Mg、BeおよびCaからなる群から選ばれる1種以上の金属が含まれていてもよい。この場合、それぞれの元素の特性に応じた合金ボールバンプの特性の改善効果が期待される。
実施の形態に係る半導体装置を模式的に示した断面図である。 実施の形態に係る半導体装置の製造方法を示した工程断面図である。 実施の形態に係る半導体装置の製造方法を示した工程断面図である。 従来の半導体装置を模式的に示した断面図である。 従来の半導体装置を模式的に示した断面図である。 従来の半導体装置を模式的に示した断面図である。 実施の形態の変形例に係る半導体装置の製造方法を示した工程断面図である。 従来の半導体装置におけるアルミニウムパッドと金線との接合部分のコンタクト性について説明するための模式的な断面図である。 従来の半導体装置におけるアルミニウムパッドと金線との接合部分のコンタクト性について説明するための写真断面図である。 実施形態において電極パッドと金属バンプとの接合部分のコンタクト抵抗の安定性が長期にわたり維持されるメカニズムを説明する参考とするための写真断面図である。 材料の異なる導電線によるワイヤーボンディングの作業性を比較した結果を示したグラフ図である。 材料の異なる合金ボールバンプによるワイヤーボンディングのコンタクト抵抗の安定性を比較した結果を示したグラフ図である。
符号の説明
100 半導体装置
102 アイランド
104 半導体チップ
106 アルミニウムパッド
108 合金ボールバンプ
110 高純度金線
112 リード
114 樹脂封止体
118 合金ボールバンプ
200 高周波回路装置
201 ベースプレート
204 高周波用半導体基板
206 高周波用回路基板
205 高周波伝送線路
207 ボンディングワイヤ
208 ボンディングパッド
209 ワイヤーボンディング始点
211 金属バンプ
300 半導体装置
301 配線基板
302 接続パッド
303 半導体チップ
304 金ボールバンプ
306 半導体チップ
307 接着剤
308 ボンディングワイヤ
309 接着性樹脂層
310 電極パッド
400 半導体装置
401 半導体チップ
402 電極パッド
404 ボンディングワイヤ
405 リード
406 接着テープ
407 樹脂封止体
408 半田ボール
410 絶縁膜
414 金ボールバンプ
415 ワイヤーボンディング始点
500 半導体装置
802 ボンディングボール
804 腐食層
806 カーケンダールボイド層
902 ボンディングボール
904 腐食層
906 カーケンダールボイド層
1002 ボンディングボール
1004 Pdリッチな層

Claims (15)

  1. 半導体素子と、
    前記半導体素子に設けられた電極パッドと、
    前記電極パッド上に設けられ、金とパラジウムとを含有する金属バンプと、
    前記金属バンプに接続し、金からなる表面を有する導電線と、
    を備えることを特徴とする半導体装置。
  2. 請求項1に記載の半導体装置において、
    前記金属バンプは、金を98質量%以上99.5質量%以下含み、パラジウムを0.5質量%以上2質量%以下含有することを特徴とする半導体装置。
  3. 請求項1または2に記載の半導体装置において、
    前記電極パッドは、アルミニウムを含有することを特徴とする半導体装置。
  4. 請求項1乃至3いずれかに記載の半導体装置において、
    前記導電線は、金線であることを特徴とする半導体装置。
  5. 請求項1乃至3いずれかに記載の半導体装置において、
    前記導電線は、TABテープ上の導電線であることを特徴とする半導体装置。
  6. 請求項1乃至5いずれかに記載の半導体装置において、
    前記半導体素子と、前記電極パッドと、前記金属バンプと、前記導電線と、を封止する樹脂封止体をさらに備えることを特徴とする半導体装置。
  7. 請求項1乃至6いずれかに記載の半導体装置において、
    リード線と、
    前記リード線の端部に設けられ、前記導電線と接続し、金とパラジウムとを含有する第二の金属バンプと、
    をさらに備えることを特徴とする半導体装置。
  8. 請求項7に記載の半導体装置において、
    前記リード線の端部は、アルミニウムを含有することを特徴とする半導体装置。
  9. 請求項7または8に記載の半導体装置において、
    前記樹脂封止体は、前記リード線の端部と、前記第二の金属バンプと、をさらに封止することを特徴とする半導体装置。
  10. 半導体素子に電極パッドを設ける工程と、
    前記電極パッド上に、金とパラジウムとを含有する金属バンプを設ける工程と、
    前記金属バンプに金からなる表面を有する導電線を接続する工程と、
    を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
  11. 請求項10に記載の半導体装置の製造方法において、
    前記導電線を接続する工程は、金線をワイヤーボンディングする工程を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
  12. 請求項10に記載の半導体装置の製造方法において、
    前記導電線を接続する工程は、TABテープ上の導電線をTABボンディングする工程を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
  13. 請求項10乃至12いずれかに記載の半導体装置の製造方法において、
    前記半導体素子と、前記電極パッドと、前記金属バンプと、前記導電線と、を樹脂封止体により封止する工程をさらに含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
  14. 請求項10乃至13いずれかに記載の半導体装置の製造方法において、
    リード線の端部に、金とパラジウムとを含有する第二の金属バンプを設ける工程と、
    前記第二の金属バンプに前記導電線を接続する工程と、
    をさらに含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
  15. 請求項14に記載の半導体装置の製造方法において、
    前樹脂封止体により封止する工程は、前記リード線の端部と、前記第二の金属バンプと、を前記樹脂封止体により封止する工程を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
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