JP2007053130A - 接合構造および接合方法 - Google Patents

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electrode
layer
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Masanori Nano
匡紀 南尾
Hiroaki Fujimoto
博昭 藤本
Atsuhito Mizutani
篤人 水谷
Naoki Fujitani
尚樹 藤谷
Toshiyuki Fukuda
敏行 福田
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Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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Abstract

【課題】低コストでＳｉとＡｌとの確実な接合を可能とする接合構造および接合方法を提供する。
【解決手段】Ａｌワイヤ２０をウェッジツールによってＳｉ電極４０に押し付け超音波を印加して接合させる。これにより、接合部３０にはＡｌ／Ａｌ酸化物／Ｓｉ酸化物／Ｓｉの順番で物質が積み重なって強固な接合構造となる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、接合構造および接合方法に関するものであり、特にＡｌとＳｉとの接合構造および接合方法に関する。
近年、微小且つ精密な装置を作製する技術として、Ｍｉｃｒｏ−Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ（ＭＥＭＳ）技術が注目され、盛んに研究が行われている。ＭＥＭＳ技術は、特許文献１に示すように、半導体加工、機械加工、電気回路などの複数種の技術を融合した技術が主流を占めており、この主流となる技術の大きな特徴は、シリコンウェファをエッチングすることにより装置の構造を作り込んでいくところにある。
このようにシリコンウェファに装置の構造を作り込むと、この装置を駆動・制御などする電子回路も同じシリコンウェファ上に一体に形成することができるので、装置の小型化などの点でもメリットがあり、例えば携帯電話のマイクロフォン等に用いられるようになってきている（特許文献２参照）。
特開２００５−１９３３３６号公報 特開２００２−２７５９５号公報
しかしながら、ＭＥＭＳ技術においてはシリコンウェファに装置構造をエッチングによって作り込むためシリコンだけではなく半導体装置の配線となるアルミニウムや銅なども除去されてしまい、装置構造が出来上がった時点においては装置の電極部はシリコンまたは二酸化シリコンが占めることになる。この装置に外部から電力を導入したり電気信号の入出力を行うためには外部回路となんらかの方法で接続を行う必要があるが、最も簡単で確実な接続である金線によるワイヤボンディングを行うには、装置の電極部分にめっきなどでＡｕやＡｌなどの金属層を形成する必要がある。このような金属層を形成するとコストが大きく上昇し、装置の値段が高くなってしまうという問題があった。
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、低コストでＳｉとＡｌとの確実な接合を可能とする接合構造および接合方法を提供することにある。
上記の課題を解決するために、本発明の第１の接合構造は、ＡｌとＳｉとの接合構造であって、ＡｌとＳｉの間には、Ａｌ酸化物からなる層とＳｉ酸化物からなる層とが存しており、Ａｌ／Ａｌ酸化物からなる層／Ｓｉ酸化物からなる層／Ｓｉという順番で積み重なっている構成とした。
前記Ａｌ酸化物からなる層と前記Ｓｉ酸化物からなる層はそれぞれ略均一の厚みで広がっていることが好ましい。
前記Ａｌ酸化物からなる層と前記Ｓｉ酸化物からなる層とを合わせた厚みが０．１ｎｍ以上１０ｎｍ以下であることが好ましい。
前記Ｓｉの前記Ａｌと接合していない部分の表面に存する自然酸化膜の厚みが、前記Ｓｉ酸化物からなる層の厚みよりも大きいことが好ましい。
前記Ａｌのうち、少なくとも前記Ａｌ酸化物からなる層に接している部分にはＳｉが含まれている。
前記Ｓｉのうち前記Ｓｉ酸化物からなる層に接している部分にはＡｌが含まれている。
本発明の第２の接合構造は、Ｓｉを含むＡｌワイヤとＳｉ電極との接合構造であって、前記Ａｌワイヤと前記Ｓｉ電極との接合部では、当該Ａｌワイヤが押しつぶされて変形されており、前記Ａｌワイヤの変形されている部分のＳｉ含有率は、変形されていない部分のＳｉ含有率よりも大きい。
ある好適な実施形態において、前記Ａｌワイヤと前記Ｓｉ電極との接合部には、Ａｌ酸化物からなる層とＳｉ酸化物からなる層とが互いに接して存しており、前記Ａｌワイヤと前記Ａｌ酸化物からなる層とは接しており、前記Ｓｉ電極と前記Ｓｉ酸化物からなる層とは接している。
前記Ａｌ酸化物からなる層と前記Ｓｉ酸化物からなる層とを合わせた厚みが０．１ｎｍ以上１０ｎｍ以下であることが好ましい。
前記Ａｌワイヤが押しつぶされて変形されている部分のワイヤ幅は、変形していない部分のワイヤ径の１．５倍以上であることが好ましい。
前記Ａｌワイヤが押しつぶされて変形されている部分のワイヤは、前記電極部の外側にも存していることが好ましい。
本発明の接合方法は、ＡｌとＳｉとの接合方法であって、Ａｌからなる部材とＳｉからなる部材とを接触させる工程と、酸素雰囲気下において、圧着振動部材によって前記Ａｌからなる部材を前記Ｓｉからなる部材に押し付け、且つ該圧着振動部材によって前記Ａｌからなる部材に超音波を印加するボンディング工程とを含み、前記ボンディング工程では、前記Ａｌからなる部材と前記Ｓｉからなる部材との間にＡｌ酸化物からなる層とＳｉ酸化物からなる層とを形成する。
ある好適な実施形態において、前記ボンディング工程では、前記Ｓｉからなる部材の表面に存するＳｉの自然酸化膜を除去して前記Ａｌ酸化物からなる層と前記Ｓｉ酸化物からなる層とを形成する。
ある好適な実施形態において、前記ボンディング工程において、前記圧着振動部材は前記Ａｌからなる部材を前記Ｓｉからなる部材に対して０．１４Ｎ以上０．４Ｎ以下の力によって押し付けて、３０ｍｓ以上５０ｍｓ以下の間超音波を印加する。
ＡｌとＳｉとの間に、Ａｌ酸化物層およびＳｉ酸化物層が、Ａｌ／Ａｌ酸化物／Ｓｉ酸化物／Ｓｉという順番で積み重なっているので、ＡｌとＳｉとが強固に接合することになる。この接合方法は簡単に且つ低コストで行うことができる。
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。以下の図面においては、説明の簡潔化のため、実質的に同一の機能を有する構成要素を同一の参照符号で示す。
（実施形態１）
実施形態１は、半導体装置が形成されたＳｉ基板の表面に形成されているＳｉ電極にＡｌワイヤをウエッジボンディングにより接合させる接合方法と、接合構造とに関するものである。
本実施形態においては、図１に示すようにＳｉ基板１０上に形成されているＳｉ電極４０にＡｌワイヤ２０が接合されている。Ｓｉ電極４０には電気特性の良いポリシリコン（多結晶シリコン）が使われている。Ａｌワイヤ２０には１％の割合でＳｉが含まれて合金となっている。これは、Ａｌワイヤの曲げ強度などの機械的特性を向上させたり接合性を向上させるためである。接合部３０は後述のウェッジツールによって押しつぶされて変形している。この接合部３０においてＡｌワイヤ２０とＳｉ電極４０とは機械的に強固に接着されており、Ｓｉ基板１０を振動させたりＡｌワイヤ２０を多少引っ張ってもＡｌワイヤ２０がＳｉ電極４０から離れてしまうことはない。
図５（ａ）は図１のＡ−Ａ線断面の拡大図、図５（ｂ）はＢ−Ｂ線断面の拡大図である。図５（ａ）からわかるように、接合部３０においてはＡｌワイヤ２０とＳｉ基板１０（Ｓｉ電極４０）との間にＡｌ酸化物からなる層２４とＳｉ酸化物からなる層１４とが存している。元素記号で表すと、Ａｌ酸化物からなる層２４はＡｌ2Ｏ3などで構成されており、Ｓｉ酸化物からなる層１４はＳｉＯ2などから構成されている。これらの層１４，２４の積み重なっている順番は、Ａｌワイヤ２０／Ａｌ酸化物からなる層２４／Ｓｉ酸化物からなる層１４／Ｓｉ基板１０という順番であり、Ａｌ酸化物からなる層２４はＳｉ酸化物からなる層１４とＡｌワイヤ２０と接しており、Ｓｉ酸化物からなる層１４はさらにＳｉ基板１０と接している。
Ａｌ酸化物からなる層２４とＳｉ酸化物からなる層１４とは、接合部３０の外縁部分を除いて、いずれもほぼ均一な厚みで接合部３０全体に広がっている。本実施形態においては、Ａｌ酸化物からなる層２４の厚みＴ２とＳｉ酸化物からなる層１４の厚みＴ１とはそれぞれ約０．４ｎｍおよび約０．６ｎｍであり、両方合わせて約１ｎｍである。一方、Ｓｉ基板１０のうちＡｌワイヤ２０と接合していない部分は、図５（ｂ）に示すように表面にＳｉの自然酸化膜１２が存しており、その厚みＴ３は約１ｎｍであり、Ｓｉ酸化物からなる層１４の厚みＴ１よりも厚い。これは、Ｓｉの自然酸化膜１２上に超音波と荷重とを加えながらＡｌワイヤ２０を押し付けた時点で一旦Ｓｉの自然酸化膜１２が破壊されてＳｉの新生面が現れて、新たに接合界面にＳｉ酸化物からなる層１４ができるためである。
Ａｌワイヤ２０とＳｉ電極４０との接合部３０は、上述のように厚みの薄い２つの酸化物からなる層１４，２４が介在している構造であるので、Ａｌワイヤ２０とＳｉ電極４０とは機械的に強固に接着されているのとともに、電気的にも接続されている。つまり、Ａｌ酸化物からなる層２４とＳｉ酸化物からなる層１４とを介してＡｌワイヤ２０とＳｉ電極４０とは通電している。これは２つの酸化物からなる層１４，２４の厚みが薄いからである。特にＳｉの自然酸化膜１２の厚みＴ３よりもＳｉ酸化物からなる層１４の厚みＴ１の方が薄いからである。Ａｌ酸化物からなる層２４の厚みＴ２とＳｉ酸化物からなる層１４の厚みＴ１との合計の厚みＴ１＋Ｔ２は、０．１ｎｍ以上１０ｎｍ以下が好ましい。０．１ｎｍ未満であると機械的な接着強度が不足してＡｌワイヤ２０とＳｉ電極４０とが振動等の小さな力で外れてしまう。１０ｎｍよりも大きくなると電気抵抗が大きくなって電気的接続が困難になり好ましくない。
次にＡｌワイヤ２０とＳｉ電極４０との接合方法について説明する。
まず図２に示すように、大気下においてＳｉ電極４０にＡｌワイヤ２０を近づけて接触させる。
次に図３に示すように、ウェッジツール５０によってＡｌワイヤ２０をＳｉ電極４０に押し付けて、Ａｌワイヤ２０に超音波を印加する。このようにすることにより、超音波振動の摩擦によってＡｌワイヤ２０およびＳｉ電極４０の接合面の酸化物が除去されて、同時にこの摩擦によって接合面に発熱が生じ、Ａｌワイヤ２０の抗張力が急減して塑性変形し、Ａｌワイヤ２０とＳｉ電極４０とが固相接合される。酸素が存する大気下で接合を行うため、接合部に酸化物が生じるのである。図５において破線で表されているのは、塑性変形する前のＡｌワイヤ２０の上面形状である。
この時のボンディングの条件は、ウェッジツール５０を０．１４Ｎ以上０．４Ｎ以下の力によって押し付けて、超音波の印加は、超音波周波数が６０ｋＨｚ以上１４０ｋＨｚ以下であって３０ｍｓ以上５０ｍｓ以下の間行うという条件が好ましい。押し付け荷重が０．１４Ｎ未満であると十分に接合されず、０．４Ｎよりも大きいとＳｉ電極４０のクレタリング（Ｓｉ電極４０の下の層へ至る剥がれ）が発生し好ましくない。超音波周波数が６０ｋＨｚ未満であると接合不良となり、１４０ｋＨｚよりも大きくなるとＳｉ電極４０のクレタリングが生じ好ましくない。超音波印加時間が３０ｍｓ未満であると接合不良が発生し、５０ｍｓよりも大きいと接合部の形状がいびつになり好ましくない。
図４は図１を上から見た図である。接合部３０における押しつぶされて変形したＡｌワイヤ２０の幅Ｗは、Ａｌワイヤ２０の変形していない部分の幅の約２．４倍になっている。また、Ａｌワイヤ２０の押しつぶされて変形している部分の長さ（変形部分と非変形部分との２つの境界線３１，３１間の距離）Ｌは、電極の長さよりも大きく、変形している部分のＡｌワイヤ２０はＳｉ電極４０の外側にも存している。Ａｌワイヤ２０の押しつぶされて変形している部分がこのように広がっているので、Ａｌワイヤ２０とＳｉ電極４０とは接合部３０において確実且つ強固に接合されている。ここで、Ａｌワイヤ２０の非変形部分の幅に対する変形部分の幅の比が、１．５倍未満になると接合強度が不十分となるので、１．５倍以上であることが好ましい。
このようにしてＡｌワイヤ２０とＳｉ電極４０とを接合すると、Ａｌワイヤ２０のうち接合部３０における押しつぶされた部分（以下、接合部Ａｌワイヤという）に含有されているＳｉの含有率は、接合によってＳｉ電極４０側からＳｉが拡散するため、Ａｌワイヤ２０の接合部３０以外の部分のＳｉ含有率よりも大きくなる。接合部Ａｌワイヤにおいては、Ｓｉ電極４０に近い部分の方が遠い部分よりもＳｉ含有率が大きい。
また、Ｓｉ電極４０の方にもＳｉ酸化物からなる層１４の下の部分には、接合によってＡｌが含まれるようになる。
以上説明したように、Ａｌワイヤ２０とＳｉ電極４０との接合において、Ａｌ／Ａｌ酸化物／Ｓｉ酸化物／Ｓｉの順で積み重なっているので、ＡｌとＳｉとが強固に接合され、電気的な接続も行われる。また、ウェッジツール５０によってＡｌワイヤ２０をＳｉ電極４０に押し付けて超音波を印加させて接合を行うので、簡単にかつ短時間に接合を行うことができ、低コストで接合できる。
（実施形態２）
実施形態２では、半導体回路が形成されたＳｉ基板（半導体チップ）のＳｉ電極にＡｌバンプを接合させて、このＡｌバンプを介してパッケージ基板に半導体チップを搭載してチップサイズパッケージ（ＣＳＰ）を作製している。
本実施形態に係るＣＳＰの製造工程を図６に示す。
まず図６（ａ）に示すように、半導体回路が形成されたＳｉ基板（半導体チップ）１０のＳｉ電極４０にＡｌバンプ６０を形成する。Ａｌバンプ６０はＳｉ電極４０の全面をほぼ覆うくらいの大きさを有している。また、Ｓｉ基板１０上にはＳｉ電極４０は複数存しており、その全てにＡｌバンプ６０を載せる。
次に図６（ｂ）に示すように、Ａｌバンプ６０を不図示のウエッジツールによってＳｉ電極４０に押し付け超音波と荷重とを印加して接合させる。この時の接合条件は実施形態１の条件と同じである。なお、本実施形態においては、１つのＳｉ基板１０上に形成された全てのＡｌバンプ６０を一つ一つＳｉ電極４０に対して接合させる。このように接合させることにより、Ａｌバンプ６０とＳｉ電極４０との間に実施形態１と同様にＡｌ酸化物からなる層とＳｉ酸化物からなる層とが広がって、Ａｌバンプ６０とＳｉ電極４０とは機械的にも電気的にも確実且つ強固に且つ低コストで接続される。Ａｌ酸化物からなる層とＳｉ酸化物からなる層との厚みに関しては実施形態１と同様である。
それから図６（ｃ）に示すように、Ｓｉ基板１０をパッケージ基板７０に向かい合わせにして配置する。この時、Ｓｉ基板１０のＡｌバンプ６０とパッケージ基板７０の基板側電極７１とが相対するように位置を合わせて配置する。パッケージ基板７０の基板側電極７１が形成された面とは反対側の面にははんだボール７４が形成されていて、パッケージ基板７０内部には基板側電極７１とはんだボール７４とを電気的に接続する内部配線が形成されている。
次に図６（ｄ）に示すように、Ｓｉ基板１０のＡｌバンプ６０とパッケージ基板７０の基板側電極７１とを接触させて接続させ、Ｓｉ基板１０とパッケージ基板７０との間にアンダーフィル７２を流し込んで硬化させて接続部分の保護を行う。こうしてＣＳＰが出来上がる。なお、さらに広範に樹脂封止を行っても構わない。本実施形態では、樹脂封止はいわゆる「後入れ」としたが、封止樹脂を先に塗布しておきＳｉ基板１０のＡｌバンプ６０とパッケージ基板７０の基板側電極７１とを接触させて接続を行う「先入れ」方法であっても構わない。
本実施形態においては、簡単且つ短時間の工程によってＳｉ基板１０のＳｉ電極４０に対してＡｌバンプ６０を接合させることができる。この接合により、Ａｌバンプ６０とＳｉ電極４０とは機械的にも電気的にも確実且つ強固に接続され低コストな接続を行うことができる。
（その他の実施形態）
上記の実施形態は本発明の例示であって本発明はこれらの例に限定されない。ＡｌとＳｉとの接合であれば、接合されるものはＡｌワイヤやＡｌバンプ、あるいはＳｉ電極に限定されない。また、ＡｌワイヤはＳｉを含有していてもしていなくてもどちらでもよい。ＡｌバンプもＳｉを含有していてもいなくてもどちらでも構わない。Ｓｉ基板上のＡｌバンプはシングルポイントボンディングのように１つ１つ接合する方法であってもよいし、全て一度に接合してもよい。本技術を適用するデバイスは、半導体集積回路、ＭＥＭＳデバイスのみでなく、イメージセンサーやレーザー素子のような光学デバイスでも良い。また、Ｓｉ基板のみではなく、ＳｉＧｅ（シリコンゲルマニュウム）基板やＳｉＧｅＣ（シリコンゲルマニュウムカーボン）基板、ＧａＡｓ（ガリウムヒ素）基板などの電極接合に用いても構わない。
以上説明したように、本発明に係る接合構造は、ＡｌとＳｉとを強固に接合させる構造であって、半導体装置やＭＥＭＳ技術等に有用である。
実施形態１に係るＡｌワイヤとＳｉ電極との接合部分の断面図である。 ＡｌワイヤをＳｉ電極に接触させた断面図である。 ウェッジツールによりＡｌワイヤをＳｉ電極に接合させている断面図である。 図１の上面図である。 （ａ）は図１のＡ−Ａ線断面図、（ｂ）は図１のＢ−Ｂ線断面図である。 実施形態２に係るＣＳＰの製造工程断面図である。
符号の説明
１０ Ｓｉ基板
１２ 自然酸化膜
１４ Ｓｉ酸化物からなる層
２０ Ａｌワイヤ
２４ Ａｌ酸化膜からなる層
３０ 接合部
３１ 境界部
４０ Ｓｉ電極
５０ ウェッジツール
６０ Ａｌバンプ
７０ パッケージ基板
７１ 基板側電極
７２ アンダーフィル
７３ 内部配線
７４ はんだボール

Claims (14)

  1. ＡｌとＳｉとの接合構造であって、
    ＡｌとＳｉの間には、Ａｌ酸化物からなる層とＳｉ酸化物からなる層とが存しており、前記Ａｌ／前記Ａｌ酸化物からなる層／前記Ｓｉ酸化物からなる層／前記Ｓｉという順番で積み重なっている、接合構造。
  2. 前記Ａｌ酸化物からなる層と前記Ｓｉ酸化物からなる層はそれぞれ略均一の厚みで広がっている、請求項１に記載の接合構造。
  3. 前記Ａｌ酸化物からなる層と前記Ｓｉ酸化物からなる層とを合わせた厚みが０．１ｎｍ以上１０ｎｍ以下である、請求項１または２に記載の接合構造。
  4. 前記Ｓｉの前記Ａｌと接合していない部分の表面に存する自然酸化膜の厚みが、前記Ｓｉ酸化物からなる層の厚みよりも大きい、請求項１から３のいずれか一つに記載の接合構造。
  5. 前記Ａｌのうち、少なくとも前記Ａｌ酸化物からなる層に接している部分にはＳｉが含まれている、請求項１から４のいずれか一つに記載の接合構造。
  6. 前記Ｓｉのうち前記Ｓｉ酸化物からなる層に接している部分にはＡｌが含まれている、請求項１から５のいずれか一つに記載の接合構造。
  7. Ｓｉを含むＡｌワイヤとＳｉ電極との接合構造であって、
    前記Ａｌワイヤと前記Ｓｉ電極との接合部では、当該Ａｌワイヤが押しつぶされて変形されており、
    前記Ａｌワイヤの変形されている部分のＳｉ含有率は、変形されていない部分のＳｉ含有率よりも大きい、接合構造。
  8. 前記Ａｌワイヤと前記Ｓｉ電極との接合部には、Ａｌ酸化物からなる層とＳｉ酸化物からなる層とが互いに接して存しており、
    前記Ａｌワイヤと前記Ａｌ酸化物からなる層とは接しており、前記Ｓｉ電極と前記Ｓｉ酸化物からなる層とは接している、請求項７に記載の接合構造。
  9. 前記Ａｌ酸化物からなる層と前記Ｓｉ酸化物からなる層とを合わせた厚みが０．１ｎｍ以上１０ｎｍ以下である、請求項８に記載の接合構造。
  10. 前記Ａｌワイヤが押しつぶされて変形されている部分のワイヤ幅は、変形していない部分のワイヤ径の１．５倍以上である、請求項７から９のいずれか一つに記載の接合構造。
  11. 前記Ａｌワイヤが押しつぶされて変形されている部分のワイヤは、前記電極部の外側にも存している、請求項７から１０のいずれか一つに記載の接合構造。
  12. ＡｌとＳｉとの接合方法であって、
    Ａｌからなる部材とＳｉからなる部材とを接触させる工程と、
    酸素雰囲気下において、圧着振動部材によって前記Ａｌからなる部材を前記Ｓｉからなる部材に押し付け、且つ該圧着振動部材によって前記Ａｌからなる部材に超音波を印加するボンディング工程と
    を含み、
    前記ボンディング工程では、前記Ａｌからなる部材と前記Ｓｉからなる部材との間にＡｌ酸化物からなる層とＳｉ酸化物からなる層とを形成する、接合方法。
  13. 前記ボンディング工程では、前記Ｓｉからなる部材の表面に存するＳｉの自然酸化膜を除去して前記Ａｌ酸化物からなる層と前記Ｓｉ酸化物からなる層とを形成する、請求項１２に記載の接合方法。
  14. 前記ボンディング工程において、前記圧着振動部材は前記Ａｌからなる部材を前記Ｓｉからなる部材に対して０．１４Ｎ以上０．４Ｎ以下の力によって押し付けて、３０ｍｓ以上５０ｍｓ以下の間超音波を印加する、請求項１２または１３に記載の接合方法。
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