JP2009272494A - 電子デバイス及びその製造方法、ならびに、前記電子デバイスを用いた接続構造体及びその製造方法 - Google Patents

電子デバイス及びその製造方法、ならびに、前記電子デバイスを用いた接続構造体及びその製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】 特に、ダイシング工程時におけるボンディングパッドの腐食を防止できるとともに、ワイヤボンディングしたときの接合部のシェア強度を高くできる電子デバイス及びその製造方法を提供することを目的としている。
【解決手段】 表面にボンディングパッド６を備えた電子デバイス１において、前記ボンディングパッド６はＡｌあるいはＡｌ合金で形成されており、前記ボンディングパッド６の表面６ａが無機絶縁材料（例えばＳｉＯ2）で形成されたキャップ層１１で覆われており、前記キャップ層１１の膜厚ｈ１が１ｎｍ以上８ｎｍ以下の範囲内で形成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、特に、ダイシング工程時におけるボンディングパッドの腐食を防止できるとともに、ワイヤをボンディングパッドに接合したときの接合部のシェア強度を高くできる電子デバイス及びその製造方法、ならびに、前記電子デバイスを用いた接続構造体及びその製造方法に関する。
磁気センサや圧力センサ等の各種電子デバイスの表面には、ＡｌあるいはＡｌ合金で形成されたボンディングパッドが露出している。
電子デバイスの製造過程には、多数個の電子デバイスが一体化された電子デバイス集合体を個々の電子デバイスに分断する工程がある。
このとき、帯電防止材であるＣＯ2ガスを純水に溶解した炭酸水に、電子デバイス集合体を浸した状態で、個々の電子デバイスにダイシングする。
しかしながら、電池効果によって、ボンディングパッドに腐食（孔食）が発生することがわかった。
下記に示す特許文献１には、ダイシング工程時のボンディングパッドの腐食を防止する発明が開示されている。特許文献１は、ポリイミド膜の揮発成分をボンディングパッドの表面に付着させる発明である。
しかしながら特許文献１に記載された発明では、ボンディングパッドの全面に揮発成分を均一に付着させることが難しい。また、ボンディングパッド表面にＡｕワイヤ等を接合したときの接合部のシェア強度（せん断強度）について何も記載されていない。
特許文献２は、粉塵がボンディングパッドに蓄積しないことを目的とした発明で、特許文献３は、ワイヤをボンディングパッドに接合した状態で、ワイヤ及びボンディングパッドをキャップ層で覆う発明である。よって特許文献２及び特許文献３は、いずれも、ダイシング工程時におけるボンディングパッドの腐食を防止するものではない。
特開２００８−４５９８号公報 特表２００５−５３３３７６号公報 特開２００６−２００９２６号公報
そこで本発明は上記従来の課題を解決するためのものであり、特に、ダイシング工程時におけるボンディングパッドの腐食を防止できるとともに、ワイヤボンディングしたときの接合部のシェア強度を高くできる電子デバイス及びその製造方法、ならびに、前記電子デバイスを用いた接続構造体及びその製造方法を提供することを目的としている。
本発明は、デバイス表面にボンディングパッドを備えた電子デバイスにおいて、
前記ボンディングパッドはＡｌあるいはＡｌ合金で形成されており、前記ボンディングパッドの表面が無機絶縁材料で形成されたキャップ層で覆われており、前記キャップ層の膜厚が１ｎｍ以上８ｎｍ以下の範囲内で形成されていることを特徴とするものである。
これにより、ダイシング工程時におけるボンディングパッドの腐食を防止できるとともに、ワイヤボンディングしたときの接合部のシェア強度を高くできる。
本発明では、前記キャップ層の膜厚は、２ｎｍ以上で形成されることが好ましい。これにより、より効果的に、ダイシング工程時におけるボンディングパッドの腐食を防止できる。
また本発明では、前記キャップ層の膜厚は、５ｎｍ以下で形成されることが好ましい。これにより、ワイヤボンディングしたときに形成される合金層の部分に欠損部（ボイド）が生じるのを適切に抑制することが出来る。
また本発明では、前記キャップ層は、ＳｉＯ2あるいはＴａ2Ｏ5の少なくともいずれか１種で形成されることが好ましい。これにより、より効果的に、ダイシング工程時におけるボンディングパッドの腐食を防止できるとともに、ワイヤボンディングしたときのシェア強度を高くできる。
また本発明では、前記キャップ層は、前記デバイス表面の全域に形成されている形態に出来る。
本発明は、上記のいずれかに記載された電子デバイスのボンディングパッドにワイヤボンディングされて成る接続構造体において、
ボンディング領域では前記キャップ層が破壊され、ワイヤの接合部下に、ワイヤ材料とＡｌあるいはＡｌ合金とを有する合金層が形成されていることを特徴とするものである。本発明では、ワイヤの接合部のシェア強度を高くできる。
本発明では、前記ワイヤの接合部の周囲に広がる前記ボンディングパッドの表面には前記キャップ層が残されている形態に出来る。
また本発明における電子デバイスの製造方法は、
デバイス表面にＡｌあるいはＡｌ合金で形成されたボンディングパッドを備えた複数の電子デバイスを一体化してなる電子デバイス集合体を形成する工程、
前記ボンディングパッドの表面を、膜厚が１ｎｍ以上８ｎｍ以下の無機絶縁材料で形成されたキャップ層で覆う工程、
前記電子デバイス集合体を炭酸水に浸した状態で、前記電子デバイス集合体を個々の前記電子デバイスにダイシングする工程、
を有することを特徴とするものである。
本発明では、電子デバイス集合体を炭酸水に浸した状態で、電子デバイス集合体を個々の電子デバイスにダイシングする工程を施しても、ボンディングパッドの腐食（孔食）を適切に防止できる。また、このように形成された電子デバイスのボンディングパッドにワイヤボンディングしたとき、接合部のシェア強度を高くできる電子デバイスを製造することが出来る。
本発明では、前記キャップ層の膜厚を、２ｎｍ以上で形成することが好ましい。また本発明では、前記キャップ層の膜厚を、５ｎｍ以下で形成することが好ましい。
また本発明では、前記キャップ層を、ＳｉＯ2あるいはＴａ2Ｏ5の少なくともいずれか１種で形成することが好ましい。
また本発明では、前記キャップ層を、前記デバイス表面の全域に形成することが可能である。キャップ層は絶縁性で薄い膜であるため、ボンディングパッド以外の領域に残されても特に問題にはならない。よってキャップ層の形成領域をボンディングパッドの表面だけに画定しなくてもよいため、キャップ層の形成を容易化できる。
本発明における接続構造体の製造方法は、上記のいずれかにより形成された電子デバイスのボンディングパッドにワイヤボンディングすることを特徴とするものである。本発明では、ワイヤの接合部のシェア強度を高くできる電子デバイスを製造することが出来る。
本発明によれば、ダイシング工程時におけるボンディングパッドの腐食を防止できるとともに、ワイヤボンディングしたときの接合部のシェア強度を高くできる。
図１は、本実施形態における電子デバイスのボンディングパッド付近を拡大して示した部分断面図、図２は、図１に示すボンディングパッドにワイヤボンディングしたときの接続構造体の部分断面図、図３は、本実施形態の電子デバイスの製造工程を示す一工程図、である。
図１に示すように電子デバイス１の表面にはボンディングパッド６が設けられている。本実施形態では、ボンディングパッド６は、Ａｌ（アルミニウム）あるいはＡｌ合金で形成されている。Ａｌ合金は、Ａｌ−Ｃｕ、Ａｌ−Ｓｉ、Ａｌ−Ｓｉ−Ｃｕ等である。またボンディングパッド６の膜厚ｈ２は、０．２〜２．０μｍ程度である。図１に示すように、ボンディングパッド６の上面縁部からボンディングパッド６の周囲にかけて保護層１０が設けられている。保護層１０は、後述するキャップ層１１よりも十分に厚い膜厚で形成される。保護層１０の膜厚は、０．２〜５．０μｍ程度である。また保護層１０は、Ａｌ2Ｏ3、ＳｉＯ2、ＳｉＮ、Ｔａ2Ｏ5、レジスト、ポリイミド等の有機絶縁材料、Ｓｉ−Ａｌ−Ｏ、Ｓｉ−Ａｌ−Ｏ−Ｎ等で形成される。
図１に示すように、ボンディングパッド６の表面６ａは無機絶縁材料で形成されたキャップ膜１１で覆われている。
図１に示すように、キャップ層１１は、ボンディングパッド６上のみならず、デバイス表面の全域に形成されている。
なおボンディングパッド６の表面６ａには自然酸化による非常に薄いＡｌ2Ｏ3層（膜厚は数Å〜数ｎｍ程度）が形成されていることがあり、かかる場合、キャップ層１１は、Ａｌ2Ｏ3層上に形成される。
ここで、図１に示す電子デバイス１は、複数の電子デバイス１を一体化した電子デバイス集合体２を切断して得られたものである。ダイシング工程時、図３に示すように、電子デバイス集合体２を、炭酸水（帯電防止材であるＣＯ2ガスを純水に溶解した溶液）３に浸している。図３に示す電子デバイス集合体２の表面に露出しているＡｌあるいはＡｌ合金で形成された各ボンディングパッド６は、上記したキャップ層１１で覆われている。
図３に示す点線は、ダイシングブレード（図示しない）による切断箇所を示している。
本実施形態におけるキャップ層１１は、無機絶縁材料で形成されており、しかもキャップ層１１の膜厚ｈ１は、１ｎｍ以上で８ｎｍ以下の範囲内に設定されている。
これにより、ダイシング工程時におけるボンディングパッド６の腐食（孔食）を適切に防止することが出来る。
ところで腐食防止には、キャップ層１１の膜厚ｈ１を厚くするほどよいが、あまりキャップ層１１の膜厚を厚くしすぎると、図２に示すワイヤボンディングしたときの接合部２０ａのシェア強度が低下する問題がある。
図２に示すワイヤボンディングによるワイヤ２０は、良好な電気伝導性の材料で形成されている。ワイヤ２０はＡｕで形成されていることが好適である。ワイヤ２０の接合部（先端部）２０ａは、元々はボール状であったものがキャピラリにより押し付けられたことで潰された形状であり、ワイヤボンディング時、熱と超音波が与えられてワイヤ２０の接合部２０ａがボンディングパッド６の表面６ａに接合される。
キャップ層１１を薄く形成することで、ワイヤボンディング時、キャップ層１１を適切に破壊（亀裂を生じさせる等）でき、ワイヤ材料と、ボンディングパッド６を構成するＡｌあるいはＡｌ合金との合金層７の形成を促進できる。ボンディングパッドがＡｌで、ワイヤ２０がＡｕであると、Ａｕ−Ａｌ合金層を形成できる。これによりワイヤ２０の接合部２０ａを横から押して破断するまでの荷重で示されるシェア強度（せん断強度）を高くすることが出来る。なおこの合金層の組成分析を行うと、キャップ層１を構成する元素が測定されることもある。よって合金層は、ワイヤ材料とボンディングパッド材料以外の元素を含んでもよい。
本実施形態では、キャップ層１１の膜厚ｈ１を１ｎｍ以上で８ｎｍ以下に設定しており、これにより、ダイシング工程時におけるボンディングパッド６の腐食を適切に防止することが出来、また、ワイヤボンディングしたときの接合部２０ａのシェア強度をほぼ一定の高い値に保つことが出来る。
本実施形態では、キャップ層１１の膜厚ｈ１は、２ｎｍ以上であることが、より確実に、ダイシング工程時におけるボンディングパッド６の腐食を防止することが出来、好ましい。
また本実施形態では、キャップ層１１の膜厚ｈ１は、５ｎｍ以下であることが好ましい。これにより、ワイヤボンディングしたときに接合部２０ａ下に形成される合金層７（図２参照）に欠損部（ボイド）が形成されるのをより効果的に抑制できる。これにより、耐振動性等の信頼性を良好に保つことが出来る。
前記キャップ層１１の膜厚ｈ１の最も好ましい範囲は３ｎｍ以上で５ｎｍ以下である。
なお合金層７は、主にワイヤ材料がボンディングパッド６内へ拡散することにより形成される。ボンディングパッド６の膜厚ｈ２等にもよるが、合金層７は、接合部２０ａ下に位置するボンディングパッド６の全体に広がって形成されてもよいし、あるいは、ボンディングパッド６の上層付近のみに形成され、下層付近にはＡｌ層あるいはＡｌ合金層が残っていてもよい。
また図２に示すように、ワイヤボンディングしたとき、キャップ層１１は、接合部２０ａの周囲に残されている。
本実施形態では、キャップ層１１は、ＳｉＯ2あるいは、Ｔａ2Ｏ5の少なくともいずれか１種で形成されることが好適である。ＳｉＯ2及びＴａ2Ｏ5は炭酸水３に対する耐性が非常に良好な材質である。これにより、より効果的に、ダイシング工程時におけるボンディングパッド６の腐食を防止できるとともに、ワイヤ２０をボンディングパッド６に接合したときの接合部２０ａのシェア強度を高くできる。
また本実施形態ではキャップ層１１を、ボンディングパッド６以外の領域も含むデバイス表面の全域に形成している。キャップ層１１は絶縁性で薄い膜であるため、ボンディングパッド６以外の領域に残されても特に問題にはならない。よってキャップ層１１の形成領域をボンディングパッド６の表面６ａだけに画定しなくてもよいため、キャップ層１１の形成を容易化できる。
表面にボンディングパッド６を備えた電子デバイス及び電子デバイスのボンディングパッドにワイヤボンディングされて成る接続構造体には、磁気センサ、圧力センサ、加速度センサ等を提示できる。また、本実施形態における電子デバイス及び接続構造体が複数個、パッケージ内に収納されて１つのセンサを構成する形態等でもよい。
ボンディングパッド６を備えた電子デバイス集合体２を炭酸水３に浸してダイシングを行うことで形成される全ての電子デバイスに本実施形態を適用することが出来る。
Ａｌで形成されたボンディングパッド６の表面６ａにキャップ層１１を形成しない従来例、Ａｌで形成されたボンディングパッド６の表面６ａに２ｎｍの膜厚のＴａ2Ｏ5から成るキャップ層１１を形成した実施例１、Ａｌで形成されたボンディングパッド６の表面６ａに２．７ｎｍの膜厚のＳｉＯ2から成るキャップ層１１を形成した実施例２を夫々作製した。
そして従来例、実施例１及び実施例２の各サンプルを、炭酸水に浸した状態でダイシングした後、ボンディングパッド６の表面状態を観察した。その実験結果が図４に示されている。図４（ａ）が従来例、図４（ｂ）が実施例１、図４（ｃ）が実施例２におけるボンディングパッド表面の写真である。
図４（ａ）に示す従来例は、ボンディングパッド表面に孔食（腐食）が生じていることがわかった。一方、図４（ｂ）（ｃ）に示す実施例は、ボンディングパッド表面に腐食が生じていないことがわかった。なお図４（ｂ）（ｃ）では、ボンディングパッド表面に色の濃い箇所があるが、これはプローブを押し当てたときに付いた汚れであり、腐食しているわけではない。
続いて、Ａｌで形成されたボンディングパッド表面にＳｉＯ2から成るキャップ層１１を形成し、さらに炭酸水に浸した状態でダイシングした後、ボンディングパッド表面にＡｕワイヤをワイヤボンディングしたときの、キャップ層１１の膜厚とシェア強度との関係を調べた。
実験では、膜厚が０ｎｍ、３ｎｍ、５ｎｍ、８ｎｍ、１０ｎｍのキャップ層１１を備えた各サンプルを作製した。そして、各サンプルにＡｕワイヤをワイヤボンディングして、接合部のシェア強度をＤａｇｅ社製の５０００Ｐを用いて測定した。その実験結果が図５に示されている。図５に示すように、キャップ層１１の膜厚が８ｎｍまでは、キャップ層１１を設けていない（キャップ層の膜厚が０ｎｍ）従来例とほぼ同じ高いシェア強度を得られることがわかった。
続いて、Ａｌで形成されたボンディングパッド表面にＳｉＯ2から成るキャップ層１１を形成し、さらに炭酸水に浸した状態でダイシングした後、ボンディングパッド表面にＡｕワイヤをワイヤボンディングしたときの断面状態を調べた。
実験では、膜厚が３ｎｍ、５ｎｍ、８ｎｍのキャップ層１１を備えた各サンプルを作製した。そして、各サンプルにＡｕワイヤをワイヤボンディングし、Ａｕワイヤからボンディングパッドにかけての断面状態をＳＥＭ写真にて観察した。その実験結果が図６に示されている。
図６に示すように、ＡｕワイヤをワイヤボンディングしたことによりＡｌで形成されたボンディングパッドの膜厚方向の全域にＡｕが拡散して、ボンディングパッドの膜厚方向の全域が、ほぼＡｕとの合金層（Ａｕ−Ａｌ合金層）となっていることがわかった。ＳＥＭ写真に示すように合金層の下にはＡｌ層がほとんど残っておらず、合金層の下には絶縁膜（ＳｉＯ2）が観察できた。
図６（ｃ）に示すように、キャップ層１１の膜厚が８ｎｍになると、Ａｕ−Ａｌ合金層に欠損部（ボイド）が生じることがわかった。なお図６（ｃ）では欠損部（ボイド）の一部を引き出し線で示した。図５のシェア強度の実験結果に示すように、キャップ層１１の膜厚を８ｎｍまで厚くしても十分なシェア強度を得ることが出来たが、合金層には欠損部（ボイド）が発生するため、耐振動性等の信頼性に影響があるものと考えられる。
以上の実験結果から、キャップ層１１の膜厚ｈ１を１ｎｍ以上で８ｎｍ以下の範囲とした。これにより、ダイシング工程時におけるボンディングパッド６の腐食を防止できるとともに、ワイヤ２０をボンディングパッドに接合したときの接合部２０ａのシェア強度を十分に高くできる。
またキャップ層１１の膜厚ｈ１の下限値は２ｎｍ以上であることが好ましく（図４参照）、３ｎｍ以上であることがより好ましい（図５参照）。またキャップ層１１の膜厚ｈ１の上限値は５ｎｍ以下であることが、合金層に欠損部（ボイド）が生じるのを抑制でき好適である。
本実施形態における電子デバイスのボンディングパッド付近を拡大して示した部分断面図、 図１に示すボンディングパッドにワイヤボンディングしたときの接続構造体の部分断面図、 本実施形態の電子デバイスの製造工程を示す一工程図、 従来例（パッド表面にキャップ層がない形態）、実施例１（パッド表面にＴａ2Ｏ5からなるキャップ層を２ｎｍ形成した形態）、実施例２（パッド表面にＳｉＯ2からなるキャップ層を２．７ｎｍ形成した形態）の各サンプルを炭酸水に浸した状態でダイシングした後の、ボンディングパッドの状態を示す表面写真、 ＳｉＯ2で形成されたキャップ層１１の膜厚とワイヤボンディングした際の接合部のシェア強度を示すグラフ、 ＳｉＯ2で形成されたキャップ層１１の膜厚を３ｎｍ、５ｎｍ、８ｎｍとした各サンプルの断面ＳＥＭ写真、
符号の説明
１ 電子デバイス
２ 電子デバイス集合体
３ 炭酸水
６ ボンディングパッド
７ 合金層
１０ 保護層
１１ キャップ層
２０ ワイヤ
２０ａ 接合部

Claims (13)

  1. デバイス表面にボンディングパッドを備えた電子デバイスにおいて、
    前記ボンディングパッドはＡｌあるいはＡｌ合金で形成されており、前記ボンディングパッドの表面が無機絶縁材料で形成されたキャップ層で覆われており、前記キャップ層の膜厚が１ｎｍ以上８ｎｍ以下の範囲内で形成されていることを特徴とする電子デバイス。
  2. 前記キャップ層の膜厚は、２ｎｍ以上で形成される請求項１記載の電子デバイス。
  3. 前記キャップ層の膜厚は、５ｎｍ以下で形成される請求項１又は２に記載の電子デバイス。
  4. 前記キャップ層は、ＳｉＯ2あるいはＴａ2Ｏ5の少なくともいずれか１種で形成される請求項１ないし３のいずれかに記載の電子デバイス。
  5. 前記キャップ層は、前記デバイス表面の全域に形成されている請求項１ないし４のいずれかに記載の電子デバイス。
  6. 請求項１ないし５のいずれかに記載された電子デバイスのボンディングパッドにワイヤボンディングされて成る接続構造体において、
    ボンディング領域では前記キャップ層が破壊され、ワイヤの接合部下に、ワイヤ材料とＡｌあるいはＡｌ合金とを有する合金層が形成されていることを特徴とする接続構造体。
  7. 前記ワイヤの接合部の周囲に広がる前記ボンディングパッドの表面には前記キャップ層が残されている請求項６記載の接続構造体。
  8. デバイス表面にＡｌあるいはＡｌ合金で形成されたボンディングパッドを備えた複数の電子デバイスを一体化してなる電子デバイス集合体を形成する工程、
    前記ボンディングパッドの表面を、膜厚が１ｎｍ以上８ｎｍ以下の無機絶縁材料で形成されたキャップ層で覆う工程、
    前記電子デバイス集合体を炭酸水に浸した状態で、前記電子デバイス集合体を個々の前記電子デバイスにダイシングする工程、
    を有することを特徴とする電子デバイスの製造方法。
  9. 前記キャップ層の膜厚を、２ｎｍ以上で形成する請求項８記載の電子デバイスの製造方法。
  10. 前記キャップ層の膜厚を、５ｎｍ以下で形成する請求項８又は９に記載の電子デバイスの製造方法。
  11. 前記キャップ層を、ＳｉＯ2あるいはＴａ2Ｏ5の少なくともいずれか１種で形成する請求項８ないし１０のいずれかに記載の電子デバイスの製造方法。
  12. 前記キャップ層を、前記デバイス表面の全域に形成する請求項８ないし１１のいずれかに記載の電子デバイスの製造方法。
  13. 請求項８ないし１２のいずれかにより形成された電子デバイスのボンディングパッドにワイヤボンディングすることを特徴とする接続構造体の製造方法。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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WO2014162387A1 (ja) * 2013-04-01 2014-10-09 パイオニア株式会社 ワイヤの接続構造及び電気機器
CN104752233A (zh) * 2013-12-26 2015-07-01 中芯国际集成电路制造(上海)有限公司 一种焊垫制备方法
JP2017034192A (ja) * 2015-08-05 2017-02-09 株式会社東芝 半導体装置とその製造方法

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