JP2010205891A - 半導体装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】素子外部と電気的に接続される電極にワイヤーボンディング接合を行った場合でも、電極の剥離が容易に発生しないような半導体装置を提供する。
【解決手段】ＺｎＯ系半導体１上に有機物電極２が、有機物電極２の上にはワイヤーボンディング用電極３が形成され、絶縁膜４からなる台座部が、前記ワイヤーボンディング用電極３の下側の領域で、かつ前記ＺｎＯ系半導体１上の一部の領域に配置されることで、前記ワイヤーボンディング用電極３の剥離を防止する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ワイヤーボンディング等により、電極に導線接続が行われる半導体装置に関する。
従来から、基板上に複数の化合物半導体層を積層して形成した半導体発光素子が知られている。半導体発光素子の代表的なものとしてＬＥＤ(Light Emitting Diode)が知られている。ＬＥＤは化合物半導体（ＧａＡｓ、ＧａＰ、ＡｌＧａＡｓ等）のｐｎまたはｐｉｎの接合を形成し、これに順方向電圧を印加することにより接合内部にキャリアを注入、その再結合の過程で生じる発光現象を利用したものである。このようなＬＥＤは従来、ＧａＡｓやＩｎＰなどの単結晶基板上にＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＩｎＧａＡｓＰなどそれぞれの基板に格子整合した化合物半導体をＬＰＥ(liquid phase epitaxy)法、ＭＯＣＶＤ(metal organic chemical vapordeposition)法、ＶＰＥ(vapor phase epitaxy)法、ＭＢＥ(molecular beam epitaxy)法などの結晶成長法を用いてエピタキシャル成長し、加工を施すことで製造される。
また、近年では、窒化物半導体が、照明、バックライト等用の光源として使われる青色ＬＥＤ、多色化で使用されるＬＥＤやＬＤ等に用いられている。さらには、窒化物半導体によるＨＥＭＴ等の電子デバイスも提案されている。窒化物半導体素子では、サファイア基板等の基板上に、ＭＯＣＶＤ法等を用いて、窒化物半導体層を形成する。
また、酸化物で半導体素子のような構造が作れる材料として、ＺｎＯ系化合物があり、電子デバイス等への応用が提案されている。
上記いずれの半導体素子でも、電極が形成されており、外部から電力を供給するためや外部に電気信号を取り出すために、前記電極に導線が接続される。（例えば、特許文献１、２参照）。
特開２００７−１２９４７号公報 特開２００２−２０８７３５号公報
従来、半導体素子の電極と導線とを接続する場合には、導線接続用の電極を形成し、これに導線をハンダ付けやワイヤーボンディング等により接続している。
しかし、ハンダ付けにより導線を接続する場合は、熱膨張係数の差による応力により半導体素子の電極の剥離が発生しやすい。一方、ワイヤーボンディングにより導線を接続する場合は、特に超音波による衝撃により、半導体素子の電極の剥離が発生しやすいという問題があった。
本発明は、上述した課題を解決するために創案されたものであり、素子外部と電気的に接続される電極にワイヤーボンディング接合を行った場合でも、電極の剥離が容易に発生しないような半導体装置を提供することを目的としている。
上記目的を達成するために、本発明の半導体装置は、半導体と、前記半導体上に配置された導電膜と、前記導電膜上に配置されたワイヤーボンディング用電極とを備え、絶縁膜からなる台座部が、前記ワイヤーボンディング用電極の下側の領域で、かつ前記半導体上の一部の領域に配置されていることを主要な特徴とする。
本発明の半導体装置は、ワイヤーボンディング用電極が半導体上に形成された導電膜上に配置され、絶縁膜からなる台座部がワイヤーボンディング用電極の下側の領域で、かつ半導体上の一部の領域に配置されている。この絶縁膜と導電膜の密着によって、ワイヤーボンディングによる導線接続が電極に実施されても、電極の剥離を防止することができる。
本発明の半導体装置の構成例を示す図である。 本発明の半導体装置の構成例を示す図である。 本発明の半導体装置の構成例を示す図である。 図２の半導体装置を上面から見た概略構成を示す図である。 図３の半導体装置を上面から見た概略構成を示す図である。 ワイヤーボンディング電極の面積の広い半導体装置と狭い半導体装置の電流−電圧特性を比較した図である。 電極形状が異なる半導体装置の構成例を示す図である。 本発明の半導体装置を用いた受光装置の構成例を示す図である。
以下、図面を参照して本発明の一実施形態を説明する。図面は模式的なものであり、現実のものとは異なる。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれている。
まず、本発明の半導体装置の一例として、有機物電極とＺｎＯ系半導体とのショットキー接合型の半導体素子の断面図を図１（ａ）に示す。図１（ａ）の構成では、ＺｎＯ系半導体１上に有機物電極２が形成されており、有機物電極２の上にはワイヤーボンディング等のために用いられるワイヤーボンディング用電極３が形成されている。ワイヤーボンディング用電極３はＡｕ（金）又はＮｉ（ニッケル）等で構成される。
一方、ＺｎＯ系半導体１の裏面には有機物電極２に対向するように、Ｔｉ膜５とＡｕ膜６の多層金属膜で構成された電極が形成されている。ＺｎＯ系半導体１は、ＺｎＯ又はＭｇＺｎＯで構成することができ、ＺｎＯ系半導体１は、例えば、ｎ型ＺｎＯ基板で構成される。また、外部と電気的に接続を行うためのワイヤー１１は、ボールボンディング時などに形成されるボール１０により、ワイヤーボンディング用電極３に接合される。ボール１０には、Ａｕ等が用いられる。
他方、有機物電極２は有機導電体であり、紫外領域で透光性を有するものを用いる。ここで、紫外領域で透光性を有するとは、有機物電極２に光を照射したときに、光の４００ｎｍ以下の波長領域で７０％以上の透過率を有することを意味する。これらの特性を有する有機物としては、導電性ポリマーが挙げられる。有機物電極２の一部を導電性ポリマーで構成しても良い。
導電性ポリマーとしては、例えば、ポリチオフェン誘導体（ＰＥＤＯＴ：ポリ(3,4)-エチレンジオキシチオフェン）、ポリアニリン誘導体、ポリピロール誘導体等が用いられる。
また、上記の各誘導体に伝導特性等の電気特性を制御するための物質をドーピングした物質が用いられており、例えば、ポリチオフェン誘導体（ＰＥＤＯＴ）に、ポリスチレンスルホン酸（ＰＳＳ）をドーピングしたものや、ポリピロール誘導体にＴＣＮＡをドーピングしたものを用いる。
具体的には、有機物電極２の膜厚Ｈを５０ｎｍ〜１００ｎｍの範囲で、ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳにより構成し、ＺｎＯ系半導体１に単結晶ｎ型ＺｎＯ基板を用い、図１（ａ）の半導体素子を作製した。
図のように、有機物電極２はＺｎＯ系半導体１上の絶縁膜４全体を覆うように形成されている。絶縁膜４は、ガラス薄膜や酸化物、窒化物等で構成されるが、これらに限らず、絶縁体であればどのような材料でも良い。絶縁膜４は、台座部を形成しており、ワイヤーボンディング用電極３の下側の領域で、かつＺｎＯ系半導体１上の一部の領域に形成される。
ワイヤーボンディング用電極３は、導電膜である有機物電極２を介して絶縁膜４の上側に配置されている。また、ワイヤーボンディング用電極３は、積層方向から見て、絶縁膜４の占有領域と少なくとも一部の領域が重なるように形成される。このようにすると、導線接続時、絶縁膜４と有機物電極２の密着効果により、ワイヤーボンディング用電極３は有機物電極２から容易に剥がれない。また、ワイヤーボンディングは、熱による衝撃と超音波による衝撃とが重なるので、上記のように構成すると特に有効である。また、図１（ｂ）のように、絶縁膜４上に補助電極１２を形成するようにしても良い。このようにすると、ワイヤーボンディングやダイボンディングの際に、ワイヤーボンディング用電極３と補助電極１２とが接合するので、ワイヤーボンディング用電極３の剥離を防止する効果がより大きくなる。
ここで、ボール１０は、積層方向から見た場合、通常円形状に形成される。ワイヤーボンディング時には、ボール１０に熱や振動が加わり、これが剥離の原因となるので、絶縁膜４の横方向の長さＲ１は、ボール１０の直径以上の大きさになるように形成することが望ましい。例えば、ボール１０の直径は５０μｍ程度になるが、この場合、絶縁膜４のＲ１は５０μｍ以上とするのが良い。なお、Ｒ１は、例えば、絶縁膜４が円形状の場合は直径を表わし、正方形状の場合は１辺の長さを表わす。
一方、絶縁膜４とワイヤーボンディング用電極３との間に存在する有機物電極２の膜厚をＨ１、絶縁膜４の膜厚をｈ１とする。ｈ１がＨ１よりも小さくなると、絶縁膜４による剥離防止の効果が薄れるので、ｈ１≧Ｈ１とすることが望ましい。すなわち、絶縁膜４の膜厚ｈ１は、有機物電極２の膜厚Ｈの１／２以上に形成することが望ましい。
また、図１の構成では、ワイヤーボンディング用電極３の直径が、絶縁膜４のＲ１より小さく構成されており、積層方向から見た場合、絶縁膜４の占有領域にワイヤーボンディング用電極３の占有領域が内包されている。このため、電流は破線の矢印で示すような経路を流れる。絶縁膜４の周囲からの電流は、すべて有機物電極２の薄い部分（膜厚Ｈ１の領域）を必ず通過するため、この領域で電流が流れにくくなり抵抗値が増大する。これにより、半導体素子の電流−電圧特性が悪くなるので、半導体素子の抵抗値を下げるために、図２のように構成しても良い。
図２の基本的構成は図１と同じであるので、各符号の説明は省略する。ここで、図１と大きく異なるのは、積層方向から見た場合、絶縁膜４の占有領域に含まれないワイヤーボンディング用電極３の占有領域が存在するということである。図４は、図２の半導体素子を上方向から見た図を示す。ここでは、わかり易いように、ワイヤー１１とボール１０は省略して図示している。Ａ１は積層方向から見た絶縁膜４の占有領域を、Ａ２は積層方向から見たワイヤーボンディング用電極３の占有領域を示す。このように、Ａ２は、Ａ１と少なくとも一部が重なるように、かつ、Ａ２がＡ１からはみ出している領域が存在するように形成される。上記のように形成する手法の１つとして、Ａ２は、Ａ１と少なくとも一部が重なるように形成し、かつＡ２の面積がＡ１の面積よりも大きくなるように構成すれば良い。
以上のようにすることで、図２の実線の矢印で示す経路で電流を流すことができる。これは、狭い領域ではなく、直線で短距離の経路となっているので、半導体素子の抵抗値は図１の場合よりも小さくなる。
次に、図２の変形例の半導体素子を図３に示す。基本的構成は図１と同じであるので、各符号の説明は省略する。ここで、図２と異なるのは、積層方向から見た場合、絶縁膜４の占有領域は、ワイヤーボンディング用電極３の占有領域に完全に内包されることである。この場合でも、絶縁膜４の占有領域から、はみ出したワイヤーボンディング用電極３の領域において、図の実線の矢印で示すような経路で電流の流れが発生し、図１と比較して半導体素子の抵抗値は低下する。
次に、図５（ａ）は、図３を上から見た図を示す。ここで、ワイヤー１１とボール１０は省略して図示している。半導体素子の抵抗が小さくなるように、ワイヤーボンディング用電極３の横方向の大きさＲ２を絶縁膜４の横方向の大きさＲ１よりも大きく形成し、絶縁膜４の占有領域がワイヤーボンディング用電極３の占有領域に完全に内包されるようにしたものである。一方、図５（ｂ）の場合は、絶縁膜４及びワイヤーボンディング用電極３１の形状を正方形状（四角形状）にした場合を示す。四角形状とする場合は、角部分での電界集中を避けるため、図５（ｂ）のように、角を落として丸みをつけるようにすることが望ましい。
図１〜図３の半導体素子の機能を簡単に説明する。これらの半導体素子は、光電変換素子として機能する。ＺｎＯ系半導体１と有機物電極２とはショットキー接合しているために、ショットキー障壁が現われ、有機物電極２とＺｎＯ系半導体１との界面には空乏層が広がっている。この空乏層付近に紫外光が照射されると、光電流が流れて紫外光を検出することができる。空乏層で紫外光を検出するために、紫外領域で透光性を有する有機物電極２側から光を入射させる。
また、図１〜図３では、光電変換素子をショットキー接合型に構成しているが、ＰＮ接合型に形成しても良い。ＰＮ接合型の場合は、例えば、ＺｎＯ基板上に、アンドープＺｎＯ層を積層し、アンドープＺｎＯ層上の一部に絶縁膜を配置する。この絶縁膜を覆うように窒素ドープのｐ型ＭｇＺｎＯ層を形成し、ｐ型ＭｇＺｎＯ層上において絶縁膜の上方に相当する領域にワイヤーボンディング用電極を設ける。ＺｎＯ基板の裏面にはｎ電極を形成する。この光電変換素子では、アンドープＺｎＯ層が空乏層の役割を果たし、この層で紫外光を吸収して検出することができる。上記ＰＮ接合型の光電変換素子では、外部と電気的に接続される電極が、絶縁膜の上側に半導体を介して配置されることになる。
図６は、図１の半導体素子に電流を流した場合の電流−電圧特性と、図３の半導体素子に電流を流した場合の電流−電圧特性とを比較したものである。実線で示されるＬの曲線が図３の半導体素子に電流を流した場合の電流−電圧特性を示す。破線で示されるＳの曲線が図１の半導体素子に電流を流した場合の電流−電圧特性を示す。各測定は、複数の半導体素子について行った。
Ｌの曲線で示されるように、絶縁膜４の占有領域がワイヤーボンディング用電極３の占有領域に完全に内包された方が、電圧が正のとき、すなわち順バイアスをかけたときの電流が大きくなっており、曲線形状も綺麗である。また、図１の構成の半導体素子の抵抗は３００００Ω程度であり、図３の構成の半導体素子の抵抗は７０Ω程度であった。以上により、絶縁膜４を形成してワイヤーボンディング用電極３の剥離を防止する場合、ワイヤーボンディング用電極３の占有領域が絶縁膜４の占有領域と少なくとも一部の領域が重なるようにし、ワイヤーボンディング用電極３の大きさが絶縁膜４の大きさよりも大きく形成する方が望ましいことがわかる。
図７は、ワイヤーボンディング用電極形状の変形例を示す。図７（ａ）は、絶縁膜４よりもワイヤーボンディング用電極３１の大きさを大きくするとともに、有機物電極２の４隅に向かって放射状にワイヤーボンディング用電極３１が構成されている。また、図７（ｂ）は、絶縁膜４を有機物電極２の角部に設け、絶縁膜４よりもワイヤーボンディング用電極３１の大きさを大きくするとともに、有機物電極２の３隅に向かって放射状にワイヤーボンディング用電極３１が構成されている。
次に、図１〜３のＺｎＯ系半導体素子で、ＺｎＯ系半導体１にｎ型ＺｎＯ基板、有機物電極２にＰＥＤＯＴ：ＰＳＳを用いた場合の製造方法を簡単に説明する。まず、ｎ型ＺｎＯ基板の＋Ｃ面を１１００℃程度の温度で加熱処理し、アセトンやエタノールの溶液中で超音波洗浄を行った後、ＵＶ照射によるオゾン処理で親水処理を行う。この親水処理は行わなくても良い。また、上記のようにＺｎＯ系基板の＋Ｃ面を用いることは、＋Ｃ面が化学的に安定しているので望ましい。
次に、ＳＯＧ（スピンオングラス）により、絶縁膜としてガラスを塗布し、３５０℃〜５００℃程度で焼成する。ガラス薄膜の作製方法としては、蒸着、スパッタ、ＰＶＣＤ、熱ＣＶＤ等も適用可能である。その後、フォトリグラフィにより、ガラス薄膜の残す部分だけレジストで覆われるようにパターニングし、フッ素エッチングを行う。フッ酸でＺｎＯは、ほとんど溶けないので、ｎ型ＺｎＯ基板のところで、エッチングストップする。スパッタにより形成する場合は、マスクでパターン形成しても良い。
次に、スピンコート法によりｎ型ＺｎＯ基板上に、ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳを塗布して絶縁膜全体を覆うように形成し、１００℃〜２００℃程度の温度でベーキングする。空気中で５〜３０程度の時間で乾燥させる。
その後、ワイヤーボンディング用電極３としてＡｕメタルを蒸着する。次に、レジストをＡｕメタル上に形成し、Ａｒ＋プラズマ等によるドライエッチングによりワイヤーボンディング用電極３を所定形状に形成する。アセトン溶液中で超音波洗浄を行ってレジスト剥離した後、Ｔｉメタルを蒸着してＴｉ膜５を、さらにＡｕメタルを蒸着してＡｕ膜６を形成する。
なお、絶縁膜の作製工程の後、スピンコート法によりｎ型ＺｎＯ基板上に、ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳを塗布するのではなく、絶縁膜の上に金属膜を蒸着した後に、ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳを塗布するようにしても良い。
Ｍｇを添加してバンドギャップを広げたＭｇＺｎＯ薄膜を作製する場合は、ＭＢＥ（分子線エピタキシー法）、ＨＶＰＥ（ハイドライド気相エピタキシャル法）等を用いる。基板にサファイアやガラスを用いる場合は、スパッタ、ＰＬＤ（パルスレーザー堆積法）なども適用可能である。
次に、図１〜図３の半導体素子を用いた受光装置を図８に示す。ステム２１に絶縁体２４が埋め込まれている。ステム２１上には、光電変換素子２０がハンダ等により接合されている。このハンダには、ＳｎＢｉハンダ、ＰｂＳｎハンダ、Ａｇペースト、Ａｕペースト、導電ペーストなどが用いられる。光電変換素子２０には、図１〜図３の半導体素子が用いられる。光電変換素子２０には、ワイヤー１１がボンディングされる。ワイヤー１１は、リードピン２３に接合され、外部と電気的に接続される。光電変換素子２０で受光した受光信号が、ワイヤー１１からリードピン２３を通して外部に取り出される。
一方、リードピン２２はグランドに接続される。また、光電変換素子２０全体を耐水性の樹脂２５で封止している。樹脂２５には、フッ素樹脂やアクリル等が用いられる。また、防護のために、キャップ２６が設けられている。また、光電変換素子２０が受光する光をキャップ２６内に導入するために窓２７が設けられており、この窓２７は、ガラス、水晶、サファイア等で構成される。なお、窓２７を設けず、開放した状態としても良い。
以上のように実施例では、本発明の半導体装置をＺｎＯ系半導体素子で説明したが、これらに限定されるものではなく、ＧａＡｓ系半導体、ＡｌＧａＡｓ系半導体、ＩｎＰ系半導体、ＩｎＧａＡｓＰ系半導体、窒化物系半導体等で構成されるすべての半導体素子に適用できる。なお、本発明はここでは記載していない様々な実施例等も含まれる。
本発明の半導体装置の構成は、ＬＥＤまたはレーザダイオード（ＬＤ：Laser Dioide）などの発光デバイス、受光素子や圧電素子、ＨＥＭＴ（High Electron Mobility Transistor）、ＨＢＴ（Hetero-junction Bipolar Transistor）、など幅広いデバイスに適用することができる。
１ ＺｎＯ系半導体
２ 有機物電極
３ ワイヤーボンディング用電極
４ 絶縁膜
５ Ｔｉ膜
６ Ａｕ膜
１０ ボール
１１ ワイヤー
１２ 補助電極

Claims (5)

  1. 半導体と、
    前記半導体上に配置された導電膜と、
    前記導電膜上に配置されたワイヤーボンディング用電極とを備え、
    絶縁膜からなる台座部が、前記ワイヤーボンディング用電極の下側の領域で、かつ前記半導体上の一部の領域に配置されていることを特徴とする半導体装置。
  2. 前記ワイヤーボンディング用電極と台座部との間には前記導電膜が配置されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
  3. 前記ワイヤーボンディング用電極は、積層方向から見た場合、前記絶縁膜の占有領域と少なくとも一部の領域が重なり、かつ前記絶縁膜の占有領域からはみ出している領域を有していることを特徴とする請求項１又は請求項２のいずれか１項に記載の半導体装置。
  4. 前記ワイヤーボンディング用電極は、積層方向から見た場合の前記絶縁膜の占有領域を完全に内包するように配置されていることを特徴とする請求項１又は請求項２のいずれか１項に記載の半導体装置。
  5. 前記半導体装置は、光電変換機能を有することを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の半導体装置。
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JP2012204505A (ja) * 2011-03-24 2012-10-22 Stanley Electric Co Ltd 半導体紫外線受光素子及びその製造方法
WO2013084954A1 (ja) * 2011-12-08 2013-06-13 株式会社ブリヂストン 太陽電池及び太陽電池の製造方法
JP2020178059A (ja) * 2019-04-19 2020-10-29 ハイソル株式会社 ワイヤボンディング方法、及び半導体チップ配線構造

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