JP2012109419A - 半導体装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】アルミスプラッシュ及びアルミ剥がれ不良を抑制し、狭パッドピッチ化を実現するワイヤボンデ工法を提供する。
【解決手段】半導体素子８上の所定の領域に、回路領域と電気接続され、ボンディン領域となるアルミ電極６が配置されている。前記アルミ電極６の銅ワイヤ接続領域下層またはその周辺に、アルミ電極６に覆われるように層間膜１３を形成することにより、アルミ剥がれ不良を低減させ、かつアルミスプラッシュを抑制することで、狭パッドピッチ化への対応が可能となる。
【選択図】図２

Description

本発明は、銅ワイヤを用いてワイヤボンディングを行う半導体装置に関するものである。
半導体素子上のアルミ電極と半導体キャリア間を接合させる工法として、主に金ワイヤを用いたワイヤボンディング工法があるが、低コスト・高信頼性に優れた銅ワイヤへの要望が増している。
以下、図６を参照しながら従来の半導体装置における銅ワイヤを用いたボンディングについて説明する。
図６は従来の半導体装置におけるボンディング方法を説明する図である。
図６（ａ）に従来の半導体装置の一例を示す。従来の銅ワイヤを用いたワイヤボンディングを行う半導体装置においては、銅の酸化を抑制するため不活性ガス４雰囲気中で、銅ワイヤ１と放電電極３との間に高電圧を印加して、銅ボール２の形成を行い、ボンディングツールを用いて荷重及び超音波をかけながら銅ボール２を半導体素子８上のアルミ電極６に押し当てることで、アルミと銅を金属接合させて銅ワイヤ１とアルミ電極６とを接続させていた。アルミ電極６下にはボンディング領域を開口しながらシリコンナイトライドに代表された層間膜７が形成される（例えば、特許文献１参照）。
特開昭６２−１３６８３３号公報
しかしながら、上記従来の銅ワイヤ１を用いたワイヤボンディングが行われる半導体装置においては、以下に説明するように半導体装置の小型化を進めることを阻害するという課題を有している。
図６（ｂ）に示す従来の半導体装置においては、ワイヤボンディング工法で従来から用いられている金ワイヤに対して銅ワイヤ１は硬度が高く、かつボンディング性が悪いためボンディングした時に銅圧着ボール１０下部のアルミ電極６が変形し、銅ボール２外周にアルミスプラッシュ９と言われる形状不良が発生する。
アルミ電極６上面から見たときのアルミスプラッシュ９が大きくなると、アルミスプラッシュ９を介して隣接パッドへのショート不良が発生する。また、銅圧着ボール１０はボンディングツールにおけるボンディングキャピラリ５の先端箇所と接触する部分が銅圧着ボールの応力最大部１１となり、その結果銅圧着ボールの応力最大部１１下部のアルミ電極の厚み１７が減少するため、その点を起点としてアルミ電極６が剥がれる不良が発生する。
そのため、銅ワイヤボンディングは、従来の金ワイヤボンディングよりも超音波及び荷重の接合可能領域が小さく、かつアルミスプラッシュ９の発生により、隣接パッドとショートしないようなパッドピッチを設ける必要があるため、狭パッドピッチ化への対応が困難となり、半導体装置の小型化を図ることを阻害する方向にある。
本発明は、上記の課題を解決し、アルミスプラッシュ及びアルミ剥がれ不良を抑制し、狭パッドピッチ化を実現することを目的とする。
前記目的を達成するために、本発明の半導体装置は、銅ワイヤとのボンディング領域を備える半導体装置であって、半導体素子と、前記半導体素子上に前記ボンディング領域を開口して形成される第１の層間膜と、前記半導体素子上の前記ボンディング領域に形成される第２の層間膜と、前記ボンディング領域に前記第２の層間膜を覆って形成されるアルミ電極とを有することを特徴とする。
また、前記第２の層間膜が前記銅ワイヤの接続領域直下に形成されて、前記アルミ電極の前記第２の層間膜上が凸形状となることが好ましい。
また、前記銅ワイヤの先端に銅圧着ボールを形成して前記銅圧着ボールが前記アルミ電極と接続され、前記第２の層間膜の幅が前記銅圧着ボールの径よりも小さいことが好ましい。
また、前記第２の層間膜の前記半導体素子と接する面の形状が円形であっても良い。
また、前記第２の層間膜が前記銅ワイヤの接続領域直下の周辺に形成されて、前記アルミ電極の前記第２の層間膜上の近傍が凹形状となることが好ましい。
また、前記銅ワイヤが超音波振動によりボンディングされ、前記第２の層間膜が前記銅ワイヤの接続領域直下の超音波の振幅方向に隣接する領域にのみ形成されることが好ましい。
また、前記第２の層間膜の前記半導体素子と接する面の形状が円弧形状に形成されても良い。
以上により、アルミスプラッシュ及びアルミ剥がれ不良を抑制し、狭パッドピッチ化を実現することができる。
以上のように、アルミ電極の銅ワイヤ接続領域下層またはその周辺に、アルミ電極に覆われるように層間膜を形成することにより、アルミ剥がれ不良を低減させ、かつアルミスプラッシュを抑制することで、狭パッドピッチ化への対応が可能となる。
第１の実施形態における電極構造を示す図 第１の実施形態におけるワイヤボンド工法を説明する図 第２の実施形態における電極構造を示す図 第３の実施形態における電極構造を示す図 第４の実施形態における電極構造を示す図 従来の半導体装置におけるボンディング方法を説明する図
本発明は、ボンディング領域において、半導体素子上に層間膜を設け、層間膜を覆うようにアルミ電極を形成することにより、アルミ電極に凹凸を形成することを特徴とする。
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
（第１の実施形態）
以下、本発明の第１の実施形態に係る半導体装置について図１を参照にしながら説明する。
図１は第１の実施形態における電極構造を示す図である。
図１に示すように、本発明の半導体装置は、基板に回路領域が形成された半導体素子８からなり、半導体素子８上の所定の領域に、回路領域と電気接続され、ボンディング領域となるアルミ電極６が配置されている。また、アルミ電極６の下層のボンディング領域を除く領域には多層配線が可能になるように層間膜７が配置されている。本実施形態の特徴は、アルミ電極６の下層の銅ワイヤ１が接続される領域下部に半導体素子８上の凸部となる層間膜１３を形成する。層間膜１３を形成することにより、アルミ電極６の銅ワイヤ１接続領域が凸形状となり、銅ワイヤ１の接続領域におけるアルミ電極６の厚みを確保できるため、アルミスプラッシュ及びアルミ剥がれ不良を抑制し、パッドピッチを広くする必要がなくなり、狭パッドピッチ化を実現することが可能となる。
次に、本実施形態に関わる半導体装置の銅ワイヤを用いたワイヤボンド工法について図２を参照にしながら説明する。
図２は第１の実施形態におけるワイヤボンド工法を説明する図であり、構成を概念的に示している。
まず、図２（ａ）に示すように銅の酸化を抑制するため不活性ガス４雰囲気中で、銅ワイヤ１と放電電極３との間に高電圧を印加して、銅ボール２の形成を行う。次に、図２（ｂ）に示すようにボンディングキャピラリ５を用いて荷重及び超音波をかけながら銅ボール２を半導体素子８上のアルミ電極６に押し当てることで、アルミと銅を金属接合して、銅ワイヤ１とアルミ電極６とを接続する。従来の電極構成では、金属接合した際に形成された、銅圧着ボール１０はボンディングキャピラリ５の先端が押し当てられ、銅圧着ボール１０外周部分に大きな応力がかかり、銅圧着ボール１０外周部分が押し当てたれるアルミ電極６にも大きな応力がかかる。その結果、銅圧着ボールの応力最大部１１において、その点を起点としてアルミ電極６の剥がれ不良が発生し、アルミスプラッシュ９（図６参照）が発生していた。
そこで、本実施形態では、アルミ電極６の下層の銅圧着ボール１０が接続される領域直下に凸状の層間膜１３を配置し、アルミ電極６に凸状部を形成することで、銅圧着ボール１０とアルミ電極６との接続領域の厚みをアルミ電極６と凸状の層間膜１３とを合わせた厚みとし、銅圧着ボールの応力最大部１１下のアルミ厚１７を確保することで、アルミ剥がれ不良を抑制できる半導体装置を提供することができる。例えば、銅圧着ボールの応力最大部１１下のアルミ厚１７が４００ｎｍ以上となるように層間膜１３を形成する。
なお、銅ボール２が圧着された下の層間膜の幅ｗは、銅圧着ボールの外周部分つまり銅圧着ボールの応力最大部１１間隔より小さくすることで銅圧着ボールの応力最大部１１下のアルミ電極の厚みを確保することができるため、ボンディングツールの先端径、つまり銅ボール２の直径より短くする必要がある。また、層間膜１３の形状は任意であるが、例えば、半導体素子を上面から見たときに、アルミ電極６の中央部に層間膜１３は四角形に配置される。
（第２の実施形態）
以下、第２の実施形態に係る半導体装置について第１の実施形態と異なる点について図３を参照にしながら説明する。
図３は第２の実施形態における電極構造を示す図であり、構成を概略的に示している。
第１の実施形態において、銅ボール圧着部下の層間膜１３（図２参照）の幅ｗをボンディングツールの先端径、つまり銅ボール２の直径より短くし、四角形に配置する例を示したが、第２の実施形態においては、半導体素子上面のアルミ電極下に形成される層間膜１６の半導体素子上面と接する面の形状を円形状とすることを特徴とする。
アルミ電極下に形成される層間膜１６の形状を円形状とすることで、応力のかかる圧着ボール外周部分からアルミ電極６の凸部分までの距離が均一になるため、第１の実施形態よりもさらにアルミ剥がれを抑制できる半導体装置を提供することができる。また、銅ボール２圧着部と層間膜１６の大きさを同等にすることで、アルミ電極６の段差のないところに銅ボール２を圧着することになり接合性としては最もよくなる。よって、アルミ電極６下の層間膜１６の大きさは銅ボール圧着部に対して同等の大きさが望ましい。
（第３の実施形態）
以下、第３の発明の実施形態において第１の実施形態と異なる点について図４を参照にしながら説明する。
図４は第３の実施形態における電極構造を示す図である。
第３の実施形態においては、図４（ａ）のように銅ボール２が接合される周辺部のアルミ電極６下に層間膜１８を凸状に配置させることで、層間膜１８と層間膜７の間のアルミ電極６が窪み、アルミ電極６外周部に凹状のアルミ電極１９が形成される。
その結果、図４（ｂ）のように銅ワイヤボンディングを実施した際に発生するアルミスプラッシュ２０が凹状のアルミ電極１９に吸収されるため、アルミスプラッシュ量を抑制できる半導体装置を提供することができる。さらに銅圧着ボール１０の圧着部のアルミ電極１９は凹形状になり、銅圧着ボール１０がアルミ電極６に囲まれることで囲まれたアルミ電極１９がダムの効果によってアルミスプラッシュ量を抑制することが可能となる。
なお、層間膜１８は、銅圧着ボール１０が接合される周辺部を囲む複数の直線上の層間膜で形成しても良いし、１つの円を描くように形成しても良い。また、層間膜１８は、連続的に形成しても良いし、断続的に形成しても良い。
（第４の実施形態）
以下、本発明の第４の発明の実施形態において第３の実施形態と異なる点について図５を参照にしながら説明する。
図５は第４の実施形態における電極構造を示す図である。
第４の実施形態においては、図５のように半導体素子のアルミ電極６上面から見たときの、銅圧着ボール１０周辺部に凸状に配置された層間膜２１が、ワイヤボンディングするときの超音波の振幅方向２２にならんで、銅圧着ボール１０の接合領域を挟んで配置されている。超音波の振幅方向２２のみに層間膜２１を形成することにより、アルミスプラッシュは超音波方向に発生するため、アルミスプラッシュ及びアルミ剥がれ不良を抑制しながら、超音波の振幅方向以外のパッドサイズを縮小化することを容易とする半導体装置を提供することができる。
本発明は、アルミスプラッシュ及びアルミ剥がれ不良を抑制し、狭パッドピッチ化を実現することができ、銅ワイヤを用いてワイヤボンディングを行う半導体装置等に有用である。
１ 銅ワイヤ
２ 銅ボール
３ 放電電極
４ 不活性ガス
５ ボンディングキャピラリ
６ アルミ電極
７ 層間膜
８ 半導体素子
９ アルミスプラッシュ
１０ 銅圧着ボール
１１ 銅圧着ボールの応力最大部
１３ 層間膜
１６ 層間膜
１７ アルミ電極厚み
１８ 層間膜
１９ アルミ電極
２０ アルミスプラッシュ
２１ 層間膜
２２ 超音波の振幅方向

Claims (7)

  1. 銅ワイヤとのボンディング領域を備える半導体装置であって、
    半導体素子と、
    前記半導体素子上に前記ボンディング領域を開口して形成される第１の層間膜と、
    前記半導体素子上の前記ボンディング領域に形成される第２の層間膜と、
    前記ボンディング領域に前記第２の層間膜を覆って形成されるアルミ電極と
    を有することを特徴とする半導体装置。
  2. 前記第２の層間膜が前記銅ワイヤの接続領域直下に形成されて、前記アルミ電極の前記第２の層間膜上が凸形状となることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
  3. 前記銅ワイヤの先端に銅圧着ボールを形成して前記銅圧着ボールが前記アルミ電極と接続され、前記第２の層間膜の幅が前記銅圧着ボールの径よりも小さいことを特徴とする請求項２記載の半導体装置。
  4. 前記第２の層間膜の前記半導体素子と接する面の形状が円形であることを特徴とする請求項２または請求項３のいずれかに記載の半導体装置。
  5. 前記第２の層間膜が前記銅ワイヤの接続領域直下の周辺に形成されて、前記アルミ電極の前記第２の層間膜上の近傍が凹形状となることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
  6. 前記銅ワイヤが超音波振動によりボンディングされ、前記第２の層間膜が前記銅ワイヤの接続領域直下の超音波の振幅方向に隣接する領域にのみ形成されることを特徴とする請求項５記載の半導体装置。
  7. 前記第２の層間膜の前記半導体素子と接する面の形状が円弧形状に形成されることを特徴とする請求項５記載の半導体装置。
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