JP2014513870A - ウォータフォール・ワイヤボンディング - Google Patents

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bonding
die
semiconductor
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チョン ルー
フェン ユー
チン ティエン チウ
チーマン ユー
フーチエン シャオ
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SanDisk Information Technology Shanghai Co Ltd
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SanDisk SemiConductor Shanghai Co Ltd
SanDisk Information Technology Shanghai Co Ltd
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    • H01L2224/48245—Connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked the item being metallic
    • H01L2224/48247—Connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked the item being metallic connecting the wire to a bond pad of the item
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    • H01L2224/48—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process of an individual wire connector
    • H01L2224/485—Material
    • H01L2224/48505—Material at the bonding interface
    • H01L2224/48599—Principal constituent of the connecting portion of the wire connector being Gold (Au)
    • H01L2224/486—Principal 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
    • H01L2224/48617—Principal 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
    • H01L2224/48624—Aluminium (Al) as principal constituent
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    • H01L2224/486—Principal 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
    • H01L2224/48638—Principal 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 950°C and less than 1550°C
    • H01L2224/48644—Gold (Au) as principal constituent
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    • H01L2224/48699—Principal constituent of the connecting portion of the wire connector being Aluminium (Al)
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Abstract

半導体デバイスのためのワイヤボンディング構造を開示する。ワイヤボンディング構造は、ボンディングパッドを備える。またワイヤボンディング構造は、ボンディングパッドと相互に拡散する連続ワイヤであって、ボンディングパッドを第１の電気接点と、第１の電気接点と異なる第２の電気接点とに電気的に接続する連続ワイヤを備える。
【選択図】図１Ａ

Description

本技術は半導体デバイスの製造に関する。
ワイヤボンディングは、半導体デバイス製造中において、半導体ダイまたは基板などの２つの別個の電子構成要素を電気的に接続するための主要な方法である。
ワイヤボンディング工程中には、ある長さのワイヤ（典型的には金または銅）が、キャピラリ（capillary）と呼ばれる針状の使い捨てツールの中央空洞を通って送られる。ワイヤはキャピラリの先端を通って突出し、その先端で高電圧の電荷が、キャピラリ先端と関連するトランスデューサ（transducer）からワイヤに加えられる。電荷はワイヤの先端を溶融し、ワイヤは溶融金属の表面張力によってボールに変形する。ボールが凝固すると、キャピラリはボンディング面まで下がり、トランスデューサによって超音波エネルギーが加えられる。ボンディング面はまた、ボンディングを促進するために加熱することができる。熱、圧力および超音波エネルギーを組み合わせることで、銅または金のボールとボンディング面との間で溶接が行われる。次いで、キャピラリが上昇してボンディング面から離れるに従って、ワイヤがキャピラリを通って排出される。得られた接合は、ボールボンドと呼ばれる。ボンディング面は、半導体ダイのダイボンディングパッド、基板の接点パッド、または前に形成した別のボールボンディング構造であってもよい。
次いで、ワイヤを運ぶキャピラリは、隣接した半導体ダイの次のダイボンディングパッドまたは基板の接点パッドなどの別のボンディング面へ移動し、下降してボンディング面に接触することによりワイヤを押し潰し、熱、圧力および超音波エネルギーを用いて再度ワイヤボンディングを行う。次いで、キャピラリは短い長さのワイヤを繰り出し、ボンディング面からワイヤを引きちぎる。得られた接合は、ウェッジボンド（wedge bond）またはステッチボンド（stitch bond）と呼ばれることが多い。
本技術の一実施形態によるワイヤボンディング構造の概略的な側面図である。 本技術の一実施形態によるワイヤボンディング構造の概略的な上面図である。 本技術の一実施形態によるワイヤボンディング構造の概略的な斜視図である。 本技術の一実施形態によるウォータフォール・ワイヤボンディング工程で使用するワイヤボンディング装置の概略的な側面図である。 本技術の一実施形態によってボンディングパッド上にボンディングされた連続ワイヤを示す側面図である。 本技術の一実施形態によってボンディングパッド上にボンディングされた連続ワイヤを示す側面図である。 本技術の一実施形態によってボンディングパッド上にボンディングされた連続ワイヤを示す側面図である。 本技術の一実施形態によってボンディングパッド上にボンディングされた連続ワイヤを示す側面図である。 本技術の一実施形態によるウォータフォール・ワイヤボンディングで電気的に接続した、２つの半導体ダイおよび基板を含む半導体デバイスを示す斜視図である。 本技術の一実施形態による、図３に示した半導体デバイスを電気的に接続するためのウォータフォール・ワイヤボンディング工程を示す側面図である。 本技術の一実施形態による、図３に示した半導体デバイスを電気的に接続するためのウォータフォール・ワイヤボンディング工程を示す側面図である。 本技術の一実施形態による、図３に示した半導体デバイスを電気的に接続するためのウォータフォール・ワイヤボンディング工程を示す側面図である。 本技術の一実施形態による、図３に示した半導体デバイスを電気的に接続するためのウォータフォール・ワイヤボンディング工程を示す側面図である。 本技術の一実施形態による、図３に示した半導体デバイスを電気的に接続するためのウォータフォール・ワイヤボンディング工程を示す側面図である。 本技術の別の実施形態によるウォータフォール・ワイヤボンディングで電気的に接続した、２つの半導体ダイおよび基板を含む半導体デバイスを示す斜視図である。 本技術の別の実施形態によるウォータフォール・ワイヤボンディングで電気的に接続した、３つの半導体ダイおよび基板を含む半導体デバイスを示す斜視図である。
ここで図１〜図６を参照して、ウォータフォール・ワイヤボンディング構造と、ウォータフォール・ワイヤボンディング構造を有する半導体デバイスと、ウォータフォール・ワイヤボンディング構造を有する半導体デバイスを製造する方法と、に関する実施形態について記載する。本技術は、様々な形態で具体化してもよく、本明細書で述べる実施形態に限定されるものとして解釈すべきでないことが理解されよう。むしろ、この開示が徹底的かつ完全であり、当業者に本技術が十分に伝わるように、これらの実施形態は提示されている。実際に本技術は、これらの実施形態の代替物、修正物および等価物をカバーするように意図されており、それらは添付の特許請求の範囲によって定義されるような本発明の範囲および精神に含まれる。さらに、本技術の以下の詳細な説明では、本技術を完全に理解するために多くの具体的な詳細を記載する。しかしながら、本技術はそのような特定の詳細を備えずに実行してもよいことは、当業者にとって明らかであろう。
本明細書で使用し得るような「頂部」、「底部」、「上部」、「下部」、「鉛直」および／または「水平」の用語は、便宜および例示の目的のみのためのものであり、当該用語は位置を交換できるため、本技術の記述を限定することを意味しない。
図１Ａ、１Ｂおよび１Ｃはそれぞれ、本技術の実施形態によるワイヤボンディング構造１００の概略的な側面図、概略的な上面図、および概略的な斜視図である。ワイヤボンディング構造１００は、構成要素１０２を含んでいる。構成要素１０２は、その上に形成されたボンディングパッド１０４と、ボンディングパッド１０４の頂部にボンディングされた連続ワイヤ１１０と、を備えている。
構成要素１０２は、半導体ダイまたは基板であってもよい。したがって、ボンディングパッド１０４は、半導体ダイ上の半導体ダイボンディングパッド、または、基板上の接点パッドであってもよい。図１Ａに示したように、ボンディングパッド１０４の表面は、構成要素１０２へ窪ませることができる。あるいは、ボンディングパッド１０４の表面を、構成要素１０２の表面と実質的に同一平面上に存在させることができる。基板は、プリント回路基板（ＰＣＢ）、リードフレームおよびテープ自動ボンディング（ＴＡＢ）テープを備えていてもよい。ボンディングパッド１０４は、金または、アルミニウムもしくは金メッキアルミニウムを含む。
図１Ａに示したように、連続ワイヤ１１０は、第１の部分１１２、第２の部分１１４および接点部１１６に分割し得る。第１の部分１１２は、ボンディングパッド１０４を第１の電気接点（図示せず）と接続するために使用される。第２の部分１１４は、ボンディングパッド１０４を第２の電気接点（図示せず）と接続するために使用される。第１の電気接点および第２の電気接点は、隣接した半導体ダイのダイボンディングパッド、基板の接点パッド、または、前に形成されたボンディング構造であってもよい。図１Ａに示したように、ワイヤ１１０の第１の部分１１２および第２の部分１１４は、均一な直径を備えた実質的に円形の断面を有し、直径は約１２．７μｍ〜約３８．１μｍの範囲にあってもよい。例えば、ワイヤ１１０の第１の部分１１２および第２の部分１１４の直径は、約１２．７μｍ、約１５．２μｍ、約１７．８μｍ、約２０．３μｍ、約２２．９μｍ、約２５．４μｍ、約２７．９μｍ、約３０．５μｍ、約３３．０μｍ、約３５．６μｍまたは約３５．６μｍであってもよい。第１の部分１１２と第２の部分１１４との間のワイヤ１１０の接点部１１６は、ボンディングパッド１０４と相互に拡散されている。これにより接点部１１６は、ボンディングパッド１０４の頂部に接合されている。接点部１１６は、実質的に均一な厚さを備えた平坦な形状を有する。接点部１１６の厚さは、第１の部分１１２および第２の部分１１４の直径より小さい。しかしながら、ワイヤ１１０とボンディングパッド１０４との間のボンディング強度を向上させるため、および、接点部１１６と、第１の部分１１２および第２の部分１１４との間の応力集中によって起こるひび割れなどの欠陥のリスクを減らすために、ワイヤ１１０の接点部１１６の厚さを十分に大きくしておくことが必要である。例えば、ワイヤ１１０の接点部１１６の厚さは、５ミクロン以上である。接点部１１６は、ボンディングパッド１０４の表面と平行な基準面Ａ上に、実質的に円の形状を有していてもよい。基準面Ａは、図１Ａに示した水平面である。基準面Ａ上の接点部１１６の直径は、ボンディングパッド１０４のボンディングパッド開口部（ＢＰＯ）寸法、および、接点部１１６を形成するためのプロセスパラメータに依存する。この場合、接点部１１６の直径は、第１の部分１１２と第２の部分１１４の直径の約１．２〜２倍の範囲にある。あるいは、接点部１１６はまた、基準面Ａ上の楕円形状などの他の幾何形状を有することができる。
ワイヤ１１０の第１の部分１１２は、ボンディングパッド１０４と平行な基準面Ａに対して３０°〜７０°の傾斜角θを有する。第２の部分１１４は、基準面Ａに対して４５°〜９０°の傾斜角φを有する。この場合、図１Ｂに示したように、第１の部分１１２と接点部１１６との間でワイヤ１１０が曲げられるとともに、接点部１１６と第２の部分１１４との間でワイヤ１１０が曲げられる。さらに、ワイヤ１１０の第１の部分１１２と、ワイヤ１１０の第２の部分１１４とは、同じ方向に整列している。すなわち、基準面Ａ上のワイヤ１１０の第１の部分１１２の突出部と、基準面Ａ上のワイヤ１１０の第２の部分１１４の突出部とは、一直線に沿って存在していることがわかる。あるいは、ワイヤ１１０の第１の部分１１２およびワイヤ１１０の第２の部分１１４は、異なる方向に整列させることができる。例えば、基準面Ａ上のワイヤ１１０の第２の部分１１４の突出部は、基準面Ａ上のワイヤ１１０の第１の部分１１２の突出部に対して、４５°以下の傾斜角αを有することができる。
ワイヤ１１０は、金線、銅線、パラジウム線、パラジウムメッキ銅線または銀系合金線であってもよい。ワイヤ１１０とボンディングパッド１０４との間のボンディング強度を向上させることができるように、ワイヤ１１０は、ボンディングパッドのボンディング面用の材料と同じ材料を含むことが好ましい。例えば、ワイヤ１１０が金線である場合、ボンディングパッド１０４は金または金メッキアルミニウムが好ましい。ワイヤボンディング構造１００に関するさらなる詳細について、ウォータフォール・ワイヤボンディング工程を参照して、以下に記述する。
図２Ａ〜２Ｅは、本技術の一実施形態による、図１Ａに示したワイヤボンディング構造１００を形成するためのウォータフォール・ワイヤボンディング工程を示す概略的な側面図である。図２Ａは、キャピラリ１２０として知られている、ウォータフォール・ワイヤボンディング工程で使用するワイヤボンディング装置を示す。キャピラリ１２０は、針のような形状を有している。キャピラリ１２０は、例えば円形断面形状などを有するプロファイルド・ニードル・ヘッド１２２（a profiled needle head 122）と、連続ワイヤ１１０を送るための中央空洞１２４と、を備えている。連続ワイヤ１１０は、ウォータフォール・ワイヤボンディング工程中、キャピラリ１２０を通って送られる。キャピラリ１２０はまた、電流および超音波エネルギーを加えるためのトランスデューサ（図示せず）を備えていてもよい。
図２Ｂに示したように、ボンディングパッド１０４は構成要素１０２上に配置されている。これは以下のように実現することができる。構成要素１０２の表面をマスクしてエッチングすることで、ボンディングパッド１０４の位置を画定する窪みを形成する。次いで、金またはアルミニウムなどの導体材料をコーティング工程によって窪みへ配置することで、構成要素１０２の表面より低い頂面を有するボンディングパッド１０４、または、構成要素１０２の表面と実質的に同一平面の頂面を有するボンディングパッド１０４を形成する。
次に、図２Ｃに示したように、連続ワイヤ１１０を運ぶキャピラリ１２０は、ボンディングパッド上に配置した電気バンプ上にワイヤをボンディングするワイヤボンディング工程と比べて、基準面Ａに対して比較的大きい角度で、ボンディングパッド１０４の表面に近づく。従って、キャピラリ１２０によって変形されていない前の第１の電気接点（図示せず）と接続しているワイヤ１１０の第１の部分１１２は、ボンディングパッド１０４と平行な基準面Ａに対して、比較的大きい角度θを有する。ボンディングパッド１０４の表面が構成要素１０２の表面より低い場合、そのような大きい進入角により、ワイヤ１１０と、ボンディングパッド１０４を形成するための窪みの上部コーナー部の構成要素１０２と、の間が接触してしまうことが避けられる。ボンディングパッド１０２に対する第１の部分１０２の角度θは、約３０°〜７０°が好ましい。
図２Ｄに示したように、次いでキャピラリ１２０がさらに下げられ、高い温度で力および超音波エネルギーを加えることによって、プロファイルド・ニードル・ヘッド１２２を用いて、ボンディングパッド１０４の頂面に対してワイヤ１１０を押圧する。
ワイヤボンディング工程の温度は、好ましくは約１４０℃〜１７５℃の範囲、より好ましくは約１６０℃である。そのような低い加工温度のために、溶融温度が１０００℃を超える金線、銅線、パラジウム線、パラジウムメッキ銅線または銀系合金などのワイヤ１１０は全て、ウォータフォール・ワイヤボンディング工程中に溶融しない。むしろ、力、熱および超音波エネルギーの組合せによってワイヤ１１０が変形され、これにより、ワイヤ１１０の接点部１１６とボンディングパッド１０４の表面との中の材料が相互に拡散することによって、電気的ならびに物理的なボンディングが形成される。その結果、接点部１１６は、ボンディングパッド１０４に垂直で実質的に均一な厚さを有し、その厚さはワイヤ１１０の第１の部分１１２および第２の部分１１４の直径より小さい。
ボンディングパッド１０４に対するワイヤ１１０の進入角が比較的大きいため、キャピラリ１２０のプロファイルド・ニードル・ヘッド１２２によって加えられる力は、ボンディングパッド１０４に垂直な方向に主成分を有する。この場合、ボンディングを促進するために有効な力を増加させることができる。従って、ウォータフォール・ワイヤボンディング工程に使用する全体の力をより小さくすることができる。また、ボンディングパッド１０４への潜在的な損傷を回避することができるとともに、ボンディングパッド１０４に作用する過度の力によって起こるボンディングパッド１０４上のへこみ、またはひび割れなどの欠陥のリスクを減らすことができる。さもなければ、ウォータフォール・ボンディング工程中では、ボンディングパッド１０４上に導電性バンプを配置することなく、ワイヤ１１０をボンディングパッド１０４に直接ボンディングするため、上記の問題は重要になるかもしれない。力は、好ましくは約１５〜３５グラム重量（gram-force）の範囲であり、より好ましくは約２０グラム重量である。比較すると、従来のボンディング工程中に加えられる力は、４０グラム重量を超えることがある。さらに、進入角が大きいことによって、キャピラリ１２０によって引き起こされる応力をボンディングパッド１０４のボンディング面にわたってより均一に分散させることができるように、キャピラリ１２０のニードルヘッド１２２の断面形状に対応するとともに略円形状を有する接点部１１６を、基準面Ａ上に作ることができる。基準面Ａ上の接点部１１６の直径は、ボンディングパッド１０４のボンディングパッド開口部（ＢＰＯ）寸法および、力、超音波エネルギーなどの接点部１１６を形成するためのプロセスパラメータに依存する。この場合、接点部１１６の直径は、ワイヤ１１０の直径の約１．２〜２倍の間の範囲にある。
さらに、ステッチボンド工程と異なり、キャピラリ１２０のニードルヘッド１２２は、ボンディングパッド１０４の表面に接触しない。したがって、ワイヤ１１０はウォータフォール・ワイヤボンディング工程全体にわたって連続性を維持する。すなわち、ワイヤ１１０は、ボンディング工程中、キャピラリ１２０によって加えられる力によって破損したり、完全に切断されたりすることなく、連続的な形状を維持する。
キャピラリ１２０のトランスデューサ（図示せず）によって加える超音波エネルギーは、好ましくは６０〜１００ｍＷの範囲、より好ましくは約８０ｍＷである。超音波エネルギーは、ワイヤ１１０およびボンディングパッド１０４の中の材料の移動性を向上させるために加えられる。その結果、ウォータフォール・ワイヤボンディング工程において、導電性バンプがなく、小さいボンディング力であっても確実なボンディング強度を達成することができる。
ウォータフォール・ボンディング工程中では、従来のボールボンディングまたはステッチボンディング工程と比べて、キャピラリ１２０はわずかに遅く移動してもよいことが理解されよう。例えば、キャピラリ１２０は、従来のボールボンディングまたはステッチボンディング工程で用いる速度に対して、０．８〜１の速度で移動し得る。ワイヤボンディング工程の処理能力と信頼性とのバランスを取るために、ボンディング工程では、各ワイヤボンディング構造１００を形成するために約８０〜２００ミリ秒、好ましくは約１００ミリ秒かかることがある。
図２Ｅに示したように、ワイヤボンディング構造１００を形成した後、キャピラリ１２０は、比較的大きい角度でボンディングパッド１０４の表面から離れる。これにより、ワイヤ１１０が、上記のようなボンディングパッド１０４のための構成要素１０２における窪みのコーナー部に、再度接触しないようにする。この場合、第２の電気接点（図示せず）と接続するワイヤ１１０の第２の部分１１４もまた、キャピラリによって変形されないように、ボンディングパッド１０４と平行な基準面Ａに対して約４５°〜９０°の角度φを有することが好ましい。
上記のような、本技術によるワイヤボンディング構造およびウォータフォール・ワイヤボンディング工程は、半導体デバイス中の異なる構成要素を電気的に接続するために、様々な半導体デバイスに適用することができる。このことについて、以下に例を用いてさらに説明する。
図３は、本技術によるウォータフォール・ワイヤボンディング工程で電気的に接続した２つの半導体ダイおよび１つの基板を含んでいる、半導体デバイス２００を示す斜視図である。図３に示したように、半導体デバイス２００は、第１の半導体ダイ２１０と、第２の半導体ダイ２２０と、基板２３０とを含んでいる。第１の半導体ダイ２１０は、複数の第１のダイボンディングパッド２１４を備えている。第２の半導体２２０は、複数の第２のダイボンディングパッド２２４を備えている。基板２３０は、複数の接点パッド２３４を備えている。第１の半導体ダイ２１０の第１のダイボンディングパッド２１４、第２の半導体ダイ２２０の第２のダイボンディングパッド２２４、および基板２３０の接点パッド２３４が露出するように、第１の半導体ダイ２１０と第２の半導体ダイ２２０と基板２３０とは順番に積み重ねられて、オフセット構造になる。第２の半導体ダイ２２０は、本技術によるウォータフォール・ワイヤボンディング工程によって、第１の半導体ダイ２１０および基板２３０に電気的に接続される。図１Ａ〜１Ｃに示したようなワイヤボンディング構造が、複数の第２のダイボンディングパッド２２４の各々に形成される。その結果、連続ワイヤ２４０が、滝のように、第１の半導体ダイ２１０から直列的に降りてくる。そして、複数のボンディングパッド２２４と相互に拡散される。そして、対応する第１のダイボンディングパッド２１４、第２のダイボンディングパッド２２４および接点パッド２３４が、接続される。したがって、このボンディング工程は「ウォータフォール・ワイヤボンディング」と名づけられる。図３に示したものよりさらに多くのボンディングパッド２１４および２２４、接点パッド２３４、およびボンディングワイヤ２４０が存在してもよいことが理解されよう。
半導体デバイス２００に関するさらなる詳細について、図４Ａ〜４Ｅに示した半導体デバイス２００を電気的に接続するためのウォータフォール・ワイヤボンディング工程を参照して、記述する。
まず、図４Ａに示すように、金線、銅線、パラジウム線、パラジウムメッキ銅線または銀ベース合金線などのボンディングワイヤの材料からなるボールが、ワイヤボンディング装置の基準位置にあるキャピラリ１２０の先端に形成される。
次に、図４Ｂに示すように、キャピラリ１２０は、第１の半導体ダイ２１０の第１のダイボンディングパッド２１４まで移動し、ボールボンドを行う。具体的には、キャピラリ１２０が下降し、第１のダイボンディングパッド２１４に対してボールを押圧する一方で、超音波エネルギーがキャピラリ１２０のトランスデューサによって加えられる。また第１のダイボンディングパッド２１４は加熱され、ボンディングが促進される。熱、圧力および超音波エネルギーを組み合わせることにより、ボールおよび第１のダイボンディングパッド２１４がボンディングされる。次いで、キャピラリ１２０が上昇して第１のダイボンディングパッド２１４から離れるに従って、ワイヤ２４０がキャピラリ１２０を通って排出される。
図４Ｃに示したように、キャピラリ１２０は、第２のダイボンディングパッド２２４まで移動し、前述したようなウォータフォール・ワイヤボンディング工程を行う。ウォータフォール・ワイヤボンディング工程の進入角が大きいために、曲がったワイヤ２４０のループ高さＨ、すなわち、ボンディングパッド２２４と曲がったワイヤ２４０の最高点との間の鉛直距離は、半導体ダイの厚さが１〜６ミクロンである場合には７５ミクロン以上である。ワイヤ２４０がダイ２１０と接触するリスクを減らすために、曲がったワイヤ２４０は、少なくとも、ワイヤ２４０の直径より大きい半導体ダイ２１０からのクリアランスを有する必要がある。
次に、図４Ｄに示すように、キャピラリ１２０は連続的にワイヤ２４０を繰り出し、基板２３０の接点パッド２３４まで移動する。次いで、図４Ｅに示すように、キャピラリ１２０は、接点パッド２３４上にワイヤ２４０をステッチボンドによって直接ボンディングする。
上記のようなウォータフォール・ワイヤボンディングによって、一列のダイボンディングパッドと接点パッドとを電気的に接続した後、キャピラリ１２０は、隣接した列のダイボンディングパッドおよび接点パッドに対して、頂部半導体ダイ２１０から基板２３０へ滝のように落ちて行く同様の態様で、ウォータフォール・ボンディングを行うことができる。上記ウォータフォール・ワイヤボンディング工程は、図３の斜視図に示したような半導体デバイス２００における半導体ダイ２１０および２２０のダイボンディングパッド、ならびに基板２３０の接点パッドの全てに対して、繰り返し実行することができる。
あるいは、キャピラリ１２０は、隣接した列のダイボンディングパッドおよび接点パッドに対して、底部基板２３０から始まり、頂部半導体ダイ２１０までの逆方向にウォータフォール・ボンディングを行うことができる。さらに、本技術によるウォータフォール・ワイヤボンディング工程を逆方向に適用して、すべての接点パッドおよびダイボンディングパッドに対して、下部基板から上部半導体ダイまでワイヤボンディングを連続して形成してもよいことが分かる。半導体ダイのボンディングパッドの隣接した列におけるボンディングシーケンスはまた、特定の構造に応じて調整することができる。一列のダイボンディングパッドおよび接点パッドを電気的に接続する間、ワイヤ２４０が基板上の接点パッドまたは頂部半導体ダイ上のダイボンディングパッドなどの最後の構成要素をボンディングシーケンスでボンディングするまで、ワイヤ２４０は切断されないことが分かる。
図３に示した半導体デバイス２００中のワイヤ２４０は、上記ウォータフォール・ワイヤボンディング工程中、一直線に沿っている。しかし、ワイヤはまた、ウォータフォール・ワイヤボンディング中、あるボンディング構造から別のボンディング構造へ方向を変更することができる。図５は、本技術によるウォータフォール・ワイヤボンディング工程を用いて電気的に接続された２つの半導体ダイ３１０、３２０および基板３３０を含む、半導体デバイス３００を示す斜視図である。図５に示したように、連続ワイヤ３４０は、第１の半導体ダイ３１０の左から１番目のボンディングパッド３１４を、第２の半導体ダイ３２０の左から１番目のボンディングパッド３２４に接続する。次いで、第２の半導体ダイ３２０の左から前記１番目のボンディングパッド３２４を、基板３３０の左から２番目の接触パッド３３４に接続することにより、方向を変更する。ウォータフォール・ボンディング工程中に方向を変更できる能力によって、ワイヤレイアウト設計に柔軟性を与えることができる。
上記ウォータフォール・ワイヤボンディング工程はまた、３つ以上の半導体ダイを含む半導体デバイスに適用することができる。例えば、図６は、本技術によるウォータフォール・ワイヤボンディング工程で電気的に接続した３つの半導体ダイ４１０、４２０および４３０ならびに基板４４０を有する、半導体デバイス４００を示す斜視図である。図６に示すように、連続ワイヤ４５０を、第２の半導体ダイ４２０の第２のダイボンディングパッド４２４と、第３の半導体ダイ４３０の第３のボンディングパッド４３４との上に、それぞれボンディングする。半導体デバイスは、他の数の半導体ダイを含んでもよいことが理解されよう。
本技術によるウォータフォール・ワイヤボンディングを使用して半導体デバイスを複数の半導体ダイと電気的に接続すると、従来のボールボンドおよびステッチボンドを使用するワイヤボンディング工程と比較して、必要とするステップおよび製造時間が少なくなる。例えば、ボールボンドまたはステッチボンドを使用する従来のワイヤボンディング工程では、キャピラリは、ワイヤボンディングを行った後に毎回、ワイヤを切断して基準点に戻る。対照的にウォータフォール・ワイヤボンディングでは、ワイヤを切断したり、キャピラリをワイヤボンディング装置の基準位置へ往復させたりすることなく、連続ワイヤを用いた連続的なワイヤボンディングが、キャピラリによって連続的に行われる。したがって、キャピラリの動きを減らすことによって、製造時間が節約される。さらに、ウォータフォール・ワイヤボンディング中、ボンディングパッド上に導電性バンプが配置されないため、コストおよび製造時間が節約できる。例えば、２−ダイスタック（2-die stack）、４−ダイスタック（4-die stack）、８−ダイスタック（8-die stack）および１６−ダイスタック（16-die stack）を有する半導体デバイスに対して、ＵＰＨ（１時間当たりの生産数）は、それぞれ２２％〜４０％、４０％〜５５％、５２％〜６１％および５９％〜６４％改善することができる。
上記実施形態では、それぞれの半導体ダイ上の対応するダイボンディングパッド間で、ワイヤボンディングが行われる。本明細書で使用する、異なる半導体ダイ上の「対応する」ダイボンディングパッドとは、ダイボンディングパッドを含むダイの端部に沿って互いに整列している、異なる半導体ダイ上のダイボンディングパッドをいう。従って、図６の斜視図から分かるように、ダイ４１０、４２０および４３０のそれぞれの上にある１番目（左端）のダイパッドが互いに対応し、一緒にワイヤボンディングされる。また、半導体ダイ４１０、４２０および４３０それぞれの上にある左から２番目のダイパッドが互いに対応し、一緒にワイヤボンディングされる。しかしながら、さらなる実施形態では、上記ウォータフォール・ワイヤボンディングステップは、それぞれのダイ上の対角線上に配向したダイボンディングパッド間で行ってもよい。例えば図６では、ダイ４１０の左端のダイボンディングパッドは、上記のステップに従って、ダイ４２０上の左から２番目のダイパッドにワイヤボンディングしてもよい。さらに、ボンディングワイヤは、ウォータフォール・ワイヤボンディング工程中、必ずしも同じ方向に沿わず、例えばジグザグコースを進むことによって方向を変更することができる。
さらに、上記実施形態は隣接するダイ間のワイヤボンディングを示しているが、本技術は、互いに隣接していないダイ上のダイボンディングパッド間のワイヤボンディングを形成するために使用してもよいことが理解される。そのようなワイヤボンディングは、隣接しないダイ上の対応するダイボンディングパッド間、または隣接しないダイ上の対角線上のダイボンディングパッド間に形成してもよい。
一側面において、本技術は、半導体デバイスのワイヤボンディング構造に関する。ワイヤボンディング構造は、ボンディングパッドを備える。またワイヤボンディング構造は、ボンディングパッドと相互に拡散する連続ワイヤであって、ボンディングパッドを、第１の電気接点と、第１の電気接点と異なる第２の電気接点とに電気的に接続する連続ワイヤを備える。
実施形態では、連続ワイヤは、ボンディングパッドを第１の電気接点と電気的に接続するための第１の部分と、ボンディングパッドと接触し、ボンディングパッドと相互に拡散する接点部と、ボンディングパッドを第２の電気接点と電気的に接続するための第２の部分とを有する。ワイヤの接点部は、厚さが実質的に均一な平坦な形状を有している。ワイヤの第１および第２の部分は、直径が接点部の厚さより大きい線形状を有する。
実施形態では、ワイヤの第１の部分および第２の部分の直径は、約１２．７μｍ〜約３８．１μｍの範囲にある。ワイヤの接点部の厚さは５ミクロン以上である。ワイヤの第１の部分は、ボンディングパッドと平行な基準面に対して約３０°〜７０°の角度を有している。ワイヤの第２の部分は、基準面に対して約４５°〜９０°の角度を有する。基準面上のワイヤの第１の部分の突出部および基準面上のワイヤの第２の部分の突出部は、一直線に沿って存在していない。ワイヤの接点部は、基準面内に実質的に円の断面形状を有する。
実施形態では、ボンディングパッドは金またはアルミニウムを含む。ワイヤは、金線、銅線、パラジウム線、パラジウムメッキ銅線または銀ベース合金線を含む。第１および第２の電気接点は、ダイボンディングパッド、接点パッド、導電性バンプまたはボンディングワイヤを含む。
他の側面において、本技術は、半導体デバイスに関する。デバイスは、第１のダイボンディングパッドを含む第１の半導体ダイと、第２のダイボンディングパッドを含む第２の半導体ダイであって、第１の半導体ダイが取り付けられている第２の半導体ダイと、電気接点を含む構成要素であって、第２の半導体ダイが取り付けられている構成要素と、第２のダイボンディングパッドと相互に拡散する連続ワイヤであって、第２の半導体ダイの第２のダイボンディングパッドを、第１の半導体ダイの第１のダイボンディングパッドと構成要素の電気接点とに電気的に接続する連続ワイヤと、を含んでいる。
実施形態では、構成要素は基板である場合があり、電気接点は接点パッドである。基板はプリント回路基板（ＰＣＢ）、リードフレームおよびテープ自動ボンディング（ＴＡＢ）テープを含む。あるいは、構成要素は第３の半導体ダイである場合があり、電気接点は第３のダイボンディングパッドである。連続ワイヤは、第３のダイボンディングパッドと相互に拡散する。連続ワイヤは、第２のボンディングパッドを第１のダイボンディングパッドと電気的に接続するための第１の部分と、第２のダイボンディングパッドと接触し、第２のボンディングパッドと相互に拡散する接点部と、第２のダイボンディングパッドを電気接点と電気的に接続するための第２の部分とを有する。ワイヤの接点部は、厚さが実質的に均一で平坦な形状を有し、ワイヤの第１および第２の部分は、直径が接点部の厚さより大きい線形状を有する。
実施形態では、ワイヤの第１の部分および第２の部分の直径は、約１２．７μｍ〜約３８．１μｍの範囲にある。ワイヤの接点部の厚さは５ミクロン以上である。ワイヤの第１の部分は、第２のボンディングパッドと平行な基準面に対して約３０°〜７０°の角度を有し、ワイヤの第２の部分は、基準面に対して約４５°〜９０°の角度を有する。基準面上のワイヤの第１の部分の突出部および基準面上のワイヤの第２の部分の突出部は、一直線に沿って存在していない。ワイヤの接点部は、基準面内に実質的に円の断面形状を有する。
さらに他の側面において、本技術は、半導体デバイスのボンディングパッド上にワイヤボンディング構造を形成する方法に関する。方法は、連続ワイヤを送る中央空洞を備えるワイヤボンディング装置によって加えられた力で、ボンディングパッドの頂面に対してワイヤを押圧するステップと、高い温度で連続ワイヤをボンディングパッドの頂面と相互に拡散させることによって、ボンディングパッドを、第１の電気接点と、第１の電気接点と異なる第２の電気接点とに電気的に接続するステップと、を備える。
実施形態では、力は約１５〜３５グラム重量である。温度は約１４０〜１７５℃である。連続ワイヤをボンディングパッドの頂面と相互に拡散させる前記ステップの間、約６０〜１００ｍＷの力を備えた超音波エネルギーを加える。連続ワイヤをボンディングパッドの頂面と相互に拡散させる前記ステップは、約８０〜２００ミリ秒かかる。ボンディングパッドの頂面に対して連続ワイヤを押圧する前記ステップの間、ワイヤボンディング装置は、ボンディングパッドの頂面に接触しない。
さらに他の側面において、本技術は、半導体デバイスを製造する方法に関する。方法は、頂部半導体ダイ、および、頂部半導体ダイと基板との間の１つまたは複数の中間半導体ダイを含んだ半導体ダイ群を、基板に取り付けるステップを備える。半導体ダイ群内の半導体ダイの各々はダイボンディングパッドを含んでいる。基板は接点パッドを含んでいる。また方法は、連続ワイヤを送る中央空洞を含むワイヤボンディング装置によって加えられた力で、１つまたは複数の中間半導体ダイのボンディングパッドの頂面に対してワイヤを押圧し、続いて高い温度で連続ワイヤをダイボンディングパッドの頂面上で相互に拡散させることにより、頂部半導体ダイのダイボンディングパッドを、１つまたは複数の中間半導体ダイのダイボンディングパッドの頂面、および、基板の接点パッドに電気的に接続するステップを備える。
本発明に関する前述の詳細な説明は、例示と説明を目的として提示してきた。この説明は本発明を網羅することを意図するものでなく、また本発明を開示した厳密な形態に限定することを意図するものではない。上記の教示を考慮すれば、多くの修正および変更が可能である。記載した実施形態は、本発明の原理およびその実際の応用を最もよく説明し、それにより考えられる特定の用途に適した様々な実施形態において、および様々な修正形態で当業者が本発明を最もよく利用できるようにするために選択した。本発明の範囲は、本明細書に添付の特許請求の範囲によって定義されることが意図される。
次に、図２Ｃに示したように、連続ワイヤ１１０を運ぶキャピラリ１２０は、ボンディングパッド上に配置した電気バンプ上にワイヤをボンディングするワイヤボンディング工程と比べて、基準面Ａに対して比較的大きい角度で、ボンディングパッド１０４の表面に近づく。従って、キャピラリ１２０によって変形されていない前の第１の電気接点（図示せず）と接続しているワイヤ１１０の第１の部分１１２は、ボンディングパッド１０４と平行な基準面Ａに対して、比較的大きい角度θを有する。ボンディングパッド１０４の表面が構成要素１０２の表面より低い場合、そのような大きい進入角により、ワイヤ１１０と、ボンディングパッド１０４を形成するための窪みの上部コーナー部の構成要素１０２と、の間が接触してしまうことが避けられる。ボンディングパッド１０４に対する第１の部分１１２の角度θは、約３０°〜７０°が好ましい。

Claims (35)

  1. ボンディングパッドと、
    前記ボンディングパッドと相互に拡散する連続ワイヤであって、前記ボンディングパッドを、第１の電気接点と、前記第１の電気接点と異なる第２の電気接点とに電気的に接続する前記連続ワイヤと、
    を備える、ワイヤボンディング構造。
  2. 前記連続ワイヤが、
    前記ボンディングパッドを前記第１の電気接点と電気的に接続するための第１の部分と、
    前記ボンディングパッドと接触し、前記ボンディングパッドと相互に拡散する接点部と、
    前記ボンディングパッドを前記第２の電気接点と電気的に接続するための第２の部分と、
    を有する、請求項１に記載のワイヤボンディング構造。
  3. 前記ワイヤの前記接点部は、実質的に均一な厚さを備えた平坦な形状を有し、
    前記ワイヤの前記第１および前記第２の部分は、前記接点部の厚さより大きい直径を備えた線形状を有する、請求項２に記載のワイヤボンディング構造。
  4. 前記ワイヤの前記第１の部分および前記第２の部分の直径が、約１２．７μｍ〜約３８．１μｍの範囲にある、請求項３に記載のワイヤボンディング構造。
  5. 前記ワイヤの前記接点部の前記厚さが５ミクロン以上である、請求項４に記載のワイヤボンディング構造。
  6. 前記ワイヤの前記第１の部分が、前記ボンディングパッドと平行な基準面に対して約３０°〜７０°の角度を有し、
    前記ワイヤの前記第２の部分が、前記基準面に対して約４５°〜９０°の角度を有する、請求項３に記載のワイヤボンディング構造。
  7. 前記基準面上の前記ワイヤの前記第１の部分の突出部と、前記基準面上の前記ワイヤの前記第２の部分の突出部とが一直線に沿って存在していない、請求項６に記載のワイヤボンディング構造。
  8. 前記ワイヤの前記接点部が、前記基準面内で実質的に円の形状を有する、請求項６に記載のワイヤボンディング構造。
  9. 前記ボンディングパッドが、金またはアルミニウムを含む、請求項１に記載のワイヤボンディング構造。
  10. 前記ワイヤは、金線、銅線、パラジウム線、パラジウムメッキ銅線または銀ベース合金線を含む、請求項１に記載のワイヤボンディング構造。
  11. 前記第１および前記第２の電気接点は、ダイボンディングパッド、接続パッド、導電性バンプまたはボンディングワイヤを含む、請求項１に記載のワイヤボンディング構造。
  12. 第１のダイボンディングパッドを含む第１の半導体ダイと、
    第２のダイボンディングパッドを含む第２の半導体ダイであって、前記第１の半導体ダイが取り付けられている第２の半導体ダイと、
    電気接点を含む構成要素であって、前記第２の半導体ダイが取り付けられている構成要素と、
    前記第２のボンディングパッドと相互に拡散する連続ワイヤであって、前記第２の半導体ダイの前記第２のダイボンディングパッドを、前記第１の半導体ダイの前記第１のダイボンディングパッドと前記構成要素の前記電気接点とに電気的に接続する連続ワイヤと、
    を含む、半導体デバイス。
  13. 前記構成要素が基板であり、前記電気接点が接点パッドである、請求項１２に記載の半導体デバイス。
  14. 前記基板は、プリント回路基板（ＰＣＢ）、リードフレームおよびテープ自動ボンディング（ＴＡＢ）テープを含む、請求項１３に記載の半導体デバイス。
  15. 前記構成要素は第３の半導体ダイであり、前記電気接点が第３のダイボンディングパッドである、請求項１２に記載の半導体デバイス。
  16. 前記連続ワイヤは、前記第３のダイボンディングパッドと相互に拡散している、請求項１５に記載の半導体デバイス。
  17. 前記連続ワイヤが、
    前記第２のダイボンディングパッドを前記第１のダイボンディングパッドと電気的に接続するための第１の部分と、
    前記第２のダイボンディングパッドと接触し、前記第２のダイボンディングパッドと相互に拡散する接点部と、
    前記第２のダイボンディングパッドを前記電気接点と電気的に接続するための第２の部分と、
    を有する、請求項１２に記載の半導体デバイス。
  18. 前記ワイヤの前記接点部は、実質的に均一な厚さを備えた平坦な形状を有し、
    前記ワイヤの前記第１および前記第２の部分は、前記接点部の厚さより大きい直径を備えた線形状を有する、請求項１７に記載の半導体デバイス。
  19. 前記ワイヤの前記第１の部分および前記第２の部分の直径が、約１２．７μｍ〜約３８．１μｍの範囲にある、請求項１８に記載の半導体デバイス。
  20. 前記ワイヤの前記接点部の前記厚さが５ミクロン以上である、請求項１８に記載の半導体デバイス。
  21. 前記ワイヤの前記第１の部分が、前記第２のボンディングパッドと平行な基準面に対して約３０°〜７０°の角度を有し、
    前記ワイヤの前記第２の部分が、前記基準面に対して約４５°〜９０°の角度を有する、請求項１８に記載の半導体デバイス。
  22. 前記基準面上の前記ワイヤの前記第１の部分の突出部と、前記基準面上の前記ワイヤの前記第２の部分の突出部とが一直線に沿って存在していない、請求項２１に記載の半導体デバイス。
  23. 前記ワイヤの前記接点部が、前記基準面内で実質的に円の形状を有する、請求項２１に記載の半導体デバイス。
  24. 連続ワイヤを送る中央空洞を備えるワイヤボンディング装置によって加えられた力で、ボンディングパッドの頂面に対して前記ワイヤを押圧するステップと、
    高い温度で前記連続ワイヤを前記ボンディングパッドの前記頂面と相互に拡散させることによって、前記ボンディングパッドを、第１の電気接点と、前記第１の電気接点と異なる第２の電気接点とに電気的に接続するステップと、
    を備える、ワイヤボンディング構造を形成する方法。
  25. 前記力が約１５〜３５グラム重量である、請求項２４に記載の方法。
  26. 前記温度が約１４０〜１７５℃である、請求項２４に記載の方法。
  27. 前記連続ワイヤを前記ボンディングパッドの前記頂面と相互に拡散させる前記ステップ中に、約６０〜１００ｍＷのパワーの超音波エネルギーを印加する、請求項２４に記載の方法。
  28. 前記連続ワイヤを前記ボンディングパッドの前記頂面と相互に拡散させる前記ステップが、約８０〜２００ミリ秒を要する、請求項２４に記載の方法。
  29. ボンディングパッドの頂面に対して連続ワイヤを押圧する前記ステップ中に、前記ワイヤボンディング装置が前記ボンディングパッドの前記頂面に接触しない、請求項２４に記載の方法。
  30. 頂部半導体ダイ、および、前記頂部半導体ダイと前記基板との間の１つまたは複数の中間半導体ダイを含んだ半導体ダイ群を、基板に取り付けるステップと、
    前記半導体ダイ群内の半導体ダイの各々はダイボンディングパッドを含んでおり、
    前記基板は接点パッドを含んでおり、
    連続ワイヤを送る中央空洞を含むワイヤボンディング装置によって加えられた力で、前記１つまたは複数の中間半導体ダイのボンディングパッドの頂面に対して前記ワイヤを押圧し、続いて高い温度で前記連続ワイヤを前記ダイボンディングパッドの前記頂面上で相互に拡散させることにより、前記頂部半導体ダイの前記ダイボンディングパッドを、前記１つまたは複数の中間半導体ダイの前記ダイボンディングパッドの前記頂面、および、前記基板の前記接点パッドに電気的に接続するステップと、
    を備える、半導体デバイスを製造する方法。
  31. 前記力が約１５〜３５グラム重量である、請求項３０に記載の方法。
  32. 前記温度が約１４０〜１７５℃である、請求項３０に記載の方法。
  33. 前記連続ワイヤを前記ボンディングパッドの前記頂面と相互に拡散させる前記ステップ中に、約６０〜１００ｍＷのパワーの超音波エネルギーを印加する、請求項３０に記載の方法。
  34. 前記連続ワイヤを前記ボンディングパッドの前記頂面と相互に拡散させる前記ステップが、約８０〜２００ミリ秒を要する、請求項３０に記載の方法。
  35. ボンディングパッドの頂面に対して連続ワイヤを押圧する前記ステップ中に、前記ワイヤボンディング装置が前記ボンディングパッドの前記頂面に接触しない、請求項３０に記載の方法。
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