JP2015142010A - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ボンディングパッドとその下地との間の剥離を抑制する。
【解決手段】樹脂層１３におけるパッド開口部３０の周囲には、凹部３１が形成されている。パッド開口部３０とは異なり、樹脂層１３における凹部３１の底面には構造物は存在しないが、凹部３１の内部は、パッド開口部３０と同様に、Ｔｉ層５１、Ｃｕ層５２が形成されている。このため、凹部３１内にもボンディングパッド５０の一部が形成され、この部分によってボンディングパッド５０が樹脂層１３に対してピン留めされる。これによって、ボンディングパッド５０の樹脂層１３からの剥離が抑制される。
【選択図】図１

Description

本発明は、ボンディングパッドを具備し、このボンディングパッドにボンディングワイヤが接続された構成を具備する半導体装置に関する。

通常の半導体装置においては、シリコン等からなる半導体基板（ウェハ）中にトランジスタ等の半導体素子が形成される。この半導体チップ中においては、アルミニウム等からなる配線層が形成され、この配線層が半導体チップ中において形成された半導体素子の各電極等と接続される。この半導体チップは、パッケージ内に実装されて使用されるが、この際には、パッケージ側に形成された端子と、半導体チップ中の配線層とを電気的に接続する必要がある。このために、通常は、半導体チップの最上層に金属で構成されたボンディングパッドが形成され、このボンディングパッドとパッケージの端子とが、ボンディングワイヤを介して接続される。また、パッケージ内では、この構造全体がモールド樹脂によって封止されている。

ボンディングパッドは、細いボンディングワイヤが接続しやすい形態とされ、例えば５０μｍ角程度の矩形形状とされ、配線層と同様にアルミニウム等の金属で形成される。また、ボンディングワイヤは、通常数十μｍφ程度の金やアルミニウムで構成された細線であり、この端部に超音波を印加する、あるいは更にこれを加熱した状態で、ボンディングパッドに対して加圧することによって、ボンディングワイヤの端部とボンディングパッドとの間の接続がなされる。パッケージ側に形成された端子とボンディングワイヤとの間の接続も同様に行われる。

この際、高い信頼性を得るためには、ボンディングワイヤとボンディングパッドとの間の接合強度を高くすることが重要である。このため、特許文献１には、ボンディングパッドとボンディングワイヤにおける材料の組み合わせを最適化し、更に、これらの間に特定組成の合金が形成されるようにこれらの接合を行うことによって、高い信頼性を得ることができることが記載されている。

この構成においては、ボンディングパッドの材料としては、アルミニウム（Ａｌ）と銅（Ｃｕ）の合金が用いられる。ボンディングワイヤの材料としては、Ｃｕを主成分とする金属材料が用いられる。これらの接合時には、これらの間の接続部分に、ＣｕＡｌ_２、ＣｕＡｌ、Ｃｕ_９Ａｌ_４、Ｃｕ_３Ａｌ_２等の合金層が形成されるような熱処理が施される。この場合、高い接合強度を得ることができ、特に高温保存時においても接合強度の劣化が生じることがないため、高い信頼性を得ることができる。

特開２００９−１７７１０４号公報

ボンディングワイヤとボンディングパッドとの間における接合の信頼性が高まった場合、ボンディングパッドとその下地との間の密着性が問題になった。すなわち、ボンディングパッドがその下地から剥離する等の問題が発生した。ここで、特に剥離が多く発生するのは、樹脂層とボンディングパッドとの間であった。

すなわち、ボンディングパッドとその下地との間の剥離を抑制することは困難であった。

本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたものであり、上記問題点を解決する発明を提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決すべく、以下に掲げる構成とした。
本発明の半導体装置は、半導体基板の上に形成された配線層の上に樹脂層が形成され、当該樹脂層を貫通し前記配線層に達するパッド開口部を介してボンディングパッドが前記配線層と接続され、前記ボンディングパッドにボンディングワイヤが接続された構造を具備する半導体装置であって、前記パッド開口部の周囲における前記樹脂層の上に凹部が形成され、前記ボンディングパッドの一部が前記凹部の中に形成されるように、前記ボンディングパッドが前記パッド開口部及び前記凹部の上に形成されたことを特徴とする。
本発明の半導体装置において、前記凹部は、前記樹脂層がプラズマ照射されることによって形成されたことを特徴とする。
本発明の半導体装置において、前記凹部は、下方に向かうに従って内径が広くなる部分を具備することを特徴とする。
本発明の半導体装置において、前記ボンディングパッドは、銅（Ｃｕ）を主成分とする層を含み、かつ最上層が金（Ａｕ）を主成分とする層である多層構造とされ、前記Ｃｕを主成分とする層が前記凹部の中に形成されたことを特徴とする。
本発明の半導体装置において、前記ボンディングパッドは、下側から、チタン（Ｔｉ）を主成分とする層、前記Ｃｕを主成分とする層、ニッケル（Ｎｉ）を主成分とする層、前記Ａｕを主成分とする層で構成されたことを特徴とする。
本発明の半導体装置において、前記Ｔｉを主成分とする層と、前記Ｃｕを主成分とする層の少なくとも一部と、はスパッタリング法又は蒸着法で形成され、前記Ｎｉを主成分とする層及び前記Ａｕを主成分とする層はめっきで形成されたことを特徴とする。
本発明の半導体装置において、前記ボンディングワイヤは銅（Ｃｕ）又はＣｕを含む合金で形成されたことを特徴とする。
本発明の半導体装置において、前記樹脂層はポリベンゾオキサゾール（ＰＢＯ）で構成されたことを特徴とする。

本発明は以上のように構成されているので、ボンディングパッドとその下地との間の剥離を抑制することができる。

本発明の実施の形態に係る半導体装置の断面図である。 本発明の実施の形態に係る半導体装置の製造方法を示す工程断面図である。 本発明の実施の形態に係る半導体装置の変形例の部分断面図である。

以下、本発明の実施の形態となる半導体装置について説明する。この半導体装置においては、ボンディングパッド周囲の構造に特徴を有する。図１は、この構造を示す断面図である。ここでは、シリコン基板（半導体基板）１０に形成されたパワー半導体素子（パワーＭＯＳＦＥＴ、ＩＧＢＴ等）の電極に接続された配線層２０に接続されたボンディングパッド５０を含む構造が示されている。

シリコン基板１０の上には、層間絶縁層となるＳｉＯ_２層１１を介して、配線層２０が形成されており、更にその上には、パシベーション層として機能するＳｉＮ層１２が積層されている。配線層２０は、ＳｉＯ_２層１１の下側において形成された半導体素子の電極（例えば、ゲート電極、ソース電極等）に接続されている。ＳｉＮ層１２の上には、ボンディングパッド５０との間の層間絶縁層となる厚い樹脂層１３が積層されている。

ここで、配線層２０は、通常の半導体デバイス内で使用される配線材料であるＡｌ−Ｃｕ合金で構成され、その厚さは例えば２．６μｍ程度である。ＳｉＮ層１２は、例えば１．６μｍ、程度の厚さであり、配線層２０及びその端部を覆って形成される。ＳｉＯ_２層１１、配線層２０、ＳｉＮ層１２は、いずれも、通常の半導体デバイス（チップ）中で用いられるものと同様である。

樹脂層１３は、ボンディングワイヤの接合時やモールド樹脂で封止する際の熱工程に対して耐熱性のある樹脂材料として、例えばポリベンゾオキサゾール（ＰＢＯ）で構成され、その厚さは、例えば７μｍ程度とＳｉＮ層１２等よりも厚くされる。また、フォトレジストと同様の感光性の（露光された領域のみを現像液で局所的に除去する、あるいは露光されない領域のみを現像液で局所的に除去することが可能である）ＰＢＯ樹脂を用いることもできる。

この半導体装置においては、樹脂層１３、ＳｉＮ層１２を貫通し上側に配線層２０を露出させるパッド開口部３０が形成され、このパッド開口部３０を覆ってボンディングパッド５０が形成される。ボンディングパッド５０は、下側から、チタン（Ｔｉ）を主成分とするＴｉ層５１、銅（Ｃｕ）を主成分とするＣｕ層５２、ニッケル（Ｎｉ）を主成分とするＮｉ層５３、金（Ａｕ）を主成分とするＡｕ層５４が配された積層構造となっている。この上に、ボンディングワイヤ６０の一端が接続されており、ボンディングワイヤ６０の他端（図示せず）は例えばパッケージの電極等に接続されている。Ｔｉ層５１は配線層２０や樹脂層１３との間の接合強度を高めるために設けられるが、他の層と比べて導電性が低いため、その上のＣｕ層５２等と比べて薄く形成される。一方、Ｃｕの導電性はＡｕやＮｉと比べても高いため、ボンディングパッド５０の導電性は主にＣｕ層５２によってもたらされる。このため、図１に示されるように、パッド開口部３０は主にＣｕ層５２で埋め込まれている。

ボンディングワイヤ６０は、Ｃｕを含む合金、例えばＣｕとＡｕの合金で構成される。また、Ｃｕのみで構成することもできる。このため、ボンディングワイヤ６０とボンディングパッド５０の最上層であるＡｕ層との接合部にはＣｕとＡｕの合金が形成され、これらの間の接合強度を高くすることができる。すなわち、Ａｕ層５４は、ボンディングワイヤ６０との間の接合強度を高めるために使用される。また、Ａｕは酸化しにくい材料であり、加熱時においても酸化されることはない。このため、Ａｕ層５４は、ボンディングパッド５０における酸化防止層としても機能する。

また、ボンディングパッド５０の最上層を構成するＡｕはＡｌと比べて機械的強度も高く、かつ酸・アルカリに対する耐性も高い。このため、ボンディングパッド５０の化学的な耐性は高い。更に、Ａｕ層５４の下側のＮｉ層５３、Ｃｕ層５２におけるＮｉ、Ｃｕの機械的強度もＡｌよりも高い。このため、ボンディングパッド５０の機械的強度は特許文献１に記載の構造におけるボンディングパッドよりも高くなる。

また、ボンディングパッド５０において、ＴｉとＣｕとの間でも合金が形成されるため、Ｔｉ層５１と配線層２０、Ｔｉ層５１とＣｕ層５２の間の密着性も高くなる。また、ＣｕとＮｉの間、ＮｉとＡｕの間でも合金が形成されるため、Ｃｕ層５２とＮｉ層５３、Ｎｉ層５３とＡｕ層５４の間の密着性も高くなる。このため、積層構造をもつボンディングパッド５０中における各層間の密着性も高い。

ここで、樹脂層１３におけるパッド開口部３０の周囲には、凹部３１が形成されている。パッド開口部３０とは異なり、樹脂層１３における凹部３１の底面には構造物は存在しないが、凹部３１の内部は、パッド開口部３０と同様に、Ｔｉ層５１、Ｃｕ層５２が形成されている。このため、凹部３１内にもボンディングパッド５０の一部が形成され、この部分によってボンディングパッド５０が樹脂層１３に対してピン留めされる。これによって、ボンディングパッド５０の樹脂層１３からの剥離が抑制される。

図２（ａ）〜（ｈ）は、図１の構造を製造する際の工程断面図である。ここでは、まず、下地として、図２（ａ）に示されるような構造をもつウェハが用いられる、この構造においては、例えばＣＶＤ法によって、配線層２０の上に一様にパッシベーション層となるＳｉＮ層１２が形成されている。

次に、図２（ｂ）に示されるように、この上に樹脂層１３を形成する。この際、例えば、液状のＰＢＯ樹脂材料を図２（ａ）の構造をもつウェハ上にスピン塗布した後で乾燥・加熱等（硬化処理）を行うことによって、図２（ｂ）の構造を実現することができる。この際、その厚さもＳｉＮ層１２等と比べて厚く、例えば７μｍ程度とすることができる。この場合には、図示されるように、下地（図２（ａ）の構造）の表面が平坦でなかった場合にも、樹脂層１３の表面を平坦とすることができる。

次に、図２（ｃ）に示されるように、樹脂層１３、ＳｉＮ層１２を貫通し配線層２０を露出させるパッド開口部３０を形成する。このためには、パッド開口部３０に対応した開口が設けられたフォトレジストパターンを樹脂層１３の上に形成し、その後でドライエッチングを行いパッド開口部３０に対応した領域の樹脂層１３、ＳｉＮ層を除去した後で、フォトレジストパターンを除去する。この際のドライエッチングにおいて、上層側の樹脂層１３をエッチングする場合と、下層側のＳｉＮ層１２をエッチングする場合の条件は異なるため、このドライエッチングは２段階で行われる。あるいは、樹脂層１３として感光性のＰＢＯを用いた場合には、露光・現像によって樹脂層１３中に開口を設け、この状態で露出したＳｉＮ層１２をドライエッチングで除去することによって、パッド開口部３０を形成することもできる。

次に、図２（ｄ）に示されるように、樹脂層１３に凹部３１を形成する。この工程は、パッド開口部３０を形成する場合のと同様にドライエッチングによって行われ、この条件は、前記の樹脂層１３のドライエッチング条件と同様である。ただし、パッド開口部３０を形成する場合（図２（ｃ））にはその底面におけるＳｉＮ層１２や配線層３０がエッチング時のストッパとなるのに対して、凹部３１の底面にはエッチング時のストッパとなる構造物が存在しない。このため、パッド開口部３０を形成する場合と凹部３１を形成する場合とでは、同一のエッチング条件を用いた場合でもエッチング時間は異なり、一般的には後者の場合の方が短い。ただし、ＳｉＮ層１２の表面に達するまで凹部３１を深くしてもよい。この場合には、パッド開口部３０を形成する場合における樹脂層１３のドライエッチングと、凹部３１を形成する場合における樹脂層１３のドライエッチングとを同時に行うこともできる。なお、パッド開口部３０及び凹部３１を形成した後で樹脂層１３の硬化処理を行ってもよい。また、パッド開口部３０を形成する工程と凹部３１を形成する工程の順序を逆転させてもよい。

次に、図２（ｄ）に示されるように、薄いＴｉ層５１をスパッタリング等によって全面に成膜する。Ｔｉ層５１の厚さは、例えば２００ｎｍ程度とすることができる。スパッタリング法等によれば、パッド開口部３０の中においてもＴｉ層５１を形成することができる。

次に、図２（ｆ）に示されるように、引き続きＣｕ層５２もスパッタリング法によって成膜する。Ｃｕ層５２は、ボンディングパッド５０の電気抵抗を小さくするために、Ｔｉ層５１よりも充分に厚く、例えば１７μｍ程度とする。なお、Ｔｉ層５１の成膜（図２（ｄ））、Ｃｕ層５２の成膜（図２（ｅ））は、実際には同一のスパッタリング装置で、スパッタリングターゲットを換えることによって、連続して成膜することができる。また、Ｃｕ層５２を厚く形成し、パッド開口部３０内をＣｕ層５２で埋め込むためには、最初にめっきの下地層となる程度にＣｕ層を薄く形成してから、その後でＣｕめっきを行うことによって、厚いＣｕ層５２を得ることもできる。この場合、初めの薄いＣｕ層のみをスパッタリング法で形成することができ、例えば、１．０〜２．０μｍをスパッタリング法で形成した後に、残りをめっきで形成することができる。また、スパッタリング法の代わりに蒸着法によってＴｉ層５１、Ｃｕ層５２の一部を連続して形成し、その後でＣｕめっきを行ってもよい。

次に、図２（ｇ）に示されるように、Ｃｕ層５２を下地層として、めっき（電解めっき、無電解めっき））によって、Ｎｉ層５３、Ａｕ層５４を連続して成膜する。Ｎｉ層５３の厚さは３μｍ程度、Ａｕ層５４の厚さはこれよりも薄い０．５μｍ程度とすることができる。

その後、図２（ｈ）に示されるように、ボンディングパッド５０（Ａｕ層５４、Ｎｉ層５３、Ｃｕ層５２、Ｔｉ層５１）の上にフォトレジストパターンを形成し、ボンディングパッド５０における不要部分（図中の左右）をエッチング（ドライエッチング、ウェットエッチング）した後でフォトレジストパターンを除去することにより、図１の形態のボンディングパッド５０が形成される。

その後、その後、シリコン基板１０側を加熱しながら超音波を印加してボンディングワイヤ６０の一端をボンディングパッド５０に圧着することによって、ボンディングワイヤ６０とボンディングパッド５０との間が接合される。

この際、上記のとおり、凹部３１中にはボンディングパッド５０の一部（Ｔｉ層５１、Ｃｕ層５２）が入り込んでいるために、この部分によるピン留め効果によって、ボンディングパッド５０と樹脂層１３との間の剥離は抑制される。また、その後、図１の構造はモールド樹脂中に封止されるが、この工程においても、ボンディングパッド５０の剥離は抑制される。更に、半導体装置が実際に使用され、常温と高温の間の熱サイクルが加わった場合においても、ボンディングパッド５０の剥離は抑制されるため、この半導体装置におては、高い信頼性が得られる。

次に、上記の半導体装置の変形例について説明する。図３は、この半導体装置の断面構造の一部を示す図であり、図１における矩形の破線で囲まれた領域に対応し、凹部を含む形状が示されている。凹部とその周囲以外の構造については、図１と同様である。

この半導体装置における凹部３２の断面形状においては、図３に示されるように、樹脂層１３の表面から下側に向かうに従って幅が太くなっている。こうした形状は、いわゆるボウイング形状として知られており、ドライエッチングによって形成することが可能である。

ドライエッチングにおいては、表面から上下方向においてのみエッチングを行い、水平方向にはエッチングを生じさせない異方性のエッチングを行うことができ、これによって、図１に示されるような壁面が垂直な凹部３１を形成することができる。しかしながら、ドライエッチングの条件を調整しドライエッチング時におけるエッチングとデポジションのバランスを制御することによって、凹部３２のような断面形状も実現することができることが知られている。こうした構造の内部に金属材料を充填することは難しいために、一般的にはこうした形状の孔部が半導体デバイスで用いられることは少ない。

しかしながら、上記の凹部３２は電気的接続には使用されないために、凹部３２の内部が金属材料（Ｃｕ層５２）で隙間なく充填される必要はない。一方で、凹部３２の内部が金属材料（Ｃｕ層５２）で隙間なく充填されなくとも、ボンディングパッド５０のピン留めの効果があることは明らかである。このため、図３に示された形状の凹部３２を好ましく用いることができる。図３においては、Ｔｉ層５１が凹部３２の内面に一様に形成された上で凹部３２がＣｕ層５２で充填されているが、Ｔｉ層５１、Ｃｕ層５２がこのように凹部３２内で形成されている必要はない。

このように、凹部において、下方に向かうに従って内径が広くなる部分が形成されていれば、ボンディングパッドのピン留めの効果が大きくなることは明らかであ、この場合には、剥離の発生がより抑制される。この構造も、図２と同様の製造方法で製造することが可能である。

また、図１、３の構造を製造するに際しては、凹部を形成するために、フォトレジストパターンを形成してから樹脂層１３をドライエッチングした。これによって、所定の形状、大きさの凹部を所定の箇所に形成することができる。しかしながら、こうのような所定の形状、大きさをもち所定の箇所に形成された凹部ではなく、ランダムに形成された凹部によってもボンディングパッド５０のピン留めの効果を得ることができる。

このためには、凹部３１を形成する図２（ｄ）の工程の代わりに、樹脂層１３の表面をプラズマに曝す（樹脂層１３の表面にプラズマ照射を行う）工程を設ければよい。樹脂層１３の表面はこうしたプラズマ処理によって荒らされ、表面において細かな凹凸がランダムに形成される。この凹部が前記の凹部３１、３２と同様に機能することは明らかである。この場合には、凹部を形成するためのマスク（フォトレジストパターン）が不要となるため、より低コストでこの半導体装置を製造することができる。

上記の構造においては、ボンディングパッド５０が、上からＡｕ層５４、Ｎｉ層５３、Ｃｕ層５２、Ｔｉ層５１とされた積層構造であるものとした。しかしながら、最上層をＡｕ層とし、その下層側を他の構成とすることもできる。この場合においても、また、ボンディングワイヤ６０としては、ＣｕとＡｕの合金が用いられたが、Ｃｕを含む他の合金を用いてもよい。また、各層の形成方法も、上記の構成を実現できる限りにおいて、任意である。

また、樹脂層１３としてＰＢＯが用いられたが、他の樹脂材料、例えばポリイミド等を用いることもできる。その形成方法についても、任意である。

１０ シリコン基板（半導体基板）
１１ ＳｉＯ_２層
１２ ＳｉＮ層
１３ 樹脂層
２０ 配線層
３０ パッド開口部
３１、３２ 凹部
５０ ボンディングパッド
５１ Ｔｉ層
５２ Ｃｕ層
５３ Ｎｉ層
５４ Ａｕ層
６０ ボンディングワイヤ

Claims (8)

1. 半導体基板の上に形成された配線層の上に樹脂層が形成され、当該樹脂層を貫通し前記配線層に達するパッド開口部を介してボンディングパッドが前記配線層と接続され、前記ボンディングパッドにボンディングワイヤが接続された構造を具備する半導体装置であって、
   前記パッド開口部の周囲における前記樹脂層の上に凹部が形成され、
   前記ボンディングパッドの一部が前記凹部の中に形成されるように、前記ボンディングパッドが前記パッド開口部及び前記凹部の上に形成されたことを特徴とする半導体装置。
2. 前記凹部は、前記樹脂層がプラズマ照射されることによって形成されたことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置
3. 前記凹部は、下方に向かうに従って内径が広くなる部分を具備することを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
4. 前記ボンディングパッドは、銅（Ｃｕ）を主成分とする層を含み、かつ最上層が金（Ａｕ）を主成分とする層である多層構造とされ、前記Ｃｕを主成分とする層が前記凹部の中に形成されたことを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の半導体装置。
5. 前記ボンディングパッドは、下側から、チタン（Ｔｉ）を主成分とする層、前記Ｃｕを主成分とする層、ニッケル（Ｎｉ）を主成分とする層、前記Ａｕを主成分とする層で構成されたことを特徴とする請求項４に記載の半導体装置。
6. 前記Ｔｉを主成分とする層と、前記Ｃｕを主成分とする層の少なくとも一部と、はスパッタリング法又は蒸着法で形成され、前記Ｎｉを主成分とする層及び前記Ａｕを主成分とする層はめっきで形成されたことを特徴とする請求項５に記載の半導体装置。
7. 前記ボンディングワイヤは銅（Ｃｕ）又はＣｕを含む合金で形成されたことを特徴とする請求項１から請求項６までのいずれか１項に記載の半導体装置。
8. 前記樹脂層はポリベンゾオキサゾール（ＰＢＯ）で構成されたことを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の半導体装置。

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