JP2016072291A - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体チップにダメージを与えずに、Ａｇを主成分とする金属ワイヤを半導体チップ上に形成された電極パッドに接合した半導体装置を提供する。
【解決手段】半導体チップ３と、半導体チップ３上に形成される電極パッド４と、電極パッド４に接合され、Ａｇを主成分とする金属ワイヤ５とを備える半導体装置であって、電極パッド４は、少なくとも第１の層と第２の層とを備え、第１の層と第２の層は、第１の層が半導体チップ３側に、第２の層が金属ワイヤ５側に位置し、第１の層の厚みよりも第２の層の厚みの方が厚く、かつ第１の層よりも第２の層の方が硬いことを特徴とする。
【選択図】 図２

Description

本発明は、半導体チップ上に形成された電極パッドに、Ａｇを主成分とする金属ワイヤを接合する半導体装置に関するものである。

従来の半導体装置において、半導体チップ上に形成され、半導体チップと電気的に接続されている電極パッドに接合される金属ワイヤには、Ａｌが用いられてきた。しかしながら、半導体装置動作時に半導体チップ及び金属ワイヤが発熱すると、半導体チップとＡｌの線膨張係数の差異に起因し発生する熱応力により、金属ワイヤが半導体チップの電極パッドから剥離するという問題があった。

このため、線膨張係数がＡｌよりも半導体チップの半導体基材（例えば、Ｓｉ、ＳｉＣなどの半導体）に近い値であるＣｕが、金属ワイヤに用いられるようになった。

しかしながら、ＣｕはＡｌよりも硬く、一般的にＡｌからなる電極パッドに、Ｃｕからなる金属ワイヤを接合すると、半導体チップが破損してしまうという問題があった。そこで、線膨張係数がＡｌよりも半導体チップの半導体基材に近い値であり、Ｃｕよりも柔らかいＡｇが金属ワイヤに用いられ始めている。

半導体チップ上に形成された電極パッドにＡｇを主成分とする金属ワイヤを接合すると、金属ワイヤと電極パッドとの間に金属間化合物が生成されることがある。そのため、電極パッド上には５ｎｍ以上の電極被覆層を形成し、Ａｇを主成分とする金属ワイヤをウェッジボンディングしていた（例えば、特許文献１）。

国際公開第２０１３／１２９２５３号

このような半導体装置にあっては、半導体チップ上に形成された電極パッドに、Ａｇを主成分とする金属ワイヤを、ウェッジボンディングのような機械的応力が半導体チップに加わる接合方法で接合すると、半導体チップの特性に影響を及ぼす可能性がある。電極パッドに５ｎｍ以上の電極被覆層が形成されていても、単に電極被覆層が存在するだけでは、電極パッドに金属ワイヤを接合すると、半導体チップに亀裂が生じる可能性があるからである。

本発明は、上述のような問題を解決するためになされたもので、半導体チップにダメージを与えずに、Ａｇを主成分とする金属ワイヤを半導体チップ上に形成された電極パッドに接合した半導体装置を提供することを目的とする。

本発明にかかる半導体装置は、半導体チップと、半導体チップ上に形成される電極パッドと、電極パッドに接合され、Ａｇを主成分とする金属ワイヤとを備える半導体装置であって、電極パッドは、少なくとも第１の層と第２の層とを備え、第１の層と第２の層は、第１の層が半導体チップ側に、第２の層が金属ワイヤ側に位置し、第１の層の厚みよりも第２の層の厚みの方が厚く、かつ第１の層よりも第２の層の方が硬いことを特徴とする。

本発明にかかる半導体装置によれば、金属ワイヤを半導体チップ上に形成された電極パッドに接合する時に、半導体チップに加わる機械的応力は、第２の層が支持するので、半導体チップにダメージを与えずに、半導体チップ上に形成された電極パッドに金属ワイヤを接合することができる。これにより、半導体チップにダメージを与えずに金属ワイヤを接合した半導体装置を得ることができる。

本発明の実施の形態１にかかる半導体装置を示す一部省略された概略断面図である。 本発明の実施の形態１にかかる半導体装置の要部を示す拡大断面図である。 本発明の実施の形態２にかかる半導体装置の要部を示す拡大断面図である。 本発明の実施の形態３にかかる半導体装置の要部を示す拡大断面図である。 本発明の実施の形態４にかかる半導体装置の要部を示す拡大断面図で、本発明の実施の形態１にかかる半導体装置の電極パッド４上に腐食防止膜１０を形成したものである。 本発明の実施の形態４にかかる半導体装置の要部を示す拡大断面図で、本発明の実施の形態２にかかる半導体装置の電極パッド８上に腐食防止膜１０を形成したものである。 本発明の実施の形態４にかかる半導体装置の要部を示す拡大断面図で、本発明の実施の形態３にかかる半導体装置の電極パッド９上に腐食防止膜１０を形成したものである。

実施の形態１．
本発明の実施の形態１にかかる半導体装置の構成を説明する。図１は、本発明の実施の形態１にかかる半導体装置を示す一部省略された概略断面図である。図２は、本発明の実施の形態１にかかる半導体装置の要部を示す拡大断面図であり、図１における破線で囲まれたA部を示している。図１及び図２において半導体装置は、回路基板１の回路パターン上に半導体チップ３が、ダイボンド材２を介して固定され、半導体チップ３上には、半導体チップ３と電気的に接続された電極パッド４が形成されている。電極パッド４は、少なくとも第１の層としての電極層４１と、第２の層としての緩衝層４２とを備えている。そして、金属ワイヤ５は電極パッド４に接合されている。電極層４１と緩衝層４２は、電極層４１が半導体チップ３側に、緩衝層４２が金属ワイヤ５側に位置している。金属ワイヤ５は回路基板１の回路パターンにも接合又は接着され、電極パッド４と回路基板１の回路パターンは金属ワイヤ５で電気的に接続されている。金属ワイヤ５、半導体チップ３及び電極パッド４は封止材６によって封止されている。なお、図１においては、半導体装置が外部機器へ接続するための外部への電気の取り出し方を省略して図示している。

半導体チップ３は、ダイオード、トランジスタなど特に限定されるものではなく、金属ワイヤ５が接合する電極パッド４が表面に形成されるものであればよい。また、半導体チップ３の半導体基材としては、Ｓｉ、ＳｉＣ、ＧａＮ、ＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓなどがあるが、特に限定されるものではない。

電極パッド４は、少なくとも第１の層としての電極層４１と、第２の層としての緩衝層４２とを備え、電極層４１と緩衝層４２は、電極層４１が半導体チップ３側に、緩衝層４２が金属ワイヤ５側に位置している。電極層４１が半導体チップ３の内部配線と電気的に接続され、電極層４１と緩衝層４２も電気的に接続されているため、電極パッド４と半導体チップ３は電気的に接続している。ここで、電極層４１と緩衝層４２の関係は、電極層４１の厚みよりも緩衝層４２の厚みの方が厚く、電極層４１よりも緩衝層４２の方が硬いことを特徴とする。

ここでは、電極層４１が５μｍの厚みで、Ａｌからなり、緩衝層４２が１００μｍの厚みで、Ｃｕからなるものである。半導体チップ３上にスッパタリング法を用いて電極層４１を形成し、電極層４１上に電気めっき法を用いて緩衝層４２を形成した。電極層４１は、金属／半導体接合を形成するためにスパッタリングした後、熱処理を行い、緩衝層４２には、形成速度の速い湿式めっき法を用いれば、半導体装置の生産性を向上させることができる。金属／半導体接合とは、金属と半導体を直接接触させることのみで、金属と半導体とをつなぎ合わせることを示す。

金属ワイヤ５は、Ａｇを主成分としている。Ａｇは、腐食、硫化など金属ワイヤ５の長期信頼性に影響を及ぼす問題を生じさせる可能性がある。そのため、金属ワイヤ５には、ＡｕやＰｄを添加したＡｇ合金を用いることが好ましいが、主成分であるＡｇの割合は特に決められるものではない。ここで、本発明の実施の形態１にかかる半導体装置の金属ワイヤ５は、ＡｇにＡｕやＰｄを添加したＡｇ合金を用いている。金属ワイヤ５の接合前の断面は、円形であり、その直径は３００μｍとする。ここで、円形とは、完全な円形も含み、多少形の崩れた円形も含むものとする。

金属ワイヤ５は、半導体チップ３上に形成された電極パッド４に接合される。その接合方法には、本発明の実施の形態１では、超音波圧着、超音波併用熱圧着などがあるウェッジボンディング法を用いた。金属ワイヤ５の回路基板１の回路パターンへの接続方法は、電極パッド４に接合される方法と同じウェッジボンディング法に特に限定されるものではなく、接着剤を用いた方法でもよい。

電極パッド４とは、上述のように、金属ワイヤ５が接合され、半導体チップ３と電気的に接続されている部分を示すものである。

金属ワイヤ５を電極パッド４に接合すると、接合後の金属ワイヤ５の断面は、金属ワイヤ５を通して電極パッド４に機械的応力が加わるウェッジボンディング法で接合されているため、円形から、金属ワイヤ５の軸線に直交する方向に、潰れるように電極パッド４上において変形している。金属ワイヤ５の接合後の断面において、金属ワイヤ５の軸線に直交し、金属ワイヤ５と電極パッド４の接合界面と平行な幅は、潰れ幅と呼ばれ、接合強度を左右する。ここで、潰れ幅は３９０μｍであり、接合前の金属ワイヤ５の断面の円形の直径に対して１．３倍となっている。

封止材６は、エポキシ樹脂、シリコーンゲルなどからなり、金属ワイヤ５、半導体チップ３及び電極パッド４を封止するものであればよい。

本発明の実施の形態１では、以上のような構成としたことにより、半導体チップ３にダメージを与えずに金属ワイヤ５を接合した半導体装置を得ることができる。金属ワイヤ５を半導体チップ３上に形成された電極パッド４に接合する時に印加する荷重、超音波振動などを、緩衝層４２が支持するので、電極層４１が選択的に変形することが抑制される。これにより、金属ワイヤ５が半導体チップ３に接触すること、電極パッド４の金属ワイヤ５の接合によって薄くなった部分を起点として半導体チップ３に亀裂が生じることが低減され、半導体チップ３の特性に影響を及ぼす可能性が低減されるからである。

半導体チップ３上に形成される従来の電極パッドは、５μｍの厚みでＡｌからなる電極層４１のみであることが一般的であり、半導体チップ３の製造プロセスに続いて、半導体チップ３上に形成される工程が行われていた。したがって、本発明の実施の形態１は、半導体チップ３の製造プロセスに続く電極パッドの製造プロセスを大幅に変更するのではなく、一般的な半導体チップ３の製造プロセスに続く電極パッドの製造プロセスに、緩衝層４２を形成する工程を追加しただけであるので、プロセス開発を簡略化ができる。そして、コストが増大することを抑制することができる。

さらに、緩衝層４２が硬質なＣｕからなっていても、電極層４１が軟質なＡｌであるため、緩衝層４２を形成する際に半導体チップ３に与えるストレスは少なくて済む。

また、金属ワイヤ５を電極パッド４に接合するのに用いられるウェッジボンディング法は、金属ワイヤ５と電極パッド４との接合界面の塑性変形によって、金属ワイヤ５及び電極パッド４の表面の酸化膜や有機膜が破壊され、新生面が露出し、接合界面で凝着核が形成されることで接合が完了する。そのため、５μｍの厚みでＡｌからなる電極層４１のみからなる従来の電極パッドに対して、一般的に純Ａｇよりも硬いＡｇ合金からなる金属ワイヤ５を接合すると、金属ワイヤ５よりも柔らかい電極パッドばかりが変形するため、金属ワイヤ５の塑性変形が小さく、十分に新生面が露出しないために接合強度が弱くなってしまう可能性が高かった。

しかしながら、本発明の実施の形態１にかかる半導体装置の金属ワイヤ５が接合する電極パッド４は、電極層４１と緩衝層４２とを備え、金属ワイヤ５が接する緩衝層４２は、ＡｌよりもＡｇ合金に近い硬さを有するＣｕであるため、ウェッジボンディング時に金属ワイヤ５、又は電極パッド４の一方だけが偏って変形することなく、お互いに塑性変形することで、金属ワイヤ５及び電極パッド４の接合界面で新生面が十分に露出し、未接合部の少ない広い面積で接合が完了する。したがって、本発明の実施の形態１にかかる半導体装置は、金属ワイヤ５と電極パッド４との接合において、高い接合強度が得られるという効果がある。

さらに、電極パッド４上での接合後の金属ワイヤ５の潰れ幅が、接合前の金属ワイヤ５の断面の円形の直径に対して１．３倍となるように接合すると、金属ワイヤ５と電極パッド４の接合面積は増大する。したがって、本発明の実施の形態１にかかる半導体装置は、金属ワイヤ５と電極パッド４との接合において、高い接合強度が得られるという効果がある。

金属ワイヤ５と電極パッド４との接合界面に繰り返し温度変化が与えられた時、金属ワイヤ５と半導体チップ３の線膨張係数の差異に起因して、金属ワイヤ５と電極パッド４の接合界面に熱応力が発生する。この熱応力により、金属ワイヤ５と電極パッド４の接合界面に亀裂が入り、接合面積が小さくなることで抵抗値の上昇が生じ、半導体装置の特性が変化してしまう。さらに、繰り返し温度変化が加わることで、亀裂が進展し、最終的には金属ワイヤ５と電極パッド４は完全に剥離してしまう。接合面積が小さい場合、小さな亀裂でも抵抗値の変動率が大きく、早期に剥離不良に至ってしまう。金属ワイヤ５を大きく変形させても、接合界面に未接合の部分が大きい場合、亀裂の進展速度が増大し、不良発生が速くなる。そのため、金属ワイヤ５と電極パッド４の接合面積を大きくしている。

さらに、本発明の実施の形態１にかかる半導体装置は、金属ワイヤ５、半導体チップ３及び電極パッド４が樹脂により封止されているので、金属ワイヤ５及び電極パッド４の酸化、硫化を抑制することができる。

以上より、本発明の実施の形態１にかかる半導体装置は、金属ワイヤ５と電極パッド４との接合において、高い接合信頼性を得ることと、半導体チップ３へのダメージ抑制を両立することができる。したがって、半導体チップ３にダメージを与えることなく、金属ワイヤ５を電極パッド４に十分な強度で接合させ、半導体装置の長寿命化を可能にすることができる。

ここで、半導体チップ３上に電極層４１を形成する方法にはスッパタリング法を用いたが、電気めっき法、無電解めっき法などの湿式めっき法、又は蒸着法、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法などの乾式めっき法などで形成してもよい。また、緩衝層４２を形成する方法には電気めっき法を用いたが、無電解めっき法、又はスッパタリング法、蒸着法、ＣＶＤ法などの乾式めっき法を用いてもよい。

また、ここで、電極パッド４の電極層４１は、５μｍの厚みがありＡｌからなるとしたが、厚みは５μｍ以上１０μｍ以下の範囲であれば、上述の効果が得られる。

さらに、ここで、電極パッド４の緩衝層４２は、１００μｍの厚みがありＣｕからなるとしたが、これに限るものではない。厚みは５０μｍ以上５００μｍ以下の範囲であり、材料はＣｕ、Ｎｉ、Ｍｏ、Ａｕ、Ｆｅのいずれかを主成分としたものであれば、上述の効果が得られる。Ｃｕ、Ｎｉ、Ｍｏ、Ａｕ、Ｆｅのいずれかを主成分としたときの主成分の割合は特に決められるものではなく、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｍｏ、Ａｕ、Ｆｅのいずれかの単体であっても、いずれかを含んだ合金であってもよい。

また、電極パッド４の緩衝層４２を複数のサブ層を積層したものとしてもよい。このとき、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｍｏ、Ａｕ、Ｆｅの単体、又はＣｕ、Ｎｉ、Ｍｏ、Ａｕ、Ｆｅのいずれかを含む合金で複数のサブ層を形成し、複数のサブ層のうち互いに隣り合うサブ層の成分は異なることとする。そして、複数のサブ層からなる緩衝層４２の厚みが５０μｍ以上５００μｍ以下としたものであれば、上述の効果が得られる。複数のサブ層の中の個々のサブ層を形成する方法には、電気めっき法、無電解めっき法などの湿式めっき法、スッパタリング法、蒸着法、ＣＶＤ法などがあるが、特に限定されるものではなく、これらを適宜組み合わせて行ってよい。

緩衝層４２は、複数のサブ層からなり、複数のサブ層のうち互いに隣り合うサブ層の成分は異なることとし、緩衝層４２の線膨張係数の値が、半導体チップ３の半導体基材と金属ワイヤ５の中間の線膨張係数の値となるよう、複数のサブ層の中の個々のサブ層の成分及び厚みを調整すれば、より一層、金属ワイヤ５と電極パッド４との接合信頼性を向上させることができる。

緩衝層４２の厚さが５０μｍよりも薄い場合、金属ワイヤ５を電極パッド４に接合する時に、電極層４１は局所的、選択的に変形してしまう。そして緩衝層４２は、電極層４１の変形に追従することができずに割れてしまう。また、電極層４１の変形に、接合の際に印加される荷重、超音波エネルギーが消費され、金属ワイヤ５が電極パッド４に接合できたとしても、接合強度が弱くなってしまう。

したがって、緩衝層４２の厚さは５０μｍ以上必要であり、これにより、金属ワイヤ５と電極パッド４の接合界面において、面方向に接合の際に印加される荷重、超音波エネルギーが分散し、電極層４１の局所的、選択的な変形が抑制され、緩衝層４２が割れるのを抑制することができる。また、金属ワイヤ５の電極パッド４への接合に、接合の際に印加される荷重、超音波エネルギーが消費されるため、強い接合強度を得ることができる。

また、ここで、接合前の金属ワイヤ５の断面の円形の直径は、３００μｍとしたが、２００μｍ以上５００μｍ以下の範囲であれば、上述の効果が得られる。

さらに、ここで、接合後の金属ワイヤ５の潰れ幅は、接合前の金属ワイヤ５の断面の円形の直径に対して１．３倍であるとしたが、１．１５倍以上１．５倍以下であれば、上述の効果が得られる。

潰れ幅が小さい場合、すなわち接合前の金属ワイヤ５の断面の直径の１．１５倍以下の場合、金属ワイヤ５の変形量が小さいため、金属ワイヤ５の電極パッド４との接合界面において十分に金属ワイヤ５及び電極パッド４の新生面が露出しないままの接合となり、接合強度が弱くなる。そのため、接合後のループ形成時に金属ワイヤ５が電極パッド４から剥離し、十分な信頼性が得られない。

一方、潰れ幅が大きすぎる場合、すなわち接合前の金属ワイヤ５の断面の直径の１．５倍以上の場合、荷重、超音波振動が半導体チップ３及び電極パッド４に大きく加わり、長時間の超音波印加により、半導体チップ３にダメージが生じる可能性が高くなる。さらに、極端に潰れ幅を大きくすると、金属ワイヤ５を把持するツールが電極パッド４に接触して、ツールを介して直に超音波振動が半導体チップ３に与えられることで、半導体チップ３を物理的に破壊してしまう恐れがある。したがって、接合前の金属ワイヤ５の金属ワイヤ５の潰れ幅は、接合前の金属ワイヤ５の断面の円形の直径に対して１．１５倍以上１．５倍以下であることがよい。

電極パッド４は、半導体チップ３上に第３の層としてのバリアメタル層を介して形成されていてもよい。バリアメタル層は、Ｔｉ、Ｗ、Ｔａ若しくはＶの単層、又はＴｉ、Ｗ、Ｔａ若しくはＶの単層を積層させたものであり、Ｔｉ、Ｗ、Ｔａ若しくはＶを主成分とする合金からなる単層、又はＴｉ、Ｗ、Ｔａ若しくはＶを主成分とする合金からなる単層を積層させたものであってもよい。そして、Ｔｉ、Ｗ、Ｔａ若しくはＶを主成分とする合金の割合は特に決められるものではない。バリアメタル層を介して電極パッド４を半導体チップ３上に形成することで、上述の効果が得られるのに加えて、電極パッド４に用いられる金属材料の拡散による半導体チップ３の特性変化を抑制することができる。また、バリアメタル層で、半導体チップ３と金属／半導体接合をとることで、半導体チップ３の半導体基材に依存することなく、電極層４１の材料を自由に選択できる。

また、電極パッド４は、電極層４１と緩衝層４２との間に、第４の層としてのバリアメタル層を備えていてもよい。電極層４１と緩衝層４２との間に、第４の層としてのバリアメタル層を備えていることで、緩衝層４２に用いられる金属材料の拡散による半導体チップ３の特性変化を抑制することができる。

また、ここで、金属ワイヤ５の電極パッド４への接合方法にはウェッジボンディング法を用いたが、これに限らず、接合時に、半導体チップ３上に形成された電極パッド４に機械的応力が加わる方法であればよい。

ダイボンド材２は、半導体チップ３を基板パターン１上に固定する接着材であって、ここでははんだが用いられているが、これに限るものではなく、導電性接着材、Ａｇフィラーを混合したエポキシ樹脂などでもよい。

実施の形態２．
本発明の実施の形態２では、本発明の実施の形態１と相違する部分について説明し、同一又は対応する部分についての説明は省略する。本発明の実施の形態２は、本発明の実施の形態１とは、電極パッドの構成が異なる。

図３は、本発明の実施の形態２にかかる半導体装置の要部を示す拡大断面図である。図３に示すように、本発明の実施の形態２における電極パッド８は、第５の層からなり、第５の層は、半導体チップ３側から順に第１のサブ層としての電極層８１と、第２のサブ層としての緩衝層８２とを備えている。電極層８１が半導体チップ３の内部配線と電気的に接続されている。電極層８１と緩衝層８２も電気的に接続されているため、電極パッド８と半導体チップ３は電気的に接続している。

ここで、電極層８１及び緩衝層８２は、どちらもＣｕからなり、電極層８１と緩衝層８２とを合わせた厚み、すなわち第３の層からなる電極パッド８の厚みが１０μｍである。１０μｍのうち、電極層８１及び緩衝層８２が占める割合は特に決められるものではない。電極層８１及び緩衝層８２は、どちらもＣｕからなるが、電極層８１は半導体チップ３上にスッパタリング法を用いて形成し、緩衝層８２は電極層８１上に、電極層８１を形成した方法とは異なる電気めっき法を用いてを形成した。

ここで、半導体チップ３上に電極層８１を形成する方法にはスッパタリング法を用いたが、電気めっき法、無電解めっき法などの湿式めっき法、又は蒸着法、ＣＶＤ法などの乾式めっき法などを用いてもよい。また、緩衝層８２を形成する方法には電気めっき法を用いたが、無電解めっき法、又はスッパタリング法、蒸着法、ＣＶＤ法などの乾式めっき法を用いてもよい。電極層８１及び緩衝層８２の役割に応じて、選択できるものである。例えば、電極層８１が半導体チップ３の半導体基材と金属／半導体接合される場合には、電極層８１には、金属／半導体接合を形成するためにスパッタリング法を用い、緩衝層８２には、形成速度の速い湿式めっき法を用いれば、半導体装置の生産性を向上させることができる。

電極層８１及び緩衝層８２を形成する方法は同じ方法を用いてもよい。電極層８１及び緩衝層８２はどちらもＣｕからなるため、電極層８１及び緩衝層８２を形成する方法に同じ方法を用いて、電極層８１と緩衝層８２との境界を特に設けず、続けて形成し、第５の層からなる電極パッド８を形成してもよい。

本発明の実施の形態２では、以上のような構成としたことにより、半導体チップ３にダメージを与えずに金属ワイヤ５を接合した半導体装置を得ることができる。従来の電極パッドは、本発明の実施の形態１で説明したように、５μｍの厚みでＡｌからなる電極層４１のみであることが一般的であり、金属ワイヤ５にＡｇにＡｕやＰｄを添加したＡｇ合金を用いて、電極パッドに接合すると、金属ワイヤ５よりも柔らかい電極パッドばかりが選択的に変形する。そして、電極パッドは金属ワイヤ５の外周に排斥され、金属ワイヤ５が半導体チップ３に接触してしまう。また、金属ワイヤ５と半導体チップ３の接触部、又は電極パッドが薄くなった部分を起点に半導体チップ３に亀裂が生じ、半導体チップ３の特性に影響を及ぼす可能性があった。

しかしながら、本発明の実施の形態２にかかる半導体装置の金属ワイヤ５が接合する電極パッド８は第５の層からなり、第５の層には、第１のサブ層としての電極層８１と第２のサブ層としての緩衝層８２とが設けられ、どちらもＡｌよりもＡｇ合金に近い硬さを有するＣｕからなるため、金属ワイヤ５を電極パッド４に接合する時に、電極パッド８が極端に変形することがない。これにより、金属ワイヤ５が半導体チップ３に接触すること、電極パッド８の金属ワイヤ５の接合によって薄くなった部分を起点として半導体チップ３に亀裂が生じることが低減され、半導体チップ３の特性に影響を及ぼす可能性が低減されるからである。

また、ウェッジボンディング時に金属ワイヤ５、又は電極パッド８の一方だけが偏って変形することなく、お互いに塑性変形することで、金属ワイヤ５及び電極パッド８の接合界面で新生面が十分に露出し、未接合部の少ない広い面積で接合が完了する。したがって、本発明の実施の形態２にかかる半導体装置は、金属ワイヤ５と電極パッド８との接合において、高い接合強度が得られるという効果がある。

さらに、本発明の実施の形態２では、本発明の実施の形態１と同様に、金属ワイヤ５の潰れ幅が、接合前の金属ワイヤ５の断面の円形の直径の１．３倍となるように接合させているので、金属ワイヤ５と電極パッド８の接合面積が増大し、高い接合強度が得られるという効果がある。

また、本発明の実施の形態２では、本発明の実施の形態１と同様に、金属ワイヤ５、半導体チップ３及び電極パッド８が樹脂により封止されているので、金属ワイヤ５及び電極パッド８の酸化、硫化を抑制することができる。

以上より、本発明の実施の形態２にかかる半導体装置は、金属ワイヤ５と電極パッド８との接合において、高い接合信頼性を得ることと、半導体チップ３へのダメージ抑制を両立することができる。したがって、半導体チップ３にダメージを与えることなく、金属ワイヤ５を電極パッド８に十分な強度で接合させ、半導体装置の長寿命化を可能にする。

ここで、電極層８１及び緩衝層８２はどちらもＣｕからなり、電極層８１及び緩衝層８２を合わせた電極パッド８は、１０μｍの厚みがあるとしたが、これに限るものではない。電極層８１及び緩衝層８２どちらも同じ成分からなり、その成分がＣｕ単体若しくはＮｉ単体、又はＣｕ若しくはＮｉを主成分とする合金であり、かつ電極パッド８の厚みが５μｍ以上５０μｍ以下の範囲であれば、上述の効果が得られる。Ｃｕ又はＮｉを主成分とする合金の主成分の割合は特に決められるものではない。また、５μｍ以上５０μｍ以下の電極パッド８の厚みに占める電極層８１及び緩衝層８２の割合は特に決められるものではない。

Ｃｕからなる電極パッド８の厚さは、５μｍ以上から金属ワイヤ５を接合する際の半導体チップ３のダメージに対する抑制効果が認められ、１０μｍ以上となると一層その効果が高く、金属ワイヤ５にＡｇ合金を用いても、半導体チップ３ダメージを抑制できることが実験により明らかとなっている。

一方、電極パッド８の厚さを増加させていくと、半導体チップ３に対する応力が増加する。半導体チップ３に対する応力が増加すると、半導体チップ３の特性が変動したり、過剰な場合は半導体チップ３にダメージが導入される恐れがある。電極パッド８の厚さは、５０μｍ以下のときは、半導体チップ３の特性への大きな影響がないことが実験的に判明している。したがって、本発明の実施の形態２にかかる半導体装置の電極パッド８の厚みは、５μｍ以上５０μｍ以下の範囲であれば良い。

なお、電極パッド８は、金属ワイヤ５に接合される面と対向する面で半導体チップ３の半導体基材と金属／半導体接合が形成されている。具体的には、半導体チップ３がショットキーダイオードのパワーデバイスである場合には、金属／半導体接合はショットキー接合となる。また、半導体チップ３がＭＯＳ（Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）トランジスタのパワーデバイスである場合には、電極パッド８がソース領域と電気的に接続されることになるので、金属／半導体接合はオーミック接合となる。

電極パッド８は、半導体チップ３上に第６の層としてのバリアメタル層を介して形成されていてもよい。バリアメタル層を介して電極パッド８を半導体チップ３上に形成することで、上述の効果が得られるのに加えて、電極パッド８に用いられる金属材料の拡散による半導体チップ３の特性変化を抑制することができる。また、バリアメタル層で、半導体チップ３と金属／半導体接合をとることで、半導体チップ３の半導体基材に依存することなく、電極パッド８の材料を自由に選択できる。

ここで、金属ワイヤ５の接合前の断面の円形の直径は、本発明の実施の形態１と同様に、２００μｍ以上５００μｍ以下の範囲であれば、上述の効果が得られ、また、接合後の金属ワイヤ５の潰れ幅は、本発明の実施の形態１と同様に、接合前の金属ワイヤ５の断面の円形の直径に対して１．１５倍以上１．５倍以下であれば、上述の効果が得られることも言うまでもない。

本発明の実施の形態２は、本発明の実施の形態１の第１の層の厚みを０μｍとし、第２の層が第５の層となった場合、又は本発明の実施の形態１の第２の層の厚みを０μｍとし、第１の層が第５の層となった場合にあたる。

実施の形態３．
本発明の実施の形態３は、本発明の実施の形態１の変形例であり、本発明の実施の形態１の電極パッドの緩衝層が板状のものとなる。本発明の実施の形態３では、本発明の実施の形態１と相違する部分について説明し、同一又は対応する部分についての説明は省略する。

図４は、本発明の実施の形態３にかかる半導体装置の要部を示す拡大断面図である。図４に示すように、本発明の実施の形態３における電極パッド９は、半導体チップ３側から順に第１の層としての電極層９１と、第２の層としての緩衝層９２とが設けられており、電極層９１が半導体チップ３の内部配線と電気的に接続されている。本発明の実施の形態３の緩衝層９２は、板状であり、半導体チップ３上に形成された電極層９１に、はんだ付け層９３と、はんだである緩衝層接合材９４を介して接着される。したがって、電極層９１と緩衝層９２も電気的に接続されているため、電極パッド９と半導体チップ３は電気的に接続している。

電極層９１は、本発明の実施の形態１にかかる半導体装置の電極層４１と同様に、５μｍの厚みで、Ａｌからなっている。緩衝層９２は、本発明の実施の形態１にかかる半導体装置の緩衝層４２と同様に、１００μｍの厚みであるが、ＣｕとＭｏの合金からなる板状のものである。

板状の緩衝層９２は、線膨張係数の値が、半導体チップ３の半導体基材と金属ワイヤ５の中間の線膨張係数の値となるようにＣｕとＭｏの混合比が調整されている。

ここで、５μｍの厚みでＡｌからなる電極層９１は、本発明の実施の形態１で説明したように、従来の電極パッドであり、半導体チップ３の製造プロセスに続いて、半導体チップ３上に形成されるものである。

そして、電極層９１上には、Ａｕからなるはんだ付け層９３が成膜されている。

半導体チップ３上に電極層９１及びはんだ付け層９３を形成する方法は、本発明の実施の形態１にかかる半導体装置の電極層４１と同様に、電気めっき法、スッパタリング法、蒸着法、ＣＶＤ法、無電解めっき法などがあるが、特に限定されるものではない。

板状の緩衝層９２は、金属ワイヤ５をウェッジボンディングする前に、はんだ付け時の表面酸化を防止するため、真空状態や不活性雰囲気中で、はんだである緩衝層接合材９４及びはんだ付け層を介して電極層９１に接着されている。

本発明の実施の形態３では、以上のような構成としたことにより、本発明の実施の形態１と同様の効果を得ることができることは言うまでもないが、加えて金属ワイヤ５と電極パッド９との接合信頼性をさらに向上させることができるという効果がある。

緩衝層９２は、半導体チップ３の半導体基材と金属ワイヤ５の中間の線膨張係数を有するため、半導体チップ３と金属ワイヤ５の接合界面に温度変化が繰り返し加わった時に、電極層９１と緩衝層９２の接合界面と、緩衝層９２と金属ワイヤ５の接合界面に生じる熱応力が小さくなる。これにより、金属ワイヤ５と電極パッド９との接合信頼性を向上することができるからである。

また、従来の電極パッドは、５μｍの厚みでＡｌからなる電極層９１のみであることが一般的であり、半導体チップ３の製造プロセスに続いて、半導体チップ３上に形成される工程が行われていた。したがって、本発明の実施の形態３は、半導体チップ３上の電極層９１の形状に合わせた形状に、あらかじめ形成しておいた板状の緩衝層９２を電極層９１上に接着することで、半導体チップ３にダメージを与えることなく、金属ワイヤ５を所望の信頼性で接合することができるため、すでに従来の電極パッドが形成された半導体チップ３を、そのまま活用できる。

ここでは、板状の緩衝層９２を電極層９１に接着するための緩衝層接合材９４をはんだとする場合について述べたが、これに限るものではない。例えば、導電性接着材、Ａｇフィラーを混合したエポキシ樹脂で接着してもよい。この場合、はんだ付け層９３を省略することができる。また、はんだ付け層９３及び緩衝層接合材９４を省略して、緩衝層９２を電極層９１に超音波接合してもよい。この場合、金属ワイヤ５を緩衝層９２にウェッジボンディングする時に、同時に緩衝層９２を電極層９１に超音波接合してもよい。

また、ここで、板状の緩衝層９２は、１００μｍの厚みがありＣｕとＭｏの合金からなるとしたが、これに限るものではない。本発明の実施の形態１の緩衝層４２と同様に、厚みは５０μｍ以上５００μｍ以下の範囲であればよく、材料は、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｍｏ、Ａｕ、Ｆｅのいずれかを主成分としたものであればよい。Ｃｕ、Ｎｉ、Ｍｏ、Ａｕ、Ｆｅのいずれかを主成分としたときの主成分の割合は特に決められるものではなく、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｍｏ、Ａｕ、Ｆｅのいずれかの単体であっても、いずれかを含んだ合金であってもよい。好ましくは、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｍｏ、Ａｕ、Ｆｅのいずれかを含み、半導体チップ３の半導体基材と金属ワイヤ５の中間の線膨張係数となるように混合されたものである。例えば、ＣｕとＭｏの合金の他には、ＣｕとＷの合金などがある。

また、板状の緩衝層９２を複数のサブ層からなるものとしてもよい。このとき、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｍｏ、Ａｕ、Ｆｅの単体、又はＣｕ、Ｎｉ、Ｍｏ、Ａｕ、Ｆｅのいずれかを含む合金で複数のサブ層を形成し、複数のサブ層のうち互いに隣り合うサブ層の成分は異なることとする。そして、複数のサブ層からなる緩衝層９２が、５０μｍ以上５００μｍ以下の厚みとした板であれば、上述の効果が得られる。例えば、ＦｅとＮｉの合金をＣｕで挟み込んだＣＩＣ（Ｃｏｐｐｅｒ Ｉｎｖｅｒ Ｃｏｐｐｅｒ）と呼ばれる積層板、ＭｏをＣｕで挟み込んだＣＭＣ（Ｃｏｐｐｅｒ Ｍｏｌｙｂｄｅｎｕｍ Ｃｏｐｐｅｒ）と呼ばれる積層板などである。

緩衝層９２は、本発明の実施の形態３のように合金を用いたり、２種以上の金属との積層板とし、緩衝層９２の線膨張係数の値が、半導体チップ３の半導体基材と金属ワイヤ５の中間の線膨張係数の値となるよう、合金を用いる場合は混合金属、混合比を、積層板を用いる場合は積層材料、板厚を調整すれば、より一層、金属ワイヤ５と電極パッド９との接合信頼性を向上させることができる。

本発明の実施の形態３は、本発明の実施の形態１の変形例であるので、電極パッド９は、半導体チップ３上に第３の層としてのバリアメタル層を介して形成されていてもよい。バリアメタル層を介して電極パッド９を半導体チップ３上に形成することで、上述の効果が得られるのに加えて、電極パッド９に用いられる金属材料の拡散による半導体チップ３の特性変化を抑制することができることは言うまでもない。また、バリアメタル層で、半導体チップ３と金属／半導体接合をとることで、半導体チップ３の半導体基材に依存することなく、電極層９１の材料を自由に選択できる。

また、電極パッド９は、緩衝層９２と緩衝層接合材９４との間に、第４の層としてのバリアメタル層を備えていてもよい。緩衝層４２と緩衝層接合材９４との間に、第４の層としてのバリアメタル層を備えていることで、緩衝層４２に用いられる金属材料の拡散による半導体チップ３の特性変化を抑制することができる。緩衝層９２を電極層９１に超音波接合する場合、はんだ付け層９３及び緩衝層接合材９４は省略される。したがって、この場合、電極層９１と緩衝層９２との間に、第４の層としてのバリアメタル層を備えていてもよいこととなる。

実施の形態４．
本発明の実施の形態４では、本発明の実施の形態１から本発明の実施の形態３と相違する部分について説明し、同一又は対応する部分についての説明は省略する。本発明の実施の形態４は、本発明の実施の形態１から本発明の実施の形態３に、さらに腐食防止膜を追加している。

図５は、本発明の実施の形態４にかかる半導体装置である本発明の実施の形態１にかかる半導体装置の電極パッド４上に腐食防止膜１０を形成した半導体装置の要部を示す拡大断面図である。

図６は、本発明の実施の形態４にかかる半導体装置である本発明の実施の形態２にかかる半導体装置の電極パッド８上に腐食防止膜１０を形成した半導体装置の要部を示す拡大断面図である。

図７は、本発明の実施の形態４にかかる半導体装置である本発明の実施の形態３にかかる半導体装置の電極パッド９上に腐食防止膜１０を形成した半導体装置の要部を示す拡大断面図である。

腐食防止膜１０は、０．１μｍの厚みでＡｕからなり、電極パッド４、８及び９上、すなわち緩衝層４２、８２及び９２上に形成されている。

緩衝層４２、８２及び９２は、酸化、腐食しやすく、酸化、腐食した面に金属ワイヤ５ウェッジボンディングする場合、厚い酸化膜及び腐食層を破壊して新生面を露出させる必要が生じてくる。金属ワイヤ５の接合に、高い荷重及び超音波出力を印加することとなり、半導体チップ３にダメージが生じる可能性が高くなる。本発明の実施の形態４の半導体装置は、緩衝層４２、８２及び９２の酸化、腐食を防止する効果がある腐食防止膜１０が形成されているため、金属ワイヤ５ウェッジボンディング時に、酸化膜及び腐食層を破壊するために必要なエネルギーが小さくなる。そのため、金属ワイヤ５を接合するときに、より小さい荷重及び超音波出力で接合が可能となり、半導体チップ３へのダメージを抑制することができる。

さらに、本発明の実施の形態１から実施の形態３にかかる半導体装置は、エポキシ樹脂やシリコーンゲルなどにより封止されているが、環境中の水分は封止材６を透過するため、緩衝層４２、８２及び９１が腐食する場合がある。しかしながら、腐食防止膜１０を緩衝層４２、８２及び９１上に形成することで、封止後の酸化、腐食をよりいっそう低減することができる。

なお、本発明の実施の形態４においては、腐食防止膜１０は、０．１μｍ厚みでのＡｕからなると述べたが、これに限るものではない。貴金属、例えば、Ａｕ、Ｐｄ、Ｐｔなどの酸化、腐食しにくい物質であれば、上述の効果が得られる。

本発明の実施の形態１の説明において、半導体チップ３の半導体基材は特に限定されるものではないと述べた。しかしながら、半導体装置を高温動作させるような場合には、半導体チップ３の半導体基材にＳｉＣ、ＧａＮなどのＳｉよりもバンドギャップが大きく、バンドギャップが２ｅＶ以上である半導体を用いることが必要である。高温で動作させるためには、より高い信頼性が求められ、また、信頼性を保証するためには、金属ワイヤ５にＡｇ合金を使用する必要性が増す。特に、半導体装置を例えばモータを駆動するインバータに使用されるようなＳｉＣパワーデバイスとすれば、インバータの高温動作が可能となる。その場合には、本発明にかかる半導体装置をインバータに用いることにより、信頼性の高いインバータを得ることができる。

なお、本発明は、発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせることや、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。

１ 回路基板、２ ダイボンド材、３ 半導体チップ、４，８，９ 電極パッド、５ 金属ワイヤ、６ 封止材、１０ 腐食防止膜、４１，８１，９１ 電極層、４２，８２，９２ 緩衝層、９３ はんだ付け層、９４ 緩衝層接合材。

Claims (18)

1. 半導体チップと、
   前記半導体チップ上に形成される電極パッドと、
   前記電極パッドに接合され、Ａｇを主成分とする金属ワイヤと、
   を備えた半導体装置であって、
   前記電極パッドは、少なくとも第１の層と第２の層とを備え、
   前記第１の層と前記第２の層は、
   前記第１の層が前記半導体チップ側に、前記第２の層が前記金属ワイヤ側に位置し、
   前記第１の層よりも前記第２の層の厚みの方が厚く、かつ前記第１の層よりも前記第２の層の方が硬いこと
   を特徴とする半導体装置。
2. 前記電極パッドと前記半導体チップとの間に、さらに第３の層を備え、
   前記第３の層はバリアメタルであること
   を特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
3. 前記第１の層と前記第２の層との間に、さらに第４の層を備え、
   前記第４の層はバリアメタルであること
   を特徴とする請求項１又は請求項２に記載の半導体装置。
4. 前記第１の層が、Ａｌからなり、厚みが５μｍから１０μｍであることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の半導体装置。
5. 前記第２の層が、Ｃｕ、Ｍｏ、Ｎｉ、Ａｕ、Ｆｅのいずれかを主成分とし、厚みが５０μｍ以上５００μｍ以下であること特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の半導体装置。
6. 前記第１の層を形成する方法は、スパッタリング法であり、
   前記第２の層を形成する方法は、湿式めっき法であること
   を特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の半導体装置。
7. 前記第２の層は、板状であることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の半導体装置。
8. 前記第２の層は、複数のサブ層からなり、前記複数のサブ層のうち互いに隣り合うサブ層の成分が異なる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。
9. 半導体チップと、
   前記半導体チップ上に形成される電極パッドと、
   前記電極パッドに接合され、Ａｇを主成分とする金属ワイヤと、
   を備えた半導体装置であって、
   前記電極パッドは、第５の層からなり、
   前記第５の層はＣｕ単体若しくはＮｉ単体、又はＣｕ若しくはＮｉを主成分とする合金からなり、かつ厚みが５μｍ以上５０μｍ以下であること
   を特徴とする半導体装置。
10. 前記電極パッドと前記半導体チップとの間に、さらに第６の層を備え、
    前記第６の層はバリアメタルであること
    を特徴とする請求項９に記載の半導体装置。
11. 前記第５の層は、前記半導体チップ側から順に第１のサブ層と第２のサブ層とが設けられ、
    前記第１のサブ層と前記第２のサブ層は異なる方法により形成されていること
    を特徴とする請求項９に記載の半導体装置。
12. 前記１のサブ層を形成する方法は、スパッタリング法であり、
    前記第２のサブ層を形成する方法は、湿式めっき法であること
    を特徴とする請求項１１に記載の半導体装置。
13. 前記金属ワイヤは、直径が２００μｍ以上５００μｍ以下であることを特徴とする請求項１から請求項１２のいずれか１項に記載の半導体装置。
14. 前記電極パッド上に腐食防止膜をさらに備えた請求項１から請求項１３のいずれか１項に記載の半導体装置。
15. 前記金属ワイヤは、前記電極パッドに接合後の潰れ幅が、接合前の円形の直径に対して１．１５倍以上１．５倍以下となるように、前記電極パッドに接合されることを特徴とする請求項１から請求項１４のいずれか１項に記載の半導体装置。
16. 前記半導体チップ、前記電極パッド及び前記金属ワイヤを封止する樹脂をさらに備えた請求項１から請求項１５のいずれか１項に記載の半導体装置。
17. 前記半導体チップの半導体基材は、バンドギャップが２ｅＶ以上の半導体を材料とすることを特徴とする請求項１から請求項１６のいずれか１項に記載の半導体装置。
18. 前記半導体基材は、ＳｉＣであること
    を特徴とする請求項１７に記載の半導体装置。

Images