JP2017034192A

JP2017034192A - 半導体装置とその製造方法

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Publication number: JP2017034192A
Application number: JP2015155255A
Authority: JP
Inventors: 知靖工藤; Tomoyasu Kudo; 岩佐　誠一; Seiichi Iwasa; 誠一岩佐
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2015-08-05
Filing date: 2015-08-05
Publication date: 2017-02-09

Abstract

【課題】信頼性の高い半導体装置とその製造方法を提供することを目的とする。
【解決手段】一つの実施形態によれば、半導体装置の製造方法は、半導体基板に形成されたボンディングパッド電極を覆う被覆層に開口を形成し、前記ボンディング電極の表面の一部を露出させる工程を有する。前記露出されたボンディングパッド電極の表面に保護膜を堆積する工程を有する。ワイヤボンディング工程において前記保護膜を破壊して、ボンディングワイヤと前記ボンディングパッド電極を電気的に接続する。
【選択図】図１

Description

本実施形態は、半導体装置とその製造方法に関する。

従来、半導体基板に形成されたボンディングパッド電極とボンディングワイヤとを電気的に接続するワイヤボンディング工程が行われている。ボンディングパッド電極が形成されてからワイヤボンディング工程迄の間に半導体装置の信頼性試験等が行われ、ボンディングパッド電極の表面が外気に晒される状態となる場合が有る。ボンディングパッド電極の表面が外気に晒されることで、外気中の水分とボンディングパッド電極が化学反応を起こしてボンディングパッド電極の表面にコロージョンが発生し、半導体装置の外観不良やワイヤボンディング不良を発生させる場合が有る。

ワイヤボンディング工程に至る迄の間に半導体装置が外気に晒されることが有っても、ボンディングパッド電極表面におけるコロージョンの発生を抑制することが出来る信頼性の高い半導体装置とその製造方法が望まれる。

特開２００３−１５２０１５号公報特開平７−１４２５３３号公報特開平６−３３３９７７号公報

一つの実施形態は、信頼性の高い半導体装置とその製造方法を提供することを目的とする。

一つの実施形態によれば、半導体装置の製造方法は、半導体基板に形成されたボンディングパッド電極を覆う被覆層に開口を形成し、前記ボンディング電極の表面の一部を露出させる工程を有する。前記露出されたボンディングパッド電極の表面に保護膜を堆積する工程を有する。

図１は、第１の実施形態の半導体装置の製造方法の工程を示す図である。図２は、ワイヤボンディング工程の一つの実施形態を説明する為の図である。図３は、第２の実施形態の半導体装置の製造方法の工程を示す図である。

以下に添付図面を参照して、実施形態にかかる半導体装置とその製造方法を詳細に説明する。なお、これらの実施形態により本発明が限定されるものではない。

（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態の半導体装置の製造方法の工程を模式的に示す図である。図１（Ａ）に示す様に、例えばシリコンからなる半導体基板１０の表面に、ボンディングパッド電極１２が形成される。ボンディングパッド電極１２は、例えば、アルミニウム（Ａｌ）又はアルミニウムと銅（Ｃｕ）の合金等、アルミニウムを主成分とする金属膜で構成される。半導体基板１０には、半導体基板１０に形成された所定の半導体領域（図示せず）間を接続する、例えば、銅（Ｃｕ）で構成される下層配線（図示せず）が形成され、ボンディングパッド電極１２は、その下層配線に電気的に接続される場合が有る。

半導体基板１０の表面には、第１の絶縁膜１４が形成される。第１の絶縁膜１４は、例えば、ＴＥＯＳ（ＴｅｔｒａＥｔｈｙｌＯｒｔｈｏＳｉｌｉｃａｔｅ）を原料にして、ＣＶＤ（ＣｈｅｍｉｃａｌＶａｐｏｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法により２００ｎｍ〜３００ｎｍ程度の膜厚で半導体基板１０の表面に形成される。

第１の絶縁膜１４の表面には、第２の絶縁膜１６が形成される。第２の絶縁膜１６としては、例えば、ＣＶＤ法により５０ｎｍ〜１５０ｎｍ程度の膜厚の窒化シリコン膜が形成される。

次に、図１（Ｂ）に示す様に、第２の絶縁膜１６の表面にレジスト層１８が形成され、レジスト層１８には、リソグラフィにより開口１９が形成される。開口１９は、半導体基板１０におけるボンディングパッド電極１２の形成位置に対応して設けられる。

次に、図１（Ｃ）に示す様に、レジスト層１８をマスクにして、例えば、フッ素イオンを含むＲＩＥ（ＲｅａｃｔｉｖｅＩｏｎＥｔｃｈｉｎｇ）により第１の絶縁膜１４と第２の絶縁膜１６にワイヤボンディング用の開口２０を形成する。ワイヤボンディング用の開口２０は、ボンディングパッド電極１２の表面の一部を露出させる。開口２０は、ボンディングパッド電極１２の表面においてボンディング領域を画定する。ＲＩＥによるエッチングの後に、第２の絶縁膜１６上に残置するレジスト層（図示せず）を、例えば、アッシング（Ａｓｈｉｎｇ）により除去する。

次に、露出されたボンディングパッド電極１２の表面を覆うように保護膜３０を堆積させる（図１（Ｄ））。保護膜３０は、例えば、ＡＬＤ（ＡｔｏｍｉｃＬａｙｅｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法を用いてシリコン酸化膜を堆積させて形成する。例えば、ソースガスとしてアミノシラン系のガスを用いる。

ＡＬＤ法によりカバレッジ性に優れた緻密な膜を形成することが出来る為、ワイヤボンディング用の開口２０の側壁とボンディングパッド電極１２の角部の隙間の発生を抑制してボンディングパッド電極１２の表面を保護する保護膜３０を堆積させることが出来る。ボンディングパッド電極１２とワイヤボンディング用の開口２０の側壁の角部に形成される隙間の発生が抑制できる為、水分の浸入を抑制することが出来る。

ワイヤボンディング用の開口２０をフッ素イオンを含むＲＩＥで形成した場合、ボンディングパッド電極１２の表面に、フッ素イオンが残留する。ボンディングパッド電極１２をアルミニウムを主成分とする金属で形成した場合に、フッ素イオンが残留した状態でボンディングパッド電極１２の表面が外気中の水分に晒されると、アルミニウムとフッ素イオン、及び水分が反応してアルミニウムの酸化物（ＡｌＯ_ｘＦ_ｙ）から成るＡｌコロージョンが生成される。保護膜３０によりボンディングパッド電極１２の表面を保護し、ボンディングパッド電極１２の表面が外気中の水分に晒される状態を回避することにより、Ａｌコロージョンの発生を防ぐことが出来る。

ＡＬＤ法による保護膜３０の堆積は、４００℃以下の温度、例えば、３５０℃で行う。半導体基板１０に、例えば、銅（Ｃｕ）製の下層配線（図示せず）が形成されている場合、ＡＬＤ法による保護膜３０の堆積温度を４００℃以下に制限することで、下層配線におけるＣｕの移動（マイグレーション）を抑制することが出来る。尚、ＡＬＤ法は、通常のＣＶＤ（ＣｈｅｍｉｃａｌＶａｐｏｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法に比べて低温で膜の堆積が可能で有る。

保護膜３０の膜厚の下限値は、例えば、外気中の水分がボンディングパッド電極１２の表面に達するのを防止することが出来る膜厚に設定する。保護膜３０の膜厚の上限値は、例えば、保護膜３０の強度で設定することが出来る。例えば、保護膜３０として酸化シリコン膜を用いた場合、５ｎｍ以上の膜厚とした場合にボンディングパッド電極１２の表面のコロージョンの発生が抑制される検証データが得られた。また、保護膜３０として酸化シリコン膜を用いた場合、１５ｎｍ以下の膜厚で有れば、従来行われているワイヤボンディング工程の条件下で保護膜３０を破壊してボンディングワイヤ４０とボンディングパッド電極１２との電気的接続を行う事が出来る検証データを得ている。

保護膜３０が第２の絶縁膜１６上に堆積された状態で、ワイヤボンディング工程に移行する。ワイヤボンディング工程以降の工程は、所謂、後工程と呼ばれ、例えば、ボンディングパッド電極１２、第１の絶縁膜１４、第２の絶縁膜１６、及び、開口２０が形成されるまでの工程、所謂、前工程と区別される場合が有る。また、前工程と後工程との間で使用する製造設備が変更される場合が有り、ワイヤボンディング工程の前に、半導体装置の信頼性試験等が行われる場合が有る。本実施形態においては、例えば、図１（Ｄ）に示す様に、半導体基板１０の表面に保護膜３０が堆積された状態で、ワイヤボンディング工程に移行する。

半導体基板１０の表面に形成されたボンディングパッド電極１２の表面を保護膜３０が覆う状態で、ワイヤボンディング工程が行われる（図１（Ｅ））。ワイヤボンディング工程は、例えば、金（Ａｕ）製のボンディングワイヤ４０に超音波振動と荷重を印加するボンディングツール（図示せず）を用いる既知の方法で行うことが出来る。

ボンディングワイヤ４０の先端に形成されるボール４１に、例えば、ボンディングツールにより超音波振動と荷重を印加し、ボール４１を保護膜３０に圧接した状態で振動させることによりボンディングパッド電極１２の表面を覆う保護膜３０を破壊することが出来る。ボンディングパッド電極１２の表面上の保護膜３０が破壊され、ボンディングワイヤ４０とボンディングパッド電極１２が電気的に接続されて、ボンディングパッド電極１２へのボンディングが終了する。ボンディングワイヤ４０の先端部であるボール４１とボンディングパッド電極１２の接続部の周囲には、保護膜３０の一部がワイヤボンディング工程で破壊されずに残存する。

本実施形態の半導体装置の製造方法によれば、ボンディングパッド電極１２の表面を保護膜３０で覆った状態で、ワイヤボンディング工程に移行させる。この為、ボンディングパッド電極１２が形成されてからワイヤボンディング工程までの過程において、半導体装置が外気に晒される状態が有ったとしても、ボンディングパッド電極１２の表面が外気に晒されることを防止することが出来る。これにより、外気中の水分とボンディングパッド電極１２が反応してボンディングパッド電極１２の表面にコロージョンが発生することを防止することが出来る。また、ボンディングパッド電極１２の表面を露出する開口２０を含め第２の絶縁膜１６の表面上に全体的に保護膜３０を堆積させることにより、開口２０を介して外気の水分がボンディング電極１２に達する事態をより確実に防ぐことが出来る。更に、ボンディングパッド電極１２の表面上においてボンディングワイヤ４０のボール４１とボンディングパッド電極１２の接続部の周囲に残存する保護膜３０は、引き続き、ボンディングパッド電極１２の表面を保護する保護膜として機能する為、コロージョンの発生等が抑制される。

また、ボンディングパッド電極１２を覆う保護膜３０の厚みを適宜設定することにより、既存のワイヤボンディングの条件をそのまま用いることが出来る為、製造工程を複雑化させること無く、信頼性の高い半導体装置の製造方法を提供することが出来る。また、保護膜３０は、ワイヤボンディング工程においてはボンディングワイヤ４０とボンディングパッド電極１２との間の電気的な接続の阻害要因になる可能性が有る為、ワイヤボンディング工程において破壊させることが出来る様に、例えばＡＬＤ法を用いて精度良く制御して堆積させることが好ましい。

図２は、ワイヤボンディング工程の一つの実施形態を説明する為の図である。既述した図１（Ｄ）から図１（Ｅ）に至るワイヤボンディング工程の一つの実施形態を示す。ボンディングワイヤ４０が装填されたボンディングツール（図示せず）に所定の周波数の超音波振動を印加する（Ｓ１００）。ボンディングワイヤ４０のボール４１がボンディングパッド電極１２の表面を被覆する保護膜３０に当接する前にボンディングツールに超音波振動を印加することにより、ボンディングワイヤ４０の振動が保護膜３０に伝搬され、保護膜３０上の異物（図示せず）を除去することが出来る。

保護膜３０にボンディングワイヤ４０、具体的には、ボンディングワイヤ４０の先端に形成されたボール４１を接触させる（Ｓ１０１）。保護膜３０にボンディングワイヤ４０のボール４１が接触したか否かの検証を行う（Ｓ１０２）。例えば、ボンディングツールの荷重の変化を検知することで、保護膜３０にボンディングワイヤ４０のボール４１が接触したか否かを判断することが出来る。

保護膜３０にボンディングワイヤ４０のボール４１が接触したことを検知した後に、ボンディングツールに所定の荷重を印加する加圧モード制御を行う（Ｓ１０３）。加圧モード制御においては、ボンディングツールに印加する荷重を調整する。ボンディングワイヤ４０のボール４１を保護膜３０に圧接した状態で振動させ、ボンディングパッド電極１２の表面を覆う保護膜３０を破壊してボンディングワイヤ４０とボンディングパッド電極１２を電気的に接続する。

ボンディングパッド電極１２にボンディングワイヤ４０のボール４１が接触したか否かを監視する（Ｓ１０４）。例えば、ボンディングワイヤ４０がボンディングパッド電極１２に接触することによるボンディングツールの荷重の変化を検知することで、ボンディングワイヤ４０のボール４１がボンディングパッド電極１２に接触したか否かを判断することが出来る。

ボンディングワイヤ４０とボンディングパッド電極１２との電気的接続が終了することで、ボンディングワイヤ４０とボンディングパッド電極１２とのワイヤボンディング工程が終了する。

ボンディングワイヤ４０が保護膜３０に接触する前に、事前に、ボンディングワイヤ４０に超音波振動を印加して、その振動を保護膜３０に伝搬させることで保護膜３０の表面の異物を除去し、ボンディングの信頼性を向上させることが出来る。

（第２の実施形態）
図３は、第２の実施形態の半導体装置の製造方法の工程を模式的に示す図である。既述の実施形態に対応する構成要素には同一の符号を付している。

図３（Ａ）に示す様に、例えばシリコンからなる半導体基板１０の表面に、ボンディングパッド電極１２を形成する。ボンディングパッド電極１２は、例えば、アルミニウム（Ａｌ）又はアルミニウムと銅（Ｃｕ）の合金等、アルミニウムを主成分とする金属膜で構成される。半導体基板１０には、半導体基板１０に形成される所定の半導体領域（図示せず）間を接続する、例えば、銅（Ｃｕ）で構成される配線層（図示せず）と層間絶縁膜で構成される多層配線構造が形成され、ボンディングパッド電極１２は、その多層配線構造の上層の配線層に電気的に接続される場合が有る。

半導体基板１０の表面には、第１の絶縁膜１４が形成される。第１の絶縁膜１４は、例えば、ＴＥＯＳ（ＴｅｔｒａＥｔｈｙｌＯｒｔｈｏＳｉｌｉｃａｔｅ）を原料にして、ＣＶＤ法により半導体基板１０の表面に形成される。

第１の絶縁膜１４の表面には、第２の絶縁膜１６が形成される。第２の絶縁膜１６は、例えば、窒化シリコン膜で構成される。

次に、図３（Ｂ）に示す様に、第２の絶縁膜１６の表面にレジスト層１８が形成され、レジスト層１８には、リソグラフィにより開口１９が形成される。開口１９は、半導体基板１０におけるボンディングパッド電極１２の形成位置に対応して設けられる。

次に、図３（Ｃ）に示す様に、レジスト層１８をマスクにして、例えば、フッ素イオンを含むＲＩＥ（ＲｅａｃｔｉｖｅＩｏｎＥｔｃｈｉｎｇ）により第１の絶縁膜１４と第２の絶縁膜１６にワイヤボンディング用の開口２０を形成する。ワイヤボンディング用の開口２０は、ボンディングパッド電極１２の表面を露出させる。ＲＩＥによるエッチングの後に、第２の絶縁膜１６上に残置するレジスト層（図示せず）を、例えば、アッシング（Ａｓｈｉｎｇ）により除去する。

次に、露出されたボンディングパッド電極１２の表面を覆うように保護膜３０を堆積させる（図３（Ｄ））。保護膜３０は、例えば、ＡＬＤ法を用いてシリコン酸化膜を堆積させて形成する。

ＡＬＤ法による保護膜３０の堆積は、例えば、４００℃以下の温度条件で行う。半導体基板１０に、例えば、銅（Ｃｕ）製の配線層を有する多層配線構造（図示せず）が形成されている場合、保護膜３０の堆積温度を４００℃以下に制限することにより、Ｃｕの移動（マイグレーション）を抑制することが出来る。保護膜３０の膜厚は、例えば、５ｎｍ〜１５ｎｍに設定する。保護膜３０がボンディングパッド電極１２の表面上に堆積された状態で、ワイヤボンディング工程に移行する。ワイヤボンディング工程への移行に伴い、例えば、所謂、前工程の製造設備から後工程の製造設備に半導体装置を移送する場合が有る。

本実施形態においては、ボンディングパッド電極１２の表面を覆う保護膜３０をワイヤボンディング工程前に除去する（図３（Ｅ））。例えば、レジスト層（図示せず）とリソグラフィを用いて、ボンディングパッド電極１２上の保護膜３０を除去し、ボンディングパッド電極１２の表面を露出させる。

本実施形態の半導体装置の製造方法においては、ボンディングパッド電極１２の表面に堆積させた保護膜３０を除去してワイヤボンディング工程を行う（図３（Ｆ））。ワイヤボンディング工程は、例えば、金（Ａｕ）製のボンディングワイヤ４０に超音波振動と荷重を印加するボンディングツール（図示せず）を用いる既知の方法で行うことが出来る。ボンディングワイヤ４０の先端に形成されるボール４１に、例えば、ボンディングツール（図示せず）に超音波振動と荷重を印加し、ボンディングワイヤ４０とボンディングパッド電極１２を電気的に接続させて、ボンディングパッド電極１２へのボンディングが終了する。

本実施形態の半導体装置の製造方法によれば、ボンディングパッド電極１２の表面を覆う保護膜３０を、例えば、ワイヤボンディング工程の直前の工程で除去する。これによりワイヤボンディング工程に至るまでの工程において、ボンディングパッド電極１２の表面が外気に晒される状態を防止することが出来る為、外気中の水分とボンディングパッド電極１２が反応してボンディングパッド電極１２の表面にコロージョンが発生することを防止することが出来る。

また、ボンディングパッド電極１２を覆う保護膜３０を除去してワイヤボンディング工程を行う為、ワイヤボンディング工程においては既存のワイヤボンディングの条件をそのまま用いることが出来る為、製造工程を複雑化させること無く、信頼性の高い半導体装置の製造方法を提供することが出来る。尚、ボンディングパッド電極１２の表面を覆う保護膜３０を完全に除去するのではなく、保護膜３０の膜厚をエッチングにより薄くした状態でボンディングパッド電極１２の表面に残置させ、ワイヤボンディング工程を行っても良い。

また、保護膜３０と第１の保護膜１４との間にエッチングに対する選択性が有る場合には、第１の絶縁膜１４の形成前にボンディングパッド電極１２の表面に保護膜３０を堆積させておいても良い。この場合には、保護膜３０をボンディングパッド電極１２の表面上に堆積させた状態で第１の絶縁膜１４と第２の絶縁膜１６にワイヤボンディング用の開口２０を形成する。ボンディングパッド電極１２の表面上の保護膜３０をワイヤボンディング工程において印加される超音波振動と荷重により破壊してボンディングワイヤ４０とボンディングパッド電極１２との電気的な接続を行う。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１０半導体基板、１２ボンディングパッド電極、１４第１の絶縁膜、１６第２の絶縁膜、１８レジスト層、２０ワイヤボンディング用の開口、３０保護膜、４０ボンディングワイヤ。

Claims

半導体基板に形成されたボンディングパッド電極を覆う被覆層に開口を形成し、前記ボンディングパッド電極の表面の一部を露出させる工程と、
前記露出されたボンディングパッド電極の表面に保護膜を堆積する工程と、
を具備することを特徴とする半導体装置の製造方法。
前記ボンディングパッド電極はアルミニウムを主成分とする材料で形成し、前記開口は、フッ素イオンを含む反応性イオンエッチングにより形成することを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
前記保護膜を堆積する工程に続き、前記開口において、ボンディングワイヤと前記ボンディングパッド電極を電気的に接続する工程を更に具備することを特徴とする請求項１または２に記載の半導体装置の製造方法。
前記ボンディングワイヤと前記ボンディングパッド電極を電気的に接続する工程に先立ち、前記ボンディングパッド電極の表面に堆積した前記保護膜を除去する工程を具備することを特徴とする請求項３に記載の半導体装置の製造方法。
前記保護膜を堆積する工程は、酸化シリコン膜を５ｎｍから１５ｎｍの厚みで形成する工程を具備することを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法。
前記保護膜を堆積する工程は、４００℃以下の温度で行われることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法。
半導体基板に形成されたボンディングパッド電極と、
前記ボンディングパッド電極の表面を覆い、前記ボンディングパッド電極上にボンディング領域を画定する開口を有する被覆層と、
前記被覆層の開口が位置する前記ボンディングパッド電極の表面において、その先端部が前記ボンディングパッド電極と電気的に接続されるボンディングワイヤと、
前記ボンディングパッド電極の表面に堆積により形成され、前記ボンディングパッド電極の表面において前記ボンディングワイヤとボンディングパッド電極の接続部の周囲を覆う保護膜と、
を具備することを特徴とする半導体装置。