JP2017228698A - 電極構造 - Google Patents

Abstract

【課題】従来の製造工程を変えることなく金ワイヤとの接合に十分なアルミニウム層の厚さを確保することにより、接合強度の低下が抑制された金とアルミニウムとを主成分とする接合がなされる電極構造を提供すること。
【解決手段】金とアルミニウムとを主成分とする接合がなされる電極構造であって、一部が露出したアルミニウム配線層を有する絶縁基板と、前記アルミニウム配線層の露出部分に積層されたアルミニウム電極と、前記アルミニウム電極と接合している金ワイヤとを備え、前記アルミニウム電極と金ワイヤとの接合により形成された金・アルミニウム合金が、前記アルミニウム電極と前記アルミニウム配線層との積層部分に隣接していることを特徴とする電極構造。
【選択図】図３

Description

本発明は金とアルミニウムとを主成分とする接合がなされる電極構造に関する。

光通信の普及に伴い、光通信装置の低コスト化が求められている。シリコンウエハのような大口径ウエハ上に、シリコンLSIと互換の製造プロセスを用い、シリコンフォトニクスのような微小光回路技術を用いて光回路を形成することで、１チップあたりの材料費を劇的に下げることが出来る。

シリコン基板上に形成する光デバイスのうち、光変調器、光検出器、光位相調整器などはその制御及び信号入出力のための電極を備えるが、シリコンLSIと互換の製造プロセスを用いる場合は、電極材料としてアルミニウムを用いることが多い。一方で、チップを搭載するキャリアやパッケージの電極材料は金であり、電極間のボンディングワイヤ材料も金であることが多い。ここで金とアルミニウムの異種材料接合が必要となるが、一般に、金・アルミニウム界面に形成される金・アルミニウム合金層がワイヤボンディング部分の信頼性を低下させることが知られている。

H. Ji et al., "Comparison of interface evolution of ultrasonic aluminum and gold wire wedge bonds during thermal aging", Materials Science and Engineering A, 2007 Feb.

すなわち、金・アルミニウム合金は、硬度が高く、その熱膨張率が金およびアルミニウムと大きく異なることから、界面部の熱膨張不整合により接合強度の低下を招くことが知られている。また、金とアルミニウムの拡散係数の差が接合面にボイドを発生し、接合強度を低下する。さらに金・アルミニウム合金は、高温下においてその形成が促されることから、ボンディング初期時には十分な接合強度が得られていたとしても、使用環境下で合金形成が進むため、長期信頼性確保が難しい。このため、ワイヤボンディング部分の信頼性を確保するためには、金・アルミニウム合金層の適正な制御が不可欠である。

図１は通常の金ワイヤとアルミニウムパッドのワイヤボンディングの断面を模式的に示した図である。絶縁層１１の上部にアルミニウム電極パッド１２が形成され、その上面に金ワイヤ２１が接合される。この図ではボールボンディングを想定しているが、ウェッジ等の他のボンディング方法を取った場合も同じ断面構造になる。アルミニウム電極パッド１２と金ワイヤ２１の界面には、金・アルミニウム合金層３１が形成される。一般に、アルミニウム電極パッド１２の厚さは２μｍ程度と薄いのに対し、金ワイヤの直径は２０μｍ以上あるため、合金を生成する成分としては、アルミニウムが不足し、合金形成後にはアルミニウム電極パッド１２の厚さが薄くなる。

図２は、実際に２００℃環境下で約１００時間通電した際の、金・アルミニウム合金層の断面の電子顕微鏡写真である。絶縁層１１１上にアルミニウム電極パッド１１２が形成されており、その側方の上部より金ワイヤ１２１が接合されている。アルミニウム電極パッド１１２と金ワイヤ１２１との接合箇所には、金・アルミニウム合金層１３１が形成されているが、アルミニウム電極パッド１１２を大きく浸食し、結果として金・アルミニウム合金層１３１は絶縁層１１１の上部にまで達している。このように、アルミニウム電極パッド１１２が侵食されていることから、当該部分の接合強度は低下している。また、金・アルミニウム合金層１３１にはボイドが見受けられることからも、接合強度が低下していることがわかる。

このような問題を解決するためにはアルミニウム電極パッドの厚膜化が有効である。しかしながら、アルミニウム電極パッド層を厚くすると、ウエハ歪等が発生するなどその他の部分に影響を与えるため、製造工程全体の見直しが必要となる。

本発明は上記従来の問題を解決するものであり、本発明の課題は、従来の製造工程を変えることなく金ワイヤとの接合に十分なアルミニウム層の厚さを確保することにより、接合強度の低下が抑制された金とアルミニウムとを主成分とする接合がなされる電極構造を提供することを目的としている。

上記の課題を解決するために、一実施形態に記載された発明は、金とアルミニウムとを主成分とする接合がなされる電極構造であって、一部が凹部に形成され、該凹部において露出したアルミニウム配線層を有する絶縁基板と、前記凹部において露出した前記アルミニウム配線層に積層されたアルミニウム電極と、前記アルミニウム電極と接合している金ワイヤとを備え、前記アルミニウム電極と金ワイヤとの接合により形成された金・アルミニウム合金が、前記アルミニウム電極と前記アルミニウム配線層とが積層した前記凹部に設けられていることを特徴とする電極構造である。

従来の電極構造を示す模式図である。 高温通電後の電極構造の電子顕微鏡像の例である。 本発明に係る電極構造を示す模式図である。

以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。

図３は本実施形態に係る電極構造を説明するための図である。本実施形態の電極構造は、一部が凹部（くぼみ、接続孔）に形成された絶縁基板１１と、絶縁基板１１の凹部において絶縁基板１１から露出したアルミニウム配線層１４と、アルミニウム配線層１４に積層されたアルミニウム電極１２と、アルミニウム電極１２と接合している金ワイヤ２１とを備えて構成される。金ワイヤ２１とアルミニウム電極１２との接合部分には、金・アルミニウム合金３１が形成されている。

アルミニウム電極１２およびアルミニウム配線層１４は、アルミニウム１００％でなくてもよく、アルミニウムを主成分とする材料で形成されている。金ワイヤ２１も金１００％でなくてもよく、金を主成分とする材料で形成されていればよい。

絶縁基板１１は、アルミニウム配線層１４を含む複数の層を積層して構成されている。アルミニウム配線層１４は主に絶縁基板１１中の層間配線として形成されるが、その一部は絶縁基板１１の表面に形成された凹部の底部において絶縁基板１１から露出している。アルミニウム配線層１４を含む複数層を積層して絶縁基板１１を形成した後に、アルミニウム配線層１４の一部を絶縁基板１１から露出させる。具体的には、選択的エッチングによりアルミニウム配線層１４を覆う絶縁基板１１の一部をエッチングして凹部を形成し、アルミニウム配線層１４の一部を絶縁基板１１から露出させる。

アルミニウム配線層１４の絶縁基板１１から露出した部分の面積(凹部の断面積)は、ビアを設ける場合よりも大きく形成される。アルミニウム配線層１４の絶縁基板１１から露出した部分にアルミニウム電極１２が積層され、積層したアルミニウム電極１２には金ワイヤ２１が接合されるので、接合のために十分なスペースがあることが好ましい。また、金ワイヤ２１とアルミニウム電極１２との接合を容易にするために、アルミニウム配線層１４が露出した部分の面積(凹部の断面積)が絶縁基板１１の表面に近づくにしたがって徐々に大きくなるように斜面に取り囲まれて形成されている。アルミニウム電極１２は、アルミニウム配線層１４の露出部分である凹部から絶縁基板１１の表面に亘って設けられることが好ましい。この場合、アルミニウム電極１２はビア部分１３により表面に引き出される。

金ワイヤ２１と絶縁基板１１との間には、アルミニウム電極１２とアルミニウム配線層１４とが存在するため、金・アルミニウム合金３１に隣接して存在するアルミニウム層の厚さは、アルミニウム電極１２とアルミニウム配線層１４の厚さの総和となる。アルミニウム電極パッド１２だけの場合と比べ、大幅な厚膜化が可能であり、高温下で金・アルミニウム合金層３１の形成が促されたとしても、十分な厚さのアルミニウムを残存することが可能である。

通常のシリコンデバイスの場合、絶縁基板１１の内部配線層としてアルミニウム配線層１４を用いており、アルミニウム配線層１４を露出する手法も従来のビアを形成するのと同様に形成することから、従来の製造工程を変えることなく本構造を導入することが出来る。

また本実施形態のようにアルミニウム電極１２をアルミニウム配線層１４に積み重ねる場合は、既存のアルミニウム配線層１４を活用するのでウエハ歪への影響はなく、前述のとおり既存の工程への変更を伴わないため、導入障壁が低いという利点がある。ちなみに図１に示すような従来の構成でアルミニウム電極１２を何層か積層することによりアルミニウム層の厚さを厚くする場合、ウエハ歪が問題となる場合がある。すなわち、従来の構成ではアルミニウム電極１２上へのアルミニウム層のさらなる堆積はウエハ歪(応力)に影響を及ぼすため、結果的には複数層の形成が困難であった。

以上の実施形態では、アルミニウム配線層１４が単層である場合を例に挙げて説明したが、アルミニウム配線層１４が複数の層から構成されていてもよい。

図３に示す例ではボールボンディングを例に挙げて説明したが、ウェッジ等の他のボンディング方法を取った場合も同じ断面構造になる。

１１ 絶縁層
１２ アルミニウム電極
１３ ビア部分
１４ アルミニウム配線層
２１ 金ワイヤ
３１ 金・アルミニウム合金
１１１ 絶縁層
１１２ アルミニウム電極
１２１ 金ワイヤ
１３１ 金・アルミニウム合金

Claims (3)

1. 金とアルミニウムとを主成分とする接合がなされる電極構造であって、
   一部が凹部に形成され、該凹部において露出したアルミニウム配線層を有する絶縁基板と、
   前記凹部において露出した前記アルミニウム配線層に積層されたアルミニウム電極と、
   前記アルミニウム電極と接合している金ワイヤとを備え、
   前記アルミニウム電極と金ワイヤとの接合により形成された金・アルミニウム合金が、前記アルミニウム電極と前記アルミニウム配線層とが積層した前記凹部に設けられていることを特徴とする電極構造。
2. 前記アルミニウム電極は、前記凹部から前記絶縁基板の表面に亘って設けられていることを特徴とする請求項１に記載の電極構造。
3. 前記凹部は、断面積が絶縁基板の表面に近づくにしたがって徐々に大きくなるように斜面に取り囲まれて形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の電極構造。