JP2018046242A - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

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copper
wire
bonding
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祐貴 ▲柳▼生
祐貴 ▲柳▼生
Yuki Yagyu
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Renesas Electronics Corp
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Abstract

【課題】半導体装置の信頼性を向上する。
【解決手段】ワイヤボンディング工程は、ワイヤおよびパッド電極を、還元ガス雰囲気に晒し、ボール部の表面に第１水酸基層を形成し、パッド電極の表面に第２水酸基層を形成する工程（Ｓ３１）、第１水酸基層および第２水酸基層を介して、ボール部をパッド電極に仮接合する第１ボンディング工程（Ｓ３２）、第１ボンディング工程後に、半導体チップおよび基材に熱処理を施し、ボール部をパッド電極に本接合する工程（Ｓ３４）、を有する。
【選択図】図５

Description

本発明は、半導体装置の製造方法に関し、特に、銅（Ｃｕ）からなるパッド電極と銅（Ｃｕ）からなるボンディングワイヤとを有する半導体装置の製造方法に適用して有効な技術に関する。
特開２００４−３１６８６号公報（特許文献１）には、金ワイヤの先端に錫を付着したイニシャルボールを用いることで、ボンディングパッド表面に厚い銅の酸化膜があっても、金ワイヤと銅のボンディングパッドとの接合を可能にする技術が開示されている。さらに、金ワイヤにかえて、銅を主成分とするワイヤを用いることも記載されている。
特開２０１５−２２０２４８号公報（特許文献２）には、電極パッド表面に形成された自然酸化膜を除去した後に、導電性部材（クロム、チタン、タングステン等）からなる第１の膜１２ｄを形成し、第１の膜１２ｄにワイヤを接続することで、ボンディングワイヤと電極パッドとを第１の膜１２ｄを介して接続する技術が開示されている。銅からなるボンディングワイヤと銅からなる電極パッドも記載されている。
特開２００４−３１６８６号公報 特開２０１５−２２０２４８号公報
本願発明者は、銅を主成分とするボンディングワイヤを、銅を主成分とするパッド電極に接合するワイヤボンディングプロセスを検討している。例えば、超音波を併用した熱圧着ボンディング法では、ボンディングワイヤの先端に形成したボールに超音波を印加して、パッド電極表面の酸化膜を除去することで、ワイヤとパッド電極を接合している。
しかしながら、銅からなるパッド電極の表面に形成された酸化膜は、その膜厚が厚いこと、および、塑性変形し難いこと、から、超音波を用いても除去することが困難である。そのため、ボンディングワイヤとパッド電極との接合不良が発生し、半導体装置の信頼性が低下することが判明した。
つまり、半導体装置の信頼性の向上が求められている。
その他の課題と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。
一実施の形態による半導体装置の製造方法は、その主面に第１銅からなるパッド電極を有する半導体チップを準備する工程、チップ搭載部と、リードと、を有する基材を準備する工程、チップ搭載部に半導体チップを搭載する工程、第２銅からなり、ボール部とワイヤ部とを有するワイヤを用いて、パッド電極とリードとを接続するワイヤボンディング工程を有する。ワイヤボンディング工程は、ワイヤおよびパッド電極を、還元ガス雰囲気に晒し、ボール部の表面に第１水酸基層を形成し、パッド電極の表面に第２水酸基層を形成する工程、第１水酸基層および第２水酸基層を介して、ボール部をパッド電極に接着させる第１ボンディング工程、第１ボンディング工程後に、半導体チップおよび基材に熱処理を施し、ボール部をパッド電極に接合する工程、を有する。
一実施の形態によれば、半導体装置の信頼性を向上することができる。
一実施の形態の半導体装置の平面図である。 図１のＡ−Ａ線における断面図である。 一実施の形態の半導体装置のプロセスフロー図である。 （ａ）〜（ｅ）は、一実施の形態の半導体装置の製造工程中の断面図である。 図３の「ワイヤボンディング」工程の詳細を示すプロセスフロー図である。 「ワイヤボンディング」工程中の断面図である。 図６に続く「ワイヤボンディング」工程中の断面図である。 （ａ）は、図７に続く「ワイヤボンディング」工程中の断面図であり、（ｂ）は、図８（ａ）のＣ部の拡大断面図であり、（ｃ）は、ボール部５ａ表面の原子レベルの状態図であり、（ｄ）は、パッド電極４表面の原子レベルの状態図である。 （ａ）は、図８（ａ）に続く「ワイヤボンディング」工程中の断面図であり、（ｂ）は、図９（ａ）のＤ部の拡大断面図であり、（ｃ）は、ボール部５ａとパッド電極４との界面の原子レベルの状態図である。 （ａ）は、図９（ａ）に続く「ワイヤボンディング」工程中の断面図であり、（ｂ）は、図１０（ａ）のＥ部の拡大断面図であり、（ｃ）は、ワイヤ部５ｂ表面の原子レベルの状態図であり、（ｄ）は、リード２表面の原子レベルの状態図である。 （ａ）は、図１０（ａ）に続く「ワイヤボンディング」工程中の断面図であり、（ｂ）は、図１１（ａ）のＦ部の拡大断面図であり、（ｃ）は、ワイヤ部５ｂとリード２との界面の原子レベルの状態図である。 図１１（ａ）に続く半導体装置の製造工程中の断面図である。 （ａ）は、図５に示す「熱処理」工程後のボール部５ａとパッド電極４との界面の断面図であり、（ｂ）は、図５に示す「熱処理」工程後のワイヤ部５ｂとリード２との界面の断面図であり、図１３（ｃ）は、図１３(ａ)のＧ部または図１３（ｂ）のＨ部の拡大断面図である。
以下の実施の形態においては便宜上その必要があるときは、複数のセクションまたは実施の形態に分割して説明するが、特に明示した場合を除き、それらはお互いに無関係なものではなく、一方は他方の一部または全部の変形例、詳細、補足説明等の関係にある。
また、以下の実施の形態において、要素の数等（個数、数値、量、範囲等を含む）に言及する場合、特に明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その特定の数に限定されるものではなく、特定の数以上でも以下でもよい。
さらに、以下の実施の形態において、その構成要素（要素ステップ等も含む）は、特に明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。
同様に、以下の実施の形態において、構成要素等の形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合および原理的に明らかにそうではないと考えられる場合等を除き、実質的にその形状等に近似または類似するもの等を含むものとする。このことは、上記数値および範囲についても同様である。
また、実施の形態を説明するための全図において、同一の部材には原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。なお、図面をわかりやすくするために平面図であってもハッチングを付す場合がある。
（実施の形態）
本実施の形態では、ＱＦＰ（Ｑｕａｄ Ｆｌａｔ Ｐａｃｋａｇｅ）型半導体装置を例に説明する。
＜半導体装置＞
まず、本実施の形態の半導体装置ＳＤの構成について、図１および図２を用いて説明する。図１は本実施の形態の半導体装置の平面図である。
図１に示すように、本実施の形態の半導体装置ＳＤは、略四角形の封止体１と複数本のリード２とを有する。封止体は、４つの辺を有し、各辺において、辺に直交する方向に延在するように複数本のリード２が封止体１から突出している。封止体１の中央部分には、半導体チップ３が配置されている。この半導体装置ＳＤは、ＱＦＰ（Ｑｕａｄ Ｆｌａｔ Ｐａｃｋａｇｅ）型半導体装置である。
図２は、図１のＡ−Ａ線に沿った断面図である。図２において、直線Ｂ−Ｂは、半導体装置ＳＤが実装される実装基板の実装面ＭＢを表している。半導体装置ＳＤは、半導体チップ３、複数本のリード２および封止体１を有する。
半導体チップ３は、例えば、シリコン（Ｓｉ）からなる半導体基板で構成され、複数の半導体素子、複数の配線、および、複数のパッド電極（端子、外部電極、外部引出電極、電極パッド）４を有する。半導体素子は、例えば、ＭＩＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）であり、配線およびパッド電極４は、例えば、銅（Ｃｕ）を主成分とする金属膜からなる。半導体チップ３の主面３ａには、複数の半導体素子と複数のパッド電極４が形成されている。複数の半導体素子は、複数の配線（金属配線）により接続されて回路ブロックを構成し、回路ブロックを構成する半導体素子は、配線を介してパッド電極４と電気的に接続されている。そして、複数のパッド電極４は、複数のリード２と電気的に接続されている。パッド電極４は、例えば、銅（Ｃｕ）を主成分とするワイヤ（ボンディングワイヤ）５により、例えば、銅（Ｃｕ）を主成分とするリード２に接続されている。図２に示すように、ワイヤ５は、ボール部５ａとワイヤ部５ｂとを有し、ワイヤ部５ｂの一端にボール部５ａが形成されていて、ボール部５ａは、パッド電極４に接続され、ワイヤ部５ｂの他端は、リード２に接続されている。
ここで、「銅（Ｃｕ）からなる」とは、銅（Ｃｕ）を主成分とする金属を意味する。そして、銅（Ｃｕ）を主成分とする金属膜、リードまたはワイヤとは、微量の金属添加物（１％以下）を含有する銅合金を含む。ここで、金属添加物としては、例えば、アルミニウム（Ａｌ）、マグネシウム（Ｍｇ）、チタン（Ｔｉ）、マンガン（Ｍｎ）、鉄（Ｆｅ）、亜鉛（Ｚｎ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ニオブ（Ｎｂ）、モリブデン（Ｍｏ）、ルテニウム（Ｒｕ）、パラジウム（Ｐｄ）、銀（Ａｇ）、金（Ａｕ）、Ｉｎ（インジウム）、ニッケル（Ｎｉ）、白金（Ｐｔ）、ランタノイド系金属、アクチノイド系金属など一種または複数種の金属が挙げられる。銅（Ｃｕ）を主成分とする金属膜、リードまたはワイヤを大気中で保存（放置）すると、金属添加物は微量であるため、その表面には、主として、銅酸化物が形成される。
例えば、エポキシ樹脂からなる封止体１は、半導体チップ３、ワイヤ５、リード２、ダイパッド（チップ搭載部）６、および、接着層７を覆っている。半導体チップ３は、接着層７によりダイパッド６に接着されている。封止体１は、平坦な主面（封止体主面）１ａ、平坦な裏面（封止体裏面）１ｂ、および、主面１ａと裏面１ｂ間を繋ぐ側面（封止体側面）１ｃを有している。半導体装置ＳＤを実装基板に実装した状態で、主面（上面、表面）１ａおよび裏面（下面）１ｂは、実装面ＭＢに対して平行となる。なお、半導体装置ＳＤを実装基板に実装した状態で、実装面ＭＢに近い側を封止体裏面（下面）１ｂ、遠い側を封止体主面（上面、表面）１ａと定義する。
複数のリード２は、半導体チップ３を取り囲むように配置されており、半導体チップ３を中心に放射状に延在している。複数のリード２は、基材である銅（Ｃｕ）で構成されており、各々のリード２は、主面（上面、表面、リード主面）２ａと裏面（下面、リード裏面）２ｂとを有する。リード２は、封止体１の内部に位置するインナーリード部ＩＬとアウターリード部ＯＬとからなり、アウターリード部ＯＬの主面２ａおよび裏面２ｂは、半田メッキ膜２ｃで覆われている。アウターリード部ＯＬのリード２の側面も半田メッキ膜２ｃで覆われているが、アウターリード部ＯＬの先端２ｄは半田メッキ２ｃで覆われておらず、基材が露出する部分が存在する。ただし、先端２ｄの基材の周囲は、半田メッキ膜２ｃで覆われている。ワイヤ５は、リード２のインナーリード部ＩＬの主面２ａに接続されている。
また、アウターリード部ＯＬは、ガルウイング形状を有し、インナーリード部ＩＬから連続して、直線的に、封止体１の外部に突出する突出部Ｐ１と、突出部Ｐ１から実装面ＭＢに向かって延びる屈曲部Ｐ２と、実装面ＭＢに対してほぼ平行に屈曲部Ｐ２から延在し、実装半田を介して実装基板に接続される接続部Ｐ３とを有している。図２では、リード２の裏面２ｂ側を用いて突出部Ｐ１、屈曲部Ｐ２および接続部Ｐ３を定義しているが、主面２ａ側でも同様の定義となる。リード２の裏面２ｂにおいて、アウターリード部ＯＬは、突出部Ｐ１、屈曲部Ｐ２、および、接続部Ｐ３で構成されている。
＜半導体装置の製造方法＞
次に、本実施の形態の半導体装置ＳＤの製造方法を、図３を用いて説明する。図３は、半導体装置ＳＤのプロセスフロー図である。図４は、本実施の形態の半導体装置の製造工程中の断面図である。なお、図４では、１つの半導体装置形成領域の断面図を示している。
まず、図４（ａ）に示すように、図３のプロセスフロー図の「基材および半導体チップの準備」工程（ステップＳ１）を実施する。基材として、銅（Ｃｕ）を主成分とするリードフレームＬＦを準備する。図４（ａ）に示すように、リードフレームＬＦの１つの半導体装置形成領域には、複数のリード２およびダイパッド６が形成されている。図示していないが、リードフレームＬＦには、複数の半導体装置形成領域が、平面視にて、行列状に配置されている。
次に、半導体チップ３を準備する。前述のように、半導体チップ３の主面３ａには、複数のＭＩＳＦＥＴおよび複数のパッド電極４が形成されている。図示しないが、複数のパッド電極４は、半導体チップ３の主面３ａにおいて、その外周に沿って環状に配置されており、複数のＭＩＳＦＥＴで構成された回路ブロックを囲むように配置されている。なお、基材の準備工程と、半導体チップ３の準備工程は、どちらが先でも良い。
次に、図４（ｂ）に示すように、図３のプロセスフロー図の「ダイボンディング」工程（ステップＳ２）を実施する。半導体チップ３の裏面３ｂを、リードフレームＬＦのダイパッド６上に、接着層７を介して接着、固定する。接着層７は、例えばエポキシ系の接着材、あるいは、エポキシ系の熱硬化性樹脂に、銀（Ａｇ）などから成る金属粒子を含有させた導電性接着材を用いる。
次に、図４（ｃ）に示すように、図３のプロセスフロー図の「ワイヤボンディング」工程（ステップＳ３）を実施する。半導体チップ３の主面３ａに設けられたパッド電極４とリード２とを、銅（Ｃｕ）を主成分とするワイヤ５で電気的に接続する。まず、ワイヤ５の一端をパッド電極４に接続する第１ワイヤボンディング工程を実施した後、ワイヤ５の他端をリード２に接続する第２ワイヤボンディング工程を実施する。通常、ワイヤ５とリード２の接着性または接続信頼性を向上する為に、リード２の主面２ａ、特に、ワイヤ５の接続部には、金メッキ膜またはパラジウムメッキ膜等が形成されるが、本実施の形態では、リード２の表面にはメッキ膜は付着しておらず、基材である銅（Ｃｕ）にワイヤ５が接続される。なお、この「ワイヤボンディング」工程（ステップＳ３）については、後程詳細に説明する。
次に、図４（ｄ）に示すように、図３のプロセスフロー図の「樹脂封止」工程（ステップＳ４）および「メッキ」工程（ステップＳ５）を実施する。
「樹脂封止」工程（ステップＳ４）では、半導体チップ３、ワイヤ５、リード２、ダイパッド６、および、接着層７を、封止樹脂で覆い（封止し）、封止体１を形成する。封止樹脂は、フィラーとして球形のシリカ（ＳｉＯ２）を含有するエポキシ樹脂等からなる。
次に、メッキ工程（ステップＳ５）では、封止体から露出する複数のリード２のアウターリード部ＯＬに半田メッキ膜２ｃを形成する。半田メッキ膜２ｃは、アウターリード部ＯＬにおける、リード２の主面２ａ、裏面２ｂ、および、側面に形成される。半田メッキ膜２ｃは、純Ｓｎ、Ｓｎ−Ｂｉ系、または、Ｓｎ−Ｃｕ系の材料で構成される。
次に、図４（ｅ）に示すように、図３のプロセスフロー図の「リード成形」工程（ステップＳ６）を実施する。
半田メッキ膜２ｃの形成後に、複数のリード２の先端２ｄをリードフレームの枠体から分離し、その後、リード成形工程（ステップＳ６）を実施する。各リード２のアウターリード部ＯＬは、前述のガルウイング形状に成形される。図示していないが、リード成形工程において、ダイパッド６は、リードフレームの枠体に連結されている。
次に、図３のプロセスフロー図の「個片化」工程（ステップＳ７）を実施する。リードフレームから各半導体装置形成領域を切断、分離する。半導体装置形成領域は、封止体１で封止された半導体チップ３、ダイパッド６および複数のリード２を有し、半導体チップ３は、ダイパッド６上に接着層７を介して固定されており、半導体チップ３の主面３ａに設けられた複数のパッド電極４と、複数のリード２とは、複数のワイヤ５を介して電気的に接続されている。その結果、図１および図２に示す半導体装置ＳＤが得られる。
次に、図３のプロセスフロー図の「ワイヤボンディング」工程（ステップＳ３）について、図５〜図１３を用いて、さらに、説明する。
図５は、図３の「ワイヤボンディング」工程の詳細を示すプロセスフロー図である。図６〜１３は、「ワイヤボンディング」工程中の断面図である。ただし、図８（ａ）は、図５に示す「第１ボンディング」工程の直前の状態を示す断面図であり、図８（ｂ）は、図８（ａ）のＣ部の拡大断面図であり、図８（ｃ）は、ボール部５ａ表面の原子レベルの状態図であり、図８（ｄ）は、パッド電極４表面の原子レベルの状態図である。図９（ａ）は、図５に示す「第１ボンディング」工程を示す断面図であり、図９（ｂ）は、図９（ａ）のＤ部の拡大断面図であり、図９（ｃ）は、ボール部５ａとパッド電極４との界面の原子レベルの状態図である。図１０（ａ）は、図５に示す「第２ボンディング」工程の直前の状態を示す断面図であり、図１０（ｂ）は、図１０（ａ）のＥ部の拡大断面図であり、図１０（ｃ）は、ワイヤ部５ｂ表面の原子レベルの状態図であり、図１０（ｄ）は、リード２表面の原子レベルの状態図である。図１１（ａ）は、図５に示す「第２ボンディング」工程を示す断面図であり、図１１（ｂ）は、図１１（ａ）のＦ部の拡大断面図であり、図１１（ｃ）は、ワイヤ部５ｂとリード２との界面の原子レベルの状態図である。図１３（ａ）は、図５に示す「熱処理」工程後のボール部５ａとパッド電極４との界面の断面図であり、図１３（ｂ）は、図５に示す「熱処理」工程後のワイヤ部５ｂとリード２との界面の断面図であり、図１３（ｃ）は、図１３(ａ)のＧ部または図１３（ｂ）のＨ部の拡大断面図である。
図５に示すように、図３の「ワイヤボンディング」工程（ステップＳ３）は、「水酸基層の形成」工程（ステップＳ３１）、「第１ワイヤボンディング」工程（ステップＳ３２）、「第２ワイヤボンディング」工程（ステップＳ３３）、および、「熱処理」工程（ステップＳ３４）を有する。なお、「第１ワイヤボンディング」工程（ステップＳ３２）は、ワイヤ５のボール部５ａとパッド電極４を仮接合する工程であり、「第２ワイヤボンディング」工程（ステップＳ３３）は、ワイヤ５のワイヤ部５ｂとリード２を仮接合する工程である。さらに、「熱処理」工程（ステップＳ３４）は、ワイヤ５のボール部５ａとパッド電極４およびワイヤ５のワイヤ部５ｂとリード２を本接合する工程である。
図６および図７に示すように、図５の「水酸基層の形成」工程（ステップＳ３１）を実施する。
図６に示すように、リードフレームＬＦを支持体（支持冶具）ＳＭ上に載置する。図６では、リードフレームＬＦの半導体装置形成領域に設けられた、リード２、ダイパッド６、ダイパッド６上に接着層７を介して搭載された半導体チップ３、半導体チップ３の主面３ａに形成されたパッド電極４を示している。そして、リード２および半導体チップ３は、還元ガス雰囲気ＰＧＡに晒されている。還元ガス雰囲気ＰＧＡは、例えば、還元ガスＲＧを半導体チップ３の主面３ａおよびリード２の主面２ａを覆うように供給することで形成される。リードフレームＬＦを支持体ＳＭ上に載置した直後に、還元ガスＲＧの供給を開始する。つまり、後述するボール部５ａの形成前に、リード２および半導体チップ３は、還元ガス雰囲気ＰＧＡに晒されている。還元ガスＲＧは、例えば、窒素（Ｎ２）と水素（Ｈ２）の混合ガス（例えば、９５％Ｎ２＋５％Ｈ２）で、その流量を１リットル／分程度とする。
図３に示す「ワイヤボンディング」工程（ステップＳ３）に至るまでに、半導体チップ３およびリード２は、大気中に保存されるため、銅からなるリード２および銅からなるパッド電極４の表面には、自然酸化膜（ＣｕＯ）からなる酸化層２２および４２が形成されている。酸化層２２および４２は、大気中に露出している、リード２のコア層２１の表面およびパッド電極４のコア層４１の表面に形成されている。
図６に示すように、ワイヤ５をパッド電極４およびリード２に接続する前に、パッド電極４およびリード２を還元ガス雰囲気ＰＧＡにさらしておくことにより、リード２およびパッド電極４の酸化層２２および４２の表面には、それぞれ、水酸基層２３および４３が形成される。
次に、銅からなるワイヤ５をキャピラリーＣＰのガイド穴ＧＨを通過させ、キャピラリーＣＰの先端からワイヤ５を突出させる。キャピラリーＣＰは、キャピラリー支持部ＣＰＨでその周囲を保持されており、キャピラリー支持部ＣＰＨの内部、ガイド穴ＧＨの内部、および、キャピラリーＣＰの先端部は、還元ガス雰囲気ＰＧＡに晒されている。還元ガスＲＧの供給は、ワイヤ５をキャピラリーＣＰのガイド穴ＧＨに挿入する前から開始されている。つまり、後述するボール部５ａの形成前に、ワイヤ５は、還元ガス雰囲気ＰＧＡに晒されている。
銅（Ｃｕ）からなるワイヤ５が大気中の酸素に触れることで、銅からなるワイヤ５の表面には、自然酸化膜（ＣｕＯ）からなる酸化層５２が形成されている。酸化層５２は、銅からなるコア層５１の表面に形成されている。
前述のとおり、キャピラリー支持部ＣＰＨの内部、ガイド穴ＧＨの内部、および、キャピラリーＣＰの先端部は、還元ガス雰囲気ＰＧＡに晒されているため、ワイヤ５の表面の酸化層５２の表面には水酸基層５３が形成される。
次に、図７に示すように、キャピラリーＣＰの先端から突出したワイヤ５にボール部５ａを形成する。ボール部５ａは、キャピラリーＣＰ先端の還元ガス雰囲気ＰＧＡ中で形成する。ワイヤ５先端に、図示しないトーチ電極を近づけ、両者間に高電圧を印加することで、ワイヤ５とトーチ電極との間で空中放電が起こり、ワイヤ５の先端が加熱、溶融されて、球状のボール部５ａが形成される。ボール部５ａは、銅からなるコア層５１とコア層５１の表面を覆う水酸基層５３とで構成されている。還元ガス雰囲気ＰＧＡ中で、ボール部５ａを形成するため、ボール部５ａの表面は、水酸基層５３で覆われることとなる。一般的には、ワイヤ５の先端が溶融するため、ボール部５ａには、ワイヤ５表面を覆う酸化層５２は残らないが、酸化層５２が部分的に残っている場合も有り得る。
図８(ａ)〜図８（ｄ）は、図５に示す「第１ボンディング」工程（ステップＳ３２）の直前の状態を示している。図８（ａ）および図８（ｂ）に示すように、ボール部５ａは、コア層５１と、コア層５１の表面を覆う水酸基層５３で構成されている。コア層５１は、銅からなり、水酸基層５３は、銅と水酸基で構成された層である。つまり、図８（ｂ）または図８（ｃ）に示すように、金属結合を有する銅原子のからなるコア層５１の表面には、銅原子と、銅原子とイオン結合を有する水酸基（−ＯＨ）からなる水酸基層５３が形成されている。
また、図８（ａ）および図８（ｂ）に示すように、パッド電極４は、銅からなるコア層４１と、コア層４１の表面を覆う酸化層４２と、酸化層４２の表面を覆う水酸基層４３で構成されている。コア層４１は、銅からなり、酸化層４２は、自然酸化膜（ＣｕＯ）からなり、水酸基層４３は、銅と水酸基で構成された層である。つまり、図８（ｂ）または図８（ｄ）に示すように、金属結合を有する銅原子からなるコア層４１の表面には、銅原子と、銅原子とイオン結合を有する酸素（Ｏ）原子とからなる酸化層４２が形成され、酸化層４２の表面には、酸化層４２に含まれる銅原子に対してイオン結合を有する水酸基（−ＯＨ）とからなる水酸基層４３が形成されている。
図９（ａ）〜図９（ｃ）に示すように、図５の「第１ワイヤボンディング」工程（ステップＳ３２）を実施する。ワイヤ５のボール部５ａをパッド電極４に接着する。「第１ワイヤボンディング」工程は、還元ガス雰囲気ＲＧＡ中で、キャピラリーＣＰに５〜３０ｇ重の加重と、超音波エネルギー（例えば、１２０ＫＨｚ、振幅：０．１μｍ）を印加するとともに、前述の支持体ＳＭを介してパッド電極４を１３０〜２５０℃に加熱して実施する。「第１ワイヤボンディング」工程によって、ワイヤ５のボール部５ａは、水素結合とイオン結合とからなる仮結合層６０によってパッド電極４に接合（仮結合と呼ぶ）される。
「第１ワイヤボンディング」工程において、ボール部５ａをパッド電極４に接触させると、ボール部５ａ側の水酸基層５３と、パッド電極４側の水酸基層４３とが水素結合する。そして、前述の加熱により水素結合の一部は、脱水するため、ボール部５ａとパッド電極４とは、酸素（Ｏ）原子を含むイオン結合が形成される。つまり、水素結合の比率が徐々に減少し、イオン結合の割合が徐々に増加する。図９（ｂ）および（ｃ）に示すように、仮結合層６０は、水素結合とイオン結合とを含んでおり、ボール部５ａを構成する銅（Ｃｕ）原子と、パッド電極４を構成する銅（Ｃｕ）原子とは、水素結合およびイオン結合（Ｃｕ-Ｏ-Ｃｕ）により接合されている。
「第１ワイヤボンディング」工程完了後に、キャピラリーＣＰをリード２上に、相対的に移動し、図５の「第２ワイヤボンディング」工程（ステップＳ３３）を実施するが、図１０（ａ）〜図１０（ｄ）を用いて、「第２ワイヤボンディング」工程（ステップＳ３３）の直前の状態を説明する。図１０（ａ）および図１０（ｂ）に示すように、ワイヤ部５ｂは、コア層５１と、コア層５１の表面を覆う酸化層５２と、酸化層５２の表面を覆う水酸基層５３で構成されている。コア層５１は、銅からなり、酸化層５２は、自然酸化膜（ＣｕＯ）からなり、水酸基層５３は、銅と水酸基で構成された層である。つまり、図１０（ｂ）または図１０（ｃ）に示すように、金属結合を有する銅原子のからなるコア層５１の表面には、銅原子と、銅原子とイオン結合を有する酸素（Ｏ）原子とからなる酸化層４２が形成され、酸化層４２の表面には、銅原子と、銅原子とイオン結合を有する水酸基（−ＯＨ）とからなる水酸基層５３が形成されている。
リード２側は、コア層２１と、コア層２１の表面を覆う酸化層２２と、酸化層２２の表面を覆う水酸基層２３で構成されている。コア層２１は、銅からなり、酸化層２２は、自然酸化膜（ＣｕＯ）からなり、水酸基層２３は、銅と水酸基で構成された層である。つまり、図１０（ｂ）または図１０（ｄ）に示すように、金属結合を有する銅原子からなるコア層２１の表面には、銅原子と、銅原子とイオン結合を有する酸素（Ｏ）原子とからなる酸化層２２が形成され、酸化層２２の表面には、銅原子と、銅原子とイオン結合を有する水酸基（−ＯＨ）とからなる水酸基層２３が形成されている。
図１１（ａ）〜図１１（ｃ）に示すように、図５の「第２ワイヤボンディング」工程（ステップＳ３３）を実施する。「第２ワイヤボンディング」工程は、還元ガス雰囲気ＲＧＡ中で、ワイヤ部５ｂをリード２に接着した後、ワイヤ５を切断する。リード２も、前述の支持体ＳＭを介して１３０〜２５０℃に加熱されており、「第２ワイヤボンディング」工程によって、ワイヤ５のワイヤ部５ｂは、水素結合とイオン結合とから成る仮結合層６１によってリード２に接合（仮結合と呼ぶ）される。
「第２ワイヤボンディング」工程において、ワイヤ部５ｂをリード２に接触させると、ワイヤ部５ｂ側の水酸基層５３と、リード２側の水酸基層２３とが水素結合する。そして、前述の加熱により水素結合の一部は脱水するため、ワイヤ部５ｂとリード２とは、酸素（Ｏ）原子を含むイオン結合が形成される。つまり、水素結合の比率が徐々に減少し、イオン結合の割合が徐々に増加する。図１１（ｂ）および（ｃ）に示すように、仮結合層６１は、水素結合とイオン結合とを含んでおり、ワイヤ部５ｂを構成する銅（Ｃｕ）原子と、リード２（正確には、酸化層２２）を構成する銅（Ｃｕ）原子とは、水素結合およびイオン結合（Ｃｕ-Ｏ-Ｃｕ）により接合されている。
前述の「第１ワイヤボンディング」工程（ステップＳ３２）および「第２ワイヤボンディング」工程（ステップＳ３３）を、複数回繰り返し、半導体チップ３の主面３ａに形成された複数のパッド電極４と、対応する複数のリード２とをワイヤ５で接続して、１つの半導体チップ３に対するワイヤボンディング工程（図３のステップＳ３）が完了する。１枚のリードフレームＬＦには、複数の半導体装置形成領域が設けられており、複数の半導体チップ３が搭載されているため、複数の半導体チップ３に対して、このワイヤボンディング工程を繰り返し実施することとなる。さらに、同様の作業を繰り返し実施することで、複数枚のリードフレームＬＦを準備する。
次に、図１２に示すように、図５の「熱処理」工程（ステップＳ３４）を実施する。複数枚のリードフレームＬＦを、チャンバーＣＭ内に配置し、半導体チップ３のパッド電極４、ワイヤ５、および、リード２に熱処理を施す。チャンバーＣＭ内は、パッド電極４、ワイヤ５、および、リード２が酸化されない雰囲気とするのが肝要であり、例えば、窒素（Ｎ２）またはアルゴン（Ａｒ）等の不活性ガス雰囲気、または、１００Ｐａ以上の低真空状態とする。また、熱処理条件は、例えば、２００℃×１２時間から３００℃×１０時間とする。熱処理が長時間となるため、スループット向上の為に、複数枚のリードフレームＬＦに対して、同時に熱処理を施すことが有効である。しかしながら、１枚のリードフレームＬＦまたは１つの半導体チップ３を対象に熱処理を実施しても良い。
図１３（ａ）は、図５に示す「熱処理」工程（ステップＳ３４）後のボール部５ａとパッド電極４との界面の断面図であり、図１３（ｂ）は、図５に示す「熱処理」工程（ステップＳ３４）後のワイヤ部５ｂとリード２との界面の断面図であり、図１３（ｃ）は、図１３(ａ)のＧ部および図１３（ｂ）のＨ部の拡大断面図である。図１３（ｃ）では、ボール部５ａとパッド電極４との境界およびワイヤ部５ｂとリード２との境界をＩ-Ｉ線で示している。
図５に示す「熱処理」工程（ステップＳ３４）を実施することで、ボール部５ａとパッド電極４との境界に存在していた仮結合層６０およびワイヤ部５ｂとリード２との境界に存在していた仮結合層６１が消え、ボール部５ａとパッド電極４との境界およびワイヤ部５ｂとリード２との境界には、銅原子の金属結合が形成される（本結合と呼ぶ）。これは、熱処理によって、水素結合での脱水がよりいっそう進み、イオン結合が増加する。さらに、イオン結合を形成していた酸素（Ｏ）原子が、ワイヤ５のコア層５１、パッド電極４のコア層４１、および、リード２のコア層２１内に拡散するためである。また、この熱処理により、図９（ｂ）の酸化層４２、図１１（ｂ）の酸化層５２および２２中の酸素原子も、それぞれ、パッド電極４のコア層４１の内部、ワイヤ５のコア層５１の内部、および、リード２のコア層２１の内部に拡散するため、酸化層４２、５２、および２２は、消失する。
銅原子と酸素原子間の解離エネルギーは、例えば、アルミニウム（Ａｌ）原子と酸素原子（Ｏ）との解離エネルギーに比べて３０〜４０％程度低いこと、さらに、銅の内部における酸素原子の拡散速度が速いことから、上記の熱処理によって金属結合からなる接合界面を形成することが可能となる。
＜本実施の形態の半導体装置の製造方法の主たる特徴と効果＞
銅（Ｃｕ）からなるワイヤ５と、銅（Ｃｕ）からなるパッド電極４との接合を、銅（Ｃｕ）‐銅（Ｃｕ）の金属結合とすることができる。この構成により、接合界面の接合強度を高くすることができ、半導体装置の信頼性を向上できる。また、接合界面の電気特性（例えば、接触抵抗）を低減できる。また、接合界面の熱伝導性を向上することができる。
また、例えば、アルミニウムからなるパッド電極に銅からなるワイヤを接続した場合、異種金属接合に起因する電池効果による腐食が懸念される。しかしながら、本実施の形態では、同種金属の接合であるため、このような腐食の懸念が無い。
銅（Ｃｕ）からなるリード２の表面に、直接、銅（Ｃｕ）からなるワイヤ５を接続（第２ワイヤボンディング）するため、接続信頼性を向上させるために、事前に、リード２の表面に金（Ａｕ）メッキ等を設ける必要がなく、リードフレームＬＦのコスト低減が可能となる。また、銅（Ｃｕ）からなるワイヤ５の表面に、酸化防止用のパラジウム（Ｐｄ）メッキ等を施す必要もなく、ワイヤ５のコスト低減も可能となる。
以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。以下に、複数の変形例を示すが、それぞれの変形例を適宜組み合わせて実施することも可能である。
例えば、図３の「ダイボンディング」工程（ステップＳ２）と「ワイヤボンディング」工程（ステップＳ３）の間に、パッド電極４の表面およびリード２の表面に対して、アルゴン（Ａｒ）プラズマ処理を実施することが好適である。
リード２の表面にアルゴン（Ａｒ）プラズマ処理を施すことで、リード２表面に付着した有機膜を除去し、「第２ワイヤボンディング」工程において、ワイヤ５とリード２の接着性を向上できる。なお、有機膜とは、例えば、図３の「ダイボンディング」工程（ステップＳ２）において、接着層７を熱処理した際に、接着層７から蒸発する有機溶剤である。
また、パッド電極４の表面にアルゴン（Ａｒ）プラズマ処理を施すことで、「ワイヤボンディング」工程（ステップＳ３）において、パッド電極４の表面に供給する還元ガスＲＧの供給量を低減でき、製造コストを低減することができる。これは、アルゴン（Ａｒ）プラズマ処理によって、パッド電極４表面の銅（Ｃｕ）原子が活性化し、大気中の水分と反応して、パッド電極４の表面に水酸基（−ＯＨ）が形成されるためである。
また、上記実施の形態では、ＱＦＰ型半導体装置を例に説明したが、ＳＯＰ（Ｓｍａｌｌ Ｏｕｔｌｉｎｅ Ｐａｃｋａｇｅ）型半導体装置、ＱＦＮ（Ｑｕａｄ Ｆｌａｔ Ｎｏｎ ｌｅａｄ ｐａｃｋａｇｅ）型半導体装置およびＢＧＡ（Ｂａｌｌ Ｇｒｉｄ Ａｒｒａｙ）型半導体装置への適用も可能である。
ＱＦＰ型半導体装置では、図１に示すように、リード２が封止体１の４つの辺から突出しているが、ＳＯＰ型半導体装置の場合、平面視にて長方形の封止体の対向する２辺からリードが露出する点が異なるが、「ワイヤボンディング」工程は、上記実施の形態と同様である。
ＱＦＰ型半導体装置では、図２に示すように、リード２が封止体１の側面１ｃから、封止体１の外部に突出しているが、ＱＦＮ型半導体装置の場合、封止体の裏面にリードが露出する点が異なるが、「ワイヤボンディング」工程は、上記実施の形態と同様である。
上記実施の形態では、ＱＦＰ型半導体装置では、ダイパッド６の裏面が封止体１に覆われた構造としたが、ダイパッド６の裏面の全体または一部が、封止体１の裏面１ｂから露出した構造（ダイパッド露出型）とすることも出来る。ＳＯＰ型半導体装置またはＱＦＮ型半導体装置でも、ダイパッド露出型とすることができる。
また、ＢＧＡ型半導体装置の場合、上記実施の形態の基材は、配線基板となる。半導体チップは、配線基板上に接着層を介して搭載される。半導体チップには、銅（Ｃｕ）からなる複数のパッド電極が形成されている。さらに、配線基板の表面には、銅（Ｃｕ）からなる配線層が複数形成されており、この配線層が、上記実施の形態のリードに対応する。従って、前述の「第１ワイヤボンディング」工程では、銅（Ｃｕ）からなるワイヤをパッド電極に接続し、「第２ワイヤボンディング」工程では、銅（Ｃｕ）からなるワイヤを配線層に接続することとなる。「ワイヤボンディング」工程は、上記実施の形態と同様である。
ＣＭ チャンバー
ＣＰ キャピラリー
ＣＰＨ キャピラー支持部
ＧＨ ガイド穴
ＩＬ インナーリード部
ＬＦ リードフレーム
ＭＢ 実装面
ＯＬ アウターリード部
Ｐ１ 突出部
Ｐ２ 屈曲部
Ｐ３ 接続部
ＲＧ 還元ガス
ＲＧＡ 還元ガス雰囲気
ＳＤ 半導体装置
ＳＭ 支持体（支持治具）
１ 封止体
１ａ 主面
１ｂ 裏面
１ｃ 側面
２ リード
２ａ 主面
２ｂ 裏面
２ｃ 半田メッキ膜
２ｄ 先端
３ 半導体チップ
３ａ 主面
３ｂ 裏面
４ パッド電極
５ ワイヤ
５ａ ボール部
５ｂ ワイヤ部
６ ダイパッド（チップ搭載部）
７ 接着層
２１、４１、５１ コア層
２２、４２、５２ 酸化層
２３、４３、５３ 水酸基層
６０、６１ 仮結合層

Claims (19)

  1. （ａ）その主面に第１銅からなるパッド電極を有する半導体チップを準備する工程、
    （ｂ）チップ搭載部と、リードと、を有する基材を準備する工程、
    （ｃ）前記（ｂ）工程の後、前記チップ搭載部に前記半導体チップを搭載する工程、
    （ｄ）前記（ｃ）工程の後、第２銅からなり、ボール部とワイヤ部とを有するワイヤを用いて、前記パッド電極と前記リードとを接続する工程、
    を有し、前記（ｄ）工程は、
    （ｄ−１）前記ワイヤおよび前記パッド電極を、還元ガス雰囲気に晒し、前記ボール部の表面に第１水酸基層を形成し、前記パッド電極の表面に第２水酸基層を形成する工程、
    （ｄ−２）前記第１水酸基層および前記第２水酸基層を介して、前記ボール部を前記パッド電極に接着させる第１ボンディング工程、
    （ｄ−３）前記第１ボンディング工程後に、前記半導体チップおよび前記基材に熱処理を施し、前記ボール部を前記パッド電極に接合する工程、
    を有する、半導体装置の製造方法。
  2. 請求項１に記載の半導体装置の製造方法において、
    前記還元ガス雰囲気は、窒素および水素を含む、半導体装置の製造方法。
  3. 請求項１に記載の半導体装置の製造方法において、
    前記第２水酸基層は、前記パッド電極の表面に形成された酸化層の表面に形成されている、半導体装置の製造方法。
  4. 請求項３に記載の半導体装置の製造方法において、
    前記（ｄ−２）工程の後、前記ボール部と前記パッド電極との間には、第１水素結合と第１イオン結合とからなる第１結合層が形成されている、半導体装置の製造方法。
  5. 請求項４に記載の半導体装置の製造方法において、
    前記（ｄ−２）工程は、１３０〜２５０℃で実施する、半導体装置の製造方法。
  6. 請求項４に記載の半導体装置の製造方法において、
    前記第１結合層に含まれる前記第１イオン結合は、前記第１銅の第１銅原子と前記酸化層の酸素原子と前記第２銅の第２銅原子とからなる、半導体装置の製造方法。
  7. 請求項６に記載の半導体装置の製造方法において、
    前記（ｄ−３）工程の後、前記パッド電極と前記ボール部との間には、前記第１銅原子と前記第２銅原子からなる第１金属結合層が形成されている、半導体装置の製造方法。
  8. 請求項１に記載の半導体装置の製造方法において、
    前記（ｄ−３）工程は、不活性ガス雰囲気で実施する、半導体装置の製造方法。
  9. 請求項１に記載の半導体装置の製造方法において、
    前記（ｄ−３）工程は、１０ＭＰａ以上の低真空雰囲気で実施する、半導体装置の製造方法。
  10. 請求項１に記載の半導体装置の製造方法において、
    前記（ｄ−１）工程において、さらに、前記リードを前記還元ガス雰囲気にさらし、前記ワイヤ部の表面に第３水酸基層を形成し、前記リードの表面に第４水酸基層を形成し、
    前記（ｄ−２）工程と前記（ｄ−３）工程の間に、さらに、
    （ｄ−４）前記第３水酸基層および前記第４水酸基層を介して、前記ワイヤ部を前記リードに接着させる第２ボンディング工程、
    を有する、半導体装置の製造方法。
  11. 請求項１０に記載の半導体装置の製造方法において、
    前記（ｄ−２）工程の後、前記ワイヤ部と第３銅からなる前記リードとの間には、第２水素結合と第２イオン結合とから成る第２結合層が形成されている、半導体装置の製造方法。
  12. 請求項１１に記載の半導体装置の製造方法において、
    前記（ｄ−３）工程の後、前記ワイヤ部と前記リードとの間には、前記第２銅の第２銅原子と前記第３銅の第３銅原子からなる第２金属結合層が形成されている、半導体装置の製造方法。
  13. 請求項１に記載の半導体装置の製造方法において、
    前記（ｃ）工程と前記（ｄ）工程の間に、さらに、
    （ｅ）前記パッド電極の表面にプラズマクリーニング処理を実施する工程、
    を有する、半導体装置の製造方法。
  14. 請求項１に記載の半導体装置の製造方法において、
    前記（ｄ）工程の後に、さらに、
    （ｆ）前記半導体チップ、前記リード、および、前記ワイヤを樹脂で封止する工程、
    を有する、半導体装置の製造方法。
  15. （ａ）その主面に第１銅からなる複数のパッド電極を有する半導体チップを準備する工程、
    （ｂ）チップ搭載部と、第２銅からなる複数のリードと、を有する基材を準備する工程、
    （ｃ）前記チップ搭載部に前記半導体チップを搭載する工程、
    （ｄ）第３銅からなり、ボール部とワイヤ部とを有するワイヤを用いて、前記複数のパッド電極と前記複数のリードとを、順次、接続する工程、
    を有し、前記（ｄ）工程は、
    （ｄ−１）前記ワイヤ、前記複数のパッド電極および複数のリードを、還元ガス雰囲気に晒し、前記ボール部の表面に第１水酸基層を、前記複数のパッド電極の表面に第２水酸基層を、前記ワイヤ部の表面に第３水酸基層を、前記複数のリードの表面に第４水酸基層を、それぞれ、形成する工程、
    （ｄ−２）前記第１水酸基層および前記第２水酸基層を介して、前記ボール部を前記複数のパッド電極の内の一つのパッド電極に接着させる第１ボンディング工程、
    （ｄ−３）前記第３水酸基層および前記第４水酸基層を介して、前記ワイヤ部を前記複数のリードの内の一つのリードに接着させる第２ボンディング工程、
    （ｄ−４）前記第１ボンディング工程および前記第２ボンディング工程を、繰り返し実施し、前記複数のパッド電極と前記複数のリードとを、順次、接続する工程、
    を有し、
    （ｄ−５）前記（ｄ−４）工程の後に、前記半導体チップおよび前記基材に熱処理を施し、前記ボール部を前記複数のパッド電極の内の一つのパッド電極に接合し、かつ、前記ワイヤ部を前記複数のリードの内の一つのリードに接合する工程、
    を有する、半導体装置の製造方法。
  16. 請求項１５に記載の半導体装置の製造方法において、
    前記（ｄ−２）工程の後、前記ボール部と前記１つのパッド電極との間には、第１水素結合と第１イオン結合とから成る第１結合層が形成されており、
    前記（ｄ−３）工程の後、前記ワイヤ部と前記１つのリードとの間には、第２水素結合と第２イオン結合とから成る第２結合層が形成されている、半導体装置の製造方法。
  17. 請求項１５に記載の半導体装置の製造方法において、
    前記（ｄ−４）工程の後、前記パッド電極と前記ボール部との間には、前記第１銅の第１銅原子と前記第３銅の第３銅原子からなる第１金属結合層が形成され、前記リードと前記ワイヤ部との間には、前記第２銅の第２銅原子と前記第３銅原子からなる第２金属結合層が形成されている、半導体装置の製造方法。
  18. 請求項１５に記載の半導体装置の製造方法において、
    前記（ｄ−５）工程は、前記半導体チップが搭載された前記基材を、チャンバー内に入れた状態で実施する、半導体装置の製造方法。
  19. 請求項１５に記載の半導体装置の製造方法において、
    前記（ｄ−１）工程において、キャピラリーのガイド穴は、前記還元ガス雰囲気で満たされており、前記ワイヤを前記ガイド穴に挿入することで、前記第４水酸基層を形成する、半導体装置の製造方法。
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