JP2018120929A - 半導体装置とその製造方法 - Google Patents

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直矢 武
Naoya Take
直矢 武
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Toyota Motor Corp
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Abstract

【課題】 半導体基板のダメージを抑制するとともに、ボンディング後の銅ワイヤーの先端の直径が大きくなることを抑制する。【解決手段】 半導体装置の製造方法であって、銅を含有するワイヤーを、半導体基板の表面に設けられた電極パッドにボンディングする工程を有している。前記電極パッドが、その表層部に、前記ワイヤーよりも硬い硬質金属層を有している。前記硬質金属層の表面に、凹部が設けられている。ボンディング前の前記ワイヤーが、線状部と、前記線状部の先端に配置されているとともに前記線状部よりも直径が大きい球状部を有している。ボンディングする前記工程では、前記球状部を、前記凹部内にボンディングする。【選択図】図３

Description

本明細書に開示の技術は、半導体装置とその製造方法に関する。
特許文献１には、銅を含有するワイヤー（以下、銅ワイヤーという）を、半導体基板の表面に設けられた電極パッドにボンディングする技術が開示されている。銅ワイヤーは、アルミニウムワイヤーや金ワイヤーに比べて硬いので、銅ワイヤーをボンディングするときに電極パッドの下部の半導体基板にダメージが生じる場合がある。これに対し、特許文献１の技術では、電極パッドの表層部に硬質金属層を設けることで、半導体基板へのダメージを抑制する。
特開２０１３−００４７８１号公報
銅ワイヤーをボンディングするときには、銅ワイヤーの先端に球状部を形成し、その球状部を電極パッドに押し付ける。これによって、球状部を押し潰しながら電極パッドに接続する。特許文献１のように電極パッドの表層部に銅ワイヤーよりも硬い硬質金属層を設けると、ボンディング時に球状部がより潰れやすくなる。その結果、ボンディング後の銅ワイヤーの先端部の直径（潰れた球状部の直径）が大きくなる。ボンディング後の銅ワイヤーの先端部のサイズが大きいと、それに合わせて電極パッドのサイズも大きくする必要がある。このため、半導体装置を小型化することが困難となる。したがって、本明細書では、半導体基板へのダメージを抑制するとともに、ボンディング後の銅ワイヤーの先端部のサイズが大きくなることを抑制する技術を提供する。
本明細書が開示する半導体装置の製造方法は、銅を含有するワイヤーを、半導体基板の表面に設けられた電極パッドにボンディングする工程を有している。前記電極パッドが、その表層部に、前記ワイヤーよりも硬い硬質金属層を有している。前記硬質金属層の表面に、凹部が設けられている。ボンディング前の前記ワイヤーが、線状部と、前記線状部の先端に配置されているとともに前記線状部よりも直径が大きい球状部を有している。ボンディングする前記工程では、前記球状部を、前記凹部内にボンディングする。
なお、本明細書において、硬さは、ビッカース硬さを意味する。
この製造方法では、銅ワイヤーが硬質金属層にボンディングされる。したがって、硬質金属層の下部の半導体基板へのダメージが抑制される。また、この製造方法では、硬質金属層の表面に凹部が設けられており、その凹部内に銅ワイヤーの球状部がボンディングされる。このため、球状部が凹部内で押し潰される。したがって、押し潰された球状部が凹部からその外周部にあふれ出ることが抑制され、潰れた球状部のサイズが拡大することが抑制される。したがって、この製造方法によれば、ボンディング後の銅ワイヤーの先端部のサイズを従来よりも小さくすることができる。
半導体基板１２の平面図。 図１のＩＩ−ＩＩ線における断面図。 ボンディング工程の説明図。 ボンディング工程の説明図。 変形例の半導体装置のボンディング工程の説明図。 変形例の半導体装置の図２に対応する断面図。 変形例の半導体装置のボンディング工程の説明図。 変形例の半導体装置の図２に対応する断面図。
図１は、半導体装置の上面を示している。半導体装置は、半導体基板１２を有している。半導体基板１２は、Ｓｉ（ケイ素）を主成分とする半導体により構成されている。なお、半導体基板１２は、ＳｉＣ（炭化ケイ素）またはＧａＮ（窒化ガリウム）等を主成分とするワイドバンドギャップ半導体により構成されていてもよい。半導体基板１２の上面に、主電極１４と、信号用電極パッド１６が設けられている。各信号用電極パッド１６のサイズは、各主電極１４のサイズよりも小さい。主電極１４は、はんだによって図示しない配線部材に接続されている。半導体基板１２の側方に、複数のリード線１８が配置されている。各信号用電極パッド１６は、銅ワイヤー２０によって対応するリード線１８に接続されている。また、図示していないが、半導体基板１２の下面には、下部電極が設けられている。下部電極は、はんだによって図示しない配線部材に接続されている。
図２は、図１のＩＩ−ＩＩ線における信号用電極パッド１６の断面を示している。図２に示すように、信号用電極パッド１６は、硬質金属層１６ａと軟質金属層１６ｂを有している。
軟質金属層１６ｂは、半導体基板１２上に配置されている。軟質金属層１６ｂは、Ａｌ（アルミニウム）またはＡｌＳｉ（アルミニウムとシリコンの合金）により構成されている。軟質金属層１６ｂは、銅ワイヤー２０よりも低いビッカース硬さを有している。軟質金属層１６ｂは、半導体基板１２の上面に接している。なお、別の信号用電極パッド１６においては、軟質金属層１６ｂと半導体基板１２の間に絶縁膜が配置されており、軟質金属層１６ｂが半導体基板１２から絶縁されていてもよい。また、軟質金属層１６ｂと半導体基板１２の間に他の金属層が配置されていてもよい。
硬質金属層１６ａは、軟質金属層１６ｂ上に配置されている。硬質金属層１６ａは、Ｎｉ（ニッケル）により構成されている。硬質金属層１６ａは、銅ワイヤー２０よりも高いビッカース硬さを有している。硬質金属層１６ａは、軟質金属層１６ｂの上面に接している。なお、別の信号用電極パッド１６においては、硬質金属層１６ａと軟質金属層１６ｂの間に他の金属層が配置されていてもよい。硬質金属層１６ａの表面に、凹部３０が設けられている。凹部３０は、中心軸が硬質金属層１６ａの表面に対して垂直に伸びる円柱形状を有している。凹部３０は、側面３０ａと底面３０ｂを有している。側面３０ａと底面３０ｂの全域は、硬質金属層１６ａによって構成されている。
銅ワイヤー２０は、直径が細い線状部２０ａと、直径が太い先端部２０ｂを有している。先端部２０ｂは、凹部３０内にボンディングされている。先端部２０ｂは、凹部３０内に隙間なく充填されている。したがって、先端部２０ｂは、凹部３０の側面３０ａ全域と底面３０ｂ全域に接している。線状部２０ａは、先端部２０ｂから上方に伸びている。線状部２０ａの他端は、リード線１８に接続されている。
図１、２に示す半導体装置の製造工程では、銅ワイヤー２０を信号用電極パッド１６にボンディングするワイヤーボンディング工程が実施される。ワイヤーボンディング工程で使用されるワイヤーボンディング機は、図３に示すキャピラリ４０を有している。キャピラリ４０の中心孔内に銅ワイヤー２０が挿通されており、銅ワイヤー２０の先端がキャピラリ４０の先端から下側に突出している。ワイヤーボンディング工程では、放電によって銅ワイヤー２０の先端を一旦溶融させることで、図３に示す球状部２０ｃが形成される。球状部２０ｃは、略球形を有している。球状部２０ｃの直径Ｒ１は、線状部２０ａの直径よりも大きい。また、球状部２０ｃの直径Ｒ１は、凹部３０の幅Ｒ２（円柱形状の直径）よりも大きい。凹部３０の容積は、球状部２０ｃの体積の半分よりも大きく、球状部２０ｃの体積よりも小さい。また、ワイヤーボンディング工程の間は、ワイヤーボンディング機によって信号用電極パッド１６が加熱される。
次に、図４に示すように、キャピラリ４０を凹部３０に向かって移動させることによって、球状部２０ｃを凹部３０内に挿入する。これによって、球状部２０ｃを凹部３０に押し付ける。また、球状部２０ｃを凹部３０に押し付けるのと同時に、キャピラリ４０によって球状部２０ｃに超音波を印加する。これによって、球状部２０ｃが凹部３０内で硬質金属層１６ａに接続される。球状部２０ｃが硬質金属層１６ａに接続されると、その後に、銅ワイヤー２０の反対側の端部がリード線１８にボンディングされる。
上述したように、ボンディング前の球状部２０ｃの直径Ｒ１は、凹部３０の直径Ｒ２よりも大きい。このため、球状部２０ｃを凹部３０の内部に挿入するときに、球状部２０ｃが変形する。つまり、球状部２０ｃが凹部３０内に圧入される。このため、球状部２０ｃは、凹部３０の底面３０ｂだけでなく、凹部３０の側面３０ａに対しても高い荷重で押し付けられる。その結果、変形した球状部２０ｃが、図４に示すように、側面３０ａと底面３０ｂに接する先端部２０ｂとなる。一般に、球状部を平坦な電極パッドにボンディングすると、球状部が縦方向（電極パッドの厚み方向）に潰れるとともに横方向（電極パッドの上面に平行な方向）に拡大する。このため、銅ワイヤーの先端部は、元の球状部よりも横方向に直径が拡大した形状となる。これに対し、図４のように球状部２０ｃを凹部３０内にボンディングすると、凹部３０の側面３０ａによって球状部２０ｃが横方向に拡大することが抑制される。特に、本実施形態では、潰れた球状部２０ｃが凹部３０からその外周側に溢れ出ないように、球状部２０ｃの体積、凹部３０の容積、及び、キャピラリ４０から球状部２０ｃに加える荷重等が調節されている。したがって、先端部２０ｂの横方向における直径が、元の球状部２０ｃの直径Ｒ１よりも小さくなる。本実施形態では、先端部２０ｂの横方向における直径が、凹部３０の直径Ｒ２と略等しくなる。このワイヤーボンディング工程によれば、ボンディング後の銅ワイヤー２０の先端部２０ｂのサイズ（横方向のサイズ）を従来よりも小さくすることができる。このため、信号用電極パッド１６のサイズを従来よりも小さくすることができる。その結果、半導体基板１２を従来よりも小型化することができる。
また、このワイヤーボンディング工程によれば、銅ワイヤー２０の先端部２０ｂを、凹部３０の底面３０ｂだけでなく、凹部３０の側面３０ａにも接触させることができる。このため、銅ワイヤー２０と硬質金属層１６ａとの接合面を広くすることができ、接合面の強度を向上させることができる。また、接合面の面積が広くなるので、接合面における電流密度を低下させることができる。したがって、銅ワイヤー２０に過電流が流れたときに、接合面における発熱を抑制することができる。
また、硬質金属層１６ａが硬いので、球状部２０ｃが硬質金属層１６ａに押し付けられるときに、球状部２０ｃの下部の硬質金属層１６ａが半導体基板１２側に変形し難い。また、硬質金属層１６ａの下部に軟らかい軟質金属層１６ｂが配置されているので、硬質金属層１６ａに加わる荷重が半導体基板１２に伝わり難い。したがって、ワイヤーボンディング工程において、信号用電極パッド１６の下部の半導体基板１２に加わる荷重が抑制される。このため、この方法によれば、信号用電極パッド１６の下部の半導体基板１２へのダメージを抑制することができる。
なお、上述した実施形態では、凹部３０が円柱形状を有していた。しかしながら、凹部３０の形状は適宜変更することができる。例えば、凹部３０が、立方体、直方体、または、スリット形状等であってもよい。この場合においても、凹部３０の幅を球状部の直径よりも小さくすることで、銅ワイヤー２０の先端部２０ｂを凹部３０の側面に接触させることができる。また、例えば、図５、６に示すように、凹部３０を円錐形状（深い位置ほど直径が小さくなる形状）にしてもよい。また、図７、８に示すように、凹部３０を半球形状にしてもよい。図５〜８の構成でも、銅ワイヤー２０の球状部２０ｃを硬質金属層１６ａに押し付けるときに、潰れた球状部２０ｃが凹部３０からその外周側に拡大することを抑制することができる。したがって、ボンディング後の銅ワイヤー２０の先端部２０ｂのサイズを従来よりも小さくすることができる。
なお、上述した実施形態では、銅ワイヤー２０の先端部２０ｂが凹部３０からその外周側にはみ出していなかった。しかしながら、別の実施形態においては、銅ワイヤーの先端部が凹部からその外周側にはみ出していてもよい。このような構成でも、凹部を設けることで、凹部を設けない場合に比べて、潰れた球状部が横方向に拡大することを抑制することができる。
本明細書が開示する技術要素について、以下に列記する。なお、以下の各技術要素は、それぞれ独立して有用なものである。
本明細書が開示する一例の構成では、凹部が、底面と側面を有していてもよい。また、ボンディングする工程では、球状部を、凹部の底面と側面に接触させてもよい。
この構成によれば、銅ワイヤーと硬質金属層との接合面を広くすることができる。したがって、接合面の強度を向上させることができるとともに、接合面における電流密度を低減することができる。
本明細書が開示する一例の構成では、凹部の幅が、ボンディング前の球状部の直径よりも小さくてもよい。
この構成によれば、ボンディング時に銅ワイヤーの球状部を凹部の内面の広い範囲に接触させることができる。
本明細書が開示する一例の構成では、凹部の容積が、ボンディング前の球状部の体積の半分よりも大きくてもよい。
この構成によれば、銅ワイヤーの先端部が凹部から外周側に溢れ出ることを抑制することができる。
本明細書が開示する一例の構成では、電極パッドが、硬質金属層と半導体基板の間に配置されているとともにワイヤーより軟らかい軟質金属層を有していてもよい。
この構成によれば、半導体基板へのダメージをより好適に抑制することができる。
以上、実施形態について詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例をさまざまに変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独あるいは各種の組み合わせによって技術有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組み合わせに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの１つの目的を達成すること自体で技術有用性を持つものである。
１２ ：半導体基板
１４ ：主電極
１６ ：信号用電極パッド
１６ａ ：硬質金属層
１６ｂ ：軟質金属層
２０ ：銅ワイヤー
２０ａ ：線状部
２０ｂ ：先端部
２０ｃ ：球状部
３０ ：凹部
３０ａ ：側面
３０ｂ ：底面

Claims (8)

  1. 半導体装置の製造方法であって、
    銅を含有するワイヤーを、半導体基板の表面に設けられた電極パッドにボンディングする工程を有しており、
    前記電極パッドが、その表層部に、前記ワイヤーよりも硬い硬質金属層を有しており、
    前記硬質金属層の表面に、凹部が設けられており、
    ボンディング前の前記ワイヤーが、線状部と、前記線状部の先端に配置されているとともに前記線状部よりも直径が大きい球状部を有しており、
    ボンディングする前記工程では、前記球状部を、前記凹部内にボンディングする、
    製造方法。
  2. 前記凹部が、底面と側面を有しており、
    ボンディングする前記工程では、前記球状部を、前記底面と前記側面に接触させる、
    請求項１の製造方法。
  3. 前記凹部の幅が、ボンディング前の前記球状部の直径よりも小さい請求項１または２の製造方法。
  4. 前記凹部の容積が、ボンディング前の前記球状部の体積の半分よりも大きい請求項１〜３のいずれか一項の製造方法。
  5. 前記電極パッドが、前記硬質金属層と前記半導体基板の間に配置されているとともに前記ワイヤーより軟らかい軟質金属層を有している請求項１〜４のいずれか一項の製造方法。
  6. 半導体装置であって、
    半導体基板と、
    前記半導体基板の表面に設けられた電極パッドと、
    前記電極パッドに接続されており、銅を含有するワイヤー、
    を有しており、
    前記電極パッドが、その表層部に、前記ワイヤーよりも硬い硬質金属層を有しており、
    前記硬質金属層の表面に凹部が設けられており、
    前記ワイヤーが、前記凹部内に接続されている、
    半導体装置。
  7. 前記凹部が、底面と側面を有しており、
    前記ワイヤーが、前記側面と前記底面に接している、
    請求項６の半導体装置。
  8. 前記電極パッドが、前記硬質金属層と前記半導体基板の間に配置されているとともに前記ワイヤーより軟らかい軟質金属層を有している請求項６または７の半導体装置。
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