JP2020072169A - 半導体装置及び半導体装置の製造方法 - Google Patents

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layer
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憲司 伊倉
Kenji Ikura
憲司 伊倉
秀基 石井
Hideki Ishii
秀基 石井
武彦 前田
Takehiko Maeda
武彦 前田
武海 加藤
Takemi Kato
武海 加藤
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Abstract

【課題】ボンディングパッドとボンディングワイヤとの接合部において温度サイクルに起因した亀裂が伝播することを抑制できる半導体装置を提供する。【解決手段】一実施形態に係る半導体装置は、ボンディングパッドを有する半導体チップと、ボンディングワイヤとを備える。ボンディングパッドは、バリア層と、バリア層上に形成され、かつアルミニウムを含有する材料で形成された接合層とを含む。ボンディングワイヤは、ボンディングパッドに接合され、かつ銅を含有する材料で形成されている。ボンディングパッドとボンディングワイヤとの接合部の少なくとも一部において、銅とアルミニウムとを含有する金属間化合物で形成された金属間化合物層が、ボンディングワイヤからバリア層に達するように形成されている。【選択図】図１

Description

本発明は、半導体装置及び半導体装置の製造方法に関する。
従来は、半導体チップに形成されたボンディングパッドに接続されるボンディングワイヤとして、金（Ａｕ）系材料で形成されたボンディングワイヤが広く適用されてきた。近年は、コスト低減の観点から、銅（Ｃｕ）系材料で形成されたボンディングワイヤも適用されてきている。
銅系材料で形成されたボンディングワイヤは、金系材料で形成されたボンディングワイヤよりも硬い。そのため、銅系材料で形成されたボンディングワイヤを適用する場合、ボンディングワイヤは、バリア層との間にアルミニウム層を残すように、ボンディングパッドに超音波を併用して熱圧着される。
なお、金系材料で形成されたボンディングワイヤを適用した半導体装置としては、特開２００２−７６０５１号公報（特許文献１）に記載の半導体装置が知られている。
特開２００２−７６０５１号公報
銅系材料で形成されたボンディングワイヤがバリア層との間にアルミニウム層を残すようにボンディングパッドに超音波を併用して熱圧着される場合、温度サイクルに起因した応力により、ボンディングワイヤとバリア層との間にあるアルミニウム層に亀裂が進展する傾向がある。
その他の課題及び新規な特徴は、本明細書の記述及び添付図面から明らかになるであろう。
一実施形態に係る半導体装置は、ボンディングパッドを有する半導体チップと、ボンディングワイヤとを備える。ボンディングパッドは、バリア層と、バリア層上に形成され、かつアルミニウムを含有する材料で形成された接合層とを含む。ボンディングワイヤは、ボンディングパッドに接合され、かつ銅を含有する材料で形成されている。ボンディングパッドとボンディングワイヤとの接合部の少なくとも一部において、銅とアルミニウムとを含有する金属間化合物で形成された金属間化合物層が、ボンディングワイヤからバリア層に達するように形成されている。
一実施形態に係る半導体装置によると、ボンディングパッドとボンディングワイヤとの接合部において温度サイクルに起因した亀裂が伝播することを抑制できる。
第１実施形態に係る半導体装置の断面図である。 第１実施形態に係る半導体装置の半導体チップＣＨＰの断面図である。 第１実施形態に係る半導体装置のボンディングパッドＢＰとボンディングワイヤＢＷとの接合部における拡大断面図である。 第１実施形態の変形例に係る半導体装置の断面図である。 第１実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す工程図である。 半導体チップ準備工程Ｓ１での第１実施形態に係る半導体装置の断面図である。 ワイヤボンディング工程Ｓ２１での第１実施形態に係る半導体装置の断面図である。 ワイヤボンディング工程Ｓ２１が終了した時点での第１実施形態に係る半導体装置のボンディングパッドＢＰとボンディングワイヤＢＷとの接合部における拡大断面図である。 比較例に係る半導体装置のボンディングパッドＢＰとボンディングワイヤＢＷとの接合部における拡大断面図である。 比較例に係る半導体装置における温度サイクル数とボンディングパッドＢＰ及びボンディングワイヤＢＷの接合強度との関係を示すグラフである。 第１実施形態に係る半導体装置における温度サイクル数とボンディングパッドＢＰ及びボンディングワイヤＢＷの接合強度との関係を示すグラフである。 第２実施形態に係る半導体装置のボンディングパッドＢＰとボンディングワイヤＢＷとの接合部における拡大断面図である。 第３実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す工程図である。 ワイヤボンディング工程Ｓ２１が終了した時点での第３実施形態に係る半導体装置のボンディングパッドＢＰとボンディングワイヤＢＷとの接合部における拡大断面図である。
実施形態の詳細を、図面を参照して説明する。以下の図面においては、同一又は相当する部分に同一の参照符号を付すものとし、重複する説明は繰り返さない。なお、以下に記載する実施形態の少なくとも一部を任意に組み合わせてもよい。
（第１実施形態）
以下に、第１実施形態に係る半導体装置の構成を説明する。
図１に示されるように、第１実施形態に係る半導体装置は、半導体チップＣＨＰと、ボンディングワイヤＢＷと、リードフレームＬＦと、封止樹脂ＥＲとを有している。半導体チップＣＨＰは、ボンディングパッドＢＰを有している。リードフレームＬＦは、ダイパッドＤＰと、リード部ＬＰとを有している。リード部ＬＰは、内部リードＩＬと、外部リードＯＬとにより構成されている。封止樹脂ＥＲは、例えばエポキシ樹脂等の絶縁性の熱硬化性樹脂で形成されている。
半導体チップＣＨＰは、ダイパッドＤＰの表面上に載置されている。ボンディングワイヤＢＷは、一方端においてボンディングパッドＢＰに接続されている。ボンディングワイヤＢＷは、他方端において内部リードＩＬに接続されている。封止樹脂ＥＲは、半導体チップＣＨＰ、ボンディングワイヤＢＷ、ダイパッドＤＰ及び内部リードＩＬを封止している。但し、封止樹脂ＥＲからは、ダイパッドＤＰの裏面が露出している。すなわち、第１実施形態に係る半導体装置は、ＨＬＱＦＰ（Low-Profile Quad Flat Package with Heat sink）構造を有している。
図２に示されるように、半導体チップＣＨＰは、層間絶縁膜ＩＬＤ１と、層間絶縁膜ＩＬＤ２と、層間絶縁膜ＩＬＤ３と、配線ＷＬ１と、配線ＷＬ２と、配線ＷＬ３と、パッシベーション膜ＰＶとをさらに有している。
なお、図２中において図示されていないが、半導体チップＣＨＰは、半導体基板を有している。半導体基板は、例えば単結晶のシリコン（Ｓｉ）で形成されている。半導体基板には、トランジスタのソース領域（図示せず）、ドレイン領域（図示せず）及びウェル領域（図示せず）等が形成されている。また、ソース領域及びドレイン領域に挟み込まれるウェル領域上には、例えばシリコン酸化物（ＳｉＯ２）で形成されたゲート絶縁膜（図示せず）が形成されている。さらに、ゲート絶縁膜上には、例えば不純物がドープされた多結晶のシリコンで形成されたゲート電極（図示せず）が形成されている。
半導体基板の上方には、層間絶縁膜ＩＬＤ１が形成されている。層間絶縁膜ＩＬＤ１中には、配線ＷＬ１が形成されている。層間絶縁膜ＩＬＤ１は、例えばシリコン酸化物で形成されている。配線ＷＬ１は、例えばアルミニウムを含有する材料（アルミニウム又はアルミニウム合金）、銅を含有する材料（銅又は銅合金）で形成されている。
層間絶縁膜ＩＬＤ１上には、層間絶縁膜ＩＬＤ２が形成されている。層間絶縁膜ＩＬＤ２中には、配線ＷＬ２が形成されている。層間絶縁膜ＩＬＤ２は、例えばシリコン酸化物で形成されている。配線ＷＬ２は、例えばアルミニウムを含有する材料（アルミニウム又はアルミニウム合金）、銅を含有する材料（銅又は銅合金）で形成されている。
層間絶縁膜ＩＬＤ２上には、層間絶縁膜ＩＬＤ３が形成されている。層間絶縁膜ＩＬＤ３中には、配線ＷＬ３が形成されている。層間絶縁膜ＩＬＤ３は、例えばシリコン酸化物で形成されている。配線ＷＬ３は、例えばアルミニウムを含有する材料（アルミニウム又はアルミニウム合金）、銅を含有する材料（銅又は銅合金）で形成されている。
ボンディングパッドＢＰは、層間絶縁膜ＩＬＤ３上に形成されている。ボンディングパッドＢＰは、バリア層ＢＬ１と、接合層ＪＬとを有している。バリア層ＢＬ１は、層間絶縁膜ＩＬＤ３上に形成されている。接合層ＪＬは、バリア層ＢＬ１上に形成されている。
バリア層ＢＬ１は、厚さＴＨ１を有している。厚さＴＨ１は、好ましくは０．０３μｍ以上０．２μｍ以下である。厚さＴＨ１は、さらに好ましくは０．０６μｍ以上である。バリア層ＢＬ１は、例えばチタン（Ｔｉ）、窒化チタン（ＴｉＮ）、タンタル（Ｔａ）、窒化タンタル（ＴａＮ）の単層膜又はこれらの積層膜である。但し、バリア層ＢＬ１を構成する材料はこれに限られるものではない。バリア層ＢＬ１は、後述する金属間化合物層ＩＭＣがさらに下層へと侵入することを抑止する。
接合層ＪＬは、バリア層ＢＬ１が酸化されることを抑制する。接合層ＪＬは、アルミニウムを含有する材料（アルミニウム又はアルミニウム合金）で形成されている。接合層ＪＬは、アルミニウムを主成分としている。
上述の配線ＷＬ２及び配線ＷＬ３は、平面視において、ボンディングパッドＢＰと重ならない位置に配置されていることが好ましい。すなわち、配線ＷＬ２及び配線ＷＬ３は、平面視において、ボンディングパッドＢＰを迂回するように配置されていることが好ましい。なお、上述の配線ＷＬ１は、平面視において、ボンディングパッドＢＰと重なる位置に配置されていてもよい。
ボンディングワイヤＢＷは、ワイヤ部ＢＷａとボール部ＢＷｂとを有している。ワイヤ部ＢＷａは、ボンディングワイヤＢＷのうち、ワイヤ状の形状を有している部分である。ボール部ＢＷｂは、ボンディングワイヤＢＷのうち、ボール状の形状を有している部分である。ボール部ＢＷｂは、ワイヤ部ＢＷａの一方端に形成されている。
ボンディングワイヤＢＷは、ワイヤ部ＢＷａの一方端に形成されたボール部ＢＷｂにおいて、ボンディングパッドＢＰに接合されている。ボンディングワイヤＢＷは、銅を含有する材料（銅又は銅合金）で形成されている。ボンディングワイヤＢＷは、銅を主成分としている。
図３に示されるように、ボンディングパッドＢＰ及びボンディングワイヤＢＷ（ボール部ＢＷｂ）の接合部の少なくとも一部において、銅とアルミニウムとを含有する金属間化合物で形成された金属間化合物層ＩＭＣが、ボンディングワイヤＢＷ（ボール部ＢＷｂ）からバリア層ＢＬ１に達するように形成されている。ボンディングワイヤＢＷからバリア層ＢＬ１に達するように形成されている金属間化合物層ＩＭＣは、好ましくは、ボンディングパッドＢＰ及びボンディングワイヤＢＷの接合部の外周に沿って配置されている。ボンディングワイヤＢＷからバリア層ＢＬ１に達するように形成されている金属間化合物層ＩＭＣは、好ましくは、平面視において環状の形状を有している。金属間化合物層ＩＭＣは、例えば、ＣｕＡｌ、ＣｕＡｌ２で形成されている。
図２に示されるように、パッシベーション膜ＰＶは、層間絶縁膜ＩＬＤ３上において、ボンディングパッドＢＰの端部を覆うように形成されている。パッシベーション膜ＰＶには、パッシベーション膜ＰＶを厚さ方向に貫通する開口が形成されている。この開口からは、ボンディングパッドＢＰが露出している。パッシベーション膜ＰＶは、例えばシリコン窒化物（Ｓｉ３Ｎ４）で形成されている。
上記においては、第１実施形態に係る半導体装置がＨＬＱＦＰ構造を有している場合を例として説明したが、図４に示されるように、第１実施形態に係る半導体装置は、ＢＧＡ（Ball Grid Array）構造を有していてもよい。すなわち、第１実施形態に係る半導体装置は、リードフレームＬＦに代えて、インターポーザＩＰを有していてもよい。この場合には、ボンディングワイヤＢＷの他方端はインターポーザＩＰの表面に形成された配線（図示せず）に接続されており、封止樹脂ＥＲは半導体チップＣＨＰ及びボンディングワイヤＢＷを覆うようにインターポーザＩＰの表面上に形成されている。
以下に、第１実施形態に係る半導体装置の製造方法を説明する。
図５に示されるように、第１実施形態に係る半導体装置の製造方法は、半導体チップ準備工程Ｓ１と、接合工程Ｓ２とを有している。接合工程Ｓ２は、ワイヤボンディング工程Ｓ２１と、樹脂封止工程Ｓ２２と、バーイン工程Ｓ２３とを有している。
図６に示されるように、半導体チップ準備工程Ｓ１においては、ボンディングパッドＢＰが形成された半導体チップＣＨＰが準備される。半導体チップ準備工程Ｓ１において、接合層ＪＬの厚さＴＨ２は、厚さＴＨ１よりも薄いことが好ましい。厚さＴＨ２は、好ましくは、０．０１μｍ以上２μｍ以下である。
接合工程Ｓ２においては、ボンディングパッドＢＰとボンディングワイヤＢＷとの接合が行われる。図７に示されるように、ワイヤボンディング工程Ｓ２１においては、ボンディングパッドＢＰにボンディングワイヤＢＷがワイヤボンディングされる。
ワイヤボンディング工程Ｓ２１においては、第１に、ボンディングワイヤＢＷ（ボール部ＢＷｂ）をボンディングパッドＢＰに接触させる。この際、ボール部ＢＷｂは、キャピラリＣＰＬにより両側方から挟み込まれている。第２に、ボンディングワイヤＢＷ及びボンディングパッドＢＰが接触した状態で、ボンディングワイヤＢＷがボンディングパッドＢＰに向かって押圧されるように、ボンディングワイヤＢＷに荷重が印加される。この荷重は、ボール部ＢＷｂの直径が５０μｍである場合、例えば５ｇｆ以上７０ｇｆ以下であることが好ましい。
第３に、ボンディングワイヤＢＷがボンディングパッドＢＰに押圧された状態で、キャピラリＣＰＬを介してボンディングワイヤＢＷに超音波が印加され、ボンディングワイヤＢＷ（ボール部ＢＷｂ）が水平方向に振動する。これにより、ボンディングワイヤＢＷの表面にある酸化膜及びボンディングパッドＢＰの表面にある酸化膜が塑性変形で破壊されるとともに、ボンディングワイヤＢＷに含まれる銅及び接合層ＪＬに含まれるアルミニウムが相互拡散する。超音波が印加される時間は、２ｍｓ以上５０ｍｓ以下であることが好ましい。印加される超音波の振幅は、超音波印加後のボール部ＢＷｂの直径が５０μｍである場合、０．２μｍ以上１．５μｍ以下であることが好ましい。なお、この振幅は、超音波が１２０ｋＨｚで印加される場合の一例である。以上により、ボンディングワイヤＢＷ及び接合層ＪＬの界面に金属間化合物層ＩＭＣが形成され、ボンディングワイヤＢＷとボンディングパッドＢＰとの接合が達成される。
上記のとおり、キャピラリＣＰＬは、ボール部ＢＷｂを両側方から挟み込む形状を有しているため、ボンディングワイヤＢＷのボール部ＢＷｂが変形していくに伴い、荷重及び超音波は、ボンディングワイヤＢＷとボンディングパッドＢＰの接合部の外周付近に強く印加される。そのため、図８に示されるように、当該接合部の外周付近において、接合層ＪＬは、ボンディングワイヤＢＷとバリア層ＢＬ１との間から押し出されやすい。その結果、当該接合部の外周付近においては、相対的に、成長した金属間化合物層ＩＭＣがバリア層ＢＬ１に達しやすくなる。
ワイヤボンディング工程Ｓ２１が完了した時点においては、金属間化合物層ＩＭＣは、バリア層ＢＬ１に達するように成長していなくてもよい。すなわち、ワイヤボンディング工程Ｓ２１が完了した時点においては、ボンディングワイヤＢＷとバリア層ＢＬ１との間には、接合層ＪＬが残存していてもよい。
但し、ボンディングワイヤＢＷに印加される荷重、印加される超音波の振幅又は超音波が印加される時間を調整することで接合層ＪＬをボンディングワイヤＢＷとバリア層ＢＬ１との間から完全に押し出し、接合工程Ｓ２が完了した時点において、ボンディングワイヤＢＷとバリア層ＢＬ１との間に接合層ＪＬが残存しないようにしてもよい。
樹脂封止工程Ｓ２２においては、封止樹脂ＥＲの形成が行われる。樹脂封止工程Ｓ２２においては、第１に、金型内に半導体チップＣＨＰが載置され、かつボンディングワイヤＢＷによる接続が行われたリードフレームＬＦが配置される。樹脂封止工程Ｓ２２においては、第２に、金型内に硬化前の封止樹脂ＥＲが注入される。
樹脂封止工程Ｓ２２においては、第３に、封止樹脂ＥＲを硬化させるために、封止樹脂ＥＲのベーキングが行われる。ベーキングは、封止樹脂ＥＲを第１温度Ｔ１において第１時間ｔ１だけ保持することにより行われる。第１温度Ｔ１は、例えば１７５℃以上１８５℃以下であり、第１時間ｔ１は５時間である。
バーイン工程Ｓ２３においては、初期不良を検知するために、第１実施形態に係る半導体装置に対するバーイン試験が行われる。バーイン工程Ｓ２３においては、第１に、第１実施形態に係る半導体装置に対する加熱が行われる。この加熱は、第１実施形態に係る半導体装置を、第２温度Ｔ２において第２時間ｔ２だけ保持することにより行われる。第２温度Ｔ２は、例えば８５℃以上１４０℃以下であり、第２時間ｔ２は、４時間以上１６８時間以下である。バーイン工程Ｓ２３においては、第２に、加熱工程を経た第１実施形態に係る半導体装置に対して、電気特性試験等が行われる。
バーイン工程Ｓ２３が終了した段階（接合工程Ｓ２が終了した段階）では、ボンディングワイヤＢＷとボンディングパッドＢＰとの接合部の少なくとも一部において、金属間化合物層ＩＭＣは、ボンディングワイヤＢＷからバリア層ＢＬ１に達するように成長している。別の観点からいえば、バーイン工程Ｓ２３が終了した段階（接合工程Ｓ２が終了した段階）では、ボンディングワイヤＢＷとボンディングパッドＢＰとの接合部の少なくとも一部において、ボンディングワイヤＢＷとバリア層ＢＬ１との間に、接合層ＪＬが残存していない。
ワイヤボンディング工程Ｓ２１が終了した段階における金属間化合物層ＩＭＣの厚さをＴＨ０とすると、樹脂封止工程Ｓ２２及びバーイン工程Ｓ２３を経た後の金属間化合物層ＩＭＣの厚さＴＨＩＭＣは、以下の式により表される。式中において、Ａ及びＢは定数であり、ｔ１及びｔ２の単位は秒であり、Ｔ１及びＴ２の単位はケルビンであり、ＴＨ０の単位はμｍである。なお、ボンディングワイヤＢＷのボール部ＢＷｂにおける径が５０μｍである場合、Ａの値は０．００４９であり、Ｂの値は１１８５８である。
Figure 2020072169
この式を用いて、樹脂封止工程Ｓ２２及びバーイン工程Ｓ２３における金属間化合物層ＩＭＣの成長量を算出することができる。そのため、ワイヤボンディング工程Ｓ２１が終了した段階でボンディングワイヤＢＷとバリア層ＢＬ１との間に残存する接合層ＪＬの厚さの最小値がこの成長量を下回るように、ワイヤボンディング工程Ｓ２１において印加される荷重、印加される超音波の振幅又は超音波が印加される時間を調整すればよい。
以下に、第１実施形態に係る半導体装置の効果を、比較例と対比しながら説明する。
比較例に係る半導体装置は、半導体チップＣＨＰと、ボンディングワイヤＢＷとを有している。半導体チップＣＨＰには、ボンディングパッドＢＰが形成されている。この点に関して、比較例に係る半導体装置は、第１実施形態に係る半導体装置と同様の構成を備えている。
しかしながら、図９に示されるように、比較例に係る半導体装置の構成は、金属間化合物層ＩＭＣがバリア層ＢＬ１に達するまで成長していない点に関して（ボンディングワイヤＢＷとバリア層ＢＬ１との間に接合層ＪＬが残存している点に関して）、第１実施形態に係る半導体装置の構成と異なっている。
銅を含有する材料でボンディングワイヤＢＷが形成されている場合、ボンディングワイヤＢＷの硬度が相対的に高いため、ボンディングワイヤＢＷとボンディングパッドＢＰとの接合部に温度サイクルに起因した応力が加わると、亀裂は、接合層ＪＬ中を伝播しやすい。
比較例に係る半導体装置においては、上記のとおり、金属間化合物層ＩＭＣがバリア層ＢＬ１に達するまで成長していないため、ボンディングパッドＢＰとボンディングワイヤＢＷとの間にある接合層ＪＬが途中で分断されておらず、ボンディングパッドＢＰとボンディングワイヤＢＷとの接合部に、亀裂の伝播を停止させる部分が存在しない。このような亀裂の伝播に伴い、ボンディングパッドＢＰとボンディングワイヤＢＷとの間の接合強度が低下する。
他方、第１実施形態に係る半導体装置では、ボンディングパッドＢＰ及びボンディングワイヤＢＷの接合部の少なくとも一部において、金属間化合物層ＩＭＣがバリア層ＢＬ１に達するように成長しているため、ボンディングパッドＢＰとボンディングワイヤＢＷとの間にある接合層ＪＬが途中で金属間化合物層ＩＭＣにより分断されている。
その結果、温度サイクルに起因して発生した亀裂は、金属間化合物層ＩＭＣに到達した段階で、その伝播が停止されやすい。このように、第１実施形態に係る半導体装置によると、温度サイクルが加わった後におけるボンディングパッドＢＰとボンディングワイヤＢＷとの間の接合強度の低下を抑制することができる。
第１実施形態に係る半導体装置においては、ワイヤボンディング工程Ｓ２１が行われた段階でボンディングワイヤＢＷとバリア層ＢＬ１との間に残存する接合層ＪＬの厚さを相対的に薄くする必要があるため、相対的に強い荷重及び超音波を印加する必要がある。その結果、ワイヤボンディング工程Ｓ２１においては、平面視においてボンディングパッドＢＰと重なる位置に形成されている配線にダメージが生じやすい。
第１実施形態に係る半導体装置において、層間絶縁膜ＩＬＤ２中に形成されている配線ＷＬ２及び層間絶縁膜ＩＬＤ３中に形成されている配線ＷＬ３が平面視においてボンディングパッドＢＰと重ならないように配置されている場合、配線に上記のようなダメージが生じることを抑制できる。
温度サイクルに起因した亀裂の伝播は、ボンディングパッドＢＰとボンディングワイヤＢＷとの接合部の外周から伝播する傾向がある。そのため、第１実施形態に係る半導体装置において、バリア層ＢＬ１に達するように成長している金属間化合物層ＩＭＣが、ボンディングパッドＢＰとボンディングワイヤＢＷとの接合部の外周に沿って配置されている場合、温度サイクルに起因した亀裂の伝播を、早期に抑制することができる。
以下に、第１実施形態に係る半導体装置の効果を確認するために行った温度サイクル試験を説明する。
温度サイクル試験においては、第１実施形態に係る半導体装置及び比較例に係る半導体装置に対して温度サイクルを加えられた。温度サイクル試験においては、−６５℃から１５０℃の範囲での温度変化が１サイクルとされた。
温度サイクル試験においては、５００サイクル、１０００サイクル及び２０００サイクルの温度サイクルが加えられた後に、ボンディングパッドＢＰとボンディングワイヤＢＷとの間のシア強度を測定することにより、接合強度が評価された。なお、温度サイクル試験に供された半導体装置においては、ボンディングワイヤＢＷのボール部ＢＷｂにおける径が５２μｍとした。
図１０及び図１１に示されるように、バーイン試験が行われた後及び前処理が行われた後において、第１実施形態に係る半導体装置及び比較例に係る半導体装置は、十分なボンディングパッドＢＰ及びボンディングワイヤＢＷとの間の接合強度を有していた。なお、前処理とは、第１実施形態に係る半導体装置及び比較例に係る半導体装置に、プリント配線板にはんだ付けで実装される際の加熱に相当する加熱を行う処理である。また、図１０及び図１１中において、エラーバーは測定された各接合強度の最大値及び最小値を示している。
図１０に示されるように、比較例に係る半導体装置では、加えられる温度サイクルの回数が増加するにつれて、ボンディングパッドＢＰとボンディングワイヤＢＷとの間の接合強度が顕著に低下していた。比較例に係る半導体装置では、２０００サイクルの温度サイクルが加えられた後において、ボンディングパッドＢＰとボンディングワイヤＢＷとの間の接合強度の最小値が、５．７ｇｆを下回っていた。この５．７ｇｆは、ＡＥＣ−Ｑ００６／ＡＥＣ−Ｑ１００で規定されているボンディングパッドＢＰとボンディングワイヤＢＷとの間の接合強度の要求値である。
他方で、図１１に示されるように、第１実施形態に係る半導体装置では、加えられる温度サイクルの回数が増加しても、ボンディングパッドＢＰとボンディングワイヤＢＷとの間の接合強度の低下は緩やかであった。また、第１実施形態に係る半導体装置では、２０００サイクルの温度サイクルが加えられた後であっても、ボンディングパッドＢＰとボンディングワイヤＢＷとの間の接合強度の最小値が、５．７ｇｆを上回っていた。
このように、第１実施形態に係る半導体装置によると、温度サイクルが加わることに伴う亀裂の伝播が抑制される結果、温度サイクルが加わった後における接合強度の低下が抑制されることが、実験的にも示された。
（第２実施形態）
以下に、第２実施形態に係る半導体装置の構成を説明する。なお、第１実施形態に係る半導体装置の構成と異なる点を主に説明し、重複する説明は繰り返さない。
図１２に示されるように、第２実施形態に係る半導体装置は、ボンディングパッドＢＰが形成された半導体チップＣＨＰと、ボンディングワイヤＢＷとを有している。半導体チップＣＨＰは、層間絶縁膜ＩＬＤ１と、層間絶縁膜ＩＬＤ２と、層間絶縁膜ＩＬＤ３と、配線ＷＬ１と、配線ＷＬ２と、配線ＷＬ３とを有している。
ボンディングパッドＢＰは、バリア層ＢＬ１と、接合層ＪＬとを有している。ボンディングパッドＢＰとボンディングワイヤＢＷとの接合部の少なくとも一部において、金属間化合物層ＩＭＣは、ボンディングワイヤＢＷからバリア層ＢＬ１に達するように成長している。これらの点に関し、第２実施形態に係る半導体装置の構成は、第１実施形態に係る半導体装置の構成と共通している。
しかしながら、第２実施形態に係る半導体装置の構成は、ボンディングパッドＢＰの詳細、配線ＷＬ１及び配線ＷＬ２の詳細に関し、第１実施形態に係る半導体装置の構成と異なっている。以下においては、この相違点を中心に説明する。
図１２に示されるように、ボンディングパッドＢＰは、バリア層ＢＬ１及び接合層ＪＬに加え、下地層ＵＬと、バリア層ＢＬ２とを有している。
バリア層ＢＬ２は、層間絶縁膜ＩＬＤ３上に形成されている。バリア層ＢＬ２は、例えば、チタンを含有する材料で形成されている。下地層ＵＬは、バリア層ＢＬ２上に形成されている。下地層ＵＬは、アルミニウムを含有する材料（アルミニウム又はアルミニウム合金）で形成されている。下地層ＵＬは、厚さＴＨ３を有している。厚さＴＨ３は、例えば０．４μｍ以下である。なお、バリア層ＢＬ１は、下地層ＵＬ上に形成されており、接合層ＪＬはバリア層ＢＬ１上に形成されている。
配線ＷＬ２は、平面視において、ボンディングパッドＢＰと重なるように配置されている。配線ＷＬ３は、平面視において、ボンディングパッドＢＰと重なるように配置されている。
第２実施形態に係る半導体装置の製造方法は、第１実施形態に係る半導体装置の製造方法と同様であるため、説明を省略する。
以下に、第２実施形態に係る半導体装置の効果を説明する。なお、第１実施形態に係る半導体装置の効果と異なる点を主に説明し、重複する説明は繰り返さない。
第２実施形態に係る半導体装置においては、バリア層ＢＬ１の下層に下地層ＵＬが形成されているため、ワイヤボンディング工程Ｓ２１においてボンディングパッドＢＰに加わる荷重が、下地層ＵＬにより緩和される。そのため、第２実施形態に係る半導体装置においては、配線ＷＬ２及び配線ＷＬ３を平面視においてボンディングパッドＢＰに重なるように配置したとしても、配線ＷＬ２及び配線ＷＬ３に対するダメージが発生することを抑制できる。
（第３実施形態）
以下に、第３実施形態に係る半導体装置の構成は、第１実施形態に係る半導体装置の構成と同様であるため、詳細な説明は省略する。但し、第３実施形態に係る半導体装置において、配線ＷＬ２は、平面視において、ボンディングパッドＢＰと重なるように配置されていてもよい。また、配線ＷＬ３は、平面視において、ボンディングパッドＢＰと重なるように配置されていてもよい。
以下に、第３実施形態に係る半導体装置の製造方法を説明する。なお、第１実施形態に係る半導体装置の製造方法と異なる点を主に説明し、重複する説明は繰り返さない。
図１３に示されるように、第３実施形態に係る半導体装置の製造方法は、半導体チップ準備工程Ｓ１と、接合工程Ｓ２とを有している。接合工程Ｓ２は、ワイヤボンディング工程Ｓ２１と、樹脂封止工程Ｓ２２と、バーイン工程Ｓ２３とを有している。これらの点に関して、第３実施形態に係る半導体装置の製造方法は、第１実施形態に係る半導体装置の製造方法と共通している。
しかしながら、第３実施形態に係る半導体装置の製造方法は、接合工程Ｓ２が加熱工程Ｓ２４をさらに有している点に関して、第１実施形態に係る半導体装置の製造方法と異なっている。また、第３実施形態に係る半導体装置の製造方法は、ワイヤボンディング工程Ｓ２１の詳細についても、第１実施形態に係る半導体装置の製造方法と異なっている。
第３実施形態に係る半導体装置の製造方法では、ワイヤボンディング工程Ｓ２１において印加される荷重が、第１実施形態に係る半導体装置の製造方法と比較して、相対的に低くてもよい。第３実施形態に係る半導体装置の製造方法では、ワイヤボンディング工程Ｓ２１において印加される超音波の振幅が、第１実施形態に係る半導体装置の製造方法と比較して、相対的に小さくてもよい。第３実施形態に係る半導体装置の製造方法では、ワイヤボンディング工程Ｓ２１において超音波の印加される時間が、第１実施形態に係る半導体装置の製造方法と比較して、相対的に短くてもよい。
その結果、図１４に示されるように、第３実施形態に係る半導体装置の製造方法では、ワイヤボンディング工程Ｓ２１が終了した段階において、ボンディングワイヤＢＷとバリア層ＢＬ１との間に、接合層ＪＬが相対的に厚く残存していてもよい。
加熱工程Ｓ２４は、ワイヤボンディング工程Ｓ２１後に行われる。加熱工程Ｓ２４は、好ましくは、樹脂封止工程Ｓ２２の前に行われる。加熱工程Ｓ２４は、第３実施形態に係る半導体装置を、第３温度Ｔ３において第３時間ｔ３だけ保持することにより行われる。金属間化合物層ＩＭＣは、樹脂封止工程Ｓ２２及びバーイン工程Ｓ２３に加えて、加熱工程Ｓ２４においても成長する。
そのため、上記のようにボンディングワイヤＢＷとバリア層ＢＬ１との間に相対的に厚く接合層ＪＬが残存している場合であっても、接合工程Ｓ２が終了した段階で、ボンディングワイヤＢＷとボンディングパッドＢＰとの接合部の少なくとも一部において、金属間化合物層ＩＭＣがバリア層ＢＬ１に達するように成長している。
なお、第３温度Ｔ３及び第３時間ｔ３は、ワイヤボンディング工程Ｓ２１が終了した段階においてボンディングワイヤＢＷとバリア層ＢＬ１との間に残存している接合層ＪＬの厚さや樹脂封止工程Ｓ２２及びバーイン工程Ｓ２３で成長する金属間化合物層ＩＭＣの成長量を考慮して適宜選択される。
以下に、第３実施形態に係る半導体装置の効果を説明する。なお、第１実施形態に係る半導体装置の効果と異なる点を主に説明し、重複する説明は繰り返さない。
第３実施形態に係る半導体装置においては、加熱工程Ｓ２４においても金属間化合物層ＩＭＣが成長するため、ワイヤボンディング工程Ｓ２１において荷重及び超音波を相対的に強く印加してボンディングワイヤＢＷとバリア層ＢＬ１との間から押し出さずとも、金属間化合物層ＩＭＣがバリア層ＢＬ１に達する。第３実施形態に係る半導体装置においては、ボンディングパッドＢＰの下方にある配線に対するダメージが発生することを抑制できる。
封止樹脂ＥＲは、ハロゲン（塩素、臭素等）系の化合物、硫黄系の化合物を含有している場合がある。このような化合物は、アルミニウム、銅を腐食させる性質がある。そのため、加熱工程Ｓ２４が樹脂封止工程Ｓ２２の後に行われる場合には、上記のような化合物により、ボンディングワイヤＢＷとボンディングパッドＢＰとの接合部が腐食されるおそれがある。第３実施形態に係る半導体装置の製造方法においては、加熱工程Ｓ２４が樹脂封止工程Ｓ２２の前に行われることにより、上記のような化合物による接合部の腐食の発生を抑制することができる。
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、本発明は前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。
ＢＬ１，ＢＬ２ バリア層、ＢＰ ボンディングパッド、ＢＷ ボンディングワイヤ、ＢＷａ ワイヤ部、ＢＷｂ ボール部、ＣＨＰ 半導体チップ、ＣＰＬ キャピラリ、ＤＰ ダイパッド、ＥＲ 封止樹脂、ＩＬ 内部リード、ＩＬＤ１，ＩＬＤ２，ＩＬＤ３ 層間絶縁膜、ＩＭＣ 金属間化合物層、ＩＰ インターポーザ、ＪＬ 接合層、ＬＦ リードフレーム、ＬＰ リード部、ＯＬ 外部リード、ＰＶ パッシベーション膜、Ｓ１ 半導体チップ準備工程、Ｓ２ 接合工程、Ｓ２１ ワイヤボンディング工程、Ｓ２２ 樹脂封止工程、Ｓ２３ バーイン工程、Ｓ２４ 加熱工程、Ｔ１ 第１温度、Ｔ２ 第２温度、Ｔ３ 第３温度、ｔ１ 第１時間、ｔ２ 第２時間、ｔ３ 第３時間、ＴＨ０，ＴＨＩＭＣ 厚さ、ＴＨ１，ＴＨ２，ＴＨ３ 厚さ、ＵＬ 下地層、ＷＬ１，ＷＬ２，ＷＬ３ 配線。

Claims (13)

  1. バリア層と、前記バリア層上に形成され、かつアルミニウムを含有する材料で形成された接合層とを含むボンディングパッドを有する半導体チップと、
    前記ボンディングパッドに接合され、かつ銅を含有している材料で形成されたボンディングワイヤとを備え、
    前記ボンディングパッドと前記ボンディングワイヤとの接合部の少なくとも一部において、銅とアルミニウムとを含有する金属間化合物で形成された金属間化合物層が、前記ボンディングワイヤから前記バリア層に達するように形成されている、半導体装置。
  2. 前記ボンディングワイヤから前記バリア層に達するように形成されている前記金属間化合物層は、前記接合部の外周に沿って配置されている、請求項１に記載の半導体装置。
  3. 前記バリア層は、チタン又はタンタルを含有する材料で形成されている、請求項１に記載の半導体装置。
  4. 前記バリア層の厚さは、０．０３μｍ以上０．２μｍ未満である、請求項１に記載の半導体装置。
  5. 前記半導体チップは、第１層間絶縁膜と、前記第１層間絶縁膜中に形成された第１配線とをさらに有しており、
    前記ボンディングパッドは、前記第１層間絶縁膜上に形成されており、
    前記第１配線は、平面視において、前記ボンディングパッドと重ならない位置に形成されている、請求項１に記載の半導体装置。
  6. 前記半導体チップは、第２層間絶縁膜と、前記第２層間絶縁膜中に形成された第２配線とをさらに有しており、
    前記第１層間絶縁膜は、前記第２層間絶縁膜上に形成されており、
    前記第２配線は、平面視において、前記ボンディングパッドに重ならない位置に形成されている、請求項５に記載の半導体装置。
  7. 前記ボンディングパッドは、下地層をさらに有しており、
    前記バリア層は、前記下地層上に形成されている、請求項１に記載の半導体装置。
  8. 前記下地層は、アルミニウムを含有する材料で形成されている、請求項７に記載の半導体装置。
  9. バリア層と、前記バリア層上に形成され、かつアルミニウムを含有する材料で形成された接合層とを含むボンディングパッドを有する半導体チップを準備する工程と、
    銅を含有する材料で形成されたボンディングワイヤを前記ボンディングパッドに接合する工程とを備え、
    前記ボンディングワイヤは、前記ボンディングパッドとの接合部の少なくとも一部において、銅とアルミニウムとを含有する金属間化合物で形成された金属間化合物層が前記ボンディングワイヤから前記バリア層に達するように前記ボンディングパッドに接合されている、半導体装置の製造方法。
  10. 前記接合する工程は、前記ボンディングワイヤを前記ボンディングパッドにワイヤボンディングを行う工程と、前記ワイヤボンディングが行われた前記半導体チップを樹脂封止する工程と、前記ワイヤボンディングが行われ、かつ前記樹脂封止が行われた前記半導体チップに対するバーイン試験を行う工程とを有しており、
    前記ワイヤボンディングは、前記ボンディングワイヤと前記バリア層との間に前記接合層が残存するように行われる、請求項９に記載の半導体装置の製造方法。
  11. 前記接合する工程は、前記ワイヤボンディングが行われた前記半導体チップに対する加熱を行う工程をさらに有する、請求項１０に記載の半導体装置の製造方法。
  12. 前記加熱は前記樹脂封止の前に行われる、請求項１１に記載の半導体装置の製造方法。
  13. 前記接合層の厚さは、０．０１μｍ以上２μｍ以下である、請求項９に記載の半導体装置の製造方法。
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