JP2020155559A - 半導体装置 - Google Patents

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Keishi Tsukiyama
慧至 築山
青木 秀夫
Hideo Aoki
秀夫 青木
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Abstract

【課題】信頼性の高い半導体装置を提案する。【解決手段】実施形態の半導体装置100は、配線基板1と、配線基板1上に設けられ、第1樹脂組成物3に封止されたコントローラチップ2と、第1樹脂組成物3上に設けられ、第2樹脂組成物5に封止された不揮発性メモリチップ4と、コントローラチップ2の電源配線用パッド10と配線基板1とを接続し、第1樹脂組成物3に封止された第2ボンディングワイヤ9と、コントローラチップ2の信号配線用パッド7と配線基板1とを接続し、第1樹脂組成物3に封止され、第2ボンディングワイヤ9よりもPd含有率が高い第1ボンディングワイヤ6と、を有する。【選択図】 図1

Description

本発明の実施形態は、半導体装置に関する。
近年、半導体パッケージにおいて、半導体チップにダイアタッチフィルム(DAF:Die Attach Film)等の接着性の樹脂組成物を用いてメモリチップを積層する構造(FOD:Film On Die)が広く利用されている。しかしながら、DAFを用いて半導体チップ同士を接着させると、Al(アルミニウム)電極パッド上にAu(金)ボンディングワイヤが接続される場合、DAF中でCl(塩素)イオンにより、電極パッドが腐食し、Al電極パッドとAuボンディングワイヤが断線となる可能性がある。
特開2017−168586号公報
そこで、本発明が解決しようとする課題は、信頼性の高い半導体装置を提案することである。
実施形態によれば、半導体装置は、配線基板と、配線基板上に設けられ、第1樹脂組成物に封止されたコントローラチップと、第1樹脂組成物上に設けられ、第2樹脂組成物に封止された不揮発性メモリチップと、コントローラチップの電源配線用パッドと配線基板とを接続し、第1樹脂組成物に封止された第2ボンディングワイヤと、コントローラチップの信号配線用パッドと配線基板とを接続し、第1樹脂組成物に封止され、第2ボンディングワイヤよりもPd含有率が高い第1ボンディングワイヤと、を有する。
一実施形態に係る半導体装置を模式的に示す断面図。 一実施形態に係る半導体装置を模式的に示す平面図。
以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。本実施形態は、本発明を限定するものではない。
本発明の実施形態に係る半導体装置は、不揮発性メモリチップを制御するコントローラチップのパッドに接続する信号配線用ボンディングワイヤに腐食しにくい材料を採用することで、半導体装置の信頼性を向上させる。より詳しく、以下に説明する。
図1は、本実施形態に係る半導体装置100を模式的に示す断面図である。この図1に示すように、半導体装置100は、例えば、半導体パッケージであり、基板1と、コントローラチップ2と、第1樹脂組成物3と、不揮発性メモリチップ4(4A、4B)と、第2樹脂組成物5と、第1ボンディングワイヤ6、第2ボンディングワイヤ9及び第3ボンディングワイヤ12(12A、12B)とを備えて構成される。なお、以下、全ての図において、各構成要素の大きさの比や、細かい配置等は、実施形態を理解しやすいように示されているため、実際の比や配置とは異なる。また、模式的に示す図であるので、チップや基板上の配線等は、省略している。
図2は、本実施形態に係る半導体装置100を模式的に示す平面図である。図2は、基板1とコントローラチップ2の配線を表し、基板1、コントローラチップ2及び不揮発性メモリチップ4の位置関係を表している。図2に示すレイアウトは一例である。コントローラチップ2の信号配線用パッド7と電源配線用パッド11のレイアウトも一例であり、半導体装置100のレイアウトは、発明の範囲内において設計に応じて任意に変更が可能である。
基板1は、樹脂等により形成される配線基板である。基板1は、より具体的には、配線、ガラスクロス及び樹脂などにより形成される。半導体装置100である半導体パッケージは、この基板1上に形成される。基板1には、例えばCu配線が設けられており、半導体装置100内の半導体チップ同士は、基板1の配線を介して接続されている。基板1の表面には、図示しないレジストが設けられている。また、基板1のコントローラチップ2側とは反対側の面には、半導体装置100外と接続可能な図示しないパッドが設けられている。
基板1のコントローラチップ2側の面には、コントローラチップ2と接続する信号配線用パッド7と電源配線用パッド10が設けられている。信号配線用パッド7と電源配線用パッド10は、第1樹脂組成物3に封止されている。また、基板1のコントローラチップ2側の面には、不揮発性メモリチップ4A、4Bと接続する電極パッド14A、14Bが設けられている。電極パッド14A、14Bは、第2樹脂組成物5に封止されている。
コントローラチップ2は、基板1上に厚さが例えば10μmから20μmのDAF等の接着剤で固定された半導体チップである。コントローラチップ2は、半導体装置100の外部と接続し、不揮発性メモリチップ4の読み書きを制御し、例えば、読み書きの高速化や誤り訂正などを行なう。コントローラチップ2はフリップチップではないため、コントローラチップ2の電極パッドは、基板1側とは反対側に配置されている。
コントローラチップ2は、最もコントローラチップ2側に配置された不揮発性メモリチップ4Aの中央の下に配置されていることが好ましい。不揮発性メモリチップ4Aを基板1に射影した際に、不揮発性メモリチップ4Aの中心(内接円の中心)がコントローラチップ2と重なる様に配置されることが好ましい。コントローラチップ2が不揮発性メモリチップ4Aの中央の下に配置されることで、コントローラチップ2と不揮発性メモリチップ4Aを接続する配線のインピーダンスのばらつきを少なくすることが出来、高速な読み書きに有利である。
第1樹脂組成物3は、コントローラチップ2、第1ボンディングワイヤ6及び第2ボンディングワイヤ9を封止し、基板1と不揮発性メモリチップ4Aの間に配置されている。第1樹脂組成物3の厚さは、典型的には、100μm以上150μm以下である。第1樹脂組成物3は、具体的には、DAFである。第1樹脂組成物3は、第2樹脂組成物5よりもイオン伝導性の高い樹脂である。樹脂組成物中の含水率が高いと、樹脂組成物中のイオン伝導性が高くなる。実施形態では、フィラーが少なく樹脂成分の多い樹脂組成物を第1樹脂組成物3として用いている。
第1樹脂組成物3のシリコン粒子等のフィラーの含有率は、40wt%以上60wt%以下であることが好ましい。フィラーの含有率が低すぎると、強度が不十分となる。フィラーの含有率が高すぎると第1樹脂組成物3が硬くなりすぎて、第1樹脂組成物3を貼り付ける際に第1ボンディングワイヤ6や第2ボンディングワイヤ9を潰してしまう恐れがある。また、同観点から第1樹脂組成物3の弾性率(25℃)は、0.7GPa以上3.0GPa以下であることが好ましい。第1樹脂組成物3は、フィラーの含有率が低いため、樹脂の含有率が高い。第1樹脂組成物3は、フィラーと樹脂で実質的に構成され、その他微量の添加剤を含むため、実施形態では、便宜的に第1樹脂組成物3の樹脂の含有率を[100wt%−[フィラーの含有率]]とすることができる。樹脂が多く含まれる第1樹脂組成物3は含水率が第2樹脂組成物5よりも高くなるため、イオン伝導性が高くなる。第1樹脂組成物3には、イオントラップ剤等の添加剤が含まれていてもよい。電極パッドを腐食させるハロゲンは、半導体装置100の製造過程で残存するものや、レジストが加水分解によって発生するものに起因する。イオントラップ剤が第1樹脂組成物3に添加されていても全てのハロゲンイオンを補足することは出来ないため、第1ボンディングワイヤ6にPdAuワイヤを用いることが好適である。
コントローラチップ2上に不揮発性メモリチップ4を配置しているため、DAFによってコントローラチップ2を封止している。コントローラチップ2を不揮発性メモリチップ4の横側に配置させた場合は、コントローラチップ2も不揮発性メモリチップ4と同じくモールドで封止できるため、腐食が進行しにくくボンディングワイヤのパッド部分の断線は起こりにくい。しかし、コントローラチップ2上に不揮発性メモリチップ4を配置しているため、第1ボンディングワイヤ6を潰さない程度に柔らかく、接着性のある第1樹脂組成物3でコントローラチップ2及び第1ボンディングワイヤ6で封止している。第1樹脂組成物3で封止された部材内に、腐食されやすいAuAl等の合金を含む配線が存在すると、より具体的には、電極パッドにAuAl等の合金が形成されていると、断線の原因になりやすい。そこで、実施形態では、第1ボンディングワイヤ6の材料に電極パッドが腐食されにくい材料を選択している。
不揮発性メモリチップ4(4A、4B)は、第1樹脂組成物3上に設けられたメモリチップである。不揮発性メモリチップ4には、NANDメモリチップ、相変化メモリチップ、抵抗変化メモリチップ、強誘電体メモリチップや磁気メモリチップ等を用いることができる。不揮発性メモリチップ4Aは、不揮発性メモリチップ4と第1樹脂組成物3の間に設けられた図示しない接着剤で固定されていることが好ましい。不揮発性メモリチップ4は、データの書込や読出をするメモリチップである。図1に示すように、不揮発性メモリチップ4Bは、この不揮発性メモリチップ4A上の電極パッド13Aの領域を確保できる程度にずらして積層され、全体として1つのメモリアレイを構成する。不揮発性メモリチップ4が2以上積層した半導体装置100とすることができる。なお、構成によっては、不揮発性メモリチップ4Aだけの1枚とする半導体装置100とすることもできる。
第2樹脂組成物5は、第1樹脂組成物3、不揮発性メモリチップ4及び第3ボンディングワイヤ12(12A、12B)を封止し、基板1上に設けられている。第2樹脂組成物5は、いわゆるモールド樹脂であり、フィラーの含有率が高く、強度に優れた部材である。第2樹脂組成物5のフィラーの含有率は、80wt%以上90wt%以下であることが好ましい。フィラーの含有率が低すぎると、強度が不十分となる。フィラーの含有率が高すぎると樹脂成分が少なくなり、構造を維持しにくくなる。また、同観点から第2樹脂組成物5の弾性率(25℃)は、20GPa以上30GPa以下であることが好ましい。第2樹脂組成物5は、フィラーと樹脂で実質的に構成され、その他微量の添加剤を含むため、実施形態では、便宜的に第2樹脂組成物5の樹脂の含有率を[100wt%−[フィラーの含有率]]とすることができる。
第1樹脂組成物3と第2樹脂組成物5を比較すると、第2樹脂組成物5のフィラーの含有率は、第1樹脂組成物3のフィラーの含有率の1.5倍以上2.0倍以下である。このように、フィラーの含有率が第1樹脂組成物3と第2樹脂組成物5で大きく異なる。第1樹脂組成物3のフィラーの含有率が低いため、第1樹脂組成物3中の含水率が高くなり、電極パッドが腐食されやすくなる。
第1ボンディングワイヤ6は、基板1とコントローラチップ2を接続する配線である。複数の第1ボンディングワイヤ6が含まれる。第1ボンディングワイヤ6は、コントローラチップ2と半導体装置100の外部と接続した素子の間の信号配線又はコントローラチップ2と不揮発性メモリチップとの信号配線である。第1ボンディングワイヤ6は、基板1の電極パッド8とコントローラチップ2の信号配線用パッド7を接続する。信号配線用パッド7は、コントローラチップ2のI/O用電極パッドである。第1ボンディングワイヤ6の直径は、典型的には、10μm以上100μm以下である。
第2ボンディングワイヤ9は、基板1とコントローラチップ2を接続する配線である。複数の第2ボンディングワイヤ9が含まれる。第2ボンディングワイヤ6は、コントローラチップ2の電源用の配線である。第2ボンディングワイヤ9は、基板1の電極パッド11とコントローラチップ2の電源配線用パッド10を接続する。電源配線用パッド7は、コントローラチップ2の電源用電極パッドである。第2ボンディングワイヤ9の直径は、典型的には、10μm以上100μm以下である。
基板1の電極パッド8、11、14は、例えば、Cu(銅)の端子にNi(ニッケル)、Au(金)、又は、Ni及びAuの両方をめっきしたものである。そして、コントローラチップ2の信号配線用パッド7及び電源配線用パッド10は、Alのパッドである。
第1ボンディングワイヤ6及び第2ボンディングワイヤ9は、イオン導電性が第2樹脂組成物5よりも高い第1樹脂組成物3に封止されている。第1樹脂組成物3の中では、例えばCl等の腐食性のハロゲンイオンがパッドに印加された電位差によって電極パッドに移動しやすい。第1樹脂組成物中に平均0.2ppm程度の極微量のClが含まれていても、印加電圧によって電極パッドにClが集まる。すると、コントローラチップ2の電極パッド周辺は、局所的にCl濃度が高くなり、コントローラチップ2の電極パッドに形成されたAuAl等の合金を腐食させやすい。
実質的にAuのボンディングワイヤとAlの電極パッドを接続すると、電極パッドには、AuAl等のAuとAlの合金が形成される。この合金は、ClやBr等のハロゲンイオンと反応して腐食し、腐食が進むと、電極パッドとボンディングワイヤとの接続が断線してしまう。第2樹脂組成物5のようにイオンが導電し難い材料中であれば、断線に至るまでの腐食は進みにくいが、第1樹脂組成物3のようにイオンが導電しやすい材料中であると、半導体装置100の信頼性を低下させる問題となる。
第1ボンディングワイヤ6は、信号用の配線であるため、非冗長性配線である。そのため、第1ボンディングワイヤ6による配線が1つでも断線すると半導体装置100は、動作不良となってしまう。そこで、第1ボンディングワイヤ6は、第2ボンディングワイヤ9よりも耐食性のあるPdの含有率が高いPdAu(PdAu合金)ワイヤを用いる。
第1ボンディングワイヤ6は、Pd含有率が0.05wt%以上2.00wt%以下のPdAu合金ワイヤであることが好ましい。0.05wt%以上のPdが含まれることで、第1ボンディングワイヤ6の耐食性が向上する。なお、第1ボンディングワイヤ6に含まれるPd以外の金属は、不可避的な金属(0.02wt%以下)を除き実質的にAuである。なお、信号配線は、抵抗の増加はインピーダンスと比べるとあまり問題にならないが、PdはAuよりも抵抗が高いため、Pdが多すぎるのは良くない。そこで、第1ボンディングワイヤ6のPd含有率は、2.00wt%以下であることが好ましい。また、Pdの含有率が高いとボンディングワイヤが硬くなり、配線が困難になりやすいことからも、Pdの含有率は、2.00wt%以下であることが好ましい。また、第1ボンディングワイヤ6にPdAuワイヤを用いることで、信号配線用パッド7が断線しにくくなることから、第1樹脂組成物3のイオントラップ剤の選択に自由度が生じ、第1樹脂組成物3の部材の選択肢が広がる点でも実施形態の半導体装置100は好ましい。
第2ボンディングワイヤ9は、第1ボンディングワイヤ6と同じく第1樹脂組成物で封止されているが、第1ボンディングワイヤ6とは異なり電源用配線であるため、冗長性がある。第2ボンディングワイヤ6は、コントローラチップ2の上面に設けられたAlの電極パッドである電源配線用パッド10と基板1上のCu上に例えばNiとAuがメッキされた電極パッド11を接続しており、コントローラチップ2の電源配線用パッド10は、信号配線用パッド7と同様に腐食されやすい。
しかし、複数ある第2ボンディングワイヤ9による配線の1つが断線したとしても、第2ボンディングワイヤ9は冗長配線であることからコントローラチップ2への電源経路は残っていて、コントローラチップ2及び半導体装置100は動作可能である。第2ボンディングワイヤ9にもPdAuワイヤを使用することもできるが、電源用配線では、抵抗の上昇は好ましくないため第2ボンディングワイヤ9にPdが含まれることは好ましくない。そこで、第2ボンディングワイヤ9のPd含有率は、第1ボンディングワイヤ6のPd含有率よりも低く、第2ボンディングワイヤ9は、実質的にAuで構成されたワイヤである。第2ボンディングワイヤ9のPd含有率は、0.01wt%以下であることが好ましい。第2ボンディングワイヤ9にも第1ボンディングワイヤ6と同様に不可避的な金属(0.02wt%以下)が含まれる場合があるが、不可避的な金属を除き、実質的にAuで構成された、Pd含有率が0.01wt%以下であるAuワイヤが第2ボンディングワイヤ9として好適である。
第3ボンディングワイヤ12(12A、12B、12C)は、第2樹脂組成物5で封止され、不揮発性メモリチップ4の配線用のボンディングワイヤである。第3ボンディングワイヤ12が接続する基板1側の電極パッド14(14A、14B)は、例えば、Cu上にNi及びAuでメッキされたパッドである。一方、第3ボンディングワイヤ12が接続する不揮発性メモリチップ4側の電極パッド13(13B、13C)はAlのパッドである。従って、不揮発性メモリチップ4側の電極パッド13と第3ボンディングワイヤ12との接合部分に形成されるAuAl等の合金は、Cl等によって腐食されやすいが、第3ボンディングワイヤ12は、第2樹脂組成物5で封止されているため腐食されにくい。
第3ボンディングワイヤ12は、第2樹脂組成物5で封止されているため、実質的にAuで構成されたAuワイヤであることが好ましい。第3ボンディングワイヤ12にPdAuワイヤを用いることもできるが、PdAuワイヤは実質的にAuで構成されたAuワイヤと比べて硬いため、第1ボンディングワイヤ6の平均配線長に比べて、例えば、最大の配線長が2倍以上に長くなる第3ボンディングワイヤ12にPdAuワイヤを用いるのは不適である。また、PdAuワイヤは、Auワイヤと比べて抵抗が高いことから、多段に積層された不揮発性メモリチップ4を接続すると、上側で電圧降下が大きくなるため、電圧降下分を考慮して印加電圧を上げる必要がある。これらのことから、第3ボンディングワイヤ12には、Auワイヤを用いることが好適である。第3ボンディングワイヤ12の直径は、典型的には、10μm以上100μm以下である。
明細書中、一部の元素は元素記号のみで表している。
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。また、当然のことながら、本発明の要旨の範囲内で、これらの実施の形態を部分的に適宜
組み合わせることも可能である。
100:半導体装置、1:基板、2:コントローラチップ、3:第1樹脂組成物、4:不揮発性メモリチップ、5:第2樹脂組成物、6:第1ボンディングワイヤ、7:信号配線用パッド、8:電極パッド、9:第2ボンディングワイヤ、10:電源配線用パッド、11:電極パッド、12:第3ボンディングワイヤ、13:電極パッド、14:電極パッド

Claims (5)

  1. 配線基板と、
    前記配線基板上に設けられ、第1樹脂組成物に封止されたコントローラチップと、
    前記第1樹脂組成物上に設けられ、第2樹脂組成物に封止された不揮発性メモリチップと、
    前記コントローラチップの電源配線用パッドと前記配線基板とを接続し、前記第1樹脂組成物に封止された第2ボンディングワイヤと、
    前記コントローラチップの信号配線用パッドと前記配線基板とを接続し、前記第1樹脂組成物に封止され、前記第2ボンディングワイヤよりもPd含有率が高い第1ボンディングワイヤと、
    を有する半導体装置。
  2. 前記不揮発性メモリチップと前記配線基板とを接続し、前記第1のボンディングワイヤよりもPd含有率が低く、前記第2樹脂組成物に封止された第3ボンディングワイヤと、をさらに備え、
    前記第1ボンディングワイヤは、Pd含有率が0.05wt%以上2.00wt%以下のPdAu合金ワイヤであり、
    前記第2ボンディングワイヤと前記第3ボンディングワイヤは、Pd含有率が0.01wt%以下の実質的にAuで構成されたワイヤであり、
    前記コントローラチップの前記信号配線用パッド及び電源配線用パッドは、Alのパッドである請求項1に記載の半導体装置。
  3. 前記第1ボンディングワイヤは、非冗長性配線であり、
    前記第2ボンディングワイヤは、冗長性配線である請求項1又は2に記載の半導体装置。
  4. 前記不揮発性メモリチップの中央部と前記コントローラチップは、前記配線基板と前記コントローラチップの積層方向に重なる請求項1ないし3のいずれか1項に記載の半導体装置。
  5. 前記第1樹脂組成物のフィラーの含有率は、40wt%以上60wt%以下である請求項1ないし4のいずれか1項に記載の半導体装置。

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