JP2939190B2 - 半導体チップ及びその製造方法 - Google Patents

半導体チップ及びその製造方法

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体チップ及び
これを用いたワイヤボンディング方法に関し、より詳細
には、信頼性検査時においてボンディングパッドが腐蝕
により劣化されることを防止するために、ボンディング
パッド上に形成され、ワイヤボールより小さいサイズを
有するボンディング窓を含む半導体チップと、その製造
方法及びワイヤボンディグ方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】ワイヤボンディング工程は、半導体チッ
プをリードフレームのリード又は回路基板の配線に電気
的に連結する方法の一つである。半導体チップのボンデ
ィングパッドは、０．８μｍ〜１．５μｍの直径を有す
る金ワイヤやアルミニウムワイヤを用いてリードフレー
ム又は回路基板に連結される。
【０００３】ボンディング工程の条件及び要求される装
備は、使用するワイヤ材質により異なる。しかしなが
ら、金ワイヤやアルミニウムワイヤを用いるいずれの場
合においても、ワイヤをワイヤスプールからボンディン
グヘッドに供給し、このボンディングヘッドによりワイ
ヤのボンディングが行われる。ボンディングヘッドが半
導体チップのボンディングパッド上に整列させて、高温
・高圧下で行う熱圧着ボンディング法、又は高圧下で振
動を加える超音波ボンディング法や、高温・高圧下で振
動を加える熱音波ボンディング法によりワイヤをボンデ
ィングパッドに取り付ける。
【０００４】金ワイヤを用いたワイヤボンディングの場
合、ワイヤは、微細な通路を有するキャピラリを含むボ
ンディングヘッドを用いてボールボンディング工程によ
り取り付けられる。ワイヤは、キャピラリの通路を介し
て供給され、その先端に印加された高電圧によりボール
を形成する。このボールを圧着してボンディングパッド
に取り付ける。
【０００５】図４は、金ワイヤを用いたボールボンディ
ング工程により半導体チップのボンディングパッドにワ
イヤをボンディングする状態を示す概略断面図である。
【０００６】シリコンとなる半導体基板１に所定の回路
素子（図示せず）を形成し、その上面にＢＰＳＧ(Boron
Phosphorous Silica Glass)となる表面平坦層２を塗布
する。半導体チップのボンディングパッド３は、アルミ
ニウム等の金属を蒸着して表面平坦層２上に形成する。
半導体チップの回路素子は、ボンディングパッド３を通
じて外部装備に接続される。ボンディングパッド３を形
成した後、半導体チップの全面にシリコン窒化物(Ｓｉ
3 Ｎ4 )となるパッシベーション層４を塗布する。次い
で、幅Ｗ１を有するボンディング窓を形成する。ワイヤ
の先端に形成されたワイヤボール５を、キャピラリ７に
より圧着して、ボンディング窓を通じて露出されたボン
ディングパッド３に取り付ける。
【０００７】しかし、従来のワイヤボンディングでは、
次のような問題点があった。
【０００８】第一に、半導体チップのボンディング窓が
ワイヤボール５より大きいため、ボールボンディング工
程時においてワイヤボールを圧着する間、キャピラリ７
がボンディグパッド３に衝撃を与えることになる。この
際、ボンディングパッド３を被覆している酸化層の破損
を引き起こし、ワイヤボールと接触しなく外部に露出さ
れているボンディグパッドの表面は、腐蝕することが多
い。特に、パッケージ組立工程後、湿度１００％、温度
１２１℃±２℃の圧力釜(Pressure Cooker )で行われる
ＰＣＴ(Pressure Cooker Test)又はＴ／Ｃ(Temperature
Cycling )のような信頼性検査の間、ボンディングパッ
ドに腐蝕が生ずる。
【０００９】第二に、半導体素子のサイズを減少するた
めに、設計されたチップを工程条件に応じて一定比率で
縮小することが望ましいが、従来の方法では、ボンディ
ング窓が９０×９０μｍ2 以上の寸法を有する条件下の
みにおいてワイヤボンディング工程を行うことができる
ので、半導体素子のサイズを減少するに限界があった。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】したがって、本発明
は、従来の問題点を解決するためのものであって、本発
明の課題は、半導体チップパッケージの信頼性検査の
間、ボンディングパッドが腐蝕して劣化することを防止
することにある。
【００１１】本発明の他の課題は、半導体素子の縮小率
を増加させることにより半導体チップのサイズを減少す
ることにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】上記課題を達成するた
め、本発明による半導体チップは、ボンディングパッド
に圧着されるワイヤボールより小さいサイズを有するボ
ンディング窓を含むことを特徴とする。
【００１３】
【発明の実施の形態】以下、添付の図面を参照として本
発明をより詳細に説明する。
【００１４】図１は、本発明によるボンディングパッド
の製造工程を示す概略図である。
【００１５】図１（Ａ）を参照すると、メモリセル、Ｎ
ＡＮＤやＮＯＲのような回路素子を半導体基板１０に形
成した後、これらの回路素子を外部装備に連結させる端
子、例えば、入出力端子を形成するため、金属配線工程
を行う。金属配線は、短絡や電気移動(electro-migrati
on)を防止するため、平坦な面に形成しなければならな
い。したがって、回路素子の形成が終わった基板１０上
にＢＰＳＧ等の表面平坦層１２を塗布した後、金属配線
工程を行う。金属配線工程では、配線だけでなく、リー
ドフレームのリード又は印刷回路基板に電気的に連結さ
れるボンディングパッド１４が形成される。
【００１６】金属配線工程が完了されると、図１（Ｂ）
に示すように、半導体チップの全面にパッシベーション
層１６を塗布する。このパッシベーション層１６は、ウ
ェーハ加工済みの半導体チップの表面を、塵埃等の不純
物から保護する役割をする。パッシベーション層１６
は、例えば、シリコン窒化物等の不活性絶縁材料とな
る。そこで、ボンディングパッド１４をリードフレーム
又は印刷回路基板に電気的に連結するためには、ボンデ
ィグ窓を形成すべきである。
【００１７】図１（Ｃ）に示すように、パッシベーショ
ン層１６をフォトエッチングすることにより窓１５を形
成する。窓１５のサイズは、図４の従来技術によるボン
ディング窓Ｗ１のサイズとほぼ同一である。次いで、パ
ッシベーション層１６が塗布されているチップの全面に
第２金属層１８を塗布する。その後、反応性イオンエッ
チング法を用いて第２金属層１８をエッチングするが、
この際、図１（Ｄ）に示すように、窓１５を取り囲んで
いるパッシベーション層１６と接触する部分のみに第２
金属層１８が残存するようにエッチングする。残りの第
２金属層１８は、パッシベーション層１６と同一の高さ
を有し、ボンディングパッド１４のボンディング窓１９
を形成するため、窓１５の周縁部を占めている。より詳
細には、ボンディング窓１９は、第２金属層にフォトレ
ジスト層を塗布し、所定のパターンを有するフォトマス
クを用いて第２金属を露光、現像し、反応性イオンを照
射して所定の深さまで垂直方向に第２金属１８をエッチ
ングすることにより形成される。そこで、ボンディング
窓１９は、第２金属層１８が占める領域ほど従来のボン
ディング窓より小さい。また、第２金属層１８は、ボン
ディングパッド１４より腐蝕度が低いので、信頼性検査
時においてボンディングパッド１４が腐蝕して劣化され
ることを防止する。本発明では、第２金属層が、パッシ
ベーション層と一緒にボンディングパッドの保護層を構
成する。
【００１８】図２（Ａ）は、本発明によるボンディング
窓、ボンディングパッド及びワイヤボールのサイズを比
較するための平面図である。パッシベーション層１６の
内側には第２金属層１８ａが塗布されており、ボンディ
ング窓１９ａは、ボンディングパッドに圧着されるワイ
ヤボール２０のサイズより小さいことがわかる。
【００１９】図２（Ｂ）は、本発明によるボンディング
窓を有するボンディングパッドにワイヤボールを圧着す
る様子を示す概略図である。
【００２０】キャピラリ２７を通過したワイヤ２６の先
端に、上述したようにワイヤボール２０を形成した後、
円形形状のワイヤボール２０をボンディングパッド１４
に載置し、ワイヤボール２０に熱を加えながらキャピラ
リ２７を矢印方向に圧着することによりボンディングパ
ッド１４に取り付ける。この際、第２金属層１８ａにも
接触することになる。したがって、金属配線工程後、ボ
ンディングパッド１４に形成された酸化層が、キャピラ
リ２７に起因する衝撃により破損することがある。しか
し、本発明は、ボンディングパッド１４は露出されてい
ないため、ＰＣＴ等の信頼性検査時においてボンディン
グパッド１４が腐蝕して劣化するのを防止することがで
きる。
【００２１】ＰＣＴ検査時において、腐蝕により発生す
る素子の不良を調査するため、ワイヤボンディング前及
び後にかけて各素子の腐蝕検査を行った。その結果、ワ
イヤボンディング前において、コーティングされた素子
は、コーティングされない素子より腐蝕度が低いことが
わかった。これは、チップコーティング後、高温での硬
化処理の間、アルミニウム表面に厚い酸化層が形成され
るためである。これに対して、ワイヤボンディング後に
おいて、両素子の腐蝕は、ほぼ同一であった。これは、
ワイヤボンディング工程の間、キャピラリにより与えら
れた衝撃によりアルミニウムボンディングパッドに形成
された酸化層が破損するためである。この結果を証明す
るため、ワイヤボンディング後、素子をオブンに入れ、
酸化層を再生した。その結果、素子の腐蝕は、ワイヤボ
ンディング工程前における素子の腐蝕とほぼ同一であっ
た。これは、硬化処理の間、酸化層が再生されたことを
示す。
【００２２】本発明は、かかる事実に基づくものであっ
て、本発明によると、ワイヤボンディング工程の間、酸
化層が破損することを防止するために、アルミニウムボ
ンディングパッドのボンディング窓のサイズをワイヤボ
ールより小さくし、キャピラリによる力をボンディング
窓の周囲に導く。これにより、ワイヤボンディング工程
後でも、アルミニウムボンディングパッドの酸化層が破
損しないので、信頼性検査時において腐蝕により素子が
劣化することを回避することができる。
【００２３】一方、現在の検査基準においては、ワイヤ
ボールがボンディングパッドのボンディング窓からずれ
ると、不良として取り扱われる。したがって、ボンディ
ング窓は、ワイヤボールのサイズより大きく形成しなけ
ればならない。しかし、ワイヤプールテスト結果、１０
０×１００μｍ2 の寸法を有するボンディング窓からワ
イヤボールを約５０％ずれるとしても、ボンディング強
度は良好であった。したがって、本発明によると、ボン
ディング窓のサイズを５０×５０μｍ2 に縮小すること
が可能である。
【００２４】図３（Ａ）は、本発明の他の実施例による
円形形状のボンディング窓を示す平面図であり、図３
（Ｂ）は、図３（Ａ）のボンディング窓を有するボンデ
ィングパッドにワイヤボールを圧着する様子を示す概略
図である。
【００２５】図２及び図３の実施例は、ボンディング窓
の形状において相異する。すなわち、図２は、四角形形
状のボンディング窓を示すが、図３は、円形形状のボン
ディング窓を示す。円形形状のボンディング窓１９ｂ
は、第２金属層１８ｂをパッシベーション層１６上に塗
布し、その後、円形のパターンを有するマスクを用いて
エッチングすることにより形成される。この場合、ワイ
ヤボール２０が第２金属１８ｂに部分的に接触しても、
接触面が一定するため、ボンディング状態は、より安定
したものになる。
【００２６】
【発明の効果】以上説明したように、本発明による半導
体チップは、ワイヤボールより小さいサイズを有するボ
ンディング窓を含み、これにより、ワイヤボンディング
工程後でもボンディングパッドが全然露出されないた
め、ＰＣＴ等の信頼性検査時において半導体チップのボ
ンディングパッドが腐蝕することを防止することができ
る。
【００２７】
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明によるボンディングパッドの製造工程を
示す概略図である。
【００２９】
【図２】（Ａ）は本発明によるボンディング窓、ボンデ
ィングパッド及びワイヤボールのサイズを比較するため
の平面図、（Ｂ）は本発明によるボンディング窓を有す
るボンディングパッドにワイヤボールを圧着する様子を
示す概略図である。
【００３０】
【図３】（Ａ）は本発明の他の実施例による円形形状の
ボンディング窓を示す平面図、（Ｂ）は本発明の他の実
施例によるボンディング窓を有するボンディングパッド
にワイヤボールを圧着する様子を示す概略図である。
【００３１】
【図４】金線を用いたボールボンディング工程により半
導体チップのボンディングパッドにワイヤをボンディン
グする様子を示す概略断面図である。
【００３２】
【符号の説明】
１０ 基板 １２ 表面平坦層 １４ ボンディングパッド １５ 窓 １６ パッシベーション層 １８、１８ａ、１８ｂ 第２金属層 １９、１９ａ、１９ｂ ボンディング窓 ２０ ワイヤボール ２６ ボンディングワイヤ ２９ キャピラリ
フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭63−285939（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−127131（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−153049（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−275442（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−45944（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−217622（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) H01L 21/60 301

Claims (9)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 所定の回路素子が設けられている半導体
    基板と、 該基板の表面に塗布される表面平坦層と、 該表面平坦層上に形成され、前記回路素子と電気的に連
    結されるボンディングパッドと、 前記表面平坦層上に形成され、前記ボンディングパッド
    の一部を露出するための窓を有するパッシベーション層
    と、該パッシベーション層の窓の周縁部に前記パッシベーシ
    ョン層と同一の高さに設けられ、前記ボンディングパッ
    ドのボンディング窓を形成する、前記ボンディングパッ
    ドより腐蝕度が低い第２金属層とを備え、 前記ボンディングパッドに接続されるワイヤは、前記第
    ２金属層を介して前記ボンディングパッドに電気的に接
    続されることが可能である ことを特徴とする半導体チッ
    プ。
  2. 【請求項２】 前記ボンディング窓のサイズは、ワイヤ
    ボンディング工程の間、前記ボンディングパッドに取り
    付けられるワイヤボールのサイズより小さいことを特徴
    とする請求項１記載の半導体チップ。
  3. 【請求項３】 前記ボンディング窓は、円形形状を有す
    ることを特徴とする請求項１又は請求項２の半導体チッ
    プ。
  4. 【請求項４】 前記ボンディング窓は、四角形形状を有
    することを特徴とする請求項１又は請求項２記載の半導
    体チップ。
  5. 【請求項５】 前記ボンディングパッドはアルミニウム
    からなり、前記第２金属層は、前記ボンディングパッド
    より腐蝕度が低いことを特徴とする請求項１又は請求項
    ２記載の半導体チップ。
  6. 【請求項６】 半導体基板に所定の回路素子を形成する
    段階と、 前記基板に表面平坦層を塗布する段階と、 前記表面平坦層上にボンディングパッドを形成する段階
    と、 前記ボンディングパッドが形成された前記表面平坦層上
    にパッシベーション層を塗布する段階と、 前記ボンディングパッドを被覆している前記パッシベー
    ション層をエッチングすることにより窓を形成する段階
    と、 前記窓が形成された前記パッシベーション層に第２金属
    層を塗布する段階と前記窓を取り囲んでいるパッシベー
    ション層と接触する部分のみに第２金属層が残存するよ
    うに前記第２金属層をエッチングすることによりボンデ
    ィング窓を形成する段階とを備えることを特徴とする半
    導体チップの製造方法。
  7. 【請求項７】 前記窓のサイズは、前記ボンディング窓
    のサイズより大きいことを特徴とする請求項６記載の半
    導体チップの製造方法。
  8. 【請求項８】 前記ボンディング窓を形成する段階は、
    前記第２金属層にフォトレジスト層を塗布する段階と、
    前記ボンディング窓と同一のパターンを有するフォトマ
    スクを用いて前記第２金属層を露光、現像する段階と、
    反応性イオンを照射して所定の深さまで垂直方向に第２
    金属層をエッチングする段階とを備えることを特徴とす
    る請求項６記載の半導体チップの製造方法。
  9. 【請求項９】 前記ボンディングパッドは、アルミニウ
    ムとし、前記第２金属層は、前記アルミニウムボンディ
    ングパッドより腐蝕度が低いことを特徴とする請求項６
    記載の半導体チップの製造方法。
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