JP3451740B2 - 半導体デバイスとその製造方法 - Google Patents

半導体デバイスとその製造方法

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、シリコン（Ｓｉ）基板
等の半導体基板をベースに構成された半導体デバイスの
電極構造とその電極形成方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】一般に、ワイヤボンディング技術ではパ
ッドピッチ縮小化の技術開発が重要なテーマとなってい
る。これはＡｌ（アルミ）細線化技術の発展に伴い、半
導体機能部の面積、つまり回路形成領域が小さくなり、
チップサイズを決定する因子がパッドピッチになりつつ
あるためである。チップサイズが小さくなれば１ウエハ
の収率が増加してコストダウンにつながる。そこで、パ
ッドピッチを小さくするには、ワイヤボンディング時の
ボール潰れ径を小さくすることが重要であり、現在、１
２０〜１３０μｍのパッドピッチでは、ボール潰れ径を
おおむね９０μｍにしているが、さらに縮小するにはボ
ール潰れ径をより小さくしなければならない。
【０００３】ところが、ボール潰れ径を小さくしようと
すると、金属間（例えばＡｕ「金」−Ａｌ「アルミニウ
ム」間）の合金形成が不安定になり、接合不良となる場
合も出てくる。また、下地へのダメージも大きくなるた
め、クレータリング等下地へのクラックによるボール剥
がれも多発する。この対策としては、特開平５−３２２
０号公報に記載されているように、薄膜の電極表面に凹
凸を形成し、その上に金線等のボンディングワイヤを接
続して下地へのダメージを抑えるようにした電極構造も
提案されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記公
報に記載された電極構造では、エンチングによって電極
表面に凹凸を形成するため、電極層が薄膜であるがゆえ
に、オーバーエッチングによってＡｌが無くなってしま
う虞れがあるうえ、エッチング量によって凹凸寸法にバ
ラツキが生じるなど、製造管理がきわめて難しいという
問題があった。また、ワイヤボンディングの際には、電
極表面の凸部のエッジ部分に加えて凹部の隅にもボンィ
ング荷重による応力が集中するため、そこを起点にクラ
ックが発生し、ボール剥がれの原因となる。さらに、電
極表面に凹凸を形成する場合、レジストパターンにより
マスクして電極層をエッチングするため、有機物等の付
着によって電極表面が汚れてしまい、金属間の合金形成
が阻害されてしまうなどの不都合もあった。
【０００５】本発明は、上記問題を解決するためになさ
れたもので、製造管理が容易でしかも信頼性に優れた半
導体デバイスの電極構造とその電極形成方法を提供する
ことを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】本発明は、上記目的を達
成するためになされたもので、半導体基板上の回路形成
領域の周辺に複数の電極部を有し、電極部の各々にボン
ディングワイヤが接続される半導体デバイスであり、個
々の電極部が、半導体基板上の電極形成領域に絶縁層を
介して形成された複数の下地凸部と、これら複数の下地
凸部の上に積層されるとともに、表面が平坦に形成さ
れ、かつ下地凸部よりも硬度の低い中間層と、この中間
層の上に積層されるとともに、表面が平坦に形成された
電極層とによって構成されている。
【０００７】
【作用】本発明においては、半導体基板上の電極形成領
域に絶縁層を介して複数の下地凸部を形成し、その上に
表面が平坦でかつ下地凸部よりも硬度の低い中間層を積
層し、さらにその上に表面が平坦な電極層を積層した電
極構造となっている。そのため、ワイヤボンディングで
ワイヤ先端に形成したボールを電極層の表面に押し付け
たときに、下地凸部よりも硬度の低い中間層に凹みが生
じ、これによって電極層の表面に凹凸が形成される。し
たがって、ボールにミクロ的な塑性変形が起こる。ま
た、電極部の表面が平坦に形成されているため、ワイヤ
ボンディングに際して電極部の画像を光学カメラで取り
込むときに電極表面で光の乱反射が起こらない。
【０００８】
【実施例】以下、本発明の実施例について図面を参照し
ながら詳細に説明する。図１は本発明に係わる半導体デ
バイスの電極構造の第１実施例を説明する要部断面図で
ある。ここで本実施例に係わる半導体デバイスは、その
半導体基板上の回路形成領域の周辺に複数の電極部を有
するもので、図１ではその中の一つが要部断面として示
されている。
【０００９】図１に示す電極構造において、１は例えば
Ｓｉ基板からなる半導体基板であり、この半導体基板１
の一方の面（図例では上面）には例えば熱Ｓｉ酸化膜か
らなる絶縁層２が形成されている。また、絶縁層２の表
面には所定の配列ピッチで例えば化学気相成長によるＳ
ｉＯ2 あるいはスパッタリングによる金属材料（Ａｌ
等）からなる複数の下地凸部３ａが形成されている。さ
らに、これら下地凸部３ａの上には例えばＡｌ−Ｓｉ１
％などの電極材料からなる電極層４が積層されており、
この電極層４によって下地凸部３ａが覆われている。
【００１０】続いて、本第１実施例における半導体デバ
イスの電極形成方法について図２を参照しながら説明す
る。先ず、図２（ａ）に示すように、Ｓｉ基板からなる
半導体基板１上に熱Ｓｉ酸化膜からなる絶縁層２を形成
したのち、半導体基板１上の電極形成領域（一つの電極
部が形成される区間領域）に上記絶縁層２を介して例え
ば気相成長によるＳｉＯ2 膜を作成して下地層３を形成
する。
【００１１】次いで、下地層３の表面にフォトレジスト
を塗布してフォトエッチング法によりマトリックス状あ
るいはグリッド状のマスクパターンを形成する。その
後、フッ酸等のエッチング液を用いて下地層３の所定箇
所を化学的腐食作用により完全に除去したのち、下地層
３の表面からフォトレジストを剥離する。これにより、
図２（ｂ）に示すように、半導体基板１上の電極形成領
域に絶縁層２を介して複数の下地凸部３ａが形成され
る。
【００１２】続いて、半導体基板１の電極形成領域に例
えばＡｌ−Ｓｉ１％からなる電極材料をスパッタリング
により付着させることにより、絶縁層２の表面にＡｌ−
Ｓｉ１％からなる電極材料を堆積させて、先に形成した
複数の下地凸部３ａを電極層４にて覆うようにする。こ
れにより、図１に示した半導体デバイスの電極構造が得
られる。
【００１３】このように本第１実施例の電極構造におい
ては、電極部の下地部分に複数の下地凸部３ａを形成
し、その上に電極層４を積層した構成となっているた
め、下地部分の凹凸によって電極層４の表面にも同様の
凹凸部分が形成される。従来では、電極表面を部分的に
エッチングすることにより凹凸を形成していたため、電
極表面における凹部の隅が角張って形成されていたが、
本第１実施例の電極構造では、複数の下地凸部３を電極
層４で覆うことにより電極表面に凹凸を形成するように
したので、図１に示すごとく電極表面における凹部の隅
４ａが丸みをもって形成される。
【００１４】ところで、ワイヤボンディングに際して
は、図３（ａ）に示すように、ワイヤ先端に形成したボ
ール５を電極層４の表面に所定のボンディング荷重Ｆを
もって押し付けながら、図３（ｂ）に示すように、超音
波振動を加えつつボンディングツール（キャリラリ等）
６の先端部でボール５を押し潰し、電極層４とボール５
の合金形成によりボンディングワイヤ７の一端を電極部
に圧着する。その際、従来技術と同様にボール５にミク
ロ的な塑性変形が起こり、より小さなボンディング荷重
Ｆ（より小さなボール潰れ径）をもって電極部にダメー
ジを与えることなく十分な接合強度を得ることができ
る。また、ボンィング荷重Ｆによる応力が、電極表面の
凸部のエッジ部分とともに凹部の隅４ａにも集中するこ
とになるが、本第１実施例では上述のごとく凹部の隅４
ａが丸みをもって形成されているため、従来に比較して
凹部の隅４ａへの応力集中を緩和することができ、これ
に起因した電極部のクラック発生を抑えることが可能で
ある。
【００１５】さらに、本第１実施例の電極形成方法にお
いては、半導体基板１上に複数の下地凸部３ａを形成す
るにあたり、下地層３の所定箇所を完全にエッチングし
て下地凸部３ａを形成するため、従来のように電極表面
を所定の深さでエッチングする（完全にエッチングしな
い）場合に比較して、エッチング量による凹凸寸法のバ
ラツキやオーバーエッチングによる電極層の欠落不良が
生じことがなく、製造管理が非常に容易である。また、
電極形成領域に電極材料を付着させることで電極層４の
表面に凹凸が形成されるため、電極表面が高い清浄度を
もって形成される。したがって、従来技術のようにレジ
ストパターンによって電極表面が汚れてしまうことがな
く、金属間の合金形成が阻害されるといった不都合は解
消される。
【００１６】図４は本発明に係わる半導体デバイスの電
極構造の第２実施例を説明する要部断面図である。図２
に示す電極構造において、１１は例えばＳｉ基板からな
る半導体基板であり、この半導体基板１１の一方の面
（図例では上面）には例えば熱Ｓｉ酸化膜からなる絶縁
層１２が形成されている。また、絶縁層２の表面には所
定の配列ピッチで例えば化学気相成長によるＳｉＯ2 あ
るいはスパッタリングによる金属材料（Ａｌ等）からな
る複数の下地凸部１３ａが形成されている。さらに、こ
れら下地凸部３ａの上には例えばＢＰＳＧ（ｂｏｒｏｐ
ｈｏｓｐｈｏｓｉｌｉｃａｔｅ−ｇｌａｓｓ）やＰＳＧ
（ｐｈｏｓｐｈｏｓｉｌｉｃａｔｅ−ｇｌａｓｓ）とい
った粘性を有する層間材料からなる中間層１４が積層さ
れており、この中間層１４によって下地凸部１３ａが覆
われている。そして、中間層１４の表面には例えばＡｌ
−Ｓｉ１％などの電極材料からなる電極層１５が積層さ
れている。
【００１７】続いて、本第２実施例における半導体デバ
イスの電極形成方法について図５を参照しながら説明す
る。先ず、図５（ａ）に示すように、Ｓｉ基板からなる
半導体基板１１上に熱Ｓｉ酸化膜からなる絶縁層１２を
形成したのち、上記第１実施例と同様に、気相成長によ
るＳｉＯ2 膜にて下地凸部１３ａのベースとなる下地層
を形成し、さらに下地層の所定箇所をエッチングによっ
て除去することにより、半導体基板１１の電極形成領域
に絶縁層１２を介して複数の下地凸部１３ａを形成す
る。
【００１８】次いで、図５（ｂ）に示すように、予め熱
処理によって適度な粘性をもたせた層間材料（例えばＢ
ＰＳＧ、ＰＳＧ等）を半導体基板１１の電極形成領域に
流し込んだのち、その層間材料を硬化させて中間層１４
を形成する。このとき、絶縁層１２の上に形成されてい
る複数の下地凸部１３ａは中間層１４によって覆われた
状態となり、この状態で中間層１４の表面には下地凸部
１３ａに対応した凹凸が形成される。
【００１９】続いて、半導体基板１１の電極形成領域に
例えばＡｌ−Ｓｉ１％などの電極材料をスパッタリング
により付着させることによって、中間層１４の表面に電
極層１５を積層させる。このとき、電極材料は中間層１
４の表面に均一に堆積するため、電極層１５の表面にも
中間層１４と同様の凹凸が形成される。これにより、図
４に示した半導体デバイスの電極構造が得られる。
【００２０】このように本第２実施例の電極構造におい
ては、電極部の下地部分に複数の下地凸部１３ａを形成
し、その上に中間層１４を介して電極層１５を積層した
構成となっているため、中間層１４を形成する層間材料
の粘性を適宜調整することにより、電極層１５の表面に
上記複数の下地凸部１３ａに対応した滑らかな凹凸を形
成することができる。したがって、ワイヤボンディング
に際しては、ボンディング荷重による電極層１５での応
力集中を極力回避できるようになるため、応力集中に起
因した電極部のクラック発生をより確実に防止すること
が可能となる。
【００２１】また、図６に示すように、ワイヤ先端に形
成したボール１６を電極層１５の表面に所定のボンディ
ング荷重Ｆをもって押し付けた場合、電極表面の凹凸部
分の頂点１５ａにボール１６の表面が局部的に接触する
ことになるため、そこを起点に金属間での拡散が起こり
やすくなる。これにより、電極層１５とボール１６の合
金形成が促進されるため、電極表面に対するボンディン
グワイヤの接合性が著しく向上する。
【００２２】ところで、上述のごとく電極層の表面に凹
凸が形成されていると、ワイヤボンディングに際して電
極部の画像を光学カメラにて取り込むときに、電極表面
に照射された光が凹凸部分で乱反射してしまい、光学カ
メラにて取り込んだ電極画像が不鮮明になることも懸念
される。そこで、そうした懸念を解消すべく以下に本発
明の第３実施例を説明する。
【００２３】図７は本発明に係わる半導体デバイスの電
極構造の第３実施例を説明する要部断面図である。図７
に示す電極構造においては、上記第２実施例と同様に、
半導体基板２１上に絶縁層２２を介して複数の下地凸部
２３ａが形成されており、その上に中間層２４と電極層
２５とが順に積層された構成になっている。そして、特
に構造上の特徴部分として、先の図４に示した第２実施
例の場合は電極層１５の表面に凹凸が形成されていた
が、本第３実施例の場合は電極層２５の表面が平坦に形
成されている。
【００２４】ここで、本第３実施例における半導体デバ
イスの電極形成方法を説明する。先ず、上記第２実施例
と同様に、半導体基板２１上に絶縁層２２を介して複数
の下地凸部２３ａを形成する。次いで、半導体基板２１
の電極形成領域に粘性を有する層間材料を流し込んだの
ち、その層間材料を熱処理により溶融し、さらに溶融し
た層間材料を硬化させて下地凸部２３ａよりも硬度の低
い中間層２４を形成する。
【００２５】このとき、半導体基板２１の電極形成領域
に層間材料を流し込んだだけでは、材料自体の粘性によ
って上記第２実施例のごとく中間層２４の表面に下地凸
部２３ａに対応した凹凸が形成されることになる。しか
しながら本第３実施例のように、電極形成領域に流し込
んだ層間材料を熱処理によって溶融すると、層間材料の
粘性が失われて表面が滑らかになるため、中間層２４の
表面は平坦に形成されることになる。
【００２６】最後は、上記第２実施例と同様に、半導体
基板２１の電極形成領域に例えばＡｌ−Ｓｉ１％などの
電極材料をスパッタリングにより付着させることによっ
て、中間層２４の表面に電極層１５を積層させる。この
とき、電極材料は中間層２４の表面に均一に堆積するた
め、電極層２５の表面は中間層２４と同様に平坦に形成
される。これにより、図７に示す半導体デバイスの電極
構造が得られる。
【００２７】このように本第３実施例の電極構造におい
ては、電極部２５の表面が平坦に形成されているため、
ワイヤボンディングに際して電極部の画像を光学カメラ
にて取り込むときに、電極表面で光の乱反射が起こら
ず、鮮明な電極画像を得ることができる。さらに、見か
け上は電極層２５の表面が平坦に形成されているが、図
８に示すように、ワイヤ先端に形成したボール２６を電
極層２５の表面に所定のボンディング荷重Ｆをもって押
し付けることにより、下地凸部２３よりも硬度の低い中
間層２４に凹みが生じ、これによって電極層２５の表面
に凹凸が形成される。したがって、ボール２６を圧着し
たときに形成される電極表面の凹凸によって上記第１及
び第２実施例と同様にボール（金ボール）２６にミクロ
的な塑性変形が起こり、より小さなボンディング荷重Ｆ
（より小さなボール潰れ径）をもって電極部にダメージ
を与えることなく十分な接合強度を得ることができる。
【００２８】図９は実施例における下地凸部の配置形態
を示す平面図である。先ず、図９（ａ）においては、半
導体基板の電極形成領域Ｓに対して複数の下地凸部３ａ
がマトリックス状に配置されている。これに対して図９
（ｂ）では、半導体基板の電極形成領域Ｓに対して複数
の下地凸部３ａがグリッド状に配置されている。一方、
図９（ｃ）においては、上記（ａ）と同様に半導体基板
の電極形成領域Ｓに対して複数の下地凸部３ａがマトリ
ックス状に配置されているが、個々の下地凸部３ａの形
状が異なっている。すなわち、図９（ａ），（ｂ）では
下地凸部３ａがいずれも角柱状に形成されているが、図
９（ｃ）では下地凸部３ａが円柱状に形成されている。
なお、上述した下地凸部３ａの配置形態は一例として挙
げたものであり、それ以外にも種々の配置形態が考えら
れることは言うまでもない。
【００２９】
【発明の効果】以上、説明したように本発明によれば、
半導体基板上の電極形成領域に絶縁層を介して複数の下
地凸部を形成し、その上に表面が平坦でかつ下地凸部よ
りも硬度の低い中間層を積層し、さらにその上に表面が
平坦な電極層を積層した電極構造を採用している。その
ため、ワイヤボンディングでワイヤ先端に形成したボー
ルを電極層の表面に押し付けたときに、下地凸部よりも
硬度の低い中間層に凹みが生じ、これによって電極層の
表面に凹凸が形成される。したがって、ワイヤボンディ
ングに際しては、より小さなボンディング荷重をもって
電極部にダメージを与えることなく十分な接合強度が得
られるため、パッドピッチの縮小化を図ることができ
る。また、電極部の表面が平坦に形成されているため、
ワイヤボンディングに際して電極部の画像を光学カメラ
で取り込むときに電極表面で光の乱反射が起こらず、鮮
明な電極画像を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係わる半導体デバイスの電極構造の第
１実施例を説明する要部断面図である。
【図２】第１実施例における半導体デバイスの電極形成
方法を説明する図である。
【図３】第１実施例におけるボール圧着状態を説明する
図である。
【図４】本発明に係わる半導体デバイスの電極構造の第
２実施例を説明する要部断面図である。
【図５】第２実施例における半導体デバイスの電極形成
方法を説明する図である。
【図６】第２実施例におけるボール圧着状態を説明する
図である。
【図７】本発明に係わる半導体デバイスの電極構造の第
３実施例を説明する要部断面図である。
【図８】第３実施例におけるボール圧着状態を説明する
図である。
【図９】実施例における下地凸部の配置形態を示す平面
図である。
【符号の説明】
１，１１，２１ 半導体基板 ２，１２，２２ 絶縁層 ３ａ，１３ａ，２３ａ 下地凸部 ４，１５，２５ 電極層 １４，２４ 中間層
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01L 21/60 H01L 21/3205

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 半導体基板上の回路形成領域の周辺に複
    数の電極部を有し、前記電極部の各々にボンディングワ
    イヤが接続される半導体デバイスであって、 前記電極部は、前記半導体基板上の電極形成領域に絶縁
    層を介して形成された複数の下地凸部と、前記複数の下
    地凸部の上に積層されるとともに、表面が平坦に形成さ
    れ、かつ前記下地凸部よりも硬度の低い中間層と、前記
    中間層の上に積層されるとともに、表面が平坦に形成さ
    れた電極層とによって構成されていることを特徴とする
    半導体デバイス。
  2. 【請求項２】 先ず、半導体基板上の電極形成領域に絶
    縁層を介して複数の下地凸部を形成し、 次いで、前記電極形成領域に粘性を有する層間材料を流
    し込んだのち、前記層間材料を熱処理により溶融して表
    面を平坦にし、かつ前記溶融した層間材料を硬化させて
    前記下地凸部よりも硬度の低い前記中間層を形成し、 続いて、前記中間層の表面に前記電極層を積層させる こ
    とを特徴とする半導体デバイスの製造方法。
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