JP3893340B2 - 半導体素子の製造方法 - Google Patents

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体素子に関し、より具体的には、アルミニウム含有ボンディングパッドのワイヤボンディング強度を向上させた半導体素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体素子は、ワイヤボンディングを行なう部分であるボンディングパッドの材料として、アルミニウムを含有するものが用いられている。アルミニウム含有材料を用いるのは、ワイヤボンディングを行なう際に半導体素子の位置を容易に認識することができるようにするためである。
【０００３】
半導体素子のワイヤボンディング側のボンディングパッドは、エピタキシャル成長等により形成された素子そのものの材料との密着性を考慮した金属材料を多層形成し、その後表面となる最上部にはアルミニウム層が形成されるのが通常である（たとえば、特許文献１参照。）。また、ワイヤボンディング側と反対に位置するダイボンディング側には金合金材料を用いるのが通常である。
【０００４】
ボンディングパッド材料は、各素子構造の前状態であるウエハ状態でスパッタ方式等によって形成される。その後、素子毎のボンディングパッドパターンを形成し、熱処理される。次に、熱処理された該ウエハは、ダイシングによって各素子に分割され、発光素子となる。この様にして作成される従来の半導体発光素子の素子構造の概略図を図５に示す。その後、この発光素子を所定の場所に銀ペーストを接着剤に用いて電極４側をダイボンドし、その後アルミニウム含有ボンディングパッド１側に金ワイヤにてワイヤボンディングを行ない、さらに樹脂被覆を行ない発光ダイオード（ＬＥＤ）が組み立てられる（たとえば、特許文献２参照。）。
【０００５】
【特許文献１】
特開平０４−６３４８０号公報
【０００６】
【特許文献２】
特開平０９−１０２６３２号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、アルミニウム含有ボンディングパッドと金ワイヤとの接着力が弱く、アルミニウム含有ボンディングパッドとボンディングされた金ワイヤが、樹脂被覆してＬＥＤを組み立てる際にしばしば剥がれるという問題が発生している。かかる問題は、生産歩留まりのみならず生産効率をも低下させる。
【０００８】
また、アルミニウム含有ボンディングパッドとボンディングされた金ワイヤが、ＬＥＤ形成工程の際には接着していても使用の際に剥がれるという問題が発生している。かかる問題は、製品寿命の短縮化のみならず製品の信頼性をも損なう。
【０００９】
本発明は、上記問題点を解消するため、アルミニウム含有ボンディングパッドと金ワイヤとのボンディング強度が大きい半導体素子およびその製造方法を提供することを目的とする。ここで、ボンディング強度とは、アルミニウム含有ボンディングパッドと金ワイヤ先端部にある金ボールとの接着力をいう。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明は、半導体素子のアルミニウム含有ボンディングパッドの表面が粗面であることを特徴とする半導体素子である。ここで、アルミニウム含有ボンディングパッドの表面が、０．１μｍ〜０．５μｍの凹凸高低差を有することが好ましく、アルミニウム含有ボンディングパッドに金ワイヤを接着させる構造を有していることが好ましい。
【００１１】
本発明は、上記ワイヤ剥がれの原因を詳細に検討して、その原因がアルミニウム含有ボンディングパッドの表面が平滑面であることに由来することを見出したことによってなされたものである。
【００１２】
また、本発明にかかる半導体素子の製造方法としては、アルミニウム含有ボンディングパッドを、一水素二フッ化アンモニウム含有量が６．０質量％〜７．４質量％のフッ素系エッチング剤を用いて２３℃〜２７℃で２分間以上３分間以下エッチングする工程を含むこと、または、アルミニウム含有ボンディングパッドの粗面化をボンディングパッド形状にパターン化する前に行なうことが好ましい。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明にかかる半導体素子の素子構造の概略図を図１に示す。本発明にかかる半導体素子は、半導体素子のアルミニウム含有ボンディングパッド２の表面が粗面であることを特徴とする。粗面とすることにより、ボンディング強度を低下の原因となるアルミニウム含有ボンディングパッドと金ワイヤとの接着面でのすべりをなくすことができるからである。ここで、粗面とは表面の凹凸高低差が０．１μｍ以上のものをいい、平滑面とは表面の凹凸高低差が０．１μｍ未満のものをいう。また、アルミニウム含有ボンディングパッドとは、それが単層で構成されているか二層以上の多層で構成されているかを問わず、ワイヤボンディングされる表面層にアルミニウムを含有するボンディングパッドをいう。
【００１４】
また、本発明にかかる半導体素子のアルミニウム含有ボンディングパッドの断面概略図を図２に示す。図２に示すように、表面の凹凸高低差Ｈとは凸部最上部Ｐ１と隣接する凹部最下部Ｐ２との間の高さ方向の距離をいい、凹凸幅Ｗとは凸部最上部Ｐ１と隣接する凹部最下部Ｐ２との間の水平方向の距離をいう。
【００１５】
本発明にかかる半導体素子の表面が粗面であるアルミニウム含有ボンディングパッド２表面の凹凸高低差Ｈは０．１μｍ〜０．５μｍであることが好ましい。凹凸高低差Ｈが０．１μｍ未満であると接着面でのすべりが起こる可能性があり、０．５μｍを超えるとアルミニウム含有ボンディングパッドを薄層化する場合にワイヤボンド時のボンディング衝撃を緩和できず半導体素子本体を破壊する可能性があるからである。
【００１６】
また、表面が粗面であるアルミニウム含有ボンディングパッド２表面の凹凸幅Ｗは、５μｍ〜２０μｍであることが好ましい。凹凸幅Ｗが５μｍ未満であると凹凸幅が狭くなり、２０μｍを超えると凹凸数が減少し、いずれの場合も凹凸によるアンカー効果が減少するからである。
【００１７】
半導体素子のアルミニウム含有ボンディングパッドに金ワイヤを接着させる構造を有するとは、金ワイヤを接着させるための直径１２０μｍ以上のアルミニウム含有ボンディングパッドを有することをいい、パッドが設けられる位置、形状は問わない。
【００１８】
本発明にかかる半導体素子の製造方法は、図１に示すような半導体素子本体部３に表面が粗面であるアルミニウム含有ボンディングパッド２と電極４を設けることができる方法であれば特に制限はなく、通常の方法を用いることもできる。
【００１９】
本発明にかかる半導体素子を製造方法において、アルミニウム含有ボンディングパッドの表面を粗面化するためにアルミニウム含有ボンディングパッドをフッ素系エッチング剤を用いてエッチングする工程が含まれていることが好ましい。エッチング剤によるエッチングは、エッチング速度の制御が容易で所望の凹凸高低差を容易に実現できるからである。また、フッ素系エッチング剤は、素子本体に用いられるＧａＡｌＡｓ等に比べアルミニウムを容易にエッチングするため、選択的なエッチングができるからである。ここで、フッ素系エッチング剤とは、たとえば、一水素二フッ化アンモニウムを含有するエッチング剤をいい、フッ酸およびフッ化アンモニウム等を混合して調製することができる。
【００２０】
アルミニウム含有ボンディングパッドをフッ素系エッチング剤を用いてエッチングする場合は、一水素二フッ化アンモニウム含有量が６．０質量％〜７．４質量％のフッ素系エッチング剤を用いて、２３℃〜２７℃で２分間以上３分間以下エッチングするのが好ましい。一水素二フッ化アンモニウム含有量が６．０質量％未満またはエッチング処理温度が２３℃未満であるとエッチング速度が遅くなり生産効率が低下し、一水素二フッ化アンモニウム含有量が７．４質量％を超えるまたはエッチング処理温度が２７℃を超えるとエッチング速度が速くなりすぎてアルミニウム含有ボンディングパッド表面の凹凸高低差の調節が難しくなるからである。また、エッチング処理時間が２分間未満であると０．１μｍ以上の凹凸を形成することが困難であり、３分間を超えるとエッチングの均一化により凹凸形状が崩れていくからである。
【００２１】
また、上記のようなアルミニウム含有ボンディングパッド表面の粗面化をボンディング形状にパターン化する前に行なうことが好ましい。ボンディング形状にパターン化、熱処理した後では、アルミニウム含有ボンディングパッドが緻密化されているため所望の凹凸を形成することが困難になるからである。
【００２２】
図３は、本発明にかかる半導体素子の製造方法の一実施形態を示す工程図である。図３（ａ）に示すように、ｐ型ＧａＡｓ基板３ａを最下層とし、その上にｐ型Ｇａ0.3Ａｌ0.7Ａｓ層３ｂを、さらにその上にｐ型Ｇａ0.65Ａｌ0.35Ａｓ層３ｃを、さらにその上にｎ型Ｇａ0.3Ａｌ0.7Ａｓ層３ｄの３層（３層の総厚みは１５０μｍ）をエピタキシャル成長により形成した後、ｐ型ＧａＡｓ基板３ａの一部をウェットエッチングにより除去して、全体の総厚みが２８０μｍの多層ウエハを得た。かかる多層ウエハが、後工程において半導体本体部３を構成する。また、上記エピタキシャル成長は、液相にて最高温度９３０℃からの除冷法により形成した。
【００２３】
次いで、図３（ｂ）に示すように、上記ウエハのワイヤボンディング側となるｎ型Ｇａ0.3Ａｌ0.7Ａｓ層３ｄの上に金合金層１ａ、窒化チタン層１ｂの多層金属層を形成し、その上に最上部層としてアルミニウム層１ｃをスパッタ方式によって形成することにより、上記ウエハ上に表面が平滑面であるアルミニウム含有ボンディングパッド１を形成した。
【００２４】
次いで、図３（ｃ）に示すように、フッ素系エッチング剤であるバッファードフッ酸（キシダ化学社製、一水素二フッ化アンモニウム含有量１３．４質量％）を純水にて２倍に希釈した後、このエッチング剤を用いて、最上部のアルミニウム層１ｃをエッチングすることにより、表面が粗面であるアルミニウム含有ボンディングパッド２を形成した。エッチング条件は、温度２５℃において１分間、２分間、３分間、４分間の４水準として、エッチングを実施した。このときの、エッチング時間と表面凹凸高低差との関係を表１に示す。表１に示すように、エッチング時間を２分間以上３分間以下とすると、表面の凹凸高低差を０．１μｍ〜０．５μｍとすることができた。
【００２５】
【表１】
Figure 0003893340
【００２６】
次いで、図３（ｄ）に示すように、通常のフォトエッチング法によって上記ウエハ上の多層ボンディングパッドを所定の形状にパターン化した後、４５０℃の窒素雰囲気中で３０分間熱処理してボンディングパッドにオーム性接触を付与した。
【００２７】
次いで、図３（ｅ）に示すように、上記ウエハのダイボンド側であるｐ型ＧａＡｓ基板３ａの上にスパッタ法により電極４として金合金層４ａを形成し、４５０℃の窒素雰囲気中で３０分間熱処理して金合金層にオーム性接触を付与した。
【００２８】
次いで、図３（ｆ）に示すように、上記ウエハをダイシングにより個々の半導体素子に分割して半導体素子本体部３にｎ型Ｇａ0.3Ａｌ0.7Ａｓ層／ｐ型Ｇａ0.65Ａｌ0.35Ａｓ層／ｐ型Ｇａ0.3Ａｌ0.7Ａｓ層／ｐ型ＧａＡｓ基板構造を有する半導体素子を得た。
【００２９】
この様にして得られた半導体素子を、金合金層４ａの電極４にリードフレームに銀系ペーストを用いてダイボンディングを行ない、アルミニウム含有ボンディングパッドに直径２５μｍの金ワイヤ先端部の金ボールをワイヤボンディングさせた。このとき、金ワイヤ先端部の金ボールとアルミニウム含有ボンディングパッドの接着面積は約７．８×１０-3ｍｍ2であった。
【００３０】
上記ワイヤボンディング完了後、ワイヤボンディング強度を測定した。ここで、ワイヤボンディング強度は、アルミニウム含有ボンディングパッド表面と接着している金ボールに荷重を掛けて、半導体素子表面に対して水平に押し外す力を金ボールに掛けた荷重（ｍＮ）で代用し、これをボール押し強度と定義する。図４に、表面凹凸高低差とボール押し強度との関係を示した。図４に示すように、アルミニウム含有ボンディングパッド表面の凹凸高低差が０．１μｍ〜０．５μｍの粗面の場合は、表面が平滑面の場合に比べ、１．５倍〜１．７５倍のワイヤボンディング強度を有していた。
【００３１】
ワイヤボンディングが完了した上記半導体素子にさらに樹脂被覆を施すことにより発光素子となる半導体素子ができる。
【００３２】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した説明でなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内のすべての変更が含まれることが意図される。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明にかかる半導体素子の素子構造の概略図である。
【図２】 本発明にかかる半導体素子のアルミニウム含有ボンディングパッドの断面概略図である。
【図３】 本発明にかかる半導体素子の製造方法の一実施形態を示す工程図である。
【図４】 表面凹凸高低差とボール押し強度との関係を示す図である。
【図５】 従来の半導体発光素子の素子構造の概略図である。
【符号の説明】
１ 表面が平滑面であるアルミニウム含有ボンディングパッド、１ａ，４ａ 金合金層、１ｂ 窒化チタン層、１ｃ アルミニウム層、２ 表面が粗面であるアルミニウム含有ボンディングパッド、３ 半導体素子本体部、３ａ ｐ型ＧａＡｓ基板、３ｂ ｐ型Ｇａ0.3Ａｌ0.7Ａｓ層、３ｃ ｐ型Ｇａ0.65Ａｌ0.35Ａｓ層、３ｄ ｎ型Ｇａ0.3Ａｌ0.7Ａｓ層、４ 電極、５ ダイシング溝。

Claims (2)

  1. 半導体素子のアルミニウム含有ボンディングパッドを、一水素二フッ化アンモニウム含有量が６．０質量％〜７．４質量％のフッ素系エッチング剤を用いて、２３℃〜２７℃で２分間以上３分間以下エッチングする工程を含む半導体素子の製造方法。
  2. 前記エッチングする工程をボンディングパッド形状にパターン化する前に行なうことを特徴とする請求項１に記載の半導体素子の製造方法。
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