JP4739680B2 - 半導体装置の製造方法及び半導体装置 - Google Patents

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Description

本発明は、半導体ベアチップを搭載した半導体装置の製造方法及び半導体装置に関する。
従来、半導体ベアチップを搭載し、半導体ベアチップに設けられた電極と外部からこの半導体ベアチップに電力を供給したり外部との信号の授受を行うために外部に導出された電極とをボンディングワイヤを介して接続して電気的導通を図るようにするための回路基板には、一例としてガラスエポキシプリント回路基板がある。
ガラスエポキシプリント回路基板は、ガラスエポキシを基材とする基板の全面に銅箔を形成したガラスエポキシプリント基板の銅箔の不用な部分をエッチングで取り除いて回路パターンを残し、残った回路パターンの銅箔の上にニッケル層、更にニッケル層の上に置換型メッキ法、無電解還元型メッキ法および電解メッキ法などの手法で金層を形成した多層構造の回路導体を形成したものである。
上記構成のガラスエポキシプリント回路基板に半導体ベアチップを搭載して半導体装置を完成するまでのプロセスは、まずガラスエポキシプリント回路基板に接着剤を塗布し、その上に半導体ベアチップを搭載（ダイボンディング）して仮固定した後に加熱炉で接着剤を加熱硬化させて本固定する。そして半導体ベアチップに設けられた電極と回路導体とをボンディングワイヤで接続（ワイヤボンディング）して電気的導通を図る。更に半導体ベアチップを水分、塵埃およびガス等の外部環境から保護し、且つワイヤを振動、衝撃等の機械的応力から保護するために樹脂で封止して完了する。
ところで、このような半導体装置の製造プロセスにおいて、半導体ベアチップをガラスエポキシプリント回路基板に固定する接着剤の加熱硬化の工程で以下に述べるような問題が生じることが明らかになっている。それは、ガラスエポキシプリント回路基板の回路導体を形成する多層構造に起因するもので、接着剤の加熱硬化時に加えられる熱によってニッケル層の表層部からニッケルが離脱してその上層の金層内に拡散し、ニッケル化合物（主として水酸化ニッケル）の形態となって金層の表面（大気に露出した部分）に析出されるものである。
このような状態の金層の表面にワイヤボンディングを施すと、ボンディングワイヤと金層との間にニッケル化合物が介在して両者の接合を阻害し、接合強度の弱いものとなってしまう。
そこで、解決策として金層の厚みを厚くすることによって金層内に拡散したニッケル化合物が金層の表面まで到達するのを阻止することが考えられるが、この手法には金が高価であるために金層を厚くすることによって製品コストが上昇するという欠点がある。
そのため、金層の厚みを厚くすることなくワイヤボンディングによる十分な接合強度を確保する方法として、金層の表層部を薄く除去して水酸化ニッケル成分を取り除く方法が提案されている。具体的には、接着剤の加熱硬化の工程とワイヤボンディング工程との間にアルゴンプラズマによるエッチング工程を設け、金層の表面に析出した水酸化ニッケル成分をエッチングで取り除いて純度の高い金層の表面が露出したガラスエポキシプリント回路基板を後工程のワイヤボンディング工程に送るようにしたものである（例えば、特許文献１参照。）。
特許第２７８３１３３号公報
上述したように、金層の表面に析出した水酸化ニッケル成分を除去するためのスパッタリング工程は半導体ベアチップのダイボンディング工程の後工程であるため、ガラスエポキシプリント回路基板は半導体ベアチップが搭載された状態で投入される。そこで、ガラスエポキシ回路基板の回路導体を構成する金層の表面に析出した水酸化ニッケル成分を取り除くために行われるアルゴンプラズマによるエッチング洗浄処理によって、ガラスエポキシプリント回路基板に搭載されたＧａＡｓ等の静電気に弱い、或いは機械的に半導体ベアチップがストレス或いは損傷を受ける場合が多々ある。
そこで、本発明は上記問題に鑑みて創案なされたもので、プリント回路基板に搭載された半導体ベアチップにストレス或いは損傷を与えない方法によってプリント回路基板の回路導体に対するボンディングワイヤの十分な接合力を確保すると共に、半導体ベアチップとボンディングワイヤとを外部環境から保護するための樹脂封止においてプリント回路基板の回路導体と封止樹脂との間の十分な密着力を確保することができるような半導体装置の製造方法を実現するものである。
上記課題を解決するために、本発明の請求項１に記載された発明は、最下層の導体上に中間層のニッケル層が形成され、更に該ニッケル層の上に最上層の金層が形成された多層メッキの回路導体を有するプリント基板の前記金層の表面にチオール処理膜を形成するチオール処理工程と、前記チオール処理膜が形成された回路導体上に接着剤を介して半導体ベアチップを搭載するダイボンディング工程と、前記チオール処理膜が形成された回路導体上に、前記半導体ベアチップに設けられた電極と接続するボンディングワイヤをワイヤボンディングにより、前記チオール処理膜の一部を破壊して前記ボンディングワイヤと前記金層との直接接合を形成するワイヤボンディング工程と、を有することを特徴とするものである。
また、本発明の請求項２に記載された発明は、請求項１において、前記チオール処理工程でチオール処理膜が形成された回路導体に接着剤を介して搭載された半導体ベアチップに設けられた電極と前記半導体ベアチップが搭載された回路導体とは独立した回路導体とをボンディングワイヤによって接続するワイヤボンディング工程に先立って、前記チオール処理膜上に堆積した有機物を除去する有機物洗浄工程を設けたことを特徴とするものである。
また、本発明の請求項３に記載された発明は、請求項１または２のいずれかにおいて、前記ダイボンディング工程において、加熱処理が施されることを特徴とするものである。
また、本発明の請求項４に記載された発明は、プリント基板上に形成され、ニッケル層および最上層となる金層を含む多層メッキから構成される回路導体と、前記金層上にニッケル化合物を介さずに形成されたチオール処理膜と、前記チオール処理膜上に接着剤を介して搭載された半導体ベアチップと、前記半導体ベアチップの上面に形成された電極と前記回路導体を接続するボンディングワイヤとを有し、前記ボンディングワイヤは、前記チオール処理膜を貫通し、その端部が前記金層と直接接合していることを特徴とするものである。
多層メッキの回路導体を形成したプリント回路基板の回路導体の表面にチオール処理膜を形成することによって、ボンディングワイヤと回路導体との接合強度が高まり、且つ、回路導体と封止樹脂との密着強度が向上した。
以下、この発明の好適な実施形態を図１〜図３を参照しながら、詳細に説明する（同一部分については同じ符号を付す）。尚、以下に述べる実施形態は、本発明の好適な具体例であるから、技術的に好ましい種々の限定が付されているが、本発明の範囲は、以下の説明において特に本発明を限定する旨の記載がない限り、これらの実施形態に限られるものではない。
図１は本発明の実施形態を示すフローチャートであり、図１に基づいて本発明の実施形態の概略を説明する。まず、プリント回路基板を半導体装置製造プロセスに投入し、投入されたプリント回路基板はチオール処理工程でプリント回路基板の回路導体の表面にチオール処理膜が形成される。次にダイボンディング工程で導電性接着剤で半導体ベアチップを回路導体に仮固定し、加熱工程で導電性接着剤を加熱硬化させて半導体ベアチップを本固定する。更に、洗浄工程では加熱工程で回路導体のチオール処理面の表面に付着した有機物を洗浄除去し、ワイヤボンディング工程で半導体ベアチップの電極と回路導体をボンディングワイヤで接続し、封止工程で半導体ベアチップ及びボンディングワイヤを樹脂封止して、一連のプロセスが終了する。
次に、上記プロセスを図２〜図３を参照しながら詳細に説明する。図２は同じく本発明の実施形態を示す工程説明図である。まず、（ａ）半導体ベアチップを搭載するプリント回路基板１は、ガラスエポキシ、ベーク、紙フェノール等の絶縁基材２に１０〜３５μｍの厚みの銅層３、その上に５μｍ程度の厚みのニッケル層４、更にその上に０．０３〜０．０５μｍの厚みの金層５を形成した多層メッキの回路導体６ａ,６ｂを形成している。
このような構成の回路導体６ａ,６ｂを有するプリント回路基板１を（ｂ）２０〜８０℃の１ｍｍｏｌ／ｌ程度のチオール化合物溶液中に１５〜３０分間浸漬し、溶液中から引き上げた後水洗浄して乾燥させる。すると、多層メッキの回路導体６ａ,６ｂの最上層に位置する金層５の表面（大気に露出した部分）に膜厚１〜１０ｎｍの硫黄の単分子膜（チオール処理膜７）が形成される。
この硫黄の単分子膜（チオール処理膜７）は導電性を阻害しないため、（ｃ）金層の表面に形成されたチオール処理膜７に導電性接着剤８を塗布し、（ｄ）その上に半導体ベアチップ９を搭載して仮固定して導電性接着剤８を１８０℃で加熱硬化させると、半導体ベアチップ９がプリント回路基板１の回路導体６ａに本固定され且つ電気的導通が図られる。
従来の半導体装置の製造方法では、上記の導電性接着剤の加熱硬化の工程において、回路導体を構成するニッケル層からニッケルが離脱し、その上に位置する金層内を拡散されて金層の表面に水酸化ニッケル（ニッケル化合物）として析出される。そこで後工程のワイヤボンディング工程において金層の表面とボンディングワイヤとの間にニッケル化合物が介在すると両者の接合を阻害することになり、十分な接合力を確保することが困難な状況となる。そのため、ワイヤボンディング工程に先立って金層の表面に析出したニッケル化化合物を除去する工程を設けることにより、所望する接合力を確保するようにしている。
ニッケル化合物を除去するための具体的な方法としてはプラズマによるエッチング洗浄処理が行われているが、半導体ベアチップもプラズマ処理の影響によってストレス及び損傷をうけ、半導体ベアチップの信頼性を損なう可能性が考えられる。また、製造プロセスにニッケル化合物を除去する工程を設けることにより、工数の増加によるコストの上昇が避けられないこととなる。
一方、本発明の半導体装置の製造工程では、ダイボンディング工程に先立ってチオール処理工程を設け、金層５の表面にチオール処理膜７を形成してニッケル化合物が析出しないような対策を講じている。従って、以降のプロセスにニッケル化合物の除去の工程を設ける必要はない。
さて、半導体ベアチップ９が導電性接着剤８及びチオール処理膜７を介して金層５に固定された後は、（ｆ）有機物の洗浄工程に移る。この工程は、（ｅ）導電性接着剤８の加熱硬化時に導電性接着剤８から発生するガスによってチオール処理膜６の上に堆積した有機物１０が次のワイヤボンディング工程でボンディングワイヤと回路導体との接合の阻害とならないように有機物１０を除去する工程である。具体的には、紫外線照射によって有機物を除去する方法或いはシンナー、エチルアルコール、トリクレン、キシレン等を使用した有機洗浄によって除去する方法の中から適宜選択して実施される。
次は（ｇ）ワイヤボンディング工程であり、半導体ベアチップ９に設けられた電極１１と半導体ベアチップ９が搭載された回路導体６ａとは独立した回路導体６ｂとをボンディングワイヤ１２によって接続し、電気的導通を図るものである。この場合、ボンディングワイヤ１２を接続する回路導体６ｂの金層５の表面にはチオール処理で形成されたチオール処理膜７が形成されているが、図３に示すようにこのチオール処理膜７はワイヤボンディング時に加えられるパワーによって破壊され、ボンディングワイヤ１２と金層５の表面が直接接合されることになり、十分な接合強度を確保することができる。
次の工程は（ｈ）半導体ベアチップ９を水分、塵埃およびガス等の外部環境から保護し、且つボンディングワイヤ１２を振動、衝撃等の機械的応力から保護するために樹脂１３で封止する工程である。ここまでに至る製造プロセスにおいて、チオール処理で形成されたチオール処理膜７はそのまま金層５の表面に保持されているので、プリント回路基板１に搭載された半導体ベアチップ９及びボンディングワイヤ１２を樹脂封止しても、チオール処理膜７によって十分な密着力を確保することができる。
なぜならば、チオール処理膜は金属の表面に設けることによって金属表面と樹脂との密着力を向上させる性質を有しているからである。その理由は、チオールは金属表面に錯体を形成することによってチオール基を金属の方向に向け、樹脂成分との親和性が高い有機基を外側に向けているためと考えられている。
そして、以上のような製造プロセスを経て図２（ｈ）に示すような半導体装置が組上げられることになる。
ここで、本発明の効果について述べる。まず、最下層に銅層、その上の中間層にニッケル層、更にその上の最上層に金層を形成した多層メッキの回路導体を形成したプリント回路基板において、最上層の金層の表面にチオール処理によってチオール処理膜を形成した。その結果、導電性接着剤の加熱硬化時にニッケル層から離脱してその上の金層内を拡散されるニッケルが金層の表面に析出するようなことはない。従って、従来プラズマによるエッチング洗浄でニッケル化合物を除去する場合に半導体ベアチップにストレス或いは損傷を与えていたのを回避することができ、信頼性のある製品に仕上げることができる。
また、従来の半導体製造プロセスにおいて、金層の表面に析出したニッケル化合物を除去するために行っていたプラズマによるエッチング洗浄は、真空チャンバー内の排気などの前処理を含めた一連の作業に時間が掛かり、また一度に処理できる量も比較的少量に限られることから生産効率の悪いものとなり、製造コストの上昇に繋がるものとなっていた。一方、本発明の半導体装置の製造プロセスにはプラズマ工程はなく、従って、生産効率がよく、工程数も少なくなることから製造コストの低減化に寄与するものである。
更に、プリント回路基板の回路導体の金層と封止樹脂との間にチオール処理膜を設けることにより、金層（回路導体）と封止樹脂との間の密着強度を高めた。その結果、半導体ベアチップ及びボンディングワイヤを外部環境から確実に保護することができ、製品の信頼性を向上させることができる。
本発明の半導体装置の製造方法に係わる実施形態を示すフローチャートである。 同じく本発明の半導体装置の製造方法に係わる実施形態を示す工程説明図である。 同じく本発明の半導体装置の製造方法に係わる実施形態において、ボンディングワイヤがチオール処理膜を破壊して金膜と直接接合している状態を模式的に示した図である。
符号の説明
１ プリント回路基板
２ 絶縁基材
３ 銅層
４ ニッケル層
５ 金層
６ａ,６ｂ 回路導体
７ チオール処理膜
８ 導電性接着剤
９ 半導体ベアチップ
１０ 有機物
１１ 電極
１２ ボンディングワイヤ
１３ 樹脂

Claims (4)

  1. 最下層の導体上に中間層のニッケル層が形成され、更に該ニッケル層の上に最上層の金層が形成された多層メッキの回路導体を有するプリント基板の前記金層の表面にチオール処理膜を形成するチオール処理工程と、
    前記チオール処理膜が形成された回路導体上に接着剤を介して半導体ベアチップを搭載するダイボンディング工程と、
    前記チオール処理膜が形成された回路導体上に、前記半導体ベアチップに設けられた電極と接続するボンディングワイヤをワイヤボンディングにより、前記チオール処理膜の一部を破壊して前記ボンディングワイヤと前記金層との直接接合を形成するワイヤボンディング工程と、を有する半導体装置の製造方法。
  2. 前記チオール処理工程でチオール処理膜が形成された回路導体に接着剤を介して搭載された半導体ベアチップに設けられた電極と前記半導体ベアチップが搭載された回路導体とは独立した回路導体とをボンディングワイヤによって接続するワイヤボンディング工程に先立って、前記チオール処理膜上に堆積した有機物を除去する有機物洗浄工程を設けたことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
  3. 前記ダイボンディング工程において、加熱処理が施されることを特徴とする請求項１または２のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
  4. プリント基板上に形成され、ニッケル層および最上層となる金層を含む多層メッキから構成される回路導体と、
    前記金層上にニッケル化合物を介さずに形成されたチオール処理膜と、
    前記チオール処理膜上に接着剤を介して搭載された半導体ベアチップと、
    前記半導体ベアチップの上面に形成された電極と前記回路導体を接続するボンディングワイヤとを有し、
    前記ボンディングワイヤは、前記チオール処理膜を貫通し、その端部が前記金層と直接接合していることを特徴とする半導体装置。
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