WO2009133646A1 - 接合領域判定方法 - Google Patents

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Definitions

  • an object of the present invention is to determine a bonding region of a bonding surface by a simple method in a semiconductor device in which a copper wire is bonded to an aluminum electrode.
  • the melting step may include immersing the semiconductor device in concentrated nitric acid of 40% or more for about 60 seconds to dissolve the copper wire to expose the alloy layer on the bonding surface on the electrode side. Is preferred.
  • the initial ball pressed on the pad 12 which is an aluminum electrode of the semiconductor chip 11 is deformed to become a press-bonded ball 13.
  • a copper wire 14 extends from the press-bonded ball 13.
  • An alloy layer 16 of aluminum 17 of the pad 12 and copper of the press-bonded ball 13 is formed between the bonding surfaces on each side of the pad 12 and the press-bonded ball 13, and the press-bonded ball 13 and the pad 12 are bonded by the alloy layer 16.
  • the alloy layer 16 is not formed on the entire bonding surface of the press-bonded ball 13 and the pad 12 but is formed only on a portion where the alloy is formed by eutectic of aluminum 17 of the pad 12 and copper of the press-bonded ball 13 by bonding. ing.
  • step S102 of FIG. 1 the semiconductor device in which the copper wire 14 is bonded to the pad 12 is placed in a heating furnace such as an electric furnace, the temperature is raised to about 250 ° C., and heating is performed for 1 to 3 hours (annealing). ) Process. As shown in FIG. 2B, this heat treatment causes diffusion throughout the bonding region, and the alloy layer 16 grows in the thickness direction.
  • a heating furnace such as an electric furnace
  • Aluminum 17 remains between the alloy layers 16 on the bonding surface 15a on the pad 12 side, and the alloy layer 16 appears as a pattern on the exposed bonding surface 15a.
  • the immersion in concentrated nitric acid is about 60 seconds. This is because the bonding surface 15a on the pad 12 side does not appear in the immersion for 30 seconds because the copper wire 14 and the press-bonded ball 13 are not sufficiently dissolved by concentrated nitric acid. Further, when the immersion time is 90 seconds, the copper wire 14, the press-bonded ball 13, and the alloy layer 16 are dissolved, so that the alloy layer 16 is not recognized on the joint surface 15 a.

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Abstract

　アルミニウム電極に銅ワイヤを接合した半導体装置において、アルミニウム電極に銅ワイヤが接続された半導体装置を約２５０°Cで１～３時間加熱し、加熱の後に４０％以上の濃硝酸に約６０秒間浸漬させて銅ワイヤを溶解させてアルミニウム電極側の接合面に合金層を露出させ、溶解によって露出した接合面の合金層の模様に基づいて接合領域を判定する。簡便な方法で半導体装置のアルミニウム電極と銅ワイヤとの接合面の接合領域を判定することができる。

Description

接合領域判定方法
　本発明は、ボンディング装置によってボンディングされた半導体チップのアルミニウム電極と銅ワイヤとの接合領域の判定を行う接合領域判定方法に関する。
　ＩＣなどの半導体装置の製造においては、半導体チップに設けられた電極とリードフレーム或いは基板の電極とをワイヤで接続するワイヤボンディング装置が用いられている。ワイヤボンディング装置によってボンディングを行う場合には、ボンディングツールのキャピラリの先端にイニシャルボールを形成し、そのイニシャルボールを電極であるパッドにボンディングして圧着ボールを形成し、圧着ボールからワイヤをルーピングしてリードフレームまたは基板の電極にボンディングを行う方法や、半導体チップのパッドの上にワイヤによってバンプを形成した後、リードフレームの電極にイニシャルボールをボンディングして圧着ボールを形成し、リードフレームからワイヤをルーピングしてバンプにワイヤをボンディングする方法が用いられる。バンプは、キャピラリの先端に形成したイニシャルボールを半導体チップのパッドに圧着して圧着ボールを形成した後、圧着ボールを潰して形成する方法が用いられる。
　このような半導体装置においては、半導体チップのパッドはアルミニウムまたはアルミニウムに少量のシリコン、銅を添加した膜で構成され、ワイヤは金ワイヤが用いられている。そして、パッドの上に圧着ボールを形成すると、その接合面にはパッドのアルミニウムと圧着ボールの材料である金ワイヤの金とが共晶したアルミニウムと金の合金が形成され、その合金の形成によってパッドと圧着ボールとが接合される。このため、パッドと圧着ボールの接合面に形成される合金部分が少ないと接合力が弱くなり、ボンディング品質が低下するという問題がある。
　そこで、ボンディング品質を向上させるためには、パッドと圧着ボールとの合金部分の形状、面積などを検出してボンディングの押圧力や印加する超音波エネルギー等を調整、管理することが必要となってくる。このため、薬品処理によってパッドまたは圧着ボールの何れか一方を溶解して、合金層を露出させ、その接合面の合金層の状態を顕微鏡等で観察し、合金部分の形状を判定する方法や、特許文献１に記載されているように、半導体チップをガラスのボンディングステージの上にセットし、ガラスを通して赤外線を照射し、その画像を取得することによって圧着ボールとパッドとの接合面積を求めて、この接合面積によってボンディングの押圧力や超音波振動を変化させる方法がある。
特開２００４―２１４４８１号公報
　一方、近年、金ワイヤに代わって銅ワイヤでパッドとリードとを接続する半導体装置が提案されてきている。銅ワイヤを用いた場合にもボンディングによってアルミニウムのパッドの上にアルミニウムと銅との合金が形成され、この合金によって接合が行われる。ところが、金ワイヤの合金層の確認の場合と同様の薬品処理を行うと、観察しようとする合金層が得られないという問題があった。そこで、ボンディングされた銅の圧着ボールとアルミニウムのパッドとを合金層と垂直な方向に切断し、その切断面に表れる合金層を確認する方法もあるが、アルミニウムと銅の合金層はアルミニウムと金の合金層と比較して非常に薄く、合金層の確認をすることが困難な上、一断面の合金部分の割合は求めることができても接合面全体の合金部分の面積、形状の確認が難しいという問題があった。また、特許文献１に記載されたような非接触で接合面積を求める方法では、パッドと圧着ボールとの密着面積は確認することができるものの、合金が形成されているかの確認は困難であるという問題があった。
　そこで、本発明は、アルミニウム電極に銅ワイヤを接合した半導体装置において、簡便な方法で接合面の接合領域を判定することを目的とする。
　本発明の接合領域判定方法は、半導体チップのアルミニウム電極に銅ワイヤを接合した半導体装置のアルミニウム電極と銅ワイヤとの接合領域を判定する接合領域判定方法であって、アルミニウム電極に銅ワイヤが接続された半導体装置を加熱する加熱工程と、加熱工程の後に薬品処理によってアルミニウム電極または銅ワイヤのいずれか一方を溶解させてアルミニウム電極側または銅ワイヤ側の接合面に合金層を露出させる溶解工程と、溶解工程によって露出した接合面の合金層の模様に基づいて接合領域を判定する判定工程と、を有する。
　本発明の接合領域判定方法において、溶解工程は、４０％以上の濃硝酸に半導体装置を約６０秒間浸漬し、銅ワイヤを溶解させて電極側の接合面に合金層を露出させること、としても好適である。
　本発明は、アルミニウム電極に銅ワイヤを接合した半導体装置において、簡便な方法で接合面の接合領域を判定することができるという効果を奏する。
本発明の実施形態における接合判定方法のフローチャートである。 本発明の実施形態における接合判定方法の工程における圧着ボールとパッドとの状態を示す説明図である。 本発明の実施形態における接合判定方法の工程における圧着ボールとパッドとの状態を示す説明図である。 本発明の実施形態における接合判定方法の工程における圧着ボールとパッドとの状態を示す説明図である。 本発明の実施形態における接合判定方法によって処理した接合面の模様を示す説明図である。 比較例によって処理した接合面の模様を示す説明図である。 本発明の他の実施形態における接合判定方法の工程における圧着ボールとパッドとの状態を示す説明図である。
符号の説明
　１１　半導体チップ、１２　パッド、１３　圧着ボール、１４　銅ワイヤ、１５ａ，１５ｂ　接合面、１６　合金層、１７　アルミニウム。
　以下、本発明の好適な実施形態について図面を参照しながら説明する。図1のステップＳ１０１に示すように、半導体チップのパッドに銅ワイヤをボンディングする。ボンディングはワイヤボンディング装置を用い、ボンディングツールであるキャピラリの先端から延出した銅ワイヤを放電などによってボール状にしてイニシャルボールを形成する。そして、キャピラリをパッドに向けて降下させてイニシャルボールを半導体チップのアルミニウム製のパッドに押圧する。
　図２Ａに示すように、半導体チップ１１のアルミニウム製の電極であるパッド１２上に押圧されたイニシャルボールは変形して圧着ボール１３となる。圧着ボール１３からは銅ワイヤ１４が延びている。パッド１２と圧着ボール１３の各側の接合面の間にはパッド１２のアルミニウム１７と圧着ボール１３の銅との合金層１６が形成され、その合金層１６によって圧着ボール１３とパッド１２とが接合されている。この合金層１６は圧着ボール１３とパッド１２の接合面の全面に形成されるのではなく、ボンディングによってパッド１２のアルミニウム１７と圧着ボール１３の銅の共晶によって合金ができた部分にだけ形成されている。共晶によって合金層が形成されていない部分は圧着ボール１３とパッド１２とが密着状態にあるものの、接合されておらずパッド１２側の接合面１５ａのアルミニウム１７の表面と圧着ボール１３側の接合面１５ｂの銅の表面とが接触している状態となっている。
　図１のステップＳ１０２に示すように、銅ワイヤ１４がパッド１２にボンディングされた半導体装置を電気炉などの加熱炉の中に入れ、温度を約２５０℃まで上昇させ、１～３時間加熱（アニール）処理する。図２Ｂに示すように、この加熱処理によって接合領域全体で拡散がおこり合金層１６が厚さ方向に成長する。
　図１のステップＳ１０３に示すように、１～３時間の加熱が完了した後、半導体装置を常温迄冷却する。冷却は、加熱炉の中で冷却してもよいし、加熱炉から取り出して冷却してもよい。この状態では、圧着ボール１３とパッド１２とは合金層１６によって接合された状態である。
　図１のステップＳ１０４に示すように、加熱、自然冷却した半導体装置を濃硝酸の中に浸漬する。ここで、硝酸は、化学式、ＨＮＯ3によって表されるものである。濃硝酸は４０％以上の濃度のものを用いることが必要となる。４０％よりも濃度が低い場合には、硝酸によって銅が十分に溶解しないので、銅ワイヤ１４、圧着ボール１３を溶解させてパッド１２側の接合面１５ａを露出させることができないためである。
　図２Ｃに示すように、濃硝酸に浸漬すると銅ワイヤ１４、圧着ボール１３が溶解を始める。そして、銅ワイヤ１４と圧着ボール１３とが溶解し、パッド１２側の接合面１５ａが露出しだす。所定時間だけ浸漬させ、銅ワイヤ１４と圧着ボール１３とが溶解し、パッド１２のアルミニウム１７が溶解していない状態で半導体装置を濃硝酸から取り出して水洗する（図１のステップＳ１０５）。この状態では、図２Ｃに示すように、銅ワイヤ１４と圧着ボール１３は溶解してなくなり、半導体チップ１１のパッド１２及び合金層１６は溶解しないで残っているので、パッド１２側の接合面１５ａには合金層１６が露出している。そしてパッド１２側の接合面１５ａには合金層１６の間にアルミニウム１７が残り、露出した接合面１５ａに合金層１６が模様として表れている状態となっている。濃硝酸への浸漬は、約６０秒とする。これは、３０秒間の浸漬では、濃硝酸による銅ワイヤ１４、圧着ボール１３の溶解が不十分であるため、パッド１２側の接合面１５ａが表れないためである。また、浸漬時間が９０秒となると、銅ワイヤ１４、圧着ボール１３と、合金層１６が溶解してしまうため、接合面１５ａに合金層１６が認められなくなってしまうためである。
　図１のステップＳ１０６に示すように、顕微鏡等によってこの接合面１５ａを観察する。図３に示すように、パッド１２側の接合面１５ａには、溶解した合金層１６と溶解せずに残ったパッド１２のアルミニウム１７との間に色彩の差異による模様が観察される。図３では、模式的に、合金層１６の部分は点の網掛け模様で示し、アルミニウム１７の部分は白抜きとして示している。また、圧着ボール１３がボンディングされた領域は、パッド１２の平面部分から少しへこんだ状態となっているので、その凹み部分をハッチングで示してある。
　図３に示すように、顕微鏡等によって接合面１５ａを観察することによって、接合面１５ａにおける合金層１６の形状、広がりを認定することができ、合金層１６によって接合された接合領域を判定することができる。そして、たとえば、ある種の半導体装置では、接合面１５ａの中央に接合領域がない部分が存在するとボンディング不良と判断し、また、別の種類の半導体装置では、接合面１５ａの外周側に接合領域がない場合には接合不良と判断する。このように、接合面１５ａに表れる合金層１６の模様によって接合領域を判定することができ、その接合領域の形状、広がりによってボンディングの良否を判断することができる。
　以上説明したように、本実施形態は、アルミニウム電極に銅ワイヤを接合した半導体装置において、簡便な方法で接合面の接合領域を判定することができるという効果を奏する。
　次に、本発明の他の実施形態について説明する。先に説明した実施形態と同様の工程については説明を省略する。
　本実施形態では、加熱、自然冷却した半導体装置を水酸化カリウム水溶液の中に浸漬する。ここで、水酸化カリウムは、化学式、ＫＯＨによって表されるものである。図５に示すように、水酸化カリウム水溶液に浸漬するとアルミニウム製のパッド１２が溶解を始める。その後、銅の圧着ボール１３側の接合面１５ｂに合金層１６が露出する。所定時間だけ浸漬させたら半導体装置を水酸化カリウム水溶液から取り出して水洗する。この状態では、図５に示すように、アルミニウムのパッド１２は溶解してなくなっているが、銅の圧着ボール１３及び合金層１６は溶解しておらず、圧着ボール１３側の接合面１５ｂに合金層１６が露出している。圧着ボール１３側の接合面１５ｂには合金層１６が残り、露出した接合面１５ｂに合金層１６が模様として表れている状態となっている。
　取り出した半導体装置の銅ワイヤ１４をピンセットでつまみ、圧着ボール１３側の接合面１５ｂを上面に向ける。そして、顕微鏡等によってこの接合面１５ｂを観察すると、圧着ボール１３側の接合面１５ｂには、溶解せずに残った合金層１６と圧着ボール１３の銅との間に色彩の差異による模様が観察され、接合面１５ｂにおける合金層１６の形状、広がりを認定することができ、合金層１６によって接合された接合領域を判定することができる。
　本実施形態は、先に説明した実施形態と同様の効果を奏する。
　以下に表１にまとめた本発明の実施例を説明するが、本発明はこれらの実施例に何ら限定されるものではない。
　［実施例１］
　表面にアルミニウム製のパッド１２を備える図２に示す半導体チップ１１と、半導体チップを取り付ける銅の薄板によって構成されたリードフレームと、純度９９．９９％の無酸素銅（４Ｎ）で直径２５μｍの銅ワイヤ１４とを準備する。半導体チップ１１をダイボンディング装置によってリードフレームにダイボンディングした後、半導体チップ１１のパッド１２とリードフレームの電極との間をワイヤボンディング装置を用いて銅ワイヤ１４によってワイヤボンディングして半導体装置を製造する。ワイヤボンディングの際にはパッド１２の上に銅の圧着ボール１３が形成されている。ワイヤボンディングの後、加熱炉にて約２５０℃に加熱し、そのまま１～３時間保持し、加熱した。加熱後、半導体装置を加熱炉から取り出して常温まで自然冷却した。半導体装置全体が浸漬できる大きさの容器に常温で濃度６０％の濃硝酸（ＨＮＯ3）を準備し、冷却した半導体装置を濃硝酸の中に浸漬した。浸漬開始後６０秒間で半導体装置を濃硝酸から取り出して水洗した。水洗後、乾燥したところ、図２Ｃに示す銅ワイヤ１４と圧着ボール１３とが溶解し、合金層１６及びパッド１２は溶解しない状態であり、パッド１２側の接合面１５ａに合金層１６が露出していた。接合面１５ａを顕微鏡で観察したところ、図３に示すように、接合面１５ａに模様が良好に認識でき、合金層１６の模様によって接合面の接合領域の確認が良好に行えた。
　［実施例２］
　上記実施例１と同様にアルミニウム製のパッド１２に銅ワイヤ１４をワイヤボンディングした半導体装置を加熱炉にて約２５０℃に加熱し、１～３時間保持した後に取り出し、常温まで自然冷却した。冷却した半導体装置を常温で濃度４０％の濃硝酸に６０秒間浸漬した後、水洗した。水洗後、乾燥したところ、図２Ｃに示す銅ワイヤ１４と圧着ボール１３とが溶解し、合金層１６及びパッド１２は溶解しない状態であり、パッド１２側の接合面１５ａに合金層１６が露出していた。接合面１５ａを顕微鏡で観察したところ、接合面１５ａの模様を良好に認識でき、合金層１６の模様によって接合面の接合領域の確認が良好に行えた。
　［比較例１～３］
　上記実施例１と同様にアルミニウム製のパッド１２に銅ワイヤ１４をボンディングした半導体装置を加熱炉にて約２５０℃に加熱し、１～３時間保持した後に取り出し、常温まで自然冷却した。冷却した半導体装置を常温で濃度２０％の濃硝酸に６０秒間浸漬した後、水洗、乾燥したところ、図２Ｃに示す銅ワイヤ１４と圧着ボール１３が溶解せず、パッド１２側の接合面１５ａが露出していなかった。このため、接合面１５ａの観察はできなかった。また、冷却した半導体装置を常温で濃度６０％の濃硝酸に３０秒間浸漬した後、水洗、乾燥したところ、図２Ｃに示す銅ワイヤ１４と圧着ボール１３が十分に溶解しておらず、パッド１２側の接合面１５ａは露出していなかった。このため、接合面１５ａの観察はできなかった。また、冷却した半導体装置を常温で濃度６０％の濃硝酸に９０秒間浸漬した後、水洗、乾燥したところ、図２Ｃに示す銅ワイヤ１４と圧着ボール１３とが溶解してしまい、合金層１６もわずかに溶解し、パッド１２側の接合面１５ａに表れた合金層１６が不鮮明であった。このため、合金層１６の観察はできなかった。
　［比較例４］
　上記実施例１と同様にアルミニウム製のパッド１２に銅ワイヤ１４をボンディングした半導体装置を加熱工程なしに常温のまま常温で濃度６０％の濃硝酸に６０秒間浸漬した後、水洗した。水洗後、乾燥したところ、図２Ｃに示す銅ワイヤ１４と圧着ボール１３とが溶解し、合金層１６及びパッド１２は溶解しない状態であり、パッド１２側の接合面１５ａに合金層１６が露出していた。接合面１５ａを顕微鏡等で観察したところ、図４に示すように、接合面１５ａに合金層１６が模様としては認識できるものの不明確で、模様によって接合領域の確認はできなかった。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001

Claims (2)

  1. 　半導体チップのアルミニウム電極に銅ワイヤを接合した半導体装置のアルミニウム電極と銅ワイヤとの接合領域を判定する接合領域判定方法であって、
    　アルミニウム電極に銅ワイヤが接続された半導体装置を加熱する加熱工程と、
    　加熱工程の後に薬品処理によってアルミニウム電極または銅ワイヤのいずれか一方を溶解させてアルミニウム電極側または銅ワイヤ側の接合面に合金層を露出させる溶解工程と、
    　溶解工程によって露出した接合面の合金層の模様に基づいて接合領域を判定する判定工程と、
    　を有する接合領域判定方法。
  2. 　請求の範囲１に記載の接合領域判定方法であって、
    　溶解工程は、４０％以上の濃硝酸に半導体装置を約６０秒間浸漬し、銅ワイヤを溶解させて電極側の接合面に合金層を露出させる接合領域判定方法。
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