(57)【要約】      （修正有）【課題】未接合部が生じることを抑制した、Ｃｕワイヤボンドが可能なボンディングパッドを有する半導体装置を提供する。【解決手段】能動素子と、この能動素子と電気的に接続されたアルミニウムを主成分とする電極１とを備え、電極の最表面をアルミニウムと銅との化合物層５で被覆し、Ｃｕワイヤを用いたボンディングでも未接合部が生じることを抑制することができる、熱性、耐ヒートサイクル性が向上し、長期信頼性の高い半導体装置。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
能動素子と、この能動素子と電気的に接続されたアルミニウムを主成分とする電極とを備える半導体装置において、
前記電極の最表面がアルミニウムと銅との化合物層で被覆されていることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
アルミニウムと銅との化合物層が、θ相を主相とすることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、マイコンやパワートランジスタなど能動素子近傍にワイヤボンド用の電極が形成された半導体装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、半導体素子の電極と基板電極、または別の半導体素子の電極同士を電気的に繋ぐ方法として、Ａｌ（アルミニウム）、Ａｕ（金）、Ｃｕ（銅）などのワイヤボンドが用いられてきた。とくに狭いピッチの小パッドには、ワイヤ材の機械的性質などからＡｕワイヤが主流となっており、半導体素子側ボンディングパッドとしてＡｌを主成分とした電極層、基板側ボンディングパッドとしては、Ａｇ（銀）めっきやＡｕめっき処理などが用いられていた。
【０００３】
半導体装置のボンディングパッドとＡｕワイヤとの接合界面には、接合初期からＡｕ−Ａｌ合金層が形成されることが知られており、熱によって拡散が進行するとともにその厚さを増したり、別の組成の合金層が生成したりして、それらの影響による拡散ボイドが発生することなどが知られている。これによりボンディング時の応力で層間膜が破壊したり、半導体素子のＯＮ／ＯＦＦによるヒートサイクルによる接合界面クラックや剥離を生じたりすることが懸念される。
【０００４】
それを防止する方法として、Ａｕ合金ワイヤを用いる方法や、Ｃｕを含有するＡｌ合金層を主体とするボンディングパッドを形成する方法などが開示されている（たとえば、特許文献１および２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００８−２７０３７１号公報（４頁）
【特許文献２】特開２００１−７１４９号公報（３頁、図４）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、Ａｕ合金ワイヤを用いる方法では、ワイヤが硬くなりすぎてボンディングパッドの表面を傷つけて未接合部が生じるという問題があった。また、Ｃｕを含有するＡｌ合金層を主体とするボンディングパッドを用いる方法では、Ｃｕワイヤを用いた場合、Ｃｕワイヤの表面が酸化しやすいことから、Ａｌ合金ボンディングパッドとＣｕワイヤとの接合界面に除去できない酸化膜（酸化物）を巻き込み、未接合部が生じることが問題であった。
【０００７】
この発明は、上述のような課題を解決するためになされたものであり、その意図するところは、未接合部が生じることを抑制した、Ｃｕワイヤボンドが可能なボンディングパッドを有する半導体装置を得るものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この発明に係る半導体装置においては、能動素子と、この能動素子と電気的に接続されたアルミニウムを主成分とする電極とを備え、電極の最表面をアルミニウムと銅との化合物層で被覆したものである。
【発明の効果】
【０００９】
この発明は、アルミニウムを主成分とする電極の最表面があらかじめアルミニウムと銅との化合物層で被覆されているので、Ｃｕワイヤを用いたボンディングでも未接合部が生じることを抑制することができる。その結果、耐熱性、耐ヒートサイクル性が向上し、長期信頼性の高い半導体装置が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】この発明の実施の形態１における半導体装置の模式図である。
【図２】この発明の実施の形態１における半導体装置の接合部の模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の実施の形態について図に基づいて説明する。
（実施の形態１）
図１は、この発明を実施するための実施の形態１における半導体装置の模式図である。まず始めに、本実施の形態における、半導体装置へのワイヤボンディングの概略を説明する。
【００１２】
図１において、Ａｌボンディングパッド１を有する半導体素子２を用意する。この半導体素子２は、半導体基板と、その半導体基板に形成された能動素子（図示せず）とを含んでいる。この能動素子は、たとえばマイコン、パワートランジスタなどを構成する素子である。
【００１３】
半導体素子２のボンディングパッド１は、上記の能動素子と電気的に接続されている。このボンディングパッド１は、Ａｌ配線３の一部を、ポリイミドなどのレジスト４などでパターニングすることによって得られる。さらにこのボンディングパッド１の表面にスパッタ装置などを用いて、ボンディングパッド１の表面に約１００ｎｍのＣｕ層を形成する。この後、高真空または窒素や水素、またはこれらの混合ガス雰囲気などの酸化しにくい環境の下で、１２０℃以上で加熱することにより、ボンディングパッド１の最表面にＣｕ−Ａｌ化合物層５を形成する。ここで、熱処理温度は、ＣｕとＡｌが相互拡散する温度であればよく、作業性と部品の耐熱温度とからは、２００℃〜４５０℃であることが望ましい。また熱処理が不足してＣｕが残存した場合は、逆スパッタ、アルゴンプラズマなどで最表層のＣｕの部分を除去して、その下のＣｕ−Ａｌ化合物層５を表面に露出させることが望ましい。
【００１４】
これにより、Ａｌを主成分とする電極（Ａｌ配線３）の最表面がＣｕ−Ａｌ化合物層５で被覆された構成が得られる。
【００１５】
図２は、本実施の形態における、半導体装置のボンディングパッドへＣｕワイヤを接合するときの模式図である。図２において、Ｃｕワイヤ６の接合部に加熱溶融によってボール部７を形成し、ボンディングパッド１の最表面に形成されたＣｕ−Ａｌ化合物層５に接触させる。次にワイヤボール部７にワイヤボンド装置のツール８を接触されて、荷重と超音波振動とを付加することにより、Ｃｕワイヤ６とボンディングパッド１とを接合する。
【００１６】
本実施の形態における半導体装置において、ワイヤボンディングの方法を以下においてさらに詳細に説明する。
【００１７】
Ｃｕワイヤ６として、たとえば直径φ０．２５ｍｍでＣｕの純度９９．９９％の、田中電子工業株式会社製のＴＰＣＷを用意した。また、半導体素子２として、日立超ＬＳＩ株式会社製のＴＥＧ（Test Element Group）チップを用意した。ＴＥＧチップの仕様は、１５０μｍピッチでφ７０μｍ開口のＤａｉｓｙパターンを有する１０ｍｍ□×ｔ０．２５ｍｍのチップで、ボンディングパッドは、ＳｉＯ2／ＴｉＮ／Ａｌ−Ｓｉ＝１５０ｎｍ／１５０ｎｍ／１μｍ）とした。
【００１８】
また、Ｃｕフレームとして、厚さ０．５ｍｍの無酸素銅に、Ａｇめっきを５μｍ施したものを用意した。このＣｕフレーム表面にＳｎ−３Ａｇ−０．５Ｃｕはんだペーストを１２ｍｍ□開口を有する厚さ０．２ｍｍのステンレスマスクで印刷し、ホットプレート加熱により半導体チップをダイボンドした後にアセトン洗浄した。このアセトン洗浄後のサンプルを、半導体チップサンプルと称することにする。
【００１９】
次に、上記半導体チップに、１５０μｍピッチでφ７５μｍの開口パターンを有する厚さ１００μｍのステンレスマスクをボンディングパッドとマスクの開口が合うように載せ、簡易スパッタ装置でＡｌ−０．５ｗｔ％Ｃｕ合金ボンディングパッドの表面に１００ｎｍ狙いでＣｕ膜を成膜した。その後、真空アニール炉で１０-4Ｐａの条件下で、４５０℃×５時間の熱処理を行った。その後、半導体チップボンディングパッド部を樹脂で埋め込み、その後に断面研磨を行い、電子顕微鏡およびＥＰＭＡ（Electron Probe Micro Analyzer）で半導体チップボンディングパッド部の断面解析を行ったところ、Ｃｕ膜は残存せず、すべてＣｕ−Ａｌ化合物になっていた。その拡散層のＣｕとＡｌとの比率を波長分散型特性Ｘ線で５箇所同定したところ、ほぼすべての点でＣｕとＡｌとの原子数比が３：７になっており、これと２元系状態図とから、ボンディングパッド表面が、ほぼすべてθ相（Ｃｕ3Ａｌ7）であると推定された。
【００２０】
次に、半導体チップサンプルの半導体チップのボンディングパッドに、前記Ｃｕワイヤをボンディングする手段として、たとえば株式会社カイジョーの、フルオートワイヤボンダＦＢ−８８０を使うことができる。このフリップチップボンダに、前記半導体チップサンプルを載せ、前記Ｃｕワイヤをセットし、４体積％水素と窒素との混合ガスを５Ｌ／ｍｉｎでワークとワイヤ近傍に吹き付けながら、ワイヤ長６ｍｍ、ループ高さ１００μｍの設定で、ボンディング後ピンセットで破壊したときにボールハガレが生じない程度に良好な接合が得られるように超音波パワー（ＵＳ）つまみと荷重（Ｆ）つまみを合わせ、時間に対して瞬時にフルパワーとし、フルオートで接合することにした。このときのボンディング温度を２００℃とした。
【００２１】
このようにして作製した半導体装置において、スパッタ装置で形成するＣｕ膜の厚さを変化させたサンプルを作製した（実施例１〜５）。また、比較として、Ｃｕ膜を成膜していない半導体装置も作製した（比較例１）。これらの半導体装置のボンディング部において、シェアテスタを用いてシェア強度を測定し、シェア破断後の破断モードを光学顕微鏡で同定した。なお、シェア強度は、ワイヤボンド後（初期強度）、高温保持後（２００℃×１０００時間後）、およびヒートサイクル後（−５０℃と１５０℃の環境温度の繰り返し１５００サイクル後）に測定を行った。なお、シェア強度は、ワイヤ１０本について実施し、その平均強度によって評価を行った。
【００２２】
表１は、本実施の形態におけるＣｕ膜の厚さとシェア強度とを示したものである。
【００２３】
【表１】
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【００２４】
表１より、本実施の形態における実施例１〜５のように、ボンディングパッドの表面にＣｕを１００〜５００ｎｍ成膜した後に熱処理によりＣｕ−Ａｌ化合物層５を形成させたものは、高温保持後やヒートサイクル後もシェア強度低下は見られないが、未処理のボンディングパッドにＣｕワイヤボンディングしたサンプルは、著しく強度が低下した。
【００２５】
このように、Ｃｕ−Ａｌ化合物層５を形成してワイヤボンディングを行った場合に高温保持後やヒートサイクル後もシェア強度が低下しない効果の次のように推定される。
【００２６】
未処理のボンディングパッドの表面にワイヤボンド時に生成された拡散層は、高温保持やヒートサイクル処理によりボンディングパッドの面方向に拡散促進して拡大していく。このとき、未接合部は酸化膜および酸化物が取り残されるため、ボイドとなる。これが高温保持時の各部材の熱膨張係数差やヒートサイクルによりクラックの起点となったり、端部の未接合部から発生したクラックの促進パスとなったりして、接合界面にクラックが進展して、接合強度が著しく低下すると考えられる。
【００２７】
一方、本実施の形態のように、Ｃｕ−Ａｌ化合物層５を被覆したボンディングパッドの最表面は、基本的にθ相（Ｃｕ3Ａｌ7）を主相としたものであり、概ね同一の化合物層が形成されていると考えられる。ここで、主相とは、Ｃｕ−Ａｌ化合物層の全体積に対して、その相の割合が５０体積％以上である場合のことを表す。このとき、ワイヤボンディング後の若干の未接合部はボイドになるが、未処理の場合と比べて非常に小さく、また少ない量と考えられ、これによって接合強度低下がほとんど見られないと考えられる。
【００２８】
以上より、Ｃｕ−Ａｌ化合物層を表面被覆することにより、Ｃｕワイヤボンド部の長期信頼性が著しく向上する効果がある。
【００２９】
なお、スパッタ装置を用いてＣｕ膜を成膜する前に、逆電極スパッタやアルゴンプラズマなどで、ボンディングパッド１の表面の酸化膜を除去する工程を行なうことによって、さらに接合信頼性を向上することができる。
【００３０】
（実施の形態２）
実施の形態１においては、ボンディングパッドの最表面は基本的にθ相（Ｃｕ3Ａｌ7）を主相とするＣｕ−Ａｌ化合物層であったが、実施の形態２は、化合物層の結晶相と高温保持後のシェア強度との関係を調べたものである。
【００３１】
実施の形態１で説明したように、半導体チップボンディングパッド部を樹脂で埋め込み、その後に断面研磨を行い、電子顕微鏡およびＥＰＭＡで半導体チップボンディングパッド部の断面解析を行なうことで、Ｃｕ−Ａｌ化合物層の結晶相を推定できる。Ａｌ−Ｃｕ２元系状態図からは、Ａｌ−Ｃｕ化合物層は、θ相（Ｃｕ3Ａｌ7）、η２相（ＣｕＡｌ）、ξ２相（Ｃｕ55Ａｌ45）、δ相（Ｃｕ3Ａｌ2）、γ１相（Ｃｕ13Ａｌ7）、α２相（Ｃｕ4Ａｌ1）などが生成されることがわかっている。ＥＰＭＡで定量分析を行い、ＣｕとＡｌの原子数比に直して生成化合物の同定が可能である。
【００３２】
実施の形態１と同様な方法で、ボンディングパッドの表面に成膜するＣｕ膜の狙い膜厚を１μｍにしてＣｕ膜を成膜した。次に、１７５℃のアルゴンガス中で１５分、３０分、１時間、１０時間、１００時間、２４０時間の熱処理を行い、ボンディングパッドからのＡｌ拡散によるＣｕ−Ａｌ化合物層の膜厚を変化させた。熱処理時間を長くするにしたがって、Ｃｕ−Ａｌ化合物層の膜厚は厚くなった。最後に、アルゴンガス雰囲気中での逆スパッタにより、表面に残存するＣｕ膜を除去してＣｕ−Ａｌ化合物層を露出させた本実施の形態のサンプルを作製した（実施例６〜１１）。
【００３３】
表面に露出したＣｕ−Ａｌ化合物層をＥＰＭＡ同定し、表面側からδ相、ξ１相、η２相、θ相の厚さを調べた。これに実施の形態１と同様のＣｕワイヤを、同様の条件でワイヤボンドを行い、初期と２００℃×１０００時間の高温保持後とに、ＥＰＭＡで化合物層を同定して５点平均厚さを測定した。同様なサンプルを別に作製して、ワイヤボンド部のシェアテストを実施した。
【００３４】
表２は、本実施の形態におけるＣｕ−Ａｌ化合物層の結晶相と初期および高温保持後のシェア強度との関係を示したものである。
【００３５】
【表２】
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【００３６】
表２から、初期にγ１相が検出されない実施例６〜１０では、初期のシェア強度が１８ｇｆ以上であるが、γ１相が検出される実施例１１では、初期のシェア強度は若干低下する。一方、高温保持後にγ１相が検出された実施例８〜１１では、γ１相の厚さにしたがってシェア強度が低下していることがわかる。
【００３７】
Ｃｕ−Ａｌ化合物層は、表面に成膜するＣｕが薄い場合は、すべて拡散してもθ相以外の化合物は形成されないが、膜厚が１０００ｎｍを超える場合には、Ｃｕの拡散が進行すると共に、Ｃｕワイヤからボンディングパッド側に向かってθ相（Ｃｕ3Ａｌ7）からη２相（ＣｕＡｌ）、ξ２相（Ｃｕ55Ａｌ45）、δ相（Ｃｕ3Ａｌ2）、γ１相（Ｃｕ13Ａｌ7）、α２相（Ｃｕ4Ａｌ1）の順に別の相が新たに析出すると共に、その厚さを増していくと考えられる。このうち、θ相からδ相までは、顕著な強度低下は生じないが、γ１相とδ相との間で顕著な拡散ボイドが生じるため、接合面積が低下することが考えられる。このため、シェア強度が低下すると考えられる。実際に、高温保持後の実施例８〜１２では、電子顕微鏡観察でボイドがこの位置に観察されるとともに、シェアテストによる破断位置も、γ１相とδ相との界面近傍となっていた。
【００３８】
これら高温保持による接合信頼性は、実際の半導体装置の動作条件よりも過負荷で行っているが、ボンディング前の初期接合状態においては、θ相が主相であること、通常のワイヤボンディング部では、θ相しか検出されないこと、ヒートサイクル後も、実施の形態１においてはθ相しか認められなかったことから、θ相を主相にしたＣｕ−Ａｌ化合物層の被覆を行うことにより、接合信頼性がさらに高めることができる。
【００３９】
なお、本実施の形態においては、アルミニウムを主成分とする電極として、Ａｌ配線を用いたが、純Ａｌ以外の電極として、９９．５Ａｌ−０．５Ｃｕ、９９．０Ａｌ−１．０Ｃｕ、９９．５Ａｌ−０．５Ｓｉ、９９・０Ａｌ−１．０Ｓｉ、９９．０Ａｌ−０．５Ｓｉ−０．５Ｃｕ（ｗｔ％）などのような配線を用いても同様の効果が得られる。
【００４０】
また、本実施の形態においては、ワイヤ材料として純銅を用いたが、９９．５Ｃｕ−０．５Ｐｄ，９９．０Ｃｕ−１．０Ｐｄ、９９．５Ｃｕ−０．５Ｐｔ、９９．０Ｃｕ−１．０ＰｔなどのＣｕを主成分とした合金ワイヤや、Ｐｄなどの貴金属めっきを施したＣｕを主成分とするワイヤを用いても同様な効果が得られる。
【００４１】
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は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でのすべての変更が含まれることが意図される。
【産業上の利用可能性】
【００４２】
この発明は、マイコンやパワートランジスタなど能動素子近傍にワイヤボンド用の電極が形成された半導体装置に特に有利に適用され得る。
【符号の説明】
【００４３】
１  Ａｌボンディングパッド、２  半導体素子、３  Ａｌ配線、４  レジスト、５  Ｃｕ−Ａｌ化合物層、６  Ｃｕワイヤ、７  ボール部、８  ツール。
【図１】
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【図２】
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