(57)【要約】【課題】ツール先端が半導体素子の電極表面に接触することなく、接合部に十分な超音波エネルギーを印加した製造が可能となるようにする。【解決手段】例えば、チタン層の上にアルミニウム層を形成した電極に、超音波振動を与えながら銅線をボンディングツール１０により接合する場合で、ツール先端１１，１２の中央部に超音波振動方向に長くなる溝１１ｂ，１２ｂを設けると共に、この溝１１ｂ，１２ｂ内には１つの中央凸部１４又は凹部１５を形成し、この中央凸部１４又は凸部１６の上面を平面にしたボンディングツール１０を用い、上記ツール先端１１，１２を銅線に食い付かせながら超音波振動による接合を行う。これにより、ピュアなアルミニウムを接合部の外へ掻き出し、電極とチタン層と銅線との間に、銅−アルミニウム化合物を形成する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面に所定の金属層を形成した電極に対し、超音波振動を与えながら銅線をボンディングツールにより接合する半導体装置の製造方法において、
上記ツール先端の中央部に超音波振動方向に長くなる溝を設けたボンディングツールを用い、このボンディングツールの溝を上記銅線に食い付かせながらこの溝の長手方向に沿って超音波振動を与えることを特徴とするボンディングツールを用いた半導体装置の製造方法。
【請求項２】
上記電極表面の金属層をアルミニウム層とし、このアルミニウム層中のアルミニウムを接合部外へ掻き出しながら上記銅線と上記電極のアルミニウム下層の金属との間に、銅−アルミニウム化合物を形成したことを特徴とする請求項１記載のボンディングツールを用いた半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は半導体装置の製造方法、特に銅太線をボンディングツールにより半導体素子の電極に接合するための半導体装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、半導体装置における半導体素子とリード線や回路基板との間の配線は、アルミニウム線を用いたワイヤボンディングで行われており、半導体素子の電極表面に形成されたアルミニウムや金の材料に対してアルミニウム線が接合・接続される。
【０００３】
一方、近年では、熱伝導率、電気伝導率等において有利となる銅線を用いてワイヤボンディングすることが提案され、半導体素子の電極表面に形成されたアルミニウム材や銅材に対して銅線を接続することが行われる。一般に、この銅線には径（直径）７５μｍ以下の細径線と径７５μｍ以上の太径線があり、細径線の場合はボールボンディング技術によって配線され、太径線の場合はウエッジボンディング技術によって接合される。
【０００４】
このウエッジボンディングに使用されるツールはウエッジツールと言われ、一般的にツール先端は、図２（Ｂ）のように９０度前後の角度の開口を持つ形状（ツール先端１）となっている。そして、ワイヤボンディングでは、このツール先端で銅線を電極に圧接しかつ超音波振動を与えることで、銅線が半導体素子の電極に接合され、結線される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１２−１５２６３号公報
【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、超音波振動を利用した製造方法で径７５μｍ以上の銅線をウエッジボンディングする場合、銅線の材料特性とワイヤボンディング条件によっては、ツール先端が半導体素子の電極表面に接触し、接合部への超音波エネルギーを阻害することとなり、未接合を発生させるという問題点があった。
【０００７】
一般的に使用されているアルミニウム線のウエッジボンディングの場合は、接合部に超音波エネルギーを印加した際、アルミニウム線が接合部から広がりツール先端下にアルミニウムが配置されるので、ツール先端がアルミニウム線に接触することはなかった。ところが、銅線のウエッジボンディングの場合、接合部に超音波エネルギーを印加しても銅線は接合部から広がらず、ツール先端下に銅が適切に配置されない。この結果、ツール先端が半導体素子の電極表面に接触し、超音波（振動）エネルギーによる接合が良好に行われなかった。
【０００８】
この問題点の対策として、例えばツール先端を削ったり、図２（Ｂ）のツール先端１の開口角度を広げたりすることで、半導体素子電極面とツールの距離を広げ、ツール先端と電極表面との接触を防ぐ方法が行われるが、この場合には、接合部に十分な超音波エネルギーを印加することができないという問題がある。
【０００９】
一方、銅線の硬度を上げることで、銅線の変形を最小限とし、ツール先端と電極表面との接触を防ぐ方法もあるが、この場合、半導体素子へのダメージの懸念が大きくなる。
【００１０】
また、本出願人は、銅太線のワイヤボンディングにおいて、半導体素子の電極として例えばチタン層の上にアルミニウム層を形成し、チタン層と銅線（ワイヤ）との間に、銅−アルミニウム化合物を形成することで、強固な接合強度、高耐熱化を図ることを提案している。しかし、この場合でも、超音波エネルギーが十分に与えられない結果、銅線とチタン層（アルミニウム下層）との間にピュアなアルミニウムが残り、良好な接合状態が得られないという不都合があった。
【００１１】
本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、ツール先端が半導体素子の電極表面に接触することなく、接合部に十分な超音波エネルギーを印加した製造が可能となり、銅太線においても強固な接合ができるボンディングツールを用いた半導体装置の製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記目的を達成するために、請求項１に係る発明は、表面に所定の金属層を形成した電極に対し、超音波振動を与えながら銅線をボンディングツールにより接合する半導体装置の製造方法において、上記ツール先端の中央部に超音波振動方向に長くなる溝を設けたボンディングツールを用い、このボンディングツールの溝を上記銅線に食い付かせながらこの溝の長手方向に沿って超音波振動を与えることを特徴とする。
請求項２に係る発明は、上記電極表面の金属層をアルミニウム層とし、このアルミニウム層中のアルミニウムを接合部外へ掻き出しながら上記銅線と上記電極のアルミニウム下層の金属との間に、銅−アルミニウム化合物を形成したことを特徴とする。
【００１３】
本発明の構成によれば、超音波振動方向に沿った溝を持つツール先端が銅線に食い付くように圧接され、この状態で超音波振動を与えることで、溝部分から接合部に超音波エネルギーが十分に印加されることになり、例えば電極上面のピュアなアルミニュウムが溝の長手方向の両端から接合部外へ掻き出され、銅−アルミニウム化合物が形成されることで、銅線（ワイヤ）は半導体素子電極に強固に接合される。
【発明の効果】
【００１４】
本発明のボンディングツールを用いた半導体装置の製造方法によれば、ツール先端が半導体素子の電極表面に接触することなく、接合部に十分な超音波エネルギーを印加した製造ができ、特に径７５μｍ以上の太線において、強固な接合、結線が可能となる。また、銅線の材料特性によらず、ボンディングできることから、半導体素子へのダメージのリスクも減らすことができ、銅線材料硬度の選定の必要がない。
【００１５】
請求項２の発明のように、表面にアルミニウム層を有する電極に銅線を接合する場合では、径７５μｍ以上の銅太線であっても、接合領域にピュアなアルミニウムを残すことなく、銅線とアルミニウム下層金属との間に、アルミニウムと銅の金属間化合物が良好に形成され、強固な接合強度、高耐熱化が得られるという利点がある。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の実施例に係る半導体装置の製造方法で用いられるボンディングツールの構成を示し、図（Ａ）はツール先端の第１例の構成図［（ａ）は先端面、（ｂ）は側面］、図（Ｂ）はツール先端の第２例の構成図［（ａ）は先端面、（ｂ）は側面］、図（Ｃ）はボンディングツールの先端側の一部を示す斜視図である。
【図２】実施例と従来のツール先端の相違を説明するもので、図（Ａ）は、図１（Ｂ）の第２例におけるツール先端の断面を示す図、図（Ｂ）は、従来のツール先端の断面図である。
【図３】実施例のボンディングツールで銅線を電極に接合する時のイメージを示し、図（Ａ）は、ツール先端の第１例を用いた場合の図、図（Ｂ）は、ツール先端の第２例を用いた場合の図である。
【図４】実施例の半導体装置の製造方法における接合部の断面構成を示す図である。
【図５】ツール先端がワッフルタイプとなるボンディングツールを用いた場合を説明したもので、図（Ａ）はツール先端の構成図、図（Ｂ）は接合時のイメージ図、図（Ｃ）は接合部の断面構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
図１は、実施例で用いられるボンディングツールの構成であり、図１（Ａ），（Ｂ）には、図１（Ｃ）のボンディングツール（ウエッジツール）１０のツール先端（面）１１（第１例），１２（第２例）が示されている。図１（Ａ）の第１例のツール先端１１は、両端（縁）に端側凸部（土手部）１１ａが設けられることで、その中央部に超音波印加による振動方向５０に沿って長くなる溝１１ｂが形成される。また、この溝１１ｂの中には、上面が平面となる１つの凸部１４（その他は凹部となる）が設けられる。即ち、ツール先端１１は、両端の端側凸部１１ａが最も隆起し、超音波振動方向５０に沿った溝１１ｂ内には中央凸部１４を有し、この溝１１ｂの長手方向の端部は開放される。上記溝１１ｂは、ボンディングされる銅線（金属ワイヤ）に食い付いてこの銅線をしっかり把持、固定する役目をし、また中央凸部１４も、銅線への食い付きを補強し向上させる役目をする。
【００１８】
図１（Ｂ）の第２例のツール先端１２でも、両端に端側凸部（土手部）１２ａが設けられることで、その中央部に超音波振動方向５０に沿って長くなる溝１２ｂが形成され、この溝１１ｂの中には、凹部１５が形成されることで、上面が平面となる２つの凸部１６が設けられる。即ち、ツール先端１２は、両端の端側凸部１２ａが最も隆起し、超音波振動方向５０に沿った溝１２ｂ内には２つの凸部１６を有し、この溝１２ｂの長手方向の端部は開放される。この溝１２ｂにおいても、ボンディングされる銅線に食い付いてこの銅線をしっかり把持、固定する役目をし、また凹部１５も銅線への食い付きを補強し向上させる役目をする。
【００１９】
図２（Ａ）には、図１（Ｂ）のツール先端を振動方向５０から見た断面が示されており、実施例では、このツール先端１２のように、溝１２ｂ内における銅線を圧接する先端面を平面とすることが好ましく、図１（Ａ）においては、凸部１４の上面を平面とし、図１（Ｂ）においては、凸部１６の上面を平面とすることで、超音波振動（エネルギー）が所望の範囲においてシンプルな形で効率良く接合部へ印加されるようにしている。即ち、図２（Ｂ）に示されるように、従来において径７５μｍ以上のアルミニウム線を結線する際に使用されるボンディングツールのツール先端１では、９０度前後の角度で開口し、隅部（縁部）が尖った形状とされているが、このような形状の場合、ツール先端１の下に銅が配置されないため、接合部に十分な超音波エネルギーを印加することができない。
【００２０】
そこで、実施例では、ツール先端１１，１２において、溝１１ｂ，１２ｂを銅線に食い付かせると共に、銅線を主に押える面、即ち凸部１４，１６を平面とすることで、このツール先端１１，１２から超音波振動を接合部へ良好に伝達するようにしている。
【００２１】
図３には、実施例のボンディングツール［図（Ａ）は第１例、図（Ｂ）は第２例］で銅線１８を電極１９に接合する時（銅線中央部）の状態が示されており、第１例のツール先端１１の場合は、溝１１ｂが銅線１８に食い付くと共に、図３（Ａ）に示されるように、凸部１４にて溝Ｇａを作ることで、銅線１８に食い付き、主にこの溝Ｇａ（凸部１４）から接合部に超音波を与えることができる。第２例のツール先端１２の場合は、溝１２ｂが銅線１８に食い付くと共に、図３（Ｂ）に示されるように、凹部１５にて凸部Ｇｂを作ることで、銅線１８に食い付き、主にこの凸部Ｇｂの両側（凸部１６）から接合部に超音波を与えることができる。
【００２２】
このような実施例によれば、ツール先端１１，１２で銅線１８を確実に圧接しながら、超音波振動を溝１１ｂ，１２ｂの長手方向に沿って与える（振動方向５０と溝の長手方向を一致させる）ことで、超音波振動を接合部に対し効率良く十分に供給することができ、銅線１８が電極１９に強固な状態で接合される。例えば、電極の上面金属と銅線との化合物を形成する場合には、上面のピュアな金属を接合部の外（振動方向５０の外側）へ掻き出しながら、上面金属と銅線の化合物を形成することができる。
【００２３】
図３（Ａ），（Ｂ）から分かるように、第２例のツール先端１２は、第１例に比べて先端面１２ａの振動方向５０での面積が広いことから、超音波振動を印加する領域が広くなるので、第２例のツール先端１２は接合エリアが広い場合、第１例のツール先端１１は接合エリアが比較的狭い場合に適用される。
【００２４】
図４には、実施例において、所定の金属層（例えばチタン層）の上にアルミニウム層を形成した電極１９に、例えば第１例のツール先端１１を用い、銅線１８を接続した場合の接合状態（断面構成）が示されており、この図４に示されるように、電極１９のアルミニウム下層金属（チタン層）１９ｔと銅線１８との間には、ピュアなアルミニウムが存在しない結果となった。即ち、図示していないが、銅線１８と電極１９との間には（図の銅線１８側に）、１００ｎｍ程度の厚さの銅−アルミニウム化合物（金属間化合物）が形成されると共に、この化合物形成に貢献しないピュアなアルミニウムは、接合部の外へ掻き出される。
【００２５】
図１（Ａ）の第１例のツール先端１１では、図３（Ａ）で示されるように、接合部の中央部から超音波が与えられるので、アルミニウムを接合部の外（超音波振動方向５０の外側）へ掻き出し易く、図１（Ｂ）の第２例のツール先端１２でも、図３（Ｂ）に示されるように、超音波振動が広いエリアに伝わることから、接合エリアが広い場合でも、良好な接合が可能となる。なお、この図３（Ｂ）の場合、ピュアなアルミニウムが接合中心部に僅かに残ることがあるが、接合の信頼性の評価に影響しない程度であった。
【００２６】
図５には、ツール先端がワッフルタイプとなるボンディングツールを用い、図４の場合と同様に下層金属（チタン層）の上にアルミニウム層を形成した電極１９に銅線１８を結線するワイヤボンディングが示されており、このワッフルタイプのツール先端２１は、図５（Ａ）のように、菱形の凸部２２と凹部２３から構成されるが、このツール先端２１を用いると、接合時には、図５（Ｂ）のように、超音波の印加点を接合内部に多数個持つことになる。そのため、ピュアなアルミニウム２４が接合部外に掻き出されず、図５（Ｃ）の断面構成のように、電極１９のアルミニウム下層金属（チタン層）１９ｔと銅線１８との間に、ピュアなアルミニウム２４が残る結果となった。
【００２７】
実施例によれば、ツール先端１１，１２の中央部に超音波振動方向５０に長くなる溝１１ｂ，１２ｂを設け、またこの溝内の超音波振動方向の中央部に１つの凸部１４又は凹部１５を形成したウエッジツールを用い、このツール先端１１，１２を銅線１８に食い付かせながら超音波振動による接合を行うので、強固な接合強度が得られ、耐熱化を強化した接合が実現可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００２８】
本発明は、パワーエレクトロニクスを使用する分野への利用が可能である。近年、電気自動車、スマートグリット、産業機器関係から低炭素社会実現に向けた高温動作保証の要求が強く、高温動作で長期信頼性を満足する研究が盛んに行われており、このような要求に期待できる技術として、銅太線ボンディング技術があり、この銅太線ボンディング技術として使用できる。
【符号の説明】
【００２９】
１，１１，１２，２１…ツール先端、
１０…ボンディングツール（ウエッジツール）、
１１ａ，１２ａ…端側凸部（土手部）、
１１ｂ，１２ｂ…溝、
１４，１６，２２…凸部、１５，２３…凹部、
１８…銅線、            １９…半導体素子の電極、
１９ｔ…アルミニウム下層金属（チタン層）、
２４…ピュアなアルミニウム、
５０…超音波振動方向。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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