(57)【要約】【課題】ワイヤとバンプに用いる金属材料のヤング率の差を小さくすることで、ワイヤボンディングによるバンプの下地の半導体素子へ与えるダメージを軽減することが可能となるワイヤボンディング構造を得る。【解決手段】銅または銅合金を材料として、所定のボンディング領域１０に形成されたバンプ５４と、銅または銅合金を材料として、バンプ５４のボンディング領域１０に接する面の反対面側に接続されたワイヤ６とを備えたワイヤボンディング構造。【選択図】図１
2014022692.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
銅または銅合金を材料として、所定のボンディング領域に形成されたバンプと、
銅または銅合金を材料として、前記バンプの前記ボンディング領域に接する面の反対面側に接続されたワイヤと、
を備えたワイヤボンディング構造。
【請求項２】
前記バンプおよび前記ワイヤに用いられる銅または銅合金は、ヤング率が６０〜９０ＧＰａであることを特徴とする請求項１記載のワイヤボンディング構造。
【請求項３】
前記バンプは、前記バンプの前記ボンディング領域に接する面の反対面側に酸化防止膜を有することを特徴とする請求項１または請求項２記載のワイヤボンディング構造。
【請求項４】
前記バンプは、前記ボンディング領域の一部に形成されたことを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項記載のワイヤボンディング構造。
【請求項５】
銅または銅合金を材料として、所定のボンディング領域にバンプを形成する工程と、
酸化しない雰囲気中で、銅または銅合金を材料として、前記バンプの前記ボンディング領域に接する面の反対面側にワイヤを接続する工程と、
を備えたワイヤボンディング方法。
【請求項６】
前記バンプの前記ボンディング領域に接する面の反対面側に形成された酸化膜を除去する工程とを備えることを特徴とする請求項５記載のワイヤボンディング方法。
【請求項７】
前記バンプの前記ボンディング領域に接する面の反対面側に酸化防止膜を形成する工程とを備えることを特徴とする請求項５または請求項６の記載のワイヤボンディング方法。
【請求項８】
マスク材により選択的に前記ボンディング領域の一部に前記バンプを形成する工程とを備えることを特徴とする請求項５ないし請求項７のいずれか１項に記載のワイヤボンディング方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、半導体素子に関わるワイヤボンディング構造およびその方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体装置の製造工程において、半導体素子と実装基板との接続方法として、ワイヤボンディング方法は非常に汎用的な方法である。このワイヤボンディング方法には、ウェッジボンディング法とボールボンディング法という方法があるが、なかでも生産性に優れたボールボンディング法はＩＣ（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ−Ｃｉｒｃｕｉｔ）やＬＳＩ（Ｌａｒｇｅ−Ｓｃａｌｅ−Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ−Ｃｉｒｃｕｉｔ）によく使用されてきた。
【０００３】
従来のワイヤボンディング法においては、接続端子（半導体素子）上のボンディング領域に、ワイヤを用いて形成されたボール部を圧着し、その後、このボール表面に冶具を押圧し、熱あるいは超音波の印加により平坦にしてバンプを形成する。バンプ形成後、別の金属ワイヤを用いて、そのバンプ上に加圧ボンディングすることでワイヤを形成する（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第３２６２６５７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
このボールボンディング法では、ワイヤとして主に金線が使用されている。金（Ａｕ）は延性展性に富み細線化が容易であり、拡散しやすいため熱圧着で金属接合形成ができる。また、金は貴金属であるため、ほとんどの薬品に腐食されず信頼性も高い。このように、ボンディング特性の優れた材料であるが、高価であり、半導体用材料としては、価格面がネックとなっていた。
【０００６】
このような金の代替材料として、銅（Ｃｕ）を用いたワイヤの検討が進められている。銅は金と比較して、価格が安く導電性や熱伝導性に優れ、融点も高いので、高耐熱性が必要とされるパワー半導体デバイスのモジュールにおいても注目されている。一方で銅は金と比較して耐薬品性に劣り、空気中で容易に酸化されやすいため、そのままではＦＡＢ（Ｆｒｅｅ−Ａｉｒ−Ｂａｌｌ）が形成されず、熱圧着などによる金属間接合の形成が阻害される。また、ヤング率が高く、金に比べて硬いので、バンプおよびバンプの下地の半導体素子へのボンディングによりダメージを与える可能性が懸念され、これらが欠点と考えられていた。
【０００７】
ボンディングは固相拡散接合であり、金属同士の接合面間で生じる原子の拡散を利用するため、接合を行う面の表面状態が接合に影響を及ぼす。従来のワイヤボンディング方法においては、バンプを形成する金属ワイヤの硬度は、バンプ上にボンディングする金属ワイヤおよび外部へ信号を取り出す接続端子上のボンディング領域の硬度と等しいか、それよりも低いものとするとなっている。
【０００８】
しかし、従来の銅を用いたワイヤボンディング方法では、所望の硬度の金属ワイヤを選択してワイヤボンディング方法でバンプを形成後、冶具による表面の押圧および熱あるいは超音波を印加するため、バンプ表面が変質し硬度が変化するので、所望の硬度を保持することが困難である。
【０００９】
従来のワイヤボンディング構造では、バンプ表面を加工した後に、再度ワイヤボンディングを行うため、ワイヤボンディング時の圧着によるバンプ表面へダメージが形成され、このダメージがバンプの突き抜けやバンプの下地の半導体素子へと影響するという課題があった。
【００１０】
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、ワイヤとバンプに用いる金属のヤング率の差を小さくすることで、ワイヤボンディング時の圧着によるバンプの突き抜けやバンプの下地の半導体素子へのダメージを軽減することが可能となるワイヤボンディング構造を得るものである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
この発明に係るワイヤボンディング構造は、銅または銅合金を材料として、所定のボンディング領域に形成されたバンプと、銅または銅合金を材料として、前記バンプの前記ボンディング領域に接する面の反対面側に接続されたワイヤとを備えたものである。
【発明の効果】
【００１２】
この発明は、ワイヤとバンプに、銅または銅合金を材料として用いることで、ワイヤボンディング時の圧着によるバンプの突き抜けやバンプの下地の半導体素子へのダメージを軽減することが可能となるワイヤボンディング構造を得るものである。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】この発明の実施の形態１におけるバンプ形成およびワイヤボンディングプロセスフローを示す断面工程図である。
【図２】この発明の実施の形態１における金属ワイヤおよび金属バンプのヤング率の違いによるワイヤボンディング接合の可否を示す一覧表である。
【図３】この発明の実施の形態３におけるバンプ形成およびワイヤボンディングプロセスフローを示す断面工程図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１におけるバンプ形成およびワイヤボンディングプロセスフローを示す断面工程図である。ちなみにここでのバンプとは電気的接続を行う際の素子側の端子を意味し、パッドと呼ばれるものも含むこととする。まず始めに、図１（ａ）に示すように、半導体素子１の一方の面に設けられたボンディング領域１０上に、銅膜４とボンディング領域１０との密着性向上および銅膜４の拡散防止のための下地膜２を形成する。特に図示していないが、半導体素子１の一方の面側には、動作させるための電極パターン等が形成されている。
【００１５】
下地膜２の材料としては、タンタル（Ｔａ）、チタン（Ｔｉ）、クロム（Ｃｒ）およびこれら材料の化合物が用いられる。下地膜２形成後、下地膜２の表面に、マスク材であるレジスト３を用いてバンプ形成領域のパターンを形成する。
【００１６】
次に、図１（ｂ）に示すように、電解メッキ法により、銅膜４を成膜する。銅膜４の膜厚は、成膜およびワイヤボンディング時の銅ワイヤ６との圧着のしやすさを考慮して、３〜４０μｍとする。
【００１７】
次に、図１（ｃ）に示すように、レジスト３除去後、銅膜４をマスクとして下地膜２をエッチングすることでバンプ５４が形成される。
【００１８】
バンプ５４形成後、図１（ｄ）〜図１（ｆ）に示すように、ボンディング装置によりワイヤボンディングが行われる。ここで、ボンディングに使用するワイヤ径は市販されている８０μｍ以下とする。図１（ｄ）に示すように、ボンディング装置のキャピラリー７内を銅ワイヤ６が降下して、銅ワイヤ６の先端に放電によりボール部５は形成される。図１（ｅ）に示すように、ボール部５は、バンプ５４上の銅膜４に超音波熱圧着により接合され、ボール部５は圧着されたボール部１５に変形する。図１（ｆ）に示すように、キャピラリー７を移動させることで、ワイヤボンディングが終了する。
【００１９】
ワイヤボンディング方法である超音波熱圧着とは、熱と荷重に加え、超音波を併用することにより、低温（１００〜２５０℃程度）で接合形成を可能にするボンディング方法である。
【００２０】
なお、図１（ｄ）〜図１（ｆ）のプロセスはすべて酸化しない雰囲気において実施する。ここで、酸化しない雰囲気とは、不活性あるいは還元性雰囲気のことであり、例えばアルゴンや窒素などの不活性ガスと５％以下の水素を混合させたガス中におくことである。
【００２１】
図２は、この発明の実施の形態１における金属ワイヤおよび金属バンプのヤング率の違いによるワイヤボンディング接合の可否を示す一覧表である。図２において、実用的な信頼性が確保可能である良好な金属接合形成が可能な場合を○、ワイヤボンディング時の圧着によるバンプ突き抜けやバンプの下地の半導体素子へのダメージ等の何らかの接合不良が発生する場合を×とした。また、ヤング率は、ボンディング構造を形成した状態で測定されたものではなく、それぞれの部分に用いている材料として測定された値である。
【００２２】
図２より、金属のヤング率と金属接合形成の関係において、銅ワイヤと銅バンプのヤング率がそれぞれ６０〜９０ＧＰａである場合、ワイヤボンディング時の圧着によるワイヤのバンプ膜突き抜けやバンプの下地の半導体素子へのダメージの発生が抑制される。また、この銅ワイヤと銅バンプのヤング率が６０〜９０ＧＰａである場合、銅の表面酸化の状態もほぼ同じとなり、接合形成時に表面酸化膜の除去が容易に行われるために、良好な接合形成が可能となる。
【００２３】
しかしながら、ヤング率が銅ワイヤ＞銅バンプの場合、銅ワイヤの方が硬いために、バンプ膜の突き抜け不良が発生しやすい。また、銅ワイヤ、銅バンプのヤング率が９０ＧＰａ以上と硬い場合、接合形成のために大きなエネルギーが必要となるため、超音波熱圧着により、バンプの下地の半導体素子へのダメージが発生する可能性がある。
【００２４】
さらに、従来構造であるアルミニウムバンプを用いた場合においても、良好な接合形成はできていない。これは、アルミニウムと銅との材料物性の違いによるもので、それぞれの材料の表面に形成される表面酸化膜の硬度が違うために、接合形成面における表面酸化膜の除去が不完全であり、良好な接合が形成されていないと考えられる。また、銅は金よりも硬いために、ヤング率が銅ワイヤ＞アルミニウムバンプの場合は、バンプに比較的柔らかいアルミニウムを用いると、このアルミニウムで形成されたバンプの突き抜けやアルミニウムが飛散するアルミスプラッシュ等が発生する。
【００２５】
バンプ膜の突き抜けが発生した場合、ワイヤをバンプに圧着するための力により、バンプの下地の半導体素子へダメージが加わり半導体素子特性が劣化する。また、アルミスプラッシュが発生した場合、銅ワイヤとアルミニウムバンプとの金属接合は形成されるが、このアルミスプラッシュの発生によって、バンプ周囲へ飛散したアルミニウムにより半導体素子表面側に形成されている配線パターン間のショートの原因となり、その結果として、半導体素子としての動作自体に不具合を生じてしまう。そのため、ヤング率が同じであっても、銅ワイヤを用いた場合にバンプ材料としてアルミニウムを使用するのは難しい。さらに、ヤング率が銅ワイヤ≦アルミニウムバンプの場合は、アルミスプラッシュの発生は抑制されるが、銅とアルミ間の化合物の生成速度が遅いため、銅の酸化された領域を巻き込むとボイドとなり、未接合領域を形成し、接合強度の低下の要因となる。
【００２６】
この原因としては、銅ワイヤに対するバンプ材料であるアルミニウムと銅とで、それぞれの材料の降伏応力（耐力）の違いの影響が考えられる。銅の降伏応力に比べてアルミニウムの降伏応力は小さいために、ワイヤボンディング時のワイヤ形成による圧着するための力の影響は降伏応力の小さなアルミニウムバンプの方が大きくなり、バンプ自身やバンプ下地の半導体素子へ影響が加わる。
【００２７】
以上より、金属のヤング率において、銅バンプおよび銅ワイヤのヤング率が６０〜９０ＧＰａの場合に良好な接合が形成されることがわかる。この理由としては、市販されている銅ワイヤのうち、一般の銅ワイヤのヤング率が１００ＧＰａ以上であるのに対し、本発明で用いた銅ワイヤは、比較的軟らかくヤング率は６０〜９０ＧＰａ程度である。そして、この銅ワイヤと同等レベルの軟らかい銅バンプと組合せることにより、超音波熱圧着により銅膜４および、銅ワイヤのボール部５の表面が擦れ合って変形し、銅ワイヤおよび銅バンプ表面に形成された酸化膜が押しのけられる、あるいは酸化膜が破れることで銅と銅との新生面での接合が行われる。また、バンプ５４のうち銅膜４の膜厚が３〜４０μｍと比較的厚いため、ワイヤボンディング時の圧着によるワイヤのバンプ突き抜けやバンプの下地の半導体素子へのダメージを回避できる。
【００２８】
以上のように構成されたワイヤボンディング構造においては、ワイヤとバンプとに銅を用い、且つそれぞれのヤング率を６０〜９０ＧＰａとすることで、ワイヤボンディング時の圧着によるバンプの突き抜けやバンプ下地の半導体素子へのダメージ発生を抑制することが可能となる。
【００２９】
なお、本実施の形態１では、バンプの形成方法として、電解メッキ法により銅膜４を形成しているが、この方法に限定されるものではなく、ヤング率が６０〜９０ＧＰａの範囲である銅膜４が形成できれば、スパッタ法、蒸着法などで形成しても良い。
【００３０】
ワイヤボンディング法としては、ボールボンディング法を例に説明したが、本実施の形態１の銅バンプと銅ワイヤの構成であれば、ボールボンディング法以外のボンディング法においても同様の効果が期待できる。また、ワイヤ径８０μｍ以上のものについては、ワイヤ径に応じてボンディング方法を変更することにより、同様の効果が期待できる。さらに、銅は、アルミニウムと比較しても、低抵抗で熱伝導もよく融点も高いことから、半導体素子の信頼性の観点において優位な点が多く、例えば炭化珪素（ＳｉＣ）素子の高温環境での駆動の場合にも適用可能である。
【００３１】
実施の形態２．
本実施の形態２におけるバンプ形成およびワイヤボンディングプロセスフローは図１に示したものと基本的に同じであるが、図１（ｃ）のバンプ５４形成時に、バンプ５４の銅膜４の膜表面に形成された自然酸化膜除去処理を行うことが、実施の形態１と異なる。
【００３２】
この自然酸化膜の除去方法としては、例えばアルゴン（Ａｒ）プラズマを用いたドライエッチング処理が考えられる。このＡｒプラズマ処理を行うことで、銅膜４表面に形成された自然酸化膜がエッチング除去され、銅膜４の新生な表面が露出される。
【００３３】
ただし、この銅膜４表面に形成された自然酸化膜の除去方法としては、アルゴンプラズマ処理以外であっても、蟻酸を用いた還元反応処理などで数ｎｍ程度の薄い酸化膜を除去できる方法であれば適用可能であり、ここに記載した方法に限定されるものではない。
【００３４】
また、この自然酸化膜除去処理後に実施する図１（ｄ）〜図１（ｆ）に示したワイヤボンディングプロセスは、酸化されない雰囲気において実施するためバンプ５４の表面は酸化されにくく、ワイヤのボール部との超音波熱圧着により良好な接合が形成可能となる。
【００３５】
以上のように構成されたワイヤボンディング構造においては、ワイヤボンディング処理時に、バンプ５４の銅膜４の膜表面に形成された自然酸化膜除去処理を行うことで、銅膜４表面に形成された自然酸化膜がエッチング除去され、銅膜４の新生な表面が露出される。これにより、銅ワイヤ６と銅膜４の新生な表面とで接合が形成され、銅ワイヤ６と銅膜４とが、より良好な接合を形成することが可能となる。
【００３６】
実施の形態３．
図３は、この発明の実施の形態３におけるこの発明の実施の形態３におけるバンプ形成およびワイヤボンディングプロセスフローを示す断面工程図である。本実施の形態３におけるバンプ形成およびワイヤボンディングプロセスフローは図１に示したものと基本的に同じであるが、図１（ｂ）の電解メッキ処理による銅膜４形成後に、引き続き図３（ｂ）に示すように薄い酸化防止膜を形成することが、実施の形態１、２と異なる。
【００３７】
図３（ｂ）に示したように、電解メッキにより銅膜４形成後、引き続き酸化防止膜１４であるパラジウム膜をメッキ法にて、銅膜４上に形成する。銅膜４の表面を薄いパラジウムで覆うことで、銅膜４の表面酸化を防止することが可能となる。酸化防止膜１４であるパラジウム膜の膜厚は５０ｎｍ未満とする。また、超音波熱圧着により、銅ワイヤのボール部と銅バンプ表面とが擦れ合うことで、銅バンプ表面の酸化防止膜１４であるパラジウム膜は破れ、あるいは接合の形成部分から横へ動いて銅膜４の新生面が露出し、銅ワイヤと銅バンプの接合が可能となる。さらに、銅膜４の表面に形成した酸化防止膜１４であるパラジウム膜が残存した状態で金属接合が形成されても良い。
【００３８】
以上のように構成されたワイヤボンディング構造においては、酸化防止膜１４を形成し、銅膜４の表面酸化を防止することで、バンプ５４形成後から、銅ワイヤ７を用いたワイヤボンディング処理までのストレージ時間を大幅に長くすることが可能となる。これにより、銅膜４の表面酸化の影響を考慮する必要が無く工程管理を容易に実施することが可能となる。
【００３９】
なお、酸化防止膜として、パラジウム（Ｐｄ）を例としてあげているが、これに限定されるものではなく、ニッケル（Ｎｉ）などでも、同様な効果が期待できる。また、防錆剤、防食剤として使用される複素環状化合物である、例えばベンゾトリアゾールなどの有機膜でも同様の効果を得ることが可能である。さらに、実施の形態２のような酸化膜除去処理をおこなった後で、本実施の形態３のような酸化防止膜を形成しても良い。
【符号の説明】
【００４０】
１  半導体素子、２  下地膜、３  レジスト、４  銅膜、５  銅ワイヤのボール部、６  銅ワイヤ、７  ボンディング装置のキャピラリー、１０  ボンディング領域、１４  酸化防止膜（パラジウム膜）、１５  圧着されたボール部、５４  バンプ。
【図１】
2014022692.tif 000003
【図２】
2014022692.tif 000004
【図３】
2014022692.tif 000005