(57)【要約】【課題】  スタッドバンプの形成やワイヤボンディングによる接合を行うにあたって、電極上に金属ボールを固着するための方法において、半導体素子へのストレスを軽減する。【解決手段】  電極４の表面にプラズマを照射して、該表面を浄化し、さらに活性化して新生面を露出させる（ａ）とともに、ワイヤ６の先端部をスパークして金属ボール５を形成する際に、スパーク電圧やスパーク電流を調整して結晶粒を大径化して軟らかくした後（ｂ）、金属ボール５を電極４の表面に押圧して接合する（ｃ）。その後、ワイヤ６をプルカットしてスタッドバンプ２を形成し（ｄ）、または基板８へワイヤボンディングを行う（ｅ）。したがって、スパークから瞬時に形成される金属ボール５表面の酸化膜や付着物による殻を破り、金属ボール５の新生面を露出させ、電極４の新生面と一体化させることができ、接合に熱や超音波を加える必要はなく、半導体素子へのストレスを軽減できる。【選択図】      図１
2006332152.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体素子の実装にあたって、電極上に金属ボールを固着するための方法において、
前記電極の表面を活性化させる工程と、
前記金属ボールの結晶粒を大径化させる工程と、
前記金属ボールを前記電極の表面に押圧して接合する工程とを含むことを特徴とする半導体素子の実装方法。
【請求項２】
前記電極の表面を活性化させる工程は、プラズマ照射であることを特徴とする請求項１記載の半導体素子の実装方法。
【請求項３】
前記金属ボールの結晶粒を大径化させる工程は、ワイヤ先端部をスパークして前記金属ボールを形成する際に、スパーク電圧やスパーク電流を調整することで実現することを特徴とする請求項１または２記載の半導体素子の実装方法。
【請求項４】
前記半導体素子は、ＭＥＭＳチップであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体素子の実装方法。
【請求項５】
前記電極の表面および金属ボールを金で形成することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の半導体素子の実装方法。
【請求項６】
前記接合の工程を、還元ガス雰囲気中で行うことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の半導体素子の実装方法。
【請求項７】
全工程を、真空雰囲気または不活性ガス雰囲気中で行うことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の半導体素子の実装方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体素子の実装方法に関し、特に半導体素子の実装にあたってのスタッドバンプの形成やワイヤボンディングによる接合方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来では、上記スタッドバンプの形成やワイヤボンディングによる接合を行う際には、たとえば特許文献１で示されるように、ワイヤをスパークして形成したスパークボールを、２００℃程度に加熱した半導体素子に、超音波を加えながら押圧することで接合が行われている。これは、通常、金バンプと半導体素子のアルミ電極との接合は、１５０℃以下では良好に行えないためである。
【特許文献１】特公平４−４１５１９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、上述の従来技術では、半導体素子に加わる熱や超音波がストレスとなり、半導体素子の特性を損なう可能性がある。具体的には、たとえばＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）チップに超音波を掛けると、微細な三次元構造の部分が破損してしまう。また、高温を掛けると、特性が変化してしまう。
【０００４】
本発明の目的は、実装にあたっての半導体素子へのストレスを軽減することができる半導体素子の実装方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の半導体素子の実装方法は、半導体素子の実装にあたって、電極上に金属ボールを固着するための方法において、前記電極の表面を活性化させる工程と、前記金属ボールの結晶粒を大径化させる工程と、前記金属ボールを前記電極の表面に押圧して接合する工程とを含むことを特徴とする。
【０００６】
上記の構成によれば、半導体素子の実装のためのスタッドバンプの形成やワイヤボンディングによる接合を行うにあたって、電極上に金属ボールを固着するための方法において、前記電極の表面にプラズマを照射するなどして該表面を活性化させる工程、およびワイヤ先端部をスパークして前記金属ボールを形成する際に、スパーク電圧やスパーク電流を調整するなどして前記の結晶粒を大径化して軟らかくする工程を、いずれかを先にして順次に、または平行して行い、その後、前記金属ボールを前記電極の表面に押圧して接合することで、スパークから瞬時に形成されてしまう前記金属ボール表面の酸化膜や付着物による殻を破り、該金属ボールの新生面を露出させ、電極の新生面と一体化させる。
【０００７】
したがって、スタッドバンプを形成したり、ワイヤボンディングを行うにあたって、金属ボールの電極への接合に、熱や超音波を加える必要はなく、実装にあたっての半導体素子へのストレスを軽減することができる。これによって、半導体素子およびそれを実装して成る半導体モジュールなどの半導体装置の信頼性を向上することができる。
【０００８】
また、本発明の半導体素子の実装方法では、前記半導体素子は、ＭＥＭＳチップであることを特徴とする。
【０００９】
上記の構成によれば、超音波や熱に弱い上記ＭＥＭＳチップには、本発明が特に効果的である。
【００１０】
さらにまた、本発明の半導体素子の実装方法は、前記電極の表面および金属ボールを金で形成することを特徴とする。
【００１１】
上記の構成によれば、接合強度をより高めることができる。
【００１２】
また、本発明の半導体素子の実装方法は、前記接合の工程を、還元ガス雰囲気中で行うことを特徴とする。
【００１３】
上記の構成によれば、金属ボールの材料に、銅や半田等の酸化する材料を使用することができる。
【００１４】
さらにまた、本発明の半導体素子の実装方法は、全工程を、真空雰囲気または不活性ガス雰囲気中で行うことを特徴とする。
【００１５】
上記の構成によれば、接合面の酸化や汚染を抑え、安定的な接合を実現することができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の半導体素子の実装方法は、以上のように、半導体素子の実装のためのスタッドバンプの形成やワイヤボンディングによる接合を行うにあたって、電極上に金属ボールを固着するための方法において、前記電極の表面にプラズマを照射するなどして、該表面を活性化させる工程、およびワイヤ先端部をスパークして前記金属ボールを形成する際に、スパーク電圧やスパーク電流を調整するなどして前記の結晶粒を大径化して軟らかくする工程を、いずれかを先にして順次に、または平行して行い、その後、前記金属ボールを前記電極の表面に押圧して接合することで、スパークから瞬時に形成されてしまう前記金属ボール表面の酸化膜や付着物による殻を破り、該金属ボールの新生面を露出させ、電極の新生面と一体化させる。
【００１７】
それゆえ、スタッドバンプを形成したり、ワイヤボンディングを行うにあたって、金属ボールの電極への接合に、熱や超音波を加える必要はなく、実装にあたっての半導体素子へのストレスを軽減することができる。これによって、半導体素子およびそれを実装して成る半導体モジュールなどの半導体装置の信頼性を向上することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
［実施の形態１］
図１は、本発明の実施の一形態に係る半導体素子の実装方法を説明するための図である。本実装工程は、シリコンチップなどの半導体素子１に対して、図示しない回路基板などへの実装のためのスタッドバンプ２を形成したり、ボンディングワイヤ３による接合を行うものであり、共に、半導体素子１の電極４に対して、金属ボール５を固着する工程を有する。
【００１９】
前記金属ボール５の電極４への固着の工程には、先ず図１（ａ）で示す前記電極４の表面にアルゴン等のプラズマを照射するなどして、該表面を活性化することで該表面を浄化し、さらに新生面を露出させる工程と、図１（ｂ）で示すワイヤ６の先端部をスパークして前記金属ボール５を形成する際に、スパーク電圧やスパーク電流を調整して結晶粒を大径化して軟らかくする工程とが、いずれかを先にして順次に、または平行して行われる。その後、常温で、図１（ｃ）で示すように、前記金属ボール５が前記電極４の表面に押圧されて接合される。
【００２０】
前記図１（ａ）で示す工程では、前記半導体素子１として、たとえばＳｉ基板上に、ＳｉＯ２膜を４００ｎｍ、Ｔｉ／Ｗ膜を２００ｎｍ順に形成した上に、さらに２００ｎｍ程度のＡｕ層を形成して電極４の表面が形成されたものが用いられ、アルゴンプラズマを、φ４インチのウエハ換算で２５〜１５０Ｗ程度、プラズマ照射時間を３０〜１８０ｓｅｃ程度、アルゴンガス内圧を１〜１０Ｐａ程度の条件下で表面活性化処理が行われる。
【００２１】
また、前記図１（ｂ）で示す工程では、φ１５〜３５μｍのＡｕワイヤを使用し、キャピラリ７の先端に位置するワイヤ６と、トーチと呼ばれる電極との間を１．３ｍｍの間隔を空けて、ワイヤ６をスパークさせることでワイヤ先端部を溶融し、スパークボールと呼ばれる金属ボール５を形成している。φ１５のＡｕワイヤで、たとえばスパーク電流は３０ｍＡ、１００μｓｅｃであり、この工程のスパークによって溶融された前記金属ボール５は、スパーク前のワイヤ６よりも結晶粒が大径化する。前記スパーク電圧やスパーク電流を調整することで、従来のスタッドバンプ２の形成時やワイヤボンディング時に比べても、結晶粒を大径化することができる。
【００２２】
さらにまた、前記図１（ｃ）で示す接合工程では、金属ボール５が、荷重１５０ｇで超音波アシスト無しで電極４に押圧される。その後、図１（ｄ）で示すスタッドバンプ形成工程では、ワイヤ６をプルカットすることで、φ４０〜１００μｍのスタッドバンプ２が形成される。また、押圧後、図１（ｅ）で示すワイヤボンディング工程では、ボンディングワイヤ３をプルカットせず、基板８側にボンディングされる。
【００２３】
このように作成することで、図１（ｂ）で示す工程において、スパークから瞬時に形成されてしまう前記金属ボール５の表面の酸化膜や付着物（Ｃ，Ｈ，Ｏ）による殻を、前記図１（ｃ）で示す接合工程で破り、該金属ボール５の新生面を露出させ、前記図１（ａ）で示すプラズマ照射工程で現れた電極４の新生面と一体化することができる。
【００２４】
したがって、スタッドバンプ２を形成したり、ワイヤボンディングを行うにあたって、金属ボール５の電極４への接合に、熱や超音波を加える必要はなく、実装にあたっての半導体素子１へのストレスを軽減することができる。これによって、半導体素子１およびそれを実装して成る半導体モジュールなどの半導体装置の信頼性を向上することができる。
【００２５】
なお、前記前記図１（ｃ）で示す接合工程において、若干の超音波をアシストすることで、押圧荷重を７０ｇに低下して、荷重によるストレスを低下するとともに、より強度の高い接合が可能である。
【００２６】
また、前記半導体素子１がＭＥＭＳチップである場合、該ＭＥＭＳチップは超音波や熱に弱いので、本発明が特に効果的である。さらにまた、上述のように電極４の表面および金属ボール５を金で形成すると、接合強度をより高めることができる。
【００２７】
［実施の形態２］
図２は、本発明の実施の他の形態に係る半導体素子の実装方法を説明するための図である。図２（ａ）〜図２（ｅ）で示す本実装工程は、前述の図１（ａ）〜図１（ｅ）で示す実装工程にそれぞれ類似し、対応する部分には同一の参照符号を付して示し、その説明を省略する。注目すべきは、本実装工程では、図２（ｂ）で示す金属ボール５’の形成工程および図２（ｃ）で金属ボール５’の電極４’への接合工程が、還元ガス雰囲気中で行われることである。
【００２８】
これに対応して、半導体素子１’は、たとえばＳｉ基板上に、ＳｉＯ２膜を４００ｎｍ形成した上に、１μｍ程度のＣｕ膜を形成して電極４’の表面が形成されている。図２（ａ）で示すプラズマ照射工程では、アルゴンプラズマ密度およびプラズマ照射時間ならびにアルゴンガス内圧は前述とそれぞれ同一の条件である。
【００２９】
一方、図２（ｂ）で示す金属ボール５’の形成工程では、φ１５〜３５μｍのＣｕワイヤを使用し、キャピラリ７の先端に位置するワイヤ６’をスパークさせることでワイヤ先端部を溶融し、前記金属ボール５’が形成される。この工程のスパークによって溶融された前記金属ボール５’は、スパーク前のワイヤ６’よりも結晶粒が大径化する。本実施の形態では、この工程において、ノズル９から、前記還元ガスとして、たとえばＡｒ−１０％Ｈ２ガスが、１．７５（ｌ／ｍｉｎ）でブローされる。
【００３０】
同様に、図２（ｃ）で示す接合工程でも、金属ボール５’を荷重１００ｇで超音波アシスト無しで電極４’の表面のＣｕ膜に押圧する際に、前記ノズル９からＡｒ−１０％Ｈ２ガスが、１．７５（ｌ／ｍｉｎ）でブローされる。
【００３１】
その後、図２（ｄ）で示すスタッドバンプ２’の形成工程では、ワイヤ６’がプルカットされ、図２（ｅ）で示すワイヤボンディング工程では、ボンディングワイヤ３’をプルカットせず、基板８側にボンディングされる。
【００３２】
本実施の形態においても、図２（ｃ）で示す接合工程において、若干の超音波をアシストすることで、押圧荷重を低下し、荷重によるストレスを減少するようにしてもよい。
【００３３】
このように接合の工程を還元ガス雰囲気中で行うことで、金属ボール５’の材料に、前記銅や半田等の酸化する材料を使用することができる。
【００３４】
［実施の形態３］
本発明の実施のさらに他の形態の実装工程では、基本的に前述の図１（ａ）〜図１（ｅ）で示す工程と同様の作業が行われる。注目すべきは、本実施の形態では、それら総ての作業が、一貫して真空雰囲気またはＡｒやＮ２などの不活性ガス雰囲気中で行われることである。この場合、前記半導体素子１としては、たとえばＳｉ基板上に、ＳｉＯ２膜を４００ｎｍ形成した上に、１μｍ程度のＣｕ膜を形成して前記電極４とされ、ワイヤ６としてＣｕワイヤが使用される。残余の条件は、図１と同様である。
【００３５】
このように全工程を真空雰囲気または不活性ガス雰囲気中で行うことで、接合面の酸化や汚染を抑え、安定的な接合を実現することができる。
【００３６】
上述の第１〜第３の各実施の形態において示した各条件は、一実施形態における条件であって、電極４，４’および金属ボール５，５’の大きさや材料ならびにそれらの間に求められる接合強度になどに応じて適宜変更され、設定されるものである。このような各条件の設定は、当業者であれば適宜成し得る事項である。したがって、当業者が実施する変更は、特許請求の範囲に記載された請求項の権利範囲を逸脱するものでない限り、当該請求項の権利範囲に包括されると解釈される。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明の実施の一形態に係る半導体素子の実装方法を説明するための図である。
【図２】本発明の実施の他の形態に係る半導体素子の実装方法を説明するための図である。
【符号の説明】
【００３８】
１，１’    半導体素子
２，２’    スタッドバンプ
３，３’    ボンディングワイヤ
４，４’    電極
５，５’    金属ボール
６，６’    ワイヤ
７    キャピラリ
８    基板
９    ノズル
【図１】
2006332152.tif 000003
【図２】
2006332152.tif 000004