(57)【要約】【課題】  アルミスプラッシュを抑制する。【解決手段】  半導体基板の上部に配置された電極パッドと、前記電極パッドにボンディングされており、銅を含有するワイヤーを有する半導体装置。前記電極パッドが、アルミニウムを含有する電極層と、前記ワイヤー及び前記電極層よりも硬い支持層を有する。前記ワイヤーが、前記電極層と前記支持層に接触している。前記支持層によって前記ワイヤーが支持され、前記電極層の変形が抑制される。これによって、アルミスプラッシュが抑制される。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板の上部に配置された電極パッドと、
前記電極パッドにボンディングされており、銅を含有するワイヤー、
を有し、
前記電極パッドが、アルミニウムを含有する電極層と、前記ワイヤー及び前記電極層よりも硬い支持層を有し、
前記ワイヤーが、前記電極層と前記支持層に接触している、
半導体装置。
【請求項２】
前記支持層が、前記電極層を上面から下面まで貫通している請求項１の半導体装置。
【請求項３】
前記支持層が、前記電極パッドの上面において環状に伸びる環状部を有している請求項１または２の半導体装置。
【請求項４】
前記支持層が、前記環状部に囲まれた範囲内で前記電極パッドの前記上面において格子状に伸びる格子部を有している請求項３の半導体装置。
【請求項５】
前記ワイヤーが、前記環状部の全体に接触している請求項３または４の半導体装置。
【請求項６】
前記電極パッドが、前記ワイヤーに接触する複数の前記支持層を有している請求項１〜５のいずれか一項の半導体装置。
【請求項７】
前記電極パッドと前記ワイヤーが、硫黄を含む樹脂によって覆われており、
前記ワイヤーと前記支持層の組み合わせが、前記ワイヤーと前記電極層の組み合わせよりも、合金化し難い組み合わせである、
請求項１〜６のいずれか一項の半導体装置。
【請求項８】
前記支持層が、タングステンを含有する請求項１〜７のいずれか一項の半導体装置。
【請求項９】
前記支持層が、酸化シリコンを含有する請求項１〜７のいずれか一項の半導体装置。
【請求項１０】
半導体装置の製造方法であって、
半導体基板の上部に配置された電極パッドに、銅を含有するワイヤーをボンディングする工程を有し、
前記電極パッドが、アルミニウムを含有する電極層と、前記ワイヤー及び前記電極層よりも硬い支持層を有しており、
ボンディングする前記工程では、前記ワイヤーが前記電極層と前記支持層に接触するように前記ワイヤーを前記電極パッドにボンディングする、
製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書に開示の技術は、半導体装置とその製造方法に関する。
【０００２】
特許文献１には、アルミニウム製の電極パッドに、銅製のワイヤーをボンディングする技術が開示されている。ワイヤーが電極パッドよりも硬いので、ボンディング時に、電極パッドがワイヤーによって押しつぶされ、電極パッドを構成する材料がワイヤーの下部から外周側に押し出される。その結果、ボンディング部の周囲で、電極パッドが盛り上がる。この現象は、一般に、アルミスプラッシュと呼ばれる。アルミスプラッシュが生じると、電極パッドの小型化が困難となる。特許文献１の技術では、電極パッドの下部に部分的に層間膜を設けることで、アルミスプラッシュを抑制する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１２−１０９４１９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１の技術では、アルミスプラッシュを十分に抑制することができない。本明細書では、より好適にアルミスプラッシュを抑制する技術を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本明細書が開示する半導体装置は、半導体基板の上部に配置された電極パッドと、前記電極パッドにボンディングされているとともに銅を含有するワイヤーを有する。前記電極パッドが、アルミニウムを含有する電極層と、前記ワイヤー及び前記電極層よりも硬い支持層を有する。前記ワイヤーが、前記電極層と前記支持層に接触している。
【０００６】
なお、本明細書において、硬さは、ビッカース硬さを意味する。
【０００７】
この半導体装置の電極パッドは、電極層と支持層を有する。アルミニウムを含有する電極層は、銅を含有するワイヤーよりも軟らかい。支持層は、ワイヤー及び電極層よりも硬い。ワイヤーは、電極層と支持層に接触している。すなわち、ワイヤーは、電極層と支持層に接触するようにボンディングされている。ボンディング時に、ワイヤーから電極層と支持層に荷重が加わる。このとき、硬い支持層があまり変形せず、その結果、電極層の変形も抑制される。このため、電極層でアルミスプラッシュが生じることが抑制される。また、銅を含有するワイヤーとアルミニウムを含有する電極層は好適に接続される。したがって、この構造の半導体装置によれば、アルミスプラッシュを抑制しながら、ワイヤーを電極パッドに好適に接続することができる。
【０００８】
また、本明細書は、半導体装置の新たな製造方法を提供する。この製造方法は、半導体基板の上部に配置された電極パッドに、銅を含有するワイヤーをボンディングする工程を有する。前記電極パッドが、アルミニウムを含有する電極層と、前記ワイヤー及び前記電極層よりも硬い支持層を有している。ボンディングする前記工程では、前記ワイヤーが前記電極層と前記支持層に接触するように前記ワイヤーを前記電極パッドにボンディングする。
【０００９】
この構成によれば、ボンディングする工程において、硬い支持層があまり変形せず、その結果、電極層の変形も抑制される。このため、アルミスプラッシュを抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】半導体装置の上面図。
【図２】信号用電極パッド１６の拡大上面図。
【図３】信号用電極パッド１６とワイヤー２０の拡大断面図。
【図４】ボンディング工程の説明図。
【図５】ボンディング工程の説明図。
【図６】変形例の信号用電極パッドの拡大上面図。
【図７】変形例の信号用電極パッドの拡大上面図。
【図８】変形例の信号用電極パッドの拡大上面図。
【図９】変形例の信号用電極パッドの拡大上面図。
【図１０】変形例の信号用電極パッドの拡大断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
図１は、半導体装置の上面を示している。半導体装置は、半導体基板１２を有している。半導体基板１２は、Ｓｉ（ケイ素）を主成分とする半導体により構成されている。なお、半導体基板１２は、ＳｉＣ（炭化ケイ素）またはＧａＮ（窒化ガリウム）等を主成分とするワイドバンドギャップ半導体により構成されていてもよい。半導体基板１２の上面に、主電極１４と、信号用電極パッド１６が設けられている。各信号用電極パッド１６のサイズは、各主電極１４のサイズよりも小さい。主電極１４は、はんだによって図示しない配線部材に接続されている。半導体基板１２の側方に、複数のリード線１８が配置されている。各信号用電極パッド１６は、ワイヤー２０によって対応するリード線１８に接続されている。また、図示していないが、半導体基板１２の下面には、下部電極が設けられている。下部電極は、はんだによって図示しない配線部材に接続されている。
【００１２】
図２は、１つの信号用電極パッド１６の拡大図である。また、図３は、図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線における断面図である。図２、３に示すように、信号用電極パッド１６は、半導体基板１２の上面に設けられている。なお、図２、３では、信号用電極パッド１６が、半導体基板１２の上面に直接接触しているが、信号用電極パッド１６と半導体基板１２の間に他の層（例えば、層間絶縁膜）が配置されていてもよい。信号用電極パッド１６は、電極層３０と支持層３２を有している。
【００１３】
電極層３０は、アルミニウムまたはＡｌＳｉ（アルミニウムとシリコンの合金）を主成分とする金属層である。例えば、電極層３０は、単体のアルミニウムによって構成されていてもよいし、ＡｌＳｉによって構成されていてもよい。電極層３０は、信号用電極パッド１６の大部分を構成している。
【００１４】
支持層３２は、タングステンを主成分とする金属層である。例えば、支持層３２は、単体のタングステンによって構成されていてもよい。支持層３２は、電極層３０よりも硬い。支持層３２は、電極層３０に埋め込まれている。図２に示すように、支持層３２は、信号用電極パッド１６の上面に面している。支持層３２が存在しない範囲では、電極層３０が信号用電極パッド１６の上面に面している。支持層３２は、信号用電極パッド１６の上面において格子状に伸びている。より詳細には、支持層３２は、環状矩形に伸びる最外周部３２ａと、最外周部３２ａの内側で格子状に伸びる格子部３２ｂを有している。図３に示すように、支持層３２は、信号用電極パッド１６の上面から下方向に伸びており、信号用電極パッド１６の下面（すなわち、半導体基板１２の上面）まで達している。すなわち、支持層３２は、電極層３０を上面から下面まで貫通している。格子状の支持層３２によって囲まれた各範囲３４及び支持層３２の最外周部３２ａよりも外側の範囲３６には、電極層３０が存在している。
【００１５】
ワイヤー２０は、銅を主成分とする金属によって構成されている。例えば、ワイヤー２０は、単体の銅によって構成されていてもよい。ワイヤー２０は、電極層３０よりも硬く、支持層３２よりも軟らかい。ワイヤー２０は、直径が細い線状部２０ａと、直径が太い先端部２０ｂを有している。先端部２０ｂは、信号用電極パッド１６の上面にボンディングされている。なお、図２には、ワイヤー２０（すなわち、先端部２０ｂ）が信号用電極パッド１６に接触している範囲２０ｃが示されている。図２、３に示すように、先端部２０ｂは、支持層３２の上面全体と、支持層３２に隣接する範囲の電極層３０に接触している。先端部２０ｂと電極層３０との界面には、アルミニウムと銅の合金（例えば、CuAl、 CuAl2等）が形成されている。この合金を介して、先端部２０ｂが電極層３０に強固に接続されている。先端部２０ｂと支持層３２は互いに密着しているが、これらの界面には合金層はほとんど形成されていない。したがって、先端部２０ｂと支持層３２の間の接続強度は、先端部２０ｂと電極層３０の間の接続強度ほど高くはない。線状部２０ａは、先端部２０ｂから上方に伸びている。線状部２０ａの他端は、リード線１８（図１参照）に接続されている。
【００１６】
信号用電極パッド１６とワイヤー２０は、絶縁樹脂４０によって覆われている。絶縁樹脂４０は、硫黄を含んでいる。
【００１７】
ワイヤー２０と電極層３０の界面には、合金が形成され易い。他方、ワイヤー２０と支持層３２の界面には、合金が形成され難い。また、支持層３２と電極層３０の界面にも、合金が形成され難い。
【００１８】
図２、３に示すように、信号用電極パッド１６とワイヤー２０との接続領域の最外周部では、ワイヤー２０と電極層３０が接している。ワイヤー２０と電極層３０の界面に熱（１８０℃以上）が加わると、その界面において銅とアルミニウムの合金化反応が促進される。その結果、ワイヤー２０と電極層３０との界面に、Cu9Al4が生成される。すると、絶縁樹脂４０中の硫黄とCu9Al4とが、Cu9Al4＋SO２→Al２（SO４）３＋Cuの反応式によって反応し、アルミニウム酸化物層が生成される。アルミニウム酸化物は脆いので、アルミニウム酸化物層に沿ってワイヤー２０が電極層３０から剥離し易い。剥離が生じるとその剥離部に硫黄が侵入するので、上述した反応によって剥離がさらに進行する。剥離は、ワイヤー２０と電極層３０の界面に沿って、先端部２０ｂの中心側に向かって進行する。剥離がある程度進行すると、剥離が支持層３２の最外周部３２ａに達する。このため、ワイヤー２０と支持層３２との界面に、硫黄が供給される。しかしながら、硫黄が供給されても、ワイヤー２０と支持層３２との間で合金はほとんど生成されない。このため、ワイヤー２０と支持層３２との界面には剥離が生じ難い。したがって、剥離が、支持層３２の最外周部３２ａで停止する。このため、支持層３２に囲まれた各範囲３４には硫黄が供給されず、各範囲３４内でワイヤー２０が電極層３０から剥離することが抑制される。また、電極層３０と支持層３２との間でも合金はほとんど生成されないので、剥離が電極層３０と支持層３２の界面に沿って進行することも抑制される。したがって、この半導体装置では、ワイヤー２０が信号用電極パッド１６から剥離し難い。
【００１９】
図１〜３に示す半導体装置の製造工程では、ワイヤー２０を信号用電極パッド１６にボンディングするワイヤーボンディング工程が実施される。ワイヤーボンディング前においては、図４に示すように、信号用電極パッド１６の上面に、電極層３０と支持層３２が露出している。ワイヤーボンディング工程で使用されるワイヤーボンディング機は、図４に示すキャピラリ５０を有している。キャピラリ５０の中心孔内にワイヤー２０が挿通されており、ワイヤー２０の先端がキャピラリ５０の先端から下側に突出している。ワイヤーボンディング工程では、放電によってワイヤー２０の先端を一旦溶融させることで、図４に示すようにワイヤー２０の先端部２０ｂにボールを形成する。先端部２０ｂ（ボール）の直径は、線状部２０ａの直径よりも大きい。ワイヤーボンディング工程の間は、ワイヤーボンディング機によって信号用電極パッド１６が加熱される。
【００２０】
次に、図５に示すように、キャピラリ５０を信号用電極パッド１６に向かって移動させることによって、先端部２０ｂを信号用電極パッド１６に押し付ける。また、先端部２０ｂを信号用電極パッド１６に押し付けるのと同時に、キャピラリ５０によって先端部２０ｂに超音波を印加する。これによって、先端部２０ｂが信号用電極パッド１６に接続される。先端部２０ｂは、キャピラリ５０からの荷重によって潰れる。潰れた先端部２０ｂは、信号用電極パッド１６の上面に露出している支持層３２の全体と、支持層３２に隣接する範囲の電極層３０に接触する。また、先端部２０ｂに接触する範囲の電極層３０と支持層３２は、先端部２０ｂから荷重を受ける。荷重によって、電極層３０が厚み方向に圧縮される。他方、支持層３２は、硬いので、荷重を受けてもほとんど変形しない。このため、支持層３２によって、先端部２０ｂが支持される。その結果、電極層３０に加わる荷重が緩和される。このため、電極層３０の厚み方向への変形が抑制される。電極層３０の厚み方向への変形が抑制されるので、電極層３０が信号用電極パッド１６の外周側に向かって押し出される量が少ない。このため、先端部２０ｂの周囲において、電極層３０が盛り上がることが抑制される。すなわち、先端部２０ｂの周囲に形成される盛り上がり部３０ａの高さが、従来よりも小さくなる。このように、この製造方法によれば、アルミスプラッシュが抑制される。特に、支持層３２が環状に伸びる最外周部３２ａを有しているので、最外周部３２ａによって囲まれている範囲内の電極層３０が最外周部３２ａよりも外側に押し出されることが抑制される。また、最外周部３２ａの内側で支持層３２が格子状に設けられているので、支持層３２によって囲まれた各範囲３４内の電極層３０の横方向への移動が抑制される。このため、この製造方法では、より効果的にアルミスプラッシュが抑制される。また、先端部２０ｂと電極層３０の界面には、CuAlやCuAl2等の合金が形成され、先端部２０ｂと電極層３０が強固に接続される。その後、ワイヤー２０の反対側の端部がリード線１８にボンディングされる。
【００２１】
以上に説明したように、実施形態の構成によれば、アルミスプラッシュを抑制しながら、ワイヤー２０を信号用電極パッド１６に強固に接続することができる。また、実施形態の構成によれば、硫黄の侵入によるワイヤー２０の剥離を抑制することができる。
【００２２】
なお、上述した実施形態では、支持層３２が、上側から見たときに四角形の格子状に伸びていた。しかしながら、図６に示すように、支持層３２が、六角形の格子状に伸びていてもよい。また、図７に示すように、支持層３２が、環状の最外周部３２ａのみによって構成されていてもよい。また、図８に示すように、支持層３２が、同心円状に設けられていてもよい。これらの構成でも、支持層３２によってワイヤー２０の先端部２０ｂを好適に支持できるとともに、電極層３０の横方向への移動を抑制することができる。また、図９に示すように、複数の支持層３２が、分散して配置されていてもよい。この構成でも、支持層３２によってワイヤー２０の先端部２０ｂを好適に支持できる。また、各支持層３２のアンカー効果によって、電極層３０の横方向への移動を抑制することができる。
【００２３】
また、上述した実施形態では、支持層３２が、電極層３０を上面から下面まで貫通していた。しかしながら、図１０に示すように、支持層３２が、電極層３０の下面まで達していなくてもよい。この構成でも、信号用電極パッド１６の上面に面するように支持層３２が設けられているので、アルミスプラッシュを抑制することができる。また、この構成でも、硫黄の侵入による剥離を停止させることができる。但し、図１０の構成では、支持層３２の下部の電極層３０に荷重が加わり、この部分の電極層３０が変形する場合がある。したがって、支持層３２が電極層３０を上面から下面まで貫通している方がアルミスプラッシュを抑制する効果は高い。
【００２４】
また、上述した実施形態では、ワイヤー２０の先端部２０ｂが、支持層３２の上面全体に接触するようにワイヤーボンディングが実施された。しかしながら、ボンディング位置のずれ等によって、支持層３２の上面の一部がワイヤー２０の接触範囲の外側に存在してもよい。このような場合でも、ある程度、アルミスプラッシュを抑制することができる。
【００２５】
また、上述した実施形態では、支持層３２がタングステンを主成分とする金属によって構成されていた。しかしながら、支持層３２が酸化シリコンを主成分とする絶縁材料によって構成されていてもよい。また、支持層３２がその他のワイヤー２０よりも硬い材料により構成されていてもよい。
【００２６】
実施形態の構成要素と請求項の構成要素との関係について説明する。実施形態の最外周部３２ａは、請求項の環状部の一例である。
【００２７】
本明細書が開示する技術要素について、以下に列記する。なお、以下の各技術要素は、それぞれ独立して有用なものである。
【００２８】
本明細書が開示する一例の構成では、支持層が、電極層を上面から下面まで貫通していてもよい。
【００２９】
この構成によれば、電極パッドがより潰れ難く、アルミスプラッシュをより好適に抑制することができる。
【００３０】
本明細書が開示する一例の構成では、支持層が、電極パッドの上面において環状に伸びる環状部を有していてもよい。
【００３１】
この構成によれば、ボンディング時に、環状部の内側の電極層が、環状部の外側に向かって移動することを抑制することができる。したがって、アルミスプラッシュをより好適に抑制することができる。
【００３２】
本明細書が開示する一例の構成では、支持層が、環状部に囲まれた範囲内で電極パッドの上面において格子状に伸びる部分を有していてもよい。
【００３３】
この構成によれば、ボンディング時に、電極層の横方向への移動を抑制することができる。したがって、アルミスプラッシュをより好適に抑制することができる。
【００３４】
本明細書が開示する一例の構成では、ワイヤーが、環状部の全体に接触していてもよい。
【００３５】
この構成によれば、アルミスプラッシュをより好適に抑制することができる。
【００３６】
本明細書が開示する一例の構成では、電極パッドが、ワイヤーに接触する複数の支持層を有していてもよい。
【００３７】
この構成によれば、複数の支持層によってワイヤーを支持できるので、電極パッドがより潰れ難い。したがって、アルミスプラッシュをより好適に抑制することができる。
【００３８】
本明細書が開示する一例の構成では、電極パッドとワイヤーが、硫黄を含む樹脂によって覆われていてもよい。ワイヤーと支持層の組み合わせが、ワイヤーと電極層の組み合わせよりも、合金化し難い組み合わせであってもよい。
【００３９】
樹脂からワイヤーと電極層の界面に硫黄が進入すると、銅とアルミニウムが活性化して合金反応が進行する。その結果、ワイヤーと電極層の界面にCu9Al4合金が生成されて、ワイヤーが電極層から剥離する。この剥離は、ワイヤーと電極層の界面に沿って進行する。上記のようにワイヤーと支持層が合金化し難いと、ワイヤーと電極層の界面に沿って進行した剥離がワイヤーと支持層の界面において停止し、剥離がそれ以上進行することを防止することができる。
【００４０】
本明細書が開示する一例の構成では、支持層が、タングステンを含有していてもよい。
【００４１】
この構成によれば、支持層にも電流を流すことができる。
【００４２】
本明細書が開示する一例の構成では、支持層が、酸化シリコンを含有していてもよい。
【００４３】
この構成によれば、支持層を容易に形成することができる。
【００４４】
以上、実施形態について詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例をさまざまに変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独あるいは各種の組み合わせによって技術有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組み合わせに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの１つの目的を達成すること自体で技術有用性を持つものである。
【符号の説明】
【００４５】
１２    ：半導体基板
１４    ：主電極
１６    ：信号用電極パッド
１８    ：リード線
２０    ：ワイヤー
２０ａ  ：線状部
２０ｂ  ：先端部
２０ｃ  ：ワイヤーの接触範囲
３０    ：電極層
３２    ：支持層
３２ａ  ：最外周部
３２ｂ  ：格子部
４０    ：絶縁樹脂
５０    ：キャピラリ
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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