(57)【要約】【課題】  ワイヤボンディングの際に、アルミスプラッシュが生じることがなく、信頼性の高いアルミニウム電極を有する半導体装置を提供する。【解決手段】  半導体装置の表面上にアルミニウム電極が露出しており、そのアルミニウム電極にワイヤボンディングする半導体装置であり、ワイヤボンディング位置の周辺の前記アルミニウム電極内にボイドが確保されている。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体装置の表面にアルミニウム電極が露出しており、そのアルミニウム電極にワイヤボンディングする半導体装置であり、
ワイヤボンディング位置の周辺の前記アルミニウム電極内にボイドが確保されている半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書は、ワイヤボンディングしたときに不具合が生じにくく、信頼性が高い半導体装置を開示する。
【背景技術】
【０００２】
半導体装置との電気的導通を確保するために、半導体装置の表面に露出しているアルミニウム電極にワイヤボンディングする技術が開発されている。ワイヤボンディングすると、ボンディング点の周囲に位置するアルミニウム電極の表面が変形し、アルミスプラッシュといわれる形状が形成される。アルミスプラッシュが大きく成長すると、隣接するアルミスプラッシュ同士が短絡するという問題がある。アルミスプラッシュの発生が、隣接するボンディング点同士の間隔を狭めて半導体装置を小型化するうえでの障害となっている。
【０００３】
特許文献１に、アルミスプラッシュが大きく成長しないようにする技術が開示されている。この技術では、アルミニウム電極内であって、ワイヤボンディングする領域の直下の範囲に層間絶縁膜を設ける。アルミニウム電極の表面は、ワイヤボンディング領域では高く、その周辺領域では低くなる。このアルミニウム電極によると、アルミスプラッシュが大きく成長することを防止することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【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】
【０００５】
特許文献１の技術では、層間絶縁膜をアルミニウムで覆うことになる。半導体装置は、動作時に発熱することから、使用期間内にヒートサイクルに晒される。ヒートサイクルに晒されると、層間絶縁膜とアルミニウムでは線膨張係数が異なるために、両者間に熱応力が繰り返し作用し、アルミニウム電極内にクラックが発生するおそれがある。
【０００６】
本明細書では、アルミスプラッシュが大きく成長することが防止でき、しかも、アルミニウム電極に大きな熱応力が作用することを防止できる半導体装置を開示する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本明細書で開示する半導体装置では、半導体装置の表面にアルミニウム電極が露出しており、そのアルミニウム電極にワイヤボンディングして使用する。この半導体装置は、ワイヤボンディング位置の周辺のアルミニウム電極内にボイドが確保されている。ここでいうボイドは、空隙のことをいう。ボイド内は真空であってもよいし、大気等の気体ないし不活性気体が封じ込まれていてもよい。
【０００８】
前記の半導体装置にワイヤボンディングすると、ボンディングに伴って発生するアルミニウムの変形は、ボイドを縮小する方向に流れる。そのために、アルミニウム電極の表面に生じる変形量が抑制され、アルミスプラッシュが大きく成長することを防止できる。アルミニウムワイヤ、金ワイヤのみならず、アルミスプラッシュが大きくなりがちな銅ワイヤにも有効である。さらに、アルミニウム電極内に線膨張係数の異なる他の固体材料が存在しないため、アルミニウム電極にかかる熱応力が低下し、アルミニウム電極にクラックが発生するのを防止することができる。このように、前記の半導体装置によれば、ワイヤボンディングの際に大きなアルミスプラッシュが発生せず、クラック等の発生を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】実施例１の半導体装置１の断面図。
【図２】実施例１の半導体装置１の製造方法を示す説明図。
【図３】実施例１の半導体装置１の製造方法を示す説明図。
【図４】実施例１の半導体装置１の製造方法を示す説明図。
【図５】実施例１の半導体装置１に銅ワイヤボンディングを行うときの説明図。
【図６】変形例の半導体装置１１の断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
下記に説明する実施例の特徴を列記する。
（特徴１）ボンディング位置の直下にはボイドが存在しない。その周辺にボイドが存在する。
（特徴２）ボンディング位置からボイドまでの距離は、ボンディングによってアルミニウムが流動する範囲内にある。
（特徴３）アルミニウム電極は２層で形成されている。
（特徴４）下層のアルミニウム電極は、ウェットエッチングされている。
【００１１】
まず、図面を参照して実施例の半導体装置１の構造を説明する。図１は、本実施例による半導体装置１のワイヤボンディング前の断面図である。半導体装置１（例えばＩＧＢＴ）では、シリコンなどの半導体基板からなる半導体素子（例えばＩＧＢＴ）２の表面上に、アルミニウム電極３が積層している。アルミニウム電極３は半導体装置１の表面に露出している。また半導体素子２の表面で、アルミニウム電極３の周縁部には、層間絶縁膜４が配置されている。この層間絶縁膜４により、隣接するアルミニウム電極との間を絶縁している。アルミニウム電極３の内部には、後述するワイヤボンディング位置Ｂの下層周辺に複数のボイド（空隙）５が形成されている。
【００１２】
ここでいうボイドは、空隙のことをいう。ボイド５内は真空であってもよいし、窒素等大気中に存在する気体が封じ込まれていてもよい。ボイド５は、ワイヤボンディング位置Ｂの直下には存在せず、その周辺に存在する。直下にボイド５が存在していると、ワイヤボンディング後に、このワイヤボンディング位置Ｂ直下のアルミニウム電極３の厚さが極端に薄くなるか、またはアルミニウム電極３が完全に剥がれてしまうおそれがあるためである。また、ボイド５は、ボンディング位置Ｂから、ボンディングによってアルミニウム電極材が流動する範囲内に形成されている。ボイド５がこの範囲の外にあると、アルミニウム電極材の変形部分がボイド５の位置まで達せず、アルミスプラッシュの発生を防ぐことができない。また、ワイヤボンディング後も、ボイド５がアルミニウム電極３内部に残存すると、アルミニウム電極３の導電率が低下する。
【００１３】
次に、前記半導体装置１（例えばＩＧＢＴ）の製造方法について説明する。図２から図４は、前記半導体装置１の製造方法における各工程を示す断面図である。まず、図２に示すように、シリコンを主成分とする半導体素子２を用意し、この半導体素子２の表面上にアルミニウム電極３の第１層８を成膜する。アルミニウム電極３の第１層８の成膜方法としては、たとえば、スパッタリング、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法、または真空蒸着等の従来のアルミニウム電極の製造方法で使用される方法ならばどんな方法でも使用することができる。
【００１４】
次に、図３に示すように、アルミニウム電極３の第１層８の表面にウェットエッチングを施し、第１層８の表面に開口部を有する複数の隙間９を形成する。具体的には、アルミニウム電極３の第１層８の表面に、複数の開口部を有するレジスト膜を配置した状態で、アルミニウム電極３の第１層８が積層された半導体素子２をエッチング液（ＳｉＨ、塩酸など）に浸す。レジスト膜の開口部は、後のワイヤボンディング位置Ｂの直下となる位置には設けず、その周辺となる位置に集中して設ける。このレジスト膜の開口部からエッチング液が滲入し、開口部からアルミニウム電極３の第１層８が等方的にエッチングされる。一定時間、エッチング液に浸したら、第１層８の表面からレジスト膜を剥がして、エッチング液を洗い流す。これにより、レジスト膜の開口部を起点とする略球形状の隙間９が複数、アルミニウム電極３の第１層８の表面に開口部を有する状態で形成される。なお、隙間９を形成する方法としては、ドライエッチング等他の方法も考えられるが、アルミニウム電極が等方的に抉れてエッチングされるウェットエッチングの方がより好ましい。また、隙間９の大きさ、数、形状等はボンディングの際の、様々な条件、例えば、ワイヤの材質、線径、ボンディング温度、超音波振動数などによって適宜定める。
【００１５】
次に図４に示すように、表面に複数の隙間９が形成されたアルミニウム電極３の第１層８の表面に、さらにアルミニウム電極３の第２層１０を第１層８と同様の方法で積層する。つまり、アルミニウム電極３の第２層１０を、スパッタリングまたはＣＶＤ法などの方法により第１層８の表面に積層する。このとき、前工程で形成された隙間９は、ウェットエッチングにより形成されているので、開口部よりも内部で幅が広い略球形状に形成されているため、第２層１０の形成工程において、隙間９が塞がってしまうことがない。これにより、前記隙間９は略球形状の閉じられた空隙（ボイド５）となる。このようにして、アルミニウム電極３内部の位置に複数のボイド５が形成された半導体装置１が完成する。
【００１６】
次に、図５を参照して、前記製造方法により製造された半導体装置１を、銅ワイヤでボンディングする方法について説明する。図５は、半導体装置１に銅ワイヤ６でボンディングを行う場合の説明図である。まず銅ワイヤ６の先端と放電電極（図示せず）の間に高電圧を印加し、銅ワイヤの先端に銅ボール７を形成する。このとき、銅ワイヤの酸化を防ぐため、アルゴンなど不揮発性ガス雰囲気下または還元性雰囲気で銅ボール７の形成を行う。
【００１７】
次に、キャピラリなどのボンディングツール（図示せず）を用いて、この銅ボール７をアルミニウム電極３の表面の所定位置Ｂに押圧する。このとき、銅ボール７押圧部のアルミニウム電極３を１３０〜２００℃で加熱し、キャピラリにより銅ボール７に超音波を加え振動させる。これにより、アルミニウム電極３と銅ボール７の間で金属接合が起こり、銅ボール７がアルミニウム電極３の表面に接合される。これにより、アルミニウム電極３は、銅ワイヤ６を介して他の外部端子と電気的に接続され、一定の回路パターンを形成する。
【００１８】
前記実施例の半導体装置１においては、アルミニウム電極３の電極材よりも硬度の高い銅ボール７が、アルミニウム電極３に押圧される。さらに、キャピラリから加えられる超音波によりアルミニウム電極３と銅ボール７の間に振動が生じる。この結果、銅ボール７が押圧された部分では、銅ボール７直下の位置から、銅ボール７の周辺の位置に向かって、アルミニウム電極３の電極材が掃き出される。しかし、銅ボール７により掃き出されたアルミニウム電極材は、矢印Ａに示すように、アルミニウム電極３の内部に形成された複数のボイド５内に向かって流動し、ボイド５内に入り込む。この結果、アルミニウム電極材の変形部分が、銅ボール７の周辺で盛り上がってアルミスプラッシュが形成されるのを抑制する。また、ボンディング前に形成されていたボイド９は、アルミニウム電極材の変形部分が入り込むことによって消滅する。このため、アルミニウム電極３内部に未接続部分が残り、導電率が低下することもない。また、アルミニウム電極内の材料が均一になるため、信頼性が高まる。
【００１９】
また、前記実施例の半導体装置１では、アルミニウム電極３内部に線膨張係数の異なる固体材料が存在しない。このため、半導体装置１がヒートサイクルにさらされても、熱応力が発生せず、アルミニウム電極３内部にクラックが生じることもなく、信頼性の高い半導体装置を提供することができる。また、絶縁材料がアルミニウム電極３内部に存在しないので、導電体面積が減少せず、電気抵抗が上昇することもない。したがって、良好なワイヤボンディングを施すことができる。
【００２０】
前記実施例では、銅ワイヤを用いて、ワイヤボンディングを行った。しかし、他の材料、たとえば、アルミニウム、金、タングステンなどからなるワイヤでも、本明細書の技術を使用することができる。特に、銅、タングステン等硬度の高い材料でワイヤボンディングを行った場合、アルミスプラッシュを抑制する効果が大きい。
【００２１】
（変形例）
前記実施例では、半導体素子２の表面に直接、アルミニウム電極３が配置されている構成の半導体装置１について説明した。しかし、本明細書で開示する技術は、図６に示すような、半導体素子２上に、層間絶縁膜１２が形成される構成の半導体装置１１においても適用することができる。
【００２２】
まず、図６を参照して、半導体装置１１の構造について説明する。半導体装置１１では、シリコンを主材料とする半導体素子２（例えばＩＧＢＴ）の内部にソース領域が形成されている。このソース領域を含めた半導体素子２表面全体を、酸化シリコンなどからなる層間絶縁膜１２が覆っている。そして、この層間絶縁膜１２の所定の箇所に配線を接続するためのコンタクトホール１３が形成されている。そして、層間絶縁膜１２の表面およびこのコンタクトホール１３内部にはアルミニウム電極１３が埋め込まれている。アルミニウム電極３がソース領域と導通する。
【００２３】
以下では、前記半導体装置１１の製造方法を説明する。まず、シリコンからなる半導体素子２（ＩＧＢＴなど）を用意する。次に、スパッタリング、ＣＶＤ法等により、半導体素子２表面全体に酸化シリコンからなる層間絶縁膜１２を一定の膜厚になるまで積層する。次に、ドライエッチング等により、この層間絶縁膜１２を貫通して、半導体素子２に達するコンタクトホール１３を配線箇所に複数形成する。次に、コンタクトホール１３が形成された層間絶縁膜１２の表面にアルミニウム電極３をＣＶＤ法またはスパッタリングなどにより成膜する。このとき、前工程で形成されたコンタクトホール１３内にもアルミニウム材料が埋め込まれる。アルミニウム電極１３を形成する工程では、前記実施例１と同様に、まずアルミニウム電極第１層８を形成し、この第１層８に対してウェットエッチングにより複数の隙間９を形成する。続いて、この第１層８の表面にアルミニウム電極の第２層を形成する。余分なアルミニウムはフォトエッチング等で除去して、半導体装置１１を完成する。
【００２４】
上記変形例でも、ボンディング位置Ｂの下層周辺にボイド５を形成することにより、ワイヤボンディング時に、アルミスプラッシュが発生するのを防ぐことができる。
【００２５】
以上、説明したように、本明細書の半導体装置によれば、アルミニウム電極内部にボイドを形成することにより、アルミスプラッシュの発生を防止することができる。このため隣接する電極どうしがアルミスプラッシュを介してショートするおそれがないため、電極パッドのピッチを狭くすることができ、半導体装置を小型化することができる。
【００２６】
前記実施例では、ボイド５はボンディング領域直下の周辺に複数形成された。しかし、ボイド５がアルミニウム電極材の変形部分を吸収できるように、ボイド５の数（密度）、形状、大きさ、形成場所などは、適宜調整される。
【００２７】
また、前記実施例では、銅ワイヤ６をアルミニウム電極３にボンディングしていた。しかし、アルミニウムより硬い材料からなるワイヤ、たとえばタングステンワイヤ等をボンディングする場合にも、応用することができる。
【００２８】
また、上記実施例では、半導体装置としてＩＧＢＴを用いる場合について説明した。しかし、本明細書で開示する技術は、ＭＯＳＦＥＴなどＩＧＢＴ以外の半導体素子の表面にアルミニウム電極が露出している半導体装置においても応用することができる。
【００２９】
また、上記実施例の半導体装置では、アルミニウム電極は２層から構成されていた。しかし、アルミニウム電極は１層から構成されていてもよい。
【００３０】
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、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様々に変形、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、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合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、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
【符号の説明】
【００３１】
１：半導体装置
２：半導体素子
３：アルミニウム電極
４：層間絶縁膜
５：ボイド
６：銅ワイヤ
７：銅ボール
８：第１層
９：エッチング部
１０：第２層
１１：変形例の半導体装置
１２：層間絶縁膜
１３：コンタクトホール
Ａ：アルミニウムの流動方向
Ｂ：ボンディング位置
【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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