(57)【要約】      （修正有）【課題】合金化の進行を抑制でき、基板との電気的接合を良好にすることができる半導体装置を提供する。【解決手段】半導体チップ３０の端子部３２に外部接続用のバンプ３４が形成された半導体装置４２において、前記バンプ３４は、芯材と該芯材を被覆する外装材からなる２層ワイヤー材を用いたスタッドバンプボンディングによって形成されていることを特徴とする。【選択図】図４
2005005598.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体チップの端子部に外部接続用のバンプが形成された半導体装置において、
前記バンプは、芯材と該芯材を被覆する外装材からなる２層ワイヤー材を用いたスタッドバンプボンディングによって形成されていることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記２層ワイヤー材の芯材に、前記半導体チップの端子部の電極材料に対し合金化による拡散係数の小さな材料が用いられ、該芯材を被覆する外装材に酸化しにくい金属材料が用いられていることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
【請求項３】
前記２層ワイヤー材の芯材に、前記バンプが接合される実装基板側の電極材料に対し合金化による拡散係数の小さな材料が用いられ、該芯材を被覆する外装材に酸化しにくい金属材料が用いられていることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
【請求項４】
前記芯材が銅材または銀材であり、前記外装材がパラジウム材または金材であることを特徴とする請求項１〜３いずれか１項記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ベアチップ（半導体チップ）をフリップチップ実装方式により実装基板上に実装する場合に、半導体チップの端子部にはんだ材料や金材料を用いてバンプとよばれる電極突起を形成し、このバンプを介して実装基板の電極に電気的に接合している。
現在、製品の軽少短薄化と高性能化に伴い、バンプは多ピン、狭ピッチの傾向にあり、今後もさらにこの傾向は続く。しかし、数十μｍ以下の狭ピッチフリップチップ実装の場合、これまでの一般的接合材料であるはんだ材料を用いると、接合時の加熱融解によりはんだ材料が流れ出し、隣接電極間で電気的短絡が誘発されることから、はんだ材料の適用が困難になってきている。
そこで、昨今では、金ワイヤを用いたスタッドバンプボンディングにより電極形成をすると共に、超音波による振動エネルギーにより半導体チップを実装基板上にフリップチップ実装するようにしている。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００１−０６０６０２
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで上記金バンプを用いる場合にも次のような課題がある。
すなわち、スタッドバンプの材料として一般的に用いられる金は、超音波を用いた接合後、アルミニウム金属層との間にＡｕＡｌやＡｕ５Ａｌ２などの合金を形成することが知られている。長期的にこの合金化が進行拡大することにより体積変化が生じ、合金層と金、または合金層とアルミニウムとの間にカーケンダルボイドといわれる空洞が形成される。この空洞は半導体チップと基板間の電気的接合を不安定にし、抵抗値が上昇する原因となる。半導体チップが狭ピッチ化すればするほど、パッド（端子部）やバンプが小さくなり、合金に対し供給されるアルミニウムや金が少なくなるために空洞の発生がより顕著になる。そのため、パッドに金めっきを施したり、接合部分に銀ペースト等の補助材料を塗布するなどして合金化の進行を抑制したりする手段も考えられるが、コスト的にデメリットとなる。
【０００５】
図１４は、ベアチップ（基板）１０の上にベアチップ１２をスタック接合した例を示す。両ベアチップ１０、１２にはアルミニウムによる端子部１４、１６がそれぞれ形成されている。１８は金バンプである。図示のように、金バンプ１８と両端子部１４、１６との間に金―アルミニウムの合金層２０が形成され、この合金層２０と金あるいはアルミニウムとの間にカーケンダルボイド２２が形成されるのである。
【０００６】
本発明は上記課題を解決すべくなされたもので、その目的とするところは、合金化の進行を抑制でき、基板との電気的接合を良好にすることができる半導体装置を提供するにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明にかかる半導体装置では、半導体チップの端子部に外部接続用のバンプが形成された半導体装置において、前記バンプは、芯材と該芯材を被覆する外装材からなる２層ワイヤー材を用いたスタッドバンプボンディングによって形成されていることを特徴とする。
【０００８】
前記２層ワイヤー材の芯材に、前記半導体チップの端子部の電極材料に対し合金化による拡散係数の小さな材料を用い、該芯材を被覆する外装材に酸化しにくい金属材料を用いるようにするとよい。
あるいは、前記２層ワイヤー材の芯材に、前記バンプが接合される実装基板側の電極材料に対し合金化による拡散係数の小さな材料を用い、該芯材を被覆する外装材に酸化しにくい金属材料を用いるようにするとよい。
【０００９】
また、前記芯材が銅材または銀材であり、前記外装材がパラジウム材または金材であることを特徴とする。
前記外装材は、めっきにより形成された厚さ５０００Å〜１００００Åのものとすることができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下本発明の好適な実施の形態を添付図面を参照して詳細に説明する。
図１〜図３はスタッドバンプボンディング法によってベアチップ３０の端子部３２上にバンプ３４を形成する工程を示す。
まず図１に示すように、公知の超音波ボンディング装置のキャピラリ３６から２層ワイヤー材３８を引出し、トーチ４０と２層ワイヤー材３８先端との間で放電させ、２層ワイヤー材２８先端を加熱し、２層ワイヤー材３８先端にボールを形成する。
【００１１】
次いで図２に示すように、超音波ボンディング装置による公知のスタッドバンプボンディング法により、ベアチップ３０の端子部３２に上記で形成された２層ワイヤー材３８のボール状部位を押しつけ、引きちぎるようにすることで、図３に示すように突起状のバンプ３４を形成することができる。
図４は、端子部３２上に上記のようにしてバンプ３４を形成した半導体装置４２を示す。
【００１２】
図５は２層ワイヤー材３８にボールを形成した状態を示す説明断面図を示す。
２層ワイヤー材３８はその芯材３８ａに、半導体チップ３０の端子部３２の電極材料（アルミニウム）に対し合金化による拡散係数の小さな材料、例えば銅材、銀材が用いられ、芯材３８ａを被覆する外装材３８ｂには、酸化しにくい金属材料、例えばパラジウム材、金材が用いられる。外装材３８ｂにはコスト面を考慮しないとすれば、白金材も用いることができる。
【００１３】
あるいは２層ワイヤー材３８はその芯材３８ａに、バンプ３４が接合される実装基板側の電極材料（アルミニウムあるいは金）に対し合金化による拡散係数の小さな材料、例えば銅材、銀材が用いられ、芯材３８ａを被覆する外装材３８ｂには、酸化しにくい金属材料、例えばパラジウム材、金材が用いられる。外装材３８ｂにはコスト面を考慮しないとすれば、白金材も用いることができる。
外装材３８ｂは、めっきにより形成するのが好適であり、厚さは５０００Å〜１００００Å程度のごく薄い皮膜で足りる。
【００１４】
ところで、異種金属間の合金化進行速度は、接合させる金属の組み合わせにより異なる。例えば、一般的な接合形態として、ベアチップの端子部の電極材料（アルミニウム）と金ワイヤー材の接続があるが、このアルミニウム材と金材の組み合わせにおける合金化後の拡散速度は非常に早く、周囲環境によっては、初期接合から２４時間以内に前述した空洞（カーケンダルボイド）が観察され、長期安定性は望めない。
【００１５】
一方、金ワイヤー材を銅ワイヤー材、あるいは銀ワイヤー材に変更することにより、アルミニウム材との合金化後の拡散進行速度は金ワイヤー材を用いたのに比して、加速試験において４０％〜５０％も遅くなることから、接合完了後の早い段階での空洞発生は見られず、長期安定化が図れることになる。しかし、その反面、銅ワイヤー材、あるいは銀ワイヤー材を用いた場合、スタッドバンプボンディング法によるバンプ形成プロセスの初期段階である、ワイヤー材先端部への放電によるボール形成状態が金ワイヤー材に比べ極端に悪くなる。特に銅材を用いた場合にはボール形成に大掛かりな設備が必要となってしまう。また、銅材は大気中において酸化しやすい金属であるため、接合部に銅の酸化膜が形成される。この酸化膜は接触抵抗を増加させ、オープン不良発生の原因となりやすい。
【００１６】
これに対し、本実施の形態では、核となる芯材３８ａに、銅ワイヤー材や銀ワイヤー材といった、合金化後の接合部となるアルミニウムや金との拡散進行速度の遅い材料を用いた２層ワイヤー材３８を使用することにより、空洞（カーケンダルボイド）の発生が実際上ほとんど生じなくなり、長期に亙って電気的接続の良好なバンプ３４の形成が可能となる。
【００１７】
また、芯材３８ａを酸化しにくい金属材料からなる外装材３８ｂで被覆することによって、単体ではボール形成状態が極めて悪い銅材であっても、ボール形成性が極めて良好となり、通常のスタッドバンプボンディング法によってバンプ３４の形成が可能となった。しかも、これら外装材３８ｂは薄い皮膜で足りるのでコスト的にも有利である。
銅材や銀材が単体ではボール形成性が極めて悪いのは、これら材料表面に酸化膜が形成され、この酸化膜が放電によるボール形成性を妨げるからと考えられる。
【００１８】
図６〜図１２に、上記のようにバンプ３４を形成した半導体装置４２を実装基板（本実施の形態ではベアチップ）４４に実装する工程を示す。
まず、図６に示すように、半導体装置４２をバンプ３４を下方に向けて超音波装置のホーン４５下面に吸着保持する。
次に、図７に示すように、半導体装置４２を基板４４の上方に位置合わせして搬入する。一方基板４４上には、外部接続用の端子部４６を除いた部位にアンダーフィル用の樹脂４７を塗布しておく。
【００１９】
次いで、図８に示すように、半導体装置４２と基板４４間に超音波を印加して、バンプ３４と基板４４との電気的接合を得る。このようにして半導体装置４２とベアチップ４４とをスタック接合した半導体装置４８を得る（図９）。なお、アンダーフィル用の樹脂４７は、半導体装置４２とベアチップ４４とをスタック接合した後、半導体装置４２とベアチップ４４との間の隙間に注入、充填するようにしてもよい。
【００２０】
図１０〜図１２は、この半導体装置４８を基板５０に搭載し、樹脂封止する例を示す。
まず図１０に示すように、半導体装置４８を基板５０上に搭載する。次いで図１１に示すように、基板４４の端子部４６と基板５０の端子部５１とをワイヤー５２で電気的に接合し、次いで図１２に示すように、半導体装置４８を封止樹脂５３にて封止するのである。
【００２１】
図１３は、金ワイヤーにより金バンプを形成した半導体装置（▲１▼〜▲３▼）、および銅―パラジウムの上記２層ワイヤー３８によりバンプを形成した半導体装置（▲４▼）を、上記ベアチップ４４の端子部（アルミニウム電極）上に超音波接合し、雰囲気温度２００℃で加速試験（エージング）を行った場合の抵抗値上昇割合を示すグラフである。
なお、▲１▼は、金バンプを１００μｍピッチで形成した例、▲２▼は、金バンプを６０μｍピッチで形成した例、▲３▼は、金バンプを４０μｍピッチで形成した例、▲４▼は、２層ワイヤーによりバンプを６０μｍピッチで形成した例を示す。
【００２２】
▲３▼、▲２▼のように、金バンプを狭ピッチで形成した場合に、抵抗値の上昇割合が大きい。これはエージングによりカーケンダルボイドが形成されたからと考えられる。▲１▼の１００μｍピッチで金バンプを形成した場合には抵抗値はそれ程上昇していない。
本実施の形態の▲４▼の場合にはむしろエージングにより抵抗値は下った。これは、半導体装置４２と基板４４とを超音波接合した初期の段階では、超音波エネルギーが均一には印加されないなどの理由により接合が不完全な部位が存在したのが、エージングにより当該部位の接合が完全化されたことが原因と考えられる。いずれにしても本実施の形態の▲４▼の場合には、カーケンダルボイドは発生していないと考えられる。
【００２３】
（付記１）半導体チップの端子部に外部接続用のバンプが形成された半導体装置において、
前記バンプは、芯材と該芯材を被覆する外装材からなる２層ワイヤー材を用いたスタッドバンプボンディングによって形成されていることを特徴とする半導体装置。
（付記２）前記２層ワイヤー材の芯材に、前記半導体チップの端子部の電極材料に対し合金化による拡散係数の小さな材料が用いられ、該芯材を被覆する外装材に酸化しにくい金属材料が用いられていることを特徴とする付記１記載の半導体装置。
（付記３）前記２層ワイヤー材の芯材に、前記バンプが接合される実装基板側の電極材料に対し合金化による拡散係数の小さな材料が用いられ、該芯材を被覆する外装材に酸化しにくい金属材料が用いられていることを特徴とする付記１記載の半導体装置。
（付記４）前記芯材が銅材または銀材であり、前記外装材がパラジウム材または金材であることを特徴とする付記１〜３いずれか１項記載の半導体装置。
（付記５）前記外装材は、めっきにより形成された厚さ５０００Å〜１００００Åのものであることを特徴とする付記１〜４いずれか１項記載の半導体装置。
（付記６）付記１〜５いずれか１項記載の半導体装置が前記バンプを介して実装基板に実装されたことを特徴とする半導体装置の実装構造。
（付記７）付記１〜５いずれか１項記載の半導体装置を、前記バンプを介して実装基板に超音波接合法により実装することを特徴とする半導体装置の実装方法。
【００２４】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、芯材に、銅ワイヤー材や銀ワイヤー材といった、合金化後の接合部となるアルミニウムや金等との拡散進行速度の遅い材料を用いた２層ワイヤー材を使用してバンプを形成することにより、空洞（カーケンダルボイド）の発生が実際上ほとんど生じなくなり、長期に亙って電気的接続の良好な半導体装置、あるいは半導体装置の実装構造が提供できる。
また、芯材を酸化しにくい金属材料からなる外装材で被覆することによって、単体ではボール形成状態が極めて悪い銅材等であっても、ボール形成性が極めて良好となり、通常のスタッドバンプボンディング法によってバンプの形成が可能となるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】スタッドバンプボンディング法における超音波ボンディング装置の説明図、
【図２】ボールを形成した状態の説明図、
【図３】バンプの形成状態を示す説明図、
【図４】半導体装置の説明図、
【図５】２層ワイヤー材にボールを形成した状態を示す説明断面図、
【図６】超音波装置のホーンに半導体装置を吸着した状態の説明図、
【図７】基板上にアンダーフィル用の樹脂を塗布した状態の説明図、
【図８】基板上に半導体装置を超音波接合する状態を示す説明図、
【図９】基板上に半導体装置を接合した状態を示す説明図、
【図１０】基板上に半導体装置を搭載した状態を示す説明図、
【図１１】基板の端子部と半導体装置の端子部とをワイヤーにより電気的に接続した状態を示す説明図、
【図１２】半導体装置を樹脂封止した状態を示す説明図、
【図１３】金ワイヤーによりバンプを形成した場合と、２層ワイヤーによりバンプを形成した場合との抵抗値の上昇割合を示すグラフ、
【図１４】カーケンダルボイドが形成された状態を示す説明図である。
【符号の説明】
３０  半導体チップ
３２  端子部
３４  バンプ
３６  キャピラリ
３８  ２層ワイヤー
３８ａ  芯材
３８ｂ  外装材
４０  トーチ
４２  半導体装置
４４  基板
４５  ホーン
４６  端子部
４７  樹脂
４８  半導体装置
５０  基板
５１  端子部
５２  ワイヤー
５３  封止樹脂
【図１】
2005005598.tif 000003
【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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【図１１】
2005005598.tif 000013
【図１２】
2005005598.tif 000014
【図１３】
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【図１４】
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