(57)【要約】【課題】信頼性の高い半導体装置の製造方法を提供する。【解決手段】第1の面１１ａにアルミニウム膜１２と、ニッケル系合金膜１３と、金膜１４とが積層されたボンディングパッド１５を有する半導体チップ１１を形成する工程と、第1の面１１ａと反対の第２の面１１ｂを基板１６側にして、半導体チップ１４を基板１６上に載置する工程と、ボンディングパッド１５にピン３２を斜めに当接し、基板１６をピン３２に対して相対的に上昇させ、ピン３２の先端を水平方向にスライドさせることにより、金膜１４の表層を除去する工程と、表層が除去された金膜１４に接続導体１８を接合する工程と、を具備する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の面にアルミニウム膜と、ニッケル系合金膜と、金膜とが積層されたボンディングパッドを有する半導体チップを形成する工程と、
前記第１の面と反対の第２の面を基板側にして、前記半導体チップを前記基板上に載置する工程と、
前記ボンディングパッドにピンを斜めに当接し、前記基板を前記ピンに対して相対的に上昇させ、前記ピンの先端を水平方向にスライドさせることにより前記金膜の表層を除去する工程と、
前記表層が除去された金膜に接続導体を接合する工程と、
を具備することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２】
前記金膜の表面のニッケル濃度を求める工程と、
前記金膜の表面のニッケル濃度が所定値以下になるように、予め求めた前記ニッケルの深さ方向分布に基づいて前記金膜の除去量を求める工程と、
前記金膜が除去できる前記基板の上昇量を、予め求めた前記上昇量と前記除去量との関係に基づいて求める工程と、
を具備することを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項３】
前記金膜の表面のニッケル濃度の所定値が、前記金に対する前記ニッケルの存在比で０．１以下であることを特徴とする請求項２に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項４】
前記基板の上昇量が、１０μｍ以上であることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項５】
前記金膜の除去量が、４ｎｍ乃至１０ｎｍの範囲にあることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、大規模集積回路（ＬＳＩ:Large Scale Integrated Circuit）に代表される半導体装置の高集積化に伴って、半導体装置の入出力ピンの多ピン化、狭ピッチ化が進展している。
【０００３】
従来、半導体装置のボンディングパッドには、アルミニウム（Ａｌ）が用いられていた。入出力ピンの狭ピッチ化により、ボンディングパッドの面積が縮小するので、ボンディングパッドに接合されるワイヤのボンディング強度を維持するために、アルミニウム（Ａｌ）より、高いボンディング強度が得られる金（Ａｕ）が用いられるようになってきている。
【０００４】
然しながら、下地金属膜上に金膜を形成したボンディングパッドは、半導体装置の製造工程での熱履歴に起因して、下地金属が金膜の表面にパイルアップし、金膜の表面に下地金属の酸化物および水酸化物などの被膜が形成されるので、金本来のボンディング強度が得られないという問題がある。
【０００５】
金膜の表面に形成された被膜の除去を、例えばアルゴン（Ａｒ）プラズマを用いたスパッタリング法により行う場合、スパッタリング法は選択性を有していないので、ボンディングパッドの周りにダメージを与え、半導体装置の信頼性に影響を及ぼす問題がある。
【０００６】
ボンディングパッドの周りの有機系保護膜などから飛散した炭素（Ｃ）がボンディングパッドに付着してボンディングパッドが汚染され、期待したボンディング強度が得られなくなる問題がある。
【０００７】
金膜の表面に形成される被膜には、膜厚のばらつきがあるので、Ａｒプラズマによるスパッタ条件（プラズマ出力、スパッタ時間など）を適正化するのに多大の労力を要するという問題がある。
【０００８】
一方、半導体装置の電気的特性の検査において、半導体チップに形成されたテスト用アルミニウムパッドにテスターのプローブピンを当接して押圧し、テスト用パッド表面の酸化膜を除去して内部のアルミニウムを露出させることにより、テスト用パッドとテスターのプローブピンとの電気的接触を確保する方法が知られている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００９】
特許文献１においては、テスト用パッドとテスターのプローブピンとの電気的接触が確保されればよいので、パッド表面の酸化物のみを除去し、パッド自体にはできるだけ傷をつけないようにしている。  
然しながら、接合強度が要求されるボンディング用パッドについては何ら開示していない。
【特許文献１】特開平１０−２２１３７０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は、信頼性の高い半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の一態様の半導体装置の製造方法は、第１の面にアルミニウム膜と、ニッケル系合金膜と、金膜とが積層されたボンディングパッドを有する半導体チップを形成する工程と、前記第１の面と反対の第２の面を基板側にして、前記半導体チップを前記基板上に載置する工程と、前記ボンディングパッドにピンを斜めに当接し、前記基板を前記ピンに対して相対的に上昇させ、前記ピンの先端を水平方向にスライドさせることにより前記金膜の表層を除去する工程と、前記表層が除去された金膜に接続導体を接合する工程と、を具備することを特徴としている。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、信頼性の高い半導体装置得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。
【実施例】
【００１４】
本発明の実施例に係る半導体装置の製造方法について、図１乃至図３を用いて説明する。図１は半導体装置を示す図で、図１（ａ）はその断面図、図１（ｂ）はその要部を示す拡大断面図、図２は半導体装置の製造工程を示すフローチャート、図３は半導体装置の製造工程の要部を順に示す断面図である。
【００１５】
図１に示すように、半導体装置１０は、第１の面１１ａにアルミニウム膜１２と、ニッケル系合金膜１３と、金膜１４とが積層されたボンディングパッド１５を有する半導体チップ１１と、第１の面１１ａと反対の第２の面１１ｂに対向し、半導体チップ１１を載置する基板１６と、半導体チップ１１のボンディングパッド１５と、ボンディングパッド１５と半導体チップ１１を囲うように基板１６上に形成されたボンディングパッド１７とを接続するワイヤ１８（接続導体）とを具備している。
【００１６】
ボンディングパッド１５の周りは、絶縁膜２０、例えばシリコン酸化膜およびシリコン窒化膜で囲われ、絶縁膜２０上に保護膜２１、例えばポリイミドが形成されている。これにより、ボンディングパッド１５が保護されている。
【００１７】
基板１６のボンディングパッド１７は、基板１６を貫通するビア（図示せず）を介して、基板１６の底面に形成されたハンダボール１９に接続されている。
【００１８】
半導体チップ１１のボンディングパッド１５、および基板１６のボンディングパッド１７は、例えば４０μｍの狭ピッチで、それぞれ配列されている。
【００１９】
半導体チップ１１上には、別の複数の半導体チップが積層されている。積層された複数の半導体チップのボンディングパッド１５は、それぞれワイヤ１８を介して基板１６のボンディングパッド１７に接続されている。
【００２０】
基板１６の底面を露出して、基板１６、半導体チップ１１およびワイヤ１８が一括して樹脂２２でモールドされている。
【００２１】
基板１６のボンディングパッド１７は、例えば半導体チップ１１のボンディングパッド１５と同様に、アルミニウム膜１２と、ニッケル系合金膜１３と、金膜１４とが積層されている。
【００２２】
ワイヤ１８は、例えば金線で、一端が半導体チップ１１のボンディングパッド１５の金膜１２の表層が、例えば４乃至１０ｎｍ除去された後に露出した表面で、ニッケルの濃度が金に対するニッケルの存在比で０．１以下の表面に接合され、他端が基板１６のボンディングパッド１７の金膜１２の表面に接合されている。
【００２３】
次に、半導体装置１０の製造方法について説明する。図２は半導体装置の製造工程を示すフローチャート、図３は半導体装置の製造工程の要部を示す断面図である。  
図２に示すように、周知の方法により半導体基板に電子回路、例えば集積回路を形成し、アルミニウムを真空蒸着し、フォトリソグラフィ法によりパターンニグして集積回路の周りにアルミニウム膜１２を有するパッドを形成する。
【００２４】
次に、フォトリソグラフィ法により、半導体基板上にアルミニウム膜１２を有するパッドに対応した開口を有するレジスト膜を形成する。  
次に、レジスト膜をマスクとして、無電解メッキ法により、アルミニウム膜１２上にニッケル合金膜１３として、例えば燐（Ｐ）を１パーセント程度含有するニッケル膜を形成し、続けてニッケル合金膜１３上に金膜１４を形成し、アルミニウム膜１２とニッケル合金膜１３と金膜１４とが積層されたボンディングパッド１５を形成する。
【００２５】
図３（ａ）は形成された後のボンディングパッド１５を示す断面図である。  
図３に示すように、無電解メッキ法による金膜１４は緻密性が低く、粒界３０が多数存在している。
【００２６】
次に、半導体基板上にボンディングパッド１５を囲うように絶縁膜２０として、例えばＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法によりＴＥＯＳ（Tetra Ethyl Ortho Silicate）膜を形成し、プラズマＣＶＤ法によりシリコン窒化膜を形成する。  
このとき、半導体基板は２００〜４００℃程度に加熱されるので、ボンディングパッド１５に第１の熱履歴が加えられる。
【００２７】
次に、絶縁膜２０を含む半導体基板の全面に保護膜２１として、ポリイミドを塗布した後、半導体基板の裏面を研削して所定の厚さに仕上げ、半導体基板の裏面に樹脂フィルムを貼り付けた後、ブレードを用いて半導体基板をダイシングすることにより、半導体チップ１１を得る。
【００２８】
次に、半導体チップ１１を、樹脂フィルムを介して基板１６上に載置し、樹脂フィルムをキュアすることにより、半導体チップ１１を基板１６上にマウントする。  
このとき、半導体基板は１００〜１５０℃程度に加熱されるので、ボンディングパッド１５に第２の熱履歴が加えられる。
【００２９】
図３（ｂ）は第１および第２の熱履歴が加えられた後のボンディングパッド１５を示す断面図である。但し、絶縁膜２０は省略されている。  
図３（ｂ）に示すように、第１の熱履歴が加えられたことにより、金膜１４の下地のニッケル合金膜１３から、ニッケルが粒界３０を這い上がって、金膜１４の表面にパイルアップすることにより、金膜１４の表面にニッケルの被膜３１が形成される。
【００３０】
第１および第２の熱履歴が加えられている間に、ニッケルの被膜３１が大気に晒されると、ニッケルは大気中の水分と反応し、ニッケルの酸化物および水酸化物が形成される。以後、ニッケルの酸化物および水酸化物を含むニッケルの被膜３１を、単にニッケルの被膜３１と称する。
【００３１】
次に、金膜１４の表面のニッケル濃度を求める。ニッケル濃度の測定は、例えばＡＥＳ（Auger Electron Spectroscopy）により行なう。ＡＥＳでは表面をスパッタリングして、濃度測定を繰り返すことにより、深さ方向分布を求めることができる。
【００３２】
図４は金膜１４中のニッケルの深さ方向分布の一例を示す図で、破線４０が熱履歴（１５０℃×５００ｈ）を加えた場合のニッケルの深さ方向分布を示す図、実線４１は熱履歴を加えない場合のニッケルの深さ方向分布を示す図ある。
【００３３】
図４に示すように、熱履歴を加えない場合は、ニッケル濃度（金に対するニッケルの存在比率）は０．０３以下である。  
一方、熱履歴を加えた場合は、ニッケル濃度は表面で０．２程度、深さ方向には徐々に減少し、深さ２０ｎｍ程度で０．０３程度とほぼ一定値を示した。  
これから、金膜１４の表面にニッケルがパイルアップしてニッケルの被膜３１が形成されていることが認められる。
【００３４】
このように、ボンディングパッド１５の熱履歴に応じて、金膜１４中のニッケルの深さ方向分布データを予め求め、蓄積しておく。
【００３５】
次に、ニッケルの被膜３１が形成された金膜１４は十分なボンディング強度が得られないので、十分なボンディング強度が得られるように金膜１４の表層の除去量を求める。
【００３６】
図５は金膜１４の表面のニッケル濃度とボンディング強度との関係を示す図である。ボンディング強度の測定は、ボンディングパッド１５に金ワイヤ１８をボンディングし、引張り試験機にてワイヤ１８に静荷重を印加し、破断した時の荷重からシェア強度を求めることにより行った。
【００３７】
図５に示すように、ニッケル濃度が０〜０．４と大きくなるほど、シェア強度が２８０ｍＮ〜１２０ｍＮと低下することが分かる。  
破断モードはニッケル濃度により異なる。ニッケル濃度が０〜０．１７程度の間では、破断モードはワイヤ１８のボール内で破断するモードであり、金膜１４とワイヤ１８のボールとの接合強度は十分保たれていることが分かる。
【００３８】
一方、ニッケル濃度が０．２８程度以上になると、破断モードは金膜１４とワイヤ１８のボールとの接合界面で破断するモードになり、金膜１４とワイヤ１８のボールとの接合強度が不足していることが分かる。
【００３９】
ニッケル濃度が０．２１〜０．２６程度の間では、破断モードはボール内で破断するモードと界面で破断するモードが混在し、金膜１４とワイヤ１８のボールとの接合強度にばらつきがあることが分かる。
【００４０】
これにより、マージン、例えば安全係数を２倍に見込んで、金膜１４とワイヤ１８のボールとの十分な接合強度を得るためには、ニッケル濃度を０．１以下に抑えることが必要である。
【００４１】
図４に示すニッケル元素濃度の深さ方向分布から、十分な接合強度を得るためには、金膜１４の表層を４ｎｍ以上削り取ることが望ましい。  
但し、金膜１４の表層を過剰に削り取っても効果は変わらないこと、および切削量のバラツキを考慮すると１０ｎｍ以下とすることが望ましい。
【００４２】
従って、金膜１４の表面のニッケル濃度から、ニッケル濃度が所定値（０．１）以下になるように、予め求めたニッケルの深さ方向分布に基づいて金膜１４の除去量が求められる。
【００４３】
次に、半導体チップ１１がマウントされた基板１６をステージ上に載置し、表面にニッケルの被膜３１が形成されたボンディングパッド１５にピンを斜めに当接し、基板１６をピンに対して相対的に上昇させ、ピンの先端を水平方向にスライドさせることにより金膜１４の表層を除去する。
【００４４】
図６は基板１６の上昇量と金膜１４の除去量の関係を示す図である。金膜１４の除去量は、ＡＦＭ（Atomic Force Microscopy）により表面状態を測定し、除去部と非除去部との段差から求めた。
【００４５】
図６に示すように、基板１６の上昇量が１０μｍ乃至８０μｍ程度で、安定した除去量が得られることが判明した。  
これは、上昇量が１０μｍ以下と少な過ぎると、ピンの初期位置や、ピンの形状のバラツキにより、ピンとボンディングパッド１５の当接が安定しなくなり、８０μｍ以上と多すぎると、押圧力が過大になり金膜１４を平滑に削り取ることが困難となるためである。ここで、上昇量の上限は固定されたものではなく、使用するピンの弾性などに依存して変化するものである。  
このように、基板１６の上昇量と金膜１４の除去量との相関データを予め求め、蓄積しておく。
【００４６】
図３（ｃ）は金膜１４の表層が除去された後のボンディングパッド１５を示す断面図である。但し、絶縁膜２０は省略されている。  
図３（ｃ）に示すように、ピン３２を斜め上方から金膜１４に当接し、例えばステージを１０μｍ乃至８０μｍ程度上昇させ、ピン３２の先端３２ａをＸ方向（水平方向）にスライドさせることにより金膜１４の表層が４ｎｍ乃至１０ｎｍ平滑に削ぎ取られ、ニッケルの被膜３１が除去される。
【００４７】
種々検討の結果、先端３２ａの表面粗さＲａが０．０４μｍ以下のときに、再現性よく金膜１４の表層が４ｎｍ乃至１０ｎｍ程度削り取ることができ、金膜１４の表面３３と表層が除去された金膜１４の表面３４との間に、４ｎｍ乃至１０ｎｍの段差Ｈが形成される。これにより、ニッケルの被膜３１の無い清浄な金膜１４を露出させることが可能である。
【００４８】
また、ピン３２の寸法精度、ピン３２の進入角度のバラツキなどを考慮すると、ピン３２の先端３２ａの曲率半径Ｒと直径Ｄの比（Ｒ／Ｄ）は、６以下であることが望ましい。
【００４９】
図７はボンディングパッド１５の金膜１４の切削領域の表面状態を示す図である。表面状態の測定は、ＡＦＭ（Atomic Force Microscopy）により行った。  
図７に示すように、金膜１４の切削領域は、ニッケルの被膜３１が形成された領域より、平坦になっていることが分かる。
【００５０】
次に、半導体チップ１１のボンディングパッド１５と基板１６のボンディングパッド１７とにワイヤ１８をボンディングする。  
図８はボンディングパッド１５の金膜１４の切削領域とワイヤ１８の接続領域との関係を示す図である。  
図８に示すように、金膜１４の切削領域５０のサイズは、ボンディングパッド１５にワイヤ１８をボンディングしたときに、切削領域５０とワイヤ１８の接続部に形成されるボール５１との重なり合う領域５２が、ボール５１の接合面積の１／２以上となるようにすることが望ましい。
【００５１】
次に、基板１６の底面を露出して、基板１６と、半導体チップ１１と、ワイヤ１８とを一体に樹脂２２でモールドすることにより、図１に示す半導体装置が得られる。
【００５２】
以上説明したように、本実施例の半導体装置の製造方法は、アルミニウム膜１２と、ニッケル系合金膜１３と、金膜１４とが積層されたボンディングパッド１５にピンを当接して押圧し、金膜１４の表層を削り取り、金膜１４の表面に形成されたニッケルの被膜３１を除去している。
【００５３】
その結果、ニッケルの被膜３１の無い清浄な金膜１４が露出したボンディングパッド１５とワイヤ１８とを接合することができるので、十分に信頼性の高い理想的な接合状態が得られ、ボンディング強度が向上する。従って、信頼性の高い半導体装置得られる。
【００５４】
ここでは、ニッケルの表面濃度、金膜の除去量、基板上昇量を求める工程は、製造ロットごとに毎回行う必要はなく、経時変化の補償、製造条件の変更などに応じて適宜行えば十分である。
【００５５】
ワイヤ１８が金ワイヤである場合について説明したが、アルミニウムワイヤ、銅ワイヤとすることも可能である。
【００５６】
ニッケル系合金膜が、燐（Ｐ）を含有するニッケルである場合について説明したが、ニッケル（Ｎｉ）単体、硼素（Ｂ）を含有するニッケル、硼素（Ｂ）およびタングステン（Ｗ）を含有するニッケルであっても構わない。
【００５７】
また、ニッケルの替わりに、コバルト（Ｃｏ）単体、燐（Ｐ）を含有するコバルト、硼素（Ｂ）を含有するコバルト、燐（Ｐ）およびタングステン（Ｗ）を含有するコバルト、硼素（Ｂ）およびタングステン（Ｗ）を含有するコバルトなどでも構わない。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】本発明の実施例に係る半導体装置を示す図で、図１（ａ）はその断面図、図１（ｂ）は要部を示す拡大断面図。
【図２】本発明の実施例に係る半導体装置の製造工程を示すフローチャート。
【図３】本発明の実施例に係る半導体装置の製造工程の要部を順に示す断面図。
【図４】本発明の実施例に係る半導体装置のボンディングパッドのニッケルの深さ方向分布を示す図。
【図５】本発明の実施例に係る半導体装置のニッケル濃度とボンディング強度との関係を示す図。
【図６】本発明の実施例に係る半導体装置の基板の上昇量と金膜の除去量との関係を示す図。
【図７】本発明の実施例に係る半導体装置のボンディングパッドの切削領域を示す図。
【図８】本発明の実施例に係る半導体装置のボンディングパッドの切削領域とワイヤの接続領域の関係を示す図。
【符号の説明】
【００５９】
１０  半導体装置
１１  半導体チップ
１２  アルミニウム膜
１３  ニッケル合金膜
１４  金膜
１５、１７  ボンディングパッド
１６  基板
１８  ワイヤ（接続導体）
１９  ハンダボール
２０  絶縁膜
２１  保護膜
２２  樹脂
３０  粒界
３１  被膜
３２  ピン
５０  切削領域
５１  ボール
５２  重なり領域
【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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