半導体装置の製造方法および製造装置

【課題】金属細線とボンディングパッド部間の合金層で、ボイドの成長によって接合部位が電気的に開放状態となることを防止する。
【解決手段】キャピラリ５の第１の貫通孔３を通った金属細線２の先端のボール部４とボンディングパッド部１が接触し接続する直前に、第２の貫通孔６から突出した針状突起物７で、ボンディングパッド部１表面に傷を付け、これにより接続に必要なボンディングパッド部１の一部分をなくすことにより不均一な合金層の状態を形成させ、発生したボイドによる影響を抑え接合部分が電気的に開放状態となる不良を防ぐ。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置を製造する組立工程において、半導体素子のボンディングパッド部、特に最上層に電極部として構成したボンディングパッド部の表面層とこの半導体素子を収納するパッケージのリード部等とを金属細線によって接続するワイヤーボンディングに使用される半導体装置の製造方法および製造装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、半導体素子は外部環境から守るためにパッケージに収納して構成した半導体装置として使用されている。この半導体素子への電源供給や信号の入出力を行うために、半導体素子上に設けられたボンディングパッド部とパッケージのリード部等を電気的に接続することが必要となる。この接続をするために用いられる方法の１つとしてワイヤーボンド接続法が広く知られている。ワイヤーボンディングによる接続は複数のリード部を有するパッケージのフレーム上に半導体素子を接着し、半導体素子上のボンディングパッド部とパッケージのリード部とをアルミニウム、金またはそれらの合金等からなる金属細線により接続する手法である。
【０００３】
図２は従来の半導体装置の製造方法に用いる金属細線とボンディングパッド部のワイヤーボンディングの接続を説明する図であり、（ａ）はワイヤーボンディングを行う半導体装置の製造装置でボンディングツール先端部分の断面図、（ｂ）はボンディングツール先端部分と半導体素子のボンディングパッド部とを金属細線により接続する領域を拡大した断面図を示している。
【０００４】
図２（ａ）に示すように金属細線２は、一般的にキャピラリ５と呼ばれるボンディングパッド部１との接合を担う役割を持ったボンディングツールに貫通した孔に挿入されて、その貫通した孔から突出した金属細線２の先端部分に電気スパークなどによってボール部４が形成されている。このボール部４が果たす役割として、貫通した孔への金属細線２の逆引き込み防止やボンディングパッド部１への接合の際のボール径を決定する要因となる。
【０００５】
また、図２（ｂ）に示すようにボンディングツールのキャピラリ５を下降させてボンディングパッド部１上にボール部４を接触させながら超音波や熱を加え、さらにキャピラリ５をボール部４に対し押し付けながら接着をする。
【０００６】
近年の拡散プロセスの微細化技術により、半導体素子のチップ面積の縮小が顕著になってきており、それに伴い電極となるボンディングパッド部１の配列によりチップサイズを律則することがないようパッドサイズおよびパッドピッチの縮小が必然的に求められてきている。
【０００７】
そして、この小さなパッドサイズへの接合性を上げるために、ボンディングパッド部１の構造見直し、ワイヤーボンディングの条件見直しなど様々な改善が進められ、機械的強度不足やボール部４の不着など信頼性の面で問題となることを回避するため、ボンディングパッド部１を長方形に形成したり、また、金属細線２とボンディングパッド部１の接続性を上げるために最上層のボンディングパッド部層を厚く形成したり、ワイヤーボンディング時の周波数を上げるなどの効率よく接続するための手段が用いられてきた。
【特許文献１】特開平９−２４６３１１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
このような構成の従来の半導体装置の製造方法では、さらなる拡散プロセスの微細化に伴い狭パッド技術および接合を良化させるパッド構造技術が進み、小さい面積にワイヤーボンディングすることが可能となってきた。これらの技術によって、ボンディングパッド部と金属細線との接合状態は合金層の成長を飛躍的に向上させる結果となっている。
【０００９】
しかしながら、合金層の成長増大による弊害として合金層内部にボイド（空孔）が発生し、ワイヤーボンディングの接合に与える影響が顕著となって問題になりつつある。このボイドの発生により従来条件でのワイヤーボンディングを実施することが困難となっている。実際に、前述したような条件で、ワイヤーボンディングを実施し熱処理を加えた後、研磨処理にて断面を光学顕微鏡で観察したところ、合金層上部にボイドの発生が確認されており、さらにボイドが進行することにより合金層上部で金属細線とボンディングパッド部との接続が電気的に開放状態となり重大な信頼性不良をおこすことが確認されている。
【００１０】
本発明は、前記従来技術の問題を解決することに指向するものであり、ボンディングパッド部を従来の平坦な構造から意図的に金属細線と接合される部位を削り、金属細線とボンディングパッド部間の合金層の成長を妨げて、ボイドによって接合された部位が電気的に開放状態となることを防止する半導体装置の製造方法および製造装置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】
前記の目的を達成するために、本発明に係る半導体装置の製造方法および製造装置は、半導体素子のボンディングパッド部と電気的に接続されるパッケージのリード部と接続する金属細線が第１の貫通孔を通り、その先端部分のボール部とボンディングパッド部とを接続するボンディングツールにおいて、金属細線とボンディングパッド部とを接続するボンディングツールの金属細線を挿入する第１の貫通孔を垂線として、ボンディングパッド部上の垂線との交点を頂点とした任意の円錐面に設けた第２の貫通孔より、金属細線の先端に形成されたボール部とボンディングパッド部が接触する直前に、ボンディングパッド部のボール部と接触する部分へ弾性部材により針状の突起物を突出しボンディングパッド部に凹凸面を形成することを特徴とする。
【００１２】
このように、本発明による半導体装置の製造方法および製造装置では、ボンディングツールの第１の貫通孔を通った金属細線の先端のボール部とボンディングパッド部を接触して接続する直前に、第２の貫通孔から突出した針状の突起物によりボンディングパッド部表面を傷を付けることで部分的に除去して、接続に必要な一部分に不均一な合金層の状態を形成させ、合金層に発生したボイドによる影響をなくすことができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、ボンディングツールのキャピラリを下降させてボンディングパッド部上にボール部を接触させながら超音波や熱を加え、さらにキャピラリをボール部に対し押し付けながら接続する際、意図的にボンディングパッド部のボール部との接合部分の表面を一部削って凹凸パターンの表面として、その結果、金属細線とボンディングパッド部の接合部分の合金層の状態を不均一に成長させて、これにより発生したボイドの成長を抑えて接合部分が電気的に開放状態となる不良を防ぐことができるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、図面を参照して本発明における実施の形態を詳細に説明する。
【００１５】
図１は本発明の実施の形態における半導体装置の製造方法に用いる金属細線とボンディングパッド部のワイヤーボンディング接続を説明する図である。ここで、前記従来例を示す図２において説明した構成部材に対応し実質的に同等の機能を有するものには同一の符号を付してこれを示す。
【００１６】
図１（ａ）は本実施の形態におけるワイヤーボンディングに用いるキャピラリと呼ばれるボンディングツールとボンディングパッド部の断面図、（ｂ）はキャピラリをボンディングパッド部側から見た図である。
【００１７】
図１（ａ）に示すように本実施の形態のキャピラリ５は、従来と同様に金属細線２が通る第１の貫通孔３を有しているが、それ以外に第２の貫通孔６を有していることが特徴である。本実施の形態では従来の装置に具備されたキャピラリ５を下降させてボンディングパッド部１上にボール部４を接触させながら超音波や熱を加え、さらにキャピラリ５をボール部４に対し押し付けながら接着する間際に、第２の貫通孔６から金属でできた針状突起物７を突出させボンディングパッド部１の表面層の接合に必要な部分を一部削って、これにより接合の際にできる合金層を不均一に成長をさせることができる。
【００１８】
本実施の形態の図１（ａ）に示すように、第２の貫通孔６の中心線上に金属細線２の先に形成されたボール部４とボンディングパッド部１上の交点があるため、接合される部位に必然的に接触することが可能となる。このような形態にすることによりワイヤーボンディングを実施した際に針状突起物７により形成したボンディングパッド部１の表面上の針跡傷により、合金層のできる状態が不均一になり、ボイドが発生した状態であってもボイドの成長によってボイド同士がつながり合金層部分において電気的な開放状態に至ることをなくすことができる。
【００１９】
以上のことから、キャピラリ５の第２の貫通孔６に金属でできた針状突起物７を配設し、螺旋状の弾性部材（例えば、コイルバネ等）（図示せず）により突出することによって、従来、平面であったボンディングパッド部１の面に凹凸パターンが形成されたボンディングパッド部１の表面構造ができ、該当する金属細線２とボンディングパッド部１の接合における合金層の成長を不均一な状態にでき、発生したボイドの成長によって金属細線２とボンディングパッド部１との接続が電気的な開放状態となる不良を防止することができる。
【００２０】
なお、突出した針状突起物７はボンディングパッド部１上に凹凸パターンを形成した後は第２の貫通孔６内に回収され、その後、ボンディングパッド部１上の凹凸パターン形成部分にボール部４との接合による合金層が形成される。
【産業上の利用可能性】
【００２１】
本発明に係る半導体装置の製造方法および製造装置は、金属細線とボンディングパッド部の接合部分の合金層の状態を不均一に成長させて、発生したボイドによる影響をなくし接合部分が電気的に開放状態となる不良を防ぐことができ、半導体装置を製造する組立工程のボンディングパッド部表面層と半導体素子を収納するパッケージのリード部とを金属細線で接続するワイヤーボンディングに用いて有用である。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】（ａ）は本実施の形態におけるワイヤーボンディングに用いるキャピラリとボンディングパッド部の断面図、（ｂ）はキャピラリをボンディングパッド部側から見た図
【図２】（ａ）はボンディングツール先端部分の断面図、（ｂ）はボンディングツール先端部分とボンディングパッド部を金属細線で接続する領域拡大断面図
【符号の説明】
【００２３】
１ボンディングパッド部
２金属細線
３第１の貫通孔
４ボール部
５キャピラリ
６第２の貫通孔
７針状突起物
８保護膜
９第１層間絶縁膜
１０第２層間絶縁膜

【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属細線とボンディングパッド部とを接続するボンディングツールの前記金属細線を挿入する第１の貫通孔を垂線として、前記ボンディングパッド部上の前記垂線との交点を頂点とした任意の円錐面に設けた第２の貫通孔より、前記金属細線の先端に形成されたボール部と前記ボンディングパッド部が接触する直前に、前記ボンディングパッド部の前記ボール部と接触する部分へ針状の突起物を突出して前記ボンディングパッド部に凹凸面を形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２】
前記針状の突起物を、前記第２の貫通孔より弾性部材によって突出することを特徴とする請求項１記載の半導体装置の製造方法。
【請求項３】
金属細線とボンディングパッド部とを接続するボンディングツールを用いる半導体装置の製造装置であって、前記ボンディングツールの前記金属細線を挿入する第１の貫通孔を垂線として、前記ボンディングパッド部上の前記垂線との交点を頂点とした任意の円錐面に設けた第２の貫通孔と、前記ボンディングパッド部の前記金属細線の先端に形成されたボール部と接触する部分へ前記第２の貫通孔より突出する針状の突起物とを備え、前記ボール部と前記ボンディングパッド部が接触する直前に、前記ボンディングパッド部に凹凸面を形成することを特徴とする半導体装置の製造装置。
【請求項４】
前記針状の突起物に、前記第２の貫通孔より突出する弾性部材を備えたことを特徴とする請求項３記載の半導体装置の製造装置。

【図１】