半導体装置の製造方法及びボンディング装置
【課題】
本発明は、ボンディングをするときにキャピラリによる荷重を低減することが可能なボンディング装置及びその装置を用いた半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。
【解決手段】
半導体チップ３１の電極３３の露出面に、前記電極３３に使用されている金属の結合を分解するエネルギー以上のエネルギーを有するレーザー光を照射する照射工程と、前記照射工程の後、かつ、前記電極３３の露出面に酸化膜が形成される前に前記電極３３の露出面に接続部材２０をボンディングするボンディング工程とを含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
本発明は、ボンディングをするときにキャピラリによる荷重を低減することが可能なボンディング装置及びその装置を用いた半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。
【解決手段】
半導体チップ３１の電極３３の露出面に、前記電極３３に使用されている金属の結合を分解するエネルギー以上のエネルギーを有するレーザー光を照射する照射工程と、前記照射工程の後、かつ、前記電極３３の露出面に酸化膜が形成される前に前記電極３３の露出面に接続部材２０をボンディングするボンディング工程とを含むことを特徴とする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及びボンディング装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体チップの製造工程において、半導体チップの電極は、一般に、アルミニウムで形成されているため、容易に大気中の酸素と反応し、その電極表面には酸化アルミ膜が形成される。
【０００３】
そのため、例えば、半導体チップの電極表面に金線のワイヤを接続するボンディング工程では、ワイヤの先端部に金属ボールを形成した後、加熱された電極の表面に、キャピラリによって金属ボールを押圧すると共に、超音波振動させて電極表面上の酸化アルミ膜を除去、または破壊して電極とワイヤとを良好に接合する（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
しかしながら、従来のボンディング方法では、電極表面上の酸化アルミ膜を除去、または破壊するために、キャピラリの押し付ける荷重を大きくする必要がある。このため、半導体チップに大きな負荷がかかり、半導体チップにクラックや破損が発生する恐れがあった。
【０００５】
そのため、近年では、ボンディングを行う際に、キャピラリによる荷重を低減することが望まれている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平１０−１２５７０７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
従って、本発明は、ボンディングの際のキャピラリによる荷重を低減することが可能な半導体装置の製造方法及びボンディング装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために、本発明の一態様の半導体装置の製造方法は、半導体チップの電極の露出面に、前記電極に使用されている金属の結合を分解するエネルギー以上のエネルギーを有するレーザー光を照射する照射工程と、前記照射工程の後、かつ、前記電極の露出面に酸化膜が形成される前に前記電極の露出面に接続部材をボンディングするボンディング工程とを含むことを特徴とする。
【０００９】
本発明の一態様のボンディング装置は、架台と、前記架台上に取り付けられ、かつ、電極を備えた半導体チップが載置されるボンディングステージと、前記半導体チップの前記電極の露出面に、前記電極に使用されている金属の結合を分解するエネルギー以上のエネルギーを有するレーザー光を照射するレーザー照射部と、前記レーザー照射された前記電極の露出面に接続部材を接合するためのキャピラリと、前記キャピラリに荷重を与える荷重供給部とを少なくとも備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、ボンディングの際のキャピラリによる荷重を低減することが可能な半導体装置の製造方法及びボンディング装置を提供することをできる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の第１の実施形態にかかるボンディング装置の概略を示す側面図。
【図２】本発明の第１の実施形態にかかるボンディング装置の概略を示す正面図。
【図３】レーザー照射装置のレーザー光の照射領域を示す平面図。
【図４】本発明の第１の実施形態にかかるボンディング装置によるＭＣＰ型半導体装置の製造工程を説明するための模式図。
【図５】本発明の第１の実施形態にかかるボンディング装置によるＭＣＰ型半導体装置の製造工程を説明するための模式図。
【図６】本発明の第１の実施形態にかかるボンディング装置によるＭＣＰ型半導体装置の製造工程を説明するための模式図。
【図７】は本発明の第１の実施形態におけるＭＣＰ型半導体装置の製造工程を示すフローチャート図。
【図８】は本発明の第１の実施形態におけるＭＣＰ型半導体装置の製造工程の変形例を示すフローチャート図。
【図９】電極下にｌｏｗ−ｋ膜を備えた半導体装置の電極周辺の拡大断面図。
【図１０】電極下にエアギャップを備えた半導体装置の電極周辺の拡大断面図。
【図１１】本発明の第２の実施形態におけるボンディング装置の概略図。
【図１２】本発明の第２の実施形態におけるボンディング装置の変形例を示す概略図。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。この説明に際し、全図にわたり、共通する部分には共通する参照符号を付す。
【００１３】
（第１の実施形態）
まず、本発明の第１の実施形態にかかるボンディング装置について、図１及び図２を参照して説明する。図１は第１の実施形態にかかるボンディング装置の概略を示す側面図である。図２は、第１の実施形態にかかるボンディング装置の概略を示す正面図である。
【００１４】
図１に示すように、ボンディング装置は、架台１１と、ボンディングステージ１２と、キャピラリ１３と、ボンディングアーム１４と、トーチ１５と、レーザー照射装置１６と、カットクランパー１７と、カメラ１８とを備えている。
【００１５】
ボンディングステージ１２は、架台１１上に設けられている。ボンディングステージ１２は、ボンディング対象物３０である半導体チップ、支持基板またはリードフレム等を載置するためのもので、駆動装置（図示略）によりＸ、Ｙ方向に可動できるように構成されている。
【００１６】
キャピラリ１３は、ボンディングアーム１４の先端部に取り付けられている。キャピラリ１３は、その中心部に貫通孔を有し、貫通孔には、例えば金製のワイヤ１９が挿通されている。キャピラリ１３の先端部から突出したワイヤ１９の先端には、トーチ１５とワイヤ１９と間に電圧が印加されることで生じるスパークによって、キャピラリ１３の先端から突出したワイヤ１９が溶融されてボール２０が形成される。
【００１７】
なお、ワイヤ１９は、金製ワイヤを用いるのが一般的であるが、銀や銅製のワイヤを使用してもよい。
【００１８】
ボンディングアーム１４は、キャピラリ１３をボンディングステージ１２上に載置されるボンディング対象物３０に対して接離方向であるＺ方向、即ちボンディングステージ１２に対して上昇、下降できるように構成されている。またボンディングアーム１４には、荷重供給機構（図示略）により荷重が与えられるように構成されている。
【００１９】
また、ボンディングアーム１４には、さらに超音波発振機構（図示略）により超音波エネルギーが与えられるが、ボンディングアーム１４自体を、超音波振動させる機能を有する超音波トランスデューサとしてもよい。なお、超音波の発振を入切する制御装置（図示略）が付加されたボンディングアーム１４としてもよい。
【００２０】
レーザー照射装置１６は、ボンディング対象物３０の電極表面にレーザーを照射し、電極金属の結合を分解することにより、電極表面の酸化膜を除去するためのものである。レーザー照射装置１６は、具体的には照射ノズルからなり、キャピラリ１３の近傍に配置され、ここでは、キャピラリ１３と一体に動作できるように、ボンディングアーム１４に取り付けられている。レーザー照射装置１６である照射ノズルには、誘導路（図示略）により、レーザー源（図示略）からレーザー光が導かれる。好ましくは、レーザー照射装置１６は、キャピラリ１３の側に配置されることが好ましい。
【００２１】
なお、ここで、「キャピラリ１３の近傍」とは、レーザー照射による電極表面の清浄化(酸化膜の除去)後で、かつ電極表面（露出面）に再度の酸化膜の形成がされる前に、ボンディングを行うことができればよいため、レーザー照射装置１６とキャピラリ１３との距離が、清浄化された電極の表面に再度の酸化膜の形成がされない時間の範囲でボンディングステージ１２が移動できる距離であることをいう。従って、キャピラリ１３の近傍であれば、レーザー照射装置１６の設置場所を問わない。例えば、レーザー照射装置１６をボンディングアーム１４に固定しないで、別の位置に設置してもよい。
【００２２】
また、レーザー照射装置１６におけるレーザー光は、ボンディング対象物３０の電極に使用される金属の結合を分解するのに必要なエネルギーを有すればよい。例えば、ボンディング対象物３０が、半導体チップ３１の電極（以下、第１の電極と言う）３３と支持基板３２の外部取り出し電極(以下、第２の電極と言う)３４のように複数の電極３３、３４を有する場合には、上述の必要なエネルギーは、第１の電極３３や第２の電極３４に使用される金属の原子間結合を算出することにより求められる。
【００２３】
第１の電極３３や第２の電極３４に使用される金属の例として、アルミニウムや銅、プラチナなどがある。例えば、第１の電極３３としてアルミニウムが使用された場合、レーザー光として波長がＫｒＦの２４８ｎｍ以下のエキシマレーザー光や固体レーザー光を使用すればよい。
【００２４】
次に、レーザー光の照射範囲について説明する。図３は、レーザー照射装置のレーザー光の照射領域を示す平面図である。
【００２５】
レーザー光の照射は、ボンディング対象物３０、例えば半導体チップ３１の第１の電極３３の周辺にレーザーが照射されても損傷の虞がない場合には、図３の破線で示す、電極表面を含む範囲４１となるように設定すればよい。
【００２６】
しかし、例えば、半導体チップ３１のように電極３３の周辺に保護膜等があり、レーザー照射によって保護膜が損傷を受けて半導体チップの信頼性が損なわれる虞がある場合には、レーザー光の照射範囲は、図３の一点鎖線で示すように、半導体チップ３１の第１の電極３３の表面内の範囲４２となるように設定すること好ましい。さらに、後述するように、レーザー照射による電極の清浄化とボンディングとを複数の電極を単位として行う場合には、図３の二点差線に示すように、レーザー光の照射範囲は、第１の電極３３表面内であって、かつ、ワイヤ１９の先端に形成されたボール（接続部材）２０を第１の電極３３表面に射影したときに生じる射影領域４４の外部の範囲４３となるように設定することがより好ましい。このようにすることにより、１つの電極表面の清浄化の時間が短縮されるので、複数の電極を清浄化した後、ボンディングしても電極表面に再度の酸化膜が形成される虞がない。
【００２７】
カットクランパー１７は、ボンディング対象物３０にワイヤ１９をボンディングした後、ワイヤ１９を切断する際に、ワイヤをクランプするためのものである。
【００２８】
カメラ１８は、キャピラリ１３及びレーザー照射装置１６等とボンディング対象物とを位置合わせする際の視認等に用いられる。
【００２９】
また、ボンディング装置には、各要素を一体として制御する制御部、例えばＣＰＵを備えており、この制御部により、ボンディング時の荷重、超音波振動の大きさ、レーザー照射の範囲等が制御される。
【００３０】
次に、上記構成のボンディング装置によってボンディング対象物の電極表面にワイヤを接続するボンディング方法について、図４乃至図７を参照して説明する。ここでは、複数の半導体チップ３１ａ、３１ｂ、３１ｃを半導体チップ３１ａ、３１ｂ、３１ｃより小面積のスペーサーチップ３５ａ、３５ｂを介して支持基板３２上に積層したＭＣＰ（Ｍｕｌｔｉ Ｃｈｉｐ Ｐａｃｋａｇｅ）型半導体装置３０ａにおけるボンディング工程を例に説明する。なお、例えば第１の半導体チップ３１ａの電極が設けられる辺と第２の半導体チップ３１ｂの電極が設けられる辺とが交差する関係にある場合もあるが、説明を簡単にするため、半導体チップ３１ａ、３１ｂ、３１ｃにおける電極が設けられた辺が同一方向にある場合を例に説明する。
【００３１】
図４乃至図６は、第１の実施形態に係わるＭＣＰ型半導体装置におけるボンディング工程を説明するための模式図である。図７は第１の実施形態におけるＭＣＰ型半導体装置の製造方法の工程を示すフローチャート図である。
【００３２】
まず、図１に示すボンディング装置のボンディングステージ１２上に、第１の半導体チップ３１ａが支持基板３２に固着されたＭＣＰ型半導体装置３０ａを載置する。第１の半導体チップ３１ａの端部には、第１の電極３３ａが、また支持基板３２の端部には、第２の電極３４ａがそれぞれ複数形成されている。
【００３３】
次に、図４（ａ）に示すように、キャピラリ１３の先端から所定量のワイヤ１９を突出させる。そして、トーチ１５とワイヤ１９との間に電圧を印加し、ボール２０を形成する。そして、ボンディングステージ１２をＸＹ方向に移動させ、ボール２０が形成されたキャピラリ１３を第１の半導体チップ３１ａの第１の電極３３ａの真上に移動させる。そして、ボンディングアーム１４をボンディングステージ１２の方向（Ｚ方向のうち負の向き）に下動させ、キャピラリ１３の先端のボール２０を第１の電極３３ａの表面に押圧すると共に、超音波振動させて第１の電極３３ａ表面の酸化膜を破壊して、ワイヤ１９を第１の電極３３ａの表面に接合、つまりボンディングする。
【００３４】
その後、図４（ｂ）に示すように、ボンディングステージ１２をＸＹ方向に移動させ、ワイヤ１９をキャピラリ１３の先端から引き出しながら、キャピラリ１３を支持基板３２の第２の電極３４ａの真上に移動させる。ボンディングアーム１４をボンディングステージ１２の方向（Ｚ方向のうち負の向き）に下動させ、ワイヤ１９を加熱された第２の電極３４ａの表面に対して、キャピラリ１３に形成されたボール２０を押圧すると共に、超音波振動させて第２の電極３４ａ表面の酸化膜を破壊して、ワイヤ１９を支持基板３２の第２の電極３４ａの表面に接合させると同時に、カットクランパー１７により、ワイヤ１９を切断する。
【００３５】
上記第１の半導体チップ３１ａの第１の電極３３ａ及び支持基板３２の第２の電極３４ａに対するボンディングにおいては、電極３３ａ、３４ａの表面の酸化膜を除去せずにボンディングするため、従来と同様の大きさの荷重、超音波振動を与えられる。しかし、第１の半導体チップ３１ａ及び第２の電極３４ａは、支持基板３２に支持されているため、半導体チップ３１及び第２の電極３４ａは、クラック、破損等の虞はない。
【００３６】
上記の一連のボンディング工程を複数回行うことにより、第１の半導体チップ３１ａの複数の第１の電極３３と支持基板３２の複数の第２の電極３４をワイヤ１９により電気的に接続することができる。
【００３７】
次に、第1の半導体チップ３１ａに設けられた全ての第１の電極３３ａと支持基板３２の第２の電極３４ａに対してボンディングを行った後に、図４（ｃ）に示しように、第１の半導体チップ３１ａ上に、第１及び第２の半導体チップ３１ａ、３１ｂよりも小面積のスペーサーチップ３５ａを接着する。スペーサーチップ３５ａは、絶縁性のシート状部材の両面に接着層を有する。そして、上記スペーサーチップ３５ａ上に、第２の半導体チップ３１ｂを接着させ、ボンディングステージ１２上に載置する。
【００３８】
そして、ボンディングステージ１２上に載置された第２の半導体チップ３１ｂの第１の電極３３ｂの真上にレーザー照射装置１６が位置するように、ボンディングステージ１２を図１と図２に示すＸＹ方向に移動させ、レーザー照射装置１６より第１の電極３３ｂの表面にレーザー光を照射する（図７のＳ１）。
【００３９】
このレーザー光の照射により、照射された第１の電極３３ｂの表面部分における金属の原子間結合が切断され、電極の表面の酸化膜が蒸発する。その結果、清浄な電極金属の表面が露出する。
【００４０】
次に、レーザー照射装置１６により清浄な電極金属の表面を露出させた後に、図５（ａ）に示すように、ボンディングステージ１２をＸＹ方向に移動させ、ボール２０が形成されたキャピラリ１３を第２の半導体チップ３１ｂの第１の電極３３ｂの真上に移動させる。
【００４１】
そして、ボンディングアーム１４をボンディングステージ１２の方向（Ｚ方向のうち負の向き）に下動させ、キャピラリ１３の先端のボール２０を第１の電極３３ｂの表面に押圧すると共に、超音波振動させて、ワイヤ１９を第１の電極３３ｂの表面にボンディングする（図７のＳ２）。
【００４２】
第1の電極３３ｂが形成されている第２の半導体チップ３１ｂの端部は、スペーサーチップ３５ａの面積が第２の半導体チップ３１ｂの面積より小面積であるため、支持基板３２との間に空隙を有している。
【００４３】
しかし、この第２の半導体チップ３１ｂの第１の電極３３ｂ表面へのボンディングにおいては、電極３３ｂ表面の酸化膜が除去されているので、キャピラリ１３には、従来の電極表面に酸化膜を有する場合に比べて、極めて小さい荷重及び超音波振動が与えられるので、第２の半導体チップ３１ｂは、クラックや破損の虞は少ない。
【００４４】
次に、支持基板３２の第２の電極３４ａに対するボンディング方法と同様に、図５（ｂ）に示すように、第２の電極３４ｂ表面にキャピラリ１３によりワイヤ１９を押圧すると共に、超音波振動させて第２の電極３４ｂ表面の酸化膜を破壊して、支持基板３２の第２の電極３４ｂに対するボンディングを行う。
【００４５】
次に、図６に示すように、第２の半導体チップ３１ｂの場合と同様に、この第２の半導体チップ３１ｂ上に、第２及び第３の半導体チップ３１ｂ、３１ｃよりも小面積のスペーサーチップ３５ｂを介して第３の半導体チップ３１ｃを接着する。
【００４６】
そして、ボンディングステージ１２上に、第２の半導体チップ３１ｂが接着されたＭＣＰ型半導体装置を載置し、第２の半導体チップ３１ｂの第１の電極３３ｂ及び支持基板３２の第２の電極３４ｂに対するボンディング方法と同様に、第１の電極３３ｃに対してレーザー照射による電極表面の清浄化を行った後（図７のＳ３）、第３の半導体チップ３１ｃの第１の電極３３ｃに対するボンディングを行う（図７のＳ４）。その後、支持基板３２の第２の電極３４ｃに対するボンディングを行う。
【００４７】
第２の半導体チップ３１ｂの場合と同様に、第３の半導体チップ３１ｃの端部は、スペーサーチップ３５ｂの面積が第３の半導体チップ３１ｃの面積より小面積であるため、第２の半導体チップ３１ｂとの間に空隙を有しているが、第１の電極３３ｃ表面の酸化膜が除去されているので、キャピラリ１３には、従来の電極表面に酸化膜を有する場合に比べて、極めて小さい荷重及び超音波振動が与えられる。従って、この第３の半導体チップ３１ｃの第１の電極３３ｃ表面へのボンディングにおいては、第３の半導体チップ３１ｃのクラックや破損の虞は少ない。
【００４８】
このように第１の半導体チップ３１ａの第１の電極３３ａにはレーザー光を照射せずにボンディングする方法を適用し、第２の半導体チップ３１ｂの第１の電極３３ｂにはレーザー光を照射しボンディングする方法を適用することで、第１の半導体チップ３１ａのボンディング工程にかかる時間を短縮することができる。
【００４９】
以上により、ＭＣＰ型半導体装置３０ａの第１の電極３１と支持基板３２の第２の電極３４とのボンディングが行われる。
【００５０】
上記実施形態のボンディング装置及び半導体装置の製造方法では、レーザー照射により、電極表面の酸化膜を除去した後に、ボンディングを行う。そのため、ボンディングをするときにキャピラリ１３による荷重及び超音波振動を低減することが可能となる。
【００５１】
また、本実施形態において、レーザー照射装置１６をキャピラリ１３の近傍に配置し、レーザー照射装置１６とキャピラリ１３との相対的な距離を短くしている。そのため、レーザー照射装置１６によるレーザー光を照射した後、即座にボンディングをすることができる。言い換えれば、レーザー光を照射する照射工程とボンディング工程との時間差を小さくすることができる。この時間差を小さくすることによって、レーザー光の照射によって酸化膜が除去された電極の表面に再度酸化膜が形成されにくくなる。
【００５２】
また、電極表面へのレーザー光の照射工程において、レーザー光の照射範囲を、図３に示すように、電極の表面領域内の範囲４２に制限すると、電極表面以外にはレーザー光が照射されないため、電極周辺部分の保護膜に対するレーザー光によるストレスを軽減できる。
【００５３】
さらに、複数の電極の表面に形成された酸化膜を一括して除去した後、順次、電極表面にボンディングすると、酸化膜を除去してからボンディングまでの時間が長い電極の表面に再度の酸化膜が形成されるが、本実施形態では、ボンディングをする電極の表面のみに対して、ボンディングの直前にレーザー光を照射し、酸化膜の除去をする。これにより、レーザー光の照射によって酸化膜が除去された電極の表面に再度酸化膜が形成されにくくなる。
【００５４】
また、従来のワイヤボンディング工程では、ＭＣＰ型半導体装置３０ａにおいて、第２の半導体チップ３１ｂの第１の電極３３ｂ及び第３の半導体チップ３１ｃの第１の電極３３ｃがスペーサーチップ３５ａ及び３５ｂから、それぞれはみ出して宙に浮いた状態にあり、ボンディング時に第２及び第３の半導体チップ３１ｂ、３１ｃが撓むことになる。このため、キャピラリ１３による荷重が第２の半導体チップ３１ｂの第１の電極３３ｂや第３の半導体チップ３１ｃの第１の電極３３ｃに伝導しにくく、大きな荷重を供給する必要があった。従って、キャピラリ１３による大きな荷重により半導体チップにクラックや、破損が発生する可能性が著しく高い。
【００５５】
これに対して、本実施形態では、レーザー照射により、電極表面の酸化膜を除去した後に、ボンディングを行うため、ボンディングをするときのキャピラリ１３による荷重を低減することができ、半導体チップにクラックや破損が発生する可能性を著しく低下できる。
【００５６】
なお、上記実施形態では、図７に示すように、半導体チップ３１の複数の電極３３において、レーザー照射工程とボンディング工程とを周期的に繰り返す、即ち交互に繰り返すようにしているが、図３中の４３で示すように、レーザー光の照射範囲を制限することにより、図８に示すように、複数の電極を単位としてレーザー照射工程を行った後、その複数の電極に対してボンディング工程を行うこともできる。この場合にも、レーザー光の照射によって酸化膜が除去された電極の表面に再度酸化膜が形成される虞は極めて少ない。
【００５７】
「周期的に繰り返す」とは、図７に示すようにレーザー照射工程とボンディング工程を交互に行う場合だけでなく、複数のレーザー照射工程後に複数のボンディング工程を行う場合も含むことを意味する。例えば、上述した第１の電極と第２の電極がそれぞれ２個ある場合、図７に示すように、半導体チップ３１の第１の電極にレーザー光を照射し（Ｓ１）、酸化膜が除去された第１の電極に対してボンディングを行った後に、支持基板３２の第２の電極に対してボンディングを行う（Ｓ２）。次に、半導体チップ３１の次の第１の電極に対してレーザー光を照射し（Ｓ３）、酸化膜が除去された第１の電極に対してボンディングを行った後に、支持基板３２の第２の電極に対してボンディングを行う（Ｓ４）。
【００５８】
また、図８に示すように、半導体チップ３１の第１の電極にレーザー光を照射し（Ｓ１）、続いて次の第１の電極にレーザー光を照射した（Ｓ２）後に、酸化膜が除去された最初の第１の電極に対してボンディングを行い、次に支持基板３２の第２の電極に対してボンディングを行い（Ｓ３）、その後に次の第１の電極に対してボンディングを行い、次に第２の電極に対してボンディングを行う（Ｓ４）。
【００５９】
また、第１の半導体チップ３１ａの第１の電極３３ａ、支持基板３２の第２の電極３４に対するボンディングにおいては、電極表面の酸化膜を除去せずにボンディングするため、従来と同様の大きさの荷重、超音波振動を与えているが、レーザー照射装置１６によりレーザー光を照射して、第１の電極３３ａ及び第２の電極３４の表面の酸化膜を除去した後にそれぞれボンディングを行ってもよい。
【００６０】
上記実施形態では、電極の表面に形成された酸化膜を除去する工程と酸化膜が除去された電極にボンディングをする工程とを同じ装置内で行う。このため、電極の表面に形成された酸化膜を除去する工程を行う装置とボンディングをする装置とが別々の装置である場合と比べて、電極表面に形成された酸化膜を除去した後、ボンディングを行う別の装置に半導体装置を入れる必要がない。これにより、レーザー光の照射によって酸化膜が除去された電極の表面に再度酸化膜が形成されにくくなる。また、本実施形態では半導体装置の入れ出しが省略できる。
【００６１】
次に、図９及び図１０を参照して、半導体チップの電極下の層間絶縁膜に例えば、多孔質のｌｏｗ−ｋ膜を使用した半導体装置３０ｂ及びエアギャップを有する半導体装置３０ｃにおけるボンディング工程を説明する。図９及び図１０は、いずれも半導体チップの電極周辺部分の拡大断面図である。
【００６２】
上記ｌｏｗ−ｋ膜を有する半導体チップは、図９に示すように、半導体基板の上に第１の層間絶縁膜５０ａが積層されており、第１の層間絶縁膜５０ａの上に金属膜５１ａが、金属膜５１ａの上にボンディング時の荷重に耐えられない第２の層間絶縁膜５２ａであるｌｏｗ−ｋ膜が積層されており、第２の層間絶縁膜５２ａの上に金属膜５１ｂが、金属膜５１ｂの上に第２の層間絶縁膜５２ｂが、第２の層間絶縁膜５２ｂの上に金属膜５１ｃが、金属膜５１ｃの上に第１の層間絶縁膜５０ｂが設けられている。この第１の層間絶縁膜５０ｂの上に第１の電極５３が設けられ、保護絶縁膜５４が第１の電極５３の表面の一部を露出するように第１の層間絶縁膜５０ｂの上に形成されている。
【００６３】
また、エアギャップを有する半導体チップは、図１０に示すように、半導体基板の上に第１の層間絶縁膜５０ａが積層されており、第１の層間絶縁膜５０ａの上に金属膜５１ａが、金属膜５１ａの上に第２の層間絶縁膜５２ａが、第２の層間絶縁膜５２ａの上に金属膜５１ｂが、金属膜５１ｂの上に第２の層間絶縁膜５２ｂが、第２の層間絶縁膜５２ｂの上に金属膜５１ｃが、金属膜５１ｃの上に第１の層間絶縁膜５０ｂが設けられている。この第１の層間絶縁膜５０ｂの上に第１の電極５３、保護絶縁膜５４が形成されており、第２の層間絶縁膜５２ａ、５２ｂ部分に空隙部分（エアギャップ）５５を備えている。
【００６４】
上述のｌｏｗ−ｋ膜５２ａ、５２ｂを有する半導体装置３０ｂやエアギャップ５５を有する半導体装置３０ｃの製造工程におけるボンディング工程は、上述した実施形態のボンディング工程と同様であるため、詳細説明を省略する。
【００６５】
即ち、いずれの半導体装置の場合においても、レーザー照射装置１６により、第１の電極５３表面の酸化膜を除去して清浄化した後、キャピラリ１３に対する荷重及び超音波振動を従来の荷重よりも小さくして第１の電極５３にワイヤ１９をボンディングする。
【００６６】
即ち、いずれの半導体装置の場合においても、レーザー照射装置１６により、第１の電極５３表面の酸化膜を除去し、第１の電極５３表面の清浄化を行う。そして、清浄化された第１の電極５３表面にボンディングを行う。このためボンディング時には、キャピラリ１３には、従来の電極表面に酸化膜を有する場合に比べて、極めて小さい荷重及び超音波振動が与えられる。これにより、半導体チップの電極下のｌｏｗ−ｋ膜５１や電極５３に対するストレスが緩和され、ｌｏｗ−ｋ膜５１や電極５３のクラックや破損等の発生を低減することが可能となる。
【００６７】
（第２の実施形態）
本発明の第２の実施形態に係るボンディング装置について図１１を参照して説明する。図１１は第２の実施形態に係るボンディング装置の概略構成図である。なお、第２の実施形態に係るボンディング装置は、第１の実施形態のボンディング装置とは、酸化防止部を構成する封止ケースを設けた点で異なり、その他の構成部分については、同一構成を有している。従って、図１１ではボンディング装置の主要構成部分以外の構成部分については省略する。また、以下の説明においても、第１の実施形態と同様の構成部分については、詳細説明を省略し、異なる構成部分について説明する。
【００６８】
図１１に示すように、本実施形態のボンディング装置は、酸化防止部を構成する封止ケース６０（酸化防止部）を備えている。
【００６９】
この封止ケース６０は、半導体チップ３１の第１の電極３３と支持基板３２に設けられた第２の電極３４表面の酸化を防止するためのものである。この封止ケース６０は、ボンディング装置の主要構成部品架台１１、ボンディングステージ１２、キャピラリ１３、トーチ１５と、レーザー照射装置１６、ボンディングアーム１４、カットクランパー１７、ワイヤ１９、カメラ１８等）の各要素の一部分または全体を内蔵する構造となっている。なお、封止ケース６０により、ボンディング工程が視認できない場合、封止ケース６０に内蔵されているカメラ１８によりボンディング工程を確認するようにすればよい。
【００７０】
また、封止ケース６０の内部は、半導体チップ３１の第１の電極や支持基板３２の第２の電極表面の酸化を防止するための気体（以下、酸化防止気体という）で満たされている。例えば、酸化防止気体としては、不活性ガスやＮ２ガスであればよい。
【００７１】
また、レーザー光として紫外線（固体レーザー光）を用いる場合は、この封止ケース６０を紫外線が漏れないような材質にすることにより、紫外線漏れ防止と第２の電極３４表面の酸化を防止する効果を有することができる。
【００７２】
このボンディング装置による半導体装置の製造方法については、上述の第１の実施形態の場合と同様であるので、説明は省略する。
【００７３】
上記第２の実施形態のボンディング装置及び半導体装置の製造方法では、第１の実施形態による効果の他に、酸化防止気体が満たされた封止ケース６０内において、レーザー照射による電極表面の酸化膜の除去と、酸化膜の除去された電極表面へのボンディングとを行うため、酸化膜が除去された電極表面には、再度、酸化膜が形成されることが殆どない。
【００７４】
従って、ボンディング時、キャピラリに対する荷重を、従来の電極表面に酸化膜を有する場合に比べて、極めて小さくすることが可能である。
【００７５】
図１２は、本発明の第２の実施形態におけるボンディング装置の変形例を示す概略構成図である。
【００７６】
変形例のボンディング装置では、図１２のように、封止ケース６０に代えて、酸化防止気体を吹付ける気体吹付機構（酸化防止部）７０をキャピラリ１３の近傍に設置したものである。この気体吹付機構７０は、具体的にはノズルが用いられ、電極の表面全体に酸化防止気体が吹き付けられるように構成することが好ましい。
【００７７】
そして、レーザー照射装置１６により電極表面の酸化膜を除去した後、酸化膜が除去された電極表面にキャピラリ１３によりワイヤ１９がボンディングを行われるまでの期間、この気体吹付機構７０によって、酸化膜が除去された電極表面には、酸化防止気体が照射されるので、再度、酸化膜が形成されることが殆どない。
【００７８】
上記変形例のボンディング装置及び半導体装置の製造方法においても、レーザー照射による電極表面の酸化膜の除去し、酸化膜の除去された電極表面へのボンディングを行うまでの期間、酸化膜が除去された電極表面には、酸化防止気体が照射されるので、再度、酸化膜が形成されることが殆どない。
【００７９】
従って、上記第２の実施形態と同様に、ボンディング時、キャピラリに対する荷重を、従来の電極表面に酸化膜を有する場合に比べて、極めて小さくすることが可能である。
【００８０】
なお、本発明は、上述した実施形態にのみ限定されるものでなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々の変更が可能である。例えば、上述の実施形態においては、半導体チップの電極と支持基板の電極とを接続するワイヤボンディング装置及び半導体装置の製造方法についてのみ説明を記載したが、本発明は、半導体チップの電極にワイヤのボールをボンディングすることにより、バンプを形成するワイヤレスボンディング装置及び半導体装置の製造方法に対しても適用できる。
【００８１】
また、上述の実施形態においては、ボンディング時に荷重と超音波によるワイヤボンディング装置及び半導体装置の製造方法についてのみ説明を記載したが、本発明は、超音波を使用しないで、荷重によるボンディング装置及び半導体装置の製造方法に対しても適用できる。
【００８２】
なお、本発明は以下の付記に記載されているような構成を考えられる。
【００８３】
（付記１）
架台と、前記架台上に取り付けられ、かつ、電極を備えた半導体チップが載置されるボンディングステージと、前記半導体チップの前記電極の露出面に、前記電極に使用されている金属の結合を分解するエネルギー以上のエネルギーを有するレーザー光を照射するレーザー照射部と、前記レーザー照射された前記電極の露出面に接続部材を接合するためのキャピラリと、前記キャピラリに荷重を与える荷重供給部とを少なくとも備えることを特徴とするボンディング装置。
【００８４】
（付記２）
前記レーザー光のエネルギーが、前記電極に使用されている金属の結合を分解するエネルギーまたは前記電極の露出面に形成された酸化膜の結合を分解するエネルギーであることを特徴とする付記１記載のボンディング装置。
【００８５】
（付記３）
さらに、前記レーザー照射部に前記レーザー光の照射領域を制御する制御部とを備え、
前記制御部により、前記レーザー照射の照射領域を、前記電極の露出面の領域より狭くかつ、前記接続部材を前記電極に射影した射影領域よりも広く設定することを特徴とする付記１又は付記２記載のボンディング装置。
【００８６】
（付記４）
さらに、前記電極の露出面を酸化防止気体で覆う酸化防止部とを備えることを特徴とする付記１乃至付記３のいずれか１項記載のボンディング装置。
【符号の説明】
【００８７】
１１…架台
１２…ボンディングステージ
１３…キャピラリ
１４…ボンディングアーム
１５…トーチ
１６…レーザー照射装置
１７…カットクランパー
１８…カメラ
１９…ワイヤ
２０…ボール
３０…ボンディング対象物（半導体装置）
３１…半導体チップ
３２…支持基板
３３…第１の電極
３４…第２の電極
４１、４２、４３…レーザー光の照射範囲
４４…射影領域
５０ａ、５０ｂ…第１の層間絶縁膜
５１ａ、５１ｂ、５１ｃ…金属膜
５２ａ、５２ｂ…第２の層間絶縁膜
５３…第１電極（又は第２の電極）
５４…保護絶縁膜
５５…エアギャップ
６０…封止ケース
７０…気体吹付機構
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置の製造方法及びボンディング装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体チップの製造工程において、半導体チップの電極は、一般に、アルミニウムで形成されているため、容易に大気中の酸素と反応し、その電極表面には酸化アルミ膜が形成される。
【０００３】
そのため、例えば、半導体チップの電極表面に金線のワイヤを接続するボンディング工程では、ワイヤの先端部に金属ボールを形成した後、加熱された電極の表面に、キャピラリによって金属ボールを押圧すると共に、超音波振動させて電極表面上の酸化アルミ膜を除去、または破壊して電極とワイヤとを良好に接合する（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
しかしながら、従来のボンディング方法では、電極表面上の酸化アルミ膜を除去、または破壊するために、キャピラリの押し付ける荷重を大きくする必要がある。このため、半導体チップに大きな負荷がかかり、半導体チップにクラックや破損が発生する恐れがあった。
【０００５】
そのため、近年では、ボンディングを行う際に、キャピラリによる荷重を低減することが望まれている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平１０−１２５７０７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
従って、本発明は、ボンディングの際のキャピラリによる荷重を低減することが可能な半導体装置の製造方法及びボンディング装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために、本発明の一態様の半導体装置の製造方法は、半導体チップの電極の露出面に、前記電極に使用されている金属の結合を分解するエネルギー以上のエネルギーを有するレーザー光を照射する照射工程と、前記照射工程の後、かつ、前記電極の露出面に酸化膜が形成される前に前記電極の露出面に接続部材をボンディングするボンディング工程とを含むことを特徴とする。
【０００９】
本発明の一態様のボンディング装置は、架台と、前記架台上に取り付けられ、かつ、電極を備えた半導体チップが載置されるボンディングステージと、前記半導体チップの前記電極の露出面に、前記電極に使用されている金属の結合を分解するエネルギー以上のエネルギーを有するレーザー光を照射するレーザー照射部と、前記レーザー照射された前記電極の露出面に接続部材を接合するためのキャピラリと、前記キャピラリに荷重を与える荷重供給部とを少なくとも備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、ボンディングの際のキャピラリによる荷重を低減することが可能な半導体装置の製造方法及びボンディング装置を提供することをできる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の第１の実施形態にかかるボンディング装置の概略を示す側面図。
【図２】本発明の第１の実施形態にかかるボンディング装置の概略を示す正面図。
【図３】レーザー照射装置のレーザー光の照射領域を示す平面図。
【図４】本発明の第１の実施形態にかかるボンディング装置によるＭＣＰ型半導体装置の製造工程を説明するための模式図。
【図５】本発明の第１の実施形態にかかるボンディング装置によるＭＣＰ型半導体装置の製造工程を説明するための模式図。
【図６】本発明の第１の実施形態にかかるボンディング装置によるＭＣＰ型半導体装置の製造工程を説明するための模式図。
【図７】は本発明の第１の実施形態におけるＭＣＰ型半導体装置の製造工程を示すフローチャート図。
【図８】は本発明の第１の実施形態におけるＭＣＰ型半導体装置の製造工程の変形例を示すフローチャート図。
【図９】電極下にｌｏｗ−ｋ膜を備えた半導体装置の電極周辺の拡大断面図。
【図１０】電極下にエアギャップを備えた半導体装置の電極周辺の拡大断面図。
【図１１】本発明の第２の実施形態におけるボンディング装置の概略図。
【図１２】本発明の第２の実施形態におけるボンディング装置の変形例を示す概略図。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。この説明に際し、全図にわたり、共通する部分には共通する参照符号を付す。
【００１３】
（第１の実施形態）
まず、本発明の第１の実施形態にかかるボンディング装置について、図１及び図２を参照して説明する。図１は第１の実施形態にかかるボンディング装置の概略を示す側面図である。図２は、第１の実施形態にかかるボンディング装置の概略を示す正面図である。
【００１４】
図１に示すように、ボンディング装置は、架台１１と、ボンディングステージ１２と、キャピラリ１３と、ボンディングアーム１４と、トーチ１５と、レーザー照射装置１６と、カットクランパー１７と、カメラ１８とを備えている。
【００１５】
ボンディングステージ１２は、架台１１上に設けられている。ボンディングステージ１２は、ボンディング対象物３０である半導体チップ、支持基板またはリードフレム等を載置するためのもので、駆動装置（図示略）によりＸ、Ｙ方向に可動できるように構成されている。
【００１６】
キャピラリ１３は、ボンディングアーム１４の先端部に取り付けられている。キャピラリ１３は、その中心部に貫通孔を有し、貫通孔には、例えば金製のワイヤ１９が挿通されている。キャピラリ１３の先端部から突出したワイヤ１９の先端には、トーチ１５とワイヤ１９と間に電圧が印加されることで生じるスパークによって、キャピラリ１３の先端から突出したワイヤ１９が溶融されてボール２０が形成される。
【００１７】
なお、ワイヤ１９は、金製ワイヤを用いるのが一般的であるが、銀や銅製のワイヤを使用してもよい。
【００１８】
ボンディングアーム１４は、キャピラリ１３をボンディングステージ１２上に載置されるボンディング対象物３０に対して接離方向であるＺ方向、即ちボンディングステージ１２に対して上昇、下降できるように構成されている。またボンディングアーム１４には、荷重供給機構（図示略）により荷重が与えられるように構成されている。
【００１９】
また、ボンディングアーム１４には、さらに超音波発振機構（図示略）により超音波エネルギーが与えられるが、ボンディングアーム１４自体を、超音波振動させる機能を有する超音波トランスデューサとしてもよい。なお、超音波の発振を入切する制御装置（図示略）が付加されたボンディングアーム１４としてもよい。
【００２０】
レーザー照射装置１６は、ボンディング対象物３０の電極表面にレーザーを照射し、電極金属の結合を分解することにより、電極表面の酸化膜を除去するためのものである。レーザー照射装置１６は、具体的には照射ノズルからなり、キャピラリ１３の近傍に配置され、ここでは、キャピラリ１３と一体に動作できるように、ボンディングアーム１４に取り付けられている。レーザー照射装置１６である照射ノズルには、誘導路（図示略）により、レーザー源（図示略）からレーザー光が導かれる。好ましくは、レーザー照射装置１６は、キャピラリ１３の側に配置されることが好ましい。
【００２１】
なお、ここで、「キャピラリ１３の近傍」とは、レーザー照射による電極表面の清浄化(酸化膜の除去)後で、かつ電極表面（露出面）に再度の酸化膜の形成がされる前に、ボンディングを行うことができればよいため、レーザー照射装置１６とキャピラリ１３との距離が、清浄化された電極の表面に再度の酸化膜の形成がされない時間の範囲でボンディングステージ１２が移動できる距離であることをいう。従って、キャピラリ１３の近傍であれば、レーザー照射装置１６の設置場所を問わない。例えば、レーザー照射装置１６をボンディングアーム１４に固定しないで、別の位置に設置してもよい。
【００２２】
また、レーザー照射装置１６におけるレーザー光は、ボンディング対象物３０の電極に使用される金属の結合を分解するのに必要なエネルギーを有すればよい。例えば、ボンディング対象物３０が、半導体チップ３１の電極（以下、第１の電極と言う）３３と支持基板３２の外部取り出し電極(以下、第２の電極と言う)３４のように複数の電極３３、３４を有する場合には、上述の必要なエネルギーは、第１の電極３３や第２の電極３４に使用される金属の原子間結合を算出することにより求められる。
【００２３】
第１の電極３３や第２の電極３４に使用される金属の例として、アルミニウムや銅、プラチナなどがある。例えば、第１の電極３３としてアルミニウムが使用された場合、レーザー光として波長がＫｒＦの２４８ｎｍ以下のエキシマレーザー光や固体レーザー光を使用すればよい。
【００２４】
次に、レーザー光の照射範囲について説明する。図３は、レーザー照射装置のレーザー光の照射領域を示す平面図である。
【００２５】
レーザー光の照射は、ボンディング対象物３０、例えば半導体チップ３１の第１の電極３３の周辺にレーザーが照射されても損傷の虞がない場合には、図３の破線で示す、電極表面を含む範囲４１となるように設定すればよい。
【００２６】
しかし、例えば、半導体チップ３１のように電極３３の周辺に保護膜等があり、レーザー照射によって保護膜が損傷を受けて半導体チップの信頼性が損なわれる虞がある場合には、レーザー光の照射範囲は、図３の一点鎖線で示すように、半導体チップ３１の第１の電極３３の表面内の範囲４２となるように設定すること好ましい。さらに、後述するように、レーザー照射による電極の清浄化とボンディングとを複数の電極を単位として行う場合には、図３の二点差線に示すように、レーザー光の照射範囲は、第１の電極３３表面内であって、かつ、ワイヤ１９の先端に形成されたボール（接続部材）２０を第１の電極３３表面に射影したときに生じる射影領域４４の外部の範囲４３となるように設定することがより好ましい。このようにすることにより、１つの電極表面の清浄化の時間が短縮されるので、複数の電極を清浄化した後、ボンディングしても電極表面に再度の酸化膜が形成される虞がない。
【００２７】
カットクランパー１７は、ボンディング対象物３０にワイヤ１９をボンディングした後、ワイヤ１９を切断する際に、ワイヤをクランプするためのものである。
【００２８】
カメラ１８は、キャピラリ１３及びレーザー照射装置１６等とボンディング対象物とを位置合わせする際の視認等に用いられる。
【００２９】
また、ボンディング装置には、各要素を一体として制御する制御部、例えばＣＰＵを備えており、この制御部により、ボンディング時の荷重、超音波振動の大きさ、レーザー照射の範囲等が制御される。
【００３０】
次に、上記構成のボンディング装置によってボンディング対象物の電極表面にワイヤを接続するボンディング方法について、図４乃至図７を参照して説明する。ここでは、複数の半導体チップ３１ａ、３１ｂ、３１ｃを半導体チップ３１ａ、３１ｂ、３１ｃより小面積のスペーサーチップ３５ａ、３５ｂを介して支持基板３２上に積層したＭＣＰ（Ｍｕｌｔｉ Ｃｈｉｐ Ｐａｃｋａｇｅ）型半導体装置３０ａにおけるボンディング工程を例に説明する。なお、例えば第１の半導体チップ３１ａの電極が設けられる辺と第２の半導体チップ３１ｂの電極が設けられる辺とが交差する関係にある場合もあるが、説明を簡単にするため、半導体チップ３１ａ、３１ｂ、３１ｃにおける電極が設けられた辺が同一方向にある場合を例に説明する。
【００３１】
図４乃至図６は、第１の実施形態に係わるＭＣＰ型半導体装置におけるボンディング工程を説明するための模式図である。図７は第１の実施形態におけるＭＣＰ型半導体装置の製造方法の工程を示すフローチャート図である。
【００３２】
まず、図１に示すボンディング装置のボンディングステージ１２上に、第１の半導体チップ３１ａが支持基板３２に固着されたＭＣＰ型半導体装置３０ａを載置する。第１の半導体チップ３１ａの端部には、第１の電極３３ａが、また支持基板３２の端部には、第２の電極３４ａがそれぞれ複数形成されている。
【００３３】
次に、図４（ａ）に示すように、キャピラリ１３の先端から所定量のワイヤ１９を突出させる。そして、トーチ１５とワイヤ１９との間に電圧を印加し、ボール２０を形成する。そして、ボンディングステージ１２をＸＹ方向に移動させ、ボール２０が形成されたキャピラリ１３を第１の半導体チップ３１ａの第１の電極３３ａの真上に移動させる。そして、ボンディングアーム１４をボンディングステージ１２の方向（Ｚ方向のうち負の向き）に下動させ、キャピラリ１３の先端のボール２０を第１の電極３３ａの表面に押圧すると共に、超音波振動させて第１の電極３３ａ表面の酸化膜を破壊して、ワイヤ１９を第１の電極３３ａの表面に接合、つまりボンディングする。
【００３４】
その後、図４（ｂ）に示すように、ボンディングステージ１２をＸＹ方向に移動させ、ワイヤ１９をキャピラリ１３の先端から引き出しながら、キャピラリ１３を支持基板３２の第２の電極３４ａの真上に移動させる。ボンディングアーム１４をボンディングステージ１２の方向（Ｚ方向のうち負の向き）に下動させ、ワイヤ１９を加熱された第２の電極３４ａの表面に対して、キャピラリ１３に形成されたボール２０を押圧すると共に、超音波振動させて第２の電極３４ａ表面の酸化膜を破壊して、ワイヤ１９を支持基板３２の第２の電極３４ａの表面に接合させると同時に、カットクランパー１７により、ワイヤ１９を切断する。
【００３５】
上記第１の半導体チップ３１ａの第１の電極３３ａ及び支持基板３２の第２の電極３４ａに対するボンディングにおいては、電極３３ａ、３４ａの表面の酸化膜を除去せずにボンディングするため、従来と同様の大きさの荷重、超音波振動を与えられる。しかし、第１の半導体チップ３１ａ及び第２の電極３４ａは、支持基板３２に支持されているため、半導体チップ３１及び第２の電極３４ａは、クラック、破損等の虞はない。
【００３６】
上記の一連のボンディング工程を複数回行うことにより、第１の半導体チップ３１ａの複数の第１の電極３３と支持基板３２の複数の第２の電極３４をワイヤ１９により電気的に接続することができる。
【００３７】
次に、第1の半導体チップ３１ａに設けられた全ての第１の電極３３ａと支持基板３２の第２の電極３４ａに対してボンディングを行った後に、図４（ｃ）に示しように、第１の半導体チップ３１ａ上に、第１及び第２の半導体チップ３１ａ、３１ｂよりも小面積のスペーサーチップ３５ａを接着する。スペーサーチップ３５ａは、絶縁性のシート状部材の両面に接着層を有する。そして、上記スペーサーチップ３５ａ上に、第２の半導体チップ３１ｂを接着させ、ボンディングステージ１２上に載置する。
【００３８】
そして、ボンディングステージ１２上に載置された第２の半導体チップ３１ｂの第１の電極３３ｂの真上にレーザー照射装置１６が位置するように、ボンディングステージ１２を図１と図２に示すＸＹ方向に移動させ、レーザー照射装置１６より第１の電極３３ｂの表面にレーザー光を照射する（図７のＳ１）。
【００３９】
このレーザー光の照射により、照射された第１の電極３３ｂの表面部分における金属の原子間結合が切断され、電極の表面の酸化膜が蒸発する。その結果、清浄な電極金属の表面が露出する。
【００４０】
次に、レーザー照射装置１６により清浄な電極金属の表面を露出させた後に、図５（ａ）に示すように、ボンディングステージ１２をＸＹ方向に移動させ、ボール２０が形成されたキャピラリ１３を第２の半導体チップ３１ｂの第１の電極３３ｂの真上に移動させる。
【００４１】
そして、ボンディングアーム１４をボンディングステージ１２の方向（Ｚ方向のうち負の向き）に下動させ、キャピラリ１３の先端のボール２０を第１の電極３３ｂの表面に押圧すると共に、超音波振動させて、ワイヤ１９を第１の電極３３ｂの表面にボンディングする（図７のＳ２）。
【００４２】
第1の電極３３ｂが形成されている第２の半導体チップ３１ｂの端部は、スペーサーチップ３５ａの面積が第２の半導体チップ３１ｂの面積より小面積であるため、支持基板３２との間に空隙を有している。
【００４３】
しかし、この第２の半導体チップ３１ｂの第１の電極３３ｂ表面へのボンディングにおいては、電極３３ｂ表面の酸化膜が除去されているので、キャピラリ１３には、従来の電極表面に酸化膜を有する場合に比べて、極めて小さい荷重及び超音波振動が与えられるので、第２の半導体チップ３１ｂは、クラックや破損の虞は少ない。
【００４４】
次に、支持基板３２の第２の電極３４ａに対するボンディング方法と同様に、図５（ｂ）に示すように、第２の電極３４ｂ表面にキャピラリ１３によりワイヤ１９を押圧すると共に、超音波振動させて第２の電極３４ｂ表面の酸化膜を破壊して、支持基板３２の第２の電極３４ｂに対するボンディングを行う。
【００４５】
次に、図６に示すように、第２の半導体チップ３１ｂの場合と同様に、この第２の半導体チップ３１ｂ上に、第２及び第３の半導体チップ３１ｂ、３１ｃよりも小面積のスペーサーチップ３５ｂを介して第３の半導体チップ３１ｃを接着する。
【００４６】
そして、ボンディングステージ１２上に、第２の半導体チップ３１ｂが接着されたＭＣＰ型半導体装置を載置し、第２の半導体チップ３１ｂの第１の電極３３ｂ及び支持基板３２の第２の電極３４ｂに対するボンディング方法と同様に、第１の電極３３ｃに対してレーザー照射による電極表面の清浄化を行った後（図７のＳ３）、第３の半導体チップ３１ｃの第１の電極３３ｃに対するボンディングを行う（図７のＳ４）。その後、支持基板３２の第２の電極３４ｃに対するボンディングを行う。
【００４７】
第２の半導体チップ３１ｂの場合と同様に、第３の半導体チップ３１ｃの端部は、スペーサーチップ３５ｂの面積が第３の半導体チップ３１ｃの面積より小面積であるため、第２の半導体チップ３１ｂとの間に空隙を有しているが、第１の電極３３ｃ表面の酸化膜が除去されているので、キャピラリ１３には、従来の電極表面に酸化膜を有する場合に比べて、極めて小さい荷重及び超音波振動が与えられる。従って、この第３の半導体チップ３１ｃの第１の電極３３ｃ表面へのボンディングにおいては、第３の半導体チップ３１ｃのクラックや破損の虞は少ない。
【００４８】
このように第１の半導体チップ３１ａの第１の電極３３ａにはレーザー光を照射せずにボンディングする方法を適用し、第２の半導体チップ３１ｂの第１の電極３３ｂにはレーザー光を照射しボンディングする方法を適用することで、第１の半導体チップ３１ａのボンディング工程にかかる時間を短縮することができる。
【００４９】
以上により、ＭＣＰ型半導体装置３０ａの第１の電極３１と支持基板３２の第２の電極３４とのボンディングが行われる。
【００５０】
上記実施形態のボンディング装置及び半導体装置の製造方法では、レーザー照射により、電極表面の酸化膜を除去した後に、ボンディングを行う。そのため、ボンディングをするときにキャピラリ１３による荷重及び超音波振動を低減することが可能となる。
【００５１】
また、本実施形態において、レーザー照射装置１６をキャピラリ１３の近傍に配置し、レーザー照射装置１６とキャピラリ１３との相対的な距離を短くしている。そのため、レーザー照射装置１６によるレーザー光を照射した後、即座にボンディングをすることができる。言い換えれば、レーザー光を照射する照射工程とボンディング工程との時間差を小さくすることができる。この時間差を小さくすることによって、レーザー光の照射によって酸化膜が除去された電極の表面に再度酸化膜が形成されにくくなる。
【００５２】
また、電極表面へのレーザー光の照射工程において、レーザー光の照射範囲を、図３に示すように、電極の表面領域内の範囲４２に制限すると、電極表面以外にはレーザー光が照射されないため、電極周辺部分の保護膜に対するレーザー光によるストレスを軽減できる。
【００５３】
さらに、複数の電極の表面に形成された酸化膜を一括して除去した後、順次、電極表面にボンディングすると、酸化膜を除去してからボンディングまでの時間が長い電極の表面に再度の酸化膜が形成されるが、本実施形態では、ボンディングをする電極の表面のみに対して、ボンディングの直前にレーザー光を照射し、酸化膜の除去をする。これにより、レーザー光の照射によって酸化膜が除去された電極の表面に再度酸化膜が形成されにくくなる。
【００５４】
また、従来のワイヤボンディング工程では、ＭＣＰ型半導体装置３０ａにおいて、第２の半導体チップ３１ｂの第１の電極３３ｂ及び第３の半導体チップ３１ｃの第１の電極３３ｃがスペーサーチップ３５ａ及び３５ｂから、それぞれはみ出して宙に浮いた状態にあり、ボンディング時に第２及び第３の半導体チップ３１ｂ、３１ｃが撓むことになる。このため、キャピラリ１３による荷重が第２の半導体チップ３１ｂの第１の電極３３ｂや第３の半導体チップ３１ｃの第１の電極３３ｃに伝導しにくく、大きな荷重を供給する必要があった。従って、キャピラリ１３による大きな荷重により半導体チップにクラックや、破損が発生する可能性が著しく高い。
【００５５】
これに対して、本実施形態では、レーザー照射により、電極表面の酸化膜を除去した後に、ボンディングを行うため、ボンディングをするときのキャピラリ１３による荷重を低減することができ、半導体チップにクラックや破損が発生する可能性を著しく低下できる。
【００５６】
なお、上記実施形態では、図７に示すように、半導体チップ３１の複数の電極３３において、レーザー照射工程とボンディング工程とを周期的に繰り返す、即ち交互に繰り返すようにしているが、図３中の４３で示すように、レーザー光の照射範囲を制限することにより、図８に示すように、複数の電極を単位としてレーザー照射工程を行った後、その複数の電極に対してボンディング工程を行うこともできる。この場合にも、レーザー光の照射によって酸化膜が除去された電極の表面に再度酸化膜が形成される虞は極めて少ない。
【００５７】
「周期的に繰り返す」とは、図７に示すようにレーザー照射工程とボンディング工程を交互に行う場合だけでなく、複数のレーザー照射工程後に複数のボンディング工程を行う場合も含むことを意味する。例えば、上述した第１の電極と第２の電極がそれぞれ２個ある場合、図７に示すように、半導体チップ３１の第１の電極にレーザー光を照射し（Ｓ１）、酸化膜が除去された第１の電極に対してボンディングを行った後に、支持基板３２の第２の電極に対してボンディングを行う（Ｓ２）。次に、半導体チップ３１の次の第１の電極に対してレーザー光を照射し（Ｓ３）、酸化膜が除去された第１の電極に対してボンディングを行った後に、支持基板３２の第２の電極に対してボンディングを行う（Ｓ４）。
【００５８】
また、図８に示すように、半導体チップ３１の第１の電極にレーザー光を照射し（Ｓ１）、続いて次の第１の電極にレーザー光を照射した（Ｓ２）後に、酸化膜が除去された最初の第１の電極に対してボンディングを行い、次に支持基板３２の第２の電極に対してボンディングを行い（Ｓ３）、その後に次の第１の電極に対してボンディングを行い、次に第２の電極に対してボンディングを行う（Ｓ４）。
【００５９】
また、第１の半導体チップ３１ａの第１の電極３３ａ、支持基板３２の第２の電極３４に対するボンディングにおいては、電極表面の酸化膜を除去せずにボンディングするため、従来と同様の大きさの荷重、超音波振動を与えているが、レーザー照射装置１６によりレーザー光を照射して、第１の電極３３ａ及び第２の電極３４の表面の酸化膜を除去した後にそれぞれボンディングを行ってもよい。
【００６０】
上記実施形態では、電極の表面に形成された酸化膜を除去する工程と酸化膜が除去された電極にボンディングをする工程とを同じ装置内で行う。このため、電極の表面に形成された酸化膜を除去する工程を行う装置とボンディングをする装置とが別々の装置である場合と比べて、電極表面に形成された酸化膜を除去した後、ボンディングを行う別の装置に半導体装置を入れる必要がない。これにより、レーザー光の照射によって酸化膜が除去された電極の表面に再度酸化膜が形成されにくくなる。また、本実施形態では半導体装置の入れ出しが省略できる。
【００６１】
次に、図９及び図１０を参照して、半導体チップの電極下の層間絶縁膜に例えば、多孔質のｌｏｗ−ｋ膜を使用した半導体装置３０ｂ及びエアギャップを有する半導体装置３０ｃにおけるボンディング工程を説明する。図９及び図１０は、いずれも半導体チップの電極周辺部分の拡大断面図である。
【００６２】
上記ｌｏｗ−ｋ膜を有する半導体チップは、図９に示すように、半導体基板の上に第１の層間絶縁膜５０ａが積層されており、第１の層間絶縁膜５０ａの上に金属膜５１ａが、金属膜５１ａの上にボンディング時の荷重に耐えられない第２の層間絶縁膜５２ａであるｌｏｗ−ｋ膜が積層されており、第２の層間絶縁膜５２ａの上に金属膜５１ｂが、金属膜５１ｂの上に第２の層間絶縁膜５２ｂが、第２の層間絶縁膜５２ｂの上に金属膜５１ｃが、金属膜５１ｃの上に第１の層間絶縁膜５０ｂが設けられている。この第１の層間絶縁膜５０ｂの上に第１の電極５３が設けられ、保護絶縁膜５４が第１の電極５３の表面の一部を露出するように第１の層間絶縁膜５０ｂの上に形成されている。
【００６３】
また、エアギャップを有する半導体チップは、図１０に示すように、半導体基板の上に第１の層間絶縁膜５０ａが積層されており、第１の層間絶縁膜５０ａの上に金属膜５１ａが、金属膜５１ａの上に第２の層間絶縁膜５２ａが、第２の層間絶縁膜５２ａの上に金属膜５１ｂが、金属膜５１ｂの上に第２の層間絶縁膜５２ｂが、第２の層間絶縁膜５２ｂの上に金属膜５１ｃが、金属膜５１ｃの上に第１の層間絶縁膜５０ｂが設けられている。この第１の層間絶縁膜５０ｂの上に第１の電極５３、保護絶縁膜５４が形成されており、第２の層間絶縁膜５２ａ、５２ｂ部分に空隙部分（エアギャップ）５５を備えている。
【００６４】
上述のｌｏｗ−ｋ膜５２ａ、５２ｂを有する半導体装置３０ｂやエアギャップ５５を有する半導体装置３０ｃの製造工程におけるボンディング工程は、上述した実施形態のボンディング工程と同様であるため、詳細説明を省略する。
【００６５】
即ち、いずれの半導体装置の場合においても、レーザー照射装置１６により、第１の電極５３表面の酸化膜を除去して清浄化した後、キャピラリ１３に対する荷重及び超音波振動を従来の荷重よりも小さくして第１の電極５３にワイヤ１９をボンディングする。
【００６６】
即ち、いずれの半導体装置の場合においても、レーザー照射装置１６により、第１の電極５３表面の酸化膜を除去し、第１の電極５３表面の清浄化を行う。そして、清浄化された第１の電極５３表面にボンディングを行う。このためボンディング時には、キャピラリ１３には、従来の電極表面に酸化膜を有する場合に比べて、極めて小さい荷重及び超音波振動が与えられる。これにより、半導体チップの電極下のｌｏｗ−ｋ膜５１や電極５３に対するストレスが緩和され、ｌｏｗ−ｋ膜５１や電極５３のクラックや破損等の発生を低減することが可能となる。
【００６７】
（第２の実施形態）
本発明の第２の実施形態に係るボンディング装置について図１１を参照して説明する。図１１は第２の実施形態に係るボンディング装置の概略構成図である。なお、第２の実施形態に係るボンディング装置は、第１の実施形態のボンディング装置とは、酸化防止部を構成する封止ケースを設けた点で異なり、その他の構成部分については、同一構成を有している。従って、図１１ではボンディング装置の主要構成部分以外の構成部分については省略する。また、以下の説明においても、第１の実施形態と同様の構成部分については、詳細説明を省略し、異なる構成部分について説明する。
【００６８】
図１１に示すように、本実施形態のボンディング装置は、酸化防止部を構成する封止ケース６０（酸化防止部）を備えている。
【００６９】
この封止ケース６０は、半導体チップ３１の第１の電極３３と支持基板３２に設けられた第２の電極３４表面の酸化を防止するためのものである。この封止ケース６０は、ボンディング装置の主要構成部品架台１１、ボンディングステージ１２、キャピラリ１３、トーチ１５と、レーザー照射装置１６、ボンディングアーム１４、カットクランパー１７、ワイヤ１９、カメラ１８等）の各要素の一部分または全体を内蔵する構造となっている。なお、封止ケース６０により、ボンディング工程が視認できない場合、封止ケース６０に内蔵されているカメラ１８によりボンディング工程を確認するようにすればよい。
【００７０】
また、封止ケース６０の内部は、半導体チップ３１の第１の電極や支持基板３２の第２の電極表面の酸化を防止するための気体（以下、酸化防止気体という）で満たされている。例えば、酸化防止気体としては、不活性ガスやＮ２ガスであればよい。
【００７１】
また、レーザー光として紫外線（固体レーザー光）を用いる場合は、この封止ケース６０を紫外線が漏れないような材質にすることにより、紫外線漏れ防止と第２の電極３４表面の酸化を防止する効果を有することができる。
【００７２】
このボンディング装置による半導体装置の製造方法については、上述の第１の実施形態の場合と同様であるので、説明は省略する。
【００７３】
上記第２の実施形態のボンディング装置及び半導体装置の製造方法では、第１の実施形態による効果の他に、酸化防止気体が満たされた封止ケース６０内において、レーザー照射による電極表面の酸化膜の除去と、酸化膜の除去された電極表面へのボンディングとを行うため、酸化膜が除去された電極表面には、再度、酸化膜が形成されることが殆どない。
【００７４】
従って、ボンディング時、キャピラリに対する荷重を、従来の電極表面に酸化膜を有する場合に比べて、極めて小さくすることが可能である。
【００７５】
図１２は、本発明の第２の実施形態におけるボンディング装置の変形例を示す概略構成図である。
【００７６】
変形例のボンディング装置では、図１２のように、封止ケース６０に代えて、酸化防止気体を吹付ける気体吹付機構（酸化防止部）７０をキャピラリ１３の近傍に設置したものである。この気体吹付機構７０は、具体的にはノズルが用いられ、電極の表面全体に酸化防止気体が吹き付けられるように構成することが好ましい。
【００７７】
そして、レーザー照射装置１６により電極表面の酸化膜を除去した後、酸化膜が除去された電極表面にキャピラリ１３によりワイヤ１９がボンディングを行われるまでの期間、この気体吹付機構７０によって、酸化膜が除去された電極表面には、酸化防止気体が照射されるので、再度、酸化膜が形成されることが殆どない。
【００７８】
上記変形例のボンディング装置及び半導体装置の製造方法においても、レーザー照射による電極表面の酸化膜の除去し、酸化膜の除去された電極表面へのボンディングを行うまでの期間、酸化膜が除去された電極表面には、酸化防止気体が照射されるので、再度、酸化膜が形成されることが殆どない。
【００７９】
従って、上記第２の実施形態と同様に、ボンディング時、キャピラリに対する荷重を、従来の電極表面に酸化膜を有する場合に比べて、極めて小さくすることが可能である。
【００８０】
なお、本発明は、上述した実施形態にのみ限定されるものでなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々の変更が可能である。例えば、上述の実施形態においては、半導体チップの電極と支持基板の電極とを接続するワイヤボンディング装置及び半導体装置の製造方法についてのみ説明を記載したが、本発明は、半導体チップの電極にワイヤのボールをボンディングすることにより、バンプを形成するワイヤレスボンディング装置及び半導体装置の製造方法に対しても適用できる。
【００８１】
また、上述の実施形態においては、ボンディング時に荷重と超音波によるワイヤボンディング装置及び半導体装置の製造方法についてのみ説明を記載したが、本発明は、超音波を使用しないで、荷重によるボンディング装置及び半導体装置の製造方法に対しても適用できる。
【００８２】
なお、本発明は以下の付記に記載されているような構成を考えられる。
【００８３】
（付記１）
架台と、前記架台上に取り付けられ、かつ、電極を備えた半導体チップが載置されるボンディングステージと、前記半導体チップの前記電極の露出面に、前記電極に使用されている金属の結合を分解するエネルギー以上のエネルギーを有するレーザー光を照射するレーザー照射部と、前記レーザー照射された前記電極の露出面に接続部材を接合するためのキャピラリと、前記キャピラリに荷重を与える荷重供給部とを少なくとも備えることを特徴とするボンディング装置。
【００８４】
（付記２）
前記レーザー光のエネルギーが、前記電極に使用されている金属の結合を分解するエネルギーまたは前記電極の露出面に形成された酸化膜の結合を分解するエネルギーであることを特徴とする付記１記載のボンディング装置。
【００８５】
（付記３）
さらに、前記レーザー照射部に前記レーザー光の照射領域を制御する制御部とを備え、
前記制御部により、前記レーザー照射の照射領域を、前記電極の露出面の領域より狭くかつ、前記接続部材を前記電極に射影した射影領域よりも広く設定することを特徴とする付記１又は付記２記載のボンディング装置。
【００８６】
（付記４）
さらに、前記電極の露出面を酸化防止気体で覆う酸化防止部とを備えることを特徴とする付記１乃至付記３のいずれか１項記載のボンディング装置。
【符号の説明】
【００８７】
１１…架台
１２…ボンディングステージ
１３…キャピラリ
１４…ボンディングアーム
１５…トーチ
１６…レーザー照射装置
１７…カットクランパー
１８…カメラ
１９…ワイヤ
２０…ボール
３０…ボンディング対象物（半導体装置）
３１…半導体チップ
３２…支持基板
３３…第１の電極
３４…第２の電極
４１、４２、４３…レーザー光の照射範囲
４４…射影領域
５０ａ、５０ｂ…第１の層間絶縁膜
５１ａ、５１ｂ、５１ｃ…金属膜
５２ａ、５２ｂ…第２の層間絶縁膜
５３…第１電極（又は第２の電極）
５４…保護絶縁膜
５５…エアギャップ
６０…封止ケース
７０…気体吹付機構
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体チップの電極の露出面に、前記電極に使用されている金属の結合を分解するエネルギー以上のエネルギーを有するレーザー光を照射する照射工程と、
前記照射工程の後、かつ、前記電極の露出面に酸化膜が形成される前に前記電極の露出面に接続部材をボンディングするボンディング工程と
を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２】
前記レーザー光のエネルギーが、前記電極に使用されている金属の結合を分解するエネルギーまたは前記電極の露出面に形成された酸化膜の結合を分解するエネルギーであ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】
前記半導体チップに複数の前記電極が形成されており、前記照射工程と、前記ボンディング工程とを周期的に繰り返すことを特徴とする請求項１又は請求項２記載の半導体装置の製造方法。
【請求項４】
前記照射工程において、前記レーザー光の照射領域は、前記電極の露出面の領域より狭く、かつ、前記接続部材を前記電極に射影した射影領域よりも広いことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載の半導体装置の製造方法。
【請求項５】
架台と、
前記架台上に取り付けられ、かつ、電極を備えた半導体チップが載置されるボンディングステージと、
前記半導体チップの前記電極の露出面に、前記電極に使用されている金属の結合を分解するエネルギー以上のエネルギーを有するレーザー光を照射するレーザー照射部と、
前記レーザー照射された前記電極の露出面に接続部材を接合するためのキャピラリと、
前記キャピラリに荷重を与える荷重供給部と
を少なくとも備えることを特徴とするボンディング装置。
【請求項１】
半導体チップの電極の露出面に、前記電極に使用されている金属の結合を分解するエネルギー以上のエネルギーを有するレーザー光を照射する照射工程と、
前記照射工程の後、かつ、前記電極の露出面に酸化膜が形成される前に前記電極の露出面に接続部材をボンディングするボンディング工程と
を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２】
前記レーザー光のエネルギーが、前記電極に使用されている金属の結合を分解するエネルギーまたは前記電極の露出面に形成された酸化膜の結合を分解するエネルギーであ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】
前記半導体チップに複数の前記電極が形成されており、前記照射工程と、前記ボンディング工程とを周期的に繰り返すことを特徴とする請求項１又は請求項２記載の半導体装置の製造方法。
【請求項４】
前記照射工程において、前記レーザー光の照射領域は、前記電極の露出面の領域より狭く、かつ、前記接続部材を前記電極に射影した射影領域よりも広いことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載の半導体装置の製造方法。
【請求項５】
架台と、
前記架台上に取り付けられ、かつ、電極を備えた半導体チップが載置されるボンディングステージと、
前記半導体チップの前記電極の露出面に、前記電極に使用されている金属の結合を分解するエネルギー以上のエネルギーを有するレーザー光を照射するレーザー照射部と、
前記レーザー照射された前記電極の露出面に接続部材を接合するためのキャピラリと、
前記キャピラリに荷重を与える荷重供給部と
を少なくとも備えることを特徴とするボンディング装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２０１１−６６２５６（Ｐ２０１１−６６２５６Ａ）
【公開日】平成２３年３月３１日（２０１１．３．３１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２１６４１８（Ｐ２００９−２１６４１８）
【出願日】平成２１年９月１８日（２００９．９．１８）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年３月３１日（２０１１．３．３１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年９月１８日（２００９．９．１８）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]