半導体装置
【課題】高温動作時のボンディングワイヤと電極パッドとの接合領域の信頼性を向上させる。
【解決手段】半導体装置１００は、半導体チップ１０２、半導体チップ１０２に設けられ、Ａｌを主成分としＣｕをさらに含むＡｌＣｕパッド１０７、および、半導体チップ１０２の外部に設けられたインナーリード１１７と半導体チップ１０２とを接続するとともに、Ｃｕを主として含む接続部材であるＣｕＰワイヤ１１１を備え、実質的にハロゲンを含まない封止樹脂１１５により封止されている。ＡｌＣｕパッド１０７とＣｕＰワイヤ１１１の接続領域に、ＡｌとＣｕ組成比が異なる複数の合金層が設けられ、合金層が、ＣｕＡｌ2層と、ＣｕＡｌ2層とＣｕＰワイヤ１１１との間に設けられるとともにＣｕＡｌ2層よりもＡｌ組成比が相対的に低い層とを含む。
【解決手段】半導体装置１００は、半導体チップ１０２、半導体チップ１０２に設けられ、Ａｌを主成分としＣｕをさらに含むＡｌＣｕパッド１０７、および、半導体チップ１０２の外部に設けられたインナーリード１１７と半導体チップ１０２とを接続するとともに、Ｃｕを主として含む接続部材であるＣｕＰワイヤ１１１を備え、実質的にハロゲンを含まない封止樹脂１１５により封止されている。ＡｌＣｕパッド１０７とＣｕＰワイヤ１１１の接続領域に、ＡｌとＣｕ組成比が異なる複数の合金層が設けられ、合金層が、ＣｕＡｌ2層と、ＣｕＡｌ2層とＣｕＰワイヤ１１１との間に設けられるとともにＣｕＡｌ2層よりもＡｌ組成比が相対的に低い層とを含む。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置に関し、特に、半導体チップの電極パッドと、ボンディングワイヤ等の接続部材との接合部分が封止樹脂により封止された半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体チップ上の電極パッドとリードフレームとをワイヤボンディング等の接続部材により接続し、封止樹脂で封止する半導体装置として、特許文献１（特開昭６４−３７０４４号公報）および２（特開平１−１８７８３２号公報）に記載のものがある。
【０００３】
特許文献１に記載の半導体装置では、アルミニウム（Ａｌ）・シリコン（Ｓｉ）合金からなる配線に、金（Ａｕ）線がボンディングされている。
また、同文献には、樹脂封止型半導体装置を２００℃以上の高温に放置すると、ＡｕワイヤとＡｌ電極パッドの接合部に剥離が生じ接続不良が生じること、および、同様の現象が、Ａｕワイヤの場合だけでなく、銅（Ｃｕ）ワイヤとＡｌ電極との間にも発生することが記載されている。
また、この現象には、熱劣化によって封止樹脂中に発生する遊離性ハロゲン値が関係すること、また、難燃化剤として使用する臭素化エポキシ樹脂を高純度化し、熱分解によって発生する遊離性臭素化合物を低減することにより、改善可能であることが記載されている。
【０００４】
特許文献２には、Ｃｕワイヤによるボンディング技術が記載されている。同文献には、電極パッドの硬度を高める観点で、Ａｌを主成分とする電極パッドに比較的高い割合でＣｕを添加することが記載されている。具体的には、主成分をＡｌとする電極パッドにＣｕを２〜１２％添加し、ビッカース硬度（Vickers hardness）値を７０〜１００としている。また、同文献には、電極パッドの硬度がＡｌパッドより高いため、Ｃｕワイヤのボンディング時に圧着部が剥離しないこと、電極パッドの下層に加わる衝撃が小さくなり絶縁膜にクラック等の損傷が発生しないことが記載されている。
【特許文献１】特開昭６４−３７０４４号公報
【特許文献２】特開平１−１８７８３２号公報
【非特許文献１】Hyoung-Joon Kim他８名、「Effects of Cu/Al Intermetallic Compound (IMC) on Copper Wire and Aluminum Pad Bondability」IEEE Transactions on Components and Packaging Technologies、Vol. 26、NO. 2、June、2003
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明者が上記特許文献１および２に記載の技術について検討したところ、高温で動作させた際の電極パッドとボンディングワイヤとの接合信頼性の点で、なおも改善の余地があることが明らかになった。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
そこで、本発明者は、高温での長時間動作における信頼性を向上させるべく検討を行った。その結果、封止樹脂中の少なくとも一部の領域に臭素（Ｂｒ）を含む樹脂組成物が使用されている構成から、Ｂｒを実質的に含まない構成とするとともに、電極パッドおよびボンディングワイヤ等の接続部材として、それぞれ特定の材料を選択することにより、高温動作時の信頼性を向上させることができることを見出し、本発明に至った。
【０００７】
本発明によれば、
半導体チップと、
前記半導体チップに設けられ、Ａｌを主成分としＣｕをさらに含む電極パッドと、
前記半導体チップの外部に設けられた接続端子と前記半導体チップとを接続するとともに、Ｃｕを主として含む接続部材と、
を備え、
前記接続部材と前記電極パッドとの接続領域に、ＡｌとＣｕの組成比が異なる複数のＣｕおよびＡｌの合金層が設けられ、
前記ＣｕおよびＡｌの合金層が、
ＣｕＡｌ2層と、
前記ＣｕＡｌ2層と前記接続部材との間に設けられるとともに前記ＣｕＡｌ2層よりもＡｌ組成比が相対的に低い層と、
を含み、
前記電極パッドと前記接続部材とが、実質的にハロゲンを含まない封止樹脂により封止された、半導体装置が提供される。
【０００８】
本発明の半導体装置においては、接続部材がＣｕを主として含み、電極パッドがＡｌを主成分としＣｕをさらに含み、さらに、封止樹脂が実質的にハロゲンを含まない構成となっている。そして、接続部材と電極パッドとの接続領域に、ＡｌとＣｕの組成比が異なる複数のＣｕＡｌ合金層が設けられているため、これらの相乗効果により、高温動作時の接続部材と電極パッドとの接合領域における不良の発生を抑制し、信頼性を安定的に向上させることができる。
また、接続部材の材料をＡｕとした場合に比べて、電気的特性を向上させ、また、製造コストを大幅に低減することができる。
また、ボンディングワイヤ以外の接続部材を用いた場合にも、接続部材と電極パッドとの接合領域における不良の発生を抑制できる。
【０００９】
本発明において、接続部材は、接続端子と半導体チップとを電気的に接続する部材であればよく、具体的には、ワイヤ、ボール、リボン状の接続部材等が挙げられる。
【００１０】
また、本明細書において、封止樹脂がハロゲンを実質的に含まないとは、封止樹脂を構成する組成物中の樹脂や、難燃剤等の添加剤のいずれも、ハロゲンが意図的に添加された構成でないことをいい、封止樹脂組成物の製造過程で不可避的に含まれるものは許容される。その場合にも、樹脂組成物中のハロゲン濃度は、各ハロゲン元素についてたとえば１０００ｐｐｍ以下、好ましくは１００ｐｐｍ以下である。
【００１１】
本明細書において、電極パッドがＡｌを主成分とするとは、たとえば電極パッド全体に対してＡｌを５０重量％以上含むことをいう。
また、本明細書において、接続部材がＣｕを主として含むとは、たとえば接続部材全体に対してＣｕを５０重量％以上含むことをいう。
【発明の効果】
【００１２】
以上説明したように、本発明によれば、高温動作時の接続部材と電極パッドとの接合領域の信頼性を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明の実施形態について、図面を用いて説明する。なお、すべての図面において、共通の構成要素には同じ符号を付し、適宜説明を省略する。また、以下においては、ボンディングパッドと半導体チップとを電気的に接続する接続部材がボンディングワイヤである場合を例に説明する。
【００１４】
まず、本発明の理解のために、課題を解決するための手段の項で記載した従来の半導体装置における高温動作時の故障メカニズムについて説明する。
【００１５】
図５は、検討に用いた半導体装置の構成を示す断面図である。図５に示した半導体装置２００は、シリコン基板（不図示）上に、配線層と層間絶縁膜等とが積層した多層膜（不図示）が設けられた構成である。多層膜（不図示）上の所定の位置に、Ａｌパッド２０７が設けられ、Ａｌパッド２０７の側面全面および上面の一部をポリイミド膜２０９が被覆している。ポリイミド膜２０９からの露出部においては、Ａｌパッド２０７の上面にＣｕワイヤ２１１が接続されている。Ａｌパッド２０７の接続部分であるＣｕワイヤ２１１の先端はＣｕボール２１３となっており、Ｃｕボール２１３とＡｌパッド２０７とが接合されている。ポリイミド膜２０９の上面全面に、臭素化エポキシ樹脂を含む樹脂組成物により構成される封止樹脂２１５が設けられ、Ａｌパッド２０７とＣｕボール２１３との接合部分が被覆されている。
【００１６】
図５に示した半導体装置２００について、高温保存時の接合不良の原因を検討した。
具体的には、複数の半導体装置２００を作製し、１７５℃で２３５０時間保存した。保存後、半導体装置２００を常温まで冷却して、Ａｌパッド２０７とＣｕボール２１３との接合部分のＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）観察を行った。また、保存中に、一部の半導体装置２００を取り出して常温まで冷却し、接合部分の様子を観察した。
【００１７】
図６〜図８は、Ａｌパッド２０７とＣｕワイヤ２１１先端に設けられたＣｕボール２１３との接合部２０５の構造を示す断面図である。図６（ａ）は、高温保存前の様子を示す図である。また、図６（ｂ）、図７（ａ）、図７（ｂ）、図８（ａ）の順に保存時間が長くなり、図８（ｂ）は、保存後の様子を示す図である。
【００１８】
図６（ａ）に示したように、高温保存前の初期的な接合部には、０．２μｍ程度のＣｕＡｌ合金層が形成されている。
これを高温で保存すると、接合部における相互拡散により、Ｃｕワイヤ２１１側からＡｌパッド２０７側に向かってＣｕリッチな層からＡｌリッチな層となる複数の合金層が形成され、Ｃｕ側すなわちＣｕボール２１３の底部にＣｕ3Ａｌ2が生成する（図６（ｂ））。また、封止樹脂２１５中の臭素化エポキシ樹脂に由来する臭素イオン（Ｂｒ-）がＣｕボール２１３の外周部から接合部に入り込む（図７（ａ））。Ｃｕ3Ａｌ2は、入り込んだＢｒ-による腐食を受け、臭化アルミニウムＡｌＢｒ3が形成される（図７（ｂ））。ＡｌＢｒ3が形成されることにより、合金層中のＣｕが押し出される結果、ＡｌＢｒ3の内部にＣｕが孤立して残存する領域が形成される（図８（ａ））。ＡｌＢｒ3は、高抵抗であるため、この高抵抗層の形成によりオープン不良が生じる原因となる（図８（ｂ））。また、ＡｌＢｒ3は、融点が９７．５℃と低いため、常温では体積が減少し、ＡｌＢｒ3層からボイドまたはクラックが生じる原因となる。
【００１９】
以上の解析結果から、Ｃｕワイヤ２１１と臭素化エポキシ樹脂を含む封止樹脂２１５を用いた半導体装置２００を高温保存すると不良が発生することが見出された。
そこで、以下、ＡｌＢｒ3の形成反応の進行およびそれに伴う不良の発生が抑制される装置構成の例を説明する。
【００２０】
（第一の実施形態）
図１は、本実施形態の半導体装置の構成を示す断面図である。また、図２は、図１の半導体装置１００の電極パッドとボンディングワイヤとが接合された領域の周辺の構成を拡大して示す断面図である。
【００２１】
図１および図２に示した半導体装置１００は、半導体チップ１０２、半導体チップ１０２に設けられ、Ａｌを主成分としＣｕをさらに含む電極パッド（ＡｌＣｕパッド１０７）、および、半導体チップ１０２の外部に設けられた接続端子（インナーリード１１７）と半導体チップ１０２とを接続するとともに、Ｃｕを主として含む接続部材であるワイヤ（ＣｕＰワイヤ１１１）を備える。ＣｕＰワイヤ１１１は、ＣｕおよびＰ（燐）から構成される。ＣｕＰワイヤ１１１の先端部はボール状のＣｕＰボール１１３となっている。ＡｌＣｕパッド１０７とＣｕＰワイヤ１１１とが、実質的にハロゲンを含まない封止樹脂１１５により封止されている。なお、本明細書において、構成元素がＡｌおよびＣｕである電極パッドを、単に「ＡｌＣｕパッド１０７」とも呼ぶ。また、構成元素がＣｕおよびＰであるワイヤおよびボールを、それぞれ単に「ＣｕＰワイヤ」および「ＣｕＰボール」とも呼ぶ。
【００２２】
また、半導体装置１００においては、リードフレーム１２１上に半導体チップ１０２が設けられ、これらが封止樹脂１１５により封止されている。リードフレーム１２１の側方にリードフレーム１１９が設けられている。リードフレーム１１９の一部はインナーリード１１７として封止樹脂１１５に封止されている。
【００２３】
半導体チップ１０２は、たとえばシリコン基板１０１上に縦型パワーＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field effect transistor、不図示）が形成され、その上に配線層と層間絶縁膜等とが積層した多層膜１０３が設けられた構成である。多層膜１０３上の所定の位置に、ＡｌＣｕパッド１０７が設けられ、ＡｌＣｕパッド１０７の側面全面および上面の一部をポリイミド膜１０９が被覆している。ポリイミド膜１０９に設けられた開口部において、ＡｌＣｕパッド１０７の上面が露出している。ＡｌＣｕパッド１０７の露出部とインナーリード１１７とが、ＣｕＰワイヤ１１１により電気的に接続されている。ＣｕＰワイヤ１１１の一方の端部はＣｕＰボール１１３となっており、ＣｕＰボール１１３とＡｌＣｕパッド１０７とが接合されている。ＣｕＰボール１１３とＡｌＣｕパッド１０７との接合領域においては、ＣｕＰボール１１３の底部にＣｕＡｌ合金層１０５が存在する（図２）。ＡｌＣｕパッド１０７とＣｕＰボール１１３との接合部分は封止樹脂１１５により被覆されている。
【００２４】
このような構成の半導体装置１００において、ＣｕＰワイヤ１１１およびＣｕＰボール１１３は、Ｃｕを主として含む導電材料、ここではＣｕＰにより構成される。ＣｕＰワイヤ１１１中のＰの含有量は、ＣｕＰワイヤ１１１全体に対してたとえば０．０１重量％以上とする。こうすることで、ワイヤボンディング時のＣｕ酸化物の形成をさらに効果的に抑制することができるため、接合部の抵抗の増加を抑制することができる。
また、ＣｕＰワイヤ１１１中のＰの含有量は、たとえば０．０３重量％以下とする。こうすることにより、ワイヤの導電性をさらに向上させることができる。ＣｕＰのさらに具体的な組成としては、Ｃｕ濃度が９９．９７重量％、Ｐ濃度が０．０３重量％（３００ｐｐｍ）であるＣｕＰからなる態様が挙げられる。
【００２５】
ＣｕＰワイヤ１１１のワイヤ径φは、ＡｌＣｕパッド１０７の大きさやＡｌＣｕパッド１０７の集積度等に応じて設定できる。具体的には、ＣｕＰワイヤ１１１のワイヤ径を２０μｍ以上７０μｍ以下とすることができる。２０μｍ以上とすることにより、ＡｌＣｕパッド１０７との接続信頼性をさらに向上させることができる。また、７０μｍ以下とすることにより、ＡｌＣｕパッド１０７の配置をさらに狭ピッチ化してＡｌＣｕパッド１０７とインナーリード１１７とをさらに高密度で接続することができる。
【００２６】
また、ＡｌＣｕパッド１０７との接合部において、ＣｕＰワイヤ１１１にＣｕＰボール１１３が形成されている。
図２に示したように、断面視において、ＣｕＰボール１１３に、該ボールの中心から外側に向かってボールの厚さが増加する肩部１３１が設けられている。
肩部１３１と水平面とのなす角は、たとえば４度以上８度以下である。この角が小さすぎると、接合時に、ＣｕＰワイヤ１１１をキャピラリで支持することが困難になる懸念がある。また、この角が大きすぎると、一つのＣｕＰワイヤ１１１がボンディングされる２箇所のボンディング箇所のうち、２箇所目をボンディングする際に、キャピラリがＣｕＰワイヤ１１１にめり込んでしまい、ＣｕＰワイヤ１１１が損傷する懸念がある。
また、ＡｌＣｕパッド１０７との接合部において、ＣｕＰボール１１３の底面はたとえば平坦面となっている。
【００２７】
ＡｌＣｕパッド１０７は、Ａｌを主成分とし、Ｃｕをさらに含む電極パッドの一例である。
ＡｌＣｕパッド１０７全体に対するＡｌの割合は、たとえば５０．０重量％以上９９．９重量％以下であり、Ｃｕの割合がたとえば０．１重量％以上１０．０重量％以下である。電極パッドの硬さを増し、ワイヤボンディング時の電極パッドの損傷を抑制する観点では、Ｃｕの割合をたとえば０．１重量％以上、好ましくは０．２重量％以上とする。また、膜応力の増加を抑制する観点では、Ｃｕの割合をたとえば１０．０重量％以下、好ましくは５．０重量％以下、さらに好ましくは３．０重量％以下とする。
なお、ＡｌＣｕパッド１０７がＡｌおよびＣｕからなる場合、ＡｌＣｕパッド１０７全体に対するＡｌの割合は、さらに具体的には９０．０重量％以上９９．９重量％以下である。
【００２８】
また、ＡｌＣｕパッド１０７中のＣｕ含量が低すぎると、ＡｌＣｕパッド１０７が柔らかすぎてボンディング時に下層に損傷を与えたり、初期の合金層の形成が不均一になり接合安定性が低下したりする懸念がある。一方、ＡｌＣｕパッド１０７中のＣｕ含量が高すぎると、ＡｌＣｕパッド１０７とＣｕＰワイヤ１１１との接合強度が低下する懸念がある。超音波ボンディングでは、超音波によりワイヤの金属とパッドの金属が擦り合わされ、それらの接合面で相対すべりが発生し、生成された新生面同士が密着することにより、異種金属間の凝着が活発に進行し、異種金属同士が接合される。ＡｌＣｕパッド１０７中のＣｕ含量が高くなるにつれて、ＡｌＣｕパッド１０７が硬くなり、ボンディング時に新生面が形成されにくくなるため、接合強度が低下する恐れがある。このため、接合強度と接合安定性のバランスの観点から、ＡｌＣｕパッド１０７中のＣｕ含量は、０．１重量％以上２重量％未満とすることが好ましく、０．２重量％以上１重量％以下とすることがさらに好ましい。
【００２９】
ＣｕＰワイヤ１１１が接続された領域におけるＡｌＣｕパッド１０７の厚さは、たとえば、ＣｕＰワイヤ１１１が接続されていない領域におけるＡｌＣｕパッド１０７の厚さの１／４以上、好ましくは１／２以上である。ＣｕＰワイヤ１１１が接続された領域におけるＡｌＣｕパッド１０７の厚さが小さすぎると、ＡｌＣｕパッド１０７の下層が劣化する懸念がある。なお、ＣｕＰワイヤ１１１が接続された領域におけるＡｌＣｕパッド１０７の厚さの上限に特に制限はなく、たとえばＣｕＰワイヤ１１１が接続されていない領域における厚さ以下である。
【００３０】
また、半導体装置１００は、ＡｌＣｕパッド１０７とＣｕＰボール１１３との接続領域に、ＣｕとＡｌとの合金層（ＣｕＡｌ合金層１０５）を有する。本明細書において、ＣｕおよびＡｌの合金層を、単に「ＣｕＡｌ合金層」とも呼ぶ。ＣｕＡｌ合金層は、ＣｕおよびＡｌの組成比が各種のものを含む。Ａｌは、ＡｌＣｕパッド１０７中に含まれる主成分の金属である。
また、ＡｌとＣｕとの合金層の面積が、ＡｌＣｕパッド１０７とＣｕＰワイヤ１１１との接続部分の面積の５０％以上を占める。
【００３１】
ＣｕＡｌ合金層１０５は、接合時の加熱によりＡｌＣｕパッド１０７中のＡｌとＣｕＰボール１１３中のＣｕとが拡散して生じた層状の領域であり、ＣｕとＡｌとを主として含む。ここで、ＣｕとＡｌとを主として含むとは、ＣｕＡｌ合金層１０５全体に対してＣｕの含有量とＡｌの含有量との合計が５０重量％より大きいことをいう。
【００３２】
図３は、ＣｕＡｌ合金層１０５の構成をさらに具体的に示す断面図である。図３に示したように、ＣｕＡｌ合金層１０５は、ＡｌとＣｕの組成比が異なる複数のＣｕおよびＡｌの合金層（ＣｕＡｌ合金層）からなる。複数のＣｕＡｌ合金層は、ＣｕＰボール１１３側からＡｌＣｕパッド１０７側に向かって、Ｃｕの組成比が相対的に減少し、Ａｌの組成比が相対的に増加する順で段階的に形成されている。つまり、ＣｕＡｌ合金層１０５には、ＣｕＰボール１１３側からＡｌＣｕパッド１０７側に向かってＣｕの組成比が相対的に減少しＡｌの組成比が相対的に増加するように、複数の合金層がグラデーション状に設けられている。
【００３３】
複数の合金層は、具体的には、ＣｕＡｌ2層と、ＣｕＡｌ2層とＣｕＰボール１１３との間に設けられるとともにＣｕＡｌ2層よりもＡｌ組成比が相対的に低い層とを含む。ＣｕＡｌ2層よりもＡｌ組成比の低い層は、たとえば、ＣｕとＡｌの組成物が１：１のＣｕＡｌ層と、ＣｕＡｌ層とＣｕＰボール１１３との間に設けられるとともにＣｕＡｌ層よりもＡｌ組成比が相対的に低い層とを含む。
【００３４】
図３の例では、図中上からＣｕＰボール１１３（Ｃｕ層）から、Ｃｕ9Ａｌ4またはＣｕ3Ａｌ2層、ＣｕＡｌ層、ＣｕＡｌ2層、ＡｌＣｕパッド１０７（Ａｌ層）の順に積層されている。
このように、ＣｕＡｌ合金層１０５は、たとえばＣｕとＡｌの金属間化合物から構成された層であり、たとえばＣｕＡｌ2層を含む。また、ＣｕＡｌ合金層１０５が、さらにＣｕＡｌ層と、Ｃｕ9Ａｌ4層またはＣｕ3Ａｌ2層とを含んでもよい。
【００３５】
ＣｕＡｌ合金層１０５を構成する各層の厚さに特に制限はないが、たとえば２００〜３００ｎｍ程度である。また、図３に示したように、ＣｕＡｌ合金層１０５を構成する各層の界面が凹凸面であってもよい。また、平面視において凹凸面が接合領域の面内全体にわたって形成されていてもよい。
【００３６】
なお、図２および図３においては、ＣｕＡｌ合金層１０５が、ＣｕＰボール１１３の底部に明確に出現している構成を例示したが、半導体装置１００は、加熱によりＣｕＰボール１１３の少なくとも一部にＣｕＡｌ合金層１０５が明確に出現するような構成であればよく、使用前の半導体装置１００においては、ＣｕＡｌ合金層１０５が必ずしも明確な層状になっていなくてもよい。使用前の半導体装置１００中において、ＣｕＡｌ合金層１０５が明確な層状となっていない場合にも、半導体装置１００が使用されて、ＣｕＰボール１１３とＡｌＣｕパッド１０７との接続領域の近傍が加熱されると、ＣｕＡｌ合金層１０５がより一層明確に出現する。
【００３７】
封止樹脂１１５は、実質的にハロゲンを含まない。さらに具体的には、封止樹脂１１５は、ハロゲンおよびアンチモンを実質的に含まない樹脂組成物により構成される耐熱性の樹脂である。封止樹脂１１５中に不可避的に含まれるハロゲンの濃度は、各ハロゲン元素についてたとえば１０００ｐｐｍ以下、好ましくは１００ｐｐｍ以下である。また、封止樹脂１１５中のハロゲン濃度の合計についても、たとえば１０００ｐｐｍ以下であり、１００ｐｐｍ以下であることが好ましい。
また、封止樹脂１１５中の樹脂は、分子骨格中にハロゲン基を実質的に含まない高分子化合物からなる。たとえば封止樹脂１１５中の樹脂は、分子骨格中にＢｒ基を実質的に含まない高分子化合物からなる。封止樹脂１１５は、一種類の樹脂を含んでもよいし、複数種類の樹脂を含んでいてもよい。
さらに、封止樹脂１１５は、樹脂以外の成分、たとえば難燃剤等の添加剤中にもハロゲン化物を含まない。
【００３８】
このような樹脂組成物として、具体的には、金属水和物等の代替難燃剤使用樹脂を含む樹脂組成物；
樹脂組成物全体に対して溶融球状シリカ等の充填剤をたとえば８０重量％以上、好ましくは８５重量％以上含む高フィラー充填樹脂組成物；ならびに
フェノール系樹脂、エポキシ樹脂等の難燃性骨格を有する高分子化合物を含む樹脂組成物；
が挙げられる。これらは単独で用いてもよいし、複数組み合わせて用いてもよい。
【００３９】
金属水和物として、さらに具体的には、水酸化アルミニウムや水酸化マグネシウム等が挙げられる。その他の代替難燃剤として、さらに具体的には、無機リンや有機リン系化合物が挙げられる。また、金属水和物と分子骨格中にハロゲン基を実質的に含まない高分子化合物とを組み合わせて用いてもよい。
【００４０】
難燃性骨格を有する高分子化合物のうち、難燃性骨格を有するフェノール系樹脂としては、たとえば、分子中にビフェニル誘導体またはナフタレン誘導体を含むノボラック構造のフェノール系樹脂が挙げられる。さらに具体的には、
フェノールビフェニレンアラルキル型樹脂、フェノールフェニレンアラルキル型樹脂、フェノールジフェニルエーテルアラルキル型樹脂等のフェノールアラルキル型樹脂；
ビスフェノールフルオレン含有フェノールノボラック型樹脂；
ビスフェノールＳ含有フェノールノボラック型樹脂；
ビスフェノールＦ含有フェノールノボラック型樹脂；
ビスフェノールＡ含有フェノールノボラック型樹脂；
ナフタレン含有フェノールノボラック型樹脂；
アントラセン含有フェノールノボラック型樹脂；
フルオレン含有フェノールノボラック型樹脂；および
縮合多環芳香族型フェノール系樹脂；
が挙げられる。これらは単独で用いてもよいし、複数組み合わせて用いてもよい。
【００４１】
また、難燃性骨格を有するエポキシ樹脂としては、たとえば、分子中にビフェニル誘導体またはナフタレン誘導体を含むノボラック構造のエポキシ樹脂が挙げられる。さらに具体的には、
フェノールビフェニレンアラルキル型エポキシ樹脂、フェノールフェニレンアラルキル型エポキシ樹脂、フェノールジフェニルエーテルアラルキル型エポキシ樹脂等のフェノールアラルキル型エポキシ樹脂；
ビスフェノールフルオレン含有ノボラック型エポキシ樹脂；
ビスフェノールＳ含有ノボラック型エポキシ樹脂；
ビスフェノールＦ含有ノボラック型エポキシ樹脂；
ビスフェノールＡ含有ノボラック型エポキシ樹脂；
ナフタレン含有ノボラック型エポキシ樹脂；
アントラセン含有ノボラック型エポキシ樹脂；
フルオレン含有ノボラック型エポキシ樹脂；および
縮合多環芳香族型エポキシ樹脂；
が挙げられる。これらは単独で用いてもよいし、複数組み合わせて用いてもよい。
【００４２】
なお、難燃性骨格を有する高分子化合物を含む樹脂組成物を用いることにより、代替難燃剤が添加された樹脂組成物を用いる場合に比べて、封止樹脂１１５と被封止部材との密着性をより一層向上させることができるため、たとえばＡｌＣｕパッド１０７の面積が比較的大きい場合にもより一層好適に用いることができる。
【００４３】
次に、半導体装置１００の製造方法を説明する。
まず、シリコン基板１０１上に、配線層および層間絶縁膜等が積層した多層膜１０３を形成する。次に、多層膜１０３上の所定の位置にＡｌＣｕパッド１０７をスパッタリング法により形成する。ＡｌＣｕパッド１０７の膜厚は、たとえば２．５μｍ以上とする。つづいて、塗布法により、ＡｌＣｕパッド１０７を覆うようにポリイミド膜１０９を形成する。つづいて、ポリイミド膜１０９をパターニングして開口部を設け、ＡｌＣｕパッド１０７の一部を露出させる。こうして、半導体チップ１０２が得られる。
【００４４】
得られた半導体チップ１０２をリードフレーム１２１上に設置し、ＡｌＣｕパッド１０７とインナーリード１１７とをＣｕＰワイヤ１１１によりワイヤボンディングする。ＣｕＰボール１１３はこのとき形成される。
【００４５】
このとき、ＣｕＰワイヤ１１１を支持するキャピラリとして、端部が傾斜したものを用いる。キャピラリの傾斜角は、肩部１３１の形状に応じて選択されるが、たとえば４度以上８度以下とする。これにより、ＣｕＰボール１１３の肩部１３１が、ＣｕＰボール１１３の中心から外側に向かってＡｌＣｕパッド１０７の上面から遠ざかる形状に形成される。
【００４６】
また、ボンディングは、ガラスチャンバ等のチャンバ内で行う。チャンバ内の雰囲気は、たとえば水素ガス（Ｈ2）５体積％、窒素ガス（Ｎ2）９５体積％とする。ボンディングワイヤの材料をＣｕＰとし、上記雰囲気中でボンディングを行うことにより、ボンディング時の酸化を抑制し、また酸化する場合にもＣｕＰワイヤ１１１中のＰが優先的に酸化されるため、Ｃｕ酸化物の形成を防ぎ、接合部の抵抗上昇を抑制できる。
【００４７】
また、ボンディングは、たとえば以下の手順で行う。
ステップ１１：ＣｕＰワイヤ１１１の先端に所定の径のＣｕＰボール１１３を形成する、
ステップ１２：ＣｕＰボール１１３をＡｌＣｕパッド１０７上面に対して実質的に垂直に降下させる、
ステップ１３：ＣｕＰボール１１３がＡｌＣｕパッド１０７に接触した後、ＣｕＰボール１１３に付加する荷重をステップ１２より減らし、超音波振動を与える。
【００４８】
以上の手順中、ステップ１２では、ＣｕＰボール１１３がキャピラリの先端の形状に沿って変形して肩部１３１が形成される。また、底部がＡｌＣｕパッド１０７に接触して平坦な接合面が形成される。ステップ１２において、さらに具体的にはＣｕＰボール１１３に超音波振動を与えずに、たとえば４００ｇから１Ｋｇ程度の大荷重を０．１ｍｓｅｃから１０ｍｓｅｃ程度の時間印加して、ＡｌＣｕパッド１０７の上部に向かってＣｕＰボール１１３を垂直方向に降下させる。これにより、ＣｕＰボール１１３とＡｌＣｕパッド１０７とが接触した際に、ＡｌＣｕパッド１０７の接触部が沈み込みすぎてパッドの厚さが薄くなりすぎたり下層の素子が劣化したりしないようにすることができる。また、ＣｕＰボール１１３の底面を平坦面として、接合面積を充分に確保することができる。
【００４９】
また、ステップ１３では、ＣｕＰボール１１３に与える荷重を、たとえばステップ１２の１／５程度に減少させるとともに、超音波振動を与える。なお、ステップ１３における荷重印加時間は、たとえば０．５ｍｓｅｃから２０ｍｓｅｃ程度とする。ＣｕＰボール１１３に荷重を加えつつ超音波振動を与えることにより、ＡｌＣｕパッド１０７の上面に自然酸化膜が形成されている場合にも、自然酸化膜を除去して新生面を生じさせ、ＣｕＰボール１１３を新生面に接触させることができる。よって、ＣｕＰボール１１３とＡｌＣｕパッド１０７との接合信頼性を向上させることができる。また、ステップ１２よりも荷重を減らして超音波振動を与えることにより、ＣｕＰボール１１３によってＡｌＣｕパッド１０７が押しのけられることを抑制し、ＣｕＰボール１１３が接続された領域のＡｌＣｕパッド１０７の厚さが、ＣｕＰボール１１３が接続されていない領域のＡｌＣｕパッド１０７の厚さの１／４以上となるようにしている。ステップ１２で新生面が形成されており、荷重を減らしても十分な接合強度が得られるばかりでなく、ＡｌＣｕパッド１０７の厚さが十分確保されているので、接合面であるＣｕＡｌ合金層１０５が不均一な厚さになりにくい。したがって、均質なＣｕＡｌ合金層１０５が形成でき、接合信頼性を向上できる。また、荷重を減らすことにより、下層の素子へのダメージも抑制できる。
【００５０】
その後、リードフレーム１２１、半導体チップ１０２、ＣｕＰワイヤ１１１およびインナーリード１１７を封止樹脂１１５で封止する。以上の手順により、図１および図２に示した半導体装置１００が得られる。なお、得られた半導体装置１００中には、図２に示したＣｕＡｌ合金層１０５が存在するが、その後、半導体装置１００を使用することにより、ＣｕＡｌ合金層１０５がより一層明確に現れる。
【００５１】
次に、半導体装置１００の効果を説明する。
図１および図２に示した半導体装置１００においては、ＡｌＣｕパッド１０７にＣｕＰワイヤ１１１が接合され、接合部分に、ＡｌＣｕパッド１０７側からＣｕＰボール１１３側に向かってＣｕＡｌ2層およびＣｕＡｌ2層よりもＡｌ組成比が相対的に低い層がこの順に形成されている。このため、接合初期に接合領域に合金層が安定的に形成され、高温動作時の合金層の過度の成長が抑制されるとともに、高温動作時の接続信頼性に優れた構成となっている。この効果は、ＣｕＡｌ合金層１０５が組成の異なる３つ以上の層を含み、ＡｌＣｕパッド１０７側からＣｕＰボール１１３側に向かってＡｌ組成比が減少するようにこれらの層が配置された構成において顕著に発揮される。
【００５２】
さらに、半導体装置１００では、接続部分がハロゲンフリーの封止樹脂１１５により封止されている。このため、ＣｕＡｌ合金層１０５が封止樹脂１１５中のハロゲンにより腐食されることが抑制されるため、ＣｕＡｌ合金層１０５の腐食によるボイドの成長および高抵抗層の成長を抑制することができる。よって、半導体装置１００は、ハロゲンを含む樹脂組成物により構成される封止樹脂を用いることが前提となっていた従来の構成に対して顕著に高温長時間動作時の接続信頼性に優れた構成となっている。
【００５３】
図６から図８を参照して前述したように、電極パッドとボンディングワイヤとの接続不良は、ＡｌＢｒ3の形成反応等により生じると考えられるが、半導体装置１００においては、電極パッド、ワイヤおよび封止樹脂としてそれぞれ特定の材料を選択して用いるとともに、電極パッドとワイヤとの接合部が複数の合金層が特定の順で配置された構成となっている。このため、これらの相乗効果により、ＣｕＰワイヤ１１１の径によらず、高温動作時の接合信頼性を安定的に向上させることができる。この効果は、ＡｌＣｕパッド１０７中のＣｕ含量を２重量％未満としたときにより一層顕著に発揮される。
また、半導体装置１００は、動作温度が向上した構成となっている。また、半導体装置１００においては、高温動作時などに接合領域の一部にクラックが生じた場合にも、クラックの伝播によりオープン不良が生じることを抑制できる。
【００５４】
また、半導体装置１００においては、電極パッドが、ＡｌおよびＣｕを必須成分として含む。このため、ＡｕまたはＡｕ合金よりも硬い、Ｃｕを主成分とするボンディングワイヤと接合する場合にも、接合時に電極パッドの接合領域が過度に薄化してしまうことを抑制できるため、製造歩留まりに優れた構成とすることができる。
【００５５】
また、半導体装置１００においては、ボンディングワイヤがＣｕを主成分とするため、Ａｕワイヤを用いる場合に比べて、ワイヤの体積抵抗率をたとえば３０％程度低減することができる。このため、ボンディングワイヤの導電性を向上させることができる。また、Ａｕワイヤを用いる場合に比べて、高温保存時の金属間化合物の形成およびカーケンダルボイドの形成を抑制し、信頼性を向上させることができる。また、Ａｕワイヤを用いる場合に比べて、材料費をたとえば５０〜９０％程度低減させることができるため、装置の製造コストを大幅に削減できる。
【００５６】
また、ボンディングワイヤがＰを含むため、ボンディングワイヤがＣｕを主として含む場合にも、ボンディング時のＣｕ酸化物の形成が効果的に抑制される。よって、接合部における抵抗の増加を抑制し、導電性を向上させることができる。このため、たとえばＡｕワイヤを用いる場合に比べてワイヤの断面積を３０％程度減少させることもできる。また、Ｃｕのみからなるワイヤを用いる場合よりもワイヤの硬度を低下させることができるため、ボンディングの容易性を高めることができる。
【００５７】
また、ＣｕＰボール１１３が、ボールの中心から外側に向かってせりあがった肩部１３１を有し、また、ボールの中心から外側に向かって厚くなる断面形状を有するため、ボンディング時の製造歩留まりをより一層向上させることができる。
【００５８】
以下の実施形態においては、第一の実施形態と異なる点を中心に説明する。
（第二の実施形態）
第一の実施形態においては、電極パッドとインナーリードとがボンディングワイヤにより接続される構成の場合を例に説明したが、一方が電極パッドに接続されたボンディングワイヤの他端に接続される外部接続用端子の構成は、インナーリードである場合には限られず、他の部材とすることもできる。たとえば、半導体チップの電極パッドからプリント配線基板上に設けられた配線にワイヤボンディングされていてもよい。
【００５９】
図４は、このような構成の半導体装置の構成を示す断面図である。図４に示した半導体装置１１０の基本構成は図１に示した半導体装置１００の構成と同様であるが、リードフレーム１２１およびリードフレーム１１９に代えて、ＢＧＡ基板１２９が設けられている点が異なる。
【００６０】
ＢＧＡ基板１２９は、半導体チップ１０２が設置されるプリント配線基板１２３と、プリント配線基板１２３の所定の位置に設けられた配線１２５と、プリント配線基板１２３のチップ搭載面の裏面に設けられた複数のバンプ１２７とを有する。ＣｕＰワイヤ１１１は、ＡｌＣｕパッド１０７と配線１２５とに接続されている。プリント配線基板１２３のチップ搭載領域全体が封止樹脂１１５により封止されている。
【００６１】
図４に示した半導体装置１１０においても、ＡｌＣｕパッド１０７とＣｕＰワイヤ１１１とを接続するとともに、ハロゲンを含まない難燃性の封止樹脂１１５が用いられるため、図１に示した半導体装置１００と同様の効果が得られる。
【００６２】
以上、図面を参照して本発明の実施形態について述べたが、これらは本発明の例示であり、上記以外の様々な構成を採用することもできる。
【００６３】
たとえば、以上の実施形態においては、電極パッドの材料がＡｌおよびＣｕである場合を例に説明したが、電極パッドは、Ａｌを主成分としＣｕをさらに含む材料であればこれには限られず、ＡｌＳｉＣｕ等のＡｌを主成分としＳｉおよびＣｕをさらに含む金属としてもよい。さらに具体的には、電極パッドの材料が、Ａｌ９８．５重量％、Ｓｉ１．０重量％およびＣｕ０．５重量％からなるＡｌＳｉＣｕであってもよい。
【００６４】
また、以上の実施形態においては、ＡｌＣｕパッド１０７に接続されるボンディングワイヤの材料が、ＣｕＰである場合を例に説明したが、ボンディングワイヤの材料は、Ｃｕを主として含むものであればこれには限られない。たとえば、ボンディングワイヤはＰを含まない材料により構成されていてもよい。
【００６５】
また、以上の実施形態においては、ＡｌＣｕパッド１０７上にポリイミド膜１０９が設けられた構成の半導体装置の場合を例に説明したが、ポリイミド膜１０９が設けられていない構成とすることもできる。
また、以上の実施形態において、ＡｌＣｕパッド１０７の下層をなすバリア層をさらに設けてもよい。バリア層の具体例としては、ＴｉＮ層、ＴｉＮ層（パッド側）／Ｔｉ層（基板側）、ＷＳｉ層、ＭｏＳｉ層、ＴｉＳｉ層が挙げられる。
【００６６】
また、本発明の技術は、エポキシ樹脂等の樹脂により封止される種々の半導体パッケージに適用可能であり、ＢＧＡのパッケージ等、以上の実施形態に挙げた構成には限られないことはもちろんである。
【００６７】
また、以上の実施形態においては、ボンディングパッドと半導体チップ中の導電部材とを接続する導電性の接続部材がボンディングワイヤである場合を例に説明したが、他に、ボールやリボン状の接続部材を用いることもできる。
【実施例】
【００６８】
（実施例１）
本実施例では、ＡｌおよびＣｕを含む電極パッド（ＡｌＣｕパッド）に、ＣｕおよびＰを含むワイヤ（ＣｕＰワイヤ）を接合し、高温保存した際の接合部の構造を解析した。電極パッドおよびワイヤの組成、ボンディング条件ならびに高温保存条件を以下に示す。
電極パッド：Ａｌ９９．５重量％、Ｃｕ０．５重量％
ワイヤ：Ｃｕ９９．９重量％、Ｐ０．１重量％、直径５０μｍ
ボンディング条件：２００℃、荷重１００〜６００ｇ
保存条件：１７５℃、１０００時間
【００６９】
図９（ａ）は、保存後の接合部の構成を示す断面図であり、図９（ｂ）は、図９（ａ）中の四角枠内の拡大断面図である。また、図１０は、図９（ｂ）の四角枠内をさらに拡大して示す断面図である。図９（ａ）および図９（ｂ）より、電極パッドとワイヤとの間に、１．２μｍ程度の接合層が一様に形成されている。また、接合部における電極パッドの厚さは接合前より薄化しているものの、接合部全体にわたって電極パッドが残存している。
【００７０】
また、図１０より、接合層は、少なくとも３層（図１０中のＢ層〜Ｄ層）から主に構成されていることがわかる。そこで、図１０中のＡ層〜Ｄ層の組成をＸ線回折により求めた。図１１（ａ）〜図１１（ｄ）は、それぞれ、Ａ層〜Ｄ層の分析結果を示す図である。図１９に示したＡｌ−Ｃｕ合金の状態図（非特許文献１より）を参照すると、図１１（ａ）〜図１１（ｄ）より、各層の組成は、それぞれ以下のとおりであった。
Ａ層：ＡｌＯｘ
Ｂ層：Ｃｕ9Ａｌ4またはＣｕ3Ａｌ2
Ｃ層：ＣｕＡｌ
Ｄ層：ＣｕＡｌ2
【００７１】
一方、図９（ｃ）は、Ａｕワイヤ（直径５０μｍ）をＡｌ−Ｓｉ−Ｃｕパッド（Ａｌ９８．５重量％Ｓｉ１重量％、Ｃｕ０．５重量％）に接合し、１７５℃で５００時間高温保存した後の接合部の様子を示す図である。図９（ｃ）および図９（ａ）より、Ｃｕを主成分とするワイヤおよびＡｌＣｕパッドを用いることにより、接合部における合金層の成長および合金成長に伴うボイドの発生をより効果的に抑制できることがわかる。
【００７２】
（実施例２）
本実施例では、ＣｕＰワイヤとともに用いる電極パッドの材料が接合初期の合金層の形成状態に与える影響を評価した。
ワイヤとして、実施例１で用いた組成のＣｕＰワイヤを用いた。また、電極パッドとして、実施例１で用いた組成のＡｌＣｕパッドまたはＡｌＳｉパッド（Ａｌ９９重量％、Ｓｉ１重量％）を用いた。
【００７３】
図１２（ａ）は、ＡｌＳｉパッドを用いた試料の接合直後の接合部の構成を示す断面図であり、図１２（ｂ）は、ＡｌＣｕパッドを用いた試料の接合直後の接合部の構成を示す断面図である。
図１２（ａ）より、ＡｌＳｉパッドを用いた試料では、接合直後において、接合領域内に合金層が充分に形成されていない領域が存在する。これに対し、ＡｌＣｕパッドを用いた試料では、図１２（ｂ）より、接合領域全体に合金層が形成されている。
【００７４】
（実施例３）
本実施例では、ＣｕＰワイヤとともに用いる電極パッドの材料が接合部の構造および高温保存耐性に与える影響を評価した。
ワイヤとして、実施例１で用いた組成のＣｕＰワイヤを用い、電極パッド材料の異なる以下の試料を作製した。
試料１：ＡｌＳｉＣｕパッド（Ａｌ９８．５重量％、Ｓｉ１重量％、Ｃｕ０．５重量％）
試料２：ＡｌＣｕパッド（Ａｌ９９．５重量％、Ｃｕ０．５重量％）
試料３：ＡｌＳｉパッド（Ａｌ９９重量％、Ｓｉ１重量％）
【００７５】
図１３は、試料１〜３の接合直後の構成を示す図である。なお、図１３には、接合強度に対応する接合部のシェア強度の測定結果を会わせて示した。シェア強度の測定方法は、パッド面から、２〜６μｍ上空を、金属のツールで横方向に力を加えて、せん断強度を測定する方法とした。
【００７６】
図１３より、構成元素としてＣｕを含む電極パッドを用いた場合（試料１、２）には、接合領域全体に電極パッドが残存しているのに対し、Ｃｕを含まないＡｌＳｉパッドを用いた場合（試料３）、ボールの過度のくいこみにより、電極パッドが残存しない領域が形成されてしまうことがわかる。
【００７７】
また、試料１〜３をそれぞれ１５個ずつ作製し、王水剥離により電極パッド下の様子を確認したところ、試料３では１５個中２個に剥離が生じていたが、試料１および２では１５個いずれも剥離は生じていなかった。
【００７８】
次に、試料１および２をＢｒフリー樹脂で封止し、２００℃保存した際のトランジスタオン時の電気抵抗の変動率を測定した。あわせて、試料１および２に対応する電極パッドおよびワイヤを用い、Ｂｒを含む樹脂で封止したもの（試料４および５）についても、上記測定を行った。測定結果を図１４に示す。
【００７９】
図１４より、Ｃｕを含む電極パッドを用い、Ｂｒフリー樹脂で封止することにより、２００℃の高温で動作させた際にも、トランジスタオン時の電気抵抗の変動率の上昇を長期間にわたって抑制することができる。
【００８０】
なお、図１５（ａ）は、試料５の１７５℃、２３５０時間保存後の接合部の構成を示す図であり、図１５（ｂ）は、図１５（ａ）の四角枠内を拡大して示す図である。図１６および図１７は、図１５（ｂ）中のＰｏｉｎｔ１〜ｐｏｉｎｔ６についてエネルギー分散型Ｘ線分光法（Energy Dispersive X-ray Spectroscopy：ＥＤＳ）により測定されたスペクトルを示す図である。
図１５〜図１７より、Ｂｒを含む樹脂を用いた場合、接合部中にＢｒ腐食層（ＡｌＢｒ3層）が形成されていることがわかる。また、ＣｕとＡｌの合金からＣｕが押し出されてＡｌＢｒ3層中に残存している。
【００８１】
（実施例４）
本実施例では、封止樹脂材料の影響を評価した。電極パッドおよびワイヤとして、いずれも実施例１で前述したＡｌＣｕパッドおよびＣｕＰワイヤを用いた。ワイヤを電極パッドに接合した後、Ｂｒ入り樹脂またはＢｒフリー樹脂で封止して、１７５℃で７００時間保存した。
【００８２】
図１８（ａ）は、Ｂｒ入り樹脂で封止した試料の保存後の構成を示す断面図であり、図１８（ｂ）は、Ｂｒフリー樹脂で封止した試料の保存後の構成を示す断面図である。
図１８（ａ）および図１８（ｂ）より、Ｂｒ入り樹脂で封止した試料においては、接合領域中に腐食部が形成されているのに対し、Ｂｒフリー樹脂で封止した試料では、腐食が生じていないことがわかる。
【００８３】
実施例１〜４より、Ｃｕを含むＡｌパッドおよびＣｕを含むワイヤの接合領域に組成の異なる複数の合金層を形成し、Ｂｒレスの難燃性樹脂で封止することにより、接合領域全体にわたって初期合金層が均質に形成されるとともに高温保存中の合金層の過度の成長およびＢｒによる腐食を抑制することができるため、高温動作時の接続信頼性を著しく向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【００８４】
【図１】実施形態における半導体装置の構成を示す断面図である。
【図２】図１の半導体装置の一部を拡大して示す断面図である。
【図３】実施形態における半導体装置の電極パッドとボンディングパッドの接合部周辺の構成を示す断面図である。
【図４】実施形態における半導体装置の構成を示す断面図である。
【図５】実施形態における半導体装置の構成を示す断面図である。
【図６】図５に示した半導体装置の接合部の構成を示す断面図である。
【図７】図５に示した半導体装置の接合部の構成を示す断面図である。
【図８】図５に示した半導体装置の接合部の構成を示す断面図である。
【図９】実施例における電極パッドとワイヤとの接合部の構成を示す断面図である。
【図１０】実施例における電極パッドとワイヤとの接合部の構成を示す断面図である。
【図１１】実施例における電極パッドとワイヤとの接合層の分析結果を示す図である。
【図１２】実施例における電極パッドとワイヤとの接合部の構成を示す断面図である。
【図１３】実施例における電極パッドとワイヤとの接合部の構成を示す図である。
【図１４】実施例における電極パッドとワイヤとの接合部の高温保存試験結果を示す図である。
【図１５】実施例における電極パッドとワイヤとの接合部の構成を示す断面図である。
【図１６】実施例における電極パッドとワイヤとの接合層の分析結果を示す図である。
【図１７】実施例における電極パッドとワイヤとの接合層の分析結果を示す図である。
【図１８】実施例における電極パッドとワイヤとの接合部の構成を示す断面図である。
【図１９】Ａｌ−Ｃｕ合金の状態図である。
【符号の説明】
【００８５】
１００ 半導体装置
１０１ シリコン基板
１０２ 半導体チップ
１０３ 多層膜
１０５ ＣｕＡｌ合金層
１０７ ＡｌＣｕパッド
１０９ ポリイミド膜
１１０ 半導体装置
１１１ ＣｕＰワイヤ
１１３ ＣｕＰボール
１１５ 封止樹脂
１１７ インナーリード
１１９ リードフレーム
１２１ リードフレーム
１２３ プリント配線基板
１２５ 配線
１２７ バンプ
１２９ ＢＧＡ基板
１３１ 肩部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置に関し、特に、半導体チップの電極パッドと、ボンディングワイヤ等の接続部材との接合部分が封止樹脂により封止された半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体チップ上の電極パッドとリードフレームとをワイヤボンディング等の接続部材により接続し、封止樹脂で封止する半導体装置として、特許文献１（特開昭６４−３７０４４号公報）および２（特開平１−１８７８３２号公報）に記載のものがある。
【０００３】
特許文献１に記載の半導体装置では、アルミニウム（Ａｌ）・シリコン（Ｓｉ）合金からなる配線に、金（Ａｕ）線がボンディングされている。
また、同文献には、樹脂封止型半導体装置を２００℃以上の高温に放置すると、ＡｕワイヤとＡｌ電極パッドの接合部に剥離が生じ接続不良が生じること、および、同様の現象が、Ａｕワイヤの場合だけでなく、銅（Ｃｕ）ワイヤとＡｌ電極との間にも発生することが記載されている。
また、この現象には、熱劣化によって封止樹脂中に発生する遊離性ハロゲン値が関係すること、また、難燃化剤として使用する臭素化エポキシ樹脂を高純度化し、熱分解によって発生する遊離性臭素化合物を低減することにより、改善可能であることが記載されている。
【０００４】
特許文献２には、Ｃｕワイヤによるボンディング技術が記載されている。同文献には、電極パッドの硬度を高める観点で、Ａｌを主成分とする電極パッドに比較的高い割合でＣｕを添加することが記載されている。具体的には、主成分をＡｌとする電極パッドにＣｕを２〜１２％添加し、ビッカース硬度（Vickers hardness）値を７０〜１００としている。また、同文献には、電極パッドの硬度がＡｌパッドより高いため、Ｃｕワイヤのボンディング時に圧着部が剥離しないこと、電極パッドの下層に加わる衝撃が小さくなり絶縁膜にクラック等の損傷が発生しないことが記載されている。
【特許文献１】特開昭６４−３７０４４号公報
【特許文献２】特開平１−１８７８３２号公報
【非特許文献１】Hyoung-Joon Kim他８名、「Effects of Cu/Al Intermetallic Compound (IMC) on Copper Wire and Aluminum Pad Bondability」IEEE Transactions on Components and Packaging Technologies、Vol. 26、NO. 2、June、2003
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明者が上記特許文献１および２に記載の技術について検討したところ、高温で動作させた際の電極パッドとボンディングワイヤとの接合信頼性の点で、なおも改善の余地があることが明らかになった。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
そこで、本発明者は、高温での長時間動作における信頼性を向上させるべく検討を行った。その結果、封止樹脂中の少なくとも一部の領域に臭素（Ｂｒ）を含む樹脂組成物が使用されている構成から、Ｂｒを実質的に含まない構成とするとともに、電極パッドおよびボンディングワイヤ等の接続部材として、それぞれ特定の材料を選択することにより、高温動作時の信頼性を向上させることができることを見出し、本発明に至った。
【０００７】
本発明によれば、
半導体チップと、
前記半導体チップに設けられ、Ａｌを主成分としＣｕをさらに含む電極パッドと、
前記半導体チップの外部に設けられた接続端子と前記半導体チップとを接続するとともに、Ｃｕを主として含む接続部材と、
を備え、
前記接続部材と前記電極パッドとの接続領域に、ＡｌとＣｕの組成比が異なる複数のＣｕおよびＡｌの合金層が設けられ、
前記ＣｕおよびＡｌの合金層が、
ＣｕＡｌ2層と、
前記ＣｕＡｌ2層と前記接続部材との間に設けられるとともに前記ＣｕＡｌ2層よりもＡｌ組成比が相対的に低い層と、
を含み、
前記電極パッドと前記接続部材とが、実質的にハロゲンを含まない封止樹脂により封止された、半導体装置が提供される。
【０００８】
本発明の半導体装置においては、接続部材がＣｕを主として含み、電極パッドがＡｌを主成分としＣｕをさらに含み、さらに、封止樹脂が実質的にハロゲンを含まない構成となっている。そして、接続部材と電極パッドとの接続領域に、ＡｌとＣｕの組成比が異なる複数のＣｕＡｌ合金層が設けられているため、これらの相乗効果により、高温動作時の接続部材と電極パッドとの接合領域における不良の発生を抑制し、信頼性を安定的に向上させることができる。
また、接続部材の材料をＡｕとした場合に比べて、電気的特性を向上させ、また、製造コストを大幅に低減することができる。
また、ボンディングワイヤ以外の接続部材を用いた場合にも、接続部材と電極パッドとの接合領域における不良の発生を抑制できる。
【０００９】
本発明において、接続部材は、接続端子と半導体チップとを電気的に接続する部材であればよく、具体的には、ワイヤ、ボール、リボン状の接続部材等が挙げられる。
【００１０】
また、本明細書において、封止樹脂がハロゲンを実質的に含まないとは、封止樹脂を構成する組成物中の樹脂や、難燃剤等の添加剤のいずれも、ハロゲンが意図的に添加された構成でないことをいい、封止樹脂組成物の製造過程で不可避的に含まれるものは許容される。その場合にも、樹脂組成物中のハロゲン濃度は、各ハロゲン元素についてたとえば１０００ｐｐｍ以下、好ましくは１００ｐｐｍ以下である。
【００１１】
本明細書において、電極パッドがＡｌを主成分とするとは、たとえば電極パッド全体に対してＡｌを５０重量％以上含むことをいう。
また、本明細書において、接続部材がＣｕを主として含むとは、たとえば接続部材全体に対してＣｕを５０重量％以上含むことをいう。
【発明の効果】
【００１２】
以上説明したように、本発明によれば、高温動作時の接続部材と電極パッドとの接合領域の信頼性を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明の実施形態について、図面を用いて説明する。なお、すべての図面において、共通の構成要素には同じ符号を付し、適宜説明を省略する。また、以下においては、ボンディングパッドと半導体チップとを電気的に接続する接続部材がボンディングワイヤである場合を例に説明する。
【００１４】
まず、本発明の理解のために、課題を解決するための手段の項で記載した従来の半導体装置における高温動作時の故障メカニズムについて説明する。
【００１５】
図５は、検討に用いた半導体装置の構成を示す断面図である。図５に示した半導体装置２００は、シリコン基板（不図示）上に、配線層と層間絶縁膜等とが積層した多層膜（不図示）が設けられた構成である。多層膜（不図示）上の所定の位置に、Ａｌパッド２０７が設けられ、Ａｌパッド２０７の側面全面および上面の一部をポリイミド膜２０９が被覆している。ポリイミド膜２０９からの露出部においては、Ａｌパッド２０７の上面にＣｕワイヤ２１１が接続されている。Ａｌパッド２０７の接続部分であるＣｕワイヤ２１１の先端はＣｕボール２１３となっており、Ｃｕボール２１３とＡｌパッド２０７とが接合されている。ポリイミド膜２０９の上面全面に、臭素化エポキシ樹脂を含む樹脂組成物により構成される封止樹脂２１５が設けられ、Ａｌパッド２０７とＣｕボール２１３との接合部分が被覆されている。
【００１６】
図５に示した半導体装置２００について、高温保存時の接合不良の原因を検討した。
具体的には、複数の半導体装置２００を作製し、１７５℃で２３５０時間保存した。保存後、半導体装置２００を常温まで冷却して、Ａｌパッド２０７とＣｕボール２１３との接合部分のＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）観察を行った。また、保存中に、一部の半導体装置２００を取り出して常温まで冷却し、接合部分の様子を観察した。
【００１７】
図６〜図８は、Ａｌパッド２０７とＣｕワイヤ２１１先端に設けられたＣｕボール２１３との接合部２０５の構造を示す断面図である。図６（ａ）は、高温保存前の様子を示す図である。また、図６（ｂ）、図７（ａ）、図７（ｂ）、図８（ａ）の順に保存時間が長くなり、図８（ｂ）は、保存後の様子を示す図である。
【００１８】
図６（ａ）に示したように、高温保存前の初期的な接合部には、０．２μｍ程度のＣｕＡｌ合金層が形成されている。
これを高温で保存すると、接合部における相互拡散により、Ｃｕワイヤ２１１側からＡｌパッド２０７側に向かってＣｕリッチな層からＡｌリッチな層となる複数の合金層が形成され、Ｃｕ側すなわちＣｕボール２１３の底部にＣｕ3Ａｌ2が生成する（図６（ｂ））。また、封止樹脂２１５中の臭素化エポキシ樹脂に由来する臭素イオン（Ｂｒ-）がＣｕボール２１３の外周部から接合部に入り込む（図７（ａ））。Ｃｕ3Ａｌ2は、入り込んだＢｒ-による腐食を受け、臭化アルミニウムＡｌＢｒ3が形成される（図７（ｂ））。ＡｌＢｒ3が形成されることにより、合金層中のＣｕが押し出される結果、ＡｌＢｒ3の内部にＣｕが孤立して残存する領域が形成される（図８（ａ））。ＡｌＢｒ3は、高抵抗であるため、この高抵抗層の形成によりオープン不良が生じる原因となる（図８（ｂ））。また、ＡｌＢｒ3は、融点が９７．５℃と低いため、常温では体積が減少し、ＡｌＢｒ3層からボイドまたはクラックが生じる原因となる。
【００１９】
以上の解析結果から、Ｃｕワイヤ２１１と臭素化エポキシ樹脂を含む封止樹脂２１５を用いた半導体装置２００を高温保存すると不良が発生することが見出された。
そこで、以下、ＡｌＢｒ3の形成反応の進行およびそれに伴う不良の発生が抑制される装置構成の例を説明する。
【００２０】
（第一の実施形態）
図１は、本実施形態の半導体装置の構成を示す断面図である。また、図２は、図１の半導体装置１００の電極パッドとボンディングワイヤとが接合された領域の周辺の構成を拡大して示す断面図である。
【００２１】
図１および図２に示した半導体装置１００は、半導体チップ１０２、半導体チップ１０２に設けられ、Ａｌを主成分としＣｕをさらに含む電極パッド（ＡｌＣｕパッド１０７）、および、半導体チップ１０２の外部に設けられた接続端子（インナーリード１１７）と半導体チップ１０２とを接続するとともに、Ｃｕを主として含む接続部材であるワイヤ（ＣｕＰワイヤ１１１）を備える。ＣｕＰワイヤ１１１は、ＣｕおよびＰ（燐）から構成される。ＣｕＰワイヤ１１１の先端部はボール状のＣｕＰボール１１３となっている。ＡｌＣｕパッド１０７とＣｕＰワイヤ１１１とが、実質的にハロゲンを含まない封止樹脂１１５により封止されている。なお、本明細書において、構成元素がＡｌおよびＣｕである電極パッドを、単に「ＡｌＣｕパッド１０７」とも呼ぶ。また、構成元素がＣｕおよびＰであるワイヤおよびボールを、それぞれ単に「ＣｕＰワイヤ」および「ＣｕＰボール」とも呼ぶ。
【００２２】
また、半導体装置１００においては、リードフレーム１２１上に半導体チップ１０２が設けられ、これらが封止樹脂１１５により封止されている。リードフレーム１２１の側方にリードフレーム１１９が設けられている。リードフレーム１１９の一部はインナーリード１１７として封止樹脂１１５に封止されている。
【００２３】
半導体チップ１０２は、たとえばシリコン基板１０１上に縦型パワーＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field effect transistor、不図示）が形成され、その上に配線層と層間絶縁膜等とが積層した多層膜１０３が設けられた構成である。多層膜１０３上の所定の位置に、ＡｌＣｕパッド１０７が設けられ、ＡｌＣｕパッド１０７の側面全面および上面の一部をポリイミド膜１０９が被覆している。ポリイミド膜１０９に設けられた開口部において、ＡｌＣｕパッド１０７の上面が露出している。ＡｌＣｕパッド１０７の露出部とインナーリード１１７とが、ＣｕＰワイヤ１１１により電気的に接続されている。ＣｕＰワイヤ１１１の一方の端部はＣｕＰボール１１３となっており、ＣｕＰボール１１３とＡｌＣｕパッド１０７とが接合されている。ＣｕＰボール１１３とＡｌＣｕパッド１０７との接合領域においては、ＣｕＰボール１１３の底部にＣｕＡｌ合金層１０５が存在する（図２）。ＡｌＣｕパッド１０７とＣｕＰボール１１３との接合部分は封止樹脂１１５により被覆されている。
【００２４】
このような構成の半導体装置１００において、ＣｕＰワイヤ１１１およびＣｕＰボール１１３は、Ｃｕを主として含む導電材料、ここではＣｕＰにより構成される。ＣｕＰワイヤ１１１中のＰの含有量は、ＣｕＰワイヤ１１１全体に対してたとえば０．０１重量％以上とする。こうすることで、ワイヤボンディング時のＣｕ酸化物の形成をさらに効果的に抑制することができるため、接合部の抵抗の増加を抑制することができる。
また、ＣｕＰワイヤ１１１中のＰの含有量は、たとえば０．０３重量％以下とする。こうすることにより、ワイヤの導電性をさらに向上させることができる。ＣｕＰのさらに具体的な組成としては、Ｃｕ濃度が９９．９７重量％、Ｐ濃度が０．０３重量％（３００ｐｐｍ）であるＣｕＰからなる態様が挙げられる。
【００２５】
ＣｕＰワイヤ１１１のワイヤ径φは、ＡｌＣｕパッド１０７の大きさやＡｌＣｕパッド１０７の集積度等に応じて設定できる。具体的には、ＣｕＰワイヤ１１１のワイヤ径を２０μｍ以上７０μｍ以下とすることができる。２０μｍ以上とすることにより、ＡｌＣｕパッド１０７との接続信頼性をさらに向上させることができる。また、７０μｍ以下とすることにより、ＡｌＣｕパッド１０７の配置をさらに狭ピッチ化してＡｌＣｕパッド１０７とインナーリード１１７とをさらに高密度で接続することができる。
【００２６】
また、ＡｌＣｕパッド１０７との接合部において、ＣｕＰワイヤ１１１にＣｕＰボール１１３が形成されている。
図２に示したように、断面視において、ＣｕＰボール１１３に、該ボールの中心から外側に向かってボールの厚さが増加する肩部１３１が設けられている。
肩部１３１と水平面とのなす角は、たとえば４度以上８度以下である。この角が小さすぎると、接合時に、ＣｕＰワイヤ１１１をキャピラリで支持することが困難になる懸念がある。また、この角が大きすぎると、一つのＣｕＰワイヤ１１１がボンディングされる２箇所のボンディング箇所のうち、２箇所目をボンディングする際に、キャピラリがＣｕＰワイヤ１１１にめり込んでしまい、ＣｕＰワイヤ１１１が損傷する懸念がある。
また、ＡｌＣｕパッド１０７との接合部において、ＣｕＰボール１１３の底面はたとえば平坦面となっている。
【００２７】
ＡｌＣｕパッド１０７は、Ａｌを主成分とし、Ｃｕをさらに含む電極パッドの一例である。
ＡｌＣｕパッド１０７全体に対するＡｌの割合は、たとえば５０．０重量％以上９９．９重量％以下であり、Ｃｕの割合がたとえば０．１重量％以上１０．０重量％以下である。電極パッドの硬さを増し、ワイヤボンディング時の電極パッドの損傷を抑制する観点では、Ｃｕの割合をたとえば０．１重量％以上、好ましくは０．２重量％以上とする。また、膜応力の増加を抑制する観点では、Ｃｕの割合をたとえば１０．０重量％以下、好ましくは５．０重量％以下、さらに好ましくは３．０重量％以下とする。
なお、ＡｌＣｕパッド１０７がＡｌおよびＣｕからなる場合、ＡｌＣｕパッド１０７全体に対するＡｌの割合は、さらに具体的には９０．０重量％以上９９．９重量％以下である。
【００２８】
また、ＡｌＣｕパッド１０７中のＣｕ含量が低すぎると、ＡｌＣｕパッド１０７が柔らかすぎてボンディング時に下層に損傷を与えたり、初期の合金層の形成が不均一になり接合安定性が低下したりする懸念がある。一方、ＡｌＣｕパッド１０７中のＣｕ含量が高すぎると、ＡｌＣｕパッド１０７とＣｕＰワイヤ１１１との接合強度が低下する懸念がある。超音波ボンディングでは、超音波によりワイヤの金属とパッドの金属が擦り合わされ、それらの接合面で相対すべりが発生し、生成された新生面同士が密着することにより、異種金属間の凝着が活発に進行し、異種金属同士が接合される。ＡｌＣｕパッド１０７中のＣｕ含量が高くなるにつれて、ＡｌＣｕパッド１０７が硬くなり、ボンディング時に新生面が形成されにくくなるため、接合強度が低下する恐れがある。このため、接合強度と接合安定性のバランスの観点から、ＡｌＣｕパッド１０７中のＣｕ含量は、０．１重量％以上２重量％未満とすることが好ましく、０．２重量％以上１重量％以下とすることがさらに好ましい。
【００２９】
ＣｕＰワイヤ１１１が接続された領域におけるＡｌＣｕパッド１０７の厚さは、たとえば、ＣｕＰワイヤ１１１が接続されていない領域におけるＡｌＣｕパッド１０７の厚さの１／４以上、好ましくは１／２以上である。ＣｕＰワイヤ１１１が接続された領域におけるＡｌＣｕパッド１０７の厚さが小さすぎると、ＡｌＣｕパッド１０７の下層が劣化する懸念がある。なお、ＣｕＰワイヤ１１１が接続された領域におけるＡｌＣｕパッド１０７の厚さの上限に特に制限はなく、たとえばＣｕＰワイヤ１１１が接続されていない領域における厚さ以下である。
【００３０】
また、半導体装置１００は、ＡｌＣｕパッド１０７とＣｕＰボール１１３との接続領域に、ＣｕとＡｌとの合金層（ＣｕＡｌ合金層１０５）を有する。本明細書において、ＣｕおよびＡｌの合金層を、単に「ＣｕＡｌ合金層」とも呼ぶ。ＣｕＡｌ合金層は、ＣｕおよびＡｌの組成比が各種のものを含む。Ａｌは、ＡｌＣｕパッド１０７中に含まれる主成分の金属である。
また、ＡｌとＣｕとの合金層の面積が、ＡｌＣｕパッド１０７とＣｕＰワイヤ１１１との接続部分の面積の５０％以上を占める。
【００３１】
ＣｕＡｌ合金層１０５は、接合時の加熱によりＡｌＣｕパッド１０７中のＡｌとＣｕＰボール１１３中のＣｕとが拡散して生じた層状の領域であり、ＣｕとＡｌとを主として含む。ここで、ＣｕとＡｌとを主として含むとは、ＣｕＡｌ合金層１０５全体に対してＣｕの含有量とＡｌの含有量との合計が５０重量％より大きいことをいう。
【００３２】
図３は、ＣｕＡｌ合金層１０５の構成をさらに具体的に示す断面図である。図３に示したように、ＣｕＡｌ合金層１０５は、ＡｌとＣｕの組成比が異なる複数のＣｕおよびＡｌの合金層（ＣｕＡｌ合金層）からなる。複数のＣｕＡｌ合金層は、ＣｕＰボール１１３側からＡｌＣｕパッド１０７側に向かって、Ｃｕの組成比が相対的に減少し、Ａｌの組成比が相対的に増加する順で段階的に形成されている。つまり、ＣｕＡｌ合金層１０５には、ＣｕＰボール１１３側からＡｌＣｕパッド１０７側に向かってＣｕの組成比が相対的に減少しＡｌの組成比が相対的に増加するように、複数の合金層がグラデーション状に設けられている。
【００３３】
複数の合金層は、具体的には、ＣｕＡｌ2層と、ＣｕＡｌ2層とＣｕＰボール１１３との間に設けられるとともにＣｕＡｌ2層よりもＡｌ組成比が相対的に低い層とを含む。ＣｕＡｌ2層よりもＡｌ組成比の低い層は、たとえば、ＣｕとＡｌの組成物が１：１のＣｕＡｌ層と、ＣｕＡｌ層とＣｕＰボール１１３との間に設けられるとともにＣｕＡｌ層よりもＡｌ組成比が相対的に低い層とを含む。
【００３４】
図３の例では、図中上からＣｕＰボール１１３（Ｃｕ層）から、Ｃｕ9Ａｌ4またはＣｕ3Ａｌ2層、ＣｕＡｌ層、ＣｕＡｌ2層、ＡｌＣｕパッド１０７（Ａｌ層）の順に積層されている。
このように、ＣｕＡｌ合金層１０５は、たとえばＣｕとＡｌの金属間化合物から構成された層であり、たとえばＣｕＡｌ2層を含む。また、ＣｕＡｌ合金層１０５が、さらにＣｕＡｌ層と、Ｃｕ9Ａｌ4層またはＣｕ3Ａｌ2層とを含んでもよい。
【００３５】
ＣｕＡｌ合金層１０５を構成する各層の厚さに特に制限はないが、たとえば２００〜３００ｎｍ程度である。また、図３に示したように、ＣｕＡｌ合金層１０５を構成する各層の界面が凹凸面であってもよい。また、平面視において凹凸面が接合領域の面内全体にわたって形成されていてもよい。
【００３６】
なお、図２および図３においては、ＣｕＡｌ合金層１０５が、ＣｕＰボール１１３の底部に明確に出現している構成を例示したが、半導体装置１００は、加熱によりＣｕＰボール１１３の少なくとも一部にＣｕＡｌ合金層１０５が明確に出現するような構成であればよく、使用前の半導体装置１００においては、ＣｕＡｌ合金層１０５が必ずしも明確な層状になっていなくてもよい。使用前の半導体装置１００中において、ＣｕＡｌ合金層１０５が明確な層状となっていない場合にも、半導体装置１００が使用されて、ＣｕＰボール１１３とＡｌＣｕパッド１０７との接続領域の近傍が加熱されると、ＣｕＡｌ合金層１０５がより一層明確に出現する。
【００３７】
封止樹脂１１５は、実質的にハロゲンを含まない。さらに具体的には、封止樹脂１１５は、ハロゲンおよびアンチモンを実質的に含まない樹脂組成物により構成される耐熱性の樹脂である。封止樹脂１１５中に不可避的に含まれるハロゲンの濃度は、各ハロゲン元素についてたとえば１０００ｐｐｍ以下、好ましくは１００ｐｐｍ以下である。また、封止樹脂１１５中のハロゲン濃度の合計についても、たとえば１０００ｐｐｍ以下であり、１００ｐｐｍ以下であることが好ましい。
また、封止樹脂１１５中の樹脂は、分子骨格中にハロゲン基を実質的に含まない高分子化合物からなる。たとえば封止樹脂１１５中の樹脂は、分子骨格中にＢｒ基を実質的に含まない高分子化合物からなる。封止樹脂１１５は、一種類の樹脂を含んでもよいし、複数種類の樹脂を含んでいてもよい。
さらに、封止樹脂１１５は、樹脂以外の成分、たとえば難燃剤等の添加剤中にもハロゲン化物を含まない。
【００３８】
このような樹脂組成物として、具体的には、金属水和物等の代替難燃剤使用樹脂を含む樹脂組成物；
樹脂組成物全体に対して溶融球状シリカ等の充填剤をたとえば８０重量％以上、好ましくは８５重量％以上含む高フィラー充填樹脂組成物；ならびに
フェノール系樹脂、エポキシ樹脂等の難燃性骨格を有する高分子化合物を含む樹脂組成物；
が挙げられる。これらは単独で用いてもよいし、複数組み合わせて用いてもよい。
【００３９】
金属水和物として、さらに具体的には、水酸化アルミニウムや水酸化マグネシウム等が挙げられる。その他の代替難燃剤として、さらに具体的には、無機リンや有機リン系化合物が挙げられる。また、金属水和物と分子骨格中にハロゲン基を実質的に含まない高分子化合物とを組み合わせて用いてもよい。
【００４０】
難燃性骨格を有する高分子化合物のうち、難燃性骨格を有するフェノール系樹脂としては、たとえば、分子中にビフェニル誘導体またはナフタレン誘導体を含むノボラック構造のフェノール系樹脂が挙げられる。さらに具体的には、
フェノールビフェニレンアラルキル型樹脂、フェノールフェニレンアラルキル型樹脂、フェノールジフェニルエーテルアラルキル型樹脂等のフェノールアラルキル型樹脂；
ビスフェノールフルオレン含有フェノールノボラック型樹脂；
ビスフェノールＳ含有フェノールノボラック型樹脂；
ビスフェノールＦ含有フェノールノボラック型樹脂；
ビスフェノールＡ含有フェノールノボラック型樹脂；
ナフタレン含有フェノールノボラック型樹脂；
アントラセン含有フェノールノボラック型樹脂；
フルオレン含有フェノールノボラック型樹脂；および
縮合多環芳香族型フェノール系樹脂；
が挙げられる。これらは単独で用いてもよいし、複数組み合わせて用いてもよい。
【００４１】
また、難燃性骨格を有するエポキシ樹脂としては、たとえば、分子中にビフェニル誘導体またはナフタレン誘導体を含むノボラック構造のエポキシ樹脂が挙げられる。さらに具体的には、
フェノールビフェニレンアラルキル型エポキシ樹脂、フェノールフェニレンアラルキル型エポキシ樹脂、フェノールジフェニルエーテルアラルキル型エポキシ樹脂等のフェノールアラルキル型エポキシ樹脂；
ビスフェノールフルオレン含有ノボラック型エポキシ樹脂；
ビスフェノールＳ含有ノボラック型エポキシ樹脂；
ビスフェノールＦ含有ノボラック型エポキシ樹脂；
ビスフェノールＡ含有ノボラック型エポキシ樹脂；
ナフタレン含有ノボラック型エポキシ樹脂；
アントラセン含有ノボラック型エポキシ樹脂；
フルオレン含有ノボラック型エポキシ樹脂；および
縮合多環芳香族型エポキシ樹脂；
が挙げられる。これらは単独で用いてもよいし、複数組み合わせて用いてもよい。
【００４２】
なお、難燃性骨格を有する高分子化合物を含む樹脂組成物を用いることにより、代替難燃剤が添加された樹脂組成物を用いる場合に比べて、封止樹脂１１５と被封止部材との密着性をより一層向上させることができるため、たとえばＡｌＣｕパッド１０７の面積が比較的大きい場合にもより一層好適に用いることができる。
【００４３】
次に、半導体装置１００の製造方法を説明する。
まず、シリコン基板１０１上に、配線層および層間絶縁膜等が積層した多層膜１０３を形成する。次に、多層膜１０３上の所定の位置にＡｌＣｕパッド１０７をスパッタリング法により形成する。ＡｌＣｕパッド１０７の膜厚は、たとえば２．５μｍ以上とする。つづいて、塗布法により、ＡｌＣｕパッド１０７を覆うようにポリイミド膜１０９を形成する。つづいて、ポリイミド膜１０９をパターニングして開口部を設け、ＡｌＣｕパッド１０７の一部を露出させる。こうして、半導体チップ１０２が得られる。
【００４４】
得られた半導体チップ１０２をリードフレーム１２１上に設置し、ＡｌＣｕパッド１０７とインナーリード１１７とをＣｕＰワイヤ１１１によりワイヤボンディングする。ＣｕＰボール１１３はこのとき形成される。
【００４５】
このとき、ＣｕＰワイヤ１１１を支持するキャピラリとして、端部が傾斜したものを用いる。キャピラリの傾斜角は、肩部１３１の形状に応じて選択されるが、たとえば４度以上８度以下とする。これにより、ＣｕＰボール１１３の肩部１３１が、ＣｕＰボール１１３の中心から外側に向かってＡｌＣｕパッド１０７の上面から遠ざかる形状に形成される。
【００４６】
また、ボンディングは、ガラスチャンバ等のチャンバ内で行う。チャンバ内の雰囲気は、たとえば水素ガス（Ｈ2）５体積％、窒素ガス（Ｎ2）９５体積％とする。ボンディングワイヤの材料をＣｕＰとし、上記雰囲気中でボンディングを行うことにより、ボンディング時の酸化を抑制し、また酸化する場合にもＣｕＰワイヤ１１１中のＰが優先的に酸化されるため、Ｃｕ酸化物の形成を防ぎ、接合部の抵抗上昇を抑制できる。
【００４７】
また、ボンディングは、たとえば以下の手順で行う。
ステップ１１：ＣｕＰワイヤ１１１の先端に所定の径のＣｕＰボール１１３を形成する、
ステップ１２：ＣｕＰボール１１３をＡｌＣｕパッド１０７上面に対して実質的に垂直に降下させる、
ステップ１３：ＣｕＰボール１１３がＡｌＣｕパッド１０７に接触した後、ＣｕＰボール１１３に付加する荷重をステップ１２より減らし、超音波振動を与える。
【００４８】
以上の手順中、ステップ１２では、ＣｕＰボール１１３がキャピラリの先端の形状に沿って変形して肩部１３１が形成される。また、底部がＡｌＣｕパッド１０７に接触して平坦な接合面が形成される。ステップ１２において、さらに具体的にはＣｕＰボール１１３に超音波振動を与えずに、たとえば４００ｇから１Ｋｇ程度の大荷重を０．１ｍｓｅｃから１０ｍｓｅｃ程度の時間印加して、ＡｌＣｕパッド１０７の上部に向かってＣｕＰボール１１３を垂直方向に降下させる。これにより、ＣｕＰボール１１３とＡｌＣｕパッド１０７とが接触した際に、ＡｌＣｕパッド１０７の接触部が沈み込みすぎてパッドの厚さが薄くなりすぎたり下層の素子が劣化したりしないようにすることができる。また、ＣｕＰボール１１３の底面を平坦面として、接合面積を充分に確保することができる。
【００４９】
また、ステップ１３では、ＣｕＰボール１１３に与える荷重を、たとえばステップ１２の１／５程度に減少させるとともに、超音波振動を与える。なお、ステップ１３における荷重印加時間は、たとえば０．５ｍｓｅｃから２０ｍｓｅｃ程度とする。ＣｕＰボール１１３に荷重を加えつつ超音波振動を与えることにより、ＡｌＣｕパッド１０７の上面に自然酸化膜が形成されている場合にも、自然酸化膜を除去して新生面を生じさせ、ＣｕＰボール１１３を新生面に接触させることができる。よって、ＣｕＰボール１１３とＡｌＣｕパッド１０７との接合信頼性を向上させることができる。また、ステップ１２よりも荷重を減らして超音波振動を与えることにより、ＣｕＰボール１１３によってＡｌＣｕパッド１０７が押しのけられることを抑制し、ＣｕＰボール１１３が接続された領域のＡｌＣｕパッド１０７の厚さが、ＣｕＰボール１１３が接続されていない領域のＡｌＣｕパッド１０７の厚さの１／４以上となるようにしている。ステップ１２で新生面が形成されており、荷重を減らしても十分な接合強度が得られるばかりでなく、ＡｌＣｕパッド１０７の厚さが十分確保されているので、接合面であるＣｕＡｌ合金層１０５が不均一な厚さになりにくい。したがって、均質なＣｕＡｌ合金層１０５が形成でき、接合信頼性を向上できる。また、荷重を減らすことにより、下層の素子へのダメージも抑制できる。
【００５０】
その後、リードフレーム１２１、半導体チップ１０２、ＣｕＰワイヤ１１１およびインナーリード１１７を封止樹脂１１５で封止する。以上の手順により、図１および図２に示した半導体装置１００が得られる。なお、得られた半導体装置１００中には、図２に示したＣｕＡｌ合金層１０５が存在するが、その後、半導体装置１００を使用することにより、ＣｕＡｌ合金層１０５がより一層明確に現れる。
【００５１】
次に、半導体装置１００の効果を説明する。
図１および図２に示した半導体装置１００においては、ＡｌＣｕパッド１０７にＣｕＰワイヤ１１１が接合され、接合部分に、ＡｌＣｕパッド１０７側からＣｕＰボール１１３側に向かってＣｕＡｌ2層およびＣｕＡｌ2層よりもＡｌ組成比が相対的に低い層がこの順に形成されている。このため、接合初期に接合領域に合金層が安定的に形成され、高温動作時の合金層の過度の成長が抑制されるとともに、高温動作時の接続信頼性に優れた構成となっている。この効果は、ＣｕＡｌ合金層１０５が組成の異なる３つ以上の層を含み、ＡｌＣｕパッド１０７側からＣｕＰボール１１３側に向かってＡｌ組成比が減少するようにこれらの層が配置された構成において顕著に発揮される。
【００５２】
さらに、半導体装置１００では、接続部分がハロゲンフリーの封止樹脂１１５により封止されている。このため、ＣｕＡｌ合金層１０５が封止樹脂１１５中のハロゲンにより腐食されることが抑制されるため、ＣｕＡｌ合金層１０５の腐食によるボイドの成長および高抵抗層の成長を抑制することができる。よって、半導体装置１００は、ハロゲンを含む樹脂組成物により構成される封止樹脂を用いることが前提となっていた従来の構成に対して顕著に高温長時間動作時の接続信頼性に優れた構成となっている。
【００５３】
図６から図８を参照して前述したように、電極パッドとボンディングワイヤとの接続不良は、ＡｌＢｒ3の形成反応等により生じると考えられるが、半導体装置１００においては、電極パッド、ワイヤおよび封止樹脂としてそれぞれ特定の材料を選択して用いるとともに、電極パッドとワイヤとの接合部が複数の合金層が特定の順で配置された構成となっている。このため、これらの相乗効果により、ＣｕＰワイヤ１１１の径によらず、高温動作時の接合信頼性を安定的に向上させることができる。この効果は、ＡｌＣｕパッド１０７中のＣｕ含量を２重量％未満としたときにより一層顕著に発揮される。
また、半導体装置１００は、動作温度が向上した構成となっている。また、半導体装置１００においては、高温動作時などに接合領域の一部にクラックが生じた場合にも、クラックの伝播によりオープン不良が生じることを抑制できる。
【００５４】
また、半導体装置１００においては、電極パッドが、ＡｌおよびＣｕを必須成分として含む。このため、ＡｕまたはＡｕ合金よりも硬い、Ｃｕを主成分とするボンディングワイヤと接合する場合にも、接合時に電極パッドの接合領域が過度に薄化してしまうことを抑制できるため、製造歩留まりに優れた構成とすることができる。
【００５５】
また、半導体装置１００においては、ボンディングワイヤがＣｕを主成分とするため、Ａｕワイヤを用いる場合に比べて、ワイヤの体積抵抗率をたとえば３０％程度低減することができる。このため、ボンディングワイヤの導電性を向上させることができる。また、Ａｕワイヤを用いる場合に比べて、高温保存時の金属間化合物の形成およびカーケンダルボイドの形成を抑制し、信頼性を向上させることができる。また、Ａｕワイヤを用いる場合に比べて、材料費をたとえば５０〜９０％程度低減させることができるため、装置の製造コストを大幅に削減できる。
【００５６】
また、ボンディングワイヤがＰを含むため、ボンディングワイヤがＣｕを主として含む場合にも、ボンディング時のＣｕ酸化物の形成が効果的に抑制される。よって、接合部における抵抗の増加を抑制し、導電性を向上させることができる。このため、たとえばＡｕワイヤを用いる場合に比べてワイヤの断面積を３０％程度減少させることもできる。また、Ｃｕのみからなるワイヤを用いる場合よりもワイヤの硬度を低下させることができるため、ボンディングの容易性を高めることができる。
【００５７】
また、ＣｕＰボール１１３が、ボールの中心から外側に向かってせりあがった肩部１３１を有し、また、ボールの中心から外側に向かって厚くなる断面形状を有するため、ボンディング時の製造歩留まりをより一層向上させることができる。
【００５８】
以下の実施形態においては、第一の実施形態と異なる点を中心に説明する。
（第二の実施形態）
第一の実施形態においては、電極パッドとインナーリードとがボンディングワイヤにより接続される構成の場合を例に説明したが、一方が電極パッドに接続されたボンディングワイヤの他端に接続される外部接続用端子の構成は、インナーリードである場合には限られず、他の部材とすることもできる。たとえば、半導体チップの電極パッドからプリント配線基板上に設けられた配線にワイヤボンディングされていてもよい。
【００５９】
図４は、このような構成の半導体装置の構成を示す断面図である。図４に示した半導体装置１１０の基本構成は図１に示した半導体装置１００の構成と同様であるが、リードフレーム１２１およびリードフレーム１１９に代えて、ＢＧＡ基板１２９が設けられている点が異なる。
【００６０】
ＢＧＡ基板１２９は、半導体チップ１０２が設置されるプリント配線基板１２３と、プリント配線基板１２３の所定の位置に設けられた配線１２５と、プリント配線基板１２３のチップ搭載面の裏面に設けられた複数のバンプ１２７とを有する。ＣｕＰワイヤ１１１は、ＡｌＣｕパッド１０７と配線１２５とに接続されている。プリント配線基板１２３のチップ搭載領域全体が封止樹脂１１５により封止されている。
【００６１】
図４に示した半導体装置１１０においても、ＡｌＣｕパッド１０７とＣｕＰワイヤ１１１とを接続するとともに、ハロゲンを含まない難燃性の封止樹脂１１５が用いられるため、図１に示した半導体装置１００と同様の効果が得られる。
【００６２】
以上、図面を参照して本発明の実施形態について述べたが、これらは本発明の例示であり、上記以外の様々な構成を採用することもできる。
【００６３】
たとえば、以上の実施形態においては、電極パッドの材料がＡｌおよびＣｕである場合を例に説明したが、電極パッドは、Ａｌを主成分としＣｕをさらに含む材料であればこれには限られず、ＡｌＳｉＣｕ等のＡｌを主成分としＳｉおよびＣｕをさらに含む金属としてもよい。さらに具体的には、電極パッドの材料が、Ａｌ９８．５重量％、Ｓｉ１．０重量％およびＣｕ０．５重量％からなるＡｌＳｉＣｕであってもよい。
【００６４】
また、以上の実施形態においては、ＡｌＣｕパッド１０７に接続されるボンディングワイヤの材料が、ＣｕＰである場合を例に説明したが、ボンディングワイヤの材料は、Ｃｕを主として含むものであればこれには限られない。たとえば、ボンディングワイヤはＰを含まない材料により構成されていてもよい。
【００６５】
また、以上の実施形態においては、ＡｌＣｕパッド１０７上にポリイミド膜１０９が設けられた構成の半導体装置の場合を例に説明したが、ポリイミド膜１０９が設けられていない構成とすることもできる。
また、以上の実施形態において、ＡｌＣｕパッド１０７の下層をなすバリア層をさらに設けてもよい。バリア層の具体例としては、ＴｉＮ層、ＴｉＮ層（パッド側）／Ｔｉ層（基板側）、ＷＳｉ層、ＭｏＳｉ層、ＴｉＳｉ層が挙げられる。
【００６６】
また、本発明の技術は、エポキシ樹脂等の樹脂により封止される種々の半導体パッケージに適用可能であり、ＢＧＡのパッケージ等、以上の実施形態に挙げた構成には限られないことはもちろんである。
【００６７】
また、以上の実施形態においては、ボンディングパッドと半導体チップ中の導電部材とを接続する導電性の接続部材がボンディングワイヤである場合を例に説明したが、他に、ボールやリボン状の接続部材を用いることもできる。
【実施例】
【００６８】
（実施例１）
本実施例では、ＡｌおよびＣｕを含む電極パッド（ＡｌＣｕパッド）に、ＣｕおよびＰを含むワイヤ（ＣｕＰワイヤ）を接合し、高温保存した際の接合部の構造を解析した。電極パッドおよびワイヤの組成、ボンディング条件ならびに高温保存条件を以下に示す。
電極パッド：Ａｌ９９．５重量％、Ｃｕ０．５重量％
ワイヤ：Ｃｕ９９．９重量％、Ｐ０．１重量％、直径５０μｍ
ボンディング条件：２００℃、荷重１００〜６００ｇ
保存条件：１７５℃、１０００時間
【００６９】
図９（ａ）は、保存後の接合部の構成を示す断面図であり、図９（ｂ）は、図９（ａ）中の四角枠内の拡大断面図である。また、図１０は、図９（ｂ）の四角枠内をさらに拡大して示す断面図である。図９（ａ）および図９（ｂ）より、電極パッドとワイヤとの間に、１．２μｍ程度の接合層が一様に形成されている。また、接合部における電極パッドの厚さは接合前より薄化しているものの、接合部全体にわたって電極パッドが残存している。
【００７０】
また、図１０より、接合層は、少なくとも３層（図１０中のＢ層〜Ｄ層）から主に構成されていることがわかる。そこで、図１０中のＡ層〜Ｄ層の組成をＸ線回折により求めた。図１１（ａ）〜図１１（ｄ）は、それぞれ、Ａ層〜Ｄ層の分析結果を示す図である。図１９に示したＡｌ−Ｃｕ合金の状態図（非特許文献１より）を参照すると、図１１（ａ）〜図１１（ｄ）より、各層の組成は、それぞれ以下のとおりであった。
Ａ層：ＡｌＯｘ
Ｂ層：Ｃｕ9Ａｌ4またはＣｕ3Ａｌ2
Ｃ層：ＣｕＡｌ
Ｄ層：ＣｕＡｌ2
【００７１】
一方、図９（ｃ）は、Ａｕワイヤ（直径５０μｍ）をＡｌ−Ｓｉ−Ｃｕパッド（Ａｌ９８．５重量％Ｓｉ１重量％、Ｃｕ０．５重量％）に接合し、１７５℃で５００時間高温保存した後の接合部の様子を示す図である。図９（ｃ）および図９（ａ）より、Ｃｕを主成分とするワイヤおよびＡｌＣｕパッドを用いることにより、接合部における合金層の成長および合金成長に伴うボイドの発生をより効果的に抑制できることがわかる。
【００７２】
（実施例２）
本実施例では、ＣｕＰワイヤとともに用いる電極パッドの材料が接合初期の合金層の形成状態に与える影響を評価した。
ワイヤとして、実施例１で用いた組成のＣｕＰワイヤを用いた。また、電極パッドとして、実施例１で用いた組成のＡｌＣｕパッドまたはＡｌＳｉパッド（Ａｌ９９重量％、Ｓｉ１重量％）を用いた。
【００７３】
図１２（ａ）は、ＡｌＳｉパッドを用いた試料の接合直後の接合部の構成を示す断面図であり、図１２（ｂ）は、ＡｌＣｕパッドを用いた試料の接合直後の接合部の構成を示す断面図である。
図１２（ａ）より、ＡｌＳｉパッドを用いた試料では、接合直後において、接合領域内に合金層が充分に形成されていない領域が存在する。これに対し、ＡｌＣｕパッドを用いた試料では、図１２（ｂ）より、接合領域全体に合金層が形成されている。
【００７４】
（実施例３）
本実施例では、ＣｕＰワイヤとともに用いる電極パッドの材料が接合部の構造および高温保存耐性に与える影響を評価した。
ワイヤとして、実施例１で用いた組成のＣｕＰワイヤを用い、電極パッド材料の異なる以下の試料を作製した。
試料１：ＡｌＳｉＣｕパッド（Ａｌ９８．５重量％、Ｓｉ１重量％、Ｃｕ０．５重量％）
試料２：ＡｌＣｕパッド（Ａｌ９９．５重量％、Ｃｕ０．５重量％）
試料３：ＡｌＳｉパッド（Ａｌ９９重量％、Ｓｉ１重量％）
【００７５】
図１３は、試料１〜３の接合直後の構成を示す図である。なお、図１３には、接合強度に対応する接合部のシェア強度の測定結果を会わせて示した。シェア強度の測定方法は、パッド面から、２〜６μｍ上空を、金属のツールで横方向に力を加えて、せん断強度を測定する方法とした。
【００７６】
図１３より、構成元素としてＣｕを含む電極パッドを用いた場合（試料１、２）には、接合領域全体に電極パッドが残存しているのに対し、Ｃｕを含まないＡｌＳｉパッドを用いた場合（試料３）、ボールの過度のくいこみにより、電極パッドが残存しない領域が形成されてしまうことがわかる。
【００７７】
また、試料１〜３をそれぞれ１５個ずつ作製し、王水剥離により電極パッド下の様子を確認したところ、試料３では１５個中２個に剥離が生じていたが、試料１および２では１５個いずれも剥離は生じていなかった。
【００７８】
次に、試料１および２をＢｒフリー樹脂で封止し、２００℃保存した際のトランジスタオン時の電気抵抗の変動率を測定した。あわせて、試料１および２に対応する電極パッドおよびワイヤを用い、Ｂｒを含む樹脂で封止したもの（試料４および５）についても、上記測定を行った。測定結果を図１４に示す。
【００７９】
図１４より、Ｃｕを含む電極パッドを用い、Ｂｒフリー樹脂で封止することにより、２００℃の高温で動作させた際にも、トランジスタオン時の電気抵抗の変動率の上昇を長期間にわたって抑制することができる。
【００８０】
なお、図１５（ａ）は、試料５の１７５℃、２３５０時間保存後の接合部の構成を示す図であり、図１５（ｂ）は、図１５（ａ）の四角枠内を拡大して示す図である。図１６および図１７は、図１５（ｂ）中のＰｏｉｎｔ１〜ｐｏｉｎｔ６についてエネルギー分散型Ｘ線分光法（Energy Dispersive X-ray Spectroscopy：ＥＤＳ）により測定されたスペクトルを示す図である。
図１５〜図１７より、Ｂｒを含む樹脂を用いた場合、接合部中にＢｒ腐食層（ＡｌＢｒ3層）が形成されていることがわかる。また、ＣｕとＡｌの合金からＣｕが押し出されてＡｌＢｒ3層中に残存している。
【００８１】
（実施例４）
本実施例では、封止樹脂材料の影響を評価した。電極パッドおよびワイヤとして、いずれも実施例１で前述したＡｌＣｕパッドおよびＣｕＰワイヤを用いた。ワイヤを電極パッドに接合した後、Ｂｒ入り樹脂またはＢｒフリー樹脂で封止して、１７５℃で７００時間保存した。
【００８２】
図１８（ａ）は、Ｂｒ入り樹脂で封止した試料の保存後の構成を示す断面図であり、図１８（ｂ）は、Ｂｒフリー樹脂で封止した試料の保存後の構成を示す断面図である。
図１８（ａ）および図１８（ｂ）より、Ｂｒ入り樹脂で封止した試料においては、接合領域中に腐食部が形成されているのに対し、Ｂｒフリー樹脂で封止した試料では、腐食が生じていないことがわかる。
【００８３】
実施例１〜４より、Ｃｕを含むＡｌパッドおよびＣｕを含むワイヤの接合領域に組成の異なる複数の合金層を形成し、Ｂｒレスの難燃性樹脂で封止することにより、接合領域全体にわたって初期合金層が均質に形成されるとともに高温保存中の合金層の過度の成長およびＢｒによる腐食を抑制することができるため、高温動作時の接続信頼性を著しく向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【００８４】
【図１】実施形態における半導体装置の構成を示す断面図である。
【図２】図１の半導体装置の一部を拡大して示す断面図である。
【図３】実施形態における半導体装置の電極パッドとボンディングパッドの接合部周辺の構成を示す断面図である。
【図４】実施形態における半導体装置の構成を示す断面図である。
【図５】実施形態における半導体装置の構成を示す断面図である。
【図６】図５に示した半導体装置の接合部の構成を示す断面図である。
【図７】図５に示した半導体装置の接合部の構成を示す断面図である。
【図８】図５に示した半導体装置の接合部の構成を示す断面図である。
【図９】実施例における電極パッドとワイヤとの接合部の構成を示す断面図である。
【図１０】実施例における電極パッドとワイヤとの接合部の構成を示す断面図である。
【図１１】実施例における電極パッドとワイヤとの接合層の分析結果を示す図である。
【図１２】実施例における電極パッドとワイヤとの接合部の構成を示す断面図である。
【図１３】実施例における電極パッドとワイヤとの接合部の構成を示す図である。
【図１４】実施例における電極パッドとワイヤとの接合部の高温保存試験結果を示す図である。
【図１５】実施例における電極パッドとワイヤとの接合部の構成を示す断面図である。
【図１６】実施例における電極パッドとワイヤとの接合層の分析結果を示す図である。
【図１７】実施例における電極パッドとワイヤとの接合層の分析結果を示す図である。
【図１８】実施例における電極パッドとワイヤとの接合部の構成を示す断面図である。
【図１９】Ａｌ−Ｃｕ合金の状態図である。
【符号の説明】
【００８５】
１００ 半導体装置
１０１ シリコン基板
１０２ 半導体チップ
１０３ 多層膜
１０５ ＣｕＡｌ合金層
１０７ ＡｌＣｕパッド
１０９ ポリイミド膜
１１０ 半導体装置
１１１ ＣｕＰワイヤ
１１３ ＣｕＰボール
１１５ 封止樹脂
１１７ インナーリード
１１９ リードフレーム
１２１ リードフレーム
１２３ プリント配線基板
１２５ 配線
１２７ バンプ
１２９ ＢＧＡ基板
１３１ 肩部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体チップと、
前記半導体チップに設けられ、Ａｌを主成分としＣｕをさらに含む電極パッドと、
前記半導体チップの外部に設けられた接続端子と前記半導体チップとを接続するとともに、Ｃｕを主として含む接続部材と、
を備え、
前記接続部材と前記電極パッドとの接続領域に、ＡｌとＣｕの組成比が異なる複数のＣｕおよびＡｌの合金層が設けられ、
前記ＣｕおよびＡｌの合金層が、
ＣｕＡｌ2層と、
前記ＣｕＡｌ2層と前記接続部材との間に設けられるとともに前記ＣｕＡｌ2層よりもＡｌ組成比が相対的に低い層と、
を含み、
前記電極パッドと前記接続部材とが、実質的にハロゲンを含まない封止樹脂により封止された、半導体装置。
【請求項２】
請求項１に記載の半導体装置において、ＣｕＡｌ2層よりもＡｌ組成比の低い前記層が、
ＣｕとＡｌの組成物が１：１のＣｕＡｌ層と、
前記ＣｕＡｌ層と前記接続部材との間に設けられるとともに前記ＣｕＡｌ層よりもＡｌ組成比が相対的に低い層と、
を含む、半導体装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の半導体装置において、前記電極パッド全体に対するＡｌの割合が５０．０重量％以上９９．９重量％以下であり、前記電極パッド全体に対するＣｕの割合が０．１重量％以上５．０重量％以下である、半導体装置。
【請求項４】
請求項１乃至３いずれかに記載の半導体装置において、前記電極パッドが、構成元素としてさらにＳｉを含む、半導体装置。
【請求項５】
請求項１乃至４いずれかに記載の半導体装置において、前記接続部材が、構成元素としてさらにＰを含む、半導体装置。
【請求項６】
請求項１乃至５いずれかに記載の半導体装置において、前記封止樹脂中の樹脂が、分子骨格中にＢｒ基を実質的に含まない高分子化合物からなる、半導体装置。
【請求項７】
請求項１乃至６いずれかに記載の半導体装置において、前記封止樹脂が、金属水和物を含む、半導体装置。
【請求項８】
請求項１乃至７いずれかに記載の半導体装置において、前記接続部材が接続された領域における前記電極パッドの厚さが、前記接続部材が接続されていない領域における前記電極パッドの厚さの１／４以上である、半導体装置。
【請求項９】
請求項１乃至８いずれかに記載の半導体装置において、
前記接続部材がワイヤであって、
前記電極パッドとの接合部において前記ワイヤにボールが形成されており、
断面視において、前記ボールに、該ボールの中心から外側に向かって前記ボールの厚さが増加する肩部が設けられた、半導体装置。
【請求項１】
半導体チップと、
前記半導体チップに設けられ、Ａｌを主成分としＣｕをさらに含む電極パッドと、
前記半導体チップの外部に設けられた接続端子と前記半導体チップとを接続するとともに、Ｃｕを主として含む接続部材と、
を備え、
前記接続部材と前記電極パッドとの接続領域に、ＡｌとＣｕの組成比が異なる複数のＣｕおよびＡｌの合金層が設けられ、
前記ＣｕおよびＡｌの合金層が、
ＣｕＡｌ2層と、
前記ＣｕＡｌ2層と前記接続部材との間に設けられるとともに前記ＣｕＡｌ2層よりもＡｌ組成比が相対的に低い層と、
を含み、
前記電極パッドと前記接続部材とが、実質的にハロゲンを含まない封止樹脂により封止された、半導体装置。
【請求項２】
請求項１に記載の半導体装置において、ＣｕＡｌ2層よりもＡｌ組成比の低い前記層が、
ＣｕとＡｌの組成物が１：１のＣｕＡｌ層と、
前記ＣｕＡｌ層と前記接続部材との間に設けられるとともに前記ＣｕＡｌ層よりもＡｌ組成比が相対的に低い層と、
を含む、半導体装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の半導体装置において、前記電極パッド全体に対するＡｌの割合が５０．０重量％以上９９．９重量％以下であり、前記電極パッド全体に対するＣｕの割合が０．１重量％以上５．０重量％以下である、半導体装置。
【請求項４】
請求項１乃至３いずれかに記載の半導体装置において、前記電極パッドが、構成元素としてさらにＳｉを含む、半導体装置。
【請求項５】
請求項１乃至４いずれかに記載の半導体装置において、前記接続部材が、構成元素としてさらにＰを含む、半導体装置。
【請求項６】
請求項１乃至５いずれかに記載の半導体装置において、前記封止樹脂中の樹脂が、分子骨格中にＢｒ基を実質的に含まない高分子化合物からなる、半導体装置。
【請求項７】
請求項１乃至６いずれかに記載の半導体装置において、前記封止樹脂が、金属水和物を含む、半導体装置。
【請求項８】
請求項１乃至７いずれかに記載の半導体装置において、前記接続部材が接続された領域における前記電極パッドの厚さが、前記接続部材が接続されていない領域における前記電極パッドの厚さの１／４以上である、半導体装置。
【請求項９】
請求項１乃至８いずれかに記載の半導体装置において、
前記接続部材がワイヤであって、
前記電極パッドとの接合部において前記ワイヤにボールが形成されており、
断面視において、前記ボールに、該ボールの中心から外側に向かって前記ボールの厚さが増加する肩部が設けられた、半導体装置。
【図１】
【図２】
【図４】
【図５】
【図１１】
【図１４】
【図１６】
【図１７】
【図１９】
【図３】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１２】
【図１３】
【図１５】
【図１８】
【図２】
【図４】
【図５】
【図１１】
【図１４】
【図１６】
【図１７】
【図１９】
【図３】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１２】
【図１３】
【図１５】
【図１８】
【公開番号】特開２００９−１７７１０４（Ｐ２００９−１７７１０４Ａ）
【公開日】平成２１年８月６日（２００９．８．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−２８８３９（Ｐ２００８−２８８３９）
【出願日】平成２０年２月８日（２００８．２．８）
【出願人】（３０２０６２９３１）ＮＥＣエレクトロニクス株式会社 (8,021)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年８月６日（２００９．８．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年２月８日（２００８．２．８）
【出願人】（３０２０６２９３１）ＮＥＣエレクトロニクス株式会社 (8,021)
【Ｆターム（参考）】
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