JP2010062362A - 半導体装置とその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 電極にボンディングワイヤを接合する際に電極にクラックが発生しても、半導体装置を正常に動作させることができる技術を提供する。
【解決手段】 半導体基板２０の表面２１に面的に拡がっている電極１０と、その電極１０の表面１１に接合しているボンディングワイヤＷを備えており、その電極１０は、半導体基板２０に形成されている半導体素子の電極であり、その電極１０には、ボンディングワイヤＷが接合している接合範囲Ｓ１，Ｓ２に、スリット１２〜１５が形成されている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、半導体基板の表面に面的に拡がっている半導体素子の電極と、その電極の表面に接合しているボンディングワイヤを備えている半導体装置に関する。

この種の半導体装置では、通常、超音波接合によって半導体素子の電極の表面にボンディングワイヤが接合されている（例えば、特許文献１）。超音波接合では、電極の表面に載置したボンディングワイヤに接合ツールを当接させて押圧し、接合ツールを超音波振動させる。これにより、電極の表面とボンディングワイヤが接合される。

特開２００５−２８６００９号公報

図１９に示すように、超音波接合によってボンディングワイヤＷと電極１１０の表面を接合すると、ボンディングワイヤＷが接合している箇所で電極１１０にクラックＣが発生することがある。クラックＣは電極１１０の表面１１１から深さ方向に進展して電極１１０を貫通することがある。クラックＣが電極１１０を貫通すると、半導体基板１２０に形成されている半導体構造が破損し、半導体装置１０１が動作不能に陥る虞がある。
本発明は、電極にボンディングワイヤを接合する際に電極にクラックが発生しても、半導体装置が破損することを抑制することができる技術を提供する。

本明細書で開示される半導体装置は、半導体基板の表面に面的に拡がっている電極と、その電極の表面に接合しているボンディングワイヤを備えている。その電極は、半導体基板に形成されている半導体素子の電極である。その電極の表面には、ボンディングワイヤが接合している接合範囲にスリットが形成されている。

上記した半導体装置では、電極の表面のうちボンディングワイヤが接合する範囲にスリットが形成されている。このため、電極の表面とボンディングワイヤを接合する際に、接合箇所にクラックが発生したとしても、そのクラックがスリットまで進展した時点でその進展を抑制することができる。これによって、クラックが電極を貫通することを防止することができる。上記した半導体装置によると、たとえクラックが発生したとしても、半導体基板に形成されている半導体構造が破損してしまうことを抑制することができる。

上記したスリットの深さは、電極の厚みよりも小さいことが好ましい。
この構成によると、スリットの深さが浅くてすむため、簡易にスリットを形成することができる。

上記した半導体装置の製造方法は、半導体基板の表面に面的に拡がっている電極の表面にスリットを形成する工程を備えている。また、電極の表面のうちスリットが形成された位置に、ボンディングワイヤを接合する工程を備えている。これによって、上記した半導体装置を好適に製造することができる。

本発明によると、電極にボンディングワイヤを接合する際に電極にクラックが発生してもクラックが電極を貫通することを防止することができる。

（１）半導体素子の少なくとも１つの電極において、ボンディングワイヤが接合している表面と同一の表面にスリットが形成されている。ボンディングワイヤが接合している電極は、半導体素子の一つの素子側電極（例えば、ソース電極、ドレイン電極）として機能している。
（２）スリットは、接合範囲の外側に向けて接合範囲を超えて伸びていてもよい。スリットは、接合範囲以外の範囲に形成されていてもよい。
（３）ボンディングワイヤ接合時にスリットが電極の表面に形成されていればよく、ボンディングワイヤ接合後にワイヤの材料等によってスリットの少なくとも一部が埋まっていてもよいし、スリットが潰れていてもよい。すなわち、ボンディングワイヤ接合時に、クラックの進展を防止することができればよい。
（４）ボンディングワイヤは、電極の表面に超音波接合される。
（５）スリットの最深部は、電極の裏面（半導体基板の表面）に達していない。
（６）スリットは電極を貫通していない。
（７）電極の表面にボンディングワイヤを接合する際に、スリットを形成した全範囲にボンディングワイヤを接合しなくてもよい。すなわち、スリットが接合範囲以外にも形成されていてよい。

最初に、以下に説明する実施例の主要な特徴を列記する。
（第１特徴） スリット形成工程では、接合工程でボンディングワイヤを接合する接合範囲のうち、接合ツールの加振方向（ボンディングワイヤの延伸方向）における接合端近傍（端部）にスリットを形成する。
接合工程では、半導体基板を固定した状態で、電極表面の接合範囲に載置したボンディングワイヤに接合ツールを当接して押圧し、接合ツールを超音波振動させ、電極表面の接合範囲にボンディングワイヤを超音波接合する（図２、図７）。
半導体基板を固定しているので、接合ツールが振動する振幅は、ボンディングワイヤを介して振動が伝播して電極の表面が振動する振幅よりも大きい。この振幅の差により、ボンディングワイヤと電極表面との接合範囲に大きな応力が発生する。特に、接合範囲のうち、接合ツールの加振方向における接合端には大きな応力が発生し、この接合端にクラックが発生し易い。接合端近傍（端部）にスリットを形成しておくことにより、接合工程で発生したクラックが電極を貫通するに至るまで進展することを防止することができる。
（第２特徴） 第１特徴の製造方法であり、スリット形成工程では、接合工程でボンディングワイヤを接合する接合範囲のうち、接合ツールの加振方向（ボンディングワイヤの延伸方向）と交差する方向に伸びるスリットを形成する。
接合端近傍で発生して接合ツールの加振方向に進展するクラックがさらに進展することをスリットによって効果的に抑制することができる。
（第３特徴） 第２特徴の製造方法において、スリット形成工程では、接合工程で接合ツールを振動させる方向（ボンディングワイヤの延伸方向）と交差する方向に、接合範囲の内側から外側に向けて接合範囲を超えて伸びるスリットを形成する。
接合範囲の外側にまでスリットが伸びているので、接合端から接合範囲の外側に進展するクラックが、電極を貫通するに至るまで進展することを防止することができる。

図１に半導体装置１の要部断面図を示す。図２に半導体装置１の要部を上面視した図を示す。半導体装置１は、半導体基板２０と電極１０の積層構造を備えている。半導体基板２０には半導体素子（図示していない）の半導体構造が形成されている。
電極１０は、半導体基板２０の表面２１に面的に拡がっている。電極１０は、半導体基板２０に形成されている半導体素子の電極（例えば、ソース電極）である。電極１０の材料にはアルミニウム等の金属が用いられている。電極１０の厚みは５μｍ程度である。
電極１０の表面１１のうち、接合範囲Ｓ１と接合範囲Ｓ２には、ボンディングワイヤＷが接合されている。ボンディングワイヤＷには、径が数百μｍ程度の金属部材が用いられている。径が太いボンディングワイヤＷを用いると、ボンディングワイヤＷに大きい電流を流すことができる。

図１に示すように、電極１０は、スリット１２〜１５を備えている。スリット１２〜１５の深さは、電極１０の厚みよりも小さく、３μｍ程度である。すなわち、スリット１２〜１５は電極１０を貫通していない。接合範囲Ｓ１，Ｓ２にボンディングワイヤＷを接合する前には、スリット１２〜１５は、その上端の幅と下端の幅が略同一となっている（すなわち、スリット１２〜１５をｘ方向に伸びる面で切断したときの形状が長方形となる）。スリット１２〜１５の各々の幅は１μｍ程度である。スリット１２〜１５は、接合範囲Ｓ１，Ｓ２にボンディングワイヤＷを接合した後は、ボンディングワイヤＷの材料等によって埋まっていてもよいし、潰れていてもよい。スリットの形状のまま残っていてもよい。

図１と図２に示すように、スリット１２とスリット１３は、接合範囲Ｓ１のうち、ボンディングワイヤＷの延伸方向であるｘ方向（後述する接合ツールＴの加振方向と同一）における接合端Ｓ１２，Ｓ１３近傍に形成されている。スリット１２は、ボンディングワイヤＷの接合端Ｓ１２よりも距離Ｌ１だけ接合範囲Ｓ１の内側に形成されている。スリット１３は、ボンディングワイヤＷの接合端Ｓ１３よりも距離Ｌ１だけ接合範囲Ｓ１の内側に形成されている。スリット１２とスリット１３は、ｘ方向と直交する方向（図２のｙ方向）に伸びており、その両端が接合範囲Ｓ１から距離Ｌ２だけ突出して伸びている。

スリット１４とスリット１５は、接合範囲Ｓ２のうち、ｘ方向における接合端Ｓ１４，Ｓ１５の近傍に形成されている。スリット１４は、ボンディングワイヤＷの接合端Ｓ１４よりも距離Ｌ１だけ接合範囲Ｓ２の内側に形成されている。スリット１５は、ボンディングワイヤＷの接合端Ｓ１５よりも距離Ｌ１だけ接合範囲Ｓ２の内側に形成されている。スリット１４とスリット１５は、その両端が接合範囲Ｓ２からｙ方向に距離Ｌ２だけ突出して伸びている。
接合範囲Ｓ１，Ｓ２は、ボンディングワイヤＷと電極１０の表面１１とが接合する範囲であり、後述する接合ツールＴ（図７参照）がボンディングワイヤＷに当接する面と略同じ寸法となる。例えば、ボンディングワイヤＷの径が４００μｍの場合には、接合範囲Ｓ１，Ｓ２のｘ方向の長さは８００μｍ程度であり、ｙ方向の長さは６００μｍ程度である。上記した距離Ｌ１は５０μｍ程度であり、距離Ｌ２は５０μｍ程度である。したがって、スリット１２のｙ方向の長さは７００μｍ程度である。スリット１３，１４，１５もスリット１２と同様の形状である。

図３から図７を参照しながら、半導体装置１の製造方法のうちの特徴のある工程を説明する。
図３に示すように、半導体基板２０に半導体素子の半導体構造を形成した後に、スパッタ法等を用い、半導体基板２０の表面２１にアルミニウム等の金属膜を形成する。形成した金属膜が半導体素子の電極１０となる。
次に、図４に示すように、電極１０の表面１１にレジストＭを形成してパターンニングする。レジストＭには、スリットを形成する位置に開口が形成される。
次に、図５に示すように、レジストＭの開口から電極１０をエッチングする。エッチングする量は、電極１０が貫通しない深さ（３μｍ程度）までである。これにより、スリット１２〜１５が形成される。
次に、図６に示すように、レジストＭを除去する。
次に、図７に示すように、半導体基板２０を固定した状態で、電極１０の表面１１に載置したボンディングワイヤＷに接合ツールＴを当接する。接合ツールＴを当接する位置は接合範囲Ｓ２である。次いで、接合ツールＴを電極１０に向かって押付ける。ボンディングワイヤＷが接合ツールＴと電極１０の表面１１に挟まれて表面１１方向に押圧される。この状態で接合ツールＴをｘ方向に超音波振動させる。これにより、表面１１の接合範囲Ｓ２にボンディングワイヤＷが接合する。次に、接合範囲Ｓ１にボンディングワイヤＷを超音波接合する。本実施例では、超音波振動の加振方向（ｘ方向）が、ボンディングワイヤＷの延伸方向（ｘ方向）と一致している。

図７に示すように、接合ツールＴを超音波振動させるときに、接合ツールＴが振動する振幅をＡ１とする。図８に、接合端Ｓ１２近傍の拡大図を示す。
接合ツールＴを超音波振動させることによってボンディングワイヤＷを介して接合ツールＴの振動が伝播し、電極１０の表面１１側が振幅Ａ２で振動する。半導体基板２０は固定されているので振幅Ａ２よりも振幅Ａ１の方が大きい。この振幅差により、特に接合端Ｓ１２に大きいストレスがかかり、接合端Ｓ１２近傍の表面１１からクラックＣが発生し易い。クラックＣは、接合端Ｓ１２から内側（接合範囲Ｓ１の内側）に向かう方向で、かつ、電極１０の深さ方向に進展し易い。ｙ方向に関しては、図９に示すように、クラックＣを上面視すると、接合範囲Ｓ１から外側に向かって進展していることもある。

本実施例の半導体装置１では、電極１０にスリット１２が形成されている。図８に示すように、接合端Ｓ１２近傍の表面１１からクラックＣが発生しても、クラックＣがスリット１２まで進展した時点でクラックＣの進展が停止する。このため、クラックＣが電極１０を貫通することを防止することができる。半導体装置１によると、電極１０の表面１１にボンディングワイヤＷを接合する時にクラックＣが発生したとしても、半導体基板２０に形成されている半導体構造が破損することを防止することができる。

（変形例１）
上述した実施例では、スリット１２，１３が、接合範囲Ｓ１において、接合ツールＴの加振方向（ｘ方向）と直交するとともに、加振方向と直交する方向（ｙ方向）に平行に伸びている場合について説明した（図２参照）。しかしながら、図１０に示すスリット１２ａ，１３ａのように、ｙ方向に対して角度を成して伸びていてもよい。スリット１２ａ，１３ａも、ボンディングワイヤＷの接合範囲の接合端近傍（ｘ方向の接合端近傍）の内側に形成されており、ｙ方向についてはその接合範囲を超えて伸びている。

（変形例２）
また、図１１に示すように上面視すると、スリット１２ｂ，１３ｂが屈曲していてもよい。スリット１２ｂ，１３ｂは、上面視すると、中央部で互いが最も近接し、両端部で互いが離間するように屈曲している。スリット１２ｂ，１３ｂも、ｘ方向についてはボンディングワイヤＷの接合範囲の接合端近傍の内側に形成されており、ｙ方向についてはその接合範囲を超えて伸びている。

（変形例３）
また、図１２に示すスリット群１２ｃ，１３ｃのように、各々のスリット群１２ｃ，１３ｃがｙ方向に伸びる複数個のスリットによって形成されていてもよい。スリット群１２ｃ，１３ｃも、ｘ方向についてはボンディングワイヤＷの接合範囲の接合端近傍の内側に形成されており、ｙ方向についてはその接合範囲を超えて伸びている。
スリット群１２ｃ，１３ｃが複数個のスリットによって構成されていることにより、接合端近傍から様々な方向に進展するクラックＣが、電極１０を貫通するに至るまで進展することを効果的に防止することができる。また、スリット群１２ｃ，１３ｃでは、隣接するスリット列の間において、スリットの切れ目がずれている。これにより、複数個のスリットを備えていても、ボンディングワイヤＷと電極１０の表面との接合の信頼性を維持することができる。

（変形例４）
また、図１３に示すように上面視すると、スリット１２ｄが略四角形の閉ループを形成していてもよい。スリット１２ｄのうちｙ方向に伸びている領域は、ボンディングワイヤＷの接合範囲の接合端近傍の内側に形成されている。また、ｙ方向について伸びている領域は、接合範囲の外側に向けてその接合範囲を超えて伸びている。

（変形例５）
また、図１４に示すように上面視すると、スリット１２ｅが略楕円形の閉ループを形成していてもよい。スリット１２ｅのうちｙ方向に伸びている領域は、ボンディングワイヤＷの接合範囲の接合端近傍の内側に形成されている。また、ｙ方向について伸びている領域は、接合範囲の外側に向けてその接合範囲を超えて伸びている。

（変形例６）
また、図１５に示すように上面視すると、スリット１２ｆ，１３ｆが複数箇所で屈曲していてもよい。スリット１２ｆ，１３ｆは、上面視すると同じ形状である。スリット１２ｆ，１３ｆも、ボンディングワイヤＷの接合範囲の接合端近傍の内側に形成されており、ｙ方向についてはその接合範囲を超えて伸びている。

（変形例７）
上述した実施例では、ボンディングワイヤＷを接合する前のスリットが、上端の幅と下端の幅が同一となる場合（断面視すると長方形状となる場合）について説明した（図６参照）。しかしながら、図１６に示す半導体装置１ｇのスリット１２ｇのように、断面視すると三角形状であってもよい。また、図１７に示す半導体装置１ｈのスリット１２ｈのように、断面視すると半円形の孔であってもよい。

（変形例８）
上述した実施例では、スリット１２〜１５が接合範囲Ｓ１，Ｓ２にのみ形成されている場合について説明した。しかしながら、図１８に示す半導体装置１ｊのように、接合範囲以外にもスリット１２ｊが形成されていてもよい。

径が太いボンディングワイヤＷや幅広のボンディングワイヤＷを用いる場合には、特に超音波接合時に接合端近傍にクラックＣが発生する率が高い。電極１０にスリット１２〜１５を形成することが有用である。ボンディングワイヤが細いワイヤであっても、接合端近傍にクラックＣが発生する場合がある。本実施例のように電極にスリットを形成する技術を適用することによって、たとえクラックＣが発生したとしても、クラックＣが電極１０を貫通するに至るまで進展することを防止することができる。

本実施例では、接合ツールＴの加振方向（ｘ方向）がボンディングワイヤＷの延伸方向（ｘ方向）と一致する場合について説明したが、接合ツールＴの加振方向はボンディングワイヤＷの延伸方向と一致していなくてもよい。この場合には、接合ツールＴの加振方向の接合端近傍の内側にスリットを形成する。例えば、接合ツールＴの加振方向がｙ方向（ボンディングワイヤＷの延伸方向と直交する方向）である場合には、接合範囲Ｓ１のうち、ｙ方向における接合端の内側に、ｘ方向（ボンディングワイヤＷの延伸方向）に伸びるスリットを形成することが好ましい。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組み合わせによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組み合わせに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

半導体装置１の要部を示す断面図である。 半導体装置１の要部を上面視した図である。 半導体装置１の製造工程を示す。 半導体装置１の製造工程を示す。 半導体装置１の製造工程を示す。 半導体装置１の製造工程を示す。 半導体装置１の製造工程を示す。 接合端Ｓ１２にクラックＣが発生している様子を示す。 接合端Ｓ１２にクラックＣが発生している様子を示す。 変形例１のスリット１２ａ，１３ａを示す。 変形例２のスリット１２ｂ，１３ｂを示す。 変形例３のスリット群１２ｃ，１３ｃを示す。 変形例４のスリット１２ｄを示す。 変形例５のスリット１２ｅを示す。 変形例６のスリット１２ｆ，１３ｆを示す。 変形例７のスリット１２ｇを示す。 変形例８のスリット１２ｈを示す。 変形例９のスリット１２ｊを示す。 従来の電極１１０とボンディングワイヤＷを超音波接合した状態を示す。

符号の説明

１：半導体装置
１０：電極
１１：表面
１２，１３，１４，１５：スリット
２０：半導体基板
２１：表面
Ａ１，Ａ２：振幅
Ｃ：クラック
Ｍ：レジスト
Ｓ１，Ｓ２：接合範囲
Ｓ１２，Ｓ１３，Ｓ１４，Ｓ１５：接合端
Ｔ：接合ツール
Ｗ：ボンディングワイヤ

Claims (3)

1. 半導体基板の表面に面的に拡がっている電極と、
   その電極の表面に接合しているボンディングワイヤを備えており、
   その電極は、半導体基板に形成されている半導体素子の電極であり、
   その電極の表面には、ボンディングワイヤが接合している接合範囲にスリットが形成されていることを特徴とする半導体装置。
2. スリットの深さが電極の厚みよりも小さいことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
3. 請求項１に記載の半導体装置の製造方法であり、
   半導体基板の表面に面的に拡がっている電極の表面にスリットを形成する工程と、
   電極の表面のうちスリットが形成された位置に、ボンディングワイヤを接合する工程と、
   を備えていることを特徴とする製造方法。

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