專利名稱：半導體器件及其制造方法
相關申請的交叉參考本申請要求2003年3月31日申請的日本專利申請JP 2003-093421的優(yōu)先權，由此其內容作為參考引入到本申請中。
背景技術：
本發(fā)明涉及半導體器件及其制造方法。特別是，本發(fā)明涉及能有效地應用于一種半導體器件的技術，在該半導體器件中半導體芯片和布線基板借助金屬線連接在一起。
為了使IC(集成電路)芯片起作用，需要將電信號輸入和輸出部分引出到外部。要滿足該要求，現已知一種封裝方法，其中使用金線(接合線)將IC芯片(半導體芯片)上的接合焊盤和形成在布線基板上用于外部連接的端子連接在一起，此后用樹脂密封IC芯片和金線。
在這種封裝方法中，重要的是確保金線和接合焊盤之間足夠的接合(bonding)強度。
例如，在專利文獻1(日本待審專利公開No.平8(1996)-127828)中，公開了一種技術，其中為了甚至在減小接合區(qū)域(接合直徑)的情況下得到預定的切變強度，使用含有高純度的金和Pd(鈀)或Pt(鉑)的主合金形成細線。
在專利文獻2(日本待審專利公開No.平7(1995)-335686)中，公開了一種技術，其中具有99.995％或更高純度的金用做金的合金細線的材料，該合金線用于線接合，并且金屬如Ca或Be引入其內以提高楊氏模量，此外，除了銀和銅之外，在需要處引入Pd或Pt，以提高接合強度。
發(fā)明概述本發(fā)明人從事于半導體器件的研究和開發(fā)，并采用了使用以上金線和樹脂的半導體器件安裝方法。
例如，金線的一端熔化并利用超聲波熱壓接合(第一次接合)到接合焊盤上，接合焊盤為Al膜(Al布線)上的露出部分，而Al膜為IC芯片的頂層，由此將IC芯片與金線接合。利用超聲波將金線的另一端熱壓接合(第二次接合)到形成在布線基板上的外部連接端子上。此外，用例如樹脂密封IC芯片和金線，以完成封裝。
在這種封裝方法中，Al和Au的合金形成在接合焊盤中，由此Al膜和金線的頂端(球部分)連接在一起。
另一方面，隨著近來LSI(大規(guī)模集成電路)的多功能的趨勢，不僅接合焊盤(管腳)的數量增加，而且它們的間距變窄，每個接合焊盤的面積趨于減小。為了將金線連接到小面積的接合焊盤，需要使用更細的金線。
隨著LSI的微型化，有時存在需要使作為頂層形成的Al膜變薄的情況。相反，存在應使頂部Al膜形成得較厚以便得到低阻電源布線的情況。
而且，為了防止其上安裝有芯片的布線基板的應變，或者使用樹脂基板(例如，基于玻璃纖維的環(huán)氧樹脂基板或聚酰亞胺樹脂膜)作為布線基板時，需要降低接合溫度以防止由線接合期間的熱量造成脫氣。
本發(fā)明人進行了研究以滿足以上提到的各種要求。由此，在PCT(壓力鍋蒸煮試驗)中發(fā)生線斷裂，這在下面更詳細地介紹。
本發(fā)明的一個目的是提高接合焊盤部分和球部分之間的粘附力。
本發(fā)明的另一目的是通過提高接合焊盤部分和球部分之間的粘附力提高半導體器件的可靠性。本發(fā)明的另一目的是提高半導體器件的制造成品率。
從下面說明和附圖中，本發(fā)明的以上目的和新穎特點將變得很顯然。
以下為這里公開的本發(fā)明的典型方式的簡要描述。
根據本發(fā)明的半導體器件，包括(a)半導體芯片，在它的主表面上形成有多個第一電極焊盤，第一電極焊盤為含有鋁(Al)作為主要成分的金屬膜的露出區(qū)域，(b)布線基板，在其上安裝有半導體芯片并且具有形成在其主表面上的多個第二電極焊盤，以及(c)將第一和第二電極焊盤相互連接的導電線，導電線含有金(Au)作為主要成分并且包括形成在第一電極焊盤上的球部分、形成在第二電極焊盤上的接合部分以及將球部分和接合部分相互連接的線部分，球部分通過Al和Au的合金層接合到第一電極焊盤，其中(d)導電線中含有鈀(Pd)，以及(e)相鄰第一電極焊盤的中心位置之間的距離短于65μm。每一個球部分的最大外形的直徑設置得小于55μm。每個線部分的直徑設置為不大于25μm。金屬膜的厚度可以設置為不小于1000nm。此外，金屬膜的厚度可以設置為不大于400nm。
根據本發(fā)明的半導體器件的制造方法，包括以下步驟(a)提供布線基板，在它的主表面上形成有多個第二電極焊盤，(b)將半導體芯片安裝在布線基板上，在半導體芯片的主表面上具有多個第一電極焊盤，第一電極焊盤為含有鋁(Al)作為主要成分的金屬膜的露出區(qū)域，(c)通過含有金(Au)作為主要成分的導電線將第一電極焊盤和第二電極焊盤相互連接，步驟(c)包括以下步驟(c1)在第一電極焊盤上熔化導電線的一端并將所得熔化的球接合到第一電極焊盤，(c2)將導電線的另一端接合到第二電極焊盤，以及(c3)由此形成具有形成在第一電極焊盤上的球部分、形成在第二電極焊盤上的接合部分以及將球部分和接合部分相互連接的線部分的導電線，球部分通過Al和Au的合金層接合到第一電極焊盤，其中(d)導電線中含有鈀(Pd)，以及(e)在半導體芯片的主表面的溫度不高于200℃的狀態(tài)中進行步驟(c)。
附圖簡介

圖1為根據本發(fā)明第一實施例的半導體器件的主要部分的平面圖；圖2為根據本發(fā)明第一實施例的半導體器件的主要部分的剖面圖3為根據本發(fā)明第一實施例的半導體器件中形成在半導體芯片上的電極焊盤及它的周圍區(qū)域的局部放大圖(剖面圖)；圖4為主要部分的平面圖，示出了形成在根據本發(fā)明第一實施例的半導體芯片上的電極焊盤及它的周圍區(qū)域；圖5是在根據本發(fā)明第一實施例的半導體器件中另一電極焊盤的形狀的平面圖；圖6為在根據本發(fā)明第一實施例的半導體器件中形成在布線基板上的電極焊盤及它的周圍區(qū)域的放大圖(剖面圖)；圖7為主要部分的平面圖，示出了在根據本發(fā)明第一實施例的布線基板上形成的電極焊盤及它的周圍區(qū)域；圖8為基板的主要部分的平面圖，示出了用于根據本發(fā)明第一實施例的半導體器件的制造步驟；圖9為基板的主要部分的平面圖，示出了用于根據本發(fā)明第一實施例的半導體器件的制造步驟；圖10為基板的主要部分的剖面圖，示出了用于根據本發(fā)明第一實施例的半導體器件的制造步驟；圖11為基板的主要部分的剖面圖，示出了用于根據本發(fā)明第一實施例的半導體器件的制造步驟；圖12示出了在用于根據本發(fā)明第一實施例的半導體器件的制造步驟中使用的毛細管運動的剖面圖；圖13為基板的主要部分的平面圖，示出了用于根據本發(fā)明第一實施例的半導體器件的制造步驟；圖14為基板的主要部分的剖面圖，示出了用于半導體器件的制造步驟；圖15為基板的主要部分的剖面圖，示出了用于根據本發(fā)明第一實施例的半導體器件的制造步驟；圖16示出了用于介紹第一實施例效果的半導體器件的主要部分的剖面圖；圖17示出了用于介紹第一實施例效果的半導體器件的主要部分的剖面圖18示出了根據本發(fā)明第一實施例的半導體器件剛接合之后和PCT之后在半導體芯片上電極焊盤及它的周圍區(qū)域的局部放大圖(剖面圖)；圖19為在本發(fā)明的第二實施例中電極焊盤及周圍區(qū)域的局部放大圖(剖面圖)，其中使用不含有Pd的金線；圖20為根據本發(fā)明第二實施例的半導體器件剛接合之后和PCT之后在半導體芯片上的電極焊盤及它的周圍區(qū)域的局部放大圖(剖面圖)；圖21為在本發(fā)明的第三實施例中電極焊盤及周圍區(qū)域的局部放大圖，其中使用不含有Pd的金線(剖面圖)；圖22示出了根據本發(fā)明第三實施例的半導體芯片剛接合之后和PCT之后在半導體芯片上的電極焊盤及它的周圍區(qū)域的局部放大圖(剖面圖)；圖23為電極焊盤及它周圍區(qū)域的局部放大圖(剖面圖)，示出了低接合溫度的情況；以及圖24為電極焊盤及它周圍區(qū)域的局部放大圖(剖面圖)，示出了高接合溫度的情況。
優(yōu)選實施例的詳細說明下面結合附圖詳細地介紹本發(fā)明的優(yōu)選實施例。在用于介紹各實施例的所有附圖中，相同的符號用于表示相同的部分，并且省略了對相同部分的重復的介紹。
(第一實施例)下面參考圖1和2介紹根據第一實施例的半導體器件，其中圖1為半導體器件的主要部分的平面圖2，圖2為對應于例如圖1中沿線A-A截取的剖面圖。
如圖1和2所示，半導體芯片3安裝在布線基板1上。
布線基板1包括芯部分以及它的表面和背面。在布線基板1的表面上，形成有多個電極焊盤5，除電極焊盤5之外的其它區(qū)域覆蓋有絕緣膜(保護膜)。在背面上形成有電極焊盤7，在電極焊盤7上存在例如焊料形成的突點電極9。除電極焊盤7之外的區(qū)域也覆蓋有絕緣膜(保護膜)。
芯部分具有多個樹脂基板的疊置結構，在每個基板的一個表面上形成有例如銅布線。突點電極9和電極焊盤5通過形成在疊置層上的布線以及進一步通過層間過孔(結合處)連接在一起。
構成芯部分的樹脂基板為高彈性樹脂基板，包括例如用環(huán)氧樹脂浸漬的玻璃纖維。這種基板或具有這種基板的布線基板稱作基于玻璃纖維的環(huán)氧樹脂基板。例如使用雙液態(tài)堿性顯影阻焊油墨或熱固型單液態(tài)阻焊油墨，在布線基板1表面或背面形成保護膜。電極焊盤5和7為例如Cu形成的布線的露出部分。
布線基板1為例如13mm×13mm的方形，電極焊盤5沿基板的每個邊形成兩行。如此形成兩行的電極焊盤5排列成鋸齒形。突點電極9(電極焊盤7)一個區(qū)域挨一個區(qū)域地排列在布線基板1的背面上。
將半導體芯片安裝到母板時，布線基板1起插入物(interposer)的作用。
使用粘接劑11將半導體芯片3固定到布線基板1上。半導體芯片3具有半導體元件、絕緣膜以及形成在半導體基板上的布線，在表面(元件形成面)上，形成有多個電極焊盤(也稱作“接合焊盤”或僅稱作“焊盤”)13。電極焊盤為例如鋁(Al)形成的頂層布線(金屬膜)的露出區(qū)域。頂層布線的膜厚度例如大約為2000nm。除電極焊盤13之外的其它區(qū)域覆蓋有如氧化硅膜和氮化硅膜的疊層的無機絕緣膜或如聚酰亞胺樹脂膜的有機絕緣膜。作為頂層布線的材料，可以使用Al合金。
半導體芯片3為例如5mm×5mm的方形，電極焊盤13沿半導體芯片的每個邊形成。各電極焊盤13的間距例如約為50μm。這里提到的間距表示相鄰電極焊盤13的中心位置之間的距離P1。
布線基板1上的電極焊盤5和半導體芯片3上的電極焊盤13通過由如金(Au)的導電材料形成的線(下文稱作“金線”)相互電連接。
每個金線15包含99.99％(4N)的金和引入其中的Pd(鈀)。Pd的濃度約為1wt.％(重量百分比)，金的濃度約99％。
通過釘頭焊接進行電極焊盤5和13之間的連接(第一接合)。該接合步驟包括使金線穿過稱作毛細管的線接合工具，毛細管具有用于穿過金線的中央孔，然后借助電焊槍或類似物熔化金線的頂端，使它成為球形，將球的頂端放置在半導體芯片上相關的電極焊盤13上，通過毛細管將一定的負荷施加到球，并使局部熱溶斷產生以進行接合。在接合期間，超聲波施加到毛細管。
該接合法稱作釘頭焊接是由于它看起來象在倒置的釘子的頭部進行接合。
此后，金線15被拖到相關的電極焊盤5上，并利用超聲波熱熔合到電極焊盤上，此后被切斷(第二次接合)。在接合步驟期間，通過熱塊持續(xù)加熱半導體芯片3和布線基板1。對于接合步驟，下面結合制造步驟將進行更詳細的介紹。
由此，金線15包括設置在相關電極焊盤13上的球部分15a、形成在相關的第二電極焊盤上的接合部分(加壓接合部分)15b以及用于連接球部分15a和接合部分15b的線部分15c(參見圖3和6)。
圖3為半導體芯片3上電極焊盤13及它的周圍部分的局部放大圖(剖面圖)，圖4為主要部分的平面圖。圖3對應于沿圖4中的線B-B截取的截面。在圖3中，M表示頂層布線，該露出部分作為電極焊盤13。頂層布線M的寬度約45μm。數字12a和12b的每一個表示絕緣膜，其中12b為例如氧化硅膜和氮化硅膜的疊層膜。
如圖4所示，電極焊盤13的每一個為短邊長度約為40μm的矩形。雖然在本實施例中由于第一接合位置以鋸齒形的方式排列而將每個電極焊盤13形成矩形，但是每個電極焊盤13的形狀例如可以是圖5所示約40μm見方的方形。
如上所述，電極焊盤13的間距約50μm。為了在以如此窄間距排列的精細電極焊盤13上進行接合，使用了具有約20μm直徑的精細金線1。
更具體地，在每個金線15中，線部分的直徑約20μm，球部分的最大直徑約40μm(在本例中為36μm)。
如以后將介紹的，Al和Au的合金層形成在球部分1a和電極焊盤13的接合部分中，通過Al-Au合金層形成接合。
圖6為布線基板上電極焊盤5及它的周圍部分的局部放大圖(剖面圖)，圖7為主要部分的平面圖。圖6對應于圖7中沿線C-C中截取的截面。電極焊盤5包括銅膜5a、Ni膜5b以及Au鍍膜5c。Au鍍膜5c接合到金線15，金線的接合部分(加壓接合部分)用15b表示。數字6表示阻焊油墨。
由此，由于在本實施例中使用了含Pd的金線，因此可以確保精細的電極焊盤13和球部分(加壓接合部分)15a之間需要的接合強度。即使金線(線部分15c)的直徑變小并且球部分15a的最大直徑變小，也可以確保接合強度。
由于金線中的Pd含量約1wt.％，對Au鍍膜5c和金線15(接合部分15b)之間的接合面積沒有影響，并且可以確保需要的接合強度。例如，圖7中的接合面積等于使用無Pd金線的接合面積。Pd含量不限于1wt.％，但優(yōu)選在0.5到1.5wt.％的范圍中。
如圖2所示，用模制樹脂17密封半導體芯片和金線15。例如，模制樹脂17為熱固性絕緣環(huán)氧樹脂，為了減小應力，在其內添加，例如酚醛固化劑、硅酮橡膠以及填料(例如，硅石)。為了密封半導體芯片3等，使用后面將介紹的轉移模塑法。
接下來，參考圖8到18介紹用于根據本實施例的半導體器件的制造方法，其中圖8到11以及圖13到15為基板的主要部分的平面圖或剖面圖，示出了半導體器件的制造步驟。
如圖8所示，提供一種多個相連接的布線基板1和多個半導體芯片的面板PA。此時，突點電極9還沒有形成在每個布線基板1的背面上，但是例如露出了電極焊盤7。
接下來，如圖9所示，粘接劑11施加到每個布線基板1的芯片安裝區(qū)(圖8中的虛線區(qū)域)，半導體芯片3安裝其上，通過熱處理固化粘接劑11以固定半導體芯片3。
然后，如圖10所示，面板PA(布線基板1)固定在熱塊19上金屬或類似物形成的加熱臺與窗口夾持器(window clamper)23之間。用滑槽(chute)25固定PA的側面部分。加熱器21內置在加熱塊19中，借助控制單元(未示出)加熱塊的溫度保持在預定的溫度。
接下來，使用含有Pd的金線15進行釘頭焊接。
更具體地，如圖11所示，金線15穿過毛細管27，使用電焊槍或類似物將它的頂端熔化成球形。接下來，球頂端放置在形成于半導體芯片上的電極焊盤13上，通過毛細管施加一定的負荷并利用超聲波將兩者熱壓接合在一起(熱超聲引線接合)。
圖12示出了毛細管的運動。在該圖中，毛細管27向下移動到電極焊盤13上，檢測著陸接觸之后，經過一段時間(振蕩前時間標記(timer))，施加負載，同時開始超聲波振蕩。振蕩逐漸增加到預定的振蕩功率，此后持續(xù)一段時間(振蕩時間)。隨后，振蕩終止，僅保留負荷。例如，負荷為78.4mN，超聲波的振蕩輸出為50mW，振蕩時間為8毫秒。
電極焊盤的間距和球部分的最大直徑較大時，負荷和輸出變大。例如，如果間距為80μm，球直徑為58μm，那么負荷為196mN，超聲波的振蕩輸出為100mW，振蕩時間約為15毫秒。如果間距為65μm并且球直徑為50μm，那么負荷為147mN，超聲波的振蕩輸出為100mW，振蕩時間約為15毫秒。
然后，毛細管27移動到布線基板1上形成的電極焊盤5上，利用超聲波將金線15熱壓接合到電極焊盤5上，并且切斷線。
通過重復這些操作，電極焊盤13和5通過金線15相互連接。如圖13所示，第一接合位置可以鋸齒形方式排列。此外，相鄰的金線15的彎曲部分的高度可以不同，相距較長距離的焊盤可以通過高彎曲部分連接，同時相距較短距離的焊盤可以通過低彎曲部分連接。在這種情況下，所有短距離焊盤接合之后，接合剩余的長距離焊盤。
隨后，如圖14所示，通過制模模具的上半模29a和下半模29b夾緊固定面板PA，并且熔化的樹脂通過注入口33注入到上和下半模形成的腔體31內(傳遞模塑法)。如前面指出的，樹脂為例如熱固性環(huán)氧樹脂。此后，樹脂被固化并用制模樹脂17從上面覆蓋半導體芯片3(參見圖2)。
然后，使用焊料或類似物在面板PA(布線基板1)的背面上形成的電極焊盤7上形成突點電極9(參見圖2)。通過例如將焊料球供應到電極焊盤7上并進行隨后的熱處理形成突點電極9。
此后，根據每個布線基板1切割(切塊)面板PA，由此形成多個半導體器件(參見圖2)。
在隨后的產品成型工藝中，進行PCT(壓力鍋蒸煮試驗)以確定如此制造的器件的壽命是否滿意，即用于確定器件特性的好壞。該試驗為加速試驗，其中使每個半導體器件承受預定的時間長度的高溫高濕度條件，例如2atm.和121℃。
當本實施例中制備的半導體器件進行PCT時，沒有發(fā)生如線斷裂的缺陷。
由此，由于在本實施例中使用了含Pd金線，因此即使對窄間距排列的精細電極焊盤進行接合時，也可以確保需要的接合強度。此外，即使線直徑很小，也可以得到需要的接合強度。
與此相反，當使用不含Pd的金線時，發(fā)生了線斷裂(對比試驗1)。
當每個具有25μm直徑的無Pd金線接合到以較寬間距排列的電極焊盤時，例如，每個具有60μm的短邊長度和65μm間距的矩形電極焊盤，沒有發(fā)生線斷裂(對比試驗2)。在這種情況下，球部分15a的最大直徑為55μm。
由此，如圖15所示，當具有小直徑的含Pd金線接合到以窄間距排列的電極焊盤時，接合面積也小。而且，Al和Au難以被合金化，并且形成了不均勻的合金層14。此外，相對于球部分15a，線部分15c變大，由此Al-Au合金層14難以形成在球部分15a的中心附近。圖16示出了使用大電極焊盤時(例如以上的對比試驗2中)在什么狀態(tài)形成合金層14。
即使形成不均勻的合金層14(例如以上的對比試驗1中)，結果是在PCT中生成了合金層14并且形成了含有大比例的金(Au)的Au4Al，如圖17所示。
也就是，剛接合之后，如圖17所示，從頂層布線M(Al)一側開始連續(xù)地形成了作為合金層14的Au2Al和Au5Al2，金線的線部分15a(Au)設置其上，但是PCT之后，合金化繼續(xù)，并且在球部分15a(Au)和Au5Al2之間形成了Au4Al(相對于Al具有大比例的Au的合金層)。
與Au5Al2相比，Au4Al的粘附性較差并且認為在Au4Al部分中回發(fā)生剝離。此外，特別是存在從制模樹脂17中散發(fā)出的溴時，Au4Al易于被腐蝕。由于這種外部因素腐蝕繼續(xù)時，更容易發(fā)生剝離和線斷裂。在制模樹脂17中含有容易產生溴的溶劑作為阻燃劑。
由此，除了接合面積的減小之外，由于形成了Au4Al接合強度變差。
使用基于玻璃纖維的環(huán)氧樹脂形成每個布線基板1時，接合期間易于產生氣體。有了該氣體，電極焊盤13的表面變得粗糙，灰塵顆粒粘附其上，由此降低了接合強度。同樣使用包含用聚酰亞胺樹脂浸漬的玻璃纖維的高模量的樹脂基板時，也易于產生氣體。使用含有聚酰亞胺樹脂的帶(膜)基板時，同樣易于發(fā)生相同的問題。
另一方面，由于在本實施例中使用的金線含有Pd，因此抑制了Au和Al的相互擴散，即使PCT之后也難以形成Au4Al，如圖18所示。圖18示出了本實施例的半導體器件剛接合之后和PCT之后在半導體芯片3上電極焊盤13及它的周圍區(qū)域的局部放大圖(剖面圖)。
由此，根據本實施例，即使在以下情況也可以得到需要的金線接合強度(1)電極焊盤間距小于65μm，(2)球部分直徑小于55μm，以及(3)線部分的直徑為25μm或更小。也就是，抑制了Au4Al的形成，提高了耐腐蝕性，并且防止了由Au5Al2的腐蝕造成的線斷裂。
隨著進一步的小型化，例如即使在以下情況中(1)電極焊盤間距為50μm或更小，(2)球部分的直徑為40μm或更小，以及(3)線部分的直徑為20μm或更小，也可以得到需要的金線接合強度。也就是，可以抑制Au4Al的形成，提高耐腐蝕性，并且防止由Au5Al2的腐蝕造成的線斷裂。
(第二實施例)在本實施例中，介紹電極焊盤13的膜厚度(頂層布線M的厚度)為1000nm或更大時的情況。例如，頂層布線M經常用做電源布線并且有時為了減小布線電阻(wiring resistance)而變厚。
本實施例的半導體器件與以上第一實施例中介紹的半導體器件的結構相同，并以與第一實施例中相同的方式制造。因此，這里省略詳細的介紹。
圖19為使用不含有Pd的金線15(15a，15b，15c)時電極焊盤13及它的周圍區(qū)域的局部放大圖(剖面圖)，圖20為使用含有Pd的金線15(15a，15b，15c)時電極焊盤13及它的周圍區(qū)域的局部放大圖(剖面圖)。
如圖19所示，如果使用無Pd的金線用于具有的膜厚度不小于1000nm的電極焊盤時，接合面積變小。認為這是由于使用厚電極焊盤時，焊盤的外形變軟(稱作緩沖效應)，因此合金層14難以形成在不被毛細管固定的球部分的中心。
此外，如第一實施例中所介紹的，PCT之后，易于形成Au4Al，因此不可能確保需要的接合強度。也就是，由于Au4Al的腐蝕易于發(fā)生線斷裂。
而且，在形成的合金層14中，Au5Al2遠離電極焊盤13，即遠離Al提供源，由此易于從Au5Al2中除去Al，因此容易變成Au4Al。
由此，如圖20所示，電極焊盤13的膜厚度為1000nm或更大時，Pd引入到金線15(球部分15a)內以確保需要的接合強度。在這種情況下，抑制了Au和Al相互擴散并且即使PCT之后也難以形成Au4Al。由此，即使接合區(qū)變小也可以確保需要的接合強度。也就是，抑制了Au4Al的形成，提高了耐腐蝕性，并且防止了由Au5Al2的腐蝕造成的線斷裂。
而且，在形成的合金層14中，Au5Al2遠離電極焊盤13，即遠離Al提供源，因此難以變成Au4Al。
由此，在本實施例中，即使電極焊盤13的膜厚度為1000nm或更大時也可以得到需要的接合強度。也就是，可以抑制Au4Al的形成，提高了耐腐蝕性，并且防止了由Au5Al2的腐蝕造成的線斷裂。
在本實施例中，電極焊盤的形狀不限于第一實施例中介紹的形狀。而且，本實施例能更有效地應用于具有和第一實施例一樣的1000nm或更大厚度的這種精細、窄間距的電極焊盤。
(第三實施例)在本實施例中，介紹了在電極焊盤13的膜厚度不大于400nm的情況。隨著半導體器件的結構微型化，進行半導體元件之間連接的布線也趨于變得更薄。為了結構微型化，需要使布線變薄，例如布線寬度制做得更小。
本實施例的半導體器件與第一實施例中介紹的半導體器件的結構相同制造方式相同，因此這里省略了具體的說明。
圖2l為使用不含有Pd的金線15(15a，15b，15c)時電極焊盤及它的周圍區(qū)域的局部放大圖(剖面圖)，圖22為使用含有Pd的金線15(15a，15b，15c)時電極焊盤13及它的周圍區(qū)域的局部放大圖(剖面圖)。
如圖21所示，電極焊盤13的膜厚度不大于400nm時，如果使用不含有Pd的金線時，PCT之后合金層14生長到頂層布線M以下的位置，成為電極焊盤13的一個組成部分。也就是，Al不再存在于球部分15a以下。由此，Al的提供停止了，Al易于從Au5Al2中除去，Au4Al容易形成在Au5Al2上。
另一方面，如圖22所示，當電極焊盤13具有的厚度不小于400nm時，如果使用含Pd的金線以確保需要的接合強度，就抑制了Au和Al相互擴散，并且即使PCT之后也難以形成Au4Al。也就是，提高了耐腐蝕性，并且可以防止由Au5Al2的腐蝕造成的線斷裂。
此外，抑制了合金化，Al存在于球部分下面，確保了需要的接合強度。
由此，在本實施例中，即使電極焊盤13的膜厚度不大于400nm也可以確保需要的接合強度。也就是，可以抑制Au4Al的形成，提高了耐腐蝕性，并且防止了由Au5Al2的腐蝕造成的線斷裂。
在本實施例中，電極焊盤的形狀不限于第一實施例中介紹的形狀。而且，本實施例能更有效地應用于具有和第一實施例一樣的厚度不大于400nm的這種精細、窄間距的電極焊盤。
(第四實施例)在本實施例中，介紹了接合溫度低(不高于200℃)的情況。接合溫度表示半導體芯片的表面溫度或電極焊盤13的表面溫度。
和第一實施例中介紹的一樣，當暴露到高溫環(huán)境時，基于玻璃纖維的環(huán)氧樹脂脫氣。
氣體使電極焊盤13的表面粗糙化，并導致產生灰塵顆粒。為了防止熱應力造成的面板PA(布線基板1)的應變，接合溫度趨于變低。
本實施例的半導體器件與第一實施例中介紹的半導體器件的結構相同制造方式相同，因此這里省略了對其具體的說明。
圖23為低接合溫度時電極焊盤13及它周圍區(qū)域的局部放大圖(剖面圖)，圖24為高接合溫度時電極焊盤13及它周圍區(qū)域的局部放大圖(剖面圖)。在兩個圖中，省略了加熱臺的介紹。
如圖23所示，接合溫度不高于200℃時，例如熱塊19的溫度為190℃，并且半導體芯片的表面溫度為150℃到170℃時，如果使用不含有Pd的金線15(15a，15b，15c)，那么合金反應變得難以繼續(xù)并且接合面積變小。換句話說，合金層14沒有形成在電極焊盤13和球部分15a之間的接觸部分的整個表面上，造成了不連續(xù)的(不均勻)的狀態(tài)。
此外，如第一實施例中介紹的，如果PCT之后形成Au4Al，那么變得越來越難以確保需要的接合強度。也就是，由于Au4Al的腐蝕易于產生線斷裂。
如圖24所示，如果接合溫度高，例如加熱塊19的溫度為260℃并且半導體芯片的表面溫度約240℃，那么合金反應繼續(xù)，并且確保了需要的接合強度。
因此在本實施例中，Pd引入到金線中以在接合溫度不高于200℃的條件下確保需要的接合強度，例如加熱塊溫度為190℃并且半導體芯片表面的溫度為150℃到170℃。也就是，通過在金線中引入Pd可以抑制形成Au4Al。由此，提高了耐腐蝕性，并且防止了由Au5Al2的腐蝕造成的線斷裂。
換句話說，抑制了Au和Al相互擴散并且即使PCT之后也難以形成Au4Al，由此，可以確保需要的接合強度。
在第一實施例中，介紹了具有25μm直徑的無Pb金線接合到具有60μm的短邊長和65μm間距的矩形電極焊盤時的效果。例如在230℃的加熱塊溫度以及200℃的半導體芯片表面溫度進行接合。
由此，在本實施例中，即使接合溫度不高于200℃也可以得到需要的接合強度。也就是，抑制了Au4Al的形成，提高了耐腐蝕性，并且可以防止由Au5Al2的腐蝕造成的線斷裂。
在本實施例中，電極焊盤的形狀不限于第一實施例中介紹的形狀。而且，本實施例能更有效地應用于具有和第一實施例一樣的這種精細、窄間距的電極焊盤并且接合溫度(半導體芯片的表面溫度)不高于200℃。
在電極焊盤的厚度不小于1000nm或不大于400nm的情況下，確保需要的接合強度是相當難的。在這種情況下，采用本實施例更有效。
優(yōu)選在第二到第四實施例的每一個中使用的金線具有與第一實施例中近似相同的Pd濃度。
雖然在以上的實施例中對基于玻璃纖維的環(huán)氧樹脂用做布線基板進行了詳細的說明，但是本發(fā)明也適用于包含用聚酰亞胺樹脂浸漬的玻璃纖維的高模量樹脂基板的情況或者使用含有聚酰亞胺樹脂的帶(膜)基板的情況。
雖然借助實施例具體地介紹了本發(fā)明，但是不必說本發(fā)明不限于以上各實施例，可以在不脫離本發(fā)明要點的范圍內進行各種變化。
在以上實施例中介紹的條件可以適當地組合，只要這些組合與本發(fā)明的主旨不矛盾。
以下為通過這里公開的本發(fā)明的典型方式得到的效果的簡要介紹。
通過將Pd引入含有金(Au)作為主要成分的導電線中，該導電線連在第一電極焊盤和第二電極焊盤之間，第一電極焊盤為含有Al作為主要成分的金屬膜的露出區(qū)域并形成在半導體芯片的主表面上，第二電極形成在布線基板上，即使在相鄰的第一電極焊盤的中心位置之間的距離短于65μm并且每個線的球部分的最大外部形狀的直徑小于55μm或者每個線的線直徑不大于25μm的情況下，也可以確保第一電極焊盤和導電線之間需要的接合強度。同樣當金屬膜的厚度不小于1000nm或不大于400nm時，可以確保需要的接合強度。同樣，即使接合溫度不高于200℃，也可以確保需要的強度。也就是，抑制了形成Au4Al，提高了耐腐蝕性，并且可以防止由Au5Al2的腐蝕造成的線斷裂。
另外，可以提高半導體器件的可靠性和制造成品率。
權利要求
1.一種半導體器件，包括(a)半導體芯片，在它的主表面上形成有多個第一電極焊盤，第一電極焊盤為含有鋁(Al)作為主要成分的金屬膜的露出區(qū)域；(b)布線基板，在其上安裝有半導體芯片并且具有形成在其主表面上的多個第二電極焊盤；以及(c)將第一和第二電極焊盤相互連接的導電線，導電線含有金(Au)作為主要成分，并且包括形成在第一電極焊盤上的球部分、形成在第二電極焊盤上的接合部分以及將球部分和接合部分相互連接的線部分，球部分通過Al和Au的合金層接合到第一電極焊盤；(d)其中導電線中含有鈀(Pd)，以及(e)其中相鄰第一電極焊盤的中心部分之間的距離短于65μm。
2.一種根據權利要求1的半導體器件，其中相鄰的第一電極焊盤的中心位置之間的距離不大于50μm。
3.一種半導體器件，包括(a)半導體芯片，在它的主表面上形成有多個第一電極焊盤，第一電極焊盤為含有鋁(Al)作為主要成分的金屬膜的露出區(qū)域；(b)布線基板，在其上安裝有半導體芯片并且具有形成在其主表面上的多個第二電極焊盤；以及(c)將第一和第二電極焊盤相互連接的導電線，導電線含有金(Au)作為主要成分，并且包括形成在第一電極焊盤上的球部分、形成在第二電極焊盤上的接合部分以及將球部分和接合部分相互連接的線部分，球部分通過Al和Au的合金層接合到第一電極焊盤；(d)其中導電線中含有鈀(Pd)，以及(e)其中每一個球部分的最大外形的直徑小于55μm。
4.根據權利要求3的半導體器件，其中每一個球部分的最大外形的直徑不大于40μm。
5.一種半導體器件，包括(a)半導體芯片，在它的主表面上具有多個第一電極焊盤，第一電極焊盤為含有鋁(Al)作為主要成分的金屬膜的露出區(qū)域；(b)布線基板，在其上安裝有半導體芯片并且具有形成在其主表面上的多個第二電極焊盤；以及(c)將第一和第二電極焊盤相互連接的導電線，導電線含有金(Au)作為主要成分，并且包括形成在第一電極焊盤上的球部分、形成在第二電極焊盤上的接合部分以及將球部分和接合部分相互連接的線部分，球部分通過Al和Au的合金層接合到第一電極焊盤；(d)其中導電線中含有鈀(Pd)，以及(e)其中每個線部分的直徑小于25μm。
6.根據權利要求5的半導體器件，其中每個線部分的直徑不大于20μm。
7.根據權利要求1到6中任何一個權利要求的半導體器件，其中金屬膜的厚度不小于1000nm。
8.根據權利要求1到6中任何一個權利要求的半導體器件，其中金屬膜的厚度不大于400nm。
9.一種半導體器件，包括(a)半導體芯片，在它的主表面上具有多個第一電極焊盤，第一電極焊盤為含有鋁(Al)作為主要成分的金屬膜的露出區(qū)域；(b)布線基板，在其上安裝有半導體芯片并且具有形成在其主表面上的多個第二電極焊盤；以及(c)將第一和第二電極焊盤相互連接的導電線，導電線含有金(Au)作為主要成分，并且包括形成在第一電極焊盤上的球部分、形成在第二電極焊盤上的接合部分以及將球部分和接合部分相互連接的線部分，球部分通過Al和Au的合金層接合到第一電極焊盤；(d)其中導電線中含有鈀(Pd)，以及(e)其中金屬膜的厚度不小于1000nm。
10.一種半導體器件，包括(a)半導體芯片，在它的主表面上具有多個第一電極焊盤，第一電極焊盤為含有鋁(Al)作為主要成分的金屬膜的露出區(qū)域；(b)布線基板，在其上安裝有半導體芯片并且具有形成在其主表面上的多個第二電極焊盤；以及(c)將第一和第二電極焊盤相互連接的導電線，導電線含有金(Au)作為主要成分，并且包括形成在第一電極焊盤上的球部分、形成在第二電極焊盤上的接合部分以及將球部分和接合部分相互連接的線部分，球部分通過Al和Au的合金層接合到第一電極焊盤；(d)其中導電線中含有鈀(Pd)，以及(e)其中金屬膜的厚度不大于400nm。
11.根據權利要求1到10中任何一個權利要求的半導體器件，其中布線基板由基于玻璃纖維的環(huán)氧樹脂形成。
12.根據權利要求1到10中任何一個權利要求的半導體器件，其中布線基板由基于玻璃纖維的環(huán)氧樹脂形成，并且半導體芯片和導電線用模制樹脂密封。
13.根據權利要求1到10中任何一個權利要求的半導體器件，其中布線基板由樹脂帶構成。
14.根據權利要求1到10中任何一個權利要求的半導體器件，其中在(d)中含在導線中的鈀(Pd)的濃度約1wt.％。
15.一種半導體器件的制造方法，包括以下步驟(a)提供布線基板，在它的主表面上形成有多個第二電極焊盤；(b)將半導體芯片安裝在布線基板上，在半導體芯片的主表面上具有多個第一電極焊盤，第一電極焊盤為含有鋁(Al)作為主要成分的金屬膜的露出區(qū)域；以及(c)通過含有金(Au)作為主要成分的導電線將第一電極焊盤和第二電極焊盤相互連接，步驟(c)包括以下步驟(c1)在第一電極焊盤上熔化導電線的一端并將所得熔化的球接合到第一電極焊盤；(c2)將導電線的另一端接合到第二電極焊盤；以及(c3)形成具有形成在第一電極焊盤上的球部分、形成在第二電極焊盤上的接合部分以及將球部分和接合部分相互連接的線部分，球部分通過Al和Au的合金層接合到第一電極焊盤，(d)其中導電線中含有鈀(Pd)，以及(e)在半導體芯片的主表面的溫度不高于200℃的狀態(tài)中進行步驟(c1)。
16.根據權利要求15的方法，其中布線基板由基于玻璃纖維的環(huán)氧樹脂形成。
17.根據權利要求15的方法，還包括用模制樹脂密封半導體芯片和導電線的步驟。
18.根據權利要求15的方法，其中布線基板由樹脂帶構成。
19.根據權利要求15的方法，其中相鄰的第一電極焊盤的中心位置之間的距離不大于50μm。
20.根據權利要求15的方法，其中相鄰第一電極焊盤的中心位置之間的距離短于65μm。
21.根據權利要求15的方法，其中每一個球部分的最大外形的直徑小于55μm。
22.根據權利要求15的方法，其中每一個球部分的最大外形的直徑不大于40μm。
23.根據權利要求15的方法，其中每個線部分的直徑不大于25μm。
24.根據權利要求15的方法，其中每個線部分的直徑不大于20μm 。
25.根據權利要求15的方法，其中金屬膜的厚度不小于1000nm。
26.根據權利要求15的方法，其中金屬膜的厚度不大于400nm。
27.根據權利要求15的方法，其中含在導線中的鈀(Pd)的濃度約1wt.％。
全文摘要
接合焊盤和金線的球部分之間的粘附力得以改善以提高半導體器件的可靠性。約1wt.％的Pd含在金線中，金線用于連接形成在布線基板上的電極焊盤和形成在半導體芯片上的電極焊盤(主要由Al形成的頂層布線的露出區(qū)域)，由此，在形成在半導體芯片上的電極焊盤和金線的球部分之間的接合部分中，抑制了Au和Al的相互擴散，以防止PCT(壓力鍋蒸煮試驗)之后形成Au
文檔編號H01L23/49GK1536658SQ200410031330
公開日2004年10月13日 申請日期2004年3月26日 優(yōu)先權日2003年3月31日
發(fā)明者川 直樹, 川邉直樹, 夫, 松澤朝夫, 守田俊章, 章, 文, 西田隆文 申請人:株式會社瑞薩科技