半導(dǎo)體裝置及其制造方法
【專利摘要】本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置具有：搭載于基板的半導(dǎo)體元件；以鋁為主要成分、設(shè)置于半導(dǎo)體元件的電極焊盤；將設(shè)置于基板的連接端子和電極焊盤連接、以銅為主要成分的銅線；和封裝半導(dǎo)體元件和銅線的封裝樹脂。該半導(dǎo)體裝置在大氣中以200℃加熱16小時(shí)時(shí)，在銅線與電極焊盤的接合部形成有含有選自鈀和鉑中的任意的金屬的阻擋層。
【專利說明】半導(dǎo)體裝置及其制造方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及半導(dǎo)體裝置及其制造方法。

【背景技術(shù)】
[0002]近年來，作為代替金線的接合線，提出了銅線。
[0003]在專利文獻(xiàn)I中記載了一種利用銅的接合線將半導(dǎo)體元件的電極和引線連接導(dǎo)出的半導(dǎo)體裝置，在接合線與電極的接合界面形成有銅一鋁系金屬間化合物。根據(jù)專利文獻(xiàn)I的記載，通過在銅球與鋁電極的界面形成CuAl2層，形成銅球與電極密接的狀態(tài)，因此從耐蝕性等方面考慮，能夠提高可靠性。
[0004]現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)
[0005]專利文獻(xiàn)
[0006]專利文獻(xiàn)1:日本特開昭62 - 265729號公報(bào)


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]發(fā)明所要解決的課題
[0008]但是，通過進(jìn)一步對銅線與鋁焊盤的接合部進(jìn)行熱處理，Cu從銅線向CuAl2層擴(kuò)散，形成Cu組成比比CuAl2高的合金層。根據(jù)本發(fā)明的發(fā)明人的見解可知，Cu組成比比CuAl2高的合金層容易被鹵素腐蝕，容易斷線。
[0009]本發(fā)明是鑒于上述情況而完成的，通過抑制銅從銅線向銅線與電極焊盤的接合部擴(kuò)散，抑制Cu組成比比CuAl2高的合金層的生長，提高高溫高濕環(huán)境下的連接可靠性。
[0010]解決課題的技術(shù)方案
[0011]根據(jù)本發(fā)明，提供一種半導(dǎo)體裝置，其具有:
[0012]搭載于基板的半導(dǎo)體元件；
[0013]以鋁為主要成分、設(shè)置于上述半導(dǎo)體元件的電極焊盤；
[0014]將設(shè)置于上述基板的連接端子和上述電極焊盤連接，以銅為主要成分的銅線；
[0015]封裝上述半導(dǎo)體元件和上述銅線的封裝樹脂，
[0016]在大氣中以200°C加熱16小時(shí)時(shí)，在上述銅線與上述電極焊盤的接合部形成含有選自鈀和鉬中的任意的金屬的阻擋層。
[0017]另外，根據(jù)本發(fā)明，提供一種半導(dǎo)體裝置，其具有:
[0018]搭載于基板的半導(dǎo)體元件；
[0019]以鋁為主要成分、設(shè)置于上述半導(dǎo)體元件的電極焊盤；
[0020]將設(shè)置于上述基板的連接端子和上述電極焊盤連接、以銅為主要成分的銅線；和
[0021]封裝上述半導(dǎo)體元件和上述銅線的封裝樹脂，
[0022]上述銅線含有選自鈀和鉬中的任意的金屬，
[0023]上述銅線與上述電極焊盤的上述接合部中鈀和鉬的含量，相對于上述銅線與上述電極焊盤的接合部以外的部分中上述銅線中的鈀和鉬的含量大于I。
[0024]另外，根據(jù)本發(fā)明，提供一種半導(dǎo)體裝置的制造方法，其包括:
[0025]將設(shè)置有以鋁為主要成分的電極焊盤的半導(dǎo)體元件搭載于設(shè)置有連接端子的基板的工序；
[0026]利用以銅為主要成分的銅線，將上述連接端子和上述電極焊盤連接的工序；和
[0027]利用封裝樹脂封裝上述半導(dǎo)體元件和上述銅線的工序，
[0028]在利用封裝樹脂封裝的上述工序之后，在大氣中以200°C加熱16小時(shí)時(shí)，在上述銅線與上述電極焊盤的接合部形成含有選自鈀和鉬中的任意的金屬的阻擋層。
[0029]發(fā)明效果
[0030]根據(jù)本發(fā)明，制成在銅線與電極焊盤的接合部處于高溫高濕的環(huán)境時(shí)、形成了含有選自鈀和鉬中的任意的金屬的阻擋層這樣的半導(dǎo)體裝置，由此能夠抑制Cu組成比相比于銅線與電極焊盤的接合部中的CuAl2高的合金層的生長，能夠提高高溫高濕環(huán)境下的連接可靠性。
[0031]另外，根據(jù)本發(fā)明，銅線含有選自鈀和鉬中的任意的金屬，銅線與電極焊盤的接合部中鈀和鉬的含量相對于銅線與電極焊盤的接合部以外的部分中銅線中的鈀和鉬的含量大于I，從而能夠抑制Cu組成比比銅線與電極焊盤的接合部中的CuAl2高的合金層的生長，能夠提高高溫高濕環(huán)境下的連接可靠性。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0032]通過以下闡述的優(yōu)選實(shí)施方式和與其對應(yīng)的以下的附圖，上述的目的和其它目的、特征和優(yōu)點(diǎn)更為明確。
[0033]圖1是示意性地表示實(shí)施方式的半導(dǎo)體裝置的截面圖。
[0034]圖2是關(guān)于實(shí)施方式的半導(dǎo)體裝置，放大了銅線與電極焊盤的接合部的圖。

【具體實(shí)施方式】
[0035]以下，利用附圖對本發(fā)明的實(shí)施方式進(jìn)行說明。其中，在所有的附圖中，對相同的構(gòu)成要素標(biāo)注相同的符號，適當(dāng)?shù)厥÷哉f明。
[0036]圖1是示意性地表示本實(shí)施方式的半導(dǎo)體裝置10的截面圖。該半導(dǎo)體裝置10具有具備芯片焊盤部3a和內(nèi)引線部3b的引線框3作為基板，該半導(dǎo)體裝置10還具有:搭載于芯片焊盤部3a的半導(dǎo)體元件I ;以鋁(Al)為主要成分、設(shè)置于半導(dǎo)體元件I的電極焊盤6 ;將設(shè)置于基板的連接端子(內(nèi)引線部3b)和電極焊盤6連接、以銅(Cu)為主要成分的銅線4 ;和封裝半導(dǎo)體元件I和銅線4的封裝樹脂5。該半導(dǎo)體裝置10在大氣中以200°C加熱16小時(shí)時(shí)，如圖2所示，在銅線4與電極焊盤6的接合部7、更詳細(xì)而言在銅線4與CuAl合金層7a之間，形成有含有選自鈀(Pd)和鉬(Pt)中的任意的金屬的阻擋層7b。另外，銅線含有選自鈀和鉬中的任意的金屬，銅線與電極焊盤的接合部中鈀和鉬的含量相對于銅線與電極焊盤的接合部以外的部分中銅線中的鈀和鉬的含量大于I。
[0037]作為半導(dǎo)體元件1，沒有特別限定，例如可以列舉集成電路、大規(guī)模集成電路、固體攝像元件等。
[0038]作為引線框3，沒有特別限制，可以代替引線框3使用電路基板。具體而言，可以使用雙列直插式封裝體(DIP)、帶引線的塑料芯片載體(PLCC)、四面扁平封裝體(QFP)^jWh形四面扁平封裝體(LQFP)、J形引線小外形封裝體(SOJ)、薄型小外形封裝體(TSOP)、薄型四面扁平封裝體(TQFP)、帶載封裝體(TCP)、球柵陣列(BGA)、芯片尺寸封裝體(CSP)、四方扁平無引腳封裝體(QFN)、小外形無引線封裝體(SON)、引線框.BGA(LF — BGA)、模塑陣列封裝體類型的BGA(MAP - BGA)等現(xiàn)有公知的半導(dǎo)體裝置中使用的引線框或電路基板。
[0039]半導(dǎo)體元件I可以是多個(gè)半導(dǎo)體元件疊層而成的元件。該情況下，第I段的半導(dǎo)體元件可以隔著膜粘合劑、熱固型粘合劑等的芯片粘結(jié)材料固化體2與芯片焊盤部3a粘合。第2段以后的半導(dǎo)體元件可以通過絕緣性的膜粘合劑等依次疊層。然后，在各層的適當(dāng)?shù)奈恢茫A(yù)先利用前工序形成電極焊盤6。
[0040]電極焊盤6中的Al的含量相對于電極焊盤6整體優(yōu)選為98質(zhì)量％以上。作為電極焊盤6中所含的Al以外的成分，可以列舉銅(Cu)、硅(Si)等。通過在下層的銅電路端子的表面形成通常的鈦系阻擋層，進(jìn)一步使用將Al蒸鍍、濺射、無電解鍍等通常的半導(dǎo)體元件的電極焊盤的形成方法，可以制作電極焊盤6。
[0041]銅線4用于將引線框3和搭載于引線框3的芯片焊盤部3a的半導(dǎo)體元件I電連接。在銅線4的表面自然地或工藝上不可避免地形成有氧化膜。在本發(fā)明中，銅線4也包括具有這樣在銅線表面形成的氧化膜的銅線。
[0042]銅線4的直徑在30 μ m以下，進(jìn)一步優(yōu)選在25 μ m以下且在15 μ m以上。如果為該范圍，銅線前端的球形狀穩(wěn)定，能夠提高接合部分的連接可靠性。另外，由于銅線自身的硬度，能夠降低導(dǎo)線的塑變。
[0043]銅線4中的銅的含量優(yōu)選為銅線4整體的98?99.9質(zhì)量％，更優(yōu)選為98.5?99.7質(zhì)量％，進(jìn)一步優(yōu)選為98.7?99.3質(zhì)量％。作為銅線4，優(yōu)選使用含有向電極焊盤的擴(kuò)散速度慢的選自Pd和Pt中的任意的金屬的銅線，更優(yōu)選使用摻雜了選自Pd和Pt中的任意的金屬的銅線。通過向電極焊盤的擴(kuò)散速度慢的Pd和Pt，能夠抑制銅線4的Cu擴(kuò)散到電極焊盤6，能夠得到良好的連接可靠性。
[0044]從良好的高溫保存特性的觀點(diǎn)出發(fā)，銅線4中的Pd和Pt的含量的合計(jì)相對于銅線4整體優(yōu)選為0.1質(zhì)量％以上，更優(yōu)選為0.3質(zhì)量％以上，進(jìn)一步優(yōu)選為0.5質(zhì)量％以上。另一方面，為了抑制銅線4的硬度上升、抑制接合性降低，優(yōu)選為2質(zhì)量％以下，更優(yōu)選為1.5質(zhì)量％以下，進(jìn)一步優(yōu)選為I質(zhì)量％以下。另外，銅線4中的Pd和Pt的合計(jì)量的范圍相對于銅線4整體優(yōu)選為0.1?2質(zhì)量％,更優(yōu)選為0.3?1.5質(zhì)量進(jìn)一步優(yōu)選為
0.5?I質(zhì)量％。
[0045]銅線4中可以含有Pd或Pt中的任一種，此時(shí)，優(yōu)選銅線4中的Pd的含量相對于銅線4整體為0.5?I質(zhì)量％,或者銅線4中的Pt的含量相對于銅線4整體為0.5?I質(zhì)量％。在上述范圍內(nèi)時(shí)，能夠兼?zhèn)鋬?yōu)異的可靠性和接合操作性。
[0046]另外，推測摻雜在銅線4中的選自Pd和Pt中的任意的金屬以在Cu中固溶的狀態(tài)存在。
[0047]銅線4中，通過在作為芯線的銅中摻雜0.001質(zhì)量％?0.003質(zhì)量％的Ba、Ca、Sr、
Be、Al或稀土金屬，能夠進(jìn)一步改善接合強(qiáng)度。
[0048]銅線4使用如下所述得到銅線:將摻雜有選自Pd和Pt中的任意的金屬的銅合金在熔解爐中鑄造，將其鑄塊進(jìn)行輥壓延，進(jìn)一步使用模具進(jìn)行伸長線加工，實(shí)施一邊連續(xù)地掃掠銅線一邊進(jìn)行加熱的后熱處理，從而得到銅線。
[0049]在銅線4與電極焊盤6的接合部7中，在銅線4的前端形成銅球4a。
[0050]半導(dǎo)體裝置10可以在銅線4與電極焊盤6的接合部7形成有含有Cu和Al的CuAl合金層7a，也可以在大氣中以200°C加熱16小時(shí)時(shí)形成CuAl合金層7a。CuAl合金層7a包括Cu和Al的含量為各種值的合金層，Cu為銅線4所含的主要成分，Al為電極焊盤6所含的主要成分。CuAl合金層7a是通過接合時(shí)的加熱或封裝后的熱處理使得電極焊盤6中的Al和銅球4a中的Cu擴(kuò)散而產(chǎn)生的區(qū)域，主要含有Cu和Al。在此，所謂主要含有Cu和Al是指:相對于CuAl合金層7a整體，Cu的含量和Al的含量的合計(jì)大于50質(zhì)量％，優(yōu)選為80質(zhì)量％以上,更優(yōu)選為90質(zhì)量％以上,進(jìn)一步優(yōu)選為95質(zhì)量％以上。
[0051]CuAl合金層7a具體包括CuAl2層、和Cu含量比CuAl2層多的層。在CuAl合金層7a中，與Cu含量多的層相比，CuAl2層在CuAl合金層7a中所占的比例高。CuAl合金層7a的厚度例如可以為0.2?5 μ m。
[0052]阻擋層7b是含有選自Pd和Pt中的任意的金屬的層，還可以含有Cu。具體而言，阻擋層7b中的Pd和Pt的質(zhì)量比例優(yōu)選為銅線4中的Pd和Pt的質(zhì)量比例的1.1?2倍，更優(yōu)選為1.2?1.8倍。
[0053]阻擋層7b在銅線4與電極焊盤6的接合部7中如下所述形成。
[0054]通過對銅線4與電極焊盤6的接合部7進(jìn)行熱處理，銅線4中的擴(kuò)散速度快的Cu擴(kuò)散到電極焊盤6。另一方面，銅線4中的擴(kuò)散速度慢的選自Pd和Pt中的任意的金屬滯留在CuAl合金層7a上，接著被濃縮，之后形成阻擋層7b。
[0055]由此，能夠抑制銅線4中的Cu擴(kuò)散到電極焊盤6。另外，由于能夠抑制進(jìn)一步擴(kuò)散到CuAl合金層7a，因此能夠抑制在CuAl合金層7a中Cu含量比CuAl2層多的層生長，并且能夠減少Cu含量比CuAl2層多的層因封裝樹脂5產(chǎn)生的鹵素被腐蝕而產(chǎn)生的斷線。
[0056]阻擋層7b可以在將半導(dǎo)體裝置10在大氣中以200°C加熱16小時(shí)時(shí)在CuAl合金層7a與銅線4之間形成，也可以預(yù)先在半導(dǎo)體裝置10中形成阻擋層7b。
[0057]形成阻擋層7b的理由的詳細(xì)情況尚不是很清楚，但可以推測如下。
[0058]可以認(rèn)為:通過提高銅線4中的擴(kuò)散速度慢的Pd和Pt的濃度，在銅線4與電極焊盤6接合后，能夠增加滯留在接合部7附近的Pd和Pt的量，容易形成阻擋層7b ;或者，封裝樹脂5的175°C的彈性模量為500MPa以上15000MPa以下，由此在封裝時(shí)和封裝后，能夠降低銅線4與電極焊盤6的界面所受到的應(yīng)力，并且能夠適當(dāng)?shù)叵拗沏~線4的移動(dòng)，因此防止接合部因應(yīng)力而被破壞，更容易形成阻擋層；或者是這兩者的結(jié)合等的理由。
[0059]阻擋層7b的厚度優(yōu)選為0.01?3 μ m,更優(yōu)選為0.05?2 μ m。
[0060]接合部7在與電極焊盤6的界面中，優(yōu)選底面平坦。
[0061]另外，在半導(dǎo)體裝置10中，接合部7中Pd和Pt的含量比銅線4的接合部7以外的部分中的Pd和Pt的含量高。具體而言，優(yōu)選銅線4與電極焊盤6的接合部7中Pd和Pt的含量相對于銅線4與電極焊盤6的接合部7以外的部分中銅線4中的Pd和Pt的含量大于1，從高溫保存特性的觀點(diǎn)出發(fā)，更優(yōu)選為1.3以上。所謂“接合部7中Pd和Pt的含量”可以是接合部7的任意區(qū)域的含量，但更優(yōu)選為銅線4與電極焊盤6的界面附近的Pd和Pt的含量。
[0062]作為使接合部7中Pd和Pt的含量高于銅線4的接合部7以外的部分中Pd和Pt的含量的方法，例如可以列舉:使用Pd和Pt濃度高的銅線4的方法；使用175°C的彈性模量為500MPa以上15000MPa以下的封裝樹脂的方法等。其機(jī)理的詳細(xì)情況尚不清楚，但可以認(rèn)為Pd和Pt向電極焊盤6的擴(kuò)散速度慢，因此在銅線4與電極焊盤6接合后，從銅線4向電極焊盤6擴(kuò)散的Pd和Pt容易滯留在接合部7。另外，可以認(rèn)為利用上述彈性模量的封裝樹脂5，在封裝時(shí)和封裝后，能夠降低銅線4與電極焊盤6的界面受到的應(yīng)力，并且能夠適當(dāng)?shù)叵拗沏~線4的移動(dòng)，因此防止接合部因應(yīng)力而被破壞，提高Pd和Pt的含量。
[0063]封裝樹脂5是固化型樹脂的固化物，具體而言，更優(yōu)選使含有(A)環(huán)氧樹脂和(B)固化劑的環(huán)氧樹脂組合物固化而得到的固化物。
[0064]封裝樹脂5的175°C的彈性模量優(yōu)選為500MPa以上15000MPa以下，更優(yōu)選為800以上5000以下。由此，能夠降低銅線4與電極焊盤6的界面受到的應(yīng)力，并且能夠適當(dāng)?shù)叵拗沏~線4的移動(dòng)，因此更容易形成阻擋層，能夠提高高溫保存特性。
[0065]作為(A)環(huán)氧樹脂，是在I個(gè)分子內(nèi)具有2個(gè)以上環(huán)氧基的單體、低聚物、聚合物全部，其分子量、分子結(jié)構(gòu)沒有特別限定，例如可以列舉聯(lián)苯型環(huán)氧樹脂、雙酚A型環(huán)氧樹月旨、雙酚F型環(huán)氧樹脂、四甲基雙酚F型環(huán)氧樹脂等雙酚型環(huán)氧樹脂、芪型環(huán)氧樹脂；苯酚線型酚醛型環(huán)氧樹脂、甲酚線型酚醛型環(huán)氧樹脂等線型酚醛型環(huán)氧樹脂；三酚甲烷型環(huán)氧樹月旨、烷基改性三酚甲烷型環(huán)氧樹脂等多官能環(huán)氧樹脂；具有亞苯基骨架的苯酚芳烷基型環(huán)氧樹脂、具有亞聯(lián)苯基骨架的苯酚芳烷基型環(huán)氧樹脂等芳烷基型環(huán)氧樹脂；二羥基萘型環(huán)氧樹脂、將二羥基萘的二聚體縮水甘油醚化后得到的環(huán)氧樹脂等萘酚型環(huán)氧樹脂；異氰脲酸三縮水甘油酯、異氰脲酸單烯丙基二縮水甘油酯等含三嗪核的環(huán)氧樹脂；二環(huán)戊二烯改性苯酚型環(huán)氧樹脂等有橋環(huán)狀烴化合物改性苯酚型環(huán)氧樹脂，它們可以單獨(dú)使用I種，也可以并用2種以上。
[0066]另外，上述聯(lián)苯型環(huán)氧樹脂、雙酚A型環(huán)氧樹脂、雙酚F型環(huán)氧樹脂、四甲基雙酚F型環(huán)氧樹脂等雙酚型環(huán)氧樹脂、芪型環(huán)氧樹脂優(yōu)選具有結(jié)晶性的樹脂。
[0067]作為環(huán)氧樹脂(A)，優(yōu)選使用含有選自下述式⑴所示的環(huán)氧樹脂、下述式(2)所示的環(huán)氧樹脂和下述式(3)所示的環(huán)氧樹脂中的至少I種的環(huán)氧樹脂。
[0068]
0「⑴
f-4 IIP-1


π,ι K
1II




iwmrn.Smi K

ID^ifDO| ID^i I
V' Ig/hIg I 3


Π
[0069]〔式(I)中，Ar1表示亞苯基或亞萘基，在Ar1為亞萘基時(shí)，縮水甘油醚基可以與α位、β位中的任意位置結(jié)合，Ar2表示亞苯基、亞聯(lián)苯基和亞萘基中的任一個(gè)基團(tuán)，R5和R6分別獨(dú)立地表示碳原子數(shù)I?10的烴基，g為O?5的整數(shù)，h為O?8的整數(shù)，η3表示聚合度，其平均值為I?3?！?br> [0070]

【權(quán)利要求】
1.一種半導(dǎo)體裝置，其特征在于，具有: 搭載于基板的半導(dǎo)體元件； 以鋁為主要成分、設(shè)置于所述半導(dǎo)體元件的電極焊盤； 將設(shè)置于所述基板的連接端子和所述電極焊盤連接、以銅為主要成分的銅線；和 封裝所述半導(dǎo)體元件和所述銅線的封裝樹脂， 在大氣中以200°c加熱16小時(shí)時(shí)，在所述銅線與所述電極焊盤的接合部形成有含有選自鈀和鉬中的任意的金屬的阻擋層。
2.如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體裝置，其特征在于: 在大氣中以200°C加熱16小時(shí)時(shí)形成的所述阻擋層的厚度為0.01?3μπι。
3.如權(quán)利要求1或2所述的半導(dǎo)體裝置，其特征在于: 在大氣中以200°C加熱16小時(shí)時(shí)，在所述阻擋層與所述電極焊盤之間形成有銅和鋁的I=Iο
4.一種半導(dǎo)體裝置，其特征在于，具有: 搭載于基板的半導(dǎo)體元件； 以鋁為主要成分、設(shè)置于所述半導(dǎo)體元件的電極焊盤； 將設(shè)置于所述基板的連接端子和所述電極焊盤連接、以銅為主要成分的銅線；和 封裝所述半導(dǎo)體元件和所述銅線的封裝樹脂， 所述銅線含有選自鈀和鉬中的任意的金屬， 所述銅線與所述電極焊盤的接合部中鈀和鉬的含量相對于所述銅線中的鈀和鉬的含量大于I。
5.如權(quán)利要求1?4中任一項(xiàng)所述的半導(dǎo)體裝置，其特征在于: 所述銅線中的銅含量相對于所述銅線整體為98?99.9質(zhì)量％。
6.如權(quán)利要求1?5中任一項(xiàng)所述的半導(dǎo)體裝置，其特征在于: 所述基板為引線框或電路基板。
7.一種半導(dǎo)體裝置的制造方法，其特征在于，包括: 將設(shè)置有以鋁為主要成分的電極焊盤的半導(dǎo)體元件搭載于設(shè)置有連接端子的基板的工序； 利用以銅為主要成分的銅線，將所述連接端子和所述電極焊盤連接的工序；和 利用封裝樹脂封裝所述半導(dǎo)體元件和所述銅線的工序； 在利用封裝樹脂封裝的所述工序之后，在大氣中以200°C加熱16小時(shí)時(shí)，在所述銅線與所述電極焊盤的接合部形成有含有選自鈀和鉬中的任意的金屬的阻擋層。
8.如權(quán)利要求7所述的半導(dǎo)體裝置的制造方法，其特征在于: 在利用所述封裝樹脂封裝的所述工序中，使用環(huán)氧樹脂組合物封裝成形后，以150°C?200°C進(jìn)行2?16小時(shí)的后固化。
【文檔編號】H01L21/56GK104205314SQ201380015809
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2013年3月12日 優(yōu)先權(quán)日:2012年3月22日
【發(fā)明者】伊藤慎吾 申請人:住友電木株式會社