半导体装置及其制造方法
【专利摘要】本发明的半导体装置具有：搭载于基板的半导体元件；以铝为主要成分、设置于半导体元件的电极焊盘；将设置于基板的连接端子和电极焊盘连接、以铜为主要成分的铜线；和封装半导体元件和铜线的封装树脂。该半导体装置在大气中以200℃加热16小时时，在铜线与电极焊盘的接合部形成有含有选自钯和铂中的任意的金属的阻挡层。
【专利说明】半导体装置及其制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及半导体装置及其制造方法。
【背景技术】
[0002]近年来，作为代替金线的接合线，提出了铜线。
[0003]在专利文献I中记载了一种利用铜的接合线将半导体元件的电极和引线连接导出的半导体装置，在接合线与电极的接合界面形成有铜一铝系金属间化合物。根据专利文献I的记载，通过在铜球与铝电极的界面形成CuAl2层，形成铜球与电极密接的状态，因此从耐蚀性等方面考虑，能够提高可靠性。
[0004]现有技术文献
[0005]专利文献
[0006]专利文献1:日本特开昭62 - 265729号公报
【发明内容】
[0007]发明所要解决的课题
[0008]但是，通过进一步对铜线与铝焊盘的接合部进行热处理，Cu从铜线向CuAl2层扩散，形成Cu组成比比CuAl2高的合金层。根据本发明的发明人的见解可知，Cu组成比比CuAl2高的合金层容易被卤素腐蚀，容易断线。
[0009]本发明是鉴于上述情况而完成的，通过抑制铜从铜线向铜线与电极焊盘的接合部扩散，抑制Cu组成比比CuAl2高的合金层的生长，提高高温高湿环境下的连接可靠性。
[0010]解决课题的技术方案
[0011]根据本发明，提供一种半导体装置，其具有:
[0012]搭载于基板的半导体元件；
[0013]以铝为主要成分、设置于上述半导体元件的电极焊盘；
[0014]将设置于上述基板的连接端子和上述电极焊盘连接，以铜为主要成分的铜线；
[0015]封装上述半导体元件和上述铜线的封装树脂，
[0016]在大气中以200°C加热16小时时，在上述铜线与上述电极焊盘的接合部形成含有选自钯和钼中的任意的金属的阻挡层。
[0017]另外，根据本发明，提供一种半导体装置，其具有:
[0018]搭载于基板的半导体元件；
[0019]以铝为主要成分、设置于上述半导体元件的电极焊盘；
[0020]将设置于上述基板的连接端子和上述电极焊盘连接、以铜为主要成分的铜线；和
[0021]封装上述半导体元件和上述铜线的封装树脂，
[0022]上述铜线含有选自钯和钼中的任意的金属，
[0023]上述铜线与上述电极焊盘的上述接合部中钯和钼的含量，相对于上述铜线与上述电极焊盘的接合部以外的部分中上述铜线中的钯和钼的含量大于I。
[0024]另外，根据本发明，提供一种半导体装置的制造方法，其包括:
[0025]将设置有以铝为主要成分的电极焊盘的半导体元件搭载于设置有连接端子的基板的工序；
[0026]利用以铜为主要成分的铜线，将上述连接端子和上述电极焊盘连接的工序；和
[0027]利用封装树脂封装上述半导体元件和上述铜线的工序，
[0028]在利用封装树脂封装的上述工序之后，在大气中以200°C加热16小时时，在上述铜线与上述电极焊盘的接合部形成含有选自钯和钼中的任意的金属的阻挡层。
[0029]发明效果
[0030]根据本发明，制成在铜线与电极焊盘的接合部处于高温高湿的环境时、形成了含有选自钯和钼中的任意的金属的阻挡层这样的半导体装置，由此能够抑制Cu组成比相比于铜线与电极焊盘的接合部中的CuAl2高的合金层的生长，能够提高高温高湿环境下的连接可靠性。
[0031]另外，根据本发明，铜线含有选自钯和钼中的任意的金属，铜线与电极焊盘的接合部中钯和钼的含量相对于铜线与电极焊盘的接合部以外的部分中铜线中的钯和钼的含量大于I，从而能够抑制Cu组成比比铜线与电极焊盘的接合部中的CuAl2高的合金层的生长，能够提高高温高湿环境下的连接可靠性。
【专利附图】
【附图说明】
[0032]通过以下阐述的优选实施方式和与其对应的以下的附图，上述的目的和其它目的、特征和优点更为明确。
[0033]图1是示意性地表示实施方式的半导体装置的截面图。
[0034]图2是关于实施方式的半导体装置，放大了铜线与电极焊盘的接合部的图。
【具体实施方式】
[0035]以下，利用附图对本发明的实施方式进行说明。其中，在所有的附图中，对相同的构成要素标注相同的符号，适当地省略说明。
[0036]图1是示意性地表示本实施方式的半导体装置10的截面图。该半导体装置10具有具备芯片焊盘部3a和内引线部3b的引线框3作为基板，该半导体装置10还具有:搭载于芯片焊盘部3a的半导体元件I ;以铝(Al)为主要成分、设置于半导体元件I的电极焊盘6 ;将设置于基板的连接端子(内引线部3b)和电极焊盘6连接、以铜(Cu)为主要成分的铜线4 ;和封装半导体元件I和铜线4的封装树脂5。该半导体装置10在大气中以200°C加热16小时时，如图2所示，在铜线4与电极焊盘6的接合部7、更详细而言在铜线4与CuAl合金层7a之间，形成有含有选自钯(Pd)和钼(Pt)中的任意的金属的阻挡层7b。另外，铜线含有选自钯和钼中的任意的金属，铜线与电极焊盘的接合部中钯和钼的含量相对于铜线与电极焊盘的接合部以外的部分中铜线中的钯和钼的含量大于I。
[0037]作为半导体元件1，没有特别限定，例如可以列举集成电路、大规模集成电路、固体摄像元件等。
[0038]作为引线框3，没有特别限制，可以代替引线框3使用电路基板。具体而言，可以使用双列直插式封装体(DIP)、带引线的塑料芯片载体(PLCC)、四面扁平封装体(QFP)^jWh形四面扁平封装体(LQFP)、J形引线小外形封装体(SOJ)、薄型小外形封装体(TSOP)、薄型四面扁平封装体(TQFP)、带载封装体(TCP)、球栅阵列(BGA)、芯片尺寸封装体(CSP)、四方扁平无引脚封装体(QFN)、小外形无引线封装体(SON)、引线框.BGA(LF — BGA)、模塑阵列封装体类型的BGA(MAP - BGA)等现有公知的半导体装置中使用的引线框或电路基板。
[0039]半导体元件I可以是多个半导体元件叠层而成的元件。该情况下，第I段的半导体元件可以隔着膜粘合剂、热固型粘合剂等的芯片粘结材料固化体2与芯片焊盘部3a粘合。第2段以后的半导体元件可以通过绝缘性的膜粘合剂等依次叠层。然后，在各层的适当的位置，预先利用前工序形成电极焊盘6。
[0040]电极焊盘6中的Al的含量相对于电极焊盘6整体优选为98质量％以上。作为电极焊盘6中所含的Al以外的成分，可以列举铜(Cu)、硅(Si)等。通过在下层的铜电路端子的表面形成通常的钛系阻挡层，进一步使用将Al蒸镀、溅射、无电解镀等通常的半导体元件的电极焊盘的形成方法，可以制作电极焊盘6。
[0041]铜线4用于将引线框3和搭载于引线框3的芯片焊盘部3a的半导体元件I电连接。在铜线4的表面自然地或工艺上不可避免地形成有氧化膜。在本发明中，铜线4也包括具有这样在铜线表面形成的氧化膜的铜线。
[0042]铜线4的直径在30 μ m以下，进一步优选在25 μ m以下且在15 μ m以上。如果为该范围，铜线前端的球形状稳定，能够提高接合部分的连接可靠性。另外，由于铜线自身的硬度，能够降低导线的塑变。
[0043]铜线4中的铜的含量优选为铜线4整体的98?99.9质量％，更优选为98.5?99.7质量％，进一步优选为98.7?99.3质量％。作为铜线4，优选使用含有向电极焊盘的扩散速度慢的选自Pd和Pt中的任意的金属的铜线，更优选使用掺杂了选自Pd和Pt中的任意的金属的铜线。通过向电极焊盘的扩散速度慢的Pd和Pt，能够抑制铜线4的Cu扩散到电极焊盘6，能够得到良好的连接可靠性。
[0044]从良好的高温保存特性的观点出发，铜线4中的Pd和Pt的含量的合计相对于铜线4整体优选为0.1质量％以上，更优选为0.3质量％以上，进一步优选为0.5质量％以上。另一方面，为了抑制铜线4的硬度上升、抑制接合性降低，优选为2质量％以下，更优选为1.5质量％以下，进一步优选为I质量％以下。另外，铜线4中的Pd和Pt的合计量的范围相对于铜线4整体优选为0.1?2质量％,更优选为0.3?1.5质量进一步优选为
0.5?I质量％。
[0045]铜线4中可以含有Pd或Pt中的任一种，此时，优选铜线4中的Pd的含量相对于铜线4整体为0.5?I质量％,或者铜线4中的Pt的含量相对于铜线4整体为0.5?I质量％。在上述范围内时，能够兼备优异的可靠性和接合操作性。
[0046]另外，推测掺杂在铜线4中的选自Pd和Pt中的任意的金属以在Cu中固溶的状态存在。
[0047]铜线4中，通过在作为芯线的铜中掺杂0.001质量％?0.003质量％的Ba、Ca、Sr、
Be、Al或稀土金属，能够进一步改善接合强度。
[0048]铜线4使用如下所述得到铜线:将掺杂有选自Pd和Pt中的任意的金属的铜合金在熔解炉中铸造，将其铸块进行辊压延，进一步使用模具进行伸长线加工，实施一边连续地扫掠铜线一边进行加热的后热处理，从而得到铜线。
[0049]在铜线4与电极焊盘6的接合部7中，在铜线4的前端形成铜球4a。
[0050]半导体装置10可以在铜线4与电极焊盘6的接合部7形成有含有Cu和Al的CuAl合金层7a，也可以在大气中以200°C加热16小时时形成CuAl合金层7a。CuAl合金层7a包括Cu和Al的含量为各种值的合金层，Cu为铜线4所含的主要成分，Al为电极焊盘6所含的主要成分。CuAl合金层7a是通过接合时的加热或封装后的热处理使得电极焊盘6中的Al和铜球4a中的Cu扩散而产生的区域，主要含有Cu和Al。在此，所谓主要含有Cu和Al是指:相对于CuAl合金层7a整体，Cu的含量和Al的含量的合计大于50质量％，优选为80质量％以上,更优选为90质量％以上,进一步优选为95质量％以上。
[0051]CuAl合金层7a具体包括CuAl2层、和Cu含量比CuAl2层多的层。在CuAl合金层7a中，与Cu含量多的层相比，CuAl2层在CuAl合金层7a中所占的比例高。CuAl合金层7a的厚度例如可以为0.2?5 μ m。
[0052]阻挡层7b是含有选自Pd和Pt中的任意的金属的层，还可以含有Cu。具体而言，阻挡层7b中的Pd和Pt的质量比例优选为铜线4中的Pd和Pt的质量比例的1.1?2倍，更优选为1.2?1.8倍。
[0053]阻挡层7b在铜线4与电极焊盘6的接合部7中如下所述形成。
[0054]通过对铜线4与电极焊盘6的接合部7进行热处理，铜线4中的扩散速度快的Cu扩散到电极焊盘6。另一方面，铜线4中的扩散速度慢的选自Pd和Pt中的任意的金属滞留在CuAl合金层7a上，接着被浓缩，之后形成阻挡层7b。
[0055]由此，能够抑制铜线4中的Cu扩散到电极焊盘6。另外，由于能够抑制进一步扩散到CuAl合金层7a，因此能够抑制在CuAl合金层7a中Cu含量比CuAl2层多的层生长，并且能够减少Cu含量比CuAl2层多的层因封装树脂5产生的卤素被腐蚀而产生的断线。
[0056]阻挡层7b可以在将半导体装置10在大气中以200°C加热16小时时在CuAl合金层7a与铜线4之间形成，也可以预先在半导体装置10中形成阻挡层7b。
[0057]形成阻挡层7b的理由的详细情况尚不是很清楚，但可以推测如下。
[0058]可以认为:通过提高铜线4中的扩散速度慢的Pd和Pt的浓度，在铜线4与电极焊盘6接合后，能够增加滞留在接合部7附近的Pd和Pt的量，容易形成阻挡层7b ;或者，封装树脂5的175°C的弹性模量为500MPa以上15000MPa以下，由此在封装时和封装后，能够降低铜线4与电极焊盘6的界面所受到的应力，并且能够适当地限制铜线4的移动，因此防止接合部因应力而被破坏，更容易形成阻挡层；或者是这两者的结合等的理由。
[0059]阻挡层7b的厚度优选为0.01?3 μ m,更优选为0.05?2 μ m。
[0060]接合部7在与电极焊盘6的界面中，优选底面平坦。
[0061]另外，在半导体装置10中，接合部7中Pd和Pt的含量比铜线4的接合部7以外的部分中的Pd和Pt的含量高。具体而言，优选铜线4与电极焊盘6的接合部7中Pd和Pt的含量相对于铜线4与电极焊盘6的接合部7以外的部分中铜线4中的Pd和Pt的含量大于1，从高温保存特性的观点出发，更优选为1.3以上。所谓“接合部7中Pd和Pt的含量”可以是接合部7的任意区域的含量，但更优选为铜线4与电极焊盘6的界面附近的Pd和Pt的含量。
[0062]作为使接合部7中Pd和Pt的含量高于铜线4的接合部7以外的部分中Pd和Pt的含量的方法，例如可以列举:使用Pd和Pt浓度高的铜线4的方法；使用175°C的弹性模量为500MPa以上15000MPa以下的封装树脂的方法等。其机理的详细情况尚不清楚，但可以认为Pd和Pt向电极焊盘6的扩散速度慢，因此在铜线4与电极焊盘6接合后，从铜线4向电极焊盘6扩散的Pd和Pt容易滞留在接合部7。另外，可以认为利用上述弹性模量的封装树脂5，在封装时和封装后，能够降低铜线4与电极焊盘6的界面受到的应力，并且能够适当地限制铜线4的移动，因此防止接合部因应力而被破坏，提高Pd和Pt的含量。
[0063]封装树脂5是固化型树脂的固化物，具体而言，更优选使含有(A)环氧树脂和(B)固化剂的环氧树脂组合物固化而得到的固化物。
[0064]封装树脂5的175°C的弹性模量优选为500MPa以上15000MPa以下，更优选为800以上5000以下。由此，能够降低铜线4与电极焊盘6的界面受到的应力，并且能够适当地限制铜线4的移动，因此更容易形成阻挡层，能够提高高温保存特性。
[0065]作为(A)环氧树脂，是在I个分子内具有2个以上环氧基的单体、低聚物、聚合物全部，其分子量、分子结构没有特别限定，例如可以列举联苯型环氧树脂、双酚A型环氧树月旨、双酚F型环氧树脂、四甲基双酚F型环氧树脂等双酚型环氧树脂、芪型环氧树脂；苯酚线型酚醛型环氧树脂、甲酚线型酚醛型环氧树脂等线型酚醛型环氧树脂；三酚甲烷型环氧树月旨、烷基改性三酚甲烷型环氧树脂等多官能环氧树脂；具有亚苯基骨架的苯酚芳烷基型环氧树脂、具有亚联苯基骨架的苯酚芳烷基型环氧树脂等芳烷基型环氧树脂；二羟基萘型环氧树脂、将二羟基萘的二聚体缩水甘油醚化后得到的环氧树脂等萘酚型环氧树脂；异氰脲酸三缩水甘油酯、异氰脲酸单烯丙基二缩水甘油酯等含三嗪核的环氧树脂；二环戊二烯改性苯酚型环氧树脂等有桥环状烃化合物改性苯酚型环氧树脂，它们可以单独使用I种，也可以并用2种以上。
[0066]另外，上述联苯型环氧树脂、双酚A型环氧树脂、双酚F型环氧树脂、四甲基双酚F型环氧树脂等双酚型环氧树脂、芪型环氧树脂优选具有结晶性的树脂。
[0067]作为环氧树脂(A)，优选使用含有选自下述式⑴所示的环氧树脂、下述式(2)所示的环氧树脂和下述式(3)所示的环氧树脂中的至少I种的环氧树脂。
[0068]
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[0069]〔式(I)中，Ar1表示亚苯基或亚萘基，在Ar1为亚萘基时，缩水甘油醚基可以与α位、β位中的任意位置结合，Ar2表示亚苯基、亚联苯基和亚萘基中的任一个基团，R5和R6分别独立地表示碳原子数I?10的烃基，g为O?5的整数，h为O?8的整数，η3表示聚合度，其平均值为I?3。〕
[0070]
【权利要求】
1.一种半导体装置，其特征在于，具有: 搭载于基板的半导体元件； 以铝为主要成分、设置于所述半导体元件的电极焊盘； 将设置于所述基板的连接端子和所述电极焊盘连接、以铜为主要成分的铜线；和 封装所述半导体元件和所述铜线的封装树脂， 在大气中以200°c加热16小时时，在所述铜线与所述电极焊盘的接合部形成有含有选自钯和钼中的任意的金属的阻挡层。
2.如权利要求1所述的半导体装置，其特征在于: 在大气中以200°C加热16小时时形成的所述阻挡层的厚度为0.01?3μπι。
3.如权利要求1或2所述的半导体装置，其特征在于: 在大气中以200°C加热16小时时，在所述阻挡层与所述电极焊盘之间形成有铜和铝的I=Iο
4.一种半导体装置，其特征在于，具有: 搭载于基板的半导体元件； 以铝为主要成分、设置于所述半导体元件的电极焊盘； 将设置于所述基板的连接端子和所述电极焊盘连接、以铜为主要成分的铜线；和 封装所述半导体元件和所述铜线的封装树脂， 所述铜线含有选自钯和钼中的任意的金属， 所述铜线与所述电极焊盘的接合部中钯和钼的含量相对于所述铜线中的钯和钼的含量大于I。
5.如权利要求1?4中任一项所述的半导体装置，其特征在于: 所述铜线中的铜含量相对于所述铜线整体为98?99.9质量％。
6.如权利要求1?5中任一项所述的半导体装置，其特征在于: 所述基板为引线框或电路基板。
7.一种半导体装置的制造方法，其特征在于，包括: 将设置有以铝为主要成分的电极焊盘的半导体元件搭载于设置有连接端子的基板的工序； 利用以铜为主要成分的铜线，将所述连接端子和所述电极焊盘连接的工序；和 利用封装树脂封装所述半导体元件和所述铜线的工序； 在利用封装树脂封装的所述工序之后，在大气中以200°C加热16小时时，在所述铜线与所述电极焊盘的接合部形成有含有选自钯和钼中的任意的金属的阻挡层。
8.如权利要求7所述的半导体装置的制造方法，其特征在于: 在利用所述封装树脂封装的所述工序中，使用环氧树脂组合物封装成形后，以150°C?200°C进行2?16小时的后固化。
【文档编号】H01L21/56GK104205314SQ201380015809
【公开日】2014年12月10日 申请日期:2013年3月12日 优先权日:2012年3月22日
【发明者】伊藤慎吾 申请人:住友电木株式会社