DE112017008353B3 - Kupferlegierungs-Bonddrähte für Halbleiterbauteile - Google Patents

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Daizo Oda
Takashi Yamada
Motoki ETO
Teruo Haibara
Tomohiro Uno
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Nippon Micrometal Corp
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Abstract

Kupferlegierungs-Bonddraht für Halbleiterbauteile, der insgesamt 0,05 % Massenanteil oder mehr bis 3 % Massenanteil oder weniger von wenigstens einer Art oder mehreren Arten von ersten Elementen aufweist, die aus Ni, Ga, Ge, In und Ir ausgewählt sind, wobei der Kupferlegierungs-Bonddraht 0,0001 % Massenanteil oder mehr und 0,050 % Massenanteil oder weniger von einem jeden von wenigstens einer Art oder mehreren Arten von Elementen aufweist, die ausgewählt sind aus P und Mg, wobei der Rest Kupfer und unvermeidbare Verunreinigungen aufweist, und wobei der Kupferlegierungs-Bonddraht reiner bzw. nackter Kupferlegierungsdraht ist.

Description

  • Technischer Anwendungsbereich
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Kupferlegierungs-Bonddraht für Halbleiterbauteile zum Verbinden von Elektroden auf Halbleiterbauteilen mit der Verdrahtung von Leiterplatten, wie externen Leitungen.
  • Stand der Technik
  • Ein Feindraht von etwa 15 bis 50 µm im Durchmesser wird heutzutage hauptsächlich als Bonddraht für Halbleiterbauteile bzw. -vorrichtungen verwendet (im Folgenden als „Bonddraht“ bezeichnet), um die Elektroden an einem Halbleiterbauteil mit externen Leitungen zu bonden bzw. zu verbinden. Ein Verfahren zum Bonden des Bonddrahts mit den Elektroden an einem Halbleiterbauteil ist im Allgemeinen eine thermische komprimierende Bonding-Technik mittels Ultraschall, die einen allgemein üblichen Bonder verwendet, ein zum Bonden verwendetes kapillares Werkzeug, in dem der Bonddraht hindurchgeführt wird, und Ähnliches. Der Bondprozess eines Bonddrahts wird ausgeführt durch Erhitzen und Schmelzen eines Spitzenendes des Drahts durch Lichtbogenwärme, die zugeführt wird, um eine Kugel oder einen Ball (FAB: Free Air Ball) unter Oberflächenspannung zu bilden; Kompressionsbonden des Ball-Teils an bzw. auf eine Elektrode auf einem Halbleiterbauteil, das in einem Bereich von 150 bis 300 °C erwärmt wird (im Folgenden als „Ball-Bonden“ bezeichnet); Ausbilden eines Bogens (Loop); und schließlich Kompressionsbonden des Drahts an einer Elektrode an der Seite der externen Leitung (im Folgenden als „Wegde-Bonden“ bezeichnet). Zum Beispiel wird eine Elektrodenstruktur, die durch Abscheiden einer Al-basierten Legierung auf einem Si-Substrat ausgebildet wird, als Elektrode auf dem Halbleiterbauteil verwendet, an das ein Bonddraht gebondet wird, und eine Elektrodenstruktur, die mit Ag oder Pd plattiert ist, wird als Elektrode auf der Seite der externen Leitung verwendet.
  • Gold (Au) ist das gängigste Material bei Bonddrähten gewesen, wird jedoch zunehmend durch Kupfer (Cu), im Besonderen in LSI-Anwendungen, ersetzt. Indes besteht durch die in letzter Zeit auftretende Verbreitung von Elektrofahrzeugen und Hybridfahrzeugen ein wachsender Bedarf, in Anwendungen von in einem Fahrzeug angebrachten Bauteilen Au durch Cu zu ersetzen.
  • Der Kupferbonddraht, der hochreines Cu (Reinheit: 99,99 % Massenanteil oder mehr) aufweist, wurde vorgeschlagen (z. B. Patentliteratur 1). Wenn ein Kupferbonddraht verwendet wird, ist ebenso eine Bonding-Zuverlässigkeit und eine Bogenstabilität für hochdichtes Packaging erforderlich. Die Bonding-Zuverlässigkeit wird zum Zwecke der Evaluierung einer Bonding-Langlebigkeit in der tatsächlich verwendeten Umgebung von Halbleiterbauteilen evaluiert. Die Bonding-Zuverlässigkeit wird in der Regel durch einen Test des Aussetzens einer hohen Temperatur und eines Tests bei hoher Temperatur und hoher Luftfeuchtigkeit evaluiert. Ein üblicher Hochtemperatur- und Hochluftfeuchtigkeitstest ist ein als Pressure Cooker Test (PCT) bezeichneter Test, der unter den Bedingungen durchgeführt wird: Temperatur von 121 °C und relative Luftfeuchtigkeit von 100 %.
  • In der Patentliteratur 2 wird ein Kupferlegierungs-Bonddraht für Halbleiteranwendungen beschrieben, der eine Kupferlegierung aufweist, die Pd in einem Konzentrationsbereich von 0,13 bis 1,15 % Massenanteil enthält. Das Hinzufügen von Pd im obigen Konzentrationsbereich kann im PCT-Test die Zuverlässigkeit beim Erwärmen bei einer hohen Luftfeuchtigkeit verbessern.
  • Patentliteratur 3 beschreibt einen Bonddraht aus einer Kupferlegierung, der 0,001 Masse-% bis 0,1 Masse-% einer oder mehrerer Arten von Elementen, ausgewählt aus Sn, Zn, Zr, Ag, Cr und Fe, und 0. 001 Masse-% bis 2 Masse-% einer oder mehrerer Arten von Elementen, ausgewählt aus Mg, Ca, Seltenerdelementen, Ti, Hf, V, Nb, Ta, Ni, Pd, Pt, Au, Cd, B, In, Si, Ge, Pb, P, Sb, Bi, Se und Te aufweist, wobei der Rest Kupfer und unvermeidliche Verunreinigungen enthält.
  • Patentliteratur 4 beschreibt einen Bonddraht aus einer Kupferlegierung, der 98 bis 99,9 Masse-% Cu und 0,001 bis 2 Masse-% Be, Sn, Zn, Ag, Zr, Cr oder Fe enthält.
  • Patentliteratur 5 beschreibt einen Bonddraht aus einer Kupferlegierung, der 0,0001 Masse-% oder weniger einer oder mehrerer Arten von Elementen, ausgewählt aus S, Se und Te, enthält.
  • BEZUGNAHME AUF DEN STAND DER TECHNIK
  • Patentliteratur
    • Patentliteratur 1: JP S61-48543 A
    • Patentliteratur 2: WO 2010/150814 A
    • Patentliteratur 3: JP H07-70674 A
    • Patentliteratur 4: DE 31 04 960 A1
    • Patentliteratur 5: DE 39 16 168 A1
  • ÜBERSICHT ÜBER DIE ERFINDUNG
  • VON DER ERFINDUNG ZU LÖSENDES PROBLEM
  • In einem Fahrzeug angebrachte Bauteile erfordern im Vergleich zur allgemeinen elektronischen Vorrichtungen eine Bonding-Zuverlässigkeit in anspruchsvollen Umgebungen mit hoher Temperatur und hoher Luftfeuchtigkeit. Im Besonderen ist die Bonding-Langlebigkeit eines Ball-gebondeten Teils, bei dem der Ballteil des Drahts an die Elektrode gebondet ist, das größte Problem. Es wurden verschiedene Verfahren der Evaluierung der Zuverlässigkeit des Bondings in Umgebungen mit hoher Temperatur und hoher Feuchtigkeit vorgeschlagen, und ein typisches Verfahren, das seit kurzem verwendet wird, ist ein hochgradig beschleunigter Temperatur- und Luftfeuchtigkeits-Stresstest (HAST) (Test des Ausgesetztseins einer Umgebung mit einer hohen Temperatur und einer hohen Feuchtigkeit). HAST ist dadurch gekennzeichnet, dass die im Evaluierungs-Package absorbierte Luftfeuchtigkeit einheitlich ist und die Reproduzierbarkeit des Evaluierungsergebnisses hoch ist. Wenn die Bonding-Zuverlässigkeit des Ball-gebondeten Teils mit HAST evaluiert wird, wird das zu evaluierende Ball-gebondete Teil in einer Umgebung mit hoher Temperatur und hoher Luftfeuchtigkeit bei einer Temperatur von 130 °C und einer relativen Luftfeuchtigkeit von 85 % ausgesetzt, und die Bonding-Langlebigkeit des Ball-gebondeten Teils wird evaluiert, indem die Veränderung über die Zeit in einem Widerstandswert des Bonds gemessen wird und eine Veränderung über die Zeit in der Scherfestigkeit des Ball-Bonds gemessen wird. Durch Anlegen einer Vorspannung ist auch eine strengere Evaluierung als PCT möglich. Die Bonding-Langlebigkeit von 100 Stunden oder länger in HAST unter solchen Bedingungen wurde vor kurzem gefordert.
  • Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist das Bereitstellen eines Bonddrahts für Halbleiterbauteile, der für im Fahrzeug angebrachte Bauteile geeignet ist, indem die Bonding-Zuverlässigkeit des Ball-gebondeten Teils in Umgebungen mit hoher Temperatur und hoher Luftfeuchtigkeit im Bonddraht verbessert wird. Im Besonderen basiert die vorliegende Erfindung auf der Entdeckung zusätzlicher Elemente, die für einen Kupferlegierungs-Bonddraht geeignet sind, die eine ausreichende Bonding-Langlebigkeit haben und geeignete Hinzugabekonzentrationen davon haben, selbst bei HAST mit Anlegen einer Vorspannung, was ein strengeres Evaluierungsverfahren ist.
  • MITTEL ZUM LÖSEN DES PROBLEMS
  • D. h., die vorliegende Erfindung lässt sich wie folgt zusammenfassen.
    • (1) Ein Kupferlegierungs-Bonddraht für Halbleiterbauteile, der insgesamt 0,05 % Massenanteil oder mehr bis 3 % Massenanteil oder weniger von wenigstens einer Art oder mehreren Arten von ersten Elementen aufweist, die aus Ni, Ga, Ge, In und Ir ausgewählt sind, wobei der Kupferlegierungs-Bonddraht 0,0001 % Massenanteil oder mehr und 0,050 % Massenanteil oder weniger von einem jeden von wenigstens einer Art oder mehreren Arten von Elementen aufweist, die ausgewählt sind aus P und Mg, wobei der Rest Cu und unvermeidbare Verunreinigungen aufweist, und wobei der Kupferlegierungs-Bonddraht reiner bzw. nackter Kupferlegierungsdraht ist.
    • (2) Ein Kupferlegierungs-Bonddraht für Halbleiterbauteile, der insgesamt 0,05 % Massenanteil oder mehr von wenigstens einer Art oder mehreren Arten von ersten Elementen aufweist, die aus Ni, Ga, Ge, In und Ir ausgewählt sind, wobei der Kupferlegierungs-Bonddraht insgesamt 0,03 % Massenanteil oder mehr von einem jeden von wenigstens einer Art oder mehreren Arten von Elementen aufweist, die ausgewählt sind aus Rh und Pt, und die Gesamtkonzentration der Elemente und der ersten Elemente 3% Massenanteil oder weniger ist, wobei der Rest Kupfer und unvermeidbare Verunreinigungen aufweist, und wobei der Kupferlegierungs-Bonddraht reiner bzw. nackter Kupferlegierungsdraht ist.
    • (3) Kupferlegierungs-Bonddraht für Halbleiterbauteile nach Punkt (2), wobei der Kupferlegierungs-Bonddraht weiterhin 0,0001 % Massenanteil oder mehr und 0,050 % Massenanteil oder weniger von einem jeden von wenigstens einer Art oder mehreren Arten von Elementen, die ausgewählt sind aus Ti, B, P, Mg, Ca, La, As, Te und Se, bezüglich des gesamten Drahts aufweist.
    • (4) Kupferlegierungs-Bonddraht für Halbleiterbauteile nach einem der Punkte (1) bis (3), wobei eine durchschnittliche Kristallkorngröße (µm) im Kernquerschnitt in einer Richtung vertikal zu einer Drahtachse des Kupferlegierungs-Bonddrahts 0,02 × R + 0 ,4 oder mehr
      Figure DE112017008353B3_0001
      und 0,1 × R + 0 ,5 oder weniger
      Figure DE112017008353B3_0002
      beträgt, wobei R (µm) der Drahtdurchmesser ist.
    • (5) Kupferlegierungs-Bonddraht für Halbleiterbauteile nach einem der Punkte (1) bis (4), wobei eine durchschnittliche Schichtdicke von Kupferoxid auf einer Oberfläche des Drahts im Bereich von 0,0005 µm oder mehr und 0,02 µm oder weniger liegt.
    • (6) Kupferlegierungs-Bonddraht für Halbleiterbauteile nach einem der Punkte (1) bis (5), wobei der Kupferlegierungs-Bonddraht weiterhin insgesamt 0,0005 % Massenanteil oder mehr und 0,5 % Massenanteil oder weniger von wenigstens einer Art oder mehreren Arten von Elementen, die aus Ag und Au ausgewählt sind, bezüglich des gesamten Drahts aufweist.
    • (7) Kupferlegierungs-Bonddraht für Halbleiterbauteile nach einem der Punkte (1) bis (6), wobei der Kupferlegierungs-Bonddraht weiterhin 1,15 % Massenanteil oder weniger von Pd aufweist.
    • (8) Kupferlegierungs-Bonddraht für Halbleiterbauteile nach einem der Punkte (1) bis (7), wobei der Kupferlegierungs-Bonddraht zwei oder mehrere Arten von ersten Elementen aufweist, die ausgewählt sind aus Ni, Ga, Ge, In und Ir.
  • WIRKUNG DER ERFINDUNG
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung verbessert die Aufnahme von insgesamt 0,05 % Massenanteil oder mehr bis 3 % Massenanteil oder weniger von wenigstens einer Art oder mehreren Arten von Elementen, die ausgewählt sind aus Ni, Ga, Ge, Rh, In, I und Pt in einem Kupferlegierungs-Bonddraht für Halbleiterbauteile die Bond-Langlebigkeit eines Ball-gebondeten Teils in Umgebungen mit hoher Temperatur und hoher Luftfeuchtigkeit und verbessert die Bonding-Zuverlässigkeit.
  • AUSFÜHRUNGSFORM ZUM DURCHFÜHREN DER ERFINDUNG
  • <Erstes Element und dessen Wirkung>
  • Ein Kupferlegierungs-Bonddraht für Halbleiterbauteile (im Folgenden einfach als „Bonddraht“ bezeichnet) gemäß der vorliegenden Erfindung wird durch Ziehen einer Kupferlegierung ausgebildet, die insgesamt 0,05 % Massenanteil oder mehr bis 3 % Massenanteil oder weniger von wenigstens einer Art oder mehreren Arten von Elementen (auch als „erstes Element“ bezeichnet) enthält, die ausgewählt sind aus Ni, Ga, Ge, Rh, In, Ir und Pt mit dem Rest von Kupfer und unvermeidbaren Verunreinigungen. Der Bonddraht in der vorliegenden Erfindung ist eine Legierung basierend auf Kupfer und kann als ein „Kupferlegierungs-Bonddraht“ bezeichnet werden. Der Kupferlegierungs-Bonddraht für Halbleiterbauteile in der vorliegenden Erfindung ist ein Bonddraht, der keine Beschichtungsschicht basierend auf einem anderen Metall als Kupfer hat und kann als „reiner bzw. nackter Kupferlegierungsdraht“ bezeichnet werden. Der Bonddraht in der vorliegenden Erfindung kann die Bonding-Zuverlässigkeit des Ball-gebondeten Teils in Umgebungen mit hoher Temperatur und hoher Luftfeuchtigkeit verbessern, wie dies für in einem Fahrzeug angebrachte Bauteile erforderlich ist.
  • Das Formharz (Epoxidharz), das als Package eines Halbleiterbauteils dient, weist in der Molekularstruktur davon Chlor (Cl) auf. In der Umgebung mit hoher Temperatur und hoher Luftfeuchtigkeit bei 130 °C und einer relativen Luftfeuchtigkeit von 85 %, gemäß den HAST-Evaluierungsbedingungen wird Cl in der Molekularstruktur hydrolisiert und als Chloridionen (C1-) eluiert. Wenn der Bonddraht aus der Kupferlegierung an eine Al-Elektrode gebondet wird, verteilen sich Cu und Al gegenseitig in der Cu/Al-Bondschnittstelle bei einer hohen Temperatur, was zu einer Zwischenmetallverbindung Cu9Al4 führt. Cu9Al4 ist korrosionsanfällig durch Halogen wie Cl, und aus dem Gießharz eluiertes Cl beschleunigt die Korrosion, was zu einer Verringerung der Bonding-Zuverlässigkeit führt. Somit ist in einem herkömmlichen Kupferlegierungs-Bonddraht die Bonding-Lebensdauer eines Ball-gebondeten Teils in der HAST-Evaluierung nicht ausreichend.
  • Im Unterschied dazu wird in der vorliegenden Erfindung, wenn ein Kupferlegierungs-Bonddraht insgesamt 0,05 % Massenanteil oder mehr des ersten Elements (wenigstens eine Art oder mehrere Arten von Elementen ausgewählt aus Ni, Ga, Ge, Rh, In, Ir und Pt) aufweist, die Bonding-Langlebigkeit des Ball-gebondeten Teils in der HAST-Evaluierung für das Ball-gebondete Teil, das den Kupferlegierungs-Bonddraht verwendet, verbessert. Die Einbindung von insgesamt 0,05 % Massenanteil oder mehr des ersten Elements kann wahrscheinlich die Produktion der intermetallischen Verbindung Cu9Al4 am Bond unterbinden. Vorzugsweise erhöht das erste Element, das an der Cu-Al-Schnittstelle im Ball-gebondeten Teil vorhanden ist, die Wirkung des Unterbindens der Interdiffusion von Cu und Al und unterbindet in der Folge die Produktion von Cu9Al4, das in Umgebungen mit hoher Temperatur und hoher Feuchtigkeit korrosionsanfällig ist. Das im Draht enthaltene erste Element kann wirkungsvoll sein, um die Bildung von Cu9Al4 direkt zu verhindern. Das erste Element in der Nähe der Bonding-Schnittstelle dient als Barrierefunktion zum Verhindern der Bewegung des Halogen, das die Korrosion induziert, und als Steuerungsfunktion der Interdiffusion von Cu und Al und des Wachstums der intermetallischen Verbindung.
  • Ein Ball wurde mittels des Kupferlegierungs-Bonddrahts gebildet, der eine bestimmte Menge des ersten Elements aufweist, und der FAB wurde mit einem Elektronenrastermikroskop (SEM, Scanning Electron Microscope) beobachtet. Eine große Anzahl von Ablagerungen, etwa einige zehn Nanometer im Durchmesser, wurden auf der Oberfläche des FAB gefunden. Die Analyse mit einer energierdispersiven Röntgenspektroskopie (EDS) zeigte, dass das erste Element konzentriert war. Basierend auf der oben beschriebenen Situation, wenn auch der Mechanismus im Detail nicht klar ist, scheint das Vorhandensein von Ablagerungen, die auf dem FAB an der Bonding-Schnittstelle zwischen dem Ball und der Elektrode beobachtet wurden, die Bonding-Zuverlässigkeit des Ball-gebondeten Teils in einer Umgebung mit hoher Temperatur und hoher Luftfeuchtigkeit bei einer Temperatur von 130 °C und einer relativen Luftfeuchtigkeit von 85 % erheblich zu verbessern. Der Bonddraht in der vorliegenden Erfindung kann ein zufriedenstellendes Ergebnis auch in der PCT-Evaluierung erzielen, wie aus dem zufriedenstellenden Ergebnis der HAST-Evaluierung mit strengeren Bedingungen als bei der PCT-Evaluierung ersichtlich ist.
  • Angesichts der Verbesserung der Bonding-Langlebigkeit des Ball-gebondeten Teils in der Umgebung mit hoher Temperatur und hoher Luftfeuchtigkeit bei einer Temperatur von 130 °C und einer relativen Luftfeuchtigkeit von 85 % und der Verbesserung der Bonding-Zuverlässigkeit, beträgt der Gehalt des ersten Elements (auch als „Konzentration“ bezeichnet) im Draht insgesamt 0,03 % Massenanteil oder mehr, vorzugsweise 0,050 % Massenanteil oder mehr, bevorzugter 0,070 % Massenanteil oder mehr, weiter bevorzugt 0,090 % Massenanteil oder mehr, 0,100 % Massenanteil oder mehr, 0,150 % Massenanteil oder mehr, oder 0,200 % Massenanteil oder mehr. Die Konzentration von insgesamt 0,100 % Massenanteil oder mehr des ersten Elements im Draht kann die strengeren Anforderungen an die Bonding-Zuverlässigkeit erfüllen.
  • Angesichts des Erzielens einer zufriedenstellenden FAB-Form und angesichts des Unterbindens einer Erhöhung der Härte des Bonddrahts und dem Erzielen einer zufriedenstellenden Wedge-Bondfähigkeit beträgt die Konzentration des ersten Elements im Draht insgesamt 3 % Massenanteil oder weniger, vorzugsweise 2,5 % Massenanteil oder weniger, bevorzugter 2,0 % Massenanteil oder weniger, weiter bevorzugt 1,9 % Massenanteil oder weniger oder 1,5 % Massenanteil oder weniger. Durch Definition des oberen Grenzwerts des Gehalts des ersten Elements, wie oben beschrieben, ist die anfängliche Bonding-Festigkeit bei der Al-Elektrode beim Bonden mit niedrigen Temperaturen gut, und ein zufriedenstellendes Ergebnis kann angesichts des Bereitstellens eines Bond-Drahts, der hinsichtlich der Langzeitzuverlässigkeit im HAST-Test und der Prozessmarge beim Bonden an Platten und Bändern, wie einem Ball Grid Array (BGA) und Chips Size Package (CSP) exzellent ist, und angesichts der Verringerung von Chip-Beschädigungen erzielt werden. Wenn der Gehalt des ersten Elements 3,0 % Massenanteil übersteigt, ist es erforderlich, Ball-Bonden unter geringer Belastung durchzuführen, um so keine Beschädigung des Chips zu verursachen, was die ursprüngliche Bonding-Festigkeit an der Elektrode verringern und in der Folge die Zuverlässigkeit des HAST-Tests verschlechtern kann. Im Bonddraht in der vorliegenden Erfindung wird die Zuverlässigkeit im HAST-Test weiterhin durch Festlegen des Gesamtgehalts (Konzentration) des ersten Elements im bevorzugten obigen Bereich verbessert. Zum Beispiel kann die Lebensdauer des Bonddrahts, bis ein Fehler im HAST-Test auftritt, über 250 Stunden liegen. Das kann um das 1,5-Fache länger als die Lebensdauer eines herkömmlichen Cu-Bonddrahts sein und ermöglicht die Verwendung in anspruchsvollen Umgebungen.
  • Angesichts der Herstellung eines Kupferlegierungs-Bonddraht in außergewöhnlich herausragender Qualität hinsichtlich der Bonding-Langlebigkeit des Ball-gebondeten Teils in einer Umgebung mit hoher Temperatur und hoher Luftfeuchtigkeit bei einer Temperatur von 130 °C und einer relativen Luftfeuchtigkeit von 85 %, weist der Kupferlegierungs-Bonddraht für Halbleiterbauteile in der vorliegenden Erfindung vorzugsweise zwei oder mehrere Arten von Elementen (erstes Element) auf, die ausgewählt sind aus Ni, Ga, Ge, Rh, In, Ir, und Pt. Hiervon sind vorzugsweise Beispiele der Kombination des ersten Elements: Ni und Ga; Ni und Ge; Ni und In; Pt und Ga; Pt und Ge; Pt und In; Ir und Ge; Rh und Ga; Rh und In; Ni, Pt und Ga; Ni, Pt und Ge; Ni, Pt und In; Pt, Ir und Ga; Ir, Rh und Ge; und Ir, Rh und In.
  • <Durchschnittliche Korngröße des Bonddrahts>
  • Die Auswirkungen der Kristallkorngröße im Bonddraht auf die Drahtqualität wurden evaluiert. Es hat sich gezeigt, dass die durchschnittliche Kristallkorngröße im Kernquerschnitt in einer Richtung vertikal zu der Drahtachse des Bonddrahts einen bevorzugten Bereich hat, und wenn die durchschnittliche Kristallkorngröße (µm) 0,02 × R + 0 ,4 oder mehr 
    Figure DE112017008353B3_0003
     0,1 × R + 0 ,5 oder weniger 
    Figure DE112017008353B3_0004
    beträgt,
    wobei R (µm) der Drahtdurchmesser ist, sind die zerdrückte Form des Ball-gebondeten Teils und der Wedge-Bondfähigkeit zufriedenstellend.
  • Bei Messung der Kristallkorngröße ist es bevorzugt, eine elektronenrückgestreute Diffraktion (EBSD, Electron Backscattered Diffraction) zu verwenden. Die Korngröße kann mittels von in dem Bauteil installierter Analysesoftware für das Messungsergebnis durch das EBSD-Verfahren bestimmt werden. Die in der vorliegenden Erfindung definierte Kristallkorngröße ist das arithmetische Mittel des entsprechenden Durchmessers der Kristallkörner, die im Messgebiet enthalten sind (der Durchmesser eines Kreises, der der Fläche des Kristallkom entspricht).
  • <Durchschnittliche Schichtdicke des Kupferoxids auf der Drahtoberfläche>
  • In der vorliegenden Erfindung ist die durchschnittliche Schichtdicke von Kupferoxid auf der Drahtoberfläche vorzugsweise in einem Bereich von 0,0005 bis 0,02 µm. Im Kupferlegierungs-Bonddraht, der das erste Element im Konzentrationsbereich von insgesamt 0,03 bis 3 % Massenanteil aufweist, kann die durchschnittliche Schichtstärke des Kupferoxids auf der Drahtoberfläche im Bereich von 0,0005 bis 0,02 µm weiterhin den Effekt erhöhen, dass die HAST-Zuverlässigkeit auf Massenproduktionsebene in stabiler Weise verbessert wird. Wenn die Schichtstärke von Kupferoxid auf der Drahtoberfläche größer als 0,02 µm ist, tendiert der Effekt der Verbesserung der HAST-Zuverlässigkeit im Ball-gebondeten Teil des aus einer Kupferlegierung hergestellten Bonddrahts, der das erste Element aufweist, dazu zu variieren und die Bonding-Festigkeit und Ähnliches tendiert nach Erwärmen in HAST dazu, instabil zu sein. Die Variation in der HAST-Zuverlässigkeit kann signifikanter bei einem Bonddraht mit einem Drahtdurchmesser von 20 µm oder weniger sein. Der Grund, warum Kupferoxid auf der Oberfläche der Kupferlegierung, die das erste Element aufweist, zu einer instabilen HAST-Zuverlässigkeit führt, kann sein, obwohl es immer noch unklare Punkte gibt, dass die Konzentrationsverteilung des ersten Elements in der Längsrichtung des Kupferlegierungs-Bonddrahts oder in der Tiefenrichtung der Drahtoberfläche unregelmäßig ist oder das Eindringen von Sauerstoff in den Ball oder von restlichem Oxid den Effekt der Verbesserung der HAST-Zuverlässigkeit durch das erste Element unterbinden kann. In dem Kupferlegierungs-Bonddraht, der das erste Element aufweist, kann die durchschnittliche Schichtdicke von Kupferoxid in einem dünnen Bereich von 0,0005 bis 0,02 µm gesteuert werden, da die Oberflächenoxidation verzögert werden kann. Es hat sich ebenso bestätigt, dass der Kupferlegierungs-Bonddraht, der das erste Element im Konzentrationsbereich von insgesamt 0,03 bis 3 % Massenanteil aufweist, einen Verzögerungseffekt des Wachstums der Kupferoxidschicht auf der Drahtoberfläche in einem niedrigen Temperaturbereich von etwa 20 bis 40 °C im Vergleich zu einem hochreinen Kupfer hat.
  • Wenn die durchschnittliche Schichtdicke von Kupferoxid auf der Drahtoberfläche über 0,02 µm liegt, tendiert der Effekt der Verbesserung der HAST-Evaluierung dazu, zu variieren, wie oben angeführt. Wenn zum Beispiel die Anzahl der zur evaluierenden Bonds erhöht wird, ist es wahrscheinlicher, dass der Verbesserungseffekt variiert und instabil wird. Es ist daher bevorzugt, dass der obere Grenzwert der durchschnittlichen Schichtdicke von Kupferoxid auf der Drahtoberfläche 0,02 µm ist. Angesichts der Verringerung der Variation des Verbesserungseffekts ist die durchschnittliche Schichtstärke von Kupferoxid auf der Drahtoberfläche vorzugsweise 0,02 µm oder weniger, bevorzugter 0,015 µm oder weniger, weiterhin bevorzugt 0,013 µm oder weniger. Andererseits erfordert das Beibehalten der durchschnittlichen Schichtdicke des Kupferoxids auf der Drahtoberfläche von weniger als 0,0005 µm in stabiler Weise eine spezielle Oberflächenbehandlung und Produktsteuerung und kann zu einer Schwächung der Bonding-Eigenschaften und zu einem Kostenanstieg führen, was die industrielle Anpassung schwierig macht. Es ist daher bevorzugt, dass der untere Grenzwert der durchschnittlichen Schichtdicke von Kupferoxid auf der Drahtoberfläche 0,005 µm beträgt. Wenn zum Beispiel ein Beschichtungsschicht von Rost vorbeugend auf der Drahtoberfläche erhöht wird, um die durchschnittliche Schichtdicke vom Kupferoxid auf einem Wert kleiner als 0,0005 µm beizubehalten, wird die Bonding-Festigkeit verringert und die durchgehende Bonding-Fähigkeit wird verringert. Es kann industriell nicht annehmbar sein, wenn die garantierte Lebensdauer des in der Atmosphäre gelagerten Drahtprodukts zu dem Zwecke extrem verringert wird, die durchschnittliche Schichtdicke von Kupferoxid auf weniger als 0,0005 µm beizubehalten, da wenn dies so ist, der Einsatz im Massenherstellungsprozess des Drahtbonds schwierig ist und Ausschuss verursacht. Um einen industriell geeigneten Bonddraht vorzusehen, ist die durchschnittliche Schichtdicke vom Kupferoxid auf der Drahtoberfläche vorzugsweise 0,0005 µm oder mehr, bevorzugter 0,0008 µm oder mehr, weiterhin bevorzugt 0,001 µm oder mehr.
  • Für die Messung der durchschnittlichen Schichtdicke von Kupferoxid auf der Drahtoberfläche ist eine Auger-Spektroskopie, die für die Oberflächenanalyse geeignet ist, wirkungsvoll, und es ist bevorzugt, den Durchschnittswert der Schichtdicke von Kupferoxid zu verwenden, die an wenigstens drei oder mehr Punkten gemessen wird, wenn möglich an fünf oder mehr Punkten an Zufallspositionen auf der Drahtoberfläche. Die Sauerstoffkonzentration bezieht sich auf das Verhältnis der O-Konzentration zur Gesamtkonzentration von Cu-, O- und Metallelementen. Da organische Substanzen, die in der Regel Verunreinigungen der Drahtoberfläche sind, ausgeschlossen werden, ist die Menge an C nicht in der obigen Konzentrationsberechnung enthalten. Es ist bevorzugt, die Dicke der Kupferoxidschicht mittels eines Werts einer äquivalenten SiO2-Dicke zu berechnen, die im Allgemeinen in der Auger-Spektroskopie verwendet wird, da eine exakte Bestimmung des Absolutwerts der Schichtdicke von Kupferoxid schwierig ist. In der vorliegenden Erfindung wird die Sauerstoffkonzentration von 30 % Massenanteil als Grenzwert zwischen dem Kupferoxid und den Kupfermetall festgelegt. Wichtige bekannte Kupferoxide sind Cu2O und CuO, von denen Cu2O oftmals erst bei niedrigen Temperaturen (25 bis 500 °C) auf der Oberfläche einer das erste Element enthaltenden Kupferlegierung gebildet wird. Aus diesem Grund wird die Sauerstoffkonzentration von 30 % Massenanteil als Grenzwert festgelegt.
  • <Zweites Element und dessen Wirkung>
  • Der Bonddraht in der vorliegenden Erfindung weist vorzugsweise weiterhin 0,0001 bis 0,050 % Massenanteil von einem jeden von wenigstens einer Art oder mehreren Arten von Elementen (auch als „zweites Element“ bezeichnet) auf, die aus Ti, B, P, Mg, Ca, La, As, Te und Se bezüglich des gesamten Drahts ausgewählt sind. Diese Einbindung verbessert die zertrümmerte Form (crushed shape) des Ball-gebondeten Teils gemäß der Anforderung in einem hochdichtem Packaging, d. h. die Rundheit des Ball-gebondeten Teils kann verbessert werden. Eine bessere Ballform kann somit erzielt werden. Angesichts der Verbesserung des Effekts des Erzielens der Kreisförmigkeit der komprimierten Bondform des Ball-gebondeten Teils ist der Gehalt des zweiten Elements (Konzentration) vorzugsweise insgesamt 0,0001 % Massenanteil oder mehr, bevorzugter 0,0002 % Massenanteil oder mehr, weiter bevorzugt 0,0003 % Massenanteil oder mehr. Angesichts des Verhinderns einer Erhöhung der Härte des Balls und des Verhinderns der Chip-Beschädigung während des Bondens des Balls, beträgt der Gehalt des zweiten Elements vorzugsweise 0,050 % Massenanteil oder weniger, bevorzugter 0,045 % Massenanteil oder weniger, weiter bevorzugt 0,040 % Massenanteil oder weniger. Es ist bevorzugter, dass ein jedes von den zweiten Elementen in dem Betrag von 0,0005 % Massenanteil oder mehr enthalten ist, da in diesem Fall Beschädigungen im Wedge-Bond verringert werden können. Das Hinzufügen des zweiten Elements kann den Effekt der Verringerung der Kaltverfestigung erhöhen, wenn der Draht verformt wird und die Verformung des Drahts am Wedge-Bond fördern. Wenngleich der detaillierte Mechanismus unbekannt ist, ist das erste Element in Cu lösbar und das zweite Element hat eine geringe Löslichkeit in Cu und wird somit abgeschieden und ausgesondert. Diese Elemente agieren somit komplementär, um einen außergewöhnlichen Effekt auf die Verformung des Drahts am Wedge-Bond zu erzielen.
  • <Drittes Element und dessen Wirkung>
  • Es ist bevorzugt, dass der Bonddraht in der vorliegenden Erfindung weiterhin insgesamt 0,0005 bis 0,5 % Massenanteil von wenigstens einer Art oder mehreren Arten von Elementen (ebenso als „drittes Element“ bezeichnet) aufweist, das aus Ag und Au ausgewählt ist. In der Verbindung mit engem Abstand, wie bei neueren hochdichten Packagings erforderlich, ist die Verformungsform des Ball-gebondeten Teils von Bedeutung, und es ist erforderlich, krumme Formen, wie eine Blattform und Exzentrizität, zu unterbinden und eine Kreisförmigkeit zu erzielen.
  • Das Hinzufügen des dritten Elements in Kombination mit dem ersten Element erhöht den Effekt der Vereinfachung der Isotropie in der Ballverformung und erhöht die Kreisförmigkeit der komprimierten Bonding-Form. Es hat sich gezeigt, dass der Bonddraht ausreichend angepasst ist, um die Pitch-Verbindung auf 50 µm oder weniger zu verschmälern. Dieser Effekt wird wirkungsvoller erzielt, wenn der Gehalt des dritten Elements insgesamt 0,005 % Massenanteil oder mehr beträgt. Angesichts der Verbesserung des Effekts der Erhöhung der Kreisförmigkeit der komprimierten Bonding-Form des Ball-gebondeten Teil, ist der Gehalt des dritten Elements vorzugsweise insgesamt 0,0005 % Massenanteil oder mehr, bevorzugter 0,0007 % Massenanteil oder mehr, weiter bevorzugt 0,001 % Massenanteil oder mehr. Angesichts der Bildung einer zufriedenstellenden FAB-Form ist der Gehalt des dritten Elements vorzugsweise 0,5 % Massenanteil oder weniger, bevorzugter 0,4 % Massenanteil oder weniger, weiter bevorzugt 0,3 % Massenanteil oder weniger. Andererseits, wenn der Gehalt des dritten Elements über 0,5 % Massenanteil insgesamt liegt, kann sich die FAB-Form verschlechtern. Die Einbindung von Au in den Bonddraht erhöht die Rekristallisierungstemperatur und verhindert eine dynamische Rekristallisierung während des Ziehen des Drahts, sodass die Arbeitsstruktur einheitlich ist und die Kristallkorngröße nach der Wärmebehandlung relativ einheitlich ist. Die Bruchdehnung des Drahts wird somit verbessert und stabile Drahtbögen können während des Bondens ausgebildet werden. Wenn weiterhin Au enthalten ist, wird die enthaltene Menge vorzugsweise so bestimmt, dass die Gesamtheit der ersten Elemente im Draht 0,1 % Massenanteil übersteigt. Der Bonddraht in der vorliegenden Erfindung kann weiterhin das dritte Element zusammen mit dem zweiten Element aufweisen oder kann das dritte Element anstelle des zweiten Elements aufweisen.
  • <Einbeziehung von PD und dessen Wirkung>
  • Der Bonddraht in der vorliegenden Erfindung weist weiterhin vorzugsweise Pd in einem Bereich von 1,5 % Massenanteil oder weniger auf. Die Einbeziehung kann die Zuverlässigkeit des Ball-Bonds beim Erwärmen unter hoher Luftfeuchtigkeit weiter verbessern. Wenn Pd im Bonddraht im obigen Konzentrationsbereich enthalten ist, kann Pd an der Bonding-Schnittstelle diffundieren oder sich hier konzentrieren, um die Interdiffusion von Cu und Al zu beeinflussen, wodurch die Korrosionsreaktion der intermetallischen Cu-Al-Verbindung, die auf der Bondingschnittstelle des Ball-gebondeten Teils aufwächst, verzögert wird. Angesichts der außergewöhnlichen Erhöhung der Zuverlässigkeit bei HAST ist der Pd-Gehalt vorzugsweise 1,15 % Massenanteil oder weniger, bevorzugter 1,0 % Massenanteil oder weniger, weiter bevorzugt 0,9 % Massenanteil oder weniger. Wenn andererseits die Pd-Konzentration über 1,15 % Massenanteil liegt, kann die Bogenform variieren und die Wedge-Bonding-Fähigkeit kann aufgrund der Erhöhung in der Festigkeit des Drahts bei Zimmertemperatur und der Festigkeit bei hoher Temperatur verringert werden. Es ist daher bevorzugt, dass die Obergrenze des Pd-Gehalts 1,15 % Massenanteil ist. Der Bonddraht in der vorliegenden Erfindung kann Pd zusammen mit dem zweiten Element und/oder dem dritten Element aufweisen oder kann Pd anstelle von einem oder von beiden von dem zweiten Element und dem dritten Element aufweisen.
  • <Herstellungsverfahren des Bonddrahts>
  • Ein Überblick über das Herstellungsverfahrens des Bonddrahts für Halbleiterbauteile in der vorliegenden Erfindung wird beschrieben.
  • Eine Kupferlegierung, die ein weiteres Element in einer erforderlichen Konzentration aufweist, wird durch Schmelzen von hochreinem Kupfer mit einer Kupferreinheit von 4 N bis 6 N (99,99 bis 99,9999 % Massenanteil) hergestellt. Ein Lichtbogenofen, ein Hochfrequenzofen, ein Widerstandsschmelzofen usw. können zum Schmelzen verwendet werden. Um die Aufnahme von Gas wie O2 und H2 in der Luft zu verhindern, wird das Schmelzen vorzugsweise in einer Vakuumatmosphäre oder einer inerten Atmosphäre, wie Ar und N2 durchgeführt. In der Folge wird die Schmelze im Ofen langsam abgekühlt, um einen Gussblock zu liefern (Festmetallguss). Die Oberfläche des Gussblocks wird mit Säure und Wasser gewaschen und dann getrocknet. Eine induktiv gekoppelte Plasma-(ICP-)Analyse kann zur Analyse der Konzentration des weiteren Elements in Kupfer wirkungsvoll sein.
  • Dieses Legieren weist ein Verfahren des direkten Hinzufügens einer hochreinen Komponente und ein Verfahren der Verwendung einer Mutterlegierung auf, die ein weiteres Element in einer hohen Konzentration von etwa 1 % enthält. Das Verfahren der Verwendung einer Mutterlegierung ist wirkungsvoll, um eine geringe Konzentration hinzuzufügen und die Elementverteilung einheitlich zu gestalten. Bei den hinzugefügten Komponenten der vorliegenden Erfindung, wenn eine relativ hohe Konzentration von 0,5 % Massenanteil oder mehr des ersten Elements enthalten ist, kann hochreines direktes Hinzufügen verwendet werden. Um eine geringe Konzentration des ersten Elements und des zweiten Elements in stabiler Weise aufzunehmen, ist das Verfahren des Hinzufügens einer Mutterlegierung wirkungsvoll.
  • Zusätzlich zu dem ersten Element, dem zweiten Element, dem dritten Element und anderen Elementen im Bonddraht kann anstelle des Verfahrens des Hinzufügens von Elementen während des Schmelzens, wie oben beschrieben, das Legierungselement an der Oberfläche des Bonddrahts angebracht werden. Dieses Verfahren kann den Effekt der vorliegenden Erfindung wie oben beschrieben verwirklichen.
  • Während des Drahtherstellungsprozesses kann eine Legierungskomponente an der Drahtoberfläche angebracht werden. In diesem Fall kann dieser Prozess in einen beliebigen Prozess im Drahtherstellungsprozess eingeschalten werden oder kann mehrere Male durchgeführt werden oder kann in mehrere Prozesse eingeschalten werden. Ein Anbringungsverfahren kann ausgewählt werden aus (1) Aufbringen einer wässrigen Lösung, Trocknen und dann Wärmebehandeln, (2) Plattieren (nass) und (3) Dampfabscheiden (trocken).
  • Ein hergestellte Kupferlegierungsmasse wird erst durch Walzen zu einem größeren Durchmesser verarbeitet und dann auf den finalen Drahtdurchmesser durch das Ziehen des Drahtes ausgedünnt. Im Walzprozess werden zum Beispiel Nut-förmige Walzen, Tiefziehen oder Gesenkschmieden verwendet. Im Drahtziehprozess wird eine Maschine zum fortlaufenden Ziehen des Drahtes eingesetzt, in der mehrere diamantbeschichtete Matrizen vorgegeben sein können. Wenn erforderlich, wird die Wärmebehandlung während der Verarbeitung oder am finalen Drahtdurchmesser durchgeführt.
  • Wenn der Kupferlegierungs-Bonddraht das erste Element aufweist, wird die Materialfestigkeit (Härte) des Drahts erhöht. Daher ist beim Drahtziehen des Bonddrahts das Flächenreduktionsverhältnis im Draht so niedrig wie 5 bis 8 %. In der Wärmebehandlung nach dem Drahtziehen wurde eine Wärmebehandlung mit einer Temperatur von 700 °C oder höher aufgrund der hohen Härte durchgeführt, um den Draht bis zu einem für einen Bonddraht geeigneten Niveau weicher zu machen. Aufgrund der hohen Wärmebehandlungstemperatur ist die durchschnittliche Kristallkorngröße (µm) im Kernquerschnitt größer als (0,1 x R + 0,5) (wobei R der Drahtdurchmesser (µm) ist), und die Wedge-Bondfähigkeit wird etwas verringert. Wenn andererseits die Wärmebehandlungstemperatur verringert wird, ist die durchschnittliche Kristallkorngröße (µm) im Kernquerschnitt kleiner als (0,02 x R + 0,4) und in der Folge wird die zertrümmerte Form des Ball-gebondeten Teils etwas verschlechtert.
  • Dann ist es in der vorliegenden Erfindung bevorzugt, dass das Flächenreduktionsverhältnis auf 10 % oder mehr in wenigstens der Hälfte aller Matrizen beim Drahtziehen mittels Matrizen festgelegt wird und die Wärmebehandlungstemperatur nach den Drahtziehen wird auf eine niedrige Temperatur von 600 °C oder niedriger festgelegt. In der Folge fällt die durchschnittliche Kristallkorngröße (µm) im Kernquerschnitt in der Richtung vertikal zur Drahtachse des Bonddraht in einen bevorzugten Bereich von (0,02 x R + 0,4 oder mehr, 0,1 x R + 0,5 oder weniger) (wobei R der Drahtdurchmesser (µm) ist). Die neueste Drahtziehtechnik wird angewendet, das Schmiermittel ist dergestalt ausgestaltet, dass die Konzentration des im Schmiermittel enthaltenen nicht-ionischen Benetzungsmittels höher ist als das herkömmlicherweise verwendete, die Matrizenform ist so ausgestaltet, dass der Annäherungswinkel der Matrize flacher als der herkömmliche ist, und die Kühlwassertemperatur für Matrizen niedriger als die herkömmliche festgelegt ist. Die Synergie dieser Vorgabewerte ermöglicht ein Drahtziehen in einem Flächenreduktionsverhältnis von 10 % oder mehr, trotz einer erhöhten Härte durch Einbinden von insgesamt 0,03 % Massenanteil oder mehr des ersten Elements in den Bonddraht der Kupferlegierung.
  • Aufgrund der Herstellungsbedingung zum Steuern der durchschnittlichen Schichtdicke von Kupferoxid auf der Drahtoberfläche im Bereich von 0,0005 bis 0,02 µm auf Massenproduktionsebene ist es bevorzugt, die Oxidation im Drahtherstellungsprozess zu unterbinden. Um die Bildung vom Kupferoxid im Wärmebehandlungsprozess zu steuern, ist es wirkungsvoll, zum Beispiel die Temperatur (200 bis 850 °C), die Fließrate (1 bis 81/min.) des Inertgases im Wärmebehandlungsprozess und die Sauerstoffkonzentration im Ofen zu steuern. Es ist wirkungsvoll, die Sauerstoffkonzentration so zu regulieren, dass der in der Mitte des Ofens gemessene Konzentrationsbereich 0,1 bis 6 Volumenprozent beträgt. Die Sauerstoffkonzentration kann in dem obigen Bereich beibehalten werden, indem zum Beispiel eine geeignete Gasflussrate beibehalten wird und das Einfließen von Außenluft in den Wärmebehandlungsofen verhindert wird, in dem die Form des Eingangs und des Ausgangs des Ofens modifiziert werden. Weiterhin ist auf der Massenproduktionsebene das Steuern des Drahtziehens ebenso wünschenswert. Zum Beispiel ist es wirkungsvoll, Feuchtigkeit auf der Drahtoberfläche durch Trocknen aktiv zu entfernen (Blasen von Heißluft mit 40 bis 60 °C), bevor der Draht nach einem Durchgang im Drahtziehprozess in Wasser aufgewickelt wird und die Luftfeuchtigkeit im Aufbewahrungsraum während der Herstellungsprozesses zu steuern (relative Luftfeuchtigkeit von 60 % oder weniger im Aufbewahrungsraum für 2 Tage oder länger).
  • BEISPIELE
  • Im Folgenden wird der Bonddraht gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung spezifisch anhand von Beispielen beschrieben.
  • (Proben)
  • Als Erstes wird das Verfahren zum Herstellen einer Probe beschrieben. Cu mit einer Reinheit von 99,99 % Massenanteil oder mehr (im vorliegenden Beispiel 6N (verwendet wurde dasjenige mit einer Konzentration von 99,9999 % Massenanteil oder mehr) mit dem Rest der unvermeidbaren Verunreinigungen wurde als Rohmaterial des Kerns verwendet. Das erste Element, das zweite Element, das dritte Element und Pd, die eine Reinheit von 99 % Massenanteil oder mehr mit dem Rest der unvermeidbaren Verunreinigungen haben, wurden verwendet. Um die Zusammensetzung des Drahts oder des Kerns wie beabsichtigt zu verwirklichen, wurden weitere Elemente für den Kern, d. h. Legierungselemente, die das erste Element, das zweite Element, das dritte Element und Pd aufwiesen, hergestellt. Wenngleich die Elemente einzeln hergestellt werden können, kann eine Cu-Mutterlegierung, die ein weiteres Element aufweist, vorab erzeugt werden, und dann so hergestellt werden, um die gewünschte Hinzugabemenge zu erzielen, wenn das Element alleine einen hohen Schmelzpunkt hat oder die hinzugegebene Menge extrem klein ist.
  • Die Kupferlegierung wurde durch fortlaufendes Gießen hergestellt, um so einen Drahtdurchmesser von einigen wenigen Millimetern zu erhalten. Die resultierende Legierung mit einigen wenigen Millimetern wurde gezogen, um einen Draht mit einem Durchmesser von 0,3 bis 1,4 mm zu ergeben. Beim Drahtziehen wurde ein handelsübliches Schmier- bzw. Ziehmittel verwendet und die Drahtzieherrate lag bei 20 bis 150 m/min. Mit Ausnahme einiger Beispiele wurde das Säurewaschen mit Chlorwasserstoffsäure oder Ähnlichem durchgeführt, um eine Oxidschicht auf der Drahtoberfläche zu entfernen. In der Folge wurde das Drahtziehen mithilfe von Matrizen durchgeführt, in denen wenigstens die Hälfte aller Matrizen ein Flächenreduktionsverhältnis von 10 bis 21 % hatte, und in der Zwischenzeit wurde eine Wärmebehandlung von 200 bis 600°C ein- bis dreimal durchgeführt, was zu einem Durchmesser von 20 µm oder einen Durchmesser von 18 µm führte. Nach der Verarbeitung wurde die Wärmebehandlung so durchgeführt, dass die finale Bruchdehnung zwischen 5 bis 15 % lag. Die Wärmebehandlung wurde durch fortlaufendes Bestreichen des Drahts und Zuführen von N2- oder Ar-Gas durchgeführt. Die Drahtzufuhrgeschwindigkeit betrug 10 bis 90 m/min, die Wärmebehandlungstemperatur lag bei 350 bis 600°C und die Wärmebehandlungszeit lag zwischen 1 und 10 Sekunden. Bei dem Herstellungsprozess in den Beispielen 6, 10, 11, 23, 55, 56, 62 und 77 war die Wärmebehandlungstemperatur in den Beispielen 11 und 56 niedrig, 300°C oder niedriger und die Wärmebehandlungstemperatur in den Beispielen 6, 10, 55, 62 und 77 war hoch, 700°C oder höher.
  • (Evaluierungsverfahren)
  • [Elementgehalt]
  • Die Gehalte der Legierungselemente im Draht wurden mit einem ICP-Optischen Emissionsspektrometer analysiert.
  • [Kristallkorngröße]
  • Die Kristallkorngröße wurde mithilfe des EBSD-Verfahrens bestimmt. Zur Analyse der EBSD-Messdaten wurde dedizierte Software (zum Beispiel OIM Analysis, hergestellt von TSL Solutions) verwendet. Die Kristallkorngröße ist das arithmetische Mittel von entsprechenden Durchmessern (der Durchmesser eines Kreises entsprechend zur Fläche des Kristallkorns) von Kristallkörnern, die in dem Meßgebiet enthalten sind.
  • [Durchschnittliche Schichtdicke des Kupferoxids>
  • Für die Messung der durchschnittlichen Schichtdicke von Kupferoxid auf der Drahtoberfläche wurde eine Tiefenanalyse mittels Auger-Spektroskopie durchgeführt, und der Durchschnittswert der Schichtdicke des Kupferoxids, das an wenigstens drei Punkten oder mehr an Zufallspositionen gemessen wurde, wurde verwendet. Durch Sputtern von Ar-Ionen wurde die Messung in der Tiefenrichtung durchgeführt, und die Einheit der Tiefe ist die der entsprechenden SiO2-Dicke. Die Sauerstoffkonzentration von 30 % Massenanteil wird als Grenzwert zwischen dem Kupferoxid und den Metallkupfer festgelegt. Wie im vorliegenden Dokument verwendet, ist die Sauerstoffkonzentration das Verhältnis der Sauerstoffkonzentration zur Gesamtkonzentration der Cu-, O- und Metallelemente. Bei der Messung wurde ein SAM-670 (Typ FE, hergestellt von PHI Inc.) verwendet, die Messung wurde mit einer Beschleunigungsspannung von Elektronenstrahlen von 5 kV, dem Messbereich von 10 nA, der Beschleunigungsspannung von Ar-Ionen-Sputtern von 3 kV und einer Sputterrate von 11 nm/min durchgeführt. Die Messergebnisse der durchschnittlichen Schichtstärke des Kupferoxids sind in der Spalte „Durchschnittliche Schichtstärke von Kupferoxid“ in jeder Tabelle angegeben.
  • [HAST]
  • Stichproben für die Evaluierung der Bonding-Zuverlässigkeit wurden hergestellt und einer HAST-Evaluierung unterzogen, und die Bonding-Zuverlässigkeit des Ball-gebondeten Teils in einer Umgebung mit hoher Temperatur und hoher Luftfeuchtigkeit oder einer Umgebung mit einer hohen Temperatur wurde durch die Bonding-Langlebigkeit des Ball-gebondeten Teils bestimmt. Stichproben für die Evaluierung der Bonding-Zuverlässigkeit wurden durch Durchführen von Ball-Bonden mittels eines kommerziell verfügbaren Drahtbonders an Elektroden durchgeführt, in dem eine Al-1,0% Si -0,5%-Cu-Legierung in einer Stärke von 0,8 µm auf ein Si-Substrat auf einem üblichen Metallrahmen abgeschieden wurde, gefolgt von einer Kapselung mit einem handelsüblichen Epoxidharz. Die Bälle wurden gebildet, während N2+5%H2-Gas mit einer Fließrate von 0,4 bis 0,6 1/min zugeleitet wurde, und deren Größe lag im Durchmesser im Bereich von 33 bis 34 µm.
  • Bei der HAST-Evaluierung wurde ein Druckkocher des ungesättigten Typs verwendet und die hergestellten Probe zum Evaluieren der Bonding-Zuverlässigkeit wurde in einer Umgebung mit hoher Temperatur und hoher Luftfeuchtigkeit mit einer Temperatur von 130 °C und einer relativen Luftfeuchtigkeit von 85 % ausgesetzt, und eine Vorspannung von 7 V wurde angelegt. Ein Scherfestigkeitstest wurde an dem Ball-gebondeten Teil alle 48 Stunden durchgeführt, und der Zeitpunkt, an dem der Scherfestigkeitswert die Hälfte der anfangs erhaltenen Scherfestigkeit betrug, wurde als die Bonding-Langlebigkeit des Ball-gebondeten Teils bestimmt. Der Scherfestigkeitstest nach dem Test bei hoher Temperatur und hoher Luftfeuchtigkeit wurde durch Entfernen des Kunstharzes durch eine Säurebehandlung durchgeführt, um das Ball-gebondete Teil freizulegen.
  • Ein von DAGE hergestellter Tester wurde als Scherfestigkeitstester in der HAST-Evaluierung verwendet. Der Wert der Scherfestigkeit ist der Durchschnittswert der Werte, die an zehn nach dem Zufallsprinzip ausgewählten Punkten im Ball-gebondeten Teil gemessen werden. In der obigen Evaluierung wurde eine Bonding-Langlebigkeit von unter 96 Stunden als praktisch nicht akzeptabel bestimmt und wurde mit einem „Kreuz“-Symbol markiert, zwischen 96 Stunden und weniger als 144 Stunden wurde als praktikabel aber mit einigen Problemen behaftet bestimmt und wurde mit einem „Dreieck“-Symbol markiert, zwischen 144 Stunden bis weniger als 192 Stunden wurde als praktisch akzeptabel bestimmt und mit einem „Kreis“-Symbol markiert, 192 Stunden oder länger wurde als exzellent bestimmt und mit einem „Doppelkreis“-Symbol in der Spalte „HAST“ in jeder Tabelle markiert. Nur das Symbol „Kreuz“ gibt ein Misslingen an, die anderen Symbole geben das Bestehen an.
  • [FAB-Form]
  • Bei der Evaluierung der Ball-Formbarkeit (FAB-Form) im Ball wurden die Bälle vor dem Bonden herangezogen und begutachtet, und das Vorhandensein/Fehlen von Leerstellen an der Balloberfläche und das Vorhandensein/Fehlen von Verformungen des Balls, der kugelförmig sein sollte, wurden bestimmt. Wenn eines davon auftrat, wurde die Probe als fehlerhaft bestimmt. Die Bälle wurden gebildet, in dem N2-Gas mit einer Fließrate von 0,5 1/min eingeblasen wurde, um die Oxidation im Schmelzprozess zu unterbinden. Der Durchmesser des Balls war 1,7-Mal so groß wie der Drahtdurchmesser. Für eine Bedingung wurden 50 Bälle begutachtet. Ein SEM wurde zur Begutachtung verwendet. In der Evaluierung der Ballbildbarkeit wurde ein Fall, indem 5 oder mehr Fehler auftraten, als problematisch bestimmt, und mit einem „Kreuz“-Symbol markiert, ein Fall von 3 oder 4 Fehlern wurde als praktikabel, aber etwas problematisch bestimmt und mit einem „Dreieck“-Symbol markiert, ein Fall von einem Fehler oder zwei Fehlern wurde als kein Problem bestimmt und mit einem „Kreis“-Symbol markiert, und ein Fall, in dem kein Fehler auftrat, wurde als exzellent bestimmt und mit einem „Doppelkreis“ in der Spalte „FAB-Form“ in jeder Tabelle markiert. Nur das Symbol „Kreuz“ gibt ein Misslingen an, die anderen Symbole geben das Bestehen an.
  • [Wedge-Bondfähigkeit]
  • Die Wedge-Bondfähigkeit im Draht-gebondeten Teil wurde durch Bonden von 1000 Drähten an Leitungen eines Leitungsrahmens evaluiert und durch die Häufigkeit der Trennung der Bonds bestimmt. Der verwendete Leitungsrahmen war ein Leitungsrahmen aus einer Fe-42 at %-Ni-Legierung mit 1 bis 3 µm plattiertem Ag. In dieser Evaluierung wurden strengere Bedingungen als üblich herangezogen, die Stage-Temperatur wurde mit 150 °C niedriger als der typische Festlegungsbereich der Temperatur festgelegt. In der obigen Evaluierung wurde ein Fall, bei dem 11 oder mehr Fehler auftraten, als nicht akzeptabel bestimmt und mit einem „Kreuz“-Symbol markiert, ein Fall von 6 oder 10 Fehlern wurde als praktikabel, aber etwas problematisch bestimmt und mit einem „Dreieck“-Symbol markiert, ein Fall von 1 bis 5 Fehlern wurde als akzeptabel bestimmt und mit einem „Kreis“-Symbol markiert, und ein fehlerfreier Fall wurde als exzellent bestimmt und mit einem „Doppelkreis“ in der Spalte „Wedge-Bondfähigkeit“ in jeder Tabelle markiert. Nur das Symbol „Kreuz“ gibt ein Misslingen an, die anderen Symbole geben das Bestehen an.
  • [Zerdrückte Form]
  • In der Evaluierung der zerdrückten Form des Ball-gebondeten Teils wurde der Ball-gebondete Teil von oben direkt nach dem Bonden begutachtet und die Kreisförmigkeit wurde bestimmt. Für ein Bonding-Gegenstück wurde eine Elektrode verwendet, in der eine Al-0,5 %-Cu-Legierung als eine Schicht mit einer Stärke von 1,0 µm auf einem Si-Substrat ausgebildet wurde. Ein optisches Mikroskop wurde zur Begutachtung verwendet und für eine Bedingung wurden 200 Punkte begutachtet. Als fehlerhaft wurden eine elliptische Form mit einer großen Abweichung von einem perfekten Kreis und eine Anisotropie in der Verformung in der zerdrückten Form des Ball-gebondeten Teils bestimmt. In der obigen Evaluierung wurde ein Fall, bei dem 6 oder mehr Fehler auftraten, als nicht akzeptabel bestimmt und mit einem „Kreuz“-Symbol markiert, ein Fall von 4 oder 5 Fehlern wurde als praktikabel, aber etwas problematisch bestimmt und mit einem „Dreieck“-Symbol markiert, ein Fall von 1 bis 3 Fehlern wurde als akzeptabel bestimmt und mit einem „Kreis“-Symbol markiert, und ein Fall, in dem ein gewünschter Kreis erhalten wurde, wurde als besonders exzellent bestimmt und mit einem „Doppelkreis“ in der Spalte „Zerdrückte Form“ in jeder Tabelle markiert.
    Figure DE112017008353B3_0005
    Figure DE112017008353B3_0006
    Figure DE112017008353B3_0007
    Figure DE112017008353B3_0008
    Figure DE112017008353B3_0009
    Figure DE112017008353B3_0010
  • (Evaluierungsergebnis)
  • Wie in Tabelle 1 und 2 dargestellt, wurde für die Kupferlegierungs-Bonddrähte in den Beispielen 1 bis 103, in denen die Konzentration des ersten Elements insgesamt 0,05 bis 3,0 % Masseanteil beträgt, bestätigt, dass im HAST-Test in einer Umgebung mit hoher Temperatur und hoher Luftfeuchtigkeit bei einer Temperatur von 130 °C und einer relativen Luftfeuchtigkeit von 85 % die Bonding-Zuverlässigkeit des Ball-gebondeten Teils erzielt wird.
  • In allen Bonddrähten in den Beispielen 1 bis 103, in denen die durchschnittliche Schichtdicke des Kupferoxids auf der Drahtoberfläche im Bereich von 0,0005 bis 0,02 µm liegt, ist das HAST-Evaluierungsergebnis zufriedenstellend.
  • Von den Bonddrähten in den Beispielen liegt in den Bonddrähten in den Beispielen 1 bis 5, 7 bis 9, 12 bis 22, 24 bis 54, 57 bis 61, 63 bis 69, 71 bis 76 und 78 bis 103, in denen das Flächenreduktionsverhältnis beim Drahtziehen bei 10 % oder mehr in wenigstens der Hälfte aller Matrizen liegt und die Wärmebehandlungstemperatur bei der Wärmebehandlung nach dem Drahtziehen 600 °C oder niedriger ist, die durchschnittliche Kristallkorngröße (µm) im Kernquerschnitt in der Richtung vertikal zur Drahtachse des Bonddrahts im Bereich von 0,02 x R + 0,4 oder mehr bis 0,1 x R + 0,5 oder weniger (wobei R der Drahtdurchmesser (µm) ist). Wenn hier die Evaluierungsergebnisse der Beispiele 7 bis 14 mit dem Gehalt des ersten Elements von 0,8 bis 1,0 % Massenanteil verglichen werden, sind die Wedge-Bondfähigkeit und die zerdrückte Form des Ball-Bonds besser im Bonddraht mit einer durchschnittlichen Kristallkorngröße im obigen Bereich (Beispiel 7 bis 9, Beispiele 12 bis 14) als im Bonddraht mit der durchschnittlichen Kristallkorngröße außerhalb des obigen Bereichs (Beispiele 10 und 11). Dieses Ergebnis gibt an, dass wenn die durchschnittliche Kristallkorngröße (µm) im Kernquerschnitt in der Richtung vertikal zur Drahtachse des Bonddrahts im Bereich von 0,02 x R + 0,4 oder mehr, oder 0,1 x R + 0,5 oder weniger (wobei R der Drahtdurchmesser (µm) ist) liegt, die Wedge-Bondfähigkeit und die zerdrückte Form des Ball-Bonds zufriedenstellend sind.
  • Im Beispiel 11 ist die durchschnittliche Kristallkorngröße kleiner als der untere Grenzwert des bevorzugten Bereichs, da die Wärmebehandlungstemperatur niedrig ist, 300 °C oder niedriger, und die Wedge-Bondfähigkeit ist ein „Dreieck“ und etwas schlechter.
  • Im Beispiel 10 übersteigt die durchschnittliche Kristallkorngröße den oberen Grenzwert des bevorzugten Bereichs, da die Wärmebehandlungstemperatur hoch ist, 700 °C oder höher. In der Folge ist im Beispiel 10 die zerdrückte Form ein „Dreieck“ und etwas schlechter.
  • In den Bonddrähten in den Beispielen 24 bis 43, die zwei oder mehrere erste Elemente aufweisen, ist das Ergebnis des HAST-Tests zufriedenstellender als in den Bonddrähten in den Beispielen 7 bis 14, die ein erstes Element mit dem entsprechenden Gehalt aufweisen. Dieses Ergebnis gibt an, dass bei dem Bonddraht, der zwei oder mehrere erste Elemente aufweist, die Ball-Bond-Zuverlässigkeit im HAST-Test in einer Umgebung mit hoher Temperatur und hoher Luftfeuchtigkeit bei einer Temperatur von 130 °C und einer relativen Luftfeuchtigkeit von 85 % sogar noch zufriedenstellender ist.
  • Von dem Bonddrähten in den Beispielen weisen die Bonddrähte in den Beispielen 44 bis 66 weiterhin 0,001 bis 0,050 % Massenanteil eines jeden von den zweiten Elementen auf, wobei die zerdrückte Form des Ball-gebondeten Teils zufriedenstellend ist.
  • Von dem Bonddrähten in den Beispielen weisen die Bonddrähte in den Beispielen 67 bis 92 insgesamt 0,0005 bis 0,5 % Massenanteil von wenigstens einer Art oder mehreren Arten von Elementen (drittes Element) ausgewählt aus Ag und Au auf, wobei die zerdrückte Form des Ball-gebondeten Teils zufriedenstellend ist.
  • Von den Bonddrähten in den Beispielen weisen die Bonddrähte in den Beispielen 93 bis 103 weiterhin 1,15 % Massenanteil oder weniger an Pd auf. Es wurde bestätigt, dass die Bonding-Zuverlässigkeit des Ball-gebondeten Teils im HAST-Test in einer Umgebung mit hoher Temperatur und hoher Luftfeuchtigkeit bei einer Temperatur von 130 °C und einer relativen Luftfeuchtigkeit von 85 % sogar noch zufriedenstellender ist.
  • Von den Bonddrähten in den Beispielen weisen die Bonddrähte in den Beispielen 75, 76, 84, 85 und 90 bis 92 0,0001 bis 0,050 % Massenanteil eines jeden von den zweiten Elementen und insgesamt 0,0005 bis 0,07 % Massenanteil von wenigstens einer Art oder mehreren Arten von Elementen (drittes Element) ausgewählt aus Ag und Au zusätzlich zum ersten Element auf, wobei alle von den HAST-Evaluierungsergebnissen, die Wedge-Bondfähigkeit und die zerdrückte Form des Ball-gebondeten Teils zufriedenstellend sind. Unter anderem ist in den Beispielen 75 und 76, die zwei oder mehrere erste Elemente aufweisen, das HAST-Evaluierungsergebnis besonders gut.
  • Von dem Bonddrähten in den Beispielen weisen die Bonddrähte in den Beispielen 98 bis 99 weiterhin 0,0001 bis 0,050 % Massenanteil eines jeden von den zweiten Elementen und 1,15 % Massenanteil oder weniger an Pd, zusätzlich zum ersten Element auf, wobei das HAST-Evaluierungsergebnis sogar noch zufriedenstellender ist, die FAB-Form, die Wedge-Bondfähigkeit und die zerdrückte Form des Ball-gebondeten Teils zufriedenstellend sind.
  • Andererseits wird bei den Bonddrähten der Vergleichsbeispiele für die Bonddrähte in den Vergleichsbeispielen 3 und 4, in denen die Gesamtkonzentration des ersten Elements geringer als 0,03 % Massenanteil ist, die Bonding-Zuverlässigkeit des Ball-gebondeten Teils im HAST-Test nicht erreicht, und für die Bonddrähte in den Vergleichsbeispielen 1, 2, 5 und 6, in denen die Gesamtkonzentration des ersten Elements höher als 3 % Massenanteil ist, sind die FAB-Form und die Wedge-Bondfähigkeit schlecht.

Claims (8)

  1. Kupferlegierungs-Bonddraht für Halbleiterbauteile, der insgesamt 0,05 % Massenanteil oder mehr bis 3 % Massenanteil oder weniger von wenigstens einer Art oder mehreren Arten von ersten Elementen aufweist, die aus Ni, Ga, Ge, In und Ir ausgewählt sind, wobei der Kupferlegierungs-Bonddraht 0,0001 % Massenanteil oder mehr und 0,050 % Massenanteil oder weniger von einem jeden von wenigstens einer Art oder mehreren Arten von Elementen aufweist, die ausgewählt sind aus P und Mg, wobei der Rest Kupfer und unvermeidbare Verunreinigungen aufweist, und wobei der Kupferlegierungs-Bonddraht reiner bzw. nackter Kupferlegierungsdraht ist.
  2. Kupferlegierungs-Bonddraht für Halbleiterbauteile, der insgesamt 0,05 % Massenanteil oder mehr von wenigstens einer Art oder mehreren Arten von ersten Elementen aufweist, die aus Ni, Ga, Ge, In und Ir ausgewählt sind, wobei der Kupferlegierungs-Bonddraht insgesamt 0,03 % Massenanteil oder mehr von einem jeden von wenigstens einer Art oder mehreren Arten von Elementen aufweist, die ausgewählt sind aus Rh und Pt, und die Gesamtkonzentration der Elemente und der ersten Elemente 3% Massenanteil oder weniger ist, wobei der Rest Kupfer und unvermeidbare Verunreinigungen aufweist, und wobei der Kupferlegierungs-Bonddraht reiner bzw. nackter Kupferlegierungsdraht ist.
  3. Kupferlegierungs-Bonddraht für Halbleiterbauteile nach Anspruch 2, wobei der Kupferlegierungs-Bonddraht weiterhin 0,0001 % Massenanteil oder mehr und 0,050 % Massenanteil oder weniger von einem jeden von wenigstens einer Art oder mehreren Arten von Elementen, die ausgewählt sind aus Ti, B, P, Mg, Ca, La, As, Te und Se, bezüglich des gesamten Drahts aufweist.
  4. Kupferlegierungs-Bonddraht für Halbleiterbauteile nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei eine durchschnittliche Kristallkorngröße (µm) im Kernquerschnitt in einer Richtung vertikal zu einer Drahtachse des Kupferlegierungs-Bonddrahts 0,02 × R + 0 ,4 oder mehr 
    Figure DE112017008353B3_0011
    und 0,1 × R + 0 ,5 oder weniger
    Figure DE112017008353B3_0012
    beträgt, wobei R (µm) der Drahtdurchmesser ist.
  5. Kupferlegierungs-Bonddraht für Halbleiterbauteile nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei eine durchschnittliche Schichtdicke von Kupferoxid auf einer Oberfläche des Drahts in einem Bereich von 0,0005 µm oder mehr und 0,02 µm oder weniger liegt.
  6. Kupferlegierungs-Bonddraht für Halbleiterbauteile nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Kupferlegierungs-Bonddraht weiterhin insgesamt 0,0005 % Massenanteil oder mehr und 0,5 % Massenanteil oder weniger von wenigstens einer Art oder mehreren Arten von Elementen, die aus Ag und Au ausgewählt sind, bezüglich des gesamten Drahts aufweist.
  7. Kupferlegierungs-Bonddraht für Halbleiterbauteile nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Kupferlegierungs-Bonddraht weiterhin 1,15 % Massenanteil oder weniger an Pd aufweist.
  8. Kupferlegierungs-Bonddraht für Halbleiterbauteile nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Kupferlegierungs-Bonddraht zwei oder mehrere Arten von ersten Elementen aufweist, die ausgewählt sind aus Ni, Ga, Ge, In und Ir.
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