JP2001308133A - ワイヤをウェッジ接合した半導体装置および金合金ボンディングワイヤ - Google Patents
ワイヤをウェッジ接合した半導体装置および金合金ボンディングワイヤInfo
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- H01L2224/48617—Principal constituent of the connecting portion of the wire connector being Gold (Au) with a principal constituent of the bonding area being a metal or a metalloid, e.g. boron (B), silicon (Si), germanium (Ge), arsenic (As), antimony (Sb), tellurium (Te) and polonium (Po), and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than or equal to 400°C and less than 950 °C
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Abstract
(57)【要約】 （修正有）
【課題】 狭ピッチ化に適した金ワイヤと電極膜とのウ
ェッジ接合における優れた、接合性および長期信頼性を
確保する。 【解決手段】 金合金ボンディングワイヤ１を電極膜３
上にウェッジ接合する場合は、その接合部においてワイ
ヤ圧着厚さの最小値Ｄと電極膜厚ｔの関係を、４ｔ＋２
≦Ｄ（μｍ）とする。また電極膜３上に金属バンプ２を
形成し、そのバンプ２上に金合金ボンディングワイヤ１
をウェッジ接合する場合はそのバンプ２の高さＨを２ｔ
＋２≦Ｈ≦６ｔ＋５０（μｍ）とする。
ェッジ接合における優れた、接合性および長期信頼性を
確保する。 【解決手段】 金合金ボンディングワイヤ１を電極膜３
上にウェッジ接合する場合は、その接合部においてワイ
ヤ圧着厚さの最小値Ｄと電極膜厚ｔの関係を、４ｔ＋２
≦Ｄ（μｍ）とする。また電極膜３上に金属バンプ２を
形成し、そのバンプ２上に金合金ボンディングワイヤ１
をウェッジ接合する場合はそのバンプ２の高さＨを２ｔ
＋２≦Ｈ≦６ｔ＋５０（μｍ）とする。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、金ボンディングワ
イヤを用いて、半導体素子上の電極と外部端子とを電気
的に接続する半導体装置に関する。
イヤを用いて、半導体素子上の電極と外部端子とを電気
的に接続する半導体装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】現在半導体素子上の電極と外部リードと
の間を接合するボンディングワイヤとしては、線径２０
−５０μｍ程度の金ボンディングワイヤが主として使用
されている。金合金細線の接合技術としては超音波併用
熱圧着方式が一般的である。金細線先端をアーク入熱で
加熱溶融し、表面張力によりボールを形成させた後に、
１５０〜３００℃の範囲内で加熱した半導体素子の電極
上にこのボール部を圧着接合せしめた後に、さらに外部
リード側との接続を超音波圧着する方法である。トラン
ジスタやＩＣなどの半導体素子として使用するために
は、前記の金合金細線によるボンディングの後に、Ｓｉ
チップ、ボンディングワイヤ、およびＳｉチップが取り
付けられた部分のリードフレームを、これらを保護する
目的で熱樹脂封止する。
の間を接合するボンディングワイヤとしては、線径２０
−５０μｍ程度の金ボンディングワイヤが主として使用
されている。金合金細線の接合技術としては超音波併用
熱圧着方式が一般的である。金細線先端をアーク入熱で
加熱溶融し、表面張力によりボールを形成させた後に、
１５０〜３００℃の範囲内で加熱した半導体素子の電極
上にこのボール部を圧着接合せしめた後に、さらに外部
リード側との接続を超音波圧着する方法である。トラン
ジスタやＩＣなどの半導体素子として使用するために
は、前記の金合金細線によるボンディングの後に、Ｓｉ
チップ、ボンディングワイヤ、およびＳｉチップが取り
付けられた部分のリードフレームを、これらを保護する
目的で熱樹脂封止する。
【０００３】半導体素子上の電極膜に用いられる材質
は、現在、ＡｌまたはＡｌ合金が主流である。最近、半
導体素子の高集積化が進むに従い、ＣｕまたはＣｕ合金
の電極膜が使用されて始めており、またＣｕの酸化防止
などを目的として、表面にＡｌ層またはＡｕ層が形成さ
れたＣｕまたはＣｕ合金の電極膜も実用化されている。
は、現在、ＡｌまたはＡｌ合金が主流である。最近、半
導体素子の高集積化が進むに従い、ＣｕまたはＣｕ合金
の電極膜が使用されて始めており、またＣｕの酸化防止
などを目的として、表面にＡｌ層またはＡｕ層が形成さ
れたＣｕまたはＣｕ合金の電極膜も実用化されている。
【０００４】半導体素子の高集積化、高密度化の傾向に
より、金ボンディングワイヤの狭ピッチ接合が必要とな
っており、近年、金ボンディングワイヤの高強度細線
化、狭ピッチ接合技術などが進歩してきている。しか
し、狭ピッチ化が進むに従い、隣接するボール接合部の
接触、あるいはキャピラリ冶具の先端形状の加工限界な
どの制約が問題となる。
より、金ボンディングワイヤの狭ピッチ接合が必要とな
っており、近年、金ボンディングワイヤの高強度細線
化、狭ピッチ接合技術などが進歩してきている。しか
し、狭ピッチ化が進むに従い、隣接するボール接合部の
接触、あるいはキャピラリ冶具の先端形状の加工限界な
どの制約が問題となる。
【０００５】従来のボール接合よりも狭ピッチに好適な
接合として、ボール部を介さないで直接ワイヤを電極に
接合するウェッジ接合がある。この接合では、ボールを
形成しないため熱影響部がなくループ曲がりが低く抑え
られるなど、狭ピッチ接合の点で有利となる。しかし、
ウェッジ接合法では超音波印加の方向性の制約などによ
り、生産性が低下することなどの問題があり、金ワイヤ
によるウェッジ接合はほとんど実用化されておらず、現
在でも金ワイヤではボール接合が主流である。
接合として、ボール部を介さないで直接ワイヤを電極に
接合するウェッジ接合がある。この接合では、ボールを
形成しないため熱影響部がなくループ曲がりが低く抑え
られるなど、狭ピッチ接合の点で有利となる。しかし、
ウェッジ接合法では超音波印加の方向性の制約などによ
り、生産性が低下することなどの問題があり、金ワイヤ
によるウェッジ接合はほとんど実用化されておらず、現
在でも金ワイヤではボール接合が主流である。
【０００６】アルミ合金細線によるウェッジ接合は、セ
ラッミックスパッケージされる半導体素子に利用されて
いる。アルミ合金細線では、半導体素子上のアルミ電極
との接合部において同種金属の接合により、高信頼性が
得られる利点がある。しかし、アルミ合金細線を樹脂封
止する半導体素子に使用すると、外部から侵入した水分
などによりアルミ合金細線が腐食することが問題となる
ので、アルミ合金細線は樹脂封止パッケージへの適用は
困難である。従って、アルミ合金細線の用途は限定さ
れ、しかも線径は１００−５００μｍ程度の太径で使用
される場合がほとんどである。
ラッミックスパッケージされる半導体素子に利用されて
いる。アルミ合金細線では、半導体素子上のアルミ電極
との接合部において同種金属の接合により、高信頼性が
得られる利点がある。しかし、アルミ合金細線を樹脂封
止する半導体素子に使用すると、外部から侵入した水分
などによりアルミ合金細線が腐食することが問題となる
ので、アルミ合金細線は樹脂封止パッケージへの適用は
困難である。従って、アルミ合金細線の用途は限定さ
れ、しかも線径は１００−５００μｍ程度の太径で使用
される場合がほとんどである。
【０００７】従来のウェッジ接合は、ボール接合に比し
て生産性が低いことが問題とされてきたが、ボンディン
グ装置の性能向上などにより、ウェッジ接合でもボール
接合に匹敵する生産性が期待される。
て生産性が低いことが問題とされてきたが、ボンディン
グ装置の性能向上などにより、ウェッジ接合でもボール
接合に匹敵する生産性が期待される。
【０００８】今後、半導体実装の主流である樹脂封止パ
ッケージにおいて、狭ピッチ化に適した、金合金細線を
ウェッジ接合する半導体装置が所望されている。
ッケージにおいて、狭ピッチ化に適した、金合金細線を
ウェッジ接合する半導体装置が所望されている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】金ワイヤのウェッジ接
合法は、接続材料が金とアルミである点に関しては金ワ
イヤのボール接合法と類似しており、また、ワイヤを電
極上に直接接合する点では、アルミ合金細線のウェッジ
接合法と類似する。しかしながら、従来のボール接合技
術およびアルミ合金細線の接合技術を用いただけでは、
金ワイヤのウェッジ接合において接合性および信頼性を
確保することは困難であり、具体的な問題について下述
する。
合法は、接続材料が金とアルミである点に関しては金ワ
イヤのボール接合法と類似しており、また、ワイヤを電
極上に直接接合する点では、アルミ合金細線のウェッジ
接合法と類似する。しかしながら、従来のボール接合技
術およびアルミ合金細線の接合技術を用いただけでは、
金ワイヤのウェッジ接合において接合性および信頼性を
確保することは困難であり、具体的な問題について下述
する。
【００１０】ウェッジ接合ではワイヤを直接接合するた
め、ワイヤ径の１．４〜２．５倍のボール部を接合する
ボール接合法と比べて接合面積が減少することなどの理
由から、ボール接合の場合のような良好な金属接合を得
ることが難しい。金合金細線のウェッジ接合でも、荷重
を高めれば接合強度を増加することはできるものの、ワ
イヤも過剰に変形させてしまうため、ワイヤ断面積の減
少および過大な加工に伴ないワイヤ強度を著しく低下さ
せることが問題となる。特に、接合部近傍の最弱部で
は、ループ形成時あるいは使用時にワイヤ破断に至る不
良が発生してしまう。一方、アルミ合金細線によるウェ
ッジ接合では、こうした接合部近傍での破断はほとんど
問題とならない。その理由として、アルミ／アルミの同
種金属接合のため接合強度が得やすいこと、また現行の
アルミ合金細線は金ワイヤの数十倍の太径であるため金
ワイヤと比較して変形挙動が異なることなどが挙げられ
る。つまり、太径のアルミ合金細線では、ワイヤ断面積
の減少も非常に少ないため、接合部近傍でのワイヤ強度
も十分確保することができる。
め、ワイヤ径の１．４〜２．５倍のボール部を接合する
ボール接合法と比べて接合面積が減少することなどの理
由から、ボール接合の場合のような良好な金属接合を得
ることが難しい。金合金細線のウェッジ接合でも、荷重
を高めれば接合強度を増加することはできるものの、ワ
イヤも過剰に変形させてしまうため、ワイヤ断面積の減
少および過大な加工に伴ないワイヤ強度を著しく低下さ
せることが問題となる。特に、接合部近傍の最弱部で
は、ループ形成時あるいは使用時にワイヤ破断に至る不
良が発生してしまう。一方、アルミ合金細線によるウェ
ッジ接合では、こうした接合部近傍での破断はほとんど
問題とならない。その理由として、アルミ／アルミの同
種金属接合のため接合強度が得やすいこと、また現行の
アルミ合金細線は金ワイヤの数十倍の太径であるため金
ワイヤと比較して変形挙動が異なることなどが挙げられ
る。つまり、太径のアルミ合金細線では、ワイヤ断面積
の減少も非常に少ないため、接合部近傍でのワイヤ強度
も十分確保することができる。
【００１１】しかしながら、金ワイヤのウェッジ接合で
は狭ピッチ接合への対応が求められており、荷重、超音
波振動などの接合条件だけの改善では、高速ボンディン
グ時の量産性を高め、接合強度を確保することが困難で
ある。一方、金ワイヤの変形量を減らすと、接合強度の
低下をもたらす。これは、従来のボール接合に比べてウ
ェッジ接合では、接合面積を高めるのが困難であり、破
断を起こさないための変形許容量に制限があるなどの要
因が関連している。先述したように、こうした問題はア
ルミ合金細線では問題とならず、金ワイヤのウェッジ接
合に特有の問題と考えられる。金ワイヤのウェッジ接合
では、ワイヤ破断を起こさないで、しかも接合強度を確
保することが課題となる。
は狭ピッチ接合への対応が求められており、荷重、超音
波振動などの接合条件だけの改善では、高速ボンディン
グ時の量産性を高め、接合強度を確保することが困難で
ある。一方、金ワイヤの変形量を減らすと、接合強度の
低下をもたらす。これは、従来のボール接合に比べてウ
ェッジ接合では、接合面積を高めるのが困難であり、破
断を起こさないための変形許容量に制限があるなどの要
因が関連している。先述したように、こうした問題はア
ルミ合金細線では問題とならず、金ワイヤのウェッジ接
合に特有の問題と考えられる。金ワイヤのウェッジ接合
では、ワイヤ破断を起こさないで、しかも接合強度を確
保することが課題となる。
【００１２】また、半導体装置の高周波化により動作時
の発熱量が増大し、また半導体の使用環境は自動車のエ
ンジン周辺などのように高温に曝されることなどから、
接合部の長期信頼性に関する要求が高まっている。金ボ
ール部と電極膜の接合部では、長期信頼性は良好であっ
た。しかしながら、金ワイヤと電極膜とのウェッジ接合
部では、長時間加熱されると接合強度が低下することが
問題となる。この高温加熱における接合強度の低下は、
接合不良の原因であり、金ワイヤのウェッジ接合の実用
化を制約する一因となっていた。
の発熱量が増大し、また半導体の使用環境は自動車のエ
ンジン周辺などのように高温に曝されることなどから、
接合部の長期信頼性に関する要求が高まっている。金ボ
ール部と電極膜の接合部では、長期信頼性は良好であっ
た。しかしながら、金ワイヤと電極膜とのウェッジ接合
部では、長時間加熱されると接合強度が低下することが
問題となる。この高温加熱における接合強度の低下は、
接合不良の原因であり、金ワイヤのウェッジ接合の実用
化を制約する一因となっていた。
【００１３】こうしたＡｕワイヤのウェッジ接合に関す
る問題は、アルミ電極膜に限られたことでなく、電極材
質がＣｕおよびＣｕ合金、またＡｌ層またはＡｕ層を上
層とするＣｕまたはＣｕ合金の電極膜の場合にも、Ａｕ
ワイヤをウェッジ接合した場合に接合性および長期信頼
性が低下する問題が懸念されている。
る問題は、アルミ電極膜に限られたことでなく、電極材
質がＣｕおよびＣｕ合金、またＡｌ層またはＡｕ層を上
層とするＣｕまたはＣｕ合金の電極膜の場合にも、Ａｕ
ワイヤをウェッジ接合した場合に接合性および長期信頼
性が低下する問題が懸念されている。
【００１４】本発明は、金ワイヤと電極膜とのウェッジ
接合部において、接合性および長期信頼性に優れた半導
体装置を提供することを目的とする。
接合部において、接合性および長期信頼性に優れた半導
体装置を提供することを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】本発明者等は前述した観
点から、金ワイヤと電極膜とのウェッジ接合部における
接合性および長期信頼性の支配要因について調査した結
果、各接合部位の形態、厚さ、寸法、硬さなどが接合性
および長期信頼性に密接に関係していること、または金
属バンプを介して金ワイヤと電極膜を接合させ、しかも
その金属バンプの厚さ、寸法、硬さが接合性および長期
信頼性に密接に関係していることを見出した。
点から、金ワイヤと電極膜とのウェッジ接合部における
接合性および長期信頼性の支配要因について調査した結
果、各接合部位の形態、厚さ、寸法、硬さなどが接合性
および長期信頼性に密接に関係していること、または金
属バンプを介して金ワイヤと電極膜を接合させ、しかも
その金属バンプの厚さ、寸法、硬さが接合性および長期
信頼性に密接に関係していることを見出した。
【００１６】すなわち、本発明は以下の構成を要旨とす
る。 （１） 金合金ボンディングワイヤが電極膜上にウェッ
ジ接合され、その接合部においてワイヤ圧着厚さの最小
値Ｄと電極膜厚ｔの関係が、４ｔ＋２≦Ｄ（μｍ）であ
ることを特徴とする半導体装置。 （２） さらにワイヤのビッカース硬度Ｈｗと電極膜の
ビッカース硬度Ｈｐの関係がＨｐ＋５≦Ｈｗ≦２Ｈｐ＋
２０であることを特徴とする上記（１）に記載の半導体
装置。 （３） 半導体素子上の膜厚ｔの電極膜上に、金属バン
プあるいは、Ａｕ層またはＡｕ合金層を表面に形成され
た金属バンプが形成され、そのバンプ上に金合金ボンデ
ィングワイヤがウェッジ接合されており、そのバンプ高
さＨが２ｔ＋２≦Ｈ≦６ｔ＋５０（μｍ）であることを
特徴とする半導体装置。 （４） さらにバンプのワイヤ結線方向に対して垂直方
向の長さＳと平行方向の長さＬの関係が１．３Ｗ≦Ｓ≦
４Ｗ、１．５Ｗ≦Ｌ≦５Ｗであることを特徴とする上記
（３）に記載の半導体装置。 （５） バンプのビッカース硬度Ｈｂとワイヤのビッカ
ース硬度Ｈｗの関係がＨｗ−１０≦Ｈｂ≦２Ｈｗである
ことを特徴とする上記（３）に記載の半導体装置。 （６） さらにチップ面と平行な断面でみたバンプ内の
平均径Ｇとワイヤ径Ｗの関係が、０．０５Ｗ≦Ｇ≦０．
７Ｗの範囲であることを特徴とする上記（３）に記載の
半導体装置。 （７） 半導体素子上の膜厚ｔの電極膜上に、金属バン
プが形成され、そのバンプ上に金合金ボンディングワイ
ヤがウェッジ接合されており、且つそのバンプ高さＨが
２ｔ＋２≦Ｈ≦６ｔ＋５０（μｍ）であり、さらにバン
プのワイヤ結線方向に対して垂直方向の長さＳと平行方
向の長さＬの関係が１．３Ｗ≦Ｓ≦４Ｗ、１．５Ｗ≦Ｌ
≦５Ｗであり、さらにバンプのビッカース硬度Ｈｂとワ
イヤのビッカース硬度Ｈｗの関係がＨｗ−１０≦Ｈｂ≦
２Ｈｗの範囲であることを特徴とする半導体装置。 （８） 引張破断強度Ｆ（ＭＰａ）が８０〜４００ＭＰ
ａで、破断伸びＣ（％）が１〜９％であり、さらに強度
Ｆと伸びＣの関係が１５０≦Ｆ・Ｃ≦２５００の範囲で
あり、純度が９９質量％以上の金であることを特徴とす
る半導体用の金合金ボンディングワイヤ。
る。 （１） 金合金ボンディングワイヤが電極膜上にウェッ
ジ接合され、その接合部においてワイヤ圧着厚さの最小
値Ｄと電極膜厚ｔの関係が、４ｔ＋２≦Ｄ（μｍ）であ
ることを特徴とする半導体装置。 （２） さらにワイヤのビッカース硬度Ｈｗと電極膜の
ビッカース硬度Ｈｐの関係がＨｐ＋５≦Ｈｗ≦２Ｈｐ＋
２０であることを特徴とする上記（１）に記載の半導体
装置。 （３） 半導体素子上の膜厚ｔの電極膜上に、金属バン
プあるいは、Ａｕ層またはＡｕ合金層を表面に形成され
た金属バンプが形成され、そのバンプ上に金合金ボンデ
ィングワイヤがウェッジ接合されており、そのバンプ高
さＨが２ｔ＋２≦Ｈ≦６ｔ＋５０（μｍ）であることを
特徴とする半導体装置。 （４） さらにバンプのワイヤ結線方向に対して垂直方
向の長さＳと平行方向の長さＬの関係が１．３Ｗ≦Ｓ≦
４Ｗ、１．５Ｗ≦Ｌ≦５Ｗであることを特徴とする上記
（３）に記載の半導体装置。 （５） バンプのビッカース硬度Ｈｂとワイヤのビッカ
ース硬度Ｈｗの関係がＨｗ−１０≦Ｈｂ≦２Ｈｗである
ことを特徴とする上記（３）に記載の半導体装置。 （６） さらにチップ面と平行な断面でみたバンプ内の
平均径Ｇとワイヤ径Ｗの関係が、０．０５Ｗ≦Ｇ≦０．
７Ｗの範囲であることを特徴とする上記（３）に記載の
半導体装置。 （７） 半導体素子上の膜厚ｔの電極膜上に、金属バン
プが形成され、そのバンプ上に金合金ボンディングワイ
ヤがウェッジ接合されており、且つそのバンプ高さＨが
２ｔ＋２≦Ｈ≦６ｔ＋５０（μｍ）であり、さらにバン
プのワイヤ結線方向に対して垂直方向の長さＳと平行方
向の長さＬの関係が１．３Ｗ≦Ｓ≦４Ｗ、１．５Ｗ≦Ｌ
≦５Ｗであり、さらにバンプのビッカース硬度Ｈｂとワ
イヤのビッカース硬度Ｈｗの関係がＨｗ−１０≦Ｈｂ≦
２Ｈｗの範囲であることを特徴とする半導体装置。 （８） 引張破断強度Ｆ（ＭＰａ）が８０〜４００ＭＰ
ａで、破断伸びＣ（％）が１〜９％であり、さらに強度
Ｆと伸びＣの関係が１５０≦Ｆ・Ｃ≦２５００の範囲で
あり、純度が９９質量％以上の金であることを特徴とす
る半導体用の金合金ボンディングワイヤ。
【００１７】
【発明の実施の形態】以下に、本発明に係わる半導体装
置およびワイヤなどの構成についてさらに説明する。
置およびワイヤなどの構成についてさらに説明する。
【００１８】本発明者らは、金ワイヤを電極上に接合す
るという点ではボール接合法とウェッジ接合法は類似し
ているものの、接合プロセス、キャピラリ冶具、接合部
形態、寸法などの相違により、両者は接合性、長期信頼
性が異なることを明らかにした。先述したように、金ワ
イヤのウェッジ接合法では、ボール接合に比べて長期信
頼性および接合性が低下することが問題であり、本発明
者らは鋭意研究した結果、長期信頼性および接合性を向
上させるためのワイヤ、電極膜、バンプなど各部位の構
造（形態、厚さ、寸法、硬さ）について初めて見出し
た。具体的な接合構造と長期信頼性および接合性との関
係について下述する。
るという点ではボール接合法とウェッジ接合法は類似し
ているものの、接合プロセス、キャピラリ冶具、接合部
形態、寸法などの相違により、両者は接合性、長期信頼
性が異なることを明らかにした。先述したように、金ワ
イヤのウェッジ接合法では、ボール接合に比べて長期信
頼性および接合性が低下することが問題であり、本発明
者らは鋭意研究した結果、長期信頼性および接合性を向
上させるためのワイヤ、電極膜、バンプなど各部位の構
造（形態、厚さ、寸法、硬さ）について初めて見出し
た。具体的な接合構造と長期信頼性および接合性との関
係について下述する。
【００１９】金ワイヤとアルミ電極膜との接合部が高温
に曝されると、接合界面ではＡｕ−Ａｌ化合物相が成長
し、この化合物相の成長が接合性および長期信頼性と関
連しており、従来のＡｕワイヤのボール接合では、良好
な接合性および長期信頼性を比較的容易に確保できるこ
とが知られていた。本発明者らはウェッジ接合部の拡散
挙動を詳細に調査した結果、ボール接合とウェッジ接合
では、Ａｕの厚みなどの供給量の差異により、化合物相
の成長挙動が異なることを見出した。
に曝されると、接合界面ではＡｕ−Ａｌ化合物相が成長
し、この化合物相の成長が接合性および長期信頼性と関
連しており、従来のＡｕワイヤのボール接合では、良好
な接合性および長期信頼性を比較的容易に確保できるこ
とが知られていた。本発明者らはウェッジ接合部の拡散
挙動を詳細に調査した結果、ボール接合とウェッジ接合
では、Ａｕの厚みなどの供給量の差異により、化合物相
の成長挙動が異なることを見出した。
【００２０】金ボールを用いた接合部では、金ボール部
の厚さはアルミ電極膜厚よりも十分厚いため、拡散が進
行して接合部直下のアルミ電極膜中におけるＡｌ層が消
失する。その後も、金ボール部にはＡｕが十分に存在し
ているのでＡｕ原子の供給が継続されるため、化合物相
はよりＡｕ−ｒｉｃｈな相（主にＡｕ4Ａｌ相）へと変
化する。
の厚さはアルミ電極膜厚よりも十分厚いため、拡散が進
行して接合部直下のアルミ電極膜中におけるＡｌ層が消
失する。その後も、金ボール部にはＡｕが十分に存在し
ているのでＡｕ原子の供給が継続されるため、化合物相
はよりＡｕ−ｒｉｃｈな相（主にＡｕ4Ａｌ相）へと変
化する。
【００２１】それに比して、ウェッジ接合では、ワイヤ
の圧着厚さがボール接合と比して小さいため、原子の拡
散が十分進行すると、接合部でのアルミ電極のＡｌと金
ワイヤ部のＡｕともに拡散に消費されてしまう。その後
はＡｕ原子が供給されなくなるため、ウェッジ接合部で
成長する化合物相は、ボール接合の場合と比べてＡｌ−
ｒｉｃｈな相（例えばＡｕ2Ａｌ、ＡｕＡｌ2相）とな
る。こうしたボール接合とは異なる化合物相が成長する
ことが、ウェッジ接合において長期信頼性を低下させて
いる原因であることを明らかにした。
の圧着厚さがボール接合と比して小さいため、原子の拡
散が十分進行すると、接合部でのアルミ電極のＡｌと金
ワイヤ部のＡｕともに拡散に消費されてしまう。その後
はＡｕ原子が供給されなくなるため、ウェッジ接合部で
成長する化合物相は、ボール接合の場合と比べてＡｌ−
ｒｉｃｈな相（例えばＡｕ2Ａｌ、ＡｕＡｌ2相）とな
る。こうしたボール接合とは異なる化合物相が成長する
ことが、ウェッジ接合において長期信頼性を低下させて
いる原因であることを明らかにした。
【００２２】こうした機構を踏まえて、ウェッジ接合で
の長期信頼性および接合性を向上する方策を検討したと
ころ、電極膜に対する金ワイヤ圧着部の相対的な厚さを
制御することが有効であることを見出した。ここで図１
にウェッジ接合部位を水平方向からみた図を示す。図１
では、線径Ｗの金ワイヤ１が、厚さｔの電極膜上にウェ
ッジ接合され、その接合部においてワイヤ圧着厚さの最
小値がＤであることを示している。
の長期信頼性および接合性を向上する方策を検討したと
ころ、電極膜に対する金ワイヤ圧着部の相対的な厚さを
制御することが有効であることを見出した。ここで図１
にウェッジ接合部位を水平方向からみた図を示す。図１
では、線径Ｗの金ワイヤ１が、厚さｔの電極膜上にウェ
ッジ接合され、その接合部においてワイヤ圧着厚さの最
小値がＤであることを示している。
【００２３】金ワイヤのウェッジ接合では、図１に示す
ように、ワイヤ圧着厚さの最小値Ｄと電極膜厚ｔの関係
が、４ｔ＋２≦Ｄ（μｍ）であれば、接合直下のアルミ
膜中のＡｌ層が消失するまでＡｕの拡散が進行しても、
金ワイヤ部位が拡散供給源として機能することにより、
加熱後の接合強度の低下が抑えられ、高い信頼性を確保
できる。
ように、ワイヤ圧着厚さの最小値Ｄと電極膜厚ｔの関係
が、４ｔ＋２≦Ｄ（μｍ）であれば、接合直下のアルミ
膜中のＡｌ層が消失するまでＡｕの拡散が進行しても、
金ワイヤ部位が拡散供給源として機能することにより、
加熱後の接合強度の低下が抑えられ、高い信頼性を確保
できる。
【００２４】上記のようなウェッジ接合を行うために
は、従来のアルミ合金細線のウェッジ接合における接合
技術および冶具などをそのまま適用して、金ワイヤを電
極膜上に接合するだけでは、上記のワイヤ圧着厚さと電
極膜厚の関係を満足させることはできない。上記のワイ
ヤ圧着厚さを得るためには、例えば、金ワイヤへの合金
化元素の添加あるいは、製造における伸線、熱処理など
の組合せにより金ワイヤを硬化させたり、また、アルミ
膜の合金化、スパッタ製法の適正化により、接合時にお
けるアルミ電極膜の変形を抑えることなどが有効であ
る。その他、接合時の荷重、超音波振動を調整したり、
ワイヤに接するキャピラリ先端の寸法、曲率などの選定
により、ワイヤ圧着厚さを適正化することが可能であ
る。
は、従来のアルミ合金細線のウェッジ接合における接合
技術および冶具などをそのまま適用して、金ワイヤを電
極膜上に接合するだけでは、上記のワイヤ圧着厚さと電
極膜厚の関係を満足させることはできない。上記のワイ
ヤ圧着厚さを得るためには、例えば、金ワイヤへの合金
化元素の添加あるいは、製造における伸線、熱処理など
の組合せにより金ワイヤを硬化させたり、また、アルミ
膜の合金化、スパッタ製法の適正化により、接合時にお
けるアルミ電極膜の変形を抑えることなどが有効であ
る。その他、接合時の荷重、超音波振動を調整したり、
ワイヤに接するキャピラリ先端の寸法、曲率などの選定
により、ワイヤ圧着厚さを適正化することが可能であ
る。
【００２５】さらに、ワイヤと電極膜の硬さがウェッジ
接合での接合性と密接に関係することを見出した。つま
り、ウェッジ接合での接合性を高めるためには、ワイヤ
および電極膜それぞれのビッカース硬さＨｗ、Ｈｐの関
係がＨｐ＋５≦Ｈｗ≦２Ｈｐ＋２０であると好ましい。
これは、金ワイヤの硬さがこの範囲であれば、ウェッジ
接合時に荷重、超音波を印加してワイヤをある程度変形
させることにより、アルミ電極表面の酸化膜を破壊して
良好な金属接合が得られ、さらに加熱後の信頼性も高め
られるためである。ここでの接合性として、ワイヤ破断
強度の低下を抑えつつ接合強度を確保する必要があり、
それを判定する基準として、ワイヤ自身の破断強度に対
するウェッジ接合部近傍での破断強度の割合Ｒが１／４
以上であることが望ましいことを見出した。ワイヤ硬さ
Ｈｗと電極膜の硬さＨｐの関係が上記範囲内であれば、
この割合Ｒを１／４以上にできるため、良好な接合性が
得られるが、Ｈｗ＜Ｈｐ＋５となると金ワイヤがアルミ
電極と比して軟らかいため主にワイヤが変形し、Ａｌ酸
化膜の破壊が十分進まず接合強度を高めるのが困難であ
り、またＨｗ＞２Ｈｐ＋２０となると、金ワイヤがアル
ミ電極と比して過剰に硬くなり接合時に電極下のチップ
に損傷を与えてしまう。
接合での接合性と密接に関係することを見出した。つま
り、ウェッジ接合での接合性を高めるためには、ワイヤ
および電極膜それぞれのビッカース硬さＨｗ、Ｈｐの関
係がＨｐ＋５≦Ｈｗ≦２Ｈｐ＋２０であると好ましい。
これは、金ワイヤの硬さがこの範囲であれば、ウェッジ
接合時に荷重、超音波を印加してワイヤをある程度変形
させることにより、アルミ電極表面の酸化膜を破壊して
良好な金属接合が得られ、さらに加熱後の信頼性も高め
られるためである。ここでの接合性として、ワイヤ破断
強度の低下を抑えつつ接合強度を確保する必要があり、
それを判定する基準として、ワイヤ自身の破断強度に対
するウェッジ接合部近傍での破断強度の割合Ｒが１／４
以上であることが望ましいことを見出した。ワイヤ硬さ
Ｈｗと電極膜の硬さＨｐの関係が上記範囲内であれば、
この割合Ｒを１／４以上にできるため、良好な接合性が
得られるが、Ｈｗ＜Ｈｐ＋５となると金ワイヤがアルミ
電極と比して軟らかいため主にワイヤが変形し、Ａｌ酸
化膜の破壊が十分進まず接合強度を高めるのが困難であ
り、またＨｗ＞２Ｈｐ＋２０となると、金ワイヤがアル
ミ電極と比して過剰に硬くなり接合時に電極下のチップ
に損傷を与えてしまう。
【００２６】材料の硬さを調整して上記の関係を満足す
る手法は幾つかあるが、例えば、後述するウェッジ接合
に好適なワイヤを使用したり、またアルミ電極膜の成膜
法、合金化、アニール処理などが有効である。一例とし
て、２０〜３０μｍに伸線した金合金ワイヤを用い、ア
ルミ合金（Ａｌ−Ｓｉ、Ａｌ−Ｃｕ、Ａｌ−Ｓｉ−Ｃ
ｕ）膜上にその金合金ワイヤをウェッジ接合することに
より、ワイヤ硬さと電極膜の硬さの関係を本発明の範囲
内にすることができる。さらに、硬さの関係はＨｐ＋１
０≦Ｈｗ≦２Ｈｐ＋５であることがより好ましい。これ
は、この範囲であれば、低温でも接合強度をより高める
ことができ、また接合時の衝撃荷重を特に制御すること
なくチップ損傷も軽減できるためである。
る手法は幾つかあるが、例えば、後述するウェッジ接合
に好適なワイヤを使用したり、またアルミ電極膜の成膜
法、合金化、アニール処理などが有効である。一例とし
て、２０〜３０μｍに伸線した金合金ワイヤを用い、ア
ルミ合金（Ａｌ−Ｓｉ、Ａｌ−Ｃｕ、Ａｌ−Ｓｉ−Ｃ
ｕ）膜上にその金合金ワイヤをウェッジ接合することに
より、ワイヤ硬さと電極膜の硬さの関係を本発明の範囲
内にすることができる。さらに、硬さの関係はＨｐ＋１
０≦Ｈｗ≦２Ｈｐ＋５であることがより好ましい。これ
は、この範囲であれば、低温でも接合強度をより高める
ことができ、また接合時の衝撃荷重を特に制御すること
なくチップ損傷も軽減できるためである。
【００２７】また、上述した、本発明のワイヤ圧着厚さ
と電極膜厚さの関係および、ワイヤと電極膜のビッカー
ス硬さの関係は、Ａｕワイヤとアルミ電極膜とのウェッ
ジ接合の場合に特に有効であるが、これは電極材質がア
ルミおよびアルミ合金に限られたことでなく、Ｃｕおよ
びＣｕ合金、またＡｌ層またはＡｕ層を上層とするＣｕ
またはＣｕ合金の電極膜の場合にも、接合性および長期
信頼性を向上する効果が得られることを見出した。つま
り、ＡｕワイヤとＣｕ電極との接合では、アルミ電極膜
の場合と比較して、接合界面に成長する化合物相の種
類、成長速度などに相違が生じるものの、Ｃｕ電極との
ウェッジ接合部において接合性および長期信頼性が低下
することでは、アルミ電極膜の場合と共通している。Ｃ
ｕ電極へのウェッジ接合における接合性および長期信頼
性を向上するために、前述したワイヤと電極膜との厚さ
の関係（４ｔ＋２≦Ｄ（μｍ））、ビッカース硬さの関
係（Ｈｐ＋５≦Ｈｗ≦２Ｈｐ＋２０）を満足することが
有効である。
と電極膜厚さの関係および、ワイヤと電極膜のビッカー
ス硬さの関係は、Ａｕワイヤとアルミ電極膜とのウェッ
ジ接合の場合に特に有効であるが、これは電極材質がア
ルミおよびアルミ合金に限られたことでなく、Ｃｕおよ
びＣｕ合金、またＡｌ層またはＡｕ層を上層とするＣｕ
またはＣｕ合金の電極膜の場合にも、接合性および長期
信頼性を向上する効果が得られることを見出した。つま
り、ＡｕワイヤとＣｕ電極との接合では、アルミ電極膜
の場合と比較して、接合界面に成長する化合物相の種
類、成長速度などに相違が生じるものの、Ｃｕ電極との
ウェッジ接合部において接合性および長期信頼性が低下
することでは、アルミ電極膜の場合と共通している。Ｃ
ｕ電極へのウェッジ接合における接合性および長期信頼
性を向上するために、前述したワイヤと電極膜との厚さ
の関係（４ｔ＋２≦Ｄ（μｍ））、ビッカース硬さの関
係（Ｈｐ＋５≦Ｈｗ≦２Ｈｐ＋２０）を満足することが
有効である。
【００２８】ＡｕバンプまたはＡｕ合金バンプを介して
金ワイヤと電極膜を接合することにより、電極膜に対す
る相対的な金の厚さを十分確保することができ、さら
に、良好な接合性も得られる。図２に、金属バンプ２を
介してウェッジ接合した部位を水平側から見た図を示
す。ただし、バンプ形成しただけでは長期信頼性を低下
させる場合があることから、バンプを介したウェッジ接
合において長期信頼性を確保するためにはバンプ高さの
制御が重要であり、バンプ高さと電極膜厚との関係をあ
る範囲に制御することにより、高温での長期信頼性を高
められることを見出した。すなわち、そのバンプ高さＨ
と電極厚ｔの関係が、２ｔ＋２≦Ｈ≦６ｔ＋５０（μ
ｍ）の範囲であれば、電極膜に対する相対的な金の厚さ
を十分確保し、良好な接合性も得られるが、バンプ高さ
Ｈ（μｍ）が２ｔ＋２（μｍ）よりも低ければ、バンプ
による接合強度を高める効果は得られず、一方、バンプ
高さＨ（μｍ）が６ｔ＋５０（μｍ）よりも厚ければ、
バンプ変形に伴ないワイヤの直線性が低下するため、狭
ピッチでは隣接するワイヤが接触する問題が発生してし
まう。
金ワイヤと電極膜を接合することにより、電極膜に対す
る相対的な金の厚さを十分確保することができ、さら
に、良好な接合性も得られる。図２に、金属バンプ２を
介してウェッジ接合した部位を水平側から見た図を示
す。ただし、バンプ形成しただけでは長期信頼性を低下
させる場合があることから、バンプを介したウェッジ接
合において長期信頼性を確保するためにはバンプ高さの
制御が重要であり、バンプ高さと電極膜厚との関係をあ
る範囲に制御することにより、高温での長期信頼性を高
められることを見出した。すなわち、そのバンプ高さＨ
と電極厚ｔの関係が、２ｔ＋２≦Ｈ≦６ｔ＋５０（μ
ｍ）の範囲であれば、電極膜に対する相対的な金の厚さ
を十分確保し、良好な接合性も得られるが、バンプ高さ
Ｈ（μｍ）が２ｔ＋２（μｍ）よりも低ければ、バンプ
による接合強度を高める効果は得られず、一方、バンプ
高さＨ（μｍ）が６ｔ＋５０（μｍ）よりも厚ければ、
バンプ変形に伴ないワイヤの直線性が低下するため、狭
ピッチでは隣接するワイヤが接触する問題が発生してし
まう。
【００２９】さらに、金ワイヤとバンプとの接合部にお
ける接合性および長期信頼性を確保することも重要であ
り、金ワイヤの線径とバンプ高さとの間にも満足すべき
関係があることを見出した。つまり、使用するワイヤ径
Ｗとバンプ高さＨの関係が、１．７ｔ＋０．２Ｗ−２≦
Ｈ≦４．５ｔ＋１．５Ｗ＋１０（μｍ）の範囲であれ
ば、ワイヤ径が１０〜３０μｍの範囲において、長期信
頼性を確保するためのバンプ高さを維持することがで
き、接合強度も高くすることができる。この理由とし
て、接合性を高めるためにワイヤの変形量を十分高めた
場合にも、１．７ｔ＋０．２Ｗ−２≦Ｈ（μｍ）であれ
ば、ワイヤ接合部の直下に必要なバンプ高さを十分確保
することができるためである。また、バンプ高さＨが高
すぎると接合時の荷重によりバンプ形状が崩れて、狭ピ
ッチの場合に隣接バンプが接触することが懸念される
が、Ｈ≦４．５ｔ＋１．５Ｗ＋１０（μｍ）であれば、
線径に関係なく、接合後にも良好なバンプ形状を維持で
きるためである。
ける接合性および長期信頼性を確保することも重要であ
り、金ワイヤの線径とバンプ高さとの間にも満足すべき
関係があることを見出した。つまり、使用するワイヤ径
Ｗとバンプ高さＨの関係が、１．７ｔ＋０．２Ｗ−２≦
Ｈ≦４．５ｔ＋１．５Ｗ＋１０（μｍ）の範囲であれ
ば、ワイヤ径が１０〜３０μｍの範囲において、長期信
頼性を確保するためのバンプ高さを維持することがで
き、接合強度も高くすることができる。この理由とし
て、接合性を高めるためにワイヤの変形量を十分高めた
場合にも、１．７ｔ＋０．２Ｗ−２≦Ｈ（μｍ）であれ
ば、ワイヤ接合部の直下に必要なバンプ高さを十分確保
することができるためである。また、バンプ高さＨが高
すぎると接合時の荷重によりバンプ形状が崩れて、狭ピ
ッチの場合に隣接バンプが接触することが懸念される
が、Ｈ≦４．５ｔ＋１．５Ｗ＋１０（μｍ）であれば、
線径に関係なく、接合後にも良好なバンプ形状を維持で
きるためである。
【００３０】金ワイヤを金バンプ上に接合する際に良好
な接合性を確保するためには、バンプの長さも重要な因
子である。図３および図４に、チップに垂直側から見た
ウェッジ接合部位を示す。ウェッジ接合されたワイヤの
結線方向に対して垂直および平行方向におけるバンプ長
さをそれぞれＳ、Ｌとすると、１．３Ｗ≦Ｓ≦４Ｗ、
１．５Ｗ≦Ｌ≦５Ｗの範囲にすれば、接合面積を十分高
めて良好な接合性が得られる。これは、接合強度を高め
るためには接合されたワイヤの圧着幅ＷＤを高めること
が重要で、このワイヤ圧着幅ＷＤが線径Ｗの１．２〜
３．０倍であれば接合性が良好であり、また汎用ワイヤ
ボンディング装置の位置精度などを考慮すれば、上記範
囲を満足することにより、接合強度を高めて、良好な接
合性が得られるという理由に基づく。すなわち、ワイヤ
結線と垂直方向のバンプ幅Ｓ、平行方向のバンプ長Ｌに
ついて、１．３Ｗ≦Ｓ、１．５Ｗ≦Ｌであれば、ワイヤ
がバンプよりはみ出すことを抑え、接合強度を高め、そ
のばらつきを低減することができ、またＳ≦４Ｗ、Ｌ≦
５Ｗの大きさのバンプであれば、隣接する接合部間隔も
小さくでき、狭ピッチ化に十分対応できるためである。
今後の狭ピッチ化、低温接合、に適応するために接合強
度をさらに向上し、あるいは高速接合などにより生産性
を向上するためには、上記のバンプ形状において、１．
６Ｗ≦Ｓ≦３Ｗ、１．７Ｗ≦Ｌ≦４Ｗの範囲であること
がより好ましい。
な接合性を確保するためには、バンプの長さも重要な因
子である。図３および図４に、チップに垂直側から見た
ウェッジ接合部位を示す。ウェッジ接合されたワイヤの
結線方向に対して垂直および平行方向におけるバンプ長
さをそれぞれＳ、Ｌとすると、１．３Ｗ≦Ｓ≦４Ｗ、
１．５Ｗ≦Ｌ≦５Ｗの範囲にすれば、接合面積を十分高
めて良好な接合性が得られる。これは、接合強度を高め
るためには接合されたワイヤの圧着幅ＷＤを高めること
が重要で、このワイヤ圧着幅ＷＤが線径Ｗの１．２〜
３．０倍であれば接合性が良好であり、また汎用ワイヤ
ボンディング装置の位置精度などを考慮すれば、上記範
囲を満足することにより、接合強度を高めて、良好な接
合性が得られるという理由に基づく。すなわち、ワイヤ
結線と垂直方向のバンプ幅Ｓ、平行方向のバンプ長Ｌに
ついて、１．３Ｗ≦Ｓ、１．５Ｗ≦Ｌであれば、ワイヤ
がバンプよりはみ出すことを抑え、接合強度を高め、そ
のばらつきを低減することができ、またＳ≦４Ｗ、Ｌ≦
５Ｗの大きさのバンプであれば、隣接する接合部間隔も
小さくでき、狭ピッチ化に十分対応できるためである。
今後の狭ピッチ化、低温接合、に適応するために接合強
度をさらに向上し、あるいは高速接合などにより生産性
を向上するためには、上記のバンプ形状において、１．
６Ｗ≦Ｓ≦３Ｗ、１．７Ｗ≦Ｌ≦４Ｗの範囲であること
がより好ましい。
【００３１】さらに、ウェッジ接合において、接合強度
の増加、狭ピッチ対応のキャピラリの加工限界などまで
含めて考慮すると、ワイヤ結線方向の長さＬの方が垂直
方向の長さＳよりも長くして、その関係が１．２Ｓ＋５
≦Ｌ≦２Ｓ＋２０（μｍ）の範囲であることが、より好
ましい。
の増加、狭ピッチ対応のキャピラリの加工限界などまで
含めて考慮すると、ワイヤ結線方向の長さＬの方が垂直
方向の長さＳよりも長くして、その関係が１．２Ｓ＋５
≦Ｌ≦２Ｓ＋２０（μｍ）の範囲であることが、より好
ましい。
【００３２】バンプの形状は角形、球形、円柱形などい
ずれでも可能である。そのバンプの形成法は、ワイヤを
用いたスタッドバンプ法、微細球によるボールバンプ、
メッキ形成などのいずれでも接合性および長期信頼性を
高めることができる。ただし、これらの手法では生産
性、操作法、必要設備などには差があり、スタッドバン
プ法ではウェッジ接合用のワイヤでバンプ形成できるた
め、工程が簡便であるものの、バンプ形状のバラツキが
大きいことが懸念される。また、メッキで形成したバン
プでは、メッキ設備が必要であり、厚いバンプを形成す
るには時間を要するものの、角形、円柱形などの目的と
するバンプ形状の作製が容易であり、高さのバラツキを
スタッドバンプ法より低減することが可能である。一
方、ボールバンプを利用すれば、予め作製したボールを
電極上に配列し、さらに電極上に接合する工程は要する
ものの、ボールの寸法、成分などを変更することによ
り、目的に合わせたバンプの材質を容易に得られる。
ずれでも可能である。そのバンプの形成法は、ワイヤを
用いたスタッドバンプ法、微細球によるボールバンプ、
メッキ形成などのいずれでも接合性および長期信頼性を
高めることができる。ただし、これらの手法では生産
性、操作法、必要設備などには差があり、スタッドバン
プ法ではウェッジ接合用のワイヤでバンプ形成できるた
め、工程が簡便であるものの、バンプ形状のバラツキが
大きいことが懸念される。また、メッキで形成したバン
プでは、メッキ設備が必要であり、厚いバンプを形成す
るには時間を要するものの、角形、円柱形などの目的と
するバンプ形状の作製が容易であり、高さのバラツキを
スタッドバンプ法より低減することが可能である。一
方、ボールバンプを利用すれば、予め作製したボールを
電極上に配列し、さらに電極上に接合する工程は要する
ものの、ボールの寸法、成分などを変更することによ
り、目的に合わせたバンプの材質を容易に得られる。
【００３３】バンプ素材は、高純度ＡｕまたはＡｕ合金
であることが望ましいが、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｃｕおよびそれ
らの合金であっても、本願の目的とする機能が得られる
ことを確認した。
であることが望ましいが、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｃｕおよびそれ
らの合金であっても、本願の目的とする機能が得られる
ことを確認した。
【００３４】さらに、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｃｕおよびそれらの
合金のバンプの上部に、Ａｕ層またはＡｕ合金層が形成
されたバンプを用い、ワイヤ、電極膜、バンプなどの厚
さ、寸法などを上述した関係を満足するウェッジ接合に
より、接合性、作業性などをより高めることができる。
すなわち、これらのバンプと金ワイヤとのウェッジ接合
部では、バンプ表面の酸化を抑えられ、しかもＡｕ／Ａ
ｕ接合を得ることにより、接合強度をより高めることが
できる。バンプ上部のＡｕ層またはＡｕ合金層の厚さ
は、０．０１〜２μｍの厚みであれば十分な効果が得ら
れ、その表面層の形成ではスパッタ法またはメッキ法な
どが可能である。
合金のバンプの上部に、Ａｕ層またはＡｕ合金層が形成
されたバンプを用い、ワイヤ、電極膜、バンプなどの厚
さ、寸法などを上述した関係を満足するウェッジ接合に
より、接合性、作業性などをより高めることができる。
すなわち、これらのバンプと金ワイヤとのウェッジ接合
部では、バンプ表面の酸化を抑えられ、しかもＡｕ／Ａ
ｕ接合を得ることにより、接合強度をより高めることが
できる。バンプ上部のＡｕ層またはＡｕ合金層の厚さ
は、０．０１〜２μｍの厚みであれば十分な効果が得ら
れ、その表面層の形成ではスパッタ法またはメッキ法な
どが可能である。
【００３５】金バンプ上への金ワイヤの接合強度を高め
るためには、ワイヤおよびバンプの硬さも重要であり、
ある関係を満足するとより好ましいことを確認した。つ
まり、バンプのビッカース硬度Ｈｂとワイヤのビッカー
ス硬度ＨｗはＨｗ−１０≦Ｈｂ≦２Ｈｗの関係を満足す
れば、ウェッジ接合時にワイヤとバンプともに適度に変
形するため十分な接合性が得られ、ワイヤの直線性も確
保することができる。一方、Ｈｂ＜Ｈｗ＋１０であれ
ば、軟らかいバンプが優先的に変形するため、隣接する
バンプが接触したり、ワイヤの直線性が低下したりし
て、６０μｍ以下の狭ピッチ化への対応が困難であり、
一方、Ｈｂ＞２Ｈｗであれば、ワイヤの変形がほとんど
であり、最も変形した部位でのワイヤの引張強度が低下
するため、この部位で破断に到る不良が発生してしま
う。さらに、硬度の関係がＨｗ−５≦Ｈｂ≦１．６Ｈｗ
であることがより望ましく、これは、Ｈｗ−５≦Ｈｂで
あれば、キャピラリ先端への金バンプの付着を抑制し
て、キャピラリの交換寿命を上昇させることができ、ま
たＨｂ≦１．６Ｈｗであればワイヤとバンプが均等に変
形して接合強度のばらつきが低減するという理由に基づ
く。
るためには、ワイヤおよびバンプの硬さも重要であり、
ある関係を満足するとより好ましいことを確認した。つ
まり、バンプのビッカース硬度Ｈｂとワイヤのビッカー
ス硬度ＨｗはＨｗ−１０≦Ｈｂ≦２Ｈｗの関係を満足す
れば、ウェッジ接合時にワイヤとバンプともに適度に変
形するため十分な接合性が得られ、ワイヤの直線性も確
保することができる。一方、Ｈｂ＜Ｈｗ＋１０であれ
ば、軟らかいバンプが優先的に変形するため、隣接する
バンプが接触したり、ワイヤの直線性が低下したりし
て、６０μｍ以下の狭ピッチ化への対応が困難であり、
一方、Ｈｂ＞２Ｈｗであれば、ワイヤの変形がほとんど
であり、最も変形した部位でのワイヤの引張強度が低下
するため、この部位で破断に到る不良が発生してしま
う。さらに、硬度の関係がＨｗ−５≦Ｈｂ≦１．６Ｈｗ
であることがより望ましく、これは、Ｈｗ−５≦Ｈｂで
あれば、キャピラリ先端への金バンプの付着を抑制し
て、キャピラリの交換寿命を上昇させることができ、ま
たＨｂ≦１．６Ｈｗであればワイヤとバンプが均等に変
形して接合強度のばらつきが低減するという理由に基づ
く。
【００３６】バンプ組織もバンプの変形挙動に影響を及
ぼしており、チップ面と平行なバンプ断面での結晶粒の
平均径Ｇとワイヤ径Ｗの関係が、０．０５Ｗ≦Ｇ≦０．
７Ｗの範囲であることが好ましい。これは、０．０５Ｗ
≦Ｇであればバンプ変形の異方性を低減して狭ピッチに
対応でき、またＧ＞０．７Ｗであれば、ある方向へのバ
ンプ変形が著しくなり、隣接するワイヤが接触するため
である。
ぼしており、チップ面と平行なバンプ断面での結晶粒の
平均径Ｇとワイヤ径Ｗの関係が、０．０５Ｗ≦Ｇ≦０．
７Ｗの範囲であることが好ましい。これは、０．０５Ｗ
≦Ｇであればバンプ変形の異方性を低減して狭ピッチに
対応でき、またＧ＞０．７Ｗであれば、ある方向へのバ
ンプ変形が著しくなり、隣接するワイヤが接触するため
である。
【００３７】ウェッジ接合における接合性、接合信頼性
を向上するために、ワイヤ、電極材、金属バンプの厚
さ、硬度、寸法などについて、本発明に係わる関係を実
現する手段として、特に、ワイヤの機械的特性、表面性
状を調整することが有効であることを見出した。電極
材、金属バンプなどの材質を変更すると、配線工程、電
気的性能なども影響を受けるため、それらを評価し、適
正化することまで検討しなくてはならない場合が多いの
に対して、ワイヤの材質の変更は比較的容易であり、し
かも接合性、接合信頼性を向上する効果も大きい。
を向上するために、ワイヤ、電極材、金属バンプの厚
さ、硬度、寸法などについて、本発明に係わる関係を実
現する手段として、特に、ワイヤの機械的特性、表面性
状を調整することが有効であることを見出した。電極
材、金属バンプなどの材質を変更すると、配線工程、電
気的性能なども影響を受けるため、それらを評価し、適
正化することまで検討しなくてはならない場合が多いの
に対して、ワイヤの材質の変更は比較的容易であり、し
かも接合性、接合信頼性を向上する効果も大きい。
【００３８】すなわち、引張破断強度Ｆ（ＭＰａ）が８
０〜４００ＭＰａで、破断伸びＣ（％）が１〜９％であ
り、さらに強度Ｆと伸びＣの関係が１５０≦Ｆ・Ｃ≦２
５００の範囲であり、純度が９９質量％の金である金合
金ワイヤを用いると、良好なウェッジ接合が得られる。
０〜４００ＭＰａで、破断伸びＣ（％）が１〜９％であ
り、さらに強度Ｆと伸びＣの関係が１５０≦Ｆ・Ｃ≦２
５００の範囲であり、純度が９９質量％の金である金合
金ワイヤを用いると、良好なウェッジ接合が得られる。
【００３９】ワイヤの引張破断強度Ｆ（ＭＰａ）と破断
伸びＣ（％）との積が一定の関係を満足することによ
り、ウェッジ接合における接合性、接合信頼性を高める
ことができ、その強度Ｆと伸びＣの関係としては、１５
０≦Ｆ・Ｃ≦２５００の範囲であることが望ましいこと
を見出した。これは、Ｆ・Ｃ＜１５０であれば、ウェッ
ジ接合時にワイヤが過剰に変形して、接合信頼性が低下
することが問題であり、Ｆ・Ｃ＞２５００であれば、ワ
イヤが接合強度を高めることが困難なためである。
伸びＣ（％）との積が一定の関係を満足することによ
り、ウェッジ接合における接合性、接合信頼性を高める
ことができ、その強度Ｆと伸びＣの関係としては、１５
０≦Ｆ・Ｃ≦２５００の範囲であることが望ましいこと
を見出した。これは、Ｆ・Ｃ＜１５０であれば、ウェッ
ジ接合時にワイヤが過剰に変形して、接合信頼性が低下
することが問題であり、Ｆ・Ｃ＞２５００であれば、ワ
イヤが接合強度を高めることが困難なためである。
【００４０】さらに、ウェッジ接合性だけでなく、ワイ
ヤのループ形成、樹脂封止時のワイヤ変形などの要求特
性を十分満足するためには、Ｆ・Ｃの積を上記の範囲と
することに加えて、引張破断強度Ｆが８０〜４００ＭＰ
ａであり、破断伸びＣが１〜９％の範囲であることが必
要である。これは、強度Ｆが８０ＭＰａ未満であれば、
ループが下方に垂れる問題が発生し、Ｆが４００ＭＰａ
を超えるとウェッジ接合時にチップに損傷を与えたり、
ループ形状を制御することが困難となり、ループ高さの
バラツキが大きくなることが問題となるためである。ま
た、破断伸びＣが１％未満であれば、ウェッジ接合部で
の強度を確保すること困難であり、Ｃが９％を超える
と、ループ形成されたワイヤの直線性が低下することが
問題である。
ヤのループ形成、樹脂封止時のワイヤ変形などの要求特
性を十分満足するためには、Ｆ・Ｃの積を上記の範囲と
することに加えて、引張破断強度Ｆが８０〜４００ＭＰ
ａであり、破断伸びＣが１〜９％の範囲であることが必
要である。これは、強度Ｆが８０ＭＰａ未満であれば、
ループが下方に垂れる問題が発生し、Ｆが４００ＭＰａ
を超えるとウェッジ接合時にチップに損傷を与えたり、
ループ形状を制御することが困難となり、ループ高さの
バラツキが大きくなることが問題となるためである。ま
た、破断伸びＣが１％未満であれば、ウェッジ接合部で
の強度を確保すること困難であり、Ｃが９％を超える
と、ループ形成されたワイヤの直線性が低下することが
問題である。
【００４１】ワイヤの素材は純度９９％以上を有する金
合金ワイヤである。つまり、本発明での金合金ワイヤと
は、純度１％以下の添加元素を含有するワイヤおよび、
純度が９９．９９％以上であり、残りを不可避不純物と
する高純度金ワイヤも含まれる。例えば、Ｃａ、Ｂｅ、
Ｃｕ、Ａｇ、Ｐｔ、Ｐｄなどから１種類以上の元素を総
計で０．０００１−１％の範囲で含有し、残部がＡｕで
あり、それをダイス伸線により２０〜３０μｍに伸線し
た金合金ワイヤを用いれば、良好なウェッジ接合特性が
得られる。
合金ワイヤである。つまり、本発明での金合金ワイヤと
は、純度１％以下の添加元素を含有するワイヤおよび、
純度が９９．９９％以上であり、残りを不可避不純物と
する高純度金ワイヤも含まれる。例えば、Ｃａ、Ｂｅ、
Ｃｕ、Ａｇ、Ｐｔ、Ｐｄなどから１種類以上の元素を総
計で０．０００１−１％の範囲で含有し、残部がＡｕで
あり、それをダイス伸線により２０〜３０μｍに伸線し
た金合金ワイヤを用いれば、良好なウェッジ接合特性が
得られる。
【００４２】また、ワイヤを電極または金属バンプに直
接接続するウェッジ接合では、上述した、ワイヤの機械
的特性に加えて、ワイヤの表面性状も重要であり、ワイ
ヤ表面から１０ｎｍの深さまでの平均酸素濃度が１０ａ
ｔ％以下であることが、ウェッジ接合性の向上には有効
であることを見出した。これは、１０ｎｍの深さまでの
平均酸素濃度が１０ａｔ％を超えると、接合時に接合強
度を低下させる原因となり、また、その酸素濃度が高い
表層部を破壊させて良好な接合を得るには、超音波振動
を高める必要があり、これに伴い、チップへの損傷、ワ
イヤの直線性の低下などの問題が発生するためである。
ワイヤ表面の平均酸素濃度は、例えばオージェ分光法に
て測定できる。
接接続するウェッジ接合では、上述した、ワイヤの機械
的特性に加えて、ワイヤの表面性状も重要であり、ワイ
ヤ表面から１０ｎｍの深さまでの平均酸素濃度が１０ａ
ｔ％以下であることが、ウェッジ接合性の向上には有効
であることを見出した。これは、１０ｎｍの深さまでの
平均酸素濃度が１０ａｔ％を超えると、接合時に接合強
度を低下させる原因となり、また、その酸素濃度が高い
表層部を破壊させて良好な接合を得るには、超音波振動
を高める必要があり、これに伴い、チップへの損傷、ワ
イヤの直線性の低下などの問題が発生するためである。
ワイヤ表面の平均酸素濃度は、例えばオージェ分光法に
て測定できる。
【００４３】以上のことから、ワイヤの引張破断強度Ｆ
（ＭＰａ）が８０〜４００ＭＰａで、破断伸びＣ（％）
が１〜９％であり、さらに強度Ｆと伸びＣの関係が１５
０≦Ｆ・Ｃ≦２５００の範囲であり、ワイヤ表面から１
０ｎｍの深さまでの平均酸素濃度が１０ａｔ％以下とす
ることにより、ウェッジ接合部の接合性、接合信頼性を
向上することができ、さらに良好なループ形状が得ら
れ、樹脂封止時のワイヤ変形も抑制することができ、狭
ピッチ接合に適応できることを確認した。こうした性能
を有する金ワイヤを得るためには、金中の元素添加、あ
るいはワイヤ伸線加工技術および熱処理条件の適正化な
どが有効であることを確認した。
（ＭＰａ）が８０〜４００ＭＰａで、破断伸びＣ（％）
が１〜９％であり、さらに強度Ｆと伸びＣの関係が１５
０≦Ｆ・Ｃ≦２５００の範囲であり、ワイヤ表面から１
０ｎｍの深さまでの平均酸素濃度が１０ａｔ％以下とす
ることにより、ウェッジ接合部の接合性、接合信頼性を
向上することができ、さらに良好なループ形状が得ら
れ、樹脂封止時のワイヤ変形も抑制することができ、狭
ピッチ接合に適応できることを確認した。こうした性能
を有する金ワイヤを得るためには、金中の元素添加、あ
るいはワイヤ伸線加工技術および熱処理条件の適正化な
どが有効であることを確認した。
【００４４】金ワイヤを電極上にウェッジ接合する手法
としては、これまで中心的に述べた、ボール部を形成し
ないで接続するウェッジ−ウェッジ接合法の他に、電極
側にボール部を接合する通常のボール接合とは異なり、
ワイヤを電極側にウェッジ接合する方法や、チップ同士
の電極間をボール−ウェッジ接合する方法もある。こう
した電極側にワイヤをウェッジ接合することは、接合面
積を縮小できるため狭ピッチ接続には有利であり、ま
た、複数のチップを接続する場合にも活用できる。前述
した、ウェッジ接合における接合性および信頼性の低下
は、電極側にワイヤをウェッジ接合する手法に共通する
問題である。従って、本発明に係わる半導体装置およ
び、それに用いられる金合金ワイヤは、電極側にワイヤ
をウェッジ接合する方法であれば、ウェッジ−ウェッジ
接合、ボール−ウェッジ接合の両手法に適用されるもの
である。
としては、これまで中心的に述べた、ボール部を形成し
ないで接続するウェッジ−ウェッジ接合法の他に、電極
側にボール部を接合する通常のボール接合とは異なり、
ワイヤを電極側にウェッジ接合する方法や、チップ同士
の電極間をボール−ウェッジ接合する方法もある。こう
した電極側にワイヤをウェッジ接合することは、接合面
積を縮小できるため狭ピッチ接続には有利であり、ま
た、複数のチップを接続する場合にも活用できる。前述
した、ウェッジ接合における接合性および信頼性の低下
は、電極側にワイヤをウェッジ接合する手法に共通する
問題である。従って、本発明に係わる半導体装置およ
び、それに用いられる金合金ワイヤは、電極側にワイヤ
をウェッジ接合する方法であれば、ウェッジ−ウェッジ
接合、ボール−ウェッジ接合の両手法に適用されるもの
である。
【００４５】
【実施例】以下、実施例について説明する。ワイヤに
は、高純度金ワイヤ（純度＞９９．９９％）または、Ｃ
ａ、Ｂｅ、Ｃｕ、Ａｇ、Ｐｔ、Ｐｄなどから１種類以上
の元素を総計で０．０００１−１％の範囲で含有する金
合金ワイヤを用い、その線径Ｗは１５〜３０μｍとし
た。ワイヤの強度または硬度を調整するために、ワイヤ
製造工程において、伸線ダイス減面率（２〜１５％）、
伸線速度（１０〜６００ｍ／ｍｉｎ）および、最終段階
での熱処理温度（２００〜７００℃）などを選定した。
シリコン基板上の電極材質には、純Ａｌ、Ａｌ合金（Ａ
ｌ−１％Ｓｉ、Ａｌ−０．５％Ｃｕ）、純Ｃｕ、またＡ
ｌ層またはＡｕ層を上層（０．１μｍ）とする純Ｃｕ膜
などを使用し、電極膜の厚さｔは０．５〜４μｍとし
た。市販の自動ウェッジボンダーを使用して、電極上に
ワイヤを接合した。
は、高純度金ワイヤ（純度＞９９．９９％）または、Ｃ
ａ、Ｂｅ、Ｃｕ、Ａｇ、Ｐｔ、Ｐｄなどから１種類以上
の元素を総計で０．０００１−１％の範囲で含有する金
合金ワイヤを用い、その線径Ｗは１５〜３０μｍとし
た。ワイヤの強度または硬度を調整するために、ワイヤ
製造工程において、伸線ダイス減面率（２〜１５％）、
伸線速度（１０〜６００ｍ／ｍｉｎ）および、最終段階
での熱処理温度（２００〜７００℃）などを選定した。
シリコン基板上の電極材質には、純Ａｌ、Ａｌ合金（Ａ
ｌ−１％Ｓｉ、Ａｌ−０．５％Ｃｕ）、純Ｃｕ、またＡ
ｌ層またはＡｕ層を上層（０．１μｍ）とする純Ｃｕ膜
などを使用し、電極膜の厚さｔは０．５〜４μｍとし
た。市販の自動ウェッジボンダーを使用して、電極上に
ワイヤを接合した。
【００４６】電極上への金バンプの形成は、スタッドバ
ンプ法、ボールバンプ法、メッキ法などを使用し、さら
に金バンプ上に、上述した方法で金ワイヤをウェッジ接
合した。スタッドバンプ法では、２５μｍ径の金ワイヤ
の先端を溶融生成したボール部（ボール径：３５〜６０
μｍ）を電極に接合し、その平板冶具で荷重を付加して
バンプ高さを調整した。また、ボールバンプ法では、純
度２Ｎ（＞９９％）の金で球径３０〜６０μｍの球を作
製し、手動の配列装置を用いて、約１００個の金ボール
を電極上に一括接合した。メッキ法では、メッキ浴中に
シリコン基板を浸漬して電解メッキにより、Ａｕ、Ｐ
ｔ、Ｐｄ、Ｃｕなどの素材からなるバンプを電極膜上に
形成した。
ンプ法、ボールバンプ法、メッキ法などを使用し、さら
に金バンプ上に、上述した方法で金ワイヤをウェッジ接
合した。スタッドバンプ法では、２５μｍ径の金ワイヤ
の先端を溶融生成したボール部（ボール径：３５〜６０
μｍ）を電極に接合し、その平板冶具で荷重を付加して
バンプ高さを調整した。また、ボールバンプ法では、純
度２Ｎ（＞９９％）の金で球径３０〜６０μｍの球を作
製し、手動の配列装置を用いて、約１００個の金ボール
を電極上に一括接合した。メッキ法では、メッキ浴中に
シリコン基板を浸漬して電解メッキにより、Ａｕ、Ｐ
ｔ、Ｐｄ、Ｃｕなどの素材からなるバンプを電極膜上に
形成した。
【００４７】ワイヤの引張破断強度および伸び率は、長
さ１０ｃｍのワイヤ５本の引張試験を実施し、その平均
値により求めた。ワイヤおよびバンプの硬度測定は、ビ
ッカース硬度測定法に基づいて、２９ｍＮの荷重で測定
し、５点の平均値を求めた。ワイヤ表面の酸素濃度の測
定は、オージェ分光装置を用い、ワイヤ表面をスパッタ
しながら、１０ｎｍの深さの平均値を求めた。
さ１０ｃｍのワイヤ５本の引張試験を実施し、その平均
値により求めた。ワイヤおよびバンプの硬度測定は、ビ
ッカース硬度測定法に基づいて、２９ｍＮの荷重で測定
し、５点の平均値を求めた。ワイヤ表面の酸素濃度の測
定は、オージェ分光装置を用い、ワイヤ表面をスパッタ
しながら、１０ｎｍの深さの平均値を求めた。
【００４８】ワイヤ接合部の強度評価としては、プル試
験法を用いた。このプル試験法は、ボンディングワイヤ
後にリードフレームと測定する半導体素子を固定した状
態で、ボンディング後の金合金細線をフックで上方に引
張り、そのときの破断強度を４０本測定し、プル強度の
平均値および標準偏差を評価した。その際、電極との接
合性を評価するために、フックを掛けて上方引張する箇
所を、中央部よりも電極に近いところで試験した。
験法を用いた。このプル試験法は、ボンディングワイヤ
後にリードフレームと測定する半導体素子を固定した状
態で、ボンディング後の金合金細線をフックで上方に引
張り、そのときの破断強度を４０本測定し、プル強度の
平均値および標準偏差を評価した。その際、電極との接
合性を評価するために、フックを掛けて上方引張する箇
所を、中央部よりも電極に近いところで試験した。
【００４９】長期信頼性の評価として、金ワイヤを電極
にウェッジ接合した半導体装置を樹脂封止しない状態
で、窒素ガス中において１８５℃で３００時間加熱した
後に、４０本のプル強度を測定した。金ワイヤのウェッ
ジ接合した半導体装置が用いられる使用温度での寿命評
価として、１８５℃３００時間の加熱試験は十分と考え
られ、この加熱により強度が低下しない場合には、接合
部の長期信頼性は良好であると判断できる。
にウェッジ接合した半導体装置を樹脂封止しない状態
で、窒素ガス中において１８５℃で３００時間加熱した
後に、４０本のプル強度を測定した。金ワイヤのウェッ
ジ接合した半導体装置が用いられる使用温度での寿命評
価として、１８５℃３００時間の加熱試験は十分と考え
られ、この加熱により強度が低下しない場合には、接合
部の長期信頼性は良好であると判断できる。
【００５０】金合金細線のループ形成時のワイヤ曲がり
は、ワイヤ長さが約５ｍｍとなるようボンディングを行
った後に、半導体素子とほぼ垂直上方向からワイヤを投
影機を用いて観察し、ワイヤ中心部からワイヤの両端接
合部を結ぶ直線と、ワイヤの曲がりが最大の部分との垂
線の距離を５０本測定した平均値で示した。
は、ワイヤ長さが約５ｍｍとなるようボンディングを行
った後に、半導体素子とほぼ垂直上方向からワイヤを投
影機を用いて観察し、ワイヤ中心部からワイヤの両端接
合部を結ぶ直線と、ワイヤの曲がりが最大の部分との垂
線の距離を５０本測定した平均値で示した。
【００５１】接合時のチップ損傷を調べるため、ボンデ
ィングした素子を王水中に数分間つけて、金ワイヤおよ
び電極などを溶解した後に、２００個の接合箇所を光学
顕微鏡およびＳＥＭで観察した。光顕観察でもクラック
が観察された場合は損傷が大きいとして×印、光顕では
損傷は観察されないが、２０００倍程度の倍率で微小な
傷または穴が認められるものは○印、光顕およびＳＥＭ
観察において損傷が認められない場合は◎印で示した。
ィングした素子を王水中に数分間つけて、金ワイヤおよ
び電極などを溶解した後に、２００個の接合箇所を光学
顕微鏡およびＳＥＭで観察した。光顕観察でもクラック
が観察された場合は損傷が大きいとして×印、光顕では
損傷は観察されないが、２０００倍程度の倍率で微小な
傷または穴が認められるものは○印、光顕およびＳＥＭ
観察において損傷が認められない場合は◎印で示した。
【００５２】バンプ内の断面組織を観察するため、チッ
プ面と平行に断面研磨を行い、エッチングした後で、バ
ンプ内の結晶粒の数を測定し、１個のバンプ断面での粒
径を計算した。さらに、それを２０個のバンプで測定し
て、バンプ内の結晶粒の平均粒径を求めた。
プ面と平行に断面研磨を行い、エッチングした後で、バ
ンプ内の結晶粒の数を測定し、１個のバンプ断面での粒
径を計算した。さらに、それを２０個のバンプで測定し
て、バンプ内の結晶粒の平均粒径を求めた。
【００５３】
【表１】
【００５４】
【表２】
【００５５】表１において、ワイヤを電極膜上にウエッ
ジ接合に関した実施例１〜１０は、ワイヤ圧着厚さと電
極膜厚の関係を第１の発明である４ｔ＋２≦Ｄ（μｍ）
の条件範囲とし、また実施例１〜８は、ワイヤと電極膜
の硬度の関係を第２の発明であるＨｐ＋５≦Ｈｗ≦２Ｈ
ｐ＋２０の条件範囲に調整したものである。金バンプを
用いた接合に関して、実施例１１〜３８ではバンプ高さ
と電極膜厚の関係を第３の発明である２ｔ＋２≦Ｈ≦６
ｔ＋５０（μｍ）の条件範囲とし、実施例１１〜２６お
よび３１〜３８では、上記厚さの関係に加えて、ワイヤ
径とバンプ寸法の関係を第４の発明である１．３Ｗ≦Ｓ
≦４Ｗ、１．５Ｗ≦Ｌ≦５Ｗの条件範囲とし、実施例１
１〜３４は、上記厚さの関係に加えて、ワイヤとバンプ
の硬さの関係を第５の発明であるＨｗ−１０≦Ｈｂ≦２
Ｈｗの条件範囲に調整したもので、なかでも、本発明例
１９、２３、３３、３４では、バンプ表面にＡｕ層を形
成するものに関する。また、実施例１１〜３０および３
３〜３８は、第６の発明であるバンプ内の結晶粒径の関
係を０．０５Ｗ≦Ｇ≦０．７Ｗの条件範囲に調整したも
のである。
ジ接合に関した実施例１〜１０は、ワイヤ圧着厚さと電
極膜厚の関係を第１の発明である４ｔ＋２≦Ｄ（μｍ）
の条件範囲とし、また実施例１〜８は、ワイヤと電極膜
の硬度の関係を第２の発明であるＨｐ＋５≦Ｈｗ≦２Ｈ
ｐ＋２０の条件範囲に調整したものである。金バンプを
用いた接合に関して、実施例１１〜３８ではバンプ高さ
と電極膜厚の関係を第３の発明である２ｔ＋２≦Ｈ≦６
ｔ＋５０（μｍ）の条件範囲とし、実施例１１〜２６お
よび３１〜３８では、上記厚さの関係に加えて、ワイヤ
径とバンプ寸法の関係を第４の発明である１．３Ｗ≦Ｓ
≦４Ｗ、１．５Ｗ≦Ｌ≦５Ｗの条件範囲とし、実施例１
１〜３４は、上記厚さの関係に加えて、ワイヤとバンプ
の硬さの関係を第５の発明であるＨｗ−１０≦Ｈｂ≦２
Ｈｗの条件範囲に調整したもので、なかでも、本発明例
１９、２３、３３、３４では、バンプ表面にＡｕ層を形
成するものに関する。また、実施例１１〜３０および３
３〜３８は、第６の発明であるバンプ内の結晶粒径の関
係を０．０５Ｗ≦Ｇ≦０．７Ｗの条件範囲に調整したも
のである。
【００５６】また表２の比較例１〜９は、ワイヤ圧着厚
さと電極膜厚の関係が第１の発明に該当しない例であ
り、そのなかでも比較例６〜９は、ワイヤと電極膜の硬
度の関係が第２の発明の範囲にも該当しない例であり、
比較例１０〜１３は、金バンプを介して接合している
が、そのバンプ高さの関係が第３の発明に該当しない例
について、それぞれ比較として示した。
さと電極膜厚の関係が第１の発明に該当しない例であ
り、そのなかでも比較例６〜９は、ワイヤと電極膜の硬
度の関係が第２の発明の範囲にも該当しない例であり、
比較例１０〜１３は、金バンプを介して接合している
が、そのバンプ高さの関係が第３の発明に該当しない例
について、それぞれ比較として示した。
【００５７】本発明例１〜１０では、ワイヤ圧着厚さの
最小値Ｄと電極膜厚ｔの関係が、４ｔ＋２≦Ｄ（μｍ）
の関係を満足しており、加熱後でもプル強度は高い値を
維持しているのに対し、４ｔ＋２＞Ｄ（μｍ）の関係と
なっている比較例１〜５では、加熱後のプル強度は明ら
かに低下していた。
最小値Ｄと電極膜厚ｔの関係が、４ｔ＋２≦Ｄ（μｍ）
の関係を満足しており、加熱後でもプル強度は高い値を
維持しているのに対し、４ｔ＋２＞Ｄ（μｍ）の関係と
なっている比較例１〜５では、加熱後のプル強度は明ら
かに低下していた。
【００５８】本発明例１〜８では、ワイヤおよび電極膜
のビッカース硬度であるＨｗ、Ｈｐの関係がＨｐ＋５≦
Ｈｗ≦２Ｈｐ＋２０の範囲であるため、接合直後のワイ
ヤ単位面積当りのプル強度が９８ｍＮ以上の十分高いこ
とが確認された。それに対し、Ｈｐ＋５＞Ｈｗである比
較例６、８では初期のプル強度が低くなり、またＨｗ＞
２Ｈｐ＋２０である比較例７、９では接合時のチップ損
傷が観察された。また、本発明例９，１０は、厚さの関
係は４ｔ＋２≦Ｄ（μｍ）を満足するものの、硬度の関
係では第２の発明の条件範囲を満足しない例であり、Ｈ
ｐ＋５＞Ｈｗである本発明例９ではプル強度が若干低く
なり、Ｈｗ＞２Ｈｐ＋２０である本発明例１０では、少
数の電極部の下部にチップ損傷が観察された。さらに、
本発明例１〜５は、Ｈｐ＋１０≦Ｈｗ≦２Ｈｐ＋５の関
係を満足するため、接合性は特に優れており、チップ損
傷も全くみとめられなかった。本発明例７では、Ｈｐ＋
５≦Ｈｗ≦２Ｈｐ＋２０の範囲であるものの、Ｈｗ＜Ｈ
ｐ＋１０となることから、チップ表面のＳＥＭ観察によ
り微小な傷が確認されたが、問題のないレベルと判断さ
れる。
のビッカース硬度であるＨｗ、Ｈｐの関係がＨｐ＋５≦
Ｈｗ≦２Ｈｐ＋２０の範囲であるため、接合直後のワイ
ヤ単位面積当りのプル強度が９８ｍＮ以上の十分高いこ
とが確認された。それに対し、Ｈｐ＋５＞Ｈｗである比
較例６、８では初期のプル強度が低くなり、またＨｗ＞
２Ｈｐ＋２０である比較例７、９では接合時のチップ損
傷が観察された。また、本発明例９，１０は、厚さの関
係は４ｔ＋２≦Ｄ（μｍ）を満足するものの、硬度の関
係では第２の発明の条件範囲を満足しない例であり、Ｈ
ｐ＋５＞Ｈｗである本発明例９ではプル強度が若干低く
なり、Ｈｗ＞２Ｈｐ＋２０である本発明例１０では、少
数の電極部の下部にチップ損傷が観察された。さらに、
本発明例１〜５は、Ｈｐ＋１０≦Ｈｗ≦２Ｈｐ＋５の関
係を満足するため、接合性は特に優れており、チップ損
傷も全くみとめられなかった。本発明例７では、Ｈｐ＋
５≦Ｈｗ≦２Ｈｐ＋２０の範囲であるものの、Ｈｗ＜Ｈ
ｐ＋１０となることから、チップ表面のＳＥＭ観察によ
り微小な傷が確認されたが、問題のないレベルと判断さ
れる。
【００５９】本発明例１１〜３８は、金ワイヤと電極膜
の間に金属バンプを介してウェッジ接合しており、しか
もそのバンプ高さＨと電極厚ｔの関係は２ｔ＋２≦Ｈ≦
６ｔ＋５０（μｍ）の範囲であることから、接合性およ
び長期信頼性は非常に良好であった。Ａｕバンプの形成
法で比較すると、スタッドバンプ法、ボールバンプ法、
メッキ法のいずれの方法で形成した場合も、同様の結果
が得られた。一方、比較例１０、１２は、バンプを介し
て接合されているが、２ｔ＋２＞Ｈ（μｍ）であるた
め、加熱後のプル強度は低下しており、パンプは一定高
さ以上が必要であることが確認された。
の間に金属バンプを介してウェッジ接合しており、しか
もそのバンプ高さＨと電極厚ｔの関係は２ｔ＋２≦Ｈ≦
６ｔ＋５０（μｍ）の範囲であることから、接合性およ
び長期信頼性は非常に良好であった。Ａｕバンプの形成
法で比較すると、スタッドバンプ法、ボールバンプ法、
メッキ法のいずれの方法で形成した場合も、同様の結果
が得られた。一方、比較例１０、１２は、バンプを介し
て接合されているが、２ｔ＋２＞Ｈ（μｍ）であるた
め、加熱後のプル強度は低下しており、パンプは一定高
さ以上が必要であることが確認された。
【００６０】バンプ素材がＰｔ、Ｐｄ、Ｃｕなどの場合
も、十分な接合性、接合信頼性が得られていた。第４の
発明に関する本発明例１９、２３、３３、３４では、バ
ンプ表面にＡｕ層を０．１μｍ程度形成することによ
り、高い接合強度が得られており、例えば本発明例２３
では、ワイヤ単位面積当りのプル強度が、本発明例２２
のＣｕバンプでは上層部が形成されていない、本発明例
２２よりも１５ＭＰａも増加することが確認された。
も、十分な接合性、接合信頼性が得られていた。第４の
発明に関する本発明例１９、２３、３３、３４では、バ
ンプ表面にＡｕ層を０．１μｍ程度形成することによ
り、高い接合強度が得られており、例えば本発明例２３
では、ワイヤ単位面積当りのプル強度が、本発明例２２
のＣｕバンプでは上層部が形成されていない、本発明例
２２よりも１５ＭＰａも増加することが確認された。
【００６１】バンプの寸法とワイヤ径Ｗの関係を比較す
ると、本発明例２７、２９は１．３Ｗ＞Ｓであり、本発
明例２８、３０は１．５Ｗ＞Ｌとなるため、接合直後の
プル強度のばらつきが若干大きいのに比べて、本発明例
１９〜２６では、ワイヤ径およびバンプ寸法の絶対値は
異なっていても、第４の発明に係わる、１．３Ｗ≦Ｓ≦
４Ｗ、１．５Ｗ≦Ｌ≦５Ｗの条件を満足するため、プル
強度は高く、しかもその値のばらつきも小さく抑えられ
ていることが確認された。
ると、本発明例２７、２９は１．３Ｗ＞Ｓであり、本発
明例２８、３０は１．５Ｗ＞Ｌとなるため、接合直後の
プル強度のばらつきが若干大きいのに比べて、本発明例
１９〜２６では、ワイヤ径およびバンプ寸法の絶対値は
異なっていても、第４の発明に係わる、１．３Ｗ≦Ｓ≦
４Ｗ、１．５Ｗ≦Ｌ≦５Ｗの条件を満足するため、プル
強度は高く、しかもその値のばらつきも小さく抑えられ
ていることが確認された。
【００６２】バンプのビッカース硬度Ｈｂとワイヤのビ
ッカース硬度Ｈｗを比較すると、Ｈｂ＜Ｈｗ−１０であ
る本発明例３５，３６では、バンプ上にウェッジ接合し
たワイヤの曲がり量が比較的大きく、またＨｂ＞２Ｈｗ
である本発明例３７，３８では、ワイヤ単位面積当りの
プル強度の上昇効果は若干低い結果が得られた。それに
比して、第５の発明の範囲を満足している本発明例１１
〜３４では、バンプとワイヤの硬度の関係がＨｗ−１０
≦Ｈｂ≦２Ｈｗの範囲におさまっており、接合性および
長期信頼性は優れていることが確認された。
ッカース硬度Ｈｗを比較すると、Ｈｂ＜Ｈｗ−１０であ
る本発明例３５，３６では、バンプ上にウェッジ接合し
たワイヤの曲がり量が比較的大きく、またＨｂ＞２Ｈｗ
である本発明例３７，３８では、ワイヤ単位面積当りの
プル強度の上昇効果は若干低い結果が得られた。それに
比して、第５の発明の範囲を満足している本発明例１１
〜３４では、バンプとワイヤの硬度の関係がＨｗ−１０
≦Ｈｂ≦２Ｈｗの範囲におさまっており、接合性および
長期信頼性は優れていることが確認された。
【００６３】バンプ断面での結晶粒径Ｇとワイヤ径Ｗの
関係を比較すると、実施例１１〜３０および３３〜３８
では、第６の発明に係わる０．０５Ｗ≦Ｇ≦０．７Ｗの
関係を満足するため、プル強度は高く、ワイヤの曲がり
量も小さく抑えられていた。それに対し、本発明例３
１、３２では、それぞれＧ＞０．７Ｗ、Ｇ＜０．０５Ｗ
となり、ワイヤの曲がり量が比較的大きく、これは通常
の接続では問題のないレベルであるが、狭ピッチ接続で
は懸念される。
関係を比較すると、実施例１１〜３０および３３〜３８
では、第６の発明に係わる０．０５Ｗ≦Ｇ≦０．７Ｗの
関係を満足するため、プル強度は高く、ワイヤの曲がり
量も小さく抑えられていた。それに対し、本発明例３
１、３２では、それぞれＧ＞０．７Ｗ、Ｇ＜０．０５Ｗ
となり、ワイヤの曲がり量が比較的大きく、これは通常
の接続では問題のないレベルであるが、狭ピッチ接続で
は懸念される。
【００６４】本発明例１〜３８では、ワイヤの特性をみ
れば第８の発明に係わる特性を有しており、具体的に
は、引張破断強度Ｆが８０〜４００ＭＰａで、破断伸び
Ｃが１〜９％であり、さらに強度Ｆと伸びＣの関係が１
５０≦Ｆ・Ｃ≦２５００の範囲であった。一方、比較例
２、３、７、８、９では、強度Ｆ、伸びＣ、Ｆ・Ｃ、酸
素濃度の少なくとも一つ以上の特性が、本発明の範囲を
満足しない場合であり、例えば、比較例７ではＦ＞４０
０ＭＰａであり、また比較例９ではＦ・Ｃ＞２５００で
あるため、電極下にチップ損傷を与えたり、また比較例
８では、平均酸素濃度が１０ａｔ％を超えており、接合
強度が低いことが確認された。ワイヤ表面から１０ｎｍ
の深さまでの平均酸素濃度が１０ａｔ％を超える比較例
８では、プル強度が大きく減少しており、ウェッジ接合
部における接合性が低下していることが確認された。
れば第８の発明に係わる特性を有しており、具体的に
は、引張破断強度Ｆが８０〜４００ＭＰａで、破断伸び
Ｃが１〜９％であり、さらに強度Ｆと伸びＣの関係が１
５０≦Ｆ・Ｃ≦２５００の範囲であった。一方、比較例
２、３、７、８、９では、強度Ｆ、伸びＣ、Ｆ・Ｃ、酸
素濃度の少なくとも一つ以上の特性が、本発明の範囲を
満足しない場合であり、例えば、比較例７ではＦ＞４０
０ＭＰａであり、また比較例９ではＦ・Ｃ＞２５００で
あるため、電極下にチップ損傷を与えたり、また比較例
８では、平均酸素濃度が１０ａｔ％を超えており、接合
強度が低いことが確認された。ワイヤ表面から１０ｎｍ
の深さまでの平均酸素濃度が１０ａｔ％を超える比較例
８では、プル強度が大きく減少しており、ウェッジ接合
部における接合性が低下していることが確認された。
【００６５】
【発明の効果】以上説明したように、本発明において
は、金ワイヤと電極膜とのウェッジ接合部において、ワ
イヤと電極膜の厚さの関係または、硬さの関係を適正化
すること、あるいは適切な高さ、形状を有する金属バン
プを介して接合することにより、従来のボール接合より
も狭ピッチ接合に優れ、しかも高い長期信頼性を有す
る、半導体装置を提供するものである。
は、金ワイヤと電極膜とのウェッジ接合部において、ワ
イヤと電極膜の厚さの関係または、硬さの関係を適正化
すること、あるいは適切な高さ、形状を有する金属バン
プを介して接合することにより、従来のボール接合より
も狭ピッチ接合に優れ、しかも高い長期信頼性を有す
る、半導体装置を提供するものである。
【図１】金ワイヤの電極上へのウェッジ接合部を、水平
方向から見た図を示す。
方向から見た図を示す。
【図２】電極上に形成した金属バンプの上への、金ワイ
ヤのウェッジ接合部を水平方向から見た図である。
ヤのウェッジ接合部を水平方向から見た図である。
【図３】金ワイヤのウェッジ接合部を上方からみた図を
示す。
示す。
【図４】金ワイヤのウェッジ接合部を上方からみた図を
示す。
示す。
１：金合金ワイヤ ２：金属バンプ ３：電極膜 ４：シリコン基板 Ｗ：ワイヤ径 Ｄ：ワイヤ圧着厚さの最小値 ｔ：電極の膜厚 Ｈ：バンプ高さ Ｓ：バンプの横長さ Ｌ：バンプの縦長さ ＷＤ：ウェッジ接合されたワイヤの圧着幅
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 巽 宏平 富津市新富20−１ 新日本製鐵株式会社技 術開発本部内 Ｆターム(参考） 5F044 CC00 FF04
Claims (8)
- 【請求項１】 金合金ボンディングワイヤが電極膜上に
ウェッジ接合され、その接合部においてワイヤ圧着厚さ
の最小値Ｄと電極膜厚ｔの関係が、４ｔ＋２≦Ｄ（μ
ｍ）であることを特徴とする半導体装置。 - 【請求項２】 さらにワイヤのビッカース硬度Ｈｗと電
極膜のビッカース硬度Ｈｐの関係がＨｐ＋５≦Ｈｗ≦２
Ｈｐ＋２０であることを特徴とする請求項１に記載の半
導体装置。 - 【請求項３】 半導体素子上の膜厚ｔの電極膜上に、金
属バンプあるいは、Ａｕ層またはＡｕ合金層を表面に形
成された金属バンプが形成され、そのバンプ上に金合金
ボンディングワイヤがウェッジ接合されており、そのバ
ンプ高さＨが２ｔ＋２≦Ｈ≦６ｔ＋５０（μｍ）である
ことを特徴とする半導体装置。 - 【請求項４】 さらにバンプのワイヤ結線方向に対して
垂直方向の長さＳと平行方向の長さＬの関係が１．３Ｗ
≦Ｓ≦４Ｗ、１．５Ｗ≦Ｌ≦５Ｗであることを特徴とす
る請求項３に記載の半導体装置。 - 【請求項５】 バンプのビッカース硬度Ｈｂとワイヤの
ビッカース硬度Ｈｗの関係がＨｗ−１０≦Ｈｂ≦２Ｈｗ
であることを特徴とする請求項３に記載の半導体装置。 - 【請求項６】 さらにチップ面と平行な断面でみたバン
プ内の平均径Ｇとワイヤ径Ｗの関係が、０．０５Ｗ≦Ｇ
≦０．７Ｗの範囲であることを特徴とする請求項３に記
載の半導体装置。 - 【請求項７】 半導体素子上の膜厚ｔの電極膜上に、金
属バンプが形成され、そのバンプ上に金合金ボンディン
グワイヤがウェッジ接合されており、且つそのバンプ高
さＨが２ｔ＋２≦Ｈ≦６ｔ＋５０（μｍ）であり、さら
にバンプのワイヤ結線方向に対して垂直方向の長さＳと
平行方向の長さＬの関係が１．３Ｗ≦Ｓ≦４Ｗ、１．５
Ｗ≦Ｌ≦５Ｗであり、さらにバンプのビッカース硬度Ｈ
ｂとワイヤのビッカース硬度Ｈｗの関係がＨｗ−１０≦
Ｈｂ≦２Ｈｗの範囲であることを特徴とする半導体装
置。 - 【請求項８】 引張破断強度Ｆ（ＭＰａ）が８０〜４０
０ＭＰａで、破断伸びＣ（％）が１〜９％であり、さら
に強度Ｆと伸びＣの関係が１５０≦Ｆ・Ｃ≦２５００の
範囲であり、純度が９９質量％以上の金であることを特
徴とする半導体用の金合金ボンディングワイヤ。
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|---|---|---|---|
| JP2000120333A JP3764629B2 (ja) | 2000-04-21 | 2000-04-21 | ワイヤをウェッジ接合した半導体装置 |
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| JP2005197314A Division JP2005294874A (ja) | 2005-07-06 | 2005-07-06 | ワイヤをウェッジ接合した半導体装置及び金合金ボンディングワイヤ |
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| JP2001308133A true JP2001308133A (ja) | 2001-11-02 |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2006270075A (ja) * | 2005-02-22 | 2006-10-05 | Nec Electronics Corp | 半導体装置 |
| JP2006324553A (ja) * | 2005-05-20 | 2006-11-30 | Renesas Technology Corp | 半導体装置及びその製造方法 |
| US8044521B2 (en) | 2005-02-22 | 2011-10-25 | Renesas Electronics Corporation | Semiconductor device |
-
2000
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| US8044521B2 (en) | 2005-02-22 | 2011-10-25 | Renesas Electronics Corporation | Semiconductor device |
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