JP2005294874A - 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 - Google Patents

Abstract

【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、接合性及び長期信頼性を確保する。
【解決手段】 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。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、平行方向の長さＬ、ワイヤ径Ｗの関係が１．３Ｗ≦Ｓ≦４Ｗ、１．５Ｗ≦Ｌ≦５Ｗである。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。
【選択図】 図１

Description

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。

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等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、及び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。

半導体素子上の電極膜に用いられる材質は、現在、Ａｌ又は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又はＣｕ合金の電極膜が使用されて始めており、またＣｕの酸化防止等を目的として、表面にＡｌ層又はＡｕ層が形成されたＣｕ又はＣｕ合金の電極膜も実用化されている。

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、狭ピッチ接合技術等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等の制約が問題となる。

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等、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等により、生産性が低下すること等の問題があり、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。

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等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。

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等により、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。

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。

特開平９−２７５１１９号公報

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及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及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。

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等の理由から、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及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易いこと、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等が挙げられる。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。

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、超音波振動等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等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。

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等のように高温に曝されること等から、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。

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又はＣｕ合金、またＡｌ層又はＡｕ層を上層とするＣｕ又は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及び長期信頼性が低下する問題が懸念されている。

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、接合性及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。

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及び長期信頼性の支配要因について調査した結果、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、硬さが接合性及び長期信頼性に密接に関係していることを見出した。

すなわち、本発明は以下の構成を要旨とする。
（１） 半導体素子上のアルミ及びアルミ合金、Ｃｕ及びＣｕ合金、Ａｌ層又はＡｕ層を上層とするＣｕ又はＣｕ合金の膜厚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、該バンプが高純度Ａｕ、Ａｕ合金、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｃｕ、これらの合金であり、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。
（２） 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、平行方向の長さＬ、ワイヤ径Ｗ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（１）に記載の半導体装置。
（３） 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（１）に記載の半導体装置。
（４） さらにチップ面と平行な断面でみたバンプ内の結晶粒の平均径Ｇとワイヤ径Ｗの関係が、０．０５Ｗ≦Ｇ≦０．７Ｗの範囲であることを特徴とする上記（１）に記載の半導体装置。
（５） 半導体素子上のアルミ及びアルミ合金、Ｃｕ及びＣｕ合金、Ａｌ層又はＡｕ層を上層とするＣｕ又はＣｕ合金の膜厚ｔの電極膜上に、高純度Ａｕ、Ａｕ合金、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｃｕ、これらの合金の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、平行方向の長さＬ、ワイヤ径Ｗ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。
（６） 上記（１）〜（５）のいずれかに記載の半導体装置に用いる金合金ボンディングワイヤであって、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。

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、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。

以下に、本発明に係わる半導体装置及びワイヤ等の構成についてさらに説明する。

本発明者らは、金ワイヤを電極上に接合すると言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、寸法等の相違により、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及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、長期信頼性及び接合性を向上させるためのワイヤ、電極膜、バンプ等、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及び接合性との関係について下述する。

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及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、良好な接合性及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の厚み等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。

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。

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。

Ａｕバンプ又は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１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。但し、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（μｍ）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。

さらに、金ワイヤとバンプとの接合部における接合性及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が高過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。

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２及び図３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及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等を考慮すれば、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言う理由に基づく。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、あるいは高速接合等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。

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等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。

バンプの形状は角形、球形、円柱形等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、メッキ形成等のいずれでも接合性及び長期信頼性を高めることができる。但し、これらの手法では生産性、操作法、必要設備等には差があり、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、円柱形等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、成分等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。

バンプ素材は、高純度Ａｕ又はＡｕ合金であることが望ましいが、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｃｕ又は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。

さらに、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｃｕ又はそれらの合金のバンプの上部に、Ａｕ層又はＡｕ合金層が形成されたバンプを用い、ワイヤ、電極膜、バンプ等の厚さ、寸法等を上述した関係を満足するウェッジ接合により、接合性、作業性等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／Ａｕ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層又は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又はメッキ法等が可能である。

金バンプ上への金ワイヤの接合強度を高めるためには、ワイヤ及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共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言う理由に基づく。

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。

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、寸法等について、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、金属バンプ等の材質を変更すると、配線工程、電気的性能等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。

すなわち、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１５０≦Ｆ・Ｃ≦２５００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。

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、１５０≦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。

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等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８０〜４００ＭＰａ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。

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及び、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等から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。

また、ワイヤを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１０ａｔ％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等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。

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１５０≦Ｆ・Ｃ≦２５００の範囲であり、ワイヤ表面から１０ｎｍ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及び熱処理条件の適正化等が有効であることを確認した。

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及び信頼性の低下は、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及び、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。

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％）又は、Ｃａ、Ｂｅ、Ｃｕ、Ａｇ、Ｐｔ、Ｐｄ等から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。ワイヤの強度又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）及び、最終段階での熱処理温度（２００〜７００℃）等を選定した。シリコン基板上の電極材質には、純Ａｌ、Ａｌ合金（Ａｌ−１％Ｓｉ、Ａｌ−０．５％Ｃｕ）、純Ｃｕ、またＡｌ層又はＡｕ層を上層（０．１μｍ）とする純Ｃｕ膜等を使用し、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。

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、メッキ法等を使用し、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：３５〜６０μｍ）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、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｃｕ等の素材からなるバンプを電極膜上に形成した。

ワイヤの引張破断強度及び伸び率は、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。ワイヤ及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。

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、プル強度の平均値及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。

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。

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。

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、金ワイヤ及び電極等を溶解した後に、２００個の接合箇所を光学顕微鏡及び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又は穴が認められるものは○印、光顕及びＳＥＭ観察において損傷が認められない場合は◎印で示した。

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。

表１において、金バンプを用いた接合に関して、実施例１〜２８ではバンプ高さと電極膜厚の関係を第１の発明である２ｔ＋２≦Ｈ≦６ｔ＋５０（μｍ）の条件範囲とし、実施例１〜１６及び２１〜２８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２の発明である１．３Ｗ≦Ｓ≦４Ｗ、１．５Ｗ≦Ｌ≦５Ｗの条件範囲とし、実施例１〜２４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３の発明であるＨｗ−１０≦Ｈｂ≦２Ｈｗの条件範囲に調整したもので、中でも、本発明例９、１３、２３、２４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１〜２０及び２３〜２８は、第４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。

また表２の比較例１〜４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１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。

本発明例１〜２８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、接合性及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１、３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。

バンプ素材がＰｔ、Ｐｄ、Ｃｕ等の場合も、十分な接合性、接合信頼性が得られていた。第２の発明に関する本発明例９、１３、２３、２４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１３では、ワイヤ単位面積当りのプル強度が、Ｃｕバンプでは上層部が形成されていない本発明例１２よりも１５ＭＰａも増加することが確認された。

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１７、１９は１．３Ｗ＞Ｓであり、本発明例１８、２０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９〜１６では、ワイヤ径及びバンプ寸法の絶対値は異なっていても、第２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。

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２５、２６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２７、２８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３の発明の範囲を満足している本発明例１〜２４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、接合性及び長期信頼性は優れていることが確認された。

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１〜２０及び２３〜２８では、第４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２１、２２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。

本発明例１〜２８では、ワイヤの特性をみれば第６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１５０≦Ｆ・Ｃ≦２５００の範囲であった。

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。 金ワイヤのウェッジ接合部を上方からみた図を示す。 金ワイヤのウェッジ接合部を上方からみた図を示す。

符号の説明

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

Claims (6)

1. 半導体素子上のアルミ及びアルミ合金、Ｃｕ及びＣｕ合金、Ａｌ層又はＡｕ層を上層とするＣｕ又はＣｕ合金の膜厚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、該バンプが高純度Ａｕ、Ａｕ合金、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｃｕ、これらの合金であり、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。
2. 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、平行方向の長さＬ、ワイヤ径Ｗ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１に記載の半導体装置。
3. 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１に記載の半導体装置。
4. さらにチップ面と平行な断面でみたバンプ内の結晶粒の平均径Ｇとワイヤ径Ｗの関係が、０．０５Ｗ≦Ｇ≦０．７Ｗの範囲であることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
5. 半導体素子上のアルミ及びアルミ合金、Ｃｕ及びＣｕ合金、Ａｌ層又はＡｕ層を上層とするＣｕ又はＣｕ合金の膜厚ｔの電極膜上に、高純度Ａｕ、Ａｕ合金、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｃｕ、これらの合金の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、平行方向の長さＬ、ワイヤ径Ｗ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。
6. 請求項１〜５のいずれかに記載の半導体装置に用いる金合金ボンディングワイヤであって、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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