JP2008016550A - 半導体素子用Ａｕボンディングワイヤ - Google Patents

半導体素子用Ａｕボンディングワイヤ Download PDF

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Abstract

【課題】 ボンディングワイヤの線径が２３μｍ以下へと細くなっても、破断強度が高くかつループ特性の優れた半導体素子用Ａｕボンディングワイヤを提供する。
【解決手段】 Ｂｅを４〜７質量ｐｐｍ、Ｃａを１５〜３０質量ｐｐｍ、Ｙを１５〜３０質量ｐｐｍ、Ｃｅを１５〜３０質量ｐｐｍおよび残部Ａｕからなることを特徴とする。更にＭｇ、Ｓｉ、ＧｅおよびＧａの１種または２種以上を合計で５〜３０質量ｐｐｍ添加することが好ましい。
Ａｕ以外の元素の合計が１００質量ｐｐｍ未満であることが好ましい。
【選択図】 なし

Description

本発明は半導体の集積回路素子上の電極と回路配線基板の外部リードとを接続するために使用する半導体素子用Ａｕボンディングワイヤに関し、更に詳しくは高強度でありながらループ特性の優れた半導体素子用Ａｕボンディングワイヤに関する。
従来から半導体装置に用いられるＩＣチップ電極と外部リードを接続する線径１５〜３０μｍ程度の線としては、ボンディングワイヤの強度が優れていることから、純度９９．９９質量％以上の高純度金に微量の微量元素を添加した極細線が多用されている。
市販の純度９９．９９質量％以上の高純度金地金には、さまざまな微量元素が含まれている。例えば、Ｓｉが３質量ｐｐｍ以下含まれていたり、Ｍｇが１質量ｐｐｍ以下含まれていたりすることがあるが、Ｂｅ、Ｃａ、Ｙ、Ｃｅ、ＧｅおよびＧａが含まれることはほとんどない（例えば、非特許文献１参照）。
このような高純度金に微量の微量元素を添加した極細線を用いて半導体素子用Ａｕボンディングワイヤを接続する方法として、第一ボンドでは超音波併用熱圧着ボンディング法が主として用いられる。
この方法は、ワイヤ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ボール部を圧着接合せしめ、その後の第二ボンドでは、直接ワイヤを外部リード側に超音波圧着によりウェッジ接合させる。そして、トランジスタやＩＣ等の半導体装置として使用するためには、前記のボンディングワイヤ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等を保護する目的で、エポキシ樹脂で封止する。
最近は半導体装置の小型化、高密度化の要求が高まる中で、ＩＣチップの多ピン化及びこれに伴う狭ピッチ化に対応するため、第一ボンドから第二ボンドまでのループ間隔が短くなり、しかも、樹脂フローに耐えるだけの高強度のワイヤが要求されている。特に半導体装置の一層の高集積化および小型化、薄型化および高機能化に伴い、ボンディングワイヤの細線化によるワイヤ自身の絶対的な剛性の低下、ボンディングパッド間隔の狭小化による、隣接するワイヤ同士のショートを回避するために、ボンディングワイヤには高い破断応力を持つことが要求されている。同時に、ボンディングパッドの間隔も狭くなった場合、隣接するワイヤ同士の接触を防止するためにボンディングワイヤにはループ高さのバラツキが小さくリーニングが無いことが要求されている。
要求される諸特性を満たすために、高純度金地金に各種の微量元素が添加されてきた。しかし、従来のボンディングワイヤにおいては、破断応力とループ高さのバラツキとを満足させる特性が相反するものであるため、この２つの特性を両立できなかった。
添加元素を多くすれば、ワイヤの強度を高くすることができることは知られている。しかし、ワイヤの強度が高くなると、ワイヤのループが描きにくくなり、ループ高さのバラツキが大きくなったり、リーニングが生じやすくなったりして隣接ワイヤと接触してしまう。
逆に添加元素を少なくすれば、ワイヤの強度が低くなりワイヤのループが描きやすくなるものの、ループ高さの高いものが得られずワイヤの高密度化を測ることができない。また、モールド時のワイヤフローが大きくなり、ワイヤ同士が接触してしまう。このように高強度であることとループ高さのばらつきが少ないという相反する特性が要求されるため、これまでの高密度実装では１個のＩＣチップに複数種類のワイヤが使用され、複数の工程で高密度実装が行われていた。
微量元素を添加した従来のボンディングワイヤの文献には、例えば、特許文献１、特許文献２および特許文献３がある。
特許文献１には、「カルシウムを３〜４０重量ｐｐｍ、ベリリウムを０．５〜１５重量ｐｐｍ、イットリウムを４〜３０重量ｐｐｍ、およびセリウムまたはランタンの一方または両者を４〜３０重量ｐｐｍの範囲内で含有し、かつイットリウム、およびセリウムまたはランタンの一方または両者の総量を１１重量ｐｐｍ以上とし、なおかつカルシウム、イットリウム、およびセリウムまたはランタンの一方または両者の総量を７０重量ｐｐｍ以下とし、さらにインジウムを５〜６０重量ｐｐｍの範囲内で含有し、残部が金とその不可避不純物からなるボンディング用金合金細線」が開示されている。
この発明では、「カルシウム、ベリリウム、イットリウム、およびセリウムまたはランタンの一方または両者を含有する金合金細線がヤング率を向上させ、結果として樹脂封止時に生じるワイヤ流れを低減させる効果があることを見出した。この効果は、イットリウムを含まない希土類元素類の組み合わせの場合には、調質熱処理後の金合金細線の破断強度が、イットリウムとセリウムまたはランタンの一方または両者との組み合わせの場合と同様に向上するものの、ヤング率の向上には必ずしも十分でなかった。」として、これら４種類の添加元素の組合せに、ループ高さを高くする効果がある既知のＩｎを組み合わせることによって、ループ高さのバラツキが小さくヤング率の高いボンディングワイヤを得ているものである。
しかし、Ｉｎは、高価で毒性が強いため安全性の観点から問題となり、公害物質としての回収コストが高くなる欠点がある。また、Ｉｎを組み合わせると、かえってループ高さのばらつきが大きくなるという技術上の欠点がある。
特許文献２には、「純度９９．９９重量％以上の金に、Ｓｎを２〜５０重量ｐｐｍと、Ｃａ、Ｂｅ、希土類元素のうちの少なくとも一種を１〜５０重量ｐｐｍとを含有させた金合金線からなるボンディングワイヤー」が開示されている。そしてその実施例には「純度９９．９９重量％以上の高純度金に、Ｓｎ、Ｃａ、Ｂｅ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｅｕ、Ｙを種々の割合で添加し」た合金組成が開示され、「従来金線の機械的強度、及び耐熱強度を損なうことなく、ボール形成時のボール変形、及びボール表面への酸化膜形成もなく、ボンディングの際のボール硬度が低く、デバイスの損傷や電極パッド下のクラックの発生を防ぎ、安定したボンディングが可能である」とその効果が記載されている。
しかし、上記の効果は、必須成分であるＳｎの共存下においてのみ得られるものであり、Ｓｎの添加量が２重量ｐｐｍ未満の場合にはその効果が十分得られないとされている。
したがって、Ｓｎが存在しない「純度９９．９９重量％以上の高純度金に、Ｃａ、Ｂｅ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｅｕ、Ｙを種々の割合で添加し」た合金組成の金線では、満足のいくボンディング特性が得られないわけである。
特許文献３には、「１〜５０質量ｐｐｍのＳｎ、２〜５０質量ｐｐｍのＰｔ、１〜１００質量ｐｐｍのＹ、１〜１００質量ｐｐｍのＬａ、Ｃｅ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｍｇ及びＡｇのうち少なくとも１種を含有し、これらの合計量が６〜１５０質量ｐｐｍであり、残部がＡｕと不可避不純物からなる半導体素子ボンディング用金合金線」および「更に１〜５０質量ｐｐｍのＢｅ及びＣａのうち少なくとも１種を含有し、且つ添加元素の合計量が６〜１５０質量ｐｐｍであり、残部がＡｕと不可避不純物からなる半導体素子ボンディング用金合金線」が開示されている。
この合金線は、「高温で接合しても半導体装置を構成する配線の断線防止に有効であり、且つ圧着ボールの真円度の向上に加えて、圧着ボールの直径のばらつき抑制に有効な半導体素子ボンディング用金合金線を提供することを目的とする」ものであるが、ＳｎとＰｔとの共存においてのみ上記の効果を発揮させるものである。よって、ＳｎおよびＰｔがＹと共存しなければ、上記の効果を発揮させることはできない。
特開平７−３３５６８６号公報 特開平８−８８２４２号公報 特開２００４−２２８８７号公報 D.J.Kinnebergらの「Origin and Effects of Impurities in High Purity Gold」(GoldBulletin誌 １９９８年、３１巻２号５８−６７ページ
本発明は上述したような事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、ボンディングワイヤの線径が２３μｍ以下へと細くなっても、破断強度が高くかつループ特性の優れた半導体素子用Ａｕボンディングワイヤを提供するものである。
本発明者は上記の課題を解決するため鋭意研究を重ねた結果、本発明を完成するに至った。すなわち、本発明の半導体素子用Ａｕボンディングワイヤは、以下の通りである。
（ａ） Ｂｅを４〜７質量ｐｐｍ、Ｃａを１５〜３０質量ｐｐｍ、Ｙを１５〜３０質量ｐｐｍ、Ｃｅを１５〜３０質量ｐｐｍおよび残部Ａｕからなることを特徴とする半導体素子用Ａｕボンディングワイヤ。
（ｂ） Ｂｅを４〜７質量ｐｐｍ、Ｃａを１５〜３０質量ｐｐｍ、Ｙを１５〜３０質量ｐｐｍ、Ｃｅを１５〜３０質量ｐｐｍ、更にＭｇ、Ｓｉ、ＧｅおよびＧａの１種または２種以上を合計で５〜３０質量ｐｐｍおよび残部Ａｕからなることを特徴とする半導体素子用Ａｕボンディングワイヤ。
（ｃ） Ａｕ以外の元素の合計が１００質量ｐｐｍ未満である上記（ｂ）に記載の半導体素子用Ａｕボンディングワイヤ。
本発明の半導体素子用Ａｕボンディングワイヤによれば、極細線の線径が２３μｍ以下の細い線径になってもワイヤ自身の絶対的な剛性を高めたままループ高さのばらつきを抑え、リーニングの発生を減らす効果を併せ持たせることができる。その結果、第一ボンドにおけるボンディング面積が狭くてすみ、高密度実装をおこなっても隣接するワイヤがショートすることはない。また、Ｍｇ、Ｓｉ、ＧｅおよびＧａを更に添加したＡｕ合金組成は、良好なループ特性を維持したまま第二ボンドにおける接合強度を増大させる効果がある。
本発明者は、多種類の元素を添加してもループ特性の安定しているＡｕ合金組成を探求したところ、Ｂｅの添加量が４〜７質量ｐｐｍという狭い範囲で、溶融ボール形状が安定し特異な効果を発揮することを知見した。
すなわち、Ｂｅの添加量が４〜７質量ｐｐｍの範囲では、所定量のＣａ、ＹおよびＣｅを含有するＡｕ合金組成が破断荷重とループ特性の点で安定していることがわかった。また、上記の合金組成に対し、所定量のＭｇ、Ｓｉ、ＧｅおよびＧａを更に添加したＡｕ合金組成は、上記の特性を維持したまま第二ボンドにおける接合強度を増大させることがわかった。
上記添加元素の含有量は、Ａｕ合金の全体の質量に対してＢｅの添加量は４〜７質量ｐｐｍである。Ｂｅが４質量ｐｐｍ未満では、他のＣａ、ＹおよびＣｅの共存元素の含有量が多いためボンディングワイヤのリーニングやループ高さのばらつきにおいて不安定となりやすい。また、Ｂｅの添加量が７質量ｐｐｍを超えると、溶融ボールの形状がいびつになりやすい。
Ｃａ、ＹおよびＣｅの添加量は、それぞれ、１５〜３０質量ｐｐｍである。Ｂｅの添加量の範囲が限定されているため、共存元素の含有量も狭い範囲に限定される。Ｂｅと共存元素とのバランスは破断荷重に対する耐力点荷重の比（耐力点荷重／破断荷重）、いわゆるＰ／Ｂ比に表れる。バランスがとれている場合は、Ｐ／Ｂ比が低く安定しているのに対し、Ｂｅと共存元素とのバランスが崩れると、Ｐ／Ｂ比の値が悪くなる。
Ａｕ合金の全体の質量に対してＣａの添加量は１５〜３０質量ｐｐｍである。Ｃａの添加量が１５質量ｐｐｍ未満では、ワイヤ自身の絶対的な剛性が無くなり、ワイヤの強度が弱くなる。Ｃａの添加量が３０質量ｐｐｍを超えると、Ｂｅの添加量とのバランスを欠いて溶融ボールの形状がいびつとなり、ループ特性も悪くなる。ＹまたはＣｅの希土類元素の添加量は、それぞれ１５質量ｐｐｍ未満、あるいは、３０質量ｐｐｍを超えて添加されると、Ｂｅの添加量とのバランスを欠いて溶融ボールの形状がいびつとなりループ特性も悪くなる。
Ｍｇ、Ｓｉ、ＧｅおよびＧａの添加量は、これらの元素の添加量が総量で５〜３０質量ｐｐｍの範囲内にあれば、ループ特性や破断荷重が良好なまま、第二ボンドにおける接合強度を増大させる。ただし、総量で５質量ｐｐｍ未満の場合は、第二ボンドにおける接合強度を増大させることができない。また、総量で３０質量ｐｐｍを超えると、溶融ボール形状やループ特性に悪影響を及ぼすようになる。
Ａｕの純度は９９．９９質量％以上、好ましくは９９．９９９質量％以上である。Ｂｅの添加量の範囲が限定的であるため、純度はできるだけ高いことが好ましい。Ｂｅの純度は９８．５質量％以上、好ましくは９９．８質量％以上である。また、Ｙ、Ｃｅ、Ｃａ、Ｍｇ、Ｓｉ、ＧｅまたはＧａの純度は９９質量％以上、好ましくは９９．９質量％以上である。これらの元素の純度は、ループ特性、特にリーニング特性に影響しやすいので、できるだけ高純度のものを用いるのが好ましい。
なお、本発明のＡｕマトリックスに対する全微量元素の合計は、１００ｐｐｍ以下、好ましくは２０〜９０ｐｐｍの範囲が好ましい。「９９．９９質量％以上のＡｕ」と表示できるからである。
次に、本発明を実施例により説明する。
［実施例１〜８］
純度９９．９９９質量％の高純度Ａｕに微量元素として表１に記載の数値（質量ｐｐｍ）になるように配合し、真空溶解炉で溶解鋳造した。これを伸線加工して、線径が２５μｍのところで最終熱処理し、伸び率を４％に調整した。この極細線を株式会社新川製の汎用ボンディング装置（モデル：ＵＴＣ−１０００型）を用い、６０μｍ角のＡｌパッド上の半導体チップへ大気中で溶融ボールを形成した。次いで、６０μｍ角のＡｌパッド内に第一ボンドをした後、台形ループモード（ループ高さ２００μｍ、ループ長さ４．０ｍｍによって第一ボンドから第二ボンドまでループを描いた。
この時、溶融ボールの形状をボンディング装置に内蔵された実体顕微鏡（倍率４００倍）で観察した。この評価結果を表２に示す。
ここで、真球の溶融ボールは○印で、底部が平らな溶融ボールは△印で、引巣ができた溶融ボールは×印で示した。
また、各々の合金組成に対し、１０００本ボンディングしたときのリーニングとループ高さのばらつきを測定した。それらの評価結果も表２に示す。
［評価方法］ここで、リーニングは、第一ボンドから第二ボンドまでループを描いたとき、ループの高さ方向（Ｚ方向）における最高点をＸＹ平面に投射して第一ボンドと第二ボンドを結んだＸＹ平面上の直線からの最短距離のずれを自動三次元測定器によって測定し、これをリーニング量（傾き量）として表した。また、ループ高さは、第一ボンドから第二ボンドまでループを描いた際に自動三次元測定器のカメラを追随させ、ループの高さ方向（Ｚ方向）における最高点を測定した。そして、リーニングおよびループ高さのそれぞれのばらつきを算出し、標準偏差によって定量的評価を行った。
更に、破断荷重、Ｐ／Ｂ比および第二ボンドの接合強度を求めた。それらの評価結果も表２に示す。
「破断荷重」の評価は、以下のとおり行った。表１に記載の伸び率を４％に調整したワイヤを１０ｃｍ長に切り出し、各１０本引っ張り試験し、その平均値を求めることで評価した。
平均値が１５．５ｇｆ以上のものを○印で、１４．５ ｇｆ以上１５．５ｇｆ未満のものを△印で、１４．５ｇｆ未満のものを×印で示した。
また、Ｐ／Ｂ比は、０．７以下のものを○印で、０．７〜０．９のものを△印で、０．９以上のものを×印で示した。
また、第二ボンドにおける接合強度は、１２ｇ・Ｎ以上のものを◎印で、１０〜１２ｇ・Ｎのものを○印で、８〜１０ｇ・Ｎのものを△印で、８ｇ・Ｎ未満のものを×印で表した。
［比較例１〜８］
微量元素の組成が異なるＡｕ合金極細線を実施例と同様にして線径が２５μｍのところで最終熱処理し、伸び率を４％に調整した。この極細線を実施例と同様にして評価した。その成分組成を表１に、それらの評価結果を表２に併せて示す。
Figure 2008016550
Figure 2008016550
上記の結果から明らかなように、本発明のＡｕ合金ボンディングワイヤは、Ｂｅの範囲が限定的であり、微量元素の添加量が狭い範囲内で効果的に作用しあっている結果、満足のいくボンディング効果が得られることがわかる。これに対し比較例のＡｕ合金ボンディングワイヤの場合は、微量元素の添加量がバランスを欠いているため、本発明と類似の組成を採用しているにもかかわらず、満足のいくボンディング効果が得られないことがわかる。
本発明によれば、極細線の線径が２３μｍ以下の細い線径になってもワイヤ自身の絶対的な剛性を高めたままループ高さのばらつきを抑え、リーニングの発生を減らす効果を併せ持たせることができ、第一ボンドにおけるボンディング面積が狭くてすみ、高密度実装をおこなっても隣接するワイヤがショートすることはない。よって、半導体機器の製造技術の分野に貢献するところ大である。

Claims (3)

  1. Ｂｅを４〜７質量ｐｐｍ、Ｃａを１５〜３０質量ｐｐｍ、Ｙを１５〜３０質量ｐｐｍ、Ｃｅを１５〜３０質量ｐｐｍおよび残部Ａｕからなることを特徴とする半導体素子用Ａｕボンディングワイヤ。
  2. Ｂｅを４〜７質量ｐｐｍ、Ｃａを１５〜３０質量ｐｐｍ、Ｙを１５〜３０質量ｐｐｍ、Ｃｅを１５〜３０質量ｐｐｍ、更にＭｇ、Ｓｉ、ＧｅおよびＧａの１種または２種以上を合計で５〜３０質量ｐｐｍおよび残部Ａｕからなることを特徴とする半導体素子用Ａｕボンディングワイヤ。
  3. Ａｕ以外の元素の合計が１００質量ｐｐｍ未満である請求項２に記載の半導体素子用Ａｕボンディングワイヤ。
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