JP2016122700A - 銅ボンディングワイヤ - Google Patents

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Abstract

【課題】ＦＡＢ形成時の雰囲気ガスを窒素ガスとした場合でも良好な形状のＦＡＢを形成することができるとともに、ＦＡＢを電極に接触させ潰した時の形状を良好な円形とすることができる銅ボンディングワイヤを提供する。
【解決手段】金の含有量が０．５質量％以上５．０質量％以下、硫黄の含有量が１質量ｐｐｍ以上１５質量ｐｐｍ以下であり、残部が銅及び不可避不純物からなるものとする。

Description

本発明は、半導体素子の電極と基板の電極とを接続する銅ボンディングワイヤに関する。
一般に半導体素子上の電極と、基板の電極との結線に用いられるボンディングワイヤは非常に細いため、導電性が良く、加工性に優れた金属材料が用いられている。特に、化学的な安定性や大気中での取り扱いやすさから、従来は金（Ａｕ）製の金ボンディングワイヤが用いられているが、金ボンディングワイヤは重量の９９％以上が金であり非常に高価であるため、より安価な銅（Ｃｕ）製の銅ボンディングワイヤの使用が望まれている。
しかしながら、銅ボンディングワイヤは、半導体素子の電極へボールボンディングする際に真球度の高い良好な形状のボール（ＦＡＢ：Ｆｒｅｅ Ａｉｒ Ｂａｌｌ）を形成するために、可燃性ガスである水素を窒素に混合したフォーミングガス雰囲気でＦＡＢを成形する必要があり、十分安全性に配慮した施設を準備しなければならない。
これに対して、ＦＡＢ形成時の雰囲気ガスを窒素ガスとした場合でも良好な形状のＦＡＢを形成するため、Ｃｌの含有量が２質量ｐｐｍ以下であり２質量％以上７．５質量％以下のＡｕを含有する銅ボンディングワイヤが提案されている（例えば、下記特許文献１参照）。
ところで、ボールボンディングでは、フォーミングガス雰囲気でボンディングワイヤの先端に形成したＦＡＢを電極に押し当てて潰した後、熱エネルギー及び振動エネルギーを与えて１ｓｔ接合を行うが、近年の半導体素子の高密度化に伴い、電極のファインピッチ化が進んでおり、ＦＡＢを電極に押し当て潰した時に形成される１ｓｔ接合部の形状を円形に制御して隣接する電極間での短絡を防止することが求められている。しかし、下記特許文献１の銅ボンディングワイヤでは、１ｓｔ接合部の形状を制御しにくく、ファインピッチ化に対応しにくいという問題がある。
特開２０１１−３７４５号公報
本発明は、上記の問題を考慮してなされたものであり、ＦＡＢ形成時の雰囲気ガスを窒素ガスとした場合でも良好な形状のＦＡＢを形成することができるとともに、ＦＡＢを電極に接触させ潰した時に形成される１ｓｔ接合部の形状を良好な円形とすることができる銅ボンディングワイヤを提供することを目的とする。
上記課題を解決するため、本発明に係る銅ボンディングワイヤは、金の含有量が０．５質量％以上５．０質量％以下、硫黄の含有量が１質量ｐｐｍ以上１５質量ｐｐｍ以下であり、残部が銅及び不可避不純物からなることを特徴とする。
上記した本発明の銅ボンディングワイヤでは、金を０．５％以上含有することにより、ＦＡＢ形成時の雰囲気を窒素ガスのみとしても真球度の高いＦＡＢを得ることができるとともに、硫黄を所定量添加することで、ＦＡＢを電極に接触させ潰した時に形成される１ｓｔ接合部の形状を良好な円形とすることができ、電極間の距離が小さい場合であっても隣接する電極が短絡しにくい。
他の本発明に係る銅ボンディングワイヤは、金の含有量が０．５質量％以上５．０質量％以下、硫黄の含有量が１質量ｐｐｍ以上１５質量ｐｐｍ以下、銀の含有量が２５質量ｐｐｍ以下であり、残部が銅及び不可避不純物からなることを特徴とする。
他の本発明に係る銅ボンディングワイヤは、金の含有量が０．５質量％以上、硫黄の含有量が１質量ｐｐｍ以上１５質量ｐｐｍ以下、であり、更に、パラジウム及び白金の少なくとも一方を含有し、金、パラジウム、及び白金の含有量の合計が５．０質量％以下であり、残部が銅及び不可避不純物からなることを特徴とする。
本発明では、ＦＡＢ形成時の雰囲気ガスを窒素ガスとした場合でも良好な形状のＦＡＢを形成することができるとともに、ＦＡＢを電極に接触させ潰した時に形成される１ｓｔ接合部の形状を良好な円形とすることができる。
以下、本発明の一実施形態について説明する。
本実施形態の銅ボンディングワイヤは、０．５質量％以上５．０質量％以下の金と、１質量ｐｐｍ以上１５質量ｐｐｍ以下の硫黄を含有し、残部が銅及び不可避不純物からなるものである。なお、本実施形態に係る銅ボンディングワイヤの線径は、用途に応じて種々の大きさとしてよいが、例えば、１０〜５０μｍとすることができる。
具体的には、金を添加することにより、窒素ガス含有率の高い雰囲気でボールボンディングする際にも真球度の高い良好な形状のＦＡＢを形成することができる。高純度の銅からなるボンディングワイヤでは、窒素ガス雰囲気で真球度の高いＦＡＢを安定的に得るのが難しい。しかし、金を０．５質量％以上含有すれば、窒素ガス雰囲気においても真球度の高いＦＡＢが形成される。
また、高純度の銅からなるボンディングワイヤでは、高温高湿条件下で行う高度加速寿命試験（ＨＡＳＴ：Ｈｉｇｈｌｙ Ａｃｃｅｌｅｒａｔｅｄ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ａｎｄ Ｈｕｍｉｄｉｔｙ Ｓｔｒｅｓｓ Ｔｅｓｔ）において、１ｓｔ接合部が劣化しやすく耐食性に問題があるが、金を０．５質量％以上含有することにより、１ｓｔ接合部の耐食性が向上する。
一方、金の含有量が５．０質量％を越えると高価な金の使用量が多くなり、ボンディングワイヤの電気抵抗率も高くなるが、５．０質量％以下であれば金の含有量が低くボンディングワイヤの製造コストを抑えることができるとともに、電気抵抗率が適切な範囲に維持される。
硫黄を添加することにより、塑性変形時に加工硬化を起こりやすくすることができる。高純度の銅からなるボンディングワイヤでは、先端に形成したＦＡＢを電極に押し当てた時にＦＡＢが容易に押し潰されてしまい、潰した時の１ｓｔ接合部の形状が定まりにくい。しかし、硫黄を含有する銅ボンディングワイヤでは、塑性変形時に加工硬化が起こり、電極に押し当て潰した時に形成される１ｓｔ接合部の形状を円形に制御しやすくなる。
銅ボンディングワイヤが金を０．５質量％以上５．０質量％以下含有する場合に、硫黄の含有量が１質量ｐｐｍ未満であると塑性変形時の加工硬化が不十分なため、ＦＡＢを電極に押し当てた時にＦＡＢが容易に押し潰されてしまい１ｓｔ接合部の形状を円形に制御することができない。また、ＦＡＢを形成するためにワイヤを放電によって加熱するが、銅ボンディングワイヤが金を０．５質量％以上５．０質量％以下含有する場合に硫黄の含有量が１５質量ｐｐｍを越えると、ＦＡＢ形成時の熱によりワイヤが酸化しやすくなり、１ｓｔ接合後に行う２ｎｄ接合時に接合不良が発生しやすくなる。
一方、銅ボンディングワイヤが金を０．５質量％以上５．０質量％以下含有する場合に、硫黄の含有量を１ｐｐｍ以上１５質量ｐｐｍ以下とすると、塑性変形時に加工硬化が起こり、電極に押し当て潰した時の１ｓｔ接合部の形状を円形に制御しやすくなるとともに、ＦＡＢを形成する際に熱を受けてもワイヤが酸化しにくく、２ｎｄ接合の接合性が良好となる。よって、本実施形態に係る銅ボンディングワイヤは、金を０．５質量％以上５．０質量％以下含有し、硫黄を１質量ｐｐｍ以上１５質量ｐｐｍ以下含有することが好ましい。
また、ＰＢＧＡ（Ｐｌａｓｔｉｃ Ｂａｌｌ Ｇｒｉｄ Ａｒｒａｙ ｐａｃｋａｇｅ）やＱＦＮ（Ｑｕａｄ Ｆｌａｔ Ｎｏｎ−ｌｅａｄ ｐａｃｋａｇｅ）等の半導体素子では、電極材料としてアルミニウムやアルミニウム合金からなるアルミニウム電極が主流であるが、このようなアルミニウム電極に対して銅ボンディングワイヤを適用する場合、銅ボンディングワイヤに含まれる銀と電極中のアルミニウムの金属間化合物層（Ａｇ2Ａｌ）が接合界面に形成される。この金属間化合物層が成長すると、湿潤環境下における耐食性が劣化する。そのため、銅ボンディングワイヤの銀の含有量は、少なければ少ないほどよいが、２５質量ｐｐｍ以下であればＡｇ2Ａｌの生成が抑制でき、湿潤環境下における耐食性の劣化を抑えることができる。
次に、このような構成のボンディングワイヤの製造方法の一例を説明する。
まず、純度９９．９９質量％以上であり、銀の含有量が２５質量ｐｐｍ以下の銅に、金を０．５〜５．０質量％添加し、硫黄を１質量ｐｐｍ〜１５質量ｐｐｍ添加した銅合金を鋳造した後、連続鋳造法にて所定の径の棒状インゴットを作製する。
次いで、棒状インゴットを伸線加工して所定の直径（例えば、１０〜５０μｍ）に達するまで縮径して銅ボンディングワイヤとする。なお、必要に応じて伸線加工の途中で軟化熱処理を行っても良い。
そして、所定の直径まで伸線加工を行った後、熱処理炉中を走行させて調質熱処理を行い、全ての熱処理を終了する。なお、調質熱処理の一例を挙げると、窒素ガス雰囲気において３００〜８００℃で０．１〜１０秒間連続焼鈍する。
本実施形態の銅ボンディングワイヤは、銅ボンディングワイヤにおいて、０．５質量％以上５．０質量％以下の金を含有するため、窒素ガス雰囲気でも真球度の高いＦＡＢを形成することができるとともに、１ｓｔ接合部の耐食性を向上させることができる。
しかも、本実施形態の銅ボンディングワイヤは、０．５質量％以上５．０質量％以下の金に加えて１質量ｐｐｍ以上１５質量ｐｐｍ以下の硫黄を含有するため、電極に押し当て潰した時に形成されるＦＡＢの形状を円形に制御しやすくなるとともに、ＦＡＢを形成する際の熱によりワイヤが酸化しにくく、２ｎｄ接合の接合性が良好となる。
また、本実施形態の銅ボンディングワイヤは、銀の含有量が２５質量ｐｐｍ以下に抑えられているため、アルミニウム電極に対してボンディングする場合に銅ボンディングワイヤと電極との接合界面に金属間化合物層（Ａｇ2Ａｌ）が形成されるのを抑制することができ、湿潤環境下における耐食性の劣化を抑えることができる。
（変更例）
上記した実施形態では、金及び硫黄を含有する銅ボンディングワイヤについて説明したが、金及び硫黄に加えてパラジウム及び白金の少なくとも一方を更に含有してもよい。０．５質量％〜５．０質量％の金とともにパラジウムや白金を複合して添加することで１ｓｔ接合部の耐食性が向上する。
金、パラジウム、及び白金の含有量の合計が５．０質量％を越えても耐食性は良好であるが、高価な貴金属であるので５．０質量％以下にすることによりボンディングワイヤの製造コストを抑えることができる。
以上、本発明の実施形態を説明したが、これらの実施形態は例として提示したものであり、発明の範囲を限定することを意図していない。これらの実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の趣旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これらの実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
以下、本発明を実施例によって更に具体的に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。
純度９９．９９質量％以上の銅原料及び純度９９．９９９９質量％以上の銅原料を用いて、下記表１に示すような組成の銅合金を溶解し、連続鋳造法にて直径８ｍｍの棒状インゴットを作製した。作製した棒状インゴットに対して伸線加工を施して直径２０μｍに達するまで縮径し、その後、調質熱処理を施して銅ボンディングワイヤを成形した。
Figure 2016122700
作成した実施例１〜２１及び比較例１〜４のボンディングワイヤについて、ＦＡＢ形状の安定性、１ｓｔ接合の真円性、ワイヤの耐食性（ＨＴＳＴ：Ｈｉｇｈ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｓｔｏｒａｇｅ Ｔｅｓｔ）、１ｓｔ接合部の耐食性（ＨＡＳＴ）、経済性、及び総合評価を評価した。それぞれの評価方法等は以下のとおりである。
（１）ＦＡＢ形状の安定性
ワイヤボンダで線径の１．７倍の大きさのＦＡＢを窒素ガス雰囲気でそれぞれ１００個作製し、ＦＡＢのワイヤと平行な方向と直角な方向の直径を測定した。作製した１００個のＦＡＢ全てにおいて、平行な方向と直角な方向の直径の差が２μｍ以下であれば真球に近いと考えて「Ａ」、２μｍを超え１０μｍ以下のＦＡＢが１個でもあれば「Ｂ」、１０μｍを超えるか、球状にならないＦＡＢが１個でもあれば真球度が低いと考えて「Ｄ」とした。
（２）１ｓｔ接合部の真円性
ワイヤボンダで作製した１００個のＦＡＢを電極に押し当てて１ｓｔ接合部の直径がＦＡＢの直径の１．５倍の大きさになるようにボンディングを行い、１ｓｔ接合部の直交する２方向の直径を測定した。１００個のＦＡＢ全てにおいて１ｓｔ接合部の2方向の直径の差が５μｍ以下であれば「Ａ」、５μｍを超えて１５μｍ以下の１ｓｔ接合部が１個でもあれば「Ｂ」、１５μｍを超える１ｓｔ接合部が１個でもあれば真円性が低くファインピッチ用途に不適と考えて「D」とした。
（３）ワイヤの耐食性（ＨＴＳＴ）
３本のボンディングワイヤを１５０℃の炉中で３０秒間加熱し、加熱前後のワイヤの表面に存在する酸化銅の厚さをＳＥＲＡ法（連続電気化学還元法）で測定した。加熱後の３本のワイヤ表面に存在する酸化銅の厚さの平均値が加熱前の２倍以下であれば、耐食性が良好と考えて「Ａ」、２倍を超えると耐食性に問題があると考えて「Ｄ」とした。
（４）１ｓｔ接合部の耐食性（ＨＡＳＴ）
１０本のボンディングワイヤを電極へボンディングした後、温度１３０℃で湿度８５％の試験槽中に１６８時間挿入し、１６８時間経過後のシェア強度ＳＳａを初期のシェア強度ＳＳｂで除した割合Ｒ（＝（ＳＳａ／ＳＳｂ）×１００）を用いて評価した。Ｒの平均値が７０％以上なら耐食性があると考えて「Ａ」、７０％未満となれば耐食性に問題があると考えて「Ｄ」とした。
（５）経済性
作製した各ボンディングワイヤの金、パラジウム、及び白金の含有量の合計が、５．０質量％以下であれば高価な貴金属の含有量が低くボンディングワイヤの製造コストを抑えることができると考えて「Ａ」、５．０質量％を越えると高価な貴金属の使用量が多くなりワイヤが高価となるため「Ｄ」とした。
（６）総合評価
上記（１）〜（５）の評価が、すべて「A」であれば「A」、ひとつでも「B」があると「B」、またひとつでも「D」があると「D」とした。
Figure 2016122700
結果は、表２に示すとおりであり、実施例１〜２１では、ＦＡＢ形状の安定性、１ｓｔ接合の真円性、ワイヤの耐食性、１ｓｔ接合部の耐食性、及び経済性について良好な結果が得られた。
一方、金の含有量が０．５質量％未満である比較例１では、窒素ガス雰囲気において真球度の高いＦＡＢを形成することができず、形成されたＦＡＢの真球度が低いため１ｓｔ接合部の形状を円形に制御することができなかった。また、比較例１では、高温高湿条件下で行う高度加速寿命試験において、１ｓｔ接合部が劣化しやすく耐食性に問題があった。金の含有量が５．０質量％を越える比較例２では、高価な貴金属の使用量が多くなりワイヤが高価となった。
また、硫黄の含有量が１質量ｐｐｍ未満である比較例３では、１ｓｔ接合部の形状を円形に制御することができず、硫黄の含有量が１５質量ｐｐｍを越える比較例４では、熱によりワイヤが酸化しやすくワイヤの耐食性に問題があった。

Claims (4)

  1. 金の含有量が０．５質量％以上５．０質量％以下、硫黄の含有量が１質量ｐｐｍ以上１５質量ｐｐｍ以下であり、残部が銅及び不可避不純物からなることを特徴とする銅ボンディングワイヤ。
  2. 金の含有量が０．５質量％以上５．０質量％以下、硫黄の含有量が１質量ｐｐｍ以上１５質量ｐｐｍ以下、銀の含有量が２５質量ｐｐｍ以下であり、残部が銅及び不可避不純物からなることを特徴とする銅ボンディングワイヤ。
  3. 金の含有量が０．５質量％以上、硫黄の含有量が１質量ｐｐｍ以上１５質量ｐｐｍ以下、であり、更に、パラジウム及び白金の少なくとも一方を含有し、金、パラジウム、及び白金の含有量の合計が５．０質量％以下であり、残部が銅及び不可避不純物からなることを特徴とする銅ボンディングワイヤ。
  4. 金の含有量が０．５質量％以上、硫黄の含有量が１質量ｐｐｍ以上１５質量ｐｐｍ以下、銀の含有量が２５質量ｐｐｍ以下であり、更に、パラジウム及び白金の少なくとも一方を含有し、金、パラジウム、及び白金の含有量の合計が５．０質量％以下であり、残部が銅及び不可避不純物からなることを特徴とする銅ボンディングワイヤ。
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