JP2814756B2 - 半導体装置 - Google Patents

半導体装置

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、ＩＣチップ等の半導体
素子のアルミニウム等のボンディングパッドに、金を主
な成分とするボンディングワイヤが接合されて構成され
た半導体装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】周知のように、ＩＣチップ等の半導体素
子が組み込まれた半導体装置の組立において、半導体素
子と外部リードとを接続するボンディングワイヤ（以
下、ワイヤと称する。）としては、金線、アルミニウム
線、また一部には銅線が用いられている。これらのワイ
ヤの中でも特に金線は耐食性が優れている等の利点を有
することから古くから使われており、現在でも金または
金合金よりなるワイヤの使用量は他のワイヤに比べて圧
倒的に多い。そして、このようなワイヤを半導体素子上
のアルミニウム製のボンディングパッド（以下、パッド
と称する。）に接合する場合には一般に、キャピラリに
通したワイヤ先端部を電気トーチ等を用いて溶融するこ
とによってこの先端部に球状部（ボール）を形成し、こ
の球状部を超音波熱圧着法によって前記パッドに圧着し
て接合するボールボンディング法が用いられている。
【０００３】ところで近年、半導体装置の使用環境の多
様化に伴い、例えば自動車のエンジンルーム等の高温・
高圧などの悪環境下においてこのような半導体装置が多
く用いられるようになってきた。そして、このような使
用条件下でもワイヤとパッドとの接合部の剥離やワイヤ
の断線等のトラブルの生じないような信頼性の高い半導
体装置に対する要求が高まって来ている。そこで、この
ような要求に応じるため、ＬaやＢe、またはＣe等の様
々な元素をそれぞれ数wt・ppm程度の極めて微量な割合で
添加した金合金より成る各種のワイヤが提案され、この
ようなワイヤによってボンディングされた半導体装置が
製造されるようになってきた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】ところで一方、このよ
うに金を主成分とするワイヤと、アルミニウムより成る
パッドとが接合された状態では、高温環境下において両
者の接合界面にＡu2Ａl，Ａu5Ａl2，Ａu4Ａl等の金とア
ルミニウムとの金属間化合物の層が急激に成長すること
が知られている。このような金属間化合物の層は、成長
が全く行なわれないとワイヤとパッドとの接合が促進さ
れない反面、このような金属間化合物の層には空孔やク
ラックが生じ易いために該層の成長が進行してその層厚
が大きくなり過ぎると脆性が高くなってしまうという性
質を持つ。このため半導体装置が前述のような高温下に
おかれ、この金属間化合物の層の成長が進行し過ぎると
ワイヤとパッドとの接合性が著しく阻害されてワイヤが
パッドとの接合界面から剥離してしまうおそれがある。
【０００５】また、前記金属間化合物の成長が促進され
て該金属間化合物の層厚が大きくなると、この層の外縁
部が鼓状に内側に向かって凹む現象、いわゆるカーケン
ダルボイドが発生してしまい、これによって前記ワイヤ
とパッドとの接合性がより一層阻害せしめられることに
なる。
【０００６】そして、前述した従来提案されてきたワイ
ヤの中には、高い常温強度および高温強度を有するもの
が存在することが認められてはいるが、このような高温
環境下におけるワイヤとパッドとの接合界面の金属間化
合物の成長による該接合部の劣化に対しては、十分に解
決されたものは無かった。このため、前記接合部の劣化
に伴ってワイヤのパッドとの接続不良が生じ、半導体装
置が安定した性能を発揮することが困難となって装置寿
命の大幅な短縮を招く結果となっていた。
【０００７】本発明はこのような問題を解決し、高温環
境下におけるワイヤとパッドとの接合部の劣化が少ない
半導体装置を提供することを目的とするものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】ここで、本発明の発明者
等は前述したＬa，Ｂe，Ｃeの他、Ｃa，Ｓi，Ａg等の種
々の元素を様々な割合で高純度の金に添加してワイヤを
成形し、このワイヤをアルミニウムのパッドに接合して
両者の接合性についての研究を重ねた。その結果、これ
らの元素を特定の組み合わせで、かつ従来に比べて多大
な添加量で高純度の金に添加してワイヤを成形すること
により、ボールボンディング法によってワイヤをパッド
に接合した際に、両者の接合界面に前記元素の酸化物が
分散して生成し、この分散した酸化物の存在によってワ
イヤを構成する金とパッドを構成するアルミニウムとの
金属間化合物の層の成長が抑制されるという知見を得る
に至った。
【０００９】本発明はかかる知見に基づいてなされたも
ので、金を主成分とする金属製細線より成るワイヤが半
導体素子のパッドにボールボンディング法により接合さ
れて構成された半導体装置において、ワイヤとパッドと
の接合界面に酸化物を分散せしめたことを特徴とするも
のである。
【００１０】
【作用】本発明では、前述のボールボンディング法によ
ってワイヤ先端を加熱して球状部を形成した際に、これ
と同時にこの球状部の表面に前記元素の酸化物による被
覆層が形成される。そして、この被覆層が形成された球
状部をパッドに圧着することによって該球状部は押しつ
ぶされながらパッドに圧接され、これに伴って前記被覆
層が圧潰されて前記元素の酸化物が分散された状態でワ
イヤはパッドに接合される。
【００１１】このような構成の半導体装置では、ワイヤ
とパッドとの接合界面に分散せしめられた酸化物が、高
温下での該接合界面におけるワイヤを構成する金とパッ
ドを構成するアルミニウムとの金属間化合物の成長を抑
制する。これにより、半導体装置が高温下において長時
間使用されるような場合でも、パッドからワイヤが剥離
するまでの時間を従来に比べて延長することができる。
【００１２】なおここで、ワイヤ先端の球状部表面に形
成される前記被覆層の厚さは３０Å〜１０００Åである
ことが望ましい。この被覆層の厚さが３０Å未満である
と、前記金属間化合物の成長抑制効果が十分に発揮され
ないおそれがある。また逆に、前記被覆層の厚さが１０
００Åを越えて大きくなると、この被覆層のためにワイ
ヤ先端に形成される球状部の真球性が損なわれるととも
にワイヤとパッドとの初期圧着性が著しく劣化して十分
な接合強度が得られなくなる危険性がある。
【００１３】
【実施例】以下、本発明の実施例について説明する。
【００１４】本実施例では、９９.９９９％の高純度の
金に４０wt・ppmのＬaと２０wt・ppmのＣaとを真空溶解に
よって添加してインゴットを作製し、このインゴットに
伸線加工を施して直径２５μmの金合金細線を製造し
た。そして、この金合金細線に熱処理を施して常温にお
ける破断伸び率が４％となるように調整した上でワイヤ
を製造し、このワイヤを半導体素子のアルミニウム製の
パッドに前述のボールボンディング法によって接合して
半導体装置を製造した。このようにして製造された半導
体装置を実施例１とする。
【００１５】またこの実施例１と同様にして９９.９９
９％の金に、３０wt・ppmのＬaと３０wt・ppmのＳiと１０
wt・ppmのＡgとを添加したワイヤ、２０wt・ppmのＬaと２
０wt・ppmのＢeと３０wt・ppmのＳiとを添加したワイヤ、
２０wt・ppmのＢeと２０wt・ppmのＳiと３０wt・ppmのＣe
とを添加したワイヤ、および２０wt・ppmのＣaと２０wt・
ppmのＳiと２０wt・ppmのＣeとを添加したワイヤを製造
して半導体素子のアルミニウムパッドに接合し、半導体
装置を製造した。これらの半導体装置をそれぞれ実施例
２,３,４および５とする。
【００１６】さらに、これらの実施例に対する比較例と
して前記実施例１と同様に、９９.９９９％の金に、７w
t・ppmのＬaと３wt・ppmのＢeを添加したワイヤ、および
４wt・ppmのＬaと２wt・ppmのＢeと４wt・ppmのＣeとを添
加したワイヤを製造してアルミニウムパッドに接合し、
半導体装置を製造した。これらの半導体装置をそれぞれ
比較例１および２とする。
【００１７】ここで、これら実施例１〜５および比較例
１,２に用いられたワイヤに添加された添加元素の組成
を表１に示す。
【００１８】
【表１】
【００１９】なお、この時のボンディング条件は表２の
通りである。
【００２０】
【表２】
【００２１】次に、前記実施例１〜５および比較例１,
２の半導体装置をそれぞれ窒素雰囲気中に２００℃で一
定時間保持した後に取り出し、シェアー強度を測定して
高温環境下におけるワイヤとパッドの接合強度の低下に
ついて試験を行った。この結果を図１に示す。
【００２２】この図１から分かるように、比較例１およ
び２による半導体装置では、それぞれ試験開始より１０
０時間後および２００時間後で接合強度の急激な低下が
認められ、試験開始から４００時間後にはシェアー強度
が０、すなわちワイヤがパッドから剥離した状態となっ
た。これに対して実施例１〜５の半導体装置では、試験
当初から比較例１,２に比べて大きな接合強度を有し、
２００時間後までシェアー強度の低下が認められなかっ
た上、実施例１,３では試験開始３００時間後までも接
合強度の極端な低下は認められなかった。そして、すべ
ての実施例において試験開始５００時間を経過した後で
も接合に十分なシェアー強度を維持することができた。
【００２３】これについて試験が終了した半導体装置の
ワイヤとパッドとの接合部を調べたところ、比較例１,
２の半導体装置ではワイヤとパッドとの接合界面に、前
述したようなワイヤを構成する金とパッドを構成するア
ルミニウムとの金属間化合物の層が３〜５μm程度の層
厚で形成されており、この層の各所に空孔やクラックが
発生していることが認められた。さらに比較例１,２で
は、ワイヤとパッドとの接合部の多くにおいて前記金属
間化合物の層の外縁部が鼓状に内側に向かって凹む現
象、いわゆるカーケンダルボイドが発生していた。
【００２４】これに対して実施例１〜５ではワイヤとパ
ッドとの接合界面の全面に略均一に前記添加元素の酸化
物が分散して形成されていた。そしてこの分散された酸
化物により、該接合界面に前記金属間化合物が形成され
てはいるものの、この金属間化合物の層厚は１μm程度
に抑えられており、空孔やクラックの発生はほとんど無
かった。またカーケンダルボイドの発生は皆無であっ
た。
【００２５】このように、本発明の半導体装置では長時
間高温環境下におかれた場合でも、ワイヤとパッドとの
接合界面における金とアルミニウムの金属間化合物の成
長を効果的に抑制することが可能であり、該接合部が劣
化してワイヤがパッドから剥離するに至るまでの時間を
大幅に延長することができる。そしてこれにより、近年
の半導体装置の使用環境の多様化に伴う高温下における
長時間の使用においても、半導体装置の寿命の延長を図
ることが可能となる。
【００２６】なお、実施例１〜５においてワイヤ先端に
球状部を形成した際の、該球状部表面に形成される前記
添加元素の酸化物の被覆層の厚さを、Auger Micro Prob
eのＡrボンバードにて検量線を作成して測定したとこ
ろ、３０〜１０００Åの範囲内であった。ここで、この
被覆層の厚さが３０Å未満であると酸化物の分散による
前記金属間化合物の成長抑制効果が十分に得られないお
それがあり、逆に該被覆層の厚さが１０００Åを越えて
大きくなるとワイヤ先端に形成される球状部の真球性が
損なわれるばかりかワイヤのパッドへの初期圧着性が著
しく劣化し、十分な接合強度が得られなくなる危険性が
あるため、共に好ましくない。
【００２７】
【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、金
を主成分とするワイヤとパッドとの接合界面に酸化物を
分散せしめることにより、高温の使用条件下にあっても
該接合界面におけるワイヤを構成する金とパッド構成金
属との金属間化合物の成長を抑制することが可能であ
り、この金属間化合物の成長によって引き起こされるワ
イヤとパッドとの接合強度の極端な劣化を防止すること
ができる。
【００２８】これにより、該接合部におけるワイヤのパ
ッドからの剥離を未然に防いで断線等のトラブルを低減
し、結果的に半導体装置の寿命の大幅な延長を図ること
が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例１〜５と比較例１，２の半導体装置を高
温環境下に長時間保持した場合のシェアー強度の変化を
示すグラフである。

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 金を主成分とする金属製細線より成るボ
    ンディングワイヤが半導体素子のボンディングパッドに
    ボールボンディング法により接合されて構成された半導
    体装置において、 前記ボンディングワイヤとボンディングパッドとの接合
    界面には、酸化物が分散せしめられていることを特徴と
    する半導体装置。
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