JP2873770B2 - 半導体素子のワイヤボンディング用パラジウム細線 - Google Patents

半導体素子のワイヤボンディング用パラジウム細線

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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、半導体装置の製造に際
して施されるワイヤボンディングに使用するのに適した
パラジウム合金細線に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来、半導体素子上の電極と外部リード
との間を接続する材料としては、アルミニウム合金細
線、高純度銅合金細線あるいは金合金細線が使用されて
いる。アルミニウム合金細線の接合方法としては、半導
体素子を配列したリードフレームを約１５０〜３００℃
に加熱した状況で、超音波圧着接合によるボンディング
が用いられ、ボールボンディング法はアルミニウムが極
めて酸化されやすいことから一般的には使用されない。
高純度銅合金細線あるいは金合金細線の場合には、主に
細線の先端部分を電気トーチで加熱溶融し、表面張力に
よって真球を形成させ、１５０〜３００℃の範囲内で加
熱した半導体素子上の電極にこのボール部を圧着接合せ
しめた後に、さらに表面に銀あるいはパラジウムメッキ
を施したリード側との接合を超音波圧着接合で行う方法
が一般的である。しかしながら、高純度銅合金細線の場
合には、ボール形成時に銅が大気中の酸素と反応し、ボ
ール部表面が酸化し、かつボール部の酸素含有量が大に
なり、結果としてボール形状が不安定であり、またボー
ルが酸素の増大と共に硬くなるために、ボンディングし
た際に電極下部のシリコンチップを損傷する等の問題が
あり、不活性ガスの吹き付けによる酸化防止が必要であ
る。結果として、接続用材料としては大気中で安定した
真球ボールを形成可能で、かつ電気抵抗が低く、熱伝導
性の良好な金合金細線が主に使われている。
【０００３】近年、ＬＳＩ等の半導体素子では、微細加
工技術の発達により高密度化が進み、一部の半導体装置
では、使用する金合金細線量の増大から新たな低価格で
かつ信頼性の優れたワイヤボンディング素材の供給要求
が出ている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】金合金細線に代わるワ
イヤボンディング用材料としては素材費が金よりも安価
なこと、ボールが安定して形成できること、適切なルー
プ形状が得られること、接合部の強度と樹脂封止後の接
合部信頼性が金合金細線と同等かそれ以上であること、
およびエレクトロマイグレーションの発生がないことが
必要である。
【０００５】これらの条件を満足する金属素材として
は、パラジウムが可能性を有している。パラジウムをワ
イヤボンディング用材料として用いることは、特開昭５
９−１７７３３９号公報、特開昭５９−２０１４５４号
公報に提案されている。特開昭５９−１７７３３９号公
報では、希土類元素の１種または２種以上を０．０００
５〜２重量％、必要に応じてＧｅ、ＢｃおよびＣａのう
ちの１種または２種以上を０．５重量％含有してなるボ
ンディングワイヤが提案されており、特開昭５９−２０
１４５４号公報では、パラジウム中のＰｔ、Ｆｅをそれ
ぞれ１５ｐｐｍ未満とする純度９９．９９５％以上と
し、ボールの硬さをビッカース硬度で６０未満とするこ
とが規定されている。上記特許文献の開示を含め検討し
た結果では、金合金細線のボンディングワイヤと比較
し、純度９９．９９５％以上のパラジウムの場合でも、
ループ形状が低くなること、希土類元素を添加した場合
には、さらにループ形状が低くなり、ボンディングした
際に半導体素子の端部とパラジウム細線とが接触する場
合があり、かつボールが硬くなるために、電極下部に十
分な厚さのパシベーション膜がない場合には、電極直下
の半導体素子にチップダメージを起こし、半導体装置の
信頼性を損なう場合があることが判明した。さらに、リ
ードフレームのインナーリードへの超音波圧着接合によ
るセカンドボンディング時に接合が不十分になる場合が
あることが判明した。
【０００６】
【課題を解決するための手段】本発明者は、市販品で容
易に得られる少なくとも純度９９．９５重量％以上と規
定されたパラジウムを原料とし、種々の方法でパラジウ
ムを精製し、不純物元素の含有量とループ形状との関係
を調査した。その結果、パラジウム中のカルシウム、ア
ルミニウム、クロミウム、シリコンの含有量をそれぞれ
０．０００３重量％以下にすることで、金合金細線と同
等のループ高さを有するボールボンディング用パラジウ
ム合金細線の提供を可能にした。さらに、パラジウム中
に金、銀の１種または２種を添加することにより、セカ
ンドボンディング時の接合強度を確保するのに効果があ
ること、またインジウムを含有せしめることによって、
ループ高さを高く確保できることを見出した。
【０００７】すなわち、本発明の要旨とするところは下
記のとおりである。 （１） パラジウム中のカルシウム、アルミニウム、ク
ロミウムおよびシリコンのそれぞれの含有量を０．００
０３重量％以下にし、残りが純度９９．９９重量％以上
のパラジウムと不可避不純物からなる組成を有すること
を特徴とする半導体素子のワイヤボンディング用パラジ
ウム合金細線。
【０００８】（２） 前項１記載のパラジウムに純度９
９．９９％以上の金０．００１〜２．０重量％、純度９
９．９９重量％以上の銀０．００１〜５．０重量％の１
種または２種を含有せしめ、残部は不可避不純物からな
る半導体素子のワイヤボンディング用パラジウム合金細
線。 （３） 前項１記載のパラジウムにインジウム０．００
１〜０．０１重量％を含有させた半導体素子のワイヤボ
ンディング用パラジウム合金細線。
【０００９】（４） 前項２記載のパラジウムにインジ
ウム０．００１〜０．０１重量％を含有させた半導体素
子のワイヤボンディング用パラジウム合金細線。 以下、発明の詳細をのべる。９９．９５％のパラジウム
中の不純物の中で、カルシウム、アルミニウム、クロミ
ウム、シリコン、鉄および白金の含有量は、通常それぞ
れの元素で０．０１〜０．００１重量％で、総量が０．
０２〜０．００９重量％程度である。
【００１０】貴金属元素である金、白金およびパラジウ
ムに微量のカルシウム、アルミニウム、クロミウム、お
よびシリコンを含有する場合には、一般的に再結晶温度
が上昇することが知られており、純度９９．９９９％の
パラジウムを使用して、上記のカルシウム、アルミニウ
ム、クロミウム、およびシリコン含有量を変化させて、
ワイヤボンディング用細線を作りループ形状を評価した
結果、いずれの元素とも０．０００３重量％以下の場合
のみ、金ボンディングワイヤと同等のループ形状が得ら
れた。他方パラジウム中の鉄、白金が０．００１５重量
％を超える場合でも上述のカルシウム、アルミニウム、
クロミウムおよびシリコンの含有量がいずれの元素とも
０．０００３重量％以下であれば、金ボンディングワイ
ヤと同等のループ形状が得られることを見出した。
【００１１】また、セカンドボンディング時に接合強度
不良となることがあり、その原因を調べた結果、通常イ
ンナーリード部の表面に銀あるいはパラジウムメッキし
てあるが、超音波圧着接合時にこのメッキ相とパラジウ
ム細線とで相互拡散相の形成が不十分である場合に、機
械的に圧着している部分が剥離するためであることが分
かり、これを防止するにはパラジウムに金、あるいは銀
の１種または２種を含有させることによって、インナー
リード部のメッキ金属との合金化を促進すれば効果があ
ることを見出した。この効果は、金の場合には０．００
１重量％未満では不十分であり、２．０重量％超含有す
る場合には、パラジウム細線の硬度が上昇し、ボンディ
ング時のワイヤ変形が増大し、ワイヤ間の接触等の原因
となり、半導体装置の信頼性を低下させることから、金
の場合の含有量は０．００１〜２．０重量％の範囲内と
した。銀の場合も同様に０．００１重量％未満では効果
が不十分であり、５．０重量％超含有する場合には、パ
ラジウム細線の硬度が上昇し、ボンディング時のワイヤ
変形が増大し、ワイヤ間の接触等の原因となり、半導体
装置の信頼性を低下させること、およびボール形成時に
真球が形成できなくなることから、含有量の範囲を０．
００１〜５．０重量％とした。２種添加の場合には、そ
れぞれの単独効果を損なうことはないが、最も効果のあ
る範囲は金０．００２〜０．５重量％と銀０．００５〜
１．０重量％の範囲である。なお、金あるいは銀の純度
を規定したのは、これらの金属中に含まれる不可避不純
物量が、添加量の増大と共に増加し、ループ高さが低く
なる場合があるためで、特に１重量％を超える添加量の
場合には純度の規定は有効である。インジウムの効果
は、ボール形成時の電気アークによる同一入熱量の場合
でも、パラジウム細線の再結晶領域を拡大させることか
ら、ループ形状を高くボンディングすることができるよ
うになることである。この再結晶領域を拡大する効果
は、インジウムが０．００１重量％未満では効果が不十
分であり、他方０．０１重量％超ではボール形成時に真
球が形成できなくなることから、含有量を０．００１〜
０．０１重量％の範囲内とした。
【００１２】
【実施例】市販されている純度９９．９５％のパラジウ
ムを、クリーン度５０００（個／ｆｅｅｔ3 ）以下のク
リーンルーム内で、高純度耐火物坩堝に入れて高気密性
を有する加熱炉に装入し、約３０分から１時間の間、１
６００〜１６５０℃で溶融させると共に、酸素分圧が少
なくとも１６００℃にて１０-2〜１０-3気圧になるよう
に水素と水蒸気との混合ガス、あるいはこの酸素分圧に
なるように不活性ガスを所定の水蒸気圧になるように一
定温度に保温した純水に吹き込み、得られた飽和水蒸気
が凝縮しないように加熱した配管を通して炉内に導入す
る。この結果、溶融パラジウム中に酸素が溶解し、カル
シウム、アルミニウム、クロミウム、およびシリコン等
の酸化しやすい元素が酸化し、酸化物を形成し、パラジ
ウム浴上に酸化物相として分離させる。その後に、炉温
を下げて凝固させる。凝固後に王水あるいは硝酸でパラ
ジウム表面を超音波を付加して酸洗し、表層の酸化物相
を完全に除去する。その後に再度パラジウムを炉に入れ
て溶解し、水素を３〜５％添加した不活性ガス中で１６
００〜１６５０℃で約３０分から１時間の間溶解し、パ
ラジウム中の酸素を除去した後に炉内を１０-4〜１０-5
トールの真空にし、パラジウム中の水素を除去した後に
凝固させる。上述の溶解時間は、高周波溶解炉などの攪
拌効果の大なる場合には、さらに短縮させることができ
る。また、パラジウム中のカルシウム、アルミニウム、
クロミウム、およびシリコン等を酸化除去した後に、炉
内を一度真空引きした後、水素還元を行う方法もある
が、この場合には炉内の酸素分圧を１０-6程度以下にし
ないことが酸化した鉄を再び還元させる可能性がある。
このようにして得られた、パラジウム中のカルシウム、
アルミニウム、クロミウム、およびシリコンの含有量の
一例を表１に示す。この結果では、パラジウム中の不純
物のうち、除去すべき元素は、いずれも０．０００３重
量％以下になっている。
【００１３】なお、帯域溶融法によるパラジウムの精製
は、パラジウム中のカルシウム、アルミニウム、クロミ
ウムおよびシリコンを本発明の０．０００３重量％以下
にするのが困難であり、良好な部位の占める割合が低
く、従って工業的に実施するには処理価格の面で不利で
ある。この他のパラジウム中のカルシウム、アルミニウ
ム、クロミウムおよびシリコンの分離方法としては、通
常の湿式精錬を利用することも可能であるが、処理時間
と産業廃液の増大等の費用と環境面からは、有利な方法
とは言えない。
【００１４】合金元素の添加は、上述により得られたイ
ンゴットに、純金属あるいは母合金を使用して所定量を
添加し、通常の場合には真空溶解を行うが、銀を含有さ
せる場合には、１０００℃以上の温度では、不活性ガス
雰囲気で溶解することにより銀の添加歩留りを向上させ
ることができる。溶解に際しては、各成分が均一混合す
るように十分に攪拌後、鋳造する。インゴット内の偏析
防止には、このようにして得られたインゴットを１５ｍ
ｍ／分以上の移動速度にて帯域溶融させると特に効果が
ある。
【００１５】このようにして作られた断面が２０ないし
３０ｍｍ角のインゴットを溝型圧延にかけて、最終的に
５〜１０ｍｍφの棒状にする。さらに、単頭伸線で断面
積を減少させる。パラジウムの場合は、加工硬化による
伸線中の破断防止と細線化し最終的な調質処理（すなわ
ち、伸びを４〜６％）をした場合の破断強度が、金合金
細線に比べて大であることから、最終目標線径に対して
３２〜１００倍（減面率９９．９〜９９．９９％に相当
する）の線径時に中間焼鈍を行う。中間焼鈍の条件とし
て炉内に不活性ガスを流した無酸化状態で温度７００〜
８００℃で５０ｍ／分の線速で再結晶が平均５〜１５μ
ｍ径になるような条件が望ましい。この条件は、線速を
低下させれば炉温をより低温側に、また線速を上げれば
炉温をより高温にする必要があるが、高温にすると、炉
温を上昇中にワイヤ自重で断線が発生することがある。
最終線径まで伸線を行い、得られた極細線を伸びが４〜
６％になるように一定温度に保持した不活性雰囲気の連
続焼鈍炉を通し、調質処理を行う。
【００１６】このようにして、得られた直径２５μｍの
パラジウム細線を高速自動ボンダーで同一条件にてスパ
ン２．５ｍｍにてボールボンディングを行い、ループ形
状の最高高さを光学顕微鏡にて測定した。なお、ボンデ
ィング時には、不活性ガス吹き付けによる、パラジウム
ボールの酸化防止を行った試験も実施したが、大気中で
のパラジウムボール形成の場合と大差がないことから、
以後の実験はすべて大気中でボールを作成する条件で行
った。ループ形状は、半導体素子の上面を基準面にして
ループの最高高さを光学顕微鏡にて５０本を測定し、そ
の平均値とバラツキを求めた。ボンディング後のワイヤ
変形については、実体顕微鏡にて、ファーストボンディ
ング位置とセカンドボンディング位置を結ぶ直線からの
変位量を測定し、その値の平均値とバラツキを求めた。
セカンドボンディングの接合強度は、接合部近傍のボン
ディングワイヤにフックを掛け、垂直に引張り、ボンデ
ィングワイヤが破断する際の破断位置を調べた。破断位
置が、セカンドボンディング部分の場合には、ワイヤ破
断荷重が通常の１０〜２０％程度低くなることからも測
定可能である。本実施例では、破断位置がセカンドボン
ディング部分である比率を１００本のワイヤについて調
べ、その発生率で評価した。また、ファーストボンディ
ング時の電極下部の損傷については、ボンディング後に
半導体素子の電極のパラジウムを剥離させ、アンモニヤ
水でアルミニウム電極を溶解させた後に、１００個の電
極部位の半導体素子のチップ損傷を光学顕微鏡で観察
し、損傷を起こした部位の個数を調べた結果を表１と表
２とに示した。
【００１７】通常の金ボンディングワイヤの結果も表２
に併せて記載したが、本発明の範囲内では、いずれも金
ボンディングワイヤの場合と同等なループ高さを有して
いるが、比較材はいずれも低い値を示している。ワイヤ
変形量については、本発明の範囲内では、比較材および
金合金細線の場合よりも少ない結果が得られた。また、
セカンドボンディング部の接合強度も、破断位置がセカ
ンドボンディング部の比率がいずれも低くなっており、
比較材よりも健全性に優れている。さらに、本発明の範
囲内では全くチップ損傷を起こしていないのに対して、
一部の比較材ではチップ損傷を起こしているものも認め
られた。
【００１８】
【表１】
【００１９】
【表２】
【００２０】
【発明の効果】以上の結果から明らかなように、本発明
は金ボンディングワイヤと同等なループ形状を有し、か
つ安価なボンディングワイヤを安定して産業界に提供で
きるものであり、産業上極めて有効な発明である。

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 パラジウム中のカルシウム、アルミニウ
    ム、クロミウムおよびシリコンのそれぞれの含有量を
    ０．０００３重量％以下にし、残りが純度９９．９９重
    量％以上のパラジウムと不可避不純物からなる組成を有
    することを特徴とする半導体素子のワイヤボンディング
    用パラジウム合金細線。
  2. 【請求項２】 請求項１記載のパラジウムに純度９９．
    ９９％以上の金０．００１〜２．０重量％、純度９９．
    ９９重量％以上の銀０．００１〜５．０重量％の１種ま
    たは２種を含有せしめ、残部は不可避不純物からなる半
    導体素子のワイヤボンディング用パラジウム合金細線。
  3. 【請求項３】 請求項１記載のパラジウムにインジウム
    ０．００１〜０．０１重量％を含有させた半導体素子の
    ワイヤボンディング用パラジウム合金細線。
  4. 【請求項４】 請求項２記載のパラジウムにインジウム
    ０．００１〜０．０１重量％を含有させた半導体素子の
    ワイヤボンディング用パラジウム合金細線。
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