JP3329286B2 - 半導体装置のボンディング用金合金細線 - Google Patents

半導体装置のボンディング用金合金細線

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は、半導体装置のボ
ンディングワイヤーとして使用する金合金細線に関する
ものである。
【０００２】
【従来の技術】ボンディングワイヤーを使用して半導体
装置のチップとボンディングワイヤーを接続するには、
図１に示されるように、チップ４の周辺部に真空蒸着ま
たはスパッタリングによりＡｌ電極パッド５を形成した
チップ４をボンディング装置に設置し、一方、ボンディ
ングワイヤー２を通したキャピラリー１を前記チップ４
のＡｌ電極パッド５の真上に移動させる。そこでボンデ
ィングワイヤー２の先端を放電により溶融して溶融ボー
ル（図示せず）を形成し、この溶融ボールはただちに放
冷されて凝固し、ボール３が形成される。このボール３
は超音波振動を付与したキャピラリー１によりＡｌ電極
パッド５に押しつけられ、超音波併用熱圧着されて図２
に示されるような圧着ボール３１が形成される。
【０００３】超音波併用熱圧着により形成された圧着ボ
ール３１とＡｌ電極パッド５との接合部分にはＡｌ電極
パッド５のＡｌが圧着ボール３１に拡散して、圧着ボー
ルの拡大図である図３に示されるようになＡｕ4 Ａｌ、
Ａｕ5 Ａｌ3 などのＡｕとＡｌの金属間化合物層６が形
成される。このＡｕとＡｌの金属間化合物層６が成長し
てその厚さを増すと、圧着ボールの拡大側面図である図
４に示されるように、カーケンダル効果によりＡｌ電極
パッド５の近くの圧着ボール３１内部にボイド８が発生
し、このボイド８の発生はＡｌ電極パッド５に対する圧
着ボール３１の接合強度を著しく低下させる。さらに、
ＡｕとＡｌの金属間化合物層６が成長して大きくなる
と、ＡｕとＡｌの金属間化合物層部分は封止樹脂と反応
して腐食が起こりやすいために半導体装置の腐食に対す
る信頼性も低下する。
【０００４】Ａｇを含有した金合金細線においてもＡｕ
とＡｌの金属間化合物層６が生成することが分かってお
り、ＡｕとＡｌの金属間化合物層６の成長を抑制するに
はＰｄの添加が有効であるといわれているところから、
Ａｇを含有した金合金にＰｄを添加したボンディングワ
イヤーが提案されており、このＡｇを含有した金合金に
Ｐｄを添加したボンディングワイヤーから得られた圧着
ボール３１の内部には、圧着ボールの拡大側面図である
図５に示されるようなＰｄリッチ層７が形成され、この
Ｐｄリッチ層７がＡｕとＡｌの金属間化合物層６の成長
抑制に寄与しているといわれている。
【０００５】Ａｇを含有した金合金にＰｄを添加したボ
ンディングワイヤーの一つとして、Ａｇ：１０〜６０ｗ
ｔ％、Ｍｎ：０．００５〜０．８ｗｔ％、Ｐｄ：０．０
０５〜５ｗｔ％を含有し、残部Ａｕおよび不可避不純物
からなる組成の金合金細線が知られており（特開平７−
３３５６８４号公報参照）、ここでＭｎの添加は加熱後
の接合強度の低下を抑制するものであるとしている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】しかし、前記従来のＡ
ｇ：１０〜６０ｗｔ％、Ｍｎ：０．００５〜０．８ｗｔ
％、Ｐｄ：０．００５〜５ｗｔ％を含有した金合金から
なるボンディングワイヤーは、ボンディングワイヤーの
先端を加熱してボールを形成すると、結晶粒径の大きな
ボールが得られ、この結晶粒径の大きなボールを超音波
併用熱圧着すると、圧着ボールの形状が変形し、圧着ボ
ール３１の上から見た形状（拡大側面図である図５のＡ
−Ａ方向から見た形状）が、図６に示されるように円が
偏平化して楕円形圧着ボール３２になりやすい。
【０００７】また、Ｐｄを多く添加したボンディングワ
イヤーを使用して圧着ボール３１を形成するには、通常
よりも高出力で超音波併用熱圧着を行う必要があり、超
音波併用熱圧着を高出力で行うほど圧着ボールの形状が
変形して偏平化した楕円形圧着ボールになりやすい。圧
着ボール３１は上から見た（すなわち、図５のＡ−Ａ方
向から見た）形状が図６の点線で示されるように真円に
ならないと、ワイヤ相互間の距離が益々狭くなるような
ボンディングが求められいる現状では、隣接する圧着ボ
ール３１がショートする恐れがあり、十分に信頼性のあ
るボンディングが得られない。
【０００８】
【課題を解決するための手段】そこで、本発明者らは、
ボンディング時に形成されるボールの結晶粒が微細であ
り、ＡｕとＡｌの金属間化合物層の形成を抑制して封止
樹脂との反応による腐食を抑制し、さらに圧着ボールの
偏平化を抑制した従来よりも信頼性のあるボンディング
用金合金細線を得るべく研究を行った結果、（ａ）Ａ
ｇ：１〜５０ｗｔ．％、Ｐｄ：０．８〜５ｗｔ．％を含
有する組成を有する金合金に、Ｔｉを０．１〜２ｗｔ．
ｐｐｍ添加すると、キャピラリーに挿入された金合金細
線の先端に形成されるボールの結晶粒径が一層微細化
し、この結晶粒径が微細なボールを超音波併用熱圧着し
て得られた圧着ボールの上から見た形状は真円に近くな
り、さらに、圧着ボールに形成されるＡｕとＡｌの金属
間化合物層の成長を抑えることができる、（ｂ）前記
（ａ）のボンディング用金合金細線に、さらにＣａ、Ｂ
ｅ、Ｌａの内の一種または二種以上：１〜５０ｗｔ．ｐ
ｐｍを含有せしめると、高温強度が一層向上する、とい
う知見を得たのである。
【０００９】この発明は、かかる知見にもとづいてなさ
れたものであって、 （１）Ａｇ：１〜５０ｗｔ．％、Ｐｄ：０．８〜５ｗ
ｔ．％、Ｔｉ：０．１〜２ｗｔ．ｐｐｍを含有し、残り
がＡｕおよび不可避不純物からなる組成を有する金合金
からなる半導体装置のボンディング用金合金細線。 （２）Ａｇ：１〜５０ｗｔ．％、Ｐｄ：０．８〜５ｗ
ｔ．％、Ｔｉ：０．１〜２ｗｔ．ｐｐｍを含有し、さら
に、Ｃａ、Ｂｅ、Ｌａの内の一種または二種以上：１〜
５０ｗｔ．ｐｐｍを含有し、残りがＡｕおよび不可避不
純物からなる組成を有する金合金からなる半導体装置の
ボンディング用金合金細線、に特徴を有するものであ
る。
【００１０】この発明の半導体装置のボンディング用金
合金細線に含有する成分組成を前記のごとく限定したの
は下記の理由によるものである。 （ａ）Ａｇ Ａｇの添加は常温および高温強度を向上させると共に、
金の使用量を減少させて価格を安くするするために添加
されるが、５０ｗｔ．％を越えて添加すると、生成する
金属間化合物相が変化し、接合強度の信頼性が低下する
ので好ましくなく、一方、１ｗｔ．％未満では常温およ
び高温強度を向上させるには不十分である。したがっ
て、Ａｇの含有量は１〜５０ｗｔ．％に定めた。Ａｇの
含有量の一層好ましい範囲は５〜３５ｗｔ．％である。
【００１１】（ｂ）Ｐｄ 金合金細線に含まれるＰｄの含有量が０．８ｗｔ．％未
満ではＡｕとＡｌの金属間化合物層の成長を抑制する効
果が十分でなく、一方、金合金細線に含まれるＰｄの含
有量が５ｗｔ．％を越えると、得られるボールの硬さが
大きくなり過ぎて超音波併用熱圧着時にチップに割れや
欠けを生じさせるので好ましくない。したがってＰｄの
含有量を０．８〜５ｗｔ．％に定めた。Ｐｄの含有量の
一層好ましい範囲は０．９〜３．０ｗｔ．％である。
【００１２】（ｃ）Ｔｉ Ｔｉは、ボンディング時に形成されるボールの結晶粒径
の微細化および真球性を向上させる成分であるが、それ
らの含有量が０．１ｗｔ．ｐｐｍ未満では、金合金細線
のボンディング時に生成するボールの結晶粒径の微細化
および真球性を得ることができず、したがって得られる
圧着ボールの上から見た真円性向上効果が得られない。
一方、Ｔｉを２ｗｔ．ｐｐｍを越えて含有させると、ボ
ール拡大側面図である図７に示されるように、ボールの
最下中心部に引け巣９が生じ、圧着ボールの接合性が劣
化するようになるので好ましくない。したがってＴｉの
含有量を０．１〜２ｗｔ．ｐｐｍに定めた。Ｔｉ成分の
含有量の一層好ましい範囲は０．８〜１．８ｗｔ．ｐｐ
ｍである。
【００１３】（ｃ）Ｃａ、Ｂｅ、Ｌａ これら成分は金合金細線の高温強度および加工硬化性を
付与し、ボンディング時に形成されるループの安定性を
向上させる成分であるので、必要に応じて添加するが、
その含有量が１ｗｔ．ｐｐｍ未満では所望の効果が得ら
れず、一方、５０ｗｔ．ｐｐｍを越えて含有させると、
真円状の圧着ボールが得られなくなるので好ましくな
い。したがってＣａ、Ｂｅ、Ｌａの内の１種または２種
以上の含有量を１〜５０ｗｔ．ｐｐｍに定めた。これら
成分の含有量の一層好ましい範囲は１０〜３０ｗｔ．ｐ
ｐｍである。
【００１４】
【発明の実施の形態】通常の真空溶解炉により表１〜表
３に示される成分組成に調整されたＡｕ合金を溶解し、
得られたＡｕ合金溶湯を鋳造し、直径：５５ｍｍ、長
さ：１５０ｍｍのビレットを作製した。これらのビレッ
トを溝ロール、単頭伸線機により直径：８ｍｍに減面
し、その後、連続伸線機により直径：２５μｍの極細線
とした。さらに最終処理として、管状炉において、温度
およびスピードを調整の上、引張り破断試験機で伸びが
４％となるような焼鈍を行ない、本発明Ａｕ合金細線１
〜３２、比較Ａｕ合金細線１〜４および従来Ａｕ合金細
線を作製した。
【００１５】ついで、本発明Ａｕ合金細線１〜３２、比
較Ａｕ合金細線１〜４および従来Ａｕ合金細線につい
て、それぞれ下記に示す試験を行い、各種特性の評価を
行い、その結果を表１〜表３に示した。
【００１６】ボールの結晶粒の測定および引け巣の有無 本発明Ａｕ合金細線１〜３２、比較Ａｕ合金細線１〜４
および従来Ａｕ合金細線の一端をアークにより加熱し放
冷してボールを形成し、このボールの中央部を通る線に
沿って切断し、ボールの平均結晶粒径および引け巣の有
無を測定し、その結果を求めた。
【００１７】圧着ボールの真円性試験 本発明Ａｕ合金細線１〜３２、比較Ａｕ合金細線１〜４
および従来Ａｕ合金細線の一端をアークにより加熱し放
冷してボールを形成し、大気中でボールアップし、２０
０℃でＳｉ基板のＡｌ電極パッド上の第１接合点にボン
ディングして圧着ボールを形成し、圧着ボールを図５の
Ａ−Ａ方向から見た図６の長径：ｙおよび短径：ｘの長
さを測定し、ｘ−ｙの値を求めて圧着ボールの真円性を
評価した。
【００１８】接合信頼性試験 本発明Ａｕ合金細線１〜３２、比較Ａｕ合金細線１〜４
および従来Ａｕ合金細線でＳｉ基板のＡｌ電極パッドと
リードを接続し、その後、樹脂封止を行った試料を２０
０℃で２０００時間保持したものについて、４端子法で
電気抵抗を測定し、接触抵抗を含めた抵抗値が１Ω以上
の個所が存在すると不良と判定し、接合不良部の有無を
評価した。
【００１９】
【表１】
【００２０】
【表２】
【００２１】
【表３】
【００２２】
【発明の効果】表１〜表３に示された結果から、本発明
Ａｕ合金細線１〜３２は従来Ａｕ合金細線に比べて、ボ
ールの平均結晶粒径が小さくまた引け巣の発生がなく、
さらに、このボールを超音波併用熱圧着して得られた圧
着ボールのｘ−ｙの絶対値が０に近いところから、図５
のＡ−Ａ方向から見た圧着ボールの真円性にも優れてい
ることが分かる。また、この発明の条件から外れた比較
Ａｕ合金細線１〜４には少なくとも一つの好ましくない
特性が現れることが分かる。上述のように、この発明の
金合金細線は、従来よりも信頼性のあるボンディングを
行うことができ、半導体装置産業の発展に大いに貢献し
得るものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】半導体装置のワイヤーボンディングに際してボ
ールを形成した状態を示す説明図である。
【図２】ボールを超音波併用熱圧着して圧着ボールを形
成した状態を示す説明図である。
【図３】圧着ボールの拡大側面図である。
【図４】圧着ボールの拡大側面図である。
【図５】圧着ボールの拡大側面図である。
【図６】図５のＡ−Ａ方向から見た圧着ボールの拡大図
である。
【図７】ボールの拡大図である。
【符号の説明】
１ キャピラリー ２ ボンディングワイヤー ３ ボール ４ チップ ５ Ａｌ電極パッド ６ 金属間化合物層 ７ Ｐｄリッチ層 ８ ボイド ９ 引け巣 ３１ 圧着ボール ３２ 楕円形圧着ボール
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01L 21/60 301 C22C 5/02

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 Ａｇ：１〜５０ｗｔ．％、 Ｐｄ：０．８〜５ｗｔ．％、 Ｔｉ：０．１〜２ｗｔ．ｐｐｍ、 を含有し、残りがＡｕおよび不可避不純物からなる組成
    を有する金合金からなることを特徴とする半導体装置の
    ボンディング用金合金細線。
  2. 【請求項２】 Ａｇ：１〜５０ｗｔ．％、 Ｐｄ：０．８〜５ｗｔ．％、 Ｔｉ：０．１〜２ｗｔ．ｐｐｍ、 を含有し、さらに、 Ｃａ、Ｂｅ、Ｌａの内の一種または二種以上：１〜５０
    ｗｔ．ｐｐｍ、を含有し、残りがＡｕおよび不可避不純
    物からなる組成を有する金合金からなることを特徴とす
    る半導体装置のボンディング用金合金細線。
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