JP3356082B2 - 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】一般に、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、まず、図１に示されるようなチップ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】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おり、こ
の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】Ｐｄを含有する半導体装置のボンディング
ワイヤーの一つとして、純度：９９．９９％以上の高純
度金にＰｄ：０．１〜０．８ｗｔ％を含有し、さらにＣ
ａ、Ｂｅ、Ｇｅ、希土類元素、Ｓｒ、Ｂａ、Ｉｎ、Ｓ
ｎ、およびＴｉの内の一種または二種以上：０．０００
３〜０．０１ｗｔ％を含有せしめてなる金合金細線が知
られている（特開平７−３３５６８４号公報参照）。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】しかし、前記従来の純
度：９９．９９％以上の高純度金にＰｄ：０．１〜０．
８ｗｔ％を含有したボンディングワイヤーではボイド８
の発生を十分に阻止することができない。そのためにＰ
ｄの添加量を増加させて高濃度Ｐｄリッチ層を形成する
ことによりＡｕとＡｌの金属間化合物層６の成長をさら
に抑制することが考えられるが、Ｐｄをさらに多く添加
したボンディングワイヤーを使用してボールを形成する
と結晶粒径の微細化効果があるものの十分ではなく、比
較的大きな結晶粒も存在し、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、ボー
ル硬度が高いため、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、
Ｐｄを従来よりも多い１２５００て含有してもボンディ
ング時に形成されるボールが真球となり、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）純度：９９．９９％以上の高純度金にＰｄを従来
よりも多い１２５００〜５００００ｗｔ．ｐｐｍ添加し
たボンディング用金合金細線に、さらに、Ｔｉ：０．１
〜２ｗｔ．ｐｐｍを添加すると、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従来よりも一層抑えるこ
とができる、 （ｂ）Ｐｄ：１２５００〜５００００ｗｔ．ｐｐｍ、Ｔ
ｉ：０．１〜２ｗｔ．ｐｐｍを含有するボンディング用
金合金細線に、さらにＣａ、Ｂｅ、Ｌａの内の一種また
は二種以上：１〜５０ｗｔ．ｐｐｍ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）純度：９９．９９％以上の高純度金に、Ｐｄ：１
２５００〜５００００ｗｔ．ｐｐｍ、Ｔｉ：０．１〜２
ｗｔ．ｐｐｍを含有させた組成を有する半導体装置用金
合金細線、 （２）純度：９９．９９％以上の高純度金に、Ｐｄ：１
２５００〜５００００ｗｔ．ｐｐｍ、Ｔｉ：０．１〜２
ｗｔ．ｐｐｍを含有させ、さらにＣａ、Ｂｅ、Ｌａの内
の一種または二種以上：１〜５０ｗｔ．ｐｐｍを含有さ
せた組成を有す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）Ｐｄ 金合金細線に含まれるＰｄの含有量が１２５００ｗｔ．
ｐｐｍ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５００００ｗｔ．ｐｐｍ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１２５００〜５００００
ｗｔ．ｐｐｍに定めた。
【００１１】（ｂ）Ｔｉ Ｔｉは、ボンディング時に形成されるボールの結晶粒径
を微細化させて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、Ｐｄを１２
５００〜５００００ｗｔ．ｐｐｍ含有する金合金細線の
ボンディング時に生成するボールの結晶粒を微細化させ
て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を越えて含有させてると、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。
【００１２】（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。
【００１３】
【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
〜２４、比較Ａｕ合金細線１〜４および従来Ａｕ合金細
線を作製した。
【００１４】ついで、本発明Ａｕ合金細線１〜２４、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。
【００１５】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１〜２４、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。
【００１６】圧着ボールの真円性試験本発明Ａｕ合金細
線１〜２４、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、２００℃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の圧着ボールの長径：ｘおよび短径：ｙ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。
【００１７】接合信頼性試験本発明Ａｕ合金細線１〜２
４、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２００℃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。
【００１８】
【表１】
【００１９】
【表２】
【００２０】
【表３】
【００２１】
【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１〜２４は従来Ａｕ合金細線に比べて、共
にボールの平均結晶粒径が小さく、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はほぼ同等であるが、本発明Ａｕ
合金細線１〜２４は従来Ａｕ合金細線に比べて引け巣の
発生がなく、さらに接合信頼性に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】ボールの拡大側面図である。
【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 (56)参考文献 特開 平７−335684（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−199261（ＪＰ，Ａ) 特開 平10−303236（ＪＰ，Ａ) 特開 昭56−49535（ＪＰ，Ａ) 特開2000−150562（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) C22C 5/02 H01L 21/60

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 純度：９９．９９％以上の高純度金に、 Ｐｄ：１２５００〜５００００ｗｔ．ｐｐｍ、 Ｔｉ：０．１〜２ｗｔ．ｐｐｍ、 を含有させた組成の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】 純度：９９．９９％以上の高純度金に、 Ｐｄ：１２５００〜５００００ｗｔ．ｐｐｍ、 Ｔｉ：０．１〜２ｗｔ．ｐｐｍ、 を含有させ、さらに、 Ｃａ、Ｂｅ、Ｌａの内の一種または二種以上：１〜５０ｗｔ．ｐｐｍ、 を含有させた組成の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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