JP3573321B2 - Ａｕボンディングワイヤー - Google Patents

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体素子上のパッド電極と外部リードとを接続するために用いるＡｕボンディングワイヤーに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、自動ワイヤーボンダーに対応するＢｅ含有のＡｕボンディングワイヤーとしては、例えばＢｅを１〜８重量ｐｐｍ含有するもの（特公昭５８−２６６６２号公報）、あるいは、Ｃａを３〜５０重量ｐｐｍとＢｅを１〜８重量ｐｐｍとを複合含有するもの（特公昭５７−３５５７７号公報）などが提案された。その後の自動ワイヤーボンダーのさらなる高速化とともに、こうした組成のＡｕボンディングワイヤーの欠点を補う形で、様々な元素を複合含有するＡｕボンディングワイヤーが見いだされてきた。Ａｕに添加したＢｅは、Ｓｉなどの元素と同様に、Ａｕボンディングワイヤーをボールボンディングする工程のボール形成に際し、ボール部直上のループ部の一部が加熱されて、該ループ部の組織がある長さにわたって再結晶化する。この再結晶化の部分（以後再結晶領域と呼ぶ）は、ボールボンディング工程終了後にループ部を支える柱の役割を果たす。こうした特徴を示す元素の中で、ＢｅはＡｕの加工硬化を引き起こす元素でもあるため、これを利用してボールボンディング工程後のループ部を堅固なものにしたいとの発想は以前よりあった。しかし、Ｂｅを８重量ｐｐｍ以上含有すると、従来用いられていた水素炎ではボール形成がうまくいかなっかたり、再結晶組織の結晶粒径が粗大化しすぎて粒界破断等が発生しやすくなるなどの問題があった。そのため、この系とは異なる組成のＡｕボンディングワイヤーや第３あるいは第４の元素を含有する組成のＡｕボンディングワイヤーが提案されてきた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、これまでに提案されてきたＡｕボンディングワイヤーは、ボールボンディング工程におけるループ形成時に、Ａｕボンディングワイヤーの加工硬化が十分でないため、ループ部の直進性が低くなって、隣接するＡｕボンディングワイヤーのループ部相互の電気的ショートが発生する問題があった。また、半導体素子の組立における樹脂モールド工程で、流入する樹脂によってＡｕボンディングワイヤーのループ部が流され（ワイヤー流れ）て、隣接するＡｕボンディングワイヤーのループ部相互の電気的ショートが発生する問題があった。さらに、ボール部のつぶし径が大きくなって、十分なファインピッチボンディングが行えないといった問題があった。
【０００４】
また、前記再結晶領域の加工硬化が大きい場合では、ボール形成時に含有元素の酸化膜が析出したり、あるいは、ボール部の硬度が大きすぎてチップクラックが発生しやすくなったり、また、ボール部のつぶれ形状が真円ではないといった問題があった。
【０００５】
そこで、Ａｕボンディングワイヤーのボール部の問題点を克服し、かつループ形成時のＡｕボンディングワイヤーの変形にて、再結晶組織部に大きな加工硬化を生じることが、要求されるようになった。
【０００６】
したがって、本発明の目的は、ボール部のつぶれ形状が真円で、かつ直進性の高い堅固なループ部を形成し、半導体素子の組立における樹脂モールド工程でのワイヤー流れを低減する、Ａｕボンディングワイヤーを提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、Ａｕに含有し大きな加工硬化を示すＢｅと、加熱による再結晶粒粗大化を抑制する元素について詳細な研究を重ねてきた。その結果、以下のＡｕボンディングワイヤーを発明し、前述の諸問題を解決した。
【０００９】
（１）Ｂｅを８〜２０重量ｐｐｍと、Ｃａを５〜２０重量ｐｐｍとを含有し、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｎｂ、Ｐｂ、ＴａおよびＰｔのうち１種または２種以上を合計で３〜４５重量ｐｐｍ含有し、残部がＡｕと不可避不純物からなる組成のＡｕボンディングワイヤー。
【００１０】
（２）Ｂｅを８〜２０重量ｐｐｍと、Ｃａを５〜２０重量ｐｐｍとを含有し、Ｙ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、ＹｂおよびＬｕのイットリウム族からなる元素群のうち１種または２種以上を合計で０．５〜３０重量ｐｐｍ含有し、残部がＡｕと不可避不純物からなる組成のＡｕボンディングワイヤー。
【００１１】
（３）Ｂｅを８〜２０重量ｐｐｍと、Ｃａを５〜２０重量ｐｐｍとを含有し、Ｓｎを２〜５０重量ｐｐｍ含有し、残部がＡｕと不可避不純物からなる組成のＡｕボンディングワイヤー。
【００１２】
（４）Ｂｅを８〜２０重量ｐｐｍと、Ｃａを５〜２０重量ｐｐｍとを含有し、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｎｂ、Ｐｂ、ＴａおよびＰｔのうち１種または２種以上を合計で３〜４５重量ｐｐｍ含有し、Ｙ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、ＹｂおよびＬｕのイットリウム族からなる元素群のうち１種または２種以上を合計で０．５〜３０重量ｐｐｍ含有し、残部がＡｕと不可避不純物からなる組成、ただし、Ｂｅと、Ｃａと、Ｐｂと、Ｙと、残部がＡｕと不可避不純物からなる組成、およびＢｅと、Ｃａと、Ｎｂと、Ｅｕと、残部がＡｕと不可避不純物からなる組成は除く、からなるＡｕボンディングワイヤー。
【００１３】
（５）Ｂｅを８〜２０重量ｐｐｍと、Ｃａを５〜２０重量ｐｐｍとを含有し、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｎｂ、Ｐｂ、ＴａおよびＰｔのうち１種または２種以上を合計で３〜４５重量ｐｐｍ含有し、Ｓｎを２〜５０重量ｐｐｍ含有し、残部がＡｕと不可避不純物からなる組成のＡｕボンディングワイヤー。
【００１４】
（６）Ｂｅを８〜２０重量ｐｐｍと、Ｃａを５〜２０重量ｐｐｍとを含有し、Ｙ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、ＹｂおよびＬｕのイットリウム族からなる元素群のうち１種または２種以上を合計で０．５〜３０重量ｐｐｍ含有し、Ｓｎを２〜５０重量ｐｐｍ含有し、残部がＡｕと不可避不純物からなる組成のＡｕボンディングワイヤー。
【００１５】
（７）Ｂｅを８〜２０重量ｐｐｍと、Ｃａを５〜２０重量ｐｐｍとを含有し、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｎｂ、Ｐｂ、ＴａおよびＰｔのうち１種または２種以上を合計で３〜４５重量ｐｐｍ含有し、Ｙ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、ＹｂおよびＬｕのイットリウム族からなる元素群のうち１種または２種以上を合計で０．５〜３０重量ｐｐｍ含有し、Ｓｎを２〜５０重量ｐｐｍ含有し、残部がＡｕと不可避不純物からなる組成のＡｕボンディングワイヤー。
【００１６】
【発明の実施の形態】
本発明のＡｕボンディングワイヤーは、Ｂｅを８〜２０重量ｐｐｍとＣａを５〜２０重量ｐｐｍ含有するので、ボールボンディングする工程のボール形成に際し、ボール形成の熱によってボール部直上の組織が適当な長さにわたって再結晶化するが、結晶粒径は粗大化することがない。さらに、ループ形成時のＡｕボンディングワイヤーの変形においては、変形部が大きく加工硬化するために、変形部のバネ性が向上し、ループ部の保持力が上昇し、堅固なループ部を形成する。そのためループ部の直進性や、また、半導体素子の組立における樹脂モールド工程において、樹脂封止やポッティング等でのＡｕボンディングワイヤーのループ部の変形（以後ワイヤー流れと呼ぶ）の低減に作用する。
【００１７】
Ｂｅの含有量が８重量ｐｐｍ未満では再結晶領域の加工硬化が十分でないために、ループ部を保持する力が弱く、したがってループ部の直進性が低く、さらに半導体素子の組立における樹脂モールド工程では、ワイヤー流れが発生してしまう。また、Ｂｅの含有量が２０重量ｐｐｍを超えると、再結晶領域中に粗大粒が発生する。粗大粒はループ形成時の均一な変形を妨げたり、粒界破断の原因となる。したがって、Ｂｅの含有量は８〜２０重量ｐｐｍであることが必要である。
【００１８】
Ｃａは、Ｂｅを８重量ｐｐｍ以上含有するＡｕボンディングワイヤーでは不可欠の元素である。Ｃａが５重量ｐｐｍ未満では、再結晶領域の結晶粒の粗大化を抑えることができず、２０重量ｐｐｍを超えると、ボール部の底部に引け巣が生じるため、Ｃａの含有量は５〜２０重量ｐｐｍである必要がある。同様の効果を示す元素としてはセリウム族希土類元素もあるが、Ａｕボンディングワイヤーがこれらの元素と８〜２０重量ｐｐｍのＢｅとを同時に含有すると、Ａｕボンディングワイヤー自体の硬度が高くなりすぎて、第２ボンディング工程中に、Ａｕボンディングワイヤーがキャピラリー部分で脆性破断してしまう場合があるので適当でない。
【００１９】
Ｂｅが８〜２０重量ｐｐｍと、Ｃａが５〜２０重量ｐｐｍとを混合含有するＡｕボンディングワイヤーに対し、さらに原子半径がＡｕ原子よりわずかに小さく、かつＡｕ側での固溶範囲が比較的広いＣｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｎｂ、Ｐｂ、ＴａおよびＰｔのうち１種または２種以上を合計で３〜４５重量ｐｐｍ添加する。これにより、Ａｕ中に均一に分散し固溶した前記元素の周囲のＡｕ格子中に引張応力場を生じさせ、引張応力場にＢｅとＣａを効果的に捕獲し、ＢｅとＣａをＡｕ中に均一に分散させ、加工硬化や再結晶粒径のＡｕボンディングワイヤー中でのばらつきを低減する効果がある。３重量ｐｐｍ未満ではこの効果が低く、また４５重量ｐｐｍを超えるとボールボンディング工程後のボール部とパッド電極との接合性が劣化するので好ましくない。同様の効果を示す他の元素としては、Ｖ、Ｚｎ、Ｇａ、Ｈｇなどもあるが、それぞれ蒸気圧が小さかったり、沸点が低かったりと、溶解工程の作業性を妨げる問題があり適当でない。
【００２０】
また、Ａｕ原子半径よりも大きく、かつＡｕ側にある程度の固溶度を有するＹ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、ＹｂおよびＬｕのイットリウム族からなる元素群のうち１種または２種以上を合計で０．５〜３０重量ｐｐｍ添加する。これによって、いったん溶解したボール部が凝固する際に、前記元素はＡｕ中に均一に分散し、前記元素の周囲のＡｕ格子中に圧縮応力場を生じさせ、これが第１ボールボンディング工程時のボール部の均一な変形に寄与する。０．５重量ｐｐｍ未満ではこの効果は無く、また、３０重量ｐｐｍを超えると、ボール部の表面に酸化膜が発生したりするため好ましくない。
【００２１】
上記の含有する量を、効果を最大限に活用しようとして、それぞれの範囲内で最大に近い値にした場合に、かつ本発明のようにシリコンを使わずＧａＡｓの様な脆い材質を使ったチップである場合には、ボール部の硬度が高すぎるために、第１ボールボンディング工程において、パッド電極下のチップにチップクラックを発生させてしまうことがある。この様な場合には、さらにＳｎを２〜５０重量ｐｐｍ含有すると、形成されたボール部の表面硬度を低下させ、パッド電極下のチップのチップクラックを防ぐことができる。２重量ｐｐｍ未満ではその効果は不十分であり、５０重量ｐｐｍを超えると真円のボール部が形成されにくくなるため好ましくない。
【００２２】
【実施例１〜２７】
実施例１〜２７を図１に基づいて説明すると、以下の通りである。
【００２３】
純度９９．９９９重量％以上の高純度のＡｕと、Ｂｅ、Ｃａ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｎｂ、Ｐｂ、Ｔａ、Ｐｔ、Ｙ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕ、Ｓｎの所定量とを高周波誘導加熱炉内にて溶解し、表１の実施例１〜２７に示す組成の合金鋳塊を得た。これらの鋳塊に溝ロール圧延を施した後、ダイスを用いた伸線加工により直径３０μｍの極細線とし、次に、室温での伸び率が６％となるように連続焼鈍を行いＡｕボンディングワイヤーとした。
【００２４】
ループ形成時の再結晶領域の加工硬化特性を調べるため、１００μｍ間隔で、５ｍｍの長さで６０００本のボールボンディング工程を行い、隣接するＡｕボンディングワイヤー１の接触数を測定し、結果を表２に示した。
【００２５】
ワイヤー流れを調べるため、ループ部３の高さＨが２５０μｍで長さＬが４ｍｍのボールボンディング工程後のＡｕボンディングワイヤー１に対して、樹脂を６ｍｍ／ｓの速度で直角に注入し、樹脂モールドして、ループ部３の形状をその直上からＸ線撮影した写真から、第１ボールボンディング点と、第２ボンディング点とを結んだ直線に対するループ部３の最大湾曲量Ｃを測定し、結果を表２に示した。
【００２６】
組成のばらつきの代用特性として破断特性を調べるため、前記極細線の常温破断強度を１００ｍ間隔で２０点測定し、その標準偏差を表２に示した。
【００２７】
ボールボンディング工程後のボール部２のつぶれ形状（真円度）を調べるため、ボールボンディング工程のキャピラリーを保持するワイヤーボンダーのアーム方向のボール部２の幅Ｘと、その直角方向のボール部２の幅Ｙとを測定し、それらの差の絶対値を平均値で除した値をボール部の真円度として、その結果を表２に示した。
【００２８】
ボールシェア強度測定後にパッド電極４下のシリコンチップ５のチップクラックの発生有無を調査し、チップクラックが発生したものを×、発生しなかったものを○とし、結果を表２に示した。
【００２９】
初期ボール部は、ボール形成後のボール部２の真円度が低く涙滴状であったり、表面に酸化膜が生じたりして、パッド電極４との接合を良好に行えないものを×、良好に行えるものを○とし、結果を表２に示した。
【００３０】
【比較例２８〜４２】
純度９９．９９９重量％以上の高純度のＡｕと、Ｂｅ、Ｃａ、Ｎｉ、Ｎｂ、Ｅｕ、Ｓｎの所定量とを高周波誘導加熱炉内にて溶解し、表１の比較例２８〜４２に示す組成の合金鋳塊を得た。これらの鋳塊に溝ロール圧延を施した後、ダイスを用いた伸線加工により直径３０μｍの極細線とし、次に、室温での伸び率が６％となるように連続焼鈍を行いＡｕボンディングワイヤーとした。実施例１〜２７と同様の測定をし、結果を表２に示した。
【００３１】
表２に示した通り、本発明の実施例のＡｕボンディングワイヤー（試料番号１〜２７）はＢｅを８〜２０重量ｐｐｍと、Ｃａを５〜２０重量ｐｐｍとを含有するので、再結晶領域はいずれも比較例の従来品（試料番号２８〜４２）に比べて高い加工硬化特性を有する。そのため、ループ形成時のループ部の保持力が向上し、ループ部は高い直進性を示して、１００μｍ間隔でボールボンディング工程をしても隣接のＡｕボンディングワイヤーとの接触は無く、電気的ショートを防止できる。また、チップクラックの発生が無く、初期ボール部も酸化膜の発生が無かった。また、半導体素子の組立における樹脂モールド工程時のワイヤー流れ量が２００μｍ未満と低減され、電気的ショートを防止できる。
【００３２】
本発明の実施例のＡｕボンディングワイヤーのうち、Ｂｅを８〜２０重量ｐｐｍと、Ｃａを５〜２０重量ｐｐｍとに加えて、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｎｂ、Ｐｂ、ＴａおよびＰｔのうち１種または２種以上を合計で３〜４５重量ｐｐｍ含有する試料番号４〜１２では、ループ部の直進性を維持したまま、ワイヤー流れが無く、特性のばらつきは小さくなった。
【００３３】
また、本発明の実施例のＡｕボンディングワイヤーのうち、Ｂｅを８〜２０重量ｐｐｍと、Ｃａを５〜２０重量ｐｐｍとに加えて、Ｙ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、ＹｂおよびＬｕのイットリウム族からなる元素群のうち１種または２種以上を合計で０．５〜３０重量ｐｐｍ含有する試料番号１３〜２３では、ループ部の直進性を維持したまま、ワイヤー流れが無く、ボール部の真円度は３％以下と、ファインピッチボンディングに必要な特性が著しく向上した。
【００３４】
また、本発明の実施例のＡｕボンディングワイヤーのうち、Ｂｅを８〜２０重量ｐｐｍと、Ｃａを５〜２０重量ｐｐｍとに加えて、Ｓｎを２〜５０重量ｐｐｍ含有する試料番号２４と、Ｂｅを８〜２０重量ｐｐｍと、Ｃａを５〜２０重量ｐｐｍとに加えて、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｎｂ、Ｐｂ、ＴａおよびＰｔのうち１種または２種以上を合計で３〜４５重量ｐｐｍと、またはＹ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、ＹｂおよびＬｕのイットリウム族からなる元素群のうち１種または２種以上を合計で０．５〜３０重量ｐｐｍとのいづれかまたは両方を含有し、Ｓｎを２〜５０重量ｐｐｍ含有する試料番号２５〜２７では、ループ部の直進性を維持したまま、ワイヤー流れが無く、チップクラックの発生が防止できた。
【００３５】
【表１】
Figure 0003573321
【表２】
Figure 0003573321
【００３６】
【発明の効果】
本発明のＡｕボンディングワイヤーは、ループ部の直進性、耐ワイヤー流れ、特性のばらつき、ボール部の真円度、およびチップクラックにおいて優れており、半導体素子の組立工程における、製品の歩留まりおよび製品の信頼性の向上に大いに寄与する。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は半導体素子の組立におけるＡｕボンディングワイヤーの側面図と平面図である。
【符号の説明】
１ Ａｕボンディングワイヤー
２ ボール部
３ ループ部
４ パッド電極
５ シリコンチップ
６ 外部リード

Claims (7)

  1. Ｂｅを８〜２０重量ｐｐｍと、Ｃａを５〜２０重量ｐｐｍとを含有し、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｎｂ、Ｐｂ、ＴａおよびＰｔのうち１種または２種以上を合計で３〜４５重量ｐｐｍ含有し、残部がＡｕと不可避不純物からなる組成のＡｕボンディングワイヤー。
  2. Ｂｅを８〜２０重量ｐｐｍと、Ｃａを５〜２０重量ｐｐｍとを含有し、Ｙ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、ＹｂおよびＬｕのイットリウム族からなる元素群のうち１種または２種以上を合計で０．５〜３０重量ｐｐｍ含有し、残部がＡｕと不可避不純物からなる組成のＡｕボンディングワイヤー。
  3. Ｂｅを８〜２０重量ｐｐｍと、Ｃａを５〜２０重量ｐｐｍとを含有し、Ｓｎを２〜５０重量ｐｐｍ含有し、残部がＡｕと不可避不純物からなる組成のＡｕボンディングワイヤー。
  4. Ｂｅを８〜２０重量ｐｐｍと、Ｃａを５〜２０重量ｐｐｍとを含有し、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｎｂ、Ｐｂ、ＴａおよびＰｔのうち１種または２種以上を合計で３〜４５重量ｐｐｍ含有し、Ｙ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、ＹｂおよびＬｕのイットリウム族からなる元素群のうち１種または２種以上を合計で０．５〜３０重量ｐｐｍ含有し、残部がＡｕと不可避不純物からなる組成、ただし、Ｂｅと、Ｃａと、Ｐｂと、Ｙと、残部がＡｕと不可避不純物からなる組成、およびＢｅと、Ｃａと、Ｎｂと、Ｅｕと、残部がＡｕと不可避不純物からなる組成は除く、からなるＡｕボンディングワイヤー。
  5. Ｂｅを８〜２０重量ｐｐｍと、Ｃａを５〜２０重量ｐｐｍとを含有し、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｎｂ、Ｐｂ、ＴａおよびＰｔのうち１種または２種以上を合計で３〜４５重量ｐｐｍ含有し、Ｓｎを２〜５０重量ｐｐｍ含有し、残部がＡｕと不可避不純物からなる組成のＡｕボンディングワイヤー。
  6. Ｂｅを８〜２０重量ｐｐｍと、Ｃａを５〜２０重量ｐｐｍとを含有し、Ｙ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、ＹｂおよびＬｕのイットリウム族からなる元素群のうち１種または２種以上を合計で０．５〜３０重量ｐｐｍ含有し、Ｓｎを２〜５０重量ｐｐｍ含有し、残部がＡｕと不可避不純物からなる組成のＡｕボンディングワイヤー。
  7. Ｂｅを８〜２０重量ｐｐｍと、Ｃａを５〜２０重量ｐｐｍとを含有し、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｎｂ、Ｐｂ、ＴａおよびＰｔのうち１種または２種以上を合計で３〜４５重量ｐｐｍ含有し、Ｙ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、ＹｂおよびＬｕのイットリウム族からなる元素群のうち１種または２種以上を合計で０．５〜３０重量ｐｐｍ含有し、Ｓｎを２〜５０重量ｐｐｍ含有し、残部がＡｕと不可避不純物からなる組成のＡｕボンディングワイヤー。
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