JP3747023B2 - 半導体用金ボンディングワイヤ - Google Patents

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体素子上の電極と外部リードを接続するために利用される半導体装置用ボンディングワイヤに関する。
【０００２】
【従来の技術】
現在、半導体素子上の電極と外部端子との間を接続するボンディングワイヤとして、線径２０〜５０μｍ程度で、材質は高純度４Ｎ系（純度＞９９．９９質量％）の金であるボンディングワイヤが主として使用されている。ボンディングワイヤの接続技術は、超音波併用熱圧着方式が一般的であり、汎用ボンディング装置や、ワイヤをその内部に通して接続に用いるキャピラリ冶具等が必要である。ワイヤ先端をアーク入熱で加熱溶融し、表面張力によりボールを形成させた後に、１５０〜３００℃の範囲内で加熱した半導体素子の電極上にボール部を圧着接合せしめ、その後で、直接ワイヤを外部リード側に超音波圧着によりウェッジ接合させる。トランジスタやＩＣ等の半導体装置として使用するためには、前記のボンディングワイヤによるボンディングの後に、Ｓｉチップ、ボンディングワイヤ、及びＳｉチップが取り付けられた部分のリードフレーム等を保護する目的で、エポキシ樹脂で封止する。これらの部材は、単独の特性を高めることも必要であるが、周辺の部材との関係及び使用法等の総合的な性能、信頼性を改善することがますます重要となっている。
【０００３】
ボンディングワイヤを高強度化させる目的で、例えば希土類元素の添加（特許文献１）、ＣａとＢｅの添加、ＣａとＢｅに加え第３元素としての希土類元素の添加（特許文献２、特許文献３）等が開示されている。
【０００４】
半導体素子の高集積化、小型化のニーズが高まるに従い、金ボンディングワイヤが満足すべき特性も多様化している。高密度配線及び狭ピッチに対応する金ボンディングワイヤの要求特性に関して、これまで高強度細線化が中心であったが、新たな課題では電極部との接合部における高接合性が重要となる。最新のボンディング装置では高精度制御が可能となり、現行ワイヤを用いてもループ形状の安定制御が比較的容易となっている。一方、接合性についても、高周波化、軽量加重の制御等、装置側での方策が検討されている。
【０００５】
ボンディングワイヤの接合相手となる材質も変化しており、シリコン基板上の配線、電極材料では、従来のＡｌ合金に加えて、より高集積化に適したＣｕ、Ｃｕ合金が使用され始めている。多層配線を形成するプロセスが複雑になるに従い、電極表面に汚染、残渣等が残る場合も増えている。狭ピッチ化に対応する小ボール接合が求められており、接合強度、ボール変形、高温接合信頼性等を確保することがより重要となる。
【０００６】
今後とも、半導体素子の高集積化、高密度化等のニーズに対応するために、金ボンディングワイヤ接続のニーズでは、狭ピッチ化、細線化、高接合性等の要求が厳しくなっている。
【０００７】
【特許文献１】
特開昭６３−５１３７７号公報
【特許文献２】
特開昭６０−３０１５８号公報
【特許文献３】
特開平１０−１７２９９８号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
接合性を高めるため、装置側ではアーク放電、荷重、超音波振動、加熱等が管理されており、従来の広いピッチに大きいボール部を接続する場合、これらの装置パラメータの適正範囲も十分確保され、接合性が問題となることは少なかった。
【０００９】
しかし、狭ピッチ接続では、小ボールをＢＧＡ、ＣＳＰ基板上の電極部に低温接合する厳しい条件を満足する必要があり、装置側の改善だけで実現することが困難となる。狭ピッチ化の技術進展を図るには、ワイヤ材料側からの改善が重要である。
【００１０】
高強度化と高接合性を実現するためのワイヤ材料の設計には相反する場合が多いことは、実用化を困難にしている主因と考えられる。ワイヤを高強度化するために、添加元素の濃度を単純に増加させるだけでは、ワイヤ、ボール部の表面における酸化が進み、接合性を損なうことが懸念される。これら高強度化と高接合性を同時に満足するには、複数の合金成分の組合せ及び、その配合比の適正化等が求められる。
【００１１】
ワイヤ中の合金成分について、Ｃａ、Ｂｅ等は、高強度化には有効な元素であり、その効果を引き出すには一定濃度以上の含有が必要であることが確認された。しかし、上記元素を高濃度化しただけでは、ボール圧着径のばらつきの増大、接合強度の低下を誘発することで、接合性を低下させることが問題である。一方、Ａｕ中への単独添加で接合強度を向上させる合金化元素は明確にされておらず、さらに複数成分でも接合性を向上させる元素は明らかにされていない。
【００１２】
ワイヤの強度促進元素の効果を損なうことなく、さらに接合性を同時に向上するには、単独での元素添加では不十分である。相乗的、補完的に作用する合金元素の組合せ及び、その適正濃度を厳密に管理することが重要である。
【００１３】
そこで、本発明は、従来技術ではワイヤの高強度化により接合性が低下する問題を解決するために、高強度化と高接合性を兼備する半導体用金ボンディングワイヤを提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明者等は前述した観点から、狭ピッチ接続に必要となるボンディングワイヤの高強度化、電極との接合性を向上させる研究を行った結果、ボンディングワイヤの合金化添加元素を適正化することで、Ａｌ及びＡｌ合金の電極との接合強度、変形挙動を高められることを見出した。
【００１５】
すなわち、前述した目的を達成するための本発明の要旨は次の通りである。
（１） Ｃａを２１〜７０質量ｐｐｍ、Ｄｙを必須成分とし、Ｄｙ、Ｇｄの少なくとも１種を３〜１００質量ｐｐｍ含有し、残部が金および不可避不純物からなることを特徴とする半導体用金ボンディングワイヤ。
（２） Ｃａを２１〜７０質量ｐｐｍ、Ｄｙ、Ｇｄの少なくとも１種を３〜１００質量ｐｐｍ含有し、Ｅｕを３〜７０質量ｐｐｍ、且つＣａ、Ｄｙ、Ｇｄ、Ｅｕの合計濃度が３５〜２００質量ｐｐｍであり、残部が金および不可避不純物からなることを特徴とする半導体用金ボンディングワイヤ。
（３） Ｃａを２１〜７０質量ｐｐｍ、Ｄｙ、Ｇｄの少なくとも１種を３〜１００質量ｐｐｍ、Ｌａ、Ｎｄ、Ｙｂの少なくとも１種の元素を５〜７０質量ｐｐｍの範囲で含有し、残部が金および不可避不純物からなることを特徴とする半導体用金ボンディングワイヤ。
（４） Ｃａを２１〜７０質量ｐｐｍ、Ｄｙ、Ｇｄの少なくとも１種を３〜１００質量ｐｐｍ含有し、Ｅｕを３〜７０質量ｐｐｍ、且つＣａ、Ｄｙ、Ｇｄ、Ｅｕの合計濃度が３５〜２００質量ｐｐｍであり、Ｌａ、Ｎｄ、Ｙｂの少なくとも１種の元素を５〜７０質量ｐｐｍの範囲で含有し、残部が金および不可避不純物からなることを特徴とする半導体用金ボンディングワイヤ。
（５） Ｃａを２１〜７０質量ｐｐｍ、Ｄｙ、Ｇｄの少なくとも１種を３〜１００質量ｐｐｍ、Ｃｕ、Ｃｒのいずれかを必須成分とし、Ａｌ、Ｃｕ、Ｓｉ、Ｃｒの少なくとも１種の元素を２０〜２００質量ｐｐｍの範囲で含有し、残部が金および不可避不純物からなることを特徴とする半導体用金ボンディングワイヤ。
（６） Ｃａを２１〜７０質量ｐｐｍ、Ｄｙ、Ｇｄの少なくとも１種を３〜１００質量ｐｐｍ含有し、Ｅｕを３〜７０質量ｐｐｍ、且つＣａ、Ｄｙ、Ｇｄ、Ｅｕの合計濃度が３５〜２００質量ｐｐｍであり、Ａｌ、Ｃｕ、Ｓｉ、Ｃｒの少なくとも１種の元素を２０〜２００質量ｐｐｍの範囲で含有し、残部が金および不可避不純物からなることを特徴とする半導体用金ボンディングワイヤ。
（７） Ｃａを２１〜７０質量ｐｐｍ、Ｄｙ、Ｇｄの少なくとも１種を３〜１００質量ｐｐｍ含有し、Ｅｕを３〜７０質量ｐｐｍ、且つＣａ、Ｄｙ、Ｇｄ、Ｅｕの合計濃度が３５〜２００質量ｐｐｍであり、Ｌａ、Ｎｄ、Ｙｂの少なくとも１種の元素を５〜７０質量ｐｐｍ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｓｉ、Ｃｒの少なくとも１種の元素を２０〜２００質量ｐｐｍの範囲で含有し、残部が金および不可避不純物からなることを特徴とする半導体用金ボンディングワイヤ。
（８） Ｃａを２１〜７０質量ｐｐｍ、Ｄｙを必須成分とし、Ｄｙ、Ｇｄの少なくとも１種を３〜１００質量ｐｐｍ、Ｂｅを１〜７．５質量ｐｐｍの範囲で含有し、残部が金および不可避不純物からなることを特徴とする半導体用金ボンディングワイヤ。
（９） Ｃａを２１〜７０質量ｐｐｍ、Ｄｙ、Ｇｄの少なくとも１種を３〜１００質量ｐｐｍ、Ｌａ、Ｎｄ、Ｙｂの少なくとも１種の元素を５〜７０質量ｐｐｍ、Ｂｅを１〜７．５質量ｐｐｍの範囲で含有し、残部が金および不可避不純物からなることを特徴とする半導体用金ボンディングワイヤ。
（１０） Ｃａを２１〜７０質量ｐｐｍ、Ｄｙ、Ｇｄの少なくとも１種を３〜１００質量ｐｐｍ、Ｃｕ、Ｃｒのいずれかを必須成分とし、Ａｌ、Ｃｕ、Ｓｉ、Ｃｒの少なくとも１種の元素を２０〜２００質量ｐｐｍ、Ｂｅを１〜７．５質量ｐｐｍの範囲で含有し、残部が金および不可避不純物からなることを特徴とする半導体用金ボンディングワイヤ。
（１１） Ｃａを２１〜７０質量ｐｐｍ、Ｄｙ、Ｇｄの少なくとも１種を３〜１００質量ｐｐｍ含有し、Ｅｕを３〜７０質量ｐｐｍ、且つＣａ、Ｄｙ、Ｇｄ、Ｅｕの合計濃度が３５〜２００質量ｐｐｍであり、Ｂｅを１〜７．５質量ｐｐｍの範囲で含有し、残部が金および不可避不純物からなることを特徴とする半導体用金ボンディングワイヤ。
（１２） Ｃａを２１〜７０質量ｐｐｍ、Ｄｙ、Ｇｄの少なくとも１種を３〜１００質量ｐｐｍ含有し、Ｅｕを３〜７０質量ｐｐｍ、且つＣａ、Ｄｙ、Ｇｄ、Ｅｕの合計濃度が３５〜２００質量ｐｐｍであり、Ａｌ、Ｃｕ、Ｓｉ、Ｃｒの少なくとも１種の元素を２０〜２００質量ｐｐｍ、Ｂｅを１〜７．５質量ｐｐｍの範囲で含有し、残部が金および不可避不純物からなることを特徴とする半導体用金ボンディングワイヤ。
（１３） Ｃａを２１〜７０質量ｐｐｍ、Ｄｙ、Ｇｄの少なくとも１種を３〜１００質量ｐｐｍ含有し、Ｅｕを３〜７０質量ｐｐｍ、且つＣａ、Ｄｙ、Ｇｄ、Ｅｕの合計濃度が３５〜２００質量ｐｐｍであり、Ｌａ、Ｎｄ、Ｙｂの少なくとも１種の元素を５〜７０質量ｐｐｍ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｓｉ、Ｃｒの少なくとも１種の元素を２０〜２００質量ｐｐｍ、Ｂｅを１〜７．５質量ｐｐｍの範囲で含有し、残部が金および不可避不純物からなることを特徴とする半導体用金ボンディングワイヤ。
【００１６】
【発明の実施の形態】
ワイヤボンディングの接合プロセスでは、ボール形成、ボール部と電極部の同時変形、Ａｌ酸化膜の破壊、接合界面での拡散等が複雑に関与しており、これらの因子が連鎖的に関与している。単一元素の添加により、接合に関連する全因子を改善しつつ、しかもワイヤ強度を高めることは困難である。Ｃａ、Ｄｙ、Ｇｄ、Ｅｕ等の元素を組合せることで、複数成分の相乗作用を活用し、上記分類の因子を個別制御することにより、総合的に接合性を改善できることを確認した。
【００１７】
Ｃａを２１〜７０質量ｐｐｍ、Ｄｙを必須成分とし、Ｄｙ、Ｇｄの少なくとも１種を３〜１００質量ｐｐｍ含有させるＡｕワイヤでは、ワイヤ強度を増加し、さらにＡｌ電極との接合強度も高めるのに有効であることを見出した。これはＣａ、Ｄｙ、Ｇｄの複合添加により、固溶と粒界への析出の相乗作用により高強度化を図ることができ、また、Ｃａを単独で高濃度に含有したときに問題となるボール表面での酸化、ボール表面近傍での濃化等を抑えることができ、ＡｕとＡｌの接合界面での拡散を助長することができるためと考えられる。本発明は、線径２０μｍ以下の細線でもループ形成時の垂れ、曲がり等の不良を抑制し、ボール接合部の接合強度を増加したり、荷重、超音波振動等製造条件の適正なマージンを増やして低温接合性を向上し、さらに樹脂封止時のワイヤ変形も低減することができる。
【００１８】
ここで、Ｃａが２１質量ｐｐｍ未満であれば、Ｄｙ、Ｇｄを所定濃度含有しても、５０μｍ未満の狭ピッチに適用するためのワイヤ強度、接合強度の向上効果が小さく、また、Ｃａを７０質量ｐｐｍ超含有すると、ボール表面での酸化がより顕著となり、接合強度が低下するためである。また、Ｄｙを必須成分とし、Ｄｙ、Ｇｄの少なくとも１種を３質量ｐｐｍ以上含有させれば、Ｃａ元素との併用により、接合強度を高める十分な効果が得られ、１００質量ｐｐｍ超含有すると、ボール部が硬化して接合時にチップに損傷を与える。
【００１９】
また、Ｃａを２１〜７０質量ｐｐｍ、Ｄｙ、Ｇｄの少なくとも１種を３〜１００質量ｐｐｍ、Ｅｕを３〜７０質量ｐｐｍ添加させると、ワイヤ表面を溶融して形成されるボール部の寸法ばらつきが改善され、ボール圧着径、接合強度等のバラツキを低減し、量産性を向上できることを確認した。ボール圧着径のばらつきは、通常問題となることは少ないが、ボンディング速度の高速化、チップを固定するダイペーストの影響等により、ボール圧着の寸法バラツキが増加することが想定される。そうした特殊な条件では、Ｃａ、Ｄｙ、Ｇｄ元素の含有だけでは、ボール部を圧着変形したときのボール部の形状を真円に近づけることは困難である。そこで、Ｅｕも併用添加することで、凝固時のボール内部での粒成長の安定化等により、初期ボール部の真球性を改善することで、最終的にボール圧着径のバラツキを低減できる。
【００２０】
ここで、Ｅｕ濃度が３質量ｐｐｍ未満であれば、上記のボール径を安定化させる作用は不十分であり、一方、７０質量ｐｐｍ超含有するとボール部の先端に発生する引け巣が大きくなるため、現状の実用では問題ないレベルであるが、更なる小ボール接合での影響が懸念される。また、Ｃａ 、Ｄｙ、Ｇｄ、Ｅｕ元素の合計濃度では、３５〜２００質量ｐｐｍが適正な範囲であることが確認された。これは、３５質量ｐｐｍ未満であれば、ボール圧着径を安定化させる効果が十分でなく、一方、２００質量ｐｐｍ超であればボール部が硬化して接合時にチップに損傷を与えるためである。
【００２１】
さらに、上記元素群にＬａ、Ｎｄ、Ｙｂの少なくとも１種の元素を５〜７０質量ｐｐｍの範囲で含有することで、ボール圧着形状を安定化させ、接合強度を高める効果をより促進することができる。Ｃａ 、Ｄｙ、Ｇｄ元素の含有により、ボール部内の組織の局所的変化が生じる場合があり、例えば中心部と外周部の結晶粒径に差違が生じて、ボール圧着径のばらつき、接合強度の低下等をもたらす原因となる。そこで、Ｌａ、Ｎｄ、Ｙｂも併用して添加することで、ボール部が凝固される時に、結晶粒界の移動を抑えて凝固組織を微細化し、接合後のボール部の真円性等の形状を安定化させることができる。なかでも、ボール部の高速変形、超音波印加により誘発される変形異方性についても、Ｃａ、Ｄｙ、Ｇｄ元素群とＬａ、Ｎｄ、Ｙｂ元素群を組み合わせることで、異方性を低減して、真円性を高めることができる。変形挙動が均一となる効用として、ボール径が同一となる接合条件で比較すると、Ｃａ、Ｄｙ、Ｇｄ元素群とＬａ、Ｎｄ、Ｙｂ元素群を含有することで接合強度を増加させる効果をより高められることも確認した。さらに、Ｅｕも含有することで、Ｃａ、Ｄｙ、Ｇｄ元素群とＬａ、Ｎｄ、Ｙｂ元素群の併用効果をより高めることができる。
【００２２】
ここで、Ｌａ、Ｎｄ、Ｙｂの合計の濃度が５質量ｐｐｍ以上であれば、上記のボール径を安定化させる作用が得られる一方、７０質量ｐｐｍ超含有すると、ボール部が硬化して接合時にチップに損傷を与えることが問題となる場合がある。
【００２３】
上記の元素群と併用して、Ａｌ、Ｃｕ、Ｓｉ、Ｃｒ元素の少なくとも１種の元素を２０〜２００質量ｐｐｍの範囲で含有させることで、低温での接合部における拡散を促進し、接合強度を増加させる効果を一層高めることができる。上記のＣａ、Ｄｙ、Ｇｄ、Ｅｕ、Ｌａ、Ｎｄ、Ｙｂ元素の何れもＡｕ中への固溶度が小さく、比較的酸化されやすい元素であるため、大気中で溶融するときにボール表面近傍に濃化する傾向がある。こうした濃化領域は、従来の高温接合では問題のない程度であるものの、１８０℃以下の低温接合では拡散に支配されるため、接合強度を低下させることが懸念される。そこで、Ａｕ中、Ａｌ中への固溶度が比較的大きいＡｌ、Ｃｕ、Ｓｉ、Ｃｒ元素群を同時に含有させると、Ａｕ／Ａｌ界面での拡散を助長して、接合強度を高める効果を促進することができる。Ａｌ、Ｃｕ、Ｓｉ、Ｃｒ元素だけを添加したワイヤでは、ワイヤ強度及び接合強度を増加させる効果は不十分であり、Ｃａ、Ｄｙ、Ｇｄ、Ｅｕ元素群と併用させることで、接合強度を増加させる効果を高められる。さらにＬａ、Ｎｄ、Ｙｂ元素群と併用させることで、ボール部の圧着形状を安定化させることで、ＢＧＡ、ＣＳＰ基板上での低温接合において５０μｍ未満の狭ピッチ化にも対応可能となる。
【００２４】
ここで、Ａｌ、Ｃｕ、Ｓｉ、Ｃｒ元素群の合計の濃度が２０質量ｐｐｍ未満であれば、拡散を助長する十分な効果が得られないためであり、一方、２００質量ｐｐｍ超含有すると、ＢＧＡ基板のメッキ上への低温でのウェッジ接合性が低下することが問題となる場合がある。
【００２５】
また、上記元素群にさらにＢｅを１〜７．５質量ｐｐｍの範囲で含有させると、接合界面での拡散及び化合物成長が進行する領域（面積）を拡大させたり、ボール接合部全体に酸化膜を破壊することに有効である。これは結果として、接合強度を高めるのにも有効である。上記元素群の含有により、通常のＡｌ電極表面に存在するＡｌ酸化膜を接合時に破壊して、ＡｕとＡｌの新生面を接触させるには、十分な効果を発揮することができる。さらに、最近のウエハ製造工程では、Ｃ、Ｆ元素等を含むエッチング残さ等による電極表面の汚染層が問題となる場合が増え始めている。こうした電極表面の汚染層がある場合には、ボール変形を抑えつつ、汚染層等を破壊、分散させる必要があり、それにはボール部の加工硬化を促進することが有効である。Ｂｅ元素の単独添加では、ボール部を硬化することはできるものの、高濃度に添加する必要があり、ボール表面の酸化が顕著となり、むしろ接合強度が低下することが問題である。Ｃａ、Ｄｙ、Ｇｄ、Ｅｕ元素群とＢｅ元素の複合添加効果により、実際のボンディング工程で採用されている高速圧縮変形時における加工硬化を高め、拡散領域を増やすことができ、ボンディング工程での製造マージンを増やすことができる。さらに、Ｂｅ添加により、Ｃａ、Ｄｙ、Ｇｄ、Ｅｕ元素群の含有だけよりも、伸線時のワイヤ強度を高めることで、細線ワイヤの製造で時々問題となる断線不良等を抑制することができ、ワイヤ製造の観点からも有効である。
【００２６】
ここで、Ｂｅ濃度が１質量ｐｐｍ以上で上記効果が十分発揮され、一方、７．５質量ｐｐｍ超含有すると、ボール表面でのＢｅ酸化物の形成により、低温での接合強度が低下することが問題となる場合がある。
【００２７】
また、Ｃａ、Ｄｙ、Ｇｄ、Ｅｕ元素群、Ｌａ、Ｎｄ、Ｙｂ元素群、Ｂｅ元素を併用することにより相乗効果を利用して、ボール接合部のほほ全域にわたって酸化膜の破壊を均一に促進することができる。相乗効果について、原子半径の小さいＢｅ元素が凝固時に粒界偏析することで、Ｌａ、Ｎｄ、Ｙｂ元素群による粒界移動を抑制する効果をより一層高めることが考えられる。また、Ｌａ、Ｎｄ、Ｙｂ元素群により結晶粒を微細化することで、Ｃａ、Ｄｙ、Ｇｄ、Ｅｕ元素群とＢｅ元素によるボール変形時の加工硬化をより高めるのに有効である。
【００２８】
さらに、Ｃａ、Ｄｙ、Ｇｄ、Ｅｕ元素群、Ｌａ、Ｎｄ、Ｙｂ元素群、Ａｌ、Ｃｕ、Ｓｉ、Ｃｒ元素群、Ｂｅ元素を併用することにより、酸化膜の破壊をボール接合部全体に均一に生じさせ、化合物が成長する領域を増やす効果をより高めることができる。上述したＡｌ、Ｃｕ、Ｓｉ、Ｃｒ元素群の拡散促進効果を利用することで、ＡｕとＡｌの新生面における拡散を促進させ、小ボール接合でも接合強度をより高めるものである。
【００２９】
【実施例】
以下、実施例について説明する。
【００３０】
金純度が約９９．９５質量％以上の電解金を用いて、前述の各添加元素群を含有する母合金を個別に高周波真空溶解炉で溶解鋳造して母合金を溶製した。こうして得られた各添加元素の母合金の所定量と金純度が約９９．９９５質量％以上の電解金とにより、表１〜３に示す化学成分の金合金を高周波真空溶解炉で溶解鋳造し、その鋳塊を圧延した後に常温で伸線加工を行い、最終線径の金ボンディングワイヤとした後に、大気中で連続焼鈍して伸び値が約４％になるように調整した。
【００３１】
ボンディングワイヤの接続には、汎用の自動ワイヤボンダー装置を使用して、ボール／ウェッジ接合を行った。ボール接合では、ワイヤ先端にアーク放電によりボール部を形成し、そのボール部を電極膜に超音波併用の熱圧着により接合した。また、リードフレームまたはＢＧＡ基板上のリード部に、ワイヤ他端部をウェッジ接合した。
【００３２】
狭ピッチ接続への適用性を調べるため、電極間隔が５０μｍの狭ピッチ接続を行った。ワイヤ径は２０μｍ、初期ボール径は３２〜３４μｍの範囲になるような条件で実験を実施した。
【００３３】
接合相手は、シリコン基板上の電極膜の材料である、厚さ約０．８μｍのＡｌ合金膜（Ａｌ−１％Ｓｉ、Ａｌ−０．５％Ｃｕ、Ａｌ−１％Ｓｉ−０．５％Ｃｕ）を使用した。一方の、ウェッジ接合の相手には、表面にＡｇめっき（厚さ：３〜６μｍ）が施されたリードフレーム、又は表面にＡｕめっき／Ｎｉめっき／Ｃｕ配線が形成されているガラエポ樹脂基板を使用した。
【００３４】
ワイヤの引張強度の測定では、長さ１０ｃｍのワイヤ５本の引張試験を実施した。その単位面積当たりの引張強度の平均値が、３００ＭＰａ以上であれば狭ピッチ用細線にも適した高強度であると判断して◎印で示し、２６０ＭＰａ以上３００ＭＰａ未満であれば汎用品よりは強度が高いため○印で示し、２６０ＭＰａ未満であれば強度不足であり、樹脂封止時のワイヤ変形の問題等が懸念されるため△印で示した。こうした強度の規準値については、引張強度と長ワイヤ（４ｍｍ長）の樹脂封止時の変形との関係に関する経験等を基に決定した。
【００３５】
ボール部のシェア強度測定では、接合温度が異なる２種類のボンディングを行った試料を準備した。リードフレーム上に搭載したチップに２３０℃で接合した試料、ＢＧＡ基板上に搭載したチップに１６０℃の低温で接合した試料の２種類を用いた。ワイヤボンディングされたリードフレームと測定する半導体素子を冶具で固定した後に、アルミ電極の２μｍ上方で冶具を平行移動させて剪断破断強度を読みとるシェアテストを行い、１００本の破断荷重を測定した。初期接合、長期の高温接合信頼性等の観点から、シェア強度の基準値を求め、平均のシェア強度値が１２０ｍＮ超であれば接合強度は十分高いと判断して◎印で示し、１００〜１２０ｍＮであれば量産性は確保することが可能であるため○印で示し、１００ｍＮ未満であれば接合性が不十分であると判断して△印で示した。
【００３６】
ボール接合部の形状を評価するため、ボール部をシリコン基板上の電極膜にステージ温度１６０℃で接合を行った。１００本のボール接合部で、超音波印加と平行方向の圧着径を、光学顕微鏡により測定し、平均値と標準偏差を求めた。この標準偏差が１．０μｍ未満であればボール径の寸法が安定していると判断し◎印で示し、１．０μｍ以上１．５μｍ未満の範囲であれば量産性は確保できると判断し○印で示し、１．５μｍ以上であればボール径のバラツキが大きいため△印で示した。
【００３７】
ボール変形の異方性を評価するため、３０本のボール接合部について、電極に対して垂直方向からボール接合部を観察し、超音波印加と平行な方向の長さ（ＤP）と、垂直方向の長さ（ＤV）を測定した。異方性パラメータとして、比率（ＤV／ＤP−１）の平均値を計算した。この異方性パラメータの値が０に近いほど真円性が保たれていることから、その絶対値が０．０８未満であれば真円性は良好であると判断して◎印で示し、０．０８以上０．１５未満であれば実用用問題のないレベルであると判断して○印で示し、０．１５以上であればボール変形の異方性が大きく量産管理が困難であることから△印で示した。
【００３８】
Ａｕ／Ａｌ接合界面における拡散、化合物成長を調べるため、温度２３０℃でワイヤボンディングされた試料を用い、アルミ電極をアルカリ溶液等で溶解してボール接合部を剥離させ、ボール部の裏面を１０本以上観察した。ボール裏面の写真を撮影し、それを画像処理して化合物成長領域の面積を求めることができる。化合物成長比率を求めるため、化合物成長面積がボール部裏面の面積に占める割合を計算した。化合物成長比率が６０％であれば化合物成長が十分促進されていると判断して◎印で示し、４０％以上６０％未満であれば接合強度を確保するのに必要な化合物成長が行われていると判断して○印で示し、４０％未満であれば化合物成長が不十分であり、量産性上の問題が生じる可能性があるため△印で示した。
【００３９】
接合時のチップ損傷を調べるため、ボンディングした素子を王水中に数分間つけて、金ワイヤおよびアルミ電極等を溶解した後に、接合直下の領域をＳＥＭで観察した。連続的なクラックが認められるものは×印、クラックは無いが点状の微小な損傷が認められる場合は△印、損傷が認められないものを○印で示した。
【００４０】
表１、２には、本発明に係わるボンディングワイヤについての評価結果を示し、表３には、比較として、本構成から外れる場合を示した。
【００４１】
【表１】
Figure 0003747023
【００４２】
【表２】
Figure 0003747023
【００４３】
【表３】
Figure 0003747023
【００４４】
表１、２において、第１請求項に係わるボンディングワイヤは実施例１〜４であり、第２請求項に係わるボンディングワイヤは実施例５〜７であり、第３請求項に係わるボンディングワイヤは実施例８〜１７、３４、３５であり、第４請求項に係わるボンディングワイヤは実施例１６〜１７であり、第５請求項に係わるボンディングワイヤは実施例１８であり、第６請求項に係わるボンディングワイヤは実施例１９、２０であり、第７請求項に係わるボンディングワイヤは実施例２１であり、第８請求項に係わるボンディングワイヤは実施例２２、２３であり、第９請求項に係わるボンディングワイヤは実施例２６、２７であり、第１０請求項に係わるボンディングワイヤは実施例２８であり、第１１請求項に係わるボンディングワイヤは実施例２４、２５であり、第１２請求項に係わるボンディングワイヤは実施例２９であり、第１３請求項に係わるボンディングワイヤは実施例３０である。
【００４５】
表３において、比較例１〜８は、本発明の樹脂又はボンディングワイヤの成分構成を満足しない場合である。
【００４６】
Ｃａを２１〜７０質量ｐｐｍ、Ｄｙを必須成分とし、Ｄｙ、Ｇｄの１種以上を３〜１００質量ｐｐｍ含有させるＡｕワイヤに関する実施例１〜４では、引張強度と接合強度（２３０℃接合）ともに良好であることが確認された。一方、上記濃度の範囲から外れている比較例１〜８では引張強度と接合強度が本発明の実施例より劣っていた。
【００４７】
Ｅｕを３〜７０質量ｐｐｍ添加含有する実施例５〜９、１６、１７等では、ボール径のバラツキが低減されており、電極開口部の縮小にも望ましいことが確認された。
【００４８】
Ｌａ、Ｎｄ、Ｙｂの１種以上を５〜７０質量ｐｐｍの範囲で含有する実施例８〜１７、２１等では、ボール部の変形異方性が小さく抑えられており、真円性を安定して確保できることから、量産管理を容易にする効用が期待できる。
【００４９】
Ａｌ、Ｃｕ、Ｓｉ、Ｃｒ元素の１種以上を２０〜２００質量ｐｐｍの範囲で含有する実施例１８〜２１、２８〜３０では、低温で接合したときの接合強度が向上しており、ＢＧＡ基板、ＣＳＰテープ等への実装に好適であることが確認された。
【００５０】
Ｂｅを１〜７．５質量ｐｐｍの範囲で含有する実施例２２〜３０では、ボール裏面での化合物相の成長割合が十分確保されており、Ａｌ酸化膜の破壊、拡散等が良好であることが確認された。
【００５１】
【発明の効果】
以上、本発明の半導体用金ボンディングワイヤを用いれば、ワイヤの高強度化とボール接合部の接合性向上を同時に満足することができ、さらに低温接合性、化合物成長等の改善にも対応することができ、狭ピッチ接続の工業量産性を高めることができる。

Claims (13)

  1. Ｃａを２１〜７０質量ｐｐｍ、Ｄｙを必須成分とし、Ｄｙ、Ｇｄの少なくとも１種を３〜１００質量ｐｐｍ含有し、残部が金および不可避不純物からなることを特徴とする半導体用金ボンディングワイヤ。
  2. Ｃａを２１〜７０質量ｐｐｍ、Ｄｙ、Ｇｄの少なくとも１種を３〜１００質量ｐｐｍ含有し、Ｅｕを３〜７０質量ｐｐｍ、且つＣａ、Ｄｙ、Ｇｄ、Ｅｕの合計濃度が３５〜２００質量ｐｐｍであり、残部が金および不可避不純物からなることを特徴とする半導体用金ボンディングワイヤ。
  3. Ｃａを２１〜７０質量ｐｐｍ、Ｄｙ、Ｇｄの少なくとも１種を３〜１００質量ｐｐｍ、Ｌａ、Ｎｄ、Ｙｂの少なくとも１種の元素を５〜７０質量ｐｐｍの範囲で含有し、残部が金および不可避不純物からなることを特徴とする半導体用金ボンディングワイヤ。
  4. Ｃａを２１〜７０質量ｐｐｍ、Ｄｙ、Ｇｄの少なくとも１種を３〜１００質量ｐｐｍ含有し、Ｅｕを３〜７０質量ｐｐｍ、且つＣａ、Ｄｙ、Ｇｄ、Ｅｕの合計濃度が３５〜２００質量ｐｐｍであり、Ｌａ、Ｎｄ、Ｙｂの少なくとも１種の元素を５〜７０質量ｐｐｍの範囲で含有し、残部が金および不可避不純物からなることを特徴とする半導体用金ボンディングワイヤ。
  5. Ｃａを２１〜７０質量ｐｐｍ、Ｄｙ、Ｇｄの少なくとも１種を３〜１００質量ｐｐｍ、Ｃｕ、Ｃｒのいずれかを必須成分とし、Ａｌ、Ｃｕ、Ｓｉ、Ｃｒの少なくとも１種の元素を２０〜２００質量ｐｐｍの範囲で含有し、残部が金および不可避不純物からなることを特徴とする半導体用金ボンディングワイヤ。
  6. Ｃａを２１〜７０質量ｐｐｍ、Ｄｙ、Ｇｄの少なくとも１種を３〜１００質量ｐｐｍ含有し、Ｅｕを３〜７０質量ｐｐｍ、且つＣａ、Ｄｙ、Ｇｄ、Ｅｕの合計濃度が３５〜２００質量ｐｐｍであり、Ａｌ、Ｃｕ、Ｓｉ、Ｃｒの少なくとも１種の元素を２０〜２００質量ｐｐｍの範囲で含有し、残部が金および不可避不純物からなることを特徴とする半導体用金ボンディングワイヤ。
  7. Ｃａを２１〜７０質量ｐｐｍ、Ｄｙ、Ｇｄの少なくとも１種を３〜１００質量ｐｐｍ含有し、Ｅｕを３〜７０質量ｐｐｍ、且つＣａ、Ｄｙ、Ｇｄ、Ｅｕの合計濃度が３５〜２００質量ｐｐｍであり、Ｌａ、Ｎｄ、Ｙｂの少なくとも１種の元素を５〜７０質量ｐｐｍ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｓｉ、Ｃｒの少なくとも１種の元素を２０〜２００質量ｐｐｍの範囲で含有し、残部が金および不可避不純物からなることを特徴とする半導体用金ボンディングワイヤ。
  8. Ｃａを２１〜７０質量ｐｐｍ、Ｄｙを必須成分とし、Ｄｙ、Ｇｄの少なくとも１種を３〜１００質量ｐｐｍ、Ｂｅを１〜７．５質量ｐｐｍの範囲で含有し、残部が金および不可避不純物からなることを特徴とする半導体用金ボンディングワイヤ。
  9. Ｃａを２１〜７０質量ｐｐｍ、Ｄｙ、Ｇｄの少なくとも１種を３〜１００質量ｐｐｍ、Ｌａ、Ｎｄ、Ｙｂの少なくとも１種の元素を５〜７０質量ｐｐｍ、Ｂｅを１〜７．５質量ｐｐｍの範囲で含有し、残部が金および不可避不純物からなることを特徴とする半導体用金ボンディングワイヤ。
  10. Ｃａを２１〜７０質量ｐｐｍ、Ｄｙ、Ｇｄの少なくとも１種を３〜１００質量ｐｐｍ、Ｃｕ、Ｃｒのいずれかを必須成分とし、Ａｌ、Ｃｕ、Ｓｉ、Ｃｒの少なくとも１種の元素を２０〜２００質量ｐｐｍ、Ｂｅを１〜７．５質量ｐｐｍの範囲で含有し、残部が金および不可避不純物からなることを特徴とする半導体用金ボンディングワイヤ。
  11. Ｃａを２１〜７０質量ｐｐｍ、Ｄｙ、Ｇｄの少なくとも１種を３〜１００質量ｐｐｍ含有し、Ｅｕを３〜７０質量ｐｐｍ、且つＣａ、Ｄｙ、Ｇｄ、Ｅｕの合計濃度が３５〜２００質量ｐｐｍであり、Ｂｅを１〜７．５質量ｐｐｍの範囲で含有し、残部が金および不可避不純物からなることを特徴とする半導体用金ボンディングワイヤ。
  12. Ｃａを２１〜７０質量ｐｐｍ、Ｄｙ、Ｇｄの少なくとも１種を３〜１００質量ｐｐｍ含有し、Ｅｕを３〜７０質量ｐｐｍ、且つＣａ、Ｄｙ、Ｇｄ、Ｅｕの合計濃度が３５〜２００質量ｐｐｍであり、Ａｌ、Ｃｕ、Ｓｉ、Ｃｒの少なくとも１種の元素を２０〜２００質量ｐｐｍ、Ｂｅを１〜７．５質量ｐｐｍの範囲で含有し、残部が金および不可避不純物からなることを特徴とする半導体用金ボンディングワイヤ。
  13. Ｃａを２１〜７０質量ｐｐｍ、Ｄｙ、Ｇｄの少なくとも１種を３〜１００質量ｐｐｍ含有し、Ｅｕを３〜７０質量ｐｐｍ、且つＣａ、Ｄｙ、Ｇｄ、Ｅｕの合計濃度が３５〜２００質量ｐｐｍであり、Ｌａ、Ｎｄ、Ｙｂの少なくとも１種の元素を５〜７０質量ｐｐｍ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｓｉ、Ｃｒの少なくとも１種の元素を２０〜２００質量ｐｐｍ、Ｂｅを１〜７．５質量ｐｐｍの範囲で含有し、残部が金および不可避不純物からなることを特徴とする半導体用金ボンディングワイヤ。
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