JP4691533B2 - 半導体装置用銅合金ボンディングワイヤ - Google Patents

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Description

本発明は、半導体素子上の電極と回路配線基板の配線とを接続するために利用される半導体装置用銅合金ボンディングワイヤに関するものである。
現在、半導体素子上の電極と外部端子との間を接合するボンディングワイヤとして、線径20〜100μm程度の細線(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合に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、ボンディング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用いられる。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このボール部を圧着接合し、その後に、直接ボンディング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。
ボンディングワイヤの素材は、これまで高純度4N系(純度>99.99mass%)のAuが主に用いられている。しかし、Auは高価であること、さらにパワー系IC等で太線ワイヤ(線径50〜100μm程度)が求められていること等から、材料費が安価である他種金属のボンディングワイヤが所望されている。
ワイヤボンディング技術からの要求では、ボール形成時に真球性の良好なボールを形成し、そのボール部と電極との接合部の形状ができる限り真円に近いことが望ましく、さらに十分な接合強度を得ることが求められる。また、接合温度の低温化、ボンディングワイヤの細線化等に対応するためにも、リード端子や配線基板上にボンディングワイヤをウェッジ接続において、剥離等が発生せずに連続ボンディングできること、また、十分な接合強度等が要求される。
高粘性の熱硬化エポキシ樹脂が高速注入される樹脂封止工程では、ボンディングワイヤが変形して隣接ワイヤと接触することが問題となり、しかも、狭ピッチ化、長ワイヤ化、細線化も進む中で、樹脂封止時のワイヤ変形を少しでも抑えることが求められている。ワイヤ強度の増加により、こうした変形をある程度コントロールすることはできるものの、ループ制御が困難となったり、接合時の強度が低下する等の問題が解決されなくては実用化は難しい。
こうした要求を満足するワイヤ特性として、ボンディング工程におけるループ制御が容易であり、しかも電極部、リード部への接合性も向上することができ、ボンディング以降の樹脂封止工程における過剰なワイヤ変形を抑制すること等の、総合的な特性を満足することが望まれている。
材料費が安価で、電気伝導性に優れ、接合、ループ形成等も高めるために、銅を素材とする銅ボンディングワイヤが開発され、特許文献1〜4等が開示されている。しかし、銅ボンディングワイヤではボール部の硬度がAuよりも高く、パッド電極上でボールを変形させて接合する際に、チップにクラック等の損傷を与えることが問題となる。銅ボンディングワイヤのウェッジ接合についても、Auに比べて製造マージンが狭く、量産性が低下することが懸念されている。また、接合部で化合物が成長して、長期信頼性も懸念されている。これが銅ボンディングワイヤの実用化が進まない原因ともなっている。
特開昭61-251062号公報 特開昭62-78861号公報 特開昭61-20693号公報 特開昭62-78862号公報
銅ボンディングワイヤの使用では、ボール部が硬いために接合時にチップ損傷を与えることが実用上の問題である。対策として、不純物含有量が10ppm以下であることが特許文献1に開示され、また、高純度銅中の水素及び酸素の含有量を特定値以下とすることが特許文献2に開示されている。こうした手法により、ボール部の硬化を抑えることができても、単純に高純度化しただけでは、接合変形されたボールに花弁状、異形、偏芯等の形状不良が発生することが問題となる。こうしたボール接合形状とチップ損傷は相反する傾向にあり、これらを両立することが課題となる。また高純度化だけでは、強度が低下して複雑なループ制御が困難となること、ネック部の再結晶粒が粗大化してループ高さが不安定となったり、プル強度が低下すること等、多くの問題が残されている。
ボール接合を改善する銅ボンディングワイヤの合金元素添加についても報告されている。例えば、特許文献3には、接合強度を良好にすることを目的で、Mg、Ca、希土類元素、Ti、Hf、V、Nb、Ta、Ni、Pd、Pt、Au、Cd、B、Al、In、Si、Ge、Pb、P、Sb、Bi、Se及びTeを0.001〜2質量%含有し、残部が実質的に銅であるボンディングワイヤについて、開示されている。しかし、こうした合金化元素の調整だけでは、接合性、ループ形状等の個々の特性の改善効果も安定せず、総合的な使用性能を改善することも困難であった。さらに実用問題の一つとして、金属元素の添加による改善が認められても、ワイヤ製品内又は製品ロット間での特性バラツキが大きいこと、使用前の放置期間による特性の変化等も予測できないこと、等が銅ボンディングワイヤの実用化を遅らせる原因の一つともなっていた。
銅は大気中でも酸化し易く、表面に銅の緻密な酸化膜が形成されることにより、ボール接合性及びウェッジ接合性を低下させることが懸念される。また、銅中に酸素が高濃度に含有されると、何らかの悪影響を及ぼすことが懸念されるが、接合性との相関等必ずしも明らかではない。単純に銅酸化膜を薄くしたり、固溶される酸素濃度を極力低減することで、製造直後の銅ボンディングワイヤのウェッジ接合性が向上する可能性はあるものの、精度よく管理することは困難であり、また通常、ワイヤ製品の保管中に酸化膜が成長して、特性劣化を誘発する問題が発生する。銅ボンディングワイヤの表面酸化を遅らせるために、防錆剤の塗布等が提案され、例えば、特許文献4 等に開示されている。防錆剤は、酸化抑制に有効な場合もあるが、それ自体が接合性を阻害する要因ともなる。また、防錆剤の塗布だけではボール接合形状及び接合強度を改善することは難しい等、防錆剤の活用には限界がある。
本発明では、上述するような従来技術の問題を解決して、ボール部の接合形状を改善し、金ワイヤよりも安価な銅を主体とする半導体装置用銅合金ボンディングワイヤを提供することを目的とする。
本発明の請求項１に係る半導体装置用銅合金銅合金ボンディングワイヤは、第1元素群から選ばれる元素を総計で10〜700質量ppm、酸素を6〜30質量ppmの範囲で含有し、前記元素がPであることを特徴とする。
本発明の請求項２に係る半導体装置用銅合金銅合金ボンディングワイヤは、請求項１において、前記元素がMg及びPであることを特徴とする。
本発明の請求項３に係る半導体装置用銅合金銅合金ボンディングワイヤは、請求項１又は２において、Ag、Pd、Pt、及びAuの少なくとも1種を総計で10〜5000質量ppmの範囲で含有することを特徴とする。
本発明の請求項４に係る半導体装置用銅合金銅合金ボンディングワイヤは、請求項１又は２において、Be、Al、Bi、Si、In、Ge、Ti、及びVの少なくとも1種を総計で6〜300質量ppmの範囲で含有することを特徴とする。
本発明の請求項５に係る半導体装置用銅合金銅合金ボンディングワイヤは、請求項１又は２において、Ca、Y、La、Ce、Pr、及びNdの少なくとも1種を総計で5〜300質量ppmの範囲で含有することを特徴とする。
本発明の請求項６に係る半導体装置用銅合金銅合金ボンディングワイヤは、請求項１又は２において、Ag、Pd、Pt、及びAuの少なくとも1種を総計で10〜5000質量ppm、Be、Al、Bi、Si、In、Ge、Ti、及びVの少なくとも1種を総計で6〜300質量ppmの範囲で含有することを特徴とする。
本発明の請求項７に係る半導体装置用銅合金銅合金ボンディングワイヤは、請求項１又は２において、Ag、Pd、Pt、及びAuの少なくとも1種を総計で10〜5000質量ppm、Ca、Y、La、Ce、Pr、及びNdの少なくとも1種を総計で5〜300質量ppmの範囲で含有することを特徴とする。
本発明の請求項８に係る半導体装置用銅合金銅合金ボンディングワイヤは、請求項１又は２において、Ag、Pd、Pt、及びAuの少なくとも1種を総計で10〜5000質量ppm、Be、Al、Bi、Si、In、Ge、Ti、及びVの少なくとも1種を総計で6〜300質量ppm、Ca、Y、La、Ce、Pr、及びNdの少なくとも1種を総計で5〜300質量ppmの範囲で含有することを特徴とする。
本発明の請求項９に係る半導体装置用銅合金銅合金ボンディングワイヤは、請求項1〜8のいずれか１項において、前記第1元素群から選ばれる元素の濃度が45〜700質量ppmであることを特徴とする。
本発明の請求項１０に係る半導体装置用銅合金銅合金ボンディングワイヤは、請求項1〜9のいずれか1項において、前記酸素濃度について、内部に含有される酸素および、表面の酸化物に含有される酸素の総計濃度が6〜30質量ppmの範囲であることを特徴とする。
本発明の請求項１１に係る半導体装置用銅合金銅合金ボンディングワイヤは、請求項1〜9のいずれか1項において、前記酸素濃度について、燃焼法により検出される酸素の総計濃度が6〜30質量ppmの範囲であり、線径が10〜300μmの範囲であることを特徴とする。
本発明の請求項１及び２に記載の半導体装置用銅合金ボンディングワイヤによれば、材料費が安価で、ボール接合性を改善することができる。
本発明の請求項３記載の半導体装置用銅合金ボンディングワイヤによれば、材料費が安価で、ボール接合性を改善することができると共に、接合強度も向上することができる。
本発明の請求項４記載の半導体装置用銅合金ボンディングワイヤによれば、材料費が安価で、ボール接合性を改善することができると共に、ワイヤの強度、弾性率等の機械的特性を向上することで、細線の使用性能を高めることができる。
本発明の請求項５記載の半導体装置用銅合金ボンディングワイヤによれば、材料費が安価で、ボール接合性を改善することができると共に、ネック部の再結晶を制御することで、熱影響部を短くして、低ループ化させることができる。
本発明の請求項６記載の半導体装置用銅合金ボンディングワイヤによれば、材料費が安価で、ボール接合性を改善することができると共に、ワイヤの弾性率も上昇して、ロングスパンにおいて、ワイヤの直線性を確保でき、ＢＧＡ実装にも適応することができる。
本発明の請求項７記載の半導体装置用銅合金ボンディングワイヤによれば、材料費が安価で、ボール接合性を改善することができると共に、ネック部の再結晶組織を制御し、ループ高さの異なる多段配線でもループ形状の安定性を向上させることで、多ピンの高密度接続にも対応することができる。
本発明の請求項８記載の半導体装置用銅合金ボンディングワイヤによれば、材料費が安価で、ボール接合性を改善することができると共に、ワイヤ強度の上昇、低ループ化への適応、ロングスパンの直線性、ループ安定性の向上等と、さらに樹脂封止時のワイヤ変形も低減させることができる。
本発明の請求項９記載の半導体装置用銅合金ボンディングワイヤによれば、ネック部強度の向上、及びループ形状の安定化を図ることができる。
本発明の請求項１０記載の半導体装置用銅合金ボンディングワイヤによれば、ボール接合性をより確実に改善することができる。
本発明の請求項１１記載の半導体装置用銅合金ボンディングワイヤによれば、ボール接合性をより確実に改善することができる。
ボンディングワイヤについて、銅を素材とするボンディングワイヤの含有成分の影響を鋭意調査した結果、銅中にMg及びPの少なくとも1種の元素を添加することで、ボール接合部の形状は改善される傾向にあるが、製造上のバラツキが大きく、製造及び保管中における特性の経時変化等の不具合が発生することが判明した。そこで、金属元素の添加に加えて、銅中の微量不純物、ガス成分等の影響を検討した結果、銅中に「P」又は「Mg及びP」を適量添加し、さらに微量の酸素を含有することが、接合性、ループ制御性等の安定化に有効であることを見出した。
即ち、「P」又は「Mg及びP」(第1元素群)を総計で10〜700質量ppm、酸素を6〜30質量ppmの範囲で含有することを特徴とする半導体装置用銅合金ボンディングワイヤである（以下、銅合金ボンディングワイヤという）。
第1元素群(「P」又は「Mg及びP」)の添加により、接合されたボール部の異形、花弁状等の形状不良が低減する傾向にある。これは、凝固組織のデンドライト成長等を制御することで、ボールの結晶粒が微細化されるためと考えられる。また第1元素群を含有させただけでは、ボール接合形状のバラツキ等が不安定となる。ボール形状の改善のために第1元素群を高濃度添加すると、ボールが硬化してチップ損傷を与えることが問題となる。
微量の酸素を含有させると、第1元素群の添加によるボール形状の改善効果が高められ、元素の添加量も低く抑えることができる。さらに、ボール直上のネック部の再結晶組織を微細化させて、プル強度を上昇させる効果も確認された。これは、銅合金ボンディングワイヤの内部及び表面等に酸素が含有されることで、一部のMg及びPも酸化物を形成し、この酸化物がボール変形において真円性を向上させたり、ネック部の再結晶粒の成長を抑制するように作用すると考えられる。
銅系ボンディングワイヤは大気中に放置されると、時間経過により表面の銅が酸化され、ウェッジ接合性が低下したり、ボールが酸化すること等が懸念される。放置期間が長くなるに従い、銅の酸化膜が厚くなり、劣化が進行する。こうした経時劣化は、Cu中に酸化し易い元素を添加すると加速される場合が多い。第1元素群だけを添加された銅合金ボンディングワイヤでも、放置期間が長くなるとボール形状のバラツキが増大する場合がある。一方で、第1元素群と酸素を併用することで、ワイヤ表面の酸化や硫化等による変化を低減して、ある期間保管した後に使用しても安定した特性が得られる。
第1元素群の含有濃度が10質量ppm未満では上述のように、接合されたボール部の異形、花弁状等の形状不良が生じる。しかし、第1元素群の含有濃度が10質量ppm以上であれば、ボールの接合形状の真円化を向上させる効果が一層高められ、さらにボールの接合形状を安定化させる十分な添加効果が得られ、700質量ppmを超えると、チップ損傷が問題となる。好ましくは、45質量ppm以上であれば、ボールの接合形状の改良に加えて、ネック部強度の向上、ループ形状の安定化に有効である。望ましくは、60〜500質量ppmの範囲であれば、ウェッジ接合での未接合不良を抑える効果も得られ、さらに好ましくは100〜400質量ppmの範囲であれば、剥離等を抑えて良好な連続ボール接合性が得られる。
第1元素群の含有濃度が10〜700質量ppmの濃度範囲で、含有される酸素濃度の総計について、6質量ppm以上であればボール接合形状を改善する高い効果が得られ、30質量ppmを超えると、ボール部が硬化してチップ損傷を与えたり、ボール接合強度を低下させることが問題となる。好ましくは、6〜20質量ppmの範囲であれば、一定期間保管した後のウェッジ接合で高い性能を維持することができる。
銅ボンディングワイヤの評価により、酸素の総計濃度と特性とに相関があることが確認された。酸素の影響について、溶融されたボール部の組織や圧縮変形挙動等によるボール接合性、ワイヤ表面近傍の酸化によるウェッジ接合性、ループ形状、長期信頼性等の銅ボンディングワイヤの性能に複雑に影響することが考えられる。ここで、銅合金ボンディングワイヤに含有される酸素の総計濃度とは、銅合金ボンディングワイヤ内部に固溶、析出した酸素、酸化物、及びワイヤ表面の酸化物に含有される酸素、表面に付着する有機物に含まれる酸素等、銅合金ボンディングワイヤの分析により測定させる酸素濃度の総計である。酸化される対象は、主として銅であるが、銅中に含まれる合金元素の酸化も一部含まれる。
これら酸素の導入には種々の手法が考えられる。例えば、1)原料銅に含まれる酸素量の調整、2)溶解工程での雰囲気制御又は脱酸元素の利用、3)インゴットの表面酸化膜の酸洗、4)伸線工程中のワイヤ表面の酸化の制御、5)中間焼鈍又は最終焼鈍工程での加熱雰囲気中の酸素濃度制御、6)ワイヤ表面に有機膜や保護膜等の塗布の利用、7)最終ワイヤ製品の保管中の酸化の抑制等の方法を、それぞれ単独又は複合的に利用することで、銅合金ボンディングワイヤに含まれる酸素濃度を総合的に調整できる。例えば、焼鈍工程での酸化を制御する製法の一例として、加熱炉中にワイヤが連続的に通過する過程で、加熱領域での酸素濃度を調整する方法、または、ワイヤ通過速度、冷却領域の温度制御などにより、ある温度域で大気に曝す方法などにより、銅合金ボンディングワイヤに含有される酸素濃度を制御することが可能である。
微量の酸素濃度分析において、固溶酸素と酸化物の酸素を完全に分離することは難しく、むしろ総計濃度として検出することが容易である。分析法によっても、微量の酸素濃度は変動することが予想されるため、本発明では燃焼法を採用した。より具体的には、不活性ガス融解赤外線吸収法(JIS H 1067)を用いており、一般的に使用されるLECO製分析装置を使用して、酸素の総計濃度を基に上記の濃度範囲を決定した。具体的には、インパルス加熱融解方式で抽出して、赤外線吸収方式で検出する。こうした方法は試料準備等比較的簡便であり、多くの材料で分析手法が確立されているため採用した。異なる分析手法を用いる場合には、上限と下限の濃度値が若干シフトする場合もあるが、燃焼法との比較で定量化をしておけば同様の濃度管理が適応できる。
固溶酸素、酸化物、表面酸化膜等の酸素の形態の中でも、表面酸化膜の制御が重要且つ比較的容易である。酸化膜中の酸素が総計の酸素濃度に占める割合は、10〜80質量%の範囲に収まる場合が望ましい。表面酸化膜の厚さと酸素濃度の関係について簡単に見積もる。全ての酸素が表面の酸化膜(Cu2O)であると仮定して、酸化膜の厚さを試算する。例えば6質量ppmの酸素が表面酸化膜にのみ含まれているとすれば、線径25μmと50μmの銅合金ボンディングワイヤでは、表面酸化膜の厚さが0.5nm、1nmとなる。30質量ppmの酸素は、上記線径ではそれぞれ2.4nm、4.8nmとなる。実際は、銅中に固溶される酸素も考慮する必要があり、酸素濃度から試算されるCu酸化膜の実質的厚みはさらに薄くなると推定される。好ましくは、表面の酸化膜の厚さが、0.5〜20nmの範囲であれば、ボール形状の改善効果、プル強度を上昇させる効果を、安定して容易に得ることができる。
表面酸化膜の厚さの解析法として、オージェ分光法が利用できる。表面の数nmオーダでも膜厚を測定できる。ただ、オージェ分析結果は局所的な情報であり、複合物等の解析が困難である場合もあり、分析結果により求められた酸化膜厚だけで酸素の総計濃度を算出することは困難であり、前述した化学分析の結果を補足するための利用が望ましい。
第1元素群を総計で10〜700質量ppmに加えて、Ag、Pd、Pt、及びAu(第2元素群)の少なくとも1種を総計で10〜5000質量ppm、酸素を6〜30質量ppmの範囲で含有する銅合金ボンディングワイヤであれば、ボール部の接合形状の改善に加え、接合強度も向上することができる。
前述した、第1元素群と酸素の併用によりボール接合形状は改善されるが、さらに第2元素群を含有すると、ワイヤ先端に形成されたボールの芯ずれを抑えることができる。そのボールを接合したときの偏芯を低減して、接合形状の真円性が高まる。第2元素群の添加による別の作用として、ボール表面の酸化を低減することにより、Cuボールとアルミ電極との接合強度を高めることができる。第2元素群だけを添加するよりも、第1元素群と併用することで、その接合強度の改善効果を高められる。
第2元素群の含有濃度が10質量ppm以上であれば前述した添加効果が得られ、5000質量ppmを超えると、ボール部が硬化してチップ損傷を与えることが問題となることがある。好ましくは、20〜4000質量ppmの範囲であれば、パッド電極間隔が80μm以下の汎用ピッチ接続や200℃以下の低温接続等において、ボール形状と接合強度を両立するのに有効である。一方、高温での長期接合信頼性を優先する場合には、第2元素群の総計濃度を500〜3000質量ppmであることが望ましい。
第1元素群を総計で10〜700質量ppmに加えて、Be、Al、Bi、Si、In、Ge、Ti、及びV (第3元素群)の少なくとも1種を総計で6〜300質量ppm、酸素を6〜30質量ppmの範囲で含有する銅合金ボンディングワイヤであれば、ボール部の接合形状の改善に加え、ワイヤ強度、弾性率等の機械的特性を向上することで、細線の使用性能を高めることができる。
第3元素群の添加により強度を高める効果があるが、酸化の問題等により高濃度添加することができず、効果は限られていた。第3元素群と第1元素群を併用することにより、ボール接合の花弁変形不良を低減させ、さらにワイヤ強度を上昇させる効果も高められる。これは、第1元素群との併用により、第3元素群が優先的に酸化されるのを抑えることで、第3元素群が固溶され易くなり、花弁変形の低減や、ワイヤ強度の増加を促進していると考えられる。銅合金ボンディングワイヤでは、ウェッジ接合性の向上等を期待して、Auボンディングワイヤよりも伸びを高めるように製造されるため、強度が低下する場合が多い。第3元素群と第1元素群との併用は、高伸びの処理をされた場合でも強度を増加させる効果が高いため、利用価値が高い。また、銅合金ボンディングワイヤを長期間保管しても、第1元素群添加により第3元素群の表面への偏析を遅らせることで、経時劣化の代表とされるウェッジ接合性を良好な状態に維持することが容易となる。
第3元素群の含有濃度が5質量ppm以上であれば前述した添加効果が得られ、300質量ppmを超えると、ボール部の表面に析出して、接合強度を低下させることが問題となることがある。好ましくは、5〜200質量ppmの範囲であれば、接合強度を低下させる一因でもあるボール表面の偏析、濃化等を抑えて清浄なボールを得られ、連続ボール接合性も向上する。さらに好ましくは、10〜100質量ppmの範囲であれば、180℃以下の低温接合におけるピール強度を高めることができる。ここで、ピール強度の測定には、ウェッジ接合近傍でのプル強度を測定する簡便な方法で代用できる。
第1元素群を総計で10〜700質量ppmに加えて、Ca、Y、La、Ce、Pr、及びNd(第4元素群)の少なくとも1種を総計で5〜300質量ppm、酸素を6〜40質量ppmの範囲で含有する銅合金ボンディングワイヤであれば、ボール部の接合形状の改善に加え、ネック部の再結晶を制御することで、熱影響部を短くして、低ループ化に有利である。
第4元素群の添加により低ループ化させる傾向はあるが、酸化の問題等により高濃度添加することができず、効果は限られていた。第4元素群と第1元素群の複合添加することにより、ボール接合の超音波方向の楕円変形を抑制する効果、また再結晶を抑制する効果が一層高まる。例えば、複合添加により、さらに20%以上の低ループ化となる場合もある。これは、第1元素群との併用により、第4元素群が優先的に酸化されるのを抑えることで、第4元素群の析出を抑え、固溶され易くして、ボール部の楕円変形を抑制すること、又は、第4元素群と第1元素群との相乗作用によりネック損傷を抑えて低ループ化を促進すること等が考えられる。さらに銅合金ボンディングワイヤを長期間保管しても、第1元素群添加により第4元素群の表面への偏析を遅らせることで、経時劣化の代表とされるウェッジ接合性を良好な状態に維持することが容易となる。
第4元素群の含有濃度が5質量ppm以上であれば前述した添加効果が得られ、300質量ppmを超えると、ボール部の表面に析出して、接合強度を低下させることが問題となることがある。好ましくは、10〜200質量ppmの範囲であれば、連続ボール接合性も向上する。さらに好ましくは、15〜100質量ppmの範囲であれば、180℃以下の低温接合におけるピール強度を高めることができる。
第1元素群を総計で10〜700質量ppmに加えて、Ag、Pd、Pt、及びAu(第2元素群)の少なくとも１種を総計で10〜5000質量ppm、Be、Al、Bi、Si、In、Ge、Ti、及びV (第3元素群)の少なくとも1種を総計で6〜300質量ppmの範囲で含有し、さらに酸素を6〜30質量ppmの範囲で含有する銅合金ボンディングワイヤであれば、ボール部の接合形状の改善に加え、銅合金ボンディングワイヤの弾性率も上昇して、ワイヤ長が4mm以上のロングスパンにおいて、銅合金ボンディングワイヤの直線性を確保でき、BGA実装にも適応できる。
第1元素群を総計で10〜700質量ppmに加えて、Ag、Pd、Pt、及びAu(第2元素群)の少なくとも1種を総計で10〜5000質量ppm、Ca、Y、La、Ce、Pr、及びNd(第4元素群)の少なくとも1種を総計で5〜300質量ppmの範囲で含有し、さらに酸素を6〜30質量ppmの範囲で含有する銅合金ボンディングワイヤであれば、ボール部の接合形状の改善に加え、ネック部の再結晶組織を制御し、ループ高さの異なる多段配線でもループ形状の安定性を向上させることで、200ピン以上の多ピンの高密度接続にも対応できる。
第1元素群を総計で10〜700質量ppmに加えて、Ag、Pd、Pt、及びAu(第2元素群)の少なくとも1種を総計で10〜5000質量ppm、Be、Al、Bi、Si、In、Ge、Ti、及びV (第3元素群)の少なくとも1種を総計で6〜300質量ppm、Ca、Y、La、Ce、Pr、及びNd(第4元素群)の少なくとも1種を総計で5〜300質量ppmの範囲で含有し、さらに酸素を6〜30質量ppmの範囲で含有する銅合金ボンディングワイヤであれば、ボール部の接合形状の改善に加え、ワイヤ強度の上昇、低ループ化への適応、ロングスパンの直線性、ループ安定性の向上等と、さらに樹脂封止時のワイヤ変形も低減させること等が確認された。こうした総合特性が改善されることで、パッド電極間隔が60μm以下の狭ピッチ接続にも対応可能であると期待される。
以下、実施例について説明する。
表1〜3に示す化学成分の銅合金を溶解炉で鋳造した。その鋳塊をロール圧延し、さらにダイスを用いて伸線加工を行い、連続的にワイヤを掃引しながら加熱する後熱処理を施して、銅合金ボンディングワイヤを作製した。最終線径は20〜75μmの範囲とした。
具体的な製造工程を述べる。銅純度が4N〜6N(99.99〜99.9999mass%)である高純度銅を用い、必要な含有成分を添加し、真空中あるいは窒素又はArガスの雰囲気で、1100℃以上で溶解する。その後に炉中で徐冷して、直径6〜30mmの鋳塊を作製する。鋳塊表面の洗浄のため、酸洗浄及び水洗し、乾燥させる。圧延工程では、溝型ロールを使用し、線径が0.5〜1.5mmとなるまで、30〜200 m/minの速度で加工した。伸線工程では、ダイスを複数個セットできる連続伸線装置と、ダイヤモンドコーティングされたダイスを用い、伸線速度は50〜400m/sの範囲で行った。ダイスの内壁の清浄化を目的に、使用前に超音波洗浄を施しておいた。後熱処理工程では、10cm以上の均熱帯を持つ赤外加熱炉を用い、250〜600℃に設定された炉中を、速度は50〜500m/min、掃引張力は2〜30mNの範囲でワイヤを連続的に移動させながら熱処理を施し、引張試験の伸び値が4〜25%になるように調整した。ワイヤ通過速度、均熱帯の中の温度分布、均熱帯から炉の出口までの距離の調整などを適正化することで、ワイヤ表面の酸化進行を制御することも可能である。必要に応じて、ワイヤ表面に防錆剤を塗布し、保管時は銅合金ボンディングワイヤを巻いたスプールを保護袋で覆い、N2ガス雰囲気で密封した。銅中の微量元素の分析について、合金元素の濃度分析にはICP装置、酸素濃度の分析にはJIS H 1067に準拠してLECO製の赤外線吸収測定装置を用いた。
銅合金ボンディングワイヤの接続にはASM社製の汎用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。銅合金ボンディングワイヤでは溶融時の酸化を抑えるため、ワイヤ先端に不活性ガスを流した状態でボールを形成した。不活性ガスには、N2+5%H2ガスを使用した。リードフレーム又は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。
接合相手は、シリコン基板上の電極膜の材料である、約0.8〜3μmの厚さのAl合金膜(Al-1%Si-0.5%Cu)を使用した。またAl-0.5%Cuでもほぼ同様の結果が得られることを確認した。ウェッジ接合の相手には、表面にAgメッキ(厚さ:1〜4μm)が施されたリードフレームを使用した。また表面にAuメッキ/Niメッキ/Cu配線(G表示)が形成されているガラエポ樹脂基板を使用しても、実施例と比較例の差は確認された。
銅合金ボンディングワイヤの代表的な機械的特性であるワイヤ強度（表中、「引張強度」）、弾性率（表中、「伸び」）は、引張試験により測定した。試料長は10mmで、試料数5本を測定し、単位面積あたりの破断強度の平均値を用いた。
ボール部の形状を調べるため、10個のボール部を光学顕微鏡又はSEMで観察した。ボール部がワイヤ中心から傾いて形成される芯ずれについて、明らかな芯ずれ発生が1個以上認められる場合には不良と判断して×印、ボール部の軽微な曲がりの発生が1個以下の場合には問題ないと判断して○印、芯ずれが認められない場合は良好であるため◎印で、表中の「ボール芯ずれ」の欄に示した。
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接合した。ステージ温度は、通常の220℃と、ウェッジ接合性がより厳しくなる低温の175℃で行った。ボール変形の異方性評価では、花弁状変形、楕円変形、偏芯に分類して、それぞれの不良形態を加速するボンディング条件を用いた。
ボール接合部の楕円発生と花弁状変形の発生を調べるため、500個のボール接合部を光顕で観察した。楕円状のボール接合部が3個以上であるものを不良と判断し、楕円発生の評価を×印で示し、軽微の楕円変形が1〜2個の発生する場合を○印、発生しない場合は◎印で、表中の「楕円変形」の欄に示した。また、花弁状の凹凸について、4個以上のボール接合部で顕著な花弁状変形が認められるものを不良と判断して×印、軽微の花弁状変形が1〜3個発生する場合を○印、発生しない場合は◎印で、表中の「花弁変形」の欄に示した。
偏芯不良に関して、500個のボール接合部を光顕で観察し、ボール接合部の中心がその直上ワイヤの中心からのずれが5μm以上であるものを偏芯とみなす、比較的厳しい判定条件により、その偏芯発生が3個以上である場合に×印、1〜2個の偏芯発生では○印、発生しない場合は◎印で、表中の「偏芯変形」の欄に示した。
ボール接合部の連続ボンディング評価では、1000本のワイヤ接続を行い、ボール接合部の剥離回数で評価した。加速評価のため、荷重、超音波振動を量産条件よりも若干低く設定した。剥離数が6回以上であれば、接合が不十分であるため×印、3〜5回であれば△印で表記し、1〜2回であれば量産上は問題ないレベルと判断して○印、剥離がゼロであれば十分な接合強度であることから◎印で、表中の「連続ボール接合」の欄に表記した。
チップへの損傷の評価では、ボール部を電極膜上に接合した後、電極膜をエッチング除去して、絶縁膜又はシリコンチップへの損傷をSEMで観察した。電極数は400箇所を観察した。損傷が認められない場合は◎印、5μm以下のクラックが2個以下の場合は問題ないレベルと判断して○印、5μm以上20μm未満のクラックが2個以上の場合は懸念されるレベルと判断して△印、20μm以上のクラック又はクレータ破壊等が1個以上の場合は問題があるレベルと判断して×印で、表中の「チップ損傷」の欄に表記した。
ネック部の強度評価は、ボール接合部の近傍でプル試験(ネックプル強度)を行い、20本の破断荷重(プル強度)を測定した。ネックプル強度が、引張り強度の60%以上であれば良好であるため◎印、30%未満であれば改善が必要であるため△印、その中間であれば○印で、表中の「ネック部プル強度」の欄に表記した。
ウェッジ接合性を効率的に評価するため、接合相手とステージ温度を使い分けた。具体的には、リードフレームの表面のAgメッキの上に、通常の220℃でワイヤ接合する場合と、樹脂基板の表面のAuメッキ/Niメッキ/Cu配線の上に、175℃の低温でワイヤ接合を行なう場合の、二通りを使い分けた。さらに、評価に用いた銅合金ボンディングワイヤは、ワイヤ製造後の3日以内にボンディングした試料と、ワイヤ製造後にN2ガスでパック封入した状態で30日間放置した後にボンディングした試料の2種類を用いた。前者の製造3日以内であればワイヤ間の差が出難いので、175℃の低温接合を行い、後者の長期放置ワイヤは220℃の通常温度で接合した。
ウェッジ接合の評価用に、合計1000本の銅合金ボンディングワイヤを接続した。試料には、上述した、製造3日以内の銅合金ボンディングワイヤで175℃の低温接合を行った試料を用いた。評価基準として、ウェッジ接合部での不良により連続ボンディング動作が一度でも中断したり、光顕観察により剥離等の不良現象が7本以上の場合には、ウェッジ接合性が悪いため×印で示し、5〜6本の場合にはウェッジ接合性が不十分であるため△印で示し、連続ボンディングは可能でも剥離が1本認められた場合には、通常は問題とならないことから○印で示し、連続ボンディングで不良が認められない場合には、ウェッジ接合性は良好であると判断し◎印で、表中の「ウェッジ接合性」の欄に示した。
ピール接合強度の評価には、ウェッジ接合部のプル試験を用いた。これは、ワイヤ長の3/4よりもウェッジ接合部に近い位置で、ループに引っ掛けたフックを上方に移動させ、銅合金ボンディングワイヤの破断強度を測定した。プル強度は銅合金ボンディングワイヤの線径、ループ形状、接合条件等にも左右されるため、絶対値ではなく、プル強度/ワイヤ引張強度の相対比率(Rp)を利用した。Rpが20%以上であればウェッジ接合性は良好であるため◎印、15%以上20%未満であれば問題ないと判断し○印、10%以上15%未満であれば不具合が発生する場合があると判断して△印、10%未満であれば量産工程で問題があるため×印で、表中の「低温接合ピール強度」の欄に表示した。
ボンディングされたループの直線性を評価するため、ワイヤ間隔(スパン)が4mmとなるようボンディングされた30本の銅合金ボンディングワイヤを用いて、投影機により上方から観察した。ボール側とウェッジ側の接合部を結ぶ直線に対し、銅合金ボンディングワイヤが最も離れている部位のずれを曲がり量として測定した。その曲がり量の平均が、線径の1本分未満であれば良好であると判断し◎印で表示し、2本分以上であれば不良であるため△印、その中間であれば、通常は問題とならないため○印で、表中の「直線性」の欄に表示した。
ボンディング工程でのループ形状安定性については、ワイヤ長が3mmで、ループ高さが200μmと350μmとなるように、それぞれ台形ループを30本接続し、高さの標準偏差により評価した。ループ高さが変われば、バラツキの要因も変化することから、ループ高さが200μm と350μmでは若干異なる挙動を示す場合がある。測定には光学顕微鏡を使用し、測定位置はボール直上の立ち上がり部、最頂点、ワイヤ長の中央部の3箇所で測定した。このループ高さの標準偏差がワイヤ径の1/2以上であれば、バラツキが大きいと判断し、1/2未満であればバラツキは小さく良好であると判断した。その基準を基に判断し、3箇所共バラツキが小さい場合には、ループ形状が安定していると判断し、◎印で表示し、バラツキが大きい個所が1箇所である場合には、比較的良好であるため○印、2箇所の場合には△印、3箇所共バラツキが大きい場合には×印で、表中の「高さ安定性」の欄に表示した。
低ループ評価では、ワイヤ長が2mmで、台形ループを30本接続し、高さの標準偏差で評価した。ループ高さは線径に依存するため、線径が20〜30μmでは目標ループ高さを150μm、50〜75μmでは200μmとなるように調整した。ループ高さの測定、標準偏差による判断基準等は上述と同じものを採用し、表中の「低ループ特性」の欄に表示した。
表1〜4において、請求項1及び2に係る銅合金ボンディングワイヤは実施例2〜104であり、請求項3に係る銅合金ボンディングワイヤは実施例10〜19、64〜72、80〜82、86、98〜104、請求項4に係る銅合金ボンディングワイヤは実施例24〜41、64〜66、70〜82、89〜95、98〜100、104、請求項5に係る銅合金ボンディングワイヤは実施例45〜60、67〜72、81、82、96、101〜104、請求項6に係る銅合金ボンディングワイヤは実施例64〜66、70〜72、80〜82、98〜100、104、請求項7に係る銅合金ボンディングワイヤは実施例67〜72、81、82、101〜104、請求項8に係る銅合金ボンディングワイヤは実施例70〜72、81、82、104、請求項9に係る銅合金ボンディングワイヤは実施例2〜82、請求項10に係る銅合金ボンディングワイヤは実施例2〜104、請求項11に係る銅合金ボンディングワイヤは実施例2〜104に相当する。
実施例21〜23は、請求項1及び2を満足するものの第２元素群を含有するが請求項3を満足しない場合、実施例42〜44は第３元素群を含有するが請求項4を満足しない場合、実施例61〜63は第４元素群を含有するが請求項5を満足しない場合の、銅合金ボンディングワイヤに相当する。
また、比較例1〜18は、請求項1又は2を満足しない銅合金ボンディングワイヤの場合に相当する。
Figure 0004691533
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Figure 0004691533
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表5〜8には、表1〜4の組成の銅合金ボンディングワイヤの機械的特性、ボンディング性能等の評価結果を示す。
Figure 0004691533
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それぞれの請求項の代表例について、評価結果の一部を説明する。
実施例2〜104の銅合金ボンディングワイヤは、本発明に係る、第1元素群を総計で10〜700質量ppm、酸素を6〜30質量ppmの範囲で含有することにより、ボール接合形状がほぼ良好であること、さらに長期間（製造後30日間）保管した後のウェッジ接合性も良好であることが確認された。一方、比較例1〜18では、Mg及びPの濃度、又は酸素濃度の少なくともどちらか一方が第1又は2請求項を満足しておらず、ボール接合形状における花弁変形、楕円変形、偏芯等どれも十分な特性が得られず、また、保管した後のウェッジ接合性も低下していることが問題である。
実施例2〜82の銅合金ボンディングワイヤは、本発明に係る、第1元素群を総計で45〜700質量ppm、酸素を6〜30質量ppmの範囲で含有することにより、ボール接合形状の改善に加えて、該条件を満足していない実施例84〜104に比べて、ループ高さが200μm狙いのループ形状の安定性、ネックプル強度もより良好になるという結果が得られた。
実施例10〜19、64〜72、80〜82、86、98〜104の銅合金ボンディングワイヤは、本発明に係る、第1元素群を10〜700質量ppm、Ag、Pd、Pt、及びAu(第2元素群)を10〜5000質量ppm、酸素を6〜30質量ppmの範囲で含有することにより、ボール接合形状の改善に加えて、低温シェア接合強度が高いこと、さらに偏芯変形の抑制効果が高いことなどが確認された。一方、実施例21、22では、第2元素群の濃度が上記範囲より低く、低温シェア接合強度の上昇が不十分であり、実施例23では、第2元素群の濃度が上記範囲より高いため、チップ損傷が増える傾向にあった。また、比較例10、11では、第2元素群が含まれていても、第1元素群の濃度、又は酸素濃度が適正範囲でないことから、ボール接合形状あるいは低温シェア接合強度の改善が認められなかった。
実施例24〜41、64〜66、70〜82、89〜95、98〜100、104の銅合金ボンディングワイヤは、本発明に係る、第1元素群を10〜700質量ppm、Be、Al、Bi、Si、In、Ge、Ti、及びV (第3元素群)を6〜300質量ppm、酸素を6〜30質量ppmの範囲で含有することにより、ボール接合形状の改善に加えて、引張強度が高いこと、さらに花弁変形の抑制効果が高いこと等が確認された。一方、実施例42、43では、第3元素群の濃度が上記範囲より低く、引張強度の上昇が不十分であり、実施例44では、第3元素群の濃度が上記範囲より高いため、チップ損傷が増える傾向にあった。また、比較例12、13では、第3元素群が含まれていても、第1元素群の濃度、又は酸素濃度が適正範囲でないことから、ボール接合形状あるいは引張強度等で向上が認められなかった。
実施例45〜60、67〜72、81、82、96、101〜104の銅合金ボンディングワイヤは、本発明に係る、第1元素群を10〜700質量ppm、Ca、Y、La、Ce、Pr、及びNd(第4元素群)を5〜300質量ppm、酸素を6〜30質量ppmの範囲で含有することにより、ボール接合形状の改善に加えて、低ループ化に有利であり、さらに楕円変形の抑制効果が高いこと等が確認された。一方、実施例62では、第4元素群の濃度が上記範囲より低く、低ループ特性が不十分であったり、実施例63では、第4元素群の濃度が上記範囲より高いため、チップ損傷が増える傾向にあった。また、比較例14、15では、第4元素群が含まれていても、第1元素群の濃度、又は酸素濃度が適正範囲でないことから、ボール接合形状あるいは低ループ特性等で向上が認められなかった。
実施例64〜66、70〜72、80〜82、98〜100、104の銅合金ボンディングワイヤは、本発明に係る、第1元素群を10〜700質量ppm、Ag、Pd、Pt、及びAu(第2元素群)を10〜5000質量ppm、Be、Al、Bi、Si、In、Ge、Ti、及びV (第3元素群)を6〜300質量ppm、酸素を6〜30質量ppmの範囲で含有することにより、ボール接合形状の改善に加えて、ロングスパンにおける直線性が向上すること等が確認された。一方、比較例16では、第2、3元素群が含まれていても、第1元素群の濃度が適正範囲でないことから、ボール接合形状あるいは直線性等の向上が認められなかった。
実施例67〜72、81、82、101〜104の銅合金ボンディングワイヤは、本発明に係る、第1元素群を10〜700質量ppm、Ag、Pd、Pt、及びAu(第2元素群)を10〜5000質量ppm、Ca、Y、La、Ce、Pr、及びNd(第4元素群)を5〜300質量ppm、酸素を6〜30質量ppmの範囲で含有することにより、ボール接合形状の改善に加えて、高さの異なるループ形状の安定性を向上できること等が確認された。一方、比較例17では、第2、4元素群が含まれていても、酸素濃度が適正範囲でないことから、ボール接合形状あるいはループ形状の安定性等の向上が認められなかった。
実施例70〜72、81、82、104の銅合金ボンディングワイヤは、本発明に係る、第1元素群を10〜700質量ppm、Ag、Pd、Pt、及びAu(第2元素群)を10〜5000質量ppm、Be、Al、Bi、Si、In、Ge、Ti、及びV (第3元素群)を6〜300質量ppm、Ca、Y、La、Ce、Pr、及びNd(第4元素群)を5〜300質量ppm、酸素を6〜30質量ppmの範囲で含有することにより、ボール接合形状の改善に加えて、引張り強度の上昇、低ループ化への適応、ロングスパンの直線性、ループ安定性の向上等が確認された。一方、比較例18では、第2、3、4元素群が含まれていても、第1元素群の濃度が適正範囲でないことから、こうした諸特性の十分な改善効果が認められなかった。

Claims (11)

  1. 第1元素群から選ばれる元素を総計で10〜700質量ppm、酸素を6〜30質量ppmの範囲で含有し、前記元素がPであることを特徴とする半導体装置用銅合金ボンディングワイヤ。
  2. 前記元素がMg及びPであることを特徴とする請求項１記載の半導体装置用銅合金ボンディングワイヤ。
  3. Ag、Pd、Pt、及びAuの少なくとも1種を総計で10〜5000質量ppmの範囲で含有することを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体装置用銅合金ボンディングワイヤ。
  4. Be、Al、Bi、Si、In、Ge、Ti、及びVの少なくとも1種を総計で6〜300質量ppmの範囲で含有することを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体装置用銅合金ボンディングワイヤ。
  5. Ca、Y、La、Ce、Pr、及びNdの少なくとも1種を総計で5〜300質量ppmの範囲で含有することを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体装置用銅合金ボンディングワイヤ。
  6. Ag、Pd、Pt、及びAuの少なくとも1種を総計で10〜5000質量ppm、Be、Al、Bi、Si、In、Ge、Ti、及びVの少なくとも1種を総計で6〜300質量ppmの範囲で含有することを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体装置用銅合金ボンディングワイヤ。
  7. Ag、Pd、Pt、及びAuの少なくとも1種を総計で10〜5000質量ppm、Ca、Y、La、Ce、Pr、及びNdの少なくとも1種を総計で5〜300質量ppmの範囲で含有することを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体装置用銅合金ボンディングワイヤ。
  8. Ag、Pd、Pt、及びAuの少なくとも1種を総計で10〜5000質量ppm、Be、Al、Bi、Si、In、Ge、Ti、及びVの少なくとも1種を総計で6〜300質量ppm、Ca、Y、La、Ce、Pr、及びNdの少なくとも1種を総計で5〜300質量ppmの範囲で含有することを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体装置用銅合金ボンディングワイヤ。
  9. 前記第1元素群から選ばれる元素の濃度が45〜700質量ppmであることを特徴とする請求項1〜8のいずれか１項に記載の半導体装置用銅合金ボンディングワイヤ。
  10. 前記酸素濃度について、内部に含有される酸素および、表面の酸化物に含有される酸素の総計濃度が6〜30質量ppmの範囲であることを特徴とする、請求項1〜9のいずれか1項に記載の半導体装置用銅合金ボンディングワイヤ。
  11. 前記酸素濃度について、燃焼法により検出される酸素の総計濃度が6〜30質量ppmの範囲であり、線径が10〜300μmの範囲であることを特徴とする、請求項1〜9のいずれか1項に記載の半導体装置用銅合金ボンディングワイヤ。
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