JP4705078B2 - 半導体装置用銅合金ボンディングワイヤ - Google Patents

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    • H01L2224/85438—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron (B), silicon (Si), germanium (Ge), arsenic (As), antimony (Sb), tellurium (Te) and polonium (Po), and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than or equal to 950°C and less than 1550°C
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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%)の金が主に用いられている。しかし、金は高価であること、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ボンディングワイヤは、Mg及びPの少なくとも1種を総計で10〜700質量ppmの含有濃度で含有し、表面に前記Mg及びPの総計濃度が前記含有濃度の10倍以上である濃化層を有す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ボンディングワイヤは、Mg及びPの少なくとも1種を総計で10〜700質量ppmの含有濃度で含有すると共に、Ag、Pd、Pt、及びAuの少なくとも1種を総計で10〜5000質量ppm含有し、表面にMg及びPの総計濃度が前記含有濃度の10倍以上である濃化層を有す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ボンディングワイヤは、Mg及びPの少なくとも1種を総計で10〜700質量ppmの含有濃度で含有すると共に、Be、Al、Bi、Si、In、Ge、Ir、及びMnの少なくとも1種を総計で5〜300質量ppm含有し、表面にMg及びPの総計濃度が前記含有濃度の10倍以上である濃化層を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ボンディングワイヤは、Mg及びPの少なくとも1種を総計で10〜700質量ppmの含有濃度で含有すると共に、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含有し、表面にMg及びPの総計濃度が前記含有濃度の10倍以上である濃化層を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ボンディングワイヤは、Mg及びPの少なくとも1種を総計で10〜700質量ppmの含有濃度で含有すると共に、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、Ir、及びMnの少なくとも1種を総計で5〜300質量ppm含有し、表面にMg及びPの総計濃度が前記含有濃度の10倍以上である濃化層を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ボンディングワイヤは、Mg及びPの少なくとも1種を総計で10〜700質量ppmの含有濃度で含有すると共に、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含有し、表面にMg及びPの総計濃度が前記含有濃度の10倍以上である濃化層を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ボンディングワイヤは、Mg及びPの少なくとも1種を総計で10〜700質量ppmの含有濃度で含有すると共に、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、Ir、及びMnの少なくとも１種を総計で5〜300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重量ppm含有し、表面にMg及びPの総計濃度が前記含有濃度の10倍以上である濃化層を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ボンディングワイヤは、請求項１〜７のいずれかにおいて、前記Mg及びPの前記含有濃度が45〜700質量ppmであることを特徴とする。
本発明の請求項９に係る半導体装置用銅合金ボンディングワイヤは、請求項１〜８のいずれかにおいて、前記濃化層における前記Mg及びPの総計濃度が0.05〜10質量%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ボンディングワイヤは、請求項１〜８のいずれかにおいて、前記濃化層における前記Mg及びPの総計濃度の最高値が0.2〜30質量%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ボンディングワイヤは、請求項１〜８のいずれかにおいて、前記濃化層の外側に、Cの最高濃度が20質量%以上である表皮層を有し、該表皮層の厚さが0.2〜10nmであることを特徴とする。
本発明の請求項１２に係る半導体装置用銅合金ボンディングワイヤは、請求項９〜１１のいずれかにおいて、前記濃化層及び前記表皮層におけるO濃度の平均値が0.1〜15質量%であることを特徴とする。
本発明の請求項１３に係る半導体装置用銅合金ボンディングワイヤは、請求項１〜８のいずれかにおいて、前記濃化層における前記Mg及びPの総計濃度が0.05〜10質量%であり、該濃化層の外側に、Cの最高濃度が20質量%以上である表皮層を有し、該表皮層の厚さが0.2〜10nmであることを特徴とする。
本発明の請求項１４に係る半導体装置用銅合金ボンディングワイヤは、請求項１〜８のいずれかにおいて、前記濃化層における前記Mg及びPの総計濃度の最高値が0.2〜30質量%であり、該濃化層の外側に、Cの最高濃度が20質量％以上である表皮層を有し、該表皮層の厚さが0.2〜10nmであることを特徴とする。
本発明の請求項１５に係る半導体装置用銅合金ボンディングワイヤは、請求項１〜８のいずれかにおいて、前記濃化層の厚さが0.2〜20nmであることを特徴とする。
本発明の請求項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２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、接合強度を向上することができる。
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、ワイヤの強度、弾性率など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、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、ワイヤ弾性率も上昇して、ロングスパンにおいてワイヤ直線性を確保でき、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、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、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に加え、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、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、暫く保管した後のウェッジ接合性を維持する効果も高めることができる。
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、ループ形状の安定性、及び、ネック部強度を増加させることができる。
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、特性の経時劣化を抑える効果、及びループ表面のキズ、削れの低減、キャピラリの長寿命使用等の効果を高めることができる。
本発明の請求項１２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、キャピラリとの摩擦を低減して、ループ形状の安定性、キャピラリ使用寿命を長くすることができる。
本発明の請求項１３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、特性の経時劣化を抑える効果、及びループ表面のキズ、削れの低減、キャピラリの長寿命使用等の効果を高めることができる。
本発明の請求項１４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、特性の経時劣化を抑える効果、及びループ表面のキズ、削れの低減、キャピラリの長寿命使用等の効果を高めることができる。
本発明の請求項１５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、金属元素の分布、状態等の影響を検討した結果、銅中にMg及びPの少なくとも1種を適量添加し、さらにMg及びPの少なくとも1種が表面に濃化していることが、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、Mg及びP(第1元素群)の少なくとも1種を総計で10〜700質量ppmの含有濃度で含有し、ワイヤ表面（表面）にMg及びPの総計濃度が前記含有濃度の10倍以上である濃化層を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（以下、銅合金ボンディングワイヤという）である。
Mg及びPの元素添加により、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Mg及びPの少なくとも1種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Mg及びP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。
ワイヤ表面にMg及びPの濃化層を有することで、Mg及びP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。この濃化層が、アーク放電を安定化させて、溶融ボールの芯ずれ不良等を低減させることにより、ボールの接合形状を安定化させる作用があると考えられる。
さらに、ワイヤ表面にMg及びPの濃化層を有することで、ボール直上のネック部強度の上昇、ループ形状の安定化にも有効である。これは、濃化層が、ネック部の再結晶粒の成長を抑制すること、ワイヤ表面の組織を微細化させてキャピラリ内壁との摩擦、潤滑性を安定化させていること等が考えられる。
Mg及びP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、Mg及びP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。
Mg及びPの含有濃度が10〜700質量ppmの濃度範囲で、濃化層のMg及びPの総計濃度を平均した値が、ワイヤ全体に含有されるMg及びPの含有濃度の10倍以上であれば、ボール接合形状を改善する高い効果が得られる。前記濃化層の濃度が10倍未満では、上述のようにボール直上のネック部強度が不充分であり、ループ形状の安定化も不十分となる。好ましくは、20倍以上であれば、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、さらに好ましくは100倍以上であれば、低ループ化に有効である。上記倍率の上限について、好ましくは50000倍以内であれば、均一な濃化層を形成でき、生産性も良好で、半導体に実装された後の長期信頼性も安定する。
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中に元素を添加すると加速される場合が多い。Mg及びPだけ添加された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、ワイヤ表面にMg及びPの濃化層を形成することで、ワイヤ内部の銅の酸化や硫化の進行を抑えて、ある期間保管板後に使用しても安定した特性が得られる。
前述した、Mg及びPの濃化層の濃度がワイヤ含有濃度に対する相対比率とは別に、特性の経時変化との関係について、濃化層に含まれるMg及びPの総計濃度の平均値又は最高濃度値が良好な相関が得られることを確認した。
Mg及びPの少なくとも1種を総計で10〜700質量ppmの含有濃度で含有し、ワイヤ表面に濃化層を有し、濃化層におけるMg及びPの総計濃度が0.05〜10質量%であることを特徴とする銅合金ボンディングワイヤであれば、ボール接合形状を改善する高い効果が得られ、しかも、暫く保管した後のウェッジ接合性を維持する効果も高められる。ここで、Mg及びPの含有濃度が10〜700質量ppmの濃度範囲であり、該濃化層内のMg及びPの総計濃度が0.05質量%以上であれば、ウェッジ接合性の経時劣化を抑える十分な効果が得られ、10質量%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ことがある。好ましくは、0.2〜5質量%の範囲であれば、1ヶ月以上保管後のウェッジ接合性を向上する効果が高まる。
Mg及びPの少なくとも1種を総計で10〜700質量ppmの含有濃度で含有し、ワイヤ表面に濃化層を有し、該濃化層におけるMg及びPの総計濃度の最高値が0.2〜30質量%であることを特徴とする銅合金ボンディングワイヤであれば、ボール接合形状の向上に加えて、ループ形状の安定性、ネック部強度の増加等に有利である。ここで最高値とは、Mg及びPの最高濃度の和である。また、長期保管後に使用しても、上記効果が持続されていることが確認された。ここで、該濃化層内のMg及びPの総計濃度の最高値が0.2質量%以上であれば、上記の効果が得られ、30質量%を超えると、ウェッジ接合の界面での拡散を遅らせることにより、接合強度が低下することが問題となることがある。好ましくは、0.5〜10質量%の範囲であれば、線径50μm以上の太線でのウェッジ接合性を向上する効果が増進する。
Mg及びPの濃化層の形成について、ワイヤ表面に酸化膜又は析出物を形成することで、ワイヤ内部のMg及びPが表面まで拡散して濃度増加する場合が多い。中でも、酸化膜形成による濃化が、製法が比較的簡単で、十分な効果が得られる。Mg及びPの少なくとも1種を主体とする酸化膜、Mg及びPの少なくとも１種及びCuによる複合酸化膜等が利用できる。これら表面の酸化膜の影響では、再結晶の抑制、表面強度の増加、表面潤滑等が、ワイヤ全体の表面近傍に及ぶことになる。一方、熱影響を受けたネック部等局所域に限っても、酸化膜は再結晶制御等に有効である。濃化層に含まれる元素は、Mg及びP等に加え、銅、又は、ボンディングワイヤに添加されている他元素の一部等を濃化層に含有することにより、ボンディングワイヤとの密着性の向上、濃化層の安定化等が図られる。
Mg及びPの濃化層の厚さは、0.2〜20nmの範囲であることが望ましい。厚さは、0.2nm以上であれば、上記の効果を得ることができ、20nmを超えると、細線のウェッジ接合性が低下することが懸念されるためである。好ましくは、0.4〜10nmの範囲であれば、良好なボール接合性を得ることができる。
濃化層の形成には、種々の手法が適用できる。例えば、1) Mg及びPの添加濃度、2)溶解工程での温度履歴、雰囲気の制御、3)伸線工程中のワイヤ表面の酸化、析出の制御、4)中間焼鈍又は最終焼鈍工程での温度、熱分布、雰囲気の制御、5)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、ワイヤ表面の濃化層の厚さ、濃度分布等を総合的に調整できる。一部の濃化層は、ボンディングされた後に形成される場合も想定されるが、ボンディング工程の以前又は最中に形成されている濃化層が有効である。前述したように、濃化層の作用は、ボンディングワイヤを使用するときに最も有効であるためである。
表面の濃化層の解析手法として、オージェ分光法が利用できる。オージェ分析は、表面の数Å(0.1nm)オーダでも膜厚、濃度分布を測定できる。深さ方向の情報を得るには、スパッタしながら分析を実施する。深さ方向に濃度分布が生じる場合は、最高濃度や平均濃度等を求めた。前述したワイヤ表面のMg及びPの総計濃度とは、Mg及びPの２種の元素の合計の平均濃度で規定することが望ましい。分析精度の制約により、定量評価には局所部の検出濃度が0.05%以上であることが望ましい。注目する元素が濃度傾斜を有するときの層境界の判定では、元素の最高濃度が半分となる位置を境界として採用することが望ましい。また、他の分析法では、表層部をエッチング溶解させ、その溶解液の化学分析により表層部の平均濃度を求めることも可能である。
濃化層の外側であるワイヤ最表面に、Cの最高濃度が20質量%以上である表皮層を有し、該表皮層の厚さが0.2〜10nmであることを特徴とする銅合金ボンディングワイヤであれば、特性の経時劣化を抑える効果、及びループ表面のキズ、削れの低減、キャピラリの長寿命使用等の効果を高められる。これは、表皮層がCuを硫化、酸化の進行を抑えて、濃化層の膜厚制御が容易となること、表面の保護、キャピラリ内壁との潤滑性等を高めることが作用していると考えられる。表皮層の効用は、Mg及びPの濃化層と組み合わせることで増進されることを確認した。また表皮層は、後述する第2〜第4元素群の添加効果も助長させることが期待される。
C最高濃度が20質量%以上であり、表皮層の厚さが0.2nm以上であれば、安定した表面保護機能が得られるためである。厚さが10nmを超えると、ウェッジ接合の界面に残存する表皮層が増えて、接合強度を低下させるためである。表皮層の位置は、Mg及びPの濃化層の外側であるが、濃化層と一部重複する領域を有することで、表皮層と濃化層の境界の密着性を向上させることができる。また、表面分析では表皮層と濃化層の境界を完全に分離することができない場合もあるが、両者が重複していると考えても構わない。
また、Cを主体とする表皮層の適用は、前述した、平均濃度又は最高濃度で規定した濃化層においても、同様に適用できる。即ち、濃化層におけるMg及びPの濃度が総計で0.05〜10質量%であり、該濃化層の外側に、Cの最高濃度が20質量%以上である表皮層の厚さが0.2〜10nmである銅合金ボンディングワイヤ、又は、濃化層におけるMg及びPの総計濃度の最高値が0.2〜30質量%であり、該濃化層の外側に、Cの最高濃度が20質量%以上である表皮層の厚さが0.2〜10nmである銅合金ボンディングワイヤにおいても、上述した十分な作用効果が期待できる。
前記濃化層及び前記表皮層におけるO濃度の平均値が0.1〜15質量%であることを特徴とする合金ボンディングワイヤであれば、ワイヤ表面の酸素濃度が高めることで、キャピラリとの摩擦を低減して、ループ形状の安定性、キャピラリ使用寿命を長くする効果が得られる。ここで前述したとおり、濃化層とは、Mg及びPの総計濃度が0.05〜10質量%、または、濃化層におけるMg及びPの総計濃度の最高値が0.2〜30質量%の少なくともどちらかを満足するもので、表皮層とは、前記濃化層の外側に位置し、Cの最高濃度が20質量%以上であり、その厚さが0.2〜10nmを含有することを特徴とするものである。O濃度の平均値が0.1質量%以上であれば前記効果が得られ、15質量%を超えるとボンディングワイヤの接合性が低下するためである。好ましくは、0.5〜10質量%の範囲であれば、25μm以下の細線でも良好なループ形状と接合性を両立することが容易となる。
銅ワイヤの表面の実例として、オージェ分析の結果の一例を図1〜2に示す。図1は濃化層のスペクトル図であり、P元素のピークが確認された。図2は、ワイヤ表面から深さ方向の濃度プロファイルであり、図2(a)は主要元素の変化を、図2(b)にはP元素の濃度変化のみ抜粋して示す。使用した銅ワイヤはPを約100質量ppm含有し、線径は50μmであった。図1より、ワイヤ表面にPの濃化層が形成されていることが判る。図2より、濃化層の構造は、P最高濃度は3.8質量%、P平均濃度は1.2質量%、厚さは約2nmであり、本発明の範囲であることが確認された。濃化層は主にP酸化物であった。濃化層の外側に、Cの最高濃度が約40質量%である表皮層を約1nmの厚さで存在することも確認された。また、濃化層および表皮層におけるO濃度の平均値は約4質量%であった。
Mg及びP(第1元素群)の少なくとも１種を総計で10〜700質量ppmの含有濃度で含有すると共に、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含有し、ワイヤ表面にMg及びPの総計濃度が前記含有濃度の10倍以上である濃化層を有することを特徴と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、Mg及びPの含有と表面濃化層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。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とすることが望ましい。
Mg及びP(第1元素群)の少なくとも1種を総計で10〜700質量ppmの含有濃度で含有すると共に、Be、Al、Bi、Si、In、Ge、Ir、及びMn(第3元素群)の少なくとも1種を総計で5〜300質量ppm含有し、ワイヤ表面にMg及びPの総計濃度が前記含有濃度の10倍以上である濃化層を有することを特徴と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Mg及びP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、Mg及びP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。銅ワイヤでは、ウェッジ接合性の向上等を期待して、Au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。
Mg及びP(第1元素群)の少なくとも1種を総計で10〜700質量ppmの含有濃度で含有すると共に、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含有し、ワイヤ表面にMg及びPの総計濃度が前記含有濃度の10倍以上である濃化層を有することを特徴と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元素群を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。さらにボンディングワイヤを長期間保管しても、第1元素群を添加することにより第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。
Mg及びPの少なくとも１種を総計で10〜700質量ppmの含有濃度で含有すると共に、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、Ir、及びMnの少なくとも1種を総計で5〜300質量ppm含有し、ワイヤ表面にMg及びPの総計濃度が前記含有濃度の10倍以上である濃化層を有することを特徴と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、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、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。
Mg及びPの少なくとも1種を総計で10〜700質量ppmの含有濃度で含有すると共に、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含有し、ワイヤ表面にMg及びPの総計濃度が前記含有濃度の10倍以上である濃化層を有することを特徴と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。
Mg及びPの少なくとも1種を総計で10〜700質量ppm、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、Ir、及びMnの少なくとも1種を総計で5〜300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含有し、ワイヤ表面にMg及びPの総計濃度が前記含有濃度の10倍以上である濃化層を有することを特徴と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、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。必要に応じて、ワイヤ表面に防錆剤を塗布し、保管時は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装置を用いた。
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。
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個の発生する場合を○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、絶縁膜また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以上のクラックまた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、ワイヤ強度の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40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、ボンディングワイヤの破断強度を測定した。プル強度は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、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。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箇所とも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箇所とも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。
ループの表面性状評価では、上述した低ループの試料を用いて、台形ループの平行部を光顕で観察し、傷、削れ等を評価した。50本のループを観察した。10μm以上のキズが1本分以下であれば良好であると判断し◎印、2〜4本であれば○印、5〜9本以上本分以上であればループ条件の調整が必要であるため△印、10本以上のキズ又は1箇所以上の削れが発生すれば不良の原因となるため×印で、表中の「ループ表面の傷、削れ」の欄に表示した。
キャピラリの使用寿命の目安として、ボンディングワイヤを1万本接続したときのキャピラリ先端部における汚れの度合いで判断した。キャピラリ汚れが顕著である場合に×印、汚れが2箇所以上に認められる場合には△印、汚れが1箇所である場合に○印、汚れが観察されない場合には◎印で、表中の「キャピラリ先端汚れ」の欄に表示した。
ワイヤ表面のMg、P、C元素の濃度分析には、オージェ分光分析を利用した。C元素については、表面のCの最高濃度が20重量%である表皮層が認められた場合のみ、該表皮層の厚さを測定し、表記した。
表1〜4において、請求項1に係るボンディングワイヤは実施例1〜104であり、請求項2に係る銅合金ボンディングワイヤは実施例9〜20、64〜72、79〜81、86、87、98〜104、請求項3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、88〜95、98〜100、103〜104、請求項4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、97、101〜104、請求項5に係る銅合金ボンディングワイヤは実施例64〜66、70〜72、79〜81、98〜100、103〜104、請求項6に係る銅合金ボンディングワイヤは実施例67〜72、81、101〜104、請求項7に係る銅合金ボンディングワイヤは実施例70〜72、81、103、104、請求項8に係る銅合金ボンディングワイヤは実施例1〜82、請求項9に係る銅合金ボンディングワイヤは実施例1〜82、84〜96、98〜104、請求項10に係る銅合金ボンディングワイヤは実施例1〜82、84〜94、96〜104、請求項11、請求項13、請求項14または請求項15に係る銅合金ボンディングワイヤは実施例3、5、15、17、23、27、29、40、41、51、52、61、65、72、78、81、86、96、100、請求項12に係る銅合金ボンディングワイヤは実施例3〜5、7、8、10〜13、15〜19、21、23〜25、27、29〜33、35、37、39〜41、43、44、46〜49、51、52、54〜56、58〜68、70〜82、84〜88、90、92、93、95〜104に相当する。
実施例21〜23は、請求項1を満足するものの第２元素群を含有するが請求項2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3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4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 0004705078
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表5〜8には、表1〜3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 0004705078
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Figure 0004705078
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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1〜104の銅合金ボンディングワイヤは、本発明の請求項1に係る、Mg及びPを総計で10〜700質量ppmの含有濃度で含有し、ワイヤ表面にMg及びPの総計濃度が前記含有濃度の10倍以上（濃度比10倍以上）である濃化層を有していることにより、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の含有濃度、又はワイヤ表面にMg及びPの総計濃度が前記含有濃度の10倍以上であることの少なくともどちらか一方が満足しておらず、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1〜82、84〜96、98〜104の銅合金ボンディングワイヤは、本発明の請求項9に係る、Mg及びPを総計で10〜700質量ppmの含有濃度で含有し、ワイヤ表面でのMg及びPの総計濃度が0.05〜10質量%であることにより、該条件を満足していない実施例83、97に比べて、長期間保管した後のウェッジ接合性がより良好になるという結果が得られた。
実施例1〜82、84〜94、96〜104の銅合金ボンディングワイヤは、本発明の請求項10に係る、Mg及びPを総計で10〜700質量ppmの含有濃度で含有し、濃化層におけるMg及びPの総計濃度の最高値が0.2〜30質量%であることにより、該条件を満足していない実施例83、95に比べて、ループ形状安定性、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9〜20、64〜72、79〜81、86、87、98〜104の銅合金ボンディングワイヤは、本発明の請求項2に係る、Mg及びP(第1元素群)を10〜700質量ppmの含有濃度で含有すると共に、Ag、Pd、Pt、及びAu(第2元素群)を10〜5000質量ppm含有し、ワイヤ表面にMg及びPの総計濃度が前記含有濃度の10倍以上である濃化層を有することにより、ボール接合形状の改善に加えて、低温シェア接合強度が通常より高くなること、さらに偏芯変形の抑制効果が高くなる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は十分であるが低温シェア接合強度向上が不十分であり、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、実用レベルの範囲内ではあるが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、ワイヤ表面のMg及びP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、88〜95、98〜100、103〜104の銅合金ボンディングワイヤは、本発明の請求項3に係る、Mg及びP(第1元素群)を10〜700質量ppmの含有濃度で含有すると共に、Be、Al、Bi、Si、In、Ge、Ir、及びMn(第3元素群)を5〜300質量ppm含有し、ワイヤ表面にMg及びPの総計濃度が前記含有濃度の10倍以上である濃化層を有することにより、ボール接合形状の改善に加えて、引張強度が向上すること、さらに花弁変形の抑制効果が高くなる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、引張強度は十分であるが引張強度向上が不十分であり、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、実用レベルの範囲内ではあるが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、ワイヤ表面のMg及びP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、97、101〜104の銅合金ボンディングワイヤは、本発明の請求項4に係る、Mg及びP(第1元素群)を10〜700質量ppmの含有濃度で含有すると共に、Ca、Y、La、Ce、Pr、及びNd(第4元素群)を5〜300質量ppm含有し、ワイヤ表面にMg及びPの総計濃度が前記含有濃度の10倍以上である濃化層を有することにより、ボール接合形状の改善に加えて、低ループ化により有利であり、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61、62では、第4元素群の濃度が上記範囲より低く、実用レベルの範囲内ではあるが低ループ特性が低かったり、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、実用レベルの範囲内ではあるが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、ワイヤ表面のMg及びP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、79〜81、98〜100、103〜104の銅合金ボンディングワイヤは、本発明の請求項5に係る、Mg及びP(第1元素群)を10〜700質量ppmの含有濃度で含有すると共に、Ag、Pd、Pt、及びAu(第2元素群)を10〜5000質量ppm、Be、Al、Bi、Si、In、Ge、Ir、及びMn(第3元素群)を5〜300質量ppm含有し、ワイヤ表面にMg及びPの総計濃度が前記含有濃度の10倍以上である濃化層を有することにより、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より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、ワイヤ表面のMg及びP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、101〜104の銅合金ボンディングワイヤは、本発明の請求項6に係る、Mg及びP(第1元素群)を10〜700質量ppmの含有濃度で含有すると共に、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含有し、ワイヤ表面にMg及びPの総計濃度が前記含有濃度の10倍以上である濃化層を有することにより、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安定性をさらに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、ワイヤ表面のMg及びP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ループ形状安定性等の向上が認められなかった。
実施例70〜72、81、103、104の銅合金ボンディングワイヤは、本発明の請求項7に係る、Mg及びP(第1元素群)を10〜700質量ppmの含有濃度で含有すると共に、Ag、Pd、Pt、及びAu(第2元素群)を10〜5000質量ppm、Be、Al、Bi、Si、In、Ge、Ir、及びMn(第3元素群)を5〜300質量ppm、Ca、Y、La、Ce、Pr、及びNd(第4元素群)を5〜300質量ppm含有し、ワイヤ表面にMg及びPの総計濃度が前記含有濃度の10倍以上である濃化層を有することにより、ボール接合形状の改善に加えて、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、ループ形状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、ワイヤ表面のMg及びP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。
実施例3、5、15、17、23、27、29、40、41、51、52、61、65、72、78、81、86、96、100の銅合金ボンディングワイヤは、本発明の請求項11、請求項13、請求項14または請求項15に係る、Mg及びPを10〜700質量ppmの含有濃度で含有し、ワイヤ表面にMg及びPの総計濃度が前記含有濃度の10倍以上である濃化層を有し、濃化層の外側に、Cの最高濃度が20質量%以上である表皮層の厚さが0.2〜10nmであることにより、ボール接合形状の改善に加えて、ループ表面の傷、削れが少なく良好であることが確認された。
実施例3〜5、7、8、10〜13、15〜19、21、23〜25、27、29〜33、35、37、39〜41、43、44、46〜49、51、52、54〜56、58〜68、70〜82、84〜88、90、92、93、95〜104の銅合金ボンディングワイヤは、本発明の請求項12に係る、Mg及びPを10〜700質量ppmの含有濃度で含有し、ワイヤ表面の濃化層及び表皮層のO濃度の平均値が0.1〜15質量%であることにより、ボール接合形状の改善に加えて、ボンディング中におけるキャピラリ汚れが少なく、良好であることが確認された。
銅合金ワイヤの表面のオージェ分析スペクトルを示す図である。 銅合金ワイヤの表面深さ方向のオージェ分析結果を示す図であり、(a)主要元素の濃度変化、(b)P元素の抜粋を示す図である。

Claims (15)

  1. Mg及びPの少なくとも1種を総計で10〜700質量ppmの含有濃度で含有し、表面に前記Mg及びPの総計濃度が前記含有濃度の10倍以上である濃化層を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。
  2. Mg及びPの少なくとも1種を総計で10〜700質量ppmの含有濃度で含有すると共に、Ag、Pd、Pt、及びAuの少なくとも1種を総計で10〜5000質量pp含有し、表面にMg及びPの総計濃度が前記含有濃度の10倍以上である濃化層を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。
  3. Mg及びPの少なくとも1種を総計で10〜700質量ppmの含有濃度で含有すると共に、Be、Al、Bi、Si、In、Ge、Ir、及びMnの少なくとも1種を総計で5〜300質量ppm含有し、表面にMg及びPの総計濃度が前記含有濃度の10倍以上である濃化層を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。
  4. Mg及びPの少なくとも1種を総計で10〜700質量ppmの含有濃度で含有すると共に、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含有し、表面にMg及びPの総計濃度が前記含有濃度の10倍以上である濃化層を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。
  5. Mg及びPの少なくとも1種を総計で10〜700質量ppmの含有濃度で含有すると共に、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、Ir、及びMnの少なくとも1種を総計で5〜300質量ppm含有し、表面にMg及びPの総計濃度が前記含有濃度の10倍以上である濃化層を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。
  6. Mg及びPの少なくとも1種を総計で10〜700質量ppmの含有濃度で含有すると共に、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含有し、表面にMg及びPの総計濃度が前記含有濃度の10倍以上である濃化層を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。
  7. Mg及びPの少なくとも1種を総計で10〜700質量ppmの含有濃度で含有すると共に、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、Ir、及びMnの少なくとも１種を総計で5〜300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重量ppm含有し、表面にMg及びPの総計濃度が前記含有濃度の10倍以上である濃化層を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。
  8. 前記Mg及びPの前記含有濃度が45〜700質量ppmであることを特徴とする、請求項１〜7のいずれかに記載の半導体装置用銅合金ボンディングワイヤ。
  9. 前記濃化層における前記Mg及びPの総計濃度が0.05〜10質量%であることを特徴とする、請求項１〜8のいずれかに記載の半導体装置用銅合金ボンディングワイヤ。
  10. 前記濃化層における前記Mg及びPの総計濃度の最高値が0.2〜30質量%であることを特徴とする、請求項１〜8のいずれかに記載の半導体装置用銅合金ボンディングワイヤ。
  11. 前記濃化層の外側に、Cの最高濃度が20質量%以上である表皮層を有し、該表皮層の厚さが0.2〜10nmであることを特徴とする、請求項１〜8のいずれかに記載の半導体装置用銅合金ボンディングワイヤ。
  12. 前記濃化層及び前記表皮層におけるO濃度の平均値が0.1〜15質量%であることを特徴とする、請求項9〜11のいずれかに記載の半導体装置用銅合金ボンディングワイヤ。
  13. 前記濃化層における前記Mg及びPの総計濃度が0.05〜10質量%であり、該濃化層の外側に、Cの最高濃度が20質量%以上である表皮層を有し、該表皮層の厚さが0.2〜10nmであることを特徴とする、請求項１〜8のいずれかに記載の半導体装置用銅合金ボンディングワイヤ。
  14. 前記濃化層における前記Mg及びPの総計濃度の最高値が0.2〜30質量%であり、該濃化層の外側に、Cの最高濃度が20質量％以上である表皮層を有し、該表皮層の厚さが0.2〜10nmであることを特徴とする、請求項１〜8のいずれかに記載の半導体装置用銅合金ボンディングワイヤ。
  15. 前記濃化層の厚さが0.2〜20nmであることを特徴とする、請求項１〜8のいずれか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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