JP4904252B2 - 半導体装置用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(リードフレーム、基板、テープ等)の配線と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半導体装置用ボンディングワイヤ（以下、ボンディングワイヤ）として、線径20〜50μm程度の細線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、表面張力によりフリーエアボール（以下、単に「ボール」又は「ＦＡＢ」ともいう。）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せしめ、その後で、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接合させる。
近年、半導体実装の構造・材料・接続技術等は急速に多様化しており、例えば、実装構造では、現行のリードフレームを使用したＱＦＰ(Quad Flat Packaging)に加え、基板、ポリイミドテープ等を使用するＢＧＡ(Ball Grid Array)、ＣＳＰ(Chip Scale Packaging)等の新しい形態が実用化され、ループ性、接合性、量産性等をより向上したボンディングワイヤが求められている。そうしたボンディングワイヤの接続技術でも、現在主流のボール/ウェッジ接合の他に、狭ピッチ化に適したウェッジ/ウェッジ接合では、２ヶ所の部位で直接ボンディングワイヤを接合するため、細線の接合性の向上が求められる。
ボンディングワイヤの接合相手となる材質も多様化しており、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、より微細配線に好適な銅が実用化されている。また、リードフレーム上には、Ａｇメッキ、Ｐｄメッキ等が施されており、また、樹脂基板、テープ等の上には、銅配線が施され、その上に金等の貴金属元素及びその合金の膜が施されている場合が多い。こうした種々の接合相手に応じて、ボンディングワイヤの接合性、接合部の信頼性を向上することが求められる。
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、金は高価であるため、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で十分な接合強度を得ることが重要である。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、ループ制御が困難である点や、接合時の強度が低下する等の問題点が解決されないと実用化は難しい。
更に、ボンディングワイヤが接続され実装された半導体素子が実際に使用されるときの長期信頼性も重要となる。特に自動車に搭載される半導体素子などでは、厳しい安全性を確保するため、高温、高湿、熱サイクルなど厳しい環境での高い信頼性が要求される。こうした従来にない過酷な環境においても、ボンディングワイヤが接続された接合部では劣化することなく、高い信頼性が維持されなくてはならない。
上記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しており、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、更には、接続部の長期信頼性や過酷環境下での接合部安定性等の、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、ボール接合（以下、「１ｓｔ接合」ともいう）性、ウェッジ接合（以下、「２ｎｄ接合」ともいう）性等も高めるために、銅を素材とするボンディングワイヤが開発され、特許文献１等が開示されている。しかし、銅ボンディングワイヤでは、ワイヤ表面の酸化により接合強度が低下することや、樹脂封止されたときのワイヤ表面の腐食等が起こり易いことが問題となる。また、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に比べて接合マージンが狭く、量産性が低下することが懸念されている。これら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。
銅ボンディングワイヤの表面酸化を防ぐ方法として、特許文献２には、金、銀、白金、パラジウム、ニッケル、コバルト、クロム、チタン等の貴金属や耐食性金属で銅を被覆したボンディングワイヤが提案されている。また、ボール形成性、メッキ液の劣化防止等の点から、特許文献３には、銅を主成分とする芯材、該芯材上に形成された銅以外の金属からなる異種金属層、及び該異種金属層の上に形成され、銅よりも高融点の耐酸化性金属からなる被覆層の構造をしたボンディングワイヤが提案されている。特許文献４には、銅を主成分とする芯材と、該芯材の上に芯材と成分又は組成の一方または両方の異なる金属と銅を含有する外皮層を有し、その外皮層の厚さが０．００１〜０．０２μｍの薄膜であるボンディングワイヤが提案されている。また、２ｎｄ接合性を向上させる観点から、特許文献５には、銅を主成分とする芯材と前記芯材上形成された被覆層とを有し、０．２％耐力が０．１１５ｍＮ／μｍ２以上かつ０．１６５ｍＮ／μｍ２以下であるボンディングワイヤが提案されている。同様に特許文献６には、銅を主成分とする芯材と前記芯材上形成された被覆層とを有し、ボンディングワイヤの先端を水平面に接触するように垂下し、前記先端から１５ｃｍ上を切断してボンディングワイヤを前記水平面に落下させることにより形成される円弧の曲率半径が、３５ｍｍ以上であるボンディングワイヤが提案されている。
こうした半導体向けの銅ボンディングワイヤは、実用上の期待は大きいものの、これまで実用化されていなかった。ワイヤ製造の生産性、品質、またボンディング工程での歩留まり、性能安定性、さらに半導体使用時の長期信頼性などが総合的に満足されなくてはならない。
量産で使用され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安定しており、接合性も向上しており、樹脂封止工程でのワイヤ変形を抑制すること、接合部の長期信頼性などの、総合的な特性を満足することで、最先端の狭ピッチ接続、積層チップ接続などの高密度実装に対応できることが望まれている。
特開昭６１−９９６４５号公報 特開昭６２−９７３６０号公報 特開２００４−６４０３３号公報 特開２００７−１２７７６号公報 特開２００５−１２３５４０号公報 特開２００５−１２３５１１号公報
従来の単層構造の銅系ボンディングワイヤ（非被覆の銅系ボンディングワイヤのことであり、ワイヤ表面に厚さが１〜２ｎｍの薄い自然酸化膜層等が形成されている場合がある。以下、単層銅ワイヤと記す。）の実用上の問題として、ワイヤ表面が酸化し易いこと、接合強度が低下すること等が起こり易いことが挙げられる。そこで、銅ボンディングワイヤの表面酸化を防ぐ手段として、ワイヤ表面に貴金属や耐酸化性金属を被覆することが可能である。
半導体実装の高密度化、小型化、薄型化等のニーズを考慮して、本発明者らが評価したところ、銅ボンディングワイヤの表面を銅と異なる金属で覆った構造の従来複層銅ワイヤ（非被覆の銅ワイヤを単層銅ワイヤと呼ぶのに対し、１層からなる被覆層で被覆した前記銅ワイヤを複層銅ワイヤとしている。以下、従来複層銅ワイヤと記す。）では、後述するような実用上の問題が多く残されていることが判明した。
従来複層銅ワイヤの先端にボールを形成した場合、真球からずれた扁平ボールが形成されたり、ボール内部に溶融されないワイヤが残ったり、気泡が発生したりすることが問題となる。こうした正常でないボール部を電極上に接合すると、接合強度の低下、チップの損傷等の問題を起こす原因となる。
従来複層銅ワイヤによりボールを形成した場合、単層銅ワイヤあるいは現在主流の金ボンディングワイヤを使用した場合よりも、ボール接合部の形状不良および接合強度の低下などが起こり易いことが実用上の問題となる。具体的な不良事例では、真球からずれた扁平ボールの形成、ボールがワイヤに対して傾いて形成される芯ずれなどが発生したり、ボール内部に溶融されないワイヤが残ったり、気泡（ブローホール）が生成することが問題となる場合もある。こうした正常でないボール部を電極上に接合すると、ワイヤ中心からずれてボールが変形する偏芯変形、真円からずれる形状不良として楕円変形、花弁変形などが生じることで、電極面から接合部のはみ出し、接合強度の低下、チップの損傷、生産管理上の不具合などの問題を起こす原因となる。こうした初期接合の不良は、前述した長期信頼性の低下を誘発する場合もある。
従来複層銅ワイヤのボール接合に関する不具合を解決する手法として、特許文献３には外皮層の厚さが０．００１〜０．０２μｍとすることが開示されている。ここでの外皮層は濃度勾配の領域も含めており、外皮層と芯材との境界は外皮層を構成する金属Ｍの濃度が１０ｍｏｌ％以上であることも記載されている。本発明者らの評価では、このように外皮層の厚さを薄膜化することにより、前述したボール接合部の問題が一部に改善されることは観察されたが、自動車に搭載される半導体素子等の用途で新たな環境下で使用される場合には必ずしも効果は十分でなく、むしろ、外皮層の厚さを薄くするほど扁平ボールの発生頻度は増加することが確認された。また、薄膜化により、ワイヤのウェッジ接合の向上が十分でないという問題が生じることも確認された。
従来複層銅ワイヤの２ｎｄ接合における接合性を向上させる手段として、特許文献５には０．２％耐力が０．１１５ｍＮ／μｍ２以上かつ０．１６５ｍＮ／μｍ２以下であるボンディングワイヤが提案されている。また、特許文献６にはボンディングワイヤの先端を水平面に接触するように垂下し、前記先端から１５ｃｍ上を切断してボンディングワイヤを前記水平面に落下させることにより形成される円弧の曲率半径が、３５ｍｍ以上であるボンディングワイヤが提案されている。しかしながら、上記特許文献５及び６に係るボンディングワイヤでは、２ｎｄ接合において十分な接合強度を得られず、また１ｓｔ接合において電極に損傷を与えてしまうという懸念もあり、ひいては信頼性が低下するという問題があった。
本発明では、上述するような従来技術の問題を解決して、従来の基本性能に加えて、接合性をより向上することができる銅を主体とするボンディングワイヤを提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、請求項１に係る発明は、銅を主成分とする芯材と、前記芯材の上に設けられた、２０ｎｍ以上１５０ｎｍ以下の厚さの耐酸化性金属からなる外層とを有するボンディングワイヤであって、０．２％耐力が０．０７ｍＮ／μｍ２以上０．１４ｍＮ／μｍ２以下、最大耐力が０．２０ｍＮ／μｍ２以上０．２８ｍＮ／μｍ２以下、及び、単位断面積当たりの伸び値（％／μｍ２）がε１以上ε２以下であり、前記ε１及び前記ε２は、ワイヤの線径をＲとすると、ε１＝（−０．００１×Ｒ＋０．０５５）、ε２＝（−０．００１×Ｒ＋０．０６８）
であり、かつ
Ｃ断面の粒子数がＮ個／μｍ ２ 以下であって、Ｃ断面の平均結晶粒径がＧμｍ以上であり、前記Ｎ及びＧは、
Ｎ＝（−０．０１×Ｒ＋０．７）
Ｇ＝（０．０２×Ｒ＋０．８）
であることを特徴とする半導体装置用ボンディングワイヤである。
また、請求項２に係る発明は、前記耐酸化性金属が、Ｐｄ，Ｐｔ，及び、Ｒｈから選ばれる１種以上の元素を主成分とすることを特徴とする半導体装置用ボンディングワイヤである。
また、請求項３に係る発明は、前記芯材が、Ｐ，Ｂ，Ｂｉ，Ｓｎ，Ａｇ，及び、Ｍｇから選ばれる１種以上の元素を含有し、ワイヤ全体に占める該元素濃度が総計で０．０００１ｍｏｌ％以上０．０３ｍｏｌ％以下の範囲であることを特徴とする半導体装置用ボンディングワイヤである。
本発明の請求項１記載の発明によれば、外層の厚さを所定厚さとしたことにより、ＦＡＢ形成、ボール接合における圧着ボール形状と接合強度、及び信頼性評価を改善することができる。また、所定の機械特性を有することにより、ボール接合における電極の損傷及びネック部の損傷を低減し、ウェッジ接合における形状と接合強度を改善できると共に、接合マージンが向上するため、ボンディング工程の歩留まり、接合・ループ性能安定性などの量産安定性、および半導体使用時の長期信頼性を向上することができる。
また、請求項２に記載の発明によれば、ボール形状を安定化させ、２ｎｄ接合性を向上させることができる。
また、請求項３に記載の発明によれば、ボール変形時の真円性、ループ制御性を向上させることができる。
１．実施形態
以下、本発明の好適な実施形態について説明する。ボンディングワイヤについて、銅を主成分とする芯材と、耐酸化性金属を含有する外層で構成されたものを検討した結果、ワイヤの表面近傍に耐酸化性金属を含有することにより、ウェッジ接合性の向上などが期待できる反面、ボールの不安定形成、リフロー工程でのウェッジ接合部の破断が新たな問題となることなどが判明した。そこで、狭ピッチの小ボール接合などの新たな実装ニーズへの対応、量産性の更なる向上などにも対応できる銅系ボンディングワイヤを検討した結果、外層を有し、特定の厚さ範囲にすることが有効であることを見出した。更に、外層および芯材などの組成、構造などの制御が有効であることを見出した。
一般的に銅ワイヤは金ワイヤに比べ、表面が酸化し易いことや、硬いことから、1ｓｔ接合においては形状の異常、接合強度不足、半導体素子の損傷（チップダメージ）、ネック部への微小な損傷（ネックダメージ）が発生するという問題がある。また、２ｎｄ接合においては、接合マージンが狭く日々の経時変化が激しい、接合強度がボンディング方向の影響を受けやすい、２ｎｄ接合部の量産安定性に欠けるという問題がある。ここで接合マージンとは、特に２ｎｄ接合の安定性、及び、ループの制御性すなわちループ高さのばらつきや、ネックダメージの抑制をいう。
これに対し本発明に係るボンディングワイヤは、銅を主成分とする芯材と、該芯材の上に設けられた、芯材と、成分及び組成が異なる耐酸化性金属を含有する外層を有し、０．２％耐力が０．０７ｍＮ／μｍ２以上０．１４ｍＮ／μｍ２以下、最大耐力が０．２０ｍＮ／μｍ２以上０．２８ｍＮ／μｍ２以下、及び、単位断面積当たりの伸び値（％／μｍ２）がε１以上ε２以下であり、前記ε１及び前記ε２は、ワイヤの線形をＲとすると、ε１＝（−０．００１×Ｒ＋０．０５５）、ε２＝（−０．００１×Ｒ＋０．０６８）であることが望ましい。説明の便宜上、本明細書において本発明に係るボンディングワイヤの上記機械特性を「軟質機械特性」と呼ぶ。ここで、０．２％耐力とは、明確な降伏点を有しない材料の降伏強度として評価されるもので、永久ひずみを０．２％生じるときの応力値である。また、最大耐力とは、ボンディングワイヤの破断強度をいう。また、伸び値とは、破断時におけるワイヤの最大伸び値をいう。また、ε１及びε２の単位は、％／μｍ２である。
このボンディングワイヤであれば、上記したような軟質機械特性を有するため、１ｓｔ接合における電極としてのパッドの損傷（以下、「パッドダメージ」という）、ネック部の損傷（以下、「ネックダメージ」という）、２ｎｄ接合における形状と接合強度、を改善できる。また、ボンディングワイヤは、軟質機械特性を有することにより、接合マージンが向上するため、ボンディング工程での量産安定性を向上することができる。尚、一般的に２ｎｄ接合において、メクレなどにより形状不良が生じた場合には、接合強度が低下する。また、剥がれなど接合不良が生じた場合には、自動ワイヤボンダーが停止する、という不具合が発生する。
０．２％耐力が０．１４ｍＮ／μｍ２を超えた場合は、ボンディングワイヤが硬くなるので、チップダメージ、ネックダメージが増加するほか、２ｎｄ接合における形状が悪化したり、接合強度が低下したり、ひいてはボンディング工程での生産性が低下することになる。
一方、０．２％耐力が０．０７ｍＮ／μｍ２未満の場合は、ボンディングワイヤの最大耐力が低下することとなるので、２ｎｄ接合における接合強度が低下して半導体使用時の長期信頼性が低下、樹脂封止時にボンディングワイヤが変形してショート不良が発生することとなる。
また、最大耐力が０．２８ｍＮ／μｍ２を超えた場合は、ボンディングワイヤが硬くなるので、チップダメージ及びネックダメージが増加するほか、２ｎｄ接合における形状が悪化したり、接合強度が低下してボンディング工程での生産性が悪化したりすることになる。
最大耐力が０．２０ｍＮ／μｍ２未満の場合は、ボンディングワイヤの最大耐力が低下することとなるので、２ｎｄ接合における接合強度が低下して半導体使用時の長期信頼性が低下、樹脂封止時にボンディングワイヤが変形してショート不良が発生することとなる。
さらに、単位断面積当たりの伸び値が上記ε２を超えた場合は、ボンディングワイヤの最大耐力が低下するので、２ｎｄ接合における接合強度が低下して半導体使用時の長期信頼性が低下、さらに、ループ形状及びボンディングワイヤの直進性が悪化するため、樹脂封止時にボンディングワイヤが変形し、ショート不良が発生することとなる。
一方、単位断面積当たりの伸び値が上記ε１未満の場合は、ボンディングワイヤが硬くなるので、チップダメージ及びネックダメージが増加するほか、２ｎｄ接合における形状が悪化したり、接合強度が低下したり、ひいてはボンディング工程での生産性が低下することになる。
また、Ｃ断面の粒子数がＮ個／μｍ２以下であって、Ｃ断面の平均結晶粒径がＧμｍ以上であり、前記Ｎ及びＧを、Ｎ＝（−０．０１×Ｒ＋０．７）、Ｇ＝（０．０２×Ｒ＋０．８）とすることにより、軟質機械特性を有するボンディングワイヤを得ることができる。従って、このボンディングワイヤでは、上記したと同様に、パッドダメージ、２ｎｄ接合における形状と接合強度、ボンディング工程での量産安定性を改善することができる。尚、Ｃ断面とは、ボンディングワイヤの伸線方向に垂直な断面である。
また、ここで、平均結晶粒径とは、粒界認識角度を大傾角粒界である１５°以上に区分した上で、双晶も粒とみなし結晶粒径分布像を描画するとともに、粒径分布を算出したものである。尚、粒径（円相当径）分布および基本統計量は後方電子散乱図形法（Electron Backscatter Pattern、以下「EBSP」という）処理ソフトにより得られた各結晶粒のデータを表計算ソフトにより算出した。
本発明に係るボンディングワイヤの硬さは、適正なドーパント(dopant)の種類及び添加量と、熱処理と、加工プロセスの最適化とにより、Ｃ断面の結晶組織を、細粒と粗粒からなる混粒組織から、中粒の整粒組織に最適化して、制御することができる。このように結晶組織の粒径を整粒組織に制御することにより、粗大粒界での粒界すべり変形等の局所的な変形ではなく、均一な変形とすることができるため、ワイヤの０．２％耐力、最大耐力、及び単位断面積あたりの伸び値が一定範囲内にある軟質化機械特性を有する銅ワイヤを得る事できる。
このようにして、本発明に係るボンディングワイヤは、細粒を少なくすることで平均粒径を増大させ、硬度を低下させて芯材を軟質化した。これにより、１ｓｔ接合部のチップ損傷、ネックダメージを低減することができる。
このチップダメージを低減することにより、本発明に係るボンディングワイヤは、半導体の高密度化、高速化に対応したＬｏｗ-Ｋ材などを使用したチップへの適用が可能になり、高性能ＬＳＩにまで銅ワイヤの適用範囲を広げることができる。
また、本発明に係るボンディングワイヤは、Ｃ断面の結晶組織を整粒組織とすることにより芯材を軟質化させたので、変形性能を向上させることができる。これにより、本発明に係るボンディングワイヤは、ネックダメージが低減するので、半導体実装の薄型化、多段積層化に対応した低ループが可能になる。
また、本発明に係るボンディングワイヤは、芯材を軟質化させたことにより、延性が向上し、さらにキャピラリ先端部の磨耗、汚れを低減できるため、２ｎｄ接合部の形状が安定化する。これにより、本発明に係るボンディングワイヤは、キャピラリ交換頻度が低下させ、さらには表面酸化されにくく大気中での表面性状が安定しているためにボンディングワイヤの巻長さを長くできるために、スプール交換の頻度も低減させることができるので、ボンディング工程の生産性向上、製造コスト低減を容易に実現させる事ができる。
Ｃ断面の粒子数がＮ個／μｍ２を超えた場合、細粒が増加するため、ボンディングワイヤが硬くなるので、チップダメージ及びネックダメージが増加するほか、２ｎｄ接合における形状が悪化したり、接合強度が低下したりすることになる。
また、Ｃ断面の平均結晶粒径がＧμｍ未満の場合は、細粒が増加するため、ボンディングワイヤが硬くなるので、チップダメージ及びネックダメージが増加するほか、２ｎｄ接合における形状が悪化したり、接合強度が低下したりすることになる。
また、前記外層の厚さが２０ｎｍ以上１５０ｎｍ以下であるボンディングワイヤであることが望ましい。このボンディングワイヤであれば、ＦＡＢ形成、１ｓｔ接合における圧着ボール形状と接合強度、及びＰＣＴ（Pressure Cooker Test）において信頼性評価を改善することができる。
本発明に係るボンディングワイヤでは、外層を有することにより、表面酸化物の影響が無くなり、２ｎｄ接合部の主な接合相手であるＡｕ、Ａｇ、Ｐｄ、Ｃｕなどとの接合性が安定化するので、接合マージンを広くでき、日々の経時変化を抑制し、接合強度がボンディング方向の影響を受けないようにすることができる。
また、本発明に係るボンディングワイヤでは、外層の厚さを２０ｎｍ以上とすることにより、ワイヤ表面の濡れ性が安定するため、ボール偏芯を低減することができる。一方、外層厚さを１５０ｎｍ以下としたことにより、ボール部の均一性が向上するため、引け巣などの異常形状を低減することができる。このようにして、本発明に係るボンディングワイヤは、ボール形成性及び接合強度を安定化させることができる。
因みに、従来の銅ワイヤでは、ボール形成時にＨ２ガスを混合したＮ２＋５％ガスを流量１．０−２．０Ｌ/ｍｉｎ程度要していた。さらに、従来では、単に外層を設けただけのボンディングワイヤではボール形成性が低下してしまうという問題があった。
これに対し本発明に係るボンディングワイヤでは、外層の厚さを２０ｎｍ以上１５０ｎｍ以下としたことにより、ボール形状を安定化でき、耐酸化性を有することにより、Ｈ２ガスを省略でき、４Ｎ以上のＮ２ガスで安定的に生産することが可能になる。さらに流量も０．５−１．０ Ｌ／ｍｉｎ程度に半減できるため、Ｈ２ガスの省略と合わせて、製造工程を省略、シールドガスの原単位を削減することができ、結果として大幅な生産ランニングコストを削減することができる。
尚、外層厚さが２０ｎｍ未満ではボールが偏芯変形してしまう。このボールの偏芯変形により、荷重及び超音波の伝達不良が生じ、１ｓｔ接合における接合強度が低下する。また、外層厚さが２０ｎｍ未満ではボール表面の酸化を抑制する効果が小さいため、結果として１ｓｔ接合性が低下する。一方、外層厚さが１５０ｎｍを超えると凝固時に引け巣が発生して、ボールが桃のような形状となるいわゆる桃尻変形を起こす。このボールの桃尻変形により、接地不良、荷重及び超音波の伝達不良が生じ、１ｓｔ接合における接合強度が低下する。このような１ｓｔ接合における接合不良により、信頼性評価を改善することが困難となる。また、外層厚さが２０ｎｍ未満では、酸化を抑制する効果が小さいためウェッジ接合でも接合不良が生じ、２ｎｄ接合における信頼性評価を改善することも困難となる。
外層の主成分となる耐酸化性金属とは、銅以外の金属であり、ボンディングワイヤの接合性の改善に効果があり、銅の酸化防止にも有効である金属であることが望ましい。例えば、Ｐｄ，Ｐｔ，及び、Ｒｈ等が挙げられる。Ｐｄ、及びＰｔは、ボール形状を安定化させることが比較的容易である。Ｐｄは材料費も比較的安価であり、銅との密着性も良好であるため、外層としての利用価値がさらに高まる。
芯材の主成分は銅であり、合金元素を添加して、銅合金中の成分、組成により、特性は改善する。前記銅を主成分とする芯材が、Ｐ，Ｂ，Ｂｉ，Ｓｎ，Ａｇ，及び、Ｍｇから選ばれる１種以上の添加元素を含有し、ボンディングワイヤ全体に占める該添加元素濃度が総計で０．０００１ｍｏｌ％以上０．０３ｍｏｌ％以下の範囲であることにより、ウェッジ接合のピール試験での破断伸びが増加することなどの効果が増大する。特に、ウェッジ接合のピール試験では改善効果が高い。これら合金元素の作用として、ワイヤ製造、ウェッジ接合において芯材の加工および再結晶での集合組織の形成を制御することにより、ウェッジ接合部近傍でのボンディングワイヤの破断伸びの増加に有効に作用していると考えられる。また、外層を構成する耐酸化性金属がＰｄ，Ｐｔ，及び、Ｒｈの場合に、ボール溶融により芯材中の該添加元素は耐酸化性金属と相乗作用することで、ボール変形時の真円性をさらに向上させる効果がある。こうした添加効果について、外層が形成されていない従来の銅系ボンディングワイヤに添加された場合と比較して、外層と該添加元素が併用された場合の方が、効果が促進されることが見出された。該添加元素の濃度が０．０００１ｍｏｌ％未満であれば上述の改善効果が小さくなる場合がある。０．０３ｍｏｌ％を超えると、ボール表面にシワ状の窪みが発生してボール形状が不安定になる場合がある。
本発明のボンディングワイヤを製造するに当り、芯材の表面に外層を形成する工程、外層、芯材などの構造を制御する加工・熱処理工程が必要となる。まずは、外層、芯材の組成、厚さを制御するには、前述した外層を形成する工程において、外層形成の初期段階での厚さ、組成の管理がまずは重要である。
また、上記した軟質機械特性を得る方法には熱処理を１回または複数回実施することが有効である。例えば、外層を形成する前に再結晶温度以上にて熱処理する方法、外層を形成した直後に再結晶温度以上にて熱処理する方法、外層を形成した後の伸線加工の途中において再結晶温度以上にて熱処理する方法、最終線径において仕上げ焼鈍し、のいずれか、または二以上の方法を適宜組み合わせて製造することもできる。また熱処理温度の制御により芯材の再結晶進行度を変えることも有効である。上記した方法を採用することにより、所望の軟質機械特性を有するボンディングワイヤを製造することができる。
外層を銅の芯材の表面に形成する方法には、メッキ法を用いる。メッキ法では、電解メッキ、無電解メッキ法のどちらでも製造可能である。ストライクメッキ、フラッシュメッキと呼ばれる電解メッキでは、メッキ速度が速く、下地との密着性も良好である。無電解メッキに使用する溶液は、置換型と還元型に分類され、膜が薄い場合には置換型メッキのみでも十分であるが、厚い膜を形成する場合には置換型メッキの後に還元型メッキを段階的に施すことが有効である。無電解法は装置等が簡便であり、容易であるが、電解法よりも時間を要する。
本明細書では、ボンディングワイヤの製造は、太径の芯材にメッキにより膜形成してから、狙いの線径まで複数回伸線する手法について説明する。このように、膜形成と伸線の組み合わせることにより、膜と芯材との密着性を向上することができる。具体例として、電解又は無電解のメッキ浴中に太い銅線を浸漬して膜を形成した後に、ワイヤを伸線して最終径に到達する手法等が可能である。
外層を形成した後の加工工程では、ロール圧延、スエージング、ダイス伸線などを目的により選択、使い分ける。加工速度、圧加率またはダイス減面率などにより、加工組織、転位、結晶粒界の欠陥などを制御することは、外層の構造、密着性などにも影響を及ぼす。
熱処理法として、ワイヤを連続的に掃引しながら熱処理を行い、しかも、一般的な熱処理である炉内温度を一定とするのでなく、炉内で温度傾斜をつけることで、本発明の特徴とする外層及び芯材を有するボンディングワイヤを量産することが容易となる。具体的な事例では、局所的に温度傾斜を導入する方法、温度を炉内で変化させる方法等がある。ボンディングワイヤの表面酸化を抑制する場合には、Ｎ２やＡｒ等の不活性ガスを炉内に流しながら加熱することも有効である。
温度傾斜の方式では、炉入口近傍での正の温度傾斜(ワイヤの掃引方向に対し温度が上昇)、安定温度領域、炉出口近傍での負の温度傾斜(ワイヤの掃引方向に対し温度が下降)等、複数の領域で温度に傾斜をつけることが効果的である。これにより、炉入口近傍で外層と芯材との剥離等を生じることなく密着性を向上させ、安定温度領域で銅と耐酸化性金属との拡散を促進して所望する濃度勾配を形成し、さらに炉出口近傍で表面での銅の過剰な酸化を抑えることにより、得られたボンディングワイヤの接合性、ループ制御性等を改善することができる。こうした効果を得るには、出入口での温度勾配を１０℃／ｃｍ以上設けることが望ましい。
温度を変化させる方法では、炉内を複数の領域に分割して、各領域で異なる温度制御を行うことで温度の分布を作ることも有効である。例えば、３ヶ所以上に炉内を分割して、独立に温度制御を行い、炉の両端を中央部よりも低温とすることで、温度傾斜の場合と同様の改善効果が得られる。また、ボンディングワイヤの表面酸化を抑制するため、炉の出口側を銅の酸化速度の遅い低温にすることで、ウェッジ接合部の接合強度の上昇が得られる。
２．実施例
以下、本発明の実施例について説明する。実施例として、請求項１〜４に係るボンディングワイヤを、三種の線径（φ２０μｍ、φ３３μｍ、φ５０μｍ）について作製し、作製したボンディングワイヤについて、平均結晶粒径Ｇ及び粒子数Ｎを測定した。また、上記実施例の効果を確認するため、比較例を作製した。実施例の作製方法及び分析方法は、以下の通りである。
ボンディングワイヤの原材料として、芯材に用いる銅は純度が約９９．９９ｍａｓｓ％以上の高純度の素材を用い、外層のＰｄ，Ｐｔ，及び、Ｒｈの素材には純度９９．９９ｍａｓｓ％以上の原料を用意した。
ある線径まで細くした銅系ボンディングワイヤを芯材とし、そのワイヤ表面に異なる耐酸化性金属の層を形成するには、ある線径で電解メッキ及び無電解メッキ法により外層を形成してからさらに伸線加工により最終線径まで細くする方法を利用した。メッキ液は、半導体用途で市販されているメッキ液を使用した。
直径が約６ｍｍ〜１００μｍのボンディングワイヤを予め準備し、そのワイヤ表面にメッキ法により外層を被覆し、熱処理と冷間伸線加工を２回以上繰り返して最終径まで伸線して所望の線径とした。最後に加工歪みを取り除き、熱処理を施すことにより、０．２％耐力が０．０７ｍＮ／μｍ２以上０．１４ｍＮ／μｍ２以下、最大耐力が０．２０ｍＮ／μｍ２以上０．２８ｍＮ／μｍ２以下、及び、単位断面積当たりの伸び値（％／μｍ２）がε１以上ε２以下であり、前記ε１及び前記ε２が、ワイヤの線径をＲとすると、ε１＝（−０．００１×Ｒ＋０．０５５）、ε２＝（−０．００１×Ｒ＋０．０６８）となるように調整し、実施例に係るボンディングワイヤを形成した。尚、ε１及びε２の値は表１に示すとおりである。
Figure 0004904252
ワイヤ表面のＣ断面の膜厚測定には走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用い、それ以外にも蛍光Ｘ線分析装置やオージェ分光分析法（ＡＥＳ）による深さ分析を用いた。ＡＥＳによる深さ分析では、Ａｒイオンでスパッタしながら深さ方向に測定して、深さの単位にはＳｉＯ２換算で表示した。尚、Ｐｄの膜厚は、Ｐｄ濃度が５０ｍｏｌ％の値とした。よって、本発明でいう外層とは、外層を構成するＰｄの検出濃度の総計が５０ｍｏｌ％の部位から表面であり、即ち、Ｐｄの検出濃度の総計が５０ｍｏｌ％以上の部位である。ボンディングワイヤ中の耐酸化性金属の分析は、ＩＣＰ分析、ＩＣＰ質量分析などにより測定した。
また、作製したボンディングワイヤについて、Ｃ断面の粒子数及びＣ断面の平均結晶粒径を測定し、実施例に係るボンディングワイヤの粒子数がＮ個／μｍ２以下であって、平均結晶粒径がＧμｍ以上であることを確認した。前記Ｎ及びＧは、Ｎ＝（−０．０１×Ｒ＋０．７）、Ｇ＝（０．０２×Ｒ＋０．８）である。尚、Ｎ及びＧの値については表２に示すとおりである。ボンディングワイヤの平均結晶粒径及び粒子数の測定には、EBSP（Electron Backscatter Pattern）法を用いた。
測定例として、図１にφ２０μｍの結晶粒径分布像、図２にφ５０μｍの結晶粒径分布像をそれぞれ示す。また、EBSP処理ソフトにより得られた各結晶粒のデータを表計算ソフトにより算出した結果を、図３及び図４（φ２０μｍ）、図４（φ５０μｍ）に示す。
Figure 0004904252
上記のように作製したボンディングワイヤの内訳を表３〜表５に示す。尚、表３は線径がφ２０μｍのボンディングワイヤ、表４は線径がφ３３μｍのボンディングワイヤ、表５は線径がφ５０μｍのボンディングワイヤのデータである。
Figure 0004904252
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ボンディングワイヤの接続には、市販の自動ワイヤボンダーを使用して、ボール/ウェッジ接合を行った。アーク放電によりワイヤ先端にフリーエアボールを作製し、それをシリコン基板上の電極膜に接合し、ワイヤ他端をリード端子上にウェッジ接合した。ボール形成時の酸化を抑制するために用いるシールドガスは、標準的な５ｖｏｌ％Ｈ２＋Ｎ２ガスと、純Ｎ２ガスを用いた。ガス流量は、０．５〜０．７Ｌ／ｍｉｎの範囲で調整した。
接合相手としては、シリコン基板上の電極膜の材料である、厚さ１μｍのＡｌ合金膜(Ａｌ-０．５ｍａｓｓ％Ｃｕ膜)を使用した。一方、ウェッジ接合の相手には、表面にAgメッキ(厚さ:１〜４μｍ)したリードフレーム、又はＡｕメッキ/Ｎｉメッキ/Ｃｕの電極構造の樹脂基板を使用した。
フリーエアボール形状の評価では、ボール径／ワイヤ径の比率が、１．７〜２．０の範囲とした。接合前のボール５０本をＳＥＭで観察して、ボール形状、偏芯（芯ずれ）、表面の凹凸が大きいかを評価した。
フリーエアボール形状については、異常形状のボール発生が５本以上あれば、不良であり、改善が必要であるため×印、異常形状のボール発生が２本から４本の発生の場合で、且つＦＡＢが波打っている場合は△印、異常形状のボール発生が１本以下ではあるが、その程度であれば、実用上の大きな問題はないと判断して○印、異常形状のボール発生が１本未満でかつ、綺麗な真円を描いていた場合には◎印とし、ＦＡＢ形成の「形状」の欄に表記した。
偏芯（芯ずれ）の判定では、芯ずれが５本以上あれば不良と判定し×印、２〜４本であれば、必要に応じて改善が望ましいので△印、芯ずれが１本以下で且つ実用上の大きな問題はないと判断できるのは○印、全く発生していない場合は◎印とし、ＦＡＢ形成の「偏芯」の欄に表記した。
表面形状（凹凸引け巣）については、凹凸引け巣が５本以上あり、且つ凹凸が大きい場合は×印、４本以下だが凹凸が大きい場合は改善が必要であるため、△印、４本以下だが、凹凸が小さく実用上問題ないと判断して○印、全く凹凸が発生していない場合は◎印とし、ＦＡＢ形成の「表面形状（凹凸引け巣）」の欄に表記した。
圧着ボール形状の判定では、接合されたボールを５００本観察して、形状の真円性、寸法精度等を評価した。ボール径/ワイヤ径の比率が１．７〜２．２の範囲とした。真円からずれた異方性や花弁状等の不良ボール形状が５本以上であれば不良と判定し×印、不良ボール形状が２〜４本であれば、必要に応じて改善が望ましいので△印、不良ボール形状が１本以下であれば、良好であるため○印、不良ボールが全く発生していなかった場合は◎印で、１ｓｔ接合の「圧着ボール形状」の欄に表記した。
接合強度の判定では、ボール径/ワイヤ径の比率が１．７〜２．２の範囲で、ボール高さが８〜１６ｕｍの範囲で接合された１ｓｔ側について２０本のシェア強度測定試験を行い、そのシェア強度のＭｉｎ値が１０ｇｆ未満であれば、１ｓｔ接合強度が不安定であるため×印、１０ｇｆ以上１５ｇｆ未満であれば、接合条件の変更で改善できるため△印、１５ｇｆ以上２０ｇｆ未満であれば、実用上問題ないと判断して○印、２０ｇｆ以上の範囲であれば、良好であるため◎印で、１ｓｔ接合の「接合強度」の欄に表記した。
また、ボンディング後、ワイヤをエッチングして剥離させ、パッドダメージの有無を評価した。尚、ワイヤボンディング条件の荷重、超音波時間及び超音波力は統一して、評価を実施した。５００箇所確認して、ダメージが５箇所以上入っているなら×印、ダメージ箇所が２〜４箇所なら、顧客条件によって改善が望ましいから△印、ダメージ箇所が１箇所以下なら良好であるため○印、ダメージが全く入っていなかった場合は◎印で、１ｓｔ接合の「パッドダメージ」の欄に表記した。
また、ボンディングされたワイヤのネック部を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）にて観察してネック損傷を評価した。ネック部で損傷を受け易い部位として、ウエッジ接合と反対方向のネック部の外側を注意して観察した。損傷形態では、微小亀裂、寸法の大きい亀裂、しわ状の凹凸などを調査した。ループ高さが低くなる場合、細径が細くなる場合に、通常はネック損傷の発生率が増加するため、より厳しい評価になる。そこで線径20um、ボンディング時のループ高さ100um、およびループ長さ2mmの台形形状ループとして、評価を実施した。100ワイヤ確認して、ダメージが8個以上入っているものを×印、5〜7個のものを△印、2〜4個のものを○印、0〜1個のものを◎印で、１ｓｔ接合の「ネックダメージ」の欄に表記した。尚、ネックダメージの評価は線径がφ２０μｍのボンディングワイヤに対してのみ行った。このφ２０μｍの線径のボンディングワイヤにおいて、ボンディング高さ１０μｍ、ボンディング長さ２ｍｍでボンディングした場合の１ｓｔ接合における比較例と実施例に係るネック部の様子を撮影した写真を図７に示す。このようにして、比較例にはネック部にネックダメージが入っているが、実施例にはネックダメージが入っていない様子を確認した。
２ｎｄ接合の判定については、接合された２ｎｄ側を５００箇所観察して、めくれの発生確認と、２０本の２ｎｄ接合部のプル試験を行い、そのプル強度のＭｉｎ値が３ｇｆ未満であれば、２ｎｄ接合強度が不十分であるため×印、３ｇｆ以上４ｇｆ未満の範囲であれば、接合条件の変更で改善できるため△印、４ｇｆ以上６ｇｆ未満の範囲であれば実用上は問題ないと判断して○印、６ｇｆ以上の範囲であれば、良好であるため◎印で、２ｎｄ接合の「形状」の欄に表記した。
量産性評価の判定では、初期、１０万ワイヤ、３０万ワイヤにて４０ボールを観察し、最初に設定した条件で試料を作製し、ボール径、ボール高さ、１ｓｔシェア強度、２ｎｄプル強度、ステッチ形状比較を実施して評価した。３項目以上で形状変化や、強度低下となった場合、連続ボンディング性に問題があるため、×印、２項目以上〜４項目未満であれば、接合条件変更などの改善が必要であるため△印、１項目以下であれば、条件によって改善が望ましいので○印、形状変化や強度低下がなかった場合は◎印で、量産性評価の各欄に表記した。
ＰＣＴでは、１２１℃、２気圧、湿度１００％の高温高湿環境で２００時間加熱した。その後に、４０本のワイヤの電気特性を評価した。電気抵抗が初期の３倍以上に上昇したワイヤの割合が３０％以上の場合には接合不良のため×印、電気抵抗が３倍以上に上昇したワイヤの割合が、５％以上３０％未満の範囲の場合には信頼性要求が厳しくないＩＣには使用可能なため△印、電気抵抗が３倍以上に上昇したワイヤの割合が５％未満で且つ１．５倍以上に上昇した割合が１０％以上３０％未満の場合には実用上は問題ないため○印、１．５倍以上に上昇したワイヤの割合が１０％未満であれば良好であるため◎印で、信頼性評価の「ＰＣＴ」の欄に表記した。
表６〜表８に、本発明に係るボンディングワイヤの評価結果と、比較例とを示す。尚、表６は線径がφ２０μｍのボンディングワイヤ、表７は線径がφ３３μｍのボンディングワイヤ、表８は線径がφ５０μｍのボンディングワイヤのデータである。実施例１〜８３のボンディングワイヤは、外層の厚さが２０ｎｍ以上１５０ｎｍ以下であることにより、ＦＡＢ形成、１ｓｔ接合における圧着ボール形状と接合強度、及びＰＣＴで信頼性評価を改善できたことが確認された。一方、外層の厚さが２０ｎｍ未満である比較例１，５，１０，１４，１８，２３、及び、外層の厚さが１５０ｎｍを超える比較例１５，１７，１９，２２，２５では、ＰＣＴで信頼性評価が低いことが確認された。
実施例１〜８３のボンディングワイヤは、０．２％耐力が０．０７ｍＮ／μｍ２以上０．１４ｍＮ／μｍ２以下、最大耐力が０．２０ｍＮ／μｍ２以上０．２８ｍＮ／μｍ２以下、及び、単位断面積当たりの伸び値（％／μｍ２）がε１以上ε２以下であり、前記ε１及び前記ε２は、ワイヤの線径をＲとすると、ε１＝（−０．００１×Ｒ＋０．０５５）、ε２＝（−０．００１×Ｒ＋０．０６８）である（表１）ことにより、パッドダメージ、２ｎｄ接合における形状と接合強度、量産性評価を改善できることが確認された。一方、単位断面積あたりの伸びが上記範囲から外れている比較例２〜４，６〜９，１１〜１４，１６，１７，２０，２１，２４，２５，及び０．２％耐力と最大耐力が上記範囲を外れている比較例１５，２２では、特に、パッドダメージ、２ｎｄ接合における形状、量産性評価が改善されないことが確認された。
実施例１〜８３のボンディングワイヤは、Ｃ断面の粒子数がＮ個／μｍ２以下であって、Ｃ断面の平均結晶粒径がＧμｍ以上であり、前記Ｎ及びＧは、Ｎ＝（−０．０１×Ｒ＋０．７）Ｇ＝（０．０２×Ｒ＋０．８）であることにより、軟質機械特性を有するボンディングワイヤを得ることができる。従って、このボンディングワイヤでは、上記したと同様に、パッドダメージ、２ｎｄ接合における形状と接合強度、量産性評価を改善することができる。一方、平均結晶粒径及び粒子数が上記範囲を外れている比較例３，４，７〜９，１１〜１４，１６，１７，２０，２１，２４，２５では、パッドダメージ、２ｎｄ接合における形状、量産性評価が改善されないことが確認された。
Figure 0004904252
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φ２０μｍのボンディングワイヤにおけるＥＢＳＰ測定結果である。 φ５０μｍのボンディングワイヤにおけるＥＢＳＰ測定結果である。 φ２０μｍのボンディングワイヤにおけるEBSP処理ソフトにより得られた各結晶粒のデータを表計算ソフトにより算出した結果を示すグラフである。（Ａ）比較例、（Ｂ）実施例 同上、φ２０μｍのボンディングワイヤにおけるEBSP処理ソフトにより得られた各結晶粒のデータを表計算ソフトにより算出した結果を示す表である。 同上、φ５０μｍのボンディングワイヤにおけるEBSP処理ソフトにより得られた各結晶粒のデータを表計算ソフトにより算出した結果を示すグラフである。（Ａ）比較例、（Ｂ）実施例 同上、φ５０μｍのボンディングワイヤにおけるEBSP処理ソフトにより得られた各結晶粒のデータを表計算ソフトにより算出した結果を示す表である。 φ２０μｍのボンディングワイヤにおける、ボンディング後のネック部の様子を撮影したＳＥＭ写真である。

Claims (3)

  1. 銅を主成分とする芯材と、
    前記芯材の上に設けられた、２０ｎｍ以上１５０ｎｍ以下の厚さの耐酸化性金属からなる外層と
    を有する半導体装置用ボンディングワイヤであって、
    ０．２％耐力が０．０７ｍＮ／μｍ２以上０．１４ｍＮ／μｍ２以下、最大耐力が０．２０ｍＮ／μｍ２以上０．２８ｍＮ／μｍ２以下、及び、単位断面積当たりの伸び値（％／μｍ２）がε１以上ε２以下であり、前記ε１及び前記ε２は、ワイヤの線径をＲとすると、
    ε１＝（−０．００１×Ｒ＋０．０５５）
    ε２＝（−０．００１×Ｒ＋０．０６８）
    であり、かつ、
    Ｃ断面の粒子数がＮ個／μｍ ２ 以下であって、Ｃ断面の平均結晶粒径がＧμｍ以上であり、前記Ｎ及びＧは、
    Ｎ＝（−０．０１×Ｒ＋０．７）
    Ｇ＝（０．０２×Ｒ＋０．８）
    であることを特徴とする半導体装置用ボンディングワイヤ。
  2. 前記耐酸化性金属が、Ｐｄ，Ｐｔ，及び、Ｒｈから選ばれる１種以上の元素を主成分とすることを特徴とする請求項１記載の半導体装置用ボンディングワイヤ。
  3. 前記芯材が、Ｐ，Ｂ，Ｂｉ，Ｓｎ，Ａｇ，及び、Ｍｇから選ばれる１種以上の元素を含有し、ワイヤ全体に占める該元素濃度が総計で０．０００１ｍｏｌ％以上０．０３ｍｏｌ％以下の範囲であることを特徴とする請求項１記載の半導体装置用ボンディングワイヤ。
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