JP5403702B2 - 銅ボンディングワイヤ - Google Patents

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Description

本発明は、銅ボンディングワイヤに関する。
従来から、半導体素子上の電極と外部電極との結線に用いられるボンディングワイヤが知られている。一般に、ボンディングワイヤの直径は１５〜７５μｍと非常に細く、また、化学的な安定性や大気中での取り扱いが容易なことから、金線が用いられている。
しかし、金線はその重量の９９％から９９．９９％が金で、残部が添加元素と不可避不純物であり非常に高価格であることから、材料として安価な銅に替えたいという産業界からの要請がある。
ところが、半導体素子上の電極材料としてはアルミニウムまたはアルミニウム合金が主であるため、ボンディングワイヤの材料を金から銅へ変更すると、プレッシャークッカーテスト（ＰＣＴ：Pressure Cooker Test）や高度加速寿命試験（ＨＡＳＴ：Highly Accelerated Temperature and Humidity Stress Test）等の湿度と圧力を高めて行うパッケージ内へ水分が浸入しやすい条件下での信頼性試験では、銅ボールとアルミニウム電極との接合界面で異種金属接触腐食（ガルバニック腐食）が発生したり、Ｃｕ９Ａ１４のような接合界面に成長する金属間化合物が腐食して、信頼性の劣化が早まったりすることが問題となった。
その対策として、グロー放電質量分析法（Glow Discharge Mass Spectrometry、ＧＤＭＳ）により検出される塩素量が１質量ｐｐｍ以下の無酸素銅からなるベア銅ボンディングワイヤが提案された（例えば、特許文献１参照）。
ところが、塩素量が１質量ｐｐｍ以下の無酸素銅の場合は、塩素量が１質量ｐｐｍ以上のベア銅ボンディングワイヤに比べて信頼性劣化までの時間は長くなるものの、信頼性評価中に銅とアルミニウムの接合界面に成長する金属間化合物のハロゲン元素による腐食が発生するという問題を生じた。
かかる腐食対策として、銅芯材をパラジウムで被覆したパラジウム被覆銅線が提案されている（例えば、特許文献２、３参照）。
この、銅芯材をパラジウムで被覆したパラジウム被覆銅線では、ボール形成時の酸化防止のためのガス雰囲気を、例えば５％水素９５％窒素のフォーミングガスとした場合、ボール表面でのパラジウム元素濃度を高くすることができる。このパラジウム濃度の高いボール表面により、ボール外側に存在するハロゲン元素が、ボール内部に成長した銅アルミニウム金属間化合物に直接接触しにくくなり、その結果金属間化合物の腐食に由来する信頼性劣化が改善された。また、ガス雰囲気を窒素とした場合であっても、ボール底部の表面のパラジウム濃度はフォーミングガスを使用してボール形成する場合に比べて低下するものの、ボール側面はパラジウム濃度の高い表面層によって覆われるため、同様に信頼性は改善された。
ところで、近年、ベア銅ボンディングワイヤやパラジウム被覆銅線が適用される半導体パッケージが急速に増えてきているが、金ボンディングワイヤからベア銅ボンディングワイヤへの置き換えができないパッケージが存在する。例えば、半導体素子の集積度を高めるために誘電率を下げた脆弱なＬｏｗ−ｋ膜や、更に脆弱な超低誘電率誘電体（ＵＬＫ：Ｕｌｔｒａ Ｌｏｗ−ｋ）を有する半導体素子が該当する。これは、アルミニウム電極の下方に配線回路を形成している場合には、そのＬｏｗ−ｋ膜あるいはＵＬＫ膜が破損してしまうためである。こうした半導体パッケージでは、パラジウム被覆銅線を適用した場合には、ボール表面の銅パラジウム合金の硬度が純銅に比べて高過ぎ、ボンディング時の衝撃によってアルミニウム電極の下の誘電体膜が容易に破損してしまう。
そうしたＬｏｗ−ｋ膜やＵＬＫ膜を有する半導体パッケージに対しては、アルミニウム電極下の誘電体膜の損傷を回避するため、パラジウムで被覆しないベア銅ボンディングワイヤのみ使用可能であるが、加工硬化を低下させてアルミニウム電極の下方の誘電体膜への衝撃を和らげることを目的に、不純物の少ない純度９９．９９９９％以上の高純度銅の使用が試みられた。
特開２００８−１５３６２５号公報 特許第４１５８９２８号公報 特許第４２０４３５９号公報
しかしながら、Ａｕ線を使用した民生用ＬＳＩで広く使用されるようになった直径が１７〜１８μｍのボンディングワイヤで、かつ潰しボールの平均直径が３５〜３６μｍといった小ボール接合が要求されるパッケージの領域で、上述の高純度ベア銅ボンディングワイヤを用いて接合する場合には、ボンダーのボンディングツールヘッドの慣性モーメントが、ボールの潰れ変形に要するエネルギーよりも大き過ぎてしまい、ボールボンディング時にボールが潰れ過ぎ易いといった現象が観察された。またこうした高純度銅では、潰したボールが花弁状に潰れ易いといった現象も観察され、ボールが潰れやすい場合には、花弁状に潰れたボールの一部が、半導体素子上の４０μｍ角のアルミニウム電極開口部からはみ出し、電極開口枠のパッシベーション膜を破壊したり、隣接ボールや電極との電気的短絡を起こしたりするという問題があった。これを回避するためには、ボールの潰し径を抑制してアルミニウム電極の開口部内でボール接合するために、ボンダー側のボンディング条件であるツール下降速度、荷重、超音波出力等を低下させ、ボンディングエネルギーを下げて接合を行わなければならない。
しかしながら、ボンディングエネルギーを下げての接合では、ボール形状の潰れ過ぎは防ぐことができるのでアルミニウム電極開口部内に収まるとしても、肝心のアルミニウムと銅との拡散接合が十分広く均一に行われないことから、初期接合性が低下するという問題があった。かかる初期接合性の低下が発生すると、高温においては接合界面で成長する金属間化合物が部分的な成長に留まってカーケンダルボイドが発生し易くなり、更に高湿度が加わるＨＡＳＴにおいては、銅とアルミニウムとの金属間化合物の腐食によって電気抵抗が上昇するまでの時間が金線よりも短くなる、いわゆる寿命の低下が深刻な問題となっていた。
そこで、かかるボール接合時のボールの潰れ性を抑制し、かつ接合性を向上することを目的に、純度９９．９９％程度で酸素濃度が５ｐｐｍ以下の無酸素銅の使用も試みられた。無酸素銅の使用により、ボールは潰れ難くなり、潰れたボール径がアルミニウム電極の開口部内に収まって接合はできるようになったが、アルミニウム電極下の誘電体膜の損傷が発生した。そのため、損傷を回避しようと接合条件を和らげると、今度は従来型のエポキシコンパウンドを用いてのＨＡＳＴにおいてはやはり寿命は金線よりも短くなるという現象が観察された。更に高密度なパッケージで、使用する線径が１５μｍで、アルミニウムパッドの開口部が３０μｍ角しかない場合には、狙いの潰しボール径が２７μｍ以下となり、ボールの潰れ径を抑えるためにボンディングエネルギーを抑制しなければならず、寿命が低下する傾向はさらに顕著に観察された。
寿命を長くするためには、誘電体膜を損傷せずかつ十分なボンディングエネルギーを印加してアルミニウム電極の開口部内で銅とアルミニウムとの初期接合を十分に行い、高温においては金属間化合物の成長が均一で、かつその成長速度を遅くして接合面積の小ささによる電気抵抗の上昇を抑制し、さらに成長した金属間化合物がハロゲン元素等の腐食性元素に侵されない腐食耐性を有する必要がある。
ところで、接合時におけるボンディングエネルギーによる銅ボールの容易な潰れ変形を抑制するためには、銅の原子サイズとは異なるサイズを有する不純物原子を添加して加工硬化し易くする、いわゆる固溶硬化と呼ばれる強化法がある。かかる強化法を用いて、９９．９９９９％以上の高純度銅に種々の不純物元素を添加し、加工硬化を調整した場合、加工硬化を示す程度に不純物を添加すると、ボールボンディング時のボールのつぶれ変形によってボールが異常に硬化してアルミニウム電極の下の誘電体膜を損傷し易くなったり、単位面積あたりのシア強度が低下する初期接合性の悪化が生じたりするという問題があった。
そこで、本発明は、半導体素子組立に要求される、線径が１８μｍ以下の銅ワイヤを用いた直径３６μｍ以下のボール潰し径での接合において、ボンディング時のボールのアルミニウム電極への接触時の衝撃によりアルミニウム電極下の誘電体膜を損傷せず、更にボールが花弁状に潰れすぎることなくアルミニウム電極の開口部内で十分な初期接合を行うことができ、更に高温高湿試験ではボイドが発生することなく銅とアルミニウムの金属間化合物が均一に成長し、ＨＡＳＴでは成長した金属間化合物がハロゲン元素等の腐食性元素による腐食に対して耐性を有する銅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、本発明の一態様に係る銅ボンディングワイヤは、主成分が銅であって、硫黄が０．１質量ｐｐｍ以上３質量ｐｐｍ以下、パラジウムが４００質量ｐｐｍ以上５０００質量ｐｐｍ以下添加されたことを特徴とする。
これにより、硫黄を所定量添加することで、ボールボンディング時のボールつぶれ変形時の加工硬化を発生させるが、その加工硬化が過剰とならず、アルミニウム電極下への損傷を与えずに十分なボール接合を行うためのボールボンディングエネルギーを印加できるため、初期接合性が向上し、所定量のパラジウムを添加することで信頼性を高めることができる。
また、前記硫黄の添加量が０．１質量ｐｐｍ以上１質量ｐｐｍ以下、前記パラジウムの含有量が４００質量ｐｐｍ以上２０００質量ｐｐｍ以下であってもよい。
これにより、Ｌｏｗ−ｋの次の誘電体材料であり、Ｌｏｗ−ｋよりも脆弱なＵＬＫにおいても、アルミ電極下の構造を破壊せずに良好な形状を有するボールボンディングが可能となり、またＨＡＳＴ信頼性も改善される。
また、更に銀が５質量ｐｐｍ以上５０質量ｐｐｍ以下添加されてもよい。
これにより、高温での小ボールボンディングにおいてもボールが潰れにくくなるため、高温小ボール接合が可能となる。
また、線径が１８．０μｍ以下であってもよい。
本発明によれば、銅ボンディングワイヤの初期接合性を向上させることができる。
本実施例に係る銅ボンディングワイヤの評価を行うＨＡＳＴ装置の一例の概略構成を示した図である。 本実施例に係る銅ボンディングワイヤのボールボンディング部の断面の一例を示した図である。 凸状の押し込みの無いＵＬＫ膜にも使用できるボール断面形状の一例を示した図である。
以下、図面を参照して、本発明を実施するための形態の説明を行う。
本発明の実施形態に係る銅ボンディングワイヤは、銅を主成分として構成されたボンディングワイヤであり、硫黄が０．１質量ｐｐｍ以上３質量ｐｐｍ以下、パラジウムが４００質量ｐｐｍ以上５０００質量ｐｐｍ以下添加され、これらを添加成分として含有する。本実施形態に係る銅ボンディングワイヤの形状は、一般的なワイヤと同様の接続線の形状であるため、その外観の図示は省略する。なお、本実施形態に係る銅ボンデシィングワイヤの線径は、用途に応じて種々の大きさとしてよいが、例えば、１８．０μｍ以下の線径に構成されてもよい。本実施形態に係る銅ボンディングワイヤは、１８．０μｍ、１５．０μｍといった細い線径のボンディングワイヤに利用することができる。
硫黄の原子サイズは銅よりも非常に小さく、微量であれば銅に固溶し、塑性変形時には、硫黄原子の周囲に発生する格子歪のポテンシャルエネルギーによって転位の移動が妨げられるため、塑性変形には硫黄含有量に応じて高い変形エネルギーが必要となる。即ち、銅ボンディングワイヤにおける硫黄含有量は、塑性変形による加工硬化に強く影響する。銅ボンディングワイヤの硫黄含有量が０．１質量ｐｐｍ未満では加工硬化が現れず、小ボールボンディング時にボールは容易に押しつぶされてアルミニウム電極の開口部からはみ出したり、潰れ形状が花びら状になったりする。そして、銅ボンディングワイヤの硫黄含有量が３質量ｐｐｍを越えると、加工硬化が顕著に現れるようになる。特に、銅ボンディンングワイヤにパラジウムを４００質量ｐｐｍ以上５０００質量ｐｐｍ以下添加する場合には、ボールの加工硬化は極めて大きく、初期接合を十分に行おうと小ボールボンディング時にボンディングエネルギーを高めると、衝撃でアルミニウム電極下の誘電体膜が容易に損傷してしまう。
一方、銅ボンディングワイヤにパラジウムを４００質量ｐｐｍ以上５０００質量ｐｐｍ以下添加する場合に、硫黄含有量を０．１質量ｐｐｍ未満とすると、パラジウムの原子サイズは銅とさほど変わらないためか加工硬化が十分発揮されず、小ボールボンディング時にはボールが容易に潰れてしまったり、接合のための超音波エネルギーが十分に伝わらないためか初期接合性が低下してしまったりする。
銅ボンディングワイヤの硫黄含有量が０．１質量ｐｐｍ以上３質量ｐｐｍ以下の場合には、パラジウムを４００質量ｐｐｍ以上５０００質量ｐｐｍ以下で添加しても加工硬化が過剰となる箇所がなく、ボールボンディング時のアルミニウム電極下の誘電体膜は損傷しにくい。よって、本実施形態に係る銅ボンディングワイヤは、パラジウムが４００質量ｐｐｍ以上５０００質量ｐｐｍ以下で添加される場合には、硫黄添加量は、０．１質量ｐｐｍ以上３質量ｐｐｍ以下に構成されることが好ましい。
銅ボンディングワイヤにパラジウムを４００質量ｐｐｍ未満で添加した場合には、ブロムやアンチモンを含む従来型の樹脂を用いたＨＡＳＴでは、パラジウムを添加しないものに比べて寿命が長くなる効果は発現されない。一方、パラジウムの添加量が５０００質量ｐｐｍを越えると、ボールの初期接合性が低下する。また、初期接合性を高めるためにボンディングエネルギーを高めると、アルミニウム電極下の誘電体膜が損傷する。よって、本実施形態に係る銅ボンディングワイヤが含有するパラジウムの濃度は、４００質量ｐｐｍ以上５０００質量ｐｐｍ以下とするのが好ましい。
硫黄を０．１質量ｐｐｍ以上１質量ｐｐｍ以下とし、かつパラジウムを４００質量ｐｐｍ以上２０００質量ｐｐｍ以下とした場合には、加工硬化はボールボンディング時に十分な初期接合性を与える程度までしか上昇しない。よって、従来型のＬｏｗ−ｋ膜よりも脆弱なＵＬＫに対するボールボンディングでも、誘電体の損傷が無く良好な初期接合性が得られ、かつＨＡＳＴでは高信頼性が発現される。
銅ボンディングワイヤへの銀の添加は、５質量ｐｐｍ以上の添加により、２００℃といった高温でのボールボンディングにおける加工硬化によるボールボンディング時の過剰なつぶれ変形を低減させる効果を現す。このように、本実施形態に係る銅ボンディングワイヤは、銀が添加され、銀を含有するように構成されてもよい。一方、銀の含有量が５０ｐｐｍを超えると、加工硬化が過剰となってアルミニウム電極下の誘電体損傷が発生してしまうため、銀の含有量は５０質量ｐｐｍ以下とするのが好ましい。よって、本実施形態に係る銅ボンディングワイヤにおいては、銀の含有量は５質量ｐｐｍ以上５０質量ｐｐｍ以下であることが好ましい。なお、本実施形態に係る銅ボンディングワイヤにおいては、銀の添加は必須ではなく、必要に応じて行うようにしてよい。
銅ボンディングワイヤ表面や内部の酸素は、ＨＡＳＴの信頼性を低下させることが知られている。つまり、本実施形態に係る銅ボンディングワイヤにおいて、酸素の含有量は少ない方が好ましい。硫黄を０．１質量ｐｐｍ以上３質量ｐｐｍ以下、パラジウムを４００質量ｐｐｍ以上５０００質量ｐｐｍ含有する本実施形態に係る銅ボンディングワイヤでは、燃焼法によるＬＥＣＯ社製の酸素濃度計で計測される酸素濃度として３質量ｐｐｍ以下の酸素しか含有していなければ、ＨＡＳＴの信頼性は著しく向上する。長期間の保管において表面が多少酸化しても、３質量ｐｐｍ以下であれば高信頼性は維持されるが、３ｐｐｍを超えるとＨＡＳＴの信頼性が低下するため、酸素濃度は３質量ｐｐｍ以下であることが好ましい。
また、銅ボンディングワイヤ表面や内部の塩素もＨＡＳＴの信頼性を低下させることが知られている。つまり、本実施形態に係る銅ボンディングワイヤにおいて、塩素の含有量は少ない方が好ましい。硫黄を０．１質量ｐｐｍ以上３質量ｐｐｍ以下、パラジウムを４００質量ｐｐｍ以上５０００質量ｐｐｍ以下含有する本実施形態に係る銅ボンディングワイヤでは、グロー放電質量分析による塩素量が３質量ｐｐｍ以下の塩素しか含有していなければ、ＨＡＳＴの信頼性は著しく向上する。銅ボンディングワイヤを製造する伸線工程の途中で長期間保管し、これを製品化するために表面が酸化してしまったワイヤの表面を希塩酸等の酸洗浄により酸化膜を除去して、これをボンディングワイヤの中間材として使用して引き続き伸線加工を施し、製品表面へ多少塩素が残留してしまっても、塩素の含有量が３質量ｐｐｍ以下であれば高信頼性が維持される。しかしながら、塩素の含有量が３質量ｐｐｍを超えると、ＨＡＳＴの信頼性が低下する。よって、本実施形態に係る銅ボンディングワイヤの塩素濃度は３質量ｐｐｍ以下であることが好ましい。
表１に本発明の実施例と、比較例との成分分析値を示す。表１において、実施例１〜１２に係る銅ボンディングワイヤの成分組成と、比較例１〜１１に係る銅ボンディングワイヤの成分組成が各々示されている。成分としては、硫黄、パラジウム、銀及び酸素と塩素が示されている。
Figure 0005403702
 硫黄濃度については、グロー放電質量分析（ＧＤＭＳ）による硫黄分析値が０．０１質量ｐｐｍ未満の高純度電気銅と、硫黄が添加され、ＧＤＭＳによる硫黄分析値が３．７質量ｐｐｍのＪＩＳ合金番号Ｃ１０１１無酸素銅とを、所定の硫黄濃度となるように重量を調整して調合した。パラジウム、銀の濃度については、純度９９．９９％以上のショット粒の重量と、上述の調合した銅の重量とから算出される所定の濃度となるように重量を調整して調合した。銀のように、Ｃ１０１１無酸素銅に不可避不純物として含有されているものがある場合には、その含有量を含めて所定の濃度なるようにショット粒の重量を調整した。そして、真空溶解連続鋳造炉において、純度９９．９９％以上の高純度カーボンルツボ内に、銅と、パラジウムを含んだ添加する金属のショット粒とを入れ、溶解チャンバー内を真空度１×１０−４Ｐａ以下に保持して高周波溶解を行った。溶湯温度１２００℃、保持時間１０分以上で十分に脱ガスした後、窒素ガスで溶解チャンバー内を大気圧に戻し、連続鋳造によって直径８ｍｍに鋳造し銅鋳造線材とした。
次に、この線材を、伸線ダイスを用いて直径約１ｍｍまで縮径し、更に引き続き直径約２００μｍまで縮径して、途中酸洗浄を行う場合には、この線径で連続的に行った。一旦、５％水素・９５％窒素のフォーミングガス雰囲気中で、線速５０ｍ／ｍｉｎで線材の再結晶以上の温度で連続焼鈍を施して軟化させた後、更に直径１８μｍ又は１５μｍまで縮径し、伸び率が約１０％となる温度で５％水素・９５％窒素のフォーミングガス雰囲気焼鈍し、ワイヤ試料とした。塩素濃度は、酸洗浄後の水洗浄時間や洗浄流速などの方法で調整し、酸素濃度は、最終線径での連続焼鈍におけるフォーミングガスの供給量で調整した。
酸素を除く各成分の濃度分析については、ワイヤ試料をアルミニウム製キャップに挿入し、２０ｔプレスを用いて平板状にしたものを測定試料とした。測定前に装置内で約１時間の予備放電を行い、試料表面を数ミクロン程度除去した後、除去面をグロー放電質量分析法にて測定した。酸素濃度については、燃焼法を用いたＬＥＣＯ社製酸素濃度計によって測定した。
こうして種々の成分濃度に作製したワイヤ試料を、ボンディングワイヤとして用いるため、ボンディングテストを実施してその特性評価を行った。ボンディングテストは、ワイヤボンダ（キューリック＆ソファ社製の「ＩＣｏｎｎ」）を使用し、５％水素・９５％窒素のフォーミングガスを用いて、電気放電によって線径１８μｍでは直径２８μｍのボールを、線径１５μｍでは直径２３μｍのボールを形成した。
ボールボンディング評価用の半導体素子としては、組成が９９．５％Ａｌ・０．５％Ｃｕで厚さ０．８μｍのアルミニウム電極と、アルミニウム電極とシリコン層との間に５０ｎｍ厚のチタン層と５０ｎｍ厚の酸化シリコン層とを有する半導体素子を用いた。銅線用アルミニウムパッドの厚さは通常３μｍであり、厚さ０．８μｍのアルミニウム電極でチタン層と酸化シリコン層に損傷がないボンディング条件下では、厚さ３μｍのアルミニウム電極下に形成される４層からなるＬｏｗ−ｋ層にも損傷しないことは確認されている。
表１において、実施例１〜１２に係る銅ボンディングワイヤは、総て硫黄濃度が０．１質量ｐｐｍ以上３質量ｐｐｍ以下、パラジウム濃度が４００質量ｐｐｍ以上５０００質量ｐｐｍ以下、酸素濃度が３質量ｐｐｍ以下、塩素濃度が３質量ｐｐｍ以下となっており、上述の本実施形態に係る銅ボンディングワイヤの条件を満たしている。一方、銀濃度については、実施例４〜６、１０〜１２に係る銅ボンディングワイヤが５質量ｐｐｍ以上５０質量ｐｐｍ以下の範囲内にあり、その他の実施例１〜３、７〜９に係る銅ボンディングワイヤは、５質量ｐｐｎ未満となっている。実施形態において説明したように、銀を添加含有することは必須ではないので、銀を５質量ｐｐｍ以上５０質量ｐｐｍ以下の範囲で添加した場合の実施例４〜６、１０〜１２と、添加していない場合の実施例１〜３、７〜９の両方の実施例が存在することになる。
一方、表１において、比較例１〜１１に係る銅ボンディングワイヤは、硫黄濃度、パラジウム濃度、銀濃度、酸素濃度及び塩素濃度のうち、少なくともいずれか１つの項目が本実施形態に係る銅ボンディングワイヤの所定の範囲内にない。具体的には、比較例１〜４に係る銅ボンディングワイヤは、硫黄濃度が０．１質量ｐｐｍ未満で所定範囲内になく、比較例１０、１１に係る銅ボンディングワイヤは、硫黄濃度が３質量ｐｐｍより大きく、硫黄濃度の所定範囲を満たさない。また、比較例５〜８、１１に係る銅ボンディングワイヤは、パラジウム濃度が４００質量ｐｐｍ未満で所定範囲内になく、比較例４、９に係る銅ボンディングワイヤは、パラジウム濃度が５０００質量ｐｐｍより大きく所定範囲内にない。つまり、比較例１２、１３に係る銅ボンディングワイヤ以外の比較例１〜１１に係る銅ボンディングワイヤは、硫黄濃度又はパラジウム濃度が所定範囲内にない。
表２に、ワイヤ試料を用いてボール形状、ボール潰し形状、単位面積あたりシア強度、チップクラック、パッド下損傷、ＨＡＳＴの評価を行なった結果を示す。表２において、各評価項目について、ＯＫは「○」、ＮＧは「×」として示している。
Figure 0005403702
 ボール形状の評価は、ワイヤボンダに搭載されているボール形成プログラムを使用してボールを２００個作製し、全てのボールが真球状に形成された場合をＯＫ、ボール底部が伸張したイチゴ形状ボールや楕円体となった場合やボール底部に引け巣の穴が開いたボールが２００個中１個でも発生した場合をＮＧと判定した。
ボール潰し形状の評価は、ボンディング時のワイヤボンダのトランスデューサの振動方向をＹ方向、その直角方向をＸ方向とし、Ｘ方向の潰しボール直径の平均値Ｄｘと、その標準偏差Ｓｘと、アルミニウムパッドの開口部幅Ｗが、|Ｗ−Ｄｘ|／３／Ｓｘ＞０．７５を満たすように、かつＹ方向の直径の平均値Ｄｙと、その標準偏差Ｓｙと、アルミニウムパッドの開口部幅Ｗが、|Ｗ−Ｄｙ|／３／Ｓｙ＞０．７５を満たすように超音波出力と時間を調整してボールボンディングした。ボールつぶれ径の上限規格と下限規格の差を４μｍと設定しての工程能力指数である４μｍ／３／（Ｓｘ＋Ｓｙ）の値が１．３３以上となる場合をＯＫ、未満となる場合をＮＧとした。なお、Ｗは４０．０μｍ、平均直径Ｄ（＝（Ｄｘ＋Ｄｙ）／２）は３５〜３６μｍである。但し、試料番号７−Ｓについては、線径が１５μｍであり、Ｗは３０．０μｍ、平均直径Ｄは約２７μｍであり、工程能力指数を計算するためのボールつぶれ径の上限規格と下限規格の差は３μｍとした。
単位面積あたりシア強度については、デイジ社のボンドテスター５０００を用いて、ワイヤボンダのトランスデューサの振動方向であるＹ方向にワイヤボンディングされたワイヤ５０本のボールシア強度を測定した。各平均直径Ｄから計算される円の面積を接合面積とみなし、各ボールのシア強度を各接合面積で除した値を単位面積あたりシア強度とし、この単位面積あたりシア強度が１１ｋｇ／平方ｍｍ以上である場合をＯＫ、１１ｋｇ／平方ｍｍ未満となった場合をＮＧとした。（表２では、「シア強度」と表示している。）
チップクラック評価には、デイジ社のボンドテスター５０００を用いて、ワイヤ中央にフックを掛けて引っ張って２００本のワイヤのスティッチプル破壊試験を行い、破壊モードのうち、チップが損傷してチップの欠けが発生した場合をＮＧとした。（表２では、「チップ損傷」と表示している。）
アルミニウムパッド下損傷については、各ワイヤ試料を用いて超音波熱圧着ボールボンディングを行った後に、水酸化カリウム水溶液で銅ボールごとアルミニウムを洗い流し、アルミニウム電極下のＴｉ膜やＳｉ層の損傷具合を観察し、いずれか一方にひび割れ・欠け等の損傷が２００個中１個でも発生した場合をＮＧと判定した。（表２では、「パッド下損傷」と表示している。）
図１は、本実施例に係る銅ボンディングワイヤの評価を行うＨＡＳＴ装置の一例の概略構成を示した図である。信頼性に関しては、図１に示されるＨＡＳＴ装置で評価した。図１において、ＨＡＳＴ装置は、試料となる銅ボンディングワイヤ１０と、ボール２０と、半導体素子３０と、アルミニウム電極４０と、アルミニウム配線４１と、銀めっき付きリード５０と、封止エポキシ樹脂６０と、抵抗測定器７０とを備える。
ＨＡＳＴ装置は、隣接する２個のアルミニウム電極４０がアルミニウム配線４１で連結されて電極対を構成している。半導体素子３０の周辺に配置されているボンダーを用いて、アルミニウム電極４０側をボールボンディングし、銅製リードフレームの銀めっき付きリード５０の先端の銀めっき電極をスティッチボンディングし、ワイヤ１０、アルミニウム電極４０、ワイヤ１０、銀めっき、ワイヤ１０、アルミニウム電極２０、と続くいわゆる数珠繋ぎ配線のデイジーチェーンを形成している。そして、デイジーチェーンの抵抗値を、抵抗測定器７０で測定できるように構成されている。これをＢｒやＳｂを含有する封止エポキシ樹脂６０でモールドして個片試料とし、この個片試料を温度１３０℃、気圧０．２ＭＰａ、湿度８５％、バイアス２０Ｖの環境で４００時間および４５０時間放置した後、通電テストにて１５組すなわちボールボンディング接合部３０個分の平均電気抵抗が高温放置前の２０％以上上昇した場合をＮＧと判断した。（表２では、それぞれ「ＨＡＳＴ４００」「ＨＡＳＴ４５０」と表示している。）
表２に示す本評価で重要な項目は、小さな開口部内でボール接合するためのボールつぶし形状、Ｌｏｗ−ｋ膜などの低誘電体材料を損傷しないためのプル試験損傷とパッド下損傷、従来の４Ｎ純度のベア銅線よりも高い信頼性を得るための４５０時間のＨＡＳＴである。なお、表２において、ＯＫの場合は「○」、ＮＧの場合は「×」で評価結果を示している。
表２に示すように、実施例１〜１２では、それら総ての項目で評価は良好であった。比較例１〜１３では、ボールは花弁状となりボール潰し形状がＮＧ、また４５０時間のＨＡＳＴがＮＧであった。比較例１７から２０では信頼性は従来の４Ｎ純度ベア銅線と同等であったが、４５０時間のＨＡＳＴはＮＧであった。比較例９と比較例１０では、ボールの加工硬化が大きすぎてプル試験損傷とパッド下損傷でＮＧとなり、超音波接合エネルギーを下げたために初期接合性が不十分ともなり４５０時間のＨＡＳＴはＮＧとなった。比較例１１では、ボールの加工硬化が大きすぎてプル試験損傷とパッド下損傷でＮＧとなり、４００時間のＨＡＳＴもＮＧとなった。
次に、各試料のボールボンディング部について、日立ハイテクノロジーズ製イオンミリング装置を使用して加工し、ワイヤの長手軸を含むように断面を作製した。
図２は、本実施例に係る銅ボンディングワイヤのボールボンディング部の断面の一例を示した図である。本実施例に係る銅ボンディングワイヤ１０の各試料について、ボール２０とアルミニウム電極４０との接合界面を観察した結果、図２のようにボール２０の底部の接合部がアルミニウム電極４０側に凸状に押し込んでいる凸状押し込み８０がある試料が観察された。こうした凸状押し込み８０があると、低誘電体膜としてＵＬＫ膜を使用したパッド下回路はボールボンディング時に完全に破壊されるため、こうした銅ボンディングワイヤ１０はＵＬＫ膜には使用できない。
図３は、凸状の押し込みの無いＵＬＫ膜にも使用できるボール断面形状の一例を示した図である。図３において、アルミニウム電極４０とボール２０との接合断面が示されているが、図２に示すような凸状押し込み８０は存在せず、ボール２０の底面は平坦な形状となっている。このような、凸状押し込み８０の存在しないボール断面形状が形成される銅ボンディングワイヤ１０は、ＵＬＫ膜にも使用することができる。
ボール２０によるアルミニウム電極１０側への凸状押し込み８０の有無を調査した結果、実施例２、３、５、６、１２に係る銅ボンディングワイヤ１０では凸状押し込み８０が観察されたが、実施例１、４、７、８、９、１０、１１に係る銅ボンディングワイヤ１０では凸状押し込み８０は観察されなかった。実施例２、３、５、６、１２に係る銅ボンディングワイヤ１０はＬｏｗ−ｋ膜向け、実施例１、４、７、８、９、１０、１１に係る銅ボンディングワイヤ１０はＵＬＫ膜への使用も可能な塑性変形を示すワイヤとなっている。
このように、本実施例に係る銅ボンディングワイヤ１０は、Ｌｏｗ−ｋ膜をアルミニウム電極４０の下の誘電体膜として用いた場合にも使用することができ、更に成分調整を行うことにより、ＵＬＫ膜にも使用することができる。
本発明に係る銅ボンディングワイヤによれば、ボールボンディング時にボールが潰れすぎて花弁状になって隣接ボールとの電気的短絡を発生させたり、潰れたボールがアルミニウムパッド開口部周辺のパッシベーション膜へ接触してパッシベーション膜を破壊したりすることが無く、開口部内で十分な余裕を持ってボールボンディングが可能である。また、ボールが潰れすぎないために銅ボールとアルミニウムパッドとの接合面積を十分取るための超音波エネルギーを印加することが可能だが、潰しボールによるパッド構造の損傷が発生しない。さらに、従来の４Ｎ純度のベア銅線に比べて高いＨＡＳＴの信頼性を示す。脆弱なＬｏｗ−ｋ膜材料やＵＬＫ膜材料を用いたアルミニウム電極へも、安価な銅ワイヤの適用が可能となるなど、半導体産業界での利用価値は多大である。
以上、本発明の好ましい実施例について詳説したが、本発明は、上述した実施例に制限されることはなく、本発明の範囲を逸脱することなく、上述した実施例に種々の変形及び置換を加えることができる。
本発明は、半導体素子上の電極と外部電極とを接続するために用いるボンディングワイヤ等のワイヤに利用することができる。
１０ 銅ボンディングワイヤ
２０ ボール
３０ 半導体素子
４０ アルミニウム電極
４１ アルミニウム配線
５０ 銀めっき付きリード
６０ 封止エポキシ樹脂
７０ 抵抗測定器
８０ 凸状押し込み

Claims (4)

  1. 主成分が銅であって、硫黄が０．１質量ｐｐｍ以上３質量ｐｐｍ以下、パラジウムが４００質量ｐｐｍ以上５０００質量ｐｐｍ以下添加されたことを特徴とする銅ボンディングワイヤ。
  2. 前記硫黄の添加量が０．１質量ｐｐｍ以上１質量ｐｐｍ以下、前記パラジウムの添加量が４００質量ｐｐｍ以上２０００質量ｐｐｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の銅ボンディングワイヤ。
  3. 更に銀が５質量ｐｐｍ以上５０質量ｐｐｍ以下添加されたことを特徴とする請求項１又は２に記載の銅ボンディングワイヤ。
  4. 線径が１８．０μｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の銅ボンディングワイヤ。
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