JPH0785484B2 - 半導体装置 - Google Patents

半導体装置

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JPH0785484B2
JPH0785484B2 JP61165563A JP16556386A JPH0785484B2 JP H0785484 B2 JPH0785484 B2 JP H0785484B2 JP 61165563 A JP61165563 A JP 61165563A JP 16556386 A JP16556386 A JP 16556386A JP H0785484 B2 JPH0785484 B2 JP H0785484B2
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wire
ball
bonding
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道雄 佐藤
功 鈴木
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Toshiba Corp
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Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の目的〕 （産業上の利用分野） 本発明は、半導体のチップ電極と外部引出し用リードフ
レームのインナーリード部とをワイヤボンディングした
半導体装置に関する。
（従来の技術） 一般に、トランジスタ,IC（集積回路）,LSI（大規模集
積回路）の如き半導体装置としては、例えば第２図に示
す構造のものが知られている。ダイフレームの上に半導
体チップであるペレット２をダイボンディングし、この
ペレット２の電極とリードフレーム３とをボンディング
ワイヤ４で電気的に接続した後、これを樹脂５でモール
ディングすることにより形成される。
前記ボンディングワイヤとしては、熱圧着法あるいは超
音波併用熱圧着法によりボンディングするφ20〜100μ
ｍの金、超音波法によりボンディングするφ25〜50μｍ
のアルミニウム合金（例えばAl−１％Si,Al−１％Mg）
とφ100〜500μｍの高純度アルミニウム（99.99％以
上）が用いられている。
現在、金ワイヤは普及タイプのICやLSIに用い、アルミ
ニウムワイヤはサーディブ型またはパワートランジスタ
用にと使いわけられている。
最近、集積度の増加に伴う多ピン化の傾向によつて、金
ワイヤのコストを無視することが出来なくなっている。
そのため、ボンディングワイヤを高価な金から比較的安
価な銅に変更することが検討されている。また銅は金に
比べ材料コストが大幅に低減する他に導電率が高く細線
化が可能で、さらにアルミニウム電極との金属間化合物
が生成しにくく、接合部の高温強度が優れている等の特
徴を有している。
銅ワイヤを用いたボンディングは、アルゴン、窒素、水
素等の還元ガス雰囲気中で、電気トーチによる放電ある
いは酸水素炎による加熱により銅ワイヤを溶融してボー
ルを形成し、このボールをアルミニウム電極にキャピラ
リで超音波を印加しながら接合する。この時、銅ボール
の表面が侵入空気によって酸化し、さらに形成されたボ
ールが金あるいはアルミニウムに比べて硬すぎるため、
半導体チップの損傷あるいはボンディング強度不足によ
るワイヤの剥離など発生する場合がある。そこで、銅を
硬くしているS,O,Se,Te等の不純物元素を低減した高純
度の銅ワイヤ（99.99％以上）を用いて上述の欠点を解
消する試みがなされているが、良好な結果は得られてい
ない。
また銅ワイヤによって配線されたトランジスタ、IC及び
LSIは、一般に経済性や量産性の点で優れている樹脂封
止（例えばエポキシ樹脂、シリコン樹脂）して使用され
る。しかしながら、樹脂封止型素子はボンディングワイ
ヤが直接樹脂に含まれた状態になっているため、動作中
の発熱によってボンディングワイヤには引張応力が加わ
る。これはモールド樹脂（エポキシ樹脂:22〜30×10-6/
℃）とボンディングワイヤ（銅:17×10-6/℃）及びリー
ドフレーム（42合金:4.5×10-6/℃）の熱膨張係数が大
きく異なるためで、高温雰囲気になると相互間の熱膨張
差によってボンディングワイヤには引張応力が作用す
る。このような動作中の発熱冷却により生ずる繰返し引
張応力が長時間にわたってボンディングワイヤである高
純度銅に作用すると、アルミニウム電極上に接合した銅
ボール直上部の結晶粒界からクラックが発生してクリー
プ破断する。またアルミニウム電極との接合部にはせん
断応力が作用し、接合界面からワイヤが剥離し、配線の
オープン不良を引き起こすことがある。
（発明が解決しようとする問題点） 本発明はこのような問題を解決するためになされたもの
で、クリープ強さが良好でかつボンディング性の優れた
銅ワイヤを用いた信頼性の高い半導体装置を提供するこ
とを目的とする。
〔発明の構成〕
（問題点を解決するための手段） そこで本発明者等は、上述の問題点に対して鋭意検討を
重ねた結果、銅ワイヤのクリープによる結晶粒界破断
は、銅ワイヤの再結晶に伴う高温強度の低下が大きな要
因で、また銅ボールの硬化要因の１つは、ボール形成時
に銅ボール中に侵入する空気中の酸素によって酸化銅
（Cu2O）が形成されるためであることを見い出し、本発
明を完成するに到った。
すなわち、本発明は半導体チップとの接続にワイヤボン
ディングを用いた半導体装置において、前記ワイヤボン
ディング素材として、Zr,Hf,Ti,Cr及びMnから選択され
た１種または２種以上の元素を20〜560ppm（wt ppm以下
同）含有し、かつSb,P,Li,Sn,Pb及びCdから選択された
１種または２種以上の元素を25〜250ppm又はAs,Zn,K,S
r,Mg,Ca及びTlから選択された１種または２種以上の元
素を10〜650ppm含有し、さらにＳ≦1ppm,O≦2ppm含有
し、残部がCuからなるワイヤ材を用いることを特徴とす
る半導体装置である。
（作用） 次に本発明で規定する各元素の効果と含有量の限定理由
について説明する。
Zr,Hf,Ti,Cr及びMnは微量の添加で転位の回復と再結晶
時の粒界移動を遅らせて再結晶温度を高め、銅ワイヤの
粒界破断を防止する効果を発揮するが、あまり多いと銅
中に固溶あるいは析出して著しく強度が増大し、銅ボー
ルが硬化して半導体チップに損傷を与え、かつ接合強度
が低下して銅ボールが剥離し易くなる。したがって、添
加量は20〜560ppmとした。好ましくは30〜450ppm、さら
に好ましくは50〜350ppmである。
またSb,P,Li,Sn,Pb及びCdは銅ボール形成時の侵入酸素
と反応して酸化物を生成し、これが銅ボール中から蒸発
するため、銅ボールを軟化する効果がある。その効果を
充分に得るためには25ppmを超える添加が必要となる
が、250ppmの添加は銅ボール中に未反応の元素が残存
し、ボール硬度を高め、ボール変形能が低下するので、
25〜250ppmの範囲とした。好ましくは35〜200ppm、さら
に好ましくは50〜150ppmである。
またAs,Zn,K,Sr,Mg,Ca及びTlは銅ボール形成時に銅中か
ら気化してボール中への酸素混入を阻止し、ボール硬化
を防ぐ効果がある。その効果を充分に得るためには10pp
mを超える添加が必要となるが、650ppmの添加は銅ボー
ル中に未反応の元素が残存し、ボール硬度を高め、ボー
ル変形能が低下するので、10〜650ppmの範囲とした。好
ましくは20〜500ppm、さらに好ましくは30〜300ppmであ
る。
上記Sb,P,Li,Sn,Pb及びCdの各元素、またはAs,Zn,K,Sr,
Mg,Ca及びTlの各元素は、それぞれの群の元素の含有で
本発明の目的を達成することができるが、それらの両方
の群の元素を各々含有しても良い。
さらに本発明においてボンディング性を改善するために
は、銅中に不純物として含有しているＳ及びＯ量を減少
させることが有効である。第１図は、オージェ電子分光
装置（AES）で銅ボール表面から深さ方向のＳおよびＯ
の分布状態を測定した結果である。銅中のＳ及びＯは、
第１図に示すように形成されたボール表面に濃化偏析す
るため、ボンディング性の劣化を招く。このためＳ≦1p
pm,O≦2ppmとした。
上記本発明の半導体装置の製造方法の一例としては、ま
ずボンディングワイヤの製造方法の一例としては、例え
ば、ゾーンメルティング法によって得た純度99.999wt％
以上の高純度銅を素材として、真空溶解により各含有元
素を添加したインゴットを作製する。そして、前記イン
ゴットを冷間引抜加工などの各種加工および焼鈍を繰返
して、意図するボンディングワイヤを得る。そして、前
記ボンディングワイヤを用いて常法により半導体装置を
製造する。
（実施例） 以下、具体的な実施例に基づいて本発明を説明する。
ゾーンメルディング法によって得た純度99.999wt％の高
純度銅を素材として、第１表に示すように、純度99.9wt
％以上の各種元素を添加した試料を真空溶解により作製
した。φ20mmの各鋳塊を面削し、1mmまで冷間引抜き
後、400℃で1hr焼鈍し、さらに引抜き加工によりφ25μ
ｍの細線とした。次に線材を300℃で等温焼鈍を行な
い、試料とした。
得られた試料を用い、アルゴンと水素の混合還元ガス雰
囲気中で電気アークによりボールを形成し、半導体チッ
プ上のアルミニウム電極と、Agメッキを施した銅リード
フレームにボンディングを行なった後、電極部との接合
強度をプッシュ・テストで測定した。またワイヤを剥離
した電極面を塩酸でエッチングし、チップ損傷の有無を
光学顕微鏡で調べた。これらの結果を第２表に示す。
ところで、第１表に示す比較例についても、実施例と同
様に試料を作成して、それぞれ本発明例に対応する試験
を行なった。
第２表の結果から明らかなように、本発明の実施例は比
較例に比べ接合強度が高く、しかもチップ損傷は発生し
ていないことから優れたボンディング性を有しているこ
とが確認された。
次に配線した半導体素子を樹脂封止し、高温放置試験
（200℃×500hr）と温度サイクル試験（−65℃×30min
→25℃×5min→200℃×30minを100サイクル実施）を行
なった。その結果を第２表に示す。この表から明らかな
ように、本発明の実施例にはワイヤ剥離さらにワイヤ断
線は認められず、優れたボンディング性及びクリープ強
さを有していることが確認された。
〔発明の効果〕 以上説明したように本発明は、再結晶を抑制する銅合金
を半導体素子のボンディングワイヤとして用いるので、
温度サイクルによって発生する引張応力の負荷によるク
リープの破断寿命が大幅に向上する。またボール中への
酸化物の混入がなく、軟らかいボールが形成できるの
で、接合強度が向上し、チップ損傷が防止できる。この
ように、本発明によれば、温度変化に対して長時間にわ
たって安定した性能を発揮し、かつ良好なボンディング
性を有する半導体装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
第１図は銅ボール表面からの不純物分布曲線図、第２図
は樹脂封止型ICを示す概略断面図である。 ２……ペレット、３……リードフレーム ４……ボンディングワイヤ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭61−20694（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−113740（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−124960（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−20693（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−99646（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−127437（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−127438（ＪＰ，Ａ)

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】半導体チップとの接続にワイヤボンディン
    グを用いた半導体装置において、前記ワイヤボンディン
    グ素材として、Zr,Hf,Ti,Cr及びMnから選択された１種
    または２種以上の元素を20〜560ppm（wt.ppm,以下同
    じ）含有し、かつSb,P,Li,Sn,Pb及びCdから選択された
    １種または２種以上の元素を25〜250ppmまたはAs,ZN,K,
    Sr,Mg,Ca及びTlから選択された１種または２種以上の元
    素を10〜650ppm含有し、さらにＳ≦1ppm,O≦2ppm含有
    し、残部がCuからなるワイヤ材を用いることを特徴とす
    る半導体装置。
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