JPH09275120A - 半導体装置 - Google Patents

半導体装置

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JPH09275120A
JPH09275120A JP8289096A JP8289096A JPH09275120A JP H09275120 A JPH09275120 A JP H09275120A JP 8289096 A JP8289096 A JP 8289096A JP 8289096 A JP8289096 A JP 8289096A JP H09275120 A JPH09275120 A JP H09275120A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 本発明の目的は、半導体素子上に形成した銅
または銅合金の回路配線の電極部との接続用細線または
バンプにおいて、良好な接合性が確保され、安価で、電
気伝導性に優れた接続材料を用いた半導体装置を提供す
ることにある。 【解決手段】 銅電極との接合において、良好な接合性
および信頼性を得るために、半導体素子上に形成した銅
または銅合金の回路配線の電極部と、その素子が搭載さ
れている回路基板の配線部またはリードフレームとの端
子とを接続する細線またはバンプ形成において、純銀細
線、またはＰｔ，Ｐｄ，Ｃｕの少なくとも１種を含有す
る銀合金細線を使用することを特徴とする半導体装置。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体素子上の電
極と外部への導通をとるための端子との接続を、金属細
線およびバンプ（金属突起）により電気的に接続してい
る半導体装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】現在半導体素子上の電極と外部リードと
の間を電気的導通を得るための接続としては、ボンディ
ングワイヤと呼ばれる金属細線が主として使用されてい
る。金属細線の先端をアーク放電によりボール状に形成
し、このボールを半導体素子の電極上に圧着接合した後
に、さらに細線を外部端子側に超音波接続する方法であ
る。通常、半導体素子は、リードフレーム上または回路
基板上に搭載されている。現在、この細線の材料として
は、金または金合金が主流である。
【０００３】ＩＣチップの小型化、薄型化による半導体
実装への要求により、ワイヤレスボンディング方式の採
用が進んでいる。ＴＡＢ（Tape Automated Bonding）方
式では、ポリイミド樹脂テープとその上に接着した銅箔
回路により形成され、ＴＡＢのリード部とＩＣチップの
電極部との接合は、バンプと呼ばれる金属突起物を介し
て接合される。このバンプとしては、ＬＳＩチップの電
極部にメッキ法により形成した金バンプが主に用いられ
ている。またフリップチップ方式では、ＬＳＩチップを
フェースダウンで回路基板に接続するもので、この方式
においても、電極部ではバンプを介した接続が主流であ
る。
【０００４】ワイヤ方式において信頼性が確認されてい
る金合金細線によってバンプを形成するスタッドバンプ
方式が提案されている。これは、通常のワイヤボンディ
ングと同様に、金細線の先端に形成したボール部を、電
極パッドに接合した後に、ワイヤを上方に強制的に引張
り、ネック部で破断することによりバンプを形成するも
のである。
【０００５】最近の半導体素子の高集積化により、回路
配線もハーフミクロン以下の領域での実用化において
は、従来の配線材料であるアルミニウムおよびアルミニ
ウム合金では限界が指摘されている。極細化により電流
密度が上昇するため、エレクトロマイグレーションまた
はストレスマイグレーションなどに起因する断線などの
不良が問題視されている。代替材料として、銅または銅
合金の回路配線が有力視されているが、実用化までは至
らず、量産レベルでの生産性および信頼性などの確認が
進んでいる。
【０００６】金細線を用いたアルミ電極との接合におい
ては、高温環境下における接合部の長期信頼性の低下な
どが問題視されている。接合界面での金／アルミの金属
間化合物の成長に伴い、ボイドの発生による接合強度の
低下、あるいはその化合物が封止樹脂中の難燃成分によ
り腐食反応を起こして電気抵抗の増加などの不良が問題
となることがある。
【０００７】銅配線の電極部へのワイヤ接合による実装
に関しては、量産レベルでの信頼性の評価も含めた評価
の報告例はほとんどないのが現状である。銅配線の電極
部への接続において、その銅の電極表面の酸化膜およ
び、回路配線工程におけるエッチングなどに伴う汚染ま
たは残留物などが、接合時に悪影響を及ぼすことが懸念
されている。
【０００８】従来のアルミ電極への金細線の接合には超
音波振動を印加して、アルミ酸化膜などの破壊を促進し
ている。現在の細線用材料として主流である高純度の金
において、ボール部が軟らかいため、接合時にボール変
形が容易に進行して、酸化膜が厚い場合などは酸化膜を
破壊させるのが困難である。そこで、ボール部の硬度を
上昇させるために金中に元素添加して合金化の手段があ
るが、ボールの真球性が低下したり、細線の電気抵抗の
増加が懸念される。
【０００９】銅または銅合金の電極部への実装に使用さ
れる、細線およびバンプ材料として、金よりも低コスト
で、使用性能および信頼性の高い材料が望まれている。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】銅または銅合金の回路
配線の電極部へのワイヤ接合に関しては、接合性の向上
および長期の接合信頼性の確保するための材料開発が大
きな課題となる。
【００１１】そこで本発明は、半導体素子上に形成した
銅または銅合金の回路配線の電極部との電気的導通を得
るための接続用細線またはバンプにおいて、銅配線と良
好な接合性が確保され、安価で、電気的伝導性に優れた
接続材料を用いた半導体装置を提供することを目的とす
る。
【００１２】
【課題を解決するための手段】金細線の代替として材料
費の安い材料としては、回路配線と同一材料としての銅
および、現在もセラミックスパッケージなどの一部の半
導体装置で使用されているアルミニウムが考慮される
が、両者とも、細線先端でのアーク放電を大気中で行う
と、容易に酸化するため、真球性の高い良好なボールを
得ることが困難であることが判った。不活性ガスを流し
た状態でボールを形成すると、酸化はある程度抑制する
ことは可能であるが、ランニングコストは高くなり、安
全性の管理も考慮すると、実用面での課題が多い。ま
た、銅ボールは酸化を抑制しても硬化しており、接合時
の半導体素子へのダメージが問題となり、またアルミニ
ウムでは接合界面での化合物層の成長による信頼性の低
下が懸念される。
【００１３】本発明者等は、銅または銅合金の回路配線
の電極部との接合性および信頼性を中心に検討した結
果、細線用材料として銀が有効であることを見出した。
銀は大気中でのボール形成でも、真球の良好なボールが
容易に得られ、電気伝導性も金よりも高い値を示す。さ
らに、本発明者等は半導体素子上の配線が現状のアルミ
ニウムの場合でも比較した結果、銀細線とアルミニウム
電極との接合部が高温環境に曝されたときに、接合強度
が著しく低下する現象を確認している。すなわち、高い
信頼性を確保するためには、銀細線と銅電極との接合が
必要であることが判明した。
【００１４】また、銀細線を用いて、銅電極上に形成し
た銀のスタッドバンプの接合においても、良好な信頼性
が認められた。さらに、銅電極との接合性の向上およ
び、樹脂封止時のワイヤ変形の抑制においては、銀細線
中にＰｔ，Ｐｄ，Ｃｕの少なくとも１種を０．００５〜
７重量％の範囲で含有することが有効であることが判明
した。
【００１５】すなわち、本発明は上記知見に基づくもの
であって高い接合信頼性を実現する半導体装置として、
以下の構成を要旨とする。 （１）半導体素子上に形成した銅または銅合金の回路配
線の電極部と、その素子が搭載されている回路基板の配
線部またはリードフレームとの端子とを、純度９９．９
重量％以上の銀よりなる細線およびスタッドバンプによ
り電気的接続することを特徴とする半導体装置。 （２）半導体素子上に形成した銅または銅合金の回路配
線の電極部と、その素子が搭載されている回路基板の配
線部またはリードフレームとの端子とを、Ｐｔ，Ｐｄ，
Ｃｕの少なくとも１種を０．００５〜７重量％の範囲で
含有し、残部を銀および銀の不可逆的不純物からなる銀
合金細線および銀合金スタッドバンプを使用することを
特徴とする半導体装置。
【００１６】
【発明の実施の態様】以下に、半導体装置に関する本発
明の構成についてさらに説明する。金細線／銅電極の接
合では金ボールの方が容易に変形して、銅表面の酸化膜
の破壊させるのが困難な場合がある。これは弾性変形お
よび塑性変形を推定する目安となる物性値として弾性率
Ｅおよび剛性率Ｇで比較してみると、銅ではそれぞれ１
２．９８×１０10Ｐａ（パスカル）、４．８３×１０10
Ｐａであるのに対し、金では７．８０×１０10Ｐａ、
２．７０×１０10Ｐａと低いことからも金の方が先に変
形する可能性を示唆している。それに対し、銀のＥおよ
びＧは８．２７×１０10Ｐａ、３．０３×１０10Ｐａと
金よりも約１割高い値を示している。さらに、本発明者
等は銀ボール部の圧縮試験により、銀は金と比較して３
割程度も変形低抗が高いことを確認している。これは、
銀では大気中でのボール形成の溶融時に酸化が少し進行
することにより、ボール部が硬くなり、接合性の向上が
はかれていると考える。しかしボール形状に悪影響を及
ぼすほどの酸化ではなく、真球性は保たれている。さら
に放電条件により凝固組織に関連した凹凸が表面に認め
られる場合もあり、酸化膜の破壊および銅の新生面の露
出による良好な接合を得るのに有効に作用している可能
性も考えられる。
【００１７】従来より、金／アルミの接合部では金属間
化合物の生成と関連したボイド生成などによる信頼性低
下が指摘されており、また本発明者等の研究では銀／ア
ルミの接合部では金属間化合物の生成により接合強度が
著しく低下し、加熱したのみでシリコン基板との界面で
の剥離することも観察している。銅電極の接合相手とし
て銀ボール部を選定すると、加熱試験でも強度の低下は
認められず、長期信頼性が確保されていることが判明し
た。二元系状態図をみても銀／銅の系では熱平衡的には
化合物は存在しないことからも推察されるように、高温
に保持されたとき銀と銅の相互拡散が進行するが、界面
に形成されるのは銀／銅の拡散層のみであり、強度の低
下は認められない。
【００１８】通常の半導体装置では、外部への接続のた
めに半導体素子がリードフレーム、ＴＡＢテープ、およ
び回路基板（外部基板と総称）などに搭載されて使用さ
れており、これらの外部端子と、半導体素子上の銅また
は銅合金の回路配線との電気的接続を得るために銀細線
が使用されるものである。ここで、銀細線の素材として
純度９９．９重量％以上としたのは、工業的に入手が可
能であり、電気伝導性を確保しているためであり、また
銀中に含有する不純物において接合性への悪影響を及ぼ
すものがあるという理由に基づくものである。
【００１９】銅表面の酸化膜が厚く形成されていたり、
銅が合金化されており薄膜の硬度が高い場合などは、高
純度の銀ボールでは十分な接合性を確保することが困難
な場合があり、銀中にＰｔ，Ｐｄ，Ｃｕの少なくとも１
種を０．００５〜７重量％の範囲で含有することによ
り、接合性が向上することを確認した。これは前述した
物性値である弾性率および剛性率をみても、高純度の銀
では銅と比べてまだ小さいため、Ｐｔ，Ｐｄ，Ｃｕを含
有することにより機械的特性を高めて、銅電極との接合
性を向上させるものである。ここで含有量を上記範囲と
定めたのは、０．００５重量％未満では接合性の向上の
効果が小さく、一方７重量％を超えると、ボール形成時
の真球性が低下して、形状が扁平なものが発生するとい
う理由に基づくものである。さらに好ましくは、Ｐｔ，
Ｐｄ，Ｃｕの含有量を０．０１０〜７重量％の範囲とす
ることにより、より高い接合信頼性を得ることができ
る。これは、０．０１０重量％以上では、接合部におけ
るＡｇ／Ｃｕの拡散層の成長促進においてより高い効果
が得られるためである。
【００２０】また、ＴＡＢテープやフリップチップなど
の実装に使用されるバンプ接続では、半導体素子と基板
の配線部とを数十μｍのバンプ部のみを介して接続する
構造であるため、樹脂、シリコン、金属などの材料の違
いによる熱膨張差などに起因して、外部ストレスが加わ
りやすい。またバンプ接合部における外力に対する許容
範囲は、ワイヤ接続の場合の接合部と比較しても狭いと
いえる。すなわち、バンプ接続においては接合部の信頼
性はより高いものが要求され、接合の組合せとして、銀
バンプと銅電極との接合は望ましい。
【００２１】前述したように、銀／銅の接合では信頼性
に悪影響を及ぼすような化合物は形成されず、高温保持
において接合界面に形成される銀／銅の拡散層により、
接合強度はむしろ増加する傾向にある。金属間化合物の
成長がなく、界面に形成される銀／銅の拡散層により、
接合強度はむしろ増加する傾向にある。
【００２２】ここで、前述した理由から、純度９９．９
重量％以上の銀細線、あるいはＰｔ，Ｐｄ，Ｃｕの少な
くとも１種を０．００５〜７重量％の範囲で含有する銀
合金細線を用いて、銅電極上にスタッドバンプを形成す
ることにより、高信頼性を有する半導体装置を提供する
ことが可能となる。
【００２３】
【実施例】以下、実施例について説明する。銀純度が約
９９．９重量％以上の電解銀と、合金化のためには各添
加元素の母合金の所定量を添加して、表１に示す化学成
分の銀合金を高周波真空溶解炉で溶解鋳造した。その鋳
塊を圧延した後に常温で伸線加工を行い、最終線径が２
５μｍの銀合金細線とした後に、大気中で連続焼鈍して
伸び値が約４％になるように調整した。得られた銀細線
について、ボール形状、封止後のワイヤ流れ、さらに接
合強度に関して接合初期および加熱後の変化などを調べ
た結果を表１に併記した。
【００２４】市販の高速自動ボンターを使用して、アー
ク放電によりワイヤ先端に作製した銀合金ボールを走査
型電子顕微鏡で観察し、ボール形状が異常なもの、ボー
ル先端部において収縮孔の発生が認められるものなど半
導体素子上の電極に良好な接合ができないものを△印、
ボール形成が良好であるものを○印で示した。接合強度
の評価については、半導体素子上に形成した銅電極に銀
ボール部を超音波接合し、銅電極の３μｍ上方で冶具を
平行移動させて剪断破断強度を読みとるシェアテスト法
で測定し、５０本の破断荷重の平均値を測定した。さら
に銀ボールを銅電極に接合した半導体装置を樹脂封止し
ない状態で、窒素ガス中において２００度で２００時間
加熱処理した後に、５０本のシェアテストの平均値によ
り接合強度の変化を測定した。
【００２５】樹脂封止後のワイヤ流れの測定に関して
は、ワイヤのスパンとして４．０mmが得られるようボン
ディングした半導体素子が搭載されたリードフレーム
を、モールディング装置を用いてエポキシ樹脂で封止し
た後に、軟Ｘ線非破壊検査装置を用いて樹脂封止した半
導体素子内部をＸ線投影し、前述したワイヤ曲がりと同
等の手順によりワイヤ流れが最大の部分の流れ量を８０
本測定し、その平均値をワイヤのスパン長さで除算した
値（百分率）を封止後のワイヤ流れと定義した。また、
バンプ形成としては、高速自動ボンダーにより、ワイヤ
ボンディングと同様にして、前述の銀ボールをシリコン
チップ上に配線している膜厚の１μｍの高純度アルミ電
極膜上に超音波併用熱圧着法により接合した後に、上方
でワイヤを強制的に引張ることにより、ワイヤをネック
部で破断させることにより作製した。
【００２６】表１において、実施例１，１５は本発明の
請求項１記載の発明に係る銀細線、実施例１５は請求項
１記載の銀バンプに係わるもの、実施例２〜１４は請求
項２記載の発明に係る銀細線であり、実施例１６，１７
は請求項２記載のバンプ接合の結果である。ここでバン
プ接合に関しては、ワイヤ流れの測定は実施していな
い。
【００２７】高純度銀の結果である実施例１，１５のシ
ェア強度は４０gf以上であり、金細線を銅電極に接合し
た場合の結果である比較例１と比較しても５gf以上高
く、加熱後もシェア強度は上昇していた。銀／アルミの
接合について比較するために、半導体素子上の電極材料
としてアルミを用い、アルミ電極上に高純度の銀線を接
合した場合の結果を示したのが比較例９であり、接合直
後は十分な強度が得られるものの、加熱するとシェア強
度が著しく低下することが確認された。
【００２８】Ｐｔ，Ｐｄ，Ｃｕの少なくとも１種を０．
００５〜７重量％の範囲で含有する実施例２〜１４で
は、シェア強度が５０gf以上が確保されており、良好な
接合性が確認された。その中でも、含有量が０．０１０
重量％未満の範囲である実施例２，５，１０では、シェ
ア強度は加熱後に上昇するものの６０gf以下であるが、
それ以外の実施例では、加熱により１０gf程度増加して
おり、信頼性がさらに向上していることが確認された。
また、含有量が７重量％以上の比較例４〜８では、ボー
ル先端に引け巣が観察された。
【００２９】請求項３の含有量の下限値である０．００
５重量％未満の範囲である比較例２，３では、純銀の実
施例１と同程度の接合性は確保されていたが、５０gf以
下であり、Ｐｔ，Ｐｄ，Ｃｕの添加効果を活用するには
０．００５重量％以上の含有が必要である。
【００３０】
【表１】
【００３１】
【発明の効果】以上説明したように、本発明に係わる純
銀または銀合金の細線およびバンプを使用して、銅また
は銅合金の電極部の上に接合することにより、高い接合
信頼性を有する半導体装置を提供することができる。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 // Ｈ０１Ｌ 21/321 Ｈ０１Ｌ 21/92 ６０３Ａ ６０４Ｊ

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 半導体素子上に形成した銅または銅合金
    の回路配線の電極部と、その素子が搭載されている回路
    基板の配線部またはリードフレームとの端子とを、純度
    ９９．９重量％以上の銀よりなる細線およびスタッドバ
    ンプにより電気的接続をすることを特徴とする半導体装
    置。
  2. 【請求項２】 半導体素子上に形成した銅または銅合金
    の回路配線の電極部と、その素子が搭載されている回路
    基板の配線部またはリードフレームと端子との電気的接
    続において、Ｐｔ，Ｐｄ，Ｃｕの少なくとも１種を０．
    ００５〜７重量％の範囲で含有し、残部を銀および銀の
    不可避的不純物からなる銀合金細線および銀合金スタッ
    ドバンプを使用することを特徴とする半導体装置。
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