JPWO2006057230A1 - 半導体素子用Ａｕボンディングワイヤ - Google Patents

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Abstract

Auマトリックスと機能性元素とからなるAu合金であって、該Auマトリックスが、微量添加元素としてBeを３〜１５質量ｐｐｍ、Caを３〜４０質量ｐｐｍ、Laを３〜２０質量ｐｐｍを含有し、或いはこれらに加えてさらに微量添加元素として、Ce及び／又はEuを３〜２０質量ｐｐｍ、Mg、Si及びGaの中から選ばれる少なくとも１種を３〜２０質量ｐｐｍ、或いはSb、Sn及びBiの中から選ばれる少なくとも１種を３〜８０質量ｐｐｍ、さらにYを３〜２０質量ｐｐｍの１以上の組み合わせにより含有することにより、ボンディングワイヤの線径が２３μｍ以下であってもワイヤフローに耐える剛性を有し、かつ該Au合金の圧着ボールの真円度が０．９５〜１．０５である半導体素子用Auボンディングワイヤ。

Description

本発明は、半導体の集積回路素子上の電極と回路配線基板の外部リードを接続するために使用する半導体素子用Auボンディングワイヤに関し、更に詳しくは圧着ボールの真円度が向上された半導体素子用Auボンディングワイヤに関する。
従来から半導体装置に用いられるＩＣチップ電極と外部リードを接続する線径１５〜３０μｍ程度の線としては、ボンディングワイヤの強度が優れていることから、純度９９．９９質量％以上の高純度金に微量の元素を添加した極細線が多用されている。通常半導体素子用Auボンディングワイヤを接続する方法として第一ボンドでは、超音波併用熱圧着ボンディング法が主として用いられ、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ボール部を圧着接合せしめ、その後で直接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。トランジスタやＩＣ等の半導体装置として使用するためには、前記のボンディングワイヤによるボンディングの後に、Ｓｉチップ、ボンディングワイヤ、およびＳｉチップが取り付けられた部分のリードフレーム等を保護する目的で、エポキシ樹脂で封止する。
最近は半導体装置の小型化、高密度化の要求が高まる中で、ＩＣチップの多ピン化及びこれに伴う狭ピッチ化に対応するため、Auボンディングワイヤの細線化が要求されている。特に半導体装置の一層の高集積化および小型化、薄型化および高機能化に伴い、半導体装置の大きさが小さくなっている。それに伴って、ボンディングパッドの大きさも１００μｍ角から４０μｍ角へと小さくなってきている。ボンディングワイヤの細線化によるワイヤ自身の絶対的な剛性の低下、ボンディングパッド間隔の狭小化による隣接するワイヤ同士のショートを回避するために、ボンディングワイヤには高い破断応力を持つことが要求されている。また、ボンディングパッドの間隔も狭くなった場合、隣接する圧着ボール同士の接触を防止するためにボンディングワイヤには圧着ボール径のバラツキが小さいことが要求されている。
従来のボンディングワイヤにおいては、破断応力と圧着径のバラツキが相反する特性をもつため、この２つの特性を両立できなかった。ワイヤ同士の接触を防ぐためにワイヤ強度を高くすると、圧着ボール径のバラツキが大きくなって圧着ボールが接触してしまう。逆に圧着ボール径のバラツキを小さくするためにワイヤ強度を低くすると、モールド時のワイヤフローが大きくなりワイヤ同士が接触してしまう。このように相反する特性を持つため高密度実装の実現が図れなかった。
前記のワイヤボンディングに関する文献を例示すると、以下のとおりである。
特公平２−１２０２２号公報 特許第３１４３７５５号公報 特開平５−１７９３７５号公報 特開平６−１４５８４２号公報 特開平７−３３５６８６号公報 特開２００４−２２８８７号公報
本発明は、ボンディングワイヤの線径が２３μｍ以下へと細くなっても、圧着ボールが優れた真円度をもって形成され、かつワイヤフローに耐えうる破断応力を有する半導体素子用Auボンディングワイヤを提供することをその課題とする。
本発明者は、上記の課題を解決するため鋭意研究を重ねた結果、本発明を完成するに至った。
すなわち、本発明によれば、以下に示す半導体素子用Auボンディングワイヤが提供される。
（１）Auマトリックスと機能性元素とからなるAu合金からなり、該Auマトリックスが、Beを３〜１５質量ｐｐｍ、Caを３〜４０質量ｐｐｍ、Laを３〜２０質量ｐｐｍ含有し、該Au合金の圧着ボールの真円度が０．９５〜１．０５であることを特徴とする半導体素子用Auボンディングワイヤ。
（２）Auマトリックス機能性元素とならなるAu合金からなり、該マトリックスが、Beを３〜１５質量ｐｐｍ、Caを３〜４０質量ｐｐｍ、Laを３〜２０質量ｐｐｍ含有し、該Au合金がCe及び／またはEuを３〜２０質量ｐｐｍ含有することを特徴とする半導体素子用Auボンディングワイヤ。
（３）Auマトリックスと機能性元素とからなるAu合金からなり、該Auマトリックスが、Beを３〜１５質量ｐｐｍ、Caを３〜４０質量ｐｐｍ、Laを３〜２０質量ｐｐｍ含有し、該Au合金がMg、Si、及びGaの中から選ばれる少なくとも1種を３〜２０質量ｐｐｍ含有することを特徴とする 半導体素子用Auボンディングワイヤ。
（４）Auマトリックスと機能性元素とからなるAu合金からなり、該Auマトリックスが、Beを３〜１５質量ｐｐｍ、Caを３〜４０質量ｐｐｍ、Laを３〜２０質量ｐｐｍ含有し、該Au合金がSb、Sn及びBiの中から選ばれる少なくとも1種を３〜８０質量ｐｐｍ含有することを特徴とする半導体素子用Auボンディングワイヤ。
（５）Auマトリックスと機能性元素とからなるAu合金からなり、該Auマトリックスが、Beを３〜１５質量ｐｐｍ、Caを３〜４０質量ｐｐｍ、Laを３〜２０質量ｐｐｍ含有し、該Au合金が、Mg、Si、及びGaの中から選ばれる少なくとも１種を３〜２０質量ｐｐｍ及びYを３〜２０質量ｐｐｍ含有することを特徴とする半導体素子用Auボンディングワイヤ。
（６）Auマトリックスと機能性元素とからなるAu合金からなり、該Auマトリックスが、Beを３〜１５質量ｐｐｍ、Caを３〜４０質量ｐｐｍ、Laを３〜２０質量ｐｐｍ含有し、該Au合金が、Mg、Si、及びGaの中から選ばれる少なくとも１種を３〜２０質量ｐｐｍ、及びCe及び／又はEuを３〜２０質量ｐｐｍ含有することを特徴とする半導体素子用Auボンディングワイヤ。
（７）Auマトリックスと機能性元素とからなるAu合金からなり、該Auマトリックスが、Beを３〜１５質量ｐｐｍ、Caを３〜４０質量ｐｐｍ、Laを３〜２０質量ｐｐｍ含有し、該Au合金が、Sb、Sn及びBiの中から選ばれる少なくとも１種を３〜８０質量ｐｐｍ、及びCe及び／又はEuを３〜２０質量ｐｐｍ含有することを特徴とする半導体素子用Auボンディングワイヤ。
（８）Auマトリックスと機能性元素とからなるＡｕ合金からなり、該Auマトリックスが、Beを３〜１５質量ｐｐｍ、Caを３〜４０質量ｐｐｍ、Laを３〜２０質量ｐｐｍ含有し、該Au合金が、Mg、Si、及びGaの中から選ばれる少なくとも１種を３〜２０質量ｐｐｍ、及びCe及び／又はEuのうち少なくとも１種を３〜２０質量ｐｐｍさらにYを３〜２０質量ｐｐｍ含有することを特徴とする半導体素子用Auボンディングワイヤ。
（９）該Auマトリックスに含有されるAuの純度が９９．９９質量％以上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素子用Auボンディングワイヤ。
（１０）該Au合金ワイヤの圧着ボールの真円度が０．９５〜１．０５の範囲にあり、かつ該Au合金のワイヤの破断応力が２３ｋｇ／ｍｍ2以上であることを特徴とする（２）〜（９）のいずれかに記載の半導体素子用Auボンディングワイヤ。
（１１）線径が２３μｍ以下であることを特徴とする（１）〜（１０）のいずれかに記載の半導体素子用Auボンディングワイヤ。
本発明における圧着ボールの真円度は、次のとおり定義される。
すなわち、極細線のボンディングワイヤから溶融ボールをつくってボールボンディングした際の圧着径を圧着方向から見た場合、ボンディングマシンからの超音波の印加方向をY軸とし、Y軸に直交する軸をX軸とし、圧着径のX軸及びY軸の最大値をX軸の値（xi）とY軸の値（yi）とする。そして、ボンディング装置によって２００本を第一ボンドとし、それぞれのX軸の測定値（xi）とY軸の測定値（yi）を求める。そして、この２００本のうちから任意の５０本を選択し、その５０本についてそれぞれX軸の測定値（xi）をY軸の測定値（yi）で除したときの計算値を求める。最後にこの５０個の計算値の平均値を圧着ボールの真円度とした。
本発明における破断応力は、連続伸線にて作製した極細線のボンディングワイヤを４００〜５００℃で熱処理にて伸び率４％に調質したときの引張り試験における破断強度を該ワイヤの断面積で除した値を破断応力とする。
本発明の半導体素子用Auボンディングワイヤは、Auマトリックスと機能性元素とからなる合金からなるもので、その線径が２３μm以下の細い線径になっても、ワイヤ自身の絶対的な剛性を高めたまま圧着ボールの真円度の効果を併せ持たせることができる。その結果、第一ボンドにおけるボンドにおける面積が狭くてすみ、高密度実装を行っても隣接するワイヤがショートすることはない。
本発明の半導体素子用Auボンディングワイヤにおいて、そのAuマトリックスは、BeとCaとLaとAuからなる。本発明のAuマトリックスに用いられるＡｕは高純度金であって、その純度は９９．９９質量％以上、好ましくは９９．９９９質量％以上である。これまで、前記のAuマトリックスは、純金マトリックスを硬くして剛性を増すことで知られていた。しかし、ボンディングワイヤの線径が２５μmから２３μmへと細くなっていくと、これらの既知のAuマトリックスを用いたAu合金は硬くなりすぎて半導体チップが割れやすくなるという欠点を有していた。
本発明者は、多種類の元素を添加しても硬さと剛性の安定しているAuマトリックスを探求したところ、Be、Ca及びLaを合計で７５質量ｐｐｍ以下、好ましくは５９質量ｐｐｍ以下含有するAuマトリックスが他の添加元素（機能性元素）に対して硬さと剛性の点で安定していることがわかった。Be、La及びCaは、いずれも純金に対して溶融ボールの形状をいびつにしやすい元素であるが、このAu−Be−Ca−LaマトリックスにおいてはBeが主に硬さを増す働きを有し、Be、LaおよびCaがいずれも剛性を増す働きを有し、Caが主に全体のバランスとる働きを有する。これらの働きを明瞭にさせるためBeとCaとLaの純度は各々９９質量％以上、好ましくは９９．９質量％以上が良い。
本発明によるこのAu−Be−Ca−Laマトリックス（Auマトリックス）は、該微量元素（Be、Ca及びLa）の含有量を所定の範囲に定めると、圧着ボールの真円度を向上させることがわかった。その含有量は、ワイヤを形成するAu合金の全体の質量に対してBeは３〜１５質量ｐｐｍ、Caは３〜４０質量ｐｐｍ、そしてLaは３〜２０質量ｐｐｍの範囲であり、好ましくは、Beは７〜１３質量ｐｐｍ、Caは７〜３０質量ｐｐｍ、Laは８〜１６質量ｐｐｍの範囲である。Be、CaまたはLaがそれぞれ３質量ｐｐｍ未満では、ボンディングワイヤにしたときの絶対的な剛性が低くなり、樹脂モールドの際にボンディングされたワイヤが樹脂の流れに耐えられなくなってしまう。これをワイヤフローという。特に線径を２３μｍ以下に細くした時はこのワイヤフローの傾向が大きく現れる。Beが１５質量ｐｐｍを越えて添加されると、ワイヤを熱処理して４％に調質する際にワイヤ強度が低下してしまう。Caが４０質量ｐｐｍを超え、あるいは、Laが２０質量ｐｐｍを超えて添加されると、ボールボンディングにおける圧着ボールの変形が不安定になり、圧着ボール径のバラツキが大きくなってしまう。
Auマトリックス中に含まれるこれらの微量元素の合計量は９質量ｐｐｍ以上、好ましくは２２質量ｐｐｍ以上である。
このAu−Be−Ca−Laマトリックスに対し機能性元素としてCeまたはEuを微量に添加したAu−Be−Ca−La −Ce合金及びAu−Be−Ca−La−Eu合金は、いずれも、微量元素の含有量を所定の範囲に定めると、破断応力が向上し、かつ、圧着ボールの真円度が向上した。その含有量は、Au合金の全体の質量に対してBeは３〜１５質量ｐｐｍ、Caは３〜４０質量ｐｐｍ、そしてLaは３〜２０質量ｐｐｍの範囲であり、好ましくはBeは７〜１３質量ｐｐｍ、Caは７〜３０質量ｐｐｍ、Laは８〜１６質量ｐｐｍ範囲である。Be、CaまたはLaがそれぞれ３質量ｐｐｍ未満では、ボンディングワイヤの絶対的な剛性が低くなり、ワイヤフローに耐えられなくなってしまう。特に線径を２３μｍ以下に細くした時はこの傾向が大きく現れる。Beが１５質量ｐｐｍを超えて添加されると、ワイヤを熱処理して４％に調質する際にワイヤ強度が低下してしまう。Caが４０質量ｐｐｍを超え、あるいは、Laが２０質量ｐｐｍを超えて添加されると、ボールボンディングにおける圧着ボールの変形が不安定になり、圧着ボール径のバラツキが大きくなってしまう。
機能性元素であるCeまたはEuの純度は、９９質量％以上、好ましくは９９．９質量％以上である。その含有量は、ワイヤを形成するＡｕ合金全体の質量に対して３〜２０質量ｐｐｍ、好ましくは８〜１６質量ｐｐｍの範囲である。CeまたはEuは、Au−Be−Ca−La四元合金中において微量に分散し、著しく破断応力を向上させることができる元素であることがわかった。また、CeまたはEuのもつ破断応力を向上させる効果は、機能性元素としてSiやMgやGa、あるいはSbやSnやBi、あるいはYの微量元素を共添加しても、CeまたはEuの破断応力の向上効果に対してその影響を受けにくいことがわかった。しかし、CeまたはEuが３質量ｐｐｍ未満では、破断応力の向上効果が十分ではなく、また、CeまたはEuが２０質量ｐｐｍを超えて添加されると、圧着ボールのバラツキが大きくなる。そこで、CeまたはEuの範囲を上記の通り定めた。
このAu−Be−Ca−Laマトリックスに対し機能性元素としてMg、SiまたはGaを微量で添加したAu−Be−Ca−La−Mg合金、Au−Be−Ca−La−Si合金またはAu−Be−Ca−La−Ga合金は、微量元素の含有量を所定の範囲に定めると、破断応力が向上し、かつ、圧着ボールの真円度が向上した。その含有量は、ワイヤを形成するAu合金の全体の質量に対してMgは３〜２０質量ｐｐｍ、Siは３〜２０質量ｐｐｍ、そしてGaは３〜２０質量ｐｐｍの範囲であり、好ましくは、Mgは７〜１８質量ｐｐｍ、Siは７〜１８質量ｐｐｍ、そしてGaは７〜１８質量ｐｐｍの範囲である。Mg、SiまたはGaがそれぞれ３質量ｐｐｍ未満では、真円度を向上する効果がなくなってしまう。Mgが２０質量ｐｐｍを超え、Siが２０質量ｐｐｍを超え、あるいは、Gaが２０質量ｐｐｍを超えて添加されると、ボールボンディングにおける圧着ボールの変形が不安定になり、圧着ボール径のバラツキが大きくなってしまう。そこで、Mg、SiまたはGaの範囲を上記の通り定めた。
Mg、SiまたはGaの純度は各々が９９質量％以上、好ましくは９９，９質量％以上である。Mg、SiまたはGaは、Au−Be−Ca−Laマトリックス中において微細に分散し、著しく圧着ボールの真円度を向上させることができる元素であることがわかった。またMg、Si、またはGaのもつ真円度を向上させる効果は、Ce、EuあるいはYの微量元素を共添加してもその影響を受けにくいことがわかった。
この、Au−Be−Ca−Laマトリックスに対し機能性元素としてSn、SbまたはBiを微量に添加したAu−Be−Ca−La−Sn合金、Au−Be−Ca−La−Sb合金及びAu−Be−Ca−La−Bi合金は、いずれも微量元素の含有量を所定の範囲に定めると、破断応力が向上し、かつ、圧着ボールの真円度が向上することがわかった。Au合金マトリックス中の含有量は、ワイヤを形成するAu合金の全体の質量に対してSbは３〜８０質量ｐｐｍ、Snは３〜８０質量ｐｐｍ、そしてBiは３〜８０質量ｐｐｍの範囲であり、好ましくはいずれも３０〜６０質量ｐｐｍの範囲である。Sn、SbまたはBiがそれぞれ３質量ｐｐｍ未満及び８０質量ｐｐｍ以上添加されると、圧着ボールの真円度を強固に形成する効果が十分でなくなり、ボールボンディングにおける圧着ボールの変形が不安定になって圧着ボール径のバラツキが大きくなってしまう。
Sn、SbまたはBiの純度は９９質量％以上、好ましくは９９．９質量％以上である。Sn、SbまたはBiは、Au−Be−Ca−Laマトリックス中において微細に分散し、著しく圧着ボールの真円度を向上させることができる元素であることがわかった。また、Sn、SbまたはBiのもつ圧着ボールの真円度を向上させる効果は、Ce、Euの微量元素を共添加しても、その影響を受けにくいことがわかった。
なお、本発明のAuマトリックスに対する全微量元素の合計は、１００ｐｐｍ以下、好ましくは２０〜９０ｐｐｍの範囲が好ましい。「９９．９９質量％以上のＡｕ」と表示できるほか、Auマトリックス中の分散性が良いためワイヤの線径を２５μｍから２３μｍへと細くしていっても安定した真円度が得られるからである。
ワイヤの線径は、２５〜５μｍ、好ましくは２３〜８μｍにするのがよい。
次に、本発明を実施例により説明する。
実施例１〜５３
純度９９．９９９質量％の高純度Ａｕに微量元素として表１に記載の数値（質量ｐｐｍ）になるように配合し、真空溶解炉で溶解鋳造した。これを伸線加工して、線径が２５μｍ、２２μｍ、２０μｍ及び１５μｍのところで最終熱処理し、伸び率を４％に調整した。この極細線を半導体チップ上の６０μｍ角のAlパッドへ大気中でボールボンディングによって第一ボンドをしたところ、第一ボンドではすべてのボールが６０μｍ角のAlパッド内に形成されていた。その評価結果を表2に示す。
比較例１〜２２
実施例において、微量元素の成分組成を表３に示したものに変化させた以外は同様にして熱処理極細線を得た。この極細線を実施例と同様にして評価した。その結果を表４にあわせて示す。
なお、「破断応力」の評価は、以下のとおり行った。純度９９．９９９質量％の高純度Auに微量元素として表１に記載の数値（質量ｐｐｍ）になるように配合し、真空溶解炉で溶解鋳造した。これを伸線加工して、線径が２５μｍ、２２μｍ、２０μｍ及び１５μｍのところで最終熱処理し、伸び率を４％に調整したワイヤを１０ｃｍ長に切り出し、各１０本引っ張り試験し、その平均値を求めることで評価した。平均値が２３ｋｇ／ｍｍ2以上のものをA印で、２０ｋｇ／ｍｍ2以上２３ｋｇ／ｍｍ2未満のものをB印で、２０ｋｇ／ｍｍ2未満のものをC印で示した。
「圧着ボールの真円度」の評価は、上記のようにして得られたワイヤを、Siチップ上のAl電極（Al厚：約１μｍ）に第一次ボンディングをし、その後Agめっきされた４２アロイからなるリードとの間で第二次ボンディングをして結線した。その際、スパンは３ｍｍとし、本数は２００本とし、結線したワイヤの内、任意の５０本のワイヤを用いて評価した。超音波の印加方向に平行方向の圧着径及び垂直方向の圧着径を測定し、その比が０．９５〜１．０５の範囲にあるものをA印、０．９０〜１．１０の範囲にあるもの（０．９５〜１．０５の範囲にあるものを除く。）をB印で、その他の範囲にあるものをC印で示した。
「総合評価」は、上記２つの評価のうち、Aが２つ以上のものを特に良好としてA印で、Aが１つでCがないものを良好としてB印で、A及びCがないものを普通としてC印で、Cが１つでもあるものを不良としてD印でそれぞれ示した。
上記の結果から明らかなように、本発明のAu合金ボンディングワイヤは微量元素の添加量が規定値内であれば、極細線の線径が２３μｍ以下になっても満足のいくボンディング効果が得られることがわかる。これに対し従来のAu合金ボンディングワイヤの場合は、微量元素の添加量が規定値外だったり、線径が２３μｍ以下であったりした場合、満足のいくボンディング効果が得られないことがわかる。
Figure 2006057230
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Figure 2006057230
Figure 2006057230
Figure 2006057230
Figure 2006057230
本発明者は、上記の課題を解決するため鋭意研究を重ねた結果、本発明を完成するに至った。
すなわち、本発明によれば、以下に示す半導体素子用Ａｕボンディングワイヤが提供される。
（１） Ａｕマトリックスと機能性元素とからなるＡｕ合金からなり、該ＡｕマトリックスがＢｅを３〜１５質量ｐｐｍ、Ｃａを３〜４０質量ｐｐｍ、Ｌａを３〜２０質量ｐｐｍ、残部がＡｕからなるＡｕ合金であり、該Ａｕ合金の圧着ボールの真円度及び該Ａｕ合金ワイヤの破断応力を向上したことを特徴とする半導体素子用Ａｕボンディングワイヤ。
（２） Ａｕマトリックスと機能性元素とからなるＡｕ合金からなり、該Ａｕマトリックスが、Ｂｅが３〜１５質量ｐｐｍ、Ｃａを３〜４０質量ｐｐｍ、Ｌａを３〜２０質量ｐｐｍ、残部がＡｕからなるＡｕ合金であり、該機能性元素としてＣｅ及び／又はＥｕを３〜２０質量ｐｐｍ含有し、該Ａｕ合金の圧着ボールの真円度及び該Ａｕ合金ワイヤの破断応力を向上したことを特徴とする半導体素子用Ａｕボンディングワイヤ。
（３） Ａｕマトリックスと機能性元素とからなるＡｕ合金からなり、該Ａｕマトリックスが、Ｂｅが３〜１５質量ｐｐｍ、Ｃａを３〜４０質量ｐｐｍ、Ｌａを３〜２０質量ｐｐｍ、残部がＡｕからなるＡｕ合金であり、該機能性元素としてＭｇ、又はＳｉから選ばれる少なくとも１種を３〜２０質量ｐｐｍ含有し、該Ａｕ合金の圧着ボールの真円度及び該Ａｕ合金ワイヤの破断応力を向上したことを特徴とする半導体素子用Ａｕボンディングワイヤ。
（４） Ａｕマトリックスと機能性元素とからなるＡｕ合金からなり、該Ａｕマトリックスが、Ｂｅが３〜１５質量ｐｐｍ、Ｃａを３〜４０質量ｐｐｍ、Ｌａを３〜２０質量ｐｐｍ、残部がＡｕからなるＡｕ合金であり、該機能性元素として、Ｓｎを３〜８０質量ｐｐｍ含有し、該Ａｕ合金の圧着ボールの真円度及び該Ａｕ合金ワイヤの破断応力を向上したことを特徴とする半導体素子用Ａｕボンディングワイヤ。
（５） Ａｕマトリックスと機能性元素とからなるＡｕ合金からなり、該Ａｕマトリックスが、Ｂｅが３〜１５質量ｐｐｍ、Ｃａを３〜４０質量ｐｐｍ、Ｌａを３〜２０質量ｐｐｍ、残部がＡｕからなるＡｕ合金であり、該機能性元素としてＭｇ又はＳｉから選ばれる少なくとも１種を３〜２０質量ｐｐｍ及びＹを３〜２０質量ｐｐｍ含有し、該Ａｕ合金の圧着ボールの真円度及び該Ａｕ合金ワイヤの破断応力を向上したことを特徴とする半導体素子用Ａｕボンディングワイヤ。
（６） Ａｕマトリックスと機能性元素とからなるＡｕ合金からなり、該Ａｕマトリックスが、Ｂｅを３〜１５質量ｐｐｍ、Ｃａを３〜４０質量ｐｐｍ、Ｌａを３〜２０質量ｐｐｍ、残部がＡｕからなるＡｕ合金であり、機能性元素としてＭｇ又はＳｉから選ばれる少なくとも１種を３〜２０質量ｐｐｍ、及びＣｅ及び／又はＥｕを３〜２０質量ｐｐｍ含有し、該Ａｕ合金の圧着ボールの真円度及び該Ａｕ合金ワイヤの破断応力を向上したことを特徴とする半導体素子用Ａｕボンディングワイヤ。
（7） Ａｕマトリックスと機能性元素とからなるＡｕ合金からなり、該Ａｕマトリックスが、Ｂｅを３〜１５質量ｐｐｍ、Ｃａを３〜４０質量ｐｐｍ、Ｌａを３〜２０質量ｐｐｍ、残部がＡｕからなるＡｕ合金であり、機能性元素として、Ｓｎを３〜８０質量ｐｐｍ、およびＣｅ及び／又はＥｕを３〜２０質量ｐｐｍ含有し、該Ａｕ合金の圧着ボールの真円度及び該Ａｕ合金ワイヤの破断応力を向上したことを特徴とする半導体素子用Ａｕボンディングワイヤ。
（８） Ａｕマトリックスと機能性元素とからなるＡｕ合金からなり、該Ａｕマトリックスが、Ｂｅを３〜１５質量ｐｐｍ、Ｃａを３〜４０質量ｐｐｍ、Ｌａを３〜２０質量ｐｐｍ、残部がＡｕからなるＡｕ合金であり、機能性元素としてＭｇ又はＳｉから選ばれる少なくとも１種を３〜２０質量ｐｐｍ、及びＣｅ及び／又はＥｕを３〜２０質量ｐｐｍさらにＹを３〜２０質量ｐｐｍ含有し、該Au合金の圧着ボールの真円度及び該Ａｕ合金ワイヤの破断応力を向上したことを特徴とする半導体素子用Ａｕボンディングワイヤ。
（９） Ａｕマトリックスに含有されるＡｕの純度が９９．９９質量％以上で 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素子用Ａｕボンディングワイヤ。
（１０）該ワイヤの該Au合金の圧着ボールの真円度が０．９５〜１．０５にあり、且つ該Ａｕ合金ワイヤの破断応力が２３ｋｇ／ｍｍ2以上であることを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載の半導体素子用Ａｕボンディングワイヤ。
（１１） 線径が２３μｍ以下であることを特徴とする請求項１〜１０のいずれかに記載の半導体素子用Ａｕボンディングワイヤ。
本発明における圧着ボールの真円度は、次のとおり定義される。
すなわち、極細線のボンディングワイヤから溶融ボールをつくってボールボンディングした際の圧着径を圧着方向から見た場合、ボンディングマシンからの超音波の印加方向をY軸とし、Y軸に直交する軸をX軸とし、圧着径のX軸及びY軸の最大値をX軸の値（xi）とY軸の値（yi）とする。そして、ボンディング装置によって２００本を第一ボンドとし、それぞれのX軸の測定値（xi）とY軸の測定値（yi）を求める。そして、この２００本のうちから任意の５０本を選択し、その５０本についてそれぞれX軸の測定値（xi）をY軸の測定値（yi）で除したときの計算値を求める。最後にこの５０個の計算値の平均値を圧着ボールの真円度とした。
なお、使用したボンディングワイヤは、後述する実施例１〜５３に挙げられているとおり、「伸線加工して、線径が２５μｍ、２２μｍ、２０μｍ及び１５μｍのところで最終熱処理し、伸び率を４％に調整したもの。」であるが、上記の定義のとおり線径の比率を採用するためこれらの寸法範囲では線径の大小などの影響は表れない。また、溶融ボール形成条件や潰す際の条件なども、一般的な操作条件下においては、本発明の課題とする圧着ボール径のバラツキやワイヤ強度には影響しない。
本発明によるこのＡｕ−Ｂｅ−Ｃａ−Ｌａマトリックス（Ａｕマトリックス）は、該微量元素（Ｂｅ、Ｃａ及びＬａ）の含有量を所定の範囲に定めると、圧着ボールの真円度を向上させることがわかった。その含有量は、ワイヤを形成するＡｕ合金の全体の質量に対してＢｅは３〜１５質量ｐｐｍ、Ｃａは３〜４０質量ｐｐｍ、そしてＬａは３〜２０質量ｐｐｍの範囲であり、好ましくは、Ｂｅは７〜１３質量ｐｐｍ、Ｃａは７〜３０質量ｐｐｍ、Ｌａは８〜１６質量ｐｐｍの範囲である。Ｂｅ、ＣａまたはＬａがそれぞれ３質量ｐｐｍ未満では、ボンディングワイヤにしたときの絶対的な剛性が低くなり、樹脂モールドの際にボンディングされたワイヤが樹脂の流れに耐えられなくなってしまう。これをワイヤフローという。特に線径を２３μｍ以下に細くした時はこのワイヤフローの傾向が大きく現れる。Ｂｅが１５質量ｐｐｍを越えて添加されると、ワイヤを熱処理して伸び率４％に調質する際にワイヤ強度が低下してしまう。Ｃａが４０質量ｐｐｍを超え、あるいは、Ｌａが２０質量ｐｐｍを超えて添加されると、ボールボンディングにおける圧着ボールの変形が不安定になり、圧着ボール径のバラツキが大きくなってしまう。
Ａｕマトリックス中に含まれるこれらの微量元素の合計量は９質量ｐｐｍ以上、好ましくは２２質量ｐｐｍ以上である。
このＡｕ−Ｂｅ−Ｃａ−Ｌａマトリックスに対し機能性元素としてCeまたはEuを微量に添加したＡｕ−Ｂｅ−Ｃａ−Ｌａ −Ｃｅ合金及びＡｕ−Ｂｅ−Ｃａ−Ｌａ−Ｅｕ合金は、いずれも、微量元素の含有量を所定の範囲に定めると、破断応力が向上し、かつ、圧着ボールの真円度が向上した。その含有量は、Ａｕ合金の全体の質量に対してＢｅは３〜１５質量ｐｐｍ、Ｃａは３〜４０質量ｐｐｍ、そしてＬａは３〜２０質量ｐｐｍの範囲であり、好ましくはＢｅは７〜１３質量ｐｐｍ、Ｃａは７〜３０質量ｐｐｍ、Ｌａは８〜１６質量ｐｐｍ範囲である。Ｂｅ、ＣａまたはＬａがそれぞれ３質量ｐｐｍ未満では、ボンディングワイヤの絶対的な剛性が低くなり、ワイヤフローに耐えられなくなってしまう。特に線径を２３μｍ以下に細くした時はこの傾向が大きく現れる。Ｂｅが１５質量ｐｐｍを超えて添加されると、ワイヤを熱処理して伸び率４％に調質する際にワイヤ強度が低下してしまう。Ｃａが４０質量ｐｐｍを超え、あるいは、Ｌａが２０質量ｐｐｍを超えて添加されると、ボールボンディングにおける圧着ボールの変形が不安定になり、圧着ボール径のバラツキが大きくなってしまう。
Ｍｇ、ＳｉまたはＧａの純度は各々が９９質量％以上、好ましくは９９．９質量％以上である。Ｍｇ、ＳｉまたはＧａは、Ａｕ−Ｂｅ−Ｃａ−Ｌａマトリックス中において微細に分散し、著しく圧着ボールの真円度を向上させることができる元素であることがわかった。またＭｇ、Ｓｉ、またはＧａのもつ真円度を向上させる効果は、Ｃｅ、ＥｕあるいはＹの微量元素を共添加してもその影響を受けにくいことがわかった。
Figure 2006057230
Figure 2006057230
本発明における圧着ボールの真円度は、次のとおり定義される。
すなわち、極細線のボンディングワイヤから溶融ボールをつくってボールボンディングした際の圧着径を圧着方向から見た場合、ボンディングマシンからの超音波の印加方向をY軸とし、Y軸に直交する軸をX軸とし、圧着径のX軸及びY軸の最大値をX軸の値（xi）とY軸の値（yi）とする。そして、ボンディング装置によって２００本を第一ボンドとし、それぞれのX軸の測定値（xi）とY軸の測定値（yi）を求める。そして、この２００本のうちから任意の５０本を選択し、その５０本についてそれぞれX軸の測定値（xi）をY軸の測定値（yi）で除したときの計算値を求める。最後にこの５０個の計算値の平均値を圧着ボールの真円度とした。

Claims (11)

  1. Auマトリックスと機能性元素とからなるAu合金からなり、該Auマトリックスが、Beを３〜１５質量ｐｐｍ、Caを３〜４０質量ｐｐｍ、Laを３〜２０質量ｐｐｍ含有し、該Au合金の圧着ボールの真円度が０．９５〜１．０５であることを特徴とする半導体素子用Auボンディングワイヤ。
  2. Auマトリックスと機能性元素とからなるAu合金からなり、該Auマトリックスが、Beを３〜１５質量ｐｐｍ、Caを３〜４０質量ｐｐｍ、Laを３〜２０質量ｐｐｍ含有し、該Au合金がCe及び／又はEuを３〜２０質量ｐｐｍ含有することを特徴とする半導体素子用Auボンディングワイヤ。
  3. Auマトリックスと機能性元素とからなるAu合金からなり、該Auマトリックスが、Beを３〜１５質量ｐｐｍ、Caを３〜４０質量ｐｐｍ、Laを３〜２０質量ｐｐｍ含有し、該Au合金がMg、Si及びGaの中から選ばれる少なくとも１種を３〜２０質量ｐｐｍ含有することを特徴とする半導体素子用Auボンディングワイヤ。
  4. Auマトリックスと機能性元素とからなるAu合金からなり、該Auマトリックスが、Beを３〜１５質量ｐｐｍ、Caを３〜４０質量ｐｐｍ、Laを３〜２０質量ｐｐｍ含有し、該Au合金がSb、Sn及びBiの中から選ばれる少なくとも１種を３〜８０質量ｐｐｍ含有することを特徴とする半導体素子用Auボンディングワイヤ。
  5. Auマトリックスと機能性元素とからなるAu合金からなり、該Auマトリックスが、Beを３〜１５質量ｐｐｍ、Caを３〜４０質量ｐｐｍ、Laを３〜２０質量ｐｐｍを含有し、該Au合金がMg、Si及びGaの中から選ばれる少なくとも１種を３〜２０質量ｐｐｍ及びYを３〜２０質量ｐｐｍ含有することを特徴とする半導体素子用Auボンディングワイヤ。
  6. Auマトリックスと機能性元素とからなるAu合金からなり、該Auマトリックスが、Beを３〜１５質量ｐｐｍ、Caを３〜４０質量ｐｐｍ、Laを３〜２０質量ｐｐｍを含有し、該Au合金がMg、Si及びGaの中から選ばれる少なくとも１種を３〜２０質量ｐｐｍ、及びCe及び／又はEuを３〜２０質量ｐｐｍ含有することを特徴とする半導体素子用Auボンディングワイヤ。
  7. Auマトリックスと機能性元素とからなるAu合金からなり、該Auマトリックスが、Beを３〜１５質量ｐｐｍ、Caを３〜４０質量ｐｐｍ、Laを３〜２０質量ｐｐｍを含有し、該Au合金がSb、Sn及びBiの中から選ばれる少なくとも１種を３〜８０質量ｐｐｍ、およびCe及び／又はEuを３〜２０質量ｐｐｍ含有することを特徴とする半導体素子用Auボンディングワイヤ。
  8. Auマトリックスと機能性元素とからなるAu合金からなり、該Auマトリックスが、Beを３〜１５質量ｐｐｍ、Caを３〜４０質量ｐｐｍ、Laを３〜２０質量ｐｐｍを含有し、該Au合金がMg、Si及びGaの中から選ばれる少なくとも１種を３〜２０質量ｐｐｍ、及びCe及び／又はEuを３〜２０質量ｐｐｍさらにＹを３〜２０質量ｐｐｍ含有することを特徴とする半導体素子用Auボンディングワイヤ。
  9. 該Auマトリックスに含有されるＡｕの純度が９９．９９質量％以上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素子用Auボンディングワイヤ。
  10. 該Au合金ワイヤの圧着ボールの真円度が０．９５〜１．０５の範囲にありかつ、該Au合金ワイヤの破断応力が２３ｋｇ／ｍｍ2以上であることを特徴とする請求項２〜９のいずれかに記載の半導体素子用Auボンディングワイヤ。
  11. 線径が２３μｍ以下であることを特徴とする請求項１〜１０のいずれかに記載の半導体素子用Auボンディングワイヤ。
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