KR100692495B1 - 반도체 디바이스 접합을 위한 금 와이어 및 반도체 소자 접합 방법 - Google Patents

반도체 디바이스 접합을 위한 금 와이어 및 반도체 소자 접합 방법 Download PDF

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KR100692495B1
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미토마슈이치
도쿠야마다케시
모토무라미쓰토모
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다나카 덴시 코오교오 카부시키가이샤
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Abstract

5∼100 중량 ppm의 Ca, 5∼100 중량 ppm의 Gd, 1∼100 중량 ppm의 Y, 바람직하게는 Y를 제외한 희토류중 적어도 1종류를 1∼100 중량 ppm 포함하고, 또한 바람직하게는 Mg, Ti, Pb중 적어도 1종류를 1∼100 중량 ppm 포함하며, 그 합계가 200 중량 ppm 이하이며, 나머지가 금과 불가피한 불순물로 구성되는 반도체 소자 접합용 금 와이어가 개시된다. 또한, 이러한 금 와이어를 이용한 볼 본딩 방법 및 범프 접합 방법에 의한 반도체 접합 방법이 개시된다.

Description

반도체 디바이스 접합을 위한 금 와이어 및 반도체 소자 접합 방법{A GOLD WIRE FOR BONDING SEMICONDUCT ELEMENTS AND THE METHOD FOR BONDING SEMICONDUCT ELEMENT}
도 1A-1D는 볼 본딩법에 의한 배선 접합 방법을 도시한다.
도 2A-2D는 범프 접합 방법을 도시한다.
도 3A 및 3B는 범프 접합 방법에 의한 반도체 디바이스와 리드 또는 배선 기판 간의 접합을 도시한다.
본 발명은 반도체 디바이스 상의 전극과 외부 리드 등을 전기적으로 접합하기 위해 사용되는 반도체 소자 접합용 금 와이어(gold wire)에 관한 것으로서, 특히 좁은 피치 접합 또는 얇은 전극 접합에 사용하여 가장 적합한 반도체 소자 접합용 금 와이어에 관한 것이다.
현재, 반도체 디바이스의 실장에 있어서, 반도체 디바이스의 전극과 외부 리드를 접합하는 방법으로서 금 와이어를 사용하여 볼 본딩법으로 배선하는 방법, 금 와이어를 사용하여 범프를 형성한 다음 그 범프를 매개하여 접합하는 방법이 보급되어 있다.
볼 본딩법에 의해 배선되는 방법에 있어서는, 준비된 금 와이어는 본딩 툴로서 이용되는 캐필러리(capillary)에 도입되고, 이어 그 툴의 출구측으로 나온 미세한 금속 와이어의 끝(tip)에 볼을 형성한 후, 볼을 반도체 디바이스의 Al 전극 상에 압착하고, 캐필러리를 XYZ 방향(전후, 좌우, 상하 방향)으로 이동시켜 소정의 루프 형상을 형성하며, 외부 리드에 본딩한 후, 미세한 금속 와이어를 절단하여 와이어 본딩하는 방법(이하, "볼 본딩"이라 한다)을 취하고 있다.
범프를 매개하여 접합하는 방법에 있어서는, 상기 볼을 반도체 디바이스의 Al 전극 상에 압착한 후, 볼 부착 바닥(base), 즉 볼 부착부 부근에서 금 와이어를 절단하고, 그 볼을 사이에 두고 접합하는 방법 (이하 "범프 접합"이라 한다)를 취하고 있다.
한편, 최근 반도체 디바이스가 고기능화, 소형화됨에 따라, 반도체 디바이스의 핀 수의 증가로 인해 피치 감소에 대한 진보가 이루어지고 있다. 이에 의해, 금 와이어에 요구되는 성능도 높아졌는 바, 이러한 요구 성능 가운데, 상기 볼을 압착함으로써 얻어지는 압착 볼의 외경은 와이어 직경의 2배 정도가 되므로 압착 본딩된 볼의 진원도(roundness)를 향상시키는 것이 중요한 특성이다.
이 때문에 종래부터 상기 볼 성형시 압착 전에 볼의 진원도를 관리하는 시도가 이루어져 왔다. 하지만, 최근, 좁은 피치 접합에 적합한 압착 후의 볼 진원도가 압착 전의 볼의 진구도와 항상 일치하는 것은 아니라는 것을 알게 되었다.
이 때문에 압착후의 볼의 진원도를 향상시키려는 시도가 이루어지게 되었다. 예를 들어 일본특허공개공보 평11-163016호 공보에는 Cu, Pt, Pd중 한 종류 이상을 총 0.03∼5 중량%를 함유시키는 것이 개시되어 있고, 일본특허공개공보 평10-172998호 공보에는 Be와 Ca를 함유시키는 것이 개시되어 있고, 일본특허공개공보 평10-303239호 공보, 일본특허공개공보 평10-83716호 공보에는 Mn, Pd에 추가적으로 Ca 등을 함유시키는 것이 개시되어 있다.
그러나, 좁은 피치 배선에 있어서, 볼은 종래 보다 미세한 볼을 사용하여 압착하고, 보다 작은 압착 본딩 사이즈를 위해서는 압착 후의 진원도의 유지가 요구된다. 전술한 시도 중에서도, 일본특허공개공보 평10-172998호 공보에 개시되어 있는 것은 미세한 볼의 압착 진원도가 불충분하거나, 소정의 와이어 강도를 얻을 수 없는 결점을 가지고 있다. 여기서, 와이어 본딩에 있어서의 좁은 피치 접합에서는 와이어 고장(failure)에 의한 접촉 쇼트(contact short)의 방지를 위해 와이어 강도를 향상시키는 것이 특히 요구된다.
다른 기술 또한, 미세한 볼의 압착 진원도가 불충분하거나, 그 진원도를 향상시키기 위해 첨가 원소의 함유량을 크게 증가시키기 때문에, 전기 저항이 커지는 결점을 갖는다.
또한, 반도체 디바이스의 Al 전극의 막 두께가 얇은 것이 요구되고, 이와같이 전극 막 두께가 얇아짐에 따라, 특히 범프 접합에서는 압착 홀에 의해 전극 파손(breakage)이 발생함으로써, 반도체 디바이스, 즉 IC 칩의 파손(이하 "칩 파손"이라 한다)의 문제가 발생한다. 전술한 첨가 원소의 함유량을 크게 증가시키는 것은 그 칩 파손의 문제와도 연결되는 것이다.
또한 범프를 사이에 두고 접합하는 경우, 볼을 반도체 디바이스의 Al 전극 상에 압착한 후 금 와이어를 윗쪽으로 끌어 당김으로써, 볼 부착부 부근에서 파단(break)하는 방법이 채택되고 있다. 여기에서는, 압착 볼에 부착되는 나머지 와이어들의 길이(이하 "테일 길이"라 한다)를 균일하게 할 필요가 있다.
본 발명은 상술한 바와 같은 종래의 사정을 고려하여 이루어진 것으로, 그 목적은 전기 저항의 증가를 최소화하기 위해 첨가 원소의 함유량이 200 중량 ppm 이하인 특정의 금 합금 조성을 가지며, 미세한 볼 압착 후의 진원도를 향상시키고, 높은 와이어 강도를 나타내고, 반도체 디바이스의 Al 전극의 막 두께가 얇아져도 압착 볼에 의해 칩 파손 문제가 발생하지 않도록 하며, 또한 범프 접합시 테일 길이를 균일하게 할 수 있는 반도체 소자 접합용 금 와이어를 제공하는 것이다.
본 발명은 상기 목적을 달성하기 위해 하기를 제공한다.
(1) 5∼100 중량 ppm의 Ca와, 5∼100 중량 ppm의 Gd와, 1∼100 중량 ppm의 Y를 포함하고, 이들 원소의 총량이 200 중량 ppm 이하이며, 나머지는 금과 불가피한 불순물로 구성되는 반도체 소자 접합용 금 와이어.
(2) 1∼100 중량 ppm의 Mg, Ti, Pb 중에서 적어도 한 종류를 포함하고, 또한 전체 첨가 원소의 총량이 200 중량 ppm 이하인 (1)에 기재된 반도체 소자 접합용 금 와이어.
(3) 5∼100 중량 ppm의 Ca와 5∼100 중량 ppm의 Gd와, 1∼100 중량 ppm의 Y와, 1∼100 중량 ppm의, Gd, Y를 제외한 희토류 중 적어도 한 종류를 포함하고, 이러한 원소의 총량이 200 중량 ppm 이하이며, 나머지가 금과 불가피한 불순물로 이루어진 반도체 소자 접합용 금 와이어.
(4) 1∼100 중량 ppm의, Mg, Ti, Pb 중 적어도 한 종류를 포함하고, 또한 전체 첨가 원소의 총량이 200 중량 ppm 이하인 (3)에 기재된 반도체 소자 접합용 금 와이어.
(5) (A) 금 와이어를 캐필러리에 삽입하고, 금 와이어의 끝을 가열, 용융하여 금 볼을 형성하는 단계와;
(B) 캐필러리를 하강시켜 금 볼을 반도체 디바이스의 전극에 압착시켜 금 와이어를 전극에 접합하는 단계와;
(C) 전극에 접합된 상기 금 와이어를 포함하는 캐필러리를 소정의 궤적을 그리며 피접합 부재 상으로 이동시키고, 그 금 와이어의 측면을 피접합 부재에 압착 접합하는 단계와;
(D) 피접합 부재에 압착 접합된 금 와이어를 클램퍼(clamper)로 클램프한 채 상승시켜 금 와이어를 절단하고, 반도체 디바이스의 전극과 피접합 부재간의 금 와이어의 배선을 완료하는 단계를 포함하고, 또한 상기 금 와이어가 (1)∼(4)에 기재된 금 와이어인 반도체 소자 접합 방법.
(6) 상기 단계 (A) 그리고/또는 단계 (C)에 있어서, 초음파 진동을 캐필러리를 통해 금 와이어 끝에 전달함과 동시에, 반도체 디바이스 또는 피접합 부재를 히터 블록으로 가열하여, 상기 금 볼을 열 압착 접합하는 것을 포함하는 (5)에 기재된 방법.
(7) 반도체 디바이스 상의 인접하는 전극의 피치가 70μm 이하인 (5),(6)에 기재된 방법.
(8) 반도체 디바이스 상의 인접하는 전극의 피치가 60μm 이하인 (5),(6)에 기재된 방법.
(9) (A) 금 와이어를 캐필러리에 삽입하고, 금 와이어의 끝을 가열, 용융하여 금 볼을 형성하는 단계와;
(B) 캐필러리를 하강시켜 금 볼을 반도체 디바이스의 전극에 압착하여 압착 접합된 금 볼을 형성하는 단계와; 그리고
(C) 반도체 디바이스의 전극에 압착 금 볼을 형성하고, 상기 금 와이어를 클램퍼로 클램프한 채 상승시키고, 압착 금 볼의 부착부 부근에서 금 와이어를 절단하며, 전극 상에 범프를 형성하는 단계를 포함하고, 또한 상기 금 와이어가 (1)∼(4)에 기재된 금 와이어인 반도체 소자 접합 방법.
(10) 반도체 디바이스의 전극 상에 형성된 범프를 피접합 부재에 압착하는 단계를 더 포함하는 (9)에 기재된 방법.
(11) 상기 단계 (A)에 있어서, 초음파 진동을 캐필러리를 통해 금 와이어의 끝에 전달함에 동시에 반도체 디바이스를 히터 블록으로 가열하여, 상기 금 볼을 열 압착 접합하는 것을 포함하는 (9), (10)에 기재된 방법.
(12) 상기 반도체 소자 전극이 알루미늄 전극 막이며, 그 막 두께가 0.5μm 이하인 (9)∼(11)에 기재된 방법.
(13) 상기 반도체 소자 전극이 알루미늄 전극 막이고, 그 막 두께가 0.1μm 이하인 (9)∼(11)에 기재된 방법.
(1) 조성
① 금 시작 물질
금 시작 물질으로서는 적어도 99.99 중량% 이상으로 정제된 고순도 금을 이용하는 것이 바람직하다. 더욱 바람직하게는 99.995 중량% 이상이고, 가장 바람직하게는 99.999 중량% 이상이다. 고순도 금을 이용할수록 유해 성분의 영향을 제거할 수 있어 바람직하다.
② [Ca]
본 발명에 사용하는 금 합금 와이어 내의 소정량의 Gd와 Y의 공존에 있어서, Ca의 함유량을 5∼100 중량 ppm으로 함으로써 상기 과제를 달성할 수 있다.
Ca의 함유량이 이 범위 내이면, Ca 함유량이 5 중량 ppm 미만의 경우와 대비하여, 미세한 볼의 압착 진원도, 파단 강도가 향상되고, 범프 형성시의 테일 길이의 균일성이 향상된다. Ca 함유량이 100 중량 ppm을 넘는 경우와 대비하여, 미세한 볼의 압착 진원도가 향상되고, 박막 전극에 의한 칩 파손이 생기지 않게 된다. 따라서, 소정량의 Gd와 Y의 공존에 있어서 Ca 함유량이 5∼100 중량 ppm으로 하였다.
③ [Gd]
본 발명에 사용하는 금 합금 와이어 내의 소정량의 Ca와 Y의 공존에 있어서, Gd의 함유량을 5∼100 중량 ppm으로 함으로써 상기 과제를 달성할 수 있다.
Gd의 함유량이 이 범위 내이면, Gd 함유량이 5 중량 ppm 미만인 경우와 대비하여, 미세한 볼의 압착 진원도가 향상되고, 범프 형성시의 테일 길이의 균일성이 향상된다. Gd 함유량이 100 중량 ppm을 넘는 경우와 대비하여, 미세한 볼의 압착 진원도가 향상되고, 박막 전극에 의한 칩의 파손이 발생하지 않게 된다. 이 때문에 소정량의 Ca와 Y의 공존에 있어서 Gd 함유량을 5∼100 중량 ppm으로 하였다.
④ [Y]
본 발명에 사용하는 금 합금 와이어 내의 소정량의 Ca와 Gd 공존에 있어서, Y의 함유량을 1∼100 중량 ppm으로 함으로써 상기 과제를 달성할 수 있다.
Y의 함유량이 이 범위내이면, Y 함유량이 1 중량 ppm 미만인 경우와 대비하여, 미세한 볼의 압착 진원도가 향상되고, 범프 형성시의 테일 길이의 균일성이 향상된다. Y 함유량이 100 중량 ppm을 초과하는 경우와 대비하여, 미세한 볼의 압착 진원도가 향상되고, 박막 전극에 의한 칩 파손이 발생하지 않게 된다. 이 때문에 소정량의 Ca와 Gd가 공존함에 있어서, Y 함유량을 1∼100 중량 ppm으로 하였다.
⑤ [Gd, Y를 제외한 희토류] (이하, "제 1군 원소"라 한다)
본 발명에 사용되는 금 합금 와이어 내의 소정량의 Ca, Gd 및 Y의 공존에 있어서, 제 1군 원소의 적어도 한 종류를 1∼100 중량 ppm 첨가함으로써, 첨가하지 않은 경우와 대비하여 미세한 볼의 압착 진원도, 범프 형성시의 테일 길이의 균일성이 한층 더 향상되므로 바람직하게 사용된다. 제 1군 원소 중에서도 Eu, La, Ce, Lu가 바람직하게 사용된다.
이 때문에 소정량의 Ca, Gd 및 Y의 공존에 있어서 제 1군 원소의 적어도 한 종류를 1∼100 중량 ppm 첨가하는 것이 바람직하다.
⑥ [Mg, Ti, Pb] (이하, " 2군 원소"라 한다)
본 발명에 사용하는 금 합금 와이어를 소정량의 Ca, Gd 및 Y와 공존 또는 이에 첨가하여 소정량의 제 1군 원소와의 공존에 있어서 제 2군 원소의 적어도 한 종류를 1 내지 100 중량 ppm 첨가함으로써, 첨가하지 않는 경우와 비교하여 동등한 성능을 갖는다. 제 2군 원소 중에서도 Mg, Ti, Pb가 바람직하게 사용된다.
⑦ 총 첨가량
본 발명에 있어서 금 합금 와이어에 있어서 총 첨가량이 200 중량 ppm을 초과하면, 박막 전극에 의한 칩 파손이 발생한다. 또한 전기 저항이 증대하여 바람직하지 않다. 따라서, 총 첨가량이 200 중량 ppm 이하인 것이 필요하다.
(2) 금 와이어의 제조 공정
본 발명에 사용하는 반도체 디바이스용 금 와이어의 제조 공정의 일례를 설명한다. 먼저 소정 조성의 금속을 용해하여 잉곳(ingot)을 주조한 후, 홈형 압연기를 사용하여 압연하고, 중간 어닐링으로 바꾸어 최종 냉각 가공에 의해 직경 10∼100μm의 가는 와이어로 한 후, 신장율이 4∼6%가 되도록 최종 어닐링을 하고, 이어서 와이어 표면에 윤활 녹 방지제(lubricating rust preventer)를 도포한다. 마지막으로, 가공 공정을 종료한 와이어를 외경 50.3mm의 스풀(spool)에 소정의 장력으로 소정의 길이 만큼 다시 감아 제품으로 한다. 소정 길이로는 100∼3,000m가 사용되며 계속 그 길이가 길어지고 있다.
(3) 용도
본 발명의 금 와이어는, 반도체 소자 전극과 외부 리드(또는 배선 기판)와의 접합용으로 사용되고, 접합 방법으로서 볼 본딩법에 의해 배선하여 접합하는 방법 및 금 와이어를 사용하여 범프를 형성하고 그 범프를 사이에 두고 접합하는 방법이 보급되어 있다. 이하 이러한 방법에 대하여 도 1∼도 4를 사용하여 설명한다.
① 볼 본딩법에 의한 접합 방법
도 1A에 나타낸 바와 같이, 금 와이어(2)를 캐필러리(1)에 삽입하고, 그 끝에 전기 토치(electric torch)(3)를 대향시키고, 금 와이어(2)와의 사이에 방전시킴으로써, 금 와이어(2)의 끝을 가열, 용융하여 볼(4)을 형성한다.
이후, 도 1B에 나타낸 바와 같이, 캐필러리(1)를 하강시켜 그 볼(4)을 반도체 디바이스(6) 상의 Al 전극(5) 상에 압착 접합한다. 이때, 나타내지는 않았지만, 초음파 진동이 캐필러리(1)를 통해 전달되어 인가됨과 동시에, 반도체 디바이스(6)는 히터 블록으로 가열되며, 이에 따라 볼(4)이 열 압착되어, 압착 볼(4)이 된다.
이후, 도 1C에 나타낸 바와 같이, 캐필러리(1)는 소정의 궤적을 그리며 외부 리드(8) 상으로 이동하여 하강한다. 이때, 나타내지는 않았지만, 초음파 진동이 캐필러리(1)을 통해 전달되어 인가됨과 동시에, 외부 리드(8)가 히터 블록으로 가열되며, 이에 따라 금 와이어(2)의 측면이 외부 리드(8) 상에 열 압착된다.
마지막으로, 도 1D에 나타낸 바와 같이, 클램퍼(7)가 금 와이어(2)를 클램프하는 상태로 상승함으로써, 금 와이어(2)가 절단되고 배선이 완료된다. 이후, 배선부를 수지 봉합하여 반도체 디바이스를 완성한다. 반도체 디바이스로서는 수지 봉합 타입 외에 세라믹 패키지 타입 등의 각종 형태가 있으며, 특별히 한정되지 않는다. 따라서, 반도체 디바이스의 전극 또는 배선측에 다양한 리드 또는 전극이 있을 수 있다.
이때, 인접한 압착 볼(4)의 중심간 거리(이하, "피치 간격"이라 한다)가 종래 80μm 정도이었던 것이 70μm 이하, 특히 60μm 이하의 좁은 피치 간격으로 될 것이 요구된다.
본 발명의 금 와이어는 고강도이고 압착 볼의 진원도를 개선하기 때문에, 반도체 소자 전극과 리드부가 금 와이어으로 배선되어 접합되고, 배선부가 수지 봉합되는 반도체 디바이스에 있어서, 피치 간격이 70μm 이하인 반도체 디바이스에 바람직하게 이용할 수 있다.
② 범프를 통한 접합 방법
도 1A, 도 1B와 마찬가지 방법으로 볼(4)을 반도체 디바이스(6) 상의 Al 전극(5) 위에 압착 접합하고, 압착 볼(4)을 형성한다(도 2A, 도 2B 참조).
이후, 도 2C에 나타낸 바와 같이, 반도체 디바이스(6)가 고정된 상태로, 금 와이어(2)를 클램프하는 클램퍼(7)를 윗쪽으로 이동시킴으로써, 금 와이어(2)는 압착 볼(4')의 부착부 근방에서 와이어 테일부를 남긴 채로 파단한다. 이때, 금 와이어(2)는 볼 형성 동안 열에 의해 영향을 받아, 볼의 부착부 근방의 영역이 약해져있기 때문에, 상기 설명한 바와 같이, 금 와이어가 인장에 의해 파단할 때, 볼의 부착부 근방에서 파단한다.
이후, 도 2D 및 도 3A에 나타낸 바와 같이, 압착 볼(4')을 리드(8)에 압착하여 범프(14)를 형성함으로써, 반도체 소자(6)의 전극(5)과 리드(8)를 범프(14)를 통해 접합한다. 이어서, 그 접합부를 수지 봉합하여 반도체 디바이스를 완성한다. 범프를 이용한 반도체 디바이스의 접합 형태는 리드로 한정되지 않고, 예를 들어 도 3B에 나타낸 바와 같이 범프(14)를 갖는 반도체 디바이스(16)를 배선 기판(21) 등의 전극(22)에 대하여 범프(14)를 사이에 두고 접합하는 형태 또는 기타 형태이어도 무방하다. 따라서, 범프를 사이에 두고 접합되는 측면 또한 각종 리드, 전극 등의 어느 쪽이어도 무방하다.
도 4는 도 2C에 있어서 금 와이어를 파단한 압착 볼의 확대도이다. 높이(a)는 캐필러리(1)의 외저부에 의해 압착된 높이, 높이(b)는 캐필러리의 내저부에 압착된 높이, 높이(c)는 외어어 테일부이다. 이 중에서 높이(a, b)는 낮은 변화를 갖지만, 높이(c)는 변하기 쉽다. 높이(c)가 크게 변하게 되면, 범프의 크기에 변화가 생김과 동시에, 높이(c)가 과도하게 길면, 도 2D에 도시된 바와 같은 압착 볼(4')을 형성할 때, 와이어의 단부들이 삐져나와 인접하는 범프들과 쇼트할 가능성이 있다. 따라서, 높이(c)의 변화를 최소화할 필요가 있다. 또한, 반도체 디바이스 Al 전극(5)의 막 두께가 종래 1μm 정도이었던 것이 0.5μm 이하, 또는 0.3μm 이하, 심지어 0.1μm 이하의 얇은 전극 막에 압착되는 것이 요구되고 있다. 이와같이 상당히 얇은 전극막에 볼을 압착하는 경우에는, 전극이 파손되고, 그 결과 칩 파손이 발생하기 쉽다.
본 발명에 따라 금 와이어를 이용하여 범프를 형성하게 되면, 테일 길이의 변화가 적고, 상당히 얇은 전극막을 압착할 때에도 칩 파손을 방지할 수 있기 때문에, 반도체 소자 전극과 리드부가 금 범프를 통해 접합되고 그 접합부가 수지 봉합되고, 반도체 소자 Al 전극의 막 두께가 0.5μm 이하인 반도체 디바이스에 대해 바람직하게 이용될 수 있다.
실시예
(시험 A)
순도 99.999 중량%의 고순도 금에 표 1에 나타낸 원소를 소정량 첨가하고, 진공 용해로에서 용해한 후 주조하여, 표 1에 나타낸 Al∼A11 조성의 금 합금 잉곳을 얻고, 이에 홈 롤러, 와이어 신선기(drawing machine)를 사용한 냉각 가공과 중간 어닐링을 실시하고, 최종 냉각 가공에 의해 직경을 25μm로 하고, 신장율 4%가 되도록 최종 어닐링을 실시한 다음, 표면에 윤활제를 피복하여, 금 합금 와이어를 마무리하고 측정하였다.
첫째로, 진원도 시험을 실시하였다. 고속 자동 본더 UTC-200형(가부시키가이샤 신센 제조)를 사용하여 먼저, 전기 토치에 의한 아크 방전으로 금 합금 와이어 끝에 볼을 형성하였다. 아크 방전 조건에 대한 전류 및 시간을 조정하여, 볼 직경 55μm(와이어 직경 2.2배로 하는 종래 볼)과 직경 45μm(와이어 직경 1.8배로 하는 미세한 볼)의 2 종류를 형성하였다. 다음으로 각 볼을 압착 툴을 사용하여 다이 온도 200℃로 반도체 소자 Al 전극 상에 초음파 병용 열 압착 방식에 의해 열 압착하였다.
종래 볼과 미세한 볼에 대해 압착 전과 압착 후의 진원도를 측정하였다. 압착 전의 볼은 임의의 직각 방향의 직경을 측정하고, 소경/대경의 값을 진원도로 하였다. 압착 후의 진원도는 압착 지름을 초음파 인가 방향에 수직 방향의 압착 지름(이하 X라 한다)과 평행 방향의 압착 지름(이하 Y라 한다)을 각각 측정하여 X/Y를 미세한 볼의 압착 진원도로 하였다. 각각의 진원도로서 볼 50개의 평균치를 표 1에 표시하였다.
두 번째로, 칩 파손 시험을 하였다. 범프 본더 SBB-1(카부시키가이샤 신센)을 사용하여, 마찬가지로 전기 토치에 의한 아크 방전으로 금 합금 와이어 끝에 볼을 형성하였다. 볼의 크기는 종래 볼(직경 55μm)의 크기로 하였다. 이어서, 이 볼을 압착 툴을 사용하여 다이 온도 200℃로 반도체 소자 Al 전극 상에 초음파 병용 열 압착 방식에 의해 열 압착하였다. 이 반도체 소자 Al 전극으로서 범용 막 두께 (1μm)와 미세한 막 두께 (0.1μm)를 사용하였다. 열 압착 조건으로서 초음파 출력을 0.5W∼1.5W의 범위에서 4 레벨, 하중을 0.4N∼0.8N의 범위로 3 레벨, 합계 12 종류로 하고, 각 조건에서 400 범프 시험하고, 모든 조건에서 칩 파손이 없는 것을 우량품, 1개라도 칩 파손이 있는 것을 불량품으로 하였다. 우량품은 ○ 표시, 불량품은 ×표시를 하여 표 1에 측정 결과를 나타내었다.
세 번째로, 테일 길이 균일성 시험을 실시하였다. Al 전극으로서 범용 막 두께(1μm)를 사용한 것 이외에는 제 2 시험과 동일하게 열 압착을 실시하였다. 이후, 도 2(c)에 나타낸 영역에서 금 합금 와이어(2)을 윗쪽으로 당겨, 범프(4')를 형성하였다. 범프의 확대도인 도 3에 있어서, a+b+c의 높이를 측정하였다. 1 조성 조건당 50 범프에 대하여 금속 현미경으로 측정하고, 최대치와 최소치의 차를 테일 길이의 균일성으로서 표 1에 나타내었다.
네 번째로, 실온에 있어서 인장 시험을 실시하여 파손 하중을 측정하였다. 결과를 표 1에 나타내었다.
(실험예)
조성을 표 2∼표 3과 같이 한 것 이외에는 시험 A와 마찬가지로 하여 실험예 1∼45에 도시하는 직경 25μm의 금 합금 와이어를 완성하여 측정에 사용하였다.
미세한 볼의 압착 진원도 시험은, 볼 크기로서 미세한 볼(직경 45μm)을 형성한 것 이외에는 시험 A(진원도 시험)와 마찬가지로 볼 압착 후의 진원도를 측정하여, 그 결과를 표 2∼표 3에 나타내엇다.
파단 하중은 재료의 인장 시험을 실시하여 결정되는 바, 그 결과를 표 2∼표 3에 나타내었다.
칩 파손 시험은, 반도체 소자 Al 전극의 막 두께로서, 미세한 막 두께(0.1μm)를 사용한 이외에는 시험 A(칩 파손 시험)와 마찬가지로 하여 칩 파손을 측정하여, 그 결과를 표 2∼표3에 나타내었다.
테일 길이 균일성 시험은, 반도체 소자 Al 전극의 막 두께로서, 미세한 막 두께(0.1μm)의 것을 사용한 이외에는 시험 A(테일 길이 균일성 시험)와 동일하게 하여 테일 길이 균일성을 측정하고, 그 결과를 표 2∼표3에 나타내었다.
(시험 결과)
시험 A
본원의 과제를 달성하기 위한 필수 원소를 탐색하기 위한 시험 A를 표 1에 도시하는 조성(시료 A1∼A11)을 사용하여 실시하였다.
(1) 진원도 시험
미세한 볼의 압착 후의 측정에서는 다음과 같은 사항들을 알 수 있었다.
① Ca, Gd, Y 중에서 Ca를 함유하지 않는 시료 A7, Gd를 함유하지 않는 시료 A3, A4, A11, Y를 함유하지 않는 시료 A5, A6, Ag 또는 Co를 0.5% 함유하는 시료 A8, A9의 것은, 미세한 볼 압착 후의 진원도가 0.94 이하로 불충분한 것이었다.
② 전술한 시료 A3∼A11의 것은, 압착 전의 볼 진원도 또는 종래 볼의 압착 후의 진원도에서는 0.97 이상으로 양호한 것이었으나, 미세한 볼의 압착 후의 진원도로는 불충분하다는 것을 알았다.
③ Ca, Gd, Y를 각각 20 중량 ppm 함유하는 시료 A1의 것은 미세한 볼의 압착 후의 진원도가 0.97로 양호하였다.
④ 시료 A1 조성에 부가하여 제 1군 원소로서 Eu를 20 중량 ppm 함유하는 시료 A2의 것은 미세한 볼의 압착 후의 진원도가 1.00으로 더욱 양호하였다.
(2) 칩 데미지 시험
두께 0.1μm의 미세한 전극의 칩 파손 측정에서는 다음의 사항을 알 수 있었다.
① Ag 또는 Co를 0.5% 함유하는 시료 A8, A9의 것은 칩 파손이 발생한다.
이것으로부터 첨가 원소의 양에 상한치가 있다는 것을 알았다.
(3) 테일 길이 변화
테일 길이의 변화 측정에서는 다음의 사항을 알 수 있었다.
① Ca, Gd, Y 중에서 Ca를 함유하지 않는 시료 A7, Gd를 함유하지 않는 시료 A3, A4, A11, Y를 함유하지 않는 시료 A5, A6, A10의 것은, 테일 길이의 변화가 56μm 이상으로 불충분하였다.
② Ca, Gd, Y를 각각 20 중량 ppm 함유하는 시료 A1의 것은 테일 길이의 변화가 40μm로 양호하였다.
③ 시료 A1 조성에 추가적으로 제 1군 원소로서 Eu를 20 중량 ppm 함유하는 시료 A2의 것은 테일 길이의 변화가 19μm로 더욱 양호하였다.
(4) 파단 하중
① 적어도 Ca, Gd, Y를 각각 20 중량 ppm 함유하는 시료 A1, A2, A8, A9의 것은 파단 하중이 139∼140mN으로 양호한 것이었다.
② Gd, Y를 각각 20 중량 ppm 함유하고 Ca는 함유하지 않는 시료 A7, Be와 Gd를 공존하여 함유하는 시료 A10의 것은, 파단 하중이 124∼127mN으로 낮은 것이었다.
(5) 결론
미세한 볼의 압착 후의 진원도, 칩 데미지, 테일 길이의 변화의 과제에 대하여, Ca, Gd, Y를 또는 추가적으로 Eu를 함유하면 우수한 효과가 얻어지고, 이 중에서도 첨가량이 많으면 미세한 볼의 압착 후의 진원도, 칩 데미지의 측면에서 효과가 작아지다는 것을 알 수 있다.
실시예 1∼45
본원의 과제를 달성하기 위해, 시험 A에 대한 추가 시험으로서, 실험예 1∼45를 표 2∼3으로 도시하는 조성을 사용하여 실시하였다.
(1) 시험 Ⅰ(시험 A 및 실험예 1∼7)
Ca 첨가량을 변화시킨 표 2의 시험 1로부터 다음과 같이 정리할 수 있다.
① Gd, Y의 공존에 있어서, Ca 첨가량이 5∼100 중량 ppm의 범위에서 본원의 과제에 대해 우수한 효과를 나타내는 것을 알 수 있다. 즉, 미세한 볼의 압착 후의 진원도는 0.96∼0.97, 파단 하중은 133∼145mN, 칩 데미지는 없고, 테일 길이의 변화는 31 내지 48μm이다.
② Ca 첨가량이 5 중량 ppm 미만일 경우, 미세한 볼의 압착 후의 진원도 0.93, 파단 하중 127mN, 테일 길이의 변화 78μm이며, 모두 불충분하였다.
③ Ca 첨가량은 100 중량 ppm를 초과하는 경우, 미세한 볼의 압착 후의 진원도 0.91, 칩 데미지가 발생한다는 점에서 불충분하였다.
④ Ca, Gd, Y에 추가하여 Eu를 첨가하면, Ca 첨가량은 5∼100 중량 ppm의 범위에서 본원의 과제에 대하여 더욱 우수한 효과를 나타낸다는 것을 알 수 있다. 즉, 미세한 볼의 압착 후의 진원도는 0.99∼1.00, 테일 길이의 변화는 13∼27μm로 한층 더 우수하다는 것을 알 수 있다.
(2) 시험 Ⅱ (시험 A 및 실험예 8∼13)
Gd 첨가량을 변화시킨 표 2의 시험 Ⅱ로부터 다음의 사항을 알 수 있다.
① Ga, Y의 공존에 있어서 Gd 첨가량이 5∼100 중량 ppm의 범위에서 본원의 과제에 대하여 우수한 효과를 나타내는 것을 알 수 있다. 즉, 미세한 볼의 압착 후의 진원도는 0.96∼0.97, 파단 하중은 138∼140mN, 칩 데미지는 없고, 테일 길이의 변화는 33 내지 45μm이다.
② Gd 첨가량이 5 중량 ppm 미만인 경우, 미세한 볼의 압착 후의 진원도 0.92, 테일 길이의 변화 75μm이며, 모두 불충분하였다.
③ Gd 첨가량이 100 중량 ppm을 초과하는 경우, 미세한 볼의 압착 후의 진원도 0.91, 칩 데미지가 발생한다는 점에서 불충분하였다.
④ Ca, Gd, Y에 추가하여 Eu를 첨가하면, Ca 첨가량이 5∼100 중량 ppm의 범위에서 본원의 과제에 대하여 더욱 우수한 효과를 나타낸다는 것을 알 수 있다. 즉, 미세한 볼의 압착 후의 진원도는 0.99∼1.00, 테일 길이의 변화는 15 29μm로 우수하다는 것을 알 수 있다.
(3) 시험 Ⅲ (시험 A 및 실험예 14∼19)
Y 첨가량을 변화시킨 표 2의 시험 Ⅲ으로부터 다음의 사항을 알 수 있다.
① Ga, Gd의 공존에 있어서 Y 첨가량이 1∼100 중량 ppm의 범위에서 본원의 과제에 대하여 우수한 효과를 나타내는 것을 알 수 있다. 즉, 미세한 볼의 압착 후의 진원도는 0.95∼0.97, 파단 하중은 137∼142mN, 칩 데미지는 없고, 테일 길이의 변화는 35 내지 50μm이다.
② Y 첨가량이 5 중량 ppm 미만인 경우, 미세한 볼의 압착 후의 진원도 0.93, 테일 길이의 변화가 82μm이며, 모두 불충분하였다.
③ Y 첨가량이 100 중량 ppm를 초과하는 경우, 미세한 볼의 압착 후의 진원도 0.91, 칩 데미지가 발생한다는 점에서 불충분하였다.
④ Ca, Gd, Y에 추가하여 Eu를 첨가하면, Ca 첨가량이 1∼100 중량 ppm의 범위에서 본원의 과제에 대하여 더욱 우수한 효과를 나타낸다는 것을 알 수 있다. 즉, 미세한 볼의 압착 후의 진원도는 0.98∼1.00, 테일 길이의 변화는 16 ∼29μm로 한층 우수하다는 것을 알 수 있다.
(4) 시험 Ⅳ (시험 A 및 실험예 20∼31)
제 1군 원소 (Gd, Y 이외의 희토류 원소)의 첨가량을 변화시킨 표 3의 시험 Ⅳ로부터 다음의 사항을 알 수 있다.
① Ga, Gd, Y의 공존에 있어서 제 1군 원소를 첨가량이 1∼100 중량 ppm의 범위에서 첨가한 실험예 20∼30, 시험 A2의 것은 본원의 과제에 대하여 가장 우수한 효과를 나타낸다는 것을 알 수 있다. 즉, 미세한 볼 압착 진원도는 0.98∼1.00, 파단 하중은 136∼141mN, 칩 데미지는 없고, 테일 길이의 변화는 15 내지 29μm로 가장 우수한 것이다.
② 제 1군 원소 첨가량이 100 중량 ppm을 초과하는 실험예 31의 것은 미세한 볼의 압착 후의 진원도 0.91, 칩 데미지가 발생한다는 점에서 불충분하였다.
(5) 시험 V (시험 A 및 시험예 32∼45)
제 2군 원소(Mg, Ti, Pb) 첨가량을 변화시킨 표 3의 시험 V로부터 다음의 사항을 알 수 있다.
① Ca, Gd, Y, 제 1군 원소의 공존에 있어서, 제 2군 원소의 적어도 1종을 첨가량 1∼100 중량 ppm의 범위로 첨가한 실시예 32∼42의 것은 본원의 과제에 대하여 시험 Ⅳ와 마찬가지로 가장 우수한 효과를 나타낸다는 것을 알 수 있다. 즉, 미세한 볼의 압착 후의 진원도는 0.98∼1.00, 파단 하중은 137∼141mN, 칩 데미지는 없고, 테일 길이의 변화는 9∼18μm으로 가장 뛰어난 것이다.
② 첨가량의 합계가 200 중량 ppm을 넘는 실험예 43의 것은 미세한 볼의 압착 후의 진원도 0.96, 칩 데미지가 발생한다는 점에서 불충분하였다.
③ 소정량의 제 2 군 원소를 함유하고 Ca, Gd, Y, 제 1군 원소 중에서, Gd 또는 Y를 함유하지 않는 실험예 44, 45의 것은, 미세한 볼의 압착 후의 진원도는 0.91∼0.92, 테일 길이의 변화는 37∼43μm이다. 소정량의 제 2군 원소를 첨가한 경우에도, Ca, Gd, Y, 제 1군 원소를 모두 첨가한 실험예 32∼42가 우수하다는 것을 알 수 있다.
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본 발명에 따르면, 미세한 볼의 압착 후의 진원도를 향상시키고, 높은 와이어 강도를 나타내며, 반도체 소자 Al 전극의 막 두께가 얇아져도 압착 볼에 의해 칩 파손 문제가 발생하지 않으며, 또한 범프 접합시 테일 길이를 균일하게 할 수 있는 반도체 디바이스 접합을 위한 금 와이어를 제공할 수 있다.

Claims (13)

  1. 5∼100 중량 ppm의 Ca와, 5∼100 중량 ppm의 Gd와, 1∼100 중량 ppm의 Y를 포함하고, 이들 원소의 총량이 200 중량 ppm 이하이며, 나머지가 금과 불가피한 불순물로 구성되는 것을 특징으로 하는 반도체 소자 접합용 금 와이어.
  2. 제 1 항에 있어서,
    1∼100 중량 ppm의 Mg, Ti, Pb중 적어도 한 종류를 포함하고, 첨가 원소의 총량이 200 중량 ppm 이하인 것을 특징으로 하는 반도체 소자 접합용 금 와이어.
  3. 5∼100 중량 ppm의 Ca와, 5∼100 중량 ppm의 Gd와, 1∼100 중량 ppm의 Y와, 1∼100 중량 ppm의 Gd, Y를 제외한 희토류중 적어도 한 종류를 포함하고, 이러한 원소의 총량이 200 중량 ppm 이하이며, 나머지가 금과 불가피한 불순물로 이루어지는 것을 특징으로 하는 반도체 소자 접합용 금 와이어.
  4. 제 3 항에 있어서,
    1∼100 중량 ppm의 Mg, Ti, Pb중 적어도 한 종류를 포함하고, 첨가 원소의 총량이 200 중량 ppm 이하인 것을 특징으로 하는 반도체 소자 접합용 금 와이어.
  5. (A) 금 와이어를 캐필러리 내에 삽입하고, 상기 금 와이어의 끝을 가열, 용융하여, 금 볼을 형성하는 단계와;
    (B) 상기 캐필러리를 하강시키고, 상기 금 볼을 반도체 소자의 전극에 압착시켜, 상기 금 와이어를 상기 전극에 접합하는 단계와;
    (C) 상기 전극에 접합된 상기 금 와이어를 포함하는 캐필러리를 소정의 궤적을 그리며 피접합 부재 상으로 이동시키고, 상기 금 와이어의 측면과 상기 피접합 부재를 압착 접합하는 단계와; 그리고
    (D) 상기 피접합 부재에 압착 접합된 상기 금 와이어를 클램퍼로 클램프한 채로 상승시켜 상기 금 와이어를 절단하고, 상기 반도체 소자의 전극과 상기 피접합 부재 간의 금 와이어의 배선을 완료하는 단계를 포함하고;
    상기 금 와이어는 제 1 항 내지 제 4 항 중의 어느 한 항에 기재된 금 와이어인 것을 특징으로 하는 반도체 소자 접합 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 단계 (A) 그리고/또는 단계 (C)에서는, 초음파 진동을 상기 캐필러리를 통해 상기 금 와이어의 끝에 인가함과 동시에, 상기 반도체 소자 또는 상기 피접합 부재를 히터 블록으로 가열하여, 상기 금 볼을 열 압착하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자 접합 방법.
  7. 제 5 항에 있어서
    상기 반도체 소자의 인접하는 전극들의 피치가 70μm 이하인 것을 특징으로 하는 반도체 소자 접합 방법.
  8. 제 5 항에 있어서,
    상기 반도체 소자의 인접하는 전극들의 피치가 60μm 이하인 것을 특징으로 하는 반도체 소자 접합 방법.
  9. (A) 금 와이어를 캐필러리 내에 삽입하고, 상기 금 와이어의 끝을 가열, 용융하여 금 볼을 형성하는 단계와;
    (B) 상기 캐필러리를 하강시키고 상기 금 볼을 반도체 소자의 전극에 압착하여, 압착 금 볼을 형성하는 단계와; 그리고
    (C) 상기 반도체 소자의 전극에 압착 금 볼을 형성하고, 상기 금 와이어를 클램퍼로 클램프한 채로 상승시켜, 상기 압착 금 볼의 부착부 부근에서 상기 금 와이어를 절단하여, 상기 전극 상에 범프를 형성하는 단계를 포함하고,
    상기 금 와이어는 제 1 항 내지 제 4 항 중의 어느 한 항에 기재된 금 와이어인 것을 특징으로 하는 반도체 소자 접합 방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 반도체 소자의 전극 상에 형성된 범프를 피접합 부재에 압착하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자 접합 방법.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 단계 (A)에서는, 초음파 진동을 상기 캐필러리를 통해 상기 금 와이어 끝에 인가함과 동시에, 상기 반도체 소자를 히터 블록으로 가열하여, 상기 금 볼을 열 압착하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자 접합 방법.
  12. 제 9 항에 있어서,
    상기 반도체 소자 전극은 알루미늄 전극막이며, 그 막 두께는 0.5μm 이하인 것을 특징으로 하는 반도체 소자 접합 방법.
  13. 제 9 항에 있어서,
    상기 반도체 소자 전극은 알루미늄 전극막이고, 그 막 두께는 0.1μm 이하인 것을 특징으로 하는 반도체 소자 접합 방법.
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