KR101704839B1 - 반도체용 구리 합금 본딩 와이어 - Google Patents

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다까시 야마다
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신닛테츠스미킹 마테리알즈 가부시키가이샤
닛데쓰스미킹 마이크로 메탈 가부시키가이샤
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Abstract

본 발명은, 재료비가 저렴하고, 고습 고온 환경에서의 PCT 신뢰성이 우수하고, 또한 열사이클 시험의 TCT 신뢰성, 볼 압착 형상, 웨지 접합성, 루프 형성성 등도 양호한 반도체 소자용 구리계 본딩 와이어를 제공하는 것을 목적으로 한다. Pd를 0.13 내지 1.15질량％ 함유하고, 잔량부가 구리와 불가피 불순물로 이루어지는 구리 합금을 신선 가공하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 반도체용 구리 합금 본딩 와이어.

Description

반도체용 구리 합금 본딩 와이어{COPPER ALLOY BONDING WIRE FOR SEMICONDUCTOR}
본 발명은, 반도체 소자 상의 전극과 회로 배선 기판의 배선을 접속하기 위해 이용되는 반도체용 구리 합금 본딩 와이어에 관한 것이다.
현재, 반도체 소자 상의 전극과 외부 단자 사이를 접합하는 본딩 와이어로서, 선 직경 20 내지 50㎛ 정도의 세선(본딩 와이어)이 주로 사용되고 있다. 본딩 와이어의 접합에는 초음파 병용 열압착 방식이 일반적이고, 범용 본딩 장치나, 본딩 와이어를 내부로 통과시켜 접속에 사용하는 캐필러리 지그 등이 사용된다. 와이어 선단을 아크 입열로 가열 용융하여, 표면 장력에 의해 볼을 형성시킨 후에, 150 내지 300℃의 범위 내에서 가열한 반도체 소자의 전극 상에 이 볼부를 압착 접합하고, 그 후에, 직접 본딩 와이어를 외부 리드측에 초음파 압착에 의해 웨지 접합시킨다.
본딩 와이어의 소재로는, 지금까지 고순도 4N계(순도＞99.99질량％)의 금이 주로 사용되고 있다. 그러나 금은 고가인 것, 또한 파워계 IC 등에서 굵은선 와이어(선 직경 50 내지 100㎛ 정도)가 요구되고 있는 것 등으로부터, 재료비가 저렴한 다른 종류의 금속의 본딩 와이어가 요망되고 있다.
와이어 본딩 기술로부터의 요구에서는, 볼 형성시에 진구성이 양호한 볼을 형성해, 그 볼부와 전극의 접합부의 형상이 가능한 한 진원에 가까운 것이 바람직하고, 또한 충분한 접합 강도를 얻는 것이 요구된다. 또한, 접합 온도의 저온화, 본딩 와이어의 세선화 등에 대응하기 위해서도, 리드 단자나 배선 기판 상에 본딩 와이어를 초음파 압착시키는 웨지 접속에 있어서는, 박리 등이 발생하지 않고 연속 본딩할 수 있는 것, 또한 충분한 접합 강도가 얻어지는 것 등이 요구된다.
자동차용 반도체 등과 같이 고온에서 방치되는 용도에서는, 금 본딩 와이어와 알루미늄 전극의 접합부의 장기 신뢰성이 문제가 되는 경우가 많다. 고온 가열 시험 등의 가속 평가에 의해, 상기 접합부의 접합 강도의 저하, 전기 저항의 상승 등의 불량이 발생한다. 금/알루미늄 접합부(금 본딩 와이어와 알루미늄 전극의 접합부)의 고온 가열에서의 불량은, 반도체의 고온 사용을 제약하는 요인이 된다.
이러한 고온 가열에서의 접합 신뢰성을 향상시키는 데, 구리를 소재로 하는 구리 본딩 와이어가 유망한 것이 일반적으로 알려져 있고, 예를 들어, 비특허 문헌 1 등에도 보고되어 있다. 일 요인으로서, 구리/알루미늄 접합부(구리 본딩 와이어와 알루미늄 전극의 접합부)에서의 Cu-Al계 금속간 화합물의 성장 속도가, 금/알루미늄 접합부에서의 Au-Al계 금속간 화합물의 성장 속도에 비교하여 1/10 이하로 느린 것 등이 지적되어 있다.
구리는, 재료비가 저렴하고, 전기 전도성이 금보다 높은 등의 이점이 있기 때문에, 구리 본딩 와이어가 개발되어, 특허 문헌 1 내지 3 등에서 개시되어 있다. 그러나 구리 본딩 와이어에서는, 볼부의 경도가 Au보다도 높고, 패드 전극 상에서 볼을 변형시켜 접합할 때에, 칩에 크랙 등의 손상을 주는 것이 문제가 된다. 구리 본딩 와이어의 웨지 접합에 대해서도, Au에 비하여 제조 마진이 좁아, 양산성이 저하되는 것이 우려되고 있다. 또한, 전술한 바와 같이, Au에서 문제가 되는 고온 가열에서의 접합 신뢰성에 대해서는, 구리는 양호한 것이 확인되어 있지만, 그 이외의 가혹한 사용 환경에서의 신뢰성 등은 충분히 알려져 있지 않아, 실용화를 향한 종합적인 사용 성능, 신뢰성의 확인 및 개선이 요구되고 있다.
일본 특허 출원 공개 소61-251062호 공보 일본 특허 출원 공개 소61-20693호 공보 일본 특허 출원 공개 소59-139663호 공보 일본 특허 출원 공개 평7-70673호 공보 일본 특허 출원 공개 평7-70675호 공보
"The emergence of high volume copper ball bonding", M. Deley, L. Levine, IEEE/CPMT/SEMI 29th International Electronics Manufacturing Technology Symposium, (2004), pp. 186-190.
실용화를 향한 종합적인 신뢰성의 확보에 관하여, 구리 본딩 와이어의 장기 신뢰성에 대해, 많은 신뢰성 평가를 행한 바, 가장 많이 이용되는 가열 시험인 건조 분위기에서의 고온 보관 평가에서는 정상인 것에 대해, 고습 가열 평가에 있어서 불량이 발생하는 것이 확인되었다. 일반적인 고습 가열 평가로서 PCT 시험(프레셔 쿠커 테스트)이 행해진다. 그 중에서도 포화 타입의 PCT 시험이 비교적 엄격한 평가로서 자주 사용되고 있으며, 대표적인 시험 조건은, 온도 121℃, 상대 습도 100％ RH(Relative Humidity), 2기압에서 행해진다. PCT 시험에 대해, 금 본딩 와이어에서는 와이어 재료가 원인으로 문제가 되는 경우는 거의 없어, 금 본딩 와이어(Au 와이어)의 PCT 시험은 주목되는 일이 없었다. 개발 단계의 구리 본딩 와이어에서는 PCT 시험의 신뢰성이 주목되는 일이 적어, 지금까지는 PCT 시험의 불량은 거의 알려져 있지 않았다.
본 발명자들의 실험에서는, 구리 본딩 와이어를 접속한 반도체를 수지 밀봉한 후에, 포화 타입의 PCT 시험을 행하면, 접합 강도의 저하, 전기 저항의 증가 등의 불량이 발생하는 것이 확인되었다. 상기 가열 조건에서의 불량 발생 시간은 100시간으로부터 200시간으로, 실용상의 문제가 우려된다. 구리 본딩 와이어에서는 PCT 시험에서 도통 불량의 발생 빈도가 금 본딩 와이어보다 높기 때문에, 금 본딩 와이어와 동등한 용도로 활용하기 위해서는, PCT 시험에서의 수명 향상이 요구된다.
또한, 용도에 따라서는, 상기 신뢰성에 더하여, 열사이클에 대한 신뢰성의 향상이 요망되는 경우가 있다. 온도의 승강에 의한 열사이클 시험(TCT : Temperature Cycle Test)에 있어서, 구리 본딩 와이어(Cu 와이어)의 불량 발생 빈도가 금 본딩 와이어보다도 높은 것이 확인되었다. TCT 시험의 조건은, -55℃ 내지 150℃의 범위에서 온도 사이클을 반복한 후에, 전기 저항, 접합 강도 등을 평가한다. 주된 불량 개소는 세컨드 접합부이다. 원인은, 수지, 리드 프레임, 실리콘 칩 등의 재료의 열팽창 차가 큼으로써 열변형이 생겨, 본딩 와이어의 세컨드 접합부에서의 파단이 일어나기 때문이라고 생각된다. 금 본딩 와이어의 TCT 시험은, 통상의 반도체 패키징 및 사용 환경에서는 문제가 되는 일은 없고, 주변 부재의 변화, 가혹한 가열 조건 등의 지극히 드문 케이스에서만, TCT 시험에서 불량이 발생할 가능성이 생각된다. 그러나 구리 본딩 와이어에서는, TCT 시험의 불량 발생 빈도가 금 본딩 와이어보다도 높음으로써, 용도가 한정되거나, 다양한 주변 부재에의 적응이 어렵게 되는 경우가 있다. 따라서 보다 우수한 구리 본딩 와이어로서, 열사이클에 대한 신뢰성을 더욱 향상시키는 것도 요구된다.
구리 본딩 와이어는, 볼부를 알루미늄 전극 상에 접합했을 때에 접합 형상의 불량 빈도가, 금 본딩 와이어보다도 높은 것이 우려된다. 범용적으로 사용되고 있는 금 본딩 와이어에서는, 협피치 접속 등 LSI 용도의 엄격한 요구에 따르기 위해, 볼 접합 형상을 진원화시키기 위한 개발이 행해져 왔다. 구리 본딩 와이어에서는, 접합부 바로 아래에 있어서의 칩 손상을 경감시키는 등의 목적으로 고순도의 구리를 소재에 사용하는 경우가 많아, 결과적으로, 접합 형상이 악화되는 것이 우려된다. 금후의 협피치 접속 등 LSI용으로 구리 본딩 와이어의 실용화를 촉진시키기 위해서는, 상기 신뢰성에 더하여, 볼 접합 형상의 가일층의 향상도 요구된다.
최근의 본딩 기술, 패키지 구조 등도 급속하게 진화되고 있어, 구리 본딩 와이어의 요구 특성도 변화되고 있다. 이전에는, 구리 본딩 와이어에서는, 금 본딩 와이어와 마찬가지로 고강도화가 기대되고 있었다. 그러나 요즘은, 본딩 기술의 향상, 양산성의 추급(追及) 등의 요구에 적응하기 위해, 구리 본딩 와이어의 요구 특성에서는, 연질화, 접합 안정성 등이 보다 중시되고 있다.
본 발명에서는, 상술한 바와 같은 종래 기술의 문제를 해결하여, 고습 가열PCT 시험에서의 신뢰성을 개선하고, 금 본딩 와이어보다도 저렴한 구리를 주체로 하는 반도체용 구리 합금 본딩 와이어를 제공하는 것을 목적으로 한다.
청구항 1에 관한 반도체용 구리 합금 본딩 와이어는, Pd를 0.13 내지 1.15질량％ 함유하고, 잔량부가 구리와 불가피 불순물로 이루어지는 구리 합금을 신선 가공하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
청구항 2에 관한 반도체용 구리 합금 본딩 와이어는, 청구항 1에 있어서, 와이어 표면의 산화구리의 평균 막 두께가 0.0005 내지 0.02㎛의 범위인 것을 특징으로 한다.
청구항 3에 관한 반도체용 구리 합금 본딩 와이어는, 청구항 1, 2에 있어서, 와이어 길이 방향과 평행하게 있는 와이어 단면에 있어서의 결정립의 평균 사이즈가 2㎛ 이상 와이어 선 직경의 1.5배 이하인 것을 특징으로 한다.
청구항 4에 관한 반도체용 구리 합금 본딩 와이어는, 청구항 1 내지 3 중 어느 한 항에 있어서, 상기 구리 합금이, 또한 Ag, Au 중 적어도 1종을 총계 0.0005 내지 0.07질량％ 함유하는 것을 특징으로 한다.
청구항 5에 관한 반도체용 구리 합금 본딩 와이어는, 청구항 1 내지 4의 어느 한 항에 있어서, 상기 구리 합금이, Ti : 0.0005 내지 0.01질량％, B : 0.0005 내지 0.007질량％, P : 0.0005 내지 0.02질량％ 중 적어도 1종을 총계 0.0005 내지 0.025질량％ 함유하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 재료비가 저렴하고, 고습 가열에 관한 접합부의 장기 신뢰성이 우수한 반도체용 구리 합금 본딩 와이어를 제공할 수 있다. 또한, 열사이클에 관한 신뢰성이 우수한 반도체용 구리 합금 본딩 와이어를 제공할 수 있다. 또한, 볼 변형이 양호하고, 양산성도 우수한 반도체용 구리 합금 본딩 와이어를 제공하는 것이 가능해진다.
본딩 와이어에 대해, 구리를 소재로 하는 구리 본딩 와이어의 함유 성분의 영향을 예의 조사한 결과, 구리 중에 Pd를 특정량 첨가함으로써, PCT 시험에 의한 고습 가열 신뢰성이 향상되는 것을 발견하였다. 특허 문헌 4 및 5에는, 구리 본딩 와이어에 관하여, 볼 형성시에 H2, O2, N2 및 CO 가스의 발생을 억제하기 위해, Pd를 포함하는 원소군을 첨가하는 것이 개시되어 있다. 그러나 상기 Pd를 포함하는 원소군의 첨가량은, 0.001 내지 2질량％로 폭넓은 범위이고, 본 발명에 관한 특정한 범위에서 Pd를 첨가함으로써, 고습 가열 신뢰성이 향상된다고 하는 전혀 다른 작용 효과가 얻어지는 것은 기재도 시사도 되어 있지 않다.
또한, Pd에 더하여 Ag, Au를 특정량 첨가(잔량부의 구리를, 특정 첨가량의 Ag나 Au로 치환한다)함으로써, 볼 변형 형상이 개선되는 것, 혹은 Pd에 더하여 Ti, B, P를 특정량 첨가(잔량부의 구리를, 특정 첨가량의 Ti, B, P로 치환한다)함으로써, TCT 시험에 의한 열사이클 신뢰성의 향상에 유효한 것이 발견되었다. 또한, 상기한 Pd를 첨가하고, 또한 특정의 조직으로 제어함으로써, 웨지 접합성을 향상시키는 높은 효과가 얻어지는 것도 확인되었다.
본 발명의 반도체용 구리 합금 본딩 와이어는, Pd를 0.13 내지 1.15질량％의 농도 범위에서 함유하는 구리 합금으로 이루어지는 반도체용 구리 합금 본딩 와이어이다. 상기 농도 범위에서 Pd를 첨가함으로써, PCT 시험에 의한 고습 가열 신뢰성을 향상시킬 수 있다. 즉, Pd를 상기 농도 범위에서 함유함으로써, PCT 시험의 불량 발생까지의 수명을, 종래의 구리 본딩 와이어에 대하여 1.3 내지 3배로까지 향상시킬 수 있다. 이에 의해, 금 본딩 와이어와 동등한 용도로 구리 본딩 와이어를 이용하는 것이 가능해진다. 즉, 구리 본딩 와이어의 용도를, 지금까지 이상으로 확대시킬 수 있다.
종래의 구리 본딩 와이어가 접속된 반도체의 PCT 시험에 있어서의 불량 형태는, 구리 본딩 와이어와 알루미늄 전극의 접합부에 있어서의 강도 저하와, 전기 저항의 증가이다. 이 불량 기구로서, Cu/Al 접합 계면(구리 본딩 와이어와 알루미늄 전극의 접합 계면)에서의 부식 반응이 주된 원인인 것을, 본 발명자들은 명확하게 하였다. 즉, 이 주된 원인은, PCT 시험 중에 접합 계면에 성장하는 Cu-Al계의 금속간 화합물이, 밀봉 수지에 포함되는 가스 성분 또는 이온 등과 부식 반응을 일으키는 것이다. 본 발명의 반도체용 구리 합금 본딩 와이어는, 구리 본딩 와이어 중에 Pd를 상기 농도 범위에서 함유시킴으로써, Pd가 접합 계면까지 확산 또는 농화하고, Cu와 Al의 상호 확산에 영향을 미침으로써, 부식 반응을 늦춘다고 생각된다. 접합 계면 근방의 Pd의 역할은, 부식 반응물의 이동을 저해시키는 배리어 기능, Cu, Al의 상호 확산 및 금속간 화합물의 성장 등을 제어하는 기능 등이 생각된다.
Pd 농도가 0.13 내지 1.15질량％의 범위이면, 접합 계면에 있어서의 Cu, Al의 상호 확산을 제어하는 효과가 얻어지고, PCT 시험에서의 접합부의 수명이 200시간 이상까지 향상된다. 여기에서의 접합부의 평가로서는, PCT 시험 후에 수지를 개봉하여 제거하고, 그 후에 풀 시험에 의해 접합부의 파단 상황을 평가한다. 여기서, Pd 농도가 0.13질량％ 미만이면, 상기한 PCT 신뢰성의 개선 효과가 작아, 불충분하다. 한편, Pd 농도가 1.15질량％를 초과하면, 저온 접합에서의 알루미늄 전극과의 초기의 접합 강도가 저하되기 때문에, PCT 시험에서의 장기 신뢰성이 저하되거나, BGA(Ball Grid Array), CSP(Chip Size Package) 등의 기판, 테이프 등에의 접합의 양산 마진이 좁아진다. 보다 바람직하게는, 상기 Pd 농도가, 0.2 내지 1.1질량％의 범위이고, 상기 범위이면, PCT 시험에서의 신뢰성이 더욱 향상된다. 예를 들어, PCT 시험의 불량 발생까지의 수명이 500시간 이상까지 향상된다. 이것은, 종래의 구리 본딩 와이어의 1.5배 이상의 장기 수명화에 상당하는 경우도 있어, 가혹한 환경에서의 사용에도 대응 가능해진다.
또한, Pd를 고농도로 첨가할 때의 유의점으로서, 반도체용 구리 합금 본딩 와이어의 사용 성능이 저하되는 일이 없도록, 검토하는 것이 필요하다. Pd 농도가1.15질량％를 초과하면, 와이어의 상온 강도·고온 강도 등이 상승함으로써, 루프 형상의 편차의 발생, 웨지 접합성의 저하 등도 현저해진다. 따라서 Pd 농도가 0.13 내지 1.15질량％의 범위이면, 루프 높이의 편차의 경감, 양호한 웨지 접합성 등을 확보하는 것도 용이해진다.
Pd를 0.13 내지 1.15질량％의 농도 범위에서 함유하는 구리 합금으로 이루어지는 반도체용 구리 합금 본딩 와이어이면, 그 선단을 용융시켜 형성한 볼의 내부에도 Pd가 거의 균질하게 고용됨으로써, PCT 신뢰성을 양산 레벨에서 안정적으로 향상시키는 효과가 얻어진다. 볼 내부의 Pd의 역할은, 볼 내부의 부식성 이온의 확산을 지연시키거나, 접합 계면의 밀착성 향상에 의한 부식성 가스의 이동을 저해시키는 것, 또한 상술한 볼 내부로부터 접합 계면까지 확산하는 Pd의 공급원으로서 작용하는 것 등이 생각된다. 상기한 양산 레벨의 PCT 신뢰성 향상이라 함은, 고밀도 실장에 있어서, 1칩당 300 내지 1800핀 등의 다핀계에서의 1핀이라도 접합부에서 불량을 일으키지 않는 안정된 관리이거나, 혹은 압착 볼 직경이 45㎛ 이하의 작은 접합부의 계면에 있어서의 수㎛의 범위에서까지도 부식을 억제하는 엄격한 제어 등을 가능하게 하는 관리에 상당하다. 이러한 고도의 신뢰성 향상에도, 볼 내부에 Pd가 고용되어 있는 것이 유효하다.
볼 내부에 포함되는 Pd의 함유량은 0.08 내지 1.5질량％의 범위이면, PCT의 접합 신뢰성을 양산 레벨에서 안정적으로 향상시키는 효과를 높일 수 있다. 여기서, 볼 내부의 Pd 함유량의 적정 범위가 와이어 내부의 함유량과 조금 벗어나 있는 이유로서, 와이어 용융·응고시에 일부의 Pd가 확산하는 것에 의한 볼 표면의 농화, 볼 내부의 농도 편재 등이 일어나는 것, 또한 접합 후의 수지 밀봉 공정 및 신뢰성 시험 등의 가열에 의해 접합 계면의 근방에 Pd가 확산하는 것 등에 의해, Pd 농도의 분포가 발생하기 때문이라고 생각된다. 즉, 와이어 내부의 Pd 함유량이 0.13 내지 1.15질량％의 농도 범위인 반도체용 구리 합금 본딩 와이어이면, 볼 내부의 Pd의 함유량을 0.08 내지 1.5질량％의 적정 범위로 하게 하는 것이 용이해져, 이에 의해 신뢰성을 안정적으로 향상시키는 효과를 높일 수 있다.
Pd를 0.13 내지 1.15질량％의 농도 범위에서 함유하는 구리 합금으로 이루어지고, 와이어 표면의 산화구리의 평균 막 두께가 0.0005 내지 0.02㎛의 범위인 반도체용 구리 합금 본딩 와이어이면, PCT 신뢰성을 양산 레벨에서 안정적으로 향상시키는 효과를 한층 더 높일 수 있다. 와이어 표면의 산화구리의 막 두께가 0.02㎛보다도 두꺼워지면, Pd를 함유하는 구리 합금으로 이루어지는 본딩 와이어의 볼 접합부의 PCT 신뢰성의 개선 효과에 편차가 생겨, PCT 가열 후의 접합 강도 등이 불안정해지는 경향이 있다. 이 PCT 신뢰성 편차는 선 직경이 20㎛ 이하의 본딩 와이어에서 보다 문제가 될 가능성이 있다. Pd를 함유하는 구리 합금의 표면의 산화구리가 PCT 신뢰성을 불안정화시키는 요인에 대해, 아직 불분명한 점도 있지만, 반도체용 구리 합금 본딩 와이어의 길이 방향 또는 와이어 표면으로부터 깊이 방향에서의 Pd 농도 분포가 불균일해지는 것, 혹은 볼 내부의 침입 산소 또는 잔류 산화물이 Pd의 PCT 신뢰성의 향상 효과를 저해시킬 가능성이 있는 것, 등이 생각된다. 또한, Pd를 함유하는 반도체용 구리 합금 본딩 와이어에서는 표면 산화를 늦추는 효과가 얻어지기 때문에, 산화구리의 평균 막 두께를 얇은 범위인 0.0005 내지 0.02㎛로 제어하는 것도 용이해진다. Pd를 0.13 내지 1.15질량％의 농도 범위에서 함유하는 반도체용 구리 합금 본딩 와이어에서는, 고순도 구리에 비교하여, 20 내지 40℃정도의 저온 영역에 있어서의 와이어 표면의 산화구리 막의 성장을 늦추는 작용을 갖는 것도 확인되었다.
와이어 표면의 산화구리의 평균 막 두께를 0.0005 내지 0.02㎛의 범위로 한 이유는, 0.02㎛를 초과하면, 전술한 바와 같이, PCT 신뢰성의 개선 효과에 편차가 발생하기 쉬워져, 예를 들어, 평가되는 접합 수를 늘리면 개선 효과에 편차가 발생해 불안정해질 가능성이 높아지기 때문이다. 한편, 와이어 표면의 산화구리의 평균 막 두께를 0.0005㎛ 미만으로 안정적으로 억제시키기 위해서는 특수한 표면 처리, 제품 관리 등이 필요해져, 접합성의 저하, 비용 상승 등을 유발하여, 공업적으로 적응하는 것이 곤란해지기 때문이다. 예를 들어, 산화구리의 평균 막 두께를 0.0005㎛ 미만으로 억제할 목적으로, 와이어 표면의 방청제의 도포막을 두껍게 하면 접합 강도가 저하되어 연속 본딩성이 저하된다고 하는 문제가 있다. 또한, 산화구리의 평균 막 두께를 0.0005㎛ 미만으로 억제할 목적으로, 와이어 제품의 대기 보관의 보증 수명을 극단적으로 짧게 하면, 와이어 본딩의 양산 공정에서의 조업이 곤란해져, 스크랩 문제가 발생하거나 하기 때문에, 공업적으로는 용인되지 않는 경우도 있다.
와이어 표면의 산화구리의 평균 막 두께의 측정에 관해서는, 표면 분석에 적합한 오제 분광 분석이 유효하고, 와이어 표면의 랜덤한 위치의 최저 3군데 이상, 가능하면 5군데 이상에서 측정한 산화구리의 막 두께의 평균값을 사용하는 것이 바람직하다. 산소 농도라 함은, Cu, O, 금속 원소를 총계한 농도에 대한 O 농도의 비율을 사용한다. 와이어 표면의 대표적인 오염인 유기물은 제외하기 때문에, 상기한 농도 계산에서는 C량은 포함되지 않는다. 산화구리의 막 두께의 절대치를 고정밀도로 구하는 것이 곤란하기 때문에, 오제 분광법에서 일반적으로 사용되는 SiO2 환산값을 사용해 산화구리 막 두께를 산출하는 것이 바람직하다. 본 명세서에서는, 산소 농도가 30질량％를 산화구리와 금속구리의 경계로 한다. 주된 산화구리는 Cu2O, CuO가 알려져 있지만, Pd를 함유하는 구리 합금의 표면에는 저온(25 내지 500℃)에서는 Cu2O가 우선적으로 형성되는 경우가 많기 때문에, 산소 농도를 30질량％를 경계로 한다.
와이어 표면의 산화구리의 평균 막 두께가 0.0005 내지 0.02㎛의 범위로 양산 레벨에서 관리하기 위한 제조 조건으로 하여, 와이어 제조 공정에서의 산화를 억제하는 것이 필요하다. 열처리 공정에서의 산화구리의 형성을 제어하기 위해서는, 온도(200 내지 850℃), 열처리 공정에서의 불활성 가스 유량의 조정(1 내지 8L/분), 노(爐) 내의 산소 농도의 관리 등이 유효하다. 산소 농도는, 노의 중앙부에서 측정하고, 그 농도 범위가 0.1 내지 6체적％이도록 조정하는 것이 유효하다. 산소 농도를 상기 범위로 제어하는 방법으로 하여, 상기 가스 유량의 적정화, 노의 입구, 출구 등의 형상을 바꿈으로써 외부로부터 열처리로 내에의 대기 휩쓸림의 방지 등을 관리할 수 있다. 또한 양산 레벨에서는, 신선 공정도 관리하는 것이 바람직하고, 예를 들어, 수중에서의 신선 공정의 1패스 후에 와이어를 권취하기 전에 건조(40 내지 60℃의 온풍 대기의 분사)함으로써 와이어 표면의 수분을 적극적으로 제거하는 것, 제조 공정 도중에서의 보관의 습도를 관리(2일 이상 보관에서는 상대 습도 60％ 이하)하는 것 등도 유효하다.
Pd를 0.13 내지 1.15질량％의 농도 범위에서 함유하고, 또한 반도체용 구리 합금 본딩 와이어의 길이 방향(이하, 이것을 와이어 길이 방향이라고 칭함)과 평행하게 있는 와이어 단면에 있어서의 결정립의 평균 사이즈(수 평균 사이즈)가 2㎛ 이상 75㎛ 이하인 반도체용 구리 합금 본딩 와이어가 보다 바람직하다. 상기 결정립의 평균 사이즈가 2㎛ 이상임으로써, 결정 방위의 이방성을 경감하거나, 반도체용 구리 합금 본딩 와이어의 연질화를 촉진하게 된다. 그 결과, 루프 형상을 보다 안정화시키거나, 웨지 접합성이 보다 향상된다고 하는 효과가 얻어진다. 구체적인 효과로서, 반도체용 구리 합금 본딩 와이어의 곡절, 소성 변형을 제어하고, 접속 방향에 제약 없이 4방향으로 안정적으로 복잡한 루프 형상을 제어하는 것, 또한 웨지 접합에서의 불착이 발생하는 불량(Non-Stick-On-Lead : NSOL)을 저감시켜, 실장 수율이 향상되는 효과 등이 있다. 최근의 본딩 기술, 패키지 구조 등도 급속하게 진화되고 있어, 구리 본딩 와이어의 요구 특성도 변화되고 있다. 이전에는, 구리 본딩 와이어에서는, 금 본딩 와이어와 마찬가지로 고강도화가 기대되고 있었지만, 최근에는, 연질화, 접합 안정성 등이 보다 중시되고 있다. 최신의 패키지 구조에 적절하게 적응시키기 위해서는, Pd를 첨가한 구리 본딩 와이어의 고강도화를 억제하고, 또한 루프 제어, 웨지 접합성을 더욱 향상시키기 위해서는, 결정립의 평균 사이즈를 크게 하는 것이 유효하다. 여기서, 결정립 사이즈가 2㎛ 이상이면, 상기한 충분한 효과가 얻어진다. 예를 들어, 루프 높이가 다른 다단 접속 등의 최첨단의 패키징에도 충분히 적용 가능하다. 종래의 금 본딩 와이어의 범용품에서는, 금 본딩 와이어의 조직이 섬유 형상으로 되어 있고, 결정립의 평균 사이즈가 1㎛ 미만이다. Pd를 첨가한 구리 본딩 와이어에서는, 결정립이 미세화되는 경향이 강하기 때문에, 본딩 공정의 수율 저하가 우려된다. Pd 첨가와 결정립의 조대화를 조합함으로써, 루프 제어, 웨지 접합성이 더욱 향상된다고 하는 보다 높은 효과가 얻어진다. 바람직하게는, 결정립의 평균 사이즈가 3㎛ 이상이면, 웨지 접합성을 향상시키는 효과가 한층 높아지고, 주로 선 직경 20㎛ 이하의 세선에 있어서 특별한 개선 효과가 얻어진다. 상기 효과를 얻기 위해서는 결정립의 평균 사이즈의 상한은 특별히 없지만, 반도체용 구리 합금 본딩 와이어의 생산성으로부터 상한을 75㎛로 하였다. 이것은, 50㎛ 직경의 반도체용 구리 합금 본딩 와이어에 있어서의 선 직경의 1.5배 이하에 상당하는 것이다. 선 직경이 25㎛ 이하의 세선에서는, 결정립의 평균 사이즈의 상한은 선 직경의 1.5배 이하인 것이 바람직하다. 상기 상한을 초과하면, 과잉으로 조대화되어 결정립이 대나무의 마디 형상으로 됨으로써, 와이어 제조 중에 선 직경이 국소적으로 가늘어져 생산성이 저하되는 경우가 있다. 여기서, 본 발명의 결정립의 입자 사이즈는, 이하와 같이 하여 정한다.
반도체용 구리 합금 본딩 와이어의 결정립의 관찰에는, 와이어 축을 포함해 와이어 길이 방향의 와이어 단면(축 단면) 또는 와이어 표면의 관찰을 이용할 수 있다. 바람직하게는, 축 단면에서의 관찰이면, 내부도 포함시킨 반도체용 구리 합금 본딩 와이어 전체의 조직을 관찰할 수 있다.
Pd를 0.13 내지 1.15질량％의 농도 범위에서 함유하고, 또한 와이어 길이 방향과 평행하게 있는 와이어 단면에 있어서의 결정립의 평균 사이즈가 2㎛ 이상 와이어 선 직경의 1.5배 이하인 반도체용 구리 합금 본딩 와이어를 양산 레벨에서 안정적으로 제조하기 위해서는, 신선 가공과 가열 처리의 조건을 적정화하는 것이 유효하다. 선 직경 20㎛의 극세선에 있어서의 제조 조건의 일례에서는, 신선 공정에서 가공율은 99.9％ 이상, 평균 신선 속도는 200 내지 400m/분으로 하고, 열처리 공정에서는, 균열대 길이 200㎜의 열처리로를 사용하고, 온도는 400 내지 800℃, 스위핑 속도는 20 내지 100m/분, 불활성 가스 유량은 0.5 내지 6L/분의 범위로 함으로써, 품질 안정화가 어려운 극세선에서도 생산성을 저하시키는 일 없이, 결정립의 평균 사이즈를 2㎛ 이상, 와이어 선 직경의 1.5배 이하로 안정화시키는 것이 공업적으로 용이해진다. 바람직하게는, 신선 공정의 도중인 가공율은 99.5 내지 99.99％의 범위에서 1회 이상의 열처리(상기 조건으로 온도는 300 내지 600℃)를 행하는 것이 바람직하다. 이에 의해 Pd를 고용하는 구리 합금에 있어서의 회복·재결정을 일부 진행시킴으로써 최종 선 직경에 있어서의 결정립 직경의 편차를 억제하는 효과가 얻어지기 때문이다.
결정립의 사이즈는, 결정립계(결정립끼리의 경계)를 다음과 같이 특정하고, 결정립의 형상을 명확하게 하여 측정한다. 화학적 에칭법 혹은 CP(Cross-section Polishing)법에 의해 결정립계를 직접 관찰하는 방법, 또는 후방 전자 산란 도형(Electron Back Scattering Pattern, 이후 EBSP)법에 의해 결정립계를 해석하는 방법에 의해, 상기 결정립계를 특정한다. 화학적 에칭으로는, 표피층 또는 코어재의 소재, 구조 등에 적합한 약액, 에칭 조건을 선정함으로써, 간편하게 결정립 등의 조직을 관찰할 수 있다. 상기 약액으로서는, 예를 들어, 염산, 질산, 황산, 아세트산 등의 산성 수용액이 사용된다. 상기 산 농도(pH)와, 온도나 시간과 같은 에칭 조건을 선정하여, 입계를 선택적으로 용해하거나, 또는 특정한 결정면을 선택적으로 용해함으로써, 결정립계를 확정하여, 결정립의 형상을 관찰한다. CP법으로는, 예를 들어, 2 내지 6kV의 가속 전압의 아르곤 이온의 광범위한 빔을 사용해 시료 단면을 형성하고, 결정립계를 명확하게 하여, 결정립의 형상을 관찰한다. EBSP법으로는 각 결정립의 방위를 측정할 수 있기 때문에, 결정립계를 확정할 수 있다. 본 발명에서는, 인접하는 결정립의 방위차가 15℃ 이상인 것을 결정립계로 한다.
결정립의 평균 사이즈는, 수 평균으로 산출하는 것이다. 적어도 5개 이상의 결정립의 사이즈를 평균한다. 또한, 본 발명에서는, 상기 모든 분석 방법으로 얻어지는 결정립 평균 사이즈가 본 발명의 규정 범위를 충족시킬 필요는 없고, 1개의 분석 방법으로 얻어지는 결정립 평균 사이즈가 본 발명의 규정 범위를 충족시키면 그 효과가 얻어지는 것이다.
결정립의 사이즈 판정에는, 광 현미경, SEM(Scanning Electron Microscope), EBSP 등에 의해 촬영한 사진을 기초로 판정하는 방법과, 해석 소프트에 의한 방법 등을 이용할 수 있다. 전자의 사진 판정에 있어서, 결정립이 원형이 아니라 부정형인 경우에는, 결정립의 긴 직경과 짧은 직경을 측정하여 그 평균값을 구하는 방법이 유효하다. 후자에서는, EBSP 장치에 장비되어 있는 해석 소프트 등을 이용함으로써, 관찰과 동시에 비교적 용이하게 구해진다.
Pd를 0.13 내지 1.15질량％의 농도 범위에서 함유하고, Ag, Au 중 적어도 1종을 총계 0.0005 내지 0.07질량％ 함유하는 반도체용 구리 합금 본딩 와이어가 보다 바람직하다. 최근의 고밀도 실장에서 요구되는 협피치 접속에서는, 볼 접합부의 변형 형상이 중요해, 꽃잎 형상, 편심 등의 이형을 억제하여, 진원화시키는 것이 요구된다. Ag, Au 중 적어도 1종을 Pd와 병용하여 첨가함으로써, 볼 변형을 용이하게 등방적으로 할 수 있어, 압착 형상을 진원화시키는 효과를 높일 수 있다. 이에 의해, 50㎛ 이하의 협피치 접속에도 충분히 적응할 수 있는 것이 확인되었다. 볼 변형을 진원화시키는 효과는, Ag, Au의 원소군만으로는 작지만, Pd와 조합함으로써 한층 더 높일 수 있는 것이 확인되었다. 상세한 기구는 불분명하지만, 볼부가 응고할 때에 고융점 금속인 Pd는 볼 표면 근방에 비교적 고농도로 모아지고, Pd 보다 저융점인 Ag, Au는 볼의 내부에까지 균일하게 고용함으로써, 이들의 조합에 의해 보완적으로 작용하여, 볼 변형의 진원화에 한층 더 우수한 효과를 발휘할 수 있다고 생각된다. 여기에서의 보완적인 작용의 일례로서, 볼부의 꽃잎 형상 변형은 볼 표면 근방에 지배되고, 편심은 볼 내부에 지배되고 있어, 양자를 동시에 개선시키는 작용이 기대된다. Ag와 Au에서의 효과는 동일한 정도인 것도 확인되었다. 여기서, Ag, Au의 총계의 농도 범위에 관하여, 0.0005질량％ 미만이면 용이하게 볼 변형을 진원화시키는 효과가 작아지는 경우가 있다. 0.07질량％를 초과하면, 볼 접합부의 전단 강도가 저하되는 경우가 있다. 또한, Ag, Au의 첨가에 관하여, Pd를 함유하지 않는 경우에는(고습 가열의 신뢰성을 충족시킬 수 있는 것은 아니지만), Ag나 Au의 첨가에 의한 볼 변형을 진원화시키는 효과가 작아져, 충분한 효과를 얻기 위해서는, Ag, Au의 농도의 총계가 0.2질량％ 이상까지 고농도화시킬 필요가 있다. 즉, Ag, Au 중 적어도 1종을 Pd와 병용함으로써, 볼 변형을 진원화시키는 현저한 효과가 얻어지는 것이다. 또한, Pd를 함유하고 있는 경우에는, Ag, Au의 첨가 농도를 낮게 억제하여도, 칩 손상 등에의 악영향을 충분히 억제시킬 수 있다는 상승 효과가 얻어진다.
또한, Pd를 0.13 내지 1.15질량％, Ag, Au 중 적어도 1종을 총계 0.0005 내지 0.07질량％ 함유하여, 와이어 길이 방향과 평행하게 있는 와이어 단면에 있어서의 결정립의 평균 사이즈가 2㎛ 이상임으로써, 볼 형상을 진원화시킬 수 있다고 하는, 보다 높은 효과가 얻어진다. 메커니즘에 대해 불분명한 점도 남아 있지만, 결정립이 커짐으로써, 웨지 접합 후의 테일 컷 형상이 안정화되고, 아크 방전에 의해 상기 테일 컷부를 용융시켜 형성한 볼부의 조직이 균일화되는 것 등이 생각된다. 이 진원화의 효과는, 선 직경이 20㎛ 이하의 반도체용 구리 합금 본딩 와이어의 경우에 의해 현저하다.
Pd를 0.13 내지 1.15질량％의 농도 범위에서 함유하고, Ti : 0.0005 내지 0.01질량％, B : 0.0005 내지 0.007질량％, P : 0.0005 내지 0.02질량％ 중 적어도 1종을 함유하고, 상기 총계가 0.0005 내지 0.025질량％인 구리 합금으로 이루어지는 반도체용 구리 합금 본딩 와이어인 것이 보다 바람직하다. Ti, B, P 중 적어도 1종을 Pd와 병용하여 첨가함으로써, TCT 시험 등의 열사이클 평가에 있어서의 웨지 접합부의 불량 발생을 저감시키는 높은 효과가 얻어진다. Ti, B, P의 첨가에 의해, 와이어가 대변형될 때에 와이어의 가공 경화를 저감시켜, 웨지 접합의 와이어 변형을 촉진시키는 작용을 높일 수 있다. 또한, 이들의 원소는, TCT 시험 중의 열변형에 의해 반도체용 구리 합금 본딩 와이어가 신축되어도, 웨지 접합된 반도체용 구리 합금 본딩 와이어에 마이크로 크랙 등의 손상을 억제시키는 효과도 기대할 수 있다. TCT 시험에서 신뢰성을 보다 향상시키는 효과는, Ti, B, P의 원소군만으로는 작아, Pd와 조합함으로써 한층 더 높일 수 있는 것이 확인되었다. 상세한 기구는 불분명하지만, Pd는 Cu 중에 고용하는 것, Ti, B, P는 Cu 중의 고용도가 작기 때문에 석출, 편석함으로써, 이들의 원소가 보완적으로 작용해, 웨지 접합의 와이어 변형에, 한층 더 우수한 효과를 발휘할 수 있다고 생각된다. 여기서, Ti, B, P의 농도에 관하여, 하한값이 0.0005질량％ 미만이면 상기한 효과가 작아지는 경우가 있다. 또한, 상한 농도는 Ti, B, P의 단독으로 각각 Ti : 0.01질량％, B : 0.007질량％, P : 0.02질량％를 초과하거나, 또는 총계 0.025질량％를 초과하면, 와이어 강도가 상승해, 사다리꼴 루프의 직선성이 저하되고, 인접하는 반도체용 구리 합금 본딩 와이어와의 간격이 좁아지는 경우가 있다.
또한, Pd를 0.13 내지 1.15질량％ 함유하고, Ti : 0.0005 내지 0.01질량％, B : 0.0005 내지 0.007질량％, P : 0.0005 내지 0.02질량％ 중 적어도 1종을 함유하고, 이들 적어도 1종 함유되는 Pd, Ti, B, P의 총계가 0.0005 내지 0.025질량％이고, 와이어 길이 방향으로 평행한 와이어 단면에 있어서의 결정립의 평균 사이즈가 2㎛ 이상인 반도체용 구리 합금 본딩 와이어인 것이 보다 바람직하다. 상기 반도체용 구리 합금 본딩 와이어에 의해, 웨지 접합성을 향상시킬 수 있다고 하는, 보다 높은 효과가 얻어진다. 이것은, 열변형에 의한 웨지 접합부에서의 파손 발생을 저감시키는 데, 상술한 원소 첨가 작용에 더하여, 결정립의 조대화와 상호 작용함으로써, TCT 시험의 신뢰성을 개선시키는 효과를 높일 수 있기 때문이라고 생각된다. 이 개선 효과는, 선 직경이 20㎛ 이하의 세선의 경우에 의해 현저하다.
본 발명의 반도체용 구리 합금 본딩 와이어는, 보존시에는 통상의 방청제를 도포하거나, 혹은 N2 가스 등의 불활성 분위기에 밀봉하거나, 또는 상기 양쪽을 실시할 수도 있다. 또한, 본 발명의 반도체용 구리 합금 본딩 와이어의 사용에 있어서는, 상기 보존용의 방청제를 도포하는 것 이외에는, 와이어 표면에 특별한 코팅이나 도금 등을 실시하지 않아도, 그대로(단층 와이어에서) 사용할 수 있어, 그 작용 효과가 얻어지는 것이다.
본 발명의 반도체용 구리 합금 본딩 와이어의 제조 방법의 개요에 대해 설명한다.
구리 순도가 4N 내지 6N(99.99 내지 99.9999질량％)인 고순도 구리를 사용하여, 첨가 원소를 필요한 농도 함유한 구리 합금을 용해(溶解)[용해(熔解)]에 의해 제작한다. 이 합금화에서는, 고순도의 성분을 직접 첨가시키는 방법과, 첨가 원소를 1％정도의 고농도 함유하는 모합금을 이용하는 방법이 있다. 모합금을 이용하는 방법은, 저농도로 함유하여 원소 분포를 균일화시키기 위해서는 유효하다. 본 발명의 첨가 성분에 있어서, Pd를 0.5질량％ 이상의 비교적 고농도로 함유시키는 경우에는, 고순도의 직접 첨가를 이용할 수 있고, Pd, Ag, Au, Ti, B, P 등의 원소를 저농도로 안정적으로 함유시키기 위해서는, 모합금을 첨가하는 방법이 유리하다. 용해는, 진공 중 혹은 질소 또는 Ar 가스의 분위기에서, 1100℃ 이상으로 가열한다. 그 후에 노 중에서 서랭하여 잉곳(주괴)을 제작시킨다. 잉곳 표면의 세정 때문에, 산세정 및 수세하여, 건조시킨다. 구리 중의 첨가 원소의 농도 분석에는, ICP(Inductively Coupled Plasma) 분석 등이 유효하다.
굵은 직경은 압연에 의해 가공하고, 세선은 신선 가공에 의해 최종 선 직경까지 가늘어진다. 압연 공정에서는, 홈형 롤 또는 스웨이징 등을 사용한다. 신선 공정에서는, 다이아몬드 코팅된 다이스를 복수개 세트할 수 있는 연속 신선 장치를 사용한다. 필요에 따라서, 가공의 도중 단계 또는 최종 선 직경에서 열처리를 실시한다. 반도체용 구리 합금 본딩 와이어의 제조 공정에 있어서, 와이어 길이 방향으로 평행한 와이어 단면에 있어서의 결정립의 평균 사이즈가 2㎛ 이상인 금속 조직을 형성하기 위해서는, 가공과 열처리를 적성화하는 것이 바람직하다. 특히, 열처리 공정을 2개 이상의 공정으로 분할하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 신선 가공의 도중에 중간 어닐링을 실시하고, 또한 신선을 더하여 최종 선 직경에서 마무리 어닐링을 실시하는 방법 등이, 결정립의 사이즈를 안정적으로 제어하는 데 유효하다. 결정립 사이즈를 변경하기 위한 제조 조건으로서, 중간 어닐링을 실시하는 선 직경, 그 열처리 조건, 그 중간 어닐링의 전후의 신선 공정에 있어서의 가공 조건, 마무리 어닐링의 열처리 조건 등을 조정하는 것이 유효하다. 가공시의 전위, 원자 공공 등의 격자 결함을 도입시키는 것, 열처리에서는 격자 결함을 핵으로서 재결정립을 형성시키는 것 등이, Pd를 0.13 내지 1.15질량％ 함유함으로써 비교적 용이해진다. 가공과 열처리의 조건을 적성화함으로써, Cu 중에 고용한 Pd 원소와 격자 결함의 상호 작용을 이용해 가공 집합 조직과 재결정 집합 조직을 제어하는 것이, 결정립 사이즈를 조정하는 데 유효하다.
[실시예]
이하, 실시예에 대해 설명한다.
구체적인 제조 공정을 서술한다. 구리 순도가 4N 내지 6N(99.99 내지 99.9999질량％)인 고순도 구리를 사용하고, 필요한 함유 성분을 첨가시켜, 진공 중 혹은 질소 또는 Ar 가스의 분위기에서, 1100℃ 이상에서 용해한다. 그 후에 노 중에서 서랭하여, 직경 6 내지 30㎜의 주괴를 제작한다. 주괴 표면의 세정 때문에, 산세정 및 수세하여, 건조시킨다. 구리 중의 미량 원소의 분석에 대해, 합금 원소의 농도 분석에는 ICP 장치를 사용하였다.
굵은 직경은 압연 가공, 세선은 신선 가공에 의해 최종 선 직경의 25㎛ 또는 18㎛까지 가늘게 하였다. 압연 공정에서는, 홈형 롤을 사용하여, 선 직경이 0.5 내지 1.5mm로 될 때까지, 10 내지 100m/min의 속도에서 가공하였다. 신선 공정에서는, 다이스를 복수개 세트할 수 있는 연속 신선 장치와, 다이아몬드 코팅된 다이스를 사용하여, 신선 속도는 50 내지 400m/min의 범위에서 행하였다. 다이스의 내벽의 청정화를 목적으로, 사용 전에 초음파 세정을 실시해 두었다.
가공하는 과정에서 열처리를 2 내지 4회 행하였다. 선 직경 500 내지 40㎛의 범위에서 중간 열처리를 1 내지 3회 행하고, 최종 열처리를 최종 선 직경에서 1회 행하였다. 열처리 방법은, 10cm 이상의 균열대를 갖는 적외 가열로를 사용하여, 250 내지 800℃로 설정된 노 중을, 속도는 10 내지 500m/min, 스위핑 장력은 2 내지 30mN의 범위에서 와이어를 연속적으로 이동시키면서 열처리를 실시하였다. 와이어 표면의 구리의 산화를 억제하기 위하여, 노 내에 불활성 가스(사용한 가스는 순도 4N의 질소 가스이다.)를 유량 0.5 내지 5L/분의 범위에서 연속적으로 흘렸다. 와이어 표면에서의 산화구리의 형성의 관리 지표로서, 노의 중앙부에서 산소 농도를 측정하고, 그 값이 0.1 내지 6 체적％의 범위가 되도록 조정하였다. 산소 농도 측정에는, 시판의 갈바니 전지식 산소 센서를 사용하였다. 최종 선 직경에서의 인장 시험의 신장 값이 4 내지 25％가 되도록 조정하였다. 필요에 따라서, 와이어 표면에 방청제를 도포하고, 보관시에는 반도체용 구리 합금 본딩 와이어를 감은 스풀을 보호 주머니로 덮고, N2 가스 분위기에서 밀봉하였다.
와이어 표면의 산화구리의 평균 막 두께의 측정에는, 오제 분광 분석에 의한 깊이 분석을 행하여, 와이어 표면의 랜덤한 위치의 최저 3군데 이상에서 측정한 산화구리의 막 두께의 평균값을 사용하였다. Ar 이온으로 스패터하면서 깊이 방향으로 측정하고, 깊이의 단위는 SiO2 환산으로 표시하였다. 산소 농도가 30질량％를 산화구리와 금속구리의 경계로 한다. 여기에서의 산소 농도라 함은, Cu, 산소, 금속 원소를 총계한 농도에 대한 산소 농도의 비율을 사용하였다. 측정에는 SAM-670(PHI사제, FE형)을 사용하고, 전자 빔의 가속 전압을 5kV, 측정 영역은 10nA로 하여, Ar 이온 스패터의 가속 전압이 3kV, 스패터 속도는 11nm/분으로 측정을 실시하였다. 산화구리의 평균 막 두께의 측정 결과를 표 1, 3의 「와이어 표면의 산화구리 막 두께」의 란에 기재하였다.
상술한 바와 같이 하여, 다음의 표 1, 2에 기재한 각 반도체용 구리 합금 본딩 와이어를 제작하였다.
Figure 112011096366107-pct00001
Figure 112011096366107-pct00002
반도체용 구리 합금 본딩 와이어의 접속에는 ASM사제의 범용 자동 와이어 본더 장치를 사용하여, 볼/웨지 접합을 행하였다. 볼 접합에서는, 와이어 선단에 아크 방전에 의해 볼부를 형성하고, 그 볼부를 전극막에 초음파 병용의 열압착에 의해 접합하였다. 반도체용 구리 합금 본딩 와이어에서는 용융시의 산화를 억제하기 위해, 와이어 선단에 불활성 가스를 흘린 상태에서 볼을 형성하였다. 불활성 가스에는, N2＋5％H2 가스를 사용하였다.
접합 상대는, 실리콘 기판 상의 전극막의 재료인, 약 0.8 내지 3㎛ 두께의 Al 합금막(Al-1％Si-0.5％Cu)을 사용하였다. 또한 Al-0.5％Cu에서도 거의 마찬가지의 결과가 얻어지는 것을 확인하였다. 웨지 접합의 상대로는, 표면에 Ag 도금(두께 : 2 내지 4㎛)이 실시된 리드 프레임을 사용하였다. 또한 표면에 AU 도금/Ni 도금/Cu 배선이 형성되어 있는 글래스 에폭시 수지 기판을 사용해도, 실시예와 비교예의 차는 확인되었다.
제작한 반도체용 구리 합금 본딩 와이어에 관하여, 이하의 신뢰성의 평가 시험을 행하였다. 선 직경은 18㎛를 사용하였다. 압착 볼 직경은 32㎛, 접합 온도는 175℃, 접합 상대의 재질은 Al-0.5％Cu, 막 두께는 1㎛로 하였다. 본딩 접속된 시료의 수지 밀봉에 사용하는 밀봉 수지는, Br(브롬) 등의 할로겐을 함유하지 않는 그린계의 범용 밀봉 수지를 사용하였다. 밀봉 수지에 함유되는 대표적인 불순물인 염소의 분석 농도는 3 내지 8질량ppm이다.
PCT 시험(프레셔 쿠커 테스트)은, 미리 40개의 반도체용 구리 합금 본딩 와이어를 접속시킨 시료를, 포화형의 조건인 온도 121℃, 상대 습도 100％, 2기압의 고온 고습 환경에서 200, 500시간 가열하였다. 그 후에, 상기 접속된 40개의 반도체용 구리 합금 본딩 와이어의 전기 특성을 평가하였다. 전기 저항이 초기의 3배 이상으로 상승된 반도체용 구리 합금 본딩 와이어의 비율이 30％ 이상(40개 중에 대한 비율, 이하 같음)인 경우에는, 접합 불량 때문에 ×표를 표 1의 「PCT 신뢰성」의 란에 표기하였다. 전기 저항이 3배 이상으로 상승한 반도체용 구리 합금 본딩 와이어의 비율이 5％ 이상 30％ 미만의 범위인 경우에는, 신뢰성 요구가 엄격하지 않은 IC에는 사용가능하기 때문에 △표를 표 1의 「PCT 신뢰성」의 란에 표기하였다. 전기 저항이 3배 이상으로 상승한 반도체용 구리 합금 본딩 와이어의 비율이 5％ 미만이고, 또한 전기 저항이 1.5배 이상으로 상승한 반도체용 구리 합금 본딩 와이어의 비율이 5％ 이상 30％ 미만인 경우에는, 실용상은 문제가 없기 때문에 ○표를 표 1의 「PCT 신뢰성」의 란에 표기하였다. 전기 저항이 1.5배 이상으로 상승한 본딩 와이어의 비율이 5％ 미만인 경우에는, 양호하기 때문에 ◎표를 표 1의 「PCT 신뢰성」의 란에 표기하였다.
PCT 시험에서 200, 500시간 가열한 후에, 100개의 반도체용 구리 합금 본딩 와이어의 볼 접합부의 전단 강도를 평가하였다. 가열 전의 초기의 전단 강도의 평균값에 대해 PCT 시험의 후의 전단 강도의 평균값의 비율에 대해, 40％ 미만인 경우에는 신뢰성 불량 때문에 ×표, 40％ 이상 60％ 미만의 범위인 경우에는 신뢰성 요구가 엄격하지 않은 IC에는 사용가능하기 때문에 △표, 60％ 이상 80％ 미만인 경우에는, 실용상은 문제가 없기 때문에 ○표, 80％ 이상인 경우에는, PCT 신뢰성이 양호하기 때문에 ◎표를 표 1의 「PCT 신뢰성 평가」의 200, 500시간의 각각의 「전단 강도」의 란에 표기하였다.
또한, PCT 신뢰성의 편차에 관하여, PCT 시험의 후의 전단 강도의 평균값에 대한 표준 편차의 비율(％)에 대해, 9％ 이상인 경우에는 강도 편차가 커 실용화에 문제가 발생하기 때문에 ×표, 6％ 이상 9％ 미만의 범위인 경우에는 개선이 바람직하지만, 신뢰성 요구가 엄격하지 않은 IC에는 사용가능하기 때문에 △표, 4％ 이상 6％ 미만인 경우에는, 실용상은 바로는 문제가 되지 않기 때문에 ○표, 0％ 이상 4％ 미만인 경우에는, PCT 신뢰성이 안정되어 있고, 양산성도 우수하기 때문에 ◎표를, 표 1의 「PCT 신뢰성 평가」의 200, 500시간의 각각의 「편차」의 란에 표기하였다.
TCT 시험은, 시판의 TCT 시험 장치를 사용하였다. 미리 400개의 반도체용 구리 합금 본딩 와이어를 접속한 시료를, 가혹한 온도 이력의 조건(-55℃/30분 내지 155℃/30분)의 시험에 제공하고, 그 시험 후에, 상기 접속된 반도체용 구리 합금 본딩 와이어의 400개에 대해 전기적 측정을 행하여, 전기적 도통을 평가하였다. 불량률이 제로인 경우에는, 신뢰성이 높기 때문에 ◎표, 불량률이 2％ 미만이면 실용상에 큰 문제는 없다고 판단해 ○표, 불량률이 2 내지 5％의 범위이면 △표, 불량률이 5％초과이면 개선이 필요하기 때문에 ×표를 표 2 중의 「TCT 신뢰성」의 란에 표기하였다.
상기 신뢰성의 평가에 더하여, 하기의 와이어 성능 평가 시험을 행하였다.
압착 볼부의 접합 형상의 판정에서는, 접합된 볼을 200개 관찰해, 형상의 진원성, 이상 변형 불량, 치수 정밀도 등을 평가하였다. 선 직경은 25㎛와 18㎛의 2종류의 와이어를 사용하였다. 진원으로부터 벗어난 이방성이나 꽃잎 형상 등의 불량 볼 형상이 6개 이상이면 불량으로 판정해 ×표를 표 2의 「볼 접합 형상」의 란에 표기하였다. 또한, 이방성이나 꽃잎 형상 등의 불량 볼 형상이 1 내지 5개 있는 경우에는 둘로 분류해, 현저한 편심 등의 이상 변형이 1개 이상 발생하고 있으면 양산에서의 개선이 바람직하기 때문에 △표, 이상 변형이 발생하지 않고 있으면 사용 가능한 것이기 때문에 ○표, 불량 볼 형상이 0개이면 양호하기 때문에 ◎표를 표 2의 「볼 접합 형상」의 란에 표기하였다.
볼 접합 강도의 평가에는, 선 직경 25㎛에서 볼 직경 50 내지 65㎛의 범위가 되도록, 스테이지 온도 175℃에서 접합한 시료를 사용하였다. 20개의 볼 접합부의 전단 시험을 행하여, 그 전단 강도의 평균값을 측정하고, 볼 접합부의 면적의 평균값을 사용하여 계산한, 단위 면적당의 전단 강도를 사용하였다. 단위 면적당의 전단 강도가, 70MPa 미만이면 접합 강도가 불충분하기 때문에 ×표, 70MPa 이상 90MPa 미만의 범위이면 약간의 접합 조건의 변경으로 개선할 수 있기 때문에 △표, 90MPa 이상 110MPa 미만의 범위이면 실용상은 문제가 없다고 판단해 ○표, 110MPa 이상의 범위이면 양호하기 때문에 ◎표를 표 2의 「전단 강도」의 란에 표기하였다.
웨지 접합성의 평가에서는, 박리 불량이 증가하는 저하중, 저온에서의 접속에 의해 가속 평가를 행하였다. 접속 온도는 160℃로 하고, 접합 상대는 Ag 도금된 Cu 리드 프레임을 사용하였다. 여기에서는 선 직경이 25㎛와 18㎛의 2종류의 반도체용 구리 합금 본딩 와이어를 사용하였다. 2000개의 본딩에 의해 불착(Non-Stick-On-Lead : NSOL)의 발생 빈도를 평가하였다. 불착수가 6개 이상인 경우에는 개선이 필요하기 때문에 ×표, 불착수가 3 내지 5개인 경우에는 △표, 불착수가 1개 또는 2개인 경우에는 거의 양호하기 때문에 ○표, 불착수가 제로인 경우에는 와이어 보관 수명이 양호하다고 판단해 ◎표를 표 2 중의 「웨지 접합성」의 란에 표기하였다.
본딩 공정에서의 루프 형상 안정성에 대해, 와이어 간격(스판)이 4㎜의 롱 스판과, 2mm의 범용 스판으로 루프를 500개 제작하였다. 루프를 투영기에 의해 관찰하여, 반도체용 구리 합금 본딩 와이어의 루프 높이의 편차, 와이어 굽힘 등을 평가하였다. 여기에서는 선 직경이 25㎛와 18㎛의 2종류의 반도체용 구리 합금 본딩 와이어를 사용하였다. 와이어 길이가 긴 4㎜에서 사다리꼴 루프의 형성은, 칩 단부에의 접촉을 회피하기 위해, 보다 엄격한 루프 제어가 필요해진다. 표 2 중의 「루프 제어 높이 안정성」의 란에서는, 와이어 길이 2㎜에서, 직선성, 루프 높이 등의 불량이 5개 이상 있는 경우에는, 문제 있음이라고 판단해 ×표로 나타내고, 와이어 길이 2㎜에서 불량이 2 내지 4개 있고, 또한 와이어 길이 4㎜에서 불량이 5개 이상인 경우에는, 개선이 필요라고 판단해 △표로 나타내고, 와이어 길이 2㎜에서 불량이 1개 이하, 또한 와이어 길이 4㎜에서 불량이 2 내지 4개인 경우에는, 루프 형상은 비교적 양호하기 때문에 ○표로 나타내고, 와이어 길이 4㎜에서 불량이 1개 이하인 경우에는 루프 형상은 안정적이라 판단해 ◎표로 나타냈다.
사다리꼴 루프의 직선성을 평가하기 위해, 와이어 간격이 4㎜의 롱 스판으로 본딩을 행하였다. 선 직경은 25㎛로 하였다. 30개의 반도체용 구리 합금 본딩 와이어를 투영기에 의해 상방으로부터 관찰하고, 볼측과 웨지측의 접합부를 연결하는 직선에 대해, 반도체용 구리 합금 본딩 와이어가 가장 이격되어 있는 부위의 벗어남을 굽힘량으로서 측정하였다. 표 2 중의 「사다리꼴 루프 직선성」의 란에서는, 그 굽힘량의 평균이, 선 직경의 1개분 미만이면 양호하다고 판단해 ◎표로 표시하고, 2개분 이상이면 개선이 필요하기 때문에 △표, 그 중간이면 통상은 문제가 되지 않기 때문에 ○표로 나타냈다.
표 1, 2에 있어서, 제1 청구항에 관한 반도체용 구리 합금 본딩 와이어는 실시예 1 내지 50이고, 제3 청구항에 관한 반도체용 구리 합금 본딩 와이어는 실시예 1 내지 7, 11 내지 16, 18, 20 내지 26, 28 내지 33, 35, 37 내지 50, 제4 청구항에 관한 반도체용 구리 합금 본딩 와이어는 실시예 11 내지 20, 36 내지 40, 제5 청구항에 관한 반도체용 구리 합금 본딩 와이어는 실시예 21 내지 40에 상당하다. 또한, 비교예 1 내지 4는, 제1 청구항을 충족시키지 않는 반도체용 구리 합금 본딩 와이어의 경우에 상당하다.
실시예 1 내지 50의 반도체용 구리 합금 본딩 와이어는, 본 발명의 제1 청구항에 관한 반도체용 구리 합금 본딩 와이어에 상당하고, Pd를 0.13 내지 1.15질량％ 함유함으로써, 가열 시간 200시간에서의 PCT 신뢰성이 양호한 것이 확인되었다. 한편, 비교예 1 내지 5에서는, Pd를 0.13 내지 1.15질량％ 함유하는 조건을 충족시키지 않고, 200시간의 단시간 가열로도 PCT 신뢰성이 저하되어 있는 것이 확인되었다. 실시예 2 내지 5, 8 내지 15, 17, 18, 20, 22 내지 25, 27 내지 31, 33 내지 40, 42 내지 50의 반도체용 구리 합금 본딩 와이어는 Pd를 0.2 내지 1.1질량％ 함유함으로써, 가열 시간 500시간에서의 PCT 신뢰성이 양호한 것이 확인되었다.
실시예 1 내지 7, 11 내지 16, 18, 20 내지 26, 28 내지 33, 35, 37 내지 50의 반도체용 구리 합금 본딩 와이어는, 본 발명의 제3 청구항에 관한 반도체용 구리 합금 본딩 와이어에 상당하고, Pd를 0.13 내지 1.15질량％ 함유하고, 와이어 길이 방향으로 평행한 와이어 단면에 있어서의 결정립의 평균 사이즈가 2㎛ 이상이고, 루프 높이의 안정성, 웨지 접합성이 양호한 것이 확인되었다. 한편, 실시예 8 내지 10, 17, 19, 27, 34, 36에서는, 결정립의 평균 사이즈가 2㎛ 이상인 조건을 충족시키지 않고, 루프 높이의 안정성, 웨지 접합성을 허용할 수 있는 범위이지만 약간 저하되어 있는 것이 확인되었다. 실시예 1 내지 3, 5, 6, 12 내지 16, 18, 21 내지 24, 28, 29, 31, 32, 35, 37 내지 40, 42 내지 44, 46 내지 49의 반도체용 구리 합금 본딩 와이어는 결정립의 평균 사이즈가 3㎛ 이상임으로써, 루프 높이의 안정성, 웨지 접합성이 더욱 향상되어 있는 것이 확인되었다.
실시예 11 내지 20, 36 내지 40의 반도체용 구리 합금 본딩 와이어는, 본 발명의 제4 청구항에 관한 반도체용 구리 합금 본딩 와이어에 상당하고, Pd를 0.13 내지 1.15질량％, Ag, Au 중 적어도 1종을 총계 0.0005 내지 0.07질량％ 함유함으로써, 선 직경 25㎛에서의 볼 접합 형상이 양호한 것이 확인되었다. 또한, 실시예 11 내지 16, 18, 37 내지 40의 구리 합금 본딩 와이어는, Pd를 0.13 내지 1.15질량％, Ag, Au 중 적어도 1종을 총계 0.0005 내지 0.07질량％ 함유하고, 결정립의 평균 사이즈가 2㎛ 이상인 조건을 충족함으로써, 선 직경 18㎛의 세선에 의한 엄격한 볼 접합 형상의 평가에서도 양호한 결과가 확인되었다.
실시예 21 내지 40의 반도체용 구리 합금 본딩 와이어는, 본 발명의 제5 청구항에 관한 반도체용 구리 합금 본딩 와이어에 상당하고, Pd를 0.13 내지 1.15질량％의 범위에서 함유하고, Ti : 0.0005 내지 0.01질량％, B : 0.0005 내지 0.007질량％, P : 0.0005 내지 0.02질량％ 중 적어도 1종을 함유하고, 상기 총계가 0.0005 내지 0.025질량％로, 선 직경 25㎛에서의 TCT 신뢰성이 양호한 것이 확인되었다. 또한 결정립의 평균 사이즈가 2㎛ 이상인 조건도 충족시킨 실시예 21 내지 26, 28 내지 33, 35, 37 내지 40의 반도체용 구리 합금 본딩 와이어에서는, 선 직경 18㎛의 세선에 의한 엄격한 TCT 신뢰성 평가에서도 양호한 결과가 확인되었다.
Figure 112011096366107-pct00003
표 3에는, 산화구리의 막 두께를 관리한 각 반도체용 구리 합금 본딩 와이어에 있어서의 평가 결과를 나타낸다. 표 1의 실시예에서 제작한 시료를 사용해, 산화구리의 막 두께를 관리, 변경하였다. 시료 표기에 관하여, 시료 번호의 말미에 a를 부기한 것이 표 1의 실시예에서 평가한 시료에 상당하고, 말미에 b, c, d를 부기한 것은, 제조 조건의 변경 등에 의해 산화구리의 막 두께를 변경한 시료이다. 산화 막 두께를 간편하게 제어하기 위해, 최종 직경의 열처리 공정에서의 가열 온도, 질소 가스의 유량, 와이어 주간(走間) 속도, 노 내의 산소 농도 등을 제어하였다. 제2 청구항에 관한 반도체용 구리 합금 본딩 와이어는, 표 1, 2에 있어서는 실시예 1 내지 50, 표 3에 있어서는 실시예 2a, 2c, 3a, 3b, 4a, 4b, 4c, 6a, 6b, 14a, 14b, 24a, 24b, 29a, 29b에 상당하고, 비교예 1a, 1b는, 제1 청구항을 충족시키지 않는 반도체용 구리 합금 본딩 와이어의 경우에 상당하다.
실시예 2a, 2c, 3a, 3b, 4a, 4b, 4c, 6a, 6b, 14a, 14b, 24a, 24b, 29a, 29b의 반도체용 구리 합금 본딩 와이어는, 본 발명의 제2 청구항에 관한 반도체용 구리 합금 본딩 와이어에 상당하고, Pd를 0.13 내지 1.15질량％의 범위에서 함유하고, 와이어 표면의 산화구리의 평균 막 두께가 0.0005 내지 0.02㎛의 범위임으로써, PCT 신뢰성의 편차가 감소해 안정되는 효과가 확인되었다.

Claims (5)

  1. Pd를 0.13 내지 1.15질량％ 함유하고, 잔량부가 구리와 불가피 불순물로 이루어지는 구리 합금을 신선 가공하여 이루어지는 것을 특징으로 하는, 반도체용 구리 합금 본딩 와이어.
  2. 제1항에 있어서, 와이어 표면의 산화구리의 평균 막 두께가 0.0005 내지 0.02㎛의 범위인 것을 특징으로 하는, 반도체용 구리 합금 본딩 와이어.
  3. 제1항에 있어서, 와이어 길이 방향과 평행하게 있는 와이어 단면에 있어서의 결정립의 평균 사이즈가 2㎛ 이상 와이어 선 직경의 1.5배 이하인 것을 특징으로 하는, 반도체용 구리 합금 본딩 와이어.
  4. 제1항에 있어서, 상기 구리 합금이, Ag, Au 중 적어도 1종을 총계 0.0005 내지 0.07질량％ 더 함유하는 것을 특징으로 하는, 반도체용 구리 합금 본딩 와이어.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 구리 합금이, Ti : 0.0005 내지 0.01질량％, B : 0.0005 내지 0.007질량％, 및 P : 0.0005 내지 0.02질량％ 중 적어도 1종을 총계 0.0005 내지 0.025질량％ 더 함유하는 것을 특징으로 하는, 반도체용 구리 합금 본딩 와이어.
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