KR20110052724A

KR20110052724A - 반도체 장치용 본딩 와이어 및 와이어 본딩 방법

Info

Publication number: KR20110052724A
Application number: KR1020117007158A
Authority: KR
Inventors: 도모히로 우노; 게이치 기무라; 신이치 데라시마; 다카시 야마다; 아키히토 니시바야시
Original assignee: 신닛테츠 마테리알즈 가부시키가이샤; 가부시키가이샤 닛데쓰 마이크로 메탈
Priority date: 2007-07-24
Filing date: 2008-07-24
Publication date: 2011-05-18
Also published as: US20100327450A1; SG10201401960RA; EP2950335B8; EP2950335A3; EP2312628A2; JP2010153917A; EP2960931B1; CN102842539B; EP2950335B1; EP2950335A2; JP4542203B2; JP4719299B2; EP2221861A4; MY147804A; US20120104613A1; EP2960931A3; KR20090131297A; CN101689517A; EP2221861A1; KR101030838B1

Abstract

재료비가 저렴하고, 볼 접합성, 열 사이클 시험 또는 리플로우 시험의 신뢰성이 우수하며, 보관 수명이 양호하고, 협피치용 세선화에도 적응하는 구리계 본딩 와이어를 제공하는 것을 목적으로 한다. 구리를 주성분으로 하는 심재와, 상기 심재 위에 설치된, 상기 심재와 성분 및 조성의 어느 하나 또는 두 가지가 모두 다른 금속 M과 구리를 함유하는 외층을 가진 본딩 와이어로서, 상기 외층의 두께가 0.021 내지 0.12 ㎛인 것을 특징으로 하는 반도체 장치용 본딩 와이어.

Description

반도체 장치용 본딩 와이어 및 와이어 본딩 방법 {SEMICONDUCTOR DEVICE BONDING WIRE AND WIRE BONDING METHOD}

본 발명은 반도체 소자 위의 전극과 회로 배선 기판(리드 프레임, 기판, 테이프 등)의 배선을 접속하기 위해 이용되는 반도체 장치용 본딩 와이어 및 그 본딩 와이어의 접속방법에 관한 것이다.

현재, 반도체 소자 위의 전극과 외부 단자 사이를 접합하는 반도체 장치용 본딩 와이어(이하, 본딩 와이어)로서, 선 직경 20 내지 50㎛ 정도의 세선(본딩 와이어)이 주로 사용되고 있다. 본딩 와이어 접합에는 초음파 병용 열 압착 방식이 일반적이고, 범용 본딩 장치, 본딩 와이어를 그 내부에 통과시켜 접속에 사용하는 캐필러리 지그 등이 사용된다. 와이어 선단을 아크 입열로 가열 용융하고, 표면장력에 의해 볼을 형성시킨 후에, 150 내지 300℃의 범위 내에서 가열한 반도체 소자의 전극 위에 이 볼부를 압착 접합시킨다. 그런 후에, 직접 와이어를 외부 리드 측에 초음파 압착에 의해 접합시킨다.

최근, 반도체 실장의 구조·재료·접속 기술 등은 급속하게 다양화하고 있는데, 예를 들면, 실장 구조에서는 현행의 리드 프레임을 사용한 QFP(Quad Flat Packaging)에 추가하여, 기판, 폴리이미드 테이프 등을 사용하는 BGA(Ball Grid Array), CSP(Chip Scale Packaging) 등의 새로운 형태가 실용화되고, 루프성, 접합성, 양산 사용성 등이 더 향상된 본딩 와이어가 요구되고 있다. 그러한 본딩 와이어의 접속 기술에서도, 현재 주류의 볼/웨지 접합 외에, 협피치화에 적합한 웨지/웨지 접합에서는 2 개의 부위에서 직접 본딩 와이어를 접합하기 위하여, 세선의 접합성 향상이 요구된다.

본딩 와이어의 접합 상대가 되는 재질도 다양화하고 있고, 실리콘 기판 위의 배선, 전극 재료로는 종래의 Al 합금에 추가하여, 더 미세한 배선에 적합한 구리가 실용화되어 있다. 또한, 리드 프레임 위에는 Ag 도금, Pd 도금 등이 실시되어 있고, 또한, 수지 기판, 테이프 등의 위에는 구리 배선이 실시되고, 그 위에 금 등의 귀금속 원소 및 그 합금 막이 도포되어 있는 경우가 많다. 이러한 여러 가지 접합 상대에 따라, 와이어의 접합성, 접합부 신뢰성을 향상시킬 것이 요구된다.

본딩 와이어 소재는 지금까지 고순도 4N계(순도>99.99 질량%)의 금이 주로 사용되어 왔다. 그러나, 금은 고가이기 때문에, 재료비가 저렴한 다른 종류의 금속 본딩 와이어가 요망되고 있다.

와이어 본딩 기술에서는 볼 형성 시에 진구성이 양호한 볼을 형성하고, 그 볼부와 전극과의 접합부에서 충분한 접합 강도를 얻는 것이 중요하다. 또한, 접합 온도의 저온화, 본딩 와이어의 세선화 등에 대응하기 위해서도, 회로 배선 기판 위의 배선부에 본딩 와이어를 웨지 접속한 부위에서의 접합 강도, 인장 강도 등도 필요하다.

고점성의 열 경화 에폭시 수지가 고속 주입되는 수지 밀봉 공정에서는 본딩 와이어가 변형하여 인접 와이어와 접촉하는 것이 문제가 되고, 그 밖에도, 협피치 화, 장와이어화, 세선화도 진행되는 가운데, 수지 밀봉 시에 와이어 변형을 조금이라도 억제할 것이 요구되고 있다. 와이어 강도의 증가에 의해, 이와 같은 변형을 어느 정도 제어할 수 있으나, 루프 제어가 곤란해지거나, 접합 시에 강도가 저하하는 등의 문제가 해결되지 않으면 실용화는 어렵다.

또한, 본딩 와이어가 접속되어 실장된 반도체 소자가 실제로 사용될 때의 장기 신뢰성도 중요하다. 특히 자동차에 탑재되는 반도체 소자 등에서는 엄격한 안전성을 확보하기 위하여, 고온, 고습, 열 사이클 등 가혹한 환경에서의 높은 신뢰성이 요구된다. 이와 같은 종래에 없는 가혹한 환경에서도, 본딩 와이어가 접속된 접합부에서는 열화하지 않고, 높은 신뢰성이 유지되어야 한다.

상기 요구를 만족하는 와이어 특성으로서 본딩 공정에 있어서의 루프 제어가 용이하고, 또한 전극부, 리드부에의 접합성도 향상되어 있으며, 본딩 이후의 수지밀봉 공정에 있어서의 과잉의 와이어 변형을 억제하는 것, 나아가 접속부의 장기 신뢰성이나 가혹한 환경 하에서의 접합부 안정성 등의 종합적인 특성을 만족할 것이 요망된다.

재료비가 저렴하고, 전기 전도성이 우수하며, 볼 접합, 웨지 접합 등도 높이기 위하여, 구리를 소재로 하는 본딩 와이어가 개발되었고, 특허 문헌 1 등에 개시되어 있다. 그러나, 강의 본딩 와이어에서는 와이어 표면의 산화에 의하여 접합 강도가 저하하는 것이나, 수지 밀봉되었을 때에 와이어의 표면 부식 등이 일어나기 쉬운 것이 문제가 된다. 이들이 구리의 본딩 와이어의 실용화가 진행되지 않는 원인이 되기도 한다.

구리계 본딩 와이어에서는 와이어 선단을 용융하여 볼부를 형성할 때에, 산화를 억제하기 위하여, 가스를 와이어 선단에 분사하면서 본딩을 실시한다. 현재는 구리계 본딩 와이어의 볼 형성 시의 분위기 가스로서 수소 5 vol%를 함유하는 질소 가스가 일반적으로 사용되고 있다. 특허 문헌 2에는 구리선을 구리 또는 구리 합금 리드 프레임에 접속할 때에, 5 vol% H₂+N₂의 분위기로 접속하는 것이 개시되어 있다. 또한, 비특허 문헌 1에는 구리 본딩 와이어의 볼 형성에 있어서 5 vol% H₂+N₂ 가스에서는 볼 표면의 산화를 억제할 수 있기 때문에 N₂ 가스보다도 바람직한 것이 보고되어 있다. 현재에는 구리계 본딩 와이어를 이용할 때 사용되는 가스로서 5 vol% H₂+N₂ 가스가 표준화되어 있다.

구리 본딩 와이어의 표면 산화를 막는 방법으로서 특허 문헌 3에는 금, 은 백금, 팔라듐, 니켈, 코발트, 크롬, 티타늄 등의 귀금속이나 내식성 금속으로 구리를 피복한 본딩 와이어가 제안되어 있다. 또한, 볼 형성성, 도금액의 열화 방지 등의 점에서, 특허 문헌 4에는 구리를 주성분으로 하는 심재, 이 심재 상에 형성된 구리 이외의 금속으로 이루어지는 다른 종류의 금속층 및 이 다른 종류의 금속층 위에 형성되고, 구리보다 고융점인 내산화성 금속으로 이루어지는 피복층의 구조를 한 본딩 와이어가 제안되어 있다. 특허 문헌 5에는 구리를 주성분으로 하는 심재와, 이 심재 위에 심재와 성분 또는 조성의 어느 하나 또는 두 가지가 모두 다른 금속과 구리를 함유하는 외피층을 가지고, 그 외피층의 두께가 0.001 내지 0.02 ㎛의 박막 본딩 와이어가 제안되어 있다.

특허 문헌 1: 일본 공개 특허 공보 소61-99645호

특허 문헌 2: 일본 공개 특허 공보 소63-24660호

특허 문헌 3: 일본 공개 특허 공보 소62-97360호

특허 문헌 4: 일본 공개 특허 공보 2004-64033호

특허 문헌 5: 일본 공개 특허 공보 2007-12776호

비특허 문헌 1: “Copper Ball Bonding for Fine Pitch, High I/O Devices": P. Devlin, Lee Levine, 38th International Symposium on Microelectronics (2005), P. 320-324.

종래의 단층 구조의 구리계 본딩 와이어(피복하지 않은 구리계 본딩 와이어를 말하는 것으로, 와이어 표면에 얇은 자연 산화막 층 등이 형성되어 있는 경우가 있다. 이하, 단층 구리 와이어라고 한다.)의 실용상의 문제로서 와이어 표면의 산화, 접합 강도의 저하 등이 일어나기 쉬운 것을 들 수 있다. 이에 구리 본딩 와이어의 표면 산화를 막는 수단으로서 와이어 표면에 귀금속이나 내산화성의 금속을 피복하는 것이 가능하다.

반도체 실장의 고밀도화, 소형화, 박형화 등의 니즈를 고려하여, 본 발명자들이 평가해본 결과, 구리 본딩 와이어의 표면을 구리와 다른 금속으로 덮은 구조의 종래의 복층 구리 와이어(피복하지 않은 구리 와이어를 단층 구리 와이어라고 부르는 반면, 1층으로 이루어지는 피복층으로 피복한 상기 구리 와이어를 복층 구리 와이어라고 한다. 이하, 종래의 복층 구리 와이어라고 한다.)에서는, 후술하는 실용상의 문제가 많이 남아 있는 것이 판명되었다.

종래의 복층 구리 와이어의 선단에 볼을 형성하였을 경우, 진구로부터 벗어나 편평 볼이 형성되거나, 볼 내부에 용융되지 않는 와이어가 남거나, 기포가 발생하는 것이 문제가 된다. 이와 같은 정상적이지 않은 볼부를 전극 위에 접합하면, 접합 강도의 저하, 칩 손상 등의 문제를 일으키는 원인이 된다.

종래의 복층 구리 와이어로 복잡한 루프 제어 등을 실시하면, 피복층과 구리와의 계면에서 박리하는 등, 루프 형상이 불안정하게 되는 것, 협피치 접속에서는 인접 와이어가 전기적 쇼트를 일으키는 것이 염려된다.

종래의 복층 구리 와이어에 의해 볼을 형성한 경우, 단층 구리 와이어 또는 현재 주류의 금 본딩 와이어를 사용한 경우보다, 볼 접합부의 형상 불량 및 접합 강도의 저하 등이 일어나기 쉬운 것이 실용상의 문제가 된다. 구체적인 불량 사례에서는 진구로부터 벗어난 편평 볼의 형성, 볼이 와이어에 대하여 기울어서 형성되는 심 어긋남 등이 발생하거나 볼 내부에 용융되지 않는 와이어가 남거나, 기포(블로우 홀)가 생기는 것이 문제가 되는 경우도 있다. 정상적이지 않은 볼부를 전극 위에 접합하면, 와이어 중심으로부터 벗어나서 볼이 변형되는 편심 변형, 진원으로부터 어긋나는 형상 불량으로서 타원 변형, 화변(花弁) 변형 등이 발생하여, 전극면으로부터 접합부가 삐져나와, 접합 강도의 저하, 칩 손상, 생산 관리상의 문제 등의 문제를 일으키는 원인이 된다. 초기 접합의 불량은 전술한 장기(長期) 신뢰성의 저하를 유발하는 경우도 있다.

종래의 복층 구리 와이어의 볼 접합에 관한 문제를 해결하는 수법으로서, 특허 문헌 4에는 외피 층의 두께를 0.001 내지 0.02 ㎛로 하는 것이 개시되어 있다. 여기에서의 외피 층은 농도 구배의 영역도 포함하고 있는데, 외피 층과 심재와의 경계는 금속 M의 농도가 10 mol% 이상인 경우도 기재되어 있다. 본 발명자들의 평가로는 이와 같이 외피 층의 두께를 박막화함으로써, 전술한 볼 접합부의 문제가 일부에서 개선되는 것은 관찰되었지만, 자동차에 탑재되는 반도체 소자 등의 용도로 새로운 환경 하에서 사용되는 경우에는 반드시 효과는 충분하지 않고, 오히려 외피 층의 두께를 얇게 할수록 편평 볼의 발생 빈도는 증가하는 것이 확인되었다. 또한, 박막화에 의해 와이어 웨지 접합의 향상이 충분하지 않고, 또한 후술하는 장기 신뢰성에 문제가 생기는 것이 확인되었다.

새로운 가혹한 환경하에서의 평가로서, 구체적으로는, 다음과 같은 시험이 실시되고 있다. 즉, 단층 구리 와이어를 접속한 반도체의 신뢰성 시험에서는, 열 사이클 시험(TCT 시험: Temperature Cycle Test)에 있어서 웨지 접합부의 근방에서의 와이어 파단이 발생하는데, 그 불량 빈도가 금 본딩 와이어보다 높은 것이 최근에 문제가 되기 시작하였다. 또한, 땜납 리플로우 공정에서도, 마찬가지로 구리계 와이어의 접합부 파단이 발생하는 문제가 염려된다. 이것도 일종의 열 피로에 의한 와이어 파단인데, 최근의 환경 대응에서 급속히 실용화되고 있는 무연 땜납에서는 융점이 종래의 주석/납 땜납보다 높기 때문에, 열 변형이 문제가 되기 시작하였다. 이러한 와이어 파단의 원인은 반도체의 구성 부재인 밀봉 수지, 리드 프레임, 실리콘 칩 등의 열 팽창 차이에 기인하는 문제이다. 반도체 동작 시에 발열량의 증대, 사용 환경의 고온화나 온도 변화의 증대 등에 적용하려면, 구리계 본딩 와이어 TCT 시험에서의 와이어 파단을 개선하는 것이 향후 더 중요해질 것이다.

종래의 복층 구리 와이어에서는 TCT 시험에서의 불량 빈도가 단층 구리 와이어보다 약간 저감하고, 한편으로, 금 본딩 와이어와 비교하면 아직 떨어지는 것을 본 발명자들은 확인하였다. 예를 들면, 종래의 복층 구리 와이어이더라도, 전술한 외피 층의 두께가 0.001 내지 0.02 ㎛의 박막인 경우에는 TCT 시험에서의 개선 효과는 충분하지 않았다.

단층 구리 와이어에서는 표면 산화가 진행되기 때문에, 대기 중에서의 보관 수명이 짧은 것이 사용하는 중에 문제가 된다. 종래의 금 본딩 와이어에서는 사용 전 또는 사용 도중에 1 개월 정도 보관하는 것이 가능하다. 단층 구리 와이어에서는 대기 중에 수 일간 보관되는 것만으로도, 웨지 접합성이 저하하거나 볼 형상이 불안정하게 되는 문제가 발생한다. 이것이 구리계 본딩 와이어의 작업성을 저하하는 요인이 된다.

종래의 복층 구리 와이어에서는 단층 구리 와이어보다 산화를 늦추는 효과를 기대할 수 있지만, 그 효과는 외층 또는 와이어 표면 근방에 있어서의 조성, 구조, 두께 등에 따라 크게 달라진다. 종래의 복층 구리 와이어의 구조의 적정화가 중요하다. 금 본딩 와이어와 동등한 작업성을 확보하려면, 예를 들면, 2 개월 정도 대기에서 보관한 후에도, 웨지 접합성, 루프 형상 등이 열화하지 않는 것이 보장될 필요가 있다. 이것은 단층 구리 와이어의 보관 수명에 비하면 수십 배의 수명 향상이 필요한 것으로, 구리를 주체로 하는 재료에 있어서는 상당히 엄격한 조건이 요구되는 것이다.

산화에 관련된 문제에서는 볼 형성시의 산화 억제도 구리 와이어의 중요한 과제이다. 종래의 단층 구리 와이어에서는, 볼 형성용 가스에서는, 5 vol% H₂+N₂ 가스가 표준 가스로서 많이 사용되고 있다. 이 5 vol% H₂+N₂ 가스를 사용함으로써, 공장 내에서 이 가스를 공급하려면 전용 배관 설치 비용이 필요하고, 혼합 가스의 러닝 코스트도 비교적 비싸다. 이들 제조 비용을 포함하는 합계 비용으로 비교하면, 와이어 소재로서 구리를 사용하더라도, 금 본딩 와이어에 비하여 비용상의 이점이 적은 경우도 있다. 이러한 가스 비용도 구리계 본딩 와이어가 보급되지 않는 요인의 하나이다. 또한, 수소를 5 vol%나 포함하기 때문에 안전 관리가 엄격하고, 작업성의 저하 등도 염려된다.

순 N₂ 가스만으로 할 경우, 비용 삭감 효과도 큰 폭으로 높아지고, 안전 관리상의 장해도 저하하는 등 사용자 측의 이점은 크다. 그러나, 종래의 단층 구리 와이어를 양산(量産)에서 사용할 때에, 사용이 곤란하다는 판단에 의하여, 순 N₂ 가스는 실용화되어 있지 않았다. 지금까지의 종래의 복층 구리 와이어의 경우에도, 5 vol% H₂+N₂ 가스를 사용하는 것이 종합적으로 안정적인 생산성을 확보하기 쉽고, 순 N₂가스를 사용하면, 전술한 편심 볼이 발생하거나 볼 사이즈가 불안정하게 되는 등의 문제가 있었다. 순 N₂ 가스를 사용하더라도 높은 생산성, 신뢰성을 얻을 수 있는 종래의 복층 구리 와이어를 실현할 수 있다면, 구리계 본딩 와이어의 보급을 늦추는 장해가 적어져서, 실용화가 가속될 것으로 기대된다.

본 발명에서는 전술한 종래 기술의 문제를 해결하고, 종래의 기본 성능에 추가하여, 볼 접합성의 향상, 열 사이클 시험에서의 불량 저감, 와이어 보관 수명의 개선을 도모한 구리를 주체로 하는 반도체 장치용 본딩 와이어 및 상기 본딩 와이어의 와이어 본딩 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

과제를 해결하기 위한 수단

본 발명자들이 상기 문제를 해결하기 위하여 구리계 본딩 와이어를 예의 검토한 결과, 외층을 가지고, 특정 외층 두께에다가 특정 두께 범위로 하는 것이 유효한 것을 밝혀내었다. 더 효과적으로는 외층 및 심재 등의 조성, 구조 등의 제어가 유효한 것을 밝혀내었다.

본 발명은 상기 지견에 기초하여 이루어진 것으로, 이하의 구성을 요지로 한다.

청구항 1에 관한 본딩 와이어는 구리를 주성분으로 하는 심재와, 상기 심재 위에 설치된, Au, Pd, Pt 및 Rh로부터 선택되는 1종 이상을 주성분으로 하는 금속 M과 구리를 함유하는 외층을 가진 반도체 장치용 본딩 와이어로서, 상기 외층의 두께가 0.021 내지 0.12 ㎛이고, 금속 원소와 탄소, 산소 및 질소와의 각 원소의 총계에 대한 농도로 비교하여, 상기 외층의 최표면의 산소 농도가 1 내지 23 mol%의 범위이고, 상기 외층의 표면에 산소 농도가 0.2 내지 25 mol%의 범위인 영역의 두께가 0.0006 내지 0.004 ㎛의 범위인 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 한다.

또한, 청구항 2에 관한 본딩 와이어는, 청구항 1에 있어서, 상기 구리를 주성분으로 하는 심재가 P, B, Ir, Zr, Bi, Ti, Au, Ag, Sn 및 희토류 원소로부터 선택되는 1종 이상의 원소를 함유하고, 와이어 전체에서 차지하는 상기 원소 농도가 총계로 0.0001 내지 0.03 mol%의 범위인 것을 특징으로 한다.

또한, 청구항 3에 관한 본딩 와이어는 청구항 1 또는 2에 있어서, 상기 외층이 Bi, P, Se 및 Ti로부터 선택되는 1종 이상의 원소를 함유하고, 상기 외층의 최표면에서의 상기 원소 농도가 총계로 0.01 내지 5 mol%의 범위인 것을 특징으로 한다.

또한, 청구항 4에 관한 본딩 와이어는 청구항 1 내지 3 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 외층과 상기 심재와의 사이에 확산층을 가지는 것을 특징으로 한다.

또한, 청구항 5에 관한 본딩 와이어는 청구항 1 내지 4 중 어느 하나의 항에 있어서, 금속 원소의 총계에 대한 상기 금속 M의 농도가 10 mol% 이상인 영역의 두께가 0.03 내지 0.2 ㎛인 것을 특징으로 한다.

또한, 청구항 6에 관한 본딩 와이어는 청구항 1 내지 5 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 외층 내에 있어서, 금속 원소의 총계에 대한 금속 M의 농도가 총계로 90 mol% 이상인 영역의 두께가 0.004 내지 0.07 ㎛의 범위인 것을 특징으로 한다.

또한, 청구항 7에 관한 본딩 와이어는 청구항 1 내지 6 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 외층 내에 있어서, 금속 원소의 총계에 대한 상기 금속 M의 농도가 총계로 96 mol% 이상인 영역의 두께가 0.002 내지 0.06 ㎛인 것을 특징으로 한다.

또한, 청구항 8에 관한 본딩 와이어는, 청구항 1 내지 7에 있어서, 상기 외층의 최표면에 있어서의 금속 원소의 총계에 대한 구리 농도가 0.5 내지 45 mol% 인 것을 특징으로 한다.

또한, 청구항 9에 관한 본딩 와이어는 청구항 1 내지 8의 어느 하나의 항에 있어서, 상기 외층 내에 있어서, 금속 원소의 총계에 대한 구리 농도가 1 내지 30 mol%의 범위인 영역의 두께가 0.0005 내지 0.008 ㎛인 것을 특징으로 한다.

또한, 청구항 10에 관한 본딩 와이어는 청구항 1 내지 9의 어느 하나의 항에 있어서, 와이어 전체에서 차지하는 구리 이외의 상기 금속 M의 금속 원소의 총계에 대한 농도가 총계로 0.05 내지 3 mol%의 범위인 것을 특징으로 한다.

발명의 효과

본 발명의 본딩와이어에 의하면, 열사이클 시험의 불량을 저감할 수 있다. 또한, 스풀로부터 와이어 풀림성의 향상을 실현하는 것이 가능하게 된다.

발명을 실시하기 위한 최선의 실시 상태

본딩 와이어에 대하여, 구리를 주성분으로 하는 심재와, 금속 M을 함유하는 피복층으로 구성된 것을 검토한 결과, 와이어의 표면 근방에 금속 M을 함유시킴으로써, 웨지 접합성의 향상 등을 기대할 수 있는 반면, 볼의 불안정 형성, 열 사이클 시험 또는 리플로우 공정에서의 웨지 접합부의 파단이 새로운 문제가 되고, 또한 보관 수명의 개선 효과가 충분하지 않은 것 등이 판명되었다. 이에 협피치의 소볼 접합, 열 피로에서의 웨지 접합부의 고신뢰화, 보관 수명의 연장 등의 새로운 실장(實裝) 니즈에 대한 대응, 양산 적응성의 향상, 실장 프로세스 비용을 더욱 삭감하는 저렴한 가스를 사용한 접속 안정성의 개선 등에도 대응할 수 있는 구리계 본딩 와이어를 검토한 결과, 외층을 가지고, 특정의 외층 두께를 가지며, 특정의 두께 범위로 하는 것이 유효한 것을 밝혀내었다. 더 효과적으로는 외층 및 심재 등의 조성, 구조 등의 제어가 유효한 것을 밝혀내었다.

즉, 구리를 주성분으로 하는 심재와, 이 심재 위에 설치된, 심재와 성분 및 조성의 어느 하나 또는 두 가지가 모두 다른 금속 M 및 강을 함유한 외층을 가지고, 상기 외층의 두께가 0.021 내지 0.12 ㎛인 본딩 와이어인 것이 좋다. 이 본딩 와이어이면, 열 사이클 시험(TCT 시험) 또는 리플로우 공정에 있어서, 웨지 접합부에서의 단선(斷線)을 억제하는 높은 효과를 얻을 수 있다. 여기서의 주성분이란, 구리와 금속 M의 농도의 총계에 대한 구리 농도의 비율이 50% 이상인 것을 가리킨다.

TCT 시험에서는 온도의 상승과 하강을 반복함으로써, 밀봉 수지, 리드 프레임, 실리콘 칩의 열 팽창 차에 기인하는 열 변형이 생기고, 원래 강도적으로 약한 웨지 접합부의 근방에 파단 또는 손상을 유발한다. 본딩 와이어가 크게 변형되어 있는 웨지 접합부에서는 단면적의 축소나 가공 시의 격자 결함의 도입 등 일반적으로 와이어 단체(單體)보다 강도가 저하되어 있다. 또한, 구리 와이어는 웨지 접합 계면의 접합 강도가 금 본딩 와이어와 비교하여 상당히 낮기 때문에, 인장·압축이 반복되면 이 접합부 근방에서의 박리, 단선 등이 발생하기 쉬운 것이 판명되었다. 이와 같은 요인으로부터, 구리계 본딩 와이어의 웨지 접합부에서는 TCT 시험에서의 불량의 발생이 금 본딩 와이어보다 큰 문제가 된다.

외층의 두께가 0.021 내지 0.12 ㎛ 범위이면, TCT 시험에서의 웨지 접합부에서의 신뢰성이 향상되는 요인은 외층을 구성하는 금속 M이 접합 상대와의 밀착성의 향상에 유효하게 작용하기 때문이라고 생각된다. 두께가 0.021 ㎛ 이상이면, 외층이 접합 계면에서 거의 안정적으로 강도 증가를 초래하기 때문에, TCT 시험에서 높은 신뢰성을 얻을 수 있다. 두께가 0.021 ㎛ 미만이면, TCT 시험에서의 충분한 신뢰성을 얻을 수 없는 것을 경험적으로 파악하였다. 이 근거는 웨지 접합 시에 외층이 와이어와 마찬가지로 크게 변형됨으로써, 접합 계면에 잔존하는 외층이 얇은 영역 또는 존재하지 않는 영역 등이 국재적으로 발생하고, TCT 시험에 견딜 수 있는 충분한 계면 강도를 확보할 수 없기 때문이라고 생각된다. 이러한 접합 계면에서 외층의 존재가 불균일하더라도, 많은 경우에는 초기의 접합 강도의 향상에는 유효하게 작용하는 데 대하여, TCT 시험의 열 이력에서는 인장·압축 방향의 변형이 웨지 접합에 복잡하게 관여하기 때문에, 충분한 내성을 확보할 수 없다. 한편, 외층 두께가 0.12 ㎛를 넘으면, 볼부의 표면 평활의 저하, 골프 클럽 모양의 심 어긋남의 볼 불량이 발생하여, 볼의 형상, 사이즈가 불안정하게 된다. 0.12 ㎛ 이하이면, 양립이 곤란하였던 볼 형성성과 웨지 접합성을 모두 만족할 수 있다.

좋기로는, 외층의 두께가 0.025 내지 0.095 ㎛의 범위이면, 엄격한 열 이력 조건에 있어서의 TCT 시험에서의 불량을 저감하여, 높은 신뢰성을 얻을 수 있다. 더 좋기로는, 0.03 내지 0.085 ㎛의 범위이면, 엄격한 열 이력 조건에 있어서의 TCT 시험의 신뢰성을 한층 더 향상시킬 수 있다.

TCT 시험에서의 웨지 접합부의 손상은 리드 프레임의 소재와도 관련이 있고, 리드 프레임이 구리 합금인 경우에 열 변형량이 크고 손상이 발생하기 쉬운 데 대하여, 열팽창 계수가 작은 42 합금의 경우에는 불량은 거의 발생하지 않는다. 염가의 구리계 리드 프레임의 사용량이 향후 더 증가하는 것, 고온 신뢰성이 요구되는 차재용(車載用) 반도체의 용도에 구리계 본딩 와이어를 적용하는 것 등을 생각하면, TCT 시험에서의 구리계 본딩 와이어의 신뢰성은, 보고 사례는 아직 적기는 하지만, 최근 주목받고 있는 과제이다.

TCT 시험만으로 판정한 경우, 시료 제작이 번잡하고, 평가 시간이 길며, 본딩 와이어 이외의 리드 프레임, 밀봉 수지 등의 부재의 선정에 따라 평가 결과도 달라지는 것 등이 염려된다. 이에 평가 효율을 높이는 간편한 시험법으로서, 웨지 접합부의 인장 시험(이하, 웨지 접합의 필 시험이라 한다.)을 본 발명자들은 고안하여, TCT 시험과 같은 상관(相關)을 얻을 수 있는 것을 확인하였다. 이것은 웨지 접합부의 바로 윗 방향으로 본딩 와이어를 끌어올리는 통상의 필 시험을 개량하여, 인장 방향, 속도 등을 적정화한 측정법이다. 이 시험에서 파단 연성이 높은 본딩 와이어 및 접속 시료에서는 TCT 시험에서의 불량 발생까지의 사이클 수가 긴 경향이 있는 것이 확인되었다. 웨지 접합의 필 시험은 TCT 시험에서는 얻을 수 없는 웨지 접합부의 기계적 특성을 정량적으로 평가할 수 있는 유효한 수법이다.

외층의 주성분이 되는 금속 M이란, 구리 이외의 금속으로서, 본딩 와이어의 접합성의 개선에 효과가 있으며, 구리의 산화 방지에도 유효한 금속인 것이 좋다. 예를 들면 Au, Pd, Pt, Rh, Ag, W, Mo, Cr 및 Ni 등이 있다. 그 중에서도, 금속 M으로서 Au, Pd, Pt 및 Rh의 적어도 1종의 금속인 것이 좋다. Au은 밀봉 수지와의 밀착성, 전극에의 접합성 등에 실적이 많고, 품질 관리도 용이한 등의 이점이 있다. Pd 및 Pt은 볼 형상을 안정화시키는 것이 비교적 용이하고, TCT 시험에서의 접합 신뢰성에서도 높은 개선 효과를 얻을 수 있다. Pd은 재료비도 비교적 저렴하고, 구리와의 밀착성도 양호하기 때문에, 외층으로서의 이용 가치가 한층 더 높아지고 있다. 그 중에서도, 외층의 주성분이 Pd이고, 이 외층의 두께가 0.021 내지 0.12 ㎛인 경우에는, 전술한 TCT 시험에서의 접합 신뢰성의 개선 효과가 현저하며, 더 우수한 와이어 접합성, 조작성 등을 가졌기 때문에, 세선에서의 양산 수율의 향상에도 유리하다는 것이 확인되었다.

심재의 주성분은 구리이며, 합금 원소를 첨가하고, 구리 합금 중의 성분, 조성에 의하여 특성은 개선된다. 상기 구리를 주성분으로 하는 심재가 P, B, Ir, Zr, Bi, Ti, Au, Ag, Sn 및 희토류 원소로부터 선택되는 1종 이상의 첨가 원소를 함유하고, 본딩 와이어 전체에 차지하는 이 첨가 원소 농도가 총계로 0.0001 내지 0.03 mol%의 범위인 것에 의하여, TCT 시험에서의 불량율의 저감, 웨지 접합의 필 시험에서의 파단 연신의 증가 등의 효과가 증대한다. 특히, 웨지 접합의 필 시험에서는 개선 효과가 크다. 이들 합금 원소의 작용으로서 와이어 제조, 웨지 접합에 있어서 심재의 가공 및 재결정에서의 집합 조직의 형성을 제어함으로써, 웨지 접합부 근방에서의 본딩 와이어의 파단 연신의 증가에 유효하게 작용하고 있다고 생각된다. 또한, 외층을 구성하는 금속 M이 Au, Pd, Pt 및 Rh인 경우에 볼 용융에 의하여 심재 중의 이 첨가 원소는 금속 M과 상승 작용함으로써, 볼 변형시의 진원성을 더욱 향상시키는 효과가 있다. 이러한 첨가 효과에 대하여, 외층이 형성되어 있지 않은 종래의 구리계 본딩 와이어에 첨가된 경우와 비교하여, 외층과 이 첨가 원소가 병용된 경우에 효과가 촉진되는 것을 밝혀내었다. 이 첨가 원소의 농도가 0.0001 mol% 미만이면, 전술한 개선 효과가 작아지는 경우가 있다. 0.03 mol%를 넘으면, 볼 표면에 주름 형태의 오목부가 발생하여 볼 형상이 불안정하게 되는 경우가 있다. 그 중에서도, 외층의 금속 M이 Pd일 때, 상기 심재의 합금화 효과를 증폭하는 것이 가능하고, 필 시험에서의 개선 효과를 세선(細線), 두꺼운 선(太線) 같이 선의 직경에 관계없이 안정적으로 확보할 수 있고, 나아가 볼 변형의 진원성이 향상하는 것 등이 확인되었다.

상기 외층이, Bi, P, Se 및 Tl로부터 선택되는 1종 이상의 원소를 함유하고, 외층의 표면에서의 이 원소 농도가 총계로 0.01 내지 5 mol%의 범위인 것에 의하여, 와이어 표면의 스크래치를 감소시킬 수 있고, 결과적으로, 캐필러리의 막힘이 감소하여, 캐필러리의 교환 수명을 향상하는 것이 가능하게 된다. 이것은 상기 원소가 포함되는 외층에서는 막질이 치밀하고, 표면이 경화하는 것 등이 영향을 미치고 있다고 생각할 수 있다. 외층의 표면에서의 이 원소 농도가 0.01 mol% 미만이면, 전술한 개선 효과가 작아지는 경우가 있고, 5 mol%를 넘으면, 본딩 와이어와 캐필러리 내벽과의 슬라이딩 저항이 증가하여 루프 형상이 불안정하게 되는 경우가 있다.

본원의 와이어 단면 구조에 대하여, 기본적으로는 외층/심재, 또는 외층/확산층/심재로 구분할 수 있다. 이 때, 외층의 경계는 외층을 구성하는 금속 M의 검출 농도의 총계가 50 mol%인 부위로 한다. 따라서, 본 발명에서 말하는 외층이란, 외층을 구성하는 금속 M의 검출 농도의 총계가 50 mol%의 부위의 표면, 즉, 외층을 구성하는 금속 M의 검출 농도의 총계가 50 mol% 이상인 부위이다. 이 근거는 TCT 시험, 리플로우 내성 등 고온 환경에서의 접합 계면에서의 확산 현상에 좌우되는 와이어 특성에 대하여, 상기 검출 농도가 50 mol% 이상인 부위가 지배적으로 작용하는 것을 나타내기 위한 것이다. 이 농도값은 층 경계 농도로서 비교적 높다고 생각할 수 있으나, 50 mol% 이상의 영역을 외층으로 하여 와이어 내부와 구별하여 제어함으로써, 본 발명의 효과뿐만 아니라, 와이어 종합 특성의 관리, 정리에도 도움이 된다. 여기서의 외층, 확산층에서의 농도에 대하여, 금속 M과 구리를 총계한 농도 비율을 사용하고 있고, 표면 근방의 C, O, N, Cl, S 등 가스 성분, 비금속 원소 등은 제외하여 계산한 농도값을 사용하고 있다.

외층과 심재의 중간 영역을 확산층으로 하는데, 이 확산층은 심재의 구리와 외층의 금속 M이 상호 확산에 의하여 형성된 영역이다. 본원의 확산층의 정의는 성능 등으로 판단하여, 금속 M의 검출 농도의 총계가 10 mol% 이상 50 mol% 미만인 영역으로 한다. 이 농도 영역에서는 금속 M의 농도가 낮아서, 외층과 심재, 이 두 가지와는 조금 다른 역할을 하기 때문이다. 이와 같은 확산층을 가진 본딩 와이어가 더 좋다.

외층과 심재의 사이에 확산층을 가진 본딩 와이어로서, 이 심재 위에 설치된, 심재와 성분 및 조성의 어느 하나, 또는 두 가지가 모두 다른 금속 M 및 구리를 함유하는 외층을 가지고, 상기 외층의 두께가 0.021 내지 0.12 ㎛이며, 금속 M의 농도가 10 mol% 이상인 영역의 두께가 0.03 내지 0.2 ㎛인 반도체 장치용 본딩 와이어인 것이 좋다. 이 본딩 와이어이면, 초기의 웨지 접합성이 더 향상되고, 또한 무연 땜납을 사용한 리플로우 공정에서의 웨지 접합부의 신뢰성을 더 향상시킨다. 이 때, 금속 M의 농도가 10 mol% 이상인 영역이란, 외층과 확산층을 합한 부위에 상당한다.

특정 두께의 외층만으로는 웨지 접합성과 리플로우 특성을 동시에 향상하는 것은 곤란한 경우가 있고, 금속 M의 농도가 10 mol% 이상인 영역의 두께, 즉, 외층과 확산층을 합한 두께가 더 중요한 역할을 한다. 웨지 접합에서는 본딩 와이어가 복잡한 소성 변형을 받아서, 일부에는 상당한 소성 변형량이 되기 때문에, 외층뿐만 아니라, 확산층도 접합 계면으로 기능하기 때문이라고 생각된다. 이 농도 영역의 두께가 0.03㎛ 이상이면, 구리계 본딩 와이어의 웨지 접합에서 자주 문제가 되는 접착 불량(non-stick fai1ure)을 더욱 저감할 수 있고, 양산 수율을 더욱 향상시키는 것도 용이하다. 또한, 이 농도 영역의 두께가 0.03 ㎛ 이상인 다른 효과로서 리플로우 온도가 높은 경우에 열 변형이 증대하더라도, 웨지 접합부에서의 크랙, 파단 등을 더 저감할 수 있다. 리플로우 공정에서는 반도체 소자가 단시간 동안의 온도 상승과 강하에 노출되기 때문에, 급열·급냉된 웨지 접합부에는 TCT 시험과는 조금 다른 신뢰성이 요구된다. 이 농도 영역의 두께가 0.2 ㎛를 초과하면, 본딩 와이어의 휨 강성이 높아지고, 루프 형상의 불균일이 증가하는 경우가 있기 때문이다. 이 때, 확산층을 금속 M의 농도가 10 mol% 이상 50 mol% 미만인 영역으로 하면, 확산층만 분리한 두께로써, 0.009 내지 0.18 ㎛의 범위가 바람직하게 된다. 좋기로는, 금속 M의 농도가 10 mol% 이상인 영역의 두께가 0.04㎛ 이상이면, 180℃ 이하의 저온에서 와이어 접속된 시료에서도 리플로우 내성을 높이는데 유효하다. 이것은 180℃ 이하의 저온 접속에서는 초기에 충분한 접합 강도를 얻는 것이 곤란하게 되는 경우가 있고, 통상의 250℃ 정도에서의 와이어 접속과 비교하여, 웨지 접합의 내성이 저하하는 경우가 있는 것이 원인이다.

외층과 심재 사이에 확산층을 가진 본딩 와이어로서, 심재와, 이 심재 위에 설치된, 심재와 성분 및 조성의 어느 하나, 또는 두 가지가 모두 다른 금속 M 및 구리를 함유하는 외층을 가지고, 상기 외층의 두께가 0.021 내지 0.12 ㎛이며, 외층 내에 있어서, 금속 M의 농도가 총계로 90 mol% 이상인 영역의 두께가 0.004 내지 0.07 ㎛인 반도체 장치용 본딩 와이어인 것이 더 좋다. 이 본딩 와이어이면, TCT 시험에서의 접합성 향상에 추가하여, 본딩 와이어를 대기 중에 방치하였을 때의 보관 수명을 큰 폭으로 향상시킬 수 있다.

보관 사례로서 이 본딩 와이어에서는 상온에서 대기 중에 30일간 이상 방치하여도 와이어 접속 공정에서의 접착 불량이 발생하지 않는 것을 확인하였다. 이것은 종래의 단층 구리 와이어에서는, 5일 정도의 대기 방치에 의하여 접착 불량이 발생하는 것과 비교하여도, 보관 수명의 대폭적인 연장이다. 보관 수명이 경과된 구리계 본딩 와이어를 사용하면, 볼 접합 또는 웨지 접합에서의 접착 불량이 발생하거나, 그것과 관련하여, 본딩 장치가 에러로 정지하는 것이 문제가 되는 경우가 있다. 대기 방치가 연장될 수 있는 이점에서는 본딩 와이어의 품질 보장의 기간 연장, 와이어 제품의 와이어 감은 회수의 증가에 의하여 실용시의 와이어 교환 빈도의 개선 등 작업성의 향상이 기대된다.

금속 M의 합계 농도가 90 mol% 이상인 영역에서는 구리 농도가 10 mol% 미만이므로, 상기 영역에서는 외층 내에서 금속 M의 고농도 영역이 된다. 이 고농도 영역이 산소의 내부 침입, 구리의 표면 방향으로의 확산을 저해하는 장벽(barrier) 기능을 가지고 있고, 그 기능을 더 높일 수 있는 농도가 90 mol% 이상인 것을 밝혀내었다. 이 농도 영역의 두께가 0.004㎛ 이상이면, 이 장벽 기능이 유효하게 작용하여 산화, 황화를 억제함으로써, 상온에서 30일 이상으로 보관 수명을 향상시킬 수 있다. 한편, 0.07 ㎛를 초과하면, 볼 표면의 요철의 증가 또는 경화에 의하여, 볼 접합부의 형상이 열화된다. 좋기로는, 이 고농도 영역이 0.008 내지 0.06 ㎛의 범위이면, 더 장기간 동안 보관 수명을 연장할 수 있다. 더 좋기로는, 이 고농도 영역이 0.01 내지 0.05 ㎛의 범위이면 보관 수명을 더 향상시키고, 장기 보관 후의 본딩 와이어의 웨지 접합에서의 불량을 억제할 수 있다.

와이어 산화에 기인하는 문제로서 실장 공정에 있어서 고온에서 산화가 가속적으로 진행하는 것이 문제가 된다. 본딩 공정에서는 반도체 소자가 탑재된 스테이지는 150 내지 300℃로 가열되고 있기 때문에, 루프 형성에 의하여 접속된 와이어도 고온에 방치된다. 단자 수가 500핀을 넘는 다핀계 LSI에서는 접속된 와이어의 고온 방치는 수십 초를 넘는 경우도 있다. 본딩 후에 대기 중에서 몇 일간 더 방치되는 경우도 있으므로, 초기에 산화가 진행하는 것은 품질상으로도 불리하다. 고온 방치에 의하여 와이어 표면이 산화되는 것은 신뢰성을 열화시키거나 품질 관리를 곤란하게 하는 등 불량의 원인이 된다. 예를 들면, 와이어 표면의 산화에 의하여, 밀봉 수지와 와이어 표면의 밀착성이 변화하고, 그 계면에 수분이 침수하기 쉬워져, 장기 신뢰성이 저하하는 것 등이 염려된다.

상기 외층의 두께가 0.021 내지 0.12 ㎛이고, 외층 내에 있어서, 금속 M의 농도가 총계로 96 mol% 이상인 영역의 두께가 0.002 내지 0.06 ㎛인 반도체 장치용 본딩 와이어라면, 와이어 본딩 공정에 있어서 접속된 와이어가 가열 스테이지 상에 탑재되어 있는 동안에 산화를 억제하는 것에 유효하다. 외층의 두께의 관리만으로는 고온 산화를 저감하는 것은 곤란하고, 외층의 조성, 특히 금속 M의 농도가 상당히 높은 영역이 산화 억제에 작용하는 것을 밝혀내었다. 외층 내에 금속 M이 96 mol% 이상인 고농도의 영역이 있으면, 고온 가열되어도 산소의 내부 진입과 와이어 표면으로의 구리의 확산을 동시에 억제하는 높은 효과를 얻을 수 있다. 금속 M이 96 mol% 이상인 영역의 두께가 0.002 ㎛ 이상이면, 스테이지 상에서의 가열 시간에 있어서의 산화를 억제할 수 있고, 한편, 이 두께가 0.06 ㎛를 넘으면, 용융·응고된 볼부의 진원성이 불안정하게 되어, 생산성이 저하하는 것이 염려된다. 좋기로는, 금속 M이 96 mol% 이상인 고농도의 영역이 두께 0.004 내지 0.05 ㎛이면, 파워계 IC 등에 사용되는 선 직경 35 ㎛ 이상의 태선에서도, 고온 산화를 억제하는 높은 효과를 얻을 수 있다. 이 고순도 영역의 위치는 반드시 최표면일 필요는 없고, 외층 내에 존재함으로써 효과를 얻을 수 있다. 좋기로는, 이 고순도 영역은 외층의 표면 근방에 위치하는 것이 좋고, 구체적으로는, 외층 두께의 반보다 표면 측에 위치함으로써 고온 산화를 억제하는 현저한 효과를 얻을 수 있다.

다양화하는 LSI 실장 구조, 접속 기술에 적응하려면 전술한 외층 두께 0.021 내지 0.12 ㎛와 같이 비교적 두꺼운 외층을 가진 본딩 와이어에서도, 미끄러짐성, 표면 깎임, 풀림성 등의 성능 향상이 더욱 요구되는 경우가 있다. 캐필러리의 관통 구멍과 와이어 표면과의 미끄러짐성이 저하하면, 루프 형상이 불균일하게 되는 원인이 된다. 표면 깎임은 루프 제어하는 과정에서 와이어 표면에 스크래치, 깎임 등이 발생하고, 캐필러리의 구멍 막힘의 원인되거나 절삭 부스러기가 인접한 와이어에 접촉하면 전기적 쇼트 불량을 일으켜, 실용상 문제가 된다. 풀림성이 저하하면, 스풀로부터 와이어가 풀려나올 때에, 와이어의 굴곡 등의 변형이 일어나서, 그것이 접속된 루프 형상의 직선성을 저하시키거나, 풀림성의 저하가 현저한 경우에는 와이어가 파단하여 장치가 정지하는 경우도 있다. 이러한 표면 성능을 한층 더 개선함으로써, 협피치 접속, 다단 접속(Multi-tier bonding) 등 어려운 루프 제어가 요구되는 최신의 실장 니즈에도 안정적인 양산성이 확보된다.

이들 미끄러짐성, 표면 깎임, 풀림성 등 와이어 표면에 기인하는 특성을 개선하려면, 탄소, 산소 등 비금속 원소가 외층의 표면에 농화된 영역을 형성하는 것이 유효한 것을 밝혀내었다. 심재, 외층을 구성하는 금속계 원소의 성분, 조성의 조정만으로는 대응이 곤란하기 때문이다. 이와 같은 표면의 비금속 원소의 영향은 외층 두께와도 관련이 있는 것을 확인하였다. 전술한 0.021 내지 0.12 ㎛의 두께의 외층이면, 탄소, 산소 등 비금속 원소의 제어가 효과적으로 작용한다. 상세 메커니즘은 분명하지 않지만, 두께가 0.021 ㎛ 미만의 얇은 경우에는 심재의 기계적 특성 등의 영향이 강하고, 또한, 0.12 ㎛ 이상의 상당히 두꺼운 경우에는 외층의 강도, 금속 조직 등이 지배적으로 기능하여, 외층 표면의 비금속 원소의 제어에 의하여 성능을 향상하는 것이 어렵기 때문이라고 생각할 수 있다.

탄소, 산소의 농도 계산에 한하여, 구리, 금속 M 등의 금속계 원소, 탄소, 산소 및 질소의 각 원소 등의 비금속계 원소를 총계하여 농도를 산출한다. 이것에 대하여, 전술한 외층, 심재 등의 금속 M, 구리의 농도 계산에 있어서는 표면 근방의 탄소, 산소 등의 비금속 원소를 제외하고, 금속계 원소만을 총계하여 계산한 농도 값을 사용하고 있다. 이러한 2 종류의 농도 계산법을 구분하여 사용함으로써, 사용 성능과의 관련성을 보다 명확하게 할 수 있다. 탄소, 산소는 표면에 농화하고 있고, 그 영역은 최표면으로부터 깊이 방향으로 0.01 ㎛ 이내의 표면 근방에 존재할 뿐, 탄소, 산소는 외층 내부 및 심재에는 함유되어 있지 않다. 탄소, 산소가 영향을 미치는 특성은 주로 미끄러짐성, 표면 깎임, 풀림성 등에 한정된다. 전술한 외층, 심재의 주요 구성인 금속 M, 구리, 일부의 합금화 원소 등에 관하여 설명한 대부분의 특성(TCT 시험, 리플로우 내성, 웨지 접합성, 볼 접합성 등)은 금속 M, 구리 등의 금속계 원소의 성분, 조성에 의하여 지배되고 있고, 탄소, 산소의 직접적인 영향은 작다는 것을 확인하였다.

상기 외층의 두께가 0.021 내지 0.12 ㎛이고, 외층의 최표면의 탄소 농도가 15 내지 80 mol%의 범위이며, 표면으로부터 깊이 방향으로 탄소 농도가 5 내지 80 mol%인 영역(이하, 탄소 농화 영역이라 한다)의 두께가 0.0004 내지 0.01 ㎛인 반도체 장치용 본딩 와이어이면, 와이어 표면의 미끄러짐성을 높여 루프 형상을 안정화하거나, 와이어의 스크래치, 깎임을 억제할 수 있다. 최표면의 탄소 농도의 한정 이유는 탄소 농도가 15 mol% 이상이면 미끄러짐성의 개선에 기여하기 때문이며, 또한 80 mol%를 넘으면 와이어의 접합성이 저하하여, 연속 본딩성이 저하하는 것이 문제가 되는 경우가 있다. 탄소 농도가 5 내지 80 mol%의 범위인 탄소 농화 영역은 적어도 일부는 유기막으로서 존재함으로써, 캐필러리의 관통 구멍과 와이어 표면과의 마찰을 저감시키는 충분한 버퍼 기능을 가질 것이 기대된다. 탄소 농화 영역의 두께가 0.0004 ㎛이상이면, 미끄러짐성을 높이는 버퍼 기능을 얻을 수 있고, 0.O1 ㎛를 넘으면 연속 본딩성이 저하하여, 특히 선 직경 20 ㎛ 이하의 세선에서는 접착 불량(Non-stick fai1ure)이 문제가 된다. 좋기로는, 탄소 농화 영역의 두께가 0.0007 내지 0.007 ㎛의 범위이면, 미끄러짐성을 향상시켜 와이어의 스크래치, 깎임을 억제하는 효과와 웨지 접합에서의 제조 마진을 확대하는 효과 등에 의하여, 본딩 속도를 빠르게 하는 것이 가능하게 되고, 생산성의 향상에 더 기여할 수 있다.

전술한, 외층 표면의 탄소 농도를 제어하는 수법으로서, 예를 들면, 와이어 제조 공정에 있어서, 신선 공정에서의 윤활액, 신선 속도, 세정 및 건조 시간 등의 조정 또는 소둔 공정에서의 방청제·윤활제 등의 도포, 침지 조건, 세정 및 건조 등의 조정을 필요에 따라 선택, 적정화하는 것이 유효하다. 그 중에서도, 신선, 소둔 등 공정의 도중 또는 마지막에 있어서, 와이어 표면에 방청제·계면 활성제 등을 도포하는 것이 유효하다. 도포제의 조건(용제, 용매, 농도, 온도, 침지 시간·속도), 세정 조건(온도, 침지 시간), 건조 조건(가스, 온도, 풍량) 등을 적정화함으로써, 전술한 외층 표면의 탄소 농화 영역을 제어하는 것이 가능하게 된다. 방청제로는 외층의 성분, 조성 등에 따라서 선택지는 많지만, 예를 들면, 트리아졸, 벤조트리아졸, 이미다졸, 또는 그들의 유도체 등 구리용 방청제의 이용도 가능하다. 또한, 신선 공정의 액조(液槽) 내에 첨가하는 윤활제도 많은 종류가 있으나, 성분 구성에서는 기름, 비누, 계면 활성제 등의 혼합이 기본이며, 그것들 주성분의 선정, 배합비 등을 적정화하는 것이 중요하다. 공정의 추가, 정정의 관점에서 분류하면, 재현성, 정밀도가 높은 농도 관리를 하기 위하여, 표면의 탄소 농도의 제어를 주목적으로 한 공정을 신규 추가하는 경우와, 제조 비용을 우선하고 공정을 늘리지 않기 위하여, 현행의 와이어 제조 공정의 약간의 개량, 조건 변경 등으로 대응하는 경우로 나눌 수 있다. 어느 방법에서나 종합적으로 프로세스를 적정화함으로써, 소망하는 탄소 농도의 영역을 형성할 수 있다.

와이어의 풀림성은 기본적인 사용 성능의 하나이지만, 복층 구리 와이어에서의 지배 요인은 분명하게 밝혀지지 않은 점이 많이 남아 있다. 통상은 200 내지 3000 m의 길이가 긴 와이어를 어느 정도의 응력을 가하면서, 스풀에 감은 상태로 출하한다. 이 스풀을 본딩 장치에 설치하여 스풀을 회전시킴으로써 와이어를 계속 풀어내면서, 연속 본딩을 실시한다. 풀림성이 저하하면, 루프 형성 시에 원호상의 컬 불량, "〈" 모양으로 소성 변형하는 굴곡 불량 등이 발생하여, 루프의 직선성이 저하하거나 와이어 파단 등이 문제가 된다. 반대로 풀림성만을 우선하여 권취 텐션을 지나치게 약하게 하면, 권취 상태가 무너지는 경우가 발생하여, 스풀에 권취된 와이어 전체가 사용 불가능하게 되는 다른 문제가 발생한다.

복층 구리 와이어의 풀림성을 저하시키는 주된 요인으로서 스풀에 감긴 상태의 와이어의 결손, 권취의 붕괴, 와이어 접착 등이 원인이 되는 경우가 많다. 이와 같은 불량을 억제하는 데 있어서, 외층 표면의 산소 농도의 제어가 유효하다는 것을 밝혀내었다. 외층 표면의 산화를 제어하여, 스풀에 감긴 와이어의 외층이 접촉하는 계면 근방에서, 외층끼리의 금속 접합을 억제하면서, 와이어의 미끄러짐 속도, 마찰 등을 미묘하게 조정함으로써, 풀림성이 향상된다. 한편, 산화 막이 너무 강고하게 되면, 복층 강 와이어의 장점인 접합성을 해치는 위험성이 있기 때문에, 산소의 농도·막 두께 등의 관리가 중요하다. 예를 들면, 단일의 산화 막만을 형성하더라도 풀림성을 종합적으로 개선하는 것은 곤란하고, 최표면 및 깊이 방향의 산소 농도를 적정화하는 것이 유효하다. 또한, 복층 구리 와이어의 외층 두께에 의하여도 표면 산소의 적정 조건은 변화하기 때문에, 외층 두께, 산소의 표면 농도, 깊이 방향의 산소 농도 등을 종합적으로 적정화하는 것이 중요하다.

상기 외층의 두께가 0.021 내지 0.12 ㎛이고, 외층 최표면의 산소 농도가 1 내지 25 mol%의 범위이며, 이 외층 표면에 산소 농도(이하, 산소 농화 영역이라 한다)가 0.2 내지 25 mol% 범위인 영역의 두께가 0.0005 내지 0.007 ㎛의 범위인 반도체 장치용 본딩 와이어이면, 스풀로부터 와이어 풀림성의 향상, 루프 직선성의 향상이나, 와이어 접합성의 향상 등을 동시에 실현되는 것이 가능하게 된다. 최표면의 산소 농도가 1 mol% 미만이면 외층끼리의 접착 불량(소부 불량)이 일어나고, 25 mol%를 넘으면 세선 등의 접합성이 저하되기 때문이다. 산소 농도가 0.2 내지 25 mol%인 산소 농화 영역은 외층끼리의 접촉부에서 결손되어, 접착 불량 등을 억제하는데 유효하게 작용하고, 산소 농화 영역이 0.0005㎛ 미만이면 풀림성을 향상하는 효과가 작고, 0.007 ㎛를 넘으면 접합성이 저하되기 때문이다.

전술한 외층 표면의 산소 농도를 제어하는 수법으로서 와이어 제조 공정에서의 외층의 산화를 조정하는 것이 유효하다. 예를 들면, 신선 공정에서의 세정, 건조 등의 조정, 소둔 공정에서의 열 이력, 분위기 가스의 유량, 소둔 시간, 냉각시의 분위기 등의 조정을, 필요에 따라서 선택, 적정화하는 것이 유효하다. 또한, 소둔 공정과 신선 공정을 조합하여 종합적으로 프로세스를 적정화하면, 소망하는 산소 농도의 영역을 형성하는 데 유리하게 된다. 그 중에서도, 소둔 공정에 있어서 가열 조건(노내 온도 분포, 왕복운동 속도)이나, 냉각 조건(가스 종류, 유량, 쉴드성) 등을 적정화하는 것이 외층 표면의 산소 농화 영역을 제어하는데 유효하다. 또한, 신선→소둔→신선→소둔의 순서로 실시하고, 전술한 바와 같은 소둔 조건, 신선 조건의 적정화를 조합함으로써, 깊이 방향의 산소 농도 분포의 제어에 있어서의 재현성을 향상시킬 수 있다. 공정의 추가, 수정의 관점에서 분류하면, 재현성, 정밀도가 높은 농도 관리를 실시하기 위하여, 표면의 산소 농도의 제어를 주목적으로 한 공정을 신규 추가하는 경우와, 제조 비용을 우선하여 공정을 늘리지 않기 위하여, 현행의 와이어 제조 공정의 약간의 개량, 조건 변경 등에서 대응하는 경우로 나뉜다.

외층을 구성하는 구리 이외의 금속 M이 와이어 전체에 차지하는 농도가 총계로 0.05 내지 3 mol%의 범위인 본딩 와이어이면, TCT 시험에서의 장기 신뢰성의 향상에 추가하여, 볼부의 경화를 억제함으로써, 접합 강도의 증가, 볼 외주에의 알루미늄 전극 재료의 소출(掃出)(aluminium splash 불량)의 저감, 칩 손상의 저감 등에 유리하다. 구리계 본딩 와이어 선단의 볼부는 경도가 높고, 변형시의 가공 경화도 높기 때문에, 접합 시에 알루미늄 전극이 스플래쉬하여 인접하는 전극과의 쇼트 불량을 유발하거나 접합부 바로 아래의 칩에 손상을 입히는 것이 실용상의 과제가 되는 경우가 있다. 와이어 전체에서 차지하는 금속 M의 농도를 낮게 억제함으로써, 금속 M이 볼 중에 고용되어도, 경화의 정도를 억제하는 것이 가능하다. 이때, 와이어 전체에서 차지하는 금속 M의 농도가 총계로 3 mol% 이하이면, 볼의 경화를 억제함으로써, 알루미늄의 스플래쉬를 저감하는 효과를 얻을 수 있고, 또한 좋기로는, 2 mol% 이하이면 스플래쉬를 더 억제하여 양호한 접합을 얻을 수 있다. 0.05 mol% 미만이면 전술한 외층의 두께를 0.021 내지 0.12 ㎛의 범위로 유지하는 것을, 양산 공정에서 안정적으로 실현하는 것이 곤란하게 되는 경우가 있다.

외층과 심재 사이에 확산층을 가진 본딩 와이어로서, 이 심재 위에 설치된, 심재와 성분 및 조성의 어느 하나, 또는 두 가지가 모두 다른 금속 M 및 구리를 함유하는 외층을 가지고, 상기 외층의 두께가 0.021 내지 0.12 ㎛이며, 외층 최표면의 구리 농도가 0.5 내지 45 mol%인 반도체 장치용 본딩 와이어인 것이 더 좋다. 이 본딩 와이어이면, 볼 접합부의 편심 불량을 저감하는 충분한 효과를 얻을 수 있다. 이것에 의하여, 볼 접합부의 간격이 좁은 협피치 접속에서도 양산성을 더 높이는 것이 가능하게 된다. 여기서의 최표면의 농도란 표면 깊이가 2 ㎚ 정도인 영역에 있어서의 농도이다.

외층의 최표면의 구리 농도가 45 mol%를 넘으면, 아크 방전의 분포, 확산이 불균일하게 되기 때문에, 본딩 와이어의 한쪽만을 우선적으로 용융함으로써, 볼 형성 시에 심 어긋남이 일어나는 경우가 있다. 아크 방전은 최표면의 영향이 크고, 구리와 금속 M에서는 전자 방출 등이 다르기 때문에, 와이어 최표면의 구리 농도에 의하여 볼 형상이 변화하는 경우가 있다. 이 구리 농도가 0.5 mol% 이상이면 편심 불량을 저감하는 효과를 얻을 수 있다. 좋기로는, 최표면의 구리 농도가 0.5 내지 30 mol%이면, 볼 직경이 와이어 지름에 대하여 2배 이하인 작은 볼에서도 이형, 화변 모양 등의 불량 형상을 더 효과적으로 억제할 수 있다. 더 좋기로는, 최표면의 구리 농도가 0.5 내지 20 mol%이면, 소볼에서의 진구성이 더 높아지므로, 협피치 접속에 유리하게 된다.

상기 외층의 두께가 0.021 내지 0.12 ㎛이고, 상기 외층의 표면에 구리 농도가 1 내지 30 mol% 범위인 영역(이하, 구리 농화 영역이라 한다)의 두께가 0.0005 내지 0.008 ㎛인 반도체 장치용 본딩 와이어인 것으로, 볼 형성 시에 편심을 억제하고, 또한, 볼 선두부의 오목부 및 볼 표면의 미소 요철 등을 저감할 수 있고, 볼 압착 형상의 안정화와, 볼 접합 강도의 불균일 저감에 의하여, 양산성을 향상시킬 수 있다. 와이어 표면에 구리가 농화한 영역이 있기 때문에, 아크 방전의 확산이 안정화하고, 또한, 볼부의 용융·응고에 있어서의 구리와 금속 M의 혼합을 단시간에 촉진하는 효과가 있다고 생각된다. 상기 외층의 표면에 구리 농도는 1 내지 30 mol%의 범위의 영역이면 상기 효과가 기대된다. 구리 농도가 이 농도 범위의 영역의 두께가 0.0005 ㎛ 이상이면, 오목부 및 미소 요철 등을 억제하는 효과를 얻을 수 있고, 0.008 ㎛를 넘으면 심 어긋남이 발생하여 볼 형상이 다소 불안정하게 될 가능성이 있다.

이 구리 농화 영역의 구성에 대하여, 금속 M과 구리와의 합금 또는 구리 산화물이 포함되어 있어도 좋다. 또한 후자의 구리 산화물이 형성되어 있는 경우, 이 구리 농화 영역과 상기 산소 농화 영역의 적어도 일부가 중복됨으로써, 볼 형성시의 오목부 및 미소 요철의 억제와 풀림성의 개선을 양립하는 높은 효과를 얻을 수 있다. 이 구리 농화 영역의 위치는 반드시 최표면일 필요는 없고, 외층 내에 존재함으로써 효과를 얻을 수 있다. 좋기로는, 이 구리 농화 영역은 외층의 표면 근방에 위치하는 것이 좋고, 구체적으로는, 외층 두께의 1/4보다 표면 측에 위치함으로써 고온 산화를 억제하는 현저한 효과를 얻을 수 있다. 예를 들면, 외층의 최표면에 탄소 농화 영역, 그 하층에 이 구리 농화 영역이 형성되어 있으면, 양호한 볼 형성과 와이어 표면의 스크래치, 깎임의 억제를 양립하는 높은 효과를 얻을 수 있다.

외층, 확산층, 심재 등의 농도 분석에 대하여, 본딩 와이어의 표면으로부터 스패터 등에 의하여 깊이 방향으로 파고들어가면서 분석하는 수법, 또는 와이어 단면에서의 라인 분석 또는 점 분석 등이 유효하다. 전자는 외층이 얇은 경우에 유효하지만, 두꺼워지면 측정 시간이 너무 걸린다. 후자의 단면에서의 분석은 외층이 두꺼운 경우에 유효하고, 또한, 단면 전체의 농도 분포나, 여러 부분에서의 재현성의 확인 등이 비교적 용이하다는 것이 이점이지만, 외층이 얇은 경우에는 정밀도가 저하된다. 본딩 와이어를 경사 연마하고, 확산층의 두께를 확대시켜 측정하는 것도 가능하다. 단면에서는 라인 분석이 비교적 간편하지만, 분석의 정밀도를 향상하고 싶을 때에는 라인 분석의 분석 간격을 좁게 하거나, 계면 근방의 관찰하고 싶은 영역으로 좁혀 점 분석을 하는 것도 유효하다. 농도 분석에 이용하는 분석 장치로는 전자선 마이크로 분석법(EPMA), 에너지 분산형 X선 분석법(EDX), 오제 분광 분석법(AES), 투과형 전자 현미경(TEM) 등을 이용할 수 있다. 특히 AES법은 공간 분해 능력이 높기 때문에, 최표면의 얇은 영역의 농도 분석에 유효하다. 또한, 평균적인 조성의 조사 등에는 표면부로부터 단계적으로 산 등으로 용해하면서, 그 용액 중에 포함되는 농도로부터 용해 부위의 조성을 구하는 것 등도 가능하다.

외층 중에 농도 구배에 추가하여, 구리와 금속 M을 주체로 하는 금속간 화합물 상이 포함되는 것도 유효하다. 즉, 구리를 주체로 하는 심재와 금속 M의 외층으로 구성되고, 외층의 내부에는 구리의 농도 구배를 가진 부위와, 구리와 금속 M을 가진 금속간 화합물이 1층 이상 포함되어 있는 본딩 와이어에서는 금속간 화합물 상이 본딩 와이어의 강도, 탄성율 등의 기계적 특성을 증가시킴으로써, 루프의 직선성의 향상, 밀봉시의 와이어 흐름의 억제 등에 더 유효하다.

본 발명의 본딩 와이어를 제조함에 있어서, 심재의 표면에 외층을 형성하는 공정, 외층, 확산층, 심재 등의 구조를 제어하는 가공·열처리 공정이 필요하다. 우선, 외층, 심재의 조성, 두께를 제어하려면, 전술한 외층을 형성하는 공정에 있어서, 외층 형성의 초기 단계에서의 두께, 조성의 관리가 중요하다.

외층을 구리의 심재의 표면에 형성하는 방법에는 도금법, 증착법, 용융법 등이 있다. 도금법으로는 전해 도금, 무전해 도금법 어느 것으로도 제조 가능하다. 스트라이크 도금, 플래쉬 도금이라 불리는 전해 도금은 도금 속도가 빠르고, 하지와의 밀착성도 양호하다. 무전해 도금에 사용하는 용액은 치환형과 환원형으로 분류되고, 막이 얇은 경우에는 치환형 도금만으로도 충분하지만, 두꺼운 막을 형성하는 경우에는 치환형 도금 후에 환원형 도금을 단계적으로 실시하는 것이 유효하다. 무전해법은 장치 등이 간편하고, 용이하지만, 전해법보다 시간을 요한다.

증착법으로는 스패터법, 이온 도금법, 진공 증착 등의 물리 흡착과 플라즈마 CVD 등의 화학 흡착을 이용할 수 있다. 모두 건식이며, 막 형성 후의 세정이 불필요하고, 세정시의 표면 오염 등의 걱정이 없다.

도금 또는 증착을 실시하는 단계에 대하여, 목적으로 하는 선 직경으로 금속 M의 막을 형성하는 수법과 태경(太徑)의 심재에 막을 형성하고나서, 목적으로 하는 선 직경으로 복수 회 신선하는 수법 모두 유효하다. 전자의 최종 지름으로 막을 형성하면 제조, 품질 관리 등이 간편하고, 후자의 막 형성과 신선의 조합은 막과 심재와의 밀착성을 향상시키는데 유리하다. 각각의 형성법의 구체적인 예로서 목적으로 하는 선 직경의 구리선에, 전해 도금 용액 중에 와이어를 연속적으로 담그고 꺼내어 막을 형성하는 수법, 또는 전해 또는 무전해의 도금 욕 중에 굵은 구리선을 침지하여 막을 형성한 후에, 와이어를 연장하여 최종 지름에 도달하는 수법 등이 가능하다.

외층을 형성한 후의 가공 공정에서는 롤 압연, 스웨이징, 다이스 신선 등을 목적에 따라 선택, 구분하여 사용한다. 가공 속도, 압하율 또는 다이스 감면율 등에 의하여, 가공 조직, 전위, 결정립계의 결함 등을 제어하는 것은 외층의 구조, 밀착성 등에도 영향을 미친다.

열처리 공정에서는 외층과 심재의 계면에서, 구리와 금속 M과의 상호 확산을 조장한다. 목적에 따라서, 열처리를 1회 또는 복수 회 실시하는 것이 유효하다. 외층 및 확산층의 구조로 소망으로 하는 막 두께, 조성을 얻으려면, % 오더의 농도, ㎚ 오더의 막 두께 등을 엄격한 정밀도로 제어하는 제조 기술이 요구된다. 열처리 공정은 막 형성 직후의 소둔, 가공 도중에서의 소둔, 최종 지름에서의 마무리 소둔으로 분류되며, 이들을 선택, 구분하여 사용하는 것이 중요하다.

단순하게 와이어를 가열하는 것만으로 외층의 표면 및 내부에서의 구리의 분포를 제어할 수 있는 것은 아니다. 통상의 와이어 제조에서 사용되는 최종 선 직경에서의 가공 변형 제거 소둔을 그대로 적용하더라도, 외층과 심재와의 밀착성의 저하에 의하여 루프 제어가 불안정하게 되거나, 와이어 길이 방향의 외층의 균질성, 와이어 단면에서의 외층, 확산층 등의 분포를 제어하는 것은 곤란하다. 이에 열처리의 타이밍, 온도, 속도, 시간 등의 제어가 중요하다.

가공과 열처리를 조합하여 확산의 진행도를 제어함으로써, 소망하는 막 두께, 조성, 구조를 제어하는 것이 가능하게 된다. 열처리하기 전의 가공 이력은 외층과 심재와의 계면에서의 조직 등에 관계하기 때문에, 열처리에서의 확산 거동에도 영향을 미친다. 어느 가공 단계에서 열처리를 하는가에 따라, 최종 외피 층, 확산층의 조성, 두께 등이 변화한다. 일례로 가공 도중에 중간 소둔을 실시한 후에, 와이어를 신선하고, 최종 지름으로 마무리 소둔을 실시하는 공정으로 작성한 본딩 와이어에서는 중간 소둔을 실시하지 않는 공정과 비교하여, 외층, 확산층의 조성, 농도 구배가 변화하는 것을 확인하였다.

열처리법으로서 와이어를 연속적으로 왕복운동시키면서 열처리를 하고, 또한, 일반적인 열처리인 로 내 온도를 일정하게 하지 않고, 로 내에서 온도 경사를 둠으로써, 본 발명이 특징으로 하는 외층 및 심재를 가진 본딩 와이어를 양산하는 것이 용이하게 된다. 구체적인 사례에서는 국소적으로 온도 경사를 도입하는 방법, 온도를 로 내에서 변화시키는 방법 등이 있다. 본딩 와이어의 표면 산화를 억제하는 경우에는 N₂나 Ar 등의 비활성 가스를 로 내로 흘려 보내면서 가열하는 것도 유효하다.

온도 경사의 방식으로는 로 입구 근방에서의 정(正)의 온도 경사(와이어의 왕복운동 방향 대하여 온도가 상승), 안정 온도 영역, 노출구 근방에서의 부(負)의 온도 경사(와이어의 왕복운동 방향에 대하여 온도가 하강) 등, 복수의 영역에서 온도에 경사를 두는 것이 효과적이다. 이에 의해, 로 입구 근방에서 외층과 심재와의 박리 등을 일으키지 않고 밀착성을 향상시키고, 안정 온도 영역에서 구리와 금속 M과의 확산을 촉진하여 소망하는 농도 구배를 형성하고, 또한 로 출구 근방에서 표면에서의 구리의 과잉 산화를 억제함으로써, 얻은 본딩 와이어의 접합성, 루프 제어성 등을 개선할 수 있다. 이와 같은 효과를 얻으려면, 출입구에서의 온도 구배를 10 ℃/㎝ 이상 두는 것이 좋다.

온도를 변화시키는 방법으로는 로 내를 복수의 영역으로 분할하고, 각 영역에서 다른 온도 제어를 함으로써 온도의 분포를 만드는 것도 유효하다. 예를 들면, 로 내를 3 부분 이상으로 분할하여, 독립적으로 온도 제어를 하고, 로의 양단을 중앙부보다 저온으로 함으로써, 온도 경사의 경우와 동일한 개선 효과를 얻을 수 있다. 또한, 본딩 와이어의 표면 산화를 억제하기 위하여, 로의 출구 측을 구리의 산화 속도가 느린 저온으로 함으로써, 웨지 접합부의 접합 강도의 상승을 얻을 수 있다.

또한, 용융법은 외층 또는 심재 중 어느 하나를 용융시켜 주입(鑄入)하는 수법으로, 1 내지 50 ㎜ 정도의 굵은 지름으로 외층과 심재를 접속시킨 후에 신선함으로써 생산성이 우수한 것, 도금, 증착법에 비하여 외층의 합금 성분 설계가 용이하고, 강도, 접합성 등의 특성 개선도 용이한 등의 이점이 있다. 구체적인 공정으로는 미리 제작한 심재의 주위에, 용융한 금속 M을 주입하여 외층을 형성하는 방법과, 미리 제작한 금속 M의 중공 원주를 사용하여, 그 중앙부에 용융한 구리 또는 구리 합금을 주입하여 심재를 형성하는 방법으로 나눌 수 있다. 좋기로는, 후자의 중공 원주의 내부에 구리의 심재를 주입하는 것이 외층 중에 구리의 농도 구배 등을 용이하게 안정적으로 형성할 수 있다. 이때, 미리 제작한 외층 중에 구리를 소량 함유시키면, 외층 표면에서의 구리 농도의 제어가 용이하게 된다. 또한, 용융법으로는 외층에 구리를 확산시키기 위한 열처리 작업을 생략하는 것도 가능하지만, 외층 내의 구리의 분포를 조정하기 위하여 열처리를 함으로써 더욱 특성 개선도 꾀할 수 있다.

또한, 이러한 용융 금속을 이용하는 경우, 심재와 외층의 적어도 어느 하나를 연속 주조로 제조하는 것도 가능하다. 이 연속 주조법에 의하여, 상기 주입하는 방법과 비교하여, 공정이 간략화되고, 또한 선 직경을 가늘게 하여 생산성을 향상시키는 것도 가능하게 된다.

본 발명에 관한 외층과 심재를 가진 종래의 복층 구리 와이어의 본딩 방법으로서 볼을 형성할 때의 쉴딩 가스로 순 N₂ 가스를 사용하여도, 양호한 볼 접합성이 확인되었다. 즉, 구리를 주성분으로 하는 심재와, 이 심재 위에 설치된, 심재와 성분 및 조성의 어느 하나 또는 두 가지가 모두 다른 금속 M 및 구리를 함유하는 외층을 가지고, 상기 외층의 두께가 0.021 내지 0.12 ㎛인 본딩 와이어를 사용하며, 순도가 99.95 vol% 이상인 N₂ 가스를 와이어 선단 또는 그 주위에 분사하면서 아크 방전을 일으키게 하여 볼부를 형성하고, 이 볼부를 접합하는 본딩 방법이다. 이 본딩 방법으로는 표준 가스인 5 vol% H₂+N₂ 가스 대신에, 염가의 순 N₂ 가스를 사용함으로써, 운용 비용을 저감하고, 구리계 본딩 와이어의 실용화를 촉진할 수 있다.

본 발명에 관한 복층강 본딩 와이어의 볼 형성에 사용하는 쉴딩 가스가 표준적인 5 vol% H₂+N₂ 가스이어도 양호한 본딩 특성을 얻을 수 있으나, 또는 순 N₂ 가스에서도 동일한 양호한 특성을 얻을 수 있다. 외층의 두께가 0.021 ㎛ 이하로 얇은 경우에는 순 N₂ 가스에서는 편심 볼이 발생하는 것이 문제이다. 또한, 0.12 ㎛를 넘으면, 순 N₂ 가스에서는 볼 표면에 주름 모양의 돌기 또는 미소 구멍 등이 생겨서, 평활한 볼 표면을 얻는 것이 곤란해진다. 이와 같은 외층의 두께가 0.021 내지 0.12 ㎛이면 순 N₂ 가스에서의 볼 형성성이 양호한 것도, 이 두께를 선정한 하나의 이점이 된다. 상기 외층의 두께의 범위에서도 0.035 ㎛ 이상이면, 진구성을 한층 더 높일 수 있다. 순 N₂의 순도가 99.95 vol% 이상인 이유는 공업적으로 염가로 입수할 수 있는 N₂ 가스의 보증 농도의 범위이며, 양호한 볼 형성을 할 수 있기 때문이다.

통상, 5 vol% H₂ 가스를 혼입함으로써, 아크 방전의 안정화, 용융된 볼의 산화 억제에 효과가 있다고 여겨진다. 이에 대하여, 순 N₂ 가스 중에서는 본딩 와이어를 용융하여 볼을 형성할 때에, 단층 구리 와이어 또는 종래의 복층 구리 와이어에서도 외층이 얇은 경우에는 아크 방전이 불안정하거나 강의 산화가 우선적으로 진행함으로써, 볼 형상이 불안정하게 된다. 한편, 외층이 본 발명의 범위이면, 순 N₂ 가스 중이어도, 표면 근방의 금속 M이 아크 방전을 안정화시키는 것 및 외층이 우선적으로 용융하여 보호적인 역할을 함으로써, 볼의 산화를 억제할 수 있다고 생각된다. 접합 조건에 따라서는 순 N₂ 가스로 접합한 볼의 접합 강도가 5 vol% H₂+N₂ 가스인 경우보다 높은 경우도 확인되었다.

또한, 순 N₂ 가스에서의 볼 형성은 상기 외층의 두께에 추가하여, 외층을 구성하는 금속 M의 종류에 따라서 변동하는 경향이 있다. 그 중에서도, 외층을 구성하는 금속 M이 Au, Pd, Pt 및 Rh로부터 선택되는 1종 이상을 주성분으로 하는 경우에는 순 N₂ 가스에서의 볼 형성에 있어서, 진구성의 향상, 볼 사이즈의 안정화가 비교적 용이한 것을 확인하였다.

[실시예]

이하, 실시예에 대하여 설명한다.

본딩 와이어의 원재료로 심재에 사용하는 구리는 순도가 약 99.99 질량% 이상의 고순도 소재를 사용하고, 외층의 Au, Pt, Pd, Rh 및 Ag의 소재에는 순도 99.9 질량% 이상의 원료를 준비하였다.

어느 선 직경까지 가늘게 한 구리계 본딩 와이어를 심재로 하고, 그 와이어 표면에 다른 금속 M의 층을 형성하려면, 전해 도금법, 무전해 도금법, 증착법, 용융법 등을 실시하고, 농도 구배를 형성하기 위해 열처리를 하였다. 최종의 선 직경으로 외층을 형성하는 경우와, 어느 정도의 선 직경으로 외층을 형성하고 나서 신선 가공에 의하여 최종 선 직경까지 더 가늘게 하는 방법을 사용하였다. 전해 도금액, 무전해 도금액은 반도체 용도로 시판되고 있는 도금액을 사용하고, 증착은 스패터법을 사용하였다. 직경이 약 30 내지 2500 ㎛의 본딩 와이어를 미리 준비하고, 그 와이어 표면에 증착, 도금 등에 의하여 피복하고, 최종 지름 15 내지 50 ㎛까지 신선하며, 마지막으로 가공 변형 제거 연신값이 5 내지 20%의 범위가 되도록 열처리를 하였다. 신선 속도는 5 내지 100 m/min의 범위에서 실시하였다. 필요에 따라서, 신선액에는 시판하는 구리 신선용 윤활제를 소량 가하였다. 필요에 따라서, 선 직경 30 내지 100 ㎛까지 다이스 신선한 후에 확산 열처리를 하고 나서 추가 신선 가공을 하였다.

용융법을 이용하는 경우에는 미리 제작한 심재의 주위에 용융한 금속을 주입하는 방법과, 미리 제작한 중공 원주의 중앙부에 용융한 구리 또는 구리 합금을 주입하는 방법을 채용하였다. 그 후, 단조, 롤 압연, 다이스 신선 등의 가공과 열처리를 하여, 본딩 와이어를 제조하였다.

본 발명 예의 와이어의 열처리에 있어서는, 와이어를 연속적으로 왕복운동하면서 가열하였다. 국소적으로 온도 경사를 도입하는 방식, 온도를 로 내에서 변화시키는 방식 등을 이용하였다. 예를 들면, 로 내 온도를 3 분할하여 제어할 수 있도록 개조한 열처리 로를 이용하였다. 로 내 온도는 200 내지 700℃의 범위로 설정하고, 와이어 왕복운동 속도는 10 내지 500 ㎜/min의 범위로 조정하였다. 온도 분포의 일례로는 와이어의 삽입구로부터 출구를 향하여, 고온→중온→저온, 또는 중온→고온→저온의 분포를 얻고, 각각의 가열 길이도 관리하였다. 온도 분포와 함께, 와이어 왕복운동 속도 등도 적정화하였다. 열처리 분위기에서는 산화를 억제할 목적으로 N₂, Ar 등의 비활성 가스도 사용하였다. 가스 유량은 0.0002 내지 0.004 ㎥/min의 범위에서 조정하고, 로 내의 온도 제어에도 이용하였다. 열처리를 하는 타이밍으로서 신선 후의 구리 와이어에 열처리를 하고 나서 도금층을 형성하는 경우와, 열처리를 신선 후와 도금층의 형성 후의 2회 실시하는 경우의 2 종류로 시료를 준비하였다.

외층 표면의 산소 농화 영역을 제어하는 경우에는 열처리 공정에 있어서 가열 조건(로 내 온도 분포, 왕복운동 속도)이나, 냉각 조건(가스 종류, 유량, 쉴드성) 등을 적정화하였다. 예를 들면, 로 내 및 입출구 근방에서의 분위기를 제어하기 위하여, 가스 유입구는 2개소 이상으로 하여 각 주입구의 위치, 유입 방향이나, 가스 유량 등을 조정함으로써, 로 내의 산소 분압이나, 온도 분포 등을 조정하였다. 가스 유량은 0.0002 내지 0.004 ㎥/min의 범위에서 조정하였다. 또한, 로의 출구 근방의 여열 영역에서 와이어가 가열되어 산화되는 경우가 있기 때문에, 가열 영역 후의 냉각 존에서의 분위기 제어에도 유의하였다.

외층 표면의 탄소 농화 영역을 제어하는 경우에는 상기 열처리 후에 방청제, 계면 활성제 등을 소량 함유하는 용액 중에 침지시키는 도포, 세정, 건조를 연속적으로 실시하였다. 여기에서의 도포액에는 방청제, 계면활성제를 총계하여 1 내지 20 vol%의 농도 범위에서 증류수 중에 수 종류를 혼합한 용액을 사용하였다. 세정은 증류수를 기본으로 하고, 필요에 따라 알코올을 일부 첨가한 것을 사용하였다. 과잉으로 부착한 도포제를 제거하는 효과를 높일 필요가 있는 경우에는 도포액을 30 내지 50℃의 온도 범위로 가열하였다. 건조에서는 건조 공기 또는 N₂ 가스를 와이어에 분사하였다. 또한, 필요에 따라서, 선 직경 30 내지 100 ㎛까지 신선한 후에, 상기 열처리 및 도포 공정을 실시하고 나서, 추가로 신선 가공을 하고, 최종 선 직경으로 재차 열처리 및 도포 공정을 실시하였다. 이 두 번의 열처리에 의한 효과의 하나로서, 최표면의 탄소 농도는 낮게 억제하면서, 깊이 방향의 탄소 농도의 분포를 제어하는 데 유효하다.

와이어 표면의 막 두께 측정에는 AES에 의한 깊이 분석을 이용하고, 결정립계의 농화 등 원소 분포의 관찰에는 AES, EPMA 등에 의한 면 분석, 선 분석을 하였다. AES에 의한 깊이 분석에서는 Ar 이온으로 스패팅하면서 깊이 방향으로 측정하고, 깊이의 단위에는 SiO₂ 환산으로 표시하였다. 본딩 와이어 중의 금속 M의 농도는 ICP 분석, ICP 질량 분석 등에 의하여 측정하였다.

본딩 와이어의 접속에는 시판하는 자동 와이어 본더를 사용하여, 볼/웨지 접합을 하였다. 아크 방전에 의하여 와이어 선단에 볼을 제작하고, 그것을 실리콘 기판 위의 전극 막에 접합하여, 와이어 타단을 리드 단자 위에 웨지 접합하였다. 볼 형성 시의 산화를 억제하기 위하여 사용하는 쉴딩 가스는 표준적인 5 vol% H₂+N₂ 가스와 순 N₂ 가스를 사용하였다. 볼 형상의 평가 이외에는, 기본적으로는 표준 가스인 5 vol% H₂+N₂ 가스를 이용하였다. 가스 유량은 0.0003 내지 0.005 ㎥/min의 범위에서 조정하였다.

접합 상대로서는, 실리콘 기판 위의 전극 막의 재료인, 두께 1 ㎛의 Al 합금 막 (Al-1 질량% Si-0.5 질량% Cu 막, Al-0.5 질량% Cu 막)을 사용하였다. 한편, 웨지 접합의 상대에게는 표면에 Ag 도금(두께: 1 내지 4 ㎛)한 리드 프레임, 또는 Au 도금/Ni 도금/Cu의 전극 구조의 수지 기판을 사용하였다.

볼 형성성에 대하여, 산화를 억제하기 위하여 사용하는 쉴딩 가스가 표준적인 5 vol% H₂-N₂ 가스(순도 5N up, 고압 봄베 공급)인 경우와, 순 N₂ 가스(순도 4N, 집중 배관 공급)인 경우를 비교하였다. 초기 볼 형상의 평가에서는 볼 지름/와이어 지름의 비율이 1.7 내지 2.0인 범위로 하였다. 접합 전의 볼 30개를 주사형 전자 현미경(SEM) 또는 광학 현미경으로 관찰하여, 표면 성상, 형상, 치수 정밀도 등을 평가하였다. 이상 형상의 볼 발생이 3개 이상이면 불량이고, 개선이 필요하기 때문에 ×표, 이상 형상이 2개 이하이지만, 표면의 요철이 크거나, 본딩 와이어에 대한 볼 위치의 심 어긋남이 현저한 개수가 5개 이상인 경우에는 △표, 심 어긋남이 2 내지 4개이며 그 정도도 작으면 실용상의 큰 문제는 없다고 판단하여 ○표, 심 어긋남이 1개 미만이고, 또한 치수 정밀도도 양호한 경우에는 볼 형성은 양호하기 때문에 ◎표로, 표 2중의 「볼 형성성」의 란에 표기하였다.

압착 볼부의 접합 형상의 판정에서는, 접합된 볼을 500개 관찰하여, 형상의 진원성, 치수 정밀도 등을 평가하였다. 초기 볼 지름/와이어 지름의 비율이 1.9 내지 2.2인 통상의 사이즈의 볼을 형성하는 경우와, 비율이 1.5 내지 1.7의 범위인 소경 볼을 형성하는 경우의 2 종류로 각각 평가하였다. 진원으로부터 벗어난 이방성이나 화변 모양 등의 불량 볼 형상이 5개 이상이면 불량으로 판정하여 ×표, 불량 볼 형상이 2 내지 4개이면, 필요에 따라서 개선이 바람직하기 때문에 △표, 불량 볼 형상이 1개 이하이면 양호하기 때문에 ○표로, 표 2중의 「볼 접합 형상」의 란에 표기하였다.

초기 볼의 오목부 및 압착 볼부의 미소 요철의 평가에 대하여, 20개의 초기 볼의 선두부의 SEM 관찰과 접합된 볼부를 300개 관찰에 의하여, 종합적으로 판정하였다. 오목부가 8개 이상이거나, 미소 요철이 발생한 볼 접합부가 30개 이상의 어느 하나이어도 불량으로 판정하여 ×표, 오목부가 2 내지 7개이거나, 미소 요철이 발생한 볼 접합부가 4 내지 29개의 범위이면, 필요에 따라서 개선이 바람직하기 때문에 △표, 오목부는 인정되지 않고, 미소 요철이 발생한 볼 접합부가 3개 이하이면 양호하기 때문에 ○표로, 표 2 중의 「오목부, 표면 요철」란에 표기하였다.

볼 접합부의 Al 스플래쉬의 평가에서는, 볼 접합부를 SEM 관찰하고 초음파 인가 방향으로 Al의 스플래쉬 정도를 평가하는 직접 관찰과, 쉐어 시험에 의하여 볼부를 제거하고, 그 쉐어 파단면에 잔존하는 Al 전극의 변형, 잔량 등으로부터 Al 전극의 스플래쉬를 판정하는 간접 관찰에 대하여, 양 방법으로 확인하였다. Al 스플래쉬가 거의 없고, 금 본딩 와이어의 경우와 동등하고 양호한 경우에는 ◎표, 스플래쉬는 있지만 변형량은 적은 경우에는 ○표, 스플래쉬가 증가하고 있지만 거의 문제가 되지 않는 경우에는 △표, 스플래쉬가 현저이기 때문에 개선이 필요한 경우에는×표로, 표 2중의 「Al막의 스플래쉬」란에 표기하였다.

본딩 공정에서의 루프 형상 안정성에 대하여, 와이어 길이가 2 ㎜인 범용 스팬과 0.5 ㎜의 단 스팬의 2 종류로, 사다리꼴 루프를 제작하고, 각각 500개의 본딩 와이어를 투영기에 의하여 관찰하여, 본딩 와이어의 직선성, 루프 높이의 편차 등을 판정하였다. 와이어 길이가 짧은 0.5 ㎜이고, 사다리꼴 루프의 형성은 칩 단부에의 접촉을 회피하기 위하여, 더 엄격한 루프 제어가 필요하다. 와이어 길이 2 ㎜, 직선성, 루프 높이 등의 불량이 5개 이상 있는 경우에는 문제가 있다고 판단하여 ×표로 나타내고, 와이어 길이 0.5 ㎜, 불량이 2 내지 4개이고, 또한, 와이어 길이 0.5 ㎜, 불량이 5개 이상인 경우에는 개선이 필요하다고 판단하여 △표로 나타내고, 와이어 길이 2 ㎜, 불량이 1개 이하이고, 와이어 길이 2 ㎜, 불량이 2 내지 4개인 경우에는 루프 형상은 비교적 양호하기 때문에 ○표로 나타내며, 와이어 길이 0.5 ㎜, 불량이 1개 이하인 경우에는 루프 형상은 안정적이라고 판단하여 ◎표로, 표 2중의 「루프 안정성」 란에 나타내었다. 불량 원인의 하나로 심재와 외주부의 계면의 밀착성이 충분하지 않은 것, 단면에서의 특성 불균형 등이 상정된다.

와이어 표면의 스크래치, 깎임 등의 평가에서는, 본딩된 루프의 외관 관찰에 의하여 조사하였다. 선 직경은 25 ㎛, 와이어 길이는 2 ㎜, 루프 높이의 목적 값은 200 ㎛ 정도가 되는 사다리꼴 루프를 형성하고, 1000 개의 와이어를 투영기에 의하여 관찰하였다. 스크래치 관찰은 루프의 상측을 중심으로, 깎임 관찰은 루프 전체에 사이즈가 30 ㎛ 이상인 깎임을 평가하였다. 깎임이 4개 이상이고 스크래치도 현저한 경우에는 문제가 있다고 판단하여 ×표로 나타내고, 깎임이 1 내지 3개의 범위이지만, 스크래치 발생이 많고, 캐필러리 막힘 등에 대한 영향이 염려되는 경우에는 개선이 필요하다고 판단하여 △표로 나타내고, 깎임이 1 내지 3개의 범위이고, 문제시되는 큰 스크래치 발생이 없는 경우에는 와이어 표면은 비교적 양호하기 때문에 ○표로 나타내며, 깎임이 발생하고 있지 않고, 스크래치도 눈에 띄지 않는 경우에는 안정적으로 양호하다고 판단하여 ◎표로, 표 3 중의 「루프의 스크래치, 깎임」의 란에 표기하였다. 스크래치, 깎임의 판정에는 관찰자의 개인적 판단에 따라 다소 영향을 받는 것이 염려되기 때문에, 2명 이상의 관찰자가 평가하고, 평균 정보로 순위를 매겼다.

반도체 소자 위에 본딩된 와이어의 표면 산화의 평가에 대하여, QFP 상에 와이어를 208개 접속한 시료를 2개 제작하고, 주로 루프의 상방으로부터의 광 현미경 관찰에 의한 와이어 표면의 색 변화로부터 산화 상황을 평가하였다. 본딩 조건에서는 스테이지 온도는 200℃, 가열 스테이지 상에 노출되는 시간을 약 2분으로 통일하였다. 와이어 표면에 산화가 인정되는 와이어가 20개 이상인 경우에는 ×표, 6 내지 19개인 경우에는 엄격한 요구에 대하여는 개선이 필요하다고 판단하여 △표, 2 내지 5개인 경우에는 실용상은 문제가 없는 레벨의 산화라고 판단하여 ○표, 1개 이하인 경우에는 양호하므로 ◎표로, 표 2 중의 「접합 후에 가열된 와이어 표면의 산화」의 란에 표기하였다.

풀림성의 평가로는 선 직경 20 ㎛, 스팬 1 내지 3 ㎜, 루프 높이 150 내지 300 ㎛로 본딩을 5000개 실시하고, 컬이나 절곡 등의 불량이 발생하여 직선성이 저하된 것을 카운트하였다. 직선성이 저하된 불량 수가 20개 이상인 경우에는 ×표, 10 내지 19개인 경우는 엄격한 요구에 대하여는 개선이 필요하다고 판단하여 △표, 3 내지 9개이며, 그 정도도 비교적 작은 경우에는 실용상은 문제가 없는 레벨의 산화라고 판단하여 ○표, 2개 이하인 경우에는 양호하기 때문에 ◎표로, 표 3중의 「풀림성」의 란에 표기하였다.

와이어 보관 수명의 평가에서는 상온에서 대기 중에 방치한 본딩 와이어를 접속시키고, 웨지 접합의 접착 불량(non-stick failure)의 회수로 평가하였다. 본딩 와이어는 스풀 케이스에 넣은 상태로 클린룸 내에 보관하였다. 방치 기간은 30일, 60일로 나누어 비교하였다. 접합 조건에서는 양산 공정에서 사용되는 통상 접합 조건과 초음파 출력을 약간 줄이고 불착을 유발하는 저접합 조건의 2종으로 비교하였다. 저온이 될수록 접합이 곤란하게 되므로, 스테이지 온도를 180℃의 저온으로 하고, 1000개의 본딩에 의하여 불착 발생 빈도를 평가하였다. 통상 접합 조건에서 접합되지 않은 것이 3개 이상 발생한 경우에는 개선이 필요하기 때문에 ×표, 통상 접합 조건에서 접합되지 않은 것이 2개 이하, 그리고 저접합 조건에서 접합되지 않은 것이 5개 이하의 경우에는 △표, 통상 접합 조건에서의 불착은 없고, 저접합 조건으로의 접합되지 않은 것이 2 내지 4개인 경우에는 거의 양호하기 때문에 ○표, 통상 접합 조건에서의 불착은 없고, 저접합 조건으로의 접합되지 않은 것이 1개 이하인 경우에는 와이어 보관 수명이 양호하다라고 판단하여 ◎표로, 표 2중의 「웨지 접합성」의 란에 표시하였다.

TCT 시험에서는 시판되는 TCT 시험 장치를 사용하였다. 온도 이력은 가혹한 환경으로 한 표준 조건(-55℃/30분 내지 125℃/30분)과, 극히 가혹한 조건(-55℃/30분 내지 155℃/30분)의 2종을 이용하였다. 시험 후에 전기적 측정을 하여, 전기적 도통을 평가하였다. 와이어 400개를 측정하였다. 불량률이 제로인 경우에는 신뢰성이 높기 때문에 ◎표로, 1% 이하이면 실용상의 큰 문제는 없다고 판단하여 ○표, 2 내지 5의 범위이면 △표, 5% 초과이면 개선이 필요하므로 ×표로, 표 2 중의「TCT 시험」의 란에 표기하였다.

웨지 접합의 필 시험에서는 웨지 접합부의 와이어 삽입 각을 유지하면서 본딩 와이어를 끌어올리는 측정을 하였다. 이는 TCT 시험의 가속 평가로서 이용하였다. 이 시험에서의 파단 연신이 높은 본딩 와이어일수록, 접합부에서의 스트레스에 대하여 양호한 성능을 가진 것을 확인하였다. 웨지 접합의 필 시험에서의 파단 연신이 3% 이상이면 상당히 양호하므로 ◎표로, 1.5% 이상 3% 미만이면 충분하다고 판단하여 ○표, 1% 이상 5 미만이면 △표, 1% 미만이면 연신이 불충분하다고 판단하여 ×표이고, 표 2 중의「웨지 접합 필 시험」의 란에 표기하였다.

리플로우 내성의 평가에서는 와이어 본딩과 수지 밀봉을 한 반도체 시료를, 리플로우 로를 사용하여, 260℃에서 10초 동안 유지하고, 그 후에 상온까지 냉각하는 열 이력을 10회 실시하였다. 시료는 와이어 본딩의 조건이 통상의 온도인 200℃에서 접속한 경우와 엄격한 조건인 160℃의 저온에서 접속한 경우인 2 종류의 시료로 각각 평가하였다. 리플로우 시험 후에 전기적 측정을 하여 전기적 도통을 평가하였다. 와이어 400개를 측정하였다. 불량률이 제로인 경우에는 신뢰성이 높기 때문에 ◎표로, 1% 이하이면 실용상 큰 문제가 없다고 판단하여 ○표, 2 내지 5%의 범위이면 △표, 5% 초과이면 개선이 필요하다고 판단하여 ×표로, 표 2 중의「리플로우 내성」의 란에 표기하였다.

캐필러리 수명의 평가에서는 본딩 와이어를 5만 개 접속한 후, 캐필러리 선단의 오염, 마모 등의 변화로 판정하였다. 표면이 청정하면 ○표, 불착물 등이 적은 경우에는 통상의 조업에는 문제가 없기 때문에 △표, 불착물의 양이나 크기가 현저한 경우에는×표로, 표 2중의 「캐필러리 수명」의 란에 표기하였다.

표 1 내지 3에는 본 발명의 구리 본딩 와이어의 평가 결과와 비교예를 나타낸다. 표 1, 2의 실시예 1 내지 33, 비교예 C1 내지 C9에서는 와이어의 외층 표면에 있어서의 탄소, 산소를 농화시키는 처리를 하지 않았고, 표 1의 금속 M, 구리 등의 농도는 금속계 원소의 총계를 100 mol%로서 농도 표시하였다. 표 3의 실시예 B1 내지 B33에서는 표 1과 시료 번호(SAl 내지 SA33)가 동일한 와이어를 사용하여, 탄소, 산소를 농화시키는 처리를 한 경우이다.

표 3의 탄소, 산소의 농도 계산은 구리, 금속 M 등의 금속계 원소, 탄소, 산소 및 질소의 비금속계 원소의 총계를 100 mol%로서 농도를 산출한다. 표 1과 표 3에서 시료 번호가 같은 시료에서는 금속 M 및 구리 원소 등의 금속계 원소의 농도 비율은 기본적으로는 동일한 분석 값인 것을 확인하였다. 금속 원소의 농도 비율에 지배되는 표 1에 나타낸 성능에 대하여, 표 3에서 시료 번호가 동일한 시료에서도 거의 동일한 평가 결과를 얻을 수 있는 것을 확인하였다. 실시예 B1 내지 B33에 대하여도, 대표적인 특성인 TCT 시험, 필 시험, 리플로우 내성, 대기 방치 후의 웨지 접합성의 평가 결과에 대하여 표 3에 나타내고 있다. 또한, 볼 형성성, 볼 접합 형상, Al막의 스플래쉬 거동, 캐필러리 막힘 등의 성능에 대하여도, 실시예 B1 내지 B33에서도 표 1과 동일한 결과를 얻을 수 있는 것을 확인하였다.

청구항 1에 관한 본딩 와이어는 실시예 1 내지 33, B1 내지 B33이며, 청구항 2에 관한 본딩 와이어는 실시예 1 내지 32, B1 내지 B32, 청구항 3에 관한 본딩 와이어는 실시예 2, 4, 7, 8, 10, 14, 18, 24, 27, 29, 32, B2, B4, B7, B8, B10, B14, B18, B24, B27, B29, B32, 청구항 4에 관한 본딩 와이어는 실시예 3, 18 내지 20, 24, 31, B3, B18 내지 B20, B24, B31, 청구항 5에 관한 본딩 와이어는 실시예 1 내지 33, B1 내지 B33, 청구항 6에 관한 본딩 와이어는 실시예 B1 내지 B3, B5, B8 내지 B15, B17, B19 내지 B20, B22 내지 B26, B29 내지 B33, 청구항 7에 관한 본딩 와이어는 실시예 B1, B4 내지 B6, B8 내지 B18, B20, B22, B24 내지 B33, 청구항 8에 관한 본딩 와이어는 실시예 2, 3, 5 내지 18, 20 내지 30, 32, 33, B2, B3, B5 내지 B18, B20 내지 B30, B32, B33, 청구항 9에 관한 본딩 와이어는 실시예 1 내지 3, 5, 7 내지 16, 19 내지 24, 26 내지 33, B1 내지 B3, B5, B7 내지 B16, B19 내지 B24, B26 내지 B33, 청구항 10에 관한 본딩 와이어는 실시예 2, 3, 5, 7 내지 10, 12 내지 16, 18 내지 24, 26 내지 33, B2, B3, B5, B7 내지 B10, B12 내지 B16, B18 내지 B24, B26 내지 B33, 청구항 11에 관한 본딩 와이어는 실시예 1, 2, 5 내지 9, 12, 14 내지 17, 19, 21 내지 23, 25 내지 33, B1, B2, B5 내지 B9, B12, B14 내지 B17, B19, B21 내지 B23, B25 내지 B33, 청구항 12에 관한 본딩 와이어는 실시예 1, 2, 4 내지 12, 15, 19, 21 내지 23, 26 내지 33, B1, B2, B4 내지 B12, B15, B19, B21 내지 B23, B26 내지 B33, 청구항 13에 관한 본딩 와이어는 실시예 2, 3, 5 내지 20, 22 내지 26, 28 내지 33, B2, B3, B5 내지 B20, B22 내지 B26, B28 내지 B33에 상당한다. 비교예 1 내지 9, BC1 내지 BC9에서는 청구항 1을 만족하지 않는 경우의 결과를 나타낸다.

각각의 청구항의 대표예에 대하여 평가 결과의 일부를 설명한다.

실시예 1 내지 33의 복층 구리 본딩 와이어는 본 발명에 관한 외층의 두께가 0.021 내지 0.12 ㎛의 범위이면, TCT 시험에서 신뢰성이 높은 것이 확인되었다. 한편, 외층이 없는 종래의 단층 구리 와이어에 관한 비교예 1, 또는 외층의 두께가 0.021 ㎛ 미만인 비교예 2, 4, 6, 8에서는 표준 조건의 TCT 시험에서도 불량이 확인되었다. 바람직한 사례로서 외층의 두께가 0.025 내지 0.095 ㎛의 범위인 실시예 2, 3, 6 내지 18, 21 내지 23, 26, 28 내지 30, 33에서는 극히 가혹한 조건의 TCT 시험에서도 불량 수를 1% 미만으로 억제할 수 있고, 또한 외층의 두께가 0.03 내지 0.085 ㎛의 범위인 실시예 2, 3, 6 내지 16, 22, 23, 26, 28 내지 30에서는 불량은 발생하지 않고, 높은 신뢰성이 얻어지는 것을 확인하였다.

실시예 1 내지 32의 복층 구리 본딩 와이어는 본 발명에 관한 외층의 두께가 0.021 내지 0.12㎛의 범위이고, 외층을 구성하는 금속 M이 Au, Pd, Pt, Rh로부터 선택되는 1종 이상을 주성분으로 함으로써, 외층의 주성분이 Ag으로 이루어지는 실시예 33과 비교하고, TCT 시험의 신뢰성, 볼 형성성, 접합 형상 등을 종합적으로 개선하는 것이 비교적 용이한 것을 확인하였다.

비교예 3, 5, 7, 9에서는 외층의 두께가 0.021 ㎛ 초과이며, 웨지 접합성은 양호하고, 통상의 지름의 볼에서도 형상은 양호하지만, 소경 볼에서는 형상 불량이 발생하고 있기 때문에, 용도가 한정되는 것이 염려된다.

실시예 2, 4, 7, 8, 10, 14, 18, 24, 27, 29, 32의 복층 구리 본딩 와이어는 본 발명에 관한 심재가 P, B, Ir, Zr, Bi, Ti, Au, Ag, Sn 또는 희토류 원소로부터 선택되는 1종 이상의 원소를 0.0001 내지 0.03 mol%의 농도 범위에서 함유함으로써, 웨지 접합의 필 시험에서의 파단 연신이 높은 것을 확인하였다. 이것은 웨지 접합의 신뢰성이 종합적으로 향상되는 것을 시사한다.

실시예 3, 18 내지 20, 24, 31의 복층 구리 본딩 와이어는 본 발명에 관한 외층이, Bi, P, Se, Tl로부터 선택되는 1종 이상의 원소를 함유하고, 그 표면 농도가 0.01 내지 5 mol%인 범위에서 함유함으로써, 캐필러리 막힘이 억제되어 있는 것이 확인되었다. 이에 의하여, 캐필러리의 교환 수명을 길게 하는 것이 가능하고, 양산성이 향상된다.

실시예 B1 내지 B3, B5, B8 내지 B15, B17, B19 내지 B20, B22 내지 B26, B29 내지 B33의 복층 구리 본딩 와이어는 본 발명의 외층의 두께가 0.021 내지 0.12㎛의 범위이며, 또한 상기 외층의 최표면의 탄소 농도가 15 내지 80 mol%의 범위이며, 표면으로부터 깊이 방향으로 탄소 농도가 5 내지 80 mol%의 범위인 영역의 두께가 0.0004 내지 0.01 ㎛이면,와이어 표면의 미끄러짐성을 높여서, 와이어의 스크래치, 깎임을 억제할 수 있는 것이 확인되었다. 좋기로는, 이 영역의 두께가 0.0007 내지 0.007 ㎛인 실시예 B1 내지 B3, B8, Bl0 내지 B15, B17, B20, B22 내지 B26, B29 내지 B33에서는 스크래치, 깎임을 억제하는 높은 효과가 확인되었다.

실시예 B1, B4 내지 B6, B8 내지 B18, B20, B22, B24 내지 B33의 복층 구리 본딩 와이어는 본 발명의 외층의 두께가 0.021 내지 0.12 ㎛의 범위이며, 또한, 상기 외층의 최표면의 산소 농도가 1 내지 25 mol%의 범위이며, 이 외층의 표면에 산소 농도가 0.2 내지 25 mol%의 범위인 영역의 두께가 0.0005 내지 0.007㎛의 범위이면, 와이어의 풀림성이 개선되어, 본딩에 의한 루프 형성에서의 컬, 절곡을 저감할 수 있는 양호한 결과가 확인되었다.

실시예 2, 3, 5 내지 18, 20 내지 30, 32, 33의 복층 구리 본딩 와이어는 본 발명에 관한 외층의 두께가 0.021 내지 0.12 ㎛의 범위이며, 또한, 금속 M의 농도가 10 mol% 이상인 영역의 두께가 0.03 내지 0.2 ㎛이면, 리플로우 시험에서 신뢰성이 높은 것이 확인되었다. 좋기로는, 이 영역의 두께가 0.04 내지 0.2 ㎛인 실시예 2, 3, 6 내지 18, 20, 22 내지 25, 26 내지 30, 32, 33에서는 저온에서 와이어 접속된 시료에서도 리플로우 내성이 높은 것이 확인되었다.

실시예 1 내지 3, 5, 7 내지 16, 19 내지 24, 26 내지 33의 복층 구리 본딩 와이어는 본 발명에 관한 외층의 두께가 0.021 내지 0.12 ㎛의 범위이며, 또한, 금속 M의 농도가 총계로 90 mol% 이상인 영역의 두께가 0.004 내지 0.07 ㎛인 것으로, 대기에 30일간 방치한 후의 웨지 접합성이 양호하고, 외층을 가지지 않은 비교예 1, 또는 외층의 두께가 0.021 ㎛ 미만인 비교예 2, 4, 6, 8과 비교하여도, 본딩 와이어의 보관 수명이 개선되어 있는 것이 확인되었다. 좋기로는, 이 영역의 두께가 0.008 내지 0.06 ㎛인 실시예 2, 3, 7 내지 16, 19, 22 내지 24, 27 내지 33에서는 60일간 방치한 후의 웨지 접합성이 양호하다는 것이 확인되었다.

실시예 2, 3, 5, 7 내지 10, 12 내지 16, 18 내지 24, 26 내지 33의 복층 구리 본딩 와이어는 본 발명에 관한 외층의 두께가 0.021 내지 0.12 ㎛의 범위이며, 또한, 금속 M의 농도가 총계로 96 mol% 이상인 영역의 두께가 0.002 내지 0.06 ㎛이면, 본딩 공정에 있어서 접속된 와이어가 스테이지 상에서 가열되어도, 고온에서의 산화를 억제할 수 있는 것을 확인하였다.

실시예 1, 2, 5 내지 9, 12, 14 내지 17, 19, 21 내지 23, 25 내지 33의 복층 구리 본딩 와이어는 본 발명에 관한 외층의 두께가 0.021 내지 0.12㎛의 범위이고, 또한, 최표면의 구리 농도가 0.5 내지 45 mol%이면, 볼 접합시의 편심을 저감시키고, 양호한 접합 형상을 얻을 수 있다. 좋기로는, 구리 농도가 0.5 내지 20 mol%인 실시예 1, 2, 5, 7, 8, 12, 14 내지 16, 19, 21, 22, 25, 27, 29, 31, 32이면, 소경 볼에서도 접합 형상이 개선되었다.

실시예 1, 2, 4 내지 12, 15, 19, 21 내지 23, 26 내지 33의 복층 구리 본딩 와이어는 본 발명의 외층의 두께가 0.021 내지 0.12 ㎛의 범위이며, 한편, 외층의 표면에 금속계 원소의 총계에 대한 구리 농도가 1 내지 30 mol%의 범위인 영역의 두께가 0.0005 내지 0.008 ㎛이면, 볼 선두부의 오목부 및 볼 표면의 미소 요철 등을 저감할 수 있다.

실시예 2, 3, 5 내지 20, 22 내지 26, 28 내지 33의 복층 구리 본딩 와이어는 본 발명에 관한, 외층의 두께가 0.021 내지 0.12㎛의 범위이며, 또한, 구리 이외의 금속 M의 농도가 총계로 0.05 내지 3 mol%인 것으로, 볼 접합시의 Al 스플래쉬를 저감시키는 효과를 얻을 수 있다.

실시예 1 내지 33의 복층 구리 본딩 와이어는 본 발명에 관한 외층의 두께가 0.021 내지 0.12 ㎛의 범위인 것으로, 볼 형성시의 쉴딩 가스가 5 vol% H₂+N₂의 표준 가스이고 양호한 볼 형상을 얻을 수 있을 뿐만 아니라, 순 N₂ 가스에서도 볼 형상이 거의 진구이고, 양호하다는 것이 확인되었다.

표 1

표 2

표 3

본 발명의 본딩 와이어에 의하면 열 사이클 시험에서의 불량을 저감할 수 있다. 또한, 볼 접합성을 향상시킬 수 있다. 또한, 와이어 보관 수명을 개선할 수 있다. 그 결과, 재료비가 적게 들고, 볼 접합성, 열 사이클 시험 또는 리플로우 시험의 신뢰성이 우수하며, 보관 수명이 양호하고, 협피치용 세선화에도 적응하는 등의 구리계 본딩 와이어를 제공하는 것이 가능하게 된다.

Claims

구리를 주성분으로 하는 심재와,
상기 심재 위에 설치된, Au, Pd, Pt 및 Rh로부터 선택되는 1종 이상을 주성분으로 하는 금속 M과 구리를 함유하는 외층을 가진 반도체 장치용 본딩 와이어로서,
상기 외층의 두께가 0.021 내지 0.12 ㎛이고,
금속 원소와 탄소, 산소 및 질소와의 각 원소의 총계에 대한 농도로 비교하여, 상기 외층의 최표면의 산소 농도가 1 내지 23 mol%의 범위이고, 상기 외층의 표면에 산소 농도가 0.2 내지 25 mol%의 범위인 영역의 두께가 0.0006 내지 0.004 ㎛의 범위인 것을 특징으로 하는 반도체 장치용 본딩 와이어.
제1항에 있어서, 상기 구리를 주성분으로 하는 심재가 P, B, Ir, Zr, Bi, Ti, Au, Ag, Sn 및 희토류 원소로부터 선택되는 1종 이상의 원소를 함유하고, 와이어 전체에서 차지하는 상기 원소 농도가 총계로 0.0001 내지 0.03 mol%의 범위인 것을 특징으로 하는 반도체 장치용 본딩 와이어.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 외층이 Bi, P, Se 및 Ti로부터 선택되는 1종 이상의 원소를 함유하고, 상기 외층의 최표면에서의 상기 원소 농도가 총계로 0.01 내지 5 mol%의 범위인 것을 특징으로 하는 반도체 장치용 본딩 와이어.
제1항 내지 제3항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 외층과 상기 심재와의 사이에 확산층을 가지는 것을 특징으로 하는 반도체 장치용 본딩 와이어.
제1항 내지 제4항 중 어느 하나의 항에 있어서, 금속 원소의 총계에 대한 상기 금속 M의 농도가 10 mol% 이상인 영역의 두께가 0.03 내지 0.2 ㎛인 것을 특징으로 하는 반도체 장치용 본딩 와이어.
제1항 내지 제5항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 외층 내에 있어서, 금속 원소의 총계에 대한 금속 M의 농도가 총계로 90 mol% 이상인 영역의 두께가 0.004 내지 0.07 ㎛의 범위인 것을 특징으로 하는 반도체 장치용 본딩 와이어.
제1항 내지 제6항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 외층 내에 있어서, 금속 원소의 총계에 대한 상기 금속 M의 농도가 총계로 96 mol% 이상인 영역의 두께가 0.002 내지 0.06 ㎛인 것을 특징으로 하는 반도체 장치용 본딩 와이어.
제1항 내지 제7항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 외층의 최표면에 있어서의 금속 원소의 총계에 대한 구리 농도가 0.5 내지 45 mol% 인 것을 특징으로 하는 반도체 장치용 본딩 와이어.
제1항 내지 제8항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 외층 내에 있어서, 금속 원소의 총계에 대한 구리 농도가 1 내지 30 mol%의 범위인 영역의 두께가 0.0005 내지 0.008 ㎛인 것을 특징으로 하는 반도체 장치용 본딩 와이어.
제1항 내지 제9항 중 어느 하나의 항에 있어서, 와이어 전체에서 차지하는 구리 이외의 상기 금속 M의 금속 원소의 총계에 대한 농도가 총계로 0.05 내지 3 mol%의 범위인 것을 특징으로 하는 반도체 장치용 본딩 와이어.