KR20160028516A - 반도체 장치용 본딩 와이어 - Google Patents

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도모히로 우노
히로유키 데아이
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신닛테츠스미킹 마테리알즈 가부시키가이샤
닛데쓰스미킹 마이크로 메탈 가부시키가이샤
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Abstract

고밀도 실장에서 요구되는 접합 신뢰성, 스프링 성능, 칩 손상 성능을 만족시킬 수 있는 본딩 와이어를 제공한다. 본딩 와이어는, In, Ga, Cd 중 1종 이상을 총계로 0.05 내지 5at.% 포함하고, 잔부가 Ag 및 불가피 불순물을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

반도체 장치용 본딩 와이어 {BONDING WIRE FOR SEMICONDUCTOR DEVICE}
본 발명은, 반도체 소자 상의 전극과 외부 리드 등의 회로 배선 기판의 배선을 접속하기 위하여 이용되는 반도체 장치용 본딩 와이어에 관한 것이다.
현재, 반도체 소자 상의 전극과 외부 리드의 사이를 접합하는 반도체 장치용 본딩 와이어(이하, 본딩 와이어라 함)로서, 선 직경 15 내지 50㎛ 정도의 세선이 주로 사용되고 있다. 본딩 와이어의 접합 방법은 초음파 병용 열 압착 방식이 일반적이며, 범용 본딩 장치, 본딩 와이어를 그 내부에 통과시켜 접속하는 캐필러리 지그 등이 사용된다. 본딩 와이어의 접합 프로세스는, 와이어 선단부를 아크 입열로 가열 용융시키고, 표면 장력에 의하여 볼을 형성한 후에, 150 내지 300℃의 범위 내에서 가열한 반도체 소자의 전극 상에 이 볼부를 압착 접합(이하, 볼 접합이라 함)하고, 이어서 루프를 형성한 후, 외부 리드측의 전극에 와이어부를 압착 접합(이하, 웨지 접합이라 함)함으로써 완료된다. 본딩 와이어의 접합 상대인 반도체 소자 상의 전극에는, Si 기판 상에 Al을 주체로 하는 합금막을 성막한 전극 구조, 외부 리드측의 전극에는, Ag 도금, Pd 도금 등을 실시한 전극 구조가 사용되는 경우가 많다.
본딩 와이어에는 우수한 볼 형성성, 볼 접합성, 웨지 접합성, 루프 형성성 등이 요구된다. 이들 요구 성능을 종합적으로 만족시키는 본딩 와이어의 재료로서Au가 주로 사용되어 왔다. 최근에는 Au 가격의 앙등을 배경으로 하여, Au의 대체로서 비교적 저렴한 재료를 사용한 본딩 와이어의 개발이 활발히 행해지고 있다. 개발예로서, Cu의 표면에 Pd를 피복한 구조를 갖는 본딩 와이어를 들 수 있다. 이 본딩 와이어의 특징은, 주로 Cu의 산화를 억제함으로써 본딩 와이어의 성능을 종합적으로 개선한 점이며, 최첨단의 LSI(Large Scale Integration) 분야에 있어서 사용되고 있다.
앞으로의 본딩 와이어 개발에서는, 반도체 디바이스의 한층 더 높은 고성능화, 소형화에 수반하는 고밀도 실장화에의 대응이 강하게 요구되고 있다. 고밀도 실장에서는, LSI층 간의 신호 지연을 억제하기 위하여 층간의 절연 재료로서 취약한 저유전율 재료가 사용되는 경우가 있으며, 반도체 소자에의 손상이 문제로 되는 경우가 많다. 인접하는 전극의 간격이 좁아 본딩 와이어의 선 직경을 미세하게 할 필요가 있기 때문에, 본딩 와이어는 높은 웨지 접합성이 요구된다. 미세한 선 직경에 있어서 전기 도전성을 확보하기 위해서는, 본딩 와이어에 사용하는 재료의 비저항은 낮은 편이 바람직하다. 이러한 고밀도 분야에 있어서의 본딩 와이어의 재료로서는, 연질이고 높은 웨지 접합성이 얻어지며, 비교적 비저항이 낮은 Au가 사용되는 경우가 많다.
상기와 같은 고밀도 실장화에 있어서의 과제를 해결하고, Au에 비하여 저렴한 본딩 와이어를 제공하기 위하여, 본딩 와이어의 재료에 Ag를 사용하는 시도가 이루어지고 있다. Ag의 영률(약 83×109N/㎡)은 Au의 영률(약 80×109N/㎡)과 거의 동등하고, Cu의 영률(약 130×109N/㎡)에 비하면 낮기 때문에, 취약한 반도체 소자에 대한 볼 접합에 있어서 손상이 적고, 양호한 웨지 접합성이 얻어질 것으로 기대된다. 실온 부근에 있어서의 Ag의 비저항(1.6μΩ·㎝)은 Cu의 비저항(1.7μΩ·㎝)이나 Au의 비저항(2.2μΩ·㎝)에 비하여 낮은 점에서, 전기적 특성의 관점에서도 고밀도 실장에 있어서의 본딩 와이어의 재료로서 적합할 것으로 생각된다.
그러나 Ag를 사용한 본딩 와이어(이하, Ag 본딩 와이어라 함)는, 고밀도 실장에 있어서 접합 신뢰성이나 루프의 안정성이 낮다는 과제가 있다. 접합 신뢰성 평가는, 실제의 반도체 디바이스의 사용 환경에 있어서의 접합부 수명을 평가할 목적으로 행해진다. 일반적으로 접합 신뢰성 평가에는 고온 방치 시험, 고온 고습 시험이 이용된다. Ag 본딩 와이어는 Au를 사용한 본딩 와이어(이하, Au 본딩 와이어라 함)에 비하여, 고온 고습 시험에 있어서의 볼 접합부의 수명이 떨어지는 것이 과제이다. 고밀도 실장에서는, 소(小)볼 접합이 행해지는 점에서, 접합에 기여하는 면적이 작아지기 때문에, 수명을 확보하는 것이 한층 더 곤란해진다.
루프의 안정성에 대해서는, 스프링 불량이라 불리는 불량이 문제로 된다. 스프링 불량은, 본딩 와이어의 접합 공정에서 루프가 만곡되는 현상으로, 본딩 와이어끼리가 접촉하여 단락을 일으키는 원인으로 된다. 고밀도 실장에서는, 인접하는 본딩 와이어의 간격이 좁아지는 점에서, 스프링 불량의 억제가 강하게 요구된다. 스프링 불량은, 와이어의 강도가 낮을수록 발생하기 쉬워지는 점에서, 선 직경이 가늘어지는 고밀도 실장에서는 문제로 되는 경우가 많다.
이들 과제를 해결하는 방법으로서, Ag에 다양한 원소를 첨가하여 합금화하는 기술이 개시되어 있지만, 합금 원소의 농도가 높아지면 볼이 단단해져 볼 접합 시에 칩 손상이 발생한다. 이들 과제가, Ag 본딩 와이어의 보급을 방해하고 있는 원인으로 되어 있다.
접합 신뢰성의 개선을 목적으로 한 Ag 본딩 와이어의 개발에 대해서는, 예를 들어 특허문헌 1에, Pt, Pd, Cu, Ru, Os, Rh, Ir 중 1종 또는 2종 이상을 총계로 0.1 내지 10중량% 포함하고, Pt가 10중량% 이하, Pd가 10중량% 이하, Cu가 5중량% 이하, Ru가 1중량% 이하, Os가 1중량% 이하, Rh가 1중량% 이하, Ir이 1중량% 이하이며, 잔부가 Ag 및 불가피 불순물을 포함하는 것을 특징으로 하는 본딩 와이어가 개시되어 있다.
예를 들어 특허문헌 2에, 순도 99.99질량% 이상의 Ag와 순도 99.999질량% 이상의 Au와 순도 99.99질량% 이상의 Pd를 포함하는 3원 합금계 본딩 와이어이며, Au가 4 내지 10질량%, Pd가 2 내지 5질량%, 산화성 비귀금속 첨가 원소가 15 내지 70 질량ppm이고, 잔부가 Ag를 포함하며, 당해 본딩 와이어는 연속 다이스 신선 전에 어닐링 열처리가 이루어지고, 연속 다이스 신선 후에 조질 열처리가 이루어지며, 질소 분위기 중에서 볼 본딩되는 것을 특징으로 하는 반도체 소자용 Ag-Au-Pd 3원 합금계 본딩 와이어가 개시되어 있다.
루프의 안정성 향상을 목적으로 한 Ag 본딩 와이어의 개발에 대해서는, 가공 열처리에 의하여 인장 강도와 0.2% 내력을 제어하는 기술이 개시되어 있다. 예를 들어 특허문헌 3에, 523K의 온도 분위기에서 15 내지 25초 간 가열한 후에, 계속해서 상기 온도 분위기에서 측정한 인장 강도가, 298K의 온도 분위기에서 측정한 0.2% 내력보다도 높은 것을 특징으로 하는 본딩 와이어가 개시되어 있다.
일본 특허 공개 평11-288962호 공보 일본 특허 공개 제2012-169374호 공보 일본 특허 공개 제2002-319597호 공보
그러나 상기 특허문헌에 개시되어 있는 Ag 본딩 와이어에서는, 고밀도 실장에서 요구되는 접합 신뢰성, 스프링 불량, 칩 손상에 대한 요구 성능을 만족시킬 수 없었다.
고온 고습 시험은, 온도가 121℃, 상대 습도가 100%인 조건에서 행하는 PCT(Pressure Cooker Test)라 불리는 시험이 일반적으로 이용된다. 최근에는 더욱 엄격한 평가 방법으로서, 온도가 130℃, 상대 습도가 85%인 조건에서 행하는 HAST(Highly Accelerated temperature and humidity Stress Test)라 불리는 시험이 이용되는 경우가 많다. 고밀도 실장용의 반도체 디바이스는, 동작 환경을 상정한 경우, HAST에 있어서 300시간 이상 경과 후에도 정상적으로 동작할 것이 요구된다. Ag 본딩 와이어는, HAST에 있어서 볼 접합부의 수명이 문제로 된다. Ag 본딩 와이어는, 고온 고습 환경에 노출됨으로써, 볼 접합부에 있어서 박리가 발생하여, 전기적인 접속이 상실되어 반도체 디바이스의 고장의 원인으로 된다. 또한 고밀도 실장에서는, 협피치화에 대응하기 위하여 통상보다도 작은 볼을 형성하여 접합(이하, 소볼 접합이라 함)하는 경우가 많다. 본딩 와이어는, 소볼 접합을 사용한 경우, 접합에 기여하는 면적이 작아져 접합 수명이 짧아지는 경향이 있는 점에서, 더 엄격한 접합 신뢰성이 요구된다.
스프링 불량은, 고밀도 실장 분야 중에서도 메모리 용도로 행해지는 적층 칩의 접속에서 문제로 되는 경우가 많은 불량이다. 적층 칩을 본딩 와이어에 의하여 접속하는 방법으로는, 통상의 접합과는 접합 위치가 역전되는, 역(逆)본딩이라 불리는 접속 방법이 많이 사용된다. 역본딩의 접합 프로세스에서는, 칩 상의 전극에 스터드 범프를 형성한 후, 기판의 전극 상에 볼부를 접합하고, 마지막으로 상기 스터드 범프 상에 본딩 와이어를 웨지 접합한다. 이 역본딩에 의하여 루프 높이를 낮게 억제할 수 있으며, 칩의 적층 수가 증가하여 단차가 상당히 높은 경우에 있어서도 안정된 루프 제어가 가능해진다. 한편, 역본딩을 행하면 스프링 불량이 발생하기 쉽다.
칩 손상은, 본딩 공정 중에서도 볼 접합 공정에 있어서 발생하는 불량이다. 고밀도 실장 분야에서는, 칩의 박형화, 다층화에 수반하여 강도가 낮은 구조가 취해지는 경우가 많으며, 칩 손상 억제에 대한 요구가 높아지고 있다. 또한 고밀도 실장에서 행해지는 소볼 접합에서는, 접합 시에 응력이 집중되어 칩 손상이 발생하기 쉬워지기 때문에, 칩 손상의 엄격한 억제가 요구된다.
이들 요구 성능에 대하여, 종래 보고되어 있는 Ag 본딩 와이어를 사용한 경우, 접합 신뢰성, 스프링 성능, 칩 손상 성능에 있어서 이하의 과제가 있음이 판명되었다. 접합 신뢰성에 대해서는, Al 전극에 볼 접합을 행하고, 수지 밀봉 후, HAST를 행한 결과, 150시간 경과한 단계에서 볼 접합부의 접합 강도가 저하되어, 고밀도 실장에서 요구되는 300시간 이상의 수명이 얻어지지 않았다. 접합 계면의 관찰을 행한 결과, Ag 본딩 와이어와 Al 전극의 계면에 있어서 보이드의 발생이 인정되었다. 이는, 접합 계면에 형성된 Ag와 Al의 금속 간 화합물의 일부가 부식되었기 때문인 것으로 추정되었다. 스프링 성능에 대해서는, 역본딩을 행한 경우에, 본딩 와이어의 강도가 부족하여 루프가 만곡되어, 스프링 불량의 억제가 곤란한 것이 판명되었다. 칩 손상 성능에 대해서는, 소볼 접합을 행한 경우에 있어서, 칩에 균열이 발생하여 실용에 적합하지 않음을 알 수 있었다.
본 발명에서는, 종래 기술의 문제를 해결하여, 고밀도 실장에서 요구되는 접합 신뢰성, 스프링 성능, 칩 손상 성능을 만족시킬 수 있는 본딩 와이어를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 반도체 장치용 본딩 와이어는, In, Ga, Cd 중 1종 이상을 총계로 0.05 내지 5at.% 포함하고, 잔부가 Ag 및 불가피 불순물을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 고밀도 실장에서 요구되는 접합 신뢰성, 스프링 성능, 칩 손상 성능을 만족시킬 수 있다.
본 실시 형태에 관한 본딩 와이어는, In, Ga, Cd 중 1종 이상을 총계로 0.05 내지 5at.% 포함하고, 잔부가 Ag 및 불가피 불순물로 함으로써, 고밀도 실장에 요구되는 접합 신뢰성을 개선하고, 스프링 불량을 억제할 수 있다.
본 실시 형태에 관한 본딩 와이어의 접합 신뢰성의 개선에 대한 유효성을 설명한다. 와이어 선 직경이 φ15 내지 25㎛인 와이어를 사용한 경우, 통상의 접합에서는, 와이어 선 직경에 대하여 볼 직경이 1.7 내지 2.0배인 볼을 형성하여 접합이 행해진다. 고밀도 실장 용도에서는, 협피치화에 대응하기 위하여, 와이어 선 직경에 대하여 볼 직경이 1.5 내지 1.6배로, 통상보다도 작은 볼을 형성하여 접합하는 경우가 많다. 종래의 Ag 본딩 와이어를 사용하여 소볼 접합하고, 온도가 130℃, 상대 습도가 85%인 조건에서 고온 고습 시험을 행한 경우, 볼 접합부 수명은 150시간 미만이었다. 본 실시 형태에 관한 본딩 와이어를 사용한 경우, 300시간 이상의 우수한 볼 접합부 수명이 얻어졌다. 이 결과로부터, 본 실시 형태에 관한 본딩 와이어는, 고밀도 실장에 있어서 요구되는 기준을 만족시키고 있어, 고밀도 실장에 있어서 사용할 수 있다. 취약한 저유전율 재료를 사용한 반도체 소자에 볼 접합을 행할 때의 접합 조건은, 반도체 소자의 손상을 완화하기 위하여 통상의 조건보다도 초음파를 약하게 할 필요가 있다. 이러한 접합 조건을 사용한 경우, 종래의 Ag 본딩 와이어에서는, 충분한 접합 면적을 얻는 것이 곤란하여 볼 접합부 수명은 100시간 미만이었다. 한편, 본 실시 형태에 관한 본딩 와이어를 사용한 경우, 300시간 이상의 볼 접합부 수명이 얻어져, 우수한 접합 신뢰성을 실현할 수 있음이 확인되었다. 이는, 본 실시 형태에 관한 본딩 와이어에 포함되는 In, Ga, Cd가, 볼 접합부의 접합 계면에 있어서, 부식의 원인으로 되는 Ag와 Al의 금속 간 화합물의 성장을 억제했기 때문인 것으로 생각된다.
다음으로, 본 실시 형태에 관한 본딩 와이어의 스프링 불량 억제에 대한 유효성을 설명한다. 복수의 반도체 소자가 적층된 구조를 갖는 디바이스에 대하여, 와이어 선 직경이 φ15 내지 25㎛인 와이어를 사용하여 역본딩을 실시한 바, 종래의 Ag 본딩 와이어에서는 스프링 불량이 발생하였다. 이에 대하여, 본 실시 형태에 관한 본딩 와이어에서는 스프링 불량을 억제할 수 있었다. 본 실시 형태에 관한 본딩 와이어는, 최첨단의 고밀도 패키지에 있어서도 스프링 불량의 억제 효과를 확인할 수 있었다. 스프링 성능의 개선 효과는, 본딩 와이어의 항복 강도가 향상된 것에 의한 것으로 생각된다.
이상으로부터, 본 실시 형태에 관한 본딩 와이어는, 고밀도 실장에서 요구되는 성능과 저비용화를 동시에 만족시킬 수 있어, Au 본딩 와이어의 대체가 가능한 것이 밝혀졌다.
In, Ga, Cd 중 1종 이상을 총계로 5at.% 초과 포함하는 본딩 와이어는, 본딩 와이어의 파단 신장이 저하되어, 웨지 접합 시에 본딩 와이어가 끊어지는 불량이 발생하기 때문에 실용에 적합지 않다. 즉, 접합 신뢰성을 개선하고 스프링 불량을 억제하면서 본딩 와이어로서의 종합 성능을 만족시키기 위하여, 본딩 와이어에 포함되는 In, Ga, Cd 중 1종 이상의 총계는 0.05at.% 내지 5at.%인 것이 유효하다. 본딩 와이어는, 상기 농도가 0.1 내지 2at.%이면, HAST에 있어서 500시간의 수명을 달성할 수 있으므로 바람직하다. 이는, 볼의 경도를 적정한 범위 내로 제어함으로써, 볼 접합 계면의 금속 간 화합물이 균일하게 형성되어, 접합 수명 저하의 원인으로 되는, 요철에 기인하는 응력 집중을 완화할 수 있기 때문이다. 또한 본딩 와이어는, 상기 농도가 0.5 내지 1at.%이면, HAST에 있어서 1000시간의 수명을 달성할 수 있으므로 더 바람직하다. 이는, 와이어 부분의 경도를 적정한 범위 내로 제어함으로써, 웨지 접합 시의 테일이라 불리는 형상이 안정되어, 볼을 형성할 때의 형상이나 크기의 변동을 저감시킬 수 있어, 접합 신뢰성의 변동을 억제할 수 있기 때문이다.
본딩 와이어에 포함되는 원소의 농도 분석에는, ICP 발광 분광 분석 장치 등을 이용할 수 있다. 본딩 와이어의 표면에 산소나 탄소 등의 원소가 흡착되어 있는 경우에는, 해석을 행하기 전에 표면으로부터 2㎚의 영역을 스퍼터 등으로 깎고 난 후 농도 측정을 행해도 된다. 그 외의 방법으로서, 산 세정을 이용하는 방법도 유효하다. 후술하는 Ni, Cu, Rh, Pd, Pt, Au 또는 Be, B, P, Ca, Y, La, Ce의 농도 분석에 대해서도 마찬가지의 방법을 이용할 수 있다.
상기 특징을 갖는 본딩 와이어는, Ni, Cu, Rh, Pd, Pt, Au 중 1종 이상을 총계로 0.01 내지 5at.% 더 포함함으로써, 본딩 와이어의 사용 수명을 개선할 수 있다.
본딩 와이어는, In, Ga, Cd를 포함하고, 또한 이들 원소와 결합력이 강한 원소를 복합 첨가하는 것이 경시 열화에 대하여 유효하다.
종래의 본딩 와이어는, 시간의 경과에 따라 표면에 황 원자가 흡착되어, 볼 형성성 등의 성능이 저하되는 경우가 있었다. 본딩 와이어 표면의 황 원자의 흡착을 억제하기 위해서는, 본딩 와이어 표면의 활성을 저하시키는 방법이 유효하다. 예를 들어 본딩 와이어 표면의 Ag 원자를, Ag에 비하여 황과의 흡착능이 낮은 원소로 치환하면 된다. 본딩 와이어의 표면에는 In, Ga, Cd가 존재하는 점에서, 이들의 원소와 결합력이 강한 원소를 첨가함으로써, 더 효율적으로 내황화성을 향상시킬 수 있을 것으로 생각된다.
본 발명자들은 예의 검토한 결과, 본 실시 형태에 관한 본딩 와이어가, Ni, Cu, Rh, Pd, Pt, Au 중 1종 이상을 총계로 0.01 내지 5at.% 이상 포함함으로써, 내황화성이 향상되어, 본딩 와이어의 사용 수명을 개선할 수 있음을 알아내었다. 상기 농도가 0.01at.% 미만인 경우에는 상기 효과를 기대할 수 없다. 상기 농도가 5at.% 초과인 경우에는, 와이어 표면에의 아크 방전에 의한 입열이 불안정해져, 진구성이 높은 볼이 얻어지지 않게 되기 때문에 실용에 적합지 않다. 바람직하게는, 상기 농도가 0.5 내지 3at.%이면 더 높은 효과가 얻어진다. 이는, 아크 방전에 의한 입열의 변동을 더 억제할 수 있기 때문이다.
본 실시 형태에 관한 본딩 와이어는, Be, B, P, Ca, Y, La, Ce 중 1종 이상을 총계로 10 내지 300at.ppm 더 포함함으로써, 볼 접합 시의 찌그러짐 형상을 개선할 수 있다.
종래의 Ag 본딩 와이어는, 볼 접합 시에 볼이 초음파의 인가 방향으로 우선적으로 변형되기 때문에, 인접하는 전극에 접촉하여 단락을 야기하는 경우가 있었다. 따라서 볼 접합에 있어서, 볼 변형의 이방성을 저감시켜, 진원에 가까운 찌그러짐 형상으로 제어할 필요가 있다. 볼 변형의 이방성은, 결정립 직경이 클수록 증가하는 경향이 있기 때문에, 볼부의 결정립을 미세화하는 기술이 유효하다.
본 발명자들은 예의 검토한 결과, 본 실시 형태에 관한 본딩 와이어가, Be, B, P, Ca, Y, La, Ce 중 1종 이상을 총계로 10 내지 300at.ppm 포함함으로써, 볼 결정립이 미세화될 수 있어, 볼 접합 시의 찌그러짐 형상을 개선할 수 있음을 알아내었다. 상기 농도가 10at.ppm 미만인 경우에는 상기 효과를 기대할 수 없다. 상기 농도가 300at.ppm 초과인 경우에는, 본딩 와이어의 파단 신장이 저하되어, 웨지 접합 시에 와이어가 끊어져 버리기 때문에 실용에 적합지 않다. 바람직하게는, 상기 농도가 20 내지 200at.ppm이면 더 높은 효과가 얻어진다. 이는, 이 농도 범위이면 볼 중의 원소의 편중을 저감시킬 수 있어, 원소가 더 균일하게 분포하기 때문이다.
본 실시 형태에 관한 본딩 와이어는, 본딩 와이어 표면부의 In, Ga, Cd의 총계 at.% 농도가, 본딩 와이어 내부의 상기 총계 at.% 농도의 2배 이상인 것에 의하여, 웨지 접합성을 개선할 수 있다.
본딩 와이어 표면으로부터 깊이 방향의 농도 분석은, 오제 전자 분광 분석 장치를 사용할 수 있다. 먼저, 본딩 와이어의 표면으로부터 스퍼터 등에서 깎으면서 농도 측정을 행하여, 깊이 방향의 농도 프로파일을 취득한다. 농도 프로파일을 취득할 대상인 원소는 Ag, In, Ga, Cd, O로 한다. 와이어 표면으로부터 깊이 방향에 대하여 0 내지 10㎚의 영역, 20 내지 30㎚의 영역으로 나누고, 각 영역의 평균 농도를 구함으로써, 각 영역에서의 각각의 원소의 농도를 결정한다.
웨지 접합에서는, 본딩 와이어를 변형시켜 접합 면적을 확보하기 때문에, 본딩 와이어의 표면부가 연질일수록 접합 면적의 확보가 용이해져, 높은 접합 강도가 얻어진다. 따라서 본딩 와이어의 내부에 대하여, 본딩 와이어의 표면부에 Ag보다도 연질의 원소를 농화시키는 기술이 유효하다. 본딩 와이어의 내부를 와이어 표면으로부터 깊이 방향으로 20 내지 30㎚의 영역, 본딩 와이어의 표면부를 와이어 표면으로부터 깊이 방향으로 0 내지 10㎚의 영역으로 정의한다.
본 발명자들은 예의 검토한 결과, 본딩 와이어 표면부의 In, Ga, Cd의 총계 at.％가, 본딩 와이어 내부의 상기 총계 at.％의 2배 이상인 것에 의하여, 웨지 접합부에 있어서 높은 접합 강도가 얻어지는 것을 알아내었다. 즉, 본딩 와이어는, 와이어 표면으로부터 깊이 방향으로 0 내지 10㎚의 영역에서의 금속 원소의 총계에 대한, In, Ga, Cd 중에서 선택된 적어도 1개 이상의 원소의 평균 농도를 X0-10㎚, 20 내지 30㎚의 영역에서의 해당 평균 농도를 X20-30㎚라 하면, X0-10㎚/X20-30㎚≥2가 성립하는 경우에 있어서, 웨지 접합부에 있어서 높은 접합 강도가 얻어진다. X0 -10㎚/X20-30㎚<2의 경우에는 상기 효과를 기대할 수 없다.
본 실시 형태에 관한 본딩 와이어는, 와이어 축에 수직 방향의 단면에 있어서의 평균 결정립이 0.2 내지 3.5㎛인 것에 의하여, 와이어의 조출성을 개선할 수 있다. 여기서 와이어 축이란, 본딩 와이어의 중심을 통과하고 길이 방향으로 평행인 축이다.
와이어 단면을 노출시키는 방법은, 예를 들어 기계 연마, 이온 에칭법 등을 이용할 수 있다. 평균 결정립 직경을 구하는 방법은, 예를 들어 후방 산란 전자선 회절법(EBSD: Electron Backscattered Diffraction)을 이용할 수 있다. EBSD법은, 인접하는 측정점 간의 결정 방위 차를 구함으로써 결정립계를 판정할 수 있다. 결정립계는, 방위 차가 15° 이상인 것을 대경각 입계로 정의하고, 대경각 입계에 둘러싸인 영역을 1개의 결정립으로 하였다. 결정립 직경은, 전용의 해석 소프트웨어에 의하여 면적을 산출하고, 그 면적을 원으로 가정했을 때의 직경으로 하였다.
본딩 와이어를 접합할 때는, 본딩 와이어를, 스풀이라 불리는 원기둥형의 지그에 권취한 상태로부터 소량씩 조출하여 사용한다. 조출을 행할 때는, 본딩 와이어에는 와이어 축과 평행 방향으로 장력이 걸리기 때문에, 본딩 와이어가 변형되어 선 직경이 가늘게 되어 버릴 우려가 있다. 이러한 현상을 방지하기 위해서는, 와이어 축과 수직 방향으로 작용하는 전단 응력에 대한 강도를 제어할 필요가 있다. 전단 응력에 대한 강도를 제어하는 방법으로서는, 와이어 축과 수직 방향의 단면에 있어서의 결정립 직경을 작게 하는 것이 유효하다.
본 발명자들은 예의 검토한 결과, 본딩 와이어의 와이어 축과 수직 방향의 단면에 있어서의 평균 결정립이 0.2 내지 3.5㎛인 것에 의하여, 높은 조출 성능이 얻어지는 것을 알아내었다. 더욱 바람직하게는, 상기 평균 입경이 0.4 내지 3.0㎛이면 더 높은 효과가 얻어진다. 상기 평균 결정립 직경이 3.5㎛ 초과에서는, 인장 응력에 의하여 와이어가 국부적으로 변형되어 버리기 때문에, 상기 효과가 얻어지지 않는다. 상기 평균 결정립 직경이 0.2㎛ 미만에서는, 본딩 와이어가 필요 이상으로 경질화되어 버리기 때문에, 캐필러리와의 접촉부에 있어서의 마모가 심해지기 때문에 실용에 적합지 않다.
본 실시 형태에 관한 본딩 와이어는, 본딩 와이어의 단면의 결정 방위를 측정했을 때의 측정 결과에 있어서, 상기 본딩 와이어의 길이 방향에 대하여 각도 차가 15° 이하인 결정 방위 <100>의 존재 비율이 면적률로 30% 이상 100% 이하인 것에 의하여, 웨지 접합성을 더욱 개선할 수 있다.
웨지 접합성에 대해서는, 본딩 와이어의 단면에 있어서, 본딩 와이어의 길이 방향에 대한 각도 차가 15° 이하인 결정 방위 <100>의 존재 비율을 증가시킴으로써 접합부의 변형을 촉진할 수 있어, 높은 접합 강도가 얻어진다. 상기 효과를 얻기 위해서는, 와이어의 길이 방향에 대한 각도 차가 15° 이하인 결정 방위 <100>을 갖는 영역의 면적이, 결정 방위의 측정 영역의 총 면적에 대하여 30% 이상을 차지하는 것이 유효하다. 상기 존재 비율이 30% 미만에서는, 접합부의 변형이 불충분해져, 웨지 접합부에 있어서 높은 접합 강도가 얻어지지 않는다.
본딩 와이어의 단면을 노출시키는 방법으로서는, 기계 연마, 이온 에칭법 등을 이용할 수 있다. 본딩 와이어의 단면의 결정 방위는 EBSD법을 이용하여 결정할 수 있다. 본딩 와이어의 길이 방향에 대한 각도 차가 15° 이하인 결정 방위 <100>의 존재 비율은, EBSD 등을 이용한 결정 방위의 측정 영역의 면적에 대하여, 상기 결정 방위 <100>을 갖는 영역이 차지하는 면적의 비율을 산출함으로써 구할 수 있다. 상기 측정 영역은, 와이어 축을 포함하는 와이어 축에 평행인 단면이며, 와이어의 길이 방향을 100㎛ 이하, 짧은 방향을 와이어 전체(와이어 직경과 대략 동일한 길이)로 한다.
본 발명자들은 예의 검토한 결과, 본 실시 형태에 관한 본딩 와이어의 최표면으로부터 깊이 방향에 대하여 0 내지 1㎚의 영역에서의 금속 원소의 총계에 대한, In, Ga, Cd 중에서 선택된 적어도 1개 이상의 원소의 평균 총계 at.%가, 본딩 와이어의 최표면으로부터 깊이 방향에 대하여 1 내지 10㎚의 영역에서의 해당 평균 총계 at.%의 1.2배 이상으로 제어함으로써, 캐필러리의 사용 수명을 개선할 수 있음을 알아내었다.
캐필러리와 본딩 와이어가 와이어를 조출할 때의 마찰에 의하여, 캐필러리의 내부가 마모되는 과제가 있었다. 상기 과제에 대하여, 본딩 와이어의 최표면 조성을 제어하여 본딩 와이어의 최표면 강도를 저감시킴으로써, 캐필러리와 본딩 와이어 간의 마찰력을 저감시킬 수 있어, 캐필러리의 사용 수명을 개선할 수 있다. 즉, 본딩 와이어는, 와이어 표면으로부터 깊이 방향으로 0 내지 1㎚의 영역에서의 금속 원소의 총계에 대한, In, Ga, Cd 중에서 선택된 적어도 1개 이상의 원소의 평균 농도를 X0-1㎚, 1 내지 10㎚의 영역에서의 해당 평균 농도를 X1-10㎚라 하면, X0-1㎚/X1-10㎚≥1.2가 성립하는 경우에 있어서, 우수한 캐필러리의 사용 수명이 얻어진다. X0-1㎚/X1-10㎚<1.2의 경우에는 상기 효과를 기대할 수 없다.
실시예
이하, 실시예에 대하여 상세히 설명한다. 원재료로 되는 Ag는, 순도가 99.9at.% 이상이고, 잔부가 불가피 불순물로 구성되는 것을 사용하였다. In, Ga, Cd, Ni, Cu, Rh, Pd, Pt, Au, Be, B, P, Ca, Y, La, Ce는, 순도가 99.9at.% 이상이고, 잔부가 불가피 불순물로 구성되는 것을 사용하였다.
본딩 와이어에 사용하는 Ag 합금은, 직경이 φ3 내지 6㎜인 원기둥형으로 가공한 카본 도가니에 원료를 장전하고, 고주파로를 사용하여 진공 중, 또는 N2, Ar 가스 등의 불활성 분위기에서 1080 내지 1600℃까지 가열하여 용해시킨 후, 노냉 또는 공냉을 행함으로써 제조하였다.
얻어진 Ag 합금에 대하여 인발 가공을 행하여 φ0.9 내지 1.2㎜까지 가공한 후, 다이스를 사용하여 연속적으로 신선 가공 등을 행함으로써, φ300 내지 600㎛의 와이어를 제작하였다. 이때, 와이어 표면에 산소나 황이 흡착되어 있는 경우에는, 염산 등을 사용한 산 세정 처리를 행해도 된다. 그 후, 200 내지 500℃의 중간 열처리와 신선 가공을 반복하여 행함으로써, 최종 선 직경인 φ15 내지 25㎛까지 가공하였다. 신선에는 시판 중인 윤활액을 사용하였고, 신선 시의 와이어 이송 속도는 20 내지 300m/분으로 하였다. 중간 열처리는, 와이어를 연속적으로 소인하면서 Ar 가스 분위기 중에서 행하였다. 중간 열처리 시의 와이어의 이송 속도는 20 내지 200m/분으로 하였다. 여기서, 200 내지 500℃의 중간 열처리의 횟수를 3회 이상 행함으로써, 와이어 표면으로부터 깊이 방향으로 20 내지 30㎚의 영역에 대하여, 0 내지 10㎚의 영역에서의 In, Ga, Cd 중 1종 이상의 농도를 높게 제어하는 것이 가능하다. 바람직하게는, 중간 열처리 온도가, 1회째에는 200 내지 330℃, 2회째에는 250 내지 400℃, 3회째 이후에는 350℃ 내지 500℃의 범위에서 행하는 것이 더 효과적이다. 이는, 상기 열처리에 의하여 첨가한 원소가 본딩 와이어의 표면에 확산되는 효과에 의한 것이다. 또한 중간 열처리를 실시하는 선 직경을 φ50 내지 φ100㎛ 이상으로 함으로써, 와이어 축에 수직인 방향의 단면에 있어서의 평균 결정립 직경을 0.2 내지 3.5㎛로 제어할 수 있다. 이는, 재결정 시의 결정립 성장을 제어할 수 있는 효과에 의한 것이다. 또한 신선 시의 와이어 이송 속도를 200 내지 300m/분으로 하고, 중간 열처리의 온도를 200 내지 300℃로 함으로써, 본딩 와이어의 길이 방향에 대한 각도 차가 15° 이하인 결정 방위 <100>의 존재 비율을 30% 이상으로 증가시킬 수 있다. 또한 본 기술은, 중간 열처리를 복수 회 행하는 경우에 있어서도 유효하다.
신선 가공 후의 와이어는, 최종적으로 파단 신장이 약 9 내지 15%로 되도록 최종 열처리를 실시하였다. 최종 열처리는 중간 열처리와 마찬가지의 방법으로 행하였다. 최종 열처리 시의 와이어의 이송 속도는 중간 열처리와 마찬가지로 20 내지 200m/분으로 하였다. 최종 열처리 온도는 200 내지 600℃이고, 열처리 시간은 0.2 내지 1.0초로 하였다. 여기서, 최종 열처리 후에 추가 열처리를 350 내지 500℃에서 0.2 내지 0.5초 간 실시함으로써, 와이어 표면으로부터 깊이 방향으로 1 내지 10㎚의 영역에 대하여, 0 내지 1㎚의 영역에서의 In, Ga, Cd 중 1종 이상의 농도를 1.2배 이상으로 제어하는 것이 가능하다.
접합 신뢰성 평가용의 샘플은, 일반적인 금속 프레임 상의 Si 기판에 두께 1.0㎛의 Al막을 성막한 전극에, 시판 중인 와이어 본더를 사용하여 볼 접합을 행하고, 시판되는 에폭시 수지에 의하여 밀봉하여 제작하였다. 볼은, N2+5% H2 가스를 유량 0.4 내지 0.6ℓ/min으로 흐르게 하면서 형성하였고, 볼 직경은 와이어 선 직경에 대하여 1.5 내지 1.6배의 범위로 하였다. 고온 고습 환경에 있어서의 접합 신뢰성은, 불포화형 프레셔 쿠커 시험기를 사용하여 온도 130℃, 상대 습도 85%의 고온 고습 환경에 폭로했을 때의 볼 접합부의 접합 수명에 의하여 판정하였다. 볼 접합부의 접합 수명은, 100시간마다 볼 접합부의 전단 시험을 실시하고, 전단 강도의 값이 초기에 얻어진 전단 강도의 1/3로 되는 시간으로 하였다. 고온 고습 시험 후의 전단 시험은, 산 처리에 의하여 수지를 제거하여 볼 접합부를 노출시키고 난 후 행하였다. 전단 시험기는 DAGE사 제조의 미소 강도 시험기를 사용하였다. 전단 강도의 값은, 무작위로 선택한 볼 접합부의 10개소의 측정값의 평균값을 이용하였다. 상기 평가에 있어서, 접합 수명이 300시간 미만이면 실용상 문제가 있다고 판단하여 △표, 300 이상 500시간 미만이면 실용상 문제없다고 판단하여 ○표, 500시간 이상이면 특히 우수하다고 판단하여 ◎표, 1000시간 이상이면 ☆표로 표기하였다.
스프링 성능 평가용의 샘플은, 반도체 소자 상의 전극에 형성한 스터드 범프 상에, 시판 중인 와이어 본더를 사용하여 웨지 접합을 행하는 접합 방법인 역본딩을 행함으로써 제작하였다. 접합 조건은 루프 길이 3.0㎜, 루프 높이 0.13㎜로 하였다. 접합한 200개의 본딩 와이어의 루프 부분을 광학 현미경으로 관찰하여, 인접하는 본딩 와이어가 접촉한 개소가 있으면 불량으로 판정하였다. 불량이 5개소 이상 있으면 실용상 문제가 있다고 판단하여 △표, 불량이 1 내지 4개소이면 실용상 문제가 없다고 판단하여 ○표, 불량이 전혀 발생하지 않으면 특히 우수하다고 판단하여 ◎표로 표기하였다.
칩 손상 성능의 평가는, Si 기판에 두께 1.0㎛의 Al막을 성막한 전극에, 시판 중인 와이어 본더를 사용하여 볼 접합을 행하고, 볼 접합부 바로 아래의 Si 기판을 광학 현미경으로 관찰함으로써 행하였다. Si 기판에 균열이 보인 경우에는 불량으로 판정하였다. 100개소 관찰하여, 불량이 1개소 이상 있으면 실용상 문제가 있다고 판단하여 △표, 불량이 전혀 발생하지 않으면 특히 우수하다고 판단하여 ○표로 표기하였다.
본딩 와이어의 사용 수명의 평가는, 본딩 와이어를 대기 분위기에 일정 기간 방치한 후 접합을 행하여, 양호한 볼 형성이 되어 있는지, 볼 접합부 및 웨지 접합부에 있어서 양호한 접합 상태가 얻어져 있는지의 여부를 평가하였다. 볼 형성의 판정은, 100개의 볼을 광학 현미경으로 관찰하여, 진구성이 낮은 볼이나 표면에 요철이 있는 볼이 5개 이상 있으면 불량으로 판정하였다. 볼의 형성 조건은, N2+5% H2 가스를 사용하여 가스 유량 0.4 내지 0.6L/min, 볼의 직경은 와이어 선 직경의 1.5 내지 1.6배의 범위로 하였다. 볼 접합부 및 웨지 접합부에 있어서 양호한 접합 상태가 얻어져 있는지의 판정은, 시판 중인 와이어 본더를 사용하여 1000회의 접합을 연속적으로 행하여 판정하였다. 볼 접합부나 웨지 접합부를 광학 현미경으로 관찰하여, 박리 등의 불량이 3개 이상 발생한 경우에는 불량으로 판정하였다. 방치 기간이 12개월 미만에서 상기 중 어느 한쪽의 불량이 발생한 경우에는 실용상 문제가 있다고 판단하여 △표, 방치 기간이 12개월 경과 후 18개월 미만 사이에 불량이 발생한 경우에는 실용상 문제가 없다고 판단하여 ○표, 방치 기간이 18개월 경과 후 24개월 미만 사이에 불량이 발생한 경우에는 우수하다고 판단하여 ◎표, 방치 기간이 24개월 경과 후에도 불량이 전혀 발생하지 않으면 특히 우수하다고 판단하여 ☆표로 표기하였다.
볼의 찌그러짐 형상의 평가는, Si 기판에 두께 1.0㎛의 Al막을 성막한 전극에, 시판 중인 와이어 본더를 사용하여 볼 접합을 행하고, 바로 위에서 광학 현미경으로 관찰하였다. 볼의 찌그러짐 형상의 판정은, 찌그러짐 형상이 원형에 가까운 것이면 양호로 판정하고, 타원형이나 꽃잎형의 형상이면 불량으로 판정하였다. 100개소의 볼 접합부를 광학 현미경으로 관찰하여, 불량이 5개 이상 있으면 실용상 문제가 있다고 판단하여 △표, 불량이 1 내지 4개이면 실용상 문제가 없다고 판단하여 ○표, 불량이 전혀 발생하지 않으면 특히 우수하다고 판단하여 ◎표로 표기하였다.
웨지 접합성의 평가는, Ag 도금을 실시한 일반적인 금속 프레임을 사용하여, 시판 중인 와이어 본더를 사용하여 웨지 접합을 행하고, 웨지 접합부를 관찰함으로써 행하였다. 접합 조건은 일반적으로 이용되는 접합 조건을 사용하였다. 50개의 웨지 접합부를 광학 현미경으로 관찰하여, 접합부에 있어서 본딩 와이어의 박리가 5개 이상 있으면 실용상 문제가 있다고 판단하여 △표, 박리가 3 내지 4개이면 실용상 문제가 없다고 판단하여 ○표, 박리가 1 내지 2개이면 우수하다고 판단하여 ◎표, 불량이 전혀 발생하지 않으면 특히 우수하다고 판단하여 ☆표로 표기하였다.
본딩 와이어의 조출 성능의 평가는, 일반적인 접합 조건에서 접합을 행한 후, 루프 부분의 본딩 와이어를 주사형 현미경으로 관찰하여 직경을 측정하고, 접합 전의 본딩 와이어에 대한 직경의 감소율을 구함으로써 행하였다. 감소율이 80% 이하이면 불량으로 판정하였다. 30개의 본딩 와이어를 관찰하여, 불량이 5개 이상 있으면 실용상 문제가 있다고 판단하여 △표, 불량이 3 내지 4개이면 실용상 문제가 없다고 판단하여 ○표, 불량이 1 내지 2개이면 우수하다고 판단하여 ◎표, 불량이 전혀 발생하지 않으면 특히 우수하다고 판단하여 ☆표로 표기하였다.
캐필러리의 사용 수명은, 사용 전후에 캐필러리의 선단부의 구멍을 관찰하여, 캐필러리의 선단부의 구멍의 마모량에 의하여 평가하였다. 접합 조건은 일반적인 조건으로 하고, 본딩 와이어를 3000회 접합한 후의 캐필러리를 관찰하여, 마모가 없으면 실용상 문제없다고 판단하여 ○표, 10000회 접합 후의 캐필러리를 관찰하여, 마모가 없으면 우수하다고 판단하여 ◎표로 표기하였다.
표 1-1 내지 표 1-10은, 본 발명에 관한 본딩 와이어의 조성 등의 특징과 각각의 본딩 와이어의 각 평가 결과를 기재한 실시예를 나타내고 있다. 표 2-1 및 표 2-2는 비교예를 나타내고 있다.
청구항 1에 관한 본딩 와이어는 No. 1 내지 188이며, 고밀도 실장에서 요구되는 접합 신뢰성과 스프링 성능, 칩 손상 성능을 만족시킬 수 있음을 확인하였다. 이에 대하여, 비교예의 No. 1 내지 7에 나타낸 바와 같이, In, Ga, Cd의 농도가 상기 범위 외인 경우에는 충분한 효과가 얻어지지 않음을 확인하였다. 청구항 2에 관한 본딩 와이어는 No. 31 내지 94, 123 내지 127, 131 내지 135, 140 내지 144, 148 내지 152, 156 내지 160, 164 내지 168, 173 내지 177, 180, 182이며, 본딩 와이어의 사용 수명의 향상이 도모되는 것을 확인하였다. 청구항 3에 관한 본딩 와이어는 No. 95 내지 127, 134, 135, 143, 144, 151, 152, 159, 160, 167, 168, 176, 177이며, 우수한 볼 찌그러짐 형상이 얻어지는 것을 확인하였다. 청구항 4에 관한 본딩 와이어는 No. 1 내지 127, 136 내지 180이며, 양호한 웨지 접합성이 얻어지는 것을 확인하였다. 청구항 5에 관한 본딩 와이어는 No. 1 내지 135, 137 내지 168, 170 내지 188이며, 우수한 와이어 조출 성능이 얻어지는 것을 확인하였다. 청구항 6에 관한 본딩 와이어는 No. 170 내지 188이며, 더 우수한 웨지 접합성이 얻어지는 것을 확인하였다. 청구항 7에 관한 본딩 와이어는 No. 182 내지 188이며, 우수한 캐필러리의 사용 수명이 얻어지는 것을 확인하였다.
[표 1-1]
Figure pct00001
[표 1-2]
Figure pct00002
[표 1-3]
Figure pct00003
[표 1-4]
Figure pct00004
[표 1-5]
Figure pct00005
[표 1-6]
Figure pct00006
[표 1-7]
Figure pct00007
[표 1-8]
Figure pct00008
[표 1-9]
Figure pct00009
[표 1-10]
Figure pct00010
[표 2-1]
Figure pct00011
[표 2-2]
Figure pct00012

Claims (7)

  1. In, Ga, Cd 중 1종 이상을 총계로 0.05 내지 5at.% 포함하고, 잔부가 Ag 및 불가피 불순물을 포함하는 것을 특징으로 하는, 반도체 장치용 본딩 와이어.
  2. 제1항에 있어서,
    Ni, Cu, Rh, Pd, Pt, Au 중 1종 이상을 총계로 0.01 내지 5at.% 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 반도체 장치용 본딩 와이어.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    Be, B, P, Ca, Y, La, Ce 중 1종 이상을 총계로 10 내지 300at.ppm 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 반도체 장치용 본딩 와이어.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    본딩 와이어 표면부의 In, Ga, Cd의 총계 at.%가, 상기 본딩 와이어 내부의 상기 총계 at.%의 2배 이상인 것을 특징으로 하는, 반도체 장치용 본딩 와이어.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    와이어 축에 수직 방향의 단면에 있어서의 평균 결정립 직경이 0.2 내지 3.5㎛인 것을 특징으로 하는, 반도체 장치용 본딩 와이어.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 본딩 와이어의 와이어 축을 포함하는 와이어 축에 평행인 단면의 결정 방위를 측정했을 때의 측정 결과에 있어서, 상기 본딩 와이어의 길이 방향에 대하여 각도 차가 15° 이하인 결정 방위 <100>의 존재 비율이 면적률로 30% 이상 100% 이하인 것을 특징으로 하는, 반도체 장치용 본딩 와이어.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 본딩 와이어의 최표면으로부터 깊이 방향에 대하여 0 내지 1㎚의 영역에서의 금속 원소의 총계에 대한, In, Ga, Cd 중에서 선택된 적어도 1개 이상의 원소의 평균 총계 at.%가, 상기 본딩 와이어의 최표면으로부터 깊이 방향에 대하여 1 내지 10㎚의 영역에서의 해당 평균 총계 at.%의 1.2배 이상인 것을 특징으로 하는, 반도체 장치용 본딩 와이어.
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