KR20190111988A

KR20190111988A - 반도체 장치용 본딩 와이어

Info

Publication number: KR20190111988A
Application number: KR1020197023322A
Authority: KR
Inventors: 데츠야 오야마다; 도모히로 우노; 다카시 야마다; 다이조 오다; 모토키 에토
Original assignee: 닛테츠 케미컬 앤드 머티리얼 가부시키가이샤; 닛데쓰마이크로메탈가부시키가이샤
Priority date: 2017-02-22
Filing date: 2018-02-14
Publication date: 2019-10-02
Also published as: WO2018155283A1; SG11201811428WA; US20190326246A1; KR20190003796A; KR102011619B1; DE112018000061B4; KR102312145B1; DE112018000061T5; PH12018502681B1; JP2018190995A; US10950571B2; PH12018502681A1; CN109564881A

Abstract

볼 접합부의 Cu-Al IMC의 형성률을 향상시킴으로써, 최첨단의 고밀도 LSI, 차량 탑재 LSI에 적합한 반도체 장치용 본딩 와이어를 제공한다. Pt를 0.1질량% 이상 1.3질량% 이하 함유하고, 또한 In, Ga, Ge의 제1 첨가 원소 군에서 선택되는 적어도 1종을 총계로 0.05질량% 이상 1.25질량% 이하 함유하고, 잔부가 Cu와 불가피 불순물로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

Description

반도체 장치용 본딩 와이어{SEMICONDUCTOR-DEVICE BONDING WIRE}

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 리드 사이를 접합하는 반도체 장치용 본딩 와이어(이하, 본딩 와이어)로서, 선 직경 15 내지 50㎛ 정도의 세선이 주로 사용되고 있다. 반도체 장치의 전극에 대한 본딩 와이어의 접합 방법은 초음파 병용 열 압착 방식이 일반적이며, 범용 본딩 장치, 본딩 와이어를 그 내부에 통과시켜 접속에 사용하는 캐필러리 지그 등이 사용된다. 본딩 와이어의 접합 프로세스는, 와이어 선단을 아크 입열로 가열 용융시켜 표면 장력에 의하여 볼(FAB: Free Air Ball)을 형성한 후에, 150 내지 300℃의 범위 내에서 가열한 반도체 소자의 전극 상에 이 볼부를 압착 접합(이하, 볼 접합)하고, 다음으로 루프를 형성한 후, 외부 리드측의 전극에 와이어부를 압착 접합(이하, 웨지 접합)함으로써 완료된다. 본딩 와이어의 접합 상대인 반도체 소자 상의 전극에는, Si 기판 상에 Al을 주체로 하는 합금을 성막한 전극 구조, 외부 리드측의 전극에는, Ag 도금이나 Pd 도금을 실시한 전극 구조 등이 이용된다.

본딩 와이어의 재료는 금(Au)이나 구리(Cu)가 주로 사용되고 있다. 그 중에서도 Cu는, Au에 비하여 전기 전도율이 높고 저렴하다는 이점을 갖는 점에서 다양한 패키지에 적용되고 있다. Cu를 사용한 본딩 와이어는, Cu의 표면에 Pd나 Au 등의 피복층을 갖는 것(이하, 복층 Cu 와이어)과 피복층을 갖지 않는 것(이하, 단상 Cu 와이어)으로 크게 구별된다. 일반적으로 성능면에 있어서는, 복층 Cu 와이어 쪽이 단상 Cu 와이어에 비하여 우수한 점이 많다. 이는, 피복층을 가짐으로써 본딩 와이어 표면의 내산화성이 향상되어 볼 형성성, 웨지 접합성이 향상되기 때문이다. 한편, 가격면에 있어서는, 단상 Cu 와이어는 복층 Cu 와이어에 비하여 우수하다. 이는, 제조 공정에 있어서 피복층을 형성할 필요가 없기 때문에 복층 Cu 와이어에 비하여 제조 비용이 낮기 때문이다. 최근에는 본딩 와이어의 저가격화에 대한 요구가 높아지고 있어서 단상 Cu 와이어가 주목받기 시작하고 있다.

예를 들어 특허문헌 1에는, Sn, Zn, Zr, Ag, Cr 및 Fe로부터 선택된 1종 혹은 2종 이상의 원소를 0.001중량% 이상 0.1중량% 미만 함유하고, 또한 Mg, Ca, 희토류 원소, Ti, Hf, V, Nb, Ta, Ni, Pd, Pt, Au, Cd, B, In, Si, Ge, Pb, P, Sb, Bi, Se 및 Te로부터 선택된 1종 혹은 2종 이상의 원소를 0.001 내지 2중량% 함유하고, 잔부가 실질적으로 구리인 것을 특징으로 하는 본딩 와이어가 개시되어 있다.

또한 특허문헌 2에는, In, B, Bi, Ge 및 Si로부터 선택된 1종 혹은 2종 이상의 원소를 20 내지 360ppm 함유하고, 또한 As, Zn, K, Sr, Mg, Ca 및 Tl로부터 선택된 1종 혹은 2종 이상의 원소를 10 내지 650ppm, 또는 Sb, P, Li, Sn, Pb 및 Cd로부터 선택된 1종 혹은 2종 이상의 원소를 25 내지 250ppm 함유하고, 잔부가 Cu로 이루어지는 와이어재가 개시되어 있다.

지금까지 단상 Cu 와이어는, 파워 디바이스 용도용 등의 굵은 직경이 주류였다. 근년에는, 본딩 와이어의 접합에 사용하는 접합 장치의 고기능화나 고정밀도화에 따라 그 적용 범위는 확대되고 있다. 특히 와이어의 실장 수가 많아 저비용화의 장점을 향수할 수 있는 고밀도 LSI나, 가혹한 요구 성능이 요망되는 최첨단의 차량 탑재 LSI로의 적용이 기대되고 있다. 이들 최첨단의 디바이스용 본딩 와이어에서는 가는 직경이 주류이며, 통상보다도 작은 볼을 형성하여 접합(이하, 소(小)볼 접합)을 행한다. 소볼 접합에서는, 통상의 볼 접합에서는 문제로 되지 않는 새로운 과제가 발생하기 때문에, 단상 Cu 와이어 개발에 있어서 그 대응이 요구되고 있다.

일본 특허 공개 평7-70674호 공보 일본 특허 공개 평6-168975호 공보

소볼 접합에 있어서의 새로운 과제로서, 볼 접합부에 있어서의 Cu 본딩 와이어와 Al 합금 전극의 접합 계면에 형성되는 Cu와 Al의 금속 간 화합물(Cu-Al Intermetallic Compound: Cu-Al IMC)의 형성률이 낮은 것을 들 수 있다. 소볼 접합에서는 볼의 곡률이 커서, 초음파나 하중에 의한 에너지를 볼 접합 계면에 균일하게 전달하기 어렵기 때문에 Cu-Al IMC의 형성률이 낮아진다. 이것에 의하여, 볼 접합 시에 볼이 Al 전극으로부터 박리되는 현상(이하, 부착 불량), 반도체 패키지를 피복할 수지를 흘려 넣을 때에 볼이 박리되는 현상(이하, 볼 박리), 고온 환경에 있어서의 볼 접합부의 접합 강도 수명(이하, 장기 신뢰성)이 저하되는 현상 등, 본딩 와이어의 성능 저하로 이어지고 있었다.

특허문헌 1에는, 볼 접합부의 접합 강도 개선에 대한 효과가 기술되어 있다. 특허문헌 2에는, 온도 사이클 시험에 있어서의 볼 접합부의 박리에 대한 개선 효과가 기술되어 있다. 이와 같은 기술(技術)은 소볼 접합에 있어서의 성능 개선에 유효하다고 생각되었지만, 소볼 접합을 행한 경우에는 충분한 개선 효과는 얻어지지 않았다. 불량 발생 원인의 해석을 행한 결과, 어느 경우에도, Cu-Al IMC가 형성되어 있지 않은 영역이 균열이나 박리의 기점으로 되어 성능이 저하되고 있었다. 또한 볼 접합부의 접합 강도가 양호하더라도 소볼 접합의 경우에는, 접합 계면에 Cu-Al IMC가 형성되어 있지 않은 영역이 많이 존재하고 있어 Cu-Al IMC의 형성률은 낮았다. 이와 같이 소볼 접합에 있어서의 성능 저하는, 볼 접합부에 있어서 Cu-Al IMC의 형성률이 낮았던 것이 원인이었다.

이상으로부터 본 발명자들은, 단상 Cu 와이어를 최첨단의 고밀도 LSI나 차량 탑재 LSI에 적용하기 위해서는, 볼 접합부에 있어서의 Cu-Al IMC의 형성률을 개선할 기술이 필요하다고 생각하였다.

볼 접합에서는, 볼의 재료인 Cu와 Al 합금 전극의 계면에 있어서 Cu와 Al이 상호 확산됨으로써 Cu-Al IMC가 성장한다. 그 때문에, 볼 접합부 전체에 걸쳐 Cu-Al IMC를 형성하기 위해서는, 볼 접합부 전체에서 Cu와 Al을 상호 확산시키는 것이 중요해진다. Cu와 Al의 상호 확산을 저해하는 인자의 하나가, Al 합금 전극의 표면에 존재하는 Al 산화물이다. Al 산화물 중에서는 Cu 및 Al의 확산이 현저히 느리기 때문에, Al 산화물이 존재하는 영역에서는 Cu와 Al의 상호 확산이 저해된다. Cu-Al IMC를 성장시키기 위해서는, 볼 접합 시에 볼에 인가되는 초음파와 하중에 의하여 Al 산화물을 효율적으로 파괴하여 Al의 신생면을 노출시키는 것이 중요해진다.

볼 접합 시에 Al 산화물을 효율적으로 파괴하기 위해서는, 볼의 경도를 증가시키는 것이 유효하다. 단, 볼 경도가 지나치게 높으면, Al 전극이 과잉으로 변형되어 볼 접합부의 주위로 쓸려나가는 Al 스플래시라 칭해지는 불량이나, Si 칩에 대한 대미지가 문제로 된다. 따라서, Al 산화물을 효율적으로 파괴하고, 또한 Al 스플래시나 Si 칩에 대한 대미지가 발생하지 않도록, 적정한 경도로 제어할 필요가 있었다. 또한 첨가 원소의 종류나 농도, 조합에 따라서는, Cu-Al 접합 계면의 확산을 저해하여 Cu-Al IMC의 형성률이 저하된다.

그래서 본 발명자들은, 볼 경도 증가에 대한 개선 효과를 얻으면서 Cu-Al 접합 계면의 확산을 저해하지 않도록, 첨가 원소의 종류, 농도, 조합 등의 조성의 적정화를 시도하였다. 조성을 적정화하는 데에 있어서, 볼 형성성이나 웨지 접합성 등의 기본 성능이 저하되지 않도록 배려하였다.

본 발명은, 볼 접합부의 Cu-Al IMC의 형성률을 향상시킴으로써, 최첨단의 고밀도 LSI, 차량 탑재 LSI에 적합한 반도체 장치용 본딩 와이어를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명자들은 상기 과제를 감안하여 검토한 결과, 볼 접합부의 Cu-Al IMC의 형성률을 개선하기 위해서는, Cu 중에 Pt를 소정량 함유하는 것에 추가하여, In, Ga, Ge 중 적어도 1종을 적정량 함유하는 것에 의하여 달성할 수 있음을 알아내어, 본 발명을 이루기에 이르렀다.

본 발명에 따른 본딩 와이어는, Pt를 0.1질량% 이상 1.3질량% 이하 함유하고, 또한 In, Ga, Ge의 제1 첨가 원소 군에서 선택되는 적어도 1종을 총계로 0.05질량% 이상 1.25질량% 이하 함유하고, 잔부가 Cu와 불가피 불순물로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 본딩 와이어는, Pt를 0.1질량% 이상 1.3질량% 이하 함유하고, 또한 In, Ga, Ge의 제1 첨가 원소 군에서 선택되는 적어도 1종을 총계로 0.05질량% 이상 1.25질량% 이하 함유함으로써, 볼 접합부의 Cu-Al IMC의 형성률을 향상시킬 수 있다.

본 실시 형태의 본딩 와이어는, Pt를 0.1질량% 이상 1.3질량% 이하 함유하고, 또한 In, Ga, Ge의 제1 첨가 원소 군에서 선택되는 적어도 1종을 총계로 0.05질량% 이상 1.25질량% 이하 함유하고, 잔부가 Cu와 불가피 불순물로 이루어지는 것을 특징으로 한다. 본 실시 형태의 본딩 와이어는 볼 접합부의 Cu-Al IMC의 형성률을 향상시킬 수 있다.

(볼 접합부의 Cu-Al IMC의 형성률에 대하여)

본 명세서에 있어서, 볼 접합부의 Cu-Al IMC의 형성률은, 볼 접합부의 접합 면적에서 차지하는 Cu-Al IMC의 형성 면적의 비율로 정의한다. 볼 접합부의 접합 면적 및 Cu-Al IMC의 형성 면적의 측정 방법에 대하여 설명한다. 먼저, 시료 준비로서, 본딩 와이어의 볼 접합을 행한 후, 175℃에서 3시간의 열처리를 행한다. 이는, Cu-Al IMC의 성장을 촉진시켜 그 후의 관찰을 행하기 쉽게 하기 위함이다. 다음으로, 산 처리에 의하여 볼 부분만을 용해시켜 Al 전극 및 Cu-Al IMC를 노출시킨다. 그 후, 볼을 제거한 후의 Al 전극을 관찰하여 볼 접합부의 접합 면적과 Cu-Al IMC의 형성 면적을 측정한다. 볼 접합부의 접합 면적은, 볼 접합에 의하여 Al 전극이 변형된 영역의 면적으로 한다. Cu-Al IMC의 형성 면적은, 볼 제거 후의 Al 전극 상에 Cu-Al IMC가 존재하는 영역의 면적으로 한다.

(Cu-Al IMC의 형성률의 개선 효과)

발명자들은, Pt를 0.1질량% 이상 1.3질량% 이하 함유하고, 또한 제1 첨가 원소 군에서 선택되는 적어도 1종을 총계로 0.05질량% 이상 1.25질량% 이하 함유함으로써, 소볼 접합 시의 Cu-Al IMC의 형성률이 향상되는 것을 알아내었다. 구체적으로는, 본 실시 형태의 본딩 와이어를 사용하면 소볼 접합 시의 Cu-Al IMC의 형성률을 80% 이상으로 향상시킬 수 있었다. 또한 Al 스플래시나 Si 칩의 대미지도 발생하고 있지 않았다. 본 실시 형태의 본딩 와이어를 사용하여 형성한 볼의 경도를, 비커스 경도계 및 미소 압축 시험기를 이용하여 측정한 결과, 모두 경도가 상승해 있음을 확인하였다. 볼 단면의 결정 조직을 에칭에 의하여 현출시키고 광학 현미경을 사용하여 관찰한 결과, 볼을 구성하는 결정립이 미세화되어 있음을 확인하였다. 본 실시 형태의 본딩 와이어는, Pt와, 제1 첨가 원소 군에서 선택되는 적어도 1종 이상을 복합 첨가함으로써, 결정립 미세화의 효과가 상승(相乘)적으로 높아져 볼의 경도가 상승한 것으로 생각된다. 그 결과, 볼 접합 시의 Al 합금 전극 상의 Al 산화물의 파괴가 촉진되어 Cu-Al IMC의 형성률이 개선되었다고 추정된다.

Pt의 농도 0.3질량% 이상 1.0질량% 이하 함유하고, 또한 제1 첨가 원소 군에서 선택되는 적어도 1종을 총계로 0.05질량% 이상 1.25질량% 이하 함유하는 경우, 또는 Pt를 0.1질량% 이상 1.3질량% 이하 함유하고, 또한 제1 첨가 원소 군에서 선택되는 적어도 1종 농도 0.10질량% 이상 0.75질량% 이하 함유하는 경우, Cu-Al IMC의 형성률이 보다 향상되므로 바람직하다.

Pt의 농도 0.3질량% 이상 1.0질량% 이하 함유하고, 또한 제1 첨가 원소 군에서 선택되는 적어도 1종의 농도 0.10질량% 이상 0.75질량% 이하 함유하는 경우, Cu-Al IMC의 형성률이 더욱 향상되므로 보다 바람직하다.

또한 Pt를 단독으로 함유한 경우나, 제1 첨가 원소 군에서 선택되는 적어도 1종 이상의 원소만을 함유한 경우에는, Cu-Al IMC의 형성률이 불충분하여 실용상 문제가 있음이 확인되었다. 볼의 결정 조직을 관찰한 결과, 볼을 구성하는 결정립은 비교적 조대하여, 결정립 미세화의 효과가 충분히 발현되고 있지 않음을 알 수 있었다. 이 관점에서, Pt의 단독 첨가 또는 제1 첨가 원소 군만의 첨가로는, 결정립 미세화의 효과가 충분히 발현되지 않았기 때문에 볼 경도의 개선 효과가 불충분했던 것으로 생각된다.

본딩 와이어가 Pt를 함유하고, 또한 제1 첨가 원소 군에서 선택되는 적어도 1종을 함유하는 경우에 있어서도, Pt의 농도가 0.1질량% 미만, 또는 제1 첨가 원소 군에서 선택되는 적어도 1종의 농도가 0.05질량% 미만인 경우에는 Cu-Al IMC의 형성률이 낮았다. 이는, Pt 및 제1 첨가 원소 군의 농도가 낮아 볼 경도의 개선 효과가 불충분했기 때문으로 생각된다.

또한 Pt를 1.3질량% 보다도 많이 함유하는 경우나, 제1 첨가 원소 군에서 선택되는 적어도 1종 이상을 총계로 1.25질량% 보다도 많이 함유하는 경우에도 양호한 Cu-Al IMC의 형성률이 얻어지지 않았다. 복수의 볼 접합부의 상태를 광학 현미경으로 관찰한 바, 볼이 와이어의 중심으로부터 어긋나게 접합되어 있는 것이 다수 보였다. 이는, 볼을 형성한 단계에서 볼이 와이어의 중심으로부터 어긋나 버렸기 때문으로 추정된다. 이와 같은 현상이 발생한 원인은, Pt나 제1 첨가 원소 군에서 선택되는 적어도 1종 이상의 농도가 높아짐으로써, 와이어 표면의 저항 등이 변화되어 아크 방전이 불안정해졌기 때문으로 추정된다.

(볼 접합 시의 볼 압착 형상의 진원화, Cu-Al IMC의 중공의 억제 효과)

본 실시 형태의 본딩 와이어는, 또한 B, P, Ca, La, Ce의 제2 첨가 원소 군에서 선택되는 적어도 1종 이상의 원소를 총계로 0.0005질량% 이상 0.0100질량% 이하 함유하는 것이 바람직하다. 이것에 의하여, 최선단의 협피치 접속에 요구되는, 소볼 접합에 있어서의 볼 압착 형상의 진원성을 향상시키고, 또한 볼 접합부의 볼 중심부 바로 아래 근방에 있어서의 Cu-Al IMC의 형성률(이하, 볼 바로 아래의 Cu-Al IMC의 형성률)을 개선할 수 있다. 구체적으로는, φ20㎛의 와이어에 있어서, 와이어 선 직경의 약 1.4배의 볼을 사용한 소볼 접합에 있어서, 볼 압착 형상의 진원성이 개선되어 45㎛ 이하의 협피치 접속에도 적응할 수 있음을 확인하였다. 또한 볼 바로 아래의 Cu-Al IMC의 형성률이 향상됨에 따라, Cu-Al IMC의 형성률 개선 효과를 더욱 높일 수 있음을 확인하였다. 볼 단면의 조직을 관찰한 결과, 볼의 결정립이 보다 미세화되어 있음을 확인하였다. 본 실시 형태의 본딩 와이어는, Pt와 제1 첨가 원소 군의 결정립 미세화의 효과가, 제2 첨가 원소 군의 첨가에 의하여 상승(相乘)적으로 높아짐으로써, 볼의 과잉 변형이나 동일 볼 내의 변형의 변동이 억제되었다고 생각된다.

(스프링 성능의 개선 효과)

본 실시 형태의 본딩 와이어는, 또한 본딩 와이어의 긴 쪽 방향의 단면에 있어서의 결정 방위가, 상기 본딩 와이어의 긴 쪽 방향에 대하여 각도 차가 15도 이하인 결정 방위 <100>의 존재 비율이 면적률로 50 내지 100%인 것이 바람직하다. 이것에 의하여, 역본딩이라 칭해지는 접합 방법을 이용했을 때의, 스프링 불량이라 칭해지는 루프의 형상 불량을 억제하는 효과도 얻어진다. 역본딩은, 웨지 접합용의 전극에 볼 접합을 행하고 볼 접합용의 전극에 웨지 접합을 행함으로써, 루프 높이를 억제하여 칩의 박형화를 실현하는 기술이다. 스프링 불량이란, 볼 접합한 후에 볼 바로 위에서 본딩 와이어를 절단할 때에 본딩 와이어에 큰 충격이 가해짐으로써, 본딩 와이어가 스프링 형상으로 변형되어 루프의 직진성이 상실되는 현상이다. 스프링 불량에 대하여, 와이어 강도를 개선하는 효과와 와이어 긴 쪽 방향의 강도의 변동을 저감시키는 효과를 이용함으로써, 우수한 개선 효과가 얻어진다. 와이어 강도의 개선에 대해서는, Pt, 제1 첨가 원소 군, 제2 첨가 원소 군의 첨가에 의한 개선 효과, 와이어의 긴 쪽 방향의 강도의 변동에 대해서는, 결정 방위 제어에 의한 개선 효과의 기여가 크다고 생각된다. 또한 마찬가지의 이유에서, 본딩된 본딩 와이어가, 밀봉 전에 인접하는 본딩 와이어의 방향으로 쓰러지는, 리닝 불량이라 칭해지는 루프 형상 불량의 억제에도 유효하다.

(웨지 접합 강도의 개선 효과)

본 실시 형태의 본딩 와이어는, 또한 인장 시험에 있어서의 파단 신장이 8% 이상 15.5% 이하인 것이 바람직하고, 11% 이상 14% 이하인 것이 보다 바람직하다. 고밀도 LSI의 접속에서는, 와이어 선 직경이 가늘어지기 때문에 웨지 접합부의 접합에 기여하는 면적이 작아, 통상의 접합과 동등한 접합 강도를 얻는 것이 곤란해진다. 이 과제에 대하여, 파단 신장을 제어함으로써 접합 면적이 증가하는 효과와, Pt와 제1 첨가 원소 군의 원소의 첨가에 의하여 와이어를 고강도화하여, 접합 면적이 증가되더라도 와이어가 파단되기 어려워지는 효과를 병용함으로써, 웨지 접합부에 있어서 양호한 접합 강도가 얻어진다. 구체적으로는, φ20㎛의 본 실시 형태의 본딩 와이어를 사용하여, Ag 도금을 실시한 전극에 웨지 접합을 행하고, 접합 강도를 와이어 풀 시험에 의하여 측정한 결과, 4gf 이상의 양호한 접합 강도를 얻을 수 있음을 확인하였다. 파단 신장은, 제조 시의 가공 열처리 등의 조건을 적정화함으로써 제어 가능하다. 본 실시 형태의 본딩 와이어는, 파단 신장의 적정화와, Pt와 제1 첨가 원소 군의 원소의 첨가에 의하여 와이어가 파단되기 어려워지는 효과를 병용함으로써, 우수한 웨지 접합 강도가 얻어졌다고 생각된다.

(열 영향부(넥부)의 내대미지 성능)

본 실시 형태의 본딩 와이어는, 또한 Au, Pd, Ni의 제3 첨가 원소 군에서 선택되는 적어도 1종 이상의 원소를 총계로 0.0005질량% 이상 1.0질량% 이하 함유하는 것이 바람직하다. 고밀도 LSI의 접속에서 이용되는 저루프 접속에서는, 볼 바로 위의, 넥이라 칭해지는 와이어 부분이 큰 굽힘 변형을 받아 손상되는 경우가 있다. 또한 넥부의 특징으로서, 볼 형성 시의 입열의 영향을 받아 결정립이 조대화되어 강도가 저하되기 쉬운 경향이 있다. 따라서 넥부의 강도 저하를 억제하기 위한 재료 설계가 요구되고 있었다. 본 발명자들은, 제3 첨가 원소 군의 원소를 Pt와 제1 첨가 원소 군의 원소와 병용하여 첨가함으로써, 넥부의 강도를 향상시켜 그 손상 억제 효과를 높일 수 있음을 알아내었다. 구체적으로는, 루프 길이가 3㎜, 루프 높이가 80㎛인 루프의 형성 조건에 있어서, 넥부의 손상을 저감시킬 수 있는 효과를 확인하였다.

(본딩 와이어의 제조 방법)

본 실시 형태의 반도체 장치용 본딩 와이어의 제조 방법에 대하여 설명한다.

(용해 방법 1)

먼저, 구리의 순도가 4N 내지 6N(99.99 내지 99.9999질량%)인 고순도 구리를 사용하여, 첨가 원소를 필요한 농도 함유한 구리 합금을 용해에 의하여 제작한다. 용해에는 아크 용해로, 고주파 용해로 등을 이용할 수 있다. 대기 중으로부터의 O₂, H₂ 등의 가스의 혼입을 방지하기 위하여, 진공 분위기, 또는 Ar이나 N₂ 등의 불활성 분위기 중에서 용해를 행하는 것이 바람직하다. 용해 후에는 노 내에서 서랭하여 잉곳(주괴)을 제작한다. 용해에 의하여 제조한 잉곳은, 표면을 산 세정, 알코올 세정을 행하고 건조하는 것이 바람직하다.

(용해 방법 2)

합금화의 방법은, 구리와 고순도의 첨가 성분을 직접 용해시켜 합금화하는 방법과, 구리에 첨가 원소를 3 내지 5질량% 정도 함유하는 모합금을 미리 제작해 두고, 구리와 모합금을 용해시켜 합금화하는 방법 등을 이용할 수 있다. 모합금을 이용하는 방법은, 저농도로 원소 분포를 균일화하는 경우에 유효하다. 본 실시 형태의 첨가 성분에 있어서, Pt, 제1 첨가 원소 군, 제3 첨가 원소 군의 원소를 0.5질량% 이상의 비교적 고농도로 함유시키는 경우에는, 고순도의 첨가 성분을 직접 첨가하는 방법을 이용할 수 있다. Pt, 제1 첨가 원소 군, 제2 첨가 원소 군, 제3 첨가 원소 군의 원소를 저농도로 안정적으로 함유시키기 위해서는, 모합금을 이용하는 방법이 유효하다.

(신선 가공, 열처리의 설명)

제조한 구리 합금의 잉곳은, 먼저 압연이나 단조 가공에 의하여 대직경으로 가공하고, 이어서 신선 가공에 의하여 최종 선 직경까지 가늘게 가공해 간다. 신선 공정에서는, 다이아몬드 코팅된 다이스를 복수 개 세트할 수 있는 연속 신선 장치를 사용한다. 연속 신선 시에는, 다이스의 마모 및 와이어의 표면 흠집의 저감을 목적으로 하여 윤활액을 사용하는 것이 바람직하다. 신선 가공을 행하면, 와이어가 가공 경화되어 다이스 마모가 증가되는 경향이 있는 점에서, 가공의 도중 단계에서 변형 제거를 주목적으로 한 중간 열처리를 행하는 것이 바람직하다. 또한 최종 선 직경에서는, 본딩 와이어를 재결정시켜 파단 신장을 조정하기 위한 최종 열처리를 행한다. 중간 열처리 및 최종 열처리는, 와이어를 연속적으로 소인하면서 행하는 방법을 이용하는 것이 바람직하다. 이 방법을 이용하면, 예를 들어 배치식의 가열로에서 가열하는 경우에 비하여 품질의 변동의 저감이나 높은 생산성을 얻을 수 있기 때문이다. 또한 열처리 시의 본딩 와이어 표면의 산화를 가능한 한 억제할 목적으로 Ar 가스나 N₂ 가스를 흐르게 하면서 행하는 것이 바람직하다. 중간 열처리 시 및 최종 열처리 시의 와이어 이송 속도는, 결정 방위의 제어나 파단 신장을 제어할 목적으로 20 내지 200m/분으로 하는 것이 바람직하다.

(결정 방위의 제어 방법)

또한 신선 시의 와이어 이송 속도와 중간 열처리의 온도를 제어함으로써, 본딩 와이어의 긴 쪽 방향에 대한 각도 차가 15도 이하인 결정 방위 <100>의 존재 비율을 조정할 수 있다. 바람직한 조건으로서, 신선 시의 와이어 이송 속도를 400 내지 600m/분으로 하고, 중간 열처리를 φ110 내지 φ300㎛의 선 직경에서 1회, 중간 열처리의 온도를 400 내지 500℃, 최종 열처리의 온도를 350 내지 550℃, 와이어의 이송 속도를 20 내지 200m/분으로 함으로써, 본딩 와이어의 긴 쪽 방향에 대한 각도 차가 15도 이하인 결정 방위 <100>의 존재 비율이 50% 이상으로 증가된다.

(파단 신장의 제어 방법)

또한 신선 시의 와이어 이송 속도를 470 내지 770m/분으로 함으로써, 신선 가공 시의 본딩 와이어 표면의 변형량을 저감시킬 수 있으며, 파단 신장의 향상에 유효한 등축형 결정립을 갖는 재결정 조직이 얻어지는 경향이 있는 점에서, 최종 열처리 후의 파단 신장을 8 내지 15%, 나아가 11 내지 14%로 조정할 수 있다.

(본딩 와이어에 포함되는 첨가 원소의 종류 및 농도의 분석 방법)

본딩 와이어에 포함되는 원소의 농도 분석에는 ICP 발광 분광 분석 장치 등을 이용할 수 있다. 본딩 와이어의 표면에 산소, 탄소, 황 등의 원소가 흡착되어 있는 경우에는, 해석을 행하기 전에 본딩 와이어의 표면으로부터 1 내지 2㎚의 영역을 스퍼터 등에서 깎고 나서 농도 측정을 행해도 된다. 그 외의 방법으로서, 산세를 이용하는 방법도 유효하다.

(결정 방위의 측정 방법)

본딩 와이어의 단면 영역에 있어서의 결정 방위의 측정에는, 미소부 X선 회절법(μXRD, Micro Area X-ray Diffraction)이나 후방 산란 전자선 회절법(EBSD, Electron Backscattered Diffraction)을 이용할 수 있다. EBSD 측정 데이터의 해석에는 전용 소프트웨어(TSL 솔루션즈 제조의 OIM analisis 등)가 적합하다. 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 긴 쪽 방향에 대한 각도 차가 15도 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 긴 쪽 방향을 100㎛ 이하, 짧은 쪽 방향을 와이어 전체(와이어 직경)로 한다.

(파단 신장의 측정 방법)

파단 신장은, 본딩 와이어의 인장 시험에 의하여 얻어진 값으로 하였다.

실시예

(샘플 제작에 대하여)

샘플의 제작 방법에 대하여 설명한다. 원재료로 되는 Cu는, 순도가 99.99질량% 이상이고 잔부가 불가피 불순물인 것을 사용하였다. Pt 및 제1 첨가 원소 군 내지 제3 첨가 원소 군은, 순도가 99질량% 이상이고 잔부가 불가피 불순물인 것을 사용하였다. 와이어의 조성이 목적으로 하는 것으로 되도록, 첨가 원소인 Pt, 제1 첨가 원소 군, 제2 첨가 원소 군, 제3 첨가 원소 군의 합금 원소를 적절히 합금화하였다. Pt, 제1 첨가 원소 군, 제3 첨가 원소 군의 원소의 목적 농도가 0.5질량% 이상인 경우에는, 단체의 원소를 용해시켜 합금화하였다. Pt, 제1 첨가 원소 군, 제2 첨가 원소 군, 제3 첨가 원소 군의 목적 농도가 0.5질량% 미만인 경우에는, 구리에 첨가 원소를 목적 농도가 되도록 첨가한 모합금을 사용하여 합금화하였다.

구리 합금의 용해에는 고주파 용해로를 사용하였다. 용해 시의 분위기는 Ar 분위기로 하였다. 용해로 제조한 잉곳의 형상은, 직경이 수 ㎜인 원기둥 형상으로 하였다. 얻어진 잉곳에 대하여, 표면의 산화막을 제거하기 위하여 황산, 염산 등에 의한 산세 처리를 행하였다. 그 후, 잉곳에 대하여, 다이스를 사용한 인발 가공을 행하여 φ 0.3 내지 1.4㎜의 중간 선 직경의 와이어를 제작하였다. 신선 시의 와이어의 이송 속도는 10 내지 770m/분으로 하였다. 윤활액은 시판 중인 것을 사용하였다. 이때, 다이스의 감면율은 12 내지 24%로 하였다. 계속해서, φ110 내지 φ300㎛의 선 직경에서 중간 열처리를 1회 행하였다. 중간 열처리의 온도는 200 내지 600℃로 하였다. 신선 가공 후에는, 최종적으로 목적으로 하는 파단 신장이 얻어지도록 최종 열처리를 행하였다. 중간 열처리 및 최종 열처리는, 350 내지 550℃의 온도에서 와이어를 20 내지 200m/분의 이송 속도로 연속적으로 소인하면서 행하였다. 열처리 시에는, 산화를 방지할 목적으로 N₂ 또는 Ar 가스를 1 내지 2L/min의 유량으로 흘렸다. 제작한 시료의 구성은, 표 1-1, 1-2, 1-3 및 표 3에 나타낸 바와 같다.

(평가 방법)

와이어에 포함되는 각 첨가 원소의 농도에 대해서는, ICP 분석 장치를 이용하여 분석하였다.

본딩 와이어의 긴 쪽 방향에 대한 각도 차가 15도 이하인 결정 방위 <100>의 존재 비율은, EBSD를 이용한 결정 방위의 측정 영역의 면적에 대하여, 상기 결정 방위 <100>을 갖는 영역이 차지하는 면적의 비율을 산출함으로써 구하였다. 상기 측정 영역은, 와이어 축을 포함하는, 와이어 축에 평행인 단면이며, 와이어의 긴 쪽 방향을 100㎛ 이하, 짧은 쪽 방향을 와이어 전체(와이어 직경)와 동일한 길이로 하였다.

(소볼 접합에 있어서의 Cu-Al IMC의 형성률의 평가)

소볼 접합에 있어서의 Cu-Al IMC의 형성률의 평가에는, 본딩 와이어를 접합한 후에 175℃-3시간의 열처리를 행하고, 산 처리에 의하여 볼을 제거한 샘플을 사용하였다. 접합 장치 및 캐필러리는 범용품을 사용하였다. 접합 상대의 전극으로는, Si 기판에 두께 0.8㎛의 Al-1.0원자% Si-0.5 원자% Cu의 합금을 성막한 전극을 사용하였다. 볼의 크기는, 와이어 선 직경(φ20㎛)의 약 1.4배로 되는 φ 27.5 내지 28.5㎛의 범위로 하였다. 볼은, N₂-4 내지 5체적% H₂의 혼합 가스를 분사하면서 형성하였다. 가스 유량은 0.45 내지 0.50L/min으로 하였다. 또한 Cu-Al IMC가 형성되어 있는 영역은, 전극 재료와의 콘트라스트의 차이로부터 판정하였다. Cu-Al IMC는 전극 재료에 비하여 반사율이 낮기 때문에, 광학 현미경으로 촬영한 화상 상에서는 어둡게 표시된다. 이 원리를 이용하여, Cu-Al IMC의 면적은, 광학 현미경에 의하여 촬영한 화상을 화상 처리 소프트웨어를 이용하여 2치화하고, 상대적으로 밝기가 어두운 영역만을 추출하여 면적을 산출하였다. 모든 영역을, SEM(Scanning electron microscopy)에 구비된 EDS(Energy dispersive spectroscopy)에 의하여 원소 분석을 행하여, 각각 착오가 없는 것을 사전에 확인하였다. 평가에 이용한 Cu-Al IMC의 형성률의 값은, 무작위로 선택한 100개소의 볼 접합부의 측정값의 평균값으로 하였다. 상기 평가에 있어서, Cu-Al IMC의 형성률이 80% 미만이면 실용상 문제가 있다고 판단하여 0점, 80% 이상 90% 미만이면 실용상 문제없다고 판단하여 1점, 90% 이상 95% 미만이면 우수하다고 판단하여 2점, 95% 이상 100% 이하이면 특히 우수하다고 판단하여 3점으로 하였다. 평가 결과는, 표 2-1, 2-2, 4의 「Cu-Al IMC의 형성률」란에 표기하였다. 0점만이 불합격이고 1점 이상은 합격이다.

(소볼 접합에 있어서의 압착 형상의 진원성 평가)

소볼 접합에 있어서의 볼 접합부의 압착 형상의 평가는, 본딩을 행한 볼 접합부를 바로 위에서 관찰하여, 그 진원성에 의하여 판정하였다. 접합 상대는, Si 기판 상에 두께 1.0㎛의 Al-0.5 원자% Cu의 합금을 성막한 전극을 사용하였다. 볼의 크기는, 와이어 선 직경(φ20㎛)의 약 1.4배로 되는 φ 27.5 내지 28.5㎛의 범위로 하였다. 볼은, N₂-4 내지 5체적% H₂의 혼합 가스를 분사하면서 형성하였다. 가스 유량은 0.45 내지 0.50L/min으로 하였다. 볼 압착 형상의 관찰은, 광학 현미경을 사용하여, 무작위로 선택한 150개소를 관찰하였다. 진원으로부터의 벗어남이 큰 타원 형상인 것, 변형에 이방성을 갖는 것은, 볼 접합부의 찌부러짐 형상이 불량하다고 판단하였다. 상기 평가에 있어서, 불량이 3개 이상 발생한 경우에는 실용상 문제가 있다고 판단하여 0점, 불량이 1 내지 2개인 경우에는 문제없다고 판단하여 1점, 모두 양호한 진원성이 얻어진 경우에는 특히 우수하다고 판단하여 2점으로 하여, 표 2-1, 2-2, 4의 「소볼 접합에 있어서의 볼 압착 형상의 진원성」란에 표기하였다. 0점만이 불합격이고 1점 이상은 합격이다.

(소볼 접합에 있어서의 볼 바로 아래의 Cu-Al IMC의 형성률의 평가)

소볼 접합에 있어서의 볼 바로 아래의 Cu-Al IMC의 형성률의 평가에는, 본딩 와이어를 접합한 후에 175℃-3시간의 열처리를 행하고, 산 처리에 의하여 볼을 제거한 샘플을 사용하였다. Cu-Al IMC의 형성 영역의 판정에는, 상술한 광학 현미경에 의하여 촬영한 화상을 화상 처리 소프트웨어를 이용하여 2치화하고, 상대적으로 밝기가 어두운 부분만을 추출하는 방법을 이용하였다. 중공 발생률은, 볼 접합부의 중심 근방의 φ15㎛의 원형 영역에 있어서 Cu-Al IMC가 차지하는 면적률로 하였다. 볼 바로 아래의 Cu-Al IMC의 형성률의 값은, 무작위로 선택한 100개소의 볼 접합부에 있어서의 측정값의 평균값으로 하였다. 볼 바로 아래의 Cu-Al IMC의 형성률이 70% 미만이면 실용상 문제가 있다고 판단하여 0점, 70% 이상 95% 미만의 경우에는 문제없다고 판단하여 1점, 95% 이상의 경우에는 특히 우수하다고 판단하여 2점으로 하여, 표 2-1, 2-2, 4의 「볼 바로 아래의 Cu-Al IMC의 형성률」란에 표기하였다. 0점만이 불합격이고 1점 이상은 합격이다.

(스프링, 리닝의 평가)

스프링 불량의 평가는, 본딩을 행한 샘플을 광학 현미경으로 500개 관찰하여, 루프에 스프링 형상의 구부러짐, 즉, 스프링 불량이 3개 이상 있으면 실용상 문제가 있다고 판단하여 0점이고, 스프링 불량이 1 내지 2개이면 문제없다고 판단하여 1점, 스프링 불량이 1개도 없으면 특히 우수하다고 판단하여 2점으로 하여, 표 2-1, 2-2, 4의 「스프링 성능」란에 표기하였다. 리닝 불량의 평가는, 본딩을 행한 샘플의, 볼 접합부 상의 접합면에 있어서의 수선에 대한 루프의 어긋남(리닝양)을 광학 현미경으로 500개 측정하고, 리닝양의 평균값이 30㎛ 이상이면 실용상 문제가 있다고 판단하여 0점, 20㎛ 이상 30㎛ 미만이면 실용상 문제는 없다고 판단하여 1점이고, 20㎛ 미만이면 극히 양호하다고 판단하여 2점으로 하여, 표 2-1, 2-2, 4의 「리닝 성능」란에 각각 표기하였다. 0점만이 불합격이고 1점 이상은 합격이다.

(웨지 접합성 평가)

일반적인 금속 리드 프레임에 Ag 도금을 실시한 전극에 웨지 접합을 행하고, 무작위로 선택한 10개소의 접합 강도를 와이어 풀 시험에 의하여 측정하였다. 리드 프레임은, 1 내지 3㎛의 Ag 도금을 실시한 Fe-42원자% Ni 합금 리드 프레임을 사용하였다. 본 평가에서는, 통상보다도 가혹한 접합 조건을 상정하여, 스테이지 온도를 일반적인 설정 온도 영역보다도 낮은 165℃로 설정하였다. 10개소의 측정 결과의 평균값을 웨지 접합부의 접합 강도로서 채용하였다. 상기 평가에 있어서, 웨지 접합부의 접합 강도가 3gf 미만이면 실용상 문제가 있다고 판단하여 0점, 3gf 이상이면 실용상 문제없다고 판단하여 1점, 3.5gf 이상이면 양호하다고 판단하여 2점, 4gf 이상이면 우수하다고 판단하여 3점으로 하여, 표 2-1, 2-2, 4의 「웨지 접합성」란에 표기하였다. 0점만이 불합격이고 1점 이상은 합격이다.

(넥부의 내대미지 성능 평가)

넥부의 내대미지 성능 평가는, 넥부의 손상을 SEM에 의하여 관찰하여, 그 손상의 발생 빈도에 따라 판정하였다. 본 평가에서는, 넥부의 손상을 가속 평가하기 위한 루프 형성 조건으로서 루프 길이를 3㎜, 루프 높이를 80㎛로 설정하였다. 무작위로 선택한 100개소의 넥부를 관찰하여, 넥부의 손상이 발생한 개소가 2개소 이상 있으면 실용상 문제가 있다고 판단하여 0점, 1개소이면 실용상 문제없다고 판단하여 1점, 손상이 전혀 발생하지 않으면 우수하다고 판단하여 2점으로 하여, 표 2-1, 2-2, 4의 「넥부의 내대미지 성능」란에 표기하였다.

(평가 결과의 설명)

실시예 No. 1 내지 81은, Pt를 0.1질량% 이상 1.3질량% 이하 함유하고, 또한 In, Ga, Ge의 제1 첨가 원소 군에서 선택되는 적어도 1종을 총계로 0.05질량% 이상 1.25질량% 이하 함유하고, 잔부가 Cu와 불가피 불순물로 이루어지는 본딩 와이어이므로, 실용상 문제없는 Cu-Al IMC의 형성률이었다.

실시예 No. 29 내지 49, 80, 81은, Pt의 농도 0.3질량% 이상 1.0질량% 이하 함유하고, 또한 제1 첨가 원소 군에서 선택되는 적어도 1종을 총계로 0.05질량% 이상 1.25질량% 이하 함유하는 경우, 또는 Pt를 0.1질량% 이상 1.3질량% 이하 함유하고, 또한 제1 첨가 원소 군에서 선택되는 적어도 1종의 농도 0.10질량% 이상 0.75질량% 이하 함유하는 본딩 와이어이므로, 우수한 Cu-Al IMC의 형성률이 얻어졌다.

실시예 41 내지 49는, Pt의 농도 0.3질량% 이상 1.0질량% 이하 함유하고, 또한 제1 첨가 원소 군에서 선택되는 적어도 1종의 농도 0.10질량% 이상 0.75질량% 이하 함유하는 본딩 와이어이므로, 특히 우수한 Cu-Al IMC의 형성률이 얻어졌다.

실시예 50 내지 62, 80, 81은, 또한 B, P, Ca, La, Ce의 제2 첨가 원소 군에서 선택되는 적어도 1종을 총계로 0.0005질량% 이상 0.0100질량% 이하 함유하는 본딩 와이어이므로, 특히 우수한 소볼 접합에 있어서의 볼 접합부의 압착 형상이 얻어지고, 또한 특히 우수한 볼 바로 아래의 Cu-Al IMC의 형성률이 얻어졌다.

실시예 63 내지 67, 80, 81은, 본딩 와이어의 긴 쪽 방향의 단면에 있어서의 결정 방위가, 상기 본딩 와이어의 긴 쪽 방향에 대하여 각도 차가 15도 이하인 결정 방위 <100>의 존재 비율이 면적률로 50% 이상 내지 100% 이하인 본딩 와이어이므로, 스프링 불량 및 리닝 불량의 평가 결과가 극히 양호하였다.

실시예 1 내지 67, 71 내지 76, 78, 79는, 인장 시험에 있어서의 파단 신장이 8% 이상 15.5% 이하인 본딩 와이어이므로, 양호한 웨지 접합부의 접합 강도가 얻어졌다. 또한 실시예 68 내지 70, 80, 81은, 인장 시험에 있어서의 파단 신장이 11% 이상 14% 이하인 본딩 와이어이므로, 우수한 웨지 접합부의 접합 강도가 얻어졌다.

실시예 72 내지 81은, 또한 Au, Pd, Ni의 제3 첨가 원소 군에서 선택되는 적어도 1종을 총계로 0.0005질량% 이상 1.0질량% 이하 함유하는 본딩 와이어이므로, 우수한 넥부의 손상 억제 효과가 얻어졌다.

[표 1-1]

[표 1-2]

[표 1-3]

[표 2-1]

[표 2-2]

[표 3]

[표 4]

Claims

Pt를 0.1질량% 이상 1.3질량% 이하 함유하고, 또한 In, Ga, Ge의 제1 첨가 원소 군에서 선택되는 적어도 1종을 총계로 0.05질량% 이상 1.25질량% 이하 함유하고, 잔부가 Cu와 불가피 불순물로 이루어지는 것을 특징으로 하는, 반도체 장치용 본딩 와이어.