KR20220064974A

KR20220064974A - Al 배선재

Info

Publication number: KR20220064974A
Application number: KR1020227009855A
Authority: KR
Inventors: 유토 구리하라; 료 오이시; 모토키 에토; 다이조 오다; 데츠야 오야마다; 유야 스토; 도모히로 우노
Original assignee: 닛데쓰마이크로메탈가부시키가이샤; 닛테츠 케미컬 앤드 머티리얼 가부시키가이샤
Priority date: 2019-10-01
Filing date: 2020-09-17
Publication date: 2022-05-19
Also published as: US20220341004A1; WO2021065551A1; EP4040448A1; EP4040448A4; CN114467167A; TW202122597A; JPWO2021065551A1

Abstract

제조 시의 수율 저하를 억제하면서, 칩 크랙의 억제와, 열충격 내성을 양립한 Al 배선재를 제공한다. 해당 Al 배선재는, 적어도 Sc와 Zr을 함유하고, Sc의 함유량을 x1[중량％], Zr의 함유량을 x2[중량％]로 했을 때, 0.01≤x1≤0.5, 및 0.01≤x2≤0.3을 충족시키고, 잔부는 Al을 포함한다.

Description

Al 배선재

본 발명은 Al 배선재에 관한 것이다. 나아가, 해당 Al 배선재를 포함하는 반도체 장치에 관한 것이다.

반도체 장치에서는, 반도체 칩 상에 형성된 전극과, 리드 프레임이나 기판 상의 전극 사이를 본딩 와이어나 본딩 리본(이들을 총칭하여 「배선재」라고도 한다.)에 의해 접속하고 있다. 파워 반도체 장치에 있어서는 주로 알루미늄(Al)을 재질로 하는 배선재(이하, 단순히 「Al 배선재」라고도 한다.)가 사용되고 있고, 예를 들어 특허문헌 1에는, 파워 반도체 모듈에 있어서, 300㎛φ의 Al 본딩 와이어를 사용하는 예가 개시되어 있다. 또한, Al 배선재를 사용한 파워 반도체 장치에 있어서, 본딩 방법으로서는, 반도체 칩 상부 전극과의 제1 접속과, 리드 프레임이나 기판 상의 전극과의 제2 접속 모두, 웨지 접합이 사용되고 있다.

Al 배선재를 사용한 파워 반도체 장치는, 에어컨이나 태양광 발전 시스템 등의 대전력 기기, 차량 탑재용의 반도체 장치로서 사용되는 경우가 많다. 이들 반도체 장치에 있어서는, 장치 작동 시에, 배선재의 접합부는 150℃ 이상의 고온에 노출되는 경우도 있다. 배선재로서 고순도의 Al만으로 이루어지는 재료를 사용한 경우, 장치 작동 시의 온도 환경에 있어서 배선재의 연화가 진행되기 쉽기 때문에, 고온 환경에서 사용하는 것이 곤란하였다.

Al에 특정 원소를 첨가한 재료로 이루어지는 Al 배선재가 제안되어 있다. 예를 들어, 특허문헌 2에는, Al에 0.05 내지 1중량％의 스칸듐(Sc)을 첨가하여 석출 경화시킴으로써 기계적 강도가 향상된 Al 본딩 와이어가 개시되어 있다. 특허문헌 3에는, 니켈(Ni), 규소(실리콘)(Si) 및 인(P) 중 1종 이상을 합계로 800중량ppm 이하 함유하는 Al 배선재가 양호한 접합 강도, 내후성을 나타내는 것이 개시되어 있다. 특허문헌 4에는, 0.01 내지 0.2중량％의 철(Fe)과 1 내지 20중량ppm의 Si를 함유하고, Fe의 고용량이 0.01 내지 0.06중량％이고, Fe의 석출량이 고용량의 7배 이하이며, 또한 평균 결정 입경이 6 내지 12㎛인 Al 본딩 와이어가 개시되어 있고, 당해 와이어가 양호한 접합 신뢰성을 나타내는 것이 기재되어 있다.

일본 특허 공개 제2002-314038호 공보 일본 특허 공표 제2016-511529호 공보 일본 특허 공개 제2016-152316호 공보 일본 특허 공개 제2014-129578호 공보

장치의 작동 사이클에 수반되는 온도 변화가 현저한 파워 반도체 장치에 있어서는, 온도 변화에 수반되는 충격적인 열응력이 발생하여(이하, 이러한 현상을 「열충격」이라고도 한다.), Al 배선재와 피접속 부재의 접속부 등이 손상되는 경우가 있다. 상세하게는, 작동 사이클에 수반되는 온도 변화에 수반하여, Al 배선재와 피접속 부재의 열팽창률 차에 기인하여 접속부 계면에 크랙이 발생하는 경우가 있다(이하, 이러한 현상을 「본드 크랙」이라고도 한다.). 파워 반도체 장치에서는 또한, Al 배선재 자체의 신축에 의한 굽힘 응력에 기인하여 접속부 근방의 루프 상승부에 크랙이 발생하는 경우도 있다(이하, 이러한 현상을 「힐 크랙」이라고도 한다.). 장치 작동 시의 환경 하에 있어서의 부식에 의해, 이들 본드 크랙이나 힐 크랙은 진전되고, 최종적으로 Al 배선재가 피접속 부재로부터 박리하거나 하여 접합 신뢰성은 손상되는 경우가 있었다.

한편, 고온 환경 하에 있어서의 Al 배선재의 연화를 억제하는 방법으로서, Al 배선재에 타 원소를 첨가하여 결정립의 조대화를 억제하여, Al 배선재를 고강도화시키는 방법이 생각된다. Al 배선재에 대해서, 결정립의 조대화를 억제하기 위해서는, Sc나 Ni, Fe와 같은 원소를 첨가하는 것이 효과적이지만, 이들 원소의 함유량이 높아짐에 따라서, Al 배선재의 제조 시에 단선이나 흠집이 발생하여 수율이 저하되거나, Al 배선재를 피접속 부재와 접속할 때에 피접속 부재가 손상되거나(이하, 이러한 현상을 「칩 크랙」이라고도 한다.) 하는 경우가 있다. 또한, 이들 첨가 원소가 Al과의 사이에서 형성한 금속간 화합물이 응집되어 조대화되면, 본드 크랙이나 힐 크랙의 발생·진전에 악영향을 미치는(즉, 크랙의 발생·진전을 가속시키는) 경우도 있다.

Al에 타 원소를 첨가하여 고강도화된 Al 배선재에 대해서는 몇 가지 보고되어 있기는 하지만, 제조 시의 수율 저하를 억제하면서, 칩 크랙의 억제와, 장치의 작동 사이클에 수반되는 열충격에 대한 내성(이하, 단순히 「열충격 내성」이라고도 함)을 양립시키는 것에는, 개선의 여지가 있었다.

본 발명은, 제조 시의 수율 저하를 억제하면서, 칩 크랙의 억제와, 열충격 내성을 양립한 Al 배선재를 제공하는 것을 과제로 한다.

본 발명자들은, 상기 과제에 대하여 예의 검토한 결과, 하기 구성을 갖는 Al 배선재에 의해 상기 과제를 해결할 수 있음을 알아내고, 이러한 지견에 기초하여 더욱 검토를 거듭함으로써 본 발명을 완성하였다.

즉, 본 발명은 이하의 내용을 포함한다.

[1] 적어도 Sc와 Zr을 함유하고, Sc의 함유량을 x1[중량％], Zr의 함유량을 x2[중량％]로 했을 때,

0.01≤x1≤0.5, 및

0.01≤x2≤0.3

을 충족시키고, 잔부는 Al을 포함하는, Al 배선재.

[2] Ni를 더 함유하고, 그 함유량을 x3[중량ppm]으로 했을 때, 10≤x3≤500을 충족시키는, [1]에 기재된 Al 배선재.

[3] x1과 x2가 x2/x1>0.5의 관계를 충족시키는, [1] 또는 [2]에 기재된 Al 배선재.

[4] Al 배선재의 긴 축선부의 비커스 경도가 40Hv 이하인, [1] 내지 [3] 중 어느 것에 기재된 Al 배선재.

[5] 580 내지 640℃에서 30초간 이하의 조질 열처리에 부쳐져 이루어지는, [1] 내지 [4] 중 어느 것에 기재된 Al 배선재.

[6] Al 이외의 금속을 주성분으로 하는 피복을 갖고 있지 않은, [1] 내지 [5] 중 어느 것에 기재된 Al 배선재.

[7] 본딩 와이어인, [1] 내지 [6] 중 어느 것에 기재된 Al 배선재.

[8] 피접속 부재와의 접속 후에 250 내지 400℃에서 30 내지 60분간의 시효 열처리에 부쳐지는, [1] 내지 [7] 중 어느 것에 기재된 Al 배선재.

[9] [1] 내지 [8] 중 어느 것에 기재된 Al 배선재를 포함하는 반도체 장치.

본 발명에 따르면, 제조 시의 수율 저하를 억제하면서, 칩 크랙의 억제와, 열충격 내성을 양립한 Al 배선재를 제공할 수 있다.

이하, 본 발명을 그 적합한 실시 형태에 입각하여 상세하게 설명한다.

[Al 배선재]

본 발명의 Al 배선재는, 적어도 스칸듐(Sc)과 지르코늄(Zr)을 함유하고, Sc의 함유량을 x1[중량％], Zr의 함유량을 x2[중량％]로 했을 때, 0.01≤x1≤0.5, 및 0.01≤x2≤0.3을 충족시키는 것을 특징으로 한다.

Sc는, Al 배선재의 재결정 온도를 상승시켜, 반도체 장치를 고온 환경에서 계속하여 사용했을 때에 있어서도, 결정립의 조대화를 억제하여 Al 배선재의 강도를 유지하는 것에 기여한다. Sc의 첨가량이 많을수록, 고온 환경 하에 있어서의 결정립의 조대화는 억제되는 경향이 있지만, 상술한 바와 같이, Sc의 첨가량이 높아지면, Al 배선재의 제조 시에 단선이나 흠집이 발생하여 수율이 저하되거나, Al 배선재를 피접속 부재와 접속할 때에 칩 크랙이 발생하거나 하는 경우가 있다. 또한, Sc와 Al 사이에서 형성된 금속간 화합물이 응집되어 조대화되면, 본드 크랙이나 힐 크랙의 발생·진전에 악영향을 미치는(즉, 크랙의 발생·진전을 가속시키는) 경우도 있다. 이에 비해, Sc를 0.01 내지 0.5중량％의 범위에서 함유함과 함께, Zr을 0.01 내지 0.3중량％의 범위에서 함유하는 본 발명의 Al 배선재는, 고온 환경 하에 있어서의 결정립의 조대화를 억제할 수 있다고 하는 Sc의 효과는 그대로, Al 배선재의 접속 이전에 있어서는 적당한 강도·경도를 나타내고, 제조 시의 수율 저하나 접속 시의 칩 크랙의 발생을 억제할 수 있다. 게다가, 본 발명의 Al 배선재는, 장치의 작동 사이클에 수반되는 온도 변화가 현저한 파워 반도체 장치에 있어서의 사용 시에도, Al과 Sc의 금속간 화합물의 응집·조대화를 억제하여, 본드 크랙이나 힐 크랙의 발생·진전을 현저하게 억제하는 것이 가능하다. 이와 같이, 본 발명의 Al 배선재는, 제조 시의 수율 저하를 억제하면서, 칩 크랙의 억제와, 열충격 내성을 양립한 것이고, 장치의 작동 사이클에 수반되는 온도 변화가 현저한 반도체 장치의 장기적인 작동 신뢰성의 향상에 현저하게 기여하는 것이다.

-Sc(제1 원소)-

본 발명의 Al 배선재는, 제1 원소로서, Sc를 0.01 내지 0.5중량％의 범위에서 함유한다. 즉, Al 배선재 중의 Sc의 함유량을 x1[중량％]로 했을 때, 0.01≤x1≤0.5를 충족시킨다.

고온 환경 하에 있어서의 결정립의 조대화를 억제하여 Al 배선재의 강도를 유지하는 관점에서, Al 배선재 중의 Sc의 함유량, 즉 x1은 0.01중량％ 이상이고, 바람직하게는 0.02중량％ 이상, 0.03중량％ 이상, 0.04중량％ 이상 또는 0.05중량％ 이상이다.

Sc의 함유량 x1의 상한은, 제조 시의 수율 저하와 접속 시의 칩 크랙을 억제하는 관점에서, 0.5중량％ 이하이고, 바람직하게는 0.48중량％ 이하, 0.46중량％ 이하, 0.45중량％ 이하, 0.44중량％ 이하, 0.42중량％ 이하 또는 0.4중량％ 이하이다.

-Zr(제2 원소)-

본 발명의 Al 배선재는, 제2 원소로서, Zr을 0.01 내지 0.3중량％의 범위에서 함유한다. 즉, Al 배선재 중의 Zr의 함유량을 x2[중량％]로 했을 때, 0.01≤x2≤0.3을 충족시킨다.

Zr을 Sc와 조합하여 함유함으로써, 본 발명의 Al 배선재는, 제조 시의 수율 저하를 억제하면서, 칩 크랙의 억제와, 열충격 내성을 양립할 수 있다. 여기서, Al 배선재의 강도 향상에만 착안하면, Sc를 단독으로 함유하는 경우나 Zr을 단독으로 함유하는 경우라도 어느 정도 달성할 수 있지만, 칩 크랙의 억제와 열충격 내성의 양립은, Sc와 Zr을 조합하여 함유시키는 경우에 있어서 특이적으로 각별히 높은 레벨에서 달성된다.

Sc와의 조합에 있어서 특히 우수한 열충격 내성을 실현하는 관점에서, Al 배선재 중의 Zr의 함유량, 즉 x2는, 0.01중량％ 이상이고, 바람직하게는 0.02중량％ 이상, 0.03중량％ 이상, 0.04중량％ 이상 또는 0.05중량％ 이상이다.

Zr의 함유량 x2의 상한은, 제조 시의 수율 저하와 접속 시의 칩 크랙을 억제하는 관점에서, 0.3중량％ 이하이고, 바람직하게는 0.28중량％ 이하, 0.26중량％ 이하, 0.25중량％ 이하, 0.24중량％ 이하, 0.22중량％ 이하 또는 0.2중량％ 이하이다.

Sc의 함유량 x1[중량％]과 Zr의 함유량 x2[중량％]의 비 x2/x1은, x1 및 x2의 각각이 상기 적합 범위에 있는 한 특별히 한정되지 않고, 예를 들어 0.05 이상, 0.1 이상, 0.2 이상 등으로 할 수 있다. 특히 장기에 걸쳐 우수한 열충격 내성을 나타내는 Al 배선재를 실현할 수 있는 관점에서, x1과 x2는, x2/x1>0.5의 관계를 충족시키는 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 x2/x1≥0.55, x2/x1≥0.6, x2/x1≥0.65, x2/x1≥0.7, x2/x1≥0.75, 또는 x2/x1≥0.8의 관계를 충족시킨다. 이러한 x2/x1비의 상한은, x1 및 x2의 각각이 상기 적합 범위에 있는 한 특별히 한정되지 않지만, 고온 환경 하에서 소기의 강도를 나타내는 Al 배선재를 실현하기 쉬운 관점에서, 바람직하게는 10 이하(즉, 10≥x2/x1), 8 이하, 6 이하 또는 5 이하로 할 수 있다. x2/x1비가 상기한 적합 범위 내이면, 특히 0.15≤x1인 경우에, 상기 효과의 혜택을 보다 향수할 수 있다.

-Ni(제3 원소)-

본 발명의 Al 배선재는, Ni를 더 함유해도 된다. Sc와 Zr에 더하여, Ni를 함유함으로써, 내식성을 향상시킬 수 있음과 함께, 고온 환경 하에 있어서의 결정립의 조대화를 한층 더 억제하여 Al 배선재의 강도를 높은 레벨에서 유지할 수 있다.

Al 배선재 중의 Ni의 함유량은 10 내지 500중량ppm의 범위로 해도 된다. 즉, Al 배선재 중의 Ni의 함유량을 x3[중량ppm]으로 했을 때, 10≤x3≤500을 충족시켜도 된다.

우수한 내식성을 실현함과 함께, 고온 환경 하에 있어서의 결정립의 조대화를 억제하여 Al 배선재의 강도를 유지하는 관점에서, Al 배선재 중의 Ni의 함유량, 즉 x3은, 바람직하게는 10중량ppm 이상, 보다 바람직하게는 15중량ppm 이상, 20중량ppm 이상, 25중량ppm 이상 또는 30중량ppm 이상이다.

Ni의 함유량 x3의 상한은, 제조 시의 수율 저하와 접속 시의 칩 크랙을 억제하는 관점에서, 바람직하게는 500중량ppm 이하, 보다 바람직하게는 450중량ppm 이하, 400중량ppm 이하, 350중량ppm 이하, 300중량ppm 이하, 250중량ppm 이하, 200중량ppm 이하, 150중량ppm 이하 또는 100중량ppm 이하이다.

본 발명의 Al 배선재의 잔부는, Al을 포함한다. Al 배선재를 제조할 때의 알루미늄 원료로서는, 순도가 5N(Al: 99.999중량％ 이상) 이상인 알루미늄을 사용하는 것이 적합하다. 본 발명의 효과를 저해하지 않는 범위에 있어서, 본 발명의 Al 배선재의 잔부는, Al 이외의 원소를 함유해도 된다. 본 발명의 Al 배선재의 잔부에 있어서의 Al의 함유량은, 본 발명의 효과를 저해하지 않는 한 특별히 한정되지 않지만, 바람직하게는 98중량％ 이상, 98.5중량％ 이상, 99중량％ 이상, 99.5중량％ 이상, 99.6중량％ 이상, 99.7중량％ 이상, 99.8중량％ 이상, 또는 99.9중량％ 이상이다. 적합한 일 실시 형태에 있어서, 본 발명의 Al 배선재의 잔부는, Al 및 불가피 불순물로 이루어진다.

제조 시의 수율 저하를 억제하면서, 칩 크랙의 억제와, 열충격 내성을 높은 레벨에서 양립할 수 있는 Al 배선재로서, 특히 적합한 실시 형태를 이하에 나타낸다.

특히 적합한 일 실시 형태에 있어서, 본 발명의 Al 배선재는, Sc와 Zr을 함유하고, Sc의 함유량을 x1[중량％], Zr의 함유량을 x2[중량％]로 했을 때, 0.01≤x1<0.15, 및 0.01≤x2≤0.3을 충족시키고, 잔부가 Al 및 불가피 불순물로 이루어지는 것을 특징으로 한다. 이하, 이러한 실시 형태를 「제1 실시 형태」라고도 한다.

다른 특히 적합한 일 실시 형태에 있어서, 본 발명의 Al 배선재는, Sc와 Zr과 Ni를 함유하고, Sc의 함유량을 x1[중량％], Zr의 함유량을 x2[중량％], Ni의 함유량을 x3[중량ppm]으로 했을 때, 0.01≤x1<0.15, 0.01≤x2≤0.3, 10≤x3≤500을 충족시키고, 잔부가 Al 및 불가피 불순물로 이루어지는 것을 특징으로 한다. 이하, 이러한 실시 형태를 「제2 실시 형태」라고도 한다.

다른 특히 적합한 일 실시 형태에 있어서, 본 발명의 Al 배선재는, Sc와 Zr을 함유하고, Sc의 함유량을 x1[중량％], Zr의 함유량을 x2[중량％]로 했을 때, 0.15≤x1≤0.5, 및 0.01≤x2≤0.3을 충족시키고, 잔부가 Al 및 불가피 불순물로 이루어지는 것을 특징으로 한다. 이하, 이러한 실시 형태를 「제3 실시 형태」라고도 한다.

다른 특히 적합한 일 실시 형태에 있어서, 본 발명의 Al 배선재는, Sc와 Zr과 Ni를 함유하고, Sc의 함유량을 x1[중량％], Zr의 함유량을 x2[중량％], Ni의 함유량을 x3[중량ppm]으로 했을 때, 0.15≤x1≤0.5, 0.01≤x2≤0.3, 10≤x3≤500을 충족시키고, 잔부가 Al 및 불가피 불순물로 이루어지는 것을 특징으로 한다. 이하, 이러한 실시 형태를 「제4 실시 형태」라고도 한다.

특히 장기에 걸친 열충격 내성이 우수한 Al 배선재를 실현할 수 있는 관점에서, 상기 제3 및 제4 실시 형태, 특히 제3 실시 형태에서는, Sc의 함유량 x1[중량％]과 Zr의 함유량 x2는, x2/x1>0.5의 관계를 충족시키는 것이 바람직하다. 이러한 비 x2/x1의 적합 범위는 상술한 바와 같다.

Al 배선재 중의 Sc, Zr, Ni 등의 함유량은, 후술하는 [원소 함유량의 측정]에 기재된 방법에 의해 측정할 수 있다.

본 발명의 Al 배선재는, 해당 Al 배선재의 외주에, Al 이외의 금속을 주성분으로 하는 피복을 갖고 있어도 되고 해당 피복을 갖고 있지 않아도 된다. 적합한 일 실시 형태에 있어서, 본 발명의 Al 배선재는, 해당 Al 배선재의 외주에, Al 이외의 금속을 주성분으로 하는 피복을 갖고 있지 않다. 여기서, 「Al 이외의 금속을 주성분으로 하는 피복」이란, Al 이외의 금속의 함유량이 50중량％ 이상인 피복을 말한다.

본 발명의 Al 배선재는, Al 본딩 와이어여도 되고, Al 본딩 리본이어도 된다. 본 발명의 Al 배선재가 Al 본딩 와이어인 경우, 그 선 직경은 특별히 한정되지 않으며, 예를 들어 50 내지 600㎛여도 된다. 본 발명의 Al 배선재가 Al 본딩 리본인 경우, 그 직사각형 혹은 대략 직사각형의 단면의 치수(w×t)는 특별히 한정되지 않으며, 예를 들어 w는 100 내지 3000㎛여도 되고, t는 50 내지 600㎛여도 된다.

본 발명의 Al 배선재의 제조 방법은 특별히 한정되지 않고, 예를 들어 압출 가공, 스웨이징 가공, 신선 가공, 압연 가공 등의 공지된 가공 방법을 사용하여 제조해도 된다. 예를 들어, Sc, Zr 및 함유하는 경우에는 Ni 등의 함유량이 상기 특정 범위로 되도록, 알루미늄 원료와, Sc, Zr 및 함유하는 경우에는 Ni 등의 원료를 출발 원료로서 칭량한 후, 이것을 용융 혼합함으로써 잉곳을 얻는다. 혹은, Sc, Zr, Ni 등의 원료로서는, 그들 원소를 포함하는 모합금을 사용해도 된다. 이 잉곳을 최종 치수가 될 때까지 가공하여, Al 배선재를 형성할 수 있다. Sc, Zr 및 함유하는 경우에는 Ni 등의 함유량이 상기 특정 범위에 있는 본 발명의 Al 배선재에서는, 단선이나 흠집의 발생을 양산에 문제없는 레벨로 억제하면서 제조(가공)할 수 있다.

가공의 도중, 혹은 가공 종료 후에, Sc, Zr 및 함유하는 경우에는 Ni 등을 고용시키기 위해, 용체화 열처리를 행하면 바람직하다. 용체화 열처리의 조건은, 예를 들어 570 내지 640℃에서 30분간 내지 3시간으로 해도 된다. 또한, 상술한 제1, 제2 실시 형태에 있어서, x2가 0.01≤x2≤0.15를 충족시키는 경우에는, 잉곳 제조 시에 Sc, Zr 등을 모두 고용시킬 수 있기 때문에, 용체화 열처리는 특별히 실시하지 않아도 된다.

이하, Al 본딩 와이어의 제조에 입각하여 더 설명한다.

가공 종료 후이며, 상기 용체화 열처리를 실시한 경우에는 그 후의 단계에서, 와이어 연질화를 위한 조질 열처리를 행한다. 가공 도중에 조질 열처리를 부가해도 된다. 조질 열처리에 의해, 와이어의 결정 조직을, 가공 조직으로부터 재결정 조직으로 변화시킨다. 이에 의해, 결정 조직이 재결정 조직이 되기 때문에, 와이어의 연질화를 실현할 수 있다. 조질 열처리의 온도 조건으로서는, 예를 들어 송선 속도 일정으로 노내 온도만을 변경하여 조질한 와이어의 인장 강도를 확인하고, 해당 인장 강도가 60 내지 140MPa의 범위로 되도록 열처리 온도를 결정하면 된다. 열처리 온도는, 예를 들어 580 내지 640℃의 범위로 해도 된다. 적합한 일 실시 형태에 있어서, 조질 열처리의 시간은 30초간 이하(보다 바람직하게는 25초간 이하 또는 20초간 이하)이다. 이러한 단시간의 조질 열처리를 행함으로써, 상술한 제3, 제4 실시 형태와 같이 Sc 함유량이 비교적 높은 경우라도, 금속간 화합물의 석출 없이 결정 조직을 재결정 조직으로 변화시킬 수 있다.

본 발명의 Al 배선재에 있어서는, 바람직하게는 그 제조 과정에서 용체화 처리를 행함으로써, Sc, Zr, 함유하는 경우에는 Ni 등, 및 그들의 금속간 화합물이 석출되어 있지 않다. 따라서, 적합한 일 실시 형태에 관한 Al 배선재에 있어서, Al 배선재 중의 Sc 및 Zr의 합계 함유량을 100중량％로 했을 때, 금속간 화합물 상으로서, Al과 분리된 상에 존재하는 Sc 및 Zr의 합계량은, 바람직하게는 5중량％ 이하, 보다 바람직하게는 4중량％ 이하, 3중량％ 이하, 2중량％ 이하 또는 1중량％ 이하이다. Al 배선재에 있어서 금속간 화합물 상에 존재하는 Sc 및 Zr의 합계량은, Al 배선재의 전해 추출 잔사의 화학 분석에 의해 측정할 수 있다.

Sc 및 Zr이 고용되고, 또한 결정 조직을 재결정 조직으로 함으로써, Al 배선재는 적당한 경도를 나타내게 된다. 본 발명의 Al 배선재에 있어서, 그 긴 축선부(길이 방향에 있어서의 축선부; 즉, Al 배선재의 중심부)의 비커스 경도는 40Hv 이하이다. 여기서, Al 배선재의 긴 축선이란, Al 배선재가 Al 본딩 와이어인 경우에는 그 중심 축선을, 또한 Al 배선재가 직사각형 또는 대략 직사각형의 단면(w×t)을 갖는 Al 본딩 리본인 경우에는 w의 중심 또한 t의 중심을 충족시키는 중심 축선을 의미한다. 본 발명의 Al 배선재는, 피접속 부재로의 접속의 시점에 있어서는, 이와 같이 적당한 경도를 갖는다는 점에서, 칩 크랙의 발생을 억제할 수 있다. Al 배선재의 비커스 경도는, 후술하는 [비커스 경도의 측정]에 기재된 방법에 의해 측정할 수 있다.

본 발명의 Al 배선재에 있어서, 와이어 길이 방향에 수직인 단면(C 단면)에 있어서의 평균 결정 입경은, 바람직하게는 1 내지 50㎛이다. 평균 결정 입경이 1㎛ 이상이면, 가공 시의 조질 열처리에 의한 재결정화가 적절하게 진행되어 있고, Al 배선재의 제조 과정에서 용체화 열처리를 행하여 함유 성분을 강제 고용하는 것과 더불어, Al 배선재가 연화되어, 본딩 시의 칩 크랙의 발생, 접합부의 접합성의 저하 등을 방지할 수 있다. 한편, 평균 결정 입경이 50㎛를 초과하면, Al 배선재의 재결정화가 너무 진행되어 있는 것을 나타내고, 접합부의 신뢰성이 저하될 우려가 있다. 가공의 과정에서 조질 열처리를 행함으로써, Al 배선재의 C 단면에 있어서의 평균 결정 입경을 1 내지 50㎛로 하기 쉽다. 평균 결정 입경은, EBSD(Electron Back Scatter Diffraction Patterns) 등의 측정 방법을 사용하여 각 결정립의 면적을 구하고, 각 결정립의 면적을 원으로 간주했을 때의 직경 평균으로 한다. Al 배선재의 C 단면의 평균 결정 입경은, 후술하는 [C 단면의 평균 결정 입경의 측정]에 기재된 방법에 의해 측정할 수 있다.

본 발명의 Al 배선재의 비저항은, 바람직하게는 3.6μΩ·cm 이하이다. 또한, 본 발명의 Al 배선재를 300℃, 30분간의 열처리에 부쳤을 때, 그 비저항은, 바람직하게는 3.0μΩ·cm 이하이다. 본 발명의 Al 배선재는 이와 같이 비저항이 낮다는 점에서, 장치 작동 시의 발열량을 저감할 수 있고, (1) 재결정화와 Al 배선재의 연화, (2) 크랙의 발생·진전을 억제할 수 있고, 반도체 장치의 장기 작동 시에 있어서도 접합 신뢰성을 담보시킬 수 있다. Al 배선재의 비저항은, 직류 4단자 측정법에 의해 측정할 수 있다. 예를 들어, 저항계로서 히오키 덴키 가부시키가이샤제 RM3544-01을 사용하여, 시료 길이 400mm, 측정 전류 1mA의 조건에서 측정할 수 있다. 측정 횟수는 5회로 하고, 그 산술 평균값을 각 시료의 비저항값으로서 구할 수 있다.

본 발명의 Al 배선재는, Sc, Zr 및 함유하는 경우에는 Ni 등을 상기 특정량으로 함유함과 함께, 고용 강화와 배선재 제조 과정의 열처리에 의한 조직 제어의 작용에 의해, 적당한 강도를 나타낸다. 예를 들어, 본 발명의 Al 배선재는, 50 내지 130MPa의 파단 강도를 나타낼 수 있다. Al 배선재의 파단 강도는, 후술하는 [기계적 특성의 측정]에 기재된 방법에 의해 측정할 수 있다.

본 발명의 Al 배선재와 피접속 부재의 접속은, 반도체 칩 상부 전극과의 제1 접속과, 리드 프레임이나 회로 기판(단순히 「기판」이라고도 한다.) 상의 전극과의 제2 접속 모두, 웨지 접합에 의해 실시한다. 피접속 부재와의 접속 후에, Al 배선재를 포함하는 반도체 장치의 시효 열처리를 행하는 것이 바람직하다. 시효 열처리의 결과로서, Al 배선재 중의 Sc 및 Zr은 Al과의 사이에서 금속간 화합물 Al₃(Sc_x, Zr_1-x)(식 중, x는 0<x<1을 충족시킨다. 이하, 동일하다.)를 형성하여, 해당 금속간 화합물의 미세한 상이 석출된다. Al 배선재 중에 이러한 미세 상이 형성된 결과로서, Al 배선재가 석출 강화되어, 그 강도가 증대된다. 시효 열처리 조건으로서는, 금속간 화합물 Al₃(Sc_x, Zr_1-x)의 미세 상을 형성할 수 있는 한 특별히 한정되지 않지만, 예를 들어 250 내지 400℃, 30 내지 60분간이 적합하다. 또한, Al 배선재에 Sc, Zr을 각각 단독으로 첨가하는 경우 등은, 금속간 화합물로서 각각 Al₃Sc, Al₃Zr이 형성된다. 이들 Al₃Sc, Al₃Zr의 미세 상도, 석출 강화에 의해 Al 배선재의 강도를 증대시키는 효과는 발휘하지만, 본 발명자들은, 이들 Al₃Sc, Al₃Zr의 미세 상에 비해 Al₃(Sc_x, Zr_1-x)의 미세 상은 응집, 조대화의 속도가 현저하게 낮고, 게다가 Al(모상)의 결정립의 조대화도 현저하게 억제할 수 있는 점에서, 장기에 걸쳐 각별히 우수한 열충격 내성을 실현할 수 있는 것을 알아낸 것이다.

따라서, 본 발명은 반도체 장치의 제조 방법도 제공한다. 적합한 일 실시 형태에 있어서, 본 발명의 반도체 장치의 제조 방법은,

(A) 반도체 칩 상의 전극과, 리드 프레임 또는 기판 상의 전극을, 본 발명의 Al 배선재에 의해 접속하는 공정, 및

(B) Al 배선재에 의한 접속 후, 시효 열처리를 행하는 공정

을 포함한다.

공정 (A)에서 사용하는 반도체 칩, 리드 프레임 또는 기판은, 후술하는 바와 같이, 반도체 장치를 구성하기 위하여 사용할 수 있는 공지된 것을 사용해도 된다. 또한, 공정 (A)에서 사용하는 본 발명의 Al 배선재의 상세·적합한 양태는, 상술한 바와 같다. 공정 (A)에 있어서, 반도체 칩 상의 전극과의 제1 접속과, 리드 프레임 또는 기판 상의 전극과의 제2 접속 모두, 웨지 접합에 의해 실시한다.

공정 (B)에 있어서, Al 배선재 중의 Sc 및 Zr은 Al과의 사이에서 금속간 화합물 Al₃(Sc_x, Z_r1-x)을 형성하고, 해당 금속간 화합물의 미세한 상이 석출된다.

[반도체 장치]

본 발명의 Al 배선재를 사용하여, 반도체 칩 상의 전극과, 리드 프레임이나 회로 기판 상의 전극을 접속함으로써, 반도체 장치를 제조할 수 있다.

본 발명의 반도체 장치는, 본 발명의 Al 배선재를 포함한다. 본 발명의 Al 배선재는, 제조 시의 수율 저하를 억제하면서, 칩 크랙의 억제와, 열충격 내성을 양립한 것이며, 해당 Al 배선재를 포함하는 반도체 장치는, 장치의 작동 사이클에 수반되는 온도 변화가 현저한 경우라도, 우수한 작동 신뢰성을 실현할 수 있다.

일 실시 형태에 있어서, 본 발명의 반도체 장치는, 회로 기판, 반도체 칩, 및 회로 기판과 반도체 칩을 도통시키기 위한 Al 배선재를 포함하고, 해당 Al 배선재가 본 발명의 Al 배선재인 것을 특징으로 한다. 여기서, 본 발명의 반도체 장치에 대해 말하는 「본 발명의 Al 배선재」란, Sc, Zr 및 함유하는 경우에는 Ni 등의 함유량이 상술한 적합 범위에 있는 한, Sc, Zr 및 함유하는 경우에는 Ni 등의 적어도 일부가 Al과의 사이에서 금속간 화합물을 형성하고 있는 경우도 포함하는 것에 유의해야 한다. 본 발명의 반도체 장치에 있어서는, 고온 환경 하에서 장시간 작동시킨 경우라도, 금속간 화합물 상으로서, Al과 분리된 상에 존재하는 Sc 및 Zr의 합계량을 적합한 범위로 유지할 수 있어, 금속간 화합물을 미세한 상인 채로 유지하는 것이 가능하다.

본 발명의 반도체 장치에 있어서, 회로 기판 및 반도체 칩은 특별히 한정되지 않으며, 반도체 장치를 구성하기 위하여 사용할 수 있는 공지된 회로 기판 및 반도체 칩을 사용해도 된다. 혹은 또한, 회로 기판 대신에 리드 프레임을 사용해도 된다. 예를 들어, 일본 특허 공개 제2002-246542호 공보에 기재되는 반도체 장치와 같이, 리드 프레임과, 해당 리드 프레임에 실장된 반도체 칩을 포함하는 반도체 장치의 구성으로 해도 된다.

반도체 장치로서는, 전기 제품(예를 들어, 컴퓨터, 휴대 전화, 디지털 카메라, 텔레비전, 에어컨, 태양광 발전 시스템 등) 및 탈것(예를 들어, 자동 이륜차, 자동차, 전동차, 선박 및 항공기 등) 등에 제공되는 각종 반도체 장치를 들 수 있고, 그 중에서도 전력용 반도체 장치(파워 반도체 장치)가 적합하다.

실시예

순도 5N(99.999중량％ 이상)의 알루미늄과, 순도 99.9중량％ 이상의 Sc, Zr, Ni를 원료로 하여 용융하여, 표 1에 나타내는 조성의 Al 잉곳을 얻었다. 해당 잉곳을 압출 가공, 스웨이징 가공한 후, 580℃에서 2시간의 열처리를 실시하고, 또한 신선 가공을 행하였다. 선 직경이 1mm인 단계에서, 580℃, 1시간의 용체화 열처리를 행하고, 급랭(수랭)하였다. 그 후, 최종 선 직경을 200㎛로 하여 다이스 신선 가공을 행하고, 신선 가공 종료 후에 15초간의 열처리 시간에 있어서 인장 강도가 120MPa가 되도록 조질 열처리를 행하여, Al 배선재를 얻었다.

[원소 함유량의 측정]

Al 배선재 중의 Sc, Zr 및 Ni 등의 함유량은, 분석 장치로서, ICP-OES((주)히타치 하이테크 사이언스제 「PS3520UVDDII」) 또는 ICP-MS(애질런트 테크놀로지스(주)제 「Agilent 7700x ICP-MS」)를 사용하여 측정하였다.

[비커스 경도의 측정]

Al 배선재의 긴 축선부의 비커스 경도는, 마이크로 비커스 경도계((주)미츠토요제 「HM-200」)를 사용하여 측정을 행하였다. Al 배선재의 긴 축선을 포함하는, 길이 방향에 평행한 단면(L 단면)을 측정 대상면으로 하여, 긴 축선부(즉, Al 배선재의 중심 위치)에 있어서의 경도를 측정하였다. 5군데의 측정값의 평균을, 그 샘플의 비커스 경도로서 채용하였다.

[C 단면의 평균 결정 입경의 측정]

C 단면의 평균 결정 입경의 측정은, EBSD법(측정 장치 옥스포드 인스트루먼츠(주)제 EBSD 분석 시스템 「AZtec HKL])을 사용하여 측정하였다. 상세하게는, C 단면의 전체에 대하여 각 결정립의 면적을 구하고, 각 결정립의 면적을 원의 면적으로 환산하여 그 직경의 평균을 산출하고, 이것을 평균 결정 입경으로서 채용하였다. 또한, 각 결정립의 면적은, 인접하는 측정점간의 방위 차가 15도 이상인 위치를 입계로 정의하여 구하였다.

[기계적 특성의 측정]

Al 배선재의 파단 강도는, Instron제 인장 시험기를 사용하여, 표점간 거리 100mm, 인장 속도 10mm/분, 로드 셀 정격 하중 1kN의 조건에서 인장하여, 측정하였다. 측정은 5회 실시하고, 그 평균값을 그 샘플의 파단 강도로서 채용하였다.

<단선율의 평가>

단선율[회/km]은, 선 직경 1mm로부터 200㎛까지 다이스 신선 가공했을 때의 단선 횟수(N[회])와, 다이스 신선 가공 후의 Al 배선재(선 직경 200㎛)의 길이(L[km])에 기초하여, 식: N/L에 의해 산출하였다.

반도체 장치에 있어서, 반도체 칩의 전극은 Al-Cu 패드이고, 외부 단자는 Ag를 사용하였다. 반도체 칩의 전극과 Al 배선재 사이의 제1 접속부, 외부 단자와 Al 배선재 사이의 제2 접속부 모두, 웨지 접합으로 하였다. 접속 후에, 300℃, 30분간의 시효 열처리를 행하였다.

<칩 대미지의 평가>

반도체 장치에 있어서의 칩 크랙은, 패드 표면의 금속을 산으로 녹이고, 패드 아래를 현미경으로 관찰하여 평가하였다(평가 수 N=50). 크랙 및 본딩의 흔적 등도 보이지 않는 양호한 경우를 「◎」로 하고, 크랙은 없지만 본딩의 흔적이 확인되는 개소가 있는 것(평가 수 50 중, 3군데 이하)을 「○」로 하고, 그 이외를 「×」로 하여, 표 1의 「칩 대미지」란에 기재하였다.

<열충격 내성의 평가>

열충격 내성은, 파워 사이클 시험에 의해 행하였다. 파워 사이클 시험은, Al 배선재가 접속된 반도체 장치에 대해서, 가열과 냉각을 교호로 반복한다. 가열은, 반도체 장치에 있어서의 Al 배선재의 접속부의 온도가 120℃가 될 때까지 2초간에 걸쳐서 가열하고, 그 후, 접속부의 온도가 30℃가 될 때까지 20초간에 걸쳐서 냉각한다. 이 가열·냉각의 사이클을 10만회 반복한다.

상기 파워 사이클 시험 후, 제1 접속부의 접합 전단 강도를 측정하고, 접속부 신뢰성의 평가를 행하였다. 전단 강도 측정은 초기의 접속부의 전단 강도와의 비교로서 행하였다. 초기의 접속 강도의 90％ 이상을 「◎」로 하고, 80％ 이상을 「○」로 하고, 60％ 이상을 「△」로 하고, 60％ 미만을 「×」로 하여, 표 1의 「열충격 시험」란에 기재하였다.

제조 조건, 제조 결과를 표 1에 나타낸다. 표 1에 있어서, 첨가 원소의 함유량이 본 발명의 범위로부터 벗어나는 수치에 밑줄을 그었다.

본 발명예 No.1 내지 53은 모두, Sc 및 Zr의 함유량이 본 발명 범위 내에 있고, 단선율, 칩 대미지, 열충격 시험 모두 양호한 결과였다. 또한, 본 발명예 No.1 내지 9는 제1 실시 형태에, 본 발명예 No.10 내지 22는 제3 실시 형태에, 본 발명예 No.23 내지 35는 제2 실시 형태에, 본 발명예 No.36 내지 53은 제4 실시 형태에 각각 해당한다. 제3 실시 형태에 해당하고 또한 Zr/Sc 중량비가 0.5를 초과하는 본 발명예 No.10 내지 20, 22는, 열충격 시험에 있어서 극히 양호한 결과를 나타내는 것을 확인하였다. 또한, 본 발명예 No.53은, Ni의 함유량이 적합 범위의 상한을 벗어나고 있고, 단선율의 값이 다른 본 발명예와 비교하여 높았다.

비교예 No.1, 2는, Sc 및 Zr 중 한쪽밖에 함유하지 않고, 열충격 시험이 ×였다.

비교예 No.3, 4는, Sc 또는 Zr의 함유량이 본 발명 범위의 하한을 벗어나고, 열충격 시험이 ×였다.

비교예 No.5, 6은, Sc 또는 Zr의 함유량이 본 발명 범위의 상한을 벗어나고, 칩 대미지가 ×였다.

Claims

적어도 Sc와 Zr을 함유하고, Sc의 함유량을 x1[중량％], Zr의 함유량을 x2[중량％]로 했을 때,
0.01≤x1≤0.5, 및
0.01≤x2≤0.3
을 충족시키고, 잔부는 Al을 포함하는, Al 배선재.
제1항에 있어서, Ni를 더 함유하고, 그 함유량을 x3[중량ppm]으로 했을 때, 10≤x3≤500을 충족시키는, Al 배선재.
제1항 또는 제2항에 있어서, x1과 x2가 x2/x1>0.5의 관계를 충족시키는, Al 배선재.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, Al 배선재의 긴 축선부의 비커스 경도가 40Hv 이하인, Al 배선재.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 580 내지 640℃에서 30초간 이하의 조질 열처리에 부쳐져 이루어지는, Al 배선재.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, Al 이외의 금속을 주성분으로 하는 피복을 갖고 있지 않은, Al 배선재.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 본딩 와이어인, Al 배선재
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 피접속 부재와의 접속 후에 250 내지 400℃에서 30 내지 60분간의 시효 열처리에 부쳐지는, Al 배선재.
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 기재된 Al 배선재를 포함하는 반도체 장치.