KR20220163956A - 반도체 장치용 Ag 합금 본딩 와이어 및 반도체 장치 - Google Patents

반도체 장치용 Ag 합금 본딩 와이어 및 반도체 장치 Download PDF

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노리토시 아라키
료 오이시
데루오 하이바라
도모히로 우노
데츠야 오야마다
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닛데쓰마이크로메탈가부시키가이샤
닛테츠 케미컬 앤드 머티리얼 가부시키가이샤
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Abstract

S 함유량이 높은 몰드 수지를 사용하는 경우에도, 고온 환경 하에서 양호한 접합 신뢰성을 나타냄과 함께, 볼 접합 시의 칩 대미지를 억제할 수 있는 반도체 장치용 Ag 합금 본딩 와이어를 제공한다. 해당 Ag 합금 본딩 와이어는, Pd 및 Pt로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상의 원소(이하, 「제1 원소」라고 함)와, P, Cr, Zr 및 Mo로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상의 원소(이하, 「제2 원소」라고 함)를 함유하고, 제1 원소의 총계 농도를 x1[at.％], 제2 원소의 총계 농도를 x2[at.ppm]로 했을 때, 0.05≤x1≤3.0 및 15≤x2≤700을 만족시키고, 잔부는 Ag를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

반도체 장치용 Ag 합금 본딩 와이어 및 반도체 장치
본 발명은, 반도체 장치용 Ag 합금 본딩 와이어에 관한 것이다. 나아가, 해당 Ag 합금 본딩 와이어를 포함하는 반도체 장치에 관한 것이다.
반도체 장치에서는, 반도체 소자 상에 형성된 전극과, 리드 프레임이나 기판 상의 전극 사이를 본딩 와이어에 의해 접속하고 있다. 본딩 와이어의 재료는 금(Au)이 주류였지만, 근년에는, Au 가격의 급등을 배경으로 Au의 대체로서 비교적 저렴한 재료를 사용한 본딩 와이어의 개발이 활발히 행해지고 있다. Au를 대신하는 저비용의 와이어 소재로서, 예를 들어 구리(Cu)가 검토되고 있으며, Cu 와이어나, 그 표면에 산화 억제 등을 위해 팔라듐(Pd) 피복을 형성한 Cu 와이어에 대하여 보고되어 있다.
Cu 와이어 혹은 Pd 피복 Cu 와이어는, Au 와이어에 비해 경질이며 전극 등에의 접속 시에 문제가 발생하기 쉬운 경향이 있는 점에서, 보다 경도가 낮은 재료가 요구되고 있다. Au와 동등 이상의 전기 전도성을 갖고, Cu보다도 낮은 경도를 초래하는 점에서, 와이어 소재로서 은(Ag)이 기대되고 있다.
Ag 와이어에 대해서는, Au 와이어에 비해 접합 신뢰성이 떨어지는 경우가 있음이 지견되고 있으며, 접합 신뢰성을 향상시키기 위한 기술로서, Ag 와이어에 Pd, Pt, Au 등의 특정 원소를 첨가하여 합금화하는 기술이 보고되어 있다. 예를 들어, 특허문헌 1에는, Pd, Pt, Cu, Ru, Os, Rh, Ir의 1종 또는 2종 이상을 합계로 0.1 내지 10중량％ 포함하고, Pd가 10중량％ 이하, Pt가 10중량％ 이하, Cu가 5중량％ 이하, Ru가 1중량％ 이하, Os가 1중량％ 이하, Rh가 1중량％ 이하, Ir이 1중량％ 이하인 Ag 합금 본딩 와이어가 개시되어 있다. 또한, 특허문헌 2에는, 순도 99.99질량％ 이상의 Ag와 순도 99.999질량％ 이상의 Au와 순도 99.99질량％ 이상의 Pd로 이루어지는 3원 합금계 본딩 와이어이며, Au가 4 내지 10질량％, Pd가 2 내지 5질량％, 산화성 비귀금속 첨가 원소가 15 내지 70질량ppm 및 잔부가 Ag로 이루어지고, 당해 본딩 와이어는 연속 다이스 신선 전에 베이킹 열처리가 되고, 연속 다이스 신선 후에 조질 열처리가 되어, 질소 분위기 중에서 볼 본딩되는 것을 특징으로 하는 반도체 소자용 Ag-Au-Pd 3원 합금계 본딩 와이어가 개시되어 있다.
일본 특허 공개 평11-288962호 공보 일본 특허 공개 제2012-169374호 공보
차량 탑재용의 반도체 장치에 있어서는, 접합 신뢰성의 더 한층의 향상이 요구되고 있고, 예를 들어 175℃ 이상의 고온 환경 하에서도 양호한 접합 신뢰성을 초래할 것이 요구되고 있다. 여기서, 반도체 장치의 패키지인 몰드 수지(에폭시 수지)에는, 실란 커플링제가 포함되어 있고, 보다 고온에서의 신뢰성이 요구되는 차량 탑재용의 반도체 장치 등에서는, 높은 밀착성을 초래하기 위해, 황(S) 함유량이 높은 실란 커플링제가 첨가된다.
몰드 수지 중의 S 함유량은, 근년에 있어서 증가하는 경향이 있다. 종래는, S 함유 실란 커플링제를 포함하는 시판되고 있는 에폭시 수지가 사용되고 있었다. 그것에 대하여, 몰드 수지의, 리드 프레임, 반도체 칩에 대한 밀착성을 더욱 향상시킬 목적으로, 직근의 에폭시 수지에 있어서는, S 함유량이 종래보다도 증대되고 있다. 이러한 S 함유량이 높은 몰드 수지를 사용한 계에의 Ag 와이어의 적용을 시도한 바, 특허문헌 1, 2에 기재되는 것과 같은 특정 원소를 함유하는 Ag 합금 와이어에 있어도 또한, 고온 환경 하에서는, 전극과의 접속부, 특히 볼 접합부의 접합 신뢰성이 저하되는 경우가 있는 것을 발견하였다. 특정 원소의 첨가량을 더 높임으로써 고온 환경 하에 있어서의 접합 신뢰성은 약간 개선되기는 하지만, 그 경우에는, 볼 접합 시에 반도체 칩의 손상(이하, 「칩 대미지」라고도 함)이 발생하는 것을 발견하였다.
본 발명은, S 함유량이 높은 몰드 수지를 사용하는 경우에도, 고온 환경 하에서 양호한 접합 신뢰성을 나타냄과 함께, 볼 접합 시의 칩 대미지를 억제할 수 있는 Ag 합금 본딩 와이어를 제공하는 것을 과제로 한다.
상기 과제에 대하여 예의 검토한 결과, 하기 구성을 갖는 본딩 와이어에 의해 상기 과제를 해결할 수 있는 것을 발견하고, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
즉, 본 발명은, 이하의 내용을 포함한다.
[1] Pd 및 Pt로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상의 원소(이하, 「제1 원소」라고 함)와, P, Cr, Zr 및 Mo로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상의 원소(이하, 「제2 원소」라고 함)를 함유하고, 제1 원소의 총계 농도를 x1[at.％], 제2 원소의 총계 농도를 x2[at.ppm]로 했을 때,
0.05≤x1≤3.0
15≤x2≤700
을 만족시키고, 잔부는 Ag를 포함하는, 반도체 장치용 Ag 합금 본딩 와이어.
[2] In, Ga, Cd 및 Sn의 총계 농도가 0.05at.％ 미만인, [1]에 기재된 Ag 합금 본딩 와이어.
[3] 제1 원소의 총계 농도를 x1[at.％], 제2 원소의 총계 농도를 x2[at.％], Ag의 농도를 xAg[at.％]로 했을 때, 하기 식 (1)로 구해지는, 기타 원소의 총계 농도가 0.05at％ 미만인, [1] 또는 [2]에 기재된 Ag 합금 본딩 와이어.
식 (1): 100-(x1+x2+xAg)[at.％]
[4] 잔부가 Ag 및 불가피 불순물로 이루어지는, [1] 내지 [3] 중 어느 것에 기재된 Ag 합금 본딩 와이어.
[5] 각 원소의 농도가 ICP 발광 분광 분석 또는 ICP 질량 분석에 의해 측정한 농도인, [1] 내지 [4] 중 어느 것에 기재된 Ag 합금 본딩 와이어.
[6] Ag 이외의 금속을 주성분으로 하는 피복을 갖지 않는, [1] 내지 [5] 중 어느 것에 기재된 Ag 합금 본딩 와이어.
[7] [1] 내지 [6] 중 어느 것에 기재된 Ag 합금 본딩 와이어를 포함하는 반도체 장치.
본 발명에 따르면, S 함유량이 높은 몰드 수지를 사용하는 경우에도, 고온 환경 하에서 양호한 접합 신뢰성을 나타냄과 함께, 볼 접합 시의 칩 대미지를 억제할 수 있는 Ag 합금 본딩 와이어를 제공할 수 있다.
이하, 본 발명을 그 적합한 실시 형태에 입각하여 상세하게 설명한다.
[반도체 장치용 Ag 합금 본딩 와이어]
본 발명의 반도체 장치용 Ag 합금 본딩 와이어(이하, 간단히 「본 발명의 와이어」, 「와이어」라고도 함)는, Pd 및 Pt로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상의 원소(이하, 「제1 원소」라고 함)와, P, Cr, Zr 및 Mo로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상의 원소(이하, 「제2 원소」)를 함유하고, 제1 원소의 총계 농도를 x1[at.％], 제2 원소의 총계 농도를 x2[at.ppm]로 했을 때, 0.05≤x1≤3.0 및 15≤x2≤700을 만족시키고, 잔부는 Ag를 포함하는 것을 특징으로 한다.
Ag 와이어에 Pd 및 Pt라는 제1 원소를 첨가함으로써, Ag 와이어의 접합 신뢰성을 향상시키는 기술이 보고되어 있다. 그러나, 상술한 대로, S 함유량이 높은 몰드 수지를 사용한 반도체 장치에 있어서는, 이러한 제1 원소를 함유하는 Ag 와이어를 사용한 경우에도 또한, 175℃ 이상의 고온 환경 하에서는, 전극과의 접속부, 특히 볼 접합부의 접합 신뢰성이 저하되는 경우가 있는 것을 본 발명자들은 발견하였다. 몰드 수지에 포함되는 S는, 175℃ 이상의 고온 환경 하에서 유리되는 경향이 있고, 유리된 S가 Ag 와이어와 접촉하면 Ag 와이어의 부식이 진행되어 접합 신뢰성의 저하로 귀착되는 것으로 추정된다. 전극과의 접속부, 특히 볼 접합부의 접합 신뢰성이 저하되는 점에서, Ag 와이어와 전극 재료(예를 들어 Al)의 확산 접합에 의해 접합 계면에 발생한 금속간 화합물(예를 들어 Ag3Al)이 유리된 S에 의해 부식되기 쉬운 것으로 추정된다.
Pd 및 Pt라는 제1 원소의 첨가량을 높임으로써, 고온 환경 하에 있어서의 접합 신뢰성을 약간 개선할 수는 있지만, 그 경우에는, 와이어가 경질화되어 칩 대미지를 발생하거나, 비저항이 상승되거나 하는 과제가 발생하여, Ag가 본래적으로 갖는 우수한 특성을 향수할 수 없다. 그 뿐 아니라, 몰드 수지 중의 S 농도가 높은 경우에는, 제1 원소의 첨가량을 조정해도, 고온 환경 하에 있어서의 접합 신뢰성의 저하를 회피하는 것은 곤란한 것을 확인하였다.
이에 비해, 상기 제1 원소에 더하여, P, Cr, Zr 및 Mo라는 제2 원소를 함유하는 본 발명의 와이어는, S 함유량이 높은 몰드 수지를 사용하는 경우에도, 고온 환경 하에서 양호한 접합 신뢰성을 실현할 수 있다. 제1 원소에 더하여 제2 원소를 함유하는 본 발명의 와이어를 사용하여 FAB(Free Air Ball)를 형성한 바, FAB를 SEM으로 관찰하면, 해당 FAB 표면에 직경 수십nm 정도의 석출물이 발생하는 것을 확인하였다. 또한, 발생한 석출물을 에너지 분산형 X선 분석(EDS; Energy Dispersive X-ray spectroscopy)에 의해 분석하면 제2 원소가 농화되어 있는 것을 확인하였다. 상세한 메커니즘은 불분명하지만, FAB에 관찰되는 이러한 석출물이 볼 접합부에 있어서의 와이어와 전극의 접합 계면에 존재함으로써, 예를 들어 유리된 S가 접합 계면의 금속간 화합물에 작용하기 전에 당해 석출물에 트랩(화합물화)되거나 하여, 고온 환경 하에 있어서의 볼 접합부의 접합 신뢰성이 향상된 것으로 추정된다. 따라서, 적합한 일 실시 형태에 있어서, 본 발명의 와이어는, FAB를 형성했을 때, 해당 FAB 표면에 제2 원소가 농화된 석출물이 발생하는 것을 특징으로 한다.
또한, 제1 원소와 제2 원소를 조합하여 함유하는 본 발명의 와이어에 있어서는, 제1 원소의 첨가량을 과도하게 높이지 않고, 고온 환경 하에 있어서의 접합 신뢰성을 향상시킬 수 있는 점에서, 칩 대미지의 발생도 억제할 수 있다. 이와 같이, 본 발명은, S 함유량이 높은 몰드 수지를 사용하는 경우에도, 칩 대미지의 발생을 억제하면서, 고온 환경 하에서 양호한 접합 신뢰성을 나타내는 Ag 합금 본딩 와이어를 제공하는 것이며, 차량 탑재용의 반도체 장치에 있어서의 Ag 와이어의 실용화에 현저하게 기여하는 것이다. 제1 원소의 첨가량을 과도하게 높이지 않고, 고온 환경 하에 있어서의 접합 신뢰성을 향상시킬 수 있는 본 발명의 와이어는, 비저항 상승의 문제도 억제할 수 있는 점에서 유익하다.
-제1 원소-
본 발명의 와이어는, 제1 원소로서, Pd 및 Pt로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상의 원소를 0.05 내지 3.0at.％의 범위에서 함유한다. 즉, 와이어 중의 제1 원소의 총계 농도를 x1[at.％]로 했을 때, 0.05≤x1≤3.0을 만족시킨다.
후술하는 제2 원소와의 조합에 있어서, S 함유량이 높은 몰드 수지를 사용하는 경우에도 고온 환경 하에 있어서의 양호한 접합 신뢰성을 실현하는 관점에서, 와이어 중의 제1 원소의 총계 농도, 즉 x1은 0.05at.％ 이상이며, 바람직하게는 0.1at.％ 이상, 0.2at.％ 이상, 0.3at.％ 이상, 0.4at.％ 이상, 0.5at.％ 이상, 0.6at.％ 이상, 0.8at.％ 이상 또는 1.0at.％ 이상이다. 특히 x1이 1.0at.％ 초과이면, S 함유량이 높은 몰드 수지를 사용하는 경우에도 고온 환경 하에서 한층 더 양호한 접합 신뢰성을 실현할 수 있기 때문에 적합하다. 또한 x1이 1.0at.％ 초과이면, 볼 접합부의 압착 형상(볼의 찌부러진 형상)을 진원에 가까운 형상으로 제어하기 쉽다는 우수한 효과도 발휘한다. x1은 보다 바람직하게는 1.1at.％ 이상, 1.2at.％ 이상, 1.3at.％ 이상, 1.4at.％ 이상 또는 1.5at.％ 이상이다.
와이어 중의 제1 원소의 총계 농도 x1의 상한은, 와이어의 경질화를 억제하여 칩 대미지를 억제하는 관점에서, 3.0at.％ 이하이고, 바람직하게는 2.9at.％ 이하, 2.8at.％ 이하, 2.7at.％ 이하, 2.6at.％ 이하 또는 2.5at.％ 이하이다. 상술한 대로, 제2 원소와 조합하여 제1 원소를 함유하는 본 발명의 와이어에서는, 제1 원소의 첨가량을 과도하게 높이지 않고, 고온 환경 하에 있어서의 접합 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
-제2 원소-
본 발명의 와이어는, 제2 원소로서, P, Cr, Zr 및 Mo로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상의 원소를 15 내지 700at.ppm의 범위에서 함유한다. 즉, 와이어 중의 제2 원소의 총계 농도를 x2[at.ppm]로 했을 때, 15≤x2≤700을 만족시킨다.
S 함유량이 높은 몰드 수지를 사용하는 경우에도 고온 환경 하에 있어서의 양호한 접합 신뢰성을 실현하는 관점에서, 와이어 중의 제2 원소의 총계 농도, 즉 x2는, 15at.ppm 이상이며, 바람직하게는 30at.ppm 이상, 40at.ppm 이상, 50at.ppm 이상, 60at.ppm 이상, 80at.ppm 이상, 100at.ppm 이상, 150at.ppm 이상, 200at.ppm 이상, 250at.ppm 이상 또는 300at.ppm 이상이다. 덧붙여, x2가 상기 범위에 있으면, 볼 접합부의 압착 형상(볼의 찌부러진 형상)을 진원에 가까운 형상으로 제어하기 쉽다는 우수한 효과도 발휘한다. 또한, 제1 원소의 농도 x1이 2at.％ 초과(예를 들어, 2.03at.％ 이상, 2.05at.％ 이상, 2.1at.％ 이상)이면, 제2 원소의 총계 농도 x2가 35at.ppm 미만(예를 들어, 34.5at.ppm 이하, 34.3at.ppm 이하, 34at.ppm 이하), 즉 15at.ppm 이상 35at.ppm 미만과 같은 극저량 영역에 있어서도, S 함유량이 높은 몰드 수지를 사용하는 경우에도 고온 환경 하에서 현저하게 우수한 접합 신뢰성을 나타냄과 함께, 볼 접합부의 압착 형상도 한층 더 양호한 것이 확인되고 있다. 예를 들어, 제1 원소의 농도 x1이 2at.％ 초과(2.03at.％ 이상, 2.05at.％ 이상, 2.1at.％ 이상 등)이면, 제2 원소로서 P를 1종 단독으로, Cr을 1종 단독으로, Zr을 1종 단독으로, Mo를 1종 단독으로, 혹은 P, Cr, Zr 및 Mo를 2종 이상 조합하여 사용할 때에 그 농도 x2가 35at.ppm 미만(예를 들어, 34.5at.ppm 이하, 34.3at.ppm 이하, 34at.ppm 이하), 즉 15at.ppm 이상 35at.ppm 미만과 같은 극저량 영역에 있어서도, 상기 현저한 효과가 얻어지는 것을 확인한다.
와이어 중의 제2 원소의 총계 농도 x2의 상한은, 볼 접합부의 양호한 초기 접합 강도를 실현하고, 나아가서는 고온 환경 하에서 양호한 접합 신뢰성을 실현하는 관점에서, 700at.ppm 이하이고, 바람직하게는 650at.ppm 이하, 600at.ppm 이하, 550at.ppm 이하 또는 500at.ppm 이하이다. 특히 x2가 500at.ppm 이하이면, 볼 접합부의 초기 접합 강도가 현저하게 높고, 나아가서는 고온 환경 하에서 한층 더 양호한 접합 신뢰성을 실현할 수 있기 때문에 적합하다. 덧붙여, x2가 상기 범위에 있으면, 와이어의 경질화를 억제하여 칩 대미지를 억제하기 쉽다는 우수한 효과도 발휘한다.
본 발명의 와이어는, 상기 제1 원소 및 제2 원소를 조합하여 포함하고, 잔부는 Ag를 포함한다. 본 발명의 와이어에 있어서, 와이어 전체에 대한 Ag의 농도는, 상기 제1 원소와 제2 원소의 조합에 있어서 본 발명의 효과를 보다 향수할 수 있는 관점에서, 바람직하게는 95at.％ 이상, 보다 바람직하게는 96at.％ 이상, 96.5at.％ 이상, 96.6at.％ 이상, 96.7at.％ 또는 96.8at.％ 이상이다.
본 발명의 효과를 저해하지 않는 범위에 있어서, 본 발명의 와이어는, 제1 원소 및 제2 원소 이외의 도펀트 원소를 더 함유해도 된다. 와이어 중의 이러한 도펀트 원소의 총계 농도는, 본 발명의 효과를 저해하지 않는 범위에 있어서 특별히 한정되지 않는다. 해당 도펀트 원소의 총계 농도는, 예를 들어 0.05at.％ 미만(500at.ppm 미만)이면 된다. 따라서, 제1 원소의 총계 농도를 x1[at.％], 제2 원소의 총계 농도를 x2[at.％], Ag의 농도를 xAg[at.％]로 했을 때, 하기 식 (1)로 구해지는, 기타 원소의 총계 농도는 0.05at％ 미만이면 된다.
식 (1): 100-(x1+x2+xAg)[at.％]
제1 원소 및 제2 원소 이외의 도펀트 원소, 즉 상기 「기타 원소」의 총계 농도는, 더 낮아도 되고, 예를 들어 0.045at.％ 이하, 0.04at.％ 이하, 0.035at.％ 이하, 0.03at.％ 이하, 0.025at.％ 이하, 0.02at.％ 이하, 0.015at.％ 이하, 0.011at.％ 미만, 0.01at.％ 이하, 0.005at.％ 이하, 0.003at.％ 이하, 0.001at.％ 이하, 0.0008at.％ 이하, 0.0006at.％ 이하 또는 0.0005at.％ 이하여도 된다. 이러한 도펀트 원소의 종류는, 본 발명의 효과를 저해하지 않는 범위에 있어서 특별히 한정되지 않지만, 예를 들어 In, Ga, Cd, Sn, Cu, Zn, Fe, Ti, Mn, Mo, Ni, Au 등을 들 수 있다. 따라서, 예를 들어 이러한 도펀트 원소로서 In, Ga, Cd 및 Sn을 사용하는 경우, In, Ga, Cd 및 Sn의 총계 농도는 0.05at.％ 미만이어도 된다. 이러한 도펀트 원소의 총계 농도의 하한은 특별히 한정되지 않고 0at.％여도 된다.
적합한 일 실시 형태에 있어서, 본 발명의 와이어는, 제1 원소 및 제2 원소를 조합하여 포함하고, 잔부는 Ag 및 불가피 불순물을 포함한다.
본 발명의 와이어에 포함되는 제1 원소, 제2 원소나 다른 도펀트 원소와 같은 원소의 농도는, 해당 와이어를 강산으로 용해시킨 액을 ICP 발광 분광 분석 장치, ICP 질량 분석 장치를 이용하여 분석하고, 와이어 전체에 포함되는 원소의 농도로서 검출할 수 있다. 본 발명에 있어서 나타내는 각 원소의 농도는, ICP 발광 분광 분석 또는 ICP 질량 분석에 의해 측정한 농도에 기초한다.
본 발명의 와이어는, 바람직하게는 Ag 이외의 금속을 주성분으로 하는 피복을 갖지 않는다. 따라서 적합한 일 실시 형태에 있어서, 본 발명의 와이어는, Ag 이외의 금속을 주성분으로 하는 피복을 갖지 않는다. 여기서, 「Ag 이외의 금속을 주성분으로 하는 피복」이란, Ag 이외의 금속의 함유량이 50at.％ 이상인 피복을 말한다.
본 발명의 와이어 직경은, 특별히 한정되지 않고, 구체적인 목적에 따라서 적절히 결정해도 되지만, 바람직하게는 15㎛ 이상, 18㎛ 이상 또는 20㎛ 이상 등으로 할 수 있다. 해당 직경의 상한은 특별히 한정되지 않고, 예를 들어 100㎛ 이하, 90㎛ 이하 또는 80㎛ 이하 등으로 할 수 있다.
<와이어의 제조 방법>
본 발명의 반도체 장치용 Ag 합금 본딩 와이어의 제조 방법의 일례에 대하여 설명한다.
순도가 3N 내지 5N(99.9 내지 99.999질량％)인 원료 Ag를 준비한다. 그리고 제1 원소, 제2 원소 및 다른 도펀트 원소(함유하는 경우)의 농도가 상기 특정 범위가 되도록, 원료 Ag와, 제1 원소, 제2 원소 및 다른 도펀트 원소의 원료를 출발 원료로서 칭량한 후, 이것을 용융 혼합함으로써 Ag 합금을 얻는다. 혹은, 제1 원소, 제2 원소, 다른 도펀트 원소의 원료로서는, 그들 원소를 포함하는 모합금을 사용해도 된다. 이 Ag 합금을 연속 주조에 의해 큰 직경으로 가공하고, 이어서 신선 가공에 의해 최종 선 직경까지 세선화한다.
신선 가공은, 다이아몬드 코팅된 다이스를 복수개 세팅할 수 있는 연속 신선 장치를 사용하여 실시할 수 있다. 필요에 따라서, 신선 가공의 도중 단계에서 열처리를 실시해도 된다.
신선 가공 후, 최종 열처리를 행한다. 최종 열처리의 온도 조건으로서는, 예를 들어 송선 속도 일정으로 로 내 온도만을 변경하여 열처리한 와이어의 파단 신율을 확인하고, 해당 파단 신율이 소정 범위가 되도록 열처리 온도를 결정하면 된다. 열처리 온도는, 예를 들어 200 내지 600℃의 범위로 해도 된다. 열처리 시간은, 예를 들어 10초간 이하(바람직하게는 5초간 이하, 4초간 이하 또는 3초간 이하)로 설정하는 것이 적합하다. 열처리의 분위기로서는, 질소 가스, 아르곤 가스 등의 불활성 가스나, 포밍 가스(5％H2-N2) 등의 수소 함유 불활성 가스를 사용해도 된다.
본 발명의 와이어는, 반도체 장치의 제조에 있어서, 반도체 소자 상의 제1 전극과, 리드 프레임 또는 회로 기판 상의 제2 전극을 접속하기 위해 사용할 수 있다. 반도체 소자 상의 제1 전극과의 제1 접속(1st 접합)은 볼 접합으로 할 수 있고, 리드 프레임이나 회로 기판 상의 전극과의 제2 접속(2nd 접합)은 웨지 접합으로 할 수 있다. 볼 접합에서는, 와이어 선단을 아크 입열로 가열 용융시키고, 표면 장력에 의해 볼(FAB: Free Air Ball)을 형성한 후에, 가열한 반도체 소자의 전극 상에 이 볼부를 압착 접합한다. 웨지 접합에서는, 볼을 형성하지 않고, 와이어부를 열, 초음파, 압력을 가함으로써 전극 상에 압착 접합한다. Pd 및 Pt라는 제1 원소에 더하여, P, Cr, Zr 및 Mo라는 제2 원소를 함유하는 본 발명의 와이어는, 1st 접합 및 2nd 접합 후의 밀봉 공정에 있어서 S 함유량이 높은 몰드 수지를 사용하는 경우에도, 고온 환경 하에서 양호한 접합 신뢰성을 실현할 수 있다. 따라서, 본 발명의 와이어는, 반도체 장치용으로서 적합하게 사용할 수 있고, S 함유량이 높은 몰드 수지를 사용하여 밀봉(패키지화)되는 반도체 장치용으로서 적합하게 사용할 수 있다.
[반도체 장치의 제조 방법]
본 발명의 반도체 장치용 Ag 합금 본딩 와이어를 사용하여, 반도체 소자 상의 전극과, 리드 프레임이나 회로 기판 상의 전극을 접속함으로써, 반도체 장치를 제조할 수 있다.
일 실시 형태에 있어서, 본 발명의 반도체 장치의 제조 방법(이하, 간단히 「본 발명의 방법」이라고도 함)은, 반도체 소자 상의 제1 전극과, 리드 프레임 또는 회로 기판 상의 제2 전극을, 본 발명의 와이어에 의해 접속하는 공정을 포함한다. 제1 전극과 본 발명의 와이어의 제1 접속을 볼 접합에 의해, 또한 제2 전극과 본 발명의 와이어의 제2 접속을 웨지 접합에 의해 실시할 수 있다.
제1 원소와 제2 원소를 조합하여 포함하는 본 발명의 와이어를 사용함으로써, 밀봉 공정에 있어서 S 함유량이 높은 몰드 수지를 사용하는 경우에도, 고온 환경 하에서 양호한 접합 신뢰성을 실현할 수 있다. 따라서, 적합한 일 실시 형태에 있어서, 본 발명의 방법은, 접합 후에, S 함유량이 높은(예를 들어, S 농도가 5질량ppm 이상, 10질량ppm 이상 또는 15질량ppm 이상) 몰드 수지를 사용하여 밀봉하는 공정을 더 포함한다. 본 발명의 와이어를 사용함으로써, S 농도를 비롯한 몰드 수지의 사양에 구애받지 않고, 고온 환경 하에 있어서의 양호한 접합 신뢰성을 유리하게 실현할 수 있다.
[반도체 장치]
본 발명의 반도체 장치용 Ag 합금 본딩 와이어를 사용하여, 반도체 소자 상의 전극과, 리드 프레임이나 회로 기판 상의 전극을 접속함으로써, 반도체 장치를 제조할 수 있다.
일 실시 형태에 있어서, 본 발명의 반도체 장치는, 회로 기판, 반도체 소자 및 회로 기판과 반도체 소자를 도통시키기 위한 본딩 와이어를 포함하고, 해당 본딩 와이어가 본 발명의 와이어인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 반도체 장치에 있어서, 회로 기판 및 반도체 소자는 특별히 한정되지 않고, 반도체 장치를 구성하기 위해 사용할 수 있는 공지된 회로 기판 및 반도체 소자를 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 소자를 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, 전철, 선박 및 항공기 등) 등에 제공되는 각종 반도체 장치를 들 수 있고, 그 중에서도 고온 환경 하에서도 양호한 접합 신뢰성을 초래할 것이 요구되는 차량 탑재용의 반도체 장치가 적합하다.
실시예
이하, 본 발명에 대해서, 실시예를 나타내어 구체적으로 설명한다. 단, 본 발명이 이하에 나타내는 실시예에 한정되는 것은 아니다.
(샘플)
원재료가 되는 Ag는 순도가 99.9at.％ 이상이고, 잔부가 불가피 불순물로 구성되는 것을 사용하였다. 제1 원소(Pd 및 Pt), 제2 원소(P, Cr, Zr 및 Mo), 다른 도펀트 원소(In, Cu 및 Ga)는, 순도가 99.9at.％ 이상이며 잔부가 불가피 불순물로 구성되는 것을 사용하였다.
본딩 와이어에 사용하는 Ag 합금은, 원기둥형으로 가공한 카본 도가니에 원료를 장전하고, 고주파로를 사용하여, 진공 중 혹은 N2, Ar 가스 등의 불활성 분위기에서 1080 내지 1600℃까지 가열하여 용해시킨 후, 연속 주조로 φ4 내지 6mm의 와이어를 제조하였다.
얻어진 Ag 합금에 대하여, 다이스를 사용하여 신선 가공 등을 행함으로써, φ300 내지 600㎛의 와이어를 제작하였다. 그 후, 200 내지 700℃의 중간 열처리와 신선 가공을 반복해서 행함으로써 최종 선 직경인 φ20㎛까지 가공하였다. 신선에는 시판되고 있는 윤활액을 사용하고, 신선 시의 와이어 이송 속도는 20 내지 600m/분으로 하였다. 중간 열처리는 와이어를 연속적으로 소인하면서, Ar 가스 분위기 중에서 행하였다. 중간 열 처리 시의 와이어의 이송 속도는 20 내지 100m/분으로 하였다.
신선 가공 후의 와이어는 최종적으로 파단 신율이 약 9 내지 25％가 되도록 최종 열처리를 실시하였다. 최종 열처리는 중간 열처리와 마찬가지의 방법으로 행하였다. 최종 열 처리 시의 와이어의 이송 속도는 중간 열 처리와 마찬가지로 20 내지 100m/분으로 하였다. 최종 열처리 온도는 200 내지 700℃이며 열처리 시간은 0.2 내지 1.0초로 하였다.
본딩 와이어 중의 제1 원소, 제2 원소, 다른 도펀트 원소의 농도는, 본딩 와이어를 강산으로 용해시킨 액을 ICP 발광 분광 분석 장치, ICP 질량 분석 장치를 이용하여 분석하고, 본딩 와이어 전체에 포함되는 원소의 농도로서 검출하였다.
(시험·평가 방법)
이하, 시험·평가 방법에 대하여 설명한다.
[고온 환경 하에 있어서의 접합 신뢰성의 평가]
접합 신뢰성 평가용 샘플은, 일반적인 금속 프레임 상의 Si 기판에 두께 1.0㎛의 Al막을 성막한 전극에, 시판되고 있는 와이어 본더를 사용하여 볼 접합을 행하고, S 함유 몰드 수지에 의해 밀봉하여 제작하였다. 여기서, S 함유 몰드 수지로서는, S 농도가 다른 2종류의 에폭시 수지를 사용하였다. 저농도 S 함유 수지로서는, S 농도가 2질량ppm인 것을 사용하고, 고농도 S 함유 수지로서는, S 농도가 16질량ppm인 것을 사용하였다. 에폭시 수지 중의 S 농도는, 수지를 분쇄하여 질소 가스 플로우 중에서 200℃, 10시간 가열하고, 캐리어 질소 가스에 포함되는 수지로부터의 아웃 가스를 과산화수소수로 포집하고, 이온 크로마토그래피에 의해 S 농도의 평가를 행하였다. 또한, 볼은 N2+5％H2 가스를 유량 0.4 내지 0.6L/min으로 흘리면서 형성하고, 볼 직경은 와이어 선 직경에 대하여 1.5 내지 1.6배의 범위로 하였다.
고온 환경 하에 있어서의 접합 신뢰성은, 고온 방치 시험(HTSL: High Temperature Storage Life Test)에 의해 평가하였다. 상세하게는, 고온 항온기를 사용하여, 온도 175℃의 환경에 폭로했을 때의 볼 접합부의 접합 수명에 의해 판정하였다. 볼 접합부의 접합 수명은, 250시간마다 볼 접합부의 전단 시험을 실시하고, 전단 강도의 값이 초기에 얻어진 전단 강도의 1/2가 되는 시간으로 하였다. 고온 방치 시험 후의 전단 시험은, 산 처리에 의해 수지를 제거하여, 볼 접합부를 노출시키고 나서 행하였다.
HTSL 평가의 전단 시험기는 DAGE사제의 시험기를 사용하였다. 전단 강도의 값은 무작위로 선택한 볼 접합부의 10군데의 측정값의 평균값을 사용하였다. 그리고, 이하의 기준에 따라서 평가하였다.
평가 기준:
◎◎: 접합 수명 3000시간 이상
◎: 접합 수명 2000시간 이상 3000시간 미만
○: 접합 수명 1000시간 이상 2000시간 미만
×: 접합 수명 1000시간 미만
[칩 대미지]
칩 대미지의 평가는, Si 기판에 두께 1.0㎛의 Al막을 성막한 전극에, 시판되고 있는 와이어 본더를 사용하여 볼 접합을 행하고, 와이어 및 Al 전극을 약액에 용해시켜 Si 기판을 노출시키고, 볼 접합부 바로 아래의 Si 기판을 광학 현미경으로 관찰함으로써 행하였다(평가수 N=100). Si 기판에, 대미지가 보였을 경우에는 불량으로 판정하였다. 그리고, 이하의 기준에 따라서 평가하였다.
평가 기준:
◎: 불량 0군데
○: 불량 1군데(실용상 문제 없음)
×: 불량 2군데 이상
[압착 형상]
볼 접합부의 압착 형상(볼의 찌부러진 형상)의 평가는, Si 기판에 두께 1.0㎛의 Al막을 성막한 전극에, 시판되고 있는 와이어 본더를 사용하여 볼 접합을 행하고, 바로 위에서 광학 현미경으로 관찰하였다(평가수 N=100). 볼의 찌부러진 형상의 판정은, 찌부러진 형상이 원형에 가까운 경우에 양호로 판정하고, 타원형이나 꽃잎상의 형상이면 불량으로 판정하였다. 그리고, 이하의 기준에 따라서 평가하였다.
평가 기준:
◎: 불량 없음
○: 불량 1 내지 4군데(실용상 문제 없음)
×: 불량 5군데 이상
[초기 접합 강도]
볼 접합부의 초기 접합 강도는, Si 기판에 두께 1.0㎛의 Al막을 성막한 전극에, 시판되고 있는 와이어 본더를 사용하여 볼 접합을 행하고, 볼 접합부의 전단 시험을 실시하여 평가하였다. 전단 시험기는 DAGE사제의 시험기를 사용하였다. 전단 강도의 값은 무작위로 선택한 볼 접합부의 20군데의 측정값의 평균값을 사용하고, 이하의 기준에 따라서 평가하였다.
평가 기준:
◎: 평균값 16gf 이상
○: 평균값 10gf 이상 16gf 미만
×: 평균값 10gf 미만
실시예 및 비교예의 평가 결과를 표 1 및 표 2에 나타낸다.
Figure pct00001
Figure pct00002
실시예 No.1 내지 19는 모두, 제1 원소 및 제2 원소의 함유량이 본 발명 범위 내에 있고, S 함유량이 높은 몰드 수지(고농도 S 함유 수지)를 사용하는 경우에도, 고온 환경 하에서 양호한 접합 신뢰성을 나타냄과 함께, 볼 접합 시의 칩 대미지를 억제할 수 있는 것을 확인하였다.
덧붙여, 제1 원소의 함유량이 1at.％ 초과인 실시예 No.8 내지 15, 19(특히 제2 원소의 함유량이 500at.ppm 이하인 실시예 No.8 내지 11, 13 내지 15, 19)는, 고농도 S 함유 수지를 사용하는 경우에도, 고온 환경 하에서 현저하게 우수한 접합 신뢰성을 나타냄과 함께, 볼 접합부의 압착 형상도 한층 더 양호한 것을 확인하였다. 또한, 제1 원소의 함유량이 2at.％ 초과이면, 제2 원소의 총계 농도가 15at.ppm 이상 35at.ppm 미만과 같은 극저량 영역에 있어서도, 고농도 S 함유 수지를 사용하는 경우에도 고온 환경 하에서 현저하게 우수한 접합 신뢰성을 나타냄과 함께, 볼 접합부의 압착 형상도 한층 더 양호한 것을 확인하였다(실시예 No.11, 19).
한편, 비교예 No.1 내지 12는, 제1 원소 및 제2 원소 중 적어도 한쪽의 함유량이 본 발명 범위 밖이며, 고농도 S 함유 수지를 사용하는 경우에 고온 환경 하에서 접합 신뢰성이 불량하거나, 볼 접합 시에 칩 대미지가 발생하거나 하는 것을 확인하였다.

Claims (7)

  1. Pd 및 Pt로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상의 원소(이하, 「제1 원소」라고 함)와, P, Cr, Zr 및 Mo로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상의 원소(이하, 「제2 원소」라고 함)를 함유하고, 제1 원소의 총계 농도를 x1[at.％], 제2 원소의 총계 농도를 x2[at.ppm]로 했을 때,
    0.05≤x1≤3.0
    15≤x2≤700
    을 만족시키고, 잔부는 Ag를 포함하는, 반도체 장치용 Ag 합금 본딩 와이어.
  2. 제1항에 있어서, In, Ga, Cd 및 Sn의 총계 농도가 0.05at.％ 미만인, Ag 합금 본딩 와이어.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 제1 원소의 총계 농도를 x1[at.％], 제2 원소의 총계 농도를 x2[at.％], Ag의 농도를 xAg[at.％]로 했을 때, 하기 식 (1)로 구해지는, 기타 원소의 총계 농도가 0.05at％ 미만인, Ag 합금 본딩 와이어.
    식 (1): 100-(x1+x2+xAg)[at.％]
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 잔부가 Ag 및 불가피 불순물로 이루어지는, Ag 합금 본딩 와이어.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 각 원소의 농도가 ICP 발광 분광 분석 또는 ICP 질량 분석에 의해 측정한 농도인, Ag 합금 본딩 와이어.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, Ag 이외의 금속을 주성분으로 하는 피복을 갖지 않는, Ag 합금 본딩 와이어.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 기재된 Ag 합금 본딩 와이어를 포함하는 반도체 장치.
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