KR20230058384A - Al 배선재 - Google Patents

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KR20230058384A
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wiring material
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도모히로 우노
데츠야 오야마다
유야 스토
다이조 오다
유토 구리하라
료 오이시
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닛데쓰마이크로메탈가부시키가이샤
닛테츠 케미컬 앤드 머티리얼 가부시키가이샤
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Abstract

양호한 고온 신뢰성을 초래함과 함께, 장치에 대한 설치·접속 시의 작업성이나 접합성이 양호한, 신규의 Al 배선재를 제공한다. 해당 Al 배선재는, Mg, Si를 함유하고, Mg의 함유량을 x1a[질량％], Si의 함유량을 x1b[질량％]라 했을 때, 0.05≤x1a≤2.5, 0.02≤x1b≤1, 0.1≤(x1a+x1b)≤3이고, 또한 Sc, Er, Yb, Gd, Ce 및 Y로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상을 함유하고, 그 함유량의 총계를 x2[질량％]라 했을 때, 0.001≤x2≤0.5이고, 잔부는 Al을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

Al 배선재
본 발명은, Al 배선재에 관한 것이다. 나아가, 해당 Al 배선재를 포함하는 반도체 장치에 관한 것이다.
산업 기기나 전자 부품에 있어서 전기적 접속 및/또는 기계적 접속에 사용되는 선상의 재료에서는, 자동차의 전자화 수요에 수반하여, 종래의 구리(Cu)보다도 경량, 저비용을 위하여 알루미늄(Al)의 사용이 증가하고 있다. 반송 기기, 로봇 등의 산업 기기에 사용되는 Al선(원형), Al조(평형, 타원)에서는, 사용 목적에 따라서 파단 강도, 신율 등의 기계적 특성이나, 전기 전도성, 열전도성 등이 요구된다.
반도체 장치에서는, 반도체 칩 상에 형성된 전극과, 리드 프레임이나 회로 기판(단순히 「기판」이라고도 함) 상의 전극 사이를 본딩 와이어나 본딩 리본에 의해 접속하고 있고, 파워 반도체 장치에 있어서는, 그 재질로서 주로 Al이 사용되고 있다. 예를 들어, 특허문헌 1에는, 파워 반도체 모듈에 있어서, 300㎛φ의 Al 본딩 와이어를 사용하는 예가 나타나 있다. Al 본딩 와이어나 Al 본딩 리본을 사용한 파워 반도체 장치에 있어서, 본딩 방법으로서는, 반도체 칩 상 전극과의 제1 접속과, 리드 프레임이나 기판 상의 전극과의 제2 접속 모두, 웨지 접합이 사용되고 있다.
상술한 Al선, Al조, Al 본딩 와이어, Al 본딩 리본 등을 총칭하여, 이하, Al 배선재라고 한다.
Al 배선재를 사용한 파워 반도체 장치는, 에어컨이나 태양광 발전 시스템 등의 대전력 기기, 차량 탑재용의 반도체 장치로서 사용되는 경우가 많다. 이들의 반도체 장치에 있어서는, 장치 작동 시에, 배선재와 피접속 부재의 접속부는 140℃ 이상의 고온에 노출된다. 또한, 고전압의 ON/OFF가 고속으로 진행하면, 승온과 강온을 반복하는 엄격한 환경이 된다. 배선재로서 고순도의 Al만으로 이루어지는 재료를 사용한 경우, 장치 작동 시의 온도 환경에 있어서 배선재의 연화가 진행되기 쉽기 때문에, 고온 환경에서 사용하는 것이 곤란하였다.
Al에 특정의 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 향상한 Al 본딩 와이어가, 또한, 특허문헌 3에는, Al에 0.15 내지 0.5질량％의 Sc를 첨가하여 강제 고용한 Al 본딩 와이어이며, 접속 후에 시효 열처리에 의해 석출 경화되는 와이어가 개시되어 있다. 특허문헌 4에는, 니켈(Ni), 규소(실리콘)(Si) 및 인(P) 중의 1종 이상을 합계로 800질량ppm 이하 함유하는 Al 배선재가 양호한 접합 강도, 내후성을 나타내는 것이 개시되어 있다. 특허문헌 5에는, 마그네슘(Mg) 및 Si의 함유량의 합계가 0.03wt％ 이상 0.3wt％ 이하인 Al 배선재가 접속부의 신뢰성을 향상시키는 것이 개시되어 있다.
일본 특허 공개 제2002-314038호 공보 일본 특허 공표 제2016-511529호 공보 일본 특허 공개 제2014-47417호 공보 일본 특허 공개 제2016-152316호 공보 일본 특허 제6272674호 공보
산업 기기나 전자 부품의 고기능화, 적용 범위의 확대에 수반하여, Al 배선재에 요구되는 요구는 엄격해지고 있다. 반송 기기, 로봇 등의 산업 기기에 사용되는 Al 배선재에 대해서는, 고온 환경 혹은 반복 굽힘 변형에 대한 적응이 요구된다. 최근에는, 자동차 관련 용도에 있어서 고온 환경에서 사용되는 동안에 와이어의 강도가 열화되고, 변형 이상이나 크랙이 발생하고, 그것이 진행하면 단선에 이르는 경우가 있다. 따라서, 고온 환경에 있어서의 Al 배선재의 강도 저하를 억제하여, 고온 신뢰성을 향상시키는 것이 과제로 되어 있지만, 이것은, 배선재의 강도를 단순히 증가시키는 것만으로는, 충분한 고온 신뢰성을 얻는 것은 어려운 것에 추가하여, 설치 사용 시의 작업성, 접합성 등이 저하될 것도 염려된다.
또한 반도체 등의 전자 부품에 사용되는 Al 배선재에서는, 자동차에 적합한 파워 디바이스의 용도 확대에 의해, 초기 접합성과 접합부의 고온 신뢰성을 향상시킬 것이 요구된다. 반도체에 있어서의 Al 배선재의 접속은 2군데 있고, 반도체 칩 상 전극과의 접속(이하, 「제1 접속」이라고 칭함)과, 리드 프레임이나 기판 상의 외부 전극과의 접속(이하, 「제2 접속」이라고 칭함)이다. 파워 디바이스에서는, 작동 시의 온도 변화에 수반하는 충격적인 열응력이 발생하고(이하, 「열충격」이라고 칭함), Al 배선재와 반도체 칩 상 전극의 접속부인 제1 접속부에서 손상이 일어나는 경우가 있다. 구체적으로는, Al 배선재와 피접속 부재의 열팽창률 차에 기인하여 접속부 계면에 크랙이 발생하는 경우가 있다(이하, 「본드 크랙」이라고 칭함). Al 배선재 자체의 신축에 의한 굽힘 응력에 기인하여 접속부 근방의 루프 상승부에 크랙이 발생하는 경우도 있다(이하, 「힐 크랙」이라고 칭함). 장치 작동 시의 환경 하에 있어서의 부식에 의해, 이들 본드 크랙이나 힐 크랙은 진전하여, 최종적으로 Al 배선재의 접속부의 박리 등이 일어나, 접속부의 고온 신뢰성은 손상된다. 여기서, 열충격을 가속 평가하는 방법의 하나로서, 파워 사이클 시험이 실시된다. 이것은 전압의 ON/OFF를 반복함으로써 급속한 가열과 냉각을 반복하는 시험이다. 이 열충격에 의해, 피접속 부재와의 접속부의 접합 강도가 저하되거나, 보다 악화되거나 하면, 접속 계면 근방에 크랙이 진전하여 박리되는 것 등이 문제가 된다. 이 점, Al 배선재에 타 원소를 첨가하여 결정립의 조대화를 억제하고 고강도화하는 방법이 생각되기는 하지만, 이러한 방법에서는, Al 배선재 중의 타 원소의 함유량이 높아짐에 따라서, Al 배선재의 제조 시에 단선이나 흠집이 발생하여 수율이 저하되거나, Al 배선재를 접속할 때에 피접속 부재가 손상되거나(이하, 「칩 대미지」라고 칭함) 하는 경우가 있다.
또한, SiC 등의 고온용 파워 디바이스에서 요구되는 고온 환경 하에서의 장시간에 걸친 접속부의 신뢰성을 달성, 개선하는 것은 어려워지고 있다. 예를 들어 파워 사이클 시험에 있어서의 내구성에 대해서, 1만회의 사이클을 초과하는 엄격한 조건에서는 Al 배선재의 접속부에서 본드 크랙 등의 불량이 발생하는 것이, 파워 디바이스의 실용화의 장애가 된다.
타 원소를 첨가한 Al 배선재에서는, 고용, 석출 등을 이용하여 성능의 향상이 도모되고 있고, Al 배선재의 제조 시에 있어서의 열처리나, Al 배선재를 접속한 후에 열처리를 실시하는 것이 행해진다. 이때, 상술한 고온 신뢰성을 높이기 위해서는, 종래의 Al 배선재 제품보다도 고온 또는 장시간에 열처리를 실시하는 것이 필요로 되고, 이것이 접합성의 열화, 생산성의 저하, 제조 비용의 상승, Al 배선재의 피접속 부재(예를 들어, 기판 및 주변 부재)에 대한 열영향으로 이어지는 것이 문제가 된다. 따라서, 저온 또는 단시간에 열처리해도 고온 신뢰성을 향상할 수 있는 Al 배선재가 요구된다.
지금까지도, Al 배선재의 고온 신뢰성을 향상시키는 기술에 대하여 검토가 이루어지고 있다. 예를 들어, Mg, Si를 함유한 Al 배선재에서는, 고온 신뢰성이 개선되는 것이 알려져 있다(특허문헌 4, 5). 그러나, 그 개선 효과는 작은 것 등 으로 실용화되어 있지 않다. 엄격한 파워 사이클 시험에서는 짧은 사이클 수의 범위에서는 개선되는 경우도 있지만, 사이클 수가 증가하면 접속부에 크랙 등의 불량이 발생한다. 또한, Sc를 함유한 Al 배선재도, 고온 신뢰성을 개선하는 것이 알려져 있다(특허문헌 2, 3). 그러나 고온 신뢰성을 높이기 위해서는, 제조 시의 열처리를 고온에서 행할 필요가 있는 등, 적정한 열처리 조건의 범위가 좁고, 관리하는 것이 어려운 등의 문제가 있다. 또한, 접속 후의 열처리를 행하는 경우에 대해서도, 고온에서 비교적 오랜 시간의 열처리를 필요로 하여, 실용화의 장애가 된다.
배선재 제조 시의 열처리 혹은 접속 후의 열처리에 대해서, 저온 혹은 단시간의 처리에 의해, 접속부의 신뢰성이나 접합성을 향상할 수 있으면, 고온 환경 사용 시의 품질, 신뢰성을 높일 수 있고, 자동차용 전자 부품, 파워 반도체 장치 등의 기능, 품질, 신뢰성의 향상에 기여한다.
본 발명은, 양호한 고온 신뢰성을 초래함과 함께, 장치에 대한 설치·접속 시의 작업성이나 접합성이 양호한, 신규의 Al 배선재를 제공하는 것을 과제로 한다.
본 발명자들은, 상기 과제에 대하여 예의 검토한 결과, 하기 구성을 갖는 Al 배선재에 의해 상기 과제를 해결할 수 있는 것을 알아내고, 이러한 지견에 기초하여 검토를 더 거듭함으로써 본 발명을 완성하였다.
즉, 본 발명은 이하의 내용을 포함한다.
[1] Mg 및 Si를 함유하고, Mg의 함유량을 x1a[질량％], Si의 함유량을 x1b[질량％]라 했을 때,
0.05≤x1a≤2.5,
0.02≤x1b≤1,
0.1≤(x1a+x1b)≤3
이고, 또한 Sc, Er, Yb, Gd, Ce 및 Y로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상을 함유하고, 그 함유량의 총계를 x2[질량％]라 했을 때,
0.001≤x2≤0.5
이고, 잔부는 Al을 포함하는, Al 배선재.
[2] 추가로 Zr, Fe, Ni, Mn, Cu 및 Zn으로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상을 함유하고, 그 함유량의 총계를 x3[질량％]이라 했을 때,
0.01≤x3≤0.5
인, [1]에 기재된 Al 배선재.
[3] 본딩 와이어인, [1] 또는 [2]에 기재된 Al 배선재.
[4] [1] 내지 [3]의 어느 것에 기재된 Al 배선재를 포함하는 반도체 장치.
본 발명에 따르면, 양호한 고온 신뢰성을 초래함과 함께, 장치에 대한 설치·접속 시의 작업성이나 접합성이 양호한, 신규의 Al 배선재를 제공할 수 있다. 이러한 신규의 Al 배선재는, 장치에 대한 설치·접속 시의 작업성이나 접합성을 높일 수 있음과 함께, 배선재 제조 시의 열처리 혹은 접속 후의 열처리에 대해서, 저온 혹은 단시간의 처리에 의해, 또는 해당 열처리를 필요로 하지 않아, 양호한 고온 신뢰성을 나타낼 수 있다.
이하, 본 발명을 그 적합한 실시 형태에 입각하여 상세하게 설명한다.
[Al 배선재]
본 발명의 Al 배선재는, Mg 및 Si를 함유하고, Mg의 함유량을 x1a[질량％], Si의 함유량을 x1b[질량％]라 했을 때, 0.05≤x1a≤2.5, 0.02≤x1b≤1, 0.1≤(x1a+x1b)≤3인 것을 특징으로 한다. 본 발명의 Al 배선재는, 추가로 Sc, Er, Yb, Gd, Ce 및 Y로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상을 함유하고, 그 함유량의 총계를 x2[질량％]라 했을 때, 0.001≤x2≤0.5인 것을 특징으로 한다.
Al 배선재 중에 Mg와 Si(이하, 「제1군 원소」라고도 함)를 함유하고, 추가로 Sc, Er, Yb, Gd, Ce 및 Y로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상(이하, 「제2군 원소」라고도 함)을 함유함으로써, Al 배선재 제조 시의 열처리 혹은 접속 후의 열처리를 저온 혹은 단시간에 실시해도, Al 배선재의 고온 신뢰성을 높일 수 있음과 함께, 피접속 부재에 대한 설치·접속 시의 작업성이나 접합성과 같은 상온 특성을 높일 수 있다. 고온 신뢰성과 상온 특성을 동시에 충족함으로써, 자동차용 전자 부품, 파워 반도체 장치 등의 고출력 전자 장치에서 사용하는 경우의 고온 신뢰성을 향상·촉진할 수 있다. 또한, 제1군 원소와 제2군 원소를 복합 첨가한 Al 배선재에서는, 해당 Al 배선재와 피접속 부재(예를 들어 Al 전극)를 상온에서 접속했을 때의 접속 계면에 있어서, 금속 접합이 불충분한 미접합 면적을 저감할 수 있고, 접합 강도의 증가, 양산 시의 접속부 박리의 저감이라고 하는 우수한 효과가 얻어진다. 또한 전자 기기의 고출력 동작 시의 고온과 저온을 반복하는 열 이력에 있어서의 접속부의 고온 신뢰성을 개선하는 것이 가능하게 된다. 예를 들어, 고온 신뢰성을 평가하는 가속 시험인 파워 사이클 시험에 있어서, 접합 강도의 저하를 억제하거나, 접속부의 크랙 발생을 억제하거나 할 수 있다.
Mg와 Si를 함유함으로써, Al 배선재 제조 시의 열처리 혹은 접속 후의 열처리의 온도가 낮은 경우에도, Al 내에서의 고용 및 Mg-Si계 화합물의 형성에 의해, 고온 환경에서의 회복·재결정의 진행을 억제하는 효과가 얻어진다. 또한 Sc, Er, Yb, Gd, Ce 및 Y로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상을 함유함으로써, 그 재결정을 억제하는 효과를 보다 고온 또는 장시간에 걸쳐 유지함으로써, 우수한 고온 신뢰성을 실현할 수 있다. 고전압을 인가하는 파워 사이클 시험에 대해서, 1만회를 초과하는 엄격한 조건에서도 Al 배선재의 접속부에서 재결정립이 조대화하여 크랙이 발생하는 불량을 억제할 수 있고, 높은 접합 강도를 유지하는 것이 가능하다. 또한 제1군 원소나 제2군 원소의 종류나 첨가량 등을 적정화함으로써, 고온 환경 하에서의 접합 강도를 초기보다도 높이는 것도 가능하다.
이러한 개선 효과를 발휘하는 요인에 대해서는 불분명한 점도 있지만, 저온의 열처리에 있어서 Mg-Si계의 화합물, 석출물, 중간상의 생성이 일어나고, 해당 생성물의 주변에 있어서 Sc, Er, Yb, Gd, Ce, Y의 원소가 집합하거나, 이들 원소가 Al과 반응하여 석출물(Al3Sc, Al3Er, Al3Yb 기타)을 형성하거나 하는 것이 생각된다. 이러한 첨가 원소가 복합적으로 작용함으로써, 고온 환경 하에서 Al 배선재 내의 전위, 입계의 이동을 억제하여 강도를 유지·증가하거나, 혹은 재결정의 입성장을 억제하여 결정립을 미세화하거나 할 수 있는 것으로 생각한다.
제1군 원소와 제2군 원소를 모두 함유하는 본 발명의 Al 배선재는, 피접속 부재에 대한 접속 시에 접합성을 향상할 수 있는 점에 있어서도 우수하다. 즉, 해당 Al 배선재라면, 접속 계면에서 금속 접합이 얻어지고 있는 영역의 비율에 상당하는 유효 접합 면적비 R을 높일 수 있다. 결과로서, 접속 시의 하중 및 초음파 진동이 약한 조건에서도, 접합 강도를 향상시킬 수 있고, 칩에 대한 대미지 경감 등에 유효하다. 접합성은 전단 측정법에 의한 접합 강도로 거의 평가할 수 있지만, R값의 평가는 접속 계면에서의 실태를 보다 정확하게 판단하는 데 유효하다. 여기서, 유효 접합 면적비 R은, 접합 면적 M1에 차지하는 금속 접합이 얻어지고 있는 면적 M2의 비율(M2/M1)로서 구해진다. 예를 들어, Al 배선재와 반도체 칩 상 전극과의 접속부에 있어서의 유효 접합 면적비 R은, 이하의 수순에 의해 구할 수 있다. 먼저 접속부의 전단 시험을 행하고, 그 파단한 피접속 전극을 광학 현미경 또는 SEM으로 관찰한다. 그리고 화상 해석에 의해, 접합 면적 M1과, 접합 시에 전극은 변형되어 있지만 금속 접합이 얻어지지 않고 있다고 판단되는 미접합부의 면적 M3을 구하고, 금속 접합이 얻어지고 있는 면적 M2(=M1-M3)를 산출한다. R값은, M1에 차지하는 M2의 비율(M2/M1)로서 산출할 수 있고, 그 계산식은, 구체적으로는, R=M2/M1=(M1-M3)/M1이다. 그리고, R값이 높을수록, 접합성이 양호하고, 또한 고온 신뢰성의 향상에도 유효한 것을 알아내었다.
Mg와 Si(제1군 원소)를 함유하는 것만으로는, 고온 환경 하에서 단시간까지는 신뢰성을 유지할 수 있는 경우는 있지만, 장시간이 경과하면 신뢰성이 오히려 저하되는 것이 문제가 된다. 또한, Sc, Er, Yb, Gd, Ce, Y(제2군 원소)를 함유하는 것만으로는, 고온 신뢰성을 향상시키기 위하여 고온에서의 열처리가 필요하고, Al 배선재의 접합성이 저하되는 문제가 발생한다. 또한 Al 배선재를 접속한 후에 열처리를 실시하는 경우에는, 비교적 고온, 장시간이 필요로 되어, 상술한 바와 같이 주변 재료에 대한 영향이 염려된다.
이에 비해, 제1군 원소와 제2군 원소를 공존시킴으로써, Al 배선재의 제조 시의 열처리 온도를 낮게 하거나, 접속 후에 실시하는 열처리 온도를 낮게 하거나 하는 경우에도, 고온 신뢰성과 접합성을 향상시키는 높은 효과가 얻어지는 것을 확인하였다. 예를 들어, 접속 후에 실시하는 실장 열처리가 저온인 경우의 고온 신뢰성을 비교한 일례를 나타낸다. Al 전극에 접합한 파워 반도체를 사용하여, 저온·단시간의 조건, 즉 200 내지 300℃에서 10분간 내지 2시간의 범위에서 실장 열처리를 실시한 후에, 파워 사이클 시험을 행하여 평가하였다. 제1군 원소와 제2군 원소를 복합 첨가한 Al 배선재에서는, 5만 사이클, 10만 사이클까지 높은 접합 강도를 유지하고, 양호한 결과였다. 한편, 제1군 원소를 단독 첨가한 Al 배선재에서는, 5만 사이클까지는 양호한 강도를 나타내는 경우가 있었지만, 10만 사이클에서는 강도의 저하가 현저하였다. 제2군 원소를 단독 첨가한 Al 배선재에서는, 5만 사이클에서 이미 강도 저하가 확인되었다.
제2군 원소인 Sc, Er, Yb, Gd, Ce, Y에 대해서는, 상기의 첨가 효과를 마찬가지로 발휘할 수 있다. 또한, 각 원소의 특징을 이용함으로써, 요구에 맞춘 적정화도 할 수 있다. 예를 들어, Sc에 대해서는, 고온 환경에서의 강도를 증가시킴으로써, 장치 작동 시에 접속부가 엄격한 고온 환경에 노출되는 경우나 고전압의 ON/OFF가 고속으로 진행되는 작동 환경 하에서도 접합 강도를 유지 혹은 증가시키는 효과를 기대할 수 있다. Er에 대해서는, Al 배선재 제조 시의 열처리나 접속 후의 열처리의 온도가 낮은 경우에도, 고온 신뢰성을 향상시키는 효과가 얻어진다. Yb에 대해서는, Al 내에서의 확산 속도가 빠르기 때문에, 석출 강화를 위한 열처리 시간을 보다 짧게 하는 것에 유리하다. Gd는, Al 배선재의 경도를 억제하는 경향이 강하기 때문에, 상온에서의 Al 배선재의 변형성을 높일 수 있고 초기의 접합성을 향상시키는 데 유리하다. Ce, Y는, 접합 계면 근방의 와이어 가공 경화를 재촉함으로써, 와이어의 접합 형상, 사이즈를 안정화시키는 것에 유리하다. 또한 복수의 원소를 첨가하는 것도 유효하다. 예를 들어, Sc와 Ce나 Sc와 Yb를 공존시키면, 함유량을 저감시켜서 석출 효율을 높일 수 있다. Sc와 Er을 공존시키면, 열처리 온도를 보다 저하시킬 수 있다. 제2군 원소의 조합은 이들에 한정되지 않고, Sc와 Gd, Sc와 Y, Er과 Yb, Er과 Gd, Yb와 Gd, Yb와 Ce, 혹은 Ce와 Y를 조합해도 되고, 이들 중 3원소를 조합해도 되고, 4원소를 모두 조합해도 된다.
본 발명의 Al 배선재는, 제1군 원소로서, Mg 및 Si를 함유하고, Mg의 함유량은 0.05 내지 2.5질량％이고, Si의 함유량은 0.02 내지 1질량％이고, Mg와 Si의 함유량의 총계는 0.1 내지 3질량％이다. 즉, Al 배선재 중의 Mg의 함유량을 x1a[질량％], Si의 함유량을 x1b[질량％]라 했을 때,
0.05≤x1a≤2.5,
0.02≤x1b≤1 및
0.1≤(x1a+x1b)≤3
을 충족한다.
고온 환경에서 사용할 때의 강도를 높이고, 고온 신뢰성이 양호한 Al 배선재를 얻는 관점에서, Al 배선재 중의 Mg의 함유량, 즉, x1a는, 0.05질량％ 이상이고, 바람직하게는 0.06질량％ 이상, 0.08질량％ 이상 또는 0.09질량％ 이상, 보다 바람직하게는 0.1질량％ 이상, 0.15질량％ 이상, 0.2질량％ 이상, 0.25질량％ 이상 또는 0.3질량％ 이상이다. x1b나 (x1a+x1b), x2의 값이 본 발명 범위 내에 있는 것을 조건으로 하여, x1a가 0.1질량％ 이상이면, 고온 특성이 보다 한층 양호한 Al 배선재를 실현할 수 있는 것을 확인하였다.
Al 배선재 중의 Mg의 함유량, 즉 x1a의 상한은, 피접속 부재에 대한 설치·접속 시의 작업성이나 접합성 등의 상온 특성이 양호한 Al 배선재를 얻는 관점에서, 2.5질량％ 이하이고, 바람직하게는 2.4질량％ 이하, 2.3질량％ 이하, 2.2질량％ 이하 또는 2.1질량％ 이하, 보다 바람직하게는 2질량％ 이하, 1.9질량％ 이하, 1.8질량％ 이하, 1.6질량％ 이하 또는 1.5질량％ 이하이다. x1b나 (x1a+x1b), x2의 값이 본 발명 범위 내에 있는 것을 조건으로 하여, x1a가 2질량％ 이하이면, 유효 접합 면적비가 높고, 상온 특성이 보다 한층 양호한 Al 배선재를 실현할 수 있는 것을 확인하였다.
따라서 적합한 일 실시 형태에 있어서, Al 배선재 중의 Mg의 함유량, 즉 x1a는, 0.05≤x1a≤2.5를 충족하고, 보다 적합하게는 0.1≤x1a≤2를 충족한다.
고온 환경에서 사용할 때의 강도를 높이고, 고온 신뢰성이 양호한 Al 배선재를 얻는 관점에서, Al 배선재 중의 Si의 함유량, 즉, x1b는, 0.02질량％ 이상이고, 바람직하게는 0.03질량％ 이상 또는 0.04질량％ 이상, 보다 바람직하게는 0.05질량％ 이상, 0.06질량％ 이상, 0.08질량％ 이상 또는 0.1질량％ 이상이다. x1a나 (x1a+x1b), x2의 값이 본 발명 범위 내에 있는 것을 조건으로 하여, x1b가 0.05질량％ 이상이면 고온 특성이 보다 한층 양호한 Al 배선재를 실현할 수 있는 것을 확인하였다.
Al 배선재 중의 Si의 함유량, 즉 x1b의 상한은, 피접속 부재에 대한 설치·접속 시의 작업성이나 접합성 등의 상온 특성이 양호한 Al 배선재를 얻는 관점에서, 1질량％ 이하이고, 바람직하게는 0.95질량％ 이하, 0.9질량％ 이하 또는 0.85질량％ 이하, 보다 바람직하게는 0.8질량％ 이하, 0.75질량％ 이하, 0.7질량％ 이하, 0.65질량％ 이하 또는 0.6질량％ 이하이다. x1a나 (x1a+x1b), x2의 값이 본 발명 범위 내에 있는 것을 조건으로 하여, x1b가 0.8질량％ 이하이면, 유효 접합 면적비가 높고, 상온 특성이 보다 한층 양호한 Al 배선재를 실현할 수 있는 것을 확인하였다.
따라서 적합한 일 실시 형태에 있어서, Al 배선재 중의 Si의 함유량, 즉 x1b는, 0.02≤x1b≤1을 충족하고, 보다 적합하게는 0.05≤x1b≤0.8을 충족한다.
고온 환경에서 사용할 때의 강도를 높이고, 고온 신뢰성이 양호한 Al 배선재를 얻는 관점에서, Al 배선재 중의 Mg와 Si의 함유량의 총계, 즉, (x1a+x1b)는 0.1질량％ 이상이고, 바람직하게는 0.12질량％ 이상, 0.14질량％ 이상, 0.16질량％ 이상 또는 0.18질량％ 이상, 보다 바람직하게는 0.2질량％ 이상, 0.25질량％ 이상, 0.3질량％ 이상, 0.35질량％ 이상 또는 0.4질량％ 이상이다. x1a나 x1b, x2의 값이 본 발명 범위 내에 있는 것을 조건으로 하여, (x1a+x1b)가 0.2질량％ 이상이면, 고온 특성이 보다 한층 양호한 Al 배선재를 실현할 수 있는 것을 확인하였다.
Al 배선재 중의 Mg와 Si의 함유량의 총계, 즉, (x1a+x1b)의 상한은, 피접속 부재에 대한 설치·접속 시의 작업성이나 접합성 등의 상온 특성이 양호한 Al 배선재를 얻는 관점에서, 3질량％ 이하이고, 바람직하게는 2.9질량％ 이하, 2.8질량％ 이하, 2.7질량％ 이하 또는 2.6질량％ 이하, 보다 바람직하게는 2.5질량％ 이하, 2.4질량％ 이하, 2.3질량％ 이하, 2.2질량％ 이하, 2.1질량％ 이하 또는 2질량％ 이하이다. x1a나 x1b, x2의 값이 본 발명 범위 내에 있는 것을 조건으로 하여, (x1a+x1b)가 2.5질량％ 이하이면, 유효 접합 면적비가 높고, 상온 특성이 보다 한층 양호한 Al 배선재를 실현할 수 있는 것을 확인하였다.
따라서 적합한 일 실시 형태에 있어서, Al 배선재 중의 Mg와 Si의 함유량의 총계, 즉 (x1a+x1b)는 0.1≤(x1a+x1b)≤3을 충족하고, 보다 적합하게는 0.2≤(x1a+x1b)≤2.5를 충족한다.
본 발명의 Al 배선재는, 제2군 원소로서, Sc, Er, Yb, Gd, Ce 및 Y로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상을 총계로 0.001 내지 0.5질량％의 범위에서 함유한다. 즉, Al 배선재 중의 제2군 원소의 함유량 총계를 x2[질량％]라 했을 때, 0.001≤x2≤0.5를 충족한다.
고온 환경에서 사용할 때의 강도를 높이고, 고온 신뢰성이 양호한 Al 배선재를 얻는 관점에서, Al 배선재 중의 제2군 원소의 함유량 총계, 즉, x2는, 0.001질량％ 이상이고, 바람직하게는 0.002질량％ 이상, 0.003질량％ 이상 또는 0.004질량％ 이상, 보다 바람직하게는 0.005질량％ 이상, 0.006질량％ 이상, 0.008질량％ 이상, 0.01질량％ 이상, 0.015질량％ 이상, 0.02질량％ 이상, 0.025질량％ 이상 또는 0.03질량％ 이상이다. x1a나 x1b, (x1a+x1b)의 값이 본 발명 범위 내에 있는 것을 조건으로 하여, x2가 0.005질량％ 이상이면, 고온 특성이 보다 한층 양호한 Al 배선재를 실현할 수 있는 것을 확인하였다.
Al 배선재 중의 제2군 원소의 함유량의 총계, 즉 x2의 상한은, 피접속 부재에 대한 설치·접속 시의 작업성이나 접합성 등의 상온 특성이 양호한 Al 배선재를 얻는 관점에서, 0.5질량％ 이하이고, 바람직하게는 0.48질량％ 이하 또는 0.46질량％ 이하, 보다 바람직하게는 0.45질량％ 이하, 0.44질량％ 이하, 0.42질량％ 이하, 0.4질량％ 이하, 0.38질량％ 이하, 0.36질량％ 이하, 0.35질량％ 이하, 0.34질량％ 이하, 0.32질량％ 이하 또는 0.3질량％ 이하이다. x1a나 x1b, (x1a+x1b)의 값이 본 발명 범위 내에 있는 것을 조건으로 하여, x2가 0.35질량％ 이하이면, 유효 접합 면적비가 높고, 상온 특성이 보다 한층 양호한 Al 배선재를 실현할 수 있는 것을 확인하였다.
따라서 적합한 일 실시 형태에 있어서, Al 배선재 중의 제2군 원소의 함유량의 총계, 즉 x2는, 0.001≤x2≤0.5를 충족하고, 보다 적합하게는 0.005≤x2≤0.35를 충족한다.
-Zr, Fe, Ni, Mn, Cu, Zn(제3군 원소)-
본 발명의 Al 배선재는, 추가로 Zr, Fe, Ni, Mn, Cu 및 Zn으로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상을 함유해도 된다.
제1군 원소 및 제2군 원소에 추가하여, Zr, Fe, Ni, Mn, Cu 및 Zn으로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상(「제3군 원소」라고도 함)을 함유함으로써, Al 배선재 제조 시의 열처리가 보다 저온 혹은 보다 단시간이어도, 고온 환경에서 사용할 때의 강도를 높이고, 고온 신뢰성이 양호한 Al 배선재를 실현할 수 있다. 열처리 시간을 짧게 함으로써, Al 배선재 제조 시의 생산성의 향상, 연속 조작이 가능하다. 또한 현저한 효과로서, Al 배선재의 접속 후에 가열하는 실장 열처리를 보다 저온·단시간에 실시하는 경우에도, 혹은 실장 열처리를 실시하지 않는 경우에도, 고온 신뢰성이 양호한 Al 배선재를 실현할 수 있다. 따라서, 실장 열처리에 의한 실장 공정에 대한 부하를 경감할 수 있고, 또한 피접속 부재나 주변 부재에 대한 열 이력을 경감할 수 있기 때문에, 결과로서 고온 신뢰성을 보다 향상시키는 것이 가능하다.
Al 배선재 제조 시의 열처리 조건에 대해서는, 온도가 400 내지 600℃의 범위에서, 1초간 내지 10분간의 처리 시간으로 단축할 수 있다. 또한 Al 배선재의 접속 후에 가열하는 실장 열처리의 조건에 대해서는, 175 내지 250℃의 저온 영역에서 10 내지 30분간의 처리 시간으로 단축하는 것도 가능하다. 예를 들어, 접속 후에 175℃의 저온에서 실장 열처리를 실시한 경우에 있어서, 20분간 정도의 단시간의 열처리에 의해, 파워 사이클 시험의 접합 강도의 저하를 억제하여, 양호한 고온 신뢰성이 실현되는 것을 확인하였다. 또한 실장 구조, 전극·기판 등의 재료에 따라서는, 실장 열처리를 실시하지 않는 경우에도, 양호한 고온 신뢰성을 얻는 것이 가능하다.
제1군 원소 및 제2군 원소에 추가하여, 제3군 원소인 Zr, Fe, Ni, Mn, Cu, Zn을 첨가함으로써 발휘되는 상승 효과에 대해서는, 상술의 Mg-Si계의 중간상의 형성이나 금속 간 화합물의 석출을 촉진하는 것, 또한 제2군 원소인 Sc, Er, Yb, Gd, Ce, Y의 확산을 촉진하여 미세한 석출물(Al3Sc, Al3Er, Al3Yb, Al3Gd 기타)의 형성을 촉진하는 것 등에 의해, 고온에서의 결정립의 조대화를 억제하고 있을 것으로 생각된다.
본 발명의 Al 배선재는, 제3군 원소로서, Zr, Fe, Ni, Mn, Cu 및 Zn으로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상을 총계로 0.01 내지 0.5질량％의 범위에서 함유하는 것이 바람직하다. 즉, Al 배선재 중의 제3군 원소의 함유량 총계를 x3[질량％]이라 했을 때, 0.01≤x3≤0.5를 충족하는 것이 바람직하다.
Al 배선재 제조 시의 열처리 혹은 접속 후의 열처리를 저온 혹은 단시간에 실시해도, 고온 환경에서 사용할 때의 강도를 높이고, 고온 신뢰성이 양호한 Al 배선재를 얻는 관점에서, Al 배선재 중의 제3군 원소의 함유량 총계, 즉, x3은, 바람직하게는 0.01질량％ 이상이고, 보다 바람직하게는 0.02질량％ 이상, 0.03질량％ 이상 또는 0.04질량％ 이상, 더욱 바람직하게는 0.05질량％ 이상, 0.06질량％ 이상, 0.08질량％ 이상 또는 0.1질량％ 이상이다. x1a나 x1b, (x1a+x1b), x2의 값이 본 발명 범위 내에 있는 것을 조건으로 하여, x3이 0.05질량％ 이상이면 Al 배선재 제조 시의 열처리 혹은 접속 후의 열처리를 보다 저온 혹은 보다 단시간에 실시해도, 고온 특성이 양호한 Al 배선재를 실현할 수 있는 것을 확인하였다.
Al 배선재 중의 제3군 원소의 함유량 총계, 즉 x3의 상한은, 피접속 부재에 대한 설치·접속 시의 작업성이나 접합성 등의 상온 특성이 양호한 Al 배선재를 얻는 관점에서, 바람직하게는 0.5질량％ 이하이고, 보다 바람직하게는 0.45질량％ 이하, 더욱 바람직하게는 0.4질량％ 이하, 0.38질량％ 이하, 0.36질량％ 이하, 0.35질량％ 이하, 0.34질량％ 이하, 0.32질량％ 이하 또는 0.3질량％ 이하이다. x1a나 x1b, (x1a+x1b), x2의 값이 본 발명 범위 내에 있는 것을 조건으로 하여, x3이 0.4질량％ 이하이면, 유효 접합 면적비가 높고, 상온 특성이 보다 한층 양호한 Al 배선재를 실현할 수 있는 것을 확인하였다.
따라서 적합한 일 실시 형태에 있어서, Al 배선재 중의 제3군 원소의 함유량의 총계, 즉 x3은, 0.01≤x3≤0.5를 충족하고, 보다 적합하게는 0.05≤x3≤0.4를 충족한다.
본 발명의 Al 배선재의 잔부는, Al을 포함한다. Al 배선재를 제조할 때의 알루미늄 원료로서는, 순도가 4N(Al: 99.99질량％ 이상)의 공업적인 순Al을 사용할 수 있다. 또한 불순물량이 적은 5N(Al: 99.999질량％ 이상) 이상의 알루미늄을 사용하는 것이 보다 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 한에 있어서 특별히 한정되지 않지만, 바람직하게는 98질량％ 이상, 98.5질량％ 이상, 99질량％ 이상, 99.5질량％ 이상, 99.6질량％ 이상, 99.7질량％ 이상, 99.8질량％ 이상, 또는 99.9질량％ 이상이다. 적합한 일 실시 형태에 있어서, 본 발명의 Al 배선재의 잔부는, Al 및 불가피 불순물로 이루어진다.
Al 배선재 중의 제1군 원소, 제2군 원소, 제3군 원소 등의 함유량은, 후술하는 [원소 함유량의 측정]에 기재된 방법에 의해 측정할 수 있다.
본 발명의 Al 배선재는, 해당 Al 배선재의 외주에, Al 이외의 원소를 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 50질량％ 이상인 피복을 말한다.
본 발명의 Al 배선재는, 배선재 제조 시의 열처리 혹은 접속 후의 열처리에 대해서, 저온 혹은 단시간의 처리에 의해, 또는 해당 열처리를 필요로 하지 않고, 고온 환경에서의 사용 시에 강도를 유지·개선하여 양호한 고온 신뢰성을 나타냄과 함께, 장치에 대한 설치·접속 시의 작업성, 접합성과 같은 상온 특성을 높일 수 있다. 따라서 본 발명의 Al 배선재는, 피접속 부재와의 접속 시에, 고온 신뢰성과 상온 특성이 모두 요구되는 광범위한 용도에 사용 가능하고, 예를 들어 반송 기기, 로봇 등의 산업 기기에 있어서 피접속 부재와의 접속에 적합하게 사용할 수 있고(산업 기기용 Al 배선재), 또한 파워 반도체 장치를 비롯한 각종 반도체 장치에 있어서 피접속 부재와의 접속에 적합하게 사용할 수 있다(반도체 장치용 Al 배선재).
본 발명의 Al 배선재는, 그 구체적 사용 양태에 따라서 임의의 치수를 가져도 된다. 본 발명의 Al 배선재가, 반송 기기, 로봇 등의 산업 기기에 사용되는 Al선인 경우, 그 선 직경은 특별히 한정되지 않고, 예를 들어 w는 500㎛ 내지 10mm여도 된다. 또한, 이러한 Al선을 복수 사용한, 꼬임선이어도 된다. Al조인 경우, 그 직사각형 혹은 대략 직사각형의 단면의 치수(w×t)는, 특별히 한정되지 않고, 예를 들어 w는 500㎛ 내지 10mm여도 되고, t는 50㎛ 내지 2mm여도 된다. 또한, 본 발명의 Al 배선재가, 파워 반도체 장치를 비롯한 각종 반도체 장치에 사용되는 Al 본딩 와이어인 경우, 그 선 직경은 특별히 한정되지 않고, 예를 들어 직경은 50 내지 600㎛이면 된다. 또한, Al 본딩 리본인 경우, 그 직사각형 혹은 대략 직사각형의 단면 치수(w×t)는, 특별히 한정되지 않고, 예를 들어 w는 100 내지 3000㎛이면 되고, t는 50 내지 600㎛이면 된다.
본 발명의 Al 배선재의 제조 방법은 특별히 한정되지 않고, 예를 들어 압출 가공, 스웨이징 가공, 신선 가공, 압연 가공 등의 공지의 가공 방법을 사용하여 제조해도 된다. 어느 정도 선 직경이 미세한 경우, 다이아몬드 다이스를 사용한 신선 가공을 실시하는 것이 바람직하다. 신선을 실온에서 행하는 냉간 가공이, 제조 장치 등 비교적 간단한 구성이고, 작업성이 우수하다. 또한 신선 시의 저항을 낮추어서 생산성을 높이는 경우에는, 가열하여 신선하는 열간 가공을 사용해도 된다.
각 첨가 원소의 함유량이 특정 범위가 되도록, Al 및 각 첨가 원소의 순금속을 출발 원료로서 칭량한 후, 이것을 혼합하여 용융 응고시킴으로써 잉곳을 제작한다. 또는, 각 첨가 원소의 원료로서는, 첨가 원소를 고농도로 포함하는 모합금을 사용해도 된다. 이 잉곳을 만드는 용해 과정에서는, 뱃치식, 연속 주조식을 사용할 수 있다. 연속 주조식은 생산성이 우수하지만, 뱃치식은 응고의 냉각 온도 조건을 변경하는 것이 용이하다. 이 잉곳을 최종 치수가 될 때까지 가공하여, Al 배선재를 형성한다.
잉곳의 상태에서, 혹은, 가공의 도중 혹은 가공 종료 후에, 각 첨가 원소를 고용시켜서, 균등하게 분포시키기 위해서, 용체화 열처리를 행하는 것이 바람직하다. 용체화 열처리에서는, 고용도가 높은 고온에서 첨가 원소를 Al 내에 고용시켜, 그 고용한 원소가 석출하는 것을 억제하기 위해서, 수랭, 공랭 등에 의해 냉각 속도를 빠르게 하여 상온으로 냉각한다. 용체화 열처리의 조건은, 예를 들어 500 내지 640℃의 온도 범위에서 0.5시간 내지 20시간으로 가열한 후에, 수랭, 공랭 등으로 냉각할 수 있다. 용해도가 높은 고온 영역에서 열처리함으로써, 잉곳의 응고 시에 발생한 석출물을 재용해시켜서, 첨가 원소가 균일하게 분포한 상태를 얻을 수 있다. 첨가 원소를 고농도로 함유하는 모합금을 사용함으로써, 고용 상태의 제어가 용이하게 되기 때문에, 가열 시간을 짧게 설정할 수도 있다. 또한, 응고 시의 냉각 속도를 높임으로써 용체화 열처리를 대용할 수 있다. 예를 들어, 연속 주조 방식이라면, 뱃치 용해법의 응고보다는 응고 속도를 빠르게 할 수 있기 때문에, Al 내에서 첨가 원소를 고용시키는 것이 비교적 용이하고, 용체화 열처리를 실시하지 않는 것도 가능하다.
용체화 열처리된 Al 합금에 있어서 석출을 촉진하기 위해서, 석출 열처리를 실시해도 된다. 석출 열처리를 행하는 경우, 용융 응고나 용체화 열처리 직후, 혹은 그 후의 가공 공정의 도중 혹은 가공 후에 행할 수 있다. 석출물의 형성이 진행되기 때문에, 소정의 기계적 특성을 얻기 위하여 열처리 조건을 적정화하는 것이 바람직하다.
굵은 직경의 상태에서 뱃치식에 의해 석출 열처리를 행하는 경우, 석출 열처리는, 예를 들어 200 내지 450℃의 온도 범위에서 10분간 내지 5시간 가열함으로써 행해도 된다. 구체적으로는 예를 들어, 250℃에서 3시간의 조건, 350℃에서 30분간의 조건 등을 들 수 있다. 혹은, 가공된 가는 직경의 상태에서 연속적으로 석출 열처리를 행하는 경우, 석출 열처리는, 예를 들어 400 내지 600℃의 온도 범위에서 1초간 내지 5분간 가열함으로써 행하면 된다. 구체적으로는 예를 들어, 석출의 진행을 억제하는 경우에는 400℃에서 1초간, 석출물의 형성을 촉진하는 경우에는 500℃에서 40초간 가열하는 것 등을 들 수 있다. 보다 상세하게 조건을 적정화하고 싶은 경우에는, 이러한 열처리 조건을 참고로, 등온 열처리 또는 등시 열처리를 행함으로써, 온도, 시간 등을 용이하게 적정화할 수 있다. 예를 들어, 몇몇 시간 조건에서 등온 열처리한 Al 배선재를 시험 제작하여, 기계적 특성을 측정해 두면, 원하는 특성을 용이하게 재현할 수 있다.
Al 배선재를 가공하는 도중 혹은 최종의 선 직경에 있어서, 조질 열처리를 실시해도 된다. 조질 열처리에 의해, 가공 변형의 제거, 재결정 조직의 형성 등이 일어나고, 또한 석출물을 형성시킬 수도 있다. 이 조질 열처리는, 가열로 내에서 Al 배선재를 연속 소인하면서 연속적으로 열처리하는 것이 바람직하다. 이 열처리 조건으로서는, 300 내지 600℃의 온도 범위에서 0.1초간 내지 2분간의 단시간에 가열하는 것 등으로 예시된다. 조질 열처리로 석출을 진행시키는 것도 가능하기 때문에, 필요한 석출의 정도에 따라, 조질 열처리가 석출 열처리를 동시에 겸할 수 있다.
반도체 장치에 있어서, 본 발명의 Al 배선재와 피접속 부재의 접속은, 반도체 칩 상의 전극과의 제1 접속과, 리드 프레임이나 기판 상의 외부 전극과의 제2 접속 모두, 웨지 접합에 의해 실시한다. 피접속 부재와의 접속 후에, Al 배선재를 포함하는 반도체 장치의 실장 열처리를 행해도 된다. 실장 열처리에 의해, Al 배선재 중에 첨가 원소가 포함되는 금속 간 화합물인 석출물을 형성함으로써, 석출 강화에 의해 강도를 더욱 증대시키는 것이 가능하다. 본 발명의 Al 배선재에 있어서, 형성되는 석출물의 조성, 양태에 대해서는 상술한 바와 같다.
실장 열처리의 조건으로서는, 금속 간 화합물을 형성할 수 있는 한 특별히 한정되지 않지만, 예를 들어 175 내지 400℃의 온도 범위에서 10 내지 60분간 가열하는 것이 적합하다. 실장 열처리 시의 분위기는 대기여도 되지만, 부재의 산화를 억제하기 위하여 질소, 아르곤 등의 불활성 분위기에서 행해도 된다.
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 접속의 후, 실장 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 공지의 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 실시해도 된다. 또한, 공정 (B)에 있어서, Al 배선재 중에 상술한 금속 간 화합물의 미세한 석출상을 형성할 수 있다.
[반도체 장치]
본 발명의 Al 배선재를 사용하여, 반도체 칩 상의 전극과, 리드 프레임이나 기판 상의 외부 전극을 접속함으로써, 반도체 장치를 제조할 수 있다.
본 발명의 반도체 장치는, 본 발명의 Al 배선재를 포함한다. 본 발명의 Al 배선재는, 장치에 대한 설치·접속 시의 작업성이나 접합성을 높일 수 있음과 함께, 배선재 제조 시의 열처리 혹은 접속 후의 열처리에 대해서, 저온 혹은 단시간의 처리에 의해, 또는 해당 열처리를 필요로 하지 않고, 양호한 고온 신뢰성을 나타낼 수 있다. 따라서, 해당 Al 배선재를 포함하는 반도체 장치는, 고온의 작동 환경 하에서도, 장기에 걸쳐 양호한 작동 신뢰성을 실현할 수 있는 것을 비롯하여, 피접속 부재에 대한 열영향 등을 낮게 억제할 수 있어, 많은 요구 성능을 종합적으로 충족하는 것이 가능하게 된다.
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 대하여 말하는 「본 발명의 Al 배선재」란, 제1군 원소 및 제2군 원소, 또한 필요에 따라 제3군 원소를 상술하는 적합한 농도 범위에서 함유하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 반도체 장치에 있어서는, 고온 환경 하에서 장시간 작동시킨 경우에도, Al과 분리한 석출물(예를 들어, 상술의 첨가 원소가 포함되는 금속 간 화합물로 이루어지는 석출물)을 미세한 상인 채로 유지하는 것이 가능하다.
본 발명의 반도체 장치에 있어서, 회로 기판 및 반도체 칩은 특별히 한정되지 않고, 반도체 장치를 구성하기 위하여 사용할 수 있는 공지의 회로 기판 및 반도체 칩을 사용해도 된다. 그렇지 않으면, 회로 기판 대신에 리드 프레임을 사용해도 된다. 예를 들어, 일본 특허 공개 제2020-150116호 공보나 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, 전철, 선박 및 항공기 등) 등에 제공되는 각종 반도체 장치를 들 수 있고, 그 중에서 전력용 반도체 장치(파워 반도체 장치)가 적합하다.
실시예
이하, 본 발명에 대해서, 실시예를 나타내서 구체적으로 설명한다. 단, 본 발명은 이하에 나타내는 실시예에 한정되는 것은 아니다.
(샘플)
먼저 샘플의 제작 방법에 대하여 설명한다. 순도 5N(99.999질량％ 이상)의 Al과, 순도 99.9질량％ 이상의 Mg, Si, Sc, Er, Yb, Gd, Ce, Y, Zr, Fe, Ni, Mn, Cu, Zn을 원료로서 용융하고, 표 1 및 표 2에 나타내는 조성의 Al 잉곳을 제작하였다. 이어서, 용체화 열처리를 550 내지 640℃의 범위에서 5시간 행하고, 급랭(수랭)하였다. 해당 잉곳을 압출 가공, 스웨이징 가공한 후, 또한 신선 가공을 행하였다. 일부의 시료에서는, 선 직경이 2mm인 단계에서, 석출 열처리를 300 내지 500℃의 범위에서 1 내지 30분간 행하였다. 그 후, 최종 선 직경을 300㎛로 하여 다이스 신선 가공을 행하고, 신선 가공 종료 후에 2초간의 열처리 시간에 있어서 조질 열처리를 행하여, Al 배선재를 얻었다.
[원소 함유량의 측정]
Al 배선재 중의 첨가 원소의 함유량은, 분석 장치로서, ICP-OES((주)히타치 하이테크 사이언스제 「PS3520UVDDII」) 또는 ICP-MS(애질런트·테크놀로지스(주)제 「Agilent 7700x ICP-MS」)를 사용하여 측정하였다.
<접속>
반도체 장치에 있어서, 반도체 칩의 전극은 Al-Cu 패드(두께 2㎛)이고, 외부 단자는 Ni 피복한 Cu제 리드 프레임을 사용하였다. 반도체 칩의 전극과 Al 배선재 사이의 제1 접속부, 외부 단자와 Al 배선재 사이의 제2 접속부 모두, 웨지 접합으로 하였다. 각 실시예에 대해서, (1) 200℃에서 30분간, 또는, (2) 175℃에서 30분간의 조건에서 실장 열처리를 행하였다.
<접합성의 평가>
-접합 강도-
반도체 장치에 있어서의 Al 배선재의 접합 강도에 대해서는, 제1 접속부의 초기(파워 사이클 시험전)의 전단 강도 S1을 측정하였다(평가 수 N=20). S1값이 9N 이상이면 접합 강도가 양호하기 때문에 「○」로 하고, 7N 이상 9N 미만이면 통상의 사용에서는 문제는 없지만 주의가 필요하기 때문에 「△」로 하고, 7N 미만이면 접합성이 떨어지기 때문에 「×」로 하여, 표 1 및 표 2의 「접합 강도」란에 기재하였다.
-유효 접합 면적비-
반도체 장치에 있어서의 Al 배선재의 유효 접합 면적비(R값)는, 전단 강도 S1을 측정한 제1 접속부에 대해서, 그 파단한 피접속 전극을 광학 현미경 또는 SEM으로 관찰하였다. 그리고, 화상 해석에 의해, 접합 면적 M1과, 접합 시에 전극은 변형되어 있지만 금속 접합이 얻어지지 않고 있다고 판단되는 미접합 면적 M3을 측정하고, 금속 접합이 얻어지고 있는 면적 M2(=M1-M3)를 산출하였다. R값은, M1에 차지하는 M2의 비율(M2/M1)로서 구하였다. R값이 0.9 이상이면 접합성이 양호하기 때문에 「○」로 하고, 0.7 이상 0.9 미만이면 통상의 사용에서는 문제는 없지만 주의가 필요하기 때문에 「△」로 하고, 0.7 미만이면 접합성이 떨어지기 때문에 「×」로 하여, 표 1 및 표 2의 「유효 접합 면적비」란에 기재하였다.
-칩 대미지-
반도체 장치에 있어서의 칩 대미지는, 패드 표면의 금속을 산으로 녹이고, 패드 아래를 현미경으로 관찰하여 평가했다(평가 수 N=50). 크랙 및 본딩의 흔적 등도 관찰되지 않는 양호한 경우를 「○」로 하고, 크랙은 없기는 하지만 본딩 흔적이 확인되는 개소가 있는 것(평가 수 50 중, 3군데 이하)을 「△」로 하고, 그 이외를 「×」로 하여, 표 1 및 표 2의 「칩 대미지」란에 기재하였다.
<고온 신뢰성의 평가>
고온 신뢰성의 평가는, 파워 사이클 시험에 의해 행하였다. 파워 사이클 시험은, Al 배선재가 접속된 반도체 장치에 대해서, 가열과 냉각을 교호로 반복하였다. 가열은 최고 온도가 약 140℃가 될 때까지 2초간에 걸쳐서 가열하고, 그 후, 접속부의 온도가 30℃가 될 때까지 25초간에 걸쳐서 냉각한다. 이 가열·냉각의 사이클을 반복한다. 200℃에서 30분간의 실장 열처리를 실시한 반도체 장치에 대해서는, 상기 사이클을 5만회 반복한 것과 10만회 반복한 것의 양쪽에 대하여 평가하였다. 175℃에서 30분간의 실장 열처리를 실시한 반도체 장치에 대해서는, 상기 사이클을 5만회 반복한 것에 대하여 평가하였다.
상기 파워 사이클 시험의 후, 제1 접속부의 접합 전단 강도를 측정하고, 접속부의 고온 신뢰성의 평가를 행하였다. 초기의 접속부 전단 강도 S1에 대한, 파워 사이클 시험 후의 전단 강도 S2의 비율인 S2/S1로 평가하였다. S2/S1의 값에 대해서, 0.9 이상이면 우수한 신뢰성이기 때문에 「◎」로 하고, 0.8 이상 0.9 미만이면 양호하기 때문에 「○」로 하고, 0.6 이상 0.8 미만이면 통상의 사용에서는 문제는 없지만 주의가 필요하기 때문에 「△」로 하고, 0.6 미만이면 고온 신뢰성이 떨어지기 때문에 「×」로 하여, 표 1 및 표 2의 「접속부의 고온 신뢰성」란에 기재하였다.
Al 배선재의 제조 조건, 평가 결과를 표 1 및 표 2에 나타낸다.
Figure pct00001
Figure pct00002
실시예 1 내지 33의 Al 배선재는, Mg, Si의 함유량 및 Sc, Er, Yb, Gd, Ce, Y의 함유량의 총계가 본 발명 범위 내에 있고, 배선재 제조 시의 열처리의 유무나, 배선재 제조 시의 열처리 및 접속 후의 열처리의 온도·시간에 구애되지 않고, 양호한 접합성을 나타냄과 함께, 고온 신뢰성(5만회)의 평가도 ◎이고, 양호한 결과를 나타내었다.
실시예 2 내지 4, 6 내지 10, 12, 14 내지 16, 18 내지 25, 27, 28, 30 내지 33의 Al 배선재는, 또한 Zr, Fe, Ni, Mn, Cu, Zn의 함유량이 본 발명의 적합 범위 내에 있고, 접속 후의 열처리(실장 열처리)를 175℃와 저온에서 30분간 실시한 경우의 고온 신뢰성의 평가가 ◎이고, 양호한 결과를 나타내었다.
비교예 1 내지 3, 8의 Al 배선재는, Sc, Er, Yb, Gd, Ce, Y의 함유량이 본 발명 범위의 하한을 벗어나 있고, 또한 비교예 4, 5, 10 내지 13의 Al 배선재는, Mg, Si의 함유량(x1a, x1b, x1a+x1b의 적어도 하나 이상)이 본 발명 범위의 하한을 벗어나 있고, 접속부의 고온 신뢰성이 ×였다. 비교예 6, 7의 Al 배선재는, Mg, Si의 함유량(x1a, x1b, x1a+x1b의 적어도 하나 이상)이 본 발명 범위의 상한을 벗어나 있고, 비교예 9의 Al 배선재는, Sc, Er, Yb, Gd, Ce, Y의 함유량이 본 발명 범위의 상한을 벗어나 있고, 칩 대미지가 ×였다.
또한, 실시예 1 내지 33에 관한Al 배선재에 대해서는, 접속 후의 실장 열처리를 실시하지 않은 경우에도, 고온 신뢰성 및 접합성에 있어서, 비교예에 비해 양호한 결과를 나타내는 것을 확인하였다.

Claims (4)

  1. Mg 및 Si를 함유하고, Mg의 함유량을 x1a[질량％], Si의 함유량을 x1b[질량％]라 했을 때,
    0.05≤x1a≤2.5,
    0.02≤x1b≤1,
    0.1≤(x1a+x1b)≤3
    이고, 또한 Sc, Er, Yb, Gd, Ce 및 Y로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상을 함유하고, 그 함유량의 총계를 x2[질량％]라 했을 때,
    0.001≤x2≤0.5
    이고, 잔부는 Al을 포함하는, Al 배선재.
  2. 제1항에 있어서, 추가로 Zr, Fe, Ni, Mn, Cu 및 Zn으로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상을 함유하고, 그 함유량의 총계를 x3[질량％]이라 했을 때,
    0.01≤x3≤0.5
    인, Al 배선재.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 본딩 와이어인, Al 배선재.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 기재된 Al 배선재를 포함하는 반도체 장치.
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