TW201921531A - 半導體裝置用銅合金接合導線 - Google Patents

半導體裝置用銅合金接合導線

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宇野智裕
山田隆
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日商日鐵化學材料股份有限公司
日商日鐵住金新材料股份有限公司
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Abstract

本發明提供一種可滿足高密度LSI用途之要求之半導體裝置用銅合金接合導線。半導體裝置用銅合金接合導線之特徵在於：導線表面之結晶方位中，相對於與包含導線中心軸之1個平面垂直之方向而角度差為15度以下之＜110＞結晶方位之存在比率以平均面積率計為25%以上且70%以下。

Description

半導體裝置用銅合金接合導線
本發明係關於一種用於將半導體元件上之電極與外部引線等之電路配線基板連接之半導體裝置用銅合金接合導線。
目前，作為將半導體元件上之電極與外部引線之間接合之半導體裝置用接合導線(以下稱為接合導線)，主要使用線徑15～50 μm左右之細線。接合導線之接合方法一般而言為超音波併用熱壓接方式，可使用通用接合裝置、及使接合導線通過其內部而用於連接之毛細管治具等。接合導線之接合製程係藉由如下方式而完成：利用電弧熱輸入將導線前端加熱熔融，藉由表面張力而形成球(FAB：Free Air Ball，無空氣焊球)後，於150～300℃之範圍內將該球部壓接接合(以下稱為球接合)於經加熱之半導體元件之電極上，繼而於形成迴路(loop)之後，將導線部壓接接合(以下稱為楔接合)於外部引線側之電極。
關於接合導線之材料，迄今為止金(Au)為主流，但最近開始使用銅(Cu)。使用銅之接合導線由於導電率較高且經濟，故而被用於各種半導體封裝。使用銅之接合導線大致分為於銅之表面具有Pd或Au等被覆層者(以下稱為複層銅導線)、與不具有被覆層者(以下稱為單相銅導線)。複層銅導線由於抑制作為單相銅導線之問題的導線表面之銅之氧化等，而大多情況下於使用性能方面優異。因此，複層銅導線尤其於線徑較細且要求嚴格性能之高密度LSI(Large Scale Integration，大型積體電路)用途中大量採用。另一方面，單相銅導線由於較複層銅導線經濟，因此發揮其成本優勢，主要以線徑較粗、要求性能相對較低之功率器件用途為中心而採用。
近年來，對接合導線之低成本化之要求日益高漲，於最尖端之高密度LSI中，亦正研究單相銅導線之使用。其原因在於最尖端之高密度LSI係接合導線之安裝數較多，藉由替換為經濟之單相銅導線而可享有低成本化之優勢。由於接合裝置之高精度化或高功能化，正推進作為高密度LSI之要求性能的球形成性或迴路之直進性等性能改善，單相銅導線之可應用性正在擴展。然而，為了將單相銅導線應用於高密度LSI，依然存在需克服之問題，尤其是楔接合步驟中之問題。
於專利文獻1中揭示有如下技術：在利用於高純度銅(Cu)中含有鉑(Pt)0.1～2.0質量%、作為非金屬元素之硫(S)1～10質量ppm、氧(O)10～150質量ppm、及磷(P)1～5質量ppm的熔融銅鉑合金藉由連鑄形成基線之過程中，藉由偏析而形成不含鉑之銅之極薄層，於大氣環境中被氧化，於拉線加工後之導線表層形成6～2 nm之氧化膜。
於專利文獻2中揭示有一種銅接合導線，其特徵在於：Cl之含量為2質量ppm以下，包含2質量%以上且7.5質量%以下之Au，且其餘部分包含銅及不可避免之雜質。且揭示：藉此而銅導線表面亦不易氧化，可獲得非常良好之楔接合性。如此，揭示有一種藉由添加元素之種類或濃度之適當化、或氧化膜厚之控制而改善單相銅導線之楔接合部之接合強度的技術。 [先前技術文獻] [專利文獻]
[專利文獻1]日本專利特開2014-70252號公報 [專利文獻2]日本專利特開2011-3745號公報
[發明所欲解決之問題]
如圖1A所示，藉由將導線部100楔接合於電極102所形成之楔接合部104通常具有扇狀之變形部105。相對於此，存在如圖1B所示之楔接合部106般產生具有脫皮之變形部107之情況。脫皮係於楔接合步驟中施加超音波及荷重使接合導線變形為扇狀，與電極接合之區域之一部分於上拉接合導線時剝離之不良。關於脫皮，於Au導線或複層銅導線中亦確認到其產生，但藉由超音波或荷重等接合條件之適當化，可將其產生頻度降低至實用上不存在問題之水準。
另一方面，於單相銅導線之情形時，即便使用上述專利文獻1、2所揭示之技術，亦難以僅藉由接合條件之適當化而降低脫皮之發生率。
發明者等人於假定高密度LSI用途之評價中，對使用普通之單相銅導線之情形時之脫皮發生率進行了調查。其結果為，判明脫皮發生率較高，不適於實用。關於脫皮發生率，導線之線徑越變細則越增加，可知高密度LSI所使用之接合導線之主流即20 μm以下之線徑時，脫皮之發生率明顯變高。且判明脫皮發生率亦強烈依存於接合對象之外部電極之材料或構造。作為高密度LSI用途所使用之金屬引線框架之外部引線側之電極，除了先前之實施有Ag鍍覆之電極(Ag電極)以外，實施有Pd鍍覆之電極(Pd-PPF：Pd-Pre Plated Frame，Pd預鍍框架)之使用量亦正在增加。Pd-PPF一般而言為於引線框架整個面自引線框架側依序積層有Ni、Pd、Au之構造。可知若使用單相銅導線對Pd-PPF進行接合，則脫皮發生率與對Ag電極進行接合之情形相比明顯增加。
起初，發明者等人推定單相銅導線之脫皮發生率較高之原因在於楔接合部之接合強度較低。因此，藉由利用專利文獻1或專利文獻2所揭示之改善楔接合部之接合強度之技術而嘗試降低脫皮發生率。對Pd-PPF調查了進行楔接合時之脫皮發生率，結果可知即便楔接合部之接合強度得到改善，脫皮發生率亦無法降低。即，於楔接合部之接合強度與脫皮發生率之間，未能找出明確之關聯。根據以上情況可知，為了將單相銅導線應用於最尖端之高密度LSI用途，需要降低脫皮發生率之新技術，尤其是需要降低對Pd-PPF進行楔接合時之脫皮發生率。
最尖端之高密度LSI用途中，對將接合導線接合時之溫度之低溫化(以下稱為低溫接合)之需求亦日益高漲。BGA(Ball Grid Array，球柵陣列)等安裝構造中使用印刷基板。印刷基板中，大多使用耐熱性較低之樹脂，與金屬引線框架相比要求接合溫度之低溫化。於假定對印刷基板進行接合之情形時，較佳為將接合時之溫度低溫化至160℃以下。進行此種低溫接合之情形時之問題係於楔接合步驟中，接合導線自電極完全剝離之接合不良(以下稱為未接合)之發生率之增加。
隨著半導體器件(device)之長壽命化，亦要求改善球接合部之長期使用壽命。作為評價球接合部壽命之方法，一般而言進行高溫放置試驗、高溫高濕試驗、熱循環試驗等。對於最尖端之半導體器件而言，要求改善高溫放置試驗中之球接合部壽命，需要滿足200℃下500小時以上之動作性能。於使用單相銅導線之情形時，存在如下問題：於高溫放置試驗中，於相對較短之時間內於球接合部附近產生剝離。使用單相銅導線與純Al電極進行球接合，利用市售之密封樹脂進行鑄模，並於200℃下實施高溫放置試驗，結果球接合部之接合強度於300小時降低。對確認到接合強度降低之球接合部之剖面進行研磨，並使用掃描式電子顯微鏡(SEM：Scanning Electron Microscope)進行接合界面之觀察，結果於球接合部之接合界面形成有以Al及銅為主體之複數個金屬間化合物，於該複數個金屬間化合物之附近產生了剝離。
最尖端之高密度LSI中，正推進半導體元件上之電極之小型化、窄間距化，對於接合導線要求控制球接合時之球變形行為之技術。因球變形而成問題的是於球接合時球變形為花瓣狀之不良(以下稱為異形不良)之產生。此種異形不良會成為球接合步驟中之超音波之傳遞不足所引起的接合強度降低、伴隨鄰接之球彼此之接觸的短路等不良之產生原因。因此，球壓接形狀較佳為於自電極之正上方觀察球時接近正圓之形狀。
本發明之目的在於提供一種可滿足高密度LSI用途之要求之半導體裝置用銅合金接合導線。 [解決問題之技術手段]
本發明之半導體裝置用銅合金接合導線之特徵在於：導線表面之結晶方位中，相對於與包含導線中心軸之1個平面垂直之方向而角度差為15度以下之＜110＞結晶方位之存在比率以平均面積率計為25%以上且70%以下。 [發明之效果]
根據本發明，可降低脫皮之發生率，故而可滿足高密度LSI用途之要求。
本實施形態之接合導線之特徵在於：其係半導體裝置用銅合金接合導線，且導線表面之結晶方位中，相對於與包含導線中心軸之1個平面垂直之方向而角度差為15度以下之＜110＞結晶方位之存在比率以平均面積率計為25%以上且70%以下。
(導線表面之結晶方位之確定方法) 對本說明書中之接合導線表面之結晶方位之測定方法進行說明。於本說明書中，導線表面之結晶方位係定義為存在於導線表面之銅及以銅為主體之合金部分之結晶方位。於導線表面之結晶方位之測定時，可利用SEM所配備之背向散射電子繞射(EBSD：Electron Backscattered Diffraction)法。EBSD法係將對試樣照射電子束時產生之反射電子之繞射圖案投影至檢測器面上，並對繞射圖案進行解析，藉此確定各測定點之結晶方位的方法。於藉由EBSD法所獲得之資料之解析時，較佳為專用軟體(TSL Solutions製造之OIM analysis等)。本實施形態中，將接合導線固定於試樣台，自一方向對導線表面照射電子束，取得結晶方位之資料。藉由使用該方法，可確定導線表面之結晶方位中，相對於與包含導線中心軸之1個平面垂直之方向之結晶方位、及相對於導線中心軸方向之結晶方位。可使用藉由上述方法所確定之結晶方位資料，算出特定之結晶方位之存在比率。
作為例子，對導線表面之結晶方位中，相對於與包含導線中心軸之1個平面垂直之方向，算出＜110＞結晶方位之存在比率的方法進行說明。＜110＞結晶方位之存在比率係設為相對於EBSD之測定區域之面積，藉由上述方法所確定之＜110＞結晶方位所占之面積的比率。
於本說明書中，所謂＜110＞結晶方位，如圖2所示，定義為導線表面之＜110＞結晶方位中相對於與包含導線中心軸X之一平面P垂直之方向Y而角度差為15度以下者。其原因在於：若上述方位差為15度以下，則可獲得對接合導線之特性改善有利之效果。關於接合導線之導線表面之結晶方位中相對於導線中心軸X方向而言為＜111＞及＜100＞結晶方位之存在比率，亦可使用相同之方法算出。
於本說明書中，對於特定之結晶方位之存在比率之值，使用平均面積率。平均面積率係設為藉由EBSD測定至少10處以上所獲得之存在比率之各值之算術平均。於測定部位之選擇時，較佳為確保測定資料之客觀性。作為其方法，較佳為自測定對象之接合導線，相對於接合導線之導線中心軸X方向以3～5 m間隔取得測定用之試樣並供測定。測定區域A較佳為於SEM之圖像上，圓周方向之長度W為導線之直徑之25%以下，且導線中心軸X方向之長度L為40 μm～100 μm。
關於藉由上述方法進行EBSD測定所得之結晶方位及其上述面積率，確認到與作為本發明之作用效果的脫皮發生率之降低效果關聯較強。導線表面為曲面，隨著自導線之頂點(相對於固定於試樣台之導線之圓周方向而最高之位置)朝向圓周方向，產生自與導線表面垂直之方位的偏移，但可謂藉由上述方法所得之測定資料與表現出脫皮發生率之降低效果之實際狀態一致。其原因在於，若測定區域A之長度W為導線之直徑之至少25%以下，則於具有曲面之導線表面之EBSD之測定區域內，可容許相對於圓周方向的與導線表面垂直之方位之偏移，可獲得脫皮發生率之降低效果。相對於導線中心軸X方向而對測定區域A設置下限之原因在於，判斷出若長度L為40 μm以上，則測定資料充分地反映試樣之特性。相對於導線中心軸X方向而對測定區域A設置上限之原因在於，若長度L為100 μm以下，則可有效率地進行解析。
有於接合導線之表面存在銅氧化膜或雜質之情況。作為雜質，可列舉有機物、硫、氮或其化合物等。於存在該等之情形時，亦於其厚度較薄之情形或存在量較少之情形時，藉由使EBSD法之測定條件適當化，而可測定接合導線表面之結晶方位。於接合導線表面之銅氧化膜較厚之情形或雜質之附著量較多之情形時，存在無法測定銅及銅合金部分之結晶方位之情況。於此情形時，有效的是於進行EBSD測定之前，藉由鹼脫脂或酸洗、離子濺鍍等對接合導線之表面進行處理。
(脫皮發生率之降低效果) 發明者等人對脫皮之發生率之主導因素進行了調查，結果發現與導線表面之結晶方位可確認關聯。即，相對於與包含導線中心軸之1個平面垂直之方向而角度差為15度以下之＜110＞結晶方位之存在比率、與脫皮之發生率之間存在關聯，藉由將＜110＞結晶方位之存在比率控制於適當之範圍，可獲得脫皮之發生率降低之效果。藉由脫皮之發生率降低，其後所形成之球之球形狀之不均得到抑制。
本發明係一種半導體裝置用銅合金接合導線，其係藉由將導線表面之結晶方位中，相對於與包含導線中心軸之1個平面垂直之方向而角度差為15度以下之＜110＞結晶方位之存在比率以平均面積率計設為25%以上且70%以下、較佳為30%以上且70%以下，而降低脫皮之發生率。具體而言，使用本實施形態之接合導線，對Pd-PPF進行100根楔接合，並藉由光學顯微鏡對楔接合部進行觀察，結果確認到脫皮之發生率降低。藉由SEM對楔接合部詳細地觀察，結果變形為扇狀之部分之密接性提昇。尤其是變形為扇狀之部分中，成為脫皮之起點的導線變形得較薄之部分之密接性提昇，獲得了與Pd-PPF良好之接合狀態。此種接合導線變形得較薄之部分之密接性非常有助於導線表面之特性。作為本實施形態之接合導線表現出脫皮發生率之降低效果之原因，可認為藉由將相對於與包含導線中心軸之1個平面垂直之方向而角度差為15度以下之＜110＞結晶方位之存在比率提高，導線表面之展延性提昇，結果超音波容易傳向導線，與電極之密接性得到改善等。
於上述存在比率以平均面積率計未達25%之情形時，未確認到脫皮之發生率之降低效果。於上述存在比率以平均面積率計超過70%之情形時，可知於球形成步驟中，球之形成位置自導線之中心偏離的被稱為偏心之不良之發生率增加，因此不適於實用。作為其原因，可認為於藉由電弧放電使接合導線之前端熔融而形成球時，電弧擴展，接合導線開始熔融之位置變得不穩定等。
進而，若相對於與包含導線中心軸之1個平面垂直之方向而角度差為15度以下之＜110＞結晶方位之存在比率以平均面積率計為40%以上且70%以下，則脫皮之發生率之降低效果優異，故而更佳。
(低溫接合性能之改善效果) 本實施形態之接合導線進而較佳為導線表面之結晶方位中，相對於導線中心軸方向而角度差為15度以下之＜111＞與＜100＞結晶方位之存在比率之合計以平均面積率計為50%以上且98%以下，更佳為50%以上且90%以下。具體而言，使用本實施形態之接合導線對低溫下之楔接合中之未接合之發生率進行了調查，結果獲得了優異之降低效果。作為其原因，可認為以下效果協同作用而楔接合部之形狀之不均減少等：藉由在導線表面之結晶方位中，將相對於與包含導線中心軸之1個平面垂直之方向而角度差為15度以下之＜110＞結晶方位之存在比率設為以平均面積率計25%以上且70%以下，而抑制導線表面之強度不均的效果；與藉由提高相對於導線中心軸方向而角度差為15度以下之＜111＞及＜100＞結晶方位之存在比率，而降低導線內之相對於導線中心軸方向的強度不均的效果。於上述存在比率以平均面積率計未達50%之情形時，低溫下之楔接合中之未接合之發生率之降低效果不充分。於上述存在比率以平均面積率計超過98%之情形時，接合導線之降伏強度變得過高，於楔接合步驟中，接合面積變得不充分，因此降低未接合之發生率之效果不充分。於上述存在比率以平均面積率計為90%以下之情形時，可更確實地抑制接合導線之降伏強度變高。
(高溫放置試驗中之球接合部壽命之改善效果) 本實施形態之接合導線較佳為進而包含總計為0.01質量%以上且3.00質量%以下之Ni、Pd、Pt、Au之1種以上。藉此，可改善200℃之高溫放置試驗中之球接合部壽命。可認為其原因在於，藉由對相對於與包含導線中心軸之1個平面垂直之方向而角度差為15度以下之＜110＞結晶方位之存在比率進行控制，脫皮得到抑制，結果其後之球形狀之不均得到抑制，由此促進所添加之Ni、Pd、Pt、Au向球接合部擴散，上述元素使成為接合強度降低之原因之金屬間化合物之生長速度降低的效果協同地變高。於上述元素之濃度未達0.01質量%之情形時，使金屬間化合物之生長速度降低之效果不充分。於上述元素之濃度超過3.00質量%之情形時，球之硬度上升，金屬間化合物之形成變得不均一，故而200℃之高溫放置試驗中之球接合部壽命之改善效果不充分。
於上述Ni、Pd、Pt、Au之中包含Pt之情形時，可獲得200℃之高溫放置試驗中之球接合部壽命之優異的改善效果，因此較佳。
(球壓接形狀之改善效果) 本實施形態之接合導線較佳為進而包含總計為0.001質量%以上且1.00質量%以下之P、In、Ga、Ge、Ag之1種以上。藉此，可改善球接合部之壓接形狀。關於獲得此種效果之原因，推定其原因在於構成球之晶粒微細化，促進各向同性之變形。於上述濃度未達0.001質量%之情形時，上述效果不充分。若上述濃度超過1.00質量%則偏析變得明顯，球形成時之球之直徑不均，故而上述效果不充分。
於上述P、In、Ga、Ge、Ag之1種以上之濃度總計為0.001質量%以上且0.1質量%以下之情形時，球形成時之球之直徑之不均得到抑制，球壓接徑優異，故而較佳。進而，於包含Ag之情形時，球形成時之球之直徑之不均進一步得到抑制，球壓接徑之精度特別優異，故而更佳。
(接合導線之製造方法) 對本實施形態之半導體裝置用接合導線之製造方法進行說明。
(熔解方法) 首先，使用銅之純度為4N～6N(銅濃度：99.99質量%以上且99.9999質量%以下)之高純度銅，藉由熔解而製作以必要濃度含有添加元素之銅合金。於熔解時，可利用電弧熔解爐、高頻熔解爐等。為了防止來自大氣中之O2 、H2 等氣體之混入，較佳為於真空氛圍或Ar或N2 等惰性氣體氛圍中進行熔解。熔解後，於爐內進行緩冷而製作鑄錠(鑄塊)。藉由熔解所製造之鑄錠較佳為對表面進行酸洗淨、醇洗淨，其後加以乾燥。
(拉線加工、熱處理之說明) 所製造之銅合金之鑄錠較佳為首先藉由壓延或鍛造加工而加工為粗徑，繼而藉由拉拔加工而較細地加工至最終線徑。於拉拔加工時，可使用可設置複數個經金剛石塗覆之模具之連續拉線裝置。連續拉線時，較佳為以模具之磨耗及導線之表面瑕疵之降低為目的而使用潤滑液。達到最終線徑之前階段之中間線徑時，較佳為於拉拔加工之中途階段以去除應變為主要目的而進行中間熱處理。於最終線徑時，進行用以使接合導線再結晶而調整斷裂伸長率之最終熱處理。中間熱處理及最終熱處理有效的是使用一面將導線連續掃掠一面進行之方法。再者，為了儘可能抑制熱處理時之接合導線表面之氧化，較佳為一面使Ar氣體或N2 氣體回流一面進行。亦有效的是包含幾%之H2 。
(導線表面之結晶方位之控制方法) 關於導線表面之結晶方位，有效的是對導線之拉拔加工條件或最終熱處理條件進行控制。以下示出其代表性之控制方法。示出將導線表面之結晶方位中，相對於與包含導線中心軸之1個平面垂直之方向而角度差為15度以下之＜110＞結晶方位之存在比率以平均面積率計控制於25%以上且70%以下的方法之一例。若進行拉拔加工，則導線表面之結晶方位存在如下傾向：相對於與包含導線中心軸之1個平面垂直之方向，＜110＞結晶方位之存在比率增加。另一方面，若於進行拉拔加工之後進行熱處理，則藉由再結晶而無規之方位發達，故而＜110＞結晶方位有減少之傾向。為了控制導線表面之結晶方位，有效的是藉由拉拔加工使上述＜110＞結晶方位發達後，藉由最終熱處理進行再結晶，藉此控制上述＜110＞結晶方位之存在比率。
首先，對拉拔加工之適當條件進行說明。於拉拔加工中，為了使相對於與包含導線中心軸之1個平面垂直之方向而角度差為15度以下之＜110＞結晶方位之存在比率發達，有效的是使拉拔加工之加工率增加。利用下式而定義拉拔加工之加工率。
P＝{(R1 2 －R2 2 )/R1 2 }×100 P：拉拔加工之加工率 R1 ：拉拔加工前之導線之直徑(mm)；R2 ：拉拔加工後之導線之直徑(mm)
為了製造本實施形態之接合導線，有效的是將拉拔加工之加工率設為85%以上且未達100%之範圍。其原因在於，若拉拔加工之加工率為85%以上，則可使剛拉拔加工後之上述＜110＞結晶方位之存在比率至少增加至72%以上，只要於適當之溫度範圍內進行其後之最終熱處理，則可將上述＜110＞之存在比率控制於25%以上。於在達到最終線徑之前進行中間熱處理之情形時，將進行了中間熱處理之線徑用作拉拔加工前之導線之直徑(R1 )。
繼而，對最終熱處理之適當條件進行說明。對上述＜110＞之存在比率造成影響的最終熱處理之條件主要為熱處理溫度、熱處理時間、冷卻速度三者。
最終熱處理之溫度及時間有效的是分別設為300℃以上且620℃以下、0.02秒以上且1.3秒以下。若為該熱處理溫度及熱處理時間之範圍內，則可藉由最終熱處理，將藉由拉拔加工而發達之上述＜110＞結晶方位之存在比率控制於25%以上且70%以下之範圍。最終熱處理之溫度之下限為300℃、時間之下限為0.02秒之原因在於，於未達該等下限之條件下不易引起再結晶，故而上述＜110＞結晶方位以外之結晶方位不易發達，導致＜110＞結晶方位之存在比率超過70%。最終熱處理之溫度之上限為620℃、熱處理時間之上限為1.3秒之原因在於，於超過該等上限之條件下，上述＜110＞結晶方位以外之結晶方位發達，導致上述＜110＞結晶方位之存在比率變得未達25%。
最終熱處理後之導線之冷卻速度較佳為130℃/sec以上且1200℃/sec以下之範圍。於冷卻速度未達130℃/sec之情形時，於冷卻步驟中亦進行再結晶，故而上述＜110＞結晶方位之存在比率變得未達25%。於冷卻速度超過1200℃/sec之情形時，需要水冷或吹送氣體，就實用上之設備而言成本增加，或導線本身氧化，故而不適於實用。作為控制冷卻速度之方法，有效的是分別設置進行最終熱處理之位置及進行冷卻之位置。例如，於假定對導線連續地進行掃掠之構造之情形時，對導線實施最終熱處理之後，使其通過使惰性氣體循環且將溫度控製得適當之位置，由此可控制冷卻速度。
(相對於導線表面之導線中心軸方向的結晶方位之控制方法) 繼而，對導線表面之結晶方位中，將相對於導線中心軸方向而角度差為15度以下之＜111＞與＜100＞結晶方位之存在比率之合計以平均面積率計控制於50%以上且98%以下的方法進行說明。為了控制上述＜111＞及＜100＞結晶方位，有效的是對拉拔加工時之導線之進給速度及拉拔加工所使用之每1個模具之加工率進行控制。藉由使導線之進給速度變化，可控制與導線表面之導線中心軸方向之結晶方位之發達有關的於模具與導線之界面所產生之摩擦力。為了控制上述＜111＞及＜100＞結晶方位，有效的是將導線之進給速度設為800 m/min以上且1100 m/min以下，且將每1個模具之加工率設為14%以上且24%以下。若為上述條件，則可將上述＜111＞及＜100＞結晶方位之存在比率之合計以平均面積率計控制於50%以上且98%以下。導線之進給速度之下限未達800 m/min且每1個模具之加工率之下限未達14%之原因在於，上述＜111＞及＜100＞結晶方位之存在比率之合計以平均面積率計未達50%。導線之進給速度之上限為1100 m/min且每1個模具之加工率之上限為24%之原因在於：於超過該等上限之條件下，上述＜111＞及＜100＞結晶方位之存在比率之合計以平均面積率計超過98%。
(合金化之方法) 於對銅添加合金元素進行合金化之情形時，可使用：將銅與高純度之添加成分直接熔解進行合金化之方法；及預先製作於銅中含有3～5質量%左右之添加元素之母合金，並將銅與母合金熔解而進行合金化之方法等。利用母合金之方法於使元素分佈以低濃度均一化之情形時有效。
於接合導線中包含之元素之濃度分析時，可利用ICP(inductively coupled plasma，感應耦合電漿)發射光譜分析裝置等。於接合導線之表面吸附有氧、碳、硫等元素之情形時，可於進行解析之前自接合導線之表面利用噴濺等刮去1～2 nm之區域之後進行濃度測定。作為其他方法，亦有效的是使用酸洗之方法。 [實施例]
(接合導線之製作方法) 對接合導線之製作方法進行說明。使用成為原材料之銅之純度為99.99質量%以上且其餘部分包含不可避免之雜質者。於接合導線包含Ni、Pd、Pt、Au、P、In、Ga、Ge、Ag作為添加元素之情形時，藉由高頻熔解爐使銅及該等元素熔解，進行合金化。於不可避免之雜質元素以外之添加元素之合計之目標濃度未達0.5質量%之情形時，使用以高濃度包含添加元素之銅合金，製造目標濃度之合金。
關於熔解時之氣體氛圍，為了防止氧等雜質之混入而設為Ar氣體氛圍。藉由熔解所製造之鑄錠之形狀係直徑為幾mm之圓柱狀。針對所獲得之鑄錠，為了去除表面之氧化膜而進行利用硫酸、鹽酸等之酸洗淨。其後，對鑄錠進行壓延加工及鍛造加工，製作f 0.3～0.5 mm之導線。其後，進行中間熱處理，進而藉由拉拔加工而加工至f 20 μm。拉拔加工時之導線之進給速度設為350～1100 m/min。潤滑液係使用市售者。此時，每1個模具之加工率設為14%以上且24%以下。中間熱處理之次數係以1次加工熱處理製程中之拉拔加工之加工率成為85%以上且99.5%以下之方式而實施。中間熱處理之溫度設為300℃以上且620℃以下。中間熱處理及最終熱處理係於300～620℃之溫度下一面將導線以20～200 m/min之進給速度連續掃掠一面進行。關於熱處理時之氣體氛圍，設為N2 氣體氛圍或者Ar氣體氛圍以防止氧化。所製作之接合導線之構成如表1A、1B所示。
[表1A]
[表1B]
(評價方法) 本實施形態之接合導線所包含之各添加元素之濃度係使用ICP發射光譜分析裝置進行分析。本評價所使用之接合導線之線徑設為f 20 μm。
本實施形態之接合導線之導線表面之結晶方位中，相對於與包含導線中心軸之1個平面垂直之方向而角度差為15度以下之＜110＞結晶方位之存在比率係根據藉由EBSD法所測得之資料而算出。上述存在比率係設為以3 m間隔對導線測定10處所得之測定值之平均值。上述測定區域係設為於進行EBSD之測定之畫面上，圓周方向為5 μm(導線直徑之25%)、導線中心軸方向為40 μm之直線所包含圍之區域。進而，上述測定區域係設為包含相對於固定於試樣台之樣品之圓周方向而最高之位置的區域。
本實施形態之接合導線之導線表面之結晶方位中，相對於導線中心軸方向而角度差為15度以下之＜111＞及＜100＞結晶方位之存在比率係根據藉由EBSD法所測得之資料而算出。上述存在比率係設為以3 m間隔對導線測定10處所得之值之平均值。測定區域係設為於進行EBSD之測定之畫面上，圓周方向為5 μm(導線直徑之25%)、導線中心軸方向為40 μm之直線所包圍之區域。進而，上述測定區域係設為包含相對於固定於試樣台之樣品之圓周方向而最高之位置的區域。
(脫皮發生率之評價方法) 使用市售之接合裝置，將接合導線於具有Pd-PPF之金屬引線框架進行100根之接合。其後，利用光學顯微鏡觀察楔接合部，對100個處所有之楔接合部有無產生脫皮進行調查。脫皮之發生率係設為產生了脫皮之部位相對於楔接合部100處之比率。於上述評價中，若脫皮之發生率為7%以上，則判斷為實用上存在問題且計為0分，若為未達7%且5%以上，則判斷為可實用且計為1分，若未達5%且為1%以上，則判斷為實用上不存在問題且計為2分，若完全未產生脫皮，則判斷為優異且計為3分。評價結果表記於表2A、2B之「脫皮發生率」之欄。僅0分為不合格，除此以外為合格。
(偏心發生率之評價方法) 偏心發生率之評價係藉由如下方式而進行：使用市售之接合裝置形成100個球，藉由SEM對各球進行觀察。球直徑之目標值設為導線直徑之1.4倍即28 μm。關於球之直徑之不均，若為28±1 μm以內，則判斷為不會對評價結果造成影響，併用於評價。球係一面吹送N2 ＋5 vol. %H2 氣體一面形成。流量設為0.5±0.1 L/min。若偏心之發生率為5%以上，則判斷為實用上存在問題且計為0分，若未達5%，則判斷為實用上不存在問題且計為1分。評價結果表記於表2A、2B之「偏心發生率」之欄。0分為不合格，1分為合格。
(低溫接合性能之評價方法) 低溫接合性能之評價係於160℃之接合溫度下進行2000根之接合，根據產生未接合而接合裝置停止之次數進行判定。接合對象設為實施有Ag鍍覆之金屬引線框架。於上述評價中，若接合裝置之停止次數為5次以上，則判斷為實用上存在問題且計為0分，若未達5次且為1次以上，則判斷為實用上不存在問題且計為1分，若接合裝置完全不停止，則判斷為優異且計為2分。評價結果表記於表2A、2B之「低溫接合性能」之欄。僅0分為不合格，除此以外為合格。
(高溫放置試驗中之球接合部壽命之評價方法) 高溫放置試驗用之樣品係對於在普通之金屬框架上之Si基板上成膜有厚度1.0 μm之Al膜之電極，使用市售之焊線機進行球接合，並藉由市售之環氧樹脂進行密封而製作。球係一面以流量0.4～0.6 L/min使N2 ＋5 vol. %H2 氣體流動一面形成，且球徑係相對於導線線徑而設為1.5～1.6倍之範圍。於高溫放置試驗時，使用使N2 氣體回流之恆溫爐。試驗溫度設為200℃。高溫放置試驗中之球接合部之壽命係設為球接合部之接合強度降低至試驗開始前之50%以下所需要之時間。本評價中，每隔100小時測定球接合部之接合強度。球接合部之接合強度係使用利用DAGE公司製造之微小強度試驗機所測得之值。高溫放置試驗後之剪切試驗係藉由酸處理將樹脂去除，使球接合部露出之後進行。剪切強度之值係使用隨機地選擇之球接合部之10處之測定值的平均值。於上述評價中，若球接合部之壽命未達500小時，則判斷為實用上存在問題且表記為0分，若為500小時以上且未達700小時，則判斷為實用上不存在問題且表記為1分，若為700小時以上，則判斷為優異且表記為2分，若為1000小時以上，則判斷為特別優異且表記為3分。評價結果表記於表2A、2B之「高溫放置試驗中之球接合部壽命」之欄。僅0分為不合格，除此以外為合格。
(球壓接形狀之評價方法) 球之壓接形狀之評價係藉由如下方式而進行：對於在Si基板上成膜有厚度1.2 μm之Al膜之電極，使用市售之焊線機進行球接合，並利用光學顯微鏡自正上方進行觀察。關於球之壓接形狀之判定，若壓接形狀接近圓形，則判定為良好，若為橢圓形或花瓣狀之形狀，則判定為不良。利用光學顯微鏡觀察100處之球接合部，若不良為9個以上，則判斷為實用上存在問題且表記為0分，若不良為8個以下且6個以上，則判斷為實用上不存在問題且表記為1分，若不良為5個以下且3個以上，則判斷為良好且表記為2分，若不良為1個或2個，則判斷為優異且表記為3分，若完全未產生不良，則判斷為特別優異且表記為4分。評價結果表記於表2A、2B之「球壓接形狀」之欄。僅0分為不合格，除此以外為合格。
(評價結果之說明) 實施例No.1～94係半導體裝置用銅合金接合導線，且導線表面之結晶方位中，相對於與包含導線中心軸之1個平面垂直之方向而角度差為15度以下之＜110＞結晶方位之存在比率以平均面積率計為25%以上且70%以下，故而脫皮發生率及偏心發生率均可實用。實施例1～90、93、94係上述＜110＞結晶方位之存在比率以平均面積率計為30%以上且70%以下，故而脫皮發生率及偏心發生率於實用上均不存在問題。
實施例No.2、4～10、12～25、27～41、43～46、48～62、64～90、93、94係半導體裝置用銅合金接合導線，且導線表面之結晶方位中，相對於與包含導線中心軸之1個平面垂直之方向而角度差為15度以下之＜110＞結晶方位之存在比率以平均面積率計為40%以上且70%以下，故而關於脫皮發生率，均獲得了優異之評價結果。
實施例No.5～90、92、93於導線表面之結晶方位中，相對於導線中心軸方向而角度差為15度以下之＜111＞與＜100＞結晶方位之存在比率之合計以平均面積率計為50%以上且98%以下，故而關於低溫接合性能，獲得了優異之評價結果。
實施例No.7～20包含總計為0.01質量%以上且3.00質量%以下之Ni、Pd、Pt、Au之1種以上，故而關於高溫放置試驗中之球接合部壽命，可獲得優異之評價結果。實施例No.9、12、15、17～20包含Pt，故而獲得了200℃之高溫放置試驗中之球接合部壽命之特別優異之改善效果。
實施例No.53～90包含總計為0.001質量%以上且1.00質量%以下之P、In、Ga、Ge、Ag之1種以上，因此關於球壓接形狀，可獲得良好之評價結果。實施例No.53～57、63～81、83～90包含總計為0.001質量%以上且0.1質量%以下之P、In、Ga、Ge、Ag之1種以上之濃度，故而關於球壓接形狀，獲得了優異之評價結果。實施例No.57、63～81、83～90包含Ag，故而關於球壓接形狀，獲得了特別優異之評價結果。
實施例No.21～52包含總計為0.01質量%以上且3.00質量%以下之Ni、Pd、Pt、Au之1種以上，進而包含總計為0.001質量%以上且1.00質量%以下之P、In、Ga、Ge、Ag之1種以上，故而關於高溫放置試驗中之球接合部壽命，獲得了優異之評價結果，並且關於球壓接形狀，獲得了良好之評價結果。實施例No.39～52包含Pt，故而獲得了200℃之高溫放置試驗中之球接合部壽命之特別優異之改善效果。實施例No.21～25、31～34、39～43、49～52係P、In、Ga、Ge、Ag之1種以上之濃度總計為0.001質量%以上且0.1質量%以下，故而關於球壓接形狀，獲得了優異之評價結果。實施例No.25、31～34、43、49～52包含Ag，故而關於球壓接形狀，獲得了特別優異之評價結果。
[表2A]
[表2B]
100‧‧‧導線部
102‧‧‧電極
104‧‧‧楔接合部
105‧‧‧變形部
106‧‧‧楔接合部
107‧‧‧變形部
A‧‧‧測定區域
L‧‧‧長度
P‧‧‧平面
W‧‧‧長度
x‧‧‧方向
y‧‧‧方向
圖1為表示楔接合部之外觀之模式圖，圖1A為表示良好之狀態之圖，圖1B為表示產生了脫皮之狀態之圖。 圖2為供說明測定區域之立體圖。

Claims (5)

  1. 一種半導體裝置用銅合金接合導線，其特徵在於：其係半導體裝置用銅合金接合導線，且導線表面之結晶方位中，相對於與包含導線中心軸之1個平面垂直之方向而角度差為15度以下之＜110＞結晶方位之存在比率以平均面積率計為25%以上且70%以下。
  2. 如請求項1之半導體裝置用銅合金接合導線，其中上述導線表面之結晶方位中，相對於上述導線中心軸方向而角度差為15度以下之＜111＞與＜100＞結晶方位之存在比率之合計以平均面積率計為50%以上且98%以下。
  3. 如請求項1或2之半導體裝置用銅合金接合導線，其包含總計為0.01質量%以上且3.00質量%以下之Ni、Pd、Pt、Au之1種以上，且其餘部分為銅及不可避免之雜質。
  4. 如請求項1或2之半導體裝置用銅合金接合導線，其包含總計為0.001質量%以上且1.00質量%以下之P、In、Ga、Ge、Ag之1種以上，且其餘部分為銅及不可避免之雜質。
  5. 如請求項3之半導體裝置用銅合金接合導線，其進而包含總計為0.001質量%以上且1.00質量%以下之P、In、Ga、Ge、Ag之1種以上，且其餘部分為銅及不可避免之雜質。
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