WO2021065551A1 - Ａｌ配線材 - Google Patents

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佑仁 栗原
良 大石
基稀 江藤
大造 小田
哲哉 小山田
裕弥 須藤
宇野　智裕
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日鉄マイクロメタル株式会社
日鉄ケミカル＆マテリアル株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to an Al wiring material. Furthermore, the present invention relates to a semiconductor device containing the Al wiring material.
  • an electrode formed on a semiconductor chip and an electrode on a lead frame or a substrate are connected by a bonding wire or a bonding ribbon (collectively referred to as "wiring material”).
  • Wiring materials mainly made of aluminum (Al) (hereinafter, also simply referred to as "Al wiring materials”) are used in power semiconductor devices.
  • Al wiring materials mainly made of aluminum (Al)
  • 300 ⁇ m ⁇ is used in a power semiconductor module.
  • An example of using the Al bonding wire of the above is shown.
  • wedge bonding is used for both the first connection with the electrode on the semiconductor chip and the second connection with the electrode on the lead frame or the substrate. ing.
  • Power semiconductor devices using Al wiring materials are often used as high-power devices such as air conditioners and photovoltaic power generation systems, and semiconductor devices for vehicles.
  • the joint portion of the wiring material may be exposed to a high temperature of 150 ° C. or higher when the device is operated.
  • a material made of only high-purity Al is used as the wiring material, it is difficult to use it in a high temperature environment because the wiring material tends to soften in the temperature environment when the device is operated.
  • Patent Document 2 discloses an Al bonding wire having improved mechanical strength by adding 0.05 to 1% by weight of scandium (Sc) to Al and precipitating hardening.
  • Patent Document 3 an Al wiring material containing one or more of nickel (Ni), silicon (silicon) (Si) and phosphorus (P) in a total of 800 ppm by weight or less has good bonding strength and weather resistance. It is disclosed to present.
  • Patent Document 4 contains 0.01 to 0.2% by weight of iron (Fe) and 1 to 20% by weight of Si, and the solid solution amount of Fe is 0.01 to 0.06% by weight.
  • An Al bonding wire having a Fe precipitation amount of 7 times or less of the solid solution amount and an average crystal particle size of 6 to 12 ⁇ m is disclosed, and it is described that the wire exhibits good bonding reliability. ing.
  • JP-A-2002-314038 Special Table 2016-511529 Japanese Unexamined Patent Publication No. 2016-152316 Japanese Unexamined Patent Publication No. 2014-129578
  • a shocking thermal stress is generated due to the temperature change (hereinafter, such a phenomenon is also referred to as “thermal shock"), and the Al wiring material and the connected member are connected.
  • the connection with the device may be damaged.
  • cracks may occur at the interface of the connecting portion due to the difference in the coefficient of thermal expansion between the Al wiring material and the connected member due to the temperature change accompanying the operation cycle (hereinafter, such a phenomenon is referred to as "the phenomenon”. Also called "bond crack”).
  • cracks may also occur in the loop rising portion near the connecting portion due to bending stress due to expansion and contraction of the Al wiring material itself (hereinafter, such a phenomenon is also referred to as “heel crack”). Corrosion in the environment during operation of the device may cause these bond cracks and heel cracks to progress, and eventually the Al wiring material may peel off from the connected member, resulting in impaired joining reliability.
  • thermal shock resistance Although some reports have been made on Al wiring materials that have been made stronger by adding other elements to Al, while suppressing a decrease in yield during manufacturing, chip cracks can be suppressed and thermal shock associated with the operation cycle of the device can be suppressed. There was room for improvement in achieving both resistance (hereinafter, also simply referred to as "thermal shock resistance").
  • An object of the present invention is to provide an Al wiring material that has both suppression of chip cracks and thermal shock resistance while suppressing a decrease in yield during manufacturing.
  • the present inventors have found that the above problems can be solved by an Al wiring material having the following configuration, and have completed the present invention by conducting further studies based on such findings. That is, the present invention includes the following contents. [1] When at least Sc and Zr are contained, the Sc content is x1 [% by weight], and the Zr content is x2 [% by weight]. 0.01 ⁇ x1 ⁇ 0.5 and 0.01 ⁇ x2 ⁇ 0.3 Al wiring material that meets the requirements and the rest contains Al. [2] The Al wiring material according to [1], which further contains Ni and satisfies 10 ⁇ x3 ⁇ 500 when the content thereof is x3 [weight ppm].
  • an Al wiring material that has both suppression of chip cracks and thermal shock resistance while suppressing a decrease in yield during manufacturing.
  • Al wiring material of the present invention contains at least scandium (Sc) and zirconium (Zr), and is 0.01 when the Sc content is x1 [% by weight] and the Zr content is x2 [% by weight]. It is characterized in that ⁇ x1 ⁇ 0.5 and 0.01 ⁇ x2 ⁇ 0.3 are satisfied.
  • Sc raises the recrystallization temperature of the Al wiring material and contributes to suppressing the coarsening of crystal grains and maintaining the strength of the Al wiring material even when the semiconductor device is continuously used in a high temperature environment.
  • the larger the amount of Sc added the more the coarsening of crystal grains tends to be suppressed in a high temperature environment.
  • disconnection and scratches occur during the production of Al wiring material, and the yield is increased. May decrease, or chip cracks may occur when the Al wiring material is connected to the connected member.
  • the intermetallic compound formed between Sc and Al aggregates and coarsens it may adversely affect the generation / growth of bond cracks and heel cracks (that is, accelerate the generation / growth of cracks).
  • the Al wiring material of the present invention containing Sc in the range of 0.01 to 0.5% by weight and Zr in the range of 0.01 to 0.3% by weight is used in a high temperature environment. While maintaining the effect of Sc that can suppress the coarsening of crystal grains, it exhibits appropriate strength and hardness before the connection of the Al wiring material, and can suppress the decrease in yield during manufacturing and the occurrence of chip cracks during connection. ..
  • the Al wiring material of the present invention suppresses aggregation and coarsening of intermetallic compounds between Al and Sc even when used in a power semiconductor device in which the temperature changes significantly with the operation cycle of the device, resulting in bond cracks and heels. It is possible to remarkably suppress the generation and growth of cracks.
  • the Al wiring material of the present invention achieves both suppression of chip cracks and thermal shock resistance while suppressing a decrease in yield during manufacturing, and is a semiconductor whose temperature changes significantly with the operation cycle of the device. This contributes significantly to improving the long-term operational reliability of the device.
  • the Al wiring material of the present invention contains Sc as the first element in the range of 0.01 to 0.5% by weight. That is, when the Sc content in the Al wiring material is x1 [% by weight], 0.01 ⁇ x1 ⁇ 0.5 is satisfied.
  • the Sc content in the Al wiring material is 0.01% by weight or more, preferably 0. 02% by weight or more, 0.03% by weight or more, 0.04% by weight or more, or 0.05% by weight or more.
  • the upper limit of the Sc content x1 is 0.5% by weight or less, preferably 0.48% by weight or less, 0.46% by weight or less, from the viewpoint of suppressing a decrease in yield during manufacturing and chip cracking during connection. It is 0.45% by weight or less, 0.44% by weight or less, 0.42% by weight or less, or 0.4% by weight or less.
  • the Al wiring material of the present invention contains Zr as a second element in the range of 0.01 to 0.3% by weight. That is, when the content of Zr in the Al wiring material is x2 [% by weight], 0.01 ⁇ x2 ⁇ 0.3 is satisfied.
  • the Al wiring material of the present invention can achieve both suppression of chip cracks and thermal shock resistance while suppressing a decrease in yield during manufacturing.
  • focusing only on the improvement of the strength of the Al wiring material it can be achieved to some extent even when Sc is contained alone or Zr is contained alone, but chip crack suppression and thermal shock resistance can be achieved to some extent. Achievement of both is specifically achieved at a particularly high level when Sc and Zr are contained in combination.
  • the content of Zr in the Al wiring material is 0.01% by weight or more, preferably 0.02% by weight or more, 0. It is 0.03% by weight or more, 0.04% by weight or more, or 0.05% by weight or more.
  • the upper limit of the Zr content x2 is 0.3% by weight or less, preferably 0.28% by weight or less, 0.26% by weight or less, from the viewpoint of suppressing a decrease in yield during manufacturing and chip cracking during connection. It is 0.25% by weight or less, 0.24% by weight or less, 0.22% by weight or less, or 0.2% by weight or less.
  • the ratio x2 / x1 of the Sc content x1 [% by weight] and the Zr content x2 [% by weight] is not particularly limited as long as each of x1 and x2 is within the above-mentioned preferable range, and is, for example, 0.05 or more and 0. It can be 1 or more, 0.2 or more, and so on.
  • x1 and x2 satisfy the relationship of x2 / x1> 0.5, and more preferably x2 / x1 ⁇ 0.55.
  • the upper limit of the x2 / x1 ratio is not particularly limited as long as each of x1 and x2 is within the above-mentioned preferable range, but is preferably 10 from the viewpoint of easily realizing an Al wiring material exhibiting the desired strength in a high temperature environment. It can be less than or equal to (ie, 10 ⁇ x2 / x1), 8 or less, 6 or less, or 5 or less.
  • the x2 / x1 ratio is within the above-mentioned preferable range, the benefit of the above-mentioned effect can be further enjoyed especially when 0.15 ⁇ x1.
  • the Al wiring material of the present invention may further contain Ni.
  • Ni in addition to Sc and Zr, corrosion resistance can be improved, coarsening of crystal grains in a high temperature environment can be further suppressed, and the strength of the Al wiring material can be maintained at a high level. ..
  • the content of Ni in the Al wiring material may be in the range of 10 to 500 ppm by weight. That is, when the content of Ni in the Al wiring material is x3 [weight ppm], 10 ⁇ x3 ⁇ 500 may be satisfied.
  • the Ni content in the Al wiring material, that is, x3 is preferably 10 ppm by weight.
  • the above is more preferably 15% by weight or more, 20% by weight or more, 25% by weight or more, or 30% by weight or more.
  • the upper limit of the Ni content x3 is preferably 500 ppm by weight or less, more preferably 450 ppm by weight or less, 400 ppm or less, 350 ppm or less, from the viewpoint of suppressing a decrease in yield during manufacturing and chip cracking during connection. It is 300 ppm or less, 250 ppm or less, 200 ppm or less, 150 ppm or less, or 100 ppm or less.
  • the rest of the Al wiring material of the present invention contains Al.
  • As the aluminum raw material for producing the Al wiring material it is preferable to use aluminum having a purity of 5N (Al: 99.999% by weight or more) or more.
  • the rest of the Al wiring material of the present invention may contain an element other than Al as long as the effect of the present invention is not impaired.
  • the Al content in the balance of the Al wiring material of the present invention is not particularly limited as long as the effect of the present invention is not impaired, but is preferably 98% by weight or more, 98.5% by weight or more, 99% by weight or more, 99. 5% by weight or more, 99.6% by weight or more, 99.7% by weight or more, 99.8% by weight or more, or 99.9% by weight or more.
  • the remainder of the Al wiring material of the present invention consists of Al and unavoidable impurities.
  • the following shows a particularly suitable embodiment as an Al wiring material capable of suppressing chip crack suppression and thermal shock resistance at a high level while suppressing a decrease in yield during manufacturing.
  • the Al wiring material of the present invention contains Sc and Zr, and when the Sc content is x1 [% by weight] and the Zr content is x2 [% by weight], 0. It is characterized in that 01 ⁇ x1 ⁇ 0.15 and 0.01 ⁇ x2 ⁇ 0.3 are satisfied, and the balance is composed of Al and unavoidable impurities.
  • first embodiment such an embodiment is also referred to as a "first embodiment”.
  • the Al wiring material of the present invention contains Sc, Zr and Ni, with a Sc content of x1 [% by weight], a Zr content of x2 [% by weight], and Ni.
  • the content of is x3 [weight ppm]
  • 0.01 ⁇ x1 ⁇ 0.15, 0.01 ⁇ x2 ⁇ 0.3, 10 ⁇ x3 ⁇ 500 are satisfied, and the balance is composed of Al and unavoidable impurities. It is characterized by.
  • such an embodiment is also referred to as a “second embodiment”.
  • the Al wiring material of the present invention contains Sc and Zr
  • the Sc content is x1 [% by weight]
  • the Zr content is x2 [% by weight]. It is characterized in that 0.15 ⁇ x1 ⁇ 0.5 and 0.01 ⁇ x2 ⁇ 0.3 are satisfied, and the balance is composed of Al and unavoidable impurities.
  • such an embodiment is also referred to as a "third embodiment”.
  • the Al wiring material of the present invention contains Sc, Zr and Ni, with a Sc content of x1 [% by weight], a Zr content of x2 [% by weight], and Ni.
  • the content of is x3 [weight ppm]
  • 0.15 ⁇ x1 ⁇ 0.5, 0.01 ⁇ x2 ⁇ 0.3, 10 ⁇ x3 ⁇ 500 are satisfied, and the balance is composed of Al and unavoidable impurities. It is characterized by.
  • such an embodiment is also referred to as a "fourth embodiment”.
  • the Sc content x1 [weight%] and the Zr content x2 are , X2 / x1> 0.5.
  • the preferred range of such ratio x2 / x1 is as described above.
  • the content of Sc, Zr, Ni, etc. in the Al wiring material can be measured by the method described in [Measurement of element content] described later.
  • the Al wiring material of the present invention may or may not have a coating containing a metal other than Al as a main component on the outer periphery of the Al wiring material.
  • the Al wiring material of the present invention does not have a coating containing a metal other than Al as a main component on the outer periphery of the Al wiring material.
  • the "coating containing a metal other than Al as a main component” means a coating in which the content of the metal other than Al is 50% by weight or more.
  • the Al wiring material of the present invention may be an Al bonding wire or an Al bonding ribbon.
  • the Al wiring material of the present invention is an Al bonding wire
  • its wire diameter is not particularly limited and may be, for example, 50 to 600 ⁇ m.
  • the Al wiring material of the present invention is an Al bonding ribbon
  • the rectangular or substantially rectangular cross-sectional dimensions (w ⁇ t) are not particularly limited, and for example, w may be 100 to 3000 ⁇ m and t may be 50. It may be up to 600 ⁇ m.
  • the method for producing the Al wiring material of the present invention is not particularly limited, and for example, it may be produced using a known processing method such as extrusion processing, aging processing, wire drawing processing, and rolling processing.
  • a known processing method such as extrusion processing, aging processing, wire drawing processing, and rolling processing.
  • This is melt-mixed to obtain an ingot.
  • a mother alloy containing these elements may be used as a raw material for Sc, Zr, Ni and the like.
  • This ingot can be processed to the final size to form an Al wiring material.
  • the Al wiring material of the present invention in which the content of Sc, Zr and Ni, etc. in the above specific range is within the above-mentioned specific range can be manufactured (processed) while suppressing the occurrence of disconnection and scratches to a level that does not cause a problem in mass production. ..
  • solution heat treatment During the processing or after the processing is completed, Sc, Zr and, if contained, Ni and the like are dissolved, so it is preferable to perform solution heat treatment.
  • the conditions of the solution heat treatment may be, for example, 570 to 640 ° C. for 30 minutes to 3 hours.
  • x2 satisfies 0.01 ⁇ x2 ⁇ 0.15, Sc, Zr, etc. can all be solid-solved during ingot production, so that solution heat treatment is performed. Does not have to be carried out in particular.
  • the heat treatment for heat treatment for softening the wire is performed at a subsequent stage.
  • a tempering heat treatment may be added during the processing.
  • the tempering heat treatment changes the crystal structure of the wire from a processed structure to a recrystallized structure. As a result, the crystal structure becomes a recrystallized structure, so that the wire can be softened.
  • the temperature condition of the tempering heat treatment for example, the tensile strength of the tempered wire is confirmed by changing only the temperature inside the furnace at a constant transmission speed, and the heat treatment temperature is set so that the tensile strength is in the range of 60 to 140 MPa. Should be decided.
  • the heat treatment temperature may be, for example, in the range of 580 to 640 ° C.
  • the tempering heat treatment time is 30 seconds or less (more preferably 25 seconds or less or 20 seconds or less).
  • the Al wiring material of the present invention preferably, Sc, Zr, Ni and the like when contained, and their intermetallic compounds are not precipitated by performing the solution treatment in the manufacturing process thereof. Therefore, in the Al wiring material according to a preferred embodiment, when the total content of Sc and Zr in the Al wiring material is 100% by weight, Sc and Sc existing in the phase separated from Al are used as the intermetallic compound phase.
  • the total amount of Zr is preferably 5% by weight or less, more preferably 4% by weight or less, 3% by weight or less, 2% by weight or less, or 1% by weight or less.
  • the total amount of Sc and Zr present in the intermetallic compound phase in the Al wiring material can be measured by chemical analysis of the electrolytic extraction residue of the Al wiring material.
  • the Al wiring material exhibits an appropriate hardness.
  • the Vickers hardness of the longitudinal axis portion is 40 Hv or less.
  • the longitudinal axis of the Al wiring material is the central axis of the Al wiring material when the Al wiring material is an Al bonding wire, and the Al bonding ribbon having a rectangular or substantially rectangular cross section (w ⁇ t) in the Al wiring material.
  • it means the central axis that satisfies the center of w and the center of t.
  • the Al wiring material of the present invention has such an appropriate hardness at the time of connection to the connected member, the occurrence of chip cracks can be suppressed.
  • the Vickers hardness of the Al wiring material can be measured by the method described in [Measurement of Vickers hardness] described later.
  • the average crystal grain size in the cross section (C cross section) perpendicular to the wire longitudinal direction is preferably 1 to 50 ⁇ m. If the average crystal grain size is 1 ⁇ m or more, recrystallization by heat treatment during processing has progressed moderately, and solution heat treatment is performed in the manufacturing process of the Al wiring material to forcibly dissolve the contained components. In combination with this, the Al wiring material is softened, and it is possible to prevent the occurrence of chip cracks during bonding and deterioration of the bondability of the bonded portion. On the other hand, if the average crystal grain size exceeds 50 ⁇ m, it indicates that the recrystallization of the Al wiring material has progressed too much, and the reliability of the joint portion may decrease.
  • the average crystal grain size in the C cross section of the Al wiring material can be easily set to 1 to 50 ⁇ m.
  • the average crystal grain size is obtained by determining the area of each crystal grain using a measuring method such as EBSD (Electron Backscatter Diffraction Patterns), and the average grain size is taken as the average of the diameters when the area of each crystal grain is regarded as a circle.
  • the average crystal grain size of the C cross section of the Al wiring material can be measured by the method described in [Measurement of the average crystal grain size of the C cross section] described later.
  • the specific resistance of the Al wiring material of the present invention is preferably 3.6 ⁇ ⁇ cm or less. Further, when the Al wiring material of the present invention is subjected to heat treatment at 300 ° C. for 30 minutes, its specific resistance is preferably 3.0 ⁇ ⁇ cm or less. Since the Al wiring material of the present invention has such a low resistivity, it is possible to reduce the amount of heat generated when the device is operated, (1) recrystallization and softening of the Al wiring material, and (2) suppressing the occurrence and progression of cracks. Therefore, the joining reliability can be ensured even during long-term operation of the semiconductor device.
  • the specific resistance of the Al wiring material can be measured by the DC 4-terminal measuring method. For example, using an RM3544-01 manufactured by Hioki Electric Co., Ltd. as a resistance meter, measurement can be performed under the conditions of a sample length of 400 mm and a measurement current of 1 mA. The number of measurements is 5, and the arithmetic mean value can be obtained as the specific resistance value of each sample.
  • the Al wiring material of the present invention contains Sc, Zr, and Ni, etc. in the above-mentioned specific amount when contained, and has an appropriate strength by the action of solid solution strengthening and structure control by heat treatment in the wiring material manufacturing process.
  • the Al wiring material of the present invention can exhibit a breaking strength of 50 to 130 MPa.
  • the breaking strength of the Al wiring material can be measured by the method described in [Measurement of mechanical properties] described later.
  • connection between the Al wiring material and the connected member of the present invention is either a first connection with an electrode on a semiconductor chip or a second connection with an electrode on a lead frame or a circuit board (also simply referred to as a "board"). Also, it is carried out by wedge joining. It is preferable to perform aging heat treatment of the semiconductor device containing the Al wiring material after the connection with the connected member. As a result of the aging heat treatment, Sc and Zr in the Al wiring material satisfy the intermetallic compound Al 3 (Sc x, Zr 1-x ) (in the formula, x satisfies 0 ⁇ x ⁇ 1. The same is true.) Is formed, and a fine phase of the intermetallic compound is precipitated.
  • the Al wiring material is precipitated and strengthened, and its strength is increased.
  • the aging heat treatment conditions are not particularly limited as long as a fine phase of the intermetallic compound Al 3 (Sc x , Zr 1-x ) can be formed, but for example, 250 to 400 ° C. and 30 to 60 minutes are preferable.
  • Sc and Zr are added independently to the Al wiring material, Al 3 Sc and Al 3 Zr are formed as intermetallic compounds, respectively.
  • the fine phases of Al 3 Sc and Al 3 Zr also have the effect of increasing the strength of the Al wiring material by precipitation strengthening, the present inventors have compared the fine phases of Al 3 Sc and Al 3 Zr with Al.
  • the fine phase of 3 (Sc x , Zr 1-x ) has a remarkably low rate of aggregation and coarsening, and in addition, the coarsening of Al (matrix) crystal grains can be remarkably suppressed over a long period of time. It was found that exceptionally excellent thermal shock resistance can be realized.
  • the present invention also provides a method for manufacturing a semiconductor device.
  • the method for manufacturing a semiconductor device of the present invention Includes (A) a step of connecting an electrode on a semiconductor chip and an electrode on a lead frame or a substrate with the Al wiring material of the present invention, and (B) a step of performing aging heat treatment after connecting with the Al wiring material. To do.
  • step (A) As the semiconductor chip, lead frame or substrate used in the step (A), known ones that can be used for forming the semiconductor device may be used as described later. The details and preferred embodiments of the Al wiring material of the present invention used in the step (A) are as described above.
  • step (A) both the first connection with the electrode on the semiconductor chip and the second connection with the electrode on the lead frame or the substrate are carried out by wedge bonding.
  • step (B) Sc and Zr in the Al wiring material form an intermetallic compound Al 3 (Sc x , Zr 1-x ) with Al, and a fine phase of the intermetallic compound is precipitated.
  • a semiconductor device can be manufactured by connecting an electrode on a semiconductor chip with an electrode on a lead frame or a circuit board using the Al wiring material of the present invention.
  • the semiconductor device of the present invention includes the Al wiring material of the present invention.
  • the Al wiring material of the present invention has both suppression of chip cracks and thermal shock resistance while suppressing a decrease in yield during manufacturing, and a semiconductor device containing the Al wiring material is used in the operation cycle of the device. Excellent operational reliability can be achieved even when the accompanying temperature change is significant.
  • the semiconductor device of the present invention includes a circuit board, a semiconductor chip, and an Al wiring material for conducting the circuit board and the semiconductor chip, and the Al wiring material is the Al wiring material of the present invention. It is characterized by.
  • the "Al wiring material of the present invention” referred to in the semiconductor device of the present invention refers to Sc, Zr and, if contained, Sc, Zr and, as long as the content of Ni and the like is within the above-mentioned preferable range. It should be noted that this includes the case where at least a part of Ni or the like forms an intermetallic compound with Al.
  • the total amount of Sc and Zr present in the phase separated from Al is maintained in a suitable range as the intermetallic compound phase even when the device is operated for a long time in a high temperature environment. It is possible to maintain the intermetallic compound in a fine phase.
  • the circuit board and the semiconductor chip are not particularly limited, and known circuit boards and semiconductor chips that can be used to form the semiconductor device may be used.
  • a lead frame may be used instead of the circuit board.
  • the semiconductor device may be configured to include a lead frame and a semiconductor chip mounted on the lead frame.
  • Semiconductor devices are used in electrical products (for example, computers, mobile phones, digital cameras, televisions, air conditioners, solar power generation systems, etc.) and vehicles (for example, motorcycles, automobiles, trains, ships, aircraft, etc.).
  • electrical products for example, computers, mobile phones, digital cameras, televisions, air conditioners, solar power generation systems, etc.
  • vehicles for example, motorcycles, automobiles, trains, ships, aircraft, etc.
  • power semiconductor devices power semiconductor devices
  • Aluminum having a purity of 5N (99.999% by weight or more) and Sc, Zr, and Ni having a purity of 99.9% by weight or more were melted as raw materials to obtain an Al ingot having the composition shown in Table 1.
  • the ingot was extruded and aged, then heat-treated at 580 ° C. for 2 hours, and further wire-drawn.
  • solution heat treatment was performed at 580 ° C. for 1 hour, and quenching (water cooling) was performed.
  • the die wire drawing process was performed with the final wire diameter set to 200 ⁇ m, and after the wire drawing process was completed, the heat treatment was performed so that the tensile strength became 120 MPa in the heat treatment time of 15 seconds to obtain an Al wiring material.
  • the content of Sc, Zr, Ni, etc. in the Al wiring material can be determined by ICP-OES (“PS3520U VDDII” manufactured by Hitachi High-Tech Science Co., Ltd.) or ICP-MS (“Agilent 7700x” manufactured by Agilent Technologies America, Inc.) as an analyzer. It was measured using ICP-MS ").
  • the Vickers hardness of the longitudinal axis portion of the Al wiring material was measured using a Micro Vickers hardness tester (“HM-200” manufactured by Mitutoyo Co., Ltd.). The hardness at the longitudinal axis portion (that is, the center position of the Al wiring material) was measured with the cross section (L cross section) parallel to the longitudinal direction including the longitudinal axis of the Al wiring material as the measurement target surface. The average of the measured values at 5 points was used as the Vickers hardness of the sample.
  • the average crystal grain size of the C cross section was measured using the EBSD method (measuring device EBSD analysis system "AZtec HKL] manufactured by Oxford Instruments Co., Ltd.). Specifically, each crystal was measured for the entire C cross section. The area of the grains was obtained, the area of each crystal grain was converted into the area of a circle, the average of the diameters was calculated, and this was adopted as the average crystal grain size. The area of each crystal grain was measured at adjacent measurement points. The position where the azimuth difference between them was 15 degrees or more was defined as the grain boundary and obtained.
  • the breaking strength of the Al wiring material was measured by using an Instron tensile tester under the conditions of a distance between gauge points of 100 mm, a tensile speed of 10 mm / min, and a load cell rated load of 1 kN. The measurement was carried out 5 times, and the average value was adopted as the breaking strength of the sample.
  • the disconnection rate [times / km] is the number of wire breaks (N [times]) when the die wire is drawn from 1 mm to 200 ⁇ m, and the length of the Al wiring material (wire diameter 200 ⁇ m) after the die wire drawing (wire diameter 200 ⁇ m). It was calculated by the formula: N / L based on L [km]).
  • the electrode of the semiconductor chip was an Al-Cu pad, and the external terminal was Ag. Both the first connection portion between the electrode of the semiconductor chip and the Al wiring material and the second connection portion between the external terminal and the Al wiring material are wedge-bonded. After the connection, aging heat treatment was performed at 300 ° C. for 30 minutes.
  • Thermal shock resistance was performed by a power cycle test. In the power cycle test, heating and cooling are alternately repeated for the semiconductor device to which the Al wiring material is connected. The heating is performed over 2 seconds until the temperature of the connection portion of the Al wiring material in the semiconductor device reaches 120 ° C., and then cools over 20 seconds until the temperature of the connection portion reaches 30 ° C. This heating / cooling cycle is repeated 100,000 times.
  • the joint share strength of the first connection part was measured and the reliability of the connection part was evaluated.
  • the share strength measurement was performed as a comparison with the share strength of the initial connection part. 90% or more of the initial connection strength is " ⁇ ", 80% or more is “ ⁇ ", 60% or more is “ ⁇ ”, and less than 60% is “ ⁇ ”. Described in.
  • Table 1 shows the manufacturing conditions and manufacturing results.
  • Table 1 the numerical values whose content of the additive element is out of the range of the present invention are underlined.
  • the present invention example No. Nos. 1 to 9 are described in the first embodiment of the present invention.
  • 10 to 22 are described in the third embodiment of the present invention
  • Example No. 23 to 35 are the second embodiments of the present invention example No. 36 to 53 correspond to the fourth embodiment, respectively.
  • the present invention example No. In No. 53 the Ni content was out of the upper limit of the preferable range, and the value of the disconnection rate was higher than that of other examples of the present invention.
  • Comparative Example No. 1 and 2 contained only one of Sc and Zr, and the thermal shock test was x. Comparative Example No. In Nos. 3 and 4, the Sc or Zr content was out of the lower limit of the range of the present invention, and the thermal shock test was ⁇ . Comparative Example No. In Nos. 5 and 6, the Sc or Zr content was out of the upper limit of the range of the present invention, and the chip damage was x.

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Abstract

製造時の歩留まり低下を抑制しつつ、チップクラックの抑制と、熱衝撃耐性とを両立したＡｌ配線材を提供する。該Ａｌ配線材は、少なくともＳｃとＺｒを含有し、Ｓｃの含有量をｘ１［重量％］、Ｚｒの含有量をｘ２［重量％］としたとき、０．０１≦ｘ１≦０．５、及び０．０１≦ｘ２≦０．３を満たし、残部はＡｌを含む。

Description

Ａｌ配線材
　本発明は、Ａｌ配線材に関する。さらには、該Ａｌ配線材を含む半導体装置に関する。
　半導体装置では、半導体チップ上に形成された電極と、リードフレームや基板上の電極との間をボンディングワイヤやボンディングリボン（これらを総称して「配線材」ともいう。）によって接続している。パワー半導体装置においては主にアルミニウム（Ａｌ）を材質とする配線材（以下、単に「Ａｌ配線材」ともいう。）が用いられており、例えば、特許文献１には、パワー半導体モジュールにおいて、３００μｍφのＡｌボンディングワイヤを用いる例が示されている。また、Ａｌ配線材を用いたパワー半導体装置において、ボンディング方法としては、半導体チップ上電極との第１接続と、リードフレームや基板上の電極との第２接続のいずれも、ウェッジ接合が用いられている。
　Ａｌ配線材を用いたパワー半導体装置は、エアコンや太陽光発電システムなどの大電力機器、車載用の半導体装置として用いられることが多い。これらの半導体装置においては、装置作動時に、配線材の接合部は１５０℃以上の高温にさらされる場合もある。配線材として高純度のＡｌのみからなる材料を用いた場合、装置作動時の温度環境において配線材の軟化が進行しやすいため、高温環境で使用することが困難であった。
　Ａｌに特定の元素を添加した材料からなるＡｌ配線材が提案されている。例えば、特許文献２には、Ａｌに０．０５～１重量％のスカンジウム（Ｓｃ）を添加し析出硬化させることによって機械的強度の向上したＡｌボンディングワイヤが開示されている。特許文献３には、ニッケル（Ｎｉ）、珪素（シリコン）（Ｓｉ）及びリン（Ｐ）のうちの１種以上を合計で８００重量ｐｐｍ以下含有するＡｌ配線材が良好な接合強度、耐候性を呈することが開示されている。特許文献４には、０．０１～０．２重量％の鉄（Ｆｅ）と１～２０重量ｐｐｍのＳｉを含有し、Ｆｅの固溶量が０．０１～０．０６重量％であり、Ｆｅの析出量が固溶量の７倍以下であり、かつ、平均結晶粒径が６～１２μｍであるＡｌボンディングワイヤが開示されており、当該ワイヤが良好な接合信頼性を呈することが記載されている。
特開２００２－３１４０３８号公報 特表２０１６－５１１５２９号公報 特開２０１６－１５２３１６号公報 特開２０１４－１２９５７８号公報
　装置の作動サイクルに伴う温度変化の著しいパワー半導体装置においては、温度変化に伴う衝撃的な熱応力が生じ（以下、斯かる現象を「熱衝撃」ともいう。）、Ａｌ配線材と被接続部材との接続部等が損傷する場合がある。詳細には、作動サイクルに伴う温度変化に伴い、Ａｌ配線材と被接続部材との熱膨張率差に起因して、接続部界面にクラックが発生する場合がある（以下、斯かる現象を「ボンドクラック」ともいう。）。パワー半導体装置ではまた、Ａｌ配線材自体の伸縮による曲げ応力に起因して接続部近傍のループ立ち上がり部にクラックが生じる場合もある（以下、斯かる現象を「ヒールクラック」ともいう。）。装置作動時の環境下における腐食により、これらボンドクラックやヒールクラックは進展し、最終的にＡｌ配線材が被接続部材から剥離するなどして接合信頼性は損なわれる場合があった。
　他方、高温環境下におけるＡｌ配線材の軟化を抑制する方法として、Ａｌ配線材に他元素を添加して結晶粒の粗大化を抑制し、Ａｌ配線材を高強度化させる方法が考えられる。Ａｌ配線材について、結晶粒の粗大化を抑制するには、ＳｃやＮｉ、Ｆｅといった元素を添加することが効果的であるが、これらの元素の含有量が高まるにつれて、Ａｌ配線材の製造時に断線や傷が生じ歩留まりが低下したり、Ａｌ配線材を被接続部材と接続する際に被接続部材が損傷したり（以下、斯かる現象を「チップクラック」ともいう。）する場合がある。また、これらの添加元素がＡｌとの間で形成した金属間化合物が凝集し粗大化すると、ボンドクラックやヒールクラックの発生・進展に悪影響を及ぼす（すなわち、クラックの発生・進展を加速させる）場合もある。
　Ａｌに他元素を添加し高強度化されたＡｌ配線材については幾つか報告されているものの、製造時の歩留まり低下を抑制しつつ、チップクラックの抑制と、装置の作動サイクルに伴う熱衝撃に対する耐性（以下、単に「熱衝撃耐性」ともいう）とを両立させることには、改善の余地があった。
　本発明は、製造時の歩留まり低下を抑制しつつ、チップクラックの抑制と、熱衝撃耐性とを両立したＡｌ配線材を提供することを課題とする。
　本発明者らは、上記課題につき鋭意検討した結果、下記構成を有するＡｌ配線材によって上記課題を解決できることを見出し、斯かる知見に基づいて更に検討を重ねることによって本発明を完成した。
　すなわち、本発明は以下の内容を含む。
［１］　少なくともＳｃとＺｒを含有し、Ｓｃの含有量をｘ１［重量％］、Ｚｒの含有量をｘ２［重量％］としたとき、
　０．０１≦ｘ１≦０．５、及び
　０．０１≦ｘ２≦０．３
を満たし、残部はＡｌを含む、Ａｌ配線材。
［２］　さらにＮｉを含有し、その含有量をｘ３［重量ｐｐｍ］としたとき、１０≦ｘ３≦５００を満たす、［１］に記載のＡｌ配線材。
［３］　ｘ１とｘ２がｘ２／ｘ１＞０．５の関係を満たす、［１］又は［２］に記載のＡｌ配線材。
［４］　Ａｌ配線材の長手軸線部のビッカース硬度が４０Ｈｖ以下である、［１］～［３］の何れかに記載のＡｌ配線材。
［５］　５８０～６４０℃にて３０秒間以下の調質熱処理に付されてなる、［１］～［４］の何れかに記載のＡｌ配線材。
［６］　Ａｌ以外の金属を主成分とする被覆を有していない、［１］～［５］の何れかに記載のＡｌ配線材。
［７］　ボンディングワイヤである、［１］～［６］の何れかに記載のＡｌ配線材。
［８］　被接続部材との接続後に２５０～４００℃にて３０～６０分間の時効熱処理に付される、［１］～［７］の何れかに記載のＡｌ配線材。
［９］　［１］～［８］の何れかに記載のＡｌ配線材を含む半導体装置。
　本発明によれば、製造時の歩留まり低下を抑制しつつ、チップクラックの抑制と、熱衝撃耐性とを両立したＡｌ配線材を提供することができる。
　以下、本発明をその好適な実施形態に即して詳細に説明する。
　［Ａｌ配線材］
　本発明のＡｌ配線材は、少なくともスカンジウム（Ｓｃ）とジルコニウム（Ｚｒ）を含有し、Ｓｃの含有量をｘ１［重量％］、Ｚｒの含有量をｘ２［重量％］としたとき、０．０１≦ｘ１≦０．５、及び０．０１≦ｘ２≦０．３を満たすことを特徴とする。
　Ｓｃは、Ａｌ配線材の再結晶温度を上昇させ、半導体装置を高温環境で使用し続けたときにおいても、結晶粒の粗大化を抑制しＡｌ配線材の強度を維持することに寄与する。Ｓｃの添加量が多いほど、高温環境下における結晶粒の粗大化は抑制される傾向にあるが、先述のとおり、Ｓｃの添加量が高まると、Ａｌ配線材の製造時に断線や傷が生じ歩留まりが低下したり、Ａｌ配線材を被接続部材と接続する際にチップクラックが生じたりする場合がある。また、ＳｃとＡｌとの間で形成した金属間化合物が凝集し粗大化すると、ボンドクラックやヒールクラックの発生・進展に悪影響を及ぼす（すなわち、クラックの発生・進展を加速させる）場合もある。これに対し、Ｓｃを０．０１～０．５重量％の範囲で含有すると共に、Ｚｒを０．０１～０．３重量％の範囲で含有する本発明のＡｌ配線材は、高温環境下における結晶粒の粗大化を抑制し得るというＳｃの効果はそのままに、Ａｌ配線材の接続以前においては適度な強度・硬度を呈し、製造時の歩留まり低下や接続時のチップクラックの発生を抑制し得る。加えて、本発明のＡｌ配線材は、装置の作動サイクルに伴う温度変化の著しいパワー半導体装置における使用に際しても、ＡｌとＳｃとの金属間化合物の凝集・粗大化を抑制し、ボンドクラックやヒールクラックの発生・進展を著しく抑制することが可能である。このように、本発明のＡｌ配線材は、製造時の歩留まり低下を抑制しつつ、チップクラックの抑制と、熱衝撃耐性とを両立したものであり、装置の作動サイクルに伴う温度変化の著しい半導体装置の長期的な作動信頼性の向上に著しく寄与するものである。
　－Ｓｃ（第１元素）－
　本発明のＡｌ配線材は、第１元素として、Ｓｃを０．０１～０．５重量％の範囲にて含有する。すなわち、Ａｌ配線材中のＳｃの含有量をｘ１［重量％］としたとき、０．０１≦ｘ１≦０．５を満たす。
　高温環境下における結晶粒の粗大化を抑制しＡｌ配線材の強度を維持する観点から、Ａｌ配線材中のＳｃの含有量、すなわちｘ１は、０．０１重量％以上であり、好ましくは０．０２重量％以上、０．０３重量％以上、０．０４重量％以上又は０．０５重量％以上である。
　Ｓｃの含有量ｘ１の上限は、製造時の歩留まり低下と接続時のチップクラックを抑える観点から、０．５重量％以下であり、好ましくは０．４８重量％以下、０．４６重量％以下、０．４５重量％以下、０．４４重量％以下、０．４２重量％以下又は０．４重量％以下である。
　－Ｚｒ（第２元素）－
　本発明のＡｌ配線材は、第２元素として、Ｚｒを０．０１～０．３重量％の範囲にて含有する。すなわち、Ａｌ配線材中のＺｒの含有量をｘ２［重量％］としたとき、０．０１≦ｘ２≦０．３を満たす。
　ＺｒをＳｃと組み合わせて含有することによって、本発明のＡｌ配線材は、製造時の歩留まり低下を抑制しつつ、チップクラックの抑制と、熱衝撃耐性とを両立することができる。ここで、Ａｌ配線材の強度向上のみに着目すれば、Ｓｃを単独で含有する場合やＺｒを単独で含有する場合であっても或る程度達成し得るが、チップクラックの抑制と熱衝撃耐性の両立は、ＳｃとＺｒを組み合わせて含有させる場合において特異的に格別高いレベルにて達成される。
　Ｓｃとの組み合わせにおいて特に優れた熱衝撃耐性を実現する観点から、Ａｌ配線材中のＺｒの含有量、すなわちｘ２は、０．０１重量％以上であり、好ましくは０．０２重量％以上、０．０３重量％以上、０．０４重量％以上又は０．０５重量％以上である。
　Ｚｒの含有量ｘ２の上限は、製造時の歩留まり低下と接続時のチップクラックを抑える観点から、０．３重量％以下であり、好ましくは０．２８重量％以下、０．２６重量％以下、０．２５重量％以下、０．２４重量％以下、０．２２重量％以下又は０．２重量％以下である。
　Ｓｃの含有量ｘ１［重量％］とＺｒの含有量ｘ２［重量％］の比ｘ２／ｘ１は、ｘ１及びｘ２の各々が上記好適範囲にある限り特に限定されず、例えば０．０５以上、０．１以上、０．２以上などとし得る。とりわけ長期にわたって優れた熱衝撃耐性を呈するＡｌ配線材を実現し得る観点から、ｘ１とｘ２は、ｘ２／ｘ１＞０．５の関係を満たすことが好ましく、より好ましくはｘ２／ｘ１≧０．５５、ｘ２／ｘ１≧０．６、ｘ２／ｘ１≧０．６５、ｘ２／ｘ１≧０．７、ｘ２／ｘ１≧０．７５、又はｘ２／ｘ１≧０．８の関係を満たす。斯かるｘ２／ｘ１比の上限は、ｘ１及びｘ２の各々が上記好適範囲にある限り特に限定されないが、高温環境下において所期の強度を呈するＡｌ配線材を実現し易い観点から、好ましくは１０以下（すなわち、１０≧ｘ２／ｘ１）、８以下、６以下又は５以下とし得る。ｘ２／ｘ１比が上記の好適範囲内であると、特に０．１５≦ｘ１の場合に、上記効果の恩恵をより享受することができる。
　－Ｎｉ（第３元素）－
　本発明のＡｌ配線材は、さらにＮｉを含有してよい。ＳｃとＺｒに加えて、Ｎｉを含有することにより、耐食性を向上させ得ると共に、高温環境下における結晶粒の粗大化をより一層抑制しＡｌ配線材の強度を高いレベルにて維持することができる。
　Ａｌ配線材中のＮｉの含有量は１０～５００重量ｐｐｍの範囲としてよい。すなわち、Ａｌ配線材中のＮｉの含有量をｘ３［重量ｐｐｍ］としたとき、１０≦ｘ３≦５００を満たしてよい。
　優れた耐食性を実現すると共に、高温環境下における結晶粒の粗大化を抑制しＡｌ配線材の強度を維持する観点から、Ａｌ配線材中のＮｉの含有量、すなわちｘ３は、好ましくは１０重量ｐｐｍ以上、より好ましくは１５重量ｐｐｍ以上、２０重量ｐｐｍ以上、２５重量ｐｐｍ以上又は３０重量ｐｐｍ以上である。
　Ｎｉの含有量ｘ３の上限は、製造時の歩留まり低下と接続時のチップクラックを抑える観点から、好ましくは５００重量ｐｐｍ以下、より好ましくは４５０重量ｐｐｍ以下、４００重量ｐｐｍ以下、３５０重量ｐｐｍ以下、３００重量ｐｐｍ以下、２５０重量ｐｐｍ以下、２００重量ｐｐｍ以下、１５０重量ｐｐｍ以下又は１００重量ｐｐｍ以下である。
　本発明のＡｌ配線材の残部は、Ａｌを含む。Ａｌ配線材を製造する際のアルミニウム原料としては、純度が５Ｎ（Ａｌ：９９．９９９重量％以上）以上のアルミニウムを用いることが好適である。本発明の効果を阻害しない範囲において、本発明のＡｌ配線材の残部は、Ａｌ以外の元素を含有してよい。本発明のＡｌ配線材の残部におけるＡｌの含有量は、本発明の効果を阻害しない限りにおいて特に限定されないが、好ましくは９８重量％以上、９８．５重量％以上、９９重量％以上、９９．５重量％以上、９９．６重量％以上、９９．７重量％以上、９９．８重量％以上、又は９９．９重量％以上である。好適な一実施形態において、本発明のＡｌ配線材の残部は、Ａｌ及び不可避不純物からなる。
　製造時の歩留まり低下を抑制しつつ、チップクラックの抑制と、熱衝撃耐性とを高いレベルにて両立し得るＡｌ配線材として、特に好適な実施形態を以下に示す。
　特に好適な一実施形態において、本発明のＡｌ配線材は、ＳｃとＺｒを含有し、Ｓｃの含有量をｘ１［重量％］、Ｚｒの含有量をｘ２［重量％］としたとき、０．０１≦ｘ１＜０．１５、及び０．０１≦ｘ２≦０．３を満たし、残部がＡｌ及び不可避不純物からなることを特徴とする。以下、斯かる実施形態を「第１実施形態」ともいう。
　他の特に好適な一実施形態において、本発明のＡｌ配線材は、ＳｃとＺｒとＮｉを含有し、Ｓｃの含有量をｘ１［重量％］、Ｚｒの含有量をｘ２［重量％］、Ｎｉの含有量をｘ３［重量ｐｐｍ］としたとき、０．０１≦ｘ１＜０．１５、０．０１≦ｘ２≦０．３、１０≦ｘ３≦５００を満たし、残部がＡｌ及び不可避不純物からなることを特徴とする。以下、斯かる実施形態を「第２実施形態」ともいう。
　他の特に好適な一実施形態において、本発明のＡｌ配線材は、ＳｃとＺｒを含有し、Ｓｃの含有量をｘ１［重量％］、Ｚｒの含有量をｘ２［重量％］としたとき、０．１５≦ｘ１≦０．５、及び０．０１≦ｘ２≦０．３を満たし、残部がＡｌ及び不可避不純物からなることを特徴とする。以下、斯かる実施形態を「第３実施形態」ともいう。
　他の特に好適な一実施形態において、本発明のＡｌ配線材は、ＳｃとＺｒとＮｉを含有し、Ｓｃの含有量をｘ１［重量％］、Ｚｒの含有量をｘ２［重量％］、Ｎｉの含有量をｘ３［重量ｐｐｍ］としたとき、０．１５≦ｘ１≦０．５、０．０１≦ｘ２≦０．３、１０≦ｘ３≦５００を満たし、残部がＡｌ及び不可避不純物からなることを特徴とする。以下、斯かる実施形態を「第４実施形態」ともいう。
　とりわけ長期にわたる熱衝撃耐性に優れるＡｌ配線材を実現し得る観点から、上記第３及び第４実施形態、特に第３実施形態では、Ｓｃの含有量ｘ１［重量％］とＺｒの含有量ｘ２は、ｘ２／ｘ１＞０．５の関係を満たすことが好ましい。斯かる比ｘ２／ｘ１の好適範囲は先述のとおりである。
　Ａｌ配線材中のＳｃ、Ｚｒ、Ｎｉ等の含有量は、後述の［元素含有量の測定］に記載の方法により測定することができる。
　本発明のＡｌ配線材は、該Ａｌ配線材の外周に、Ａｌ以外の金属を主成分とする被覆を有していてもよく該被覆を有していなくてもよい。好適な一実施形態において、本発明のＡｌ配線材は、該Ａｌ配線材の外周に、Ａｌ以外の金属を主成分とする被覆を有していない。ここで、「Ａｌ以外の金属を主成分とする被覆」とは、Ａｌ以外の金属の含有量が５０重量％以上である被覆をいう。
　本発明のＡｌ配線材は、Ａｌボンディングワイヤであってもよく、Ａｌボンディングリボンであってもよい。本発明のＡｌ配線材がＡｌボンディングワイヤである場合、その線径は特に限定されず、例えば、５０～６００μｍであってよい。本発明のＡｌ配線材がＡｌボンディングリボンである場合、その矩形若しくは略矩形の断面の寸法（ｗ×ｔ）は、特に限定されず、例えば、ｗは１００～３０００μｍであってよく、ｔは５０～６００μｍであってよい。
　本発明のＡｌ配線材の製造方法は特に限定されず、例えば、押し出し加工、スエージング加工、伸線加工、圧延加工等の公知の加工方法を用いて製造してよい。例えば、Ｓｃ、Ｚｒ及び含有する場合にはＮｉ等の含有量が上記特定範囲となるように、アルミニウム原料と、Ｓｃ、Ｚｒ及び含有する場合にはＮｉ等の原料とを出発原料として秤量した後、これを溶融混合することでインゴットを得る。あるいは、Ｓｃ、Ｚｒ、Ｎｉ等の原料としては、それら元素を含む母合金を用いてもよい。このインゴットを最終寸法となるまで加工して、Ａｌ配線材を形成することができる。Ｓｃ、Ｚｒ及び含有する場合にはＮｉ等の含有量が上記特定範囲にある本発明のＡｌ配線材では、断線や傷の発生を量産に問題無いレベルに抑えつつ製造（加工）することができる。
　加工の途中、あるいは加工終了後に、Ｓｃ、Ｚｒ及び含有する場合にはＮｉ等を固溶させるため、溶体化熱処理を行うと好ましい。溶体化熱処理の条件は、例えば、５７０～６４０℃で３０分間～３時間としてよい。なお、先述の第１、第２実施形態において、ｘ２が０．０１≦ｘ２≦０．１５を満たす場合には、インゴット製造時にＳｃ、Ｚｒ等を全て固溶させることができるため、溶体化熱処理は特に実施しなくてもよい。
　以下、Ａｌボンディングワイヤの製造に即してさらに説明する。
　加工終了後であって、上記溶体化熱処理を実施した場合はその後の段階で、ワイヤ軟質化のための調質熱処理を行う。加工途中で調質熱処理を付加しても良い。調質熱処理によって、ワイヤの結晶組織を、加工組織から再結晶組織に変化させる。これにより、結晶組織が再結晶組織となるため、ワイヤの軟質化を実現することができる。調質熱処理の温度条件としては、例えば、送線速度一定で炉内温度のみを変更して調質したワイヤの引張強度を確認し、該引張強度が６０～１４０ＭＰａの範囲となるように熱処理温度を決定すればよい。熱処理温度は、例えば、５８０～６４０℃の範囲としてよい。好適な一実施形態において、調質熱処理の時間は３０秒間以下（より好ましくは２５秒間以下又は２０秒間以下）である。斯かる短時間の調質熱処理を行うことにより、先述の第３、第４実施形態のようにＳｃ含有量が比較的高い場合であっても、金属間化合物の析出なしに結晶組織を再結晶組織に変化させることができる。
　本発明のＡｌ配線材においては、好ましくは、その製造過程で溶体化処理を行うことにより、Ｓｃ、Ｚｒ、含有する場合にはＮｉ等、及びそれらの金属間化合物が析出していない。したがって、好適な一実施形態に係るＡｌ配線材において、Ａｌ配線材中のＳｃ及びＺｒの合計含有量を１００重量％としたとき、金属間化合物相として、Ａｌと分離した相に存在するＳｃ及びＺｒの合計量は、好ましくは５重量％以下、より好ましくは４重量％以下、３重量％以下、２重量％以下又は１重量％以下である。Ａｌ配線材において金属間化合物相に存在するＳｃ及びＺｒの合計量は、Ａｌ配線材の電解抽出残渣の化学分析により測定することができる。
　Ｓｃ及びＺｒが固溶され、また結晶組織を再結晶組織とすることにより、Ａｌ配線材は適度な硬さを呈することとなる。本発明のＡｌ配線材において、その長手軸線部（長手方向における軸線部；すなわち、Ａｌ配線材の中心部）のビッカース硬度は４０Ｈｖ以下である。ここで、Ａｌ配線材の長手軸線とは、Ａｌ配線材がＡｌボンディングワイヤである場合はその中心軸線を、また、Ａｌ配線材が矩形又は略矩形の断面（ｗ×ｔ）を有するＡｌボンディングリボンである場合はｗの中心かつｔの中心を満たす中心軸線を意味する。本発明のＡｌ配線材は、被接続部材への接続の時点においては、このように適度な硬さを有することから、チップクラックの発生を抑制し得る。Ａｌ配線材のビッカース硬度は、後述の［ビッカース硬度の測定］に記載の方法により測定することができる。
　本発明のＡｌ配線材において、ワイヤ長手方向に垂直な断面（Ｃ断面）における平均結晶粒径は、好ましくは１～５０μｍである。平均結晶粒径が１μｍ以上であれば、加工時の調質熱処理による再結晶化が適度に進行しており、Ａｌ配線材の製造過程で溶体化熱処理を行って含有成分を強制固溶することと相まって、Ａｌ配線材が軟化し、ボンディング時のチップクラックの発生、接合部の接合性の低下などを防止することができる。一方、平均結晶粒径が５０μｍを超えると、Ａｌ配線材の再結晶化が進行しすぎていることを示し、接合部の信頼性が低下する恐れがある。加工の過程で調質熱処理を行うことにより、Ａｌ配線材のＣ断面における平均結晶粒径を１～５０μｍとし易い。平均結晶粒径は、ＥＢＳＤ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ　Ｂａｃｋ　Ｓｃａｔｔｅｒ　Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ　Ｐａｔｔｅｒｎｓ）などの測定方法を用いて各結晶粒の面積を求め、各結晶粒の面積を円に見なした時の直径の平均とする。Ａｌ配線材のＣ断面の平均結晶粒径は、後述の［Ｃ断面の平均結晶粒径の測定］に記載の方法により測定することができる。
　本発明のＡｌ配線材の比抵抗は、好ましくは３．６μΩ・ｃｍ以下である。また、本発明のＡｌ配線材を３００℃、３０分間の熱処理に付したとき、その比抵抗は、好ましくは３．０μΩ・ｃｍ以下である。本発明のＡｌ配線材はこのように比抵抗が低いことから、装置作動時の発熱量を低減でき、（１）再結晶化とＡｌ配線材の軟化、（２）クラックの発生・進展を抑えることができ、半導体装置の長期作動時においても接合信頼性を担保させ得る。Ａｌ配線材の比抵抗は、直流４端子測定法により測定することができる。例えば、抵抗計として日置電機株式会社製ＲＭ３５４４－０１を用い、試料長さ４００ｍｍ、測定電流１ｍＡの条件にて測定することができる。測定回数は５回とし、その算術平均値を各試料の比抵抗値として求めることができる。
　本発明のＡｌ配線材は、Ｓｃ、Ｚｒ及び含有する場合にはＮｉ等を上記特定量にて含有すると共に、固溶強化と配線材製造過程の熱処理による組織制御の働きによって、適度な強度を呈する。例えば、本発明のＡｌ配線材は、５０～１３０ＭＰａの破断強度を呈し得る。Ａｌ配線材の破断強度は、後述の［機械的特性の測定］に記載の方法により測定することができる。
　本発明のＡｌ配線材と被接続部材との接続は、半導体チップ上電極との第１接続と、リードフレームや回路基板（単に「基板」ともいう。）上の電極との第２接続のいずれも、ウェッジ接合により実施する。被接続部材との接続後に、Ａｌ配線材を含む半導体装置の時効熱処理を行うことが好ましい。時効熱処理の結果として、Ａｌ配線材中のＳｃ及びＺｒはＡｌとの間で金属間化合物Ａｌ３（Ｓｃｘ，Ｚｒ１－ｘ）（式中、ｘは０＜ｘ＜１を満たす。以下、同じである。）を形成し、該金属間化合物の微細な相が析出する。Ａｌ配線材中に斯かる微細相が形成された結果として、Ａｌ配線材が析出強化され、その強度が増大する。時効熱処理条件としては、金属間化合物Ａｌ３（Ｓｃｘ，Ｚｒ１－ｘ）の微細相を形成し得る限り特に限定されないが、例えば、２５０～４００℃、３０～６０分間が好適である。なお、Ａｌ配線材にＳｃ、Ｚｒをそれぞれ単独で添加する場合等は、金属間化合物としてそれぞれＡｌ３Ｓｃ、Ａｌ３Ｚｒが形成される。これらＡｌ３Ｓｃ、Ａｌ３Ｚｒの微細相も、析出強化によりＡｌ配線材の強度を増大させる効果は奏するものの、本発明者らは、これらＡｌ３Ｓｃ、Ａｌ３Ｚｒの微細相に比しＡｌ３（Ｓｃｘ，Ｚｒ１－ｘ）の微細相は凝集、粗大化の速度が顕著に低く、その上、Ａｌ（母相）の結晶粒の粗大化も顕著に抑制し得ることから、長期にわたって格別優れた熱衝撃耐性を実現し得ることを見出したものである。
　したがって、本発明は、半導体装置の製造方法も提供する。好適な一実施形態において、本発明の半導体装置の製造方法は、
　（Ａ）半導体チップ上の電極と、リードフレーム又は基板上の電極とを、本発明のＡｌ配線材により接続する工程、及び
　（Ｂ）Ａｌ配線材による接続の後、時効熱処理を行う工程
を包含する。
　工程（Ａ）で用いる半導体チップ、リードフレーム又は基板は、後述のとおり、半導体装置を構成するために使用し得る公知のものを用いてよい。また、工程（Ａ）で用いる本発明のＡｌ配線材の詳細・好適な態様は、先述のとおりである。工程（Ａ）において、半導体チップ上の電極との第１接続と、リードフレーム又は基板上の電極との第２接続のいずれも、ウェッジ接合により実施する。
　工程（Ｂ）において、Ａｌ配線材中のＳｃ及びＺｒはＡｌとの間で金属間化合物Ａｌ３（Ｓｃｘ，Ｚｒ１－ｘ）を形成し、該金属間化合物の微細な相が析出する。
　［半導体装置］
　本発明のＡｌ配線材を用いて、半導体チップ上の電極と、リードフレームや回路基板上の電極とを接続することによって、半導体装置を製造することができる。
　本発明の半導体装置は、本発明のＡｌ配線材を含む。本発明のＡｌ配線材は、製造時の歩留まり低下を抑制しつつ、チップクラックの抑制と、熱衝撃耐性とを両立したものであり、該Ａｌ配線材を含む半導体装置は、装置の作動サイクルに伴う温度変化が著しい場合であっても、優れた作動信頼性を実現し得る。
　一実施形態において、本発明の半導体装置は、回路基板、半導体チップ、及び回路基板と半導体チップとを導通させるためのＡｌ配線材を含み、該Ａｌ配線材が本発明のＡｌ配線材であることを特徴とする。ここで、本発明の半導体装置についていう「本発明のＡｌ配線材」とは、Ｓｃ、Ｚｒ及び含有する場合にはＮｉ等の含有量が先述の好適範囲にある限りにおいて、Ｓｃ、Ｚｒ及び含有する場合にはＮｉ等の少なくとも一部がＡｌとの間で金属間化合物を形成している場合も包含することに留意されたい。本発明の半導体装置においては、高温環境下において長時間作動させた場合であっても、金属間化合物相として、Ａｌと分離した相に存在するＳｃ及びＺｒの合計量を好適な範囲に維持することができ、金属間化合物を微細な相のまま維持することが可能である。
　本発明の半導体装置において、回路基板及び半導体チップは特に限定されず、半導体装置を構成するために使用し得る公知の回路基板及び半導体チップを用いてよい。あるいはまた、回路基板に代えてリードフレームを用いてもよい。例えば、特開２００２－２４６５４２号公報に記載される半導体装置のように、リードフレームと、該リードフレームに実装された半導体チップとを含む半導体装置の構成としてよい。
　半導体装置としては、電気製品（例えば、コンピューター、携帯電話、デジタルカメラ、テレビ、エアコン、太陽光発電システム等）及び乗物（例えば、自動二輪車、自動車、電車、船舶及び航空機等）等に供される各種半導体装置が挙げられ、中でも電力用半導体装置（パワー半導体装置）が好適である。
　純度５Ｎ（９９．９９９重量％以上）のアルミニウムと、純度９９．９重量％以上のＳｃ、Ｚｒ、Ｎｉを原料として溶融し、表１に示す組成のＡｌインゴットを得た。該インゴットを押し出し加工、スエージング加工した後、５８０℃で２時間の熱処理を施し、さらに伸線加工を行った。線径が１ｍｍの段階で、５８０℃、１時間の溶体化熱処理を行い、急冷（水冷）した。その後、最終線径を２００μｍとしてダイス伸線加工を行い、伸線加工終了後に１５秒間の熱処理時間において引張強度が１２０ＭＰａとなるように調質熱処理を行い、Ａｌ配線材を得た。
　［元素含有量の測定］
　Ａｌ配線材中のＳｃ、Ｚｒ及びＮｉ等の含有量は、分析装置として、ＩＣＰ－ＯＥＳ（（株）日立ハイテクサイエンス製「ＰＳ３５２０ＵＶＤＤＩＩ」）又はＩＣＰ－ＭＳ（アジレント・テクノロジーズ（株）製「Ａｇｉｌｅｎｔ　７７００ｘ　ＩＣＰ－ＭＳ」）を用いて測定した。
　［ビッカース硬度の測定］
　Ａｌ配線材の長手軸線部のビッカース硬度は、マイクロビッカース硬度計（（株）ミツトヨ製「ＨＭ－２００」）を用いて測定を行った。Ａｌ配線材の長手軸線を含む、長手方向に平行な断面（Ｌ断面）を測定対象面として、長手軸線部（すなわち、Ａｌ配線材の中心位置）における硬度を測定した。５箇所の測定値の平均を、そのサンプルのビッカース硬度として採用した。
　［Ｃ断面の平均結晶粒径の測定］
　Ｃ断面の平均結晶粒径の測定は、ＥＢＳＤ法（測定装置　オックスフォード・インストゥルメンツ（株）製ＥＢＳＤ分析システム「ＡＺｔｅｃ　ＨＫＬ］）を用いて測定した。詳細には、Ｃ断面の全体について各結晶粒の面積を求め、各結晶粒の面積を円の面積に換算してその直径の平均を算出し、これを平均結晶粒径として採用した。なお、各結晶粒の面積は、隣り合う測定点間の方位差が１５度以上の位置を粒界と定義して求めた。
　［機械的特性の測定］
　Ａｌ配線材の破断強度は、Ｉｎｓｔｒｏｎ製引張試験機を用いて、標点間距離１００ｍｍ、引張速度１０ｍｍ／分、ロードセル定格荷重１ｋＮの条件で引っ張り、測定した。測定は５回実施し、その平均値をそのサンプルの破断強度として採用した。
　＜断線率の評価＞
　断線率［回／ｋｍ］は、線径１ｍｍから２００μｍまでダイス伸線加工した際の断線回数（Ｎ［回］)と、ダイス伸線加工後のＡｌ配線材（線径２００μｍ）の長さ（Ｌ［ｋｍ］）とに基づき、式：Ｎ／Ｌにより算出した。
　半導体装置において、半導体チップの電極はＡｌ－Ｃｕパッドであり、外部端子はＡｇを用いた。半導体チップの電極とＡｌ配線材との間の第１接続部、外部端子とＡｌ配線材との間の第２接続部ともに、ウェッジ接合とした。接続の後に、３００℃、３０分間の時効熱処理を行った。
　＜チップダメージの評価＞
　半導体装置におけるチップクラックは、パッド表面の金属を酸にて溶かし、パッド下を顕微鏡にて観察して評価した（評価数Ｎ＝５０）。クラック及びボンディングの痕跡等も観られない良好な場合を「◎」とし、クラックは無いもののボンディングの痕跡が確認される箇所があるもの（評価数５０中、３箇所以下）を「○」とし、それ以外を「×」として、表１の「チップダメージ」欄に記載した。
　＜熱衝撃耐性の評価＞
　熱衝撃耐性は、パワーサイクル試験によって行った。パワーサイクル試験は、Ａｌ配線材が接続された半導体装置について、加熱と冷却を交互に繰り返す。加熱は、半導体装置におけるＡｌ配線材の接続部の温度が１２０℃になるまで２秒間かけて加熱し、その後、接続部の温度が３０℃になるまで２０秒間かけて冷却する。この加熱・冷却のサイクルを１０万回繰り返す。
　上記パワーサイクル試験の後、第１接続部の接合シェア強度を測定し、接続部信頼性の評価を行った。シェア強度測定は初期の接続部のシェア強度との比較として行った。初期の接続強度の９０％以上を「◎」とし、８０％以上を「○」とし、６０％以上を「△」とし、６０％未満を「×」として、表１の「熱衝撃試験」欄に記載した。
　製造条件、製造結果を表１に示す。表１において、添加元素の含有量が本発明の範囲から外れる数値に下線を付している。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　本発明例Ｎｏ．１～５３はいずれも、Ｓｃ及びＺｒの含有量が本発明範囲内にあり、断線率、チップダメージ、熱衝撃試験のいずれも良好な結果であった。なお、本発明例Ｎｏ．１～９は第１実施形態に、本発明例Ｎｏ．１０～２２は第３実施形態に、本発明例Ｎｏ．２３～３５は第２実施形態に、本発明例Ｎｏ．３６～５３は第４実施形態にそれぞれ該当する。第３実施形態に該当し且つＺｒ／Ｓｃ重量比が０．５を超える本発明例Ｎｏ．１０～２０、２２は、熱衝撃試験において極めて良好な結果を示すことを確認した。なお、本発明例Ｎｏ．５３は、Ｎｉの含有量が好適範囲の上限を外れており、断線率の値が他の本発明例と比較して高かった。
　比較例Ｎｏ．１、２は、Ｓｃ及びＺｒの一方しか含有せず、熱衝撃試験が×であった。
　比較例Ｎｏ．３、４は、Ｓｃ又はＺｒの含有量が本発明範囲の下限を外れ、熱衝撃試験が×であった。
　比較例Ｎｏ．５、６は、Ｓｃ又はＺｒの含有量が本発明範囲の上限を外れ、チップダメージが×であった。

Claims (9)

  1. 　少なくともＳｃとＺｒを含有し、Ｓｃの含有量をｘ１［重量％］、Ｚｒの含有量をｘ２［重量％］としたとき、
    　０．０１≦ｘ１≦０．５、及び
    　０．０１≦ｘ２≦０．３
    を満たし、残部はＡｌを含む、Ａｌ配線材。
  2. 　さらにＮｉを含有し、その含有量をｘ３［重量ｐｐｍ］としたとき、１０≦ｘ３≦５００を満たす、請求項１に記載のＡｌ配線材。
  3. 　ｘ１とｘ２がｘ２／ｘ１＞０．５の関係を満たす、請求項１又は２に記載のＡｌ配線材。
  4. 　Ａｌ配線材の長手軸線部のビッカース硬度が４０Ｈｖ以下である、請求項１～３の何れか１項に記載のＡｌ配線材。
  5. 　５８０～６４０℃にて３０秒間以下の調質熱処理に付されてなる、請求項１～４の何れか１項に記載のＡｌ配線材。
  6. 　Ａｌ以外の金属を主成分とする被覆を有していない、請求項１～５の何れか１項に記載のＡｌ配線材。
  7. 　ボンディングワイヤである、請求項１～６の何れか１項に記載のＡｌ配線材。
  8. 　被接続部材との接続後に２５０～４００℃にて３０～６０分間の時効熱処理に付される、請求項１～７の何れか１項に記載のＡｌ配線材。
  9. 　請求項１～８の何れか１項に記載のＡｌ配線材を含む半導体装置。
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