JP2018190995A - 半導体装置用ボンディングワイヤ - Google Patents

Abstract

【課題】ボール接合部のＣｕ−Ａｌ ＩＭＣの形成率を向上することにより、最先端の高密度ＬＳＩ、車載ＬＳＩに好適な半導体装置用ボンディングワイヤを提供する。【解決手段】Ｐｔを０．１質量％以上１．３質量％以下含有し、かつＩｎ、Ｇａ、Ｇｅの第１添加元素群から選ばれる少なくとも１種を総計で０．０５質量％以上１．２５質量％以下含有し、残部がＣｕと不可避不純物からなることを特徴とする。【選択図】なし

Description

本発明は、半導体素子上の電極と外部リード等の回路配線基板の配線とを接続するために利用される半導体装置用ボンディングワイヤに関する。

現在、半導体素子上の電極と外部リードとの間を接合する半導体装置用ボンディングワイヤ（以下、ボンディングワイヤ）として、線径１５〜５０μｍ程度の細線が主として使用されている。半導体装置の電極へのボンディングワイヤの接合方法は、超音波併用熱圧着方式が一般的であり、汎用ボンディング装置、ボンディングワイヤをその内部に通して接続に用いるキャピラリ冶具等が用いられる。ボンディングワイヤの接合プロセスは、ワイヤ先端をアーク入熱で加熱溶融し、表面張力によりボール（ＦＡＢ：Ｆｒｅｅ Ａｉｒ Ｂａｌｌ）を形成した後に、１５０〜３００℃の範囲内で加熱した半導体素子の電極上にこのボール部を圧着接合（以下、ボール接合）し、次にループを形成した後、外部リード側の電極にワイヤ部を圧着接合（以下、ウェッジ接合）することで完了する。ボンディングワイヤの接合相手である半導体素子上の電極にはＳｉ基板上にＡｌを主体とする合金を成膜した電極構造、外部リード側の電極にはＡｇめっきやＰｄめっきを施した電極構造等が用いられる。

ボンディングワイヤの材料は、金（Ａｕ）や銅（Ｃｕ）が主として使用されている。なかでも、ＣｕはＡｕに比べて電気伝導率が高く、安価である利点を有することから、様々なパッケージへ適用されている。Ｃｕを用いたボンディングワイヤは、Ｃｕの表面にＰｄやＡｕ等の被覆層を有するもの（以下、複層Ｃｕワイヤ）と被覆層を有さないもの（以下、単相Ｃｕワイヤ）に大別される。一般に、性能面においては、複層Ｃｕワイヤの方が単相Ｃｕワイヤに比べて優れる点が多い。これは、被覆層を有することによって、ボンディングワイヤ表面の耐酸化性が向上し、ボール形成性、ウェッジ接合性が向上するためである。一方、価格面においては、単相Ｃｕワイヤは複層Ｃｕワイヤに比べて優れる。これは、製造工程において、被覆層を形成する必要がないため、複層Ｃｕワイヤに比べて製造コストが低いためである。最近では、ボンディングワイヤの低価格化に対するニーズが高まっており、単相Ｃｕワイヤが注目され始めている。

例えば、特許文献１には、Ｓｎ、Ｚｎ、Ｚｒ、Ａｇ、Ｃｒ及びＦｅから選択された１種又は２種以上の元素を０．００１重量％以上、０．１重量％未満含有し、かつＭｇ、Ｃａ、希土類元素、Ｔｉ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｃｄ、Ｂ、Ｉｎ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｐｂ、Ｐ、Ｓｂ、Ｂｉ、Ｓｅ及びＴｅから選択された１種又は２種以上の元素を０．００１〜２重量％含有し、残部が実質的に銅であることを特徴とするボンディングワイヤが開示されている。

また、特許文献２には、Ｉｎ、Ｂ、Ｂｉ、Ｇｅ及びＳｉから選択された１種または２種以上の元素を２０〜３６０ｐｐｍ含有し、かつＡｓ、Ｚｎ、Ｋ、Ｓｒ、Ｍｇ、Ｃａ及びＴ１から選択された１種または２種以上の元素を１０〜６５０ｐｐｍまたはＳｂ、Ｐ、Ｌｉ、Ｓｎ、Ｐｂ及びＣｄから選択された１種または２種以上の元素を２５〜２５０ｐｐｍ含有し、残部がＣｕからなるワイヤ材が開示されている。

これまで、単相Ｃｕワイヤは、パワーデバイス用途向け等の太径が主流であった。近年は、ボンディングワイヤの接合に用いる接合装置の高機能化や高精度化により、その適用範囲は拡大しつつある。特に、ワイヤの実装数が多く、低コスト化のメリットを享受できる高密度ＬＳＩや、厳しい要求性能が求められる最先端の車載ＬＳＩへの適用が期待されている。これらの最先端デバイス向けボンディングワイヤでは、細径が主流であり、通常よりも小さなボールを形成して接合（以下、小ボール接合）を行う。小ボール接合では、通常のボール接合では問題とならなかった新たな課題が生じるため、単相Ｃｕワイヤ開発において、その対応が求められている。

特開平７−７０６７４号公報 特開平６−１６８９７５号公報

小ボール接合における新たな課題として、ボール接合部におけるＣｕボンディングワイヤとＡｌ合金電極の接合界面に形成されるＣｕとＡｌの金属間化合物（Ｃｕ−Ａｌ Ｉｎｔｅｒｍｅｔａｌｌｉｃ Ｃｏｍｐｏｕｎｄ：Ｃｕ−Ａｌ ＩＭＣ）の形成率が低いことが挙げられる。小ボール接合では、ボールの曲率が大きく、超音波や荷重によるエネルギーをボール接合界面に均一に伝達しづらいため、Ｃｕ−Ａｌ ＩＭＣの形成率が低くなる。これにより、ボール接合時にボールがＡｌ電極から剥がれる現象（以下、不着不良）、半導体パッケージを被覆する樹脂を流し込む際にボールが剥離する現象（以下、ボール剥離）、高温環境におけるボール接合部の接合強度寿命（以下、長期信頼性）が低下する現象など、ボンディングワイヤの性能低下に繋がっていた。

特許文献１には、ボール接合部の接合強度改善に対する効果が記述されている。特許文献２には、温度サイクル試験におけるボール接合部の剥離に対する改善効果が記述されている。このような技術は、小ボール接合における性能改善に有効と考えられたが、小ボール接合を行った場合には、十分な改善効果は得られなかった。不良発生原因の解析を行った結果、いずれの場合も、Ｃｕ−Ａｌ ＩＭＣが形成されていない領域が亀裂や剥離の起点となり、性能が低下していた。また、ボール接合部の接合強度が良好であっても、小ボール接合の場合には、接合界面にＣｕ−Ａｌ ＩＭＣが形成されていない領域が多く存在しており、Ｃｕ−Ａｌ ＩＭＣの形成率は低かった。このように、小ボール接合における性能低下は、ボール接合部において、Ｃｕ−Ａｌ ＩＭＣの形成率が低かったことが原因であった。

以上から、本発明者らは、単相Ｃｕワイヤを最先端の高密度ＬＳＩや車載ＬＳＩに適用するためには、ボール接合部におけるＣｕ−Ａｌ ＩＭＣの形成率を改善する技術が必要と考えた。

ボール接合では、ボールの材料であるＣｕとＡｌ合金電極の界面においてＣｕとＡｌが相互拡散することによって、Ｃｕ−Ａｌ ＩＭＣが成長する。そのため、ボール接合部全体にわたってＣｕ−Ａｌ ＩＭＣを形成するためには、ボール接合部全体でＣｕとＡｌを相互拡散させることが重要となる。ＣｕとＡｌの相互拡散を阻害する因子の一つが、Ａｌ合金電極の表面に存在するＡｌ酸化物である。Ａｌ酸化物中ではＣｕおよびＡｌの拡散が著しく遅いため、Ａｌ酸化物が存在する領域では、ＣｕとＡｌの相互拡散が阻害される。Ｃｕ−Ａｌ ＩＭＣを成長させるためには、ボール接合時にボールに印加する超音波と荷重によって、Ａｌ酸化物を効率的に破壊し、Ａｌの新生面を露出させることが重要となる。

ボール接合時に、Ａｌ酸化物を効率的に破壊するためには、ボールの硬度を増加させることが有効である。ただし、ボール硬度が高すぎると、Ａｌ電極が過剰に変形してボール接合部の周囲に掃きだされるＡｌスプラッシュと呼ばれる不良や、Ｓｉチップへのダメージが問題となる。したがって、Ａｌ酸化物を効率的に破壊し、かつＡｌスプラッシュやＳｉチップへのダメージが発生しないように、適正な硬度に制御する必要があった。また、添加元素の種類や濃度、組み合わせによっては、Ｃｕ−Ａｌ 接合界面の拡散を阻害し、Ｃｕ−Ａｌ ＩＭＣの形成率が低下する。

そこで本発明者らは、ボール硬度増加に対する改善効果を得つつ、Ｃｕ−Ａｌ 接合界面の拡散を阻害しないよう、添加元素の種類、濃度、組み合わせ等の組成の適正化を試みた。組成を適正化するにあたって、ボール形成性やウェッジ接合性などの基本性能が低下しないよう配慮した。

本発明は、ボール接合部のＣｕ−Ａｌ ＩＭＣの形成率を向上することにより、最先端の高密度ＬＳＩ、車載ＬＳＩに好適な半導体装置用ボンディングワイヤを提供することを目的とする。

本発明者らは、上記課題に鑑みて検討した結果、ボール接合部のＣｕ−Ａｌ ＩＭＣの形成率を改善するには、Ｃｕ中に、Ｐｔを所定量含有することに加えて、Ｉｎ、Ｇａ、Ｇｅの少なくとも１種を適正量含有することで、達成できることを見出し、本発明を為すに至った。

本発明に係るボンディングワイヤは、Ｐｔを０．１質量％以上１．３質量％以下含有し、かつＩｎ、Ｇａ、Ｇｅの第１添加元素群から選ばれる少なくとも１種を総計で０．０５質量％以上１．２５質量％以下含有し、残部がＣｕと不可避不純物からなることを特徴とする。

本発明に係るボンディングワイヤは、Ｐｔを０．１質量％以上１．３質量％以下含有し、かつＩｎ、Ｇａ、Ｇｅの第１添加元素群から選ばれる少なくとも１種を総計で０．０５質量％以上１．２５質量％以下含有することによって、ボール接合部のＣｕ−Ａｌ ＩＭＣの形成率を向上することができる。

本実施形態のボンディングワイヤは、Ｐｔを０．１質量％以上１．３質量％以下含有し、かつＩｎ、Ｇａ、Ｇｅの第１添加元素群から選ばれる少なくとも１種を総計で０．０５質量％以上１．２５質量％以下含有し、残部がＣｕと不可避不純物からなることを特徴とする。本実施形態のボンディングワイヤは、ボール接合部のＣｕ−Ａｌ ＩＭＣの形成率を向上することができる。

（ボール接合部のＣｕ−Ａｌ ＩＭＣの形成率について）
本明細書において、ボール接合部のＣｕ−Ａｌ ＩＭＣの形成率は、ボール接合部の接合面積に占めるＣｕ−Ａｌ ＩＭＣの形成面積の割合と定義する。ボール接合部の接合面積およびＣｕ−Ａｌ ＩＭＣの形成面積の測定方法について説明する。まず、試料準備として、ボンディングワイヤのボール接合を行った後、１７５℃で３時間の熱処理を行う。これは、Ｃｕ−Ａｌ ＩＭＣの成長を促進させて、その後の観察を行いやすくするためである。次に、酸処理によってボール部分のみを溶解させて、Ａｌ電極およびＣｕ−Ａｌ ＩＭＣを露出させる。その後、ボールを除去した後のＡｌ電極を観察し、ボール接合部の接合面積とＣｕ−Ａｌ ＩＭＣの形成面積を測定する。ボール接合部の接合面積は、ボール接合によってＡｌ電極が変形した領域の面積とする。Ｃｕ−Ａｌ ＩＭＣの形成面積は、ボール除去後のＡｌ電極上に、Ｃｕ−Ａｌ ＩＭＣが存在する領域の面積とする。

（Ｃｕ−Ａｌ ＩＭＣの形成率の改善効果）
発明者らは、Ｐｔを０．１質量％以上１．３質量％以下含有し、かつ第１添加元素群から選ばれる少なくとも１種を総計で０．０５質量％以上１．２５質量％以下含有することで、小ボール接合時のＣｕ−Ａｌ ＩＭＣの形成率が向上することを見出した。具体的には、本実施形態のボンディングワイヤを用いれば、小ボール接合時のＣｕ−Ａｌ ＩＭＣの形成率を８０％以上に向上することができた。また、ＡｌスプラッシュやＳｉチップのダメージも発生していなかった。本実施形態のボンディングワイヤを用いて形成したボールの硬度を、ビッカース硬度計および微小圧縮試験機を用いて測定した結果、いずれも硬度が上昇していることを確認した。ボール断面の結晶組織をエッチングにより現出させ、光学顕微鏡を用いて観察した結果、ボールを構成する結晶粒が微細化していることを確認した。本実施形態のボンディングワイヤは、Ｐｔと、第１添加元素群から選ばれる少なくとも１種以上を複合添加することによって、結晶粒微細化の効果が相乗的に高められ、ボールの硬度が上昇したものと思われる。その結果、ボール接合時のＡｌ合金電極上のＡｌ酸化物の破壊が促進され、Ｃｕ−Ａｌ ＩＭＣの形成率が改善したと推定される。

Ｐｔの濃度が０．３質量％以上１．０質量％以下含有し、かつ第１添加元素群から選ばれる少なくとも１種を総計で０．０５質量％以上１．２５質量％以下含有する場合、又は、Ｐｔを０．１質量％以上１．３質量％以下含有し、かつ第１添加元素群から選ばれる少なくとも１種の濃度が０．１０質量％以上０．７５質量％以下含有する場合、Ｃｕ−Ａｌ ＩＭＣの形成率がより向上するので、好ましい。

Ｐｔの濃度が０．３質量％以上１．０質量％以下含有し、かつ、第１添加元素群から選ばれる少なくとも１種の濃度が０．１０質量％以上０．７５質量％以下含有する場合、Ｃｕ−Ａｌ ＩＭＣの形成率がさらに向上するので、より好ましい。

なお、Ｐｔを単独で含有した場合や、第１添加元素群から選ばれる少なくとも１種以上の元素のみを含有した場合には、Ｃｕ−Ａｌ ＩＭＣの形成率が不十分であり、実用上問題があることが確認された。ボールの結晶組織を観察した結果、ボールを構成する結晶粒は比較的粗大であり、結晶粒微細化の効果が、十分に発現していないことが分かった。このことから、Ｐｔの単独添加もしくは、第１添加元素群のみの添加では、結晶粒微細化の効果が十分に発現しなかったため、ボール硬度の改善効果が不十分であったものと考えられる。

ボンディングワイヤがＰｔを含有し、かつ第１添加元素群から選ばれる少なくとも１種を含有する場合においても、Ｐｔの濃度が０．１質量％未満、あるいは第１添加元素群から選ばれる少なくとも１種の濃度が０．０５質量％未満の場合には、Ｃｕ−Ａｌ ＩＭＣの形成率が低かった。これは、Ｐｔおよび第１添加元素群の濃度が低く、ボール硬度の改善効果が不十分であったためと考えられる。

また、Ｐｔを１．３質量％よりも多く含有する場合や、第１添加元素群から選ばれる少なくとも１種以上を総計で１．２５質量％よりも多く含有する場合にも、良好なＣｕ−Ａｌ ＩＭＣの形成率が得られなかった。複数のボール接合部の様子を光学顕微鏡で観察したところ、ボールがワイヤの中心からずれて接合されているものが多数見られた。これは、ボールを形成した段階で、ボールがワイヤの中心からずれてしまったためと推定される。このような現象が発生した原因は、Ｐｔや第１添加元素群から選ばれる少なくとも１種以上の濃度が高くなることにより、ワイヤ表面の抵抗等が変化し、アーク放電が不安定になったためと推定される。

（ボール接合時のボール圧着形状の真円化、Ｃｕ−Ａｌ ＩＭＣの中抜けの抑制効果）
本実施形態のボンディングワイヤは、さらにＢ、Ｐ、Ｃａ、Ｌａ、Ｃｅの第２添加元素群から選ばれる少なくとも１種以上の元素を総計で０．０００５質量％以上０．０１００質量％以下含有することが好ましい。これにより、最先端の狭ピッチ接続に要求される、小ボール接合におけるボール圧着形状の真円性を向上し、さらにボール接合部のボール中心部直下近傍におけるＣｕ−Ａｌ ＩＭＣの形成率（以下、ボール直下のＣｕ−Ａｌ ＩＭＣの形成率）を改善することができる。具体的には、φ２０μｍのワイヤにおいて、ワイヤ線径の約１．４倍のボールを用いた小ボール接合において、ボール圧着形状の真円性が改善して、４５μｍ以下の狭ピッチ接続にも適応できることを確認した。また、ボール直下のＣｕ−Ａｌ ＩＭＣの形成率が向上したことによって、Ｃｕ−Ａｌ ＩＭＣの形成率改善効果を更に高められることを確認した。ボール断面の組織を観察した結果、ボールの結晶粒がより微細化されていることを確認した。本実施形態のボンディングワイヤは、Ｐｔと第１添加元素群の結晶粒微細化の効果が、第２添加元素群の添加によって相乗的に高められたことで、ボールの過剰な変形や同一ボール内の変形のばらつきが抑制されたと考えられる。

（スプリング性能の改善効果）
本実施形態のボンディングワイヤは、さらにボンディングワイヤの長手方向の断面における結晶方位が、前記ボンディングワイヤの長手方向に対して角度差が１５度以下である結晶方位＜１００＞の存在比率が面積率で５０〜１００％であることが好ましい。これにより、逆ボンディングと呼ばれる接合方法を用いた際の、スプリング不良と呼ばれるループの形状不良を抑制する効果も得られる。逆ボンディングは、ウェッジ接合用の電極にボール接合を行い、ボール接合用の電極にウェッジ接合を行うことで、ループ高さを抑制し、チップの薄型化を実現する技術である。スプリング不良とは、ボール接合した後に、ボール直上でボンディングワイヤを切断する際に、ボンディングワイヤに大きな衝撃が加えられることで、ボンディングワイヤがスプリング状に変形し、ループの直進性が失われる現象である。スプリング不良に対して、ワイヤ強度を改善する効果とワイヤ長手方向の強度のばらつきを低減する効果を利用することで優れた改善効果が得られる。ワイヤ強度の改善に関しては、Ｐｔ、第１添加元素群、第２添加元素群の添加よる改善効果、ワイヤの長手方向の強度のばらつきに関しては、結晶方位制御による改善効果の寄与が大きいと考えられる。また、同様の理由で、ボンディングされたボンディングワイヤが封止前に隣り合うボンディングワイヤの方向に倒れこむ、リーニング不良と呼ばれるループ形状不良の抑制にも有効である。

（ウェッジ接合強度の改善効果）
本実施形態のボンディングワイヤは、さらに引張試験における破断伸びが、８％以上１５．５％以下であることが好ましく、１１％以上１４％以下であることがより好ましい。高密度ＬＳＩの接続では、ワイヤ線径が細くなるため、ウェッジ接合部の接合に寄与する面積が少なく、通常の接合と同等の接合強度を得ることが困難となる。この課題に対し、破断伸びを制御することによって接合面積が増加する効果と、Ｐｔと第１添加元素群の元素の添加によってワイヤを高強度化し、接合面積が増加してもワイヤが破断しづらくなる効果を併用することで、ウェッジ接合部において良好な接合強度が得られる。具体的には、φ２０μｍの本実施形態のボンディングワイヤを用いて、Ａｇめっきを施した電極にウェッジ接合を行い、接合強度をワイヤプル試験によって測定した結果、４ｇｆ以上の良好な接合強度を得られることを確認した。破断伸びは、製造時の加工熱処理等の条件を適正化することによって制御可能である。本実施形態のボンディングワイヤは、破断伸びの適正化と、Ｐｔと第１添加元素群の元素の添加によって、ワイヤが破断しづらくなる効果を併用することによって、優れたウェッジ接合強度が得られたと考えられる。

（熱影響部（ネック部）の耐ダメージ性能）
本実施形態のボンディングワイヤは、さらにＡｕ、Ｐｄ、Ｎｉの第３添加元素群から選ばれる少なくとも１種以上の元素を総計で０．０００５質量％以上１．０質量％以下含有することが好ましい。高密度ＬＳＩの接続で用いられる低ループ接続では、ボール直上のネックと呼ばれるワイヤ部分が大きな曲げ変形を受け損傷することがある。また、ネック部の特徴として、ボール形成時の入熱の影響を受けて結晶粒が粗大化し、強度が低下しやすい傾向にある。したがって、ネック部の強度低下を抑制するための材料設計が求められていた。本発明者らは、第３添加元素群の元素を、Ｐｔと第１添加元素群の元素と併用して添加することで、ネック部の強度を向上させ、その損傷抑制効果を高めることができることを見出した。具体的には、ループ長さが３ｍｍ、ループ高さが８０μｍのループを形成条件において、ネック部の損傷が低減できる効果を確認した。

（ボンディングワイヤの製造方法）
本実施形態の半導体装置用ボンディングワイヤの製造方法について説明する。

（溶解方法１）
まず、銅の純度が４Ｎ〜６Ｎ（９９．９９〜９９．９９９９質量％）である高純度銅を用い、添加元素を必要な濃度含有した銅合金を溶解により作製する。溶解には、アーク溶解炉、高周波溶解炉等を利用することができる。大気中からのＯ_２、Ｈ_２等のガスの混入を防ぐために、真空雰囲気あるいはＡｒやＮ_２等の不活性雰囲気中で溶解を行うことが好ましい。溶解後は、炉内で徐冷してインゴット（鋳塊）を作製する。溶解によって製造したインゴットは表面を酸洗浄、アルコール洗浄を行い、乾燥することが好ましい。

（溶解方法２）
合金化の方法は、銅と高純度の添加成分を直接溶解して合金化する方法と、銅に添加元素を３〜５質量％程度含有する母合金を予め作製しておき、銅と母合金を溶解して合金化する方法などを用いることができる。母合金を利用する手法は、低濃度で元素分布を均一化する場合に有効である。本実施形態の添加成分において、Ｐｔ、第１添加元素群、第３添加元素群の元素を０．５質量％以上の比較的高濃度に含有させる場合には、高純度の添加成分を直接添加する手法が利用できる。Ｐｔ、第１添加元素群、第２添加元素群、第３添加元素群の元素を低濃度に安定して含有させるには、母合金を利用する手法が有効である。

（伸線加工、熱処理の説明）
製造した銅合金のインゴットは、まず圧延や鍛造加工により大径に加工し、次いで伸線加工により最終線径まで細く加工していく。伸線工程では、ダイヤモンドコーティングされたダイスを複数個セットできる連続伸線装置を用いる。連続伸線の際には、ダイスの磨耗およびワイヤの表面疵の低減を目的として、潤滑液を使用することが望ましい。伸線加工を行うと、ワイヤが加工硬化し、ダイス磨耗が増加する傾向にあることから、加工の途中段階でひずみ取りを主目的とした中間熱処理を行うことが好ましい。また、最終線径では、ボンディングワイヤを再結晶させて破断伸びを調整するための最終熱処理を行う。中間熱処理および最終熱処理は、ワイヤを連続的に掃引しながら行う方法を用いることが好ましい。この方法を用いれば、例えばバッチ式の加熱炉で加熱する場合に比べて、品質のばらつきの低減や、高い生産性を得ることが出来るためである。なお、熱処理時のボンディングワイヤ表面の酸化をできるだけ抑制する目的から、ＡｒガスやＮ_２ガスを流しながら行うことが望ましい。中間熱処理時および最終熱処理時のワイヤ送り速度は、結晶方位の制御や破断伸びを制御する目的から、２０〜２００ｍ／分とすることが望ましい。

（結晶方位の制御方法）
さらに、伸線時のワイヤ送り速度と中間熱処理の温度を制御することにより、ボンディングワイヤの長手方向に対する角度差が１５度以下である結晶方位＜１００＞の存在比率を調整することができる。好ましい条件として、伸線時のワイヤ送り速度を４００〜６００ｍ／分とし、中間熱処理をφ１１０〜φ３００μｍの線径で１回、中間熱処理の温度を４００〜５００℃、最終熱処理の温度を３５０〜５５０℃、ワイヤの送り速度を２０〜２００ｍ／分とすることで、ボンディングワイヤの長手方向に対する角度差が１５度以下である結晶方位＜１００＞の存在比率が５０％以上に増加する。

（破断伸びの制御方法）
さらに、伸線時のワイヤ送り速度を４７０〜７７０ｍ／分とすることによって、伸線加工時のボンディングワイヤ表面のひずみ量を低減することができ、破断伸びの向上に有効な等軸状の結晶粒を有する再結晶組織が得られる傾向にあることから、最終熱処理後の破断伸びを８〜１５％、さらに１１〜１４％に調整することができる。

（ボンディングワイヤに含まれる添加元素の種類および濃度の分析方法）
ボンディングワイヤに含まれる元素の濃度分析には、ＩＣＰ発光分光分析装置等を利用することができる。ボンディングワイヤの表面に酸素、炭素、硫黄などの元素が吸着している場合には、解析を行う前にボンディングワイヤの表面から１〜２ｎｍの領域をスパッタ等で削ってから濃度測定を行っても良い。その他の方法として、酸洗を用いる方法も有効である。

（結晶方位の測定方法）
ボンディングワイヤの断面領域における結晶方位の測定には、微小部Ｘ線回折法（μＸＲＤ、Ｍｉｃｒｏ Ａｒｅａ Ｘ−ｒａｙ Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ）や後方散乱電子線回折法（ＥＢＳＤ、Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｂａｃｋｓｃａｔｔｅｒｅｄ Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ）が利用できる。ＥＢＳＤ測定データの解析には専用ソフト（ＴＳＬソリューションズ製 ＯＩＭ ａｎａｌｉｓｉｓ等）が好適である。ボンディングワイヤの断面を露出する方法としては、機械研磨、イオンエッチング法等を利用することができる。ボンディングワイヤの断面の結晶方位はＥＢＳＤ法を用いて決定することができる。ボンディングワイヤの長手方向に対する角度差が１５度以下の結晶方位＜１００＞の存在比率は、ＥＢＳＤ等を用いた結晶方位の測定領域の面積に対して、前記結晶方位＜１００＞を有する領域が占める面積の比率を算出することによって求めることができる。前記測定領域は、ワイヤ軸を含むワイヤ軸に平行な断面であって、ワイヤの長手方向を１００μｍ以下、短手方向をワイヤ全体（ワイヤ直径）とする。

（破断伸びの測定方法）
破断伸びは、ボンディングワイヤの引張試験によって得られた値とした。

（サンプル作製について）
サンプルの作製方法について説明する。原材料となるＣｕは純度が９９．９９質量％以上で残部が不可避不純物であるものを用いた。Ｐｔ及び第１添加元素群〜第３添加元素群は純度が９９質量％以上で残部が不可避不純物であるものを用いた。ワイヤの組成が目的のものとなるように、添加元素であるＰｔ、第１添加元素群、第２添加元素群、第３添加元素群の合金元素を適宜合金化した。Ｐｔ、第１添加元素群、第３添加元素群の元素の目的濃度が０．５質量％以上の場合には、単体の元素を溶解して合金化した。Ｐｔ、第１添加元素群、第２添加元素群、第３添加元素群の目的濃度が０．５質量％未満の場合には、銅に添加元素を目的の濃度となるように添加した母合金を使用して合金化した。

銅合金の溶解には、高周波溶解炉を用いた。溶解時の雰囲気はＡｒ雰囲気とした。溶解で製造したインゴットの形状は、直径が数ｍｍの円柱状とした。得られたインゴットに対し、表面の酸化膜を除去するために、硫酸、塩酸等による酸洗処理を行った。その後、インゴットに対して、ダイスを用いた引抜加工を行い、φ０．３〜１．４ｍｍの中間線径のワイヤを作製した。伸線時のワイヤの送り速度は１０〜７７０ｍ／分とした。潤滑液は市販のものを用いた。このとき、ダイスの減面率は１２〜２４％とした。続いて、φ１１０〜φ３００μｍの線径で中間熱処理を１回行った。中間熱処理の温度は２００〜６００℃とした。伸線加工後は最終的に目的とする破断伸びが得られるよう最終熱処理を行った。中間熱処理および最終熱処理は、３５０〜５５０℃の温度で、ワイヤを２０〜２００ｍ／分の送り速度で連続的に掃引しながら行った。熱処理時は、酸化を防ぐ目的で、Ｎ_２もしくはＡｒガスを１〜２Ｌ／ｍｉｎの流量で流した。作製した試料の構成は、表１−１，１−２，１−３及び表３に示す通りである。

（評価方法）
ワイヤに含まれる各添加元素の濃度については、ＩＣＰ分析装置を利用して分析した。

ボンディングワイヤの長手方向に対する角度差が１５度以下の結晶方位＜１００＞の存在比率は、ＥＢＳＤを用いた結晶方位の測定領域の面積に対して、前記結晶方位＜１００＞を有する領域が占める面積の比率を算出することによって求めた。前記測定領域は、ワイヤ軸を含むワイヤ軸に平行な断面であって、ワイヤの長手方向を１００μｍ以下、短手方向をワイヤ全体（ワイヤ直径）と同じ長さとした。

（小ボール接合におけるＣｕ−Ａｌ ＩＭＣの形成率の評価）
小ボール接合におけるＣｕ−Ａｌ ＩＭＣの形成率の評価には、ボンディングワイヤを接合後に１７５℃―３時間の熱処理を行い、酸処理によってボールを除去したサンプルを用いた。接合装置およびキャピラリは汎用品を用いた。接合相手の電極には、Ｓｉ基板に厚さ０．８μｍのＡｌ−１．０原子％Ｓｉ−０．５原子％Ｃｕの合金を成膜した電極を用いた。ボールの大きさは、ワイヤ線径（φ２０μｍ）の約１．４倍となるφ２７．５〜２８．５μｍの範囲とした。ボールは、Ｎ_２−４〜５体積％Ｈ_２の混合ガスを吹き付けながら形成した。ガス流量は０．４５〜０．５０Ｌ／ｍｉｎとした。なお、Ｃｕ−Ａｌ ＩＭＣが形成されている領域は、電極材料とのコントラストの違いから判定した。Ｃｕ−Ａｌ ＩＭＣは電極材料に比べて反射率が低いため、光学顕微鏡で撮影した画像上では、暗く表示される。この原理を利用し、Ｃｕ−Ａｌ ＩＭＣの面積は、光学顕微鏡によって撮影した画像を、画像処理ソフトを用いて２値化し、相対的に明るさが暗い領域のみを抽出して面積を算出した。いずれの領域も、ＳＥＭ（Ｓｃａｎｎｉｎｇ ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ）に備え付けられたＥＤＳ（Ｅｎｅｒｇｙ ｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅ ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）によって元素分析を行い、それぞれ間違いがないことを事前に確認した。評価に用いたＣｕ−Ａｌ ＩＭＣの形成率の値は、無作為に選択した１００箇所のボール接合部の測定値の平均値とした。上記の評価において、Ｃｕ−Ａｌ ＩＭＣの形成率が８０％未満であれば実用上問題があると判断し０点、８０％以上９０％未満であれば実用上問題ないと判断し１点、９０％以上９５％未満であれば優れていると判断し２点、９５％以上１００％以下であれば特に優れていると判断し３点とした。評価結果は、表２−１，２−２，４の「Ｃｕ−Ａｌ ＩＭＣの形成率」の欄に表記した。０点のみが不合格であり、１点以上は合格である。

（小ボール接合における圧着形状の真円性評価）
小ボール接合におけるボール接合部の圧着形状の評価は、ボンディングを行ったボール接合部を直上から観察して、その真円性によって判定した。接合相手はＳｉ基板上に厚さ１．０μｍのＡｌ−０．５原子％Ｃｕの合金を成膜した電極を用いた。ボールの大きさは、ワイヤ線径（φ２０μｍ）の約１．４倍となるφ２７．５〜２８．５μｍの範囲とした。ボールは、Ｎ_２−４〜５体積％Ｈ_２の混合ガスを吹き付けながら形成した。ガス流量は０．４５〜０．５０Ｌ／ｍｉｎとした。ボール圧着形状の観察は、光学顕微鏡を用い、無作為に選択した１５０箇所を観察した。真円からのずれが大きい楕円状であるもの、変形に異方性を有するものはボール接合部のつぶれ形状が不良であると判断した。上記の評価において、不良が３個以上発生した場合には、実用上問題があると判断し０点、不良が１〜２個の場合は問題ないと判断し１点、全て良好な真円性が得られた場合は、特に優れていると判断し２点とし、表２−１，２−２，４の「小ボール接合におけるボール圧着形状の真円性」の欄に表記した。０点のみが不合格であり、１点以上は合格である。

（小ボール接合におけるボール直下のＣｕ−Ａｌ ＩＭＣの形成率の評価）
小ボール接合におけるボール直下のＣｕ−Ａｌ ＩＭＣの形成率の評価には、ボンディングワイヤを接合後に１７５℃―３時間の熱処理を行い、酸処理によってボールを除去したサンプルを用いた。Ｃｕ−Ａｌ ＩＭＣの形成領域の判定には、上述した光学顕微鏡によって撮影した画像を、画像処理ソフトを用いて２値化し、相対的に明るさが暗い部分のみを抽出する手法を用いた。中抜け発生率は、ボール接合部の中心近傍のφ１５μｍの円形領域において、Ｃｕ−Ａｌ ＩＭＣが占める面積率とした。ボール直下のＣｕ−Ａｌ ＩＭＣの形成率の値は、無作為に選択した１００箇所のボール接合部における測定値の平均値とした。ボール直下のＣｕ−Ａｌ ＩＭＣの形成率が７０％未満であれば実用上問題があると判断し０点、７０％以上９５％未満の場合は問題ないと判断し１点、９５％以上の場合は特に優れていると判断し２点とし、表２−１，２−２，４の「ボール直下のＣｕ−Ａｌ ＩＭＣの形成率」の欄に表記した。０点のみが不合格であり、１点以上は合格である。

（スプリング、リーニングの評価）
スプリング不良の評価は、ボンディングを行ったサンプルを光学顕微鏡で５００本観察し、ループにスプリング状の曲がり、すなわちスプリング不良が３本以上あれば実用上問題があると判断して０点で、スプリング不良が１〜２本であれば問題ないと判断して１点、スプリング不良が１本もなければ特に優れていると判断して２点として、表２−１，２−２，４の「スプリング性能」の欄に表記した。リーニング不良の評価は、ボンディングを行ったサンプルの、ボール接合部上の接合面における垂線に対するループのずれ（リーニング量）を光学顕微鏡で５００本測定し、リーニング量の平均値が３０μｍ以上であれば実用上問題があると判断し０点、２０μｍ以上３０μｍ未満であれば実用上は問題ないと判断し１点で、２０μｍ未満であれば極めて良好であると判断し２点とし、表２−１，２−２，４の「リーニング性能」の欄にそれぞれ表記した。０点のみが不合格であり、１点以上は合格である。

（ウェッジ接合性評価）
一般の金属リードフレームにＡｇめっきを施した電極にウェッジ接合を行い、無作為に選択した１０箇所の接合強度をワイヤプル試験によって測定した。リードフレームは１〜３μｍのＡｇめっきを施したＦｅ−４２原子％Ｎｉ合金リードフレームを用いた。本評価では、通常よりも厳しい接合条件を想定して、ステージ温度を一般的な設定温度域よりも低い１６５℃に設定した。１０箇所の測定結果の平均値をウェッジ接合部の接合強度として採用した。上記の評価において、ウェッジ接合部の接合強度が３ｇｆ未満であれば実用上問題があると判断し０点、３ｇｆ以上であれば実用上問題ないと判断し１点、３．５ｇｆ以上であれば良好と判断し２点、４ｇｆ以上であれば優れていると判断し３点とし、表２−１，２−２，４の「ウェッジ接合性」の欄に表記した。０点のみが不合格であり、１点以上は合格である。

（ネック部の耐ダメージ性能評価）
ネック部の耐ダメージ性能評価は、ネック部の損傷をＳＥＭによって観察して、その損傷の発生頻度によって判定した。本評価では、ネック部の損傷を加速評価するためのループ形成条件として、ループ長さを３ｍｍ、ループ高さを８０μｍと設定した。無作為に選択した１００箇所のネック部を観察し、ネック部の損傷が発生した箇所が２箇所以上あれば実用上問題があると判断し０点、１箇所であれば、実用上問題ないと判断し１点、損傷が全く発生しなければ優れていると判断し２点とし、表２−１，２−２，４の「ネック部の耐ダメージ性能」の欄に表記した。

（評価結果の説明）
実施例No.1〜81は、Ｐｔを０．１質量％以上１．３質量％以下含有し、かつＩｎ、Ｇａ、Ｇｅの第１添加元素群から選ばれる少なくとも１種を総計で０．０５質量％以上１．２５質量％以下含有し、残部がＣｕと不可避不純物からなるボンディングワイヤであるので、実用上問題ないＣｕ−Ａｌ ＩＭＣの形成率であった。

実施例No.29〜49,80,81は、Ｐｔの濃度が０．３質量％以上１．０質量％以下含有し、かつ第１添加元素群から選ばれる少なくとも１種を総計で０．０５質量％以上１．２５質量％以下含有する場合、又は、Ｐｔを０．１質量％以上１．３質量％以下含有し、かつ第１添加元素群から選ばれる少なくとも１種の濃度が０．１０質量％以上０．７５質量％以下含有するボンディングワイヤであるので、優れたＣｕ−Ａｌ ＩＭＣの形成率が得られた。

実施例41〜49は、Ｐｔの濃度が０．３質量％以上１．０質量％以下含有し、かつ、第１添加元素群から選ばれる少なくとも１種の濃度が０．１０質量％以上０．７５質量％以下含有するボンディングワイヤであるので、特に優れたＣｕ−Ａｌ ＩＭＣの形成率が得られた。

実施例50〜62,80,81は、さらにＢ、Ｐ、Ｃａ、Ｌａ、Ｃｅの第２添加元素群から選ばれる少なくとも１種を総計で０．０００５質量％以上０．０１００質量％以下含有するボンディングワイヤであるので、特に優れた小ボール接合におけるボール接合部の圧着形状が得られ、さらに、特に優れたボール直下のＣｕ−Ａｌ ＩＭＣの形成率が得られた。

実施例63〜67,80,81は、ボンディングワイヤの長手方向の断面における結晶方位が、前記ボンディングワイヤの長手方向に対して角度差が１５度以下である結晶方位＜１００＞の存在比率が面積率で５０％以上〜１００％以下であるボンディングワイヤであるので、スプリング不良及びリーニング不良の評価結果が極めて良好であった。

実施例1〜67,71〜76,78,79は、引張試験における破断伸びが、８％以上１５．５％以下であるボンディングワイヤであるので、良好なウェッジ接合部の接合強度が得られた。さらに、実施例68〜70,80,81は、引張試験における破断伸びが、１１％以上１４％以下であるボンディングワイヤであるので、優れたウェッジ接合部の接合強度が得られた。

実施例72〜81は、さらにＡｕ、Ｐｄ、Ｎｉの第３添加元素群から選ばれる少なくとも１種を総計で０．０００５質量％以上１．０質量％以下含有するボンディングワイヤであるので、優れたネック部の損傷抑制効果が得られた。

Claims (5)

1. Ｐｔを０．１質量％以上１．３質量％以下含有し、かつＩｎ、Ｇａ、Ｇｅの第１添加元素群から選ばれる少なくとも１種を総計で０．０５質量％以上１．２５質量％以下含有し、残部がＣｕと不可避不純物からなることを特徴とする半導体装置用ボンディングワイヤ。
2. さらにＢ、Ｐ、Ｃａ、Ｌａ、Ｃｅの第２添加元素群から選ばれる少なくとも１種を総計で０．０００５質量％以上０．０１００質量％以下含有することを特徴とする請求項１記載の半導体装置用ボンディングワイヤ。
3. 前記ボンディングワイヤの長手方向の断面における結晶方位が、前記ボンディングワイヤの長手方向に対して角度差が１５度以下である結晶方位＜１００＞の存在比率が面積率で５０％以上〜１００％以下であることを特徴とする請求項１又は２記載の半導体装置用ボンディングワイヤ。
4. 前記ボンディングワイヤの引張試験における破断伸びが、８％以上１５．５％以下であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項記載の半導体装置用ボンディングワイヤ。
5. さらにＡｕ、Ｐｄ、Ｎｉの第３添加元素群から選ばれる少なくとも１種を総計で０．０００５質量％以上１．０質量％以下含有することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項記載の半導体装置用ボンディングワイヤ。