JP3650461B2

JP3650461B2 - 半導体素子用金合金細線

Info

Publication number: JP3650461B2
Application number: JP08289196A
Authority: JP
Inventors: 智裕宇野; 宏平巽
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1996-04-04
Filing date: 1996-04-04
Publication date: 2005-05-18
Anticipated expiration: 2016-04-04
Also published as: JPH09272931A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体素子上の電極と外部リードを接続するために利用される接合部信頼性に優れた金合金細線に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
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ボンディング線としては、金合金細線が主として使用されている。すなわち、金細線はその先端をアーク放電によりボールに形成し、このボールを半導体素子のアルミニウム電極上に圧着接合した後に、さらに細線を外部リード側に超音波を用いて接続する。トランジスタやＩＣなどの半導体装置として使用するためには、前記の金合金細線によるボンディングの後に、Ｓｉチップ、ボンディングワイヤ、およびＳｉチップが取り付けられた部分のリードフレームを、これらを保護する目的で樹脂封止する。
【０００３】
最近、半導体素子が使用される環境条件がますます厳しくなっており、例えば自動車のエンジンルーム内で使用される半導体素子では高温あるいは高湿の環境で使用される場合がある。また半導体素子の高密度実装により使用時に発生する熱が無視できなくなっている。耐熱性が要求される環境条件で使用される半導体素子においては、従来、ボンディングワイヤとしてはアルミニウム細線を使用し、セラミックスパッケージによる気密封止した半導体装置が利用されている。
【０００４】
耐熱性が要求される環境条件で使用される半導体素子においては、従来、ボンディングワイヤとしてはアルミ合金細線を使用し、セラミックスパッケージした半導体素子が利用されていた。アルミ合金細線では、半導体素子上の電極との接合部において同種金属の接合により、高信頼性が得られる利点がある。しかし、コスト、生産性などの理由から、アルミ合金細線の使用は特定の半導体素子に限定されており、今後とも高速性、生産性、作業性などに優れている、金合金細線によるボンディング方式が主流であると考えられる。
【０００５】
半導体業界の競争も年々激化しており、製品の差別化としては性能の向上は言うまでもないが、コスト低減も開発戦略として重要な課題である。半導体装置に使用される材料においても安価なものが要求されており、ボンディングワイヤでは金が使用されていることから、安価なＣｕ，Ａｇワイヤなどの代替材料としての可能性が検討された経緯はあるが、ボンディング性、接合性、信頼性などの総合的評価により、従来通り金細線が主流となっている。そこで、低コスト化を主目的とした細線化が検討されているが、強度不足、操作性などの課題が多く残されているのが現状であり、安価な半導体素子用の細線材料の開発が望まれている。
【０００６】
金中に高濃度に含有する可能性を考えたとき、先ず貴金属系として銀、白金、パラジウムなどの元素が想定される。金細線への銀元素の添加に関連して、例えば特開昭５５−１５８６４２号公報、特開昭５６−１９６２８号公報および特開昭５６−１９６２９号公報などが開示されている。
一方、金細線とアルミ電極との接合において、高温環境における高い接合信頼性を有する安価な金合金細線の開発も望まれている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
高濃度の銀を含有する金合金細線の使用時の課題として、アルミニウム電極との接合部の信頼性の低下が認められた。これは、高温保管されると接合強度が低下するものであり、条件次第では接合部での剥離にまでいたることが判明した。通常の金合金細線でもアルミニウム電極との接合信頼性が懸念されてはいるが、加熱しただけでの接合強度がゼロになるまでなることはなく、銀含有の金合金細線の実用化においては、接合信頼性の課題を解決することが不可欠である。
本発明は、高濃度の銀を含有して、且つ、アルミニウム電極との接合において高い接合信頼性を有する、材料費の安価な金合金細線を提供することを目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明者等が、金合金細線の材料費を低減することを主眼として高濃度添加の可能性を検討した結果、銀の含有が有効であることが判明した。これは、銀は数十％まで含有してもボール生成性にはほとんど悪影響を及ぼさず、大気中でも良好なボールが得られること、また、ボール部の硬度は増加するものの他の添加元素と比較しても、接合時のチップへのダメージを誘発するような硬度の上昇はないためである。
【０００９】
さらに前述した観点から、銀の含有量が１０〜６０重量％の範囲で含有する金合金細線において、ボール形成性およびループ形状などの良好な特性を有することを確認した。しかし、前述した接合信頼性の低下が観察されたため、さらに高温下での接合信頼性を向上させるべく研究を行った結果、金中の銀濃度が増加すると、接合部に生成する金属間化合物相の種類が高純度金の場合とは異なることが判明した。そこで、この化合物の成長挙動を制御することを目的として、金合金細線への添加元素の影響を調査した結果、
（ａ）銀の含有と併用して、Ｍｎを０．００５〜０．８重量％の範囲で含有させることで、加熱後に接合強度を低下することを抑制する効果があることを見出した。
また、さらに接合性およびボンディング性などに関して研究を進めた結果、銀とＭｎ元素の添加に加えて、さらに下記の第一群、第二群、第三群の元素を共存せしめることにより、以下の知見を見出した。
（ｂ）Ｃｕ，Ｐｄ，Ｐｔよりなる第一群の元素のうちの少なくとも１種を総計で０．００５〜５重量％の範囲での添加は、Ａｇ，Ｍｎ添加と併用することにより、金属間化合物の成長を抑制する効果が高まり、接合信頼性がより一層向上する。
（ｃ）Ｉｎ，Ｓｃ，Ｇａ，Ｓｉ，Ａｌよりなる第二群の元素のうちの少なくとも１種を総計で０．０００５〜０．０５重量％の範囲での添加は、Ａｇ，Ｍｎ添加の併用することにより、金合金細線をアルミニウム電極上への接合性を高める効果が得られる。
（ｄ）Ｃａ，Ｂｅ，Ｌａ，Ｃｅ，Ｙよりなる第三群の元素のうち少なくとも１種を総計で０．０００２〜０．０３重量％の範囲での添加は、Ａｇ，Ｍｎの添加と併用することにより、ワイヤの機械的強度またはヤング率を高め、樹脂封止時のワイヤ変形を抑制する効果が高まることを認識した。
【００１０】
すなわち、本発明は上記知見に基づくものであって高い接合信頼性を実現する、銀を含有する金合金細線として、以下の構成を要旨とする。
（１）重量でＡｇを１０〜６０％、Ｍｎを０．００５〜０．８％の範囲で含有し、残部を金の不可避的不純物からなる半導体素子用金合金細線。
（２）上記（１）の成分に、さらにＣｕ，Ｐｄ，Ｐｔの少なくとも１種を総計で０．００５〜５％の範囲で含有した金合金細線。
（３）上記（１）の成分に、さらにＩｎ，Ｓｃ，Ｇａ，Ｓｉ，Ａｌの少なくとも１種を総計で０．０００５〜０．０５重量％の範囲で含有した金合金細線。
（４）上記（１）の成分に、さらにＣａ，Ｂｅ，Ｌａ，Ｃｅ，Ｙの少なくとも１種を総計で０．０００２〜０．０３重量％の範囲で含有した金合金細線。
（５）上記（２）の成分に、Ｉｎ，Ｓｃ，Ｇａ，Ｓｉ，Ａｌの少なくとも１種を総計で０．０００５〜０．０５重量％の範囲で含有した金合金細線。
（６）上記（２）の成分に、Ｃａ，Ｂｅ，Ｌａ，Ｃｅ，Ｙの少なくとも１種を総計で０．０００２〜０．０３重量％の範囲で含有した金合金細線。
（７）上記（３）の成分に、Ｃａ，Ｂｅ，Ｌａ，Ｃｅ，Ｙの少なくとも１種を総計で０．０００２〜０．０３％の範囲で含有した金合金細線。
【００１１】
【発明の実施の態様】
以下に、金合金細線に関する本発明の構成についてさらに説明する。
本発明で使用する高純度金とは、純度が少なくとも９９．９９５重量％以上の金を含有し、残部を不可避的不純物からなるものである。
金中の銀の添加は、伸線時の加工強度は上昇させるものの、特性調整のために要する調質焼鈍後の強度の増加を得るためには、１０重量％以上の濃度が必要であり、１０重量％以上の高濃度であれば材料費の低減に対しても効果が得られる。また、銀の含有量の上限を６０重量％と定めたのは、６０重量％を超えると、ボールの変形能が低下して、アルミニウム電極の直下のシリコン基板にクラックなどの損傷を与えるという理由に基づくものである。
【００１２】
金中の銀濃度が増加すると、アルミニウム電極との接合部に生成する金属間化合物相として、ＡｕＡｌ₂相が優先的に成長することを見出した。このＡｕＡｌ₂相はボイド生成を誘発する可能性が高いものの、高純度金の場合は成長速度の遅いため、従来の金細線では直接的には不良に関与しないものであった。従来使用されている金合金細線において接合部に観察される化合物は通常、Ａｕ₅Ａｌ₂相、Ａｕ₄Ａｌ相などであることを確認している。
【００１３】
銀の含有に加えてＭｎを併用添加すると、銀の単独添加で主として成長するＡｕＡｌ₂相の生成が抑制することができ、代わってＡｕ₂Ａｌ相とＡｕ₅Ａｌ₂相が優先的に成長することが確認された。この機構に関しては不明な点もあるが、Ｍｎ元素がＡｕ／Ａｌ界面近傍に濃化していることが確認されており、この偏析したＭｎの濃化層が、金とアルミニウムの相互拡散に影響を及ぼして、化合物相の成長挙動が変化したものと推察される。ここでＭｎの含有量を０．００５〜０．８重量％と定めたのは、Ｍｎの含有量が０．００５重量％未満では接合部における金属間化合物の腐食を抑制する効果が小さく、一方０．８重量％を超えるとワイヤ先端に形成したボール部に収縮孔が形成されるため、ボール接合性が低下する原因となるという理由に基づくものである。
【００１４】
さらに、通常の高純度の金細線を使用して樹脂封止された半導体装置が高温環境で使用されるときの信頼性に関して、接合界面近傍に成長した金とアルミの金属間化合物が封止樹脂中の必須元素であるハロゲン成分と腐食反応することにより、電気抵抗が増加する不良が懸念される。この腐食現象は、銀を含有する金合金細線を用いた場合においても、接合部に成長したＡｕ₂Ａｌ相と金ボール部の界面近傍においても観察された。そこで銀とＭｎを併用添加すると、樹脂封止した接合部において金属間化合物層の腐食を著しく低減できることを見出した。この腐食抑制において十分な効果を得るためには、銀との併用するＭｎ元素の上記の濃度範囲において、０．０１〜０．８重量％の範囲がより好ましい。
【００１５】
Ａｇ，Ｍｎの添加に加えて、Ｃｕ，Ｐｄ，Ｐｔ（第一群）の少なくとも１種を総計で０．００５〜５重量％の範囲で含有することにより、金／アルミニウムの化合物層全体の成長速度を抑制する効果が高まることが判明した。Ｃｕ，Ｐｄ，Ｐｔのみの添加でも成長速度を遅くする効果はあるものの、銀の単独添加で主として成長するＡｕＡｌ₂相の成長を積極的に抑えることは困難である。Ａｇ，Ｍｎの添加と併用することにより加熱後の接合強度の低下を抑制する効果があり、特に腐食反応の抑制には有効である。第一元素群の含有量を上記範囲に定めたのは、０．００５重量％未満では接合部における信頼性向上の効果が小さく、一方５重量％を超えるとボール部の硬度および強度が高くなるため、接合時にアルミニウム電極の直下のシリコン基板にクラックなどの損傷を与えるという理由に基づくものである。
【００１６】
また、Ａｇ，Ｍｎの添加に加えて、Ｉｎ，Ｓｃ，Ｇａ，Ｓｉ，Ａｌ（第二群）の少なくとも１種を総計で０．０００５〜０．０５重量％の範囲で添加することにより、金合金細線とアルミニウム電極との連続接合性を高めることが判明した。前述した接合時の損傷を懸念して、接合荷重または超音波振動を低く設定すると、接合直後に十分な強度を確保することが難しくなるが、第二元素群をＡｇ，Ｍｎの添加と併用することにより、連続接合時の不良発生はなく、接合強度を高めることができるものである。詳細な機構については判明していないが、初期の化合物成長の促進または、接合性の低下をもたらす可能性のあるワイヤ表面でのＡｇ，Ｍｎの酸化の抑制などが考えられる。第二元素群の含有量を上記範囲と定めたのは、０．０００５重量％未満では接合性を高める効果が小さく、一方０．０５重量％を超えると、かえって接合強度の低下をもたらすという理由に基づくものである。
【００１７】
Ａｇ，Ｍｎの添加に加えて、Ｃａ，Ｂｅ，Ｌａ，Ｃｅ，Ｙ（第三群）の少なくとも１種を総計で０．０００２〜０．０３重量％の範囲で添加することは、樹脂封止時のワイヤ変形を抑制する効果が高まることが判明した。高密度実装において、樹脂封止時に隣接するワイヤ同士の接触が懸念される。金中へのＡｇ，Ｍｎの添加は機械的強度への影響が小さく、ワイヤ流れが懸念される場合がある。その際に、第三元素群を併用することにより、ワイヤの機械的強度またはヤング率を高めることができ、樹脂封止時のワイヤ変形を抑制することが確認された。第三元素群のみでも細線の強度は増加するが、Ａｇ，Ｍｎの添加と併用した方が単独添加よりも、引張試験で測定した破断強度およびヤング率は増加しており、ワイヤ流れの抑制には第三元素群とＡｇ，Ｍｎの添加との併用が効果あることが確認された。第三元素群の含有量を上記範囲と定めたのは、０．０００２重量％未満では強度増加の効果が小さく、一方０．０３重量％を超えると、ボール形成時の不具合として真球度が低下し、またボール部先端に引け巣が発生するという理由に基づくものである。
【００１８】
Ａｇ，Ｍｎの添加および、第一、二元素群の共存により、接合後で且つ樹脂封止しない状態で半導体装置が高温保持されたときに、接合強度が顕著に上昇し、半導体装置の高温保管における信頼性の向上効果が高めることができる。これは、Ａｇ，Ｍｎの単独添加の場合の接合部では、化合物層が厚く成長したときに化合物層と金細線の界面近傍に小さなボイド（空隙）が観察されたが、さらに第一、二元素群の併用添加させることによりそれらの欠陥の発生も抑えられていることが原因であると思われる。
【００１９】
またＡｇ，Ｍｎ添加および、第一、三元素群の共存により、ワイヤ強度の向上効果が高まり、特に高温加熱後の強度が増加することが判明しており、樹脂封止時のワイヤ変形の抑制にも有効である。従って、ワイヤの細線化に有効であり、狭ピッチなどの高密度実装に好適である。
【００２０】
さらにＡｇ，Ｍｎ添加および、第二、三元素群の共存により、接合直後の接合強度の増加が促進され、実用面では接合時の加熱温度の低温化もはかることが可能となる。これは、第三元素群の添加による細線の強度の適度の上昇が、接合時にアルミニウム電極上の酸化膜の破壊を促進するように作用して、上述した第二元素群の接合性の向上効果をより一層高めていると推察される。
【００２１】
【実施例】
以下に本発明の実施例について説明する。
金純度が約９９．９９５重量％以上の電解金を用いて、前述の各添加元素群を含有する母合金を個別に高周波真空溶解炉で溶解鋳造して母合金を溶製した。このようにして得られた各添加元素の母合金の所定量と金純度が約９９．９９５重量％以上の電解金とにより、表１（実施例）および表２（比較例）に示す化学成分の金合金を高周波真空溶解炉で溶解鋳造し、その鋳塊を圧延した後に常温で伸線加工を行い、必要に応じて金合金細線の中間焼鈍工程を加え、さらに伸線工程を続け、最終線径が２５μｍの金合金細線とした後に、大気中で連続焼鈍して伸び値が約４％になるように調整した。
【００２２】
得られた金合金細線について、ボール形状および接合時の損傷の程度、ワイヤの機械的特性、封止後のワイヤの流れ、接合強度、高温保管後の接合強度の変化、ボール接合部に成長した金属間化合物中の欠陥または腐食度などを調べた結果を表１および表２に併記した。
【００２３】
ワイヤボンディングに使用される高速自動ボンダーを使用して、アーク放電によりワイヤ先端に作製した金合金ボールを走査型電子顕微鏡で観察し、ボール形状が異常なもの、ボール先端部において収縮孔の発生が認められるものなど半導体素子上の電極に良好な接合ができないものを△印で示した。さらにボール接合部の損傷に関しては、王水などを使用して金細線およびアルミニウム電極などを溶解し、接合部直下のシリコン基板の表面におけるクラックなどの損傷を走査型電子顕微鏡で観察した。５０本以上の電極部を観察し、クラックなどの損傷が２カ所以上認められるものを×印にて示した。ボール形成が良好であり、且つ基板への損傷が認められないものを○印にて評価した。
【００２４】
ボール接合部の接合強度については、アルミ電極の３μｍ上方で冶具を平行移動させて煎断破断を読みとるシェアテスト法で測定し、５０本の破断荷重の平均値を測定した。
【００２５】
樹脂封止後のワイヤ流れの測定に関しては、ワイヤのスパンとして４．５mmが得られるようボンディングした半導体素子が搭載されたリードフレームを、モールディング装置を用いてエポキシ樹脂で封止した後に、軟Ｘ線非破壊検査装置を用いて樹脂封止した半導体素子内部をＸ線投影し、前述したワイヤ曲がりと同等の手順によりワイヤ流れが最大の部分の流れ量を８０本測定し、その平均値をワイヤのスパン長さで除算した値（百分率）を封止後のワイヤ流れと定義した。
【００２６】
金ボールをアルミニウム電極に接合した半導体装置を樹脂封止しない状態で、窒素ガス中において２００度で２００時間加熱処理した後に、５０本のシェアテストの平均値により接合強度の変化を評価した。さらに、同一の熱処理を施した半導体装置を用いて、ボール接合部の中心を通る断面まで垂直研磨し、接合界面に成長した金とアルミニウムの金属間化合物層中を観察した。ボイドなどの欠陥が接合界面全体に認められる場合は×印で、ボイドが局所的にのみ発生している場合を○印で、観察されない場合を◎印で表記した。
【００２７】
接合部における腐食調査としては、金細線を接合した半導体装置をエポキシ樹脂で封止した後に、窒素ガス中において２００度で３００時間加熱処理をした後に、ボール接合部を垂直研磨し、接合界面に成長した金とアルミニウムの金属間化合物層の腐食を観察した。金属間化合物層は灰色を呈し、腐食が進行した化合物層は褐色になり容易に識別可能であることを利用して、ボール接合部における金属間化合物の腐食の進行を調べた。金属間化合物の腐食進行としては、ボール接合部の研磨表面において腐食領域長さ（ｂ）が金属間化合物層成長の長さ（ａ）に占める割合で評価したものであり、腐食部が占める割合（ａ／ｂ）を３０個のボール接合部で平均した値が、５％以下では腐食が抑制が顕著であると判断して◎印、４０％以上で腐食が顕著なものは△印、その中間である５％〜４０％のものは○印で表記した。
【００２８】
表１において、実施例１〜８は本発明の第１請求項記載に係わるものであり、実施例９〜１３は第２項、実施例１４〜１８は第３項、実施例１９〜２３は第４請求項、実施例２４〜２８は第５、実施例２９〜３３は第６項、実施例３４〜３８は第７請求項記載に係わる金合金細線の結果である。
【００２９】
Ａｇの単独添加である比較例１〜３、およびＭｎの添加量が０．００５重量％以下の比較例６，７では加熱後のシェア強度が低下しており、また封止状態での加熱により化合物層の腐食が顕著であるのに対し、本発明であるＡｇとＭｎの併用添加である実施例１〜８では、高い接合信頼性が得られていることが判明した。また、比較例１５〜２０では、Ａｇ添加に加えて、本発明の第一元素群、第二元素群、第三元素群などを含有するもの、加熱後のシェア強度の低下および、化合物層の腐食が観察され、信頼性を確保するためにはＭｎの添加が必要であることが確認された。但し、Ａｇの含有量が６０％を超える比較例３，５では接合時にシリコン基板へ損傷を与えていた。
【００３０】
Ａｇ，Ｍｎの含有に加えて、第一元素群のＣｕ，Ｐｄ，Ｐｔの併用している実施例９〜１３では化合物層の腐食がほとんど認められず、信頼性がさらに向上していること、また、第一元素群と第二元素群が共存している実施例２４〜２８では、腐食の抑制に加えて、ボイドの発生も抑えられていることが判明した。
【００３１】
Ａｇ，Ｍｎの含有に加えて、第二元素群のＩｎ，Ｓｃ，Ｇａ，Ｓｉ，Ａｌを適量含有する実施例１４〜１８では、接合直後のシェア強度が１０gf程度増加していること、さらに、第二元素群と第三元素群が共存している実施例３４〜３８では、両者とも含有しない場合と比較して、シェア強度が２０gf程度増加していることが確認された。
【００３２】
Ａｇ，Ｍｎの含有に加えて、第三元素群のＣａ，Ｂｅ，Ｌａ，Ｃｅ，Ｙを併用した実施例１９〜２３では樹脂封止時のワイヤ流れ率が４％以下まで減少し、さらに第一元素群と第三元素群が共存している実施例２９〜３３では、流れ率が３％以下の低い値まで抑えられていることが確認された。
【００３３】
【表１】

【００３４】
【表２】

【００３５】
【表３】

【００３６】
【表４】

【００３７】
【表５】

【００３８】
【表６】

【００３９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明においては、銀を高濃度で含有して材料費を低減させ、且つ接合部の長期信頼性を向上させた金合金細線を提供するものである。

Claims

重量で
Ａｇを１０〜６０％、
Ｍｎを０．００５〜０．８％
の範囲で含有し、残部が金および不可避的不純物からなることを特徴とする半導体素子用金合金細線。
重量で
Ａｇを１０〜６０％、
Ｍｎを０．００５〜０．８％、
さらに
Ｃｕ，Ｐｄ，Ｐｔの少なくとも１種を総計で０．００５〜５％
の範囲で含有し、残部が金および不可避的不純物からなることを特徴とする半導体素子用金合金細線。
重量で
Ａｇを１０〜６０％、
Ｍｎを０．００５〜０．８％、
さらに
Ｉｎ，Ｓｃ，Ｇａ，Ｓｉ，Ａｌの少なくとも１種を総計で０．０００５〜０．０５％
の範囲で含有し、残部が金および不可避的不純物からなることを特徴とする半導体素子用金合金細線。
重量で
Ａｇを１０〜６０％、
Ｍｎを０．００５〜０．８％、
さらに
Ｃａ，Ｂｅ，Ｌａ，Ｃｅ，Ｙの少なくとも１種を総計で０．０００２〜０．０３％
の範囲で含有し、残部が金および不可避的不純物からなることを特徴とする半導体素子用金合金細線。
重量で
Ａｇを１０〜６０％、
Ｍｎを０．００５〜０．８％、
Ｃｕ，Ｐｄ，Ｐｔの少なくとも１種を総計で０．００５〜５％、
さらに
Ｉｎ，Ｓｃ，Ｇａ，Ｓｉ，Ａｌの少なくとも１種を総計で０．０００５〜０．０５％
の範囲で含有し、残部が金および不可避的不純物からなることを特徴とする半導体素子用金合金細線。
重量で
Ａｇを１０〜６０％、
Ｍｎを０．００５〜０．８％、さらに
Ｃｕ，Ｐｄ，Ｐｔの少なくとも１種を総計で０．００５〜５％、
さらに
Ｃａ，Ｂｅ，Ｌａ，Ｃｅ，Ｙの少なくとも１種を総計で０．０００２〜０．０３％
の範囲で含有し、残部が金および不可避的不純物からなることを特徴とする半導体素子用金合金細線。
重量で
Ａｇを１０〜６０％、
Ｍｎを０．００５〜０．８％、
Ｉｎ，Ｓｃ，Ｇａ，Ｓｉ，Ａｌの少なくとも１種を総計で０．０００５〜０．０５％、
さらに
Ｃａ，Ｂｅ，Ｌａ，Ｃｅ，Ｙの少なくとも１種を総計で０．０００２〜０．０３％
の範囲で含有し、残部が金および不可避的不純物からなることを特徴とする半導体素子用金合金細線。