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TW201230903A - Structure for joining multilayer copper bonding wire - Google Patents

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TW201230903A
TW201230903A TW100135449A TW100135449A TW201230903A TW 201230903 A TW201230903 A TW 201230903A TW 100135449 A TW100135449 A TW 100135449A TW 100135449 A TW100135449 A TW 100135449A TW 201230903 A TW201230903 A TW 201230903A
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TW100135449A
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Tomohiro Uno
Takashi Yamada
Atsuo Ikeda
Original Assignee
Nippon Steel Materials Co Ltd
Nippon Micrometal Corp
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Publication date
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Description

201230903 四、指定代表圖： (一） 本案指定代表圖為：第（3)圖。 (二） 本代表圖之元件符號簡單說明： 1〜複層銅接合線； 3〜 球形接合部； 4 半導體晶片； 8〜 電極膜； 9〜 球形根部區； 10' 〜第1濃化部； 2L· -芯材； 22^ ^外層，· BH， 〜球形接合部高度； CL' 〜中心線； d〜第1濃化部1 〇的厚度。 五、本案若有化學式時，請揭示最能顯示發明特徵的化级 無。 ％ 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於複數層銅接合線的接合構造。 【先前技術】 目前’接合半導體元件上的電極與外部端子之間的接 合線（以打線接合法連接的金屬線），主要使用線徑ι〇〜5〇 “(微米)左右的細線(接合線)。接合線的接合一般係超音 ，併用熱㈣方式，使用泛㈣合袭置、接合線通過其二 P用於連接的毛細官治具。金屬線前端以電弧焊接孰量加 熱熔融’由表面張力形成球形部後，在15〇〜3〇代的、範圍 201230903 内加熱的半導髀-μ 接合線直技、 極上’壓著接合此球形部，之後， :/以超音波壓著接合在外部引線側。 急速:=體:際組裝的構造.材料.連接技術等 ，(四方扁形封裝），再…用：:現:導:架的 (?〇1丫丨111丨(16)膠帶笙6/115 亞醯胺 穿）尊的餅… 球式柵格陣列晶片級封 裝）等的新形離脊田 ㈣f 要求更提高迴路性、接合性、量產 使用性等的接合線。 里座 >99 99線。的素^ ’目前為止主要使用高純度4N系（純度 • mass/° (質量百分比））的金。不過，由於金 所希望的是材料費廉價的其他種金屬的接合線。 樓形價 '導電性優異’也為了提高球形接合性、 人 〇 ’開發以銅為素材的接合線（以下稱作「銅接 :線」。），揭示專利文件1等。不過，銅接合線中，因全 =表面的氧化而接合度降低，樹脂封裳時容易發生金屬 4的問4。廷也疋鋼接合線實用化在LSI(大 型積體電路）用途中不能進展的原因。 有關接合線的接合對方的材質，作為被接合部的石夕基 板上的配線、電極’以鈍A1(紹)或A1合金等為主流。A1 合金大多使用 m-1%Si、a1—g.5%Cu、aw%Si_g.5%Cu 等。 微細配線用途的Cu(銅）配線，也常在表面使用^合金等。 又’導線架上，施加鑛金、鍍始等，還有在樹脂基板、膠 帶等的上面，施加Cu配線’其上施加金等的貴金屬元素及 其合金膜。根據如此的各種被接合部’求得提高接合線的 3 201230903 接合性、接合部可靠性。 銅接合線具有低價、 儍八電軋特性等，由於比習知的 金接合線優異的特徵很多， 干等體貫際組裝及LED實際組 裝中期待作為次代的連接㈣，對最新的實際組裝構造、 連接狀態等進行實用化的檢討。最新的實際組裝構造中， 由於即使習知的金接合後眘朽接μ ^ 後口踝霄際績效也很少，也會要求銅接 合線是尚水準的量產性、可靠 βΓΛ. J罪f玍寺。bga(球式柵格陣列） 等的實際組裝形態中，客 夕接腳糸的圖形LSI用途要求超過 800接腳的金屬線連接，有 设頁必要棱南千鳥配線（staggered B_ing)、窄間距連接、高速連接等的生產性、良率。 堆®多數的半導體晶片，進行單一封裝化的堆疊晶片 冓w的實用化。特別疋，代表性的半導體記憶體的D膽及 :閃記憶體組合的複合記憶體的需求預料在今後會更提 间此複合記憶體的實際組裝多用於堆疊晶片構造。對於 用在堆疊晶片構造的接合線的要求變得嚴格。堆疊晶片用 途的金屬線連# ’分类員為在晶片€極上施行球形接合的正 接合方式、以及在晶片電極上經由球形凸塊進行楔形接合 的逆接合方式。一般的正接合方式的優點係生產性高，缺 ’”占係不利於低迴路化。妥善處理堆疊晶片用途實用化的逆 接合方式的優點係低迴路化較容易，缺點係增加凸塊形成 製程等而降低生產性。 習知的半導體晶片的固定（附晶片），係以膏狀物等的 接δ劑全面粘住晶片背面。適於最近的4段以上的晶片堆 ®化的新堆疊構造，開始使用突懸（〇verhang)型堆疊構 201230903 造，半導體晶片的端邱 疊構造，由於不下方不固定而成為空間》突懸型堆 合線材料要求嚴格的 丨的正下方’對接 的穩定仆技入 b尤八，球形接合部的變形形狀 ㈣接人部的共有(―)強度、對球形凸塊上方的 =性等的課題，再加上要求用於薄型封裝的超低迴 哥堆疊晶片間的連接，開發新的實際組裝方式，^ 替習知夾住間隔物用晶片的連接。代表例的刚(金屬線_ 膜）方式，因為不使用間隔物，期待低成本化。晶片間丄 F0W樹脂固定，即使沒有間隔物也可以確保晶片間隔。μ 方式，由於以樹脂覆蓋金屬線的周圍，使用低應力、軟， 的樹脂。首先進行根據金接合線的F〇w方式的實用化，' 後也要求銅接合線的F〇W方式的實用化。 習知的單層構造的接合線（以下，稱作「單層接合 線」），對於提尚拉力強度、接合部強度 '可靠性等，雖 然合金化元素的添加有效，但擔心特性提高的界限。
S 為了順應銅接合線的多樣需求的要求，提出金屬線表 面上覆蓋其他金屬的複層構造的銅接合線（以下，稱作「複 層銅接合線」。），比單層接合線更改善特性，期待提高附 加價值。帶來高功能化的複層銅接合線，例如，為了防止 銅表面氧化，專利文件1中，提出以金、銀、白金、把、 鎳、鈷、鉻、鈦等的貴金屬、耐蝕性金屬覆蓋銅的接合線。 又，根據球形形成性’電鍍液的惡化防止等的觀點，專利 文件2中，提出以銅為主成分的芯材、形成於上述芯材上 5 201230903 的銅以外的金屬構成的異種金屬層、以及在上述異種金屬 層上形成且融點比銅高的耐氧化性金屬構成的覆蓋層構造 的接合線。 銅接合線也有必要與習知的金接合線同樣地滿足半導 體可罪K驗。專利文件3巾記載’銅接合線與|g電極之 間的接合部的界面近旁，形成銅以外的導電性金屬濃度高 的/辰化層的接合構造，藉此更提高接合可靠性等。 [先行專利文件] [專利文件] [專利文件1]曰本昭和62年第97360號專利公開公報 [專利文件2 ]日本第2 〇 〇 4 - 6 7 4 0號專利公開公報 [專利文件3]國際公開第w〇2〇〇8_87922號 【發明内容】 [發明所欲解決的問題] 合線好由於Γ制表面氧化等，比習知的銅接 Ψ m . 奴π早層日曰片連接中開始一部分 只用化。今後，為了 刀 笨如 及促進，上述複合記憶體用涂 接合線=用高!場Γ的堆叠晶片連接的分野中，複層銅 心用疋必要的。要求可以廡彳Η 有的技种…s ”以應付堆疊晶片連接中特 其，順庫用， 要衣U的複層銅接合線。尤 眞應用以潯型封裝的超低迴路化、 形狀韁中衣开/接合中的壓著 α疋化及接合強度提高等报重要。 疋接合方式雖有利於低迴 田於凸塊上進行楔 201230903 形接合，形成凸塊的製程增加而生產性下降，擔心必需設 備投資等。於是’不要凸塊形成，以生產性高的正接合方 式，強烈期待實現堆疊晶片的超低迴路化。為了今後=4 段以上的堆疊晶片的正接合連接量產，要求以複層銅接合 線達成迴路高度在55//m(微米）以下的超低迴路化。 以複層銅接合線形成超低迴路時的課題，係降低高产 的不均，穩定化作為目標的低迴路高度，使相當於球形= 旁的㈣線的頸部不受到裂開（以下，稱作「頸部裂開」。） 等的知傷’同時滿足不發生頸部倒塌(以下，稱作「頸 塌」。）等。 分類低迴路化困難的要因，有⑴55#m以下的超低迴 路⑵金屬線表面的素材、組織、硬度等與芯部不同的複層 銅接合線(3)迴路高度不同的堆疊晶片連接等。雖然習知的 單層金接合線中也熟知迴路高度的穩定化、頸部裂開等， 但習知的複層銅接合線的堆疊晶片連接，w量產水準實現 低迴路化非常困難。 另-個課題係球形接合性的改善。由於堆疊晶片中晶 片連接未必充分固冑、接合溫度低等，產生球形接合強度
下降的問題。尤复，捸取拉人A 球形接合部下面的半導體晶片係中空
的突懸型堆疊構造，戋I 4疋球形接合部下方的半導體晶片以 F0W樹脂固定的士 4、，， 、 式的堆疊構造中’由於晶片固定不 充刀何重.超音波振動的傳達下降，而接合強度下降。 還有各種堆疊構造ϋ因& ，、门的問碭’因為接合裝置只從加熱台 下方加熱，由於上®沾企播β s ’半導體晶片溫度降低，具有難以升 7 201230903 高接合強度的問題。習知的複層銅接合線中，由於形成球 形時外層與芯材熔融、混合再合金化，擔心球形接合部變 形'接合強度等不穩定。 如上述，為了推進今後的複層銅接合線實用化，用以 適應複合記體、快閃記憶體等使用的堆疊晶片連接的接合 構造’改善是必要的。於是，本發明令，解決上述的複層 :接合線實用化中的習知技術問題，實現低迴路化的同 時，改善球形接合性，並以提供工業生產性優異的複層銅 接合線的接合構造及複層銅接合線為目的。 [用以解決課題的手段] 根據本發明的申請專利範圍第1項的發明，複層銅接 合線的前端形成的球形部連接至被接合部的球形接合部的 接合構造，上述複層銅接合線’具有以銅為主成分的芯材' 上迷芯材上從Pd(幻、Au(金）、Ag(銀）、pt⑷之中至少 選一種責金屬作為主成分的外 曰上述貝金屬濃度高的第 /辰化。卩，在上述球形接合部的表面 位於與上述複層銅接a绫的邊H 也形成於 按σ線的邊界的球形根部區。 根據本發明的申諸直刹* .曲 圍第2項的發明，上述第】 浪化4中的上述貴金屬的總 6m〇u以下。 辰度在0.05m〇U莫耳）％以上 根據本發明的申請專利 接合部與上述被接合部間的接、：：明’上述球形 部的剖面中，上述球形根部;+直的上述球形接合 厘廢—A r形成的上述第1濃化邱沾 厚度在線徑的1%以上50%以下的範圍。 …的 201230903 :艮據本發明的申請專利範圍“項的發明，上述球步 被接…p間的接合界面垂直的上述球形拯人 部的剖面中，相對於上祕妹π 述欠形接合 來栌邱Ρ 、 表形接合部的剖面積，在上述球 开/根口Ρ區形成的上述第 卩總计面積所佔的比例為2% 以上30%以下的範圍。 根據本發明的申請直 垃人 月專利乾圍弟5項的發明，上述球刑 接合部與上述被接合 ^ 合界面垂直的上述球形接合 =第:上述球形接合部内部中，形成上述貴金屬濃 度冋的第2濃化部丨處以上。 接人Γ據本發明的中請專利範圍帛6項的發明，上述球形 接δ部與上述被接人 度高的第3濃化=的接合界面中，形成上述貴金屬漠 :艮據本發明的申請專利範圍"項的發明上述球形 /與上述被接合部間的接合界面垂直的上述球形接合 :::面上述球形接合部的表面區域中，只有上述第 丄7辰It*部。 根據本發明的申請專利範圍第8項的發明，包含上述 :貴金屬㈣…g之中至幻種，合計二上上述 曲=第1濃化部中’相對於pd的濃度，Au' “的總計 辰又比率在〇·01以上0.4以下的範圍。 ^ 2據本發明的申請專利範園第9項的發明，垂直於上 界面的上述球形接合部的剖面中，相對於上述球形
S 的°】面積’上述第1濃化部與上述第2濃化部的總 積所佔的比例為5%以上7〇%以下的範圍。 9 201230903 根據本發明的申請專利範圍第1 〇項的發明，上述複層 銅接合線的外層厚度在0.01#m以上〇.4em以下的範圍。 根據本發明的申请專利範圍第丨1項的發明，上述複層 銅接合線的外層與芯材之間，具有上述貴金屬的至少一種 與銅的濃度斜度的擴散層，上述擴散層的厚度在0 003 ym 以上0.15/zm以下。 根據本發明的申請專利範圍第12項的發明，上述複層 銅接合線的外層的主成分為Pd，上述外層與上述芯材的界 面中具有Au與Ag中的至少}種以上的濃化層。 根據本發明的申請專利範圍第13項的發明，上述複層 銅接合線的外層的主成& A W , 1 , 成刀為Pd，上述外層的表面具有Λιι、
Ag中的至少1種以上的濃化層。 [發明效果] 根據本發明的複層銅接入 】按σ線的球开;^接合部的接合構 造，材料費廉價，低迴路化、找t社人 球形接合性優異，也可以應 用於積層晶片連接的量產。 【實施方式】 本發明者們，經由Pd( 之中至少-種貴金屬的…？ U(金)、Ag(銀)、Pt(( 與球形接”濃度濃化部形成於位於銅接合線 …接…p的邊界的球形 線的堆疊晶片連接中^田ω 確-可以改善銅接合 善，適去化上$ _ 、，能。對於此使用性能的改 適田化上述遭化部的 的成分等是有效的。又，…与度^辰度、上述貴金屬 連接别的上述球形中的濃化部分 201230903 佈、相對濃度比等，也對接合作業性的改善有效。還有， 經由適當化複層銅接合線的外層構造、厚度、濃度等，可 以改善總合特性，順應多樣的封裝形態。以下，詳細說明 適合本發明的實施形態。 第1圖係堆疊晶片連接構成的一範例，突懸型堆疊構 造的模式圖。突懸型堆疊構造的實際組裝步驟包括：（1) 以複層銅接合、線1連接最下層时導體晶片“"極膜8 與基板5的步驟；⑵經由間隔物6，安震第2層的半導體 晶片4的步驟；以及（3)以複層銅接合線i連接第2層晶片 同樣地’第3層以後重複 上的電極膜8與基板5的步驟 間隔物 降低從 (2)半導體晶片安裝、以及（3)接合線連接。在此 與半導體晶片的黏接’大多使用膠帶狀的黏接材 各半導體晶片表面到複層銅接合線丨的迴路為止的高度 (以下，稱作 迴路问度」。）Η的低迴路化，對於薄型化 實際組裝堆疊晶片的封裝全體有效。 在複層銅接合線的前端形成的球形部連接至被接合部 的球形接合部的接合構造，上述複層銅接合線具有以銅為 主成分的芯材、以及上述芯材上從pd(鈀）、Au(金）、 A g (銀）、P t (麵）之中至少選一種貴金屬作為主成分的外 層，上述貴金屬濃度高的濃化部，在上述球形接合部的表 面區域之中’最好也形成位於與上述複層銅接合線的邊界 的球形根部區的接合構造。由於具有上述接合構造，堆疊 晶片連接的超低迴路化或球形接合性可開時改善。所謂 濃化部’係上述貴金屬的濃度比球形接合部的内部未濃化 11 201230903 區相對高的區域，其濃 主成分，係構成主成分的金屬元二倍以上的區域。所謂 例，相對於複層銅接合線全體;此時為銅）的濃度比 度，在咖上的金屬元素的總計濃 球形接合部的邊界的 …，#位於複層銅接合線與 晶片，係半導體晶片在；層：:的二分。又，所謂堆疊 迴路化，係以正接a方切 堆疊化之物。所謂超低 m 以下。所成迴路的迴路高度《在π/- 電極膜時的桩〇性，係球形部接合至作為被接合部的 第2圖/強度t性、以及球形部的形狀特性的總稱。 系顯不本實施例的球人 接合線1的前端，…“ 體圖。複層銅 €弧放電形成球形接合部。球形部， 把加以何重.超音波振動’接 膜IPd(纪）、Au(金）A W牛導體a曰片4上的電極 金屬的第1濃化部i。，在Pt(幻之中至少一種貴 t 在上述球形接合部的表面區域之 中，成报忐於付於盘μ、+, 4 a h …磨銦垃厶錄1沾邊界的球形根 部區9。此根部區9也稱作頸部。 第1濃化部10’遍佈頸部全周而形成。第3圖係顯示 第2圖中[x方向的球形接合部的剖面圖。㈣銅接合線 1具有以銅為主成分的芯材21、以及上述芯材21上從 pd(把）、Au(金）、Ag(銀）、Ptu白）之中至少、選一種責金屬 作為主成分的外層22。在球形接合部的球形根部區9，從 球形表面到球形内冑’形成具有厚度，的第丄濃化部1〇。 第1濃化部10的厚度d的適當範圍在之後敘述。f i濃化 部10,最好在任意剖面中，顯示大致相同的剖面構造。又， 12 201230903 以球形接合部的剖面說明時， 球形根部區 相當於比球 1的區域。 垂直接合界 形接合部高度BH的1/2更接近複層銅接合線 又，在此所謂的剖面’係包含金屬線中心軸， 面的剖面。 第1濃化部1〇的第1效果’在堆疊構造的晶片各段形 成不同的迴路時，係相反的特性。可以同時滿足超低迴路 中的迴路向度穩定&、以及頸部裂開的抑制。例如，從複 層銅接合線接合的樹脂基板到半導體晶片表面的段差為 200、350、500㈣等大不同的迴路形成中，任—段差都抑 制頸部裂開的發生的同_，藉由抑制超低迴路中的高度不 均，可以實現55…下的超低迴路化。如此的作：：複 層銅接合線的頸部中的特異性也參與。以球形部形成時的 熱影響’頸部進行再結晶。附帶說一τ，外層與芯材的硬 度、組織等不同的複層銅接合線中’由於比金屬線本體更 強調進行再結晶的頸部中伸展、加卫歪斜等的不均一性， 比起習知的單層接合線，有頸部裂開發生頻率增加的問 題。相對於此，本實施例的複層銅接合線，由於在球形根 部區形成第1漠化部1G，可以更有效抑制複層銅接合線在 超低迴路形成中的頸部裂開。 第1濃化部10的第2效果，係堆疊晶片中的球形接合 強度提高。為了確保接合強度，也具有可以儘量壓低荷重. 超音波振動的優點。第1濃化部10。藉由以第i濃化部1〇 的形成壓低荷重.超音波振動，突懸（overhang)型堆疊構 造中的球形接合時不會使半導體晶片遭受破壞、龜裂等的 13 201230903 損傷，可以提高球形接合強度。 有關第1濃化部10的形 形接合強度等的加強改善八路化、堆疊晶片的球 ^ ^ ^ Λ Λ 。冓，抑制顇部裂開的傳播、提 间毛細官内插入的球形部的 ffl PP rh 持性’被認為是有效的作 二即’由於超低迴路化，即使施 因為抑制頸部裂開的發生、 貝P的垔良大 可以維持低迴路高度。又，由 於超低迴路施加於球形接 k路门1又由 接人強P裎古— σ 4的加重即使變大，因為球形 =，，貫現超低迴路化。複層鋼接合線表面的外 層/、銅球邛的強度、延展性、 裂開的傳播。相對於此，銅中含有織上等二為不同，助長頸部 ^ 10 ^ 'f ^ Μ ^ 中3有上述貝金屬的第1濃化 :達成外層與銅球部間的強度、延展性、組織的中間 作用，期待抑制頸部裂開的進展。又藉由提 部10與毛細#内壁間的抓持性及密合性，晶^定^定 的堆疊晶片中，球形接合的球形保持穩定化，預計荷^ 超音波振動等的傳達效率提高。 球形接合部與電極膜的接合界面垂直的上述球形接人 4的剖面中，相對於球形接合部的剖面積，第"農化㈣ 的總计面積所佔的比例最好在2%以上30%以下的 於上述比例在上述範_2%以上3Q%以下，對於盘 形接合部㈣界近旁的金I線根料〗始倒 = (以下，稱作「根部傾斜」。)有效，藉此，可以擴= 超低迴路裝置的條件範園，結果可以提高生產 土。此根邱 f、斜係複層銅接合線的超低迴路化特徵的不良， 部的局部往第2接合方向變形的現象，線徑別…下的
S 14 201230903 接:變付』者。由於第1濃化部10在金屬線根部的穩定 =也：使外力對複層銅接合線作用，抑制金屬線:塌 的效果也“。相對於球形接合部的剖面積，帛 :總::積所佔的比例最好在2%以…下的:圍： ㈣例未滿2%的話’上述效果小’超過篇 時球形的異形變形增加，維持真圓變得困 以上m以下的範圍，如 … 徑⑽以下的極細線，也得到提%1 更嚴格的條件的線 乜侍幻徒问抑制根部傾斜的效果。 不疋堆璧晶片構造，即伟县^山 、生., 吏疋除此以外的實際組裝構 :斜也：於形成上述第1濃化部1。’抑制頸部裂開或根部 开量產實現超低迴路。例如，即使_四方扁 /e)、BGA(球式柵格陣列）、_(四方爲形|引腳封裝） 等的皁層晶片構造的封裝中，也 、 早曰曰片構&，也確認得到 下二穩：如，金屬線長(間距)為3·-以上的長間距 下 對於穩疋低迴路化，第1 彳f·却1 η 浐盥置曰u 弟1濃化部10的形成是有效的。 方彎曲::的長間距由於晶片段差低，迴路形狀往上 =:向變強，過份低迴路化時，頸部裂開的發生頻 在此情況下，相對於球形接合部的剖面積’ 藉由第1浪化部1〇所佔的比例在4%以上25%以下，可以同 時抑制頸部裂開與根部傾斜 4龍（毫米）、曰片古声1Rn 線佐18;zm、間距 槿”“ m、迴路高度55…單晶片 構“也由於形成上述比例在4%以上⑽以下的
S 部10 ’根據實驗確認可以同時抑制頸部裂開與根部傾斜。 15 201230903 所明第1濃化部1 〇，係上述貴金屬的濃度比球形接合 部内部的未濃化域濃度相對高的區域，上述貴金屬的總計 濃度最好在〇_〇5m〇i%以上6m〇1%以下的範圍。由於第丄濃 化部1 〇的濃度在〇. 〇5mo 1 %以上6mo 1 %以下，上述抓持性提 高’且突懸型堆疊構造中可以提高球形接合強度。在此， 上述貝金屬總汁濃度在〇 〇 5m〇 1 %以上6mo 1 %以下的範圍的 理由例如上述濃度未滿〇.〇5ιπο1%的話，同時改善低迴路 化與球形接合強度的效果小，超過6mol%時，球形部硬化， 遭受晶片損傷。更理想的是，上述漢度在0.2m〇U以上 4m〇l%以下的範圍的話，即使15〇艺以下的低溫下也可以增 加犬懸型堆疊構造中的共有(share)強度。又更理想的是， 〇.5m〇1%以上3的1%以下的範圍的話，上述的15Gt以下的 低溫下的共有（share)強度增加效果效果可以更提高。 除了球形根部區中的第！濃化部1〇，再加上相當於球 开U £以外的部位的球形連接部的側面中，最好同時包 含亡述貝金屬未濃化的表面(以下，稱作「未濃化表面」。）。 所5胃未濃化表面，传且古命1+、血 ^ 係具有與球形内部同等組成的純銅或銅 合金。由於球形根部區濃 H卩的第1遭化部10與未濃化表 面同b存在，低溫下入 r , ,. ή 衣形接D強度上升，更得到鋁濺射 (splash)不良降低的高 ,,^ 接疏在接古主^ ^ 。在此，第1濃化部1 〇的主要 任務係间毛細管內讨/ λ p S内球形部的抓持性，未濃化表面的主要 任務係促進球形壓縮變 要 S•小及接合界面中的Cu及A1相5撼 散。相對於球形接合Α 4互擴 表面的面積，未濃化部表面的面籍 所佔的比例為10%以上 衣面的面積 70乂以下的鞑圍的話，對於降低鋁 16 201230903 射不良降低，有效地起作用。 ;龙阳片中的上層的半導體晶片以加熱台降低溫 又，低溫下的球形接合強度可上升的話，有利於提高生產 性。所謂_射，係銅球部接合至紹電極膜 形變形及符舌， ' ^ 重·超音波振動，軟質的鋁電極膜的一部分排 =至：：部接合部外圍的現象，當接觸鄰接的焊墊、球形 卩接。邛時’引起電氣短路的不良。藉由抑制銅球接合中 :、成為門題的鋁濺射不良，擴大接合條件的適當範圍， 可以有助於提高實際組裝良率。第1濃化部ίο與未濃化表 面同時形成，球形接合強度上升時，改善銘賤射不良/降 低’大有助於提高堆疊晶片的生產性及良率。 士接。與電極膜的接合界面垂直的球形接合部的 ^面中’上述球形根部區中 τ φ成的第1 /辰化部10的厚度d 在線徑的1%以上50%以下的範圍。藉此， 片構造的FOW t斗--ΤΓ 丄 ^ 方式下的球形接合形狀得到真圓化的效果。 第4圖係堆疊# η 植 曰 接構成的一範例，FOW型堆疊構造的 模式圖。此F〇w古斗 土 m且稱圾的 方式’不使用間隔物’晶片間以FOW樹脂 利於低成本、省製程。製程以複層銅接合線i 連接半導體晶片4上的電極膜8盘其# ς 接口線1 臈與基板5之後，半導體晶 "⑽樹脂7,其次F〇w樹脂 導體晶片4,加孰的同時…& 女裝上層的+ 合線的剛實際組裳的每用 接&。首先，進行金接 FOW實際組|。羽" 化，今後切盼銅接合線也適用
,, M ^ 1+、 衣形接合犄由於低彈性的FOW
S θ ’。形接合形狀成為楕圓等，球形接合形狀不穩 17 201230903 定是問題》 第1濃化部1 〇的屋疮 50%以下的範圍的理由如下目對於線從的比率在1%以上 使不穩定的F0W樹脂上述比率纟1%以上的話’即 合形狀的真圓化有效。另::：的抓持性提高，對球形接 由於球形部的毛细萬，上述比率超過50%的話， …Ρ的毛細g内部的插入量降低 加球形部的花瓣變形。根據如此的第卜、下降，曰 善效果，在F0W方式的堆疊晶 — 厚度的改 .δ ^ 且日日中係.·、眞著的，但不限於此， 樣㈣里 連接的早層晶片I之中也確認同 樣的效果。在此，以相對於線 沾陌ώ 07比丰整理苐1濃化部1 0 的厗度，線徑、球徑等不同的多 ㊅人 封裝良品中，對於容易 、，’*T、s改善，係有效方法。上述 _ 的比率最好在3%以上45% L下’藉此，第3段的F0W型堆最a jtj由π 1隹噓日曰片中可以得到穩定球 形接合形狀的高效果。 一般’由於半導體晶片的大型化’荷重.超音波振動 〜生的F0W樹脂的變形量增加，擔心球形接合形狀不穩 :，但藉由上述比率在5%以上35%以下的範圍，即使大型 曰片也仔到球形接合形狀直圓化的高效果。 除了接合構造除了球形根部區中的第i濃化部1〇，最 好再加上球形接合部的内部也在i處以上形成濃化部。球 形接合部的内部濃化部稱作第2濃化部u。藉由形成第2 濃化部U，對於球形接合界面的中央不充分的金屬連接或 金屬間化合物的未成長產生的中心未接合不良（以下，稱作 「中心脫落不良」。），提高防止效果。第5圖中，例示球 18 201230903 形接合部3的内部中形成的第2濃化部u的—範例… 濃化部U垂直於接合界面的任意剖面中’可以具有同樣的 形狀’不是也可以…第2濃化部U的形狀、數量並非 限於圖中所示的形狀、數量。藉由形成第2濃化部U抑制 中心脫落不良，堆疊晶片中得到高的改善效果，最好是在 突懸型堆疊構造或F〇W型堆疊構造中期待更顯著的=效 果。抑制中心脫落不良的優點，係抑制接合製程中剝離等 的初期接合不I，更可以提高高溫加熱、高溫高漫加熱等 的長期可純。第2濃化部U ’適度提高球形部的接地或 初期變形中的變形抵抗，或是，#由分散球形内部中的荷 重·超音波振動的傳播，對於在球形接合界面中央的金屬 接合及金屬間化合物的成長，認為有促進作用。第2濃化 部11中，最好上述貴金屬總計濃度在0 05m〇1%以上5㈣ 以下的範圍。上述濃度未滿〇 . 〇 5m〇 1 %的話對於堆疊晶片 的中心脫落不良，抑制效果小’超過―料，擔心球形 部硬化而晶片遭受損傷。又，相對於球形接合部的剖面積， 上述第2 ’農化部11的總計面積所佔的比例最好為3%以上 50%以下的範圍。上述比例未滿3%的話，改善效果小，超 過50%時，球形變形抵抗變大，接合時遭受晶片損傷成為 問題。 、 …
S 有關上述第1濃化冑1 〇、第2濃化部11等的濃化部， 未濃化區域根據顏色、濃度等可以輕易識別。例如，藉由 根據球形接合剖面的光學顯微鏡的色判斷、或根據 EPMACElectron probe Micr〇 Analyzer;電子探針微量分 19 201230903 析法）、EDX(Energy Dispersive χ —ray spectr〇社能 量分散型X光分析法）等的面分析的映射，可以識別濃化^ 與未濃化H出上述的濃化部面積之際，利用光學顯微 鏡的色判斷也是簡便的。 球形接合部與電極膜的接合界面垂直的上述球形接人 部剖面中，相對於上述球形接合部的剖面積，帛i濃化部 10與第2濃化部U的總計面積所佔的比例最好是5%以上 70%以下的範圍。第1濃化部1 〇盥第 弟2浪化部u的總計面 積比例是上述範圍的話，有利於 1唯3：日日片連接的超低 迴路化、球形接合性的改善，爯如 冉加上小球形接合部的壓著 球形高度的穩定化。所謂小破形 吓月』竦形，係相當於相對於線徑的 初期球形部的直程為1. 2〜1 7伴的r , (倍的靶圍。球形高度的穩定 化，對於降低接合強度、接合尺 了4的不均，成為有效的 管理指標。相對於上述球形接合 按σ °卩的剖面積，第1濃化部 10與第2濃化部11的總計面 卞面積所佔的比例在5%以上7〇% 以下的範圍的理由，例如上述 上边比例未滿5%的話，改善效果 小’超過70%時，接合時遭受指 叮化又禎傷，成為問題。最好是在 10%以上65%以下的範圍，如此— 00 來’即使BGA、CSP等的 早層晶片構造，也有利於同樣 』樣的球形高度的穩定化。更想 理的疋’在15%以上6〇%以下的銘 型堆疊構造中的壓著球形高度的可以更提高剛 接二構造’除了球形根部區中的第1濃化部球形 接合部與電極膜的接合界面最 ._ L 〜成）辰化部。球形接合部 〃電極膜的接合界面的濃化部 乍第3彡辰化部12。第6圖
20 201230903 例不球形接合部3與電極膜8的接合界面中Μ# 3 Ρ 12第3 ;辰化部12最好遍佈接合界面全面形成。經由 形成第3 /辰化彳j 2，得到提高接合部的長期可靠性的效 果0 170C以上的古*田上 工的间/皿加熱 '或是稱作PCT測試（壓力鍋測 5式）及HAST硎試（高加速溫度和澄度壓力測試）等的高澄加 二、々曲速U中’可以提高接合可靠性。第3濃化部12與 ” ’辰化部1 °同時形成’比單獨形成第3濃化部12，更 提门文。接口可罪性的效果。認為是藉由形成帛^濃化部 1初』的接合界面中的擴散變得比較容易，促進均一的 金屬間化合物成長。 第'辰化口P 12的厚度，最好在〇.〇3/zm以上6#111以 下的範圍。厚唐太n _ 又在0_ 03//m以上的話，上述17〇〇c以上的 :'皿加熱中得到提高接合可靠性的高效果，超過6 // m的 。堆且b曰片的球形接合時’擔心電極下遭受微小裂開等 的損：。第3濃化部12的厚度最好在0.2"以上4“以 下的範圍，如Jf _ & , , Ο Λ 來13〇C-85%RH(相對溼度）中的高溼加 ^下的球形接合部壽命可以更延長。又，第3濃化部以 貝屬…汁最间浪度最好在0. lm〇i%以上610〇1%以下的範 圍。這是因為未滿。.1ιη〇1%的話，上述接合可靠性的改善 效果小’超過6_%時’突懸型堆疊構造由於球形部的著 地衝擊’產生晶片損傷，成為問題。 β球形接合部的表面區域中，有時只具有第i濃化部U 疋有的。即’由於球形接合部的表面區域的濃化部只有 第1濃化部10’得到抑制堆疊晶片中剝落⑴ft Qff)不良 21 201230903 的效果。所謂剝落，係量產製程的連續 接合部與電極膜間 乍中，球形 、]的接合界面產生剝離的不良 δ強度即使平均性地t， 旦 。接 視為問題。特別是一：1、程中發生剝落不良也被 将別疋犬懸型堆疊構造或F0W型堆疊構造由 球形接合部的表面F祕从.曲 逢構乂中’ 表面Q域的濃化部只有第1濃化部10暑古 2。這些堆疊構造中，由於半導體晶片充分固定，= 動）㈣。如此的接合條件，係與通常的單層晶 條件不同的選定。此接合 的接合 染層較厚的情況等，連二在數面的氧化膜、污 寻運續接合在數十毫秒的短時間内得 界面的密合性U難的。相對於此，由於球形接人 部的表面區域的濃化部只在第1濃化部1G，促進氧化/ >可染層的破壞等’球形接合部與電極膜的界面得到均一的 密合性’可以抑制剝落不良。主因被認為是與電極膜接觸 的球形表面上無第3濃化部12,即銅露出球形表面，破壞 氧化膜、污染層’得到良好的金屬接合’更促進銅與電極 成分之間的相互擴散。 濃化部中濃化的上述貴金屬最好從Pd(鈀）、Au(金）、 Ag(銀）、Pt(鉑）之中的至少一種。即，pd(鈀）、Au(金）、 Ag(銀）、Pt (鉑）中的一種以上與銅為主成分的合金形成的 上述第1濃化部10可以比較容易形成，而且，得到滿足堆 疊晶片中的超低迴路化、球形接合強度提高等的高效果。 又，形成第2濃化部11、第3濃化部12的接合條件报廣， 確認也得到各種作用效果的抑制中心脫落不良、提高接合
22 201230903 7罪性的尚效果。為了在量產中穩定實現如此的改善效 果貝金屬70素群中也確認Pd(l£)、AU(金）、Ag(銀）、pt (麵） 的濃化部有效。士 #， 由於上述責金屬最好是Pd(鈀）、Au(金）、 、g(銀）Pt(鉑)中的一種以上，上述根部傾斜不良在超低 ^路中的發生得到顯著的抑制效果。更理想的是，由於主 成分係Pd，促i隹π + , 1 μ 疋進形成上述第丨濃化部丨〇的球形接合部的 真圓化，得到更高的效果。 除了球形根部區中的第1濃化部1〇,再加上述複層鋼 I的外層厚度在G. G1 " m以上〇· 4 " m以下的範圍’對 於使頸部斷裂的初次拉力（flrst pu⑴強度增加有效。所 w拉力（flrst pu⑴強度，如後述’係球形接合部近 旁的金屬線附上鉤，測量斷裂強度之際的強度。即，上述 複層銅接合線具有以銅為主成分的芯材、以及上述芯材上 從Pd(飽）Au(金）、Ag(銀）、pt (幻之中至少選-種貴金 屬作為主成分的外層，上述外層的厚度最好在q 以 上以下的範圍。頸部由於球形形成時的熱影響進行 再結晶，強度比金屬線本體還下降，成為問題。於是，由 於複層銅接合線的外層厚声尤η 卜禮厚度在〇.01_以上0.4^以下的 Ιέ*圍’特別在堆疊晶片中& # + && 片中的穩疋低迴路化與初次拉力
S first pull)強度上升的相反特性可以同時成立。在此， 外層厚度未滿0.01“的話’堆疊晶片中的初次拉力 (firrPU⑴強度上升效果小。外層的厚度超過U“的 成㈣路化與初次拉力⑴rst pu⑴強度上升難以同時 ’列如’外層厚度50"以下的超低迴路的話，確認 23 201230903 初次拉力不均變大。 接合構造，除了球形根部區中的第1濃化部1 〇，再加 上述複層銅接合線的外層與芯材之間，具有上述貴金屬的 至少一種與銅的濃度斜度擴散層，由於上述擴散層的厚度 在0. 003 " m以上0. 15# m以下，單層晶片構造的高迴路連 接中得到改善傾斜性的效果。即，上述複層銅接合線具有 以銅為主成分的芯材、以及上述芯材上從pd(鈀）、Au(金）、 Ag(銀）、Pt(鉑）之中至少選一種貴金屬作為主成分的外 層，外層與芯材之間具有上述貴金屬的至少一種與銅的濃 度斜度擴散層，擴散層的厚度最好在〇〇〇3//m以上〇15 # m以下的範圍。高迴路連接的斜度係球形接合部的直立 部（熱影響部）倒塌的現象，與鄰接的金屬線接觸時，由於 電氣短路產生不良。此高迴路連接的傾斜，與上述的根部 傾斜在金屬線的變形方向、變形長度等不同，可以容易區 別。根部傾斜，係金屬線根部的局部（2〇〜5〇㈣往$ Μ 合方向變形的現象。相對於此，高迴路連接的傾斜係往第 2接合方向垂直方向的鄰接的複層銅的方向變形。特徵為 變形長度係長範圍，一船*妒讲]η η # 一 飯為超過100//m的範圍的變形。 又’高迴路連接的傾斜在單声B Η由 对隹早層曰曰片十成為問題，根部傾斜 盘堆疊晶片中成為問題。由於第1濃化部10,再加上外芦 材之間形成具有濃度斜度的擴散層，迴路控制之際； 細加於金屬線的複雜外力起了緩和作用* 上述擴散層的厚度在以上G.15/Zm以下:傾斜。 例如未滿0.003 // m的話，傾斜改善 、理由， 忒果小，超過0.15/zm 24 201230903 時，低迴路控制變得不穩定。 包含上述貴金屬Pd、以及Au與Ag之中炱少1種’合 計2種以上，在上述第1濃化部中，相對於Pd的濃度，AU、 Ag的總計濃度比率最好在0. 01以上0. 4以下的範圍。由 於含有Pd、以及Au與Ag之中至少1種，合計2種以上的 合金構成的第1濃化部10，可以同時改善球形接合部的真 圓化以及模形接合形狀的穩定化。由於第1濃化部10包含 Pd ’得到促進球形接合部的真圓化的高效果。另—方面’ 如果單獨Pd的話’球形接合時，由於微小的pd粉未、或 毛細官削端與第1濃化部1 0燒附等，因為毛細管前嬙磨 損，擔心毛細管的使用壽命變短。相對於此，由於第1濃 化部10含有Pd、以及Au與Ag之中至少i種，—面雉捋 真圓化，一面可以長期化毛細管的使用壽命。相對於pd的 ;辰度Au、Ag的總計濃度比率在〇 〇 1以上〇. 4以下的範 圍的理由，例如未滿〇. 〇〗的話，上述效果小，超過〇. 4時， 發生球形接合部的花瓣變形等不良。求得在此的濃度比率 的方法，係測量第U農化部10中3處以上的位置的隨機漠 度’最好使用各位置中的濃度比率平均值。 1 丹之宁至 種，合計2種以上構成的合金的第1瀵 步1，辰化部10的複層 合線’外層的主成分為pd’上述外層表面具有^幻 中1種以上的濃化層的複層銅接合線，或是外層的主 為Pd ’上述外層與芯材的界面中罝右 另ΛΙ]與Ag之中1 : 上的濃化層的複層銅接合線’最好b i
' 〒之一。即，A
S 25 201230903
Ag之中1種以上的濃化層形成場所在外層表面或外層與芯 材的界面’哪邊都可以形成上述合金的第"農化部“，藉 此，得到降低毛細管前端磨損的效果。兩者最好都是，在
Au與Ag之中i種以上的濃化層中，相對於“濃度=Au、
Ag的總計濃度比率在〇. 01以上〇· 4以下的範圍。因為， 上述度濃度比率未滿〇· 01的話，由於降低毛細管前端磨損 的效果小，又，上述度濃度比率超過〇 4的話，合金化產 生的硬化變得明顯，由於毛細管内部的損&，工作壽命變 短’成為問題。又更理想的是’藉由外層的主成分為Μ， 上述外層表面具有Al^ Ag之中^以上的濃化層的複層 銅接合線的連接構造’得到降低毛細管前端磨損的更高效 果。認為S因為外層表面上形成的^與“之中i種以上 的濃化層，在迴路形成時’金屬線本身與毛細管内壁之間 的摩擦抵抗降低。 又’本發明者們，經由不同的複層鋼接合線構成，確 遇得到分別不同的改善效果。外層的主成分為⑷上述外 :表面具有虬與化之中1種以上的濃化層的複層銅接合 =的j接構造’藉由降低金屬線表面露出pd，得到更提高 細官的使用壽命的高效果。特別是甚至以表面影響變 二，卩…下的極細線連接時，也確認過毛細管壽 叩k问30%以上的情況。另一 ,,+. AI 曲外層的主成分為Pd， 化芯材的界面中具有^與Ag之中1種以上的濃 化層的複層銅接合線的技人 生 ，’接σ構也，確認接合製程後的搬送 4耐振動性的提高效果。
26 201230903 為了助長第1濃化部i 〇、第2濃化部i】以及第3濃 化部12的形成，接合前的初期球形部（F『ee a卜Μ";自 由氣球，以下稱作「FAB」。）中，帛好先形成好各濃化部。 例如^/成FAB Bf ’可以輕易地形成漢化部，經過球形部的 變形過程或接合後的加熱過程，FAB内的濃化部即使形狀· 尺寸猶微變化，也經常維持濃化部的分佈、濃度等。 第7〜10圖中顯示FAB剖面觀察中的濃化部分佈的代 表例。第7圖中，與複層銅接合線間的邊界近旁的球形根 部區中形成末端濃化部13。上述末端濃化部13相當於接 合後的第"農化部10。末端濃化部13遍佈頸部全周形成， 最好在垂直接合界面的任意剖面中，顯示大致相同的剖面 構造。 第8圖中’除了上述第1濃化部1 〇 ’再加上球形内部 成濃化部“。上述内部濃化部14相當於接合後的第。2 5辰化部 11。内邱， 内辰化部14,在垂直接合 =以具有同樣的形狀，不是也可以…上述内:： 的形狀、數量並非限於圖中所示的形狀、數量。 ，第9及10圖中，除了上述末端濃化部13，再加上破 形部的表面近旁，开；忐主工·曲 求 ,^ 形成表面濃化部15。上述表面濃化部n 相當於接合後的第3、.s 15 κ 士 . /辰化部12。第9圖係形成表面濃化邱 1 5直到球形前端折在 ^ 近旁的球形外圍的情況。第10圖係球y 又厚球形前端也形成表面濃化部15 况。表面濃化部15，县此+本士 u X 的情 ^ _ 最好在垂直接σ界面的任意剖面中， 顯不大致相同的立彳而 r 4面構造。接合界面的第3濃化部 *rt Ci 也 27 201230903 經由接合後的加埶 形成。例如，第_内固溶的元素擴散，促進濃化而 化部15，锤“ _所不的球形前端即使未觀察到表面濃 形成第3滚化部2球形内固溶的元素擴散，確認也可以 關於本f % & 濃化部㈣的連接構造，最好是這些fab内形成 的衣形部所接合的接合構 連接則的球形部(FAB) 接““，在 線的邊界旁的β γ 4 吏表面區域中，與複層銅接合 化部形成:::::區’最好也由鋼，責金屬的濃 了球形根部區的：:：理想的是’上述接合構造，除 以濃化邱形忐 加上球形部（FAB)的内部，最好 。成的球形部連接。又更 接合構造， ^ Λ 化口Ρ ’再加上球形部（FAB)的矣而县 好以濃化部形成的球形部連接。 ）的表面，最 上述球形接合部的表面 成貴金屬的Μ Ϊ、Mu 也在球形根部區只形
貝生屬的第1濃化部1〇的話，經 A 合條件合理化，也可 ▲、㊉的打線接 合的量產製程中：穩定形成。不過，高速接 裊程中，為了穩定形成第i濃 球形形成的製程要素與全屬° ，最好控制 或雙方。製程要要素的2要素_的單方 w 屬線心近旁的遮罩氣體(shield 的m 4的料形成條件等的適當化是有效 而金屬線材料要素中，複層 有效的。 m的構造適當化是 用以形成第〗濃化部10的理想球形形成條件， ♦烊炬（torch)的後方往金屬線前端 貝人巡罩軋體，在金屬 28 201230903 線前端近旁沿签 土 、 複層鋼接合線往上下兩方向形成戒置a …別的作用’係例如電弧放電區域優先作乳 或是引導往金屬㉝^ n遮罩的作用，
A 的上下方向電弧放電，球形邻踨、|^ 4L 態到凝固時各A 水小邛從熔融狀 ” 〜冷球形部的作用等。藉由提高這歧作用，π 以促進第1濃化部10的形“4、"-作用可 方法的-範例”遮罩氣流的簡便 的乾例，遮罩導管方式，在第u圖中顯示5 炬51以遮罩導管5 2籍甚 ^ ^ rn, ^ 在遮罩導管52中二：複層鋼接合線1的毛細管 遮罩導管二：過上下方向的上下貫通穴53,此 方法一…形成遮罩氣流54的方法有效。根據此 罝/易同時滿足從引起放電的電極焊炬5ι的後方流過 遮罩氣流，及形成沿著複層銅接合線"主上下方向的遮罩 氣流兩者。料氣體的方法，以第u圖所示的遮罩導管方 2 —範例來說明’但不限於此’也可以思考以控制氣流 的其他方法形成第1濃化部10的方法。 ^用以穩定形成第化部1G的料氣體，最好是在純 氮氣體或氮内含有4〜6%範圍的氫的還原性氣體，流速在 〇·3〜l.〇mi/min(毫升/分）的範圍，相對於遮罩導管方式的 上下貫通穴尺寸的毛細管直徑的比例最好在i. 2〜& 〇倍 的範圍。更理想的是，流速在〇_4〜〇8ml/fflin(毫升 的範圍，或是，上下貫通穴的尺寸在14〜2·7倍的範圍， 集中濃化於頸部，促進第丨濃化部1〇的形成。又更理想的 疋，上下貫通穴的尺寸在丨.6〜2· 3倍的範圍，使用線徑 18 以下的細線，可以更穩定化第i濃化部1〇的形成。 用以形成第1濃化部丨〇的理想金屬線材料要素，係複 29 201230903 層銅接合線的外層厚度在0.01/im以上〇4#m以下的範 圍，外層表面的Cli(銅）濃度低，未形成Cu氧化物是有效 的。考察係由於金屬線表面很少露出銅，或是未形成U氧 化物，延遲電弧放電時外層與銅的混合，促進外層集中在 球形根部區的效果。外層厚度超過〇 時，抑制往球形 根4區的濃化。外層表面的Cu(銅）氧化物厚度最好在 _(毫微米）以下’或Cu濃度在2m〇1%以下^氧化物的 厚度超度超過4nm，或是外層表面Cu超過211]〇1%露出時， 球形炼融時貴金屬與Cu混合，抑制第！濃化部1〇的形成。 的氧化物，係Cu氧化物為主，pd(鈀）、Ag(銀）的氧化 物也確認相同。 更理心的是，外層與芯材的界面近旁Cu氧化物、有機 "於其間’在穩定形成第1濃化部10方面也有效。認為 久卜Θ與心材的界面中，Cu氧化物、有機物介於其間的話， 更抑制球形熔融時貴金屬與CU的混合。Cu氧化物、有 的膜厚範圍最好在〇lnm以上5⑽以下的範圍。上述膜 旱未滿〇_ lrnn的話，上述作用小，而上述膜厚超過5⑽時， 外層與芯材的密合性下降產生剝離。上述膜厚最好是在 〇. 5rnn 以}· Q 牡 1101以下的範圍，可以促進在熔融狀態下 外層的眚么丹风 · 球形根部區濃化的現象。由於常難以確切 複滑鋼接人妗& u α °心 物介於材的界面近旁有CU氧化物、有機 觀窣的：曰’使用形成外層前的芯材’以芯材的表面分析 親察的ClJ羞71 Λ/ 、有機物的膜厚範圍在O.lmn以上5咖以 8 30 201230903 * * 了第1 Up 1 G ’為了再加上促進球形内部 ^化部η的形成’最好控制球形形成的製第: 材料要素的2要μ的單方或雙方。製程要 =細…從電極焊te(torch)的後方以及從電極： rch)的相反方向的兩方向流動是有效的。認為係以之 兩方向的氣流’促進電弧放電產生的金屬㈣融時形 内部的對流、擔掉，人a ^ 攪拌此合外層的貴金屬與Cu，促進 邛的第2濃化部u的形成。介紹遮罩氣流的流動方法 種效果的方法。第一方法係稍微改造第Η圖的方法，如第 2 =不，以遮罩導皆52覆蓋電極焊炬5ι，㈣閉遮罩 :官52的前端的方法。藉此，從電極焊炬51的相反方向 也可以稍微形成氣體的逆流。又，以此m以促進„ 者複層鋼接合線往上下兩方向的金屬線流，電弧的集中與 球形部的急冷效果提高，可以更穩定形成第u農化部 第二方法’如第13圖所示’利用電極焊炬51的後方的後 方導管56、與電極焊炬51的相反方向的前方導管”，強 制從J方向流動遮罩氣體的方法。此方法的留意點為，由 於導管的設置有自由度’合適化導管的角度、高度等球 形形成時形成不引起氧化的遮罩環境。這些方法的重點， 係經由金屬線熔融時在球形内部的對流、攪拌，產生混合 外層的責金屬與Cu的作用’但本發明並不限於這些方法。
S 用以形成第2濃化部U的理想材料要素，係控制複層 銅接合線的外層及擴散層的厚度是有效的。外層的厚度在 0,〇3^m以上〇.2/Zm以下的範圍’或是外層與芯材之間形 31 201230903 成的擴散層厚度在〇·〇3//π1以上。15“以下的範圍外 層與擴散層的總計厚度最好在U7㈣以上〇.4/zm以下的 2圍。由於外層與擴散層的厚度在上述範圍，球形溶融時 貴金屬與CU混合，且促進球形内部形成第2滚化部u。 在此，外層的厚度在0.03“以上，外層與芯材之間形成 的擴散層厚度在〇.03"以上，外層與擴散層的總計厚度 在O.O^m以上的理由’例如比分別的厚度下限值薄時， 作用效果小。外層厚度超過0 4“時，由於球形部的硬化 在接=時受到晶片損傷，成為問題。擴散層的厚度超過Μ P時’由於銳角的金屬線變形中產生抵抗，短間距等的 迴路形狀變得不穩定。外層與擴散層的總計厚度超過〇 4 # m時’確認難以穩定形成第 層間的界面中介…的 "。又’外層與擴散 h於其間的Cu氧化物、有機物愈減少 以促進第2濃化部u的形成。 有關金屬線表面上形成的外層及擴散層的邊界，定義 1〇/ 辰度在5〇_以上，擴散層在lOmoU以上 50mol%以下的範圍。 除了第1濃化部1 〇，為τ至心 第3濃化部心形成，接八Λ j形接合界面的 玻开期球形部請中，在 球形表面近旁先形成濃化層是有效的 球形形成的製程要素斑 ^ 十雔古W 、金屬線材抖要素的2要素中的單方 或雙方。製程要素中’例 體遮罩方法中，0第12圖、第13圖的氣 最好疋縮短電弧放電時間， 經由縮短放電時門 + 徒冋電/瓜值。 時間’球形溶融時構成外層的貴金屬與思材 32 201230903 的Cu混合前，提高凝固作用， 化的現象。由於線徑、FAB徑 可以促進貴金屬在表面上濃 、接合裝置的機種等，放電 時間的絕對值有變化’例如最好是線徑25em、fab徑5〇 "m時的電流值為75〜95mA(毫安培），放電時間〇 4〜 0.6msec(毫秒），又線徑20#m、FAB徑4〇ym時的電流值 為30〜50mA(毫安培），放電時間〇.5〜〇7msec(毫秒）的範 圍。作為比較，通常的銅線線徑25#m、FAB，5〇"m時的 一般放電條件大多使用電流值60〜75mA(毫安培），放電時 間0.4〜0.6msec(毫秒）的範圍。 促進第3濃化部12形成的金屬線材料要素，係複層銅 接合線的擴散層厚度在0.01/zm以上〇1//m以下的範圍， 還有相對於外層厚度的擴散層厚度的比率γ在〇· 〇5以上 u. 4以下的範圍是有效的。認為是由於外層的厚度在上述 範圍内，且擴散層的厚度相對於外層較薄，球形炫融時抑 制貴^屬時而與Cu混合，時而在Cu内部分散，提高球形 表面濃化效果。在此，上述比率γ超過〇 4時由於擴散 層厚’促進貴金屬與Cu混合，第3濃化部的形成不穩定。 又，上述比率未滿〇_ 〇5的話，除了第3濃化部的形成困難， 再加上由於擴散層薄，外層與芯材的密合性下降，迴路刑 狀不穩定。 ’ 除了第1濃化部1 〇，為了再加上促進球形接合界面的 第2浪化部11及第3濃化部12兩者的形成，外層的厚度 在在〇. 15/z m以上〇,4# m以下的範圍，還有相對於外層厚 度的擴散層厚度的比率Y在0.6以上1· 2以下的範圍是有 33 201230903 :的。認為原因係係為7使擴散層的厚度比率 ，相對於外層，使擴散層較厚， ε 球形熔融的較初期階段尹 貝’與Cu混合’ 同時形成，又，… 辰化部與第2湲化部大致 Μ怒nl 球形内部不能濃化的殘留貴金 屬凝固時’集中在球形表㈣留貝金 外層的厚度未滿0.15jum的話，擠3濃化部。 少。以上述外層厚度在°1 2/ 辰化部的形成變 Λ ^ 4鞄圍為刖提，上述比率γ去雀 0.6的話1 未滿 上述比率…·2以上的話第Γ穩定。又， 再加上金I㈣造時稱作捲 兄刀 屬線的直線性下降。 的金屬線加工f曲變大’金 仆上述中所說明的，有關用以促進第1濃化部、第2、農 :於第3、濃化部等各濃化部形成的金屬線材料要素，並 組成、分心的材料要素（膜厚、 部、第2冰〇成各浪化部。又，有關對應第！濃化 的二;=、第3濃化部的作用效果，只形成濃化部 的話’就可以實現’也確認由不被用以 銅接合線的金屬線材料要素直接左右。一-層 有關具有濃化部的接合構造’球形接合部 迴路的通常打線桩人士、+, 形成 線接。方法形成的球形接合部，或是以打線 成法形成的球形接合部，料以 球―構造一::： 確認球形部中的第1濃化部10、第2濃化部u、第3 201230903 濃化部12的方法，進行與金屬線長度方向平行方向的球形 接合部的剖面觀察是簡便有效的。確認濃化部的分佈的方 法’根據光學顯微鏡的觀察以顏色識別是簡便的。濃化1 的濃度在0. 1 mo 1 %以上的話，確認根據顏色的濃淡可以識 別。又，使用 EPMA(Electron Probe Micro Analyzer ;電 子探針微量分析法）、EDX(Energy Dispersive X-Qy spectrometry ;能量分散型X光分析法）、AES(Auger
Electron Spectroscopy;歐傑電子能譜儀）等，進行在球 形接合部剖面的元素分析，確認局部濃化，或是每個元素 的映射（mapping)，可以根據濃化部的分佈更佳精確地識 別。又’球形接合部的剖面以外也可以確認濃化部，例如 第1濃化部10，在球形接合部的表面進行分析球形根部區 的元素分析也有效。又，確認第3濃化部12的話，在球形 接合部的剖面中，使用EDX、EPMA、AES等的化學分析，進 行失住接合界面的線分析也有效。濃化部的位置明確時， 點分析也是簡便的方法。為了以點分析評估有無濃化，最 好在滚化區域、與未漢化區域至少兩處分析，相對比較。 】進行濃化部的觀察、分析的試料係出t的半導體最終 製品，或是電子機器中安裝實際使用的半導體，任一個都 可以。即，前者的出貨階段或使用階段其中任一的半導體 球形接合部中’濃化部的濃度或厚度在本實施形態的範圍 内的話，達到此作用效果。 複層銅接合線的製作中，以Cu(銅)為主成分的芯材表 面，M電鍍、無電解電鍍或濺鍍等形成以Pd(鈀）、Au(金）、 35 201230903
Ag(銀）、Pt(鉑）為主成分的 其，士冰薜拄沾奸从△ 卜a 根據均一性的觀點， 形成外層時的心材線徑最碎 碇好為0. 05〜丨.5mm(：€米^ 必要，形成外層前的芯枯矣工^ ；根據 中的CU氧化膜、有機膜等以 AES測童：。經由進行—栌 身又的鋼電解蝕刻、酸洗淨等，V材 表面的Cu氧化膜、有機蹬 ，機骐等可以調整至既定的厚度。 形成外層後，使用伸線 _ 月伸線加工金屬線至既定 的最終徑。晶片的減面率為 ,β , 丄5/0的乾圍。熱處理係施加 外層形成後伸線製程的中徐七 或最終線徑的熱處理。熱處理 爐内一邊連續移動金屬線，一 違進^丁連、.男熱處理。敎虚拽 溫度為300〜800。(：的範圚，a各 … ^ 關 邊流動非活性氣體，-邊加 熱處理’藉此抑制金屬線的氧化。 外層的表面形成濃化居眩 β 化層時’或是’外層與芯材之間形 成濃化層時等，為了形成2展棋L ^ 層構k的外層’電解電鍍、益 電解電鍍或濺鍍分2次進行，之祛爭 ·… 之後最好在200〜60〇。(：的範 圍内施行用以形成濃化層的熱處理。 以下，說明有關實施例。 複層銅接合線的原材料’使用Cu純度為MM質量％ 以上的高純度的素材，外層用的pd(紐）、Au(金）、“（銀）、 m翻）的素材中’準備純度為99 99質量％以上的原料。複 層銅接合線的製作，預先準備細到某一線經的高純度銅線 作為芯材，為了在此金屬線表面上㈣不同金屬的外層， 以電解電鑛法形成外層。外層初期的膜厚，根據消耗的最 終線控的膜厚以計算求出。助長濃度斜度的形成'擴散層 的生成時，在2〇〇〜6001的範圍内施行熱處理。
S 36 201230903 在外層表面形成濃化層時’或是外層與芯材間形成濃 化層時等，用以形成與外層不同的濃化層的薄膜形成是必 須的。為了形成外層、濃化層用薄膜，電解電鑛、無電解 電鍍或濺鍍產生的膜形成分2回進行是有效的。主成分共 同為Pd(lE)、Au(金）、Ag(銀）、Pt(始）的外層與濃化層用 的薄膜，雖然膜厚不同’膜形成條件基本上相同。根據必 要’ 1回的膜形成後’或是第2回的膜形成後，在2〇〇〜600 °C的範圍内實施提高密合性的處理。 踝徑形成外層後 在最終的線徑形成外層時，以某 更利用以伸線加工減細至最終線徑的方法。電解電鍍液' 無電解電鍍液係使用半導體用途市售的電鍍液。預先準備 直徑約200〜i 500 /z m的金屬線，在此金屬線表面以蒸鍍、 電鍍等覆蓋，伸、線至最終徑& 15〜25//m。施行熱處理， 使伸後除去加工歪斜的伸展值為4〜18%左右。熱處理的方 法係使用具有1 〇cm以上的均熱帶的紅外線加埶爐 為·〜—中以〇_一的範圍流動非活性：
體^同時’―邊以速度30〜1GGm/min、掃引張力為2〜3〇mN 的範圍内連續移動金屬線，一邊施行熱處理。微調整溫度 使引張伸展在4〜15%的範圍。為了抑制金屬線表面的鋼氧 化爐广以! 〇. 5〜讥/分的範圍連續流動非活性氣體(使 H。根據必要，晶片伸線至線徑3°〜2〇〇㈣後，施 ::::理，再施加伸線加工。熱擴散處理的條件，為上 述熱處理條件的範圍。 巧上 球形部的為丨t
S °或表面的濃化部的濃度測量中，濃化部 37 201230903 尺寸未滿的話，使用AES，1//m以上的話，使用峨、 EDX。複層銅金屬線表面的膜厚等的剛量，使用似，進行 表面分析、深度分析，厚度的絕對值表示係利用一般的㈣ 換异。金屬線中的導電性金屬濃度’係以心… coupled細ma;感應耦合型電衆）分析、⑽質量 測量。 廳測量中’主要求出外層膜厚、擴散層膜厚、外層 表面的崎與Cu氧化物的厚度 '芯材表面的Cu氧化 物、有機物的總計膜厚等。在此，外層與擴散層間的界面 中的Cu減物、有機物的膜厚，為了容易測量，測量外層 形成前的芯材表面的Cu氧化物、有機物㈣計膜厚，並代 用。有關膜厚的定義，外層的主成分濃度在_㈣以上、 擴散層在lGmol%以上5Gm。版下的範圍、cu氧化物在氧 濃度編〇1%以上的區域。有關芯材表面的Cu氧化物、有 機物的料膜厚，氧與碳的濃度總計》5〇m〇U以上的區 域，換算成最終線徑的膜厚在表中顯示。
Cu構成的芯材在通常的製造方法中，形成外層前的芯 材表面上確認形成Cu氧化物、有機物的總計膜厚5⑽左 右。為了控制芯材表面上殘存的Cu氧化物、有機物的臈 厚’就在形成外層前’施行酸洗、鹼脫脂、純水洗淨等的 清淨化處理是有效的。上述清淨化處理進行通常的a的清 淨化所使用的處理。例如，在本實施例中主要使用的酸洗 係硝酸與過氧化氫水的稀釋液，驗脫脂係歷的稀釋液等。 複層銅接合線的連接，使用市售的自動打線機(asm製 201230903
Eagle60-AP 型）> 上 屬線前端製形接合。以電孤放電在金 金另Λ 、'形°卩接合至矽基板上的電極膜， 金屬線另-端以楔形接合至引線端子上。 7制球Μ成時的氧化的氣體遮罩（gas shield)的方 蓋電=4種方法。具體而言，(p)如第11圖所示，從覆 ::極“的遮罩導管(shleldplpe)流出氣體的方法；⑻ 、、.12圖所不，上述(p)為基本，封閉遮罩導管的前端的 n (S)如第13圖所示’從電極焊炬的後方導管、以及 電極焊炬相反方向的前方導管的2方向流出氣體的方法； ⑺只從上述⑻的前方導管流出氣體的方法。表i的「氣 體遮罩法」的攔位中以P、Q、S、T記述各方法。遮罩氣體 屯X 4N以上的氮氣或是氮氣内含有4〜6%範圍的氫的 還原性軋體。氣體流量為〇4〜l5mi/min的範圍。 矽基板上的電極膜使用厚度的Αι合金膜 (A1 l/eSi-G· 5%Cu膜、Al-G. 5%Cu膜）作為被接合部。樹脂 基板上的電極，係使用鍍金（〇1vm厚鍍鎳厚V 銅（10/ζιη厚）的電極的樹脂基板。接合製程的接合溫度設 定為175°C。 使用3種的堆疊晶片。使用厚度i 5〇 # m大小不同的3 種半導體晶片，上面堆疊小的半導體晶片，成^ 3段的角 錐〇71^1^(1)狀。半導體晶片之間，以稱作上片膜（die attach film)的接合膠帶的萬用品（厚度：約3〇#…接合。 此類型稱作習知型堆疊晶片。厚度i 5 〇 # m大小相同的3種 半導體晶片以3段重疊的堆疊構造，每丨段金屬線連接之s 39 201230903 後，接合上段的半導體s t! 干导骽曰曰片。根據丰導體晶片之間接合的 方法，分類成以下2種。一種係如第i圖的埃疊構造，虚 厚度5一的虛設晶片（d刪ychlp)介由上述上片膜（仏 attach fllm)接合。此類型稱作突懸(〇verha⑻型堆疊晶 片。另一種係如第4圖所示的堆疊構造，以上述料剛（金 屬線上膜)的接合膜(厚度：約12〇//m)接合。這類型稱作 F〇W型堆疊晶片。後者的構造’連接的複層銅接合線的一 部分由F0W覆蓋接合。 低迴路連接性的評估，使用習知型堆疊晶片，連接金 線長度为2mm、迴路向度約55^的低迴路條評估 半導體晶片表面開始的迴路高度與頸部損傷。迴路高度的 平均值為55 以下時，由於量產性優異，記號為◎，超 過55/zm而在6〇“以下時，由於實用上良好，記號為〇， 超過6。// m而在65 " m以下時，通常沒問題，但最好改善 、路條件，δ己號為△，超過65 " m時，成為實用上的問題 時’記號為X，顯示在表中的「迴路高度」的欄位中。根據 •迖路中的頸部損傷評估，上述超低迴路連接2 0 0條，損 傷為0條時’由於良好，記號為◎，2條以下_，由於判 :為實用上沒問題的水準’記號為〇，3〜5條的話，由於 取好改善迴路條件，記號為△，6條以上的話，判定為不 良5己唬為X，顯示在表中的「頸部損傷」的攔位中。 低题路連接中的根部傾斜性評估，使用習知型堆疊晶 連接金屬線長度約2_、迴路高度約55 # m的 8〇〇條，焯斗/ ' ^ ，、。十估從與球形接合部的邊界近旁的金屬線根邹
40 201230903 下的根部倒塌（根部傾斜）發生次數。發生次數為0條時， 由於良好，記號為◎，2條以下時，由於判斷為實用上沒 問題的水準，記號為〇，3〜5條的話，由於最好改善，記 號為△，6條以上的話，判定為不良，記號為χ，顯示在表 中的「根部傾斜」的欄位中。 初次拉力（f i rst pu 11)強度穩定性評估，使用習知型 堆疊晶片，連接金屬線長度約2mm、迴路高度約55 // m的 低迴路50條，從球形接合部開始的距離在1 〇〇 # ffl以内的 位置進行附上掛鉤的初次拉力（f i r s t pu 1 1 )測試評估此 斷裂強度的標準偏差。初次拉力（first pull)強度的標準 偏差未滿0. 1時，由於良好，記號為◎，〇· i以上未滿3 時，由於大致良好，記號為〇，〇. 3以上未滿〇. 5時，由 於必須改善’記號為△，G. 5以上時，判斷為不良，記號 為X，顯示在表中的「初次拉力強度的穩定性」的欄位中。 毛細管磨損的評估，使用習知型堆疊晶片，連接金屬 線長度約2mm、迴路高度約7q # m的低迴路丄萬絛後，以 毛細管前端的髒污 '磨損等的變化判定。纟此，為了加速 毛細官前端的磨損等，利用加強設定反轉（reverse)動作的 χ的k路條件。&面清淨的話’由於非常良好，記號為 不著物的尺寸未滿時，由於大致良好，記號為〇， 附著物的尺寸〇 ζ ."m以上未滿1〇#111時，由於通常的作業 上沒問題，記號為口， m時，最好改善，記號 判定為不良’記錄為χ 附著物的尺寸1 0 // m以上未滿20 a 為△’附著物的尺寸2 0 // m以上時， ’顯示在表中的「毛細管磨損」的欄 41 201230903 位中。 剝落（1 i f t 〇 f f )的評話，祐 使用習知型堆疊晶片與突懸 (overhang)型堆疊晶片的2锸 Z種類’進行1 000條的打線製程 中’球形接合部與鋁合金的雷极 β 1：極膜之間的界面中，評估發 生剝離的發生次數。不良加遠 这·測甙’設定荷重.超音波振 動的輸出低一點。剝落（i i f t 上 Wlit off)不良數為0時，由於良 好，&己说為◎，]_條或2條睥，士认丄 常叶由於大致良好，記號為〇， 3〜6條時’由於必須改善， 。己唬為A，7條以上時，判斷 為不良，記號為X，分別顯+大全 具不在表中的習知型堆疊晶片與突 懸(。" — )型堆疊晶片的「剝落不良」的欄位中。 鋁(A)濺射(splash)的評估’使用習知型堆疊晶片與單 曰s片的2種類，砰估2〇冑的球形接合部的外圍排出的 A1篁（銘濺射）。不良加速測凡 如立、* 如 • J °又疋何重.超音波振動的 輸出低-點。㈣射不良數為。時，由於良好，記號為@， 42 201230903 由於必須改善’記號為△’ 9條以上時，判斷為不良，記號 為X’顯示在表中的「中心、聽不良」的欄位中。… +晶片損傷的評估，使用習知型堆疊晶片，球形部在铭 :極膜上接合後’钱刻除去電極膜，對絕緣膜切晶片的 °、备 X SEM(Scanning Electron Microscope ;掃描電子顯 微鏡)觀察。觀察的電極數為2〇〇處。不認為損傷時，記號 :〇5以m以下的裂傷在2個以下時，判斷為沒問題的水 準’記號為〇，5 " m以下的裂傷在3個以上時，判斷為令 人擔〜的水準’記號為△，1 〇 β m以上的裂傷纟1個以上 時’判斷為有問題的水準’記號為X，顯示在表中的「晶片 損傷」的攔位中。 球形接合強度的評估，使用突懸（〇verhang)s堆疊晶 片，進行40條的球形接合部的共有（share)強度測試，測 量此共有（share)強度的平均值，利用球形接合部的面積平 均值，使用可以計算的每單位面積的共有（share)強度。接 合溫度以170。(：貞15〇以2種類來評估。每單位面積的共 有（share)強度在110MPa以上的範圍的話’由於良好，^ 號為◎，90MPa以上未滿110MPa的範圍的話，由於判斷為 實用上沒問題’記號為〇，聰a以上未滿議pa的範圍 的話，由於變更一些接合條件就可以改善，記號為△，未 滿70MPa的話，由於接合強度不夠’記號為X，顯示在表3 中的「球形接合強度」的攔位中。 球形壓著高度的穩定性評估，使用突懸（〇verhang)s 堆疊晶片# F0W型堆疊晶片的2種類，評估50()條的球形 43 201230903 接合部中的球形壓著古 聖者间度的標準偏差。球形壓著高度的標 7 滿〇. 02時，由於良好，記號為◎，〇 〇2以L夫 咖時’由於大致良好，記號為〇,0.05以上未滿上二 由於必須改善，記號為△，0.1以上時，判斷為不良， F〇::姑二別顯不在表中的突懸(。Verhang)型堆疊晶片與 «晶片的「球形壓著高度的穩定性」的攔位中。 球形接合部的形狀評估，使用F0W型堆疊晶片，觀察 條的球形接合的球形接合部，評估形狀的真圓性、異 节父形不良等，個別進行觀察由下面開始的第2段與第3 段的半導體S y , BB 。由真圓移位的異方性、花瓣狀等的不良 Μ形狀6條以上的話，判定為不良，記號為X，異方性、 花瓣狀等的不良球形形狀有1〜5條時，分成2類，顯著的 =等的異常變形發生1條以上的話，由於在量產中最好 。。己號為△，異常變形沒發生的話，由於可以使用， t〇不良球形形狀0條的話，由於良好，記號為◎， “、'貝丁在表中的「球形接合形狀」的欄位中。 長間距的低迴路連接評估，使用單層B曰曰#，連接金屬 線長度約4随、迴路高度約…m的超低迴路200條，評 估頸部損傷。頸部損傷〇條時，由於良好，記號為◎，3 條以下時，由於判斷為實用上沒問題的水準，記號為〇，4 條的冶，由於最好改善迴路條件，記號為△，8條以上 的話，由於剌金炎T Λ ’、、不良’記號為X，顯示在表中的「長間距 的低迴路連接」的欄位中。 问迎路連接的傾斜性評估使用單層晶片，連接金屬 S. 44 201230903 線長度約2·5_、迴路高度約4〇〇請的高迴路刚條， 評估直立部（熱影響部）倒塌傾斜的發生次數。發生' 條時，由於良好，記號為◎，2條 條乂下時，由於判斷為實 用上沒問題的水準，記號為，<5 c ,*· 己琥為ϋ 3〜5條的話，由於最好改 善：記號為△，6條以上的話，由於判定為不良，記號為X， 顯示在表中的「尚迴路的傾斜」的欄位中。 有關球形接合部的高溫可靠性，使用習知型堆疊晶 片，接合後以市售的綠樹脂封裝的試料在”代中心 2000小時後，評估5〇條的金屬線電氣特性。電阻上升: 初期的3倍以上的金屬線比例在3〇%以上時，由於接合不 良’記號為X’電阻上升至3倍以上的金屬線比例在^以 上未滿30%的範圍時，由於可以在可靠性要求不嚴的a内 使用，記號為△，t阻上升至3倍以上的金屬線比例未滿 5%且上升至1.5倍以上的金屬線比例在1〇%以上未滿3卟 的範圍時，由於實用上沒問題，記號為〇，電阻上升至工5 倍的金屬線比例未滿10%時，由於良好，記號為◎，顯示 在表中的「175C20〇〇h」的攔位中。 有關球形接合部的高溼可靠性評估，使用習知型堆疊 晶片，接合後以市售的綠樹脂封裝的試料在13〇<t、相對 溼度（RH)85%中加熱500小時。之後以開封裝置除去樹脂 後，將40條的球形接合部的接合強度平均值與初期的接合 強度平均值作比較評估。高溼加熱後的接合強度在初期的 90%以上時，由於良好，記號為◎，7〇%以上未滿9〇%時， 由於貫用上沒問題’記號為〇，5 〇 %以上未滿7 〇 %時，由於 45 201230903 可以在可靠性i、七 要永不嚴的ic内使用，記號為△， 時’由於可素认 5〇 、 不良，記號為x，顯示在表中的
顯H-5_」的欄位中。 130 C 表 lA、]R;is 〇_l 中，記載本發明的複層銅接合線的球 接合部的評估έ士里 瓦先 '、、°果與比較例。申請專利範圍第1項的接人 構造相〜 施例，申請專利範圍第2項的接合 :、、3〜5、7〜3◦實施例，申請專利範圍第3項 口構造相當於第2〜29實施例’申請專利範圍第4項 ==造相當於第2〜21、23〜29實施例，申請專利範 、的接合構造相當於第14〜20、27〜30實施例，申 請專利範圍第6項的接合構造相當於第21〜⑽實施例，申 :專利_ 7項的接合構造相當於第卜13實施例，申 '•月專利範圍第8項的接合構造相當於第4、18、23h 29實施例，申請專利範圍第9項的接合構造相當於第 17、19、21〜29實施例，申請專利範圍第1〇項的接合構 造相當於帛2〜30實施例’申請專利範圍帛11 g的接合構 造相當於第i〜29實施例，申請專利範圍第12項的接合構 造相當於第14、23實施例，申請專利範圍第13項的接合 構造相當於第4、18 ' 26 ' 29實施例。 第1〜30實施例的接合構造，根據本發明的申請專利 靶圍第1項，具有以Pd(鈀）、Au(金）、Ag(銀）、pt (鉑）的 貴金屬中至少一種作為主成分的外層的複數層銅接合線的 球形接合部，由於上述貴金屬的第丨濃化部1〇在球形根部 區形成，確認堆疊晶片中的低迴路連接性與頸部損傷的抑 201230903 制、還有突懸（overhang)型堆疊晶.片中以通常的接合溫度 170c連接時的球形接合強度等同時良好。另—方面，比較 例1〜1 2中，由於未形成上述第1濃化部1G，確認發生頸 部損傷而低迴路化困難，球形接合強度低等。第14圖中， 顯示形成上述第1濃化部心第1◦實施例的球形接合部 的剖面照片的-範例。又’第14圖中，雖然顯示· (Scanning Electron Microscope ;掃描電子顯微鏡）照片， 但第1濃化部10的識別，根據本圖則無，適當使用並進行 ΕΡΜΑ、EDX、AES等的元素分析或光學顯微鏡的色識別等。 第卜3〜1、3 4〜30實施例的接合構造，根據本發明的 申請專利範圍第2項，由於上述第"農化部1〇中的上述貴 金屬總計濃度纟0.05mol%以上6m〇1%以下，確認突縣 (〇verhang)型堆疊晶片中以通常的接合溫me連接時 的球形接合強度更提高。上述濃度最好在0.2m〇U以上 _1%以下的第3〜1、3〜5 6 7、m〇實施例中，確認突縣 (〇verhang)型堆疊晶片中，低接合溫度峨下的球形； 合強度良好。更理想的是，0.5πι〇1%以上3m〇i
S 1 、3〜5、Π〜13 —、…施例中，確二接 2 合溫度150C下的球形接合強度的提高效果。 3 第2〜29實施例的接合構造，根據本發明的申請專利 4
範圍第3項’由於上述第！濃化部1〇的厚度在線徑的U 5 以上50%以下的範圍，剛型堆疊晶片構造中的第2段的半 6 導體晶片中’確認球形接合部的形狀良好。上述厚度最好 7 在線徑的Μ以上40%以下的第3〜6、8〜i〇 i4〜fn 201230903 〜28實施例中’ F0W型堆疊晶片構造中的第“史的半導 晶片中，確認球形接合部的形狀良好。 第2〜2卜23〜29實施例的接合構造，根據本發明的 申請專利範圍第4項，相料球形接合部剖面積，由於上 ㈣1濃化部i。總計面積所伯的比例在2 %以上3 〇 %以下㈣ 範圍，確認習知型堆疊晶片中的根部傾斜性良好。 - ▲第14〜2。'27〜30實施例的接合構造，根據本發明的 申凊專利範圍第5$，由於球形接合部内部中上述貴金屬 的第2濃化部u形成i處以上，確認堆疊晶片中的球形接 合部的中心脫落良好。第2滚化部u的總計面積在球形接 合部的剖面積中所佔的比例最好是3%以上5〇%以下的範圍 的第15〜19、27〜3G實施例中’確認更抑制中心脫落不产 :高效果。第15圖中顯示形成第"農化部1〇與第心 部11的第17實施例的球形接合部的剖面照片的一範例。 又，第15圖雖顯示SEM照片，但第i濃化部1〇與第2濃 化部11的識別，根據本圖則無，適當使用並進行ΕΡΜΑ: EM、AES等的元素分析或光學顯微鏡的色識別等。 第21〜30實施例的接合構造，根據本發明的申請專利 =圍第6帛’由於上述球形接合部的接合界面中形成上述 貴金屬濃度高的第3濃化部12，習知型堆疊型晶片中以175 C 2〇〇〇h的向溫加熱，或是以13〇艺/85%rh(相對溼 度）-500h的高溼加熱的加速測試中，確認接合可靠性良 好。第3濃化部12的厚度最好在〇 〇3〜6//ιπ的範圍的第 22 25、27〜30實施例中，得到高渥加熱的可靠性提高的
48 201230903 〜 .# m以上4 μ m以下的範圍的 第23、24、27〜3G實施例中，得到高澄加熱的可靠性提高 的更高效果。帛16圖中’顯示形成第i濃化部1〇與第3 濃化部12的第25實施例的球形接合部的剖面照片的一範 例。又，第16圖雖顯示SEM照片，但第i濃化部1〇與第 3濃化部12的識別’根據本圖則無’適當使用並進行EpMA、 EDX、AES等的元素分析或光學顯微鏡的色識別等。 第1〜13實施例的接合構造，根據本發明的申請專利 範圍第7項，上述球形接合部的表面區域中，由於只有上 述球形根部區中具有上述濃化部，確認上述習知型堆疊晶 片及突懸（overhang)型堆疊晶片中的剝落性良好。 實施例的接合構造，根據本發 上述的貴金屬Pd '以及Au與 種以上’在上述第丨濃化部i 〇 第 4 、 18 、 23 ' 26 、 29 明的申請專利範圍第8項， Ag之中至少1種，合計2 中，相對於Pd的濃度，由於Au、Ag的總計濃度比率在〇 〇ι 以上〇·4以下的範圍’確認習知型堆疊晶片的毛細管磨損 性良好。在此，求得濃度比率的方法，係在第"農化部⑺ 中在5處以上的位置測量隨機濃度’使用各個位置中的濃 度比率平均值。 第3〜17、19、21〜29實施例的接合構造，根據本發 明的申請專利範圍第9 $ ’相對於球形接合部的剖面積， 由於第1濃化部10與上述第2濃化部η的總計面積所佔 的比例為5%以上70%以下的範圍，確認突懸（〇verha叫）型 堆疊晶片中的球形壓著高度的穩定性良好。最好是15%以 49 201230903 上60%以下的範圍的第6、8〜13、15〜17、21〜24、27〜 28實施例中，確認F〇w型堆疊晶片中的球形壓著高度的穩 定性提高的更高效果。 第2〜30實施例的接合構造，根據本發明的申請專利 範圍第ίο項，上述複層銅接合線的外層厚度由於在 // m以上〇. 4以m以下的範圍，確認習知型堆疊晶片中的初 次拉力（first pull)強度的穩定性良好。 第1〜29實施例的接合構造，根據本發明的申請專利 範圍第11項，上述複層銅接合線的外層與芯材之間，具有 上述貴金屬的至少一種與銅的濃度斜度擴散層，由於上述 擴散層的厚度在0.003 /zm以上〇.15#m以下，確認單層晶 片中的高迴路連接的傾斜性良好。 第14、23實施例的接合構造，根據本發明的申請專利 範圍第12項，上述複層銅接合線的外層的主成分為pd，由 於上述外層與上述芯材的界面中具有^與人运中的】種以 上的濃化層’確認習知型堆疊晶片中的毛細管磨損性良好。 第4、18、26、29實施例的接合構造，根據本發明的 申請專利範圍第13項’上述複層銅接合線的外層的主成分 為Pd’由於上述外層的表面具有Au、Ag中的】種以上： 濃化層，得到更提高習知型堆疊晶片中的毛細管磨損性的 鬲效果。 ^ 50 201230903
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CO s 201230903 【圖式簡單說明】 [第1圖]係顯示 — 造的模式圖； 不發明貫施例中的突懸型堆疊晶片構 [第2圖]同上，/ [第3圖]同上，係顯示球形接合部立體圖； IX方向的剖面圖·’係顯示球形末端的濃化部，第2圖中 [第4圖]同上，/ [第5圖]同上’係顯示FQW型堆4晶片構造模式圖； 的濃化部，在苐，係顯示球形末端的濃化部與球形内部 [第6圖]同^圖中X-X方向的剖面圖； 的濃化部，在笛Λ ，係顯示球形末端的濃化部與接合界面 2圖中又又古 [第7圖]同上 χ χ方向的剖面圖； 2圖中Χ-χ方向的&係具有末端的濃化部的初期球形在第 [第8圖]同上，/圖， 2圖中Χ-χ方Α 係具有内部的濃化部的初期球形在第 「 万向的剖面圖； [第9圖]同上 在第2圖中糸八有球形表面的濃化部的初期球形 方向的剖面圖； [第 10圖Ί鬥 在第2圖中；_ :係具有球形表面的濃化部的初期球形 Λ-λ方向的剖面圖； 中，二同h上，遮罩氣體(心1 —)氣氛形成方法 罩導官（shleld pipe)方式的說明圖； 第12圖]同上，遮罩氣體氣氛 導管方式的說明圖； 爾方去中，附盖遮罩 [第13圖]同上’遮罩氣體氣氛形成方法中，二方向氣
S 54 201230903 體噴吹方式的說明圖； [第1 4圖]同上，係顯示球形末端的濃化部，第2圖中 方向的剖面照片； [第15圖：|同上，係鞀_上 Λ 的 .，肩不球形末端的濃化部與球形内部 J嚷化部，第2圖中；d古人 「势 方向的剖面照片；以及 [第1 6圖]同上，係顯示 的濃化部，第2圖中> 末端的級化部與接合界面 方向的剖面照片。 要元件符號說明】 1〜複層銅接合線； 3〜球形接合部； 2〜 球形部； 5〜基板（樹脂、導線架） 4： 半導體晶片； 7〜FOW樹脂； ’ 6〜 間隔物； 9〜球形根部區； 8〜 電極膜； 11〜第2濃化部； 1 0 ^ 一第1濃化部； 13〜初期球形部的末端濃 1 Λ 12, 化部； ""苐3漢化部； i4〜初期球形部的内部濃 1 r 4匕部； i5〜初期球形部的表面濃 化*部： i 〇〜電極焊炬； 22〜外層； 2卜 -芯材； 5 2〜遮罩導管； 51- 一電極焊炬； 5 4〜氣流； 53, ^上下貫通穴； 5 6〜後方導管； 55- 一電弧放電； 57, 一前方導管。 55

Claims (1)

  1. 201230903 七、申請專利範圍： 1 · 一種接合構造，複層銅接合線的前端形成的球形部 連接至被接合部的球形接合部， 其特徵在於： 上述複層銅接合線具有： 芯材’以銅為主成分的；以及 外層’在上述芯材上從Pd(鈀）、Au(金）、Ag(銀）、pt(鉑） 之中至少選一種責金屬作為主成分； 上述貴金屬濃度高的第1濃化部，在上述球形接合部 的表面區域之中，也形成於位於與上述銅接合線的邊界的 球形根部區。 如申請專利範圍第1項所述的接合構造，其中，上 心第1 ’辰化部中的上述貴金屬的總計濃度在〇〇5m〇1 (莫 耳）/以上6mol%以下。 、.如申明專利範圍第1或2項所述的接合構造，其中， 上逃球形接合部與上述被接合部間的接合界面垂直的上述 =形接合部的剖面巾’上述球形根部區中形成的上述第】 /辰化部的厚度在線徑的1%以上50%以下的範圍。 造，1申明專利範圍第1至3項中任一項所述的接合構 上述球形接合部與上述被接合部間的接合界面 =的上述球形接合部的剖面中，相對於上述球形接合部 =Γ，在上述球形根部區形成的上述第1濃化部總計 積所佔的比例為2%以上30%以下的範圍。 月專利範圍第1至4項中任-項所述的接合構 56 201230903 :直的二St:接合部與上述被接合部間的接合界面 中，形成上述〜部的剖面令，上述球形接合部内部 ^貝金屬濃度高的第2濃化部！處以上。 造申上請專利範圍第1至5項中任一項所述的接合構 :成:錢形接合部與上述被接合部的接合界面中， 办成上述貝金屬濃度高的第3濃化部。 7·如申請專利範jfl坌彳5； μ s丄 、Α， 第至4項中任一項所述的接合構 ^ 述球形接合部與上述被接合部間的接合界面 上述球形接合部的剖面中’上述球形接合部的表面 區域中，只有上述第1濃化部。 ^ 8.如中請專利範㈣1至7項中任—項所述的接合構 & ’其中’包含上述的貴金屬pd、以及Au與化之中至少 1種’合計2種以上’在上述第1滚化部中，相對於Pd的 濃度’ Au、Ag的總計濃度比率在〇 〇1以上〇 4以下的範 圍。 9. 如申請專利範圍第5項所述的接合構造，其中，垂 直於上述接合界面的上述球形接合部的剖面巾，相對於上 述球形接合部的剖面積，上述第！濃化部與上述第2濃化 部的總計面積所佔的比例為5%以上7〇%以下的範圍。 10. 如申請專利範圍第丨至9項中任—項所述的接合構 造，其中’上述複層銅接合線的外層厚度在。以…上 〇.4/zm以下的範圍。 11. 如申請專利範圍第i至10項中任_項所述的接合 構造’其中，上述複層銅接合線料層與芯材之間，具有 57 201230903 上述貴金屬的至少一種與銅的濃度斜度擴散層，上述擴散 層的厚度在0.003/zm以上以下。 1 2 ·如申請專利範圍第1至11項中任一項所述的接合 構造’其中，上述複層銅接合線的外層的主成分為pd，上 述外層與上述芯材的界面中具有Au與Ag中的至少1種以 上的濃化層。 13‘如申請專利範圍第1至11項中任一項所述的接人 構造’其中’上述複層銅接合線的外層的主成分為pd，上 述外層的表面具有Au、Ag中的至少i種以上的濃化I。 58
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