(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
銅からなるワイヤ上に最大１５ｎｍの膜厚で金を被覆して金被覆ワイヤとし、
該金被覆ワイヤをアニーリング及び引抜き処理を実施することにより、
１００μｍ以下の直径に縮径され、かつ、表面がその唯一の相境界であることを特徴とする、ボンディングワイヤまたは超極細ワイヤ。
【請求項２】
ボンディングワイヤまたは超極細ワイヤが、ボール／ウェッジ法によりボンディング可能であることを特徴とする、その表面において金を含有する、請求項１記載のボンディングワイヤまたは超極細ワイヤ。
【請求項３】
ボンディングワイヤまたは超極細ワイヤの表面の金濃度が内側に向かって希薄になることを特徴とする、請求項１または２記載のボンディングワイヤまたは超極細ワイヤ。
【請求項４】
火花を使って作られたボールが９５のＨＶ０．００２下での硬度を有することを特徴とする、請求項１記載のボンディングワイヤまたは超極細ワイヤの火花を使って作られたボール。
【請求項５】
請求項１記載のボンディングワイヤまたは超極細ワイヤを半導体シリコンチップに接合するボール／ウェッジ法。
【請求項６】
銅ワイヤを、ボンディングワイヤまたは超極細ワイヤの改善された耐食性のためにそれらの表面で金により処理することを特徴とする、請求項１記載のボンディングワイヤまたは超極細ワイヤの製造法。
【請求項７】
銅ワイヤを金または金−銅−合金で被覆することをまたは金を銅ワイヤの表面に組み込むことを特徴とする、請求項６記載の方法。
【請求項８】
ボンディングワイヤまたは超極細ワイヤを１００時間を超えて大気影響から保護せずに貯蔵することを特徴とする、請求項１から３までのいずれか１項記載のまたは請求項６または７記載の方法により製造されたボンディングワイヤまたは超極細ワイヤの使用。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、銅からなるボンディングワイヤまたは超極細ワイヤを半導体シリコンチップに接合するボール／ウェッジ法；半導体のための電気接続として適している、銅からなる適切な超極細ワイヤおよびボンディングワイヤ；前記ワイヤの製造法ならびに半導体との前記ワイヤの使用に関する。
【０００２】
Ｇ．Ｇ．Ｈａｒｍａｎ"Ｗｉｒｅ  Ｂｏｎｄｉｎｇ  ｉｎ  Ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ"ＭｃＧｒａｗ−Ｈｉｌｌ  １９９７、第１頁〜第１０頁、第６７頁以下および第２０３頁以下によれば、ボール／ウェッジ法においてボンディングワイヤまたは超極細ワイヤは、Ｆｒｅｅ−Ａｉｒ−Ｂａｌｌ（ＦＡＢ）とも呼ばれる火花を使って作られたボール(a flamed ball)によってチップに接合される。
【０００３】
ボンディングワイヤは、電子半導体素子、例えばＩＣプロセッサーまたはセンサーへの接続線である。半導体部品は、ボンディングパッチ(bonding patches)とも呼ばれうる、いわゆる接続パッドを有する。有利には、ボンディングワイヤは、それらの端部の一方に球状の広がりを有し、それによりボンディングワイヤまたは超極細ワイヤは接続パッドにプレスされかつプレスされた状態で、大抵の場合、超音波（ＵＳ）で支持されて溶接される。有利には、ボンディングワイヤまたは超極細ワイヤの他方の端部は、先のＵＳで支持された圧縮荷重によりウェッジ形に平たくされる。その結果生じるボンディング接合部は、ステッチボンディング部またはウェッジボンディング部と呼ばれる。
【０００４】
金が銅および銀と比べて比較的劣った電気特性および機械特性を有するにも関わらず、大抵の場合、ボンディングワイヤおよび超極細ワイヤは金からなる。これに関しての理由は、そのボンディング性を短時間に失う銅の変色挙動にある。変色するのを防止するために、銅からなるボンディングワイヤを保護ガス下で貯蔵する可能性が存在する。銀は半導体産業において多くのプロセスおよび適用を妨げるため、それゆえ回避されるべきである。
【０００５】
金ワイヤと比べたコスト節約のためにＵＳ２００３／０１１３５７４Ａ１に従って、金で被覆された銀ワイヤまたはパラジウムワイヤが準備される。銅−金−合金は、双方の金属と比べて明らかに高い硬度を特徴とする。しかしながらこの硬度はボンディングワイヤのために所望されない。それというのも、半導体の接続パッチへのボンディングワイヤまたは超極細ワイヤのプレスにより半導体が損傷しうるからである。銅ワイヤ上にある金−銅−合金は、接続パッチへのプレスに際してシリコンチップ内で亀裂を引き起こしうる。
【０００６】
本発明により、良好な耐食性の確保のために銅ボンディングワイヤの表面上ではすでに数原子層の厚みの金層しか必要でなく、ボンディングワイヤまたは超極細ワイヤの硬度増加がシリコンチップへのボンディングにおいてこれに不利な影響を及ぼさないことが確認された。
【０００７】
本発明の一課題は、銅からなるボンディングワイヤまたは超極細ワイヤを半導体シリコンチップに接合するボール／ウェッジ法をさらに改善することである。
【０００８】
さらに他の課題として、とりわけ適切なボンディングワイヤまたは超極細ワイヤが準備されるべきである。
【０００９】
本発明により、課題の解決のために金が銅ワイヤの表面において溶解される。金と銅との間で相互拡散が生じることが想定される。
【００１０】
前記課題は、その表面において、ボンディングワイヤまたは超極細ワイヤが一方ですでに貯蔵安定性であるがしかし他方でボンディングパッチへのプレスに際してチップを破壊しないためだけの柔らかさをなお十分持たせるのに足りる、僅かな量の金が含有されている、銅からなるボンディングワイヤまたは超極細ワイヤにより解決される。
【００１１】
それにより、銅からなるボンディングワイヤまたは超極細ワイヤを半導体シリコンチップに接合するボール／ウェッジ法が準備され、その際、ボンディングワイヤまたは超極細ワイヤはその表面において金を有する。
【００１２】
この場合、ＦＡＢは、チップがＦＡＢのチップへのプレスに際して損傷しうるような硬さであってはならない。
【００１３】
殊に、その表面において金で富化されている、銅からなるボンディングワイヤまたは超極細ワイヤの火花を使って作られたボールは、９５の、有利には０．８５を下回るＨＶ０．００２下での硬度を有する。
【００１４】
硬いＦＡＢの形成は、ボンディング層のプレスに際してチップの破壊がなくなるように小さく保たれるかまたは抑止されるかまたは防止される。このために、その表面において特に小さい金割合を有しかつ銅色の外観を呈しかつボール／ウェッジ法によりボンディング可能である、銅からなる超極細ワイヤが適している。ワイヤは、極めて薄い金の被覆を有してよい。しかし、超極細ワイヤがその表面において銅の他に金を有することで十分間に合う。
【００１５】
それから内部の相境界は、被覆ワイヤと異なってもはや存在しない。表面において外側に向かって上昇する金濃度を有する銅ワイヤを製造するために、銅ワイヤは金または銅−金−合金で被覆されかつ被覆物は銅ワイヤに溶解される。このために処理工程のアニーリングおよび引抜きが適しており、殊に数回、交互に連続的に実施される。それゆえ２相の被覆系は、表面において濃度勾配を有する１相の系に変えられる。
【００１６】
その銅色がなお見分けられる、殊にその銅色調が金のものより強い超極細ワイヤまたは最大１０ｎｍの金の被覆を有する超極細ワイヤまたは表面において銅−金−合金を有するかまたはその金割合がワイヤ表面においてそれがボンディングワイヤまたは超極細ワイヤ上で５０ｎｍ未満、殊に２０ｎｍ未満の層厚を有する金の施与物に相当するとされるよりも小さく留まる超極細ワイヤは、全体的にボンディングパッチへのプレスに際して許容されうる十分に小さい硬度増加を示す。
【００１７】
他方で、ボンディングワイヤまたは超極細ワイヤに貯蔵安定性を付与するためには、ほとんど認みることのできない金量による表面処理で十分である。金を施与するための幾つかのコーティング法が適用されうる。
【００１８】
本発明によるボンディングワイヤまたは超極細ワイヤは、銅の良好な電気特性および機械特性の他に付加的な貯蔵安定性を有し、しかもワイヤのＦＡＢがずっと硬いというわけではない。それはこの場合、その表面が金を有する表面処理された銅ボンディングワイヤのことである。ところで、金と比べた銅の良好な機械特性および電気特性ならびに純粋な銅と比べた変色安定性により、より細いボンディングワイヤを準備することが可能になる。これは一方で材料節約に寄与しかつ他方で半導体およびプロセッサーの寸法のさらなる縮小に寄与する。
【００１９】
本発明によるボンディングワイヤまたは超極細ワイヤは、最も純粋な銅とほとんど同じ導電性を有する。
【００２０】
ループ引き離し強さは、最も純粋なもしくは低ドープの銅ワイヤのループ引き離し強さに相当する。
【００２１】
有利な実施態様において、金−銅−合金の表面は、金濃度が外側に向かって最大となる勾配を有する。これはさらに金割合と腐食安定性の保持下で硬度を高める該金割合の寄与とを最小化することに寄与する。
【００２２】
本発明によるワイヤの製造のために従来のどの方法も適しており、その際、金または金−銅−合金は銅ワイヤに施与されかつ純粋な金の施与の場合には金は銅の表面に組み込まれるが、それにより非常に小さい金割合がボンディングワイヤまたは超極細ワイヤの表面上にまたは表面において残留する程度に組み込まれる。このために公知の熱処理、電気化学処理、機械処理またはプラズマ処理が適している。
【００２３】
有利な実施態様において、１５ｎｍまで、殊に１０ｎｍまでおよび極めて有利には５ｎｍまでの厚みの層が非常に純粋な金から形成されていてよい。
【００２４】
その表面が金で処理されているこの耐食性ボンディングワイヤの製造は、現行のコーティング法により実施されえ、有利には表面の均等性が考慮されるべきである。本発明の利点は、ボンディングワイヤまたは超極細ワイヤが細ければ細いほどそれだけますます適用されることである。それゆえ、それは１００μｍまでの直径を有するワイヤに有利に適用される。最大の品質改善は、５０μｍを下回る直径を有するワイヤの場合に達成されかつ非常に細いボンディングワイヤのために多くの適用がますます可能となる。
【００２５】
本発明により、観測装置において銅の色が金のそれより明白に現れるように金による処理が行われる、ボンディングワイヤを製造することができる。それに応じて、その表面はたしかに金を含有するが、しかしその色印象は金よりもむしろ銅に相当する銅ワイヤが準備される。
【００２６】
以下で、本発明が例を手がかりに図面を引き合いに出して明確に示される。
【００２７】
図１は、空気中７０℃にて、被覆された銅ボンディングワイヤと比較した銅ボンディングワイヤの貯蔵安定性を示す。
【００２８】
図２は、標準条件下における図１からのボンディングワイヤの耐食性を示す。
【００２９】
図３は、被覆されなかったおよび被覆された銅ボンディングワイヤの剪断力を示す。
【００３０】
図４は、チップ上のボンディングワイヤまたは超極細ワイヤの本発明によるボンディング部を描写する。
【００３１】
図５は、ボンディング部の剪断による図４に従うチップを描写する。
【００３２】
図６は、比較として、ボールボンディングにより損傷を受けたチップを有するボンディング部を示す。
【００３３】
図７は、比較として、ボンディング部の剪断により損傷を受けたチップを示す。
【００３４】
比較例
純粋な銅ワイヤは、図１および図２記載の腐食に基づきそのボンディング性を失う。
【００３５】
図３は、従来技術における被覆された銅ワイヤの剪断力２３が小さいことを示す。これに関しての理由はチップの損傷２８にある。剪断に際して、すでに小さい剪断力２３に際して損傷したチップ２８が破砕する。チップを損傷させるボンディング部２８は、図６で明確に示される。図７は、剪断過程により損傷したボンディング部２８を有するチップを示す。ここで、ボンディング部を介して損傷したチップ２８からのボンディング部の剪断によりチップの表面３１は分裂し離れる。
【００３６】
例１：
図１および図２から見てとれるのは、本発明による１４ｎｍの金の被覆１を有する銅ボンディングワイヤまたは超極細ワイヤが腐食安定性でありかつ純粋な金、もしくは純粋な銅ボンディングワイヤと比べうる良好なループ引き離し強さを示すことである。それゆえ、本発明によるボンディングワイヤは純粋な銅ワイヤ４に比べ腐食安定性でありかつ金からなるボンディングワイヤと比べて改善された導電性および改善された強度を有する。本発明による方法において銅を金で合金するかまたは被覆するという可能性から、金−銅−合金の増加する硬度がボンディングに関与せずかつ従って接合されるべきチップ２９がボンディングワイヤまたは超極細ワイヤのプレスに際して損傷しないという選択をした。
【００３７】
ボンディング過程のために使用が予定されるボール２１は腐食保護に関わらず、金−銅−合金が硬いとはいえ柔らかいままである。
【００３８】
例２：
純度９９．９９５％のＣｕワイヤを電解被覆する。Ｃｕワイヤの出口直径は２５０μｍである。
【００３９】
Ａｕ被覆ワイヤは、数回の引張りにおいて２５μｍに引張る。あとに続く繰り返し行われるアニーリングにおいて、ワイヤを１３ｃＮの引裂荷重に設定しその際１４％の破断伸度が生じる（"柔らかい状態"）。新たに引張ったワイヤの酸化を防止するために、コイルをＰＥフィルムで真空溶接する。
【００４０】
ここで使用したワイヤは金が銅に、もしくは銅が金に拡散しない場合、２０ｎｍの層厚の被覆を有すると考えられる。拡散は相境界を消し去り、その結果、層厚は見かけの被覆のためだけに示されうるが、これはしかし拡散に基づき実在しない。得られたワイヤは銅色である。それゆえ本発明による言い回しにおいては、被覆の代わりに金で富化された表面という名称を使用する。
【００４１】
例３：
上記のボンディングワイヤ２０を屋外貯蔵にさらしかつ定められた時間間隔に従ってＡＳＴＭ、１００Ｂａｒｒ  Ｈａｒｂｏｒ  Ｄｒｉｖｅ、Ｗｅｓｔ  Ｃｏｎｓｈｏｈｏｃｋｅｎ、Ｐｅｎｎｓｙｌｖａｎｉａ  １９４２８−２９５９およびＧ．Ｇ．Ｈａｒｍａｎ"Ｗｉｒｅ  Ｂｏｎｄｉｎｇ  ｉｎ  Ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ"ＭｃＧｒａｗ−Ｈｉｌｌ  １９９７、第６７頁以下記載のボンディング試験に掛ける。
【００４２】
ボンディング条件は以下のものである：
ボンディングパラメータを有するボール−ウェッジ−ボンダー（ＥＳＥＣ３０８８）
ａ）ボール側（インパクト(impact)２０００；フォース(force)３０００；タイム(time)３２；ＵＳ８０）および
ｂ）ウェッジ側（インパクト３００；フォース１５００；タイム３０；ＵＳ２０）
記載された数字はボンダーのパラメータである。
【００４３】
基板として以下のものを使用する：
１．金で被覆されたＣｕ−Ｓｎ６−基板
２．Ａｌで金属化されたＳｉチップ
図１は、ワイヤループの引き離し力の安定性(shear-off force resistance)を示す。引き離し力は、引張試験装置（ＤＡＧＥ  ＢＴ２２）を用いて、いわゆるフック試験ＭＩＬ−ＳＴＤ−８８３Ｆ、１８．Ｊｕｎｉ  ２００４、Ｍｉｃｒｏｃｉｒｃｕｉｔｓ、Ｍｅｔｈｏｄ  ２０１１．７により測定する。
【００４４】
図１の中のグラフは、１４ｎｍの被覆されたＣｕ−ＢＷ１と、純粋なＡｕワイヤ、２００ｎｍのＡｕで被覆された２もしくは１μｍのＰｄで被覆された３ボンディングワイヤまたは超極細ワイヤ（ＢＷ）との比べうる貯蔵安定性を示す。それに対して、被覆されなかったＣｕ−ＢＷ４のボンディング性は３日以内に０に落ちる（引張力＝０）。グラフは、空気中７０℃での貯蔵時間に依存する引張力（ｃＮ）を示す。
【００４５】
例４：
上記のＡｕで被覆されたＣｕ−ＢＷを、接合された状態において（例１の中で記載されたボンディング条件下）プレッシャークッカー貯蔵処理（ＰＣＴ）に掛ける；ＪＥＤＥＣ（ＥＩＡ）Ｓｏｌｉｄ  Ｓｔａｔｅ  Ｐｒｏｄｕｃｔｓ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ  Ｃｏｕｎｃｉｌ、２５００  Ｗｉｌｓｏｎ  Ｂｌｖｄ、Ａｒｌｉｎｇｔｏｎ、Ｖｉｒｇｉｎｉａ  ２２２０１；ＥＩＡＳ−ＩＣ−１２１−１８およびＧ．Ｇ．Ｈａｒｍａｎ"Ｗｉｒｅ  Ｂｏｎｄｉｎｇ  ｉｎ  Ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ"ＭｃＧｒａｗ−Ｈｉｌｌ  １９９７、第６７頁以下。
（条件：１２１℃、２ｂａｒ、蒸留水）
試験を、純粋なＡｕワイヤおよびＣｕワイヤおよび例１の中で挙げられた被覆されたＣｕワイヤ状態と比較しながら実施する。
【００４６】
定められた時間間隔に従って試料を取り出しかつ上記のＤａｇｅ社の引張試験装置によるフック試験に掛ける。
【００４７】
図２は、純粋なかつ厚いＡｕもしくはＰｄで被覆されたワイヤと比べた引き離し値（ｃＮ記載における引張力）の適用を示す。
【００４８】
１４ｎｍのＡｕ１で被覆されたワイヤと厚いＡｕ２もしくはＰｄ３で被覆されたワイヤとの比べうる耐食性が明らかになる。耐食性は被覆されなかったＣｕワイヤ４と比べてずっと高い。
【００４９】
例５：
上記ワイヤ２０の火花を使って作られたボール（ＦＡＢ）２４、２５を、同じ条件下において（例１を参照のこと）Ａｌで金属化されたチップ２９に接合する。図４は、チップに接合されたボンディングワイヤまたは超極細ワイヤを示す。
【００５０】
剪断力２３およびＲＥＭを介して検出されたクラック形成は、チップのシリコンの損傷２８に関する脆弱性におけるワイヤ状態の影響を示す（"クレータリング不安定性"）。
【００５１】
図３の柱図表は、純粋なＡｕ−ＢＷ５およびＰｄで被覆された３もしくは被覆されなかったＣｕ−ＢＷ４と比べうる１４ｎｍのＡｕで被覆されたＣｕ−ＢＷ１の高い剪断力を示す。それに対して、Ａｕで被覆された非常に厚い２７ＣｕＢＷ２はＳｉチップ内の破断２８と結び付いたより低い剪断力値２３を示す。破断部の確認は、ＥＤＸと一緒にＲＥＭを用いて行う。ＥＤＸは基板側で鮮明なＳｉ破断表面を示す（図４〜７の中の概略図を参照のこと）。
【００５２】
この破断モードのための理由は、溶解したＡｕによるＦＡＢ２５の硬度上昇に見られ、それはチップのシリコン内で亀裂形成２８の傾向を高めることになる（図６）。あとに続く剪断試験は、チップ内での亀裂伝播およびシリコン内での破断３１を生む（図７）。
【００５３】
これとは対照的に、細い２６Ａｕで被覆されたＣｕ−ＢＷ（Ｖ９）は、ボール２４とシリコン２９間の境界面での分離を示す（Ａｌで被覆された領域中）。これは図５の中で明確に示される。
【００５４】
例の全結果は表１の中でまとめられる。
【表１】
0005550231.tif 000002
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】銅ボンディングワイヤの貯蔵安定性を示す図
【図２】図１からのボンディングワイヤの耐食性を示す図
【図３】被覆されなかったおよび被覆された銅ボンディングワイヤの剪断力を示す図
【図４】本発明によるボンディング部を描写する図。
【図５】ボンディング部の剪断による図４に従うチップを描写する図。
【図６】比較として、ボールボンディングにより損傷を受けたチップを有するボンディング部を示す図
【図７】比較として、ボンディング部の剪断により損傷を受けたチップを示す図
【符号の説明】
【００５６】
２０  ボンディングワイヤ、  ２１  球、  ２３  剪断力、  ２４  ボール、  ２５  ボール、  ２６  ボンディングワイヤ、  ２７  ボンディングワイヤ、  ２８  損傷したボンディング部、  ２９  チップ、  ３１  表面、  
【図１】
0005550231.tif 000003
【図２】
0005550231.tif 000004
【図３】
0005550231.tif 000005
【図４】
0005550231.tif 000006
【図５】
0005550231.tif 000007
【図６】
0005550231.tif 000008
【図７】
0005550231.tif 000009