(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ａｕを１００００質量ｐｐｍ以上５５０００質量ｐｐｍ以下、Ｂｉを１質量ｐｐｍ以上１００質量ｐｐｍ以下含有し、残部がＡｇ及び不可避不純物からなることを特徴とする銀ボンディングワイヤ。
【請求項２】
Ａｕを１００００質量ｐｐｍ以上５５０００質量ｐｐｍ以下、Ｂｉを１質量ｐｐｍ以上１００質量ｐｐｍ以下含有し、さらにＰｄを２００００質量ｐｐｍ以下含有し、残部がＡｇ及び不可避不純物からなることを特徴とする銀ボンディングワイヤ。
【請求項３】
前記ボンディングワイヤがバンプワイヤであることを特徴とする請求項１または２に記載の銀ボンディングワイヤ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体素子上の電極と外部電極とを接続するために用いる銀（Ａｇ）ボンディングワイヤまたは半導体素子上に設けられたスタッドバンプとリードとの結線に用いる銀バンプワイヤに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般に半導体素子上の電極と外部電極との結線に用いられるボンディングワイヤの直径は１５〜７５μｍと非常に細いため、導電性が良く、加工性に優れた金属であることが必要である。また、化学的な安定性や大気中での取り扱いやすさから、従来は材料としては金（Ａｕ）が用いられていた。
しかし、Ａｕボンディングワイヤは重量の９９％から９９．９９％がＡｕであるため非常に高価であることから、材料として安価な材料に替えたいという産業界からの強い要請があった。
【０００３】
こうした要請に応えるべく近年銅（Ｃｕ）ボンディングワイヤが開発され、太線が必要なパワー系ＩＣやトランジスタなどのディスクリートパッケージで使用されている。しかしながらＣｕは酸化しやすい金属であるため、Ｃｕボンディングワイヤは長期間の保管によって表面が酸化しないように窒素ガス封止した密閉袋で包装したり、使用中にワイヤ表面が酸化して接合性が悪化したりしないように、酸化が始まる前に使い切るべく１巻当たりの巻長さを５００ｍ程度に短く設定したり、作業性や接合性がＡｕワイヤに比べて劣るなどの問題がある。そうした問題点の改善を目的に銅芯線表面を異種金属で被覆した金属被覆Ｃｕワイヤが提案されてきた。
例えば、銅芯線の表面に直接あるいは中間層を介してパラジウム（Ｐｄ）又はパラジウム合金を被覆したり、銅芯線の表面に金を被覆したり、あるいは銅芯線の表面に白金を被覆したボンディングワイヤが知られている。
【０００４】
Ｐｄで表面を被覆した金属被覆Ｃｕワイヤは、長期保管や巻長さの長尺化については被覆のないベアＣｕの問題を解決したが、一方で酸化を防ぐべく被覆したＰｄが溶融ボール形成時Ｃｕボール表面へ高濃度で溶解し、凝固後は表面近傍にＰｄの高濃度の合金層を形成するため、表面硬度がベアＣｕの場合よりも高くなり、接合性が悪化するという問題が発生した。
【０００５】
さらに、ボールボンディング時のボールの塑性変形において、いわゆる固溶硬化によって加工硬化による硬度上昇がベアＣｕのボールに比べて著しく、ボールの被着体であるアルミパッドの構造がＬｏｗ−ｋ材（炭素や珪素を主成分とする二酸化珪素（ＳｉＯ２）よりも低誘電率の絶縁膜）の多層膜構造となっている場合には、ボールボンディング中にＬｏｗ−ｋ材が破壊される、いわゆるパッドダメージという問題も発生した。
【０００６】
このため、本発明者らは、かかる弊害を是正するために鋭意検討を重ねた結果、こうしたパッドの損傷が発生する理由は、純度９９．９９％Ｃｕのボール表面硬度が５９Ｈｖと純度９９．９９％Ａｕの４１Ｈｖよりも硬い上に、ボール表面に固溶する原子はその半径がＣｕの１３５ｐｍよりも大きい１４０ｐｍのＰｄであるため、Ｃｕ格子を圧縮応力で歪ませるため、ボールボンディングを高温で行ってもそれが塑性変形時の転位の移動障壁になるためではないかと考えた。
【０００７】
Ａｕと同等以上の電気伝導性を有し、Ｃｕよりも硬度が低い元素としてはいくつかあるが、耐酸化性を考慮すると銀（Ａｇ）があげられる。電気比抵抗値についてはＡｕの２．２μΩｃｍに対し、純度９９．９９％Ａｇは１．６μΩｃｍであり、Ｃｕの１．７μΩｃｍと同等に電気伝導性は高く、ボール表面硬度についてはＡｕの４１Ｈｖに対し、Ａｇは４４Ｈｖであり、Ｃｕの５９Ｈｖよりも低い。
【０００８】
一方、Ａｇをボンディングワイヤとして使用するアイデアは１９７５年頃からあったが（例えば、特許文献１参照。）、空気中に長期間放置されると硫化して表面が変色し、ボンディング時の接合性が不安定になるという理由から、表面の変色を抑制する目的でＡｕを被覆する方法が提案され、例えば、Ａｇ芯線の表面に重量比で２．５〜３５％のＡｕを被覆した直径２０〜８０μｍのボンディングワイヤ（例えば、特許文献２参照。）や、９９．９％以上の純銀にＡｕを０．０３〜１０w/o添加したＡｇ−Ａｕ合金芯線の表面に、９９．９９％以上の純金を被覆したボンディングワイヤが提案されている（例えば、特許文献３参照。）。さらにＡｇ芯線の表面を白金属の金属で被覆する方法も発案されている（例えば、特許文献４参照。）。
【０００９】
ボンディングワイヤの先端に溶融ボールを形成する方法としては、大きく水素トーチを使う方法と電気トーチを使う方法に分けられるが、現在ではボールサイズを正確にコントロールするために、電流と時間を調整して溶融エネルギーを自由に設定できる電気トーチが主流となっている。また、ボールのサイズは近年の半導体の高集積化によって直径は５０μｍ以下の非常に小さいボールが必要になっており、一般的には高電流値での短時間放電が主流となっている。
【００１０】
こうした条件下でワイヤ表面をＡｕやＰｔで被覆した金属被覆Ａｇワイヤの先端にボールを形成しようとすると、Ａｇワイヤよりも表面の被覆金属の融点の方が高いため、Ｐｄ被覆Ｃｕ線の場合と同様にＡｇのボール表面近傍にＡｕやＰｔが濃縮して固溶し、その後のボールボンディング時にボールの加工硬化が大きくなり、Ｌｏｗ−ｋ材でのパッドダメージが回避できないと言う問題が発生した。パッドダメージの発生は硫化を防ぐための被覆金属の厚さが厚ければ厚いほど高くなると言うトレードオフの関係も見られた。ボール表面硬度がパッドダメージを発生させやすくなる６０Ｈｖを超えるためである。
【００１１】
ボンディングワイヤの低価格化対策として、貴金属を高濃度に添加したＡｇ合金ワイヤが提案されている（例えば、特許文献５参照。）。例えば、ＡｇにＡｕを４０質量％添加すると、大気中でも真球状のボールを形成することは可能であったが、電気比抵抗値が７．７μΩｃｍとなって、市場が要求する純度９９％のＡｕワイヤの３．１μΩｃｍを大きく超えてしまうことや、ボールボンディング時の加工硬化が大きく、あいかわらずＬｏｗ−ｋ材でのパッドダメージが回避できないと言う問題を解消できなかった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】実開昭５２−３３２６４号公報
【特許文献２】特開昭５１−８５６６９号公報
【特許文献３】特開平１−１１０７４１号公報
【特許文献４】特開昭５６−２６４５９号公報
【特許文献５】特開平１１−２８８９６２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
大気中のボール形成時には貴金属を多量に含有させなければ真球状ボールは得られないものの、５％水素９５％窒素の混合雰囲気中であれば純Ａｇであっても真球となる。ただし、水素ガスを使用するためにはワイヤボンダーの改造のみならず、水素を使用する部屋の安全面での対策や、水素ガスを保管する為の対策などの設備投資が必要となる。
一方、使用するガスが窒素のみとなれば、多くの半導体組立工場では既に窒素ガスを使用しているため、必要な投資はワイヤボンダーへのガスノズルの設置のみに抑えることが可能となる。窒素ガスのみで真球状の酸化の無い軟らかいボールが形成でき、電気比抵抗値が３．１μΩｃｍ以下のワイヤであって、その表面に絶縁被膜を形成することができれば、前述の問題はすべて解決されることとなる。
【００１４】
また、純度９９．９９％以上のＡｇ線の先端を大気中のプラズマ放電によってボール形成しようとすると、高温となったＡｇ線表面が黒く変色し（以後黒色化と呼ぶ）、ボールが鏃（やじり）状となり、パッドダメージが発生しやすくなる。
これを防止する為、窒素ガス中でのボール形成が試されたが、大気中と同様にワイヤ表面で黒色化が起り、大気中に比べてボールの丸みは増すが、ボール底部の尖りは解消されなかった。
一方、５％水素９５％窒素の混合ガス中では、ワイヤ表面では黒色化は起らず、真球状の光沢を有するボールが形成された。
【００１５】
そこで本発明が解決しようとする課題は、電気伝導性の高いＡｇの電気比抵抗をさほど低下させることなく、またＡｇの表面を化学的に安定化させ、窒素ガス中でワイヤ表面が黒色化せず、ボール底部に尖りの無い真球状のボールを形成でき、かつ時間の経過と共に軟化して伸び易くなる時効軟化の起らない、Ａｇボンディングワイヤを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
上記課題を解決するために、本発明に係るＡｇボンディングワイヤの一つは、（金）Ａｕを１００００質量ｐｐｍ以上５５０００質量ｐｐｍ以下、ビスマス（Ｂｉ）を１質量ｐｐｍ以上１００質量ｐｐｍ以下含有し、残部が不可避不純物を含む銀（Ａｇ）からなるボンディングワイヤとした。
もう一つの本発明に係るＡｇボンディングワイヤは、（金）Ａｕを１００００質量ｐｐｍ以上５５０００質量ｐｐｍ以下、ビスマス（Ｂｉ）を１質量ｐｐｍ以上１００質量ｐｐｍ以下含有し、さらにパラジウム（Ｐｄ）を２００００質量ｐｐｍ以下含有し、残部が不可避不純物を含む銀（Ａｇ）からなるボンディングワイヤとした。
本発明においては、前記ボンディングワイヤがバンプワイヤであっても良い。
【発明の効果】
【００１７】
本発明に係るＡｇボンディングワイヤによれば、Ａｇに１００００〜５５０００質量ｐｐｍのＡｕを添加したので、ボール形成時の加熱によってワイヤ表面が黒化せず、かつ電気比抵抗値を現在広く使用されている純度９９％のＡｕワイヤ並の３．１μΩｃｍ以下で、かつボール硬度を純度９９．９９％のＣｕワイヤよりも軟らかくでき、ボールボンディング時のパッドダメージをなくすことができる。
また、Ｂｉを１〜１００質量ｐｐｍ添加したので時効軟化せず、室温保管中の機械的特性が変化するのを防止できる。さらに、Ｐｄを２００００質量ｐｐｍ以下添加することで、ＡｇワイヤとＡｌパッドの接合部が高湿度の状況に放置されても急速に劣化することがない。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明に係る銀ボンディングワイヤの評価に用いた、半導体パッケージの正面図と電気抵抗測定の説明図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
本発明に係るＡｇボンディングワイヤのＡｇは、純度９９．９９質量％以上のものを用いる。電気比抵抗を低く維持するためである。
Ａｇに１００００〜５５０００質量ｐｐｍのＡｕを添加するのは、ボール形成時の加熱によってワイヤ表面が黒化せず、かつ電気比抵抗値を現在広く使用されている純度９９％のＡｕワイヤの３．１μΩｃｍ以下とし、かつボール硬度を純度９９．９９％のＣｕワイヤよりも軟らかくするためである。
Ａｕの添加量が１００００質量ｐｐｍを下回ると、ワイヤ表面の黒化を防止できず、５５０００質量ｐｐｍを上回ると、電気比抵抗が高くなる。
したがって、Ａｕの添加量は１００００質量ｐｐｍ以上５５０００質量ｐｐｍ以下とする。
【００２０】
Ｂｉを１〜１００質量ｐｐｍ添加するのは、１００００〜５５０００質量ｐｐｍのＡｕを含むＡｇは時効軟化を示す為、室温保管中の機械的特性が変化するのを防止する為である。添加量が１質量ｐｐｍを下回ると特性の変化を抑えられず、１００質量ｐｐｍを超えるとボール表面にＢｉが析出し、ボールの硬度が高くなってボールボンディング時のパッドダメージが発生する。したがって、Ｂｉの添加量は１質量ｐｐｍ以上１００質量ｐｐｍ以下とする。
【００２１】
ＡｇワイヤとＡｌパッドの接合部では、ＡｌがＡｇ中に熱拡散し接合面に空孔が発生して接合強度が低下すると共に、電気比抵抗値が高まる。しかし、Ｐｄを２００００質量ｐｐｍ以下添加することでＡｌのＡｇ中への拡散を防止できる。２００００質量ｐｐｍを超えて添加するとボールの硬度が高くなってボールボンディング時のパッドダメージが発生する。したがって、Ｐｄの添加量は２００００質量ｐｐｍ以下とする。
【００２２】
以下、本発明に係るＡｇボンディングワイヤについて実施例と比較例を挙げて本発明を詳細に説明する。
【００２３】
（実施例及び比較例）
表１は本発明のＡｇボンディングワイヤの実施例と比較例のＡｇボンディングワイヤにおける各種添加元素と添加量を示す。
【００２４】
【表１】
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【００２５】
本発明の実施例を示す試料番号１から試料番号１２は、真空溶解連続鋳造炉において、純度９９．９９９％以上のカーボン製ルツボ内に、原料として純度９９．９９質量％以上のＡｇを入れ、真空度１×１０−４Ｐａ以下で高周波溶解し、溶湯温度１１００℃以上、保持時間10分以上で十分に脱ガスした後、予めＡｕ及びＢｉやＰｄを表１に示す所定の組成になるように配合してルツボ内に投入して溶解した後、不活性ガスを注入して大気圧に戻し、連続鋳造によって８ｍｍφに鋳造した。
次いで、伸線加工して直径１６μｍまで縮径し、伸び率が６％となるように大気雰囲気で焼鈍したＡｇボンディングワイヤとした。
なお、本実施例では直径が１６μｍで、伸び率が６％のボンディングワイヤを評価したが、ボンディングワイヤの直径が３０μｍ程度まで、あるいは伸び率が１０％程度までのものであっても本発明の効果に影響はない。
【００２６】
比較例である試料番号１３から試料番号１９は、それぞれ表１に示す組成とし、組成以外の製造条件は実施例と同じ条件で製作した。
ボンディングワイヤの評価は、図１に示す半導体パッケージを使用して行った。図１に示す半導体パッケージ１０では封止エポキシ樹脂６の中央に、周囲にアルミニウム電極４を有するシリコンチップ３が配置されており、封止エポキシ樹脂６内には各６個の銀メッキを施したリード５が設けられている。各アルミニウム電極４とリード５の間は、銀ボンディングワイヤ１で結ばれている。アルミニウム電極４上に銀ボンディングワイヤ１を接続するに当たり、アルミニウム電極４上には銀ボンディングワイヤのボール２が形成されている。
【００２７】
各試料の評価は、銀ボンディングワイヤ先端に窒素ガスを吹き付けながらボール形成できる新川製ＵＴＣ−１０００を使いボンディングを行い評価した。放電条件は窒素ガス流量を０．６リットル／分とし、直径５０μｍのボールが得られるように放電電流を調整した。
【００２８】
ボール形成時の熱影響の黒色化については、ナック製ハイスピードカメラｆｘ−Ｋ５で放電の様子を撮影し、黒色化の有無を再生画像で目視判断した。
ボール２の形状については顕微鏡にて球形か鏃形か、さらにボール２の底部への尖りの発生有無を観察し、判断した。
ボール硬度は、ボンディング直後にボール２の形状が球形となったものについて、アカシ製ＭＶＫ−Ｈ３を使用してビッカース硬度を測定した。５０Ｈｖ以下が良品である。
【００２９】
電気比抵抗値は、長さ３００．０ｍｍのワイヤの電気抵抗と実線径から算出する簡易法を用い、測定器はＡＤＶＡＮＴＥＳＴ社製 ＤＥＧＩＴＡＬ  ＭＡＬＴＩＭＥＴＥＲを用いた。電気比抵抗値は３．０μΩｃｍ以下が良品である。
【００３０】
時効軟化の有無は、伸線された直径２３０μｍのワイヤの伸び率を、ＴＯＹＯ  ＢＡＬＤＷＩＮ製のＵＴＭ−４−１００を用いて、伸線後とその２週間後に測定して、伸び率の変化が５％以上ある場合は時効軟化が有と判断した。
【００３１】
接合信頼性は、接合界面のシア強度を、Ｄａｇｅ社製の Ｄａｇｅ−ＳＥＲＩＥＳ−５０００ＰＸＹを用い測定した。評価試料は、高温保持する前を「初期」とし、ヤマト社製のオーブンＤＫＭ６００を用い１７５℃で２４０時間高温保持後を「放置」として比較した。
単位面積当たりシア強度が７．００ｋｇ／ｍｍ２以上を良（○印）、１０．０ｋｇ／ｍｍ２以上を優（◎印）と判断した。
【００３２】
信頼性は、上記高温保持後の電気抵抗値を図１に示した測定回路を用いて、ＨＩＯＫＩ社製のＤＩＧＩＴＡＬ  ＨＩＴＥＳＴＥＲを用い測定した。８．５Ω以下を良（○印）、７．０Ω以下を優（◎印）と判断した。
なお、パッドダメージ、初期硬度、比抵抗、時候軟化の特性が、上記基準を満たさないものについては、接合(信頼)性および信頼性の評価は行わず、その場合、これらの評価欄に「−」を示した。
これらの結果を表２に示す。
【００３３】
【表２】
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【００３４】
実施例である試料番号１〜１２は表２に記載の全ての特性において良好な結果を示している。
比較例である試料番号１３は、Ｂｉを添加しなかったため、時効軟化が生じた。
試料番号１８および１９でも同様にＢｉを添加していないが、試料番号１８ではＣａを５質量ｐｐｍ、試料番号１９ではＰｔを９０００質量ｐｐｍ添加している。その結果は、試料番号１３と同様に時効軟化を生じた。
試料番号１４は、Ｂｉが特定範囲を越えて添加されたので、ボールの硬度が高くなってパッドダメージが発生し、それ以降の評価が出来なかった。
試料番号１５はＡｕの添加量が５０００質量ｐｐｍしかなく、ワイヤ表面が黒色化したほか、ボール先端が鏃状となった。
試料番号１６はＡｕの添加量が７５０００質量ｐｐｍと過剰であり、比抵抗値が３．２μΩｃｍと高くなった。
試料番号１７は、Ｐｄの添加量が３００００質量ｐｐｍと過剰であり、初期硬度が５５Ｈｖと高くなった上、比抵抗値も３．７μΩｃｍと高くなった。
【産業上の利用可能性】
【００３５】
上記実施例および比較例の説明は、半導体素子上の電極と外部電極とを接続するために用いるボンディングワイヤについて行ったが、半導体素子上に設けられたスタッドバンプとリードとの結線に用いるバンプワイヤにおいても同様に優れた効果を発揮し、半導体産業に多大の貢献をもたらすものと期待される。
【符号の説明】
【００３６】
１：  銀ボンディングワイヤ
２：  ボール
３：  シリコンチップ
４：  アルミニウム電極
５：  リード
６：  封止エポキシ樹脂
７：  抵抗測定器
１０：  半導体パッケージ
【図１】
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