(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体素子上の電極とボンディングワイヤとの接合部を封止樹脂で覆う構造の半導体装置であって、該封止樹脂は、臭素濃度を０．１質量％以下であり、Ｐ、Ｍｇ、Ａｌの少なくとも１種以上の元素の総計濃度を０．０１質量％以上含有する樹脂であり、上記ボンディングワイヤは、Ｃｕ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｚｎ、Ａｇから選ばれる少なくとも１種以上の元素を総計濃度が０．００５〜１．５質量％の範囲で含有する金合金ボンディングワイヤであることを特徴とする耐熱性に優れた半導体装置。
【請求項２】
半導体素子上の電極とボンディングワイヤとの接合部を封止樹脂で覆う構造の半導体装置であって、該封止樹脂は、臭素濃度を０．１質量％以下であり、Ｐ、Ｍｇ、Ａｌの少なくとも１種以上の元素の総計濃度（Ｒp）を０．０１質量％以上含有する樹脂であり、前記ボンディングワイヤは、Ｃｕ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｚｎ、Ａｇから選ばれる少なくとも１種以上の元素の総計濃度（Ｃ1）が０．００５〜１．５質量％の範囲であり、Ｃａ、Ｃｅ、Ｅｕ、Ｄｙ、Ｙから選ばれる少なくとも１種以上の元素の総計濃度（Ｃ2）が０．００１〜０．０６質量％の範囲であり、Ｌａ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｍｇ、Ｎｉから選ばれる少なくとも１種以上の元素の総計濃度（Ｃ3）が０．００１〜０．０５質量％である金合金ボンディングワイヤであり、さらに、封止樹脂と金ボンディングワイヤの成分濃度の比率について、（Ｃ1＋Ｃ2＋Ｃ3）／Ｒpが０．０５〜１００の範囲であることを特徴とする耐熱性に優れた半導体装置。
【請求項３】
臭素濃度を０．１質量％以下で、Ｐ、Ｍｇ、Ａｌの少なくとも１種以上の元素の総計濃度を０．０１質量％以上含有する樹脂で覆われている半導体装置に使用されるボンディングワイヤであって、前記ボンディングワイヤは、Ｃｕ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｚｎ、Ａｇから選ばれる少なくとも１種以上の元素の総計濃度が０．００５〜１．５質量％の範囲であることを特徴とする接合信頼性に優れた半導体装置用金合金ボンディングワイヤ。
【請求項４】
臭素濃度を０．１質量％以下で、Ｐ、Ｍｇ、Ａｌの少なくとも１種以上の元素の総計濃度を０．０１質量％以上含有する樹脂で覆われている半導体装置に使用されるボンディングワイヤであって、Ｃｕ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｚｎ、Ａｇから選ばれる少なくとも１種以上の元素の総計濃度を０．００５〜１．５質量％、Ｃａ、Ｃｅ、Ｅｕ、Ｄｙ、Ｙから選ばれる少なくとも１種以上の元素の総計濃度が０．００１〜０．０６質量％の範囲であり、Ｌａ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｍｇ、Ｎｉから選ばれる少なくとも１種以上の元素の総計濃度が０．００１〜０．０５質量％であることを特徴とする接合信頼性に優れた半導体装置用金合金ボンディングワイヤ。
【請求項５】
Ｃｕ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｚｎ、Ａｇから選ばれる少なくとも１種以上の元素の総計濃度（Ｃ1）が０．００５〜０．６質量％の範囲であり、Ｃａ、Ｃｅ、Ｅｕ、Ｄｙ、Ｙから選ばれる少なくとも１種以上の元素の総計濃度（Ｃ2）が０．００１〜０．０６質量％の範囲であり、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｍｇ、Ｎｉから選ばれる少なくとも１種以上の元素の総計濃度（Ｃ3’）が０．００１〜０．０５質量％であり、且つ、前記元素群の濃度比率について、（Ｃ1／（Ｃ2＋Ｃ3’））が０．５〜４０、又は１００〜４００の範囲であることを特徴とする耐食性に優れた半導体装置用金合金ボンディングワイヤ。
【発明の詳細な説明】
【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半導体装置及び半導体装置用ボンディングワイヤ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端子との間を接続するボンディングワイヤとして、線径２０〜５０μｍ程度で、材質は高純度４Ｎ系（純度＞９９．９９質量％）の金であるボンディングワイヤが主として使用されている。ボンディングワイヤの接続技術は、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や、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などが必要である。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を形成させた後に、１５０〜３００℃の範囲内で加熱した半導体素子の電極上にボール部を圧着接合せしめ、その後で、直接ワイヤを外部リード側に超音波圧着によりウェッジ接合させる。トランジスタやＩＣ等の半導体装置として使用するためには、前記のボンディングワイヤ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等を保護する目的で、エポキシ樹脂で封止する。これらの部材は、単独の特性を高めることも必要であるが、周辺の部材との関係及び使用法等の総合的な性能、信頼性を改善することがますます重要となっている。
【０００３】
半導体素子の高集積化、薄型化の傾向により、金ボンディングワイヤが満足すべき特性も多様化しており、例えば、高密度配線及び狭ピッチに対応するため、金ボンディングワイヤの長尺化、細線化あるいは高ループ化、さらに、半導体素子の薄型化を可能にすべく、低ループ化等が要求されている。上記の長尺化、細線化、ループ高さの調整に対応するため、数種の合金化元素を添加した金細線の開発が進められている。
【０００４】
ボンディングワイヤの接合相手となる材質も変化しており、シリコン基板上の配線、電極材料では、従来のＡｌ合金に加えて、より高集積化に適したＣｕ、Ｃｕ合金が使用され始めている。こうしたＡｌ合金、Ｃｕ、Ｃｕ合金等の電極部材においても、狭ピッチ化に対応する小ボール接合が求められており、接合強度、ボール変形、高温接合信頼性等を確保することがより重要となる。
【０００５】
半導体に使用される封止樹脂は、難燃剤としてＢｒ、Ｓｂ2Ｏ3等を常時含有している。最近の耐環境性が重視されるニーズに伴い、Ｂｒ、Ｓｂは環境への負荷が懸念されることから、Ｂｒ、Ｓｂ等の元素を低減あるいは削除した封止樹脂が望まれている。しかし、Ｂｒ元素を削除しただけでは、必要とされる難燃作用を維持することは困難となる。Ｂｒの代わりの難燃剤として、Ｐ化合物（赤リン等）、水酸化物（Ｍｇ水酸化物、Ａｌ水酸化物、等）等を用いることが検討されている。Ｂｒに代わる難燃剤については以前から知られていたが、実用化には至っていない。また、Ｐ化合物、水酸化物を含有する封止樹脂を用いた場合の総合的な信頼性については、これまでほとんど明らかにされていない。
【０００６】
一方、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、高温あるいは高湿等の環境で使用される場合もある。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。金ボンディングワイヤを用いた場合、高温環境下では、ワイヤと電極との接合部において、長期信頼性が低下することが問題視されている。Ａｌ電極の場合に、従来こうした接合部の問題が多く指摘されており、最近では、Ｃｕ電極の場合にも、金ボンディングワイヤの接合信頼性が心配され始めている。
【０００７】
今後、環境への配慮が最重要となるなかで、半導体実装部材においても環境調和を基本とする材料選定が必要となる。前述したように、封止樹脂の脱Ｂｒ化は重要な課題であり、その実用化を進めるためにも、ボンディングワイヤ及び半導体装置等の開発が関連事業分野から所望されている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
従来の金ボンディングワイヤを用いた場合、半導体素子上のアルミ電極との接合部の長期信頼性の低下が問題視されていた。原因は、接合界面に形成されたアルミと金の金属間化合物が、封止樹脂中のＢｒ元素と腐食反応を起こすことにより、接合部の電気抵抗の増加、接合強度の低下等の問題が発生することであることが知られている。
【０００９】
環境調和のためにＢｒを低減又は削除した封止樹脂（以下、環境調和封止樹脂と称す）では、当初、こうした腐食反応を抑えることができると考えられていた。しかし、本発明者らが、代替難燃剤であるＰ化合物又は水酸化物（Ｍｇ、Ａｌ）を含有する封止樹脂を用い、汎用金ボンディングワイヤと電極部との接合部における接合信頼性を評価したところ、接合強度の低下、あるいは電気抵抗の増加などの特性劣化が確認された。これまで、環境調和封止樹脂を用いた場合のワイヤ接合部での劣化現象に関する報告例はほとんどなく、十分な対策も施されていない。使用方法、ＩＣ構造等によっては、現状のＢｒを含有する封止樹脂よりも、接合信頼性が低下する挙動も確認しており、環境調和封止樹脂を用いる場合でも、ボンディングワイヤの接合信頼性の向上は重要である。
【００１０】
環境調和封止樹脂において、従来と同等の難燃効果を得るには、Ｐ化合物又は水酸化物等を一定濃度含有することが必要であり、ワイヤ接合部の信頼性だけのために、これらの含有量を単純に低減することは難しい。封止樹脂の含有物の変更等の有効な手段は見いだされておらず、封止樹脂の改善だけで、こうした接合信頼性を向上するのは困難であることを確認した。
【００１１】
信頼性を向上するために、Ａｕボンディングワイヤ中に合金化元素を添加することが有効であることが知られており、強度増加、ループ形状制御、接合特性の向上等が行われている。しかしながら、こうしたボンディングワイヤ成分の改善は、Ｂｒを含有する現行の封止樹脂を用いた場合であり、これから実用化される環境調和封止樹脂では、ボンディングワイヤでの対応については知られていないのが現状である。
【００１２】
本発明者等の調査により、環境調和封止樹脂を用いた場合の、ボンディングワイヤ接合部の劣化機構は、前述したＢｒが関与した腐食反応とは異なることを確認している。従来のボンディングワイヤの成分設計では信頼性を向上することは難しく、環境調和封止樹脂と組み合わせて用いられるボンディングワイヤでは、接合信頼性を向上させる新たな材料設計が求められる。
【００１３】
また、今後の半導体の実装技術に適応するためのワイヤでは、接合信頼性だけを満足するのではなく、総合的な特性改善が求められる。最近の動向の中でも、狭ピッチ接続に対応するワイヤボンディング技術が重要である。これまで高強度細線化、接合性、直線性の改善が中心に取組まれており、平均的な使用性能改善にはある程度の効果が期待される。しかし、こうした従来の特性改善の延長だけでは、狭ピッチ接続を量産したときに、隣接ワイヤ及び接合部との接触を回避することが困難であった。特に、ボール接合部の寸法、変形形状のバラツキが従来の管理範囲であっても、電極部からはみ出したりする不良が急増する。今までも、ボール接合部寸法の平均値を管理することは行われていたが、狭ピッチの量産には、ボール接合部の寸法、変形形状のバラツキを抑えて、安定化させることが課題となる。なかでも、隣接電極間が５０μｍ以下の狭ピッチでは、このバラツキの低減が重要である。
【００１４】
この接合バラツキに関連する問題は、ボンディングワイヤ単体の特性に支配される場合もあるが、それ以外にも、接合相手や周辺部材の材料の影響も大きい。環境調和封止樹脂を用いる場合、樹脂封止時のワイヤ変形、ワイヤのループ形状、ワイヤと樹脂の熱膨張差等は、現行の封止樹脂とは異なる場合が多い。なかでも、ボール接合性が不充分であれば、前述した長期の接合信頼性を低下させる原因となる。これらの特性を改善するボンディングワイヤを用いることで、環境調和封止樹脂の実用化を促進することができる。
【００１５】
以上、本発明では、環境調和封止樹脂で封止された半導体装置において、半導体素子上の電極部とボンディングワイヤの接合部の高温信頼性を向上させ、高密度配線及び狭ピッチ接続等への適用性も高めた、半導体装置及び半導体装置用金ボンディングワイヤを提供することを目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明者等は前述した観点から、環境調和封止樹脂を用いた場合の特性、信頼性を向上させる研究を行った結果、ボンディングワイヤの合金化添加元素を適正化することで、ボンディングワイヤと電極との接合部での特性劣化を抑制して、長期信頼性を高め、さらに高強度化、細線化、特性バラツキの低減等を図れることを見出した。
【００１７】
すなわち、前述した目的を達成するための本発明の要旨は次の通りである。
（１）  半導体素子上の電極とボンディングワイヤとの接合部を封止樹脂で覆う構造の半導体装置であって、該封止樹脂は、臭素濃度を０．１質量％以下であり、Ｐ、Ｍｇ、Ａｌの少なくとも１種以上の元素の総計濃度を０．０１質量％以上含有する樹脂であり、上記ボンディングワイヤは、Ｃｕ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｚｎ、Ａｇから選ばれる少なくとも１種以上の元素を総計濃度が０．００５〜１．５質量％の範囲で含有する金合金ボンディングワイヤであることを特徴とする耐熱性に優れた半導体装置。
（２）  半導体素子上の電極とボンディングワイヤとの接合部を封止樹脂で覆う構造の半導体装置であって、該封止樹脂は、臭素濃度を０．１質量％以下であり、Ｐ、Ｍｇ、Ａｌの少なくとも１種以上の元素の総計濃度（Ｒp）を０．０１質量％以上含有する樹脂であり、前記ボンディングワイヤは、Ｃｕ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｚｎ、Ａｇから選ばれる少なくとも１種以上の元素の総計濃度（Ｃ1）が０．００５〜１．５質量％の範囲であり、Ｃａ、Ｃｅ、Ｅｕ、Ｄｙ、Ｙから選ばれる少なくとも１種以上の元素の総計濃度（Ｃ2）が０．００１〜０．０６質量％の範囲であり、Ｌａ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｍｇ、Ｎｉから選ばれる少なくとも１種以上の元素の総計濃度（Ｃ3）が０．００１〜０．０５質量％である金合金ボンディングワイヤであり、さらに、封止樹脂と金ボンディングワイヤの成分濃度の比率について、（Ｃ1＋Ｃ2＋Ｃ3）／Ｒpが０．０５〜１００の範囲であることを特徴とする耐熱性に優れた半導体装置。
（３）  臭素濃度を０．１質量％以下で、Ｐ、Ｍｇ、Ａｌの少なくとも１種以上の元素の総計濃度を０．０１質量％以上含有する樹脂で覆われている半導体装置に使用されるボンディングワイヤであって、前記ボンディングワイヤは、Ｃｕ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｚｎ、Ａｇから選ばれる少なくとも１種以上の元素の総計濃度が０．００５〜１．５質量％の範囲であることを特徴とする接合信頼性に優れた半導体装置用金合金ボンディングワイヤ。
（４）  臭素濃度を０．１質量％以下で、Ｐ、Ｍｇ、Ａｌの少なくとも１種以上の元素の総計濃度を０．０１質量％以上含有する樹脂で覆われている半導体装置に使用されるボンディングワイヤであって、Ｃｕ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｚｎ、Ａｇから選ばれる少なくとも１種以上の元素の総計濃度を０．００５〜１．５質量％、Ｃａ、Ｃｅ、Ｅｕ、Ｄｙ、Ｙから選ばれる少なくとも１種以上の元素の総計濃度が０．００１〜０．０６質量％の範囲であり、Ｌａ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｍｇ、Ｎｉから選ばれる少なくとも１種以上の元素の総計濃度が０．００１〜０．０５質量％であることを特徴とする接合信頼性に優れた半導体装置用金合金ボンディングワイヤ。
（５）  Ｃｕ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｚｎ、Ａｇから選ばれる少なくとも１種以上の元素の総計濃度（Ｃ1）が０．００５〜０．６質量％の範囲であり、Ｃａ、Ｃｅ、Ｅｕ、Ｄｙ、Ｙから選ばれる少なくとも１種以上の元素の総計濃度（Ｃ2）が０．００１〜０．０６質量％の範囲であり、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｍｇ、Ｎｉから選ばれる少なくとも１種以上の元素の総計濃度（Ｃ3’）が０．００１〜０．０５質量％であり、且つ、前記元素群の濃度比率について、（Ｃ1／（Ｃ2＋Ｃ3’））が０．５〜４０、又は１００〜４００の範囲であることを特徴とする耐食性に優れた半導体装置用金合金ボンディングワイヤ。
【００１８】
【発明の実施の形態】
難燃剤として従来のＢｒ元素を低減して、代わりにＰ化合物や水酸化物を含有する環境調和封止樹脂を用いた半導体装置において、従来のボンディングワイヤと電極部の接合信頼性が低下すること、さらにその接合信頼性を向上する手段として、Ａｕ中に適量の合金成分を含有するボンディングワイヤを使用することが非常に有効であることを初めて見出した。以下に、本発明に係わる半導体装置及び半導体装置用ボンディングワイヤについて、さらに説明する。
【００１９】
現行の封止樹脂では、難燃剤としてＢｒ元素は必須であり、通常は総計で０．２〜４質量％程度含有されている。しかし、環境対応のためにＢｒを削減することが望まれている。Ｂｒを意図的に含有させていなくても、樹脂の製造工程で不可避的にＢｒを混入する場合もある。その場合でも、Ｂｒ濃度が０．１質量％以下に抑えられておれば、必要な難燃効果は得られず、ボンディングワイヤの接合部の悪影響等も認められないことが確認された。
【００２０】
Ｂｒに代わる難燃剤では、Ｐ化合物及びＭｇ水酸化物、Ａｌ水酸化物が有力である。ここで、封止樹脂が含有するＰ、Ｍｇ、Ａｌの少なくとも１種以上の元素の総計濃度を０．０１質量％以上の範囲とした理由は、この濃度範囲であれば、現行樹脂とほぼ同等の難燃効果を確保できるためである。より好ましくは、Ｐ、Ｍｇ、Ａｌの少なくとも１種以上の元素の総計濃度を０．２質量％以上であれば、より高い難燃性が得られる。一方、この総計濃度の上限は、１０質量％以下であることが好ましい。これは、１０質量％超含有すると、樹脂の成型性が急激に悪化するため、金型への焼き付き、充填不良等の問題が発生するためである。
【００２１】
現行のＢｒを適量含有する封止樹脂では、高温保管時にボンディングワイヤとアルミ電極との接合部で、電気抵抗が増加したり、接合強度が低下する等、不良発生することが知られていた。この要因について、加熱により接合部に成長した金とアルミの金属間化合物と、封止樹脂から発生したＢｒ系ガスとが化学反応を起こすことが明らかにされている。一方、環境調和封止樹脂を用いた場合に、加熱されたときにボンディングワイヤ接合部で起る特性劣化は、電気抵抗の増加、接合強度の低下等であり、一見は現行樹脂と類似している。しかしながら、その機構は、前述したＢｒによる腐食反応とは大きく異なることが確認された。詳細な機構は明らかにされていないものの、例えば、接合界面でのＡｕ、Ａｌ原子の拡散挙動の変化、金属間化合物相の成長抑制、ボイド生成、３元化合物の生成（Ａｕ−Ａｌ−Ｐ、Ａｕ−Ａｌ−Ｍｇ他）等を示唆する現象が、本発明者等の調査で観察された。Ｐ化合物及び水酸化物が何らかの影響を及ぼしているものの、それらが接合界面の金属間化合物と単純に化学反応することではないと考えられる。
【００２２】
こうした、Ｂｒ濃度を０．１質量％以下、Ｐ、Ｍｇ、Ａｌの少なくとも１種以上の元素の総計濃度を０．０１質量％以上の範囲とする環境調和封止樹脂で覆われた、ボンディングワイヤと電極との接合部における高温信頼性を向上するには、ボンディングワイヤ中に、Ｃｕ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｚｎ、Ａｇ（これらを第一元素群と呼ぶ）から選ばれる少なくとも１種以上の元素の総計濃度（Ｃw）が０．００５〜１．５質量％の範囲であり、残部が金及び不可避不純物からなる金合金ボンディングワイヤであることが有効であることを見出した。第一元素群の総計濃度（Ｃw）が０．００５〜１．５質量％の範囲であれば、接合界面での拡散挙動、Ｐ、Ｍｇ、Ａｌ等を含む反応関与ガスの界面への侵入等を抑えることで、接合信頼性を改善する高い効果が得られる。Ｃwが０．００５質量％未満であれば、接合信頼性を向上させる効果が小さく、また、Ｃwが１．５質量％を超えると、ボンディング直後の接合強度を得るのが難しくなるためである。
【００２３】
これらの部材で構成される、半導体素子上の電極とボンディングワイヤとの接合部を封止樹脂で覆う構造の半導体装置であって、封止樹脂は、臭素濃度を０．１質量％以下、Ｐ、Ｍｇ、Ａｌの少なくとも１種以上の元素の総計濃度を０．０１質量％以上含有する樹脂であり、上記ボンディングワイヤは、Ｃｕ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｚｎ、Ａｇから選ばれる少なくとも１種以上の元素の総計濃度（Ｃw）が０．００５〜１．５質量％の範囲で含有する金合金ボンディングワイヤとすることで、耐熱性に優れ、環境調和性にも優れた半導体装置を提供することができる。すなわち、封止樹脂、ボンディングワイヤの部材の構成は、前述したそれぞれの理由に基づくものであり、それらを組み合わせることではじめて、産業界として要求されている環境調和性を満足し、しかも高温、高湿など過酷な状況で使用される半導体装置に求められる信頼性も満足することができる。
【００２４】
ここで、電極部材が現行の純アルミ、アルミ合金（Ａｌ−Ｓｉ、Ａｌ−Ｓｉ−Ｃｕ、Ａｌ−Ｃｕ）の場合に、接合部の信頼性を向上する最も高い効果が得られるが、さらに高速系の半導体で使用されるＣｕ、Ｃｕ合金の場合、またＣｕの酸化抑制のために、保護膜としてＡｕ、Ａｕ／Ｎｉ多層、Ｐｄ、Ｐｄ／Ｎｉ多層、Ａｌ合金膜等を表面に形成したＣｕ、Ｃｕ合金からなる電極膜の場合でも、ほぼ同様の高い信頼性を得る半導体装置とすることができる。
【００２５】
上記元素を含有する金合金ボンディングワイヤでは良好なボンディング性を有するが、さらに狭ピッチ接続などのニーズに対応するための総合特性の改善も必要である。環境調和封止樹脂が現行樹脂と異なる点は、難燃剤の主要元素がＢｒからＰ、Ｍｇ、Ａｌ等に変化していることだけではない。これらＰ、Ｍｇ、Ａｌの含有状態等は単一でなく、これらの元素を含有する難燃剤の多くの種類を使用することができ、また、樹脂の要求特性をより高めるために、樹脂成分の一部変更等も施されることが一般的である。また、環境調和封止樹脂では、樹脂封止時のワイヤ変形、ワイヤのループ形状、ワイヤと樹脂の熱膨張差等、現行の封止樹脂とは異なる場合が多い。種々の環境調和封止樹脂に対応でき、接合信頼性を中心とした総合的特性を高めることが重要である。
【００２６】
そのためには、Ｃｕ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｚｎ、Ａｇ（第一元素群）から選ばれる少なくとも１種以上の元素の総計濃度（Ｃ1）が０．００５〜１．５質量％の範囲であり、Ｃａ、Ｃｅ、Ｅｕ、Ｄｙ、Ｙ（第二元素群）から選ばれる少なくとも１種以上の元素の総計濃度（Ｃ2）が０．００１〜０．０６質量％の範囲であり、Ｌａ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｍｇ、Ｎｉ（第三元素群）から選ばれる少なくとも１種以上の元素の総計濃度（Ｃ3）が０．００１〜０．０５質量％であり、残部が金及び不可避不純物からなる金合金ボンディングワイヤが有効であることを見出した。
【００２７】
これらの部材を有効に活用することで、下記の半導体装置、ボンディングワイヤを得ることができる。
【００２８】
半導体素子上の電極とボンディングワイヤとの接合部を封止樹脂で覆う構造とする半導体装置において、該封止樹脂は、臭素濃度を０．１質量％以下、Ｐ、Ｍｇ、Ａｌの少なくとも１種以上の元素の総計濃度（Ｒp）を０．０１質量％以上含有する樹脂であり、該ボンディングワイヤは、Ｃｕ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｚｎ、Ａｇから選ばれる少なくとも１種以上の元素の総計濃度（Ｃ1）が０．００５〜１．５質量％の範囲であり、Ｃａ、Ｃｅ、Ｅｕ、Ｄｙ、Ｙから選ばれる少なくとも１種以上の元素の総計濃度（Ｃ2）が０．００１〜０．０６質量％の範囲であり、Ｌａ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｍｇ、Ｎｉから選ばれる少なくとも１種以上の元素の総計濃度（Ｃ3）が０．００１〜０．０５質量％であり、残部が金及び不可避不純物からなる金合金ボンディングワイヤであり、さらに、封止樹脂と金ボンディングワイヤの成分濃度の比率について、（Ｃ1＋Ｃ2＋Ｃ3）／Ｒpが０．０５〜１００の範囲とすることが望ましい。こうした構成とすることで、多ピン狭ピッチ接合等の高密度実装における高い量産性を有し、さらに使用時における接合部信頼性を向上させ、さらに環境調和性にも優れた半導体装置を提供することができる。
【００２９】
すなわち、臭素濃度を０．１質量％以下、Ｐ、Ｍｇ、Ａｌの少なくとも１種以上の元素の総計濃度（Ｒp）を０．０１質量％以上含有する樹脂で覆われている半導体装置に使用されるボンディングワイヤとしては、Ｃｕ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｚｎ、Ａｇから選ばれる少なくとも１種以上の元素の総計濃度（Ｃ1）を０．００５〜１．５質量％、Ｃａ、Ｃｅ、Ｅｕ、Ｄｙ、Ｙから選ばれる少なくとも１種以上の元素の総計濃度（Ｃ2）が０．００１〜０．０６質量％の範囲であり、Ｌａ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｍｇ、Ｎｉから選ばれる少なくとも１種以上の元素の総計濃度（Ｃ3）が０．００１〜０．０５質量％であり、残部が金及び不可避不純物からなることを特徴とすることで、狭ピッチ接合性と接合信頼性、環境調和性に優れた半導体装置用ボンディングワイヤとすることができる。
【００３０】
これらのボンディングワイヤ中に含有される合金化元素群の種類、濃度、また、封止樹脂とボンディングワイヤとの成分の関係等について、以下に説明する。
【００３１】
ボール接合部信頼性に影響を及ぼすものとして、前述したＰ、Ｍｇ、Ａｌを含有するガス系の他に、環境調和封止樹脂が加熱されたとき、Ｐ、Ｍｇ、Ａｌを含まないガス、イオンも微量含まれている。通常の半導体の使用条件では、Ｐ、Ｍｇ、Ａｌを含有するガス系の影響が大きいが、より高温で使用される場合には、こうしたＰ、Ｍｇ、Ａｌを含まない微量ガスも、接合部信頼性を低下させる原因の一つとなる。特に、封止樹脂のガラス転移温度（Ｔｇ）を目安として、通常の半導体は０．６Ｔｇ  以下の温度で使用されるのに対し、例えば、０．８Ｔｇ以上の高温で使用される場合には、微量ガスの影響が大きくなる。こうしたＰ、Ｍｇ、Ａｌを含まない微量ガスによる接合部への影響を抑えるには、ボンディングワイヤ中に、第一、第二、第三元素群を組み合わせて含有させることが有効である。第一元素群だけでは、これら微量ガスの影響を防ぐことは困難であり、これら３種類の元素群を含有させることで、これら添加元素が接合界面で総合的に作用することで、高い効果が得られる。
【００３２】
また、従来の比較的広い電極ピッチ間隔（＞８０μｍ）では、ウェッジ接合部が問題となることはあまりなかったが、狭ピッチ（＜５０μｍ）となると、ワイヤ径も細く、さらにウェッジ接合部の形状も微細となり、この部位で接合信頼性が低下することが懸念されており、さらに環境調和封止樹脂を用いると、こうしたウェッジ接合部での問題発生が増える傾向にある。ウェッジ接合部信頼性に関して、ワイヤと樹脂の熱膨張差による歪みがウェッジ接合部に集中して、この部位でクラック、破断等の不良が発生するためと考えられる。これに対し、第一、第二、第三元素群を同時に含有することで、ワイヤと封止樹脂との密着性を高める相乗効果を高めることができ、ウェッジ接合部信頼性を大幅に高めることができる。
【００３３】
Ｃｕ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｚｎ、Ａｇの元素の総計濃度が０．００５〜１．５質量％の範囲である理由は、前述したように、環境調和封止樹脂における接合信頼性を高める効果が得られるためである。さらに、Ｃａ、Ｃｅ、Ｅｕ、Ｄｙ、Ｙから選ばれる少なくとも１種以上の元素の総計濃度（Ｃ2）が０．００１〜０．０６質量％の範囲であり、Ｌａ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｍｇ、Ｎｉから選ばれる少なくとも１種以上の元素の総計濃度（Ｃ3）が０．００１〜０．０５質量％を添加することで、ボール接合部の信頼性をより一層高める効果、さらに、ウェッジ接合部の疲労破断等を低減する効果が得られる。
【００３４】
ここで、第一、第二、第三元素群の含有濃度Ｃ1、Ｃ2、Ｃ3がそれぞれ、０．００５、０．００１、０．００１質量％以上の範囲であれば、上述した高温接合信頼性、ウェッジ接合信頼性等の相乗効果を十分得ることができる。第一、第二、第三元素群の含有濃度Ｃ1、Ｃ2、Ｃ3の上限値の理由ついて、Ｃ1が１．５質量％を超えるとボンディング直後の接合強度を得るのが難しくなり、Ｃ2が０．０６質量％を超えると、ボール形状が真球からずれ易く、結果として、接合されたボール形状の偏平等の異方性が問題となるためであり、Ｃ3が０．０５質量％を超えると、リードフレーム及び基板のいずれに対するウェッジ接合性も低下しており、その傾向はワイヤ径が１８μｍ未満になるとより顕著となるため、狭ピッチ接続に不利である、等の理由によるものである。
【００３５】
さらに狭ピッチ接続された接合部における高温使用時の信頼性を高めるには、環境調和封止樹脂及び金合金ボンディングワイヤとの成分の相関を適正化することが有効であることを見出した。すなわち、封止樹脂中のＰ、Ｍｇ、Ａｌの少なくとも１種以上の元素の総計濃度（Ｒp）と金合金ボンディングワイヤの第一、第二、第三元素群の含有濃度Ｃ1、Ｃ2、Ｃ3とには相関があり、（Ｃ1＋Ｃ2＋Ｃ3）／Ｒpが０．０５〜１００の範囲であれば、ボール接合部およびウェッジ接合部の両者でのより高い接合信頼性を得ることができる。上記比率が０．０５未満であれば、前述したボール接合部の信頼性を向上する十分な効果が得られないことが問題であり、また上記比率が１００を超えてワイヤ中に該元素を含有させると、封止樹脂とワイヤとの密着性が低下して、剥離等が生じる場合があり、結果として、その隙間が外界からの水分、ガスの進入経路となり、電極部の腐食等が進行して、電気抵抗の上昇を誘発する恐れが高いためである。また、より好ましくは、（Ｃ1＋Ｃ2＋Ｃ3）／Ｒpが０．２〜４０の範囲であれば、ボール接合部信頼性の向上効果をより高めることができる。
【００３６】
また、上述した元素群の配合により、狭ピッチ接合の生産性を大幅に向上することができることを見出しており、下記に説明する。
これまで高強度細線化、接合強度、ワイヤ直線性の改善が中心に取組まれており、これら使用性能の平均的な改善はある程度の効果が期待されている。しかし、こうした従来の使用改善の延長だけでは、狭ピッチ接続を量産したときに、隣接ワイヤおよび接合部との接触を回避することが困難となってきた。特に、ボール接合部の寸法、変形形状のバラツキが従来の管理範囲であれば、ボール接合部が電極部からはみ出したり、強度が低下する等の不良が急増する。今まで、ボール接合部寸法を小さくするために、その寸法の平均値で管理されることが殆どであった。しかし、狭ピッチの量産段階で発生するトラブルは、ボール接合部の寸法、変形形状のバラツキに関係する場合が大半を占める。こうした接合バラツキは、隣接電極間が７０μｍ以上の従来ピッチではほとんど問題となることはなく、今後の５０μｍ以下の狭ピッチではじめて問題となり、この接合バラツキの低減は最重要課題である。
【００３７】
この接合のバラツキの低減には、第一、第二、第三’元素群の濃度比率について、Ｃ1／（Ｃ2＋Ｃ3’）が０．５〜４０又は１００〜４００の範囲であることが、非常に有効であることを見出した。すなわちＣｕ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｚｎ、Ａｇ（第一元素群）の少なくとも１種以上の元素の総計濃度（Ｃ1）が０．００５〜０．６質量％の範囲であり、Ｃａ、Ｃｅ、Ｅｕ、Ｄｙ、Ｙ（第二元素群）から選ばれる少なくとも１種以上の元素の総計濃度（Ｃ2）が０．００１〜０．０６質量％の範囲であり、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｍｇ、Ｎｉ（第三’元素群）から選ばれる少なくとも１種以上の元素の総計濃度（Ｃ3’）が０．００１〜０．０５質量％であり、しかも前記元素群の濃度比率について、（Ｃ1／（Ｃ2＋Ｃ3’））が０．５〜４０又は１００〜４００の範囲である金合金ボンディングワイヤであれば、５０μｍ以下の狭ピッチ接合において、ボール接合部の寸法バラツキを１５％以下まで低減させ、またボール部の異方変形（長辺／短辺−１）を２０％以下まで抑制することで、真円性を確保することができ、さらに接合強度のばらつきも３０％以下に抑制することで、狭ピッチの量産性を大幅に向上できる。ここで、変形異方性を表すために、電極に対して垂直方向からボール接合部を観察し、ワイヤ中心部を通り外周部と接する点を結ぶ直線で、その長さが最大および最小のものをそれぞれ長辺、短辺と定義し、その比率である（長辺／短辺−１）を用いた。
【００３８】
こうした作用について、第二元素群と第三’元素群を組み合わせることで、ボール部が凝固して形成される結晶粒の微細化、ボール部の硬化等の効果が得られ、さらに、第一元素群を加えると、結晶粒を若干大きくする作用はあるものの、その結晶粒径のバラツキを低減させる作用があることが確認された。さらに、本発明者等は、狭ピッチの接合における量産安定性を高めるには、各元素群の単独の濃度だけでは困難であり、元素群の濃度比率が重要であること、さらに、凝固部における結晶粒を安定化させるには濃度比率Ｃ1／（Ｃ2＋Ｃ3’）（以下、結晶粒安定化比率と呼ぶ）で整理することが有効であることを見出した。結果として、結晶粒安定化比率が０．５〜４０の範囲であれば、ボール部の結晶粒の粒径バラツキを低減することができ、一方、その比率が１００〜４００の範囲であれば、比率が０．５〜４０の範囲の場合よりも、ボール部の結晶粒が平均して２０％以上微細となり、しかも、そのバラツキも低く抑える効果が得られる。すなわち、結晶粒安定化比率が２つの範囲内であれば、結晶粒径のバラツキも低く抑え、また粒内の硬度等も安定化させることで、上述した、接合されたボール部の寸法バラツキの低減、ボール部の異方変形の抑制、さらに接合強度のバラツキ低減等の効果が得られる。
【００３９】
また、５０μｍ以下の狭ピッチでしかも１７０℃以下の低温接合の場合に、従来はほとんど問題とならなかったウェッジ接合性の低下が懸念される。結晶粒安定化比率が０．５〜４０又は１００〜４００の範囲である金合金ボンディングワイヤであれば、良好なウェッジ接合性が確認されている。これは、ワイヤの組織の微細化等が関係していると考えられる。
【００４０】
上記ボンディングワイヤは、現行の封止樹脂を用いた半導体装置にでも有効である。さらに、より厳しい接合部の管理が要求される、環境調和封止樹脂で覆われた半導体装置に使用することで、より高い効果が得られる。
【００４１】
【実施例】
以下、実施例について説明する。
【００４２】
金純度が約９９．９５質量％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。こう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質量％以上の電解金とにより、表１、３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、必要に応じて金ボンディングワイヤの中間焼鈍工程を加え、さらに伸線加工を行い、最終線径が２０μｍの金ボンディングワイヤとした後に、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。
【００４３】
ボンディングワイヤの接続には、汎用の自動ワイヤボンダー装置を使用して、ボール／ウェッジ接合を行った。ボール接合では、ワイヤ先端にアーク放電によりボール部を形成し、そのボール部を電極膜に超音波併用の熱圧着により接合した。また、リードフレーム又はＢＧＡ基板上のリード部に、ワイヤ他端部をウェッジ接合した。今後のニーズである狭ピッチ接続への適用性を調べるため、電極間隔が５０μｍの狭ピッチ接続を行った。
【００４４】
接合相手は、シリコン基板上の電極膜の材料である、厚さ約０．８μｍのＡｌ合金膜（Ａｌ−１％Ｓｉ、Ａｌ−０．５％Ｃｕ、Ａｌ−１％Ｓｉ−０．５％Ｃｕ）、あるいはＣｕ配線（Ａｕ０．０１μｍ／Ｎｉ０．４μｍ／Ｃｕ０．４μｍ）を使用した。一方の、ウェッジ接合の相手には、表面にＡｇメッキ（厚さ：１〜４μｍ）が施されたリードフレーム、または表面にＡｕメッキ／Ｎｉメッキ／Ｃｕ配線が形成されているガラエポ樹脂基板を使用した。
【００４５】
ボール接合部の形状を評価するため、ボール部をシリコン基板上の電極膜にステージ温度１７０℃で接合を行った。１００本のボール接合部で、超音波印加と平行方向の圧着径を、光学顕微鏡により測定し、平均値と標準偏差を求めた。
【００４６】
ボール変形の異方性評価では、１００本のボール接合部について、電極に対して垂直方向からボール接合部を観察し、ワイヤ中心部を通り外周部と接する点を結ぶ直線で、その長さが最大および最小のものをそれぞれ長辺長さ（ＤL）、短辺長さ（ＤS）を測定した。異方性パラメータとして、比率（ＤL／ＤS−１）を計算し、その平均値を求めた。この異方性パラメータの値が０に近いほど真円性が良好であり、その値が大きくなるほど扁平性、異方性等が顕著であると判断できる。
【００４７】
ボール部の初期のシェア強度測定では、高速自動ボンディングワイヤ後にリードフレームと測定する半導体素子を冶具で固定した後に、アルミ電極の３μｍ上方で冶具を平行移動させて剪断破断を読み取るシェアテスト法を行い、２００本の破断荷重の平均値と標準偏差を測定した。
【００４８】
接合部の長期信頼性を評価するため、ボンディングワイヤ先端のボール部を電極に接合し、ボンディングワイヤを接合した後に、全体を表２、４に示す難燃剤含有率のエポキシ樹脂で封止して半導体装置を作製した。半導体装置を１５０℃で１０００時間、あるいは１７５℃で１０００時間加熱処理した。その後、市販の開封装置を用いて、封止樹脂の一部を除去し、５０本の接合部におけるシェア強度を測定した。
【００４９】
また、リード側にワイヤを接合するウェッジ接合性を評価するため、ＢＧＡ基板のＡｕ／Ｎｉ／Ｃｕ膜の上に、ステージ温度１８０℃で５０００本のワイヤボンディングを行った。連続ボンディング中に剥離等の不良が１本でも発生した場合には、ウェッジ接合性が不十分であるため、△印で表した。また連続ボンディング性は良好であるものの、上記サンプルのうち５００本のウェッジ接合部をランダムに観察し、接合部近傍でワイヤ剥離の兆候が２本以上見られるか、又は、ウェッジ接合されたワイヤの変形形状の非対称性が顕著であるものが２本以上あるかの、いずれか一方でも認められる場合に、○印で表した。連続ボンディング性は良好であり、上記のワイヤ剥離又は非対称形状が１本以下に抑えられている場合には、低温ウェッジ接合性にも優れているとして、◎印で表示した。
【００５０】
樹脂の難燃性を評価する一般的な試験である規格ＵＬ−９４に準拠した方法を用い、標準的な９４Ｖ−１クラスの良好な難燃性が確認された場合には○印、さらに優れた難燃性を有し９４Ｖ−０クラスを合格する場合には◎印、難燃性が不充分である場合には△印で示した。
【００５１】
【表１】
0003641231.tif 000002
【００５２】
【表２】
0003641231.tif 000003
【００５３】
【表３】
0003641231.tif 000004
【００５４】
【表４】
0003641231.tif 000005
【００５５】
表２には、本発明に係わる表１に示す半導体装置およびボンディングワイヤについての評価結果を示し、表４には、比較として、本発明から外れる表３に示す場合を示した。
【００５６】
表１、２において、第１請求項に係わる半導体装置は実施例１〜３４であり、第２請求項に係わる半導体装置は実施例１２〜２８であり、第３請求項に係わるボンディングワイヤは実施例１〜３４であり、第４請求項に係わるボンディングワイヤは実施例１２〜２８であり、第５請求項に係わるボンディングワイヤは実施例１３、１５、１７、２０、２２である。実施例２９〜３４は第２請求項におけるボンディングワイヤの成分構成を満足しない場合である。詳しくは、実施例２９、３０では、第二元素群の濃度が、第２請求項及び第４請求項に関する範囲外であり、実施例３１、３２では、第三元素群の濃度が、第２請求項及び第４請求項に関する範囲以外である。また、実施例３３、３４では、各元素群の濃度は第２請求項の範囲であるものの、上述した、封止樹脂と金ボンディングワイヤの成分濃度の比率（Ｃ1＋Ｃ2＋Ｃ3）／Ｒpが第２請求項の範囲に当てはまらない場合である。
【００５７】
表３、４において、比較例１〜９は、本発明の樹脂又はボンディングワイヤの成分構成を満足しない場合である。
【００５８】
樹脂中の含有量は、赤外吸光法又はＩＣＰ分析等で調べた結果であり、実施例２〜３４及び比較例２〜９の封止樹脂のＢｒ含有量は、分析下限値である０．０２質量％未満であり、Ｂｒの存在は確認されなかった。
【００５９】
実施例１〜３４の封止樹脂は、本発明に係わる、Ｂｒ濃度を０．１質量％以下に抑え、Ｐ、Ｍｇ、Ａｌの少なくとも１種以上の元素の総計濃度を０．０１質量％以上含有する樹脂であることで、環境調和性に優れている。また、比較例１のような現行封止樹脂のＢｒ濃度と比較してかなり低いものの、難燃性を調べる一般的な試験ＵＬ−９４において良好な結果が得られていた。それに比して、比較例２、３の封止樹脂では、Ｐ、Ｍｇ、Ａｌの少なくとも１種以上の元素の総計濃度が０．０１質量％未満であり、十分な難燃性が得られなかった。
【００６０】
通常の半導体装置に求められるボール接合部信頼性について、１５０℃で１０００時間の加熱試験が用いられる。実施例１〜１１では、第一元素群を適量含有することで、１５０℃で１０００時間加熱後も、初期のシェア強度に対する強度低下は１ｇ以下に抑えられており、十分な接合信頼性が確認された。一方、第一元素群の添加量が０．００５質量％未満である比較例４、５では、加熱後に強度１０ｇ以上低下しており、また、該添加量が１．５質量％超である比較例６、７では、初期のシェア強度が３割以上低下しており、十分な接合性を得るのが困難であった。同様に比較例８、９では、第二、第三元素群を適量含有するものの、第一元素群の濃度Ｃ1が本発明の範囲外であり、改善効果が十分ではなかった。
【００６１】
高温で使用される半導体装置の信頼性評価試験として、１７５℃で１０００時間の加熱試験が用いられる。この試験を満足すれば、通常よりも高い耐熱性を有していることになる。第一、第二、第三元素群を本発明の範囲内で含有するワイヤを使用した実施例１２〜２８では、１７５℃で１０００時間加熱しても、ボール部のシェア強度を測定すると、初期に対する強度低下は１ｇ以下に抑えられており、他の実施例や比較例に比べ、非常に高い接合信頼性が確認された。
【００６２】
さらに、実施例１２〜２３では、他の実施例と比較しても、ウェッジ接合性がより優れていることが確認された。
【００６３】
また、封止樹脂中のＰ、Ｍｇ、Ａｌの少なくとも１種以上の元素の総計濃度（Ｒp）と金合金ボンディングワイヤの第一、第二、第三元素群の含有濃度Ｃ1、Ｃ2、Ｃ3との関係を示す（Ｃ1＋Ｃ2＋Ｃ3）／Ｒpの値について、実施例１〜３２の全てにおいて、０．０５〜１００の範囲であり、狭ピッチ接合でも、ボール接合部及びウェッジ接合部での十分な接合信頼性を得られた。
【００６４】
第５請求項に係わるボンディングワイヤである実施例１３、１５、１７、２０、２２では、前記元素群の濃度比率Ｃ1／（Ｃ2＋Ｃ3’）が、０．５〜４０又は１００〜４００の範囲であることで、ボール接合部の寸法バラツキを低減させ、ボール部の異方変形を抑制して真円性を確保し、さらに接合強度のバラツキも抑制することで、狭ピッチの量産性を大幅に向上できることを確認した。
【００６５】
【発明の効果】
以上、環境調和封止樹脂で封止された半導体装置において、半導体素子上の電極部とボンディングワイヤの接合部の高温信頼性を向上させ、高密度配線及び狭ピッチ接続等への適用性も高めた、半導体装置及び半導体装置用金ボンディングワイヤを提供できる。