(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｓｉを０．２〜５０００重量ppm の範囲で含有し、Ｃａ，Ｂｅ，Ｌａ，Ｃｅの１種または２種以上を総計で重量として０．２〜３００ppm の範囲で含有し、Ｙ，Ｓｃ，Ｓｒ，Ｇａ，Ｇｅ，Ｉｎの１種または２種以上を総計で重量として１〜５００ppm の範囲で含有し、Ｃｕ，Ｐｄ，Ｐｔ，Ａｌ，Ｍｎの１種または２種以上を総計で重量として２〜１００００ppm の範囲で含有し、残部金および不可避不純物からなることを特徴とする金合金バンプ。
【請求項２】
Ｓｉを５０〜５０００重量ppm の範囲で含有し、Ｃａ，Ｂｅ，Ｌａ，Ｃｅの１種または２種以上を総計で重量として０．２〜３００ppm の範囲で含有し、Ｙ，Ｓｃ，Ｓｒ，Ｇａ，Ｇｅ，Ｉｎの１種または２種以上を総計で重量として７０〜５００ppm の範囲で含有し、Ｃｕ，Ｐｄ，Ｐｔ，Ａｌ，Ｍｎの１種または２種以上を総計で重量として２〜１００００ppm の範囲で含有し、残部金および不可避不純物からなることを特徴とするバンプ用金合金細線。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
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のバンプ（金属突起）を形成するために使用される金合金バンプおよび金バンプ用金合金細線に関する。
【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の接合としては、ワイヤボンディング方式が主として使用されている。最近、ＩＣチップの小型化、薄型化の要求に対し、ワイヤ方式では限界が指摘されており、ワイヤレスボンディング方式の採用が進んでいる。
【０００３】
ＴＡＢ（Tape Automated Bonding）方式では、ポリイミド樹脂テープとその上に接着した銅箔回路により形成され、ＴＡＢのリード部とＩＣチップの電極部との接合は、バンプと呼ばれる金属突起物を介して接合される。このバンプとしては、ＬＳＩチップの電極部にメッキ法により形成した金バンプが主に用いられている。メッキのために電極部上にバリヤ層の形成などを要するなど、バンプ形成工程が煩雑で高コストであることに加えて、バンプ形成したウエハの入手が困難であるなどの問題が指摘されている。
【０００４】
また他のワイヤレス方式であるフリップチップ方式では、ＬＳＩチップをフェースダウンで回路基板に接続するため、接続エリアがＬＳＩチップの面積ですみ、実装の高密度化に適した方法であるが、この方式においても、電極部ではバンプを介した接続が主流である。
【０００５】
ワイヤ方式において信頼性が確認されている金合金細線によってバンプを形成するスタッドバンプ方式が提案されており、概略を図１に示している。これは、通常のワイヤボンディングと同様に、キャピラリ３に穴に通した金線１の先端に放電によりボールを形成し、キャピラリを介してチップ７上の電極パッド６に超音波併用の熱圧着法により接合した後に、キャピラリの上昇時にクランパでワイヤを挟んで強制的にネック部４で破断することにより、適宜のネック部長さ８およびバンプ高さ９を有するバンプ５を形成するものである。
【０００６】
このスタッドバンプ法の利点としては、実績のあるワイヤ方式を基本としており、高速性に優れており、製造コストも安価であること、さらに現有プロセスで稼働しているボンディング装置で対応が可能であることなどが挙げられる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
電極との接続に用いられるバンプにおいては、ＬＳＩチップと接続基板の間隔および接合強度に及ぼす影響が大きいことから、バンプ高さを一定に保つことは重要である。特にワイヤによるバンプ形成においては、バンプ直上の破断部高さを如何に低くするかが課題となる。しかし従来のワイヤボンディングに使用されている金合金細線を用いると、図２（ａ）に示すように接合したボール部の直上のワイヤ破断長さ（ネック部長さ８）が長く、３００μｍ以上のものも発生しており、さらに破断箇所も定まらないことから高さのばらつきも大きいことが問題となる。これは、ワイヤボンディングにおいては、ループ結線時のダメージの低減や、工程中および実用時の振動断線を回避するために、ボール近傍の熱影響部の強度を向上するようなワイヤとなっていることと関連していると推測される。
【０００８】
本発明は、ボール接合後のワイヤ破断による、ネック部長さが安定して短くできる金合金細線を用いて作製することにより、図２（ｂ）に示すようなバンプ高さ９の低い良好なスタッド金合金バンプを提供することを目的としている。
【０００９】
【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、ネック部の破断箇所を短く抑えられる金合金細線を開発すべく研究を行った結果、ボール形成時の熱影響によりネック部の強度が低下すること、さらにそのネック強度の制御には、ワイヤ中の元素添加が有効であることを見出した。また、ネック強度と比較したワイヤの母線強度は高い方が、バンプ高さのばらつきを抑えるために好ましく、ワイヤ製造時に必要な加工性を得るためにも、母線強度は必要であることが判明した。
【００１０】
これらの知見をもとに構成する本発明は以下の内容を要旨とする。
（１）  Ｓｉを０．２〜５０００重量ppm の範囲で含有し、Ｃａ，Ｂｅ，Ｌａ，Ｃｅの１種または２種以上を総計で重量として０．２〜３００ppm の範囲で含有し、Ｙ，Ｓｃ，Ｓｒ，Ｇａ，Ｇｅ，Ｉｎの１種または２種以上を総計で重量として１〜５００ppm の範囲で含有し、Ｃｕ，Ｐｄ，Ｐｔ，Ａｌ，Ｍｎの１種または２種以上を総計で重量として２〜１００００ppm の範囲で含有し、残部金および不可避不純物からなることを特徴とする金合金バンプ。
（２）  Ｓｉを５０〜５０００重量ppm の範囲で含有し、Ｃａ，Ｂｅ，Ｌａ，Ｃｅの１種または２種以上を総計で重量として０．２〜３００ppm の範囲で含有し、Ｙ，Ｓｃ，Ｓｒ，Ｇａ，Ｇｅ，Ｉｎの１種または２種以上を総計で重量として７０〜５００ppm の範囲で含有し、Ｃｕ，Ｐｄ，Ｐｔ，Ａｌ，Ｍｎの１種または２種以上を総計で重量として２〜１００００ppm の範囲で含有し、残部金および不可避不純物からなることを特徴とするバンプ用金合金細線。
【００１１】
【作用】
以下に、金合金バンプおよび、バンプ作製に用いる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。
ボール形成時の熱影響により、ボール部直上のネック部は再結晶が起こるため、他のワイヤ部と比較して強度が低下する。バンプ形成時には、この熱影響部でのワイヤ破断をコントロールすることが重要となる。ネック強度を低くすること、さらにワイヤ母線部の強度は高くしておくことが好ましい。
【００１２】
金中にＳｉ元素を０．２〜５０００重量ppm の範囲で含有させると、ネック部の強度低下が顕著であり、容易に破断長さを短くできる。これは、Ｓｉ添加により高温強度が低下することを利用したものであり、金−シリコン系が共晶系であることと関係があると推測できる。ここで、Ｓｉの含有量を上記範囲と定めたのは、Ｓｉの含有量が０．２ppm 未満では高温強度を低下させる効果が小さく、一方５０００ppm を超えると、ボールの真球性が低下して、電極間の短い狭ピッチの接合が困難であるためである。ここで、Ｓｉ含有量が１００重量ppm を超えると、細線製造時に強度が上昇することに伴い、線径２５μｍ以下の細線化は容易となるものの、ワイヤ製造時の伸線ダイスの摩耗が顕著になる問題が発生し、製造時に中間焼鈍による軟質化が必要になる場合がある。しかし、Ｓｉが１００重量ppm 超では、Ｓｉの析出が現れ、これは母線強度の増加にもつながることから、バンプ高さのばらつき低減には好ましい。
【００１３】
ワイヤの破断長さを支配している要因として、再結晶領域における強度のみならず、その長さも重要である。Ｓｉの単独添加ではネック部の強度低下は顕著であるが、熱影響部長さが長いため、ワイヤ破断時の条件によってはワイヤ破断長さのばらつきの原因となることが懸念される。これには、上記のＳｉ添加に加えて、Ｃａ，Ｂｅ，Ｌａ，Ｃｅ（以下第一元素群と呼ぶ）の１種または２種以上を総計で重量として０．２〜３００ppm の範囲で含有させることにより、ネック部の破断長さを安定して短く抑えられる。熱影響部でのＳｉの添加効果である再結晶粒成長の促進に対して、熱影響端の部位では第一元素群の添加によりその再結晶を抑制することにより、強度低減した部位をボール部近傍のみに限定させ、常にボール部直上での破断を助長して、高さばらつきを低減する。
【００１４】
すなわち、この端部では第一元素群により再結晶の粒生成を抑制する効果が高く、この部位でのＳｉの再結晶促進を抑えているのに対し、ボール部近傍ではＳｉ添加効果により結晶粒の粗大化が助長され、この高温加熱領域では第一元素群によりこの粒粗大化が阻害されることはない。熱影響部近傍のワイヤの硬度を示したのが図３であるが、従来の市販ワイヤに比べて、Ｓｉ添加したＡ材ではネック部の強度が低下しており、さらに第一元素群を添加した一例であるＢ材では、硬度が低下している再結晶部位が短くなり、しかもボール直上近傍の硬度低下は確保されており、第一元素群とＳｉ添加の両者の相乗効果により、ネック部破断を促進している。
【００１５】
ここで含有量を上記範囲としたのは、０．２ppm 未満ではネック部破断の促進効果が小さく、一方３００ppm を超えると、ボール先端部に収縮孔が形成されるために、ボールボンディング後の接合性が低下するためである。
【００１６】
ネック部でのワイヤ破断を助長するためには、熱影響が及んでいない部位に対する相対的なネック部の強度低下が望まれる。すなわち、母線部強度を増加させることが有効であり、そのためにＹ，Ｓｃ，Ｓｒ，Ｇａ，Ｇｅ（第二元素群）の１種または２種以上を総計で１〜５００重量ppm の範囲で含有することにより、バンプ形成時にネック部破断を助長する効果が得られる。図３において、Ｓｉ含有のＡ材に、さらに第二元素群を添加した一例であるＣ材では、母線強度が上昇することにより強度差が大きくなることを示している。通常のワイヤ製造においては伸線材の直線性の確保のために調質熱処理を施すが、Ｓｉ添加だけでは熱処理温度が高いと強度が低下する場合があるが、上記元素群の添加により、高温強度には悪影響を及ぼさないで母線強度を高めて、ネック部以外のワイヤ部位での破断を抑制するものであり、さらに小径ボール作製のための線径２５μｍ以下で良好な直線性を有することによる操作性の高い細線を工業的に容易に製造できるものである。
【００１７】
ここで、上記含有量としたのは、１ppm 未満では強度上昇の効果が小さく、一方５００ppm を超えるとボール部の形状が不安定で半導体素子上の電極間距離の短ピッチ化に対応するために好ましい小径ボールの作製が困難となるという理由に基づくものである。
【００１８】
ＬＳＩチップ上のアルミ電極上にバンプを形成する際には、金ボールの接合性も重要な要求特性であり、Ｓｉ添加では、ボール部の接合性の向上は期待できないが、さらにＣｕ，Ｐｄ，Ｐｔ，Ａｌ，Ｉｎ，Ｍｎ（第三元素群）の１種または２種以上を総計で重量として２〜１００００ppm の範囲で含有すると、ボール接合後の接合強度が上昇する。アルミ電極との接合性を向上させるには、ボール接合時にアルミ表面の酸化膜を破壊する必要があり、ボール部の硬度は高い方が酸化膜の破壊を促進するが、硬度が上昇し過ぎると、超音波印加によりボール外周へアルミ膜の掃き出しが顕著となりむしろ接合強度が低下したり、接合時のチップダメージが懸念される。また狭ピッチ対応のための微小バンプ作製のためにも、ボール強度をある程度高くした方が良好な接合性が得られることを確認している。
【００１９】
ここで、第三元素群の含有量が５ppm 未満では接合強度を上昇させる効果が小さく、一方１００００ppm を超えると、ボール部の硬化による接合性の低下や、ボールの形状不良などが発生する確率が高くなる。
【００２０】
さらに、上記元素群において、Ｓｉに第一元素群と第二元素群を組合わせると、ネック部は強度低下して、かつその領域が短く、しかも母線部強度が高いことから、破断部の短小化の効果が大きくなり、さらに第三元素群を含有すると、接合強度も上昇し、ワイヤ引張時の接合部剥離もない優れたバンプ形成が容易となる。
【００２１】
【実施例】
以下、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、表１〜表６に示す化学成分の金合金を溶解炉で溶解鋳造し、その鋳塊を圧延および伸線により、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を調整した。
【００２２】
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、良好なものを○印にて評価した。
【００２３】
バンプ形成としては、高速自動ボンダーにより、前述の金ボールをシリコンチップ上に配線している膜厚１μｍの高純度アルミ電極膜上に超音波併用熱圧着法により接合した後に、上方でワイヤを強制的に引張ることにより、ワイヤをネック部で破断させることにより作製した。そのネック部における破断部長さを、５００個のバンプについて測定した顕微鏡によりバンプ高さとそのばらつきで評価した。バンプ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剪断破断を読み取るシェアテスト法で測定し、１００本の破断荷重の平均値を測定した。
【００２４】
また、熱影響を受けたネック部の強度と母線部の強度の差の評価としては、常温での引張破断強度と、約２５０度に設定した縦型炉中でワイヤを約２０秒間保持した後に引張試験した破断強度すなわち高温強度をそれぞれ２０本測定し、常温強度と高温強度との強度差を示した。
【００２５】
表１〜表４において、表１，２の実施例１〜３は本発明の各請求項記載に係わる金合金細線およびバンプの結果であり、表３，４は比較例である。
【００２６】
【表１】
0003571793.tif 000002
【００２７】
【表２】
0003571793.tif 000003
【００２８】
【表３】
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【００２９】
【表４】
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【００３０】
Ｓｉ添加材では、比較例１，２と比較すると、明らかにバンプ高さが低くなっている。さらに第一元素群を含有するとバンプ高さのばらつきが低減しており、第二元素群を添加するとワイヤの常温強度と高温強度との強度差が増加してバンプ高さの低減に寄与していることが判る。また、第三元素群の添加では、低いバンプ高さを維持した状態で、接合強度の増加が認められた。
【００３１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係わる金バンプ用金合金細線を使用して、ボール接合部の直上の破断残り部長さを短くかつそのばらつきを小さく抑え、しかも接合強度に優れた正常なバンプを得ることにより、半導体の高密度実装に適したワイヤレスボンディングに対応する金バンプ用金合金細線を提供するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】スタッドバンプ形成法についての説明図。
【図２】バンプのネック部について比較したものであり、（ａ）図は従来の金合金細線で形成したバンプの概略図、（ｂ）図は本発明の金合金バンプの概略図である。
【図３】ボール部ｋ近傍のネック部における微小硬度を示したものであり、図中のＡ，Ｂ，Ｃはいずれも本発明に係わる金合金細線に相当する。
【符号の説明】
１：金合金細線
２：クランパ
３：キャピラリ
４：ネック部（ワイヤ破断部位）
５：バンプ
６：アルミ電極
７：シリコンチップ
８：ネック部長さ
９：バンプ高さ
【図１】
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【図２】
0003571793.tif 000007
【図３】
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