(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｍｎを０．００５〜０．８重量％、およびＣｕ，Ｐｄ，Ｐｔの少なくとも１種を総計で０．０７〜５重量％の範囲で含有し、残部を金および不可避不純物からなることを特徴とする耐食性に優れたバンプ用金合金細線。
【請求項２】
Ｍｎを０．００５〜０．８重量％、およびＳｃ，Ｇａ，Ａｌの少なくとも１種を総計で０．０００５〜０．０５重量％の範囲で含有し、残部を金および不可避不純物からなることを特徴とする耐食性に優れたバンプ用金合金細線。
【請求項３】
Ｍｎを０．００５〜０．８重量％、およびＣｕ，Ｐｄ，Ｐｔの少なくとも１種を総計で０．００５〜５重量％、さらにＳｃ，Ｇａ，Ａｌの少なくとも１種を総計で０．０００５〜０．０５重量％の範囲で含有し、残部を金および不可避不純物からなることを特徴とする耐食性に優れたバンプ用金合金細線。
【請求項４】
Ｍｎを０．００５〜０．８重量％、およびＣｕ、Ｐｄ、Ｐｔの少なくとも１種を総計で０．０６〜５重量％、さらにＣａ，Ｂｅ，Ｌａ，Ｃｅ，Ｙの少なくとも１種を総計で０．０００２〜０．０３重量％の範囲で含有し、残部を金および不可避不純物からなることを特徴とする耐食性に優れたバンプ用金合金細線。
【請求項５】
Ｍｎを０．００５〜０．８重量％、およびＳｃ，Ｇａ，Ａｌの少なくとも１種を総計で０．０００５〜０．０５重量％、さらにＣａ、Ｂｅ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｙの少なくとも１種を総計で０．０００２〜０．０３重量％の範囲で含有し、残部を金および不可避不純物からなることを特徴とする耐食性に優れたバンプ用金合金細線。
【請求項６】
請求項１〜５の何れかに記載の金合金細線を用いて形成したことを特徴とする金合金バンプ。
【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のバンプ（金属突起）を形成するために使用される金バンプ用金合金細線およびこれを用いて形成されるスタッドバンプに関する。
【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、この方法においても、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の穴に通した金線１の先端に放電によりボールを形成し、このボールを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、バンプ５を形成するものである。
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。
【０００６】
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、接合したボール部の直上のワイヤ破断長さが長く、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。バンプ高さの低い良好なスタッド金合金バンプを形成するためのスタッドバンプ用の金合金細線に関連しては、例えば特願平７−６６５９１号などに記載されている。
【０００７】
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の環境で使用される場合がある。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。金細線を用いた場合、高温環境下におけるアルミ電極との接合部の長期信頼性の低下などが問題視されている。
【０００８】
コスト、生産性などの理由から、信頼性の高いセラミックスパッケージよりも、安価な樹脂封止による半導体装置が所望されている。スタッドバンプにより接合される半導体装置においても、実装形態として樹脂封止での使用が増えてきている。バンプと電極との接合部に加わる外部ストレスなどはボンディングワイヤと比較しても問題となり、また高密度実装への対応として接合部が微小することに伴い、発熱による接合部の経時変化も懸念されるため、接合信頼性の観点からの厳しい管理が必要となる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、スタッドバンプにおいては接合信頼性の課題がより問題となる可能性が高いにも拘わらず、破断長さの低減を目的とした従来の金細線の場合の素材選定が主であり、接合信頼性の向上という観点からの材料開発はほとんど行われていなかった。
従来の金細線では、半導体素子上のアルミ電極との長期信頼性の低下が問題視される。電極部材であるアルミと金が相互拡散して金属間化合物の生成やボイドの発生による接合部で剥離や電気的導通不良などが生じるためである。
【００１０】
本発明者等が、金合金細線とアルミ電極との接合部の信頼性に関して検討した結果、樹脂封止された接合部における金属間化合物層の腐食が信頼性に及ぼす影響が大きいことが確認された。接合界面近傍に成長した金とアルミの金属間化合物が封止樹脂中に含有するハロゲン成分と反応することにより接合部の電気抵抗が増加し、腐食が顕著な場合は電気的導通不良などが生じる。
本発明は、樹脂封止された状態でのアルミ電極との接合部において高い接合信頼性を有する金バンプおよび、その金スタッドバンプを容易に作製することができる金合金細線を提供することを目的としている。
【００１１】
【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、高温下での接合信頼性を向上させ、ネック部の破断箇所を短く抑えられるスタッドバンプ形成に好適な金合金細線を開発すべく研究を行った結果、
（ａ）Ｍｎを０．００５〜０．８重量％の範囲で添加させることで、樹脂封止した接合部において長期信頼性が向上していることを見出した。さらに、Ｍｎの適量添加では、バンプの破断長さを低減にも効果がある。また、Ｍｎ元素の単独添加でなく、さらに下記の第一群、第二群、第三群の元素を共存せしめることにより、以下の知見を見出した。
（ｂ）Ｃｕ，Ｐｄ，Ｐｔ（第一群）の少なくとも１種を総計で０．００５〜５重量％の範囲での添加は、Ｍｎ添加と併用することにより、金属間化合物層の成長を抑制する効果が高まり、接合信頼性が高まるものである。
（ｃ）Ｓｃ，Ｇａ，Ａｌ（第二群）の少なくとも１種を総計で０．０００５〜０．０５重量％の範囲での添加は、Ｍｎ添加の併用することにより、金合金細線をアルミニウム電極上への接合性を高める効果が得られることを確認した。
（ｄ）Ｃａ，Ｂｅ，Ｌａ，Ｃｅ，Ｙ（第三群）の少なくとも１種を総計で０．０００２〜０．０３重量％の範囲での添加は、Ｍｎ添加と併用することにより、ボール形成時の熱影響による再結晶領域を短く抑えることにより、ネック部の破断長さを安定して短く抑えられることを確認した。
【００１２】
すなわち、本発明は上記知見に基づくものであって、金合金細線および、その金合金細線を用いて、アルミニウムまたはアルミニウム合金の電極部の上に接合して樹脂封止されている半導体装置として、以下の構成を要旨とする。
（１）Ｍｎを０．００５〜０．８重量％、およびＣｕ，Ｐｄ，Ｐｔの少なくとも１種を総計で０．０７〜５重量％の範囲で含有し、残部を金の不可避不純物からなる金合金バンプおよびバンプ用金合金細線。
（２）Ｍｎを０．００５〜０．８重量％、およびＳｃ，Ｇａ，Ａｌの少なくとも１種を総計で０．０００５〜０．０５重量％の範囲で含有した金合金バンプおよびバンプ用金合金細線。
（３）Ｍｎを０．００５〜０．８重量％、およびＣｕ，Ｐｄ，Ｐｔの少なくとも１種を総計で０．００５〜５重量％、さらにＳｃ，Ｇａ，Ａｌの少なくとも１種を総計で０．０００５〜０．０５重量％の範囲で含有した金合金バンプおよびバンプ用金合金細線。
（４）Ｍｎを０．００５〜０．８重量％、およびＣｕ，Ｐｄ，Ｐｔの少なくとも１種を総計で０．０６〜５重量％、さらにＣａ，Ｂｅ，Ｌａ，Ｃｅ，Ｙの少なくとも１種を総計で０．０００２〜０．０３重量％の範囲で含有した金合金バンプおよびバンプ用金合金細線。
（５）Ｍｎを０．００５〜０．８重量％、およびＳｃ，Ｇａ，Ａｌの少なくとも１種を総計で０．０００５〜０．０５重量％  、さらにＣａ，Ｂｅ，Ｌａ，Ｃｅ，Ｙの少なくとも１種を総計で０．０００２〜０．０３重量％の範囲で含有した金合金バンプおよびバンプ用金合金細線。
【００１３】
【発明の実施の態様】
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。本発明で使用する高純度金とは、純度が少なくとも９９．９９５重量％以上の金を含有し、残部を不可避不純物からなるものである。
【００１４】
金ワイヤ接合部が高温環境に曝されると、接合界面において金とアルミの相互拡散に伴い数種の金属間化合物が成長し、この金／アルミニウム化合物の中で特定の化合物相（Ａｕ４  Ａｌ相）が封止樹脂中のハロゲン元素と容易に反応して、接合部における電気抵抗を増加させる原因となる。
【００１５】
金中にＭｎを添加すると、Ｍｎ元素が金中を拡散によりＡｕ／Ａｌ界面近傍に濃化偏析して腐食される化合物相の成長を抑制するものであり、高温放置した接合部の電気抵抗の上昇を抑制する。Ｍｎの含有量を０．００５〜０．８重量％と定めたのは、Ｍｎの含有量が０．００５重量％未満では接合部における金属間化合物の腐食を抑制する効果が小さく、一方０．８重量％を超えるとワイヤ先端に形成したボール部表面に酸化膜が形成されたと思われる、接合直後の接合強度の低下が認められるという理由に基づくものである。
【００１６】
さらにスタッドバンプとしての使用性能をより高めることに重点を置いたとき、好ましくは、Ｍｎの含有量が０．０２〜０．８重量％の範囲内であることがより望ましい。これは、０．０２重量％以上では、ネック部における再結晶抑制する効果があるため、破断長さの低減効果が高められているためである。
【００１７】
Ｍｎの添加に加えて、Ｃｕ，Ｐｄ，Ｐｔ（第一群）の少なくとも１種を総計で０．００５〜５重量％の範囲で含有することにより、金／アルミニウムの化合物層全体の成長速度を抑制する効果が高まることが判明した。Ｃｕ，Ｐｄ，Ｐｔのみの添加でも成長速度を遅くする効果はあるものの、化合物相（Ａｕ４  Ａｌ相）の成長を積極的に抑えることは困難である。Ｍｎの添加と併用することにより、腐食反応の抑制効果が高まるものである。第一元素群の含有量を上記範囲と定めたのは、０．００５重量％未満では接合部における信頼性向上の効果が小さく、一方５重量％を超えるとボール部の硬度および強度が高くなるため、接合時にアルミニウム電極の直下のシリコン基板にクラックなどの損傷を与えるという理由に基づくものである。
【００１８】
また、Ｍｎの添加に加えて、Ｓｃ，Ｇａ，Ａｌ（第二群）の少なくとも１種を総計で０．０００５〜０．０５重量％の範囲で添加は、金合金細線とアルミニウム電極との連続接合性を高めることが判明した。前述した接合時の損傷を懸念して、接合荷重または超音波振動を低く設定すると、接合直後に十分な強度を確保することが難しくなるが、第二元素群をＭｎの添加と併用することにより、連続接合時の不良発生はなく、接合強度を高めることができるものである。詳細な機構については判明していないが、初期の化合物成長の促進または、接合性の低下をもたらす可能性のあるワイヤ表面でのＭｎの酸化の抑制などが考えられる。第二元素群の含有量を上記範囲と定めたのは、０．０００５重量％未満では接合性を高める効果が小さく、一方０．０５重量％を超えると、かえって接合強度の低下をもたらすという理由に基づくものである。
【００１９】
バンプ作製の破断長さを支配している要因として、ボール形成時の熱影響を受けた再結晶領域の長さが重要である。高純度金の細線ではネック部の熱影響部長さが長いため、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、Ｃａ，Ｂｅ，Ｌａ，Ｃｅ，Ｙ（第三群）の少なくとも１種を総計で０．０００２〜０．０３重量％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。熱影響端の部位では第三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、破断残り長さを低減する。ここで含有量を上記範囲としたのは、０．０００２重量％未満ではネック部破断の促進効果が小さく、一方０．０３重量％を超えると、ボール部の真球度が低下するため、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。
【００２０】
Ｍｎの添加および、第一、二元素群の共存により、接合後で且つ樹脂封止しない状態で半導体装置が高温維持されたときに、接合強度が顕著に上昇し、半導体装置の高温保管における信頼性の向上効果が高めることができる。これは、Ｍｎの単独添加の場合の接合部では、化合物層が厚く成長したときに化合物層と金細線の界面近傍に小さなボイド（空隙）が観察されたが、さらに第一、二元素群の併用添加させることによりそれらの欠陥の発生も抑えられていることが原因であると思われる。
【００２１】
またＭｎ添加および、第一、三元素群の共存により、伸線加工による金細線の作製において、伸線強度が上昇することが判明しており、極細線の作製が容易となり、狭ピッチなどの高密度実装に対応した微小バンプの形成に好適である。従来の金合金細線においても線径が２０μｍ以下の極細を作製すると、伸線時に強度不足により断線が発生する確率が増える。Ｍｎ添加では強度の上昇はあまり望めず、第一元素群を添加すると強度はある程度増加することは判ったが、さらに第三元素群も併用添加することにより、著しく破断強度が増加することが確認された。また生産性への効用としては、伸線工程での高速化においての断線の低減にも有効であることが挙げられる。
【００２２】
さらにＭｎ添加および、第二、三元素群の共存により、接合直後の接合強度の増加が促進され、実用面では接合時の加熱温度の低温化もはかることが可能となる。これは、第三元素群の添加による細線の強度の適度の上昇が、接合時にアルミニウム電極上の酸化膜の破壊を促進するように作用して、上述した第二元素群の接合性の向上効果をより一層高めていると推察される。
【００２３】
【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および表２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。
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等半導体素子上の電極に良好な接合ができないものを△印で示した。さらにボール接合部の損傷に関しては、王水などを使用して金細線およびアルミニウム電極などを溶解し、接合部直下のシリコン基板の表面におけるクラックなどの損傷を走査型電子顕微鏡で観察した。５０本以上の電極部を観察し、クラックなどの損傷が２カ所以上認められるものを×印にて示した。ボール形成が良好であり、且つ基板への損傷が認められないものを○印にて評価した。
【００２４】
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の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、１００個のバンプについて測定したバンプ高さで評価した。
【００２５】
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とるシェアテスト法で測定し、５０本の破断荷重の平均値を測定した。さらに、バンプ接合後の半導体装置を樹脂封止しない状態で、窒素ガス中において２００度で２００時間加熱処理した後に、５０本のシェアテストの平均値により接合強度の変化を評価した。
【００２６】
伸線工程における破断程度は、所定成分に調整した金合金の鋳塊２ｋｇを、線径５００μｍから最終線経２０μｍの金合金細線に到るまで伸線する工程において、断線回数を調査し、０回のものを◎で、１〜５回を○、５回を超えるものを△で示した。
【００２７】
金ボールをアルミニウム電極に接合した半導体装置を樹脂封止しない状態で、窒素ガス中において２００度で２００時間加熱処理した後に、５０本のシェアテストの平均値により接合強度の変化を評価した。さらに、同一の熱処理を施した半導体装置を用いて、ボール接合部の中心を通る断面まで垂直研磨し、接合界面に成長した金とアルミニウムの金属間化合物層中を観察した。ボイドなどの欠陥が接合界面全体に認められる場合は△印で、ボイドが局所的にのみ発生している場合を○印で、観察されない場合を◎印で表記した。
【００２８】
接合部における腐食調査としては、金細線を接合した半導体装置をエポキシ樹脂で封止した後に、窒素ガス中において２００度で３００時間加熱処理した後に、ボール接合部の中心を通る断面まで垂直研磨し、接合界面に成長した金とアルミニウムの金属間化合物層の腐食を観察した。金属間化合物層は灰色を呈し、腐食が進行した化合物層は褐色になり容易に識別可能であることを利用して、ボール接合部における金属間化合物の腐食の進行を調べた。金属間化合物の腐食進行としては、ボール接合部の研磨断面において腐食領域長さ（ｂ）が金属間化合物層成長の長さ（ａ）に占める割合で評価したものであり、腐食部が占める割合（ａ／ｂ）を３０個のボール接合部で平均した値が、５％以下では腐食の抑制が顕著であると判断して◎印、４０％以上で腐食が顕著なものは△印、その中間である５％〜４０％のものは○印で表記した。
【００２９】
表１において、実施例１〜４は本発明の第１請求項記載に係わるものであり、実施例５〜６は第２項、実施例７〜８は第３項、実施例９〜１３は第４請求項、実施例１４は第５請求項記載に係わる金合金細線の結果である。表２は比較例である。
【００３０】
本発明に係わるＭｎ添加では、比較例１，３，４などと比較すると接合部の腐食が明らかに抑えられていた。Ｍｎ含有に加えて、第一元素群のＣｕ，Ｐｄ，Ｐｔの併用している実施例１〜４では化合物層の腐食がほとんど認められず、信頼性がさらに向上しており、また、第一元素群と第二元素群が共存している実施例７〜８では、腐食の抑制に加えてボイドの発生も抑えられていることが判明した。しかし、Ｍｎ濃度が０．８重量％以上含まれている比較例２，５，１０などでは、ボール部先端での引け巣の発生およびシェア強度の低下していること、また比較例６，７ではＣｕ，Ｐｄ，Ｐｔの含有量が５重量％以上であり、ボール接合時のシリコン基板への損傷が認められた。
【００３１】
Ｍｎ含有に加えて、第二元素群のＳｃ，Ｇａ，Ａｌを適量含有する実施例５〜６では、接合直後のシェア強度が５０ｇｆ以上が確保されていること、さらに、第二元素群と第三元素群が共存している実施例１４では、両者とも含有しない場合と比較して、シェア強度が２０ｇｆ程度増加していることが確認された。
【００３２】
第一元素群と第三元素群が共存している実施例９〜１３では、２０μｍ径の細線までの伸線工程において断線が認められず、生産性が向上することが可能であることが確認できた。
【００３３】
【表１】
0003593206.tif 000002
【００３４】
【表２】
0003593206.tif 000003
【００３５】
【表３】
0003593206.tif 000004
【００３６】
【表４】
0003593206.tif 000005
【００３７】
【表５】
0003593206.tif 000006
【００３８】
【表６】
0003593206.tif 000007
【００３９】
【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合金細線を使用して、アルミニウム電極部との接合部において高い長期信頼性を有するバンプを容易に形成することが可能である、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である。
【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】
0003593206.tif 000008