(57)【要約】【課題】  線径が２３μｍ以下の細いワイヤであっても、Ａｕ−Ａｇ等合金マトリックス中で微量元素の分散性が良く、Ａｕ−Ａｌの相互拡散を遅延させることができ、リーニングが発生せず、溶融ボールの真球性が維持され、さらに圧着ボールが真円性を有することができるボンディング・ワイヤを提供する。【解決手段】  線径が２３μｍ以下の細いワイヤであっても、Ａｕ−Ａｇ等合金マトリックス中で微量元素の分散性が良く、Ａｕ−Ａｌの相互拡散を遅延させることができ、リーニングが発生せず、溶融ボールの真球性が維持され、さらに圧着ボールが真円性を有することができるボンディング・ワイヤを提供する【選択図】      なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
９９．９９質量％以上の高純度Ａｕに９９．９９質量％以上の高純度のＡｇ又はＣｕのうち少なくとも１種を０．２〜２質量％含有させたＡｕ合金マトリックス中に微量元素を分散させた合金であって、該微量元素が１０〜１００質量ｐｐｍのＭｇと、５〜１００質量ｐｐｍのＣｅと、５〜１００質量ｐｐｍのＹ、Ｇｄ、Ｂｅ、ＬａおよびＳｉのうちの少なくとも１種とからなるＡｕ合金からなることを特徴とするＡｕ合金ボンディング・ワイヤ。
【請求項２】
９９．９９質量％以上の高純度Ａｕに９９．９９質量％以上の高純度のＡｇ又はＣｕのうち少なくとも１種を０．２〜２質量％含有させたＡｕ合金マトリックス中に微量元素を分散させた合金であって、該微量元素が１０〜１００質量ｐｐｍのＭｇと、５〜１００質量ｐｐｍのＢｅと、５〜１００質量ｐｐｍのＹ、Ｅｕ、ＬａおよびＳｉのうちの少なくとも１種からなるＡｕ合金からなることを特徴とするＡｕ合金ボンディング・ワイヤ。
【請求項３】
該微量元素の合計が１００質量ｐｐｍ以下であることを特徴とする請求項１または２に記載のＡｕ合金ボンディング・ワイヤ。
【請求項４】
該ワイヤの線径が２３μｍ以下であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のＡｕ合金ボンディング・ワイヤ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体の集積回路素子上の電極と回路配線基板の外部リードを接続するために使用する半導体素子のワイヤボンディング用のＡｕ合金ボンディング・ワイヤに関し、更に詳しくは、第一ボンドと第二ボンドの接合性が向上されたＡｕ合金ボンディング・ワイヤに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から半導体装置に用いられるＩＣチップ電極と外部リードを接続する線径２５〜３５μｍ程度の線としては、純度９９．９９質量％以上の高純度金に、ＰｄやＰｔ等の貴金属元素を数％含有させた金合金に微量元素を添加したＡｕ合金ボンディング・ワイヤが、極細線の強度と第一ボンドにおける信頼性において優れているとして多用されている。通常、Ａｕ合金ボンディング・ワイヤを接続する方法においては、第一ボンドでは、超音波併用熱圧着ボンディング法が主として用いられている。この方法では、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、その後の第二ボンドでは、直接ボンディング・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。
【０００３】
最近は、半導体装置の小型化、薄型化、高機能化および高信頼性化の要求が高まる中で、金ボンディング・ワイヤに必要とされる特性も多様化しており、ＩＣチップの多ピン化及びこれに伴う狭ピッチ化に対応するため、金ボンディング・ワイヤの細線化による強度の向上、あるいは第一ボンドにおけるボールの真円性や第二ボンドにおける接合性等が要求されている。特に半導体装置の一層の小型化、薄型化および高機能化に伴い、半導体装置の大きさが小さくなっている。それに伴って、単位面積あたりの入出力端子の数が増大して、Ａｌパッドの大きさも１００μｍ角から８０μｍ角、６０μｍ角へと小さくなってきている。このためボンディング・ワイヤの線径も２５μｍから２３μｍ以下へと細くなり始めてきた。ところが、ボンディング・ワイヤの線径が細くなると、ワイヤ自身の絶対的な剛性が低下するため、２５μｍの線径では問題にならなかったような不具合が発生するようになった。例えば、剛性が低下すると、第一ボンドと第二ボンドの間に張られたワイヤが左右に倒れ、隣接するワイヤ同士の間隔が狭くなったり接触したりする、いわゆる「リーニング」と呼ばれる不具合が発生する。また、高温環境で長時間使用された場合、第一ボンドのＡｕワイヤとＡｌパッド間の界面における化合物の成長が急速に進んだ結果、生成した化合物によりボール接合性を低下させる不具合が発生することがある。このため、希土類元素等を微量に添加することにより剛性を高めたり、Ｐｄ等の貴金属元素を数％Ａｕに含有させて界面におけるＡｕ−Ａｌの相互拡散を遅延させ化合物の成長を抑制したりしていた。
【０００４】
ところが、微量元素は高濃度にすればするほどＡｕ−Ｐｄ等合金ワイヤの絶対的な剛性が高くなり、ループ形成性が向上する傾向にあるが、Ａｕ素地に溶質した微量元素によってＡｕボールの形成性が悪くなってしまう。そのため、溶融ボールの形状や圧着ボールの形状がいびつになり、狭いピッチ間隔のボール・ボンディングが困難となる等の問題があり、３００ｐｐｍを超えての微量元素の添加をすることはできない。このため従来は、例えばＡｕ−０．２〜２質量％Ｐｄ合金マトリックスに対して主にＣａを１〜５０ＰＰｍ微量添加して強度を確保していた。ところが、Ｃａは極細線の表面に部分的に析出することがあり、この表面析出したＣａが酸化された結果、第一ボンドのボール形状や接合性が安定せず圧着ボールの真円性が悪かったり、第二ボンドのウェッジ接合性を悪くしたりすることがあった。また、添加する微量元素が複雑になると、Ａｕ−Ｐｄ等のＡｕ合金中ではこれらの元素が複雑に分散して溶融ボールの表面に析出することがあり、良好な初期接合が得られず、信頼性の高い第一ボンドと第二ボンドの接合性が得られなかった。
【０００５】
なお、前記ワイヤボンティングに関する文献を示すと、以下の通りである。
【０００６】
【特許文献１】特開２００３−１３３３６２号公報
【特許文献２】特開平１１−８７３９６号公報
【特許文献３】特開平１１−２１４４２５号公報
【特許文献４】特開平１１−２２２６３９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、線径が２３μｍ以下の細いワイヤであっても、Ａｕ−Ａｇ等合金マトリックス中で微量元素の分散性が良く、Ａｕ−Ａｌの相互拡散を遅延させることができ、リーニングが発生せず、溶融ボールの真球性が維持され、さらに圧着ボールが真円性を有することができるボンディング・ワイヤを提供することをその課題とし、また、添加元素量が３００ｐｐｍ以下と微量であり、大気中でボール・ボンディングしてもその溶融ボールや極細線の表面に酸化膜が形成することのないボンディング・ワイヤを提供することを他の課題とし、さらに、これまではボール・ボンディングでは余り考慮されてこなかった超音波圧着による第二ボンドのウェッジ接合性を向上したボンディング・ワイヤを提供することをさらに他の課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者らは、前記課題を解決すべく鋭意研究を重ねた結果、本発明を完成するに至った。
即ち、本発明によれば、以下に示すＡｕ合金ボンディング・ワイヤが提供される。
（１）９９．９９質量％以上の高純度Ａｕに９９．９９質量％以上の高純度のＡｇ又はＣｕのうち少なくとも１種を０．２〜２質量％含有させたＡｕ合金マトリックス中に微量元素を分散させた合金であって、該微量元素が１０〜１００質量ｐｐｍのＭｇと、５〜１００質量ｐｐｍのＣｅと、５〜１００質量ｐｐｍのＹ、Ｇｄ、Ｂｅ、ＬａおよびＳｉのうちの少なくとも１種とからなるＡｕ合金からなることを特徴とするＡｕ合金ボンディング・ワイヤ。
（２）９９．９９質量％以上の高純度Ａｕに９９．９９質量％以上の高純度のＡｇ又はＣｕのうち少なくとも１種を０．２〜２質量％含有させたＡｕ合金マトリックス中に微量元素を分散させた合金であって、該微量元素が１０〜１００質量ｐｐｍのＭｇと、５〜１００質量ｐｐｍのＢｅと、５〜１００質量ｐｐｍのＹ、Ｅｕ、ＬａおよびＳｉのうちの少なくとも１種とからなるＡｕ合金からなることを特徴とするＡｕ合金ボンディング・ワイヤ。
（３）該微量元素の合計が１００質量ｐｐｍ以下であることを特徴とする（１）または（２）に記載のＡｕ合金ボンディング・ワイヤ。
（４）該ワイヤの線径が２３μｍ以下であることを特徴とする（１）〜（３）のいずれかに記載のＡｕ合金ボンディング・ワイヤ。
【０００９】
本発明で溶融ボールについていう真球性は、ワイヤの無い側からワイヤの長手方向へ溶融ボールを見て溶融ボールの縦横の直径を測定し、その比（横の直径／縦の直径）で定義する。その値は０．９９〜１．０１、好ましくは０．９９５〜１．００５である。また、圧着ボールの真円性は、超音波の印加方向に平行方向の圧着径と垂直方向の圧着径を測定し、その比（垂直方向の圧着径／平行方向の圧着径）で定義する。その値は０．９８〜１．０２、好ましくは０．９９〜１．０１である。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、ボンディング・ワイヤの線径が２３μｍ以下の細い線径であっても、Ａｕ−Ａｌの相互拡散の遅延効果とウェッジ接合の向上効果、リーニング抑制効果、溶融ボールの真球性効果、並びに圧着ボールの真円性効果を併せ持つことができる。本発明では、従来のように添加する微量元素は３００質量ｐｐｍを超えて増加させる必要がないので、大気中でボール・ボンデイングしても、その溶融ボールや極細線の表面に酸化膜が形成されることのないボンディング・ワイヤを実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
本発明のＡｕ合金ボンディング・ワイヤは、マトリックス合金として、（ｉ）Ａｕと（ｉｉ）Ａｇ及び／又はＣｕを含有し、そのマトリックス合金中に分散させる微量元素として、（ｉｉｉ）Ｍｇを必須成分の元素とするほか、（ｉｖ）Ｃｅ、（ｖ）Ｙ、Ｇｄ、Ｂｅ、Ｌａ、及びＳｉの中から選ばれる少なくとも１種の元素を組み合わせたもの、または（ｖｉ）Ｂｅと（ｖｉｉ）Ｙ、Ｅｕ、Ｌａ及びＳｉの中から選ばれる少なくとも１種類の元素を組み合わせたものからなる。本発明で用いる微量金属は、マトリックス合金に対して良好な分散性を有することを特徴とする。
【００１２】
本発明において用いるマトリックス合金において、そのＡｕは高純度Ａｕであって、その純度は９９．９９質量％以上、好ましくは９９．９９９質量％以上である。また、そのＡｇ及び／又はＣｕは、高純度のもので、その純度は、９９．９９質量％以上、好ましくは９９．９９９質量％以上である。
マトリックス合金中のＡｇ及び／又はＣｕの含有量は、マトリックス合金に対し、０．２〜２質量％、好ましくは０．５〜１．５質量％である。
マトリックス合金中にＡｇとＣｕの両方を添加するときには、特に制限はない。Ａｕに対してＡｇもＣｕも同等のマトリックス効果を発揮するからである。
【００１３】
前記マトリックス合金（Ａｕ合金）中に分散させる微量元素において、そのＭｇの純度は９９．９質量％以上、好ましくは９９．９９質量％以上である。その含有量は、マトリックス合金に対して、１０〜１００質量ｐｐｍ、好ましくは４０〜８０質量ｐｐｍである。
Ｍｇは、Ａｕ合金マトリックス中において、超音波圧着による第一ボンドのウェッジ接合性を向上させることができる元素であることがわかった。Ｍｇは１０〜１００質量ｐｐｍ含有していると、上記のウェッジ接合性の向上効果を示す。１０質量ｐｐｍ未満ではウェッジ接合性を向上させることができず、１００質量ｐｐｍを超えるとボール表面にＭｇが析出、酸化した結果、第一ボンドにおいて接合性が悪化する。
【００１４】
前記マトリックス合金（Ａｕ合金）中に分散させる微量元素において、その「Ｃｅ」と「Ｙ、Ｇｄ、Ｂｅ、ＬａおよびＳｉのうちの少なくとも１種」または「Ｂｅ」と「Ｙ、Ｅｕ、ＬａおよびＳｉのうちの少なくとも１種」の各々の元素の純度は９９．９質量％以上、好ましくは９９．９９質量％以上である。それぞれの含有量は、マトリックス合金に対して、５〜１００質量ｐｐｍ、好ましくはＬａ、Ｓｉにおいては５〜８０質量ＰＰｍ、それ以外の元素においては５〜３０質量ｐｐｍである。
ＣｅとＹ、Ｇｄ、Ｂｅ、ＬａおよびＳｉ、またはＢｅとＹ、Ｅｕ、ＬａおよびＳｉはＡｕ合金マトリックス中において、線径が２３μｍ以下の細い線径であっても、極細線自身の剛性を増すことにより、ループ形成性を維持するとともに、第一ボンディングにおける圧着ボールの真円性を維持することができる元素であることがわかった。「Ｃｅ」と「Ｙ、Ｇｄ、Ｂｅ、ＬａおよびＳｉのうちの少なくとも１種」または「Ｂｅ」と「Ｙ、Ｅｕ、ＬａおよびＳｉのうちの少なくとも１種」は１元素あたりの量が５質量ｐｐｍ未満か、もしくはこれらの元素の総量が１０質量ｐｐｍ未満ではＡｕ−Ａｇ等合金ワイヤのループ形成性を維持するとともに、第一ボンディングにおける圧着ボールの真円性を維持することができず、１元素あたりの量が１００質量ｐｐｍか、もしくはこれらの元素とＭｇを合わせた微量元素の総量が３００質量ｐｐｍを超えると溶融ボールがいびつに変形したり、極細線自身の剛性が大きくなりすぎて半導体チップを割ってしまいやすくなったりする。また、Ａｕ−Ａｇ等合金の溶融ボール表面に微量元素が析出し、酸化することにより、第一ボンドにおいて接合性が悪化したり、圧着ボールの真円性が悪くなったりすることがある。真円性効果は高い順にＳｉ、Ｌａ、Ｂｅ、Ｃｅ、Ｅｕ、Ｙ、Ｇｄであった。
【００１５】
本発明で用いる微量元素における「Ｍｇ」と「Ｃｅ」と「Ｙ、Ｇｄ、Ｂｅ、ＬａおよびＳｉのうちの少なくとも１種」または「Ｍｇ」と「Ｂｅ」と「Ｙ、Ｅｕ、ＬａおよびＳｉのうちの少なくとも１種」は、すべて高純度のＡｕ−Ａｇ等合金の希薄なＡｕ合金中で分散性が良い添加元素であり、ＣａやＺｎのように希薄なＡｕ合金の表面に不意に析出して酸化膜を形成することがない。したがって、「Ｍｇ」と「Ｃｅ」と「Ｙ、Ｇｄ、Ｂｅ、ＬａおよびＳｉのうちの少なくとも１種」または「Ｍｇ」と「Ｂｅ」と「Ｙ、Ｅｕ、ＬａおよびＳｉのうちの少なくとも１種」とを組み合わせることによってＡｕ合金ボンディング・ワイヤにおける相互拡散の遅延効果に加え、ウェッジ接合性の向上効果、並びに溶融ボールの真球性効果、極細線におけるループ形成効果、圧着ボールの真円性効果を併せ持たせることができる。
【００１６】
これまでＭｇと希土類元素とをＡｕ−Ａｇ合金ボンディング・ワイヤに共添加することは文献上は知られていたし（特許文献２〜４）、実際に共添加した例もあった（特許文献１）。しかし、特許文献１に記載のＺｎを含むＡｕ合金は極細線上に酸化膜を簡単に形成しやすいため極細線が細くなればなるほど圧着ボールの真円性が得られにくくなる。また、Ｃａを含むＡｕ合金は他の添加元素の有無にかかわらず不規則に表面へ析出して酸化するため、第一ボンドの接合信頼性や圧着ボールの真円性が得られないという不具合がある。したがって、従来でも「Ｍｇ」と「Ｃｅ」または「Ｂｅ」とを組み合わせることが考えられていたが、Ｍｇ等が高純度のＡｕ−Ａｇ等合金の希薄なＡｕ合金中で分散性が良い元素であり、かつ、大気中でボール・ボンディングしても溶融ボールや極細線の表面に酸化膜が形成されることがない微量元素であることは知られていなかった。従って、「Ｍｇ」と「Ｃｅ」と「Ｙ、Ｇｄ、Ｂｅ、ＬａおよびＳｉのいずれか１種」または「Ｍｇ」と「Ｂｅ」と「Ｙ、Ｅｕ、ＬａおよびＳｉのうち少なくとも１種」とを組み合わせることによって、これらの微量元素がすべて希薄なＡｕ合金中で分散性が良い微量元素であり、表面析出を起こさないことから、ボンディング・ワイヤとしての安定した品質が得られるということは予測不可能であった。
【実施例】
【００１７】
次に、本発明を実施例により詳述する。
【００１８】
表１に実施例の各試料の組成を示す。純度９９．９９９質量％の高純度Ａｕと純度９９．９９質量％の高純度Ａｇ、Ｃｕとの合金に微量元素として表１に記載の数値（質量ｐｐｍ）になるように配合し、真空溶解炉で溶解鋳造した。これを伸線加工して、線径が２５μｍ、２２μｍ、２０μｍまたは１５μｍのところで最終熱処理し、伸び率を４％に調整した。なお、各ボンディング・ワイヤの伸びと引張り強さは、１０ｃｍ長に切り出したワイヤを各１０本引張り試験し、その平均値を求めることで評価した。この極細線をＳｉチップ上の６０μｍ角のＡｌパッド（Ａｌ膜厚：約１μｍ）に大気中で超音波併用熱圧着方式によるボール・ボンデイング法により第一次ボンデイングをし、その後Ａｇめっきされた４２アロイから成るリードとの間で超音波併用熱圧着方式によるウェッジ方式ボンディング法により第一次ボンデイングをして結線した。その際、ループ・スパンは５ｍｍ、ループ高さは２００μｍとし、本数は２００本とした。第一ボンドではすべてのボールが６０μｍ角のＡｌパッド内に形成されていた。また、第二ボンドではすべてリード上に強固に接合されていた。結線したワイヤの内、任意の４０本のワイヤを用いて各評価を行った。その評価結果を表３に示す。
【比較例１】
【００１９】
表２に、実施例と微量元素の成分組成が異なる比較例の各試料の組成を示す。Ａｕ合金極細線は実施例と同様にして線径が２５μｍ、２２μｍ、２０μｍまたは１５μｍのところで最終熱処理し、伸び率を４％に調整し、実施例と同様に評価した。その評価結果を表３に併せて示す。
【００２０】
各ボンディング・ワイヤの特性は、以下のようにしてそれぞれ評価した。第一ボンドおよび第二ボンドの「ボンドの良否」の評価は、５０００本のループを形成したときに、剥離等の不良がでなかったものを良好であるとして◎印で、１本発生した場合は○印で、２本以上の場合は△印で示した。
【００２１】
「Ａｕ−Ａｌの形成量」は，Ａｌパッドを１０％のＮａＯＨ水溶液中で溶かし、接合面を走査電子顕微鏡にて観察し、接合面におけるＡｕ−Ａｌが合金化した部位の割合を求めた。接合面の７０％以上でＡｕ−Ａｌが形成された場合は特に良好であるとして◎印で、５０％以上７０％未満の場合は良好であるとして○印で、５０％未満の場合は普通であるとして△印で示した。
【００２２】
「溶融ボール」の評価は、溶融ボールの下面（ワイヤ側が上面）の縦横の直径を測定し、その比が、０．９９５〜１．００５の範囲にあるものを◎印で、左記を除き、０．９９〜１．０１の範囲にあるものを○印で示した。これら範囲外の場合は△印で示した。
【００２３】
「圧着ボールの真円性」の評価は、超音波の印可方向に平行方向の圧着径および垂直方向の圧着径を測定し、その比が、０．９９〜１．０１の範囲にあるものを◎印で、左記を除き、０．９８〜１．０２の範囲にあるものを○印で示した。これら以外を△印で示した。
【００２４】
「プルテスト」の評価は、ループ・スパンの中央付近をフックで上方に持ち上げ、破断したときの荷重で判断した。６ｇ以上を◎印、４〜６ｇを○印、４ｇ未満を△印で示した。
【００２５】
「総合評価」は、上記６つの評価のうち、◎が３つ以上かつ、△がないものを特に良好として◎印で、◎が２つ以下で△がないものを良好として○印で、△が１つでもあるものは普通として△印でそれぞれ示した。
【００２６】
上記の結果から明らかなように、本発明のＡｕ合金ボンディング・ワイヤは微量元素の添加量が規定値内であれば、極細線の線径が２３μｍ以下になっていっても満足のいくボンディング効果が得られることがわかる。これに対し従来のＡｕ合金ボンディング・ワイヤの場合は、微量元素の添加量が規定値外だったり、線径が２３μｍ以下であったりした場合、満足のいくボンディング効果が得られないことがわかる。
【００２７】
【表１】
2006100720.tif 000002
【００２８】
【表２】
2006100720.tif 000003
【００２９】
【表３】
2006100720.tif 000004