(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｇａ，Ｉｎ及びＳｎの１種以上を総計で０．１〜３．０ａｔ．％含み、残部がＡｇおよび不可避不純物からなる芯材と、
前記芯材の表面に形成された、Ｐｄ及びＰｔの１種以上、又は、Ｐｄ及びＰｔの１種以上とＡｇ、を含み、残部が不可避不純物からなる被覆層と
を備え、前記被覆層の厚さが０．００５〜０．０７０μｍであることを特徴とする半導体装置用ボンディングワイヤ。
【請求項２】
前記芯材と前記被覆層の間に、Ｇａ，Ｉｎ及びＳｎの１種以上と、Ｐｄ及びＰｔの１種以上と、Ａｇとを含み、残部が不可避不純物からなる合金層を備えることを特徴とする請求項１記載の半導体装置用ボンディングワイヤ。
【請求項３】
前記合金層の厚さが、前記被覆層の厚さに対して、１０〜６０％であることを特徴とする請求項２記載の半導体装置用ボンディングワイヤ。
【請求項４】
前記被覆層の最表面にＡｕを１５〜５０ａｔ．％含むＡｕ含有領域を有し、前記Ａｕ含有領域の厚さが０．００１〜０．０５０μｍであることを特徴とする請求項３記載の半導体装置用ボンディングワイヤ。
【請求項５】
さらに前記芯材にＣｕ，Ｐｄ，Ｐｔ及びＡｕの１種以上を総計で０．１〜０．７ａｔ．％含むことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体装置用ボンディングワイヤ。
【請求項６】
さらにワイヤ全体として、Ｂ，Ｐ，Ｃａ，Ｌａ，及びＳｅの１種以上を総計で８０〜５００ａｔ．ｐｐｍ含むことを特徴とする請求項１〜３、及び５のいずれか１項記載の半導体装置用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リード等の回路配線基板の配線を接続するために利用される半導体装置用ボンディングワイヤに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
現在、半導体素子上の電極と外部リードの間を接合する半導体装置用ボンディングワイヤ（以下、ボンディングワイヤという）として、線径１５〜５０μｍ程度の細線が主として使用されている。ボンディングワイヤの接合方法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、ボンディングワイヤをその内部に通して接続するキャピラリ冶具等が用いられる。ボンディングワイヤの接合プロセスは、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部を形成した後に、１５０〜３００℃の範囲内で加熱した半導体素子の電極上にこのボール部を圧着接合（以下、ボール接合という）し、次にループを形成した後、外部リード側の電極にワイヤ部を圧着接合（以下、ウェッジ接合という）することで完了する。ボンディングワイヤの接合相手である半導体素子上の電極には、Ｓｉ基板上にＡｌを主体とする合金膜を成膜した電極構造、外部リード側の電極にはＡｇめっき、Ｐｄめっきなどを施した電極構造が用いられることが多い。
【０００３】
ボンディングワイヤには、良好なボール形成性、ボール接合性、ウェッジ接合性、ループ形成性などの性能が要求される。これらの要求性能を総合的に満足するボンディングワイヤの材料として、Ａｕが主に用いられてきた。一方で、近年のＡｕ価格の高騰により、Ａｕに比べて安価な材料を用いたボンディングワイヤの開発が盛んに行われている。最近では、Ａｕを用いたボンディングワイヤ（以下、Ａｕボンディングワイヤという）が主流であるメモリ分野において、Ａｕから安価な材料への代替を目指した開発が行われている。
【０００４】
メモリ分野においてＡｕボンディングワイヤが使用されているのは、電気抵抗が低く、優れたウェッジ接合性が得られるためである。電気抵抗が低いほど、ボンディングワイヤ１本あたりに流すことのできる電流が大きくなる。これにより、ボンディングワイヤの総数を減らすことができ、メモリを小型化できたり、高い生産性を得ることができる。また、Ａｕは軟質かつ表面酸化等の表面劣化現象への耐性が高い。このため、Ａｕボンディングワイヤは、低エネルギー条件での接合においても優れたウェッジ接合性が得られるので、薄型化が進んでいるメモリ用の半導体素子で問題となるウェッジ接合時の半導体素子の損傷を低減できる。
【０００５】
上記のメモリ用ボンディングワイヤの要求性能を満たし、Ａｕに対して低コスト化を実現する材料として、Ａｇが着目されている。Ａｇの比抵抗は１．６μΩ・ｃｍとＡｕの比抵抗の２．２μΩ・ｃｍに比べて低く、低比抵抗化の観点からはＡｇの方がＡｕよりも有利である。また、Ａｇのヤング率（約８３×１０９  Ｎ／ｍ２）は、Ａｕのヤング率（約８０×１０９Ｎ／ｍ２）とほぼ等しい。Ａｇは表面の劣化現象に対する耐性も高い。したがって、Ａｇを用いたボンディングワイヤ（以下、Ａｇボンディングワイヤという）は、Ａｕボンディングワイヤと同等の優れたウェッジ接合性が得られると期待されている。
【０００６】
しかしながら、Ａｇボンディングワイヤは、Ａｕボンディングワイヤに比べてボール接合部の接合信頼性（以下、ボール接合信頼性と略す。）が劣るため、メモリ用ボンディングワイヤとしての実用化が困難とされている。ボール接合信頼性評価には、高温放置試験、高温高湿試験などの半導体の寿命を加速評価する試験が用いられる。Ａｇボンディングワイヤは、高温高湿試験において、Ａｕボンディングワイヤに比べて短時間でボール接合部の剥離が発生するためメモリ用ボンディングワイヤとして実用化を目指す上で問題とされている。これはボール接合部の剥離が発生すると、ボール接合部で電気的な接続が損なわれて半導体デバイスの故障の原因となるためである。
【０００７】
特許文献１には、ボール接合信頼性の課題を解決する方法として、ＡｇにＡｕ，Ｐｄを添加し、合金化する技術が開示されている。Ａｇ−Ａｕ合金が０．０１から３０．００ｗｔ．％のＡｕおよび残余のＡｇを含み、Ａｇ−Ｐｄ合金が０．０１から１０．００ｗｔ．％のＰｄおよび残余のＡｇを含み、Ａｇ−Ａｕ−Ｐｄ合金が０．０１から３０．００ｗｔ．％のＡｕ、０．０１から１０．００ｗｔ．％のＰｄおよび残余のＡｇを含む合金が報告されている。特許文献２には、ボール接合信頼性の課題を解決する方法として、Ａｇ合金の外周にＰｄ又はＰｔの被覆層を設けた構造が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２０１３−１３９６３５号公報
【特許文献２】特開２０１３−３３８１１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明者らは、先行特許文献に開示されているＡｇボンディングワイヤについて評価した結果、メモリ用ボンディングワイヤに要求されるボール接合信頼性、ウェッジ接合性の基準を満たすことができなかった。
【００１０】
はじめに、メモリ用ボンディングワイヤに要求されるボール接合信頼性について説明する。ボール接合信頼性は、一般に、高温試験又は高温高湿試験によって評価を行う。Ａｇボンディングワイヤを用いた場合、特に高温高湿環境においてボール接合部の剥離が問題となる。高温高湿試験におけるボール接合部の剥離は、ＡｇとＡｌの金属間化合物の一部が腐食し、Ａｇと腐食生成物の界面の密着性が低下することが原因と考えられている。これまで高温高湿試験は、温度が１２１℃、相対湿度が１００％の条件で行うＰＣＴ（Ｐｒｅｓｓｕｒｅ  Ｃｏｏｋｅｒ  Ｔｅｓｔ）と呼ばれる試験や、温度が１３０℃、相対湿度が８５％の条件で行うｕＨＡＳＴ（ｕｎｂｉａｓｅｄ  Ｈｉｇｈｌｙ  Ａｃｃｅｌｅｒａｔｅｄ  ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ  ａｎｄ  ｈｕｍｉｄｉｔｙ  Ｓｔｒｅｓｓ  Ｔｅｓｔ）と呼ばれる試験が主流であった。近年では、ボール接合信頼性への要求は厳しくなっており、ｕＨＡＳＴの温度、湿度環境下でさらにボール接合部に３．６Ｖのバイアス電圧を印加して劣化を加速させるＨＡＳＴと呼ばれる試験での性能が要求されている。メモリ用ボンディングワイヤには、ＨＡＳＴにおいて１２０時間経過後も正常に動作することが求められている。
【００１１】
次に、メモリ用ボンディングワイヤに要求されるウェッジ接合性について説明する。ウェッジ接合性は、ボンディングワイヤを接合し、ウェッジ接合部における接合不良の発生有無によって評価を行う。ここで接合不良とは、ボンディングワイヤがリード側の電極から剥がれた状態と定義する。メモリ用ボンディングワイヤには、外部リード側のＡｇ電極に対して、１７５℃以下の温度域、低エネルギー条件でウェッジ接合した際に、接合不良が発生しないことが求められる。
【００１２】
上記特許文献１に開示されているＡｇにＰｄ，Ａｕなどを添加したボンディングワイヤは、高温高湿環境におけるボール接合信頼性を向上させることが可能であることが述べられている。しかしながら前記ボンディングワイヤでは、メモリ用ボンディングワイヤに要求されるボール接合信頼性の基準を満たすことができなかった。ボール接合信頼性を改善するためには、合金元素の濃度を高くすることが有効であるが、ワイヤが硬質化してウェッジ接合性が低下する課題があった。したがって、Ａｇの合金設計だけでは、メモリ用ボンディングワイヤに要求されるボール接合信頼性とウェッジ接合性を同時に満足することは困難であった。また、Ａｇは硫黄が吸着し易いため、ワイヤの表面に吸着した硫黄がウェッジ接合時にＡｇの拡散を阻害して、ウェッジ接合性が低下する課題があった。
【００１３】
上記特許文献２に開示されているＡｇの表面にＰｄ，Ｐｔなどの被覆層を設けた構造のボンディングワイヤは、高温高湿環境におけるボール接合信頼性を向上させることが可能であることが述べられている。しかしながらボール接合信頼性は、被覆層の構成元素や厚さによって変化すると考えられるが、前記ボンディングワイヤでは、メモリ用ボンディングワイヤに要求されるボール接合信頼性の基準を満たすことができなかった。ウェッジ接合性については、Ａｇに比べて硫黄の吸着性が低い元素を被覆層に用いることで改善が見られたが、被覆層とＡｇの界面の密着性が低く、ウェッジ接合において被覆層がＡｇから剥離する課題があった。
【００１４】
また、Ａｇの合金設計とＡｇ合金の表面に被覆層を設ける技術を組み合わせた場合においても、メモリ用ボンディングワイヤに要求されるボール接合信頼性を得ることができなかった。
【００１５】
以上の理由から、先行技術文献に開示されているＡｇボンディングワイヤ及びその組み合わせでは、メモリ用ボンディングワイヤに要求されるボール接合信頼性とウェッジ接合性を同時に満足することができないことが判明した。
【００１６】
本発明は、上記の課題を解決してメモリ用ボンディングワイヤに要求されるボール接合信頼性、ウェッジ接合性を同時に満足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目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明に係るボンディングワイヤは、Ｇａ，Ｉｎ及びＳｎの１種以上を総計で０．１〜３．０ａｔ．％含み、残部がＡｇおよび不可避不純物からなる芯材と、前記芯材の表面に形成された、Ｐｄ及びＰｔの１種以上、又は、Ｐｄ及びＰｔの１種以上とＡｇ、を含み、残部が不可避不純物からなる被覆層とを備え、前記被覆層の厚さが０．００５〜０．０７０μｍであることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、ボール接合信頼性とウェッジ接合性を同時に満足することができる。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
（ボール接合信頼性およびウェッジ接合性）
本発明者らは、鋭意検討した結果、ボール接合信頼性およびウェッジ接合性を同時に満足するためには、芯材に添加する元素と濃度、被覆層に用いる元素と被覆層の膜厚を適切に制御する必要があることを見出した。
【００２０】
本実施形態に係るボンディングワイヤのボール接合信頼性に対する有効性を説明する。Ａｇからなる芯材に添加される元素は、Ｇａ，Ｉｎ又はＳｎが有効であり、その濃度は０．１ａｔ．％以上が有効である。被覆層に用いる元素は、Ｐｄ又はＰｔが有効であり、被覆層の厚さは０．００５μｍ以上が有効である。すなわち、本実施形態に係るボンディングワイヤを用いれば、ＨＡＳＴにおいて１２０時間経過後もＡｌ電極とのボール接合部において剥離は発生しなかった。また、電気的な接続が失われることもなかった。本実施形態に係るボンディングワイヤの芯材に含まれるＧａ，Ｉｎ又はＳｎ、および被覆層に含まれるＰｄ又はＰｔが、高温高湿試験中のボール接合部におけるＡｇとＡｌの金属間化合物の成長を抑制することができた。これは、芯材に含まれる元素と被覆層に含まれる元素を主体とする化合物層が、ボール接合部の接合界面に形成され、ＡｇとＡｌの拡散を効果的に抑制したためと考えられる。以上より、本実施形態に係るボンディングワイヤはメモリ用ボンディングワイヤに要求されるボール接合信頼性に対する基準を満たすことが明らかとなった。
【００２１】
次に、本実施形態に係るボンディングワイヤのウェッジ接合性に対する有効性を説明する。芯材に含まれる元素は、Ｇａ，Ｉｎ又はＳｎが有効であり、その濃度はＧａ，Ｉｎ及びＳｎの１種以上を総計で０．０５ａｔ．％以上３．０ａｔ．％以下が有効である。また、被覆層に用いる元素は、Ｐｄ又はＰｔが有効であり、被覆層の厚さは０．００３μｍ以上０．０７０μｍ以下が有効である。すなわち、本実施形態に係るボンディングワイヤを用いれば、低エネルギー条件、１７５℃でウェッジ接合を行った場合においても、接合不良は発生しなかった。優れたウェッジ接合性が得られた理由を以下説明する。１つめの理由は、芯材に含まれるＧａ，Ｉｎ及びＳｎの１種以上の総計濃度を適切に制御することで軟質であることを維持できるためである。２つめの理由は、芯材の周囲にＰｄ及びＰｔの１種以上、又は、Ｐｄ及びＰｔの１種以上とＡｇを含み、残部が不可避不純物からなる被覆層を設けることで、硫黄の吸着を抑制できるためである。３つめの理由は、芯材に添加する元素と被覆層に用いる元素および被覆層の厚さを適切に制御することで、芯材と被覆層の密着性を高め、ウェッジ接合時の被覆層の剥離を抑制できるためである。以上より、本実施形態に係るボンディングワイヤはメモリ用ボンディングワイヤに要求されるウェッジ接合性に対する基準を満たすことが明らかとなった。
【００２２】
メモリ用ボンディングワイヤに要求されるボール接合信頼性とウェッジ接合性に対する基準を同時に満足するためには、Ｇａ，Ｉｎ及びＳｎの１種以上を総計で０．１〜３．０ａｔ．％含み、残部がＡｇおよび不可避不純物からなる芯材と、前記芯材の表面に形成された、Ｐｄ及びＰｔの１種以上、又は、Ｐｄ及びＰｔの１種以上とＡｇ、を含み、残部が不可避不純物からなる被覆層とを備え、前記被覆層の厚さが０．００５〜０．０７０μｍであることが有効である。本実施形態に係るボンディングワイヤは、メモリ用ボンディングワイヤに要求される性能を満足しつつ、Ａｕボンディングワイヤに比べて抵コスト化できることから、Ａｕボンディングワイヤからの代替が可能であることが明らかになった。
【００２３】
ここで、Ｇａ，Ｉｎ及びＳｎの１種以上の総計が０．１ａｔ．％未満の場合、高温高湿試験において腐食の原因となるＡｇとＡｌの金属間化合物の成長抑制が不十分であり、メモリ用途で要求されるボール接合信頼性は得られない。Ｇａ，Ｉｎ及びＳｎの１種以上を総計で３．０ａｔ．％超含むボンディングワイヤは、ボンディングワイヤの強度が増加し、ウェッジ接合性が低下するため実用に適さない。前記総計濃度が０．２〜１．５ａｔ．％であれば、軟質性と高い延性が両立でき、優れたウェッジ接合性が得られるため、好ましい。さらにボンディングワイヤは、前記総計濃度が０．３〜１．０ａｔ．％であれば、さらに優れたウェッジ接合性が得られるため、より好ましい。
【００２４】
芯材に含まれる元素のうち、Ｉｎ及びＳｎの１種以上の元素を０．１〜３．０ａｔ．％含んでいればより優れたボール接合信頼性の改善効果が得られるため、好ましい。これは、芯材に含まれるＩｎ又はＳｎが接合界面のＡｇとＡｌの金属間化合物の成長抑制効果に特に優れていることによる。
【００２５】
本実施形態に係るボンディングワイヤの芯材に含まれるＧａ，Ｉｎ及びＳｎの濃度は、芯材の部分をオージェ電子分光分析（ＡＥＳ：Auger Electron Spectroscopy）装置、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ：Scanning Electron Microscope）もしくは透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ：Transmission Electron Microscope）に備え付けたエネルギー分散型X線分析(ＥＤＸ：Energy dispersive X-ray spectrometry)装置などを用いて測定することができる。芯材を露出させる方法は、ボンディングワイヤを樹脂に埋込み、機械研磨によって断面を露出させる方法やボンディングワイヤの表面をＡｒイオンビームによって削る方法が使用できる。
【００２６】
本実施形態に係るボンディングワイヤの被覆層は、ボンディングワイヤの表面と中心を直線で結んだ領域のうち、Ｐｄ，Ｐｔ及びＡｕの総計濃度が５０ａｔ．％以上の領域と定義する。ボンディングワイヤの被覆層の厚さおよび組成は、オージェ電子分光分析装置を用いて測定することができる。具体的な方法は、まずボンディングワイヤの表面からスパッタ等で削りながら濃度測定を行い、深さ方向の濃度プロファイルを所得する。濃度プロファイルの対象とする元素は、Ａｇ，Ｇａ，Ｉｎ，Ｓｎ，Ｐｄ及びＰｔとする。次に得られた濃度プロファイルをもとにＰｄ及びＰｔの総計濃度を算出する。被覆層の厚さは、１か所の測定値でも良いが、２か所以上の測定値の平均値を用いるほうが好ましい。
【００２７】
（ボール形成性）
次に、本実施形態に係るボンディングワイヤのボール形成性の改善に対する有効性を説明する。本実施形態に係るボンディングワイヤは、芯材と被覆層の間にＧａ，Ｉｎ及びＳｎの１種以上と、Ｐｄ及びＰｔの１種以上と、Ａｇとを含み、残部が不可避不純物からなる合金層を有することにより、直径が小さいボール（以下、小径ボールという）において、真球性が低いボール（以下、異形ボールという）の発生を抑制することができる。小径ボールとは、直径がボンディングワイヤの線径の１．５〜１．７倍のボールと定義する。通常、ボールの直径はボンディングワイヤの線径の１．７〜２．５倍の範囲である。
【００２８】
Ａｇボンディングワイヤのボールを形成する際には、アーク放電を安定させるために、窒素あるいは窒素に水素を３〜５％添加した混合ガスを吹き付ける。異形は、ボンディングワイヤの表面がアーク放電によって溶融する際に、表面と内部が溶けるタイミングがずれるため発生する。この課題に対して、芯材と被覆層の間にＧａ，Ｉｎ及びＳｎの１種以上と、Ｐｄ及びＰｔの１種以上と、Ａｇとを含み、残部が不可避不純物からなる合金層を有することにより、異形ボールの発生を抑制できる。これは前記合金層を形成することで、ボンディングワイヤの表面から内部にかけて、融点の勾配が連続的に変化することにより、ワイヤの表面から内部にかけて連続的に溶融させることができるためである。吹き付けるガスに窒素ガスを用いた場合、ガスを使用しなかった場合においても異形ボールの発生を抑制することができる。
【００２９】
前記合金層は、ボンディングワイヤの表面と中心を直線で結んだ領域のうち、Ｐｄ及びＰｔの総計濃度が５〜５０ａｔ．％の領域でかつＧａ，Ｉｎ及びＳｎの濃度がボンディングワイヤの中心部分の濃度よりも高い領域と定義する。前記合金層の厚さが被覆層の厚さに対して、１０〜６０％であれば、小径ボールにおいて、アーク放電が安定し、ボールの直径のばらつきを抑制することができるため、好ましい。合金層の組成は、被覆層の組成と同様の方法で測定することができる。具体的な方法は、まずボンディングワイヤの表面からスパッタ等で削りながら濃度測定を行い、深さ方向の濃度プロファイルを取得する。濃度プロファイルの対象とする元素は、Ａｇ，Ｇａ，Ｉｎ，Ｓｎ，Ｐｄ及びＰｔとする。次に得られた濃度プロファイルをもとにＰｄ及びＰｔの総計濃度を算出する。合金層の厚さおよび組成は、１か所の測定値でも良いが、２か所以上の測定値の平均値を用いるほうが好ましい。
【００３０】
（キャピラリ寿命）
次に、本実施形態に係るボンディングワイヤのキャピラリ寿命に対する有効性を説明する。本実施形態に係るボンディングワイヤは、被覆層の最表面にＡｕを１５〜５０ａｔ．％以上含むＡｕ含有領域を有することでボンディングワイヤの表面とキャピラリの摩擦を低減し、キャピラリの使用寿命を改善するができる。これはＡｕが被覆層のＰｄ及びＰｔよりも軟質であり延性にも優れることによる。Ａｕ含有領域の厚さが、０．００１〜０．０５０μｍであれば、優れた改善効果が得られるため、有効である。Ａｕの濃度が１５ａｔ．％未満あるいは該厚さが０．０５０μｍ未満では、改善効果が不十分である。Ａｕの濃度が５０ａｔ．％超又はＡｕ含有領域の厚さが０．０５０μｍ超では、Ａｕがキャピラリに詰まることがあり、キャピラリ寿命の改善効果は得られない。Ａｕ含有領域の厚さおよび組成は、オージェ電子分光分析装置を用いて測定することができる。具体的な方法は被覆層の組成と同様の方法で測定することができる。
【００３１】
（ボール圧着形状）
次に、本実施形態に係るボンディングワイヤのボール圧着形状に対する有効性を説明する。メモリパッケージの小型化に伴い、半導体素子の電極間の距離が短くなっている。従来、Ａｇボンディングワイヤのボール接合時には、ボールが超音波の印加方向に優先的に変形するため、隣接する電極に接触し短絡を引起こすことがあった。したがって、ボール接合においてボール変形の異方性を低減し、真円に近いつぶれ形状に制御する必要がある。ボール変形の異方性は結晶粒径が大きいほど増加する傾向があるため、ボール部の結晶粒を微細化する技術が有効である。本実施形態に係るボンディングワイヤは、前記芯材にさらにＣｕ，Ｐｄ，Ｐｔ及びＡｕの１種以上を総計で０．１〜０．７ａｔ．％含むことで、ボールの結晶粒を微細化し、より真円に近いボール形状を得ることが可能となる。ここで、上記濃度が０．１ａｔ．％未満では、ボール形状の改善効果は得られない。また、上記濃度が０．７ａｔ．％超では、ボールが硬質化し、接合時のチップ損傷が問題となるため実用に適さない。ボンディングワイヤの芯材に含まれるＰｄ，Ｐｔ及びＡｕの濃度は、芯材の部分をＡＥＳ、ＳＥＭもしくはＴＥＭに備え付けたＥＤＸ装置などを用いて測定することができる。芯材を露出させる方法は、ボンディングワイヤを樹脂に埋込み、機械研磨によって断面を露出させる方法やボンディングワイヤの表面をＡｒイオンビームによって削る方法が使用できる。
【００３２】
（ループ形成性）
次に、本実施形態に係るボンディングワイヤのループ形成性に対する有効性を説明する。本実施形態に係る芯材と被覆層と合金層を含むボンディングワイヤは、ボンディングワイヤにＢ，Ｐ，Ｃａ，Ｌａ及びＳｅの１種以上を総計で８０〜５００ａｔ．ｐｐｍ含むことにより、ループの直進性を改善することができる。近年のメモリパッケージの小型化に伴い、リード側の電極の狭ピッチ化し、ボンディングワイヤ同士の接合間隔も狭くなっている。ボンディングワイヤには、ワイヤ同士の接触による短絡を防ぐため、高い直進性が求められている。本実施形態に係るボンディングワイヤは、Ｂ，Ｐ，Ｃａ，Ｌａ及びＳｅの１種以上を総計で８０〜５００ａｔ．ｐｐｍ含むことで曲げ強度を向上させることが可能となり、高いループの直進性が得られる。ここで、上記濃度が８０ａｔ．ｐｐｍ未満では、ループの直進性の改善効果は得られない。また、上記濃度が５００ａｔ．ｐｐｍ超では、ボールが硬質化し、接合時のチップ損傷が問題となるため実用に適さない。ボンディングワイヤに含まれるＢ，Ｐ，Ｃａ，Ｌａ及びＳｅの濃度は、誘導結合プラズマ（ＩＣＰ：Inductively Coupled Plasma）発光分光分析装置を用いて測定することができる。
【００３３】
（製造方法）
次に、上記実施形態に係るボンディングワイヤの製造方法を説明する。
【００３４】
（芯材）
ボンディングワイヤの芯材に用いるＡｇ合金は、原料を同時に溶解することによって製造できる。溶解には、アーク加熱炉、高周波加熱炉、抵抗加熱炉等を利用することができる。その手順は、直径がφ３〜６ｍｍの円柱型に加工したカーボンるつぼに原料を装填し、真空中もしくはＮ２及びＡｒガス等の不活性雰囲気で１１００〜１５００℃まで加熱して溶解させた後、炉冷もしくは空冷を行うことで完了する。得られたＡｇ合金は、ダイスを用いた引抜加工を繰り返し行うことで最終線径まで成形する。
【００３５】
（被覆層）
被覆層を形成する方法は、最終線径のＡｇ合金線に被覆層となる皮膜を形成する手法、あるいは、中間線径の太いＡｇ合金線に上記皮膜を形成した後に、伸線して最終線径に到達する手法等を用いることができる。前者の最終線径で皮膜を形成する場合には、品質管理が簡便であり、後者の中間線径で皮膜を形成後に伸線を行う場合には、芯材との密着性を向上させるのに有利である。それぞれの製造方法について具体的に説明する。
【００３６】
Ａｇ合金の表面にＰｄ，Ｐｔの皮膜を形成する方法は、めっき法、蒸着法、溶融法等を用いることができる。めっき法は、電解めっき法、無電解めっき法のどちらでも製造可能である。ストライクめっき、フラッシュめっきと呼ばれる電解めっきでは、めっき速度が速く、下地との密着性も良好である。無電解メッキに使用する溶液は、置換型と還元型に分類され、膜厚が薄い場合には置換型めっきのみでも十分であるが、厚い膜を形成する場合には置換型めっきの後に還元型めっきを段階的に施すことが有効である。蒸着法では、スパッタ法、イオンプレーティング法、真空蒸着等の物理吸着と、プラズマＣＶＤ（化学蒸着：Chemical Vapor Deposition）等の化学吸着を利用することができる。いずれも乾式であるため、被覆層形成後の洗浄が不要で、洗浄時の表面汚染等の心配がない。
【００３７】
最終線径のＡｇ合金線に皮膜を形成する手法について説明する。溶解によって得られたφ３〜６ｍｍの円柱状のＡｇ合金に対して、引抜加工を行ってφ０．９〜１．２ｍｍまで成形する。その後、ダイスを用いて連続的に伸線加工することによって、φ３００〜６００μｍのワイヤを作製する。このとき、塩酸等を用いた酸洗処理を行うと、表面の酸化物や硫化物等が除去でき品質の向上に有効である。その後、伸線加工を繰返して最終線径のφ１５〜２５μｍまで成形する。伸線には市販の潤滑液を用い、伸線時のワイヤ送り速度は３００〜１０００ｍ／分とする。
【００３８】
最終線径のＡｇ合金線に皮膜を形成する場合、Ａｇ合金線の表面に０．０１０〜０．１４０μｍのＰｄ及びＰｔの１種以上、又は、Ｐｄ及びＰｔの１種以上とＡｇを含む皮膜を形成した後、最終熱処理を行う方法等が有効である。最終熱処理はワイヤを連続的に掃引しながら行うと、高い生産性が得られるため、有効である。最終熱処理条件は、被覆層の厚さを適正な範囲に制御できる条件に設定する必要がある。具体的には最終熱処理温度は２００〜６００℃とし、熱処理時間は０．２〜１．０秒の範囲に制御することが有効である。この最終熱処理により、Ａｇ合金線とＡｇ合金線の表面に形成した皮膜の元素が相互拡散して、被覆層の厚さを０．００５〜０．０７０μｍの範囲に制御することが可能である。また、この最終熱処理条件を用いれば、加工硬化したＡｇ合金を再結晶させることができるため、ボンディングワイヤに要求される軟質化も同時に実現できる。
【００３９】
次に、中間線径の太いＡｇ合金線に皮膜を形成した後に、伸線して最終線径に到達する手法について説明する。溶解によって得られたφ３〜６ｍｍの円柱状のＡｇ合金に対して、引抜加工を行ってφ０．９〜１．２ｍｍまで成形する。その後、ダイスを用いて連続的に伸線加工することによって、φ３００〜６００μｍのワイヤを作製する。φ３００〜６００μｍのＡｇ合金線において、Ｐｄ及びＰｔの１種以上、又は、Ｐｄ及びＰｔの１種以上とＡｇを含む皮膜を形成する。このとき皮膜の厚さは、皮膜を形成する時点におけるＡｇ合金線の線径とボンディングワイヤの最終線径によって変える必要がある。具体的には、最終線径において皮膜の厚さが０．０１０〜０．１４０μｍとなるように調整すれば良い。ここで、皮膜を形成する時点におけるＡｇ合金線の線径をＲ１、皮膜の厚さをｒ１、最終線径におけるＡｇ合金線の線径をＲ２とすると、最終線径における皮膜の厚さｒ２は次式（１）〜（３）で表わされる。それぞれの単位はμｍとする。
ｒ２＝（Ｒ２／Ｒ１）ｒ１…（１）
０．０１０≦ｒ２＜０．１４０…（２）
（１）、（２）式より
０．０１０≦（Ｒ２／Ｒ１）ｒ１＜０．１４０…（３）
【００４０】
最終線径におけるＡｇ合金線の線径は、皮膜の厚さに対して十分大きいため、ボンディングワイヤの最終線径をＲとすれば、Ｒ２≒Ｒと近似できる。したがって、式（３）は次式（４）で表わすことができる。
０．０１０≦（Ｒ／Ｒ１）ｒ１＜０．１４０…（４）
【００４１】
式（４）より、皮膜を形成する線径と最終線径を決めれば、φ３００〜６００μｍの線径において形成させる皮膜の厚さを決定することが可能である。その後、伸線加工を繰返して最終線径のφ１５〜２５μｍまで成形し、最終熱処理を行う。最終熱処理はワイヤを連続的に掃引しながら行うと、高い生産性が得られるため、有効である。最終熱処理条件は、被覆層の厚さを適正な範囲に制御できる条件に設定する必要がある。具体的には最終熱処理温度は２００〜６００℃とし、熱処理時間は０．２〜１．０秒の範囲に制御することが有効である。Ａｇ合金線とＡｇ合金線の表面に形成した皮膜の元素が相互拡散して、被覆層の厚さを０．００５〜０．０７０μｍの範囲に制御することが可能である。
【００４２】
（合金層）
芯材と被覆層の間に合金層を形成するためには、最終熱処理後に追加熱処理をすることが有効である。これによりＡｇ合金に含まれるＧａ，Ｉｎ及びＳｎの被覆層側への拡散が促進される。追加熱処理条件は、６００〜７００℃とし、合金層の厚さを制御する場合には、熱処理時間を変えることが有効である。上記熱処理温度範囲で、熱処理時間を０．２〜０．５秒とすることで、前記合金層の厚さが被覆層の厚さに対して１０〜６０％の範囲にすることができる。追加熱処理の方法はワイヤを連続的に掃引しながら行う方法を用いることができる。
【００４３】
（Ａｕ含有領域）
被覆層の最表面にＡｕ含有領域を設ける場合も、被覆層の形成方法と同様の方法を利用することができる。またその厚さや組成の制御も被覆層の形成方法と同様の方法を用いることができる。すなわち、中間線径まで加工した段階で被覆層を形成した後にＡｕ皮膜を形成する方法、最終線径まで加工した段階で被覆層を形成した後にＡｕ皮膜を形成する方法が利用できる。例えば、最終線径のＡｇ合金線に被覆層を形成した後にＡｕ皮膜を形成する場合、０．０００８〜０．０４μｍのＡｕ皮膜を形成した後、最終熱処理を行う方法等が有効である。
【実施例１】
【００４４】
以下、実施例について詳細に説明する。上記製造方法に従い、ボンディングワイヤを作製した。原材料となるＡｇは純度が９９．９９ａｔ．％以上で、残部が不可避不純物からなるものを用いた。Ｇａ，Ｉｎ，Ｓｎ，Ｃｕ，Ｐｄ，Ｐｔ，Ａｕ，Ｂ，Ｐ，Ｃａ，Ｌａ及びＳｅは、純度が９９．９ａｔ．％以上で残部が不可避不純物からなるものを用いた。ここで、１０ａｔ．ｐｐｍ以下の濃度の元素は不可避不純物とする。中間線径の太いＡｇ合金線にＰｄ，Ｐｔの皮膜を形成した後に、伸線して最終線径に到達する手法を用いて、被覆層を形成した。Ａｇ合金の表面にＰｄ，Ｐｔの皮膜を形成する方法は、電解めっき法を用いた。ワイヤを連続的に掃引しながらめっき液に浸漬させた。被覆層の最表面にＡｕ含有領域を形成する方法も、電解めっき法を用いた。この場合もワイヤを連続的に掃引しながらめっき液に浸漬させた。
【００４５】
（ボール接合信頼性の評価）
ボール接合信頼性は、温度が１３０℃、相対湿度が８５％、バイアス電圧が３．６Ｖの条件で高温高湿試験後の接合寿命を評価した。サンプルは、市販の接合装置によって半導体素子にボンディングワイヤを接合し、エポキシ系の封止樹脂でモールドして作製した。半導体素子の電極には厚さ１μｍのＡｌ電極を用いた。接合寿命は、２４時間毎にボール接合部のシェア試験を実施し、シェア強度の値が初期に得られたシェア強度の１／３となる時間とした。高温高湿試験後のシェア試験は、酸処理によって樹脂を除去して、ボール接合部を露出させてから行った。シェア試験機は市販の微小強度試験機を用いた。シェア強度の値は無作為に選択したボール接合部の１０か所の測定値の平均値を用いた。上記の評価において、接合寿命が１２０時間未満であれば実用上問題があると判断し△印、１２０時間以上１６８時間未満であれば、実用上問題ないと判断し○印、１６８時間以上であれば優れていると判断し◎印と表記した。
【００４６】
（ウェッジ接合性の評価）
複数の半導体素子が積層された構造を有するデバイスに対して、線径がφ１５〜２０μｍのボンディングワイヤを用いてウェッジ接合を行った。接合時の温度は１７５℃、１６０℃、１５０℃とし、リード側の電極材料はＡｇを用いた。接合条件は、通常の条件よりも超音波の出力を下げた低エネルギー条件とした。接合後のサンプルに対して、１０００箇所のウェッジ接合部の観察を行い、不良が発生したか否かで合否を判定した。ここで、不良とはボンディングワイヤが電極から剥離した状態と定義する。１７５℃でのウェッジ接合において不良が発生すれば実用上問題があると判断し△印、不良が発生しなければ実用上問題がないと判断し○印と表記した。１６０℃でのウェッジ接合において不良が発生しなければ優れていると判断し◎印、１５０℃でのウェッジ接合において不良が発生しなければ、特に優れていると判断し☆印と表記した。
【００４７】
（ボール形成性の評価）
ボール形成性は、市販の接合装置を用いてボールを形成し、その外観観察を行い評価した。ボールの形成条件は、Ｎ２＋５％Ｈ２ガスとした。ボールの直径はワイヤ線径の１．５倍とした。ボールの外観観察には光学顕微鏡を用いた。ボール形成性は、上記の評価方法に基づいて、無作為に選んだ２００個のボールのうち真球性が劣るボールの数によって判定した。真球性が劣るボールの数が３，４個であれば実用上問題がないと判断し○印、２個以下であれば優れていると判断し◎印と表記した。
【００４８】
（キャピラリ寿命の評価）
キャピラリ寿命の評価は、市販の接合装置を用いてボンディングワイヤを接合後、キャピラリの観察を行い、摩耗の有無によって判定した。ボンディングワイヤの線径は２０μｍ、接合の試行回数は５０００回とした。キャピラリの先端の穴をＳＥＭを用いて観察し、摩耗によって真円形状からずれていても問題なく使用可能であれば実用上問題がないと判断し○印、真円形状を維持していれば優れていると判断し◎印と表記した。
【００４９】
（ボール圧着形状の評価）
ボールの圧着形状は、Ｓｉ基板に厚さ１．０μｍのＡｌ膜を成膜した電極に、市販のワイヤボンダーを用いてボール接合を行い、直上から光学顕微鏡で観察し、評価した。ボールのつぶれ形状の判定は、つぶれ形状が円形に近いのであれば良好と判定し、楕円形や花弁状の形状であれば不良と判定した。１００箇所のボール接合部を光学顕微鏡で観察し、不良が１〜４個であれば実用上問題がないと判断し○印、不良が全く発生しなければ特に優れていると判断し◎印と表記した。
【００５０】
（ループ形成性の評価）
ループ形成性は、市販のワイヤボンダーを用いて接合を行い、ループ部分を観察してループ同士が接触しているか否かを評価した。ループ長さは２．５ｍｍ、ループ高さは０．２ｍｍとした。接合した２００本のボンディングワイヤのループ部分を光学顕微鏡で観察し、隣接するボンディングワイヤが接触した箇所があれば不良と判定した。不良が１〜４箇所であれば実用上問題がないと判断し○印、不良が全く発生しなければ特に優れていると判断し◎印と表記した。
【００５１】
表１は本発明に係るボンディングワイヤの組成などの特徴とそれぞれのボンディングワイヤの各評価結果を記載した実施例を示している。表２は比較例を示している。
【００５２】
【表１−１】
0006516465.tif 000002
【００５３】
【表１−２】
0006516465.tif 000003
【００５４】
【表１−３】
0006516465.tif 000004
【００５５】
【表２−１】
0006516465.tif 000005
【００５６】
【表２−２】
0006516465.tif 000006
【００５７】
第１請求項に係るボンディングワイヤはＮｏ．１、２、１７〜２４、４５、５０〜５２、５６、６２〜６６、７０〜７２、７６〜８４である。メモリ用ボンディングワイヤに要求されるボール接合信頼性とウェッジ接合性を満足できることを確認した。
【００５８】
実施例１〜８４に係るボンディングワイヤは、Ｇａ，Ｉｎ及びＳｎの１種以上を総計で０．１〜３．０ａｔ．％含み、残部がＡｇおよび不可避不純物からなる芯材と、前記芯材の表面に形成された、Ｐｄ及びＰｔの１種以上、又は、Ｐｄ及びＰｔの１種以上とＡｇ、を含み、残部が不可避不純物からなる被覆層とを備え、前記被覆層の厚さが０．００５〜０．０７０μｍであることから、ボール接合信頼性とウェッジ接合性を同時に満足することが確認された。これに対し比較例のＮｏ．１〜１４に示すように、Ｇａ，Ｉｎ，Ｓｎの濃度が上記の範囲外、又は被覆層の厚さが上記の範囲外の場合には、ボール接合信頼性とウェッジ接合性を同時に満足することができないことを確認した。
【００５９】
実施例３〜６、８、１０〜１５、１７、１９、２０、２２〜３２、３５、３６、３８〜６５、６７〜８０、８２〜８４に係るボンディングワイヤは、合金層の厚さが、前記被覆層の厚さに対して、１０〜６０％であることから、ボール形成性が優れることが確認された。
【００６０】
実施例２６、２７、３０、３１に係るボンディングワイヤは、Ａｕを１５〜５０ａｔ．％含むＡｕ含有領域の厚さが０．００１〜０．０５０μｍであることから、キャピラリ寿命を改善できることが確認された。
【００６１】
実施例３３〜４４、４６〜５０、５７〜６０に係るボンディングワイヤは、芯材にＣｕ，Ｐｄ，Ｐｔ及びＡｕの１種以上を総計で０．１〜０．７ａｔ．％含むことから、ボール圧着形状の評価が特に優れていることが確認された。
【００６２】
実施例３、４、９〜１６、３４〜３８、４８、４９、５４、５５、６８、６９、７４、７５に係るボンディングワイヤは、ワイヤ全体として、Ｂ，Ｐ，Ｃａ，Ｌａ，及びＳｅの１種以上を総計で８０〜５００ａｔ．ｐｐｍ含むことから、ループ形成性の評価が特に優れていることが確認された。