(57)【要約】【課題】バンプ電極形成工程において、半導体素子の電極パッドが破壊されてしまうことを防止するとともに、ボール直上部の破断長さｈ１の長さを短くすることができ、バンプ電極と半導体素子の電極パッドとの安定した接合状態を保つことを可能とし、実装時の歩留まり向上を達成し得るバンプ電極形成用金合金線を提供する。【解決手段】Ｃｕを０．００５質量％以上５質量％以下含み、残部は金および不可避不純物からなり、常温での伸び率が３〜１０％である金合金線を用いてバンプ電極を形成する。【選択図】  図４
2007013023.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｃｕを０．００５質量％以上５質量％以下含み、残部は金および不可避不純物からなり、常温での伸び率が３〜１０％であることを特徴とするバンプ電極形成用金合金線。
【請求項２】
Ｃｕを０．００５質量％以上５質量％以下、白金族元素を０．０１質量％以上１．５質量％未満含み、残部は金および不可避不純物からなり、常温での伸び率が３〜１０％であることを特徴とするバンプ電極形成用金合金線。
【請求項３】
Ｃｕを０．００５質量％以上５質量％以下、Ｃａ、Ｂｅ、希土類元素、Ｓｎ、Ｇｅからなる群より選ばれた１種以上を合計で０．０００１質量％以上０．０１質量％以下含み、残部は金および不可避不純物からなり、常温での伸び率が３〜１０％であることを特徴とするバンプ電極形成用金合金線。
【請求項４】
Ｃｕを０．００５質量％以上５質量％以下、白金族元素を０．０１質量％以上１．５質量％未満含み、さらにＣａ、Ｂｅ、希土類元素、Ｓｎ、Ｇｅからなる群より選ばれた１種以上を合計で０．０００１質量％以上０．０１質量％以下含み、残部は金および不可避不純物からなり、常温での伸び率が３〜１０％であることを特徴とするバンプ電極形成用金合金線。
【請求項５】
Ｃｕを０．００５質量％以上５質量％以下含み、残部が金および不可避不純物からなる金合金線を、常温での伸び率が３〜１０％となるように熱処理することを特徴とするバンプ電極形成用金合金線の製造方法。
【請求項６】
Ｃｕを０．００５質量％以上５質量％以下、白金族元素を０．０１質量％以上１．５質量％未満含み、残部が金および不可避不純物からなる金合金線を、常温での伸び率が３〜１０％となるように熱処理することを特徴とするバンプ電極形成用金合金線の製造方法。
【請求項７】
Ｃｕを０．００５質量％以上５質量％以下、Ｃａ、Ｂｅ、希土類元素、Ｓｎ、Ｇｅからなる群より選ばれた１種以上を合計で０．０００１質量％以上０．０１質量％以下含み、残部が金および不可避不純物からなる金合金線を、常温での伸び率が３〜１０％となるように熱処理することを特徴とするバンプ電極形成用金合金線の製造方法。
【請求項８】
Ｃｕを０．００５質量％以上５質量％以下、白金族元素を０．０１質量％以上１．５質量％未満含み、さらにＣａ、Ｂｅ、希土類元素、Ｓｎ、Ｇｅからなる群より選ばれた１種以上を合計で０．０００１質量％以上０．０１質量％以下含み、残部が金および不可避不純物からなる金合金線を、常温での伸び率が３〜１０％となるように熱処理することを特徴とするバンプ電極形成用金合金線の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ボールボンディング法により、半導体素子などの電子部品を基板やフィルムキャリヤなどに実装する際に、これらの電気的接続に用いるバンプ電極を形成するための金合金線およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、ＩＣチップなどの半導体素子を各種基板などに電気的に接続する場合には、半導体素子の電極パッドと基板などの外部電極との間を金線などのボンディングワイヤで接続するワイヤボンディング方式が主流をなしている。
【０００３】
しかし、近年における半導体デバイスの小型化や薄型化の要求に応えるためには、デバイス内部の限られたスペースに、より多くの半導体素子や回路を設ける必要がある。しかしながら、ボンディングワイヤを張り渡すワイヤボンディング方式では、素子や回路の密度向上の要求に応えることが難しいため、その限界が指摘されている。
【０００４】
ワイヤボンディングに代わる接続方法として、例えば、半導体素子の電極パッド上に金属の突起物(バンプ)を形成し、このバンプ電極に基板などの外部電極を接続する方法であるワイヤレスのボールボンディング法がある。このバンプ電極による接続方法によれば、ボンディングワイヤを張り渡す必要がなく、対向させた電極パッドと外部電極をバンプ電極を介して直接接続させることができ、素子や回路の高密度化が可能となる。
【０００５】
ボールボンディング法に用いるバンプ電極の形成方法としては、従来のワイヤボンディング装置と金合金線を用いた形成方法が知られている。この方法は、図１に示すように、ワイヤボンダーのキャピラリ２に移送した金合金線１の先端を、放電電極３との放電により加熱溶融させてボール４を形成した後、図２に示すようにキャピラリ２を下降させて上記ボール４を予め加熱した半導体素子５の電極パッド６に当接させ、加重と超音波を印加して接合させる。接合が終了すると、図３に示すように、キャピラリ２の上方に設置されたクランパー７で金合金線１を挟持し、キャピラリ２と共にクランパー７を上昇させ、金合金線１を引きちぎってバンプ電極８を形成する（特許文献１参照）。
【０００６】
加熱溶融されて生じたボール４およびボール４直上部の金合金線１は加熱により再結晶しており、強度および弾性率が低下している。そのため、クランパー７の上昇により金合金線１が引きちぎられる箇所は、再結晶したボール４の直上部である。
【０００７】
形成されたバンプ電極８においては、図４に示す、ボール直上部の金合金線の破断長さｈ１を短くすることが求められている。この破断長さｈ１が長いと、接合不良の原因となったり、ショートの原因となる。
【０００８】
以上述べてきたボールボンディング法によりバンプ電極を形成する際に用いることのできる金合金線は、例えば、特許文献１〜６等に記載されている。
【０００９】
しかし、これらの金合金線を用いてバンプ電極を形成する場合、金合金線を引きちぎる際に、電極パッドが半導体素子から剥がれることがあるという問題がある。半導体素子は高密度化が進んでおり、またパッド下には配線および低誘電率（Ｌｏｗ−Ｋ）材料が組み込まれることもあり、このような半導体素子では、電極パッドと半導体素子との間の接合強度は著しく小さくなっており、前記のような電極パッドの剥がれはより生じやすくなっているものと考えられる。電極パッドが半導体素子から剥がれてしまうと、下層の配線部またはシリコン層は剥きだしになってしまう。
【００１０】
【特許文献１】特開２０００−６８３１０号公報
【特許文献２】特開平１０−２７５８２１号公報
【特許文献３】特開平９−３２１０７６号公報
【特許文献４】特開平１１−３４０２６４号公報
【特許文献５】特開平１１−３３０１３５号公報
【特許文献６】特開２０００−３５７７０６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたものであって、バンプ電極形成工程において、半導体素子の電極パッドが半導体素子から剥がれて破壊されてしまうことを防止するとともに、ボール直上部の破断長さｈ１の長さを短くすることができ、バンプ電極と半導体素子の電極パッドとの安定した接合状態を保つことを可能とし、実装時の歩留まり向上を達成し得るバンプ電極形成用金合金線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】
【００１２】
本発明に係るバンプ電極形成用金合金線の第一の態様は、Ｃｕを０．００５質量％以上５質量％以下含み、残部は金および不可避不純物からなり、常温での伸び率が３〜１０％であることを特徴とする。
【００１３】
本発明に係るバンプ電極形成用金合金線の第二の態様は、Ｃｕを０．００５質量％以上５質量％以下、白金族元素を０．０１質量％以上１．５質量％未満含み、残部は金および不可避不純物からなり、常温での伸び率が３〜１０％であることを特徴とする。ここで、白金族元素とは、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔの６元素である。
【００１４】
本発明に係るバンプ電極形成用金合金線の第三の態様は、Ｃｕを０．００５質量％以上５質量％以下、Ｃａ、Ｂｅ、希土類元素、Ｓｎ、Ｇｅからなる群より選ばれた１種以上を合計で０．０００１質量％以上０．０１質量％以下含み、残部は金および不可避不純物からなり、常温での伸び率が３〜１０％であることを特徴とする。ここで、希土類元素とは、Ｓｃ、Ｙ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕの１７元素である。
【００１５】
本発明に係るバンプ電極形成用金合金線の第四の態様は、Ｃｕを０．００５質量％以上５質量％以下、白金族元素を０．０１質量％以上１．５質量％未満含み、さらにＣａ、Ｂｅ、希土類元素、Ｓｎ、Ｇｅからなる群より選ばれた１種以上を合計で０．０００１質量％以上０．０１質量％以下含み、残部は金および不可避不純物からなり、常温での伸び率が３〜１０％であることを特徴とする。
【００１６】
本発明に係るバンプ電極形成用金合金線の製造方法の第一の態様は、Ｃｕを０．００５質量％以上５質量％以下含み、残部が金および不可避不純物からなる金合金線を、常温での伸び率が３〜１０％となるように熱処理することを特徴とする。
【００１７】
本発明に係るバンプ電極形成用金合金線の製造方法の第二の態様は、Ｃｕを０．００５質量％以上５質量％以下、白金族元素を０．０１質量％以上１．５質量％未満含み、残部が金および不可避不純物からなる金合金線を、常温での伸び率が３〜１０％となるように熱処理することを特徴とする。
【００１８】
本発明に係るバンプ電極形成用金合金線の製造方法の第三の態様は、Ｃｕを０．００５質量％以上５質量％以下、Ｃａ、Ｂｅ、希土類元素、Ｓｎ、Ｇｅからなる群より選ばれた１種以上を合計で０．０００１質量％以上０．０１質量％以下含み、残部が金および不可避不純物からなる金合金線を、常温での伸び率が３〜１０％となるように熱処理することを特徴とする。
【００１９】
本発明に係るバンプ電極形成用金合金線の製造方法の第四の態様は、Ｃｕを０．００５質量％以上５質量％以下、白金族元素を０．０１質量％以上１．５質量％未満含み、さらにＣａ、Ｂｅ、希土類元素、Ｓｎ、Ｇｅからなる群より選ばれた１種以上を合計で０．０００１質量％以上０．０１質量％以下含み、残部が金および不可避不純物からなる金合金線を、常温での伸び率が３〜１０％となるように熱処理することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２０】
本発明に係るバンプ電極形成用金合金線は、Ｃｕを０．００５質量％以上５質量％以下含むので、バンプ電極形成後の金合金線引きちぎり動作の際に、再結晶領域で破断しやすく、半導体素子のパッド電極に加わる力は小さくなるとともに、ボール直上部の破断長さｈ１を短くすることができ、また、常温での伸び率が３〜１０％であるので、このことによってもバンプ電極形成後の金合金線引きちぎり動作の際に半導体素子のパッド電極に加わる力を小さくすることができる。
【００２１】
したがって、本発明によれば、バンプ電極形成時における半導体素子のパッド電極の破壊を防ぐことができ、かつ、安定した接合状態を保つこともでき、半導体装置の実装を容易にし、その歩留まりの向上を達成することができる。さらに、本発明は、金合金線の常温での伸び率の範囲が３〜１０％と広いので、製造工程での管理を容易にすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
電極パッドは、アルミニウム層、またはアルミニウム−銅の合金層からなり、その表面において金合金線との接合面が形成される。
【００２３】
本発明者は、従来のバンプ電極形成用金合金線でバンプ電極を形成したときに、半導体素子の電極パッドが破壊されてしまう原因について鋭意検討した結果、電極パッドの破壊は、バンプ電極を形成するために金ボールを電極パッドに接地させた際、電極パッドと半導体素子との間にクラック等のヒビ割れが生じ、金線引きちぎり動作の際に電極パッドが半導体素子から剥がれてしまうことにより生じることを見出した。半導体素子は高密度化が進んでおり、また、パッド下には配線および低誘電率（Ｌｏｗ−Ｋ）材料が組み込まれることもあり、このような半導体素子等では、電極パッドと半導体素子との間の接合強度は著しく小さくなっており、前記のような電極パッドの破壊は、より生じやすいと考えられる。電極パッドの破壊が生じると、下層の配線部またはシリコン層は剥きだしになってしまう。
【００２４】
また、バンプ電極８（図４参照）においては、引きちぎり動作後のボール直上部の破断長さｈ１が短いことが重要であり、ｈ１の長さが十分に短くない場合には、キャピラリ２（図５参照）を用いた高さ修正作業（レベリング）を行うなどしてｈ１の長さを十分に短くしてから、半導体素子５（図５参照）等との接続に使用することが必要となる。ｈ１の長さが十分に短くないと、接合不良の原因となったり、ショートの原因となるからである。
【００２５】
しかし、このような作業が追加されることは、工数ひいてはコスト増となるため好ましくない。そこで、ボールボンディング法によりバンプ電極を形成したままの状態でボール直上部の破断長さｈ１を短くできるように、バンプ形成用金合金線は伸び率が小さくなるように（通常は２％以下）製造されている。再結晶領域は、加熱溶融されたボール４およびボール４の近傍の金合金線１に生じるところ、金合金線１の主たる伸びおよび破断は再結晶領域で生じるので、ｈ１の長さは再結晶領域の長さに依存する。したがって、再結晶領域をできるだけ狭く、また同時に再結晶領域とそうでない部分との組織的なコントラストを強くすることにより、ｈ１の長さを短くすることができる。このため、従来は、金合金線の伸び率を小さくすることで、ｈ１の長さを短くしていた。
【００２６】
そのため、金合金線の強度が高すぎるために電極パッドの破壊が起こっていたにもかかわらず、従来は金合金線の伸び率を大きくして対応するわけにはいかなかった。
【００２７】
そこで、本発明者は、金線にＣｕを添加しワイヤの再結晶領域を脆くすることによって、金合金線の引きちぎり動作の際に再結晶領域で破断しやすくさせるとともに、伸び率が通常（２％以下）よりも大きい場合でもｈ１の長さが短いバンプを形成することができるようにした。また、金合金線の伸び率を３〜１０％と通常（２％以下）よりも大きくしているので、このことによっても半導体素子のパッド電極の受けるダメージは低減されることとなる。
【００２８】
Ｃｕは金合金線の再結晶領域を脆くする働きがある。Ｃｕの添加量が０．００５質量％を下回る場合は金合金線の再結晶領域を脆くする効果が十分には得られず、また、５質量％を上回ると金合金線の強度が大きくなりすぎ、電極パッドの破壊の発生率は増加する。
【００２９】
このため、本発明に係るバンプ電極形成用金合金線においては、Ｃｕの添加量の範囲を０．００５質量％以上５質量％以下とした。
【００３０】
なお、Ｃｕの添加による金合金線の強度上昇に伴う電極パッドの破壊の発生率の増加は、他の全率固溶元素の添加によって緩和することができる。Ｃｕに加えてその添加元素まで酸化しやすいものであると、この緩和効果は小さくなるため、その元素は白金族元素（Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ）であることが好ましい。白金族元素の添加量が０．０１質量％を下回る場合は、酸化防止効果が得られず、また、白金族元素の添加量が１．５質量％以上になると金合金線の強度上昇に伴い、電極パッドの破壊の発生率が増加する。また、白金族元素の添加量が多すぎると、再結晶領域の脆さも低減されるため、白金族元素の添加量が１．５質量％以上でないことは、この点からも重要である。
【００３１】
よって、本発明に係るバンプ電極形成用金合金線において、白金族元素の添加量の好ましい範囲は、０．０１質量％以上１．５質量％未満とした。
【００３２】
また、原料金に対し強度を上昇させる目的で添加する元素としてはＣａ、Ｂｅ、希土類元素、Ｓｎ、Ｇｅが考えられる。これらの元素の合計の添加量が０．０００１質量％以上でないと強度上昇の効果は十分には得られない。また、０．０１質量％を超えた場合は、ワイヤの伸び率を大きくする、Ｃｕを添加する、といった本発明に係る手段による効果だけでは金合金線の再結晶領域の破断強度は十分には低下せず、電極パッドの破壊の発生率を低下させる効果は小さくなる。
【００３３】
このため、本発明に係るバンプ電極形成用金合金線において、Ｃａ、Ｂｅ、希土類元素、Ｓｎ、Ｇｅの合計の添加量の好ましい範囲は、０．０００１質量％以上０．０１質量％以下とした。
【００３４】
次に、本発明に係るバンプ電極形成用金合金線の製造方法について説明する。
【００３５】
金の純度が９９．９９質量％以上の高純度金に所定の元素を所定量添加して、高周波誘導加熱炉等を用いて真空中で溶解鋳造する。得られた鋳造材を溝ロールで線状に加工し、さらに伸線加工を行って、直径２５μｍ程度の金合金線とする。そして、この金合金線に熱処理を行って、常温における引張試験での金合金線の伸び率が３〜１０％となるようにする。
【００３６】
前記熱処理の条件は、温度：１００〜８００℃、時間：０．２〜５秒とすることが好ましく、雰囲気は大気中とすることが好ましい。
【実施例】
【００３７】
金の純度が９９．９９質量％以上の高純度金を原料とし、表１および表２に示す組成となるように元素を添加して、高周波誘導加熱炉で溶解鋳造した。得られた鋳造材を溝ロールで線状に加工し、さらに伸線加工を行って、直径２５μｍの金合金線とした。表１に示すサンプルＡ１〜Ａ４２の組成は本発明に係る金合金線の組成の範囲に含まれ、表２に示すサンプルＢ１〜Ｂ１１の組成は本発明に係る金合金線の組成の範囲外である。なお、表１および表２中の第３添加元素とは、Ｃａ、Ｂｅ、希土類元素、Ｓｎ、Ｇｅからなる群より選ばれた１種以上の元素のことである。
【００３８】
これらの金合金線のすべて（サンプルＡ１〜Ａ４２、Ｂ１〜Ｂ１１）について、従来のバンプ電極形成用金合金線の作製条件に基づく熱処理を大気中にて施した。引張試験機（株式会社オリエンテック製、テンシロンＵＴＭ−４−１００）を用いて熱処理後の金合金線について引張試験（クロスヘッドスピード１０ｍｍ／ｍｉｎ）を行ったところ、伸び率はいずれも３％未満となった。
【００３９】
前記熱処理後の金合金線を用いて、ワイヤボンディング装置（株式会社新川製、ＵＴＣ−４００ＢＩ）により、半導体素子のパッド電極にバンプ電極を形成した。バンプ電極は各金合金線ごとに２００個形成し、バンプ電極形成時に半導体素子から剥がれたパッド電極の数を記録し、パッド電極の破壊率を算出した。従来の作製条件に基づいて熱処理を施した金合金線（伸び率３％未満）のパッド電極の破壊率を、表１および表２に併せて示す。
【００４０】
次に、表３〜６に示すサンプルについては、伸び率が３％、５％および１０％となるように熱処理を施した。前記引張試験での金合金線の伸び率が３％となる熱処理条件は、組成に応じて、温度：１００〜４００℃、時間：０．２〜５秒であり、前記引張試験での金合金線の伸び率が５％となる熱処理条件は、組成に応じて、温度：３００〜６００℃、時間：０．２〜５秒であり、前記引張試験での金合金線の伸び率が１０％となる熱処理条件は、組成に応じて、温度：３００〜８００℃、時間：０．２〜５秒であった。なお、いずれの熱処理においても、雰囲気は大気中とした。
【００４１】
従来条件に基づく熱処理、および伸び率が３％、５％および１０％となるような熱処理を施した金合金線について、バンプ電極形成時の引きちぎり強度を測定した。該引きちぎり強度は、Ｄｙｇｅ社製のＢＴ２４００Ａのツイザープル用ロードセルを使用して測定した。引きちぎり強度の測定結果を表３〜６に示す。なお、表３〜６においては、金合金線の伸び率の影響を明確に示すため、従来品（伸び率３％未満）の金線引きちぎり強度を１００％とした場合の相対値で示した。
【００４２】
また、従来条件に基づく熱処理、および伸び率が３％、５％および１０％となるような熱処理を施した金合金線を用いて、前記と同様にしてバンプ電極の形成を行った。バンプ電極形成時のパッド電極の破壊率の測定結果を表７〜１０に示す。
【００４３】
【表１】
2007013023.tif 000003
【００４４】
【表２】
2007013023.tif 000004
【００４５】
【表３】
2007013023.tif 000005
【００４６】
【表４】
2007013023.tif 000006
【００４７】
【表５】
2007013023.tif 000007
【００４８】
【表６】
2007013023.tif 000008
【００４９】
【表７】
2007013023.tif 000009
【００５０】
【表８】
2007013023.tif 000010
【００５１】
【表９】
2007013023.tif 000011
【００５２】
【表１０】
2007013023.tif 000012
【００５３】
表１において、サンプルＡ１〜Ａ４２は、組成が本発明に係る金合金線の組成の範囲に含まれる金合金線である。しかし、熱処理条件が従来の条件であるため、伸び率が３％未満であり、伸び率が本発明の範囲の下限値を下回っている。このため、パッド電極破壊率は３〜７９％となり、十分に低いとは言えない結果となった。
【００５４】
表２において、サンプルＢ１〜Ｂ１１は、組成が本発明に係る金合金線の組成の範囲外の金合金線である。さらに、熱処理条件が従来の条件であるため、伸び率が３％未満であり、伸び率も本発明の範囲の下限値を下回っており、本発明の範囲外である。このため、パッド電極破壊率は８９〜１００％となり、極めて大きい結果となった。
【００５５】
表３〜６からわかるように、組成が本発明に係る金合金線の組成の範囲に含まれるかどうかにかかわらず、熱処理により伸び率が大きくなるほど、引きちぎり強度は低下している。伸び率が大きくなるほど再結晶が進行しているためと思われる。
【００５６】
しかしながら、組成が本発明に係る金合金線の組成の範囲外のサンプル（表１０のＢ７〜Ｂ９）については、熱処理により伸び率が３％以上になっても、パッド電極破壊率は十分には低下しておらず、高い数値のままである。具体的には、伸び率が３％の場合のパッド電極破壊率は７７〜８５％であり、伸び率が５％の場合のパッド電極破壊率は６０〜７２％であり、伸び率が１０％の場合のパッド電極破壊率は５３〜５７％であり、かなり大きな数値となっている。
【００５７】
これに対して、組成が本発明に係る金合金線の組成の範囲に含まれるサンプルについては、表７〜１０からわかるように、熱処理により伸び率が３％以上になると、パッド電極破壊率が急激に小さくなっている。伸び率が３％の場合のパッド電極破壊率は０〜３５％であり、伸び率が５％の場合のパッド電極破壊率は０〜５．６％であり、伸び率が１０％の場合のパッド電極破壊率は０％である。
【００５８】
したがって、パッド電極破壊率を十分に小さくするためには、熱処理により常温での伸び率を３〜１０％にすることに加えて、組成も本発明に係る金合金線の組成の範囲に含まれるようにすることが必要である。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】ボールボンディング法におけるボール形成工程を示す概略の一部切欠断面図である。
【図２】ボールボンディング法におけるボール接合工程を示す概略の一部切欠断面図である。
【図３】ボールボンディング法におけるバンプ形成工程を示す概略の一部切欠断面図である。
【図４】半導体素子の電極パッド上に形成したバンプ電極示す概略の側面図である。
【図５】バンプ電極により半導体素子と基板とを接合した状態を示す概略の側面図。
【符号の説明】
【００６０】
１  金合金線
２  キャピラリ
３  放電電極
４  ボール
５  半導体素子
６  電極パッド
７  クランパ
８  バンプ電極
９  基板
１０  外部電極
【図１】
2007013023.tif 000013
【図２】
2007013023.tif 000014
【図３】
2007013023.tif 000015
【図４】
2007013023.tif 000016
【図５】
2007013023.tif 000017