(57)【要約】【課題】本発明は、銅又は銅合金からなるボンディングワイヤの酸化変質を防止すると共にボンディングワイヤ先端部に真球状の接続ボールを形成することができ、ボンディング性を低下させることなく、長期間の使用および信頼性を高めたボンディングワイヤを提供することを目的とする。【解決手段】銅もしくは銅合金からなる芯材と、該芯材の上にアゾール化合物を含有する表皮層を有し、該表皮層の厚さが１００ｎｍ以下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。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
銅もしくは銅合金からなる芯材と、該芯材の上にアゾール化合物を含有する表皮層を有し、該表皮層の厚さが１００ｎｍ以下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】
前記表皮層の厚さが０．５ｎｍ以上１５ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置用ボンディングワイヤ。
【請求項３】
前記アゾール化合物が、ベンゾトリアゾール類縁体、およびイミダゾール類縁体から選ばれる１種もしくは２種以上の化合物であることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体装置用ボンディングワイヤ。
【請求項４】
前記アゾール化合物が、炭素数１〜４の低級アルキル基置換又は無置換のベンゾトリアゾール化合物、及び炭素数１〜４の低級アルキル基置換又は無置換のイミダゾール化合物から選ばれる１種もしくは２種以上の化合物であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に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回路配線基板（リードフレーム、基板、テープ）の配線を接続する半導体装置用ボンディングワイヤに関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体基板上に作製されたトランジスタ等の半導体素子における電極と、その半導体基板を実装してなる実装基板などにおける電極との電気的接続法として、それら両電極を金等よりなる線径２０〜５０μｍ程度の細線（ワイヤ）を介して接続するワイヤボンディング法が知られている。一般に、ワイヤボンディングは以下の手順により行われている。即ち、ワイヤを通してなる筒状のキャピラリを下降させてワイヤの下端を一方の電極に押圧させながら熱や超音波を印加してその電極にワイヤを圧着させた後、キャピラリからワイヤを送り出しながらキャピラリを他方の電極位置まで移動させ、同様にして他方の電極にキャピラリから送り出されたワイヤの基端を圧着させ、その基端部分にてワイヤを切断する。この一連の作業は、ワイヤボンディング装置により自動化されて行われている。
【０００３】
近年、半導体実装の構造・材料・接続技術等は急速に多様化しており、ループ性、接合性、接合部信頼性、量産使用性等をより向上したボンディングワイヤが求められている。
ワイヤボンディング技術からの要求では、ボール接続においては、ボンディングする前のＦＡＢ（Free Air Ball）という銅を溶かしてボールを形成する工程において、ボール形成時に真球性の良好なボールを形成し、そのボール部と電極との接合部で十分な接合強度を得ることが重要である。また、接合温度の低温化、ワイヤの細線化等に対応するためにも、回路配線基板上の配線部にワイヤをウェッジ接続した部位での接合強度、引張り強度等も必要である。
【０００４】
従来、ボンディングワイヤとして金線が用いられていたが、金線は高価格であること、また強度が銅に比べて劣ることなどの点から、材料費が安価である銅ワイヤに替える提案がなされてきた（非特許文献１及び２参照）。
しかし、銅ワイヤもまたいくつかの欠点があり、銅ボンディングワイヤの実用上の問題として、ワイヤ表面が酸化し易いこと、接合強度が低下すること等が起こり易いことが挙げられる。例えば銅ワイヤは先端のボール形成時に酸化されやすく、ボール形状が悪くなり、接合強度が低下することや、樹脂封止されたときのワイヤ表面の腐食等が起こり易いことが問題となる。ワイヤーボンディングにおいて、ボンディングワイヤ先端部に真球状の接続ボールを形成することは重要である。近年配線の高密度化、微細化が進展しているが、これに伴いボンディングワイヤの細線化と共にパッド間のファインピッチ化も進み、溶融ボールが真球状であることも要求されている。
また、銅および銅合金からなるワイヤは、酸化を防ぐため不活性ガス中で密封されて保管されている。但し、ワイヤボンディング装置に装着されると空気中に暴露されることになり、徐々に酸化が進行しボンディングの密着性に影響を与えボンディングが打てなくなる。銅（合金）ワイヤは短期間で使用しなければならないことから、ワイヤ長が短くなるためワイヤ交換頻度が高くなり、ボンディングの量産性を低下させるという問題があった。
【０００５】
この問題を解決するため、銅（合金）の表皮にパラジウムなどの貴金属でコートする方法が提案されている（特許文献１など）。しかし、この方法を使用すると銅の酸化を防ぎ長期間の使用が可能となるものの、貴金属をコートするため製造価格が高くなるという問題があった。
【０００６】
一方、銅の表面酸化を防ぐ処理剤として、特許文献２等には特定のベンゾトリアゾール誘導体を含有する無機酸及び／又は有機酸の酸性溶液にＥＤＴＡキレート剤を添加した銅変色防止液が開示されている。この変色防止液は、例えば銅、銅合金等をめっきしたものなどからなる基材に対し高速銀めっきを施し、銀めっき不要部分に付着した銀を剥離剤で溶解除去した後の該基材の銅の変色を防止するためのものである。
さらに、特許文献３には、マグネットワイヤとなる銅線の伸線工程において、銅線とイミダゾール系又はベンゾトリアゾール系の化合物を添加した防錆用液状潤滑剤とを反応させ、銅線表面に防錆皮膜を形成させる銅線の防錆処理伸線方法が記載されている。酸化防止を目的としているため、防錆用液状潤滑剤におけるイミダゾール系又はベンゾトリアゾール系の化合物の濃度は１％及び３％と高く、得られる防錆皮膜の厚さを厚くしている。
これらは前記基材、マグネットワイヤにおける防錆処理であり、ボンディングワイヤの前記ボール接続における真球状のボールの形成に関しては何ら記載がなく、そもそもボンディングワイヤに関する記載はない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００６−１９０７６３号公報
【特許文献２】特開平５−２３０６７５号公報
【特許文献３】特開平５−２２８５２８号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】「銅ワイヤボンディング実用化技術」（第42号・1989年）77〜80頁
【非特許文献２】「銅ボンディングワイヤの開発」エレクトロニクス小特集（No.10、1991-1）53〜56頁
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明の目的は、銅又は銅合金からなるボンディングワイヤの酸化変質を防止すると共にボンディングワイヤ先端部に真球状の接続ボールを形成することができ、ボンディング性を低下させることなく、長期間の使用および信頼性を高めたボンディングワイヤを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記問題を解決するため本発明者等が鋭意検討した結果、アゾール化合物を含有する表皮層を有し、該表皮層の厚さを１００ｎｍ以下であるボンディングワイヤを使用すると、表面の酸化を防ぐと共にボンディングワイヤ先端部に真球状の接続ボールを形成することが可能となり長期間にわたり良好なボンディング密着性を維持できることを見出し本発明に至った。
【００１１】
すなわち本発明は、以下の通りである。
（１）銅もしくは銅合金からなる芯材と、該芯材の上にアゾール化合物を含有する表皮層を有し、該表皮層の厚さが１００ｎｍ以下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。
（２）前記表皮層の厚さが０．５ｎｍ以上１５ｎｍ以下であることを特徴とする前記（１）に記載の半導体装置用ボンディングワイヤ。
（３）前記アゾール化合物が、ベンゾトリアゾール類縁体、およびイミダゾール類縁体から選ばれる１種もしくは２種以上の化合物であることを特徴とする前記（１）又は（２）に記載の半導体装置用ボンディングワイヤ。
（４）前記アゾール化合物が、炭素数１〜４の低級アルキル基置換又は無置換のベンゾトリアゾール化合物、及び炭素数１〜４の低級アルキル基置換又は無置換のイミダゾール化合物から選ばれる１種もしくは２種以上の化合物であることを特徴とする前記（１）〜（３）のいずれか一項に記載の半導体装置用ボンディングワイヤ。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の半導体装置用ボンディングワイヤは、貴金属などの高価な金属を使用せずに、銅もしくは銅合金のワイヤ表面を特定の処理剤により処理することにより、表面の酸化を防ぐと共にボンディングワイヤ先端部に真球状の接続ボールを形成することが可能であり、ボンディング性を低下させることなく長期間の使用が可能となる。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
次に本発明を具体的かつ詳細に説明する。
本発明の半導体装置用ボンディングワイヤは銅又は銅合金からなる芯材と、該芯材の上にアゾール化合物を含有する表皮層を有し、該表皮層の厚さが１００ｎｍ以下である。
前記表皮層は、アゾール化合物を変色防止剤として含有する変色防止溶液を用いて形成することができる。
【００１４】
前記変色防止剤であるアゾール化合物としては、１種またはそれ以上のアゾール化合物を用いることが出来る。アゾール化合物としては、イミダゾール類、オキサゾール類、チアゾール類、セレナゾール類、ピラゾール類、イソオキサゾール類、イソチアゾール類、トリアゾール類、オキサジアゾール類、チアジアゾール類、テトラゾール類、オキサトリアゾール類、チアトリアゾール類、ベンダゾール類、インダゾール類、ベンズイミダゾール類、ベンゾトリアゾール類などが挙げられる。ベンゾトリアゾール類縁体およびイミダゾール類縁体から選ばれる化合物であることが好ましく、炭素数１〜４の低級アルキル基置換又は無置換のベンゾトリアゾール化合物、又は炭素数１〜４の低級アルキル基置換又は無置換のイミダゾール化合物がより好ましい。具体的には、ベンゾトリアゾール類縁体としては、１Ｈ−ベンゾトリアゾール、及び１−メチル・１Ｈ−ベンゾトリアゾール、５−メチル・１Ｈ−ベンゾトリアゾール、２−メチル・２Ｈ−ベンゾトリアゾール、及び５，６−ジメチル・１Ｈ−ベンゾトリアゾールなどのベンゾトリアゾール誘導体を挙げることができ、イミダゾール類縁体としては、１Ｈ−イミダゾール、及び１−メチルイミダゾールなどのイミダゾール誘導体などを列挙することができる。特には、１Ｈ−ベンゾトリアゾール、１−メチル・１Ｈ−ベンゾトリアゾール、５−メチル・１Ｈ−ベンゾトリアゾール、２−メチル・２Ｈ−ベンゾトリアゾール、及び５，６−ジメチル・１Ｈ−ベンゾトリアゾール、１Ｈ−イミダゾール、及び１−メチルイミダゾールから選ばれる１種又は２種以上が好ましい。
上記化合物を含有する変色防止溶液は水溶液である。
【００１５】
前記変色防止溶液に含有されるアゾール化合物の含有量は、含有量が多くなると得られる変色防止膜の膜厚が厚くなる。膜厚が厚くなるとボンディングワイヤーの接続ボールが変形し真球状とならず、その結果、接合強度が十分に得られない。また、液の持ち出しを考えるとあまり高濃度にすることは経済的ではない。従って、添加量は変色防止効果から一般的に合計で０．０１〜５ｇ／Ｌ含有することが好ましい。また、膜厚を均一にするために、変色防止剤処理後に水洗することも有効である。
【００１６】
変色防止溶液は、酸性でもアルカリ性でも良いが、液安定性から４以上１１以下の弱酸性〜アルカリ性領域にするのが好ましい。
変色防止液のｐＨを酸性とする酸としては、無機酸、有機酸のいずれでも良く、又これらを混合して使用しても良い。
無機酸としては、硫酸、硝酸、塩酸、リン酸等が例示され、有機酸としては、クエン酸、スルファミン酸、酢酸、酒石酸等が例示されるが、特にこれらに限定されるものではない。
ただし、基材及びめっき表面への影響を考慮に入れるとリン酸又はクエン酸が好ましい。
また、ｐＨ緩衝剤として、クエン酸塩、リン酸塩、ピロリン酸塩、四ほう酸塩、ほう酸などを添加することができる。
【００１７】
更に変色防止溶液は、ポリエチレングリコール、ポリビニルアルコールなどの界面活性剤、及びＥＤＴＡ(Ethylenediaminetetraacetic Acid)、ＮＴＡ(Nitrilotriacetic Acid)、乳酸などの金属錯化剤を含有しても良い。
ボンディングワイヤから溶出する金属が多くなる場合、溶出した金属がトラップされずにフリーの形で変色防止溶液中に存在すると、アゾール化合物が銅を介在して積層するため、表皮層が厚くなりやすくなる。溶出した金属をトラップするために、ＥＤＴＡやＮＴＡ等の金属錯化剤を添加することが、表皮層を薄くするために有効である場合がある。
【００１８】
前記変色防止液は、銅又は銅合金表面に変色防止剤成分をごく微量吸着させ、その働きにより銅の変色を防止するものであるため、その使用方法としては銅又は銅合金からなるボンディングワイヤ芯材を、３０秒〜２分浸漬処理する、または変色防止液を銅又は銅合金表面に塗布するのみで良い。
上記変色防止液を用いて上記処理を行うことにより、銅若しくは銅合金の表面にアゾール化合物を含有する表皮層を形成することができる。該表皮層はアゾール化合物を主成分とし、５０質量％以上含有することが好ましく、８０質量％以上含有することがより好ましく、９０質量％以上含有することが特に好ましい。
表皮層の厚さは１００ｎｍ以下であることが重要であり、好ましくは厚さ５０ｎｍ以下であり、より好ましくは０．５ｎｍ以上１５ｎｍ以下である。
１００ｎｍを超えると、ボンディングする前のＦＡＢ（Free Air Ball）という銅を溶かしてボールを形成する工程で真球状にならず、ボンディング後の密着力が低下する問題を生じる。表皮層の厚さを５０ｎｍ以下とすることにより更にボールを形成する工程で真球状とすることができ、ボンディング性が向上する。特に１５ｎｍ以下が好ましい。
得られる表皮層の厚さを０．５ｎｍ以上の厚さとすることにより、取り扱い中の変色防止膜の毀損がなく、高温高湿環境での保存・使用での酸化変色がない。
前記表皮層の膜厚は、オージェ分光法やＳＩＭＳなどの機器分析において測定出来る。
【００１９】
芯材の銅合金としては、ボンディングワイヤに使用されている公知の銅合金を用いることができ、例えば、銅とパラジウム、金、銀、チタニウム、アルミニウムのいずれかの合金が挙げられ、特に、好適に用いることができる。
芯材としては、銅もしくは銅合金からなる直径１０〜５０μｍ。好ましくは１５〜４０μｍのワイヤが好ましい。
【００２０】
本発明の銅酸化防止処理をした銅又は銅合金ボンディングワイヤは、銅又は銅合金の変色を防止することができると共に、ボンディングワイヤ先端部に真球状の接続ボールを形成することが可能であり、ボンディング性を低下させることなく、長期間の使用が可能である。
【実施例】
【００２１】
以下、本発明を実施例により具体的に説明する。
実施例１
銅ワイヤとして、ヘラウス社製ＭａｘｓoｆｔＬＤ線径φ３８μｍを用い、下記変色防止処理を行い、ボンディングワイヤを得た。
変色防止処理は以下のとおり行った。
ヘラウス社製銅ワイヤ（ＭａｘｓｏｆｔＬＤ線径φ３８μｍ）をリールｔｏリールで途中に１Ｈ−ベンゾトリアゾール１．０ｇ／Ｌの水溶液、室温で１分間浸漬させて塗布した。
オージェ分光法により、表皮層の膜厚を測定した結果、１０ｎｍであった。
得られたボンディングワイヤを用い、ＴＰＴ社製セミオートワイヤボンダーＨＢ１６（フォーミングガス噴射ユニット装着）にて、ボンディングを行った。
ボンディング条件は、接合温度１９５℃、フォーミングガス噴射下ボンディング試験を行った。その際のテール長は２００μｍ、時間は３００ｍｓｅｃ、荷重は５５０ｄｇに固定し、超音波出力を変えた。結果を表１にまとめた。ボンディング本数は２０本／試料である。
また、シェア強度はデイジ社万能型ボンドテスターシリーズ４０００を用い、テストスピード１００μｍ／ｓｅｃ、シャアテスト高さ２０μｍで測定した。
ボンディング性は、ボンディングの可否、およびボンディング可能であった場合はシェア強度の強さにより比較した。
【００２２】
実施例２
実施例１と同じ銅ワイヤを用い、５−メチル・１Ｈ−ベンゾトリアゾール５０ｍｇ／Ｌ、ピロリン酸カリウム２．５ｇ／Ｌ、ｐＨ５（リン酸にて調整）の水溶液を用いた以外は実施例１と同様に変色防止処理を行った。
オージェ分光法により、表皮層の膜厚を測定した結果、４０ｎｍであった。
得られたボンディングワイヤを用い、実施例１と同様にボンディングを行い、評価した。結果を表１に示す。
【００２３】
実施例３
実施例１と同じ銅ワイヤを用い、１−メチルイミダゾール５０ｍｇ／Ｌ、ピロリン酸カリウム２ｇ／Ｌ、ポリエチレングリコール＃４００を１００ｍｇ／Ｌ、ｐＨ５（リン酸にて調整）の水溶液を用いた以外は実施例１と同様に変色防止処理を行った。
オージェ分光法により表皮層の膜厚を測定した結果、８ｎｍであった。
得られたボンディングワイヤを用い、実施例１と同様にボンディングを行い、評価した。結果を表１に示す。
【００２４】
実施例４
実施例１と同じ銅ワイヤを用い、１Ｈ−イミダゾール５０ｍｇ／Ｌ、ピロリン酸カリウム２ｇ／Ｌ、リン酸０．７５ｍｇ／Ｌ、ｐＨ５（リン酸にて調整）の水溶液を用い室温で１５秒浸漬処理した以外は実施例１と同様に変色防止処理を行った。
オージェ分光法により表皮層の膜厚を測定した結果、１ｎｍであった。
得られたボンディングワイヤを用い、実施例１と同様にボンディングを行い、評価した。結果を表１に示す。
【００２５】
比較例１
変色防止処理を行わない以外は実施例１と同様にし、ボンディングワイヤを作製し、実施例１と同様に評価を行った。結果を表１に示す。
比較例２
実施例１と同じ銅ワイヤを用い、ルーブライト＃２０００Ｌに１Ｈ−ベンゾトリアゾール１０ｇ／Ｌを添加した潤滑剤を用いた以外は同様に変色防止処理を行った。
オージェ分光法により、表皮層の膜厚を測定した結果、２４０ｎｍであった。
得られたボンディングワイヤを用い、実施例１と同様にボンディングを行い、評価した。結果を表１に示す。
【００２６】
比較例３
実施例１と同じ銅ワイヤを用い、ルーブライト＃２０００Ｌに１Ｈ−イミダゾール３０ｇ／Ｌを添加した潤滑剤を用いた以外は実施例１と同様に変色防止処理を行った。
オージェ分光法により、表皮層の膜厚を測定した結果、２００ｎｍであった。
得られたボンディングワイヤを用い、実施例１と同様にボンディングを行い、評価した。結果を表１に示す。
【００２７】
比較例４
実施例１と同じ銅ワイヤを用い、１Ｈ−ベンゾトリアゾール１０ｇ／Ｌを添加した水溶液を用いた以外は実施例１と同様に変色防止処理を行った。
オージェ分光法により、表皮層の膜厚を測定した結果、１５０ｎｍであった。
得られたボンディングワイヤを用い、実施例１と同様にボンディングを行い、評価した。結果を表１に示す。
【００２８】
【表１】
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表１から明らかなように、本発明のボンディングワイヤは、銅ワイヤーの酸化を防止して、ＦＡＢボール形成時に真球状の接続ボールを形成することができる。その結果接合強度が高くなり、耐酸化性、耐破断性に優れていることがわかる。