複層銅ボンディングワイヤの接合構造
【課題】材料費が安価で、低ループ化、ボール接合性に優れ、積層チップ接続の量産適用性にも優れた、複層銅ボンディングワイヤのボール接合部の接合構造を提供する。
【解決手段】銅を主成分とする芯材21と、前記芯材の上にＰｄ、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｔのうち少なくとも1種から選ばれる貴金属を主成分とする外層22とを有する複層銅ボンディングワイヤの先端に形成したボール部を接続してボール接合部３の接合構造を形成する。前記貴金属の第１濃化部10を、前記ボール接合部の表面領域のなかでも前記銅ボンディングワイヤとの境界に位置するボール根元域９に形成する。
【解決手段】銅を主成分とする芯材21と、前記芯材の上にＰｄ、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｔのうち少なくとも1種から選ばれる貴金属を主成分とする外層22とを有する複層銅ボンディングワイヤの先端に形成したボール部を接続してボール接合部３の接合構造を形成する。前記貴金属の第１濃化部10を、前記ボール接合部の表面領域のなかでも前記銅ボンディングワイヤとの境界に位置するボール根元域９に形成する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複層銅ボンディングワイヤの接合構造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端子との間を接合するボンディングワイヤ（ワイヤボンディング法で接続するワイヤ）として、線径１０〜５０μｍ程度の細線(ボンディングワイヤ)が主として使用されている。ボンディングワイヤの接合に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や、ボンディングワイヤをその内部に通して接続に用いるキャピラリ冶具等が用いられる。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、このボール部を圧着接合せしめ、その後で、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接合させる。
【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、例えば、実装構造では、現行のリードフレームを使用したＱＦＰ（Quad Flat Packaging）に加え、基板、ポリイミドテープ等を使用するＢＧＡ(Ball Grid Array)、ＣＳＰ(Chip Scale Packaging)等の新しい形態が実用化され、ループ性、接合性、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。
【０００４】
ボンディングワイヤの素材は、これまで高純度４Ｎ系(純度＞９９．９９ｍａｓｓ％)の金が主に用いられている。しかし、金は高価であるため、材料費が安価である他種金属のボンディングワイヤが所望されている。
【０００５】
材料費が安価で、電気伝導性に優れ、ボール接合性、ウェッジ接合性等も高めるために、銅を素材とするボンディングワイヤ（以下、「銅ボンディングワイヤ」という。）が開発され、特許文献1等が開示されている。しかし、銅ボンディングワイヤでは、ワイヤ表面の酸化によ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。これが銅ボンディングワイヤの実用化がＬＳＩ用途で進まない原因ともなっている。
【０００６】
ボンディングワイヤの接合相手となる材質に関して、被接合部としてのシリコン基板上の配線や、電極では、純ＡｌまたはＡｌ合金などが主流である。Ａｌ合金では、Ａｌ−１％Ｓｉ、Ａｌ−０．５％Ｃｕ、Ａｌ−１％Ｓｉ−０．５％Ｃｕなどが多く用いられている。微細配線用途のＣｕ配線でも、表面にはＡｌ合金などが使用される場合が多い。また、リードフレーム上には、Ａｇメッキ、Ｐｄメッキ等が施されており、また、樹脂基板、テープ等の上には、Ｃｕ配線が施され、その上に金等の貴金属元素およびその合金の膜が施されている。こうした種々の被接合部に応じて、ボンディングワイヤの接合性、接合部信頼性を向上することが求められる。
【０００７】
銅ボンディングワイヤは低コスト、優れた電気特性を有するなど、従来の金ボンディングワイヤよりも優れた特徴が多いことから、半導体実装およびＬＥＤ実装における次世代の接続材料として期待され、最新の実装構造、接続形態などに実用化の検討が進んでいる。最新の実装構造のなかには、従来の金ボンディングワイヤでも実績が少ないことから、銅ボンディングワイヤでも高いレベルの量産性、信頼性などが求められる場合もある。ＢＧＡ（Ball Grid Array）などの実装形態では、多ピン系のグラフィックＬＳＩ用途では８００ピンを超えるワイヤ接続が求められ、千鳥配線（Staggered Bonding）、狭ピッチ接続、高速接続などにおける生産性、歩留りの向上が必要となる。
【０００８】
多数の半導体チップを積み上げてワンパッケージ化する積層チップ構造の実用化が進んでいる。特に、代表的な半導体メモリであるＤＲＡＭとフラッシュメモリを組み合わせた複合メモリの需要が今後より一層高まると予想される。この複合メモリの実装は積層チップ構造が多用される。積層チップ構造に用いられるボンディングワイヤへの要求は厳しくなっている。積層チップ用途のワイヤ接続は、ボール接合をチップ電極上に行う正ボンディング方式と、チップ電極上にボールバンプを介してウェッジ接合を行う逆ボンディング方式に分類される。一般的である正ボンディング方式の長所は生産性が高いことであり、短所は低ループ化に不利なことである。積層チップ用途に実用化が始まった逆ボンディング方式の長所は、低ループ化が比較的容易であることで、短所はバンプ形成工程が増えるなど生産性が低下することである。
【０００９】
従来の半導体チップの固定（ダイ付け）では、ペーストなどの接着剤でチップ裏面が全面的に固着される。最近の４段以上のチップ積層化に適した新たな積層構造として、半導体チップの端部の下が固定されないで空間になっているオーバーハング型積層構造が使用され始めている。オーバーハング型積層構造では、ボール部が接合される電極部の直下が固定されないため、ボンディングワイヤ材料に厳しい性能が要求される。なかでも、ボール接合部の変形形状の安定化、接合部のシェア強度、ボールバンプの上へのウェッジ接合性などの課題に加えて、薄型パッケージのための超低ループ化が求められる。
【００１０】
積層チップ間の接続に関して、従来のスペーサ用チップを挟んだ接続に代替する新たな実装方式が開発されている。代表例であるＦＯＷ（Film On Wire）方式では、スペーサを使用しないため、低コスト化が期待される。チップ間をＦＯＷ樹脂により固定することで、スペーサなしでもチップ間隔を確保することができる。ＦＯＷ方式では、ワイヤの周りを樹脂で覆うため低応力、軟質の樹脂が用いられる。まずは金ボンディングワイヤによるＦＯＷ方式の実用化が進行しており、今後は銅ボンディングワイヤでも実用化が求められる。
【００１１】
従来の単層構造のボンディングワイヤ(以下、「単層ボンディングワイヤ」という。)では、引張り強度、接合部の強度、信頼性等を向上させるのに、合金化元素の添加が有効であるが、特性向上には限界が懸念されている。
【００１２】
銅ボンディングワイヤに要求される多様なニーズに応えるため、ワイヤ表面に別の金属を被覆した複層構造の銅ボンディングワイヤ(以下、「複層銅ボンディングワイヤ」という。)が提案されており、単層ボンディングワイヤよりもさらに特性を向上して付加価値を高めることが期待される。高機能化をもたらす複層銅ボンディングワイヤとして、例えば、銅の表面酸化を防ぐため、特許文献１には、金、銀、白金、パラジウム、ニッケル、コバルト、クロム、チタン等の貴金属や耐食性金属で銅を被覆したボンディングワイヤが提案されている。また、ボール形成性、メッキ液の劣化防止等の点から、特許文献２には、銅を主成分とする芯材、該芯材上に形成された銅以外の金属からなる異種金属層、および該異種金属層の上に形成され、銅よりも高融点の耐酸化性金属からなる被覆層の構造をしたボンディングワイヤが提案されている。
【００１３】
銅ボンディングワイヤも、従来の金ボンディングワイヤと同様に半導体の信頼性試験を満足する必要がある。特許文献３には、銅ボンディングワイヤとアルミ電極との接合部の界面近傍に、銅以外の導電性金属の濃度が高い濃化層が形成された接合構造と、これにより接合信頼性が向上することなどが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１４】
【特許文献１】特開昭６２−９７３６０号公報
【特許文献２】特開２００４−６７４０号公報
【特許文献３】国際公開第ＷＯ２００８−８７９２２号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
複層銅ボンディングワイヤは、表面酸化の抑制などにより従来の銅ボンディングワイヤよりも作業性が良好であることから、一般的な単層チップ接続には一部実用化が開始されている。今後、さらなる普及促進のためには、前述した複合メモリ用途などに今後高い市場成長が見込まれる積層チップ接続の分野において、複層銅ボンディングワイヤの適用が必要となる。積層チップ接続に特有の技術課題、または厳しい要求性能などに対応できる複層銅ボンディングワイヤが求められる。なかでも、薄型パッケージのための超低ループ化への適応、ボール接合での圧着形状の安定化および接合強度の向上などが重要となる。
【００１６】
逆ボンディング方式が低ループ化には有利であるが、バンプ上にウェッジ接合を行うため、バンプを形成する工程が増えて生産性の低下、設備投資などが必要であることが懸念される。そこで、バンプ形成が不要であり生産性の高い正ボンディング方式で、積層チップの超低ループ化を実現することへの期待は強い。今後の4段以上の積層チップの正ボンディング接続を量産するためには、ループ高さが５５μｍ以下の超低ループ化を複層銅ボンディングワイヤで達成することが求められる。
【００１７】
複層銅ボンディングワイヤで超低ループを形成するときの課題は、高さのバラツキを低減して目標とする低ループ高さを安定化させること、ボール近傍のワイヤに相当するネック部にクラック（以下、「ネッククラック」という。）などの損傷を与えないこと、ネック部の倒れ（以下、「ネック倒れ」という。）が発生しないことなどを同時に満足することである。
【００１８】
低ループ化を困難としている要因を分類すると、（１）５５μｍ以下の超低ループ、（２）ワイヤ表面の素材、組織、硬さなどが芯部と異なる複層銅ボンディングワイヤ、（３）ループ高さの異なる積層チップ接続、などがある。ループ高さの安定化、ネッククラックなどは、従来の単層の金ボンディングワイヤでも知られてはいるが、従来の複層銅ボンディングワイヤの積層チップ接続では量産レベルで低ループ化を実現することは非常に困難である。
【００１９】
もうひとつの課題は、ボール接合性の向上である。積層チップ接続ではチップ固定が必ずしも十分でないこと、ボンディング温度が低いことなどにより、ボール接合強度が低下することが問題となる。なかでも、ボール接合部の下の半導体チップが中空であるオーバーハング型積層構造、またはボール接合部の下の半導体チップがＦＯＷ樹脂により固定されているＦＯＷ方式の積層構造では、チップ固定が十分でないことから、荷重・超音波振動の伝達が低下して、接合強度が低下する。さらに各種の積層チップ構造に共通する問題としては、接合装置が加熱ステージによって下方から加熱するだけであるから、上層の半導体チップの温度が低下することにより、接合強度を上昇させるのが困難である、という問題がある。従来の複層銅ボンディングワイヤでは、ボール形成時に外層と芯材とが溶融、混合して合金化することにより、ボール接合部が変形したり、接合強度などが不安定となったりすることが懸念される。
【００２０】
以上のように、今後の複層銅ボンディングワイヤの実用化を推進するため、複合メモリ、フラッシュメモリなどに用いられる積層チップ接続に適応するための接合構造の改善が必要となる。そこで本発明では、上述するような複層銅ボンディングワイヤの実用化における従来技術の問題を解決して、低ループ化を実現すると共に、ボール接合性を改善し、工業生産性にも優れた複層銅ボンディングワイヤの接合構造および複層銅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】
【００２１】
本発明の請求項１に係る発明は、複層銅ボンディングワイヤの先端に形成したボール部を被接合部に接続したボール接合部の接合構造であって、前記複層銅ボンディングワイヤは、銅を主成分とする芯材と、前記芯材の上にＰｄ、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｔのうち少なくとも1種から選ばれる貴金属を主成分とする外層とを有し、前記貴金属の濃度が高い第１濃化部が、前記ボール接合部の表面領域のなかでも前記複層銅ボンディングワイヤとの境界に位置するボール根元域に形成されたことを特徴とする。
【００２２】
本発明の請求項２に係る発明は、前記第１濃化部における前記貴金属を総計した濃度が０．０５ｍｏｌ％以上６ｍｏｌ％以下であることを特徴とする。
【００２３】
本発明の請求項３に係る発明は、前記ボール接合部と前記被接合部の接合界面に垂直な前記ボール接合部の断面において、前記ボール根元域に形成された前記第１濃化部の厚さが線径の１％以上５０％以下の範囲であることを特徴とする。
【００２４】
本発明の請求項４に係る発明は、前記ボール接合部と前記被接合部の接合界面に垂直な前記ボール接合部の断面において、前記ボール接合部の断面積に対して前記ボール根元域に形成された前記第１濃化部を総計した面積の占める割合が２％以上３０％以下の範囲であることを特徴とする。
【００２５】
本発明の請求項５に係る発明は、前記ボール接合部と前記被接合部の接合界面に垂直な前記ボール接合部の断面において、前記ボール接合部の内部に前記貴金属の濃度が高い第２濃化部が１箇所以上形成されていることを特徴とする。
【００２６】
本発明の請求項６に係る発明は、前記ボール接合部と前記被接合部の接合界面に前記貴金属の濃度が高い第３濃化部が形成されていることを特徴とする。
【００２７】
本発明の請求項７に係る発明は、前記ボール接合部と前記被接合部の接合界面に垂直な前記ボール接合部の断面において、前記ボール接合部の表面領域のなかで前記第１濃化部のみを有することを特徴とする。
【００２８】
本発明の請求項８に係る発明は、前記貴金属がＰｄおよび、ＡｕとＡｇのうち少なくとも1種の合計２種以上を含み、前記第１濃化部において、Ｐｄ濃度に対するＡｕ、Ａｇを総計した濃度の比率が０．０１以上０．４以下の範囲であることを特徴とする。
【００２９】
本発明の請求項９に係る発明は、前記接合界面に垂直な前記ボール接合部の断面において、前記ボール接合部の断面積に対して前記第１濃化部と前記第２濃化部を総計した面積の占める割合が５％以上７０％以下の範囲であることを特徴とする。
【００３０】
本発明の請求項１０に係る発明は、前記複層銅ボンディングワイヤの外層の厚さが、０．０１μｍ以上０．４μｍ以下の範囲であることを特徴とする。
【００３１】
本発明の請求項１１に係る発明は、前記複層銅ボンディングワイヤの外層と芯材の間に、前記貴金属の少なくとも１種と銅との濃度勾配を有する拡散層を有し、前記拡散層の厚さが０．００３μｍ以上０．１５μｍ以下であることを特徴とする。
【００３２】
本発明の請求項１２に係る発明は、前記複層銅ボンディングワイヤの外層の主成分がＰｄであり、前記外層と前記芯材の界面にＡｕとＡｇのうち少なくとも1種以上の濃化層を有することを特徴とする。
【００３３】
本発明の請求項１３に係る発明は、前記複層銅ボンディングワイヤの外層の主成分がＰｄであり、前記外層の表面にＡｕ、Ａｇのうち少なくとも1種以上の濃化層を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００３４】
本発明の複層銅ボンディングワイヤのボール接合部の接合構造により、材料費が安価で、低ループ化、ボール接合性に優れ、積層チップ接続の量産にも適用することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の実施例におけるオーバーハング型積層チップ構造を示す模式図である。
【図２】同上、ボール接合部を示す斜視図である。
【図３】同上、ボール末端の濃化部を示す、図２におけるＸ−Ｘ方向の断面図である。
【図４】同上、ＦＯＷ型積層チップ構造を示す模式図である。
【図５】同上、ボール末端の濃化部とボール内部の濃化部を示す、図２におけるＸ−Ｘ方向の断面図である。
【図６】同上、ボール末端の濃化部と接合界面の濃化部を示す、図２におけるＸ−Ｘ方向の断面図である。
【図７】同上、末端の濃化部を有する初期ボールの、図２におけるＸ−Ｘ方向の断面図である。
【図８】同上、内部の濃化部を有する初期ボールの、図２におけるＸ−Ｘ方向の断面図である。
【図９】同上、ボール表面の濃化部を有する初期ボールの、図２におけるＸ−Ｘ方向の断面図である。
【図１０】同上、ボール表面の濃化部を有する初期ボールの、図２におけるＸ−Ｘ方向の断面図である。
【図１１】同上、シールドガス雰囲気の形成方法のうち、シールドパイプ方式の説明図である。
【図１２】同上、シールドガス雰囲気の形成方法のうち、蓋付シールドパイプ方式の説明図である。
【図１３】同上、シールドガス雰囲気の形成方法のうち、二方向ガス吹付け方式の説明図である。
【図１４】同上、ボール末端の濃化部を示す、図２におけるＸ−Ｘ方向の断面写真である。
【図１５】同上、ボール末端の濃化部とボール内部の濃化部を示す、図２におけるＸ−Ｘ方向の断面写真である。
【図１６】同上、ボール末端の濃化部と接合界面の濃化部を示す、図２におけるＸ−Ｘ方向の断面写真である。
【発明を実施するための形態】
【００３６】
本発明者らは、Ｐｄ、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｔのうち少なくとも1種の貴金属の濃度が高い濃化部を、銅ボンディングワイヤとボール接合部との境界に位置するボール根元域に形成することにより、銅ボンディングワイヤの積層チップ接続での使用性能を改善できることを確認した。この使用性能の改善には、前記濃化部の分布、厚さ、濃度、前記貴金属の成分などを適正化することが有効である。また、接続される前の前記ボールにおける濃化部の分布、相対濃度比なども、ボンディング作業性の向上などに有効である。さらに、複層銅ボンディングワイヤの外層の構造、厚さ、濃度などを適正化することによって、多様なパッケージ形態に適応する総合特性を改善することができる。以下に、本発明の好適な実施形態を詳細に説明する。
【００３７】
図１は、積層チップ接続の構成の一例である、オーバーハング型積層構造の模式図である。オーバーハング型積層構造の実装手順は、（１）最下層の半導体チップ４の電極膜8と基板５とを複層銅ボンディングワイヤ1で接続するステップ、（２）スペーサ６を介して第２層の半導体チップ４を搭載するステップ、（３）第２層チップの上の電極膜8と基板５とを複層銅ボンディングワイヤ1で接続するステップ、を備え、同様に第３層以降も（２）半導体チップ搭載と（３）ボンディングワイヤ接続とを繰り返す。ここで、スペーサと半導体チップの接着には、テープ状の接着材を用いることが多い。それぞれの半導体チップ表面から複層銅ボンディングワイヤ1のループまでの高さ（以下、「ループ高さ」という。）Ｈを低くする低ループ化は、積層チップを実装したパッケージ全体を薄型化するのに有効である。
【００３８】
複層銅ボンディングワイヤの先端に形成したボール部を被接合部に接続したボール接合部の接合構造であって、前記複層銅ボンディングワイヤは、銅を主成分とする芯材と、前記芯材の上にＰｄ、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｔのうち少なくとも１種から選ばれる貴金属を主成分とする外層とを有し、前記貴金属の濃度が高い濃化部が、前記ボール接合部の表面領域のなかでも前記複層銅ボンディングワイヤとの境界に位置するボール根元域に形成された接合構造であることが望ましい。前記接合構造を有することで、積層チップ接続の超低ループ化またはボール接合性を同時に改善することができる。濃化部とは、前記貴金属の濃度がボール接合部の内部の未濃化域の濃度よりも相対的に高い領域であり、その濃度比率が１．５倍以上である領域をいう。主成分とは、主成分を構成する金属元素（この場合、銅）の濃度の割合が、複層銅ボンディングワイヤの全体に含まれる金属元素の総計濃度に対して、５０％以上であることをいう。ボール根元域とは、複層銅ボンディングワイヤとボール接合部の境界に位置するボール接合部の一部である。また、積層チップとは、半導体チップを２層以上、積層化したものをいう。超低ループ化とは正ボンディング方式で形成されたループのループ高さＨが５５μm以下であることをいう。ボール接合性とは、ボール部を被接合部としての電極膜に接合するときの接合強度特性と、ボール部の形状特性とを総称している。
【００３９】
図２に本実施形態のボール接合部の斜視図を示す。複層銅ボンディングワイヤ１の先端には、アーク放電によりボール部が形成される。ボール部は、荷重・超音波振動が加えられ、半導体チップ４上の電極膜８に接合される。Ｐｄ、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｔのうち少なくとも１種の貴金属の第１濃化部10が、ボール接合部の表面領域のなかでも複層銅ボンディングワイヤ１との境界に位置するボール根元域９に形成されている。このボール根元域９はネック部とも呼ばれる。
【００４０】
第１濃化部10は、ネック部の全周にわたって形成される。図３は図２におけるＸ−Ｘ方向のボール接合部の断面図である。複層銅ボンディングワイヤ１は、銅を主成分とする芯材21と、前記芯材21の上にＰｄ、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｔのうち少なくとも１種から選ばれる貴金属を主成分とする外層22とを有する。ボール接合部のボール根元域９には、ボールの表面からボール内部にかけて、厚さｄを有する第１濃化部10が形成されている。第１濃化部10の厚さｄの好適な範囲については後述する。第１濃化部10は、好ましくは任意の断面において、ほぼ同様の断面構造を示す。また、ボール根元域9は、ボール接合部の断面で説明すると、ボール接合部高さＢＨの１／２より複層銅ボンディングワイヤ１に近い領域に相当する。なお、ここでいう断面とは、ワイヤ中心軸を含み、接合界面に垂直な断面をいう。
【００４１】
第１濃化部10の第一の効果は、積層構造のチップ各段で異なるループを形成するときに、相反する特性である、超低ループにおけるループ高さの安定化と、ネッククラックの抑制とを同時に満足できることである。例えば、複層銅ボンディングワイヤがウェッジ接合された樹脂基板から半導体チップ表面までの段差が２００、３５０、５００μｍなどと大きく異なるループ形成において、いずれの段差でもネッククラックの発生を抑えながら、超低ループにおける高さばらつきを抑えることにより、５５μｍ以下の超低ループ化を実現することが可能となる。こうした作用は、複層銅ボンディングワイヤのネック部における特異性も関与している。ボール部形成時の熱影響によりネック部で再結晶が進行する。因みに、外層と芯材の硬度、組織などが異なる複層銅ボンディングワイヤでは、再結晶が進行したネック部では伸び、加工歪みなどの不均一性がワイヤ本体よりも強調されることで、従来の単層ボンディングワイヤよりネッククラックの発生頻度が増える問題がある。これに対し、本実施形態に係る複層銅ボンディングワイヤは、ボール根元域に第１濃化部10を形成することにより、複層銅ボンディングワイヤの超低ループ形成でのネッククラックをより効果的に抑制することができる。
【００４２】
第１濃化部10の第二の効果は、積層チップにおけるボール接合強度を高められることである。接合強度を確保するために、荷重・超音波振動をできる限り低く抑えることが可能となるという利点もある。第１濃化部10の形成により荷重・超音波振動を低く抑えることにより、オーバーハング型積層構造でのボール接合時に半導体チップに破壊、亀裂などの損傷を与えることなく、ボール接合強度を向上することができる。
【００４３】
第１濃化部10の形成が超低ループ化、積層チップのボール接合強度などの改善を助長するメカニズムについて、ネッククラックの伝播を抑制すること、キャピラリ内に挿入されたボール部のグリップ性を向上することなどが、有効に作用していると考えられる。すなわち、超低ループにすることでネック部にかかる加重が大きくなっても、ネッククラックの発生が抑制されることから、低いループ高さを維持することができる。さらに、超低ループにすることでボール接合部にかかる加重が大きくなっても、ボール接合強度が向上されることから、超低ループ化が実現される。複層銅ボンディングワイヤ表面の外層と銅ボール部とで強度、延性、組織などが大きく異なることがネッククラックの伝播を助長する。それに対して、前記貴金属を銅中に含有する第１濃化部10が、外層と銅ボール部との強度、延性、組織の中間的な役割を果たすことで、ネッククラックの進展を抑えることが期待される。また、第１濃化部10がキャピラリ内壁とのグリップ性および密着性を向上することにより、チップ固定が不安定な積層チップにおいてボール接合のボール保持が安定化して、荷重・超音波振動などの伝達効率が向上することが想定される。
【００４４】
ボール接合部と電極膜の接合界面に垂直な前記ボール接合部の断面において、ボール接合部の断面積に対して第１濃化部10を総計した面積の占める割合が２％以上３０％以下の範囲であることが望ましい。前記割合が上記範囲の２％以上３０％以下であることにより、ボール接合部との境界近傍のワイヤ根元から倒れる根元倒れ（以下、「ルートリーニング」という。）の抑制に有効であり、これにより、超低ループを形成する装置の条件範囲を拡大でき、結果として生産性を向上させることができる。このルートリーニングは、複層銅ボンディングワイヤの超低ループ化に特徴的な不良であり、ワイヤ根元の局所部がセカンド接合方向に変形する現象であり、線径２０μm以下の細線で顕著となる。第１濃化部10がワイヤ根元の安定性を高めることで、複層銅ボンディングワイヤに外力が作用してもワイヤ倒れを抑える効果が高まる。ボール接合部の断面積に対して第１濃化部10を総計した面積の占める割合が２％以上３０％以下の範囲である理由として、該割合が２％未満であれば上記効果が小さく、３０％を超えるとボールの異形変形が増えて真円を保つのが困難となることが挙げられる。好ましくは４％以上２５％以下の範囲であれば、より厳しい条件である線径１８μm以下の極細線でもルートリーニングを抑制する高い効果が得られる。
【００４５】
積層チップ構造だけでなく、それ以外の実装構造であっても、上述した第１濃化部10を形成することにより、ネッククラックまたはルートリーニングを抑制して超低ループを量産で実現することができる。例えば、ＱＦＰ（Quad Flat Package）、ＢＧＡ（Ball Grid Array）、ＱＦＮ（Quad Flat Non-lead）などの単層チップ構造のパッケージでも、第１濃化部10が超低ループ化に有効であることが確認された。積層チップよりも単チップ構造でより高い効果が得られる場合も確認され、例えば、ワイヤ長（スパン）が３．５ｍｍ以上のロングスパンで低ループ化を安定化させるのに、第１濃化部10の形成が効果的であった。これは、単チップ構造のロングスパンではチップ段差が低いため、ループ形状が上方に湾曲する傾向が強くなり、無理して低ループ化させるとネッククラックの発生頻度が上昇することと関係する。この場合にも、ボール接合部の断面積に対して第１濃化部10の占める割合が４％以上２５％以下であることにより、ネッククラックとルートリーニングを同時に抑制することができる。例えば、線径１８μｍ、スパン４ｍｍ、チップ高さ１５０μｍ、ループ高さ５５μｍの単チップ構造でも、前記割合が４％以上２５％以下である第１濃化部10を形成することで、ネッククラックとルートリーニングを同時に抑制できることが実験により確認された。
【００４６】
第１濃化部10とは、前記貴金属の濃度がボール接合部の内部の未濃化域の濃度よりも相対的に高い領域であり、前記貴金属を総計した濃度が０．０５ｍｏｌ％以上６ｍｏｌ％以下の範囲であることが望ましい。第１濃化部10の濃度が０．０５ｍｏｌ％以上６ｍｏｌ％以下であることで、前記グリップ性が向上し、オーバーハング型積層構造でボール接合強度を向上することができる。ここで前記貴金属を総計した濃度が０．０５ｍｏｌ％以上６ｍｏｌ％以下の範囲である理由として、前記濃度が０．０５ｍｏｌ％未満では低ループ化とボール接合強度を同時に改善する効果が小さく、６ｍｏｌ％を超えるとボール部が硬化してチップ損傷を与え得ることが挙げられる。より好ましくは、前記濃度が０．２ｍｏｌ％以上４ｍｏｌ％以下の範囲であれば、１５０℃以下の低温でもオーバーハング型積層構造でのシェア強度を増加することができる。さらにより好ましくは、０．５ｍｏｌ％以上３ｍｏｌ％以下の範囲であれば、前述した１５０℃以下の低温でのシェア強度を増加する効果をより一層高めることができる。
【００４７】
ボール根元域での第１濃化部10に加えて、ボール根元域以外の部位に相当するボール接合部の側面に、前記貴金属が濃化されていない表面（以下、「未濃化表面」という。）があわせて含まれていることが望ましい。未濃化表面とは、ボール内部と同等の組成を有する純銅または銅合金のことである。ボール根元域の濃化部である第１濃化部10と未濃化表面が同時に存在することにより、低温でのボール接合強度を上昇させ、さらにアルミスプラッシュ不良も低減させるという高い効果が得られる。ここで、第１濃化部10の主な役割はキャピラリ内でボール部のグリップ性を高めることであり、未濃化表面の主な役割はボール圧縮変形および接合界面でのＣｕとＡｌの相互拡散を促進することである。ボール接合部表面の面積に対して未濃化表面の面積の占める割合が１０％以上７０％以下の範囲であれば、アルミスプラッシュ不良を低減させるのに有効に作用する。
【００４８】
積層チップにおける上層の半導体チップは加熱ステージより温度が低下するため、低温でのボール接合強度を上昇させることができれば、生産性の向上に有利となる。アルミスプラッシュとは、銅ボール部をアルミ電極膜に接合する際に、ボール変形および荷重・超音波振動により軟質のアルミ電極膜の一部がボール接合部の外周に排出される現象であり、隣接するパッドや、ボール接合部に接触すると電気的ショートを起こす不良となる。銅ボール接合で頻繁に問題となるアルミスプラッシュ不良を抑制することにより、接合条件の適正範囲を拡大させて実装歩留りの向上に寄与することができる。第１濃化部10と未濃化表面を同時に形成して、ボール接合強度の上昇と、アルミスプラッシュ不良の低減を改善することは、積層チップの生産性および歩留まりの向上に大きく寄与する。
【００４９】
ボール接合部と電極膜の接合界面に垂直なボール接合部の断面において、前記ボール根元域に形成された第１濃化部10の厚さｄが線径の１％以上５０％以下の範囲であることが望ましい。これにより、新たな積層チップ構造であるＦＯＷ方式でのボール接合形状を真円化させる効果が得られる。図４は、積層チップ接続の構成の一例である、ＦＯＷ型積層構造の模式図である。このＦＯＷ方式では、スペーサを使用しないでチップ間をＦＯＷ樹脂７により固定することで、低コスト、省工程に有利である。工程として、半導体チップ４上の電極膜８と基板５とを複層銅ボンディングワイヤ１で接続してから、半導体チップ４の上にＦＯＷ樹脂７を載せて、次にＦＯＷ樹脂７上に上層の半導体チップ４を搭載して加熱しながら固定・接着させる。まずは金ボンディングワイヤによるＦＯＷ実装の実用化が進行しており、今後は銅ボンディングワイヤでもＦＯＷ実装の適用が切望される。従来技術では、ボール接合時に低弾性のＦＯＷ樹脂が動くため、ボール接合形状が楕円になるなど、ボール接合形状が安定しないことが問題であった。
【００５０】
第１濃化部10の厚さｄの線径に対する比率が１％以上５０％以下の範囲である理由は以下の通りである。前記比率が１％以上であれば、不安定なＦＯＷ樹脂上でも、ボール部のグリップ性を向上させて、ボール接合形状の真円化に効果がある。一方、前記比率が５０％超では、ボール部のキャピラリ内部への挿入量を低減させるためグリップ性が低下して、ボール部の花弁変形が増加する。こうした第１濃化部10の厚さによる改善効果は、ＦＯＷ方式の積層チップにおいて顕著であるが、その限りではなく、通常の積層チップ、狭ピッチ接続の単層チップなどにおいても同様の効果が確認された。ここで、第１濃化部10の厚さを線径に対する比率で整理することは、線径、ボール径など異なる多様なパッケージ製品において総合的に改善することを容易とするのに有効な手法となる。好ましくは、前記厚さの比率が３％以上４５％以下の範囲であることにより、３段目のＦＯＷ型積層チップにおいてボール接合形状を安定化させる高い効果が得られる。
【００５１】
一般的に、半導体チップの大型化により、荷重・超音波振動によるＦＯＷ樹脂の変形量が増加して、ボール接合形状が不安定となることが懸念されているが、前記比率を５％以上３５％以下の範囲とすることにより、大型チップでもボール接合形状を真円化させる高い効果が得られる。
【００５２】
接合構造は、ボール根元域での第１濃化部10に加えて、ボール接合部の内部にも濃化部が１箇所以上形成されることが望ましい。ボール接合部の内部の濃化部を第２濃化部11と称す。この第２濃化部11を形成することにより、ボール接合界面の中央で不十分な金属接合または金属間化合物の未成長による中心未接合不良（以下、「中抜け不良」という。）を防止する効果が高められる。図５には、ボール接合部３の内部に形成された第２濃化部11の一例が例示されている。第２濃化部11は、接合界面に垂直な任意の断面において、同様の形状を有してもよいし、そうでなくてもよい。また、第２濃化部11の形状や数は図に示す形状や数に限られるものではない。第２濃化部11を形成して中抜け不良を抑制することにより、積層チップにおいて高い改善効果が得られ、好ましくは、オーバーハング型積層構造またはＦＯＷ型積層構造においてより顕著な改善効果が期待される。中抜け不良を抑制する利点として、接合工程で剥離などの初期接合不良を抑制し、さらに高温加熱、高温高湿加熱などの長期信頼性を向上させることができる。第２濃化部11は、ボール部の接地または初期変形における変形抵抗を適度に高め、または、ボール内部での荷重・超音波振動の伝播を分散させることにより、ボール接合界面の中央での金属接合および金属間化合物の成長を促進する作用があると考えられる。第２濃化部11では、前記貴金属を総計した濃度が０．０５ｍｏｌ％以上５ｍｏｌ％以下の範囲であることが望ましい。前記濃度が０．０５ｍｏｌ％未満では積層チップの中抜け不良を抑制する効果が小さく、５ｍｏｌ％を超えるとボール部が硬化してチップ損傷を与えることが懸念される。また、ボール接合部の断面積に対して第２濃化部11を総計した面積の占める割合が３％以上５０％以下の範囲であることが望ましい。該割合が３％未満では改善効果が小さく、５０％を超えるとボール変形抵抗が大きくなり、接合時にチップ損傷を与えることが問題となる。
【００５３】
前述した第１濃化部10、第２濃化部11などの濃化部について、未濃化領域とは色、濃度などにより容易に識別することができる。例えば、ボール接合断面の光学顕微鏡による色判定、またはＥＰＭＡ（Electron Probe Micro Analyzer; 電子線マイクロ分析法）、ＥＤＸ（Energy Dispersive X-ray spectrometry; エネルギー分散型Ｘ線分析法）などの面分析によるマッピングなどにより、濃化部と未濃化領域を識別することができる。前述した濃化部の面積を求める際にも、光学顕微鏡による色判定を利用することが簡便である。
【００５４】
ボール接合部と電極膜の接合界面に垂直な前記ボール接合部の断面において、ボール接合部の断面積に対して第１濃化部10と第２濃化部11を総計した面積の占める割合が５％以上７０％以下の範囲であることが望ましい。第１濃化部10と第２濃化部11を総計した面積の割合が上記範囲であれば、前述した積層チップ接続の超低ループ化、ボール接合性の改善に加えて、小ボール接合部の圧着ボール高さの安定化に有利である。小ボールとは、線径に対する初期ボール部の直径が１．２〜１．７倍の範囲に該当する。ボール高さの安定化は、接合強度、接合サイズなどのばらつきを低減するのに有効な管理指標となる。ボール接合部の断面積に対して第１濃化部10と第２濃化部11を総計した面積の占める割合が５％以上７０％以下の範囲である理由として、該割合が５％未満であれば改善効果が小さく、７０％を超えると接合時にチップ損傷を与えることが問題となることが挙げられる。好ましくは１０％以上６５％以下の範囲であれば、ＢＧＡ、ＣＳＰなどの単層チップ構造でも同様のボール高さの安定化に有利である。より好ましくは１５％以上６０％以下の範囲であれば、ＦＯＷ型積層構造における圧着ボール高さの安定化をより向上することができる。
【００５５】
接合構造は、ボール根元域での第１濃化部10に加えて、ボール接合部と電極膜の接合界面に濃化部が形成されることが望ましい。ボール接合部と電極膜の接合界面の濃化部を第３濃化部12と称す。図６には、ボール接合部３と電極膜８との接合界面に第３濃化部12が形成されていることが例示されている。第３濃化部12は、接合界面の全面にわたって形成されることが望ましい。第３濃化部12を形成することにより、接合部の長期信頼性を高める効果が得られる。１７０℃以上の高温加熱、あるいは、ＰＣＴ試験（Pressure Cooker Test）およびＨＡＳＴ試験（Highly Accelerated Temperature and Humidity Stress Test）などの高湿加熱といった加速試験における接合信頼性を向上できる。第３濃化部12と第１濃化部10とが同時に形成される方が、第３濃化部12を単独で形成するよりも、接合信頼性を向上する効果が高められる。これは、第１濃化部10を形成することにより初期の接合界面での拡散が比較的容易となり、均一な金属間化合物の成長が促進されるためと考えられる。
【００５６】
第３濃化部12の厚さは、０．０３μｍ以上６μｍ以下の範囲であることが望ましい。厚さが０．０３μｍ以上であれば上述した１７０℃以上の高温加熱での接合信頼性を向上する高い効果が得られ、６μｍを超えると積層チップのボール接合時に電極下に微小クラックなどの損傷を与えることが懸念される。好ましくは、第３濃化部12の厚さが０．２μｍ以上４μｍ以下の範囲であれば、１３０℃-８５％ＲＨ（相対湿度）での高湿加熱でのボール接合部の寿命をより延長させることができる。また、第３濃化部12において貴金属を総計した最高濃度が０．１ｍｏｌ％以上６ｍｏｌ％以下の範囲であることが望ましい。これは最高濃度が０．１ｍｏｌ％未満では前記接合信頼性の改善効果が小さく、６ｍｏｌ％を超えるとオーバーハング型積層構造でボール部の着地衝撃によってチップダメージ損傷が生じることが問題となる。
【００５７】
ボール接合部の表面領域のなかで第１濃化部10のみを有することが有利となる場合もある。すなわち、ボール接合部の表面領域の濃化部が第１濃化部10だけであることにより、積層チップでのリフトオフ不良を抑える効果が得られる。リフトオフとは、量産工程の連続ボンディングの動作中にボール接合部と電極膜との接合界面で剥離が生じる不良現象である。接合強度が平均的には高くても、量産工程におけるリフトオフ不良の発生が問題視される。特に、オーバーハング型積層構造またはＦＯＷ型積層構造において、ボール接合部の表面領域の濃化部が第１濃化部10だけであることは有効である。これらの積層構造では半導体チップが十分に固定されていないため、荷重・超音波振動を比較的低く、荷重およびスクラブ動作（低周波振動）を少し強く設定する場合が多い。こうした接合条件は、通常の単層チップでの接合条件とは異なる選定である。この接合条件では、電極表面の酸化膜、汚染層が比較的厚い場合などに、連続ボンディングの数十ミリ秒の短時間に接合界面での密着性を得るのが困難である。それに対して、ボール接合部の表面領域の濃化部が第１濃化部10だけであることにより、酸化膜、汚染層の破壊などを促進させて、ボール接合部と電極膜の界面で均一な密着性を得ることにより、リフトオフ不良を抑えることができる。要因として、電極膜と接触するボール表面に第３濃化部12がないこと、すなわち銅がボール表面に露出していることにより、酸化膜、汚染層を破壊して良好な金属接合が得られ、さらに銅と電極成分との相互拡散が促進されることが考えられる。
【００５８】
濃化部に濃化される前記貴金属はＰｄ、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｔのうち少なくとも1種であることが望ましい。すなわち、Ｐｄ、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｔのうち1種以上と銅とを主成分とする合金からなる前記第１濃化部10は比較的容易に形成することができ、しかも、積層チップにおける超低ループ化、ボール接合強度の向上などを満足する高い効果が得られる。また、第２濃化部11、第３濃化部12を形成するボンディング条件が広く、それぞれの作用効果である中抜け不良の抑制、接合信頼性の向上でも高い効果を得られることが確認された。こうした改善効果を量産で安定して実現するには、貴金属元素群のなかでもＰｄ、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｔの濃化部が有効であることが確認された。好ましくは、前記貴金属がＰｄ、Ａｕ、Ａｇのうち1種以上であることにより、前述したルートリーニング不良が超低ループで発生するのを抑制する顕著な効果が得られる。より好ましくは、主成分がＰｄであることにより、第１濃化部10が形成されたボール接合部の真円化を促進するより高い効果が得られる。
【００５９】
ボール根元域での第１濃化部10に加えて、上記複層銅ボンディングワイヤの外層の厚さが、０．０１μｍ以上０．４μｍ以下の範囲であることは、ネック部で破断させるファーストプル強度を増加させるのに有効である。ファーストプル強度とは、後述するようにボール接合部近傍のワイヤにフックを掛けて破断強度を測定した際の強度のことである。すなわち、上記複層銅ボンディングワイヤは、銅を主成分とする芯材と、前記芯材の上にＰｄ、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｔのうち少なくとも1種から選ばれる貴金属を主成分とする外層とを有し、該外層の厚さが０．０１μｍ以上０．４μｍ以下の範囲であることが望ましい。ネック部は、ボール形成時の熱影響により再結晶が進行することで、ワイヤ本体よりも強度が低下することが問題となる。そこで、複層銅ボンディングワイヤの外層の厚さを０．０１μｍ以上０．４μｍ以下の範囲とすることで、特に積層チップでの安定した低ループ化とファーストプル強度上昇との相反特性を両立することが可能となる。ここで、外層厚さが０．０１μｍ未満では積層チップでのファーストプル強度を上昇させる効果が小さい。外層厚さが０．４μｍ超では低ループ化とファーストプル強度上昇の両立が困難となり、例えば外層厚さが５０μｍ以下の超低ループではファーストプル強度のばらつきが大きくなることが確認された。
【００６０】
接合構造は、ボール根元域での第１濃化部10に加えて、上記複層銅ボンディングワイヤの外層と芯材の間に前記貴金属の少なくとも１種と銅との濃度勾配を有する拡散層を有し、前記拡散層の厚さが０．００３μｍ以上０．１５μｍ以下であることにより、単層チップ構造の高ループ接続におけるリーニング性を改善する効果が得られる。すなわち、上記複層銅ボンディングワイヤは、銅を主成分とする芯材と、前記芯材の上にＰｄ、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｔのうち少なくとも1種から選ばれる貴金属を主成分とする外層とを有し、外層と芯材の間に前記貴金属の少なくとも１種と銅との濃度勾配を有する拡散層を有し、拡散層の厚さが０．００３μｍ以上０．１５μｍ以下の範囲であることが望ましい。高ループ接続のリーニングとは、ボール接合部の直立部（熱影響部）が倒れる現象であり、隣接するワイヤと接触すると電気的ショートにより不良となる。この高ループ接続のリーニングは、前述したルートリーニングとはワイヤの変形方向、変形長さなどが異なり、容易に区別できる。ルートリーニングは、ワイヤ根元の局所域（２０〜５０μｍ）でセカンド接合方向に変形する現象である。これに対して、高ループ接続のリーニングはセカンド接合方向とは垂直方向となる隣接する複層銅ボンディングワイヤの方向に変形する。変形長さは長範囲にわたり一般的には１００μｍを超える範囲の変形であることが特徴である。また、高ループ接続のリーニングは単層チップで問題となり、ルートリーニングは積層チップで問題となる。第１濃化部10に加えて、外層と芯材の間に濃度勾配を有する拡散層を形成することで、ループ制御の際にワイヤに加わる複雑な外力を緩和する作用が働き、リーニングを軽減することができる。前記拡散層の厚さが０．００３μｍ以上０．１５μｍ以下である理由として、０．００３μｍ未満では、リーニングを改善する効果が小さく、０．１５μｍを超えると低ループ制御が不安定となることが挙げられる。
【００６１】
前記貴金属がＰｄおよび、ＡｕとＡｇのうち少なくとも1種の合計２種以上を含み、前記濃化部において、Ｐｄ濃度に対するＡｕ、Ａｇを総計した濃度の比率が０．０１以上０．４以下の範囲であることが望ましい。Ｐｄおよび、ＡｕとＡｇのうち少なくとも1種の合計２種以上を含有する合金からなる第１濃化部10であることにより、ボール接合部の真円化と、ウェッジ接合形状の安定化とを同時に改善することができる。第１濃化部10がＰｄを含むことで、ボール接合部の真円化を促進する高い効果が得られる。一方でＰｄ単独であれば、ボール接合時に、微小なＰｄ粉末、あるいはキャピラリ先端と第１濃化部10との焼付きなどにより、キャピラリ先端が摩耗することで、キャピラリの使用寿命が短くなることが懸念される。それに対して、第１濃化部10がＰｄおよび、ＡｕとＡｇのうち少なくとも1種を含有することにより、真円化を維持しつつ、キャピラリの使用寿命を長期化することが可能である。Ｐｄ濃度に対するＡｕ、Ａｇを総計した濃度の比率が０．０１以上０．４以下の範囲である理由として、０．０１未満であれば上記効果が小さく、０．４を超えるとボール接合部の花弁変形などの不良が発生することが挙げられる。ここでの濃度比率を求める手法として、第１濃化部10におけるランダムな濃度を３か所以上の位置で測定して、それぞれの位置での濃度比率を平均した値を用いることが望ましい。
【００６２】
上述の貴金属がＰｄおよび、ＡｕとＡｇのうち少なくとも１種の合計２種以上からなる合金の第１濃化部10を形成するための複層銅ボンディングワイヤは、外層の主成分がＰｄであり、前記外層の表面にＡｕ、Ａｇのうち1種以上の濃化層を有する複層銅ボンディングワイヤ、または、外層の主成分がＰｄであり、前記外層と芯材の界面にＡｕ、Ａｇのうち１種以上の濃化層を有する複層銅ボンディングワイヤのどちらかであることが望ましい。すなわち、Ａｕ、Ａｇのうち１種以上の濃化層の形成場所が外層の表面または外層と芯材の界面のどちらであっても、前記の合金の第１濃化部10を形成することができ、これにより、キャピラリ先端の摩耗を低減する効果が得られる。好ましくは、両者とも、Ａｕ、Ａｇのうち1種以上の濃化層において、Ｐｄ濃度に対するＡｕ、Ａｇを総計した濃度の比率が０．０１以上０．４以下の範囲であることが望ましい。上記濃度の比率が０．０１未満ではキャピラリ先端の摩耗を低減する効果が小さいためであり、また、上記濃度の比率が０．４超では合金化による硬化が顕著となり、キャピラリの内部の摩耗により作業寿命が短くなることが問題となるためである。また好ましくは、外層の主成分がＰｄであり、前記外層の表面にＡｕ、Ａｇのうち１種以上の濃化層を有する複層銅ボンディングワイヤによる接続構造にすることで、キャピラリ先端の摩耗を低減するより高い効果が得られる。これは、外層の表面に形成されるＡｕ、Ａｇのうち1種以上の濃化層が、ループを形成する時に、ワイヤ自身とキャピラリ内壁との摩擦抵抗を低減するためと考えられる。
【００６３】
また、本発明者らは、複層銅ボンディングワイヤの構成の違いにより、それぞれ異なる改善効果が得られることを確認した。外層の主成分がＰｄであり、前記外層の表面にＡｕ、Ａｇのうち１種以上の濃化層を有する複層銅ボンディングワイヤによる接合構造では、ワイヤ表面のＰｄ露出を低減することにより、キャピラリの使用寿命をさらに向上させる高い効果が得られた。特に、表面の影響が大きくなる直径１７μｍ以下の極細線で接続する場合には、キャピラリ寿命が３０％以上向上する場合も確認された。一方、外層の主成分がＰｄであり、前記外層と芯材の界面にＡｕ、Ａｇのうち１種以上の濃化層を有する複層銅ボンディングワイヤによる接合構造では、ボンディング工程後の搬送時における耐振動性を向上する効果が確認された。
【００６４】
第１濃化部10、第２濃化部11および第３濃化部12の形成を助長するためには、接合前の初期ボール部（Free Air Ball；以下、「ＦＡＢ」という。）でそれぞれの濃化部を形成しておくことが望ましい。これは、ＦＡＢを形成する時に、濃化部を容易に形成できること、ボール部の変形過程または接合後の加熱過程を経ることにより、ＦＡＢ内の濃化部は形状・サイズが少し変化したとしても、濃化部の分布、濃度などは維持される場合が多いこと、が挙げられる。
【００６５】
図７〜１０には、ＦＡＢ断面観察における濃化部の分布の代表例を示す。図７では、複層銅ボンディングワイヤとの境界近傍であるボール根元域に末端濃化部13が形成されている。当該末端濃化部13は接合後の第１濃化部10に相当する。末端濃化部13は、ネック部の全周にわたって形成され、好ましくは接合界面に垂直な任意の断面において、ほぼ同様の断面構造を示す。
【００６６】
図８では、上記第１濃化部10に加えて、ボール内部に内部濃化部14が形成されている。当該内部濃化部14は接合後の第２濃化部11に相当する。内部濃化部14は、接合界面に垂直な任意の断面任意の断面において、同様の形状を有してもよいし、そうでなくてもよい。また、当該内部濃化部14の形状や数は図に示す形状や数に限られるものではない。
【００６７】
図９および１０は、上記末端濃化部13に加えて、ボール部の表面近傍に表面濃化部15が形成されている。当該表面濃化部15は接合後の第３濃化部12に相当する。図９はボール先端の近傍のボール外周まで表面濃化部15が形成されている場合であり、図１０はボール外周の濃化層が比較的厚く、ボール先端にも表面濃化部15が形成されている場合である。表面濃化部15は、好ましくは接合界面に垂直な任意の断面において、ほぼ同様の断面構造を示す。接合界面の第３濃化部12は、接合後の加熱によりボール内に固溶している元素が拡散して、濃化が促進されることによっても形成される。例えば、図９のようにボール先端に表面濃化部15が観察されない場合でも、接合後にボール内に固溶している元素が拡散することで、第３濃化部12を形成できることを確認している。
【００６８】
本実施形態の接続構造に関して、これらのＦＡＢ内に濃化部が形成されたボール部により接合された接続構造であることが望ましい。例えば、接合構造は、接続される前のボール部（ＦＡＢ）における表面領域のなかでも複層銅ボンディングワイヤとの境界近傍であるボール根元域に、銅以外の貴金属の濃化部が形成されたボール部により接続されることが望ましい。より好ましくは、上記接合構造は、ボール根元域の濃化部に加えて、ボール部（ＦＡＢ）の内部に濃化部が形成されたボール部により接続されることが望ましい。さらに、好ましくは、接合構造は、ボール根元域の濃化部に加えて、ボール部（ＦＡＢ）の表面に濃化部が形成されたボール部により接続されることが望ましい。
【００６９】
前記ボール接合部の表面領域のなかでもボール根元域に貴金属の第１濃化部10を単に形成するだけであれば、基本的に通常のワイヤボンディング条件の適正化することによりある程度安定して形成することもできる。しかし、高速ボンディングの量産工程において第１濃化部10を安定して形成するためには、ボール形成のプロセス因子とワイヤ材料因子の２因子の片方または両方を制御することが望ましい。プロセス因子ではワイヤ先端近傍のシールドガスの吹付けおよびアーク放電などのボール形成条件などの適正化が有効であり、ワイヤ材料因子では複層銅ボンディングワイヤの構造の適正化が有効である。
【００７０】
第１濃化部10を形成するための好ましいボール形成条件は、電極トーチの後方からワイヤ先端に向かってシールドガスを吹き付けること、ワイヤ先端近傍で複層銅ボンディングワイヤに沿って上下の両方向にシールドガスの流れを形成することである。それぞれの作用として、アーク放電の領域を優先的にシールドする作用、またはワイヤの上方向にアーク放電を導き、ボール部が溶融状態から凝固するときにボール部を急冷する作用などが挙げられる。これらの作用を高めることにより、第１濃化部10の形成を促進することができる。こうしたシールドガス流れを形成する簡便な手法の一例である、シールドパイプ方式を図１１に示す。電極トーチ51をシールドパイプ52で覆い、複層銅ボンディングワイヤ１を通したキャピラリが上下方向に通過する上下貫通穴53をシールドパイプ52に貫通させておき、そのシールドパイプ52の内部にシールドガス流れ54を形成する手法が有効である。この手法により、放電を起こす電極トーチ51の後方からシールドガスを流すこと、複層銅ボンディングワイヤ１に沿って上下方向へのシールドガスの流れを形成することの両者を同時に満足させることが容易となる。シールドガスの手法として、図１１のようなシールドパイプ方式を一例として説明したが、この限りではなく、ガス流れを制御する他の手法でも第１濃化部10を形成する手法を考案することは可能である。
【００７１】
第１濃化部10を安定して形成するためのシールドガスは、純窒素ガスまたは窒素に水素を４〜６％の範囲で含有させた還元性ガスであること、流速は０．３〜１．０ｍｌ／minの範囲であること、シールドパイプ方式の上下貫通穴のサイズのキャピラリ直径に対する割合を１．２〜３．０倍の範囲にすることが望ましい。より好ましくは、流速を０．４〜０．８ｍｌ／minの範囲にすること、または、上下貫通穴のサイズを１．４〜２．７倍の範囲にすることにより、ネック部に集中的に濃化させ、第１濃化部10の形成を促進することができる。さらにより好ましくは、上下貫通穴のサイズを１．６〜２．３倍の範囲にすることにより、線径１８μｍ以下の細線を用いて第１濃化部10の形成をより安定化させることができる。
【００７２】
第１濃化部10を形成するための好ましいワイヤ材料因子は、複層銅ボンディングワイヤの外層の厚さが、０．０１μｍ以上０．４μｍ以下の範囲であること、外層表面のＣｕ濃度が低く、Ｃｕ酸化物が形成されていないことが有効である。これはワイヤ表面でのＣｕの露出が少ないこと、またはＣｕ酸化物が形成されていないことにより、アーク放電時の外層と銅との混合を遅らせて、ボール根元域に外層が集まる効果を促進するためと考察される。外層の厚さが０．４μｍを超えるとボール根元域への濃化が抑制される。外層表面のＣｕ酸化物の厚さが４ｎｍ以下、またはＣｕ濃度は２ｍｏｌ％以下であることが望ましい。Ｃｕ酸化物の厚さが４ｎｍを超えるか、または、外層表面にＣｕが２ｍｏｌ％を超えて露出すると、ボール溶融時に貴金属とＣｕが混合して第１濃化部10の形成が抑制される。ここでの酸化物とは、Ｃｕ酸化物がメインであり、Ｐｄ、Ａｇの酸化物でも同様であることが確認された。
【００７３】
より好ましくは、外層と芯材の界面近傍にＣｕ酸化物、有機物を介在させることも、第１濃化部10を安定して形成する上で有効である。外層と芯材の界面にＣｕ酸化物、有機物が介在すると、ボール溶融時に貴金属とＣｕとの混合がより抑制されると考えられる。Ｃｕ酸化物、有機物の膜厚の範囲は０．１ｎｍ以上５ｎｍ以下の範囲であることが望ましい。前記膜厚が０．１ｎｍ未満であれば上記作用が小さく、前記膜厚が５ｎｍを超えると外層と芯材の密着性が低下して剥離が生じる。好ましくは、前記膜厚が０．５ｎｍ以上３ｎｍ以下の範囲であれば、溶融状態で外層を構成する貴金属がボール根元域に濃化する現象を促進することができる。複層銅ボンディングワイヤの外層と芯材の界面近傍におけるＣｕ酸化物、有機物の介在を確認することが困難である場合が多いため、外層を形成する前の芯材を用いて、芯材の表面分析により観察されるＣｕ酸化物、有機物の膜厚の範囲が０．１ｎｍ以上５ｎｍ以下であっても構わない。
【００７４】
第１濃化部10に加えて、ボール内部の第２濃化部11の形成を促進するには、ボール形成のプロセス因子とワイヤ材料因子の２因子の片方または両方を制御することが望ましい。プロセス因子では、シールドガスを電極トーチの後方からと電極トーチと反対方向の両方向から流すことが有効である。この２方向のガス流により、アーク放電によるワイヤ溶融時のボール内部での対流、撹拌を促進することで、外層の貴金属とＣｕとを混合してボール内部での第２濃化部11の形成を促進していると考えられる。シールドガスの流し方で２種類の効果的な手法を紹介する。第一の手法は、図１１の方法を少し改造して、図１２に示すように、電極トーチ51をシールドパイプ52で覆い、さらにシールドパイプ52の先端を閉じる手法である。これにより電極トーチ51と反対方向からもガスの逆流を少し形成することが可能となる。さらにこの手法では、複層銅ボンディングワイヤに沿って上下方向へのワイヤ流れを促進することができ、アークの集中とボール部の急冷効果を高めて、第１濃化部10をより安定的に形成することができる。第二の手法は、図１３に示すように、電極トーチ51の後方の後方パイプ56と、電極トーチ51と反対方向の前方パイプ57とを利用して、強制的に２方向からシールドガスを流す手法である。この手法での留意点は、パイプの設置に自由度があるため、ボール形成時の酸化が起こらないシールド環境を形成するようにパイプの角度、高さなどを適正化することである。これらの手法のポイントは、ワイヤ溶融時のボール内部での対流、撹拌を促進することで外層の貴金属とＣｕとを混合する作用を生じさせる点であるが、本発明はこれらの手法に限定されるものではない。
【００７５】
第２濃化部11を形成するための好ましいワイヤ材料因子は、複層銅ボンディングワイヤの外層および拡散層の厚さを制御することが有効である。外層の厚さが０．０３μｍ以上０．２μｍ以下の範囲であるか、または、外層と芯材の間に形成された拡散層の厚さが０．０３μｍ以上０．１５μｍ以下の範囲であり、外層と拡散層を総計した厚さが０．０７μｍ以上０．４μｍ以下の範囲であることが望ましい。外層および拡散層の厚さが上記範囲であることにより、ボール溶融時に貴金属とＣｕとが混合し、ボール内部に第２濃化部11が形成されるのを促進する。ここで、外層の厚さが０．０３μｍ以上であり、外層と芯材の間に形成された拡散層の厚さが０．０３μｍ以上であり、外層と拡散層を総計した厚さが０．０７μｍ以上である理由として、それぞれの厚さの下限値よりも薄いと作用効果が小さいことが挙げられる。外層の厚さが０．４μｍを超えるとボール部の硬化により接合時にチップダメージを与えることが問題となる。拡散層の厚さが０．１５μｍを超えると、鋭角のワイヤ変形において抵抗となるので、短スパンなどのループ形状が不安定となる。外層と拡散層を総計した厚さが０．４μｍを超えると、第１濃化部1を安定的に形成することが困難となることが確認された。また、外層と拡散層の間の界面におけるＣｕ酸化物、有機物の介在を少なくするほど、第２濃化部11の形成を促進することができる。
【００７６】
ワイヤ表面に形成された外層および拡散層の境界に関して、外層は主成分の濃度が５０ｍｏｌ％以上、拡散層は１０ｍｏｌ％以上５０ｍｏｌ％以下の範囲と定義する。
【００７７】
第１濃化部10に加えて、ボール接合界面の第３濃化部12の形成を促進するには、接合前の初期ボール部（ＦＡＢ）において濃化層をボール表面近傍に形成しておくことが有効である。その手法として、ボール形成のプロセス因子とワイヤ材料因子の２因子の片方または両方を制御することが望ましい。プロセス因子では、例えば上述の図１２や図１３のガスシールドの手法において、アーク放電時間を短くして、電流値を高めることが望ましい。放電時間を短くすることで、ボール溶融時に外層を構成する貴金属と芯材のＣｕが混合する前に凝固させる作用を高め、貴金属が表面に濃化する現象を促進することが可能となる。線径、ＦＡＢ径、ボンディング装置の機種などにより放電時間の絶対値は変化するが、一例として線径２５μｍ、ＦＡＢ径５０μｍの場合の電流値は７５〜９５ｍＡ、放電時間は０．４〜０．６ｍｓｅｃ、また線径２０μｍ、ＦＡＢ径４０μｍの場合の電流値は３０〜５０ｍＡ、放電時間は０．５〜０．７ｍｓｅｃの範囲であることが望ましい。比較として、通常の銅ワイヤでの線径２５μｍ、ＦＡＢ径５０μｍの場合の一般的な放電条件は、電流値は６０〜７５ｍＡ、放電時間は０．４〜０．６ｍｓｅｃの範囲が多く用いられる。
【００７８】
第３濃化部12の形成を促進するワイヤ材料因子は、複層銅ボンディングワイヤの拡散層の厚さが０．０１μｍ以上０．１μｍ以下の範囲であり、さらに外層の厚さに対する拡散層の厚さの比率Ｙが０．０５以上０．４以下の範囲であることが有効である。これは、外層の厚さが上記範囲内で、しかも拡散層の厚さを外層に対して比較的薄くすることで、ボール溶融時に貴金属がＣｕと混合したりＣｕ内部に分散したりすることが抑えられ、ボール表面に濃化させる効果が高められるためであると考えられる。ここで、上記比率Ｙが０．４を超えると、拡散層が厚いために貴金属とＣｕとの混合が促進されて、第３濃化部の形成が安定しない。また上記比率Ｙが０．０５未満であれば、第３濃化部の形成が困難であり、加えて、拡散層が薄いために外層と芯材との密着性が低下して、ループ形状が不安定となる。
【００７９】
第１濃化部10に加えて、ボール接合界面の第２濃化部11および第３濃化部12の両者の形成を促進するには、外層の厚さが０．１５μｍ以上０．４μｍ以下の範囲であり、さらに外層の厚さに対する拡散層の厚さの比率Ｙが０．６以上１．２以下の範囲であることが有効である。これは、拡散層の厚さの比率が上記範囲となるように外層に対して拡散層を比較的厚くすることで、貴金属とＣｕとの混合が促進されて、ボール溶融の比較的初期段階において第１濃化部と第２濃化部がほぼ同時に形成され、さらに、ボール末端、ボール内部に濃化できなかった残りの貴金属が凝固時にボール表面に集まることにより最後に第３濃化部が形成されるためと考えられる。外層の厚さが０．１５μｍ未満では第２濃化部の形成が少なくなることが懸念される。外層の厚さが上記範囲であることを前提にして、上記比率Ｙが０．６未満では、第２濃化部の形成が不均質となり不安定となる。また上記比率Ｙが１．２以上では、第３濃化部の形成が不十分であり、加えて、ワイヤ製造時にカールと呼ばれるワイヤ加工曲がりが大きくなり、ワイヤの直線性が低下する。
【００８０】
上記に説明した、第１濃化部、第２濃化部、第３濃化部などそれぞれ濃化部の形成を促進するためのワイヤ材料因子について、この限りでなく、複層銅ボンディングワイヤであれば他の材料因子（膜厚、組成、分布）でもそれぞれの濃化部を形成することは可能である。また、第１濃化部、第２濃化部、第３濃化部に対応する作用効果については、濃化部が形成されていれば実現することは可能であり、濃化部を形成するための複層銅ボンディングワイヤのワイヤ材料因子には直接左右されないことも確認した。
【００８１】
濃化部を有する接合構造について、ボール接合部は、ループを形成する通常のワイヤボンディング方法で形成したボール接合部、またはスタッドバンプ法で形成したボール接合部のどちらでも構わない。両者の相違はループを形成するかどうかであり、ともにボール接合部の構造、要求特性などはほぼ同じである。
【００８２】
ボール部における第１濃化部10、第２濃化部11および第３濃化部12の形成を確認する手法としては、ワイヤ長手方向と平行方向のボール接合部の断面観察を行うことが簡便で効果的である。濃化部の分布を確認する手法として、光学顕微鏡での観察により色で識別することが簡便である。濃化部の濃度が０．１ｍｏｌ％以上であれば、色の濃淡により識別することが可能であることが確認された。また、ＥＰＭＡ（Electron Probe Micro Analyzer; 電子線マイクロ分析法）、ＥＤＸ（Energy Dispersive X-ray spectrometry; エネルギー分散型Ｘ線分析法）、ＡＥＳ（Auger Electron Spectroscopy; オージェ電子分光法）等などを用いて、ボール接合部の断面での元素分析を行うことで、局所的な濃化を確認すること、または元素ごとのマッピングを行うことで、濃化部の分布をより精度よく識別することが可能となる。またボール接合部の断面以外でも濃化部を確認することは可能であり、例えば第１濃化部10では、ボール接合部の表面においてボール根元域の元素分析を行うことも有効である。また第３濃化部12の確認では、ボール接合部の断面で、ＥＤＸ、ＥＰＭＡ、ＡＥＳなどの化学分析を用いて、接合界面を挟んでの線分析を行うことも有効である。濃化部の位置が明確である場合には、点分析も簡便な手法である。点分析で濃化の有無を評価するためには、濃化領域と、未濃化領域との少なくとも２箇所で分析して相対比較することが望ましい。
【００８３】
濃化部の観察、分析を行う試料は、出荷された半導体の最終製品、又は電子機器に装着されて実際に使用されている半導体のいずれでもよい。即ち、前者の出荷された段階または使用された段階のいずれかの半導体のボール接合部において、濃化部の濃度あるいは厚さが本実施形態の範囲内であれば、その作用効果を奏する。
【００８４】
複層銅ボンディングワイヤの作製では、Ｃｕを主成分とする芯材の表面に、電解メッキ、無電解メッキまたはスパッタなどによりＰｄ、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｔを主成分とする外層を形成する。外層を形成するときの芯材の線径は０．０５〜１．５ｍｍであることが生産性、均一性の観点から望ましい。必要に応じて、外層を形成する前の芯材の表面におけるＣｕ酸化膜、有機膜などをＡＥＳにより測定する。一般的な銅の電解エッチング、酸洗浄などを行うことにより、芯材の表面におけるＣｕ酸化膜、有機膜などを所定の厚さに調整することができる。
【００８５】
外層を形成した後に、伸線ダイスを用いてワイヤを所定の最終径まで伸線加工する。ダイスの減面率は３〜１５％の範囲である。熱処理は、外層形成後に伸線工程の途中または、最終線径での熱処理を施した。熱処理炉内にワイヤを連続的に移動させながら連続熱処理を行った。熱処理温度は３００〜８００℃の範囲とし、不活性ガスを流しながら加熱処理することによりワイヤの酸化を抑制する。
【００８６】
外層の表面に濃化層を形成する場合、または、外層と芯材の間に濃化層を形成する場合など、２層構造の外層を形成するには、電解メッキ、無電解メッキまたはスパッタを２度に分けて行い、その後に濃化層を形成するための熱処理を２００〜６００℃の範囲で施すことが望ましい。
【実施例】
【００８７】
以下、実施例について説明する。
【００８８】
複層銅ボンディングワイヤの原材料として、Ｃｕは純度が約99.99質量%以上の高純度の素材を用い、外層用のＰｄ、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｔの素材には、純度99.99質量%以上の原料を用意した。複層銅ボンディングワイヤの作製では、ある線径まで細くした高純度銅ワイヤを芯材として予め準備して、そのワイヤ表面に異なる金属の外層を形成するために、電解メッキ法により外層を形成した。外層の初期の膜厚は、消耗する最終線径での膜厚から計算により求めた。濃度勾配の形成、拡散層の生成を助長する場合は、熱処理を２００〜６００℃の範囲で施した。
【００８９】
外層の表面に濃化層を形成する場合、または、外層と芯材の間に濃化層を形成する場合など、外層とは別に濃化層を形成するための薄膜形成が必要である。外層と、濃化層用の薄膜とを形成するには、電解メッキ、無電解メッキまたはスパッタによる膜形成を２回に分けて行うことが有効である。主成分がＰｄ、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｔで共通する外層と濃化層用の薄膜では、膜厚の違いはあるが、膜形成条件は基本的に同様である。密着性を向上する熱処理を、必要に応じて、１回の膜形成の後、または２回目の膜形成の後に、２００〜６００℃の温度範囲で実施した。
【００９０】
最終の線径で外層を形成する場合と、ある線径で外層を形成してからさらに伸線加工により最終線径まで細くする方法を利用した。電解メッキ液、無電解メッキ液は、半導体用途で市販されているメッキ液を使用した。直径が約２００〜１５００μmのワイヤを予め準備し、そのワイヤ表面に蒸着、メッキ等により被覆し、最終径の15〜25μmまで伸線した。伸後に加工歪みを取り除き伸び値が４〜１８%程度になるように熱処理を施した。熱処理方法は、１０ｃｍ以上の均熱帯を持つ赤外加熱炉を用い、３００〜７５０℃に設定された炉中に不活性ガスを流量０．５〜５Ｌ／分の範囲で流しながら、速度は３０〜１００ｍ／ｍｉｎ、掃引張力は２〜３０ｍＮの範囲でワイヤを連続的に移動させながら熱処理を施した。引張伸びが４〜１５%の範囲になるように温度を微調整した。ワイヤ表面の銅の酸化を抑制するため、炉内に不活性ガス（窒素ガスを使用）を流量０．５〜５Ｌ／分の範囲で連続的に流した。必要に応じて、線径３０〜２００μmまでダイス伸線した後に、拡散熱処理を施してから、さらに伸線加工を施した。拡散熱処理の条件は、前述した熱処理条件の範囲とした。
【００９１】
ボール部の断面または表面での濃化部の濃度測定には、濃化部サイズが1μｍ未満ではＡＥＳ、1μｍ以上ではＥＰＭＡ、ＥＤＸを用いた。複層銅ワイヤの表面の膜厚などの測定にはＡＥＳを用いて表面分析、深さ分析を行い、厚さの絶対値表示には一般的であるＳｉＯ２換算を利用した。ワイヤ中の導電性金属濃度は、ＩＣＰ（Inductively coupled plasma; 誘導結合プラズマ）分析、ＩＣＰ質量分析等により測定した。
【００９２】
ＡＥＳ測定では主に、外層の膜厚、拡散層の膜厚、外層表面のＣｕ濃度とＣｕ酸化物の厚さ、芯材表面のＣｕ酸化物、有機物の合計膜厚などを求めた。ここで、外層と拡散層の間の界面におけるＣｕ酸化物、有機物の膜厚は、測定が容易なため外層を形成する前の芯材表面のＣｕ酸化物、有機物の合計膜厚を測定し、代用した。膜厚の定義に関して、外層は主成分の濃度が５０ｍｏｌ％以上、拡散層は１０ｍｏｌ％以上５０ｍｏｌ％以下の範囲、Ｃｕ酸化物は酸素濃度が３０ｍｏｌ％以上の領域とした。芯材表面のCu酸化物、有機物の合計膜厚に関しては、酸素と炭素の濃度の総計が５０ｍｏｌ％以上の領域とし、最終線径に換算した膜厚を表に示した。
【００９３】
Ｃｕからなる芯材の通常の製造方法では、外層を形成する前の芯材の表面にＣｕ酸化物、有機物の合計膜厚が５ｎｍ程度形成されていることが確認された。芯材の表面に残存するＣｕ酸化物、有機物の膜厚を制御するには、外層を形成する直前に、酸洗、アルカリ脱脂、純水洗浄などの清浄化処理を施すことが有効である。前記清浄化処理は、通常のＣｕの清浄化に用いられる処理を行った。例えば、酸洗は硝酸と過酸化水素水の希釈液、アルカリ脱脂はＫＯＨの希釈液などを本実施例では主に用いた。
【００９４】
複層銅ボンディングワイヤの接続には、市販の自動ワイヤボンダー(ASM製Eagle60-AP型)を使用して、ボール部/ウェッジ接合を行った。アーク放電によりワイヤ先端にボール部を作製し、それをシリコン基板上の電極膜に接合し、ワイヤ他端をリード端子上にウェッジ接合した。
【００９５】
ボール形成時の酸化を抑制するガスシールドの手法としては、４種類の手法を用いた。具体的には、（Ｐ）図１１で示すように、電極トーチを覆うシールドパイプからガスを流す手法、（Ｑ）図１２で示すように、上記（Ｐ）を基本に、シールドパイプの先端を閉じる手法、（Ｓ）図１３に示すように、電極トーチの後方の後方パイプと、電極トーチと反対方向の前方パイプとの２方向からガスを流す手法、（Ｔ）上記（Ｓ）の前方パイプのみからガスを流す手法を用いた。表１の「ガスシールド法」の欄にはそれぞれの方法をＰ，Ｑ，Ｓ，Ｔで表記した。シールドガスは、純度が４Ｎ以上の窒素ガス、または、窒素に水素を４〜６％の範囲で含有させた還元性ガスを用いた。ガス流量は０．４〜１．５ｍｌ／minの範囲とした。
【００９６】
被接合部としては、シリコン基板上の電極膜は、厚さ１μmのAl合金膜(Al-1%Si-0.5%Cu膜、Al-0.5%Cu膜)を使用した。樹脂基板上の電極には、Auメッキ（０．１μｍ厚）/Niメッキ（０．４μｍ厚）/Cu（１０μｍ厚）の電極の樹脂基板を使用した。ボンディング工程の接合温度は１７５℃に設定した。
【００９７】
積層チップは３種類を用いた。厚さ１５０μｍで大きさの異なる３種の半導体チップを用いて、上に小さい半導体チップを積層させ、３段のピラミッド状とした。半導体チップ同士は、ダイアタッチフィルムと呼ばれる接着用テープの汎用品（厚さ：約３０μｍ）で接着した。このタイプを従来型積層チップと称する。厚さ１５０μｍで大きさの同じ半導体チップを３段に重ねる積層構造であり、１段毎にワイヤ接続してから、上段の半導体チップを接着させた。半導体チップ同士を接着する手法により次の２種に分類される。一つは、図１のような積層構造であり、厚さ５０μｍのダミーチップと上記ダイアタッチフィルムを介して接着した。このタイプをオーバーハング型積層チップと称する。もう一つは、図４に示すような積層構造であり、前記ＦＯＷと呼ばれる接着フィルム（厚さ：約１２０μｍ）で接着した。このタイプをＦＯＷ型積層チップと称する。後者の構造では、接続された複層銅ボンディングワイヤの一部をＦＯＷが覆うように接着させる。
【００９８】
低ループ接続性の評価では、従来型積層チップを用いて、ワイヤ長さが約２ｍｍ、ループ高さが約５５μｍとなるような低ループを５０本接続し、半導体チップ表面からのループ高さとネック損傷を評価した。ループ高さの平均値が５５μｍ以下の場合は量産性に優れているため◎印、５５μｍを超え６０μｍ以下の場合は実用上は良好であるため○印、６０μｍを超え６５μｍ以下の場合は通常は問題ないがループ条件の改善が望ましいため△印、６５μｍを超える場合は実用上問題になる場合があることから×印で、表中の「ループ高さ」の欄に表示した。低ループでのネック損傷の評価では、前記超低ループを２００本接続し、ダメージが０本の場合には良好であるため◎印、２本以下の場合には実用上は問題ないレベルと判断して○印、３〜５本であればループ条件の改善が望ましいため△印、６本以上であれば不良と判定して×印で、表中の「ネックダメージ」の欄に表示した。
【００９９】
低ループ接続でのルートリーニング性の評価では、従来型積層チップを用いて、ワイヤ長さが約２ｍｍ、ループ高さが約５５μｍとなるような低ループを８００本接続し、ボール接合部との境界近傍のワイヤ根元から倒れる根元倒れ（ルートリーニング）の発生数で評価した。発生数が０本の場合には良好であるため◎印、２本以下の場合には実用上は問題ないレベルと判断して○印、３〜５本であれば改善が望ましいため△印、６本以上であれば不良と判定して×印で、表中の「ルートリーニング」の欄に表示した。
【０１００】
ファーストプル強度の安定性の評価では、従来型積層チップを用いて、ワイヤ長さが約２ｍｍ、ループ高さが約５５μｍとなるような低ループを５０本接続し、ボール接合部からの距離が１００μｍ以内の位置にフックを掛けるファーストプル試験を行い、その破断強度の標準偏差を評価した。ファーストプル強度の標準偏差が０．１未満の場合には良好であるため◎印、０．１以上０．３未満の場合にはほぼ良好であるため○印、０．３以上０．５未満の場合には改善が必要であるため△印、０．５以上の場合は不良と判断して×印で、表中の「ファーストプル強度の安定性」の欄に表示した。
【０１０１】
キャピラリ摩耗の評価では、従来型積層チップを用いて、ワイヤ長さが約２ｍｍ、ループ高さが約７０μｍとなるような低ループを１万本接続した後、キャピラリ先端の汚れ、磨耗などの変化で判定した。ここで、キャピラリ先端の磨耗などを加速させるため、リバース動作の程度を強く設定したループ条件を利用した。表面が清浄であれば非常に良好であるため◎印、不着物のサイズが５μｍ未満の場合にはほぼ良好であるため○印、付着物のサイズが５μｍ以上１０μｍ未満の場合には通常の操業には問題ないため□印、付着物のサイズが１０μｍ以上２０μｍ未満の場合には改善が望ましいため△印、付着物のサイズが２０μｍ以上の場合には不良と判定して×印で、表中の「キャピラリ摩耗」の欄に表示した。
【０１０２】
リフトオフの評価では、従来型積層チップとオーバーハング型積層チップの２種類を用いて、１０００本のワイヤボンディングを行う工程で、ボール接合部とアルミ合金の電極膜との界面で剥離が生じる発生数で評価した。不良加速試験として、荷重・超音波振動の出力を低めに設定した。リフトオフ不良数がゼロの場合には良好であるため◎印、1本又は２本の場合にはほぼ良好であるため○印、３〜６本の場合には改善が必要であるため△印、７本以上の場合は不良と判断して×印で、表中の従来型積層チップとオーバーハング型積層チップのそれぞれの「リフトオフ不良」の欄に表示した。
【０１０３】
Ａｌスプラッシュの評価では、従来型積層チップと単層チップの２種類を用いて、２００本のボール接合部の外周に排出されたＡｌ量（Ａｌスプラッシュ）で評価した。不良加速試験として、荷重・超音波振動の出力を低めに設定した。Ａｌスプラッシュ不良数がゼロの場合には良好であるため◎印、1本又は２本の場合にはほぼ良好であるため○印、３〜７本の場合には改善が必要であるため△印、８本以上の場合は不良と判断して×印で、表中の従来型積層チップと単層チップのそれぞれの「Ａｌスプラッシュ」の欄に表示した。
【０１０４】
ボール接合部の中抜けの評価では、従来型積層チップを用いて、１００本のボール接合部のシェア試験の後のアルミ側の破断面を観察した。ボール接合部の中央部に接合が不十分な領域が観察された場合に中抜け不良と判断した。中抜け不良数がゼロの場合には接合性が優れているため◎印、1本又は２本の場合にはほぼ良好であるため○印、３〜５本の場合には通常使用では問題ないため□印、６〜８本の場合は改善が必要であるため△印、９本以上の場合は不良と判断して×印で、表中の「中抜け」の欄に表示した。
【０１０５】
チップダメージの評価では、従来型積層チップを用いて、ボール部をアルミ電極膜上に接合した後、電極膜をエッチング除去して、絶縁膜又はシリコンチップへの損傷をＳＥＭで観察した。電極数は２００箇所を観察した。損傷が認められない場合は◎印、５μｍ以下のクラックが２個以下の場合は問題ないレベルと判断して○印、５μｍ以下のクラックが３個以上の場合は懸念されるレベルと判断して△印、１０μｍ以上のクラックが１個以上の場合は問題となるレベルと判断して×印で、表中の「チップダメージ」の欄に表示した。
【０１０６】
ボール接合強度の評価には、オーバーハング型積層チップを用いて、４０本のボール接合部のシェア試験を行い、そのシェア強度の平均値を測定し、ボール接合部の面積の平均値を用いて計算できる単位面積当たりのシェア強度を用いた。接合温度は１７０℃と１５０℃の２種類で評価した。単位面積当たりのシェア強度が、１１０ＭＰａ以上の範囲であれば良好であるため◎印、９０ＭＰａ以上１１０ＭＰａ未満の範囲であれば実用上は問題ないと判断して○印、７０ＭＰａ以上９０ＭＰａ未満の範囲であれば若干の接合条件の変更で改善できるため△印、７０ＭＰａ未満であれば接合強度が不十分であるため×印で、表３中の「ボール接合強度」の欄に表示した。
【０１０７】
ボール圧着高さの安定性の評価では、オーバーハング型積層チップとＦＯＷ型積層チップの２種類を用いて、５００本のボール接合部におけるボール圧着高さの標準偏差を評価した。ボール圧着高さの標準偏差が０．０２未満の場合には良好であるため◎印、０．０２以上０．０５未満の場合にはほぼ良好であるため○印、０．０５以上０．１未満の場合には改善が必要であるため△印、０．１以上の場合は不良と判断して×印で、表中のオーバーハング型積層チップとＦＯＷ型積層チップのそれぞれの「ボール圧着高さの安定性」の欄に表示した。
【０１０８】
ボール接合部の形状の評価では、ＦＯＷ型積層チップを用いて、ボール接合されたボール接合部を５００本観察して、形状の真円性、異常変形不良等を評価した。下から２段目と３段目の半導体チップで個別に観察を行った。真円からずれた異方性や花弁状等の不良ボール形状が６本以上であれば不良と判定し×印、異方性や花弁状等の不良ボール形状が１〜５本ある場合は二つに分類して、顕著な偏芯などの異常変形が１本以上発生していれば量産での改善が望ましいから△印、異常変形が発生していなければ使用可能であることから○印、不良ボール形状が０本であれば良好であるため◎印で、表中の「ボール接合形状」の欄に表示した。
【０１０９】
ロングスパンの低ループ接続の評価では、単層チップを用いて、ワイヤ長さが約４ｍｍ、ループ高さが約５５μｍとなるような超低ループを２００本接続し、ネックダメージを評価した。ネックダメージが０本の場合には良好であるため◎印、３本以下の場合には実用上は問題ないレベルと判断して○印、４〜７本であればループ条件の改善が望ましいため△印、８本以上であれば不良と判定して×印で、表中の「ロングスパンの低ループ接続」の欄に表示した。
【０１１０】
高ループ接続のリーニング性の評価では、単層チップを用いて、ワイヤ長さが約２．５ｍｍ、ループ高さが約４００μｍとなるような高ループを８００本接続し、直立部（熱影響部）が倒れるリーニングの発生数で評価した。発生数が０本の場合には良好であるため◎印、２本以下の場合には実用上は問題ないレベルと判断して○印、３〜５本であれば改善が望ましいため△印、６本以上であれば不良と判定して×印で、表中の「高ループのリーニング」の欄に表示した。
【０１１１】
ボール接合部の高温信頼性について、従来型積層チップを用いて、ボンディング後に市販のグリーン樹脂で封止された試料を１７５℃で２０００ｈｒ加熱した後に５０本のワイヤの電気特性を評価した。電気抵抗が初期の３倍以上に上昇したワイヤの割合が３０％以上の場合には接合不良のため×印、電気抵抗が３倍以上に上昇したワイヤの割合が５％以上３０％未満の範囲の場合には信頼性要求が厳しくないＩＣには使用可能なため△印、電気抵抗が３倍以上に上昇したワイヤの割合が５％未満で且つ１．５倍以上に上昇したワイヤの割合が１０％以上３０％未満の場合には実用上は問題ないため○印、電気抵抗が１．５倍以上に上昇したワイヤの割合が１０％未満であれば良好であるため◎印で、表中の「１７５℃で２０００ｈ」の欄に表示した。
【０１１２】
ボール接合部の高湿信頼性の評価では、従来型積層チップを用いて、ボンディング後に市販のグリーン樹脂で封止された試料を１３０℃、相対湿度（ＲＨ）８５％で５００時間加熱した。その後に開封装置で樹脂を除去した後に、４０本のボール接合部の接合強度の平均値を初期の接合強度の平均値と比較評価した。高湿加熱後の接合強度が初期の９０％以上である場合には良好であるため◎印、７０％以上９０％未満の場合には実用上は問題ないため○印、５０％以上７０％未満の場合には信頼性要求が厳しくないICには使用可能なため△印、５０未満の場合には信頼性不良のため×印で、表中の「130℃/85%RH-500h」の欄に表示した。
【０１１３】
表１Ａ、１Ｂおよび２には、本発明に係わる複層銅ボンディングワイヤのボール接合部の評価結果と比較例を表記している。第１請求項に係わる接合構造は実施例１〜３０、第２請求項に係わる接合構造は実施例１、３〜５、７〜３０、第３請求項に係わる接合構造は実施例２〜２９、第４請求項に係わる接合構造は実施例２〜２１、２３〜２９、第５請求項に係わる接合構造は実施例１４〜２０、２７〜３０、第６請求項に係わる接合構造は実施例２１〜３０、第７請求項に係わる接合構造は実施例１〜１３、第８請求項に係わる接合構造は実施例４、１８、２３、２６、２９、第９請求項に係わる接合構造は実施例３〜１７、１９、２１〜２９、第１０請求項に係わる接合構造は実施例２〜３０、第１１請求項に係わる接合構造は実施例１〜２９、第１２請求項に係わる接合構造は実施例１４、２３、第１３請求項に係わる接合構造は実施例４、１８、２６、２９に相当する。
【０１１４】
【表１Ａ】
【０１１５】
【表１Ｂ】
【０１１６】
【表２】
【０１１７】
実施例１〜３０の接合構造は、本発明の第１請求項に係わる、Ｐｄ、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｔの貴金属の少なくとも１種を主成分とする外層を有する複層銅ボンディングワイヤのボール接合部であって、前記貴金属の第１濃化部10がボール根元域に形成されたことにより、積層チップでの低ループ接続性とネックダメージの抑制、さらにオーバーハング型積層チップで通常の接合温度１７０℃で接続したときのボール接合強度などが同時に良好であることが確認された。一方、比較例１〜５では、前記第１濃化部10が形成されていないことにより、ネックダメージが発生し低ループ化が困難であること、ボール接合強度が低いことなどが確認された。図１４に第１濃化部10が形成された実施例１０のボール接合部の断面写真の一例を示す。なお、図１４にはＳＥＭ（Scanning Electron Microscope）写真を示すが、第１濃化部10の識別は、本図からではなく、ＥＰＭＡ、ＥＤＸ、ＡＥＳ等の元素分析または光学顕微鏡による色識別などを適宜用いて行った。
【０１１８】
実施例１、３〜５、７〜３０の接合構造は、本発明の第２請求項に係わる、前記第１濃化部10における前記貴金属を総計した濃度が０．０５ｍｏｌ％以上６ｍｏｌ％以下であることにより、オーバーハング型積層チップで通常の接合温度１７０℃で接続したときのボール接合強度がさらに向上することが確認された。好ましくは前記濃度が０．２ｍｏｌ％以上４ｍｏｌ％以下である実施例３〜５、７〜９、１１〜３０では、オーバーハング型積層チップで低い接合温度１５０℃でのボール接合強度が良好であることが確認された。より好ましくは、０．５ｍｏｌ％以上３ｍｏｌ％以下である実施例４、５、７〜９、１１〜１３、１５〜２５、２７〜３０では、低い接合温度１５０℃でのボール接合強度を向上する高い効果が確認された。
【０１１９】
実施例２〜２９の接合構造は、本発明の第３請求項に係わる、前記第１濃化部10の厚さが線径の１％以上５０％以下の範囲であることにより、ＦＯＷ型積層チップ構造での２段目の半導体チップでボール接合部の形状が良好であることが確認された。好ましくは前記厚さが線径の３％以上４０％以下である実施例３〜６、８〜１０、１４〜２１、２３〜２８では、ＦＯＷ型積層チップ構造での３段目の半導体チップでボール接合部の形状が良好であることが確認された。
【０１２０】
実施例２〜２１、２３〜２９の接合構造は、本発明の第４請求項に係わる、ボール接合部断面積に対して前記第１濃化部10を総計した面積の占める割合が２％以上３０％以下の範囲であることにより、従来型積層チップでのルートリーニング性が良好であることが確認された。
【０１２１】
実施例１４〜２０、２７〜３０の接合構造は、本発明の第５請求項に係わる、ボール接合部の内部に前記貴金属の第２濃化部11が１箇所以上形成されていることにより、積層チップでのボール接合部の中抜けが良好であることが確認された。好ましくは第２濃化部11を総計した面積がボール接合部の断面積に占める割合が３％以上５０％以下の範囲である実施例１５〜１９、２７〜３０では、中抜け不良をさらに抑制する高い効果があることが確認された。図１５に第１濃化部10と第２濃化部11が形成された実施例１７のボール接合部の断面写真の一例を示す。なお、図１５にはＳＥＭ写真を示すが、第１濃化部10と第２濃化部11の識別は、本図からではなく、ＥＰＭＡ、ＥＤＸ、ＡＥＳ等の元素分析または光学顕微鏡による色識別などを適宜用いて行った。
【０１２２】
実施例２１〜３０の接合構造は、本発明の第６請求項に係わる、ボール接合部の接合界面に前記貴金属の濃度が高い第３濃化部12が形成されていることにより、従来型積層チップでの１７５℃-２０００ｈの高温加熱、あるいは、１３０℃／８５％ＲＨ（相対湿度）-５００ｈでの高湿加熱の加速試験における接合信頼性が良好であることが確認された。好ましくは第３濃化部12の厚さが０．０３〜６μｍの範囲である実施例２２〜２５、２７〜３０では、高温加熱の信頼性を向上する高い効果が得られる。より好ましくは、０．２μｍ以上４μｍ以下の範囲である実施例２３、２４、２７〜３０では、高湿加熱の信頼性を向上するより高い効果が得られる。図１６に第１濃化部10と第３濃化部12が形成された実施例２５のボール接合部の断面写真の一例を示す。なお、図１６にはＳＥＭ写真を示すが、第１濃化部10と第３濃化部12の識別は、本図からではなく、ＥＰＭＡ、ＥＤＸ、ＡＥＳ等の元素分析または光学顕微鏡による色識別などを適宜用いて行った。
【０１２３】
実施例１〜１３の接合構造は、本発明の第７請求項に係わる、ボール接合部の表面領域のなかで前記ボール根元域にのみ前記濃化部を有することにより、従来型積層チップおよびオーバーハング型積層チップでのリフトオフ性が良好であることが確認された。
【０１２４】
実施例４、１８、２３、２６、２９の接合構造は、本発明の第８請求項に係わる、前記貴金属がＰｄと、Ａｕ、Ａｇのうち少なくとも1種との合計２種以上であり、前記第１濃化部10において、Ｐｄ濃度に対するＡｕ、Ａｇを総計した濃度の比率が０．０１以上０．４以下の範囲であることにより、従来型積層チップでのキャピラリ摩耗性が良好であることが確認された。ここで濃度比率を求める手法として、第１濃化部10におけるランダムな濃度を５か所以上の位置で測定して、それぞれの位置での濃度比率を平均した値を用いた。
【０１２５】
実施例３〜１７、１９、２１〜２９の接合構造は、本発明の第９請求項に係わる、ボール接合部の断面積に対して前記第１濃化部10と第２濃化部11とを総計した面積の占める割合が５％以上７０％以下の範囲であることにより、オーバーハング型積層チップでのボール圧着高さの安定性が良好であることが確認された。好ましくは１５％以上６０％以下の範囲である実施例６、８〜１３、１５〜１７、２１〜２４、２７〜２８では、ＦＯＷ型積層チップでのボール圧着高さの安定性を向上するより高い効果が確認された。
【０１２６】
実施例２〜３０の接合構造は、本発明の第１０請求項に係わる、前記複層銅ボンディングワイヤの外層の厚さが、０．０１μｍ以上０．４μｍ以下の範囲であることにより、従来型積層チップでのファーストプル強度の安定性が良好であることが確認された。
【０１２７】
実施例１〜２９の接合構造は、本発明の第１１請求項に係わる、前記複層銅ボンディングワイヤの外層と芯材の間に、前記貴金属の少なくとも１種と銅との濃度勾配を有する拡散層を有し、前記拡散層の厚さが０．００３μｍ以上０．１５μｍ以下であることにより、単層チップでの高ループ接続のリーニング性が良好であることが確認された。
【０１２８】
実施例１４、２３の接合構造は、本発明の第１２請求項に係わる、前記複層銅ボンディングワイヤの外層の主成分がＰｄであり、前記外層と芯材の界面にＡｕ、Ａｇのうち１種以上の濃化層を有することにより、従来型積層チップでのキャピラリ摩耗性が良好であることが確認された。
【０１２９】
実施例４、１８、２６、２９の接合構造は、本発明の第１３請求項に係わる、前記複層銅ボンディングワイヤの外層の主成分がＰｄであり、前記外層の表面にＡｕ、Ａｇのうち１種以上の濃化層を有することにより、従来型積層チップでのキャピラリ摩耗性をより向上させる高い効果が得られた。
【符号の説明】
【０１３０】
１ 複層銅ボンディングワイヤ
２ ボール部
３ ボール接合部
４ 半導体チップ
５ 基板（樹脂、リードフレーム）
６ スペーサ
７ FOW樹脂
８ 電極膜
９ ボール根元域
１０ 第１濃化部
１１ 第２濃化部
１２ 第３濃化部
１３ 初期ボール部の末端濃化部
１４ 初期ボール部の内部濃化部
１５ 初期ボール部の表面濃化部
１６ 電極トーチ
２１ 芯材
２２ 外層
５１ 電極トーチ
５２ シールドパイプ
５３ 上下貫通穴
５４ ガス流れ
５５ アーク放電
５６ 後方パイプ
５７ 前方パイプ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複層銅ボンディングワイヤの接合構造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端子との間を接合するボンディングワイヤ（ワイヤボンディング法で接続するワイヤ）として、線径１０〜５０μｍ程度の細線(ボンディングワイヤ)が主として使用されている。ボンディングワイヤの接合に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や、ボンディングワイヤをその内部に通して接続に用いるキャピラリ冶具等が用いられる。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、このボール部を圧着接合せしめ、その後で、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接合させる。
【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、例えば、実装構造では、現行のリードフレームを使用したＱＦＰ（Quad Flat Packaging）に加え、基板、ポリイミドテープ等を使用するＢＧＡ(Ball Grid Array)、ＣＳＰ(Chip Scale Packaging)等の新しい形態が実用化され、ループ性、接合性、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。
【０００４】
ボンディングワイヤの素材は、これまで高純度４Ｎ系(純度＞９９．９９ｍａｓｓ％)の金が主に用いられている。しかし、金は高価であるため、材料費が安価である他種金属のボンディングワイヤが所望されている。
【０００５】
材料費が安価で、電気伝導性に優れ、ボール接合性、ウェッジ接合性等も高めるために、銅を素材とするボンディングワイヤ（以下、「銅ボンディングワイヤ」という。）が開発され、特許文献1等が開示されている。しかし、銅ボンディングワイヤでは、ワイヤ表面の酸化によ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。これが銅ボンディングワイヤの実用化がＬＳＩ用途で進まない原因ともなっている。
【０００６】
ボンディングワイヤの接合相手となる材質に関して、被接合部としてのシリコン基板上の配線や、電極では、純ＡｌまたはＡｌ合金などが主流である。Ａｌ合金では、Ａｌ−１％Ｓｉ、Ａｌ−０．５％Ｃｕ、Ａｌ−１％Ｓｉ−０．５％Ｃｕなどが多く用いられている。微細配線用途のＣｕ配線でも、表面にはＡｌ合金などが使用される場合が多い。また、リードフレーム上には、Ａｇメッキ、Ｐｄメッキ等が施されており、また、樹脂基板、テープ等の上には、Ｃｕ配線が施され、その上に金等の貴金属元素およびその合金の膜が施されている。こうした種々の被接合部に応じて、ボンディングワイヤの接合性、接合部信頼性を向上することが求められる。
【０００７】
銅ボンディングワイヤは低コスト、優れた電気特性を有するなど、従来の金ボンディングワイヤよりも優れた特徴が多いことから、半導体実装およびＬＥＤ実装における次世代の接続材料として期待され、最新の実装構造、接続形態などに実用化の検討が進んでいる。最新の実装構造のなかには、従来の金ボンディングワイヤでも実績が少ないことから、銅ボンディングワイヤでも高いレベルの量産性、信頼性などが求められる場合もある。ＢＧＡ（Ball Grid Array）などの実装形態では、多ピン系のグラフィックＬＳＩ用途では８００ピンを超えるワイヤ接続が求められ、千鳥配線（Staggered Bonding）、狭ピッチ接続、高速接続などにおける生産性、歩留りの向上が必要となる。
【０００８】
多数の半導体チップを積み上げてワンパッケージ化する積層チップ構造の実用化が進んでいる。特に、代表的な半導体メモリであるＤＲＡＭとフラッシュメモリを組み合わせた複合メモリの需要が今後より一層高まると予想される。この複合メモリの実装は積層チップ構造が多用される。積層チップ構造に用いられるボンディングワイヤへの要求は厳しくなっている。積層チップ用途のワイヤ接続は、ボール接合をチップ電極上に行う正ボンディング方式と、チップ電極上にボールバンプを介してウェッジ接合を行う逆ボンディング方式に分類される。一般的である正ボンディング方式の長所は生産性が高いことであり、短所は低ループ化に不利なことである。積層チップ用途に実用化が始まった逆ボンディング方式の長所は、低ループ化が比較的容易であることで、短所はバンプ形成工程が増えるなど生産性が低下することである。
【０００９】
従来の半導体チップの固定（ダイ付け）では、ペーストなどの接着剤でチップ裏面が全面的に固着される。最近の４段以上のチップ積層化に適した新たな積層構造として、半導体チップの端部の下が固定されないで空間になっているオーバーハング型積層構造が使用され始めている。オーバーハング型積層構造では、ボール部が接合される電極部の直下が固定されないため、ボンディングワイヤ材料に厳しい性能が要求される。なかでも、ボール接合部の変形形状の安定化、接合部のシェア強度、ボールバンプの上へのウェッジ接合性などの課題に加えて、薄型パッケージのための超低ループ化が求められる。
【００１０】
積層チップ間の接続に関して、従来のスペーサ用チップを挟んだ接続に代替する新たな実装方式が開発されている。代表例であるＦＯＷ（Film On Wire）方式では、スペーサを使用しないため、低コスト化が期待される。チップ間をＦＯＷ樹脂により固定することで、スペーサなしでもチップ間隔を確保することができる。ＦＯＷ方式では、ワイヤの周りを樹脂で覆うため低応力、軟質の樹脂が用いられる。まずは金ボンディングワイヤによるＦＯＷ方式の実用化が進行しており、今後は銅ボンディングワイヤでも実用化が求められる。
【００１１】
従来の単層構造のボンディングワイヤ(以下、「単層ボンディングワイヤ」という。)では、引張り強度、接合部の強度、信頼性等を向上させるのに、合金化元素の添加が有効であるが、特性向上には限界が懸念されている。
【００１２】
銅ボンディングワイヤに要求される多様なニーズに応えるため、ワイヤ表面に別の金属を被覆した複層構造の銅ボンディングワイヤ(以下、「複層銅ボンディングワイヤ」という。)が提案されており、単層ボンディングワイヤよりもさらに特性を向上して付加価値を高めることが期待される。高機能化をもたらす複層銅ボンディングワイヤとして、例えば、銅の表面酸化を防ぐため、特許文献１には、金、銀、白金、パラジウム、ニッケル、コバルト、クロム、チタン等の貴金属や耐食性金属で銅を被覆したボンディングワイヤが提案されている。また、ボール形成性、メッキ液の劣化防止等の点から、特許文献２には、銅を主成分とする芯材、該芯材上に形成された銅以外の金属からなる異種金属層、および該異種金属層の上に形成され、銅よりも高融点の耐酸化性金属からなる被覆層の構造をしたボンディングワイヤが提案されている。
【００１３】
銅ボンディングワイヤも、従来の金ボンディングワイヤと同様に半導体の信頼性試験を満足する必要がある。特許文献３には、銅ボンディングワイヤとアルミ電極との接合部の界面近傍に、銅以外の導電性金属の濃度が高い濃化層が形成された接合構造と、これにより接合信頼性が向上することなどが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１４】
【特許文献１】特開昭６２−９７３６０号公報
【特許文献２】特開２００４−６７４０号公報
【特許文献３】国際公開第ＷＯ２００８−８７９２２号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
複層銅ボンディングワイヤは、表面酸化の抑制などにより従来の銅ボンディングワイヤよりも作業性が良好であることから、一般的な単層チップ接続には一部実用化が開始されている。今後、さらなる普及促進のためには、前述した複合メモリ用途などに今後高い市場成長が見込まれる積層チップ接続の分野において、複層銅ボンディングワイヤの適用が必要となる。積層チップ接続に特有の技術課題、または厳しい要求性能などに対応できる複層銅ボンディングワイヤが求められる。なかでも、薄型パッケージのための超低ループ化への適応、ボール接合での圧着形状の安定化および接合強度の向上などが重要となる。
【００１６】
逆ボンディング方式が低ループ化には有利であるが、バンプ上にウェッジ接合を行うため、バンプを形成する工程が増えて生産性の低下、設備投資などが必要であることが懸念される。そこで、バンプ形成が不要であり生産性の高い正ボンディング方式で、積層チップの超低ループ化を実現することへの期待は強い。今後の4段以上の積層チップの正ボンディング接続を量産するためには、ループ高さが５５μｍ以下の超低ループ化を複層銅ボンディングワイヤで達成することが求められる。
【００１７】
複層銅ボンディングワイヤで超低ループを形成するときの課題は、高さのバラツキを低減して目標とする低ループ高さを安定化させること、ボール近傍のワイヤに相当するネック部にクラック（以下、「ネッククラック」という。）などの損傷を与えないこと、ネック部の倒れ（以下、「ネック倒れ」という。）が発生しないことなどを同時に満足することである。
【００１８】
低ループ化を困難としている要因を分類すると、（１）５５μｍ以下の超低ループ、（２）ワイヤ表面の素材、組織、硬さなどが芯部と異なる複層銅ボンディングワイヤ、（３）ループ高さの異なる積層チップ接続、などがある。ループ高さの安定化、ネッククラックなどは、従来の単層の金ボンディングワイヤでも知られてはいるが、従来の複層銅ボンディングワイヤの積層チップ接続では量産レベルで低ループ化を実現することは非常に困難である。
【００１９】
もうひとつの課題は、ボール接合性の向上である。積層チップ接続ではチップ固定が必ずしも十分でないこと、ボンディング温度が低いことなどにより、ボール接合強度が低下することが問題となる。なかでも、ボール接合部の下の半導体チップが中空であるオーバーハング型積層構造、またはボール接合部の下の半導体チップがＦＯＷ樹脂により固定されているＦＯＷ方式の積層構造では、チップ固定が十分でないことから、荷重・超音波振動の伝達が低下して、接合強度が低下する。さらに各種の積層チップ構造に共通する問題としては、接合装置が加熱ステージによって下方から加熱するだけであるから、上層の半導体チップの温度が低下することにより、接合強度を上昇させるのが困難である、という問題がある。従来の複層銅ボンディングワイヤでは、ボール形成時に外層と芯材とが溶融、混合して合金化することにより、ボール接合部が変形したり、接合強度などが不安定となったりすることが懸念される。
【００２０】
以上のように、今後の複層銅ボンディングワイヤの実用化を推進するため、複合メモリ、フラッシュメモリなどに用いられる積層チップ接続に適応するための接合構造の改善が必要となる。そこで本発明では、上述するような複層銅ボンディングワイヤの実用化における従来技術の問題を解決して、低ループ化を実現すると共に、ボール接合性を改善し、工業生産性にも優れた複層銅ボンディングワイヤの接合構造および複層銅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】
【００２１】
本発明の請求項１に係る発明は、複層銅ボンディングワイヤの先端に形成したボール部を被接合部に接続したボール接合部の接合構造であって、前記複層銅ボンディングワイヤは、銅を主成分とする芯材と、前記芯材の上にＰｄ、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｔのうち少なくとも1種から選ばれる貴金属を主成分とする外層とを有し、前記貴金属の濃度が高い第１濃化部が、前記ボール接合部の表面領域のなかでも前記複層銅ボンディングワイヤとの境界に位置するボール根元域に形成されたことを特徴とする。
【００２２】
本発明の請求項２に係る発明は、前記第１濃化部における前記貴金属を総計した濃度が０．０５ｍｏｌ％以上６ｍｏｌ％以下であることを特徴とする。
【００２３】
本発明の請求項３に係る発明は、前記ボール接合部と前記被接合部の接合界面に垂直な前記ボール接合部の断面において、前記ボール根元域に形成された前記第１濃化部の厚さが線径の１％以上５０％以下の範囲であることを特徴とする。
【００２４】
本発明の請求項４に係る発明は、前記ボール接合部と前記被接合部の接合界面に垂直な前記ボール接合部の断面において、前記ボール接合部の断面積に対して前記ボール根元域に形成された前記第１濃化部を総計した面積の占める割合が２％以上３０％以下の範囲であることを特徴とする。
【００２５】
本発明の請求項５に係る発明は、前記ボール接合部と前記被接合部の接合界面に垂直な前記ボール接合部の断面において、前記ボール接合部の内部に前記貴金属の濃度が高い第２濃化部が１箇所以上形成されていることを特徴とする。
【００２６】
本発明の請求項６に係る発明は、前記ボール接合部と前記被接合部の接合界面に前記貴金属の濃度が高い第３濃化部が形成されていることを特徴とする。
【００２７】
本発明の請求項７に係る発明は、前記ボール接合部と前記被接合部の接合界面に垂直な前記ボール接合部の断面において、前記ボール接合部の表面領域のなかで前記第１濃化部のみを有することを特徴とする。
【００２８】
本発明の請求項８に係る発明は、前記貴金属がＰｄおよび、ＡｕとＡｇのうち少なくとも1種の合計２種以上を含み、前記第１濃化部において、Ｐｄ濃度に対するＡｕ、Ａｇを総計した濃度の比率が０．０１以上０．４以下の範囲であることを特徴とする。
【００２９】
本発明の請求項９に係る発明は、前記接合界面に垂直な前記ボール接合部の断面において、前記ボール接合部の断面積に対して前記第１濃化部と前記第２濃化部を総計した面積の占める割合が５％以上７０％以下の範囲であることを特徴とする。
【００３０】
本発明の請求項１０に係る発明は、前記複層銅ボンディングワイヤの外層の厚さが、０．０１μｍ以上０．４μｍ以下の範囲であることを特徴とする。
【００３１】
本発明の請求項１１に係る発明は、前記複層銅ボンディングワイヤの外層と芯材の間に、前記貴金属の少なくとも１種と銅との濃度勾配を有する拡散層を有し、前記拡散層の厚さが０．００３μｍ以上０．１５μｍ以下であることを特徴とする。
【００３２】
本発明の請求項１２に係る発明は、前記複層銅ボンディングワイヤの外層の主成分がＰｄであり、前記外層と前記芯材の界面にＡｕとＡｇのうち少なくとも1種以上の濃化層を有することを特徴とする。
【００３３】
本発明の請求項１３に係る発明は、前記複層銅ボンディングワイヤの外層の主成分がＰｄであり、前記外層の表面にＡｕ、Ａｇのうち少なくとも1種以上の濃化層を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００３４】
本発明の複層銅ボンディングワイヤのボール接合部の接合構造により、材料費が安価で、低ループ化、ボール接合性に優れ、積層チップ接続の量産にも適用することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の実施例におけるオーバーハング型積層チップ構造を示す模式図である。
【図２】同上、ボール接合部を示す斜視図である。
【図３】同上、ボール末端の濃化部を示す、図２におけるＸ−Ｘ方向の断面図である。
【図４】同上、ＦＯＷ型積層チップ構造を示す模式図である。
【図５】同上、ボール末端の濃化部とボール内部の濃化部を示す、図２におけるＸ−Ｘ方向の断面図である。
【図６】同上、ボール末端の濃化部と接合界面の濃化部を示す、図２におけるＸ−Ｘ方向の断面図である。
【図７】同上、末端の濃化部を有する初期ボールの、図２におけるＸ−Ｘ方向の断面図である。
【図８】同上、内部の濃化部を有する初期ボールの、図２におけるＸ−Ｘ方向の断面図である。
【図９】同上、ボール表面の濃化部を有する初期ボールの、図２におけるＸ−Ｘ方向の断面図である。
【図１０】同上、ボール表面の濃化部を有する初期ボールの、図２におけるＸ−Ｘ方向の断面図である。
【図１１】同上、シールドガス雰囲気の形成方法のうち、シールドパイプ方式の説明図である。
【図１２】同上、シールドガス雰囲気の形成方法のうち、蓋付シールドパイプ方式の説明図である。
【図１３】同上、シールドガス雰囲気の形成方法のうち、二方向ガス吹付け方式の説明図である。
【図１４】同上、ボール末端の濃化部を示す、図２におけるＸ−Ｘ方向の断面写真である。
【図１５】同上、ボール末端の濃化部とボール内部の濃化部を示す、図２におけるＸ−Ｘ方向の断面写真である。
【図１６】同上、ボール末端の濃化部と接合界面の濃化部を示す、図２におけるＸ−Ｘ方向の断面写真である。
【発明を実施するための形態】
【００３６】
本発明者らは、Ｐｄ、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｔのうち少なくとも1種の貴金属の濃度が高い濃化部を、銅ボンディングワイヤとボール接合部との境界に位置するボール根元域に形成することにより、銅ボンディングワイヤの積層チップ接続での使用性能を改善できることを確認した。この使用性能の改善には、前記濃化部の分布、厚さ、濃度、前記貴金属の成分などを適正化することが有効である。また、接続される前の前記ボールにおける濃化部の分布、相対濃度比なども、ボンディング作業性の向上などに有効である。さらに、複層銅ボンディングワイヤの外層の構造、厚さ、濃度などを適正化することによって、多様なパッケージ形態に適応する総合特性を改善することができる。以下に、本発明の好適な実施形態を詳細に説明する。
【００３７】
図１は、積層チップ接続の構成の一例である、オーバーハング型積層構造の模式図である。オーバーハング型積層構造の実装手順は、（１）最下層の半導体チップ４の電極膜8と基板５とを複層銅ボンディングワイヤ1で接続するステップ、（２）スペーサ６を介して第２層の半導体チップ４を搭載するステップ、（３）第２層チップの上の電極膜8と基板５とを複層銅ボンディングワイヤ1で接続するステップ、を備え、同様に第３層以降も（２）半導体チップ搭載と（３）ボンディングワイヤ接続とを繰り返す。ここで、スペーサと半導体チップの接着には、テープ状の接着材を用いることが多い。それぞれの半導体チップ表面から複層銅ボンディングワイヤ1のループまでの高さ（以下、「ループ高さ」という。）Ｈを低くする低ループ化は、積層チップを実装したパッケージ全体を薄型化するのに有効である。
【００３８】
複層銅ボンディングワイヤの先端に形成したボール部を被接合部に接続したボール接合部の接合構造であって、前記複層銅ボンディングワイヤは、銅を主成分とする芯材と、前記芯材の上にＰｄ、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｔのうち少なくとも１種から選ばれる貴金属を主成分とする外層とを有し、前記貴金属の濃度が高い濃化部が、前記ボール接合部の表面領域のなかでも前記複層銅ボンディングワイヤとの境界に位置するボール根元域に形成された接合構造であることが望ましい。前記接合構造を有することで、積層チップ接続の超低ループ化またはボール接合性を同時に改善することができる。濃化部とは、前記貴金属の濃度がボール接合部の内部の未濃化域の濃度よりも相対的に高い領域であり、その濃度比率が１．５倍以上である領域をいう。主成分とは、主成分を構成する金属元素（この場合、銅）の濃度の割合が、複層銅ボンディングワイヤの全体に含まれる金属元素の総計濃度に対して、５０％以上であることをいう。ボール根元域とは、複層銅ボンディングワイヤとボール接合部の境界に位置するボール接合部の一部である。また、積層チップとは、半導体チップを２層以上、積層化したものをいう。超低ループ化とは正ボンディング方式で形成されたループのループ高さＨが５５μm以下であることをいう。ボール接合性とは、ボール部を被接合部としての電極膜に接合するときの接合強度特性と、ボール部の形状特性とを総称している。
【００３９】
図２に本実施形態のボール接合部の斜視図を示す。複層銅ボンディングワイヤ１の先端には、アーク放電によりボール部が形成される。ボール部は、荷重・超音波振動が加えられ、半導体チップ４上の電極膜８に接合される。Ｐｄ、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｔのうち少なくとも１種の貴金属の第１濃化部10が、ボール接合部の表面領域のなかでも複層銅ボンディングワイヤ１との境界に位置するボール根元域９に形成されている。このボール根元域９はネック部とも呼ばれる。
【００４０】
第１濃化部10は、ネック部の全周にわたって形成される。図３は図２におけるＸ−Ｘ方向のボール接合部の断面図である。複層銅ボンディングワイヤ１は、銅を主成分とする芯材21と、前記芯材21の上にＰｄ、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｔのうち少なくとも１種から選ばれる貴金属を主成分とする外層22とを有する。ボール接合部のボール根元域９には、ボールの表面からボール内部にかけて、厚さｄを有する第１濃化部10が形成されている。第１濃化部10の厚さｄの好適な範囲については後述する。第１濃化部10は、好ましくは任意の断面において、ほぼ同様の断面構造を示す。また、ボール根元域9は、ボール接合部の断面で説明すると、ボール接合部高さＢＨの１／２より複層銅ボンディングワイヤ１に近い領域に相当する。なお、ここでいう断面とは、ワイヤ中心軸を含み、接合界面に垂直な断面をいう。
【００４１】
第１濃化部10の第一の効果は、積層構造のチップ各段で異なるループを形成するときに、相反する特性である、超低ループにおけるループ高さの安定化と、ネッククラックの抑制とを同時に満足できることである。例えば、複層銅ボンディングワイヤがウェッジ接合された樹脂基板から半導体チップ表面までの段差が２００、３５０、５００μｍなどと大きく異なるループ形成において、いずれの段差でもネッククラックの発生を抑えながら、超低ループにおける高さばらつきを抑えることにより、５５μｍ以下の超低ループ化を実現することが可能となる。こうした作用は、複層銅ボンディングワイヤのネック部における特異性も関与している。ボール部形成時の熱影響によりネック部で再結晶が進行する。因みに、外層と芯材の硬度、組織などが異なる複層銅ボンディングワイヤでは、再結晶が進行したネック部では伸び、加工歪みなどの不均一性がワイヤ本体よりも強調されることで、従来の単層ボンディングワイヤよりネッククラックの発生頻度が増える問題がある。これに対し、本実施形態に係る複層銅ボンディングワイヤは、ボール根元域に第１濃化部10を形成することにより、複層銅ボンディングワイヤの超低ループ形成でのネッククラックをより効果的に抑制することができる。
【００４２】
第１濃化部10の第二の効果は、積層チップにおけるボール接合強度を高められることである。接合強度を確保するために、荷重・超音波振動をできる限り低く抑えることが可能となるという利点もある。第１濃化部10の形成により荷重・超音波振動を低く抑えることにより、オーバーハング型積層構造でのボール接合時に半導体チップに破壊、亀裂などの損傷を与えることなく、ボール接合強度を向上することができる。
【００４３】
第１濃化部10の形成が超低ループ化、積層チップのボール接合強度などの改善を助長するメカニズムについて、ネッククラックの伝播を抑制すること、キャピラリ内に挿入されたボール部のグリップ性を向上することなどが、有効に作用していると考えられる。すなわち、超低ループにすることでネック部にかかる加重が大きくなっても、ネッククラックの発生が抑制されることから、低いループ高さを維持することができる。さらに、超低ループにすることでボール接合部にかかる加重が大きくなっても、ボール接合強度が向上されることから、超低ループ化が実現される。複層銅ボンディングワイヤ表面の外層と銅ボール部とで強度、延性、組織などが大きく異なることがネッククラックの伝播を助長する。それに対して、前記貴金属を銅中に含有する第１濃化部10が、外層と銅ボール部との強度、延性、組織の中間的な役割を果たすことで、ネッククラックの進展を抑えることが期待される。また、第１濃化部10がキャピラリ内壁とのグリップ性および密着性を向上することにより、チップ固定が不安定な積層チップにおいてボール接合のボール保持が安定化して、荷重・超音波振動などの伝達効率が向上することが想定される。
【００４４】
ボール接合部と電極膜の接合界面に垂直な前記ボール接合部の断面において、ボール接合部の断面積に対して第１濃化部10を総計した面積の占める割合が２％以上３０％以下の範囲であることが望ましい。前記割合が上記範囲の２％以上３０％以下であることにより、ボール接合部との境界近傍のワイヤ根元から倒れる根元倒れ（以下、「ルートリーニング」という。）の抑制に有効であり、これにより、超低ループを形成する装置の条件範囲を拡大でき、結果として生産性を向上させることができる。このルートリーニングは、複層銅ボンディングワイヤの超低ループ化に特徴的な不良であり、ワイヤ根元の局所部がセカンド接合方向に変形する現象であり、線径２０μm以下の細線で顕著となる。第１濃化部10がワイヤ根元の安定性を高めることで、複層銅ボンディングワイヤに外力が作用してもワイヤ倒れを抑える効果が高まる。ボール接合部の断面積に対して第１濃化部10を総計した面積の占める割合が２％以上３０％以下の範囲である理由として、該割合が２％未満であれば上記効果が小さく、３０％を超えるとボールの異形変形が増えて真円を保つのが困難となることが挙げられる。好ましくは４％以上２５％以下の範囲であれば、より厳しい条件である線径１８μm以下の極細線でもルートリーニングを抑制する高い効果が得られる。
【００４５】
積層チップ構造だけでなく、それ以外の実装構造であっても、上述した第１濃化部10を形成することにより、ネッククラックまたはルートリーニングを抑制して超低ループを量産で実現することができる。例えば、ＱＦＰ（Quad Flat Package）、ＢＧＡ（Ball Grid Array）、ＱＦＮ（Quad Flat Non-lead）などの単層チップ構造のパッケージでも、第１濃化部10が超低ループ化に有効であることが確認された。積層チップよりも単チップ構造でより高い効果が得られる場合も確認され、例えば、ワイヤ長（スパン）が３．５ｍｍ以上のロングスパンで低ループ化を安定化させるのに、第１濃化部10の形成が効果的であった。これは、単チップ構造のロングスパンではチップ段差が低いため、ループ形状が上方に湾曲する傾向が強くなり、無理して低ループ化させるとネッククラックの発生頻度が上昇することと関係する。この場合にも、ボール接合部の断面積に対して第１濃化部10の占める割合が４％以上２５％以下であることにより、ネッククラックとルートリーニングを同時に抑制することができる。例えば、線径１８μｍ、スパン４ｍｍ、チップ高さ１５０μｍ、ループ高さ５５μｍの単チップ構造でも、前記割合が４％以上２５％以下である第１濃化部10を形成することで、ネッククラックとルートリーニングを同時に抑制できることが実験により確認された。
【００４６】
第１濃化部10とは、前記貴金属の濃度がボール接合部の内部の未濃化域の濃度よりも相対的に高い領域であり、前記貴金属を総計した濃度が０．０５ｍｏｌ％以上６ｍｏｌ％以下の範囲であることが望ましい。第１濃化部10の濃度が０．０５ｍｏｌ％以上６ｍｏｌ％以下であることで、前記グリップ性が向上し、オーバーハング型積層構造でボール接合強度を向上することができる。ここで前記貴金属を総計した濃度が０．０５ｍｏｌ％以上６ｍｏｌ％以下の範囲である理由として、前記濃度が０．０５ｍｏｌ％未満では低ループ化とボール接合強度を同時に改善する効果が小さく、６ｍｏｌ％を超えるとボール部が硬化してチップ損傷を与え得ることが挙げられる。より好ましくは、前記濃度が０．２ｍｏｌ％以上４ｍｏｌ％以下の範囲であれば、１５０℃以下の低温でもオーバーハング型積層構造でのシェア強度を増加することができる。さらにより好ましくは、０．５ｍｏｌ％以上３ｍｏｌ％以下の範囲であれば、前述した１５０℃以下の低温でのシェア強度を増加する効果をより一層高めることができる。
【００４７】
ボール根元域での第１濃化部10に加えて、ボール根元域以外の部位に相当するボール接合部の側面に、前記貴金属が濃化されていない表面（以下、「未濃化表面」という。）があわせて含まれていることが望ましい。未濃化表面とは、ボール内部と同等の組成を有する純銅または銅合金のことである。ボール根元域の濃化部である第１濃化部10と未濃化表面が同時に存在することにより、低温でのボール接合強度を上昇させ、さらにアルミスプラッシュ不良も低減させるという高い効果が得られる。ここで、第１濃化部10の主な役割はキャピラリ内でボール部のグリップ性を高めることであり、未濃化表面の主な役割はボール圧縮変形および接合界面でのＣｕとＡｌの相互拡散を促進することである。ボール接合部表面の面積に対して未濃化表面の面積の占める割合が１０％以上７０％以下の範囲であれば、アルミスプラッシュ不良を低減させるのに有効に作用する。
【００４８】
積層チップにおける上層の半導体チップは加熱ステージより温度が低下するため、低温でのボール接合強度を上昇させることができれば、生産性の向上に有利となる。アルミスプラッシュとは、銅ボール部をアルミ電極膜に接合する際に、ボール変形および荷重・超音波振動により軟質のアルミ電極膜の一部がボール接合部の外周に排出される現象であり、隣接するパッドや、ボール接合部に接触すると電気的ショートを起こす不良となる。銅ボール接合で頻繁に問題となるアルミスプラッシュ不良を抑制することにより、接合条件の適正範囲を拡大させて実装歩留りの向上に寄与することができる。第１濃化部10と未濃化表面を同時に形成して、ボール接合強度の上昇と、アルミスプラッシュ不良の低減を改善することは、積層チップの生産性および歩留まりの向上に大きく寄与する。
【００４９】
ボール接合部と電極膜の接合界面に垂直なボール接合部の断面において、前記ボール根元域に形成された第１濃化部10の厚さｄが線径の１％以上５０％以下の範囲であることが望ましい。これにより、新たな積層チップ構造であるＦＯＷ方式でのボール接合形状を真円化させる効果が得られる。図４は、積層チップ接続の構成の一例である、ＦＯＷ型積層構造の模式図である。このＦＯＷ方式では、スペーサを使用しないでチップ間をＦＯＷ樹脂７により固定することで、低コスト、省工程に有利である。工程として、半導体チップ４上の電極膜８と基板５とを複層銅ボンディングワイヤ１で接続してから、半導体チップ４の上にＦＯＷ樹脂７を載せて、次にＦＯＷ樹脂７上に上層の半導体チップ４を搭載して加熱しながら固定・接着させる。まずは金ボンディングワイヤによるＦＯＷ実装の実用化が進行しており、今後は銅ボンディングワイヤでもＦＯＷ実装の適用が切望される。従来技術では、ボール接合時に低弾性のＦＯＷ樹脂が動くため、ボール接合形状が楕円になるなど、ボール接合形状が安定しないことが問題であった。
【００５０】
第１濃化部10の厚さｄの線径に対する比率が１％以上５０％以下の範囲である理由は以下の通りである。前記比率が１％以上であれば、不安定なＦＯＷ樹脂上でも、ボール部のグリップ性を向上させて、ボール接合形状の真円化に効果がある。一方、前記比率が５０％超では、ボール部のキャピラリ内部への挿入量を低減させるためグリップ性が低下して、ボール部の花弁変形が増加する。こうした第１濃化部10の厚さによる改善効果は、ＦＯＷ方式の積層チップにおいて顕著であるが、その限りではなく、通常の積層チップ、狭ピッチ接続の単層チップなどにおいても同様の効果が確認された。ここで、第１濃化部10の厚さを線径に対する比率で整理することは、線径、ボール径など異なる多様なパッケージ製品において総合的に改善することを容易とするのに有効な手法となる。好ましくは、前記厚さの比率が３％以上４５％以下の範囲であることにより、３段目のＦＯＷ型積層チップにおいてボール接合形状を安定化させる高い効果が得られる。
【００５１】
一般的に、半導体チップの大型化により、荷重・超音波振動によるＦＯＷ樹脂の変形量が増加して、ボール接合形状が不安定となることが懸念されているが、前記比率を５％以上３５％以下の範囲とすることにより、大型チップでもボール接合形状を真円化させる高い効果が得られる。
【００５２】
接合構造は、ボール根元域での第１濃化部10に加えて、ボール接合部の内部にも濃化部が１箇所以上形成されることが望ましい。ボール接合部の内部の濃化部を第２濃化部11と称す。この第２濃化部11を形成することにより、ボール接合界面の中央で不十分な金属接合または金属間化合物の未成長による中心未接合不良（以下、「中抜け不良」という。）を防止する効果が高められる。図５には、ボール接合部３の内部に形成された第２濃化部11の一例が例示されている。第２濃化部11は、接合界面に垂直な任意の断面において、同様の形状を有してもよいし、そうでなくてもよい。また、第２濃化部11の形状や数は図に示す形状や数に限られるものではない。第２濃化部11を形成して中抜け不良を抑制することにより、積層チップにおいて高い改善効果が得られ、好ましくは、オーバーハング型積層構造またはＦＯＷ型積層構造においてより顕著な改善効果が期待される。中抜け不良を抑制する利点として、接合工程で剥離などの初期接合不良を抑制し、さらに高温加熱、高温高湿加熱などの長期信頼性を向上させることができる。第２濃化部11は、ボール部の接地または初期変形における変形抵抗を適度に高め、または、ボール内部での荷重・超音波振動の伝播を分散させることにより、ボール接合界面の中央での金属接合および金属間化合物の成長を促進する作用があると考えられる。第２濃化部11では、前記貴金属を総計した濃度が０．０５ｍｏｌ％以上５ｍｏｌ％以下の範囲であることが望ましい。前記濃度が０．０５ｍｏｌ％未満では積層チップの中抜け不良を抑制する効果が小さく、５ｍｏｌ％を超えるとボール部が硬化してチップ損傷を与えることが懸念される。また、ボール接合部の断面積に対して第２濃化部11を総計した面積の占める割合が３％以上５０％以下の範囲であることが望ましい。該割合が３％未満では改善効果が小さく、５０％を超えるとボール変形抵抗が大きくなり、接合時にチップ損傷を与えることが問題となる。
【００５３】
前述した第１濃化部10、第２濃化部11などの濃化部について、未濃化領域とは色、濃度などにより容易に識別することができる。例えば、ボール接合断面の光学顕微鏡による色判定、またはＥＰＭＡ（Electron Probe Micro Analyzer; 電子線マイクロ分析法）、ＥＤＸ（Energy Dispersive X-ray spectrometry; エネルギー分散型Ｘ線分析法）などの面分析によるマッピングなどにより、濃化部と未濃化領域を識別することができる。前述した濃化部の面積を求める際にも、光学顕微鏡による色判定を利用することが簡便である。
【００５４】
ボール接合部と電極膜の接合界面に垂直な前記ボール接合部の断面において、ボール接合部の断面積に対して第１濃化部10と第２濃化部11を総計した面積の占める割合が５％以上７０％以下の範囲であることが望ましい。第１濃化部10と第２濃化部11を総計した面積の割合が上記範囲であれば、前述した積層チップ接続の超低ループ化、ボール接合性の改善に加えて、小ボール接合部の圧着ボール高さの安定化に有利である。小ボールとは、線径に対する初期ボール部の直径が１．２〜１．７倍の範囲に該当する。ボール高さの安定化は、接合強度、接合サイズなどのばらつきを低減するのに有効な管理指標となる。ボール接合部の断面積に対して第１濃化部10と第２濃化部11を総計した面積の占める割合が５％以上７０％以下の範囲である理由として、該割合が５％未満であれば改善効果が小さく、７０％を超えると接合時にチップ損傷を与えることが問題となることが挙げられる。好ましくは１０％以上６５％以下の範囲であれば、ＢＧＡ、ＣＳＰなどの単層チップ構造でも同様のボール高さの安定化に有利である。より好ましくは１５％以上６０％以下の範囲であれば、ＦＯＷ型積層構造における圧着ボール高さの安定化をより向上することができる。
【００５５】
接合構造は、ボール根元域での第１濃化部10に加えて、ボール接合部と電極膜の接合界面に濃化部が形成されることが望ましい。ボール接合部と電極膜の接合界面の濃化部を第３濃化部12と称す。図６には、ボール接合部３と電極膜８との接合界面に第３濃化部12が形成されていることが例示されている。第３濃化部12は、接合界面の全面にわたって形成されることが望ましい。第３濃化部12を形成することにより、接合部の長期信頼性を高める効果が得られる。１７０℃以上の高温加熱、あるいは、ＰＣＴ試験（Pressure Cooker Test）およびＨＡＳＴ試験（Highly Accelerated Temperature and Humidity Stress Test）などの高湿加熱といった加速試験における接合信頼性を向上できる。第３濃化部12と第１濃化部10とが同時に形成される方が、第３濃化部12を単独で形成するよりも、接合信頼性を向上する効果が高められる。これは、第１濃化部10を形成することにより初期の接合界面での拡散が比較的容易となり、均一な金属間化合物の成長が促進されるためと考えられる。
【００５６】
第３濃化部12の厚さは、０．０３μｍ以上６μｍ以下の範囲であることが望ましい。厚さが０．０３μｍ以上であれば上述した１７０℃以上の高温加熱での接合信頼性を向上する高い効果が得られ、６μｍを超えると積層チップのボール接合時に電極下に微小クラックなどの損傷を与えることが懸念される。好ましくは、第３濃化部12の厚さが０．２μｍ以上４μｍ以下の範囲であれば、１３０℃-８５％ＲＨ（相対湿度）での高湿加熱でのボール接合部の寿命をより延長させることができる。また、第３濃化部12において貴金属を総計した最高濃度が０．１ｍｏｌ％以上６ｍｏｌ％以下の範囲であることが望ましい。これは最高濃度が０．１ｍｏｌ％未満では前記接合信頼性の改善効果が小さく、６ｍｏｌ％を超えるとオーバーハング型積層構造でボール部の着地衝撃によってチップダメージ損傷が生じることが問題となる。
【００５７】
ボール接合部の表面領域のなかで第１濃化部10のみを有することが有利となる場合もある。すなわち、ボール接合部の表面領域の濃化部が第１濃化部10だけであることにより、積層チップでのリフトオフ不良を抑える効果が得られる。リフトオフとは、量産工程の連続ボンディングの動作中にボール接合部と電極膜との接合界面で剥離が生じる不良現象である。接合強度が平均的には高くても、量産工程におけるリフトオフ不良の発生が問題視される。特に、オーバーハング型積層構造またはＦＯＷ型積層構造において、ボール接合部の表面領域の濃化部が第１濃化部10だけであることは有効である。これらの積層構造では半導体チップが十分に固定されていないため、荷重・超音波振動を比較的低く、荷重およびスクラブ動作（低周波振動）を少し強く設定する場合が多い。こうした接合条件は、通常の単層チップでの接合条件とは異なる選定である。この接合条件では、電極表面の酸化膜、汚染層が比較的厚い場合などに、連続ボンディングの数十ミリ秒の短時間に接合界面での密着性を得るのが困難である。それに対して、ボール接合部の表面領域の濃化部が第１濃化部10だけであることにより、酸化膜、汚染層の破壊などを促進させて、ボール接合部と電極膜の界面で均一な密着性を得ることにより、リフトオフ不良を抑えることができる。要因として、電極膜と接触するボール表面に第３濃化部12がないこと、すなわち銅がボール表面に露出していることにより、酸化膜、汚染層を破壊して良好な金属接合が得られ、さらに銅と電極成分との相互拡散が促進されることが考えられる。
【００５８】
濃化部に濃化される前記貴金属はＰｄ、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｔのうち少なくとも1種であることが望ましい。すなわち、Ｐｄ、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｔのうち1種以上と銅とを主成分とする合金からなる前記第１濃化部10は比較的容易に形成することができ、しかも、積層チップにおける超低ループ化、ボール接合強度の向上などを満足する高い効果が得られる。また、第２濃化部11、第３濃化部12を形成するボンディング条件が広く、それぞれの作用効果である中抜け不良の抑制、接合信頼性の向上でも高い効果を得られることが確認された。こうした改善効果を量産で安定して実現するには、貴金属元素群のなかでもＰｄ、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｔの濃化部が有効であることが確認された。好ましくは、前記貴金属がＰｄ、Ａｕ、Ａｇのうち1種以上であることにより、前述したルートリーニング不良が超低ループで発生するのを抑制する顕著な効果が得られる。より好ましくは、主成分がＰｄであることにより、第１濃化部10が形成されたボール接合部の真円化を促進するより高い効果が得られる。
【００５９】
ボール根元域での第１濃化部10に加えて、上記複層銅ボンディングワイヤの外層の厚さが、０．０１μｍ以上０．４μｍ以下の範囲であることは、ネック部で破断させるファーストプル強度を増加させるのに有効である。ファーストプル強度とは、後述するようにボール接合部近傍のワイヤにフックを掛けて破断強度を測定した際の強度のことである。すなわち、上記複層銅ボンディングワイヤは、銅を主成分とする芯材と、前記芯材の上にＰｄ、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｔのうち少なくとも1種から選ばれる貴金属を主成分とする外層とを有し、該外層の厚さが０．０１μｍ以上０．４μｍ以下の範囲であることが望ましい。ネック部は、ボール形成時の熱影響により再結晶が進行することで、ワイヤ本体よりも強度が低下することが問題となる。そこで、複層銅ボンディングワイヤの外層の厚さを０．０１μｍ以上０．４μｍ以下の範囲とすることで、特に積層チップでの安定した低ループ化とファーストプル強度上昇との相反特性を両立することが可能となる。ここで、外層厚さが０．０１μｍ未満では積層チップでのファーストプル強度を上昇させる効果が小さい。外層厚さが０．４μｍ超では低ループ化とファーストプル強度上昇の両立が困難となり、例えば外層厚さが５０μｍ以下の超低ループではファーストプル強度のばらつきが大きくなることが確認された。
【００６０】
接合構造は、ボール根元域での第１濃化部10に加えて、上記複層銅ボンディングワイヤの外層と芯材の間に前記貴金属の少なくとも１種と銅との濃度勾配を有する拡散層を有し、前記拡散層の厚さが０．００３μｍ以上０．１５μｍ以下であることにより、単層チップ構造の高ループ接続におけるリーニング性を改善する効果が得られる。すなわち、上記複層銅ボンディングワイヤは、銅を主成分とする芯材と、前記芯材の上にＰｄ、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｔのうち少なくとも1種から選ばれる貴金属を主成分とする外層とを有し、外層と芯材の間に前記貴金属の少なくとも１種と銅との濃度勾配を有する拡散層を有し、拡散層の厚さが０．００３μｍ以上０．１５μｍ以下の範囲であることが望ましい。高ループ接続のリーニングとは、ボール接合部の直立部（熱影響部）が倒れる現象であり、隣接するワイヤと接触すると電気的ショートにより不良となる。この高ループ接続のリーニングは、前述したルートリーニングとはワイヤの変形方向、変形長さなどが異なり、容易に区別できる。ルートリーニングは、ワイヤ根元の局所域（２０〜５０μｍ）でセカンド接合方向に変形する現象である。これに対して、高ループ接続のリーニングはセカンド接合方向とは垂直方向となる隣接する複層銅ボンディングワイヤの方向に変形する。変形長さは長範囲にわたり一般的には１００μｍを超える範囲の変形であることが特徴である。また、高ループ接続のリーニングは単層チップで問題となり、ルートリーニングは積層チップで問題となる。第１濃化部10に加えて、外層と芯材の間に濃度勾配を有する拡散層を形成することで、ループ制御の際にワイヤに加わる複雑な外力を緩和する作用が働き、リーニングを軽減することができる。前記拡散層の厚さが０．００３μｍ以上０．１５μｍ以下である理由として、０．００３μｍ未満では、リーニングを改善する効果が小さく、０．１５μｍを超えると低ループ制御が不安定となることが挙げられる。
【００６１】
前記貴金属がＰｄおよび、ＡｕとＡｇのうち少なくとも1種の合計２種以上を含み、前記濃化部において、Ｐｄ濃度に対するＡｕ、Ａｇを総計した濃度の比率が０．０１以上０．４以下の範囲であることが望ましい。Ｐｄおよび、ＡｕとＡｇのうち少なくとも1種の合計２種以上を含有する合金からなる第１濃化部10であることにより、ボール接合部の真円化と、ウェッジ接合形状の安定化とを同時に改善することができる。第１濃化部10がＰｄを含むことで、ボール接合部の真円化を促進する高い効果が得られる。一方でＰｄ単独であれば、ボール接合時に、微小なＰｄ粉末、あるいはキャピラリ先端と第１濃化部10との焼付きなどにより、キャピラリ先端が摩耗することで、キャピラリの使用寿命が短くなることが懸念される。それに対して、第１濃化部10がＰｄおよび、ＡｕとＡｇのうち少なくとも1種を含有することにより、真円化を維持しつつ、キャピラリの使用寿命を長期化することが可能である。Ｐｄ濃度に対するＡｕ、Ａｇを総計した濃度の比率が０．０１以上０．４以下の範囲である理由として、０．０１未満であれば上記効果が小さく、０．４を超えるとボール接合部の花弁変形などの不良が発生することが挙げられる。ここでの濃度比率を求める手法として、第１濃化部10におけるランダムな濃度を３か所以上の位置で測定して、それぞれの位置での濃度比率を平均した値を用いることが望ましい。
【００６２】
上述の貴金属がＰｄおよび、ＡｕとＡｇのうち少なくとも１種の合計２種以上からなる合金の第１濃化部10を形成するための複層銅ボンディングワイヤは、外層の主成分がＰｄであり、前記外層の表面にＡｕ、Ａｇのうち1種以上の濃化層を有する複層銅ボンディングワイヤ、または、外層の主成分がＰｄであり、前記外層と芯材の界面にＡｕ、Ａｇのうち１種以上の濃化層を有する複層銅ボンディングワイヤのどちらかであることが望ましい。すなわち、Ａｕ、Ａｇのうち１種以上の濃化層の形成場所が外層の表面または外層と芯材の界面のどちらであっても、前記の合金の第１濃化部10を形成することができ、これにより、キャピラリ先端の摩耗を低減する効果が得られる。好ましくは、両者とも、Ａｕ、Ａｇのうち1種以上の濃化層において、Ｐｄ濃度に対するＡｕ、Ａｇを総計した濃度の比率が０．０１以上０．４以下の範囲であることが望ましい。上記濃度の比率が０．０１未満ではキャピラリ先端の摩耗を低減する効果が小さいためであり、また、上記濃度の比率が０．４超では合金化による硬化が顕著となり、キャピラリの内部の摩耗により作業寿命が短くなることが問題となるためである。また好ましくは、外層の主成分がＰｄであり、前記外層の表面にＡｕ、Ａｇのうち１種以上の濃化層を有する複層銅ボンディングワイヤによる接続構造にすることで、キャピラリ先端の摩耗を低減するより高い効果が得られる。これは、外層の表面に形成されるＡｕ、Ａｇのうち1種以上の濃化層が、ループを形成する時に、ワイヤ自身とキャピラリ内壁との摩擦抵抗を低減するためと考えられる。
【００６３】
また、本発明者らは、複層銅ボンディングワイヤの構成の違いにより、それぞれ異なる改善効果が得られることを確認した。外層の主成分がＰｄであり、前記外層の表面にＡｕ、Ａｇのうち１種以上の濃化層を有する複層銅ボンディングワイヤによる接合構造では、ワイヤ表面のＰｄ露出を低減することにより、キャピラリの使用寿命をさらに向上させる高い効果が得られた。特に、表面の影響が大きくなる直径１７μｍ以下の極細線で接続する場合には、キャピラリ寿命が３０％以上向上する場合も確認された。一方、外層の主成分がＰｄであり、前記外層と芯材の界面にＡｕ、Ａｇのうち１種以上の濃化層を有する複層銅ボンディングワイヤによる接合構造では、ボンディング工程後の搬送時における耐振動性を向上する効果が確認された。
【００６４】
第１濃化部10、第２濃化部11および第３濃化部12の形成を助長するためには、接合前の初期ボール部（Free Air Ball；以下、「ＦＡＢ」という。）でそれぞれの濃化部を形成しておくことが望ましい。これは、ＦＡＢを形成する時に、濃化部を容易に形成できること、ボール部の変形過程または接合後の加熱過程を経ることにより、ＦＡＢ内の濃化部は形状・サイズが少し変化したとしても、濃化部の分布、濃度などは維持される場合が多いこと、が挙げられる。
【００６５】
図７〜１０には、ＦＡＢ断面観察における濃化部の分布の代表例を示す。図７では、複層銅ボンディングワイヤとの境界近傍であるボール根元域に末端濃化部13が形成されている。当該末端濃化部13は接合後の第１濃化部10に相当する。末端濃化部13は、ネック部の全周にわたって形成され、好ましくは接合界面に垂直な任意の断面において、ほぼ同様の断面構造を示す。
【００６６】
図８では、上記第１濃化部10に加えて、ボール内部に内部濃化部14が形成されている。当該内部濃化部14は接合後の第２濃化部11に相当する。内部濃化部14は、接合界面に垂直な任意の断面任意の断面において、同様の形状を有してもよいし、そうでなくてもよい。また、当該内部濃化部14の形状や数は図に示す形状や数に限られるものではない。
【００６７】
図９および１０は、上記末端濃化部13に加えて、ボール部の表面近傍に表面濃化部15が形成されている。当該表面濃化部15は接合後の第３濃化部12に相当する。図９はボール先端の近傍のボール外周まで表面濃化部15が形成されている場合であり、図１０はボール外周の濃化層が比較的厚く、ボール先端にも表面濃化部15が形成されている場合である。表面濃化部15は、好ましくは接合界面に垂直な任意の断面において、ほぼ同様の断面構造を示す。接合界面の第３濃化部12は、接合後の加熱によりボール内に固溶している元素が拡散して、濃化が促進されることによっても形成される。例えば、図９のようにボール先端に表面濃化部15が観察されない場合でも、接合後にボール内に固溶している元素が拡散することで、第３濃化部12を形成できることを確認している。
【００６８】
本実施形態の接続構造に関して、これらのＦＡＢ内に濃化部が形成されたボール部により接合された接続構造であることが望ましい。例えば、接合構造は、接続される前のボール部（ＦＡＢ）における表面領域のなかでも複層銅ボンディングワイヤとの境界近傍であるボール根元域に、銅以外の貴金属の濃化部が形成されたボール部により接続されることが望ましい。より好ましくは、上記接合構造は、ボール根元域の濃化部に加えて、ボール部（ＦＡＢ）の内部に濃化部が形成されたボール部により接続されることが望ましい。さらに、好ましくは、接合構造は、ボール根元域の濃化部に加えて、ボール部（ＦＡＢ）の表面に濃化部が形成されたボール部により接続されることが望ましい。
【００６９】
前記ボール接合部の表面領域のなかでもボール根元域に貴金属の第１濃化部10を単に形成するだけであれば、基本的に通常のワイヤボンディング条件の適正化することによりある程度安定して形成することもできる。しかし、高速ボンディングの量産工程において第１濃化部10を安定して形成するためには、ボール形成のプロセス因子とワイヤ材料因子の２因子の片方または両方を制御することが望ましい。プロセス因子ではワイヤ先端近傍のシールドガスの吹付けおよびアーク放電などのボール形成条件などの適正化が有効であり、ワイヤ材料因子では複層銅ボンディングワイヤの構造の適正化が有効である。
【００７０】
第１濃化部10を形成するための好ましいボール形成条件は、電極トーチの後方からワイヤ先端に向かってシールドガスを吹き付けること、ワイヤ先端近傍で複層銅ボンディングワイヤに沿って上下の両方向にシールドガスの流れを形成することである。それぞれの作用として、アーク放電の領域を優先的にシールドする作用、またはワイヤの上方向にアーク放電を導き、ボール部が溶融状態から凝固するときにボール部を急冷する作用などが挙げられる。これらの作用を高めることにより、第１濃化部10の形成を促進することができる。こうしたシールドガス流れを形成する簡便な手法の一例である、シールドパイプ方式を図１１に示す。電極トーチ51をシールドパイプ52で覆い、複層銅ボンディングワイヤ１を通したキャピラリが上下方向に通過する上下貫通穴53をシールドパイプ52に貫通させておき、そのシールドパイプ52の内部にシールドガス流れ54を形成する手法が有効である。この手法により、放電を起こす電極トーチ51の後方からシールドガスを流すこと、複層銅ボンディングワイヤ１に沿って上下方向へのシールドガスの流れを形成することの両者を同時に満足させることが容易となる。シールドガスの手法として、図１１のようなシールドパイプ方式を一例として説明したが、この限りではなく、ガス流れを制御する他の手法でも第１濃化部10を形成する手法を考案することは可能である。
【００７１】
第１濃化部10を安定して形成するためのシールドガスは、純窒素ガスまたは窒素に水素を４〜６％の範囲で含有させた還元性ガスであること、流速は０．３〜１．０ｍｌ／minの範囲であること、シールドパイプ方式の上下貫通穴のサイズのキャピラリ直径に対する割合を１．２〜３．０倍の範囲にすることが望ましい。より好ましくは、流速を０．４〜０．８ｍｌ／minの範囲にすること、または、上下貫通穴のサイズを１．４〜２．７倍の範囲にすることにより、ネック部に集中的に濃化させ、第１濃化部10の形成を促進することができる。さらにより好ましくは、上下貫通穴のサイズを１．６〜２．３倍の範囲にすることにより、線径１８μｍ以下の細線を用いて第１濃化部10の形成をより安定化させることができる。
【００７２】
第１濃化部10を形成するための好ましいワイヤ材料因子は、複層銅ボンディングワイヤの外層の厚さが、０．０１μｍ以上０．４μｍ以下の範囲であること、外層表面のＣｕ濃度が低く、Ｃｕ酸化物が形成されていないことが有効である。これはワイヤ表面でのＣｕの露出が少ないこと、またはＣｕ酸化物が形成されていないことにより、アーク放電時の外層と銅との混合を遅らせて、ボール根元域に外層が集まる効果を促進するためと考察される。外層の厚さが０．４μｍを超えるとボール根元域への濃化が抑制される。外層表面のＣｕ酸化物の厚さが４ｎｍ以下、またはＣｕ濃度は２ｍｏｌ％以下であることが望ましい。Ｃｕ酸化物の厚さが４ｎｍを超えるか、または、外層表面にＣｕが２ｍｏｌ％を超えて露出すると、ボール溶融時に貴金属とＣｕが混合して第１濃化部10の形成が抑制される。ここでの酸化物とは、Ｃｕ酸化物がメインであり、Ｐｄ、Ａｇの酸化物でも同様であることが確認された。
【００７３】
より好ましくは、外層と芯材の界面近傍にＣｕ酸化物、有機物を介在させることも、第１濃化部10を安定して形成する上で有効である。外層と芯材の界面にＣｕ酸化物、有機物が介在すると、ボール溶融時に貴金属とＣｕとの混合がより抑制されると考えられる。Ｃｕ酸化物、有機物の膜厚の範囲は０．１ｎｍ以上５ｎｍ以下の範囲であることが望ましい。前記膜厚が０．１ｎｍ未満であれば上記作用が小さく、前記膜厚が５ｎｍを超えると外層と芯材の密着性が低下して剥離が生じる。好ましくは、前記膜厚が０．５ｎｍ以上３ｎｍ以下の範囲であれば、溶融状態で外層を構成する貴金属がボール根元域に濃化する現象を促進することができる。複層銅ボンディングワイヤの外層と芯材の界面近傍におけるＣｕ酸化物、有機物の介在を確認することが困難である場合が多いため、外層を形成する前の芯材を用いて、芯材の表面分析により観察されるＣｕ酸化物、有機物の膜厚の範囲が０．１ｎｍ以上５ｎｍ以下であっても構わない。
【００７４】
第１濃化部10に加えて、ボール内部の第２濃化部11の形成を促進するには、ボール形成のプロセス因子とワイヤ材料因子の２因子の片方または両方を制御することが望ましい。プロセス因子では、シールドガスを電極トーチの後方からと電極トーチと反対方向の両方向から流すことが有効である。この２方向のガス流により、アーク放電によるワイヤ溶融時のボール内部での対流、撹拌を促進することで、外層の貴金属とＣｕとを混合してボール内部での第２濃化部11の形成を促進していると考えられる。シールドガスの流し方で２種類の効果的な手法を紹介する。第一の手法は、図１１の方法を少し改造して、図１２に示すように、電極トーチ51をシールドパイプ52で覆い、さらにシールドパイプ52の先端を閉じる手法である。これにより電極トーチ51と反対方向からもガスの逆流を少し形成することが可能となる。さらにこの手法では、複層銅ボンディングワイヤに沿って上下方向へのワイヤ流れを促進することができ、アークの集中とボール部の急冷効果を高めて、第１濃化部10をより安定的に形成することができる。第二の手法は、図１３に示すように、電極トーチ51の後方の後方パイプ56と、電極トーチ51と反対方向の前方パイプ57とを利用して、強制的に２方向からシールドガスを流す手法である。この手法での留意点は、パイプの設置に自由度があるため、ボール形成時の酸化が起こらないシールド環境を形成するようにパイプの角度、高さなどを適正化することである。これらの手法のポイントは、ワイヤ溶融時のボール内部での対流、撹拌を促進することで外層の貴金属とＣｕとを混合する作用を生じさせる点であるが、本発明はこれらの手法に限定されるものではない。
【００７５】
第２濃化部11を形成するための好ましいワイヤ材料因子は、複層銅ボンディングワイヤの外層および拡散層の厚さを制御することが有効である。外層の厚さが０．０３μｍ以上０．２μｍ以下の範囲であるか、または、外層と芯材の間に形成された拡散層の厚さが０．０３μｍ以上０．１５μｍ以下の範囲であり、外層と拡散層を総計した厚さが０．０７μｍ以上０．４μｍ以下の範囲であることが望ましい。外層および拡散層の厚さが上記範囲であることにより、ボール溶融時に貴金属とＣｕとが混合し、ボール内部に第２濃化部11が形成されるのを促進する。ここで、外層の厚さが０．０３μｍ以上であり、外層と芯材の間に形成された拡散層の厚さが０．０３μｍ以上であり、外層と拡散層を総計した厚さが０．０７μｍ以上である理由として、それぞれの厚さの下限値よりも薄いと作用効果が小さいことが挙げられる。外層の厚さが０．４μｍを超えるとボール部の硬化により接合時にチップダメージを与えることが問題となる。拡散層の厚さが０．１５μｍを超えると、鋭角のワイヤ変形において抵抗となるので、短スパンなどのループ形状が不安定となる。外層と拡散層を総計した厚さが０．４μｍを超えると、第１濃化部1を安定的に形成することが困難となることが確認された。また、外層と拡散層の間の界面におけるＣｕ酸化物、有機物の介在を少なくするほど、第２濃化部11の形成を促進することができる。
【００７６】
ワイヤ表面に形成された外層および拡散層の境界に関して、外層は主成分の濃度が５０ｍｏｌ％以上、拡散層は１０ｍｏｌ％以上５０ｍｏｌ％以下の範囲と定義する。
【００７７】
第１濃化部10に加えて、ボール接合界面の第３濃化部12の形成を促進するには、接合前の初期ボール部（ＦＡＢ）において濃化層をボール表面近傍に形成しておくことが有効である。その手法として、ボール形成のプロセス因子とワイヤ材料因子の２因子の片方または両方を制御することが望ましい。プロセス因子では、例えば上述の図１２や図１３のガスシールドの手法において、アーク放電時間を短くして、電流値を高めることが望ましい。放電時間を短くすることで、ボール溶融時に外層を構成する貴金属と芯材のＣｕが混合する前に凝固させる作用を高め、貴金属が表面に濃化する現象を促進することが可能となる。線径、ＦＡＢ径、ボンディング装置の機種などにより放電時間の絶対値は変化するが、一例として線径２５μｍ、ＦＡＢ径５０μｍの場合の電流値は７５〜９５ｍＡ、放電時間は０．４〜０．６ｍｓｅｃ、また線径２０μｍ、ＦＡＢ径４０μｍの場合の電流値は３０〜５０ｍＡ、放電時間は０．５〜０．７ｍｓｅｃの範囲であることが望ましい。比較として、通常の銅ワイヤでの線径２５μｍ、ＦＡＢ径５０μｍの場合の一般的な放電条件は、電流値は６０〜７５ｍＡ、放電時間は０．４〜０．６ｍｓｅｃの範囲が多く用いられる。
【００７８】
第３濃化部12の形成を促進するワイヤ材料因子は、複層銅ボンディングワイヤの拡散層の厚さが０．０１μｍ以上０．１μｍ以下の範囲であり、さらに外層の厚さに対する拡散層の厚さの比率Ｙが０．０５以上０．４以下の範囲であることが有効である。これは、外層の厚さが上記範囲内で、しかも拡散層の厚さを外層に対して比較的薄くすることで、ボール溶融時に貴金属がＣｕと混合したりＣｕ内部に分散したりすることが抑えられ、ボール表面に濃化させる効果が高められるためであると考えられる。ここで、上記比率Ｙが０．４を超えると、拡散層が厚いために貴金属とＣｕとの混合が促進されて、第３濃化部の形成が安定しない。また上記比率Ｙが０．０５未満であれば、第３濃化部の形成が困難であり、加えて、拡散層が薄いために外層と芯材との密着性が低下して、ループ形状が不安定となる。
【００７９】
第１濃化部10に加えて、ボール接合界面の第２濃化部11および第３濃化部12の両者の形成を促進するには、外層の厚さが０．１５μｍ以上０．４μｍ以下の範囲であり、さらに外層の厚さに対する拡散層の厚さの比率Ｙが０．６以上１．２以下の範囲であることが有効である。これは、拡散層の厚さの比率が上記範囲となるように外層に対して拡散層を比較的厚くすることで、貴金属とＣｕとの混合が促進されて、ボール溶融の比較的初期段階において第１濃化部と第２濃化部がほぼ同時に形成され、さらに、ボール末端、ボール内部に濃化できなかった残りの貴金属が凝固時にボール表面に集まることにより最後に第３濃化部が形成されるためと考えられる。外層の厚さが０．１５μｍ未満では第２濃化部の形成が少なくなることが懸念される。外層の厚さが上記範囲であることを前提にして、上記比率Ｙが０．６未満では、第２濃化部の形成が不均質となり不安定となる。また上記比率Ｙが１．２以上では、第３濃化部の形成が不十分であり、加えて、ワイヤ製造時にカールと呼ばれるワイヤ加工曲がりが大きくなり、ワイヤの直線性が低下する。
【００８０】
上記に説明した、第１濃化部、第２濃化部、第３濃化部などそれぞれ濃化部の形成を促進するためのワイヤ材料因子について、この限りでなく、複層銅ボンディングワイヤであれば他の材料因子（膜厚、組成、分布）でもそれぞれの濃化部を形成することは可能である。また、第１濃化部、第２濃化部、第３濃化部に対応する作用効果については、濃化部が形成されていれば実現することは可能であり、濃化部を形成するための複層銅ボンディングワイヤのワイヤ材料因子には直接左右されないことも確認した。
【００８１】
濃化部を有する接合構造について、ボール接合部は、ループを形成する通常のワイヤボンディング方法で形成したボール接合部、またはスタッドバンプ法で形成したボール接合部のどちらでも構わない。両者の相違はループを形成するかどうかであり、ともにボール接合部の構造、要求特性などはほぼ同じである。
【００８２】
ボール部における第１濃化部10、第２濃化部11および第３濃化部12の形成を確認する手法としては、ワイヤ長手方向と平行方向のボール接合部の断面観察を行うことが簡便で効果的である。濃化部の分布を確認する手法として、光学顕微鏡での観察により色で識別することが簡便である。濃化部の濃度が０．１ｍｏｌ％以上であれば、色の濃淡により識別することが可能であることが確認された。また、ＥＰＭＡ（Electron Probe Micro Analyzer; 電子線マイクロ分析法）、ＥＤＸ（Energy Dispersive X-ray spectrometry; エネルギー分散型Ｘ線分析法）、ＡＥＳ（Auger Electron Spectroscopy; オージェ電子分光法）等などを用いて、ボール接合部の断面での元素分析を行うことで、局所的な濃化を確認すること、または元素ごとのマッピングを行うことで、濃化部の分布をより精度よく識別することが可能となる。またボール接合部の断面以外でも濃化部を確認することは可能であり、例えば第１濃化部10では、ボール接合部の表面においてボール根元域の元素分析を行うことも有効である。また第３濃化部12の確認では、ボール接合部の断面で、ＥＤＸ、ＥＰＭＡ、ＡＥＳなどの化学分析を用いて、接合界面を挟んでの線分析を行うことも有効である。濃化部の位置が明確である場合には、点分析も簡便な手法である。点分析で濃化の有無を評価するためには、濃化領域と、未濃化領域との少なくとも２箇所で分析して相対比較することが望ましい。
【００８３】
濃化部の観察、分析を行う試料は、出荷された半導体の最終製品、又は電子機器に装着されて実際に使用されている半導体のいずれでもよい。即ち、前者の出荷された段階または使用された段階のいずれかの半導体のボール接合部において、濃化部の濃度あるいは厚さが本実施形態の範囲内であれば、その作用効果を奏する。
【００８４】
複層銅ボンディングワイヤの作製では、Ｃｕを主成分とする芯材の表面に、電解メッキ、無電解メッキまたはスパッタなどによりＰｄ、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｔを主成分とする外層を形成する。外層を形成するときの芯材の線径は０．０５〜１．５ｍｍであることが生産性、均一性の観点から望ましい。必要に応じて、外層を形成する前の芯材の表面におけるＣｕ酸化膜、有機膜などをＡＥＳにより測定する。一般的な銅の電解エッチング、酸洗浄などを行うことにより、芯材の表面におけるＣｕ酸化膜、有機膜などを所定の厚さに調整することができる。
【００８５】
外層を形成した後に、伸線ダイスを用いてワイヤを所定の最終径まで伸線加工する。ダイスの減面率は３〜１５％の範囲である。熱処理は、外層形成後に伸線工程の途中または、最終線径での熱処理を施した。熱処理炉内にワイヤを連続的に移動させながら連続熱処理を行った。熱処理温度は３００〜８００℃の範囲とし、不活性ガスを流しながら加熱処理することによりワイヤの酸化を抑制する。
【００８６】
外層の表面に濃化層を形成する場合、または、外層と芯材の間に濃化層を形成する場合など、２層構造の外層を形成するには、電解メッキ、無電解メッキまたはスパッタを２度に分けて行い、その後に濃化層を形成するための熱処理を２００〜６００℃の範囲で施すことが望ましい。
【実施例】
【００８７】
以下、実施例について説明する。
【００８８】
複層銅ボンディングワイヤの原材料として、Ｃｕは純度が約99.99質量%以上の高純度の素材を用い、外層用のＰｄ、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｔの素材には、純度99.99質量%以上の原料を用意した。複層銅ボンディングワイヤの作製では、ある線径まで細くした高純度銅ワイヤを芯材として予め準備して、そのワイヤ表面に異なる金属の外層を形成するために、電解メッキ法により外層を形成した。外層の初期の膜厚は、消耗する最終線径での膜厚から計算により求めた。濃度勾配の形成、拡散層の生成を助長する場合は、熱処理を２００〜６００℃の範囲で施した。
【００８９】
外層の表面に濃化層を形成する場合、または、外層と芯材の間に濃化層を形成する場合など、外層とは別に濃化層を形成するための薄膜形成が必要である。外層と、濃化層用の薄膜とを形成するには、電解メッキ、無電解メッキまたはスパッタによる膜形成を２回に分けて行うことが有効である。主成分がＰｄ、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｔで共通する外層と濃化層用の薄膜では、膜厚の違いはあるが、膜形成条件は基本的に同様である。密着性を向上する熱処理を、必要に応じて、１回の膜形成の後、または２回目の膜形成の後に、２００〜６００℃の温度範囲で実施した。
【００９０】
最終の線径で外層を形成する場合と、ある線径で外層を形成してからさらに伸線加工により最終線径まで細くする方法を利用した。電解メッキ液、無電解メッキ液は、半導体用途で市販されているメッキ液を使用した。直径が約２００〜１５００μmのワイヤを予め準備し、そのワイヤ表面に蒸着、メッキ等により被覆し、最終径の15〜25μmまで伸線した。伸後に加工歪みを取り除き伸び値が４〜１８%程度になるように熱処理を施した。熱処理方法は、１０ｃｍ以上の均熱帯を持つ赤外加熱炉を用い、３００〜７５０℃に設定された炉中に不活性ガスを流量０．５〜５Ｌ／分の範囲で流しながら、速度は３０〜１００ｍ／ｍｉｎ、掃引張力は２〜３０ｍＮの範囲でワイヤを連続的に移動させながら熱処理を施した。引張伸びが４〜１５%の範囲になるように温度を微調整した。ワイヤ表面の銅の酸化を抑制するため、炉内に不活性ガス（窒素ガスを使用）を流量０．５〜５Ｌ／分の範囲で連続的に流した。必要に応じて、線径３０〜２００μmまでダイス伸線した後に、拡散熱処理を施してから、さらに伸線加工を施した。拡散熱処理の条件は、前述した熱処理条件の範囲とした。
【００９１】
ボール部の断面または表面での濃化部の濃度測定には、濃化部サイズが1μｍ未満ではＡＥＳ、1μｍ以上ではＥＰＭＡ、ＥＤＸを用いた。複層銅ワイヤの表面の膜厚などの測定にはＡＥＳを用いて表面分析、深さ分析を行い、厚さの絶対値表示には一般的であるＳｉＯ２換算を利用した。ワイヤ中の導電性金属濃度は、ＩＣＰ（Inductively coupled plasma; 誘導結合プラズマ）分析、ＩＣＰ質量分析等により測定した。
【００９２】
ＡＥＳ測定では主に、外層の膜厚、拡散層の膜厚、外層表面のＣｕ濃度とＣｕ酸化物の厚さ、芯材表面のＣｕ酸化物、有機物の合計膜厚などを求めた。ここで、外層と拡散層の間の界面におけるＣｕ酸化物、有機物の膜厚は、測定が容易なため外層を形成する前の芯材表面のＣｕ酸化物、有機物の合計膜厚を測定し、代用した。膜厚の定義に関して、外層は主成分の濃度が５０ｍｏｌ％以上、拡散層は１０ｍｏｌ％以上５０ｍｏｌ％以下の範囲、Ｃｕ酸化物は酸素濃度が３０ｍｏｌ％以上の領域とした。芯材表面のCu酸化物、有機物の合計膜厚に関しては、酸素と炭素の濃度の総計が５０ｍｏｌ％以上の領域とし、最終線径に換算した膜厚を表に示した。
【００９３】
Ｃｕからなる芯材の通常の製造方法では、外層を形成する前の芯材の表面にＣｕ酸化物、有機物の合計膜厚が５ｎｍ程度形成されていることが確認された。芯材の表面に残存するＣｕ酸化物、有機物の膜厚を制御するには、外層を形成する直前に、酸洗、アルカリ脱脂、純水洗浄などの清浄化処理を施すことが有効である。前記清浄化処理は、通常のＣｕの清浄化に用いられる処理を行った。例えば、酸洗は硝酸と過酸化水素水の希釈液、アルカリ脱脂はＫＯＨの希釈液などを本実施例では主に用いた。
【００９４】
複層銅ボンディングワイヤの接続には、市販の自動ワイヤボンダー(ASM製Eagle60-AP型)を使用して、ボール部/ウェッジ接合を行った。アーク放電によりワイヤ先端にボール部を作製し、それをシリコン基板上の電極膜に接合し、ワイヤ他端をリード端子上にウェッジ接合した。
【００９５】
ボール形成時の酸化を抑制するガスシールドの手法としては、４種類の手法を用いた。具体的には、（Ｐ）図１１で示すように、電極トーチを覆うシールドパイプからガスを流す手法、（Ｑ）図１２で示すように、上記（Ｐ）を基本に、シールドパイプの先端を閉じる手法、（Ｓ）図１３に示すように、電極トーチの後方の後方パイプと、電極トーチと反対方向の前方パイプとの２方向からガスを流す手法、（Ｔ）上記（Ｓ）の前方パイプのみからガスを流す手法を用いた。表１の「ガスシールド法」の欄にはそれぞれの方法をＰ，Ｑ，Ｓ，Ｔで表記した。シールドガスは、純度が４Ｎ以上の窒素ガス、または、窒素に水素を４〜６％の範囲で含有させた還元性ガスを用いた。ガス流量は０．４〜１．５ｍｌ／minの範囲とした。
【００９６】
被接合部としては、シリコン基板上の電極膜は、厚さ１μmのAl合金膜(Al-1%Si-0.5%Cu膜、Al-0.5%Cu膜)を使用した。樹脂基板上の電極には、Auメッキ（０．１μｍ厚）/Niメッキ（０．４μｍ厚）/Cu（１０μｍ厚）の電極の樹脂基板を使用した。ボンディング工程の接合温度は１７５℃に設定した。
【００９７】
積層チップは３種類を用いた。厚さ１５０μｍで大きさの異なる３種の半導体チップを用いて、上に小さい半導体チップを積層させ、３段のピラミッド状とした。半導体チップ同士は、ダイアタッチフィルムと呼ばれる接着用テープの汎用品（厚さ：約３０μｍ）で接着した。このタイプを従来型積層チップと称する。厚さ１５０μｍで大きさの同じ半導体チップを３段に重ねる積層構造であり、１段毎にワイヤ接続してから、上段の半導体チップを接着させた。半導体チップ同士を接着する手法により次の２種に分類される。一つは、図１のような積層構造であり、厚さ５０μｍのダミーチップと上記ダイアタッチフィルムを介して接着した。このタイプをオーバーハング型積層チップと称する。もう一つは、図４に示すような積層構造であり、前記ＦＯＷと呼ばれる接着フィルム（厚さ：約１２０μｍ）で接着した。このタイプをＦＯＷ型積層チップと称する。後者の構造では、接続された複層銅ボンディングワイヤの一部をＦＯＷが覆うように接着させる。
【００９８】
低ループ接続性の評価では、従来型積層チップを用いて、ワイヤ長さが約２ｍｍ、ループ高さが約５５μｍとなるような低ループを５０本接続し、半導体チップ表面からのループ高さとネック損傷を評価した。ループ高さの平均値が５５μｍ以下の場合は量産性に優れているため◎印、５５μｍを超え６０μｍ以下の場合は実用上は良好であるため○印、６０μｍを超え６５μｍ以下の場合は通常は問題ないがループ条件の改善が望ましいため△印、６５μｍを超える場合は実用上問題になる場合があることから×印で、表中の「ループ高さ」の欄に表示した。低ループでのネック損傷の評価では、前記超低ループを２００本接続し、ダメージが０本の場合には良好であるため◎印、２本以下の場合には実用上は問題ないレベルと判断して○印、３〜５本であればループ条件の改善が望ましいため△印、６本以上であれば不良と判定して×印で、表中の「ネックダメージ」の欄に表示した。
【００９９】
低ループ接続でのルートリーニング性の評価では、従来型積層チップを用いて、ワイヤ長さが約２ｍｍ、ループ高さが約５５μｍとなるような低ループを８００本接続し、ボール接合部との境界近傍のワイヤ根元から倒れる根元倒れ（ルートリーニング）の発生数で評価した。発生数が０本の場合には良好であるため◎印、２本以下の場合には実用上は問題ないレベルと判断して○印、３〜５本であれば改善が望ましいため△印、６本以上であれば不良と判定して×印で、表中の「ルートリーニング」の欄に表示した。
【０１００】
ファーストプル強度の安定性の評価では、従来型積層チップを用いて、ワイヤ長さが約２ｍｍ、ループ高さが約５５μｍとなるような低ループを５０本接続し、ボール接合部からの距離が１００μｍ以内の位置にフックを掛けるファーストプル試験を行い、その破断強度の標準偏差を評価した。ファーストプル強度の標準偏差が０．１未満の場合には良好であるため◎印、０．１以上０．３未満の場合にはほぼ良好であるため○印、０．３以上０．５未満の場合には改善が必要であるため△印、０．５以上の場合は不良と判断して×印で、表中の「ファーストプル強度の安定性」の欄に表示した。
【０１０１】
キャピラリ摩耗の評価では、従来型積層チップを用いて、ワイヤ長さが約２ｍｍ、ループ高さが約７０μｍとなるような低ループを１万本接続した後、キャピラリ先端の汚れ、磨耗などの変化で判定した。ここで、キャピラリ先端の磨耗などを加速させるため、リバース動作の程度を強く設定したループ条件を利用した。表面が清浄であれば非常に良好であるため◎印、不着物のサイズが５μｍ未満の場合にはほぼ良好であるため○印、付着物のサイズが５μｍ以上１０μｍ未満の場合には通常の操業には問題ないため□印、付着物のサイズが１０μｍ以上２０μｍ未満の場合には改善が望ましいため△印、付着物のサイズが２０μｍ以上の場合には不良と判定して×印で、表中の「キャピラリ摩耗」の欄に表示した。
【０１０２】
リフトオフの評価では、従来型積層チップとオーバーハング型積層チップの２種類を用いて、１０００本のワイヤボンディングを行う工程で、ボール接合部とアルミ合金の電極膜との界面で剥離が生じる発生数で評価した。不良加速試験として、荷重・超音波振動の出力を低めに設定した。リフトオフ不良数がゼロの場合には良好であるため◎印、1本又は２本の場合にはほぼ良好であるため○印、３〜６本の場合には改善が必要であるため△印、７本以上の場合は不良と判断して×印で、表中の従来型積層チップとオーバーハング型積層チップのそれぞれの「リフトオフ不良」の欄に表示した。
【０１０３】
Ａｌスプラッシュの評価では、従来型積層チップと単層チップの２種類を用いて、２００本のボール接合部の外周に排出されたＡｌ量（Ａｌスプラッシュ）で評価した。不良加速試験として、荷重・超音波振動の出力を低めに設定した。Ａｌスプラッシュ不良数がゼロの場合には良好であるため◎印、1本又は２本の場合にはほぼ良好であるため○印、３〜７本の場合には改善が必要であるため△印、８本以上の場合は不良と判断して×印で、表中の従来型積層チップと単層チップのそれぞれの「Ａｌスプラッシュ」の欄に表示した。
【０１０４】
ボール接合部の中抜けの評価では、従来型積層チップを用いて、１００本のボール接合部のシェア試験の後のアルミ側の破断面を観察した。ボール接合部の中央部に接合が不十分な領域が観察された場合に中抜け不良と判断した。中抜け不良数がゼロの場合には接合性が優れているため◎印、1本又は２本の場合にはほぼ良好であるため○印、３〜５本の場合には通常使用では問題ないため□印、６〜８本の場合は改善が必要であるため△印、９本以上の場合は不良と判断して×印で、表中の「中抜け」の欄に表示した。
【０１０５】
チップダメージの評価では、従来型積層チップを用いて、ボール部をアルミ電極膜上に接合した後、電極膜をエッチング除去して、絶縁膜又はシリコンチップへの損傷をＳＥＭで観察した。電極数は２００箇所を観察した。損傷が認められない場合は◎印、５μｍ以下のクラックが２個以下の場合は問題ないレベルと判断して○印、５μｍ以下のクラックが３個以上の場合は懸念されるレベルと判断して△印、１０μｍ以上のクラックが１個以上の場合は問題となるレベルと判断して×印で、表中の「チップダメージ」の欄に表示した。
【０１０６】
ボール接合強度の評価には、オーバーハング型積層チップを用いて、４０本のボール接合部のシェア試験を行い、そのシェア強度の平均値を測定し、ボール接合部の面積の平均値を用いて計算できる単位面積当たりのシェア強度を用いた。接合温度は１７０℃と１５０℃の２種類で評価した。単位面積当たりのシェア強度が、１１０ＭＰａ以上の範囲であれば良好であるため◎印、９０ＭＰａ以上１１０ＭＰａ未満の範囲であれば実用上は問題ないと判断して○印、７０ＭＰａ以上９０ＭＰａ未満の範囲であれば若干の接合条件の変更で改善できるため△印、７０ＭＰａ未満であれば接合強度が不十分であるため×印で、表３中の「ボール接合強度」の欄に表示した。
【０１０７】
ボール圧着高さの安定性の評価では、オーバーハング型積層チップとＦＯＷ型積層チップの２種類を用いて、５００本のボール接合部におけるボール圧着高さの標準偏差を評価した。ボール圧着高さの標準偏差が０．０２未満の場合には良好であるため◎印、０．０２以上０．０５未満の場合にはほぼ良好であるため○印、０．０５以上０．１未満の場合には改善が必要であるため△印、０．１以上の場合は不良と判断して×印で、表中のオーバーハング型積層チップとＦＯＷ型積層チップのそれぞれの「ボール圧着高さの安定性」の欄に表示した。
【０１０８】
ボール接合部の形状の評価では、ＦＯＷ型積層チップを用いて、ボール接合されたボール接合部を５００本観察して、形状の真円性、異常変形不良等を評価した。下から２段目と３段目の半導体チップで個別に観察を行った。真円からずれた異方性や花弁状等の不良ボール形状が６本以上であれば不良と判定し×印、異方性や花弁状等の不良ボール形状が１〜５本ある場合は二つに分類して、顕著な偏芯などの異常変形が１本以上発生していれば量産での改善が望ましいから△印、異常変形が発生していなければ使用可能であることから○印、不良ボール形状が０本であれば良好であるため◎印で、表中の「ボール接合形状」の欄に表示した。
【０１０９】
ロングスパンの低ループ接続の評価では、単層チップを用いて、ワイヤ長さが約４ｍｍ、ループ高さが約５５μｍとなるような超低ループを２００本接続し、ネックダメージを評価した。ネックダメージが０本の場合には良好であるため◎印、３本以下の場合には実用上は問題ないレベルと判断して○印、４〜７本であればループ条件の改善が望ましいため△印、８本以上であれば不良と判定して×印で、表中の「ロングスパンの低ループ接続」の欄に表示した。
【０１１０】
高ループ接続のリーニング性の評価では、単層チップを用いて、ワイヤ長さが約２．５ｍｍ、ループ高さが約４００μｍとなるような高ループを８００本接続し、直立部（熱影響部）が倒れるリーニングの発生数で評価した。発生数が０本の場合には良好であるため◎印、２本以下の場合には実用上は問題ないレベルと判断して○印、３〜５本であれば改善が望ましいため△印、６本以上であれば不良と判定して×印で、表中の「高ループのリーニング」の欄に表示した。
【０１１１】
ボール接合部の高温信頼性について、従来型積層チップを用いて、ボンディング後に市販のグリーン樹脂で封止された試料を１７５℃で２０００ｈｒ加熱した後に５０本のワイヤの電気特性を評価した。電気抵抗が初期の３倍以上に上昇したワイヤの割合が３０％以上の場合には接合不良のため×印、電気抵抗が３倍以上に上昇したワイヤの割合が５％以上３０％未満の範囲の場合には信頼性要求が厳しくないＩＣには使用可能なため△印、電気抵抗が３倍以上に上昇したワイヤの割合が５％未満で且つ１．５倍以上に上昇したワイヤの割合が１０％以上３０％未満の場合には実用上は問題ないため○印、電気抵抗が１．５倍以上に上昇したワイヤの割合が１０％未満であれば良好であるため◎印で、表中の「１７５℃で２０００ｈ」の欄に表示した。
【０１１２】
ボール接合部の高湿信頼性の評価では、従来型積層チップを用いて、ボンディング後に市販のグリーン樹脂で封止された試料を１３０℃、相対湿度（ＲＨ）８５％で５００時間加熱した。その後に開封装置で樹脂を除去した後に、４０本のボール接合部の接合強度の平均値を初期の接合強度の平均値と比較評価した。高湿加熱後の接合強度が初期の９０％以上である場合には良好であるため◎印、７０％以上９０％未満の場合には実用上は問題ないため○印、５０％以上７０％未満の場合には信頼性要求が厳しくないICには使用可能なため△印、５０未満の場合には信頼性不良のため×印で、表中の「130℃/85%RH-500h」の欄に表示した。
【０１１３】
表１Ａ、１Ｂおよび２には、本発明に係わる複層銅ボンディングワイヤのボール接合部の評価結果と比較例を表記している。第１請求項に係わる接合構造は実施例１〜３０、第２請求項に係わる接合構造は実施例１、３〜５、７〜３０、第３請求項に係わる接合構造は実施例２〜２９、第４請求項に係わる接合構造は実施例２〜２１、２３〜２９、第５請求項に係わる接合構造は実施例１４〜２０、２７〜３０、第６請求項に係わる接合構造は実施例２１〜３０、第７請求項に係わる接合構造は実施例１〜１３、第８請求項に係わる接合構造は実施例４、１８、２３、２６、２９、第９請求項に係わる接合構造は実施例３〜１７、１９、２１〜２９、第１０請求項に係わる接合構造は実施例２〜３０、第１１請求項に係わる接合構造は実施例１〜２９、第１２請求項に係わる接合構造は実施例１４、２３、第１３請求項に係わる接合構造は実施例４、１８、２６、２９に相当する。
【０１１４】
【表１Ａ】
【０１１５】
【表１Ｂ】
【０１１６】
【表２】
【０１１７】
実施例１〜３０の接合構造は、本発明の第１請求項に係わる、Ｐｄ、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｔの貴金属の少なくとも１種を主成分とする外層を有する複層銅ボンディングワイヤのボール接合部であって、前記貴金属の第１濃化部10がボール根元域に形成されたことにより、積層チップでの低ループ接続性とネックダメージの抑制、さらにオーバーハング型積層チップで通常の接合温度１７０℃で接続したときのボール接合強度などが同時に良好であることが確認された。一方、比較例１〜５では、前記第１濃化部10が形成されていないことにより、ネックダメージが発生し低ループ化が困難であること、ボール接合強度が低いことなどが確認された。図１４に第１濃化部10が形成された実施例１０のボール接合部の断面写真の一例を示す。なお、図１４にはＳＥＭ（Scanning Electron Microscope）写真を示すが、第１濃化部10の識別は、本図からではなく、ＥＰＭＡ、ＥＤＸ、ＡＥＳ等の元素分析または光学顕微鏡による色識別などを適宜用いて行った。
【０１１８】
実施例１、３〜５、７〜３０の接合構造は、本発明の第２請求項に係わる、前記第１濃化部10における前記貴金属を総計した濃度が０．０５ｍｏｌ％以上６ｍｏｌ％以下であることにより、オーバーハング型積層チップで通常の接合温度１７０℃で接続したときのボール接合強度がさらに向上することが確認された。好ましくは前記濃度が０．２ｍｏｌ％以上４ｍｏｌ％以下である実施例３〜５、７〜９、１１〜３０では、オーバーハング型積層チップで低い接合温度１５０℃でのボール接合強度が良好であることが確認された。より好ましくは、０．５ｍｏｌ％以上３ｍｏｌ％以下である実施例４、５、７〜９、１１〜１３、１５〜２５、２７〜３０では、低い接合温度１５０℃でのボール接合強度を向上する高い効果が確認された。
【０１１９】
実施例２〜２９の接合構造は、本発明の第３請求項に係わる、前記第１濃化部10の厚さが線径の１％以上５０％以下の範囲であることにより、ＦＯＷ型積層チップ構造での２段目の半導体チップでボール接合部の形状が良好であることが確認された。好ましくは前記厚さが線径の３％以上４０％以下である実施例３〜６、８〜１０、１４〜２１、２３〜２８では、ＦＯＷ型積層チップ構造での３段目の半導体チップでボール接合部の形状が良好であることが確認された。
【０１２０】
実施例２〜２１、２３〜２９の接合構造は、本発明の第４請求項に係わる、ボール接合部断面積に対して前記第１濃化部10を総計した面積の占める割合が２％以上３０％以下の範囲であることにより、従来型積層チップでのルートリーニング性が良好であることが確認された。
【０１２１】
実施例１４〜２０、２７〜３０の接合構造は、本発明の第５請求項に係わる、ボール接合部の内部に前記貴金属の第２濃化部11が１箇所以上形成されていることにより、積層チップでのボール接合部の中抜けが良好であることが確認された。好ましくは第２濃化部11を総計した面積がボール接合部の断面積に占める割合が３％以上５０％以下の範囲である実施例１５〜１９、２７〜３０では、中抜け不良をさらに抑制する高い効果があることが確認された。図１５に第１濃化部10と第２濃化部11が形成された実施例１７のボール接合部の断面写真の一例を示す。なお、図１５にはＳＥＭ写真を示すが、第１濃化部10と第２濃化部11の識別は、本図からではなく、ＥＰＭＡ、ＥＤＸ、ＡＥＳ等の元素分析または光学顕微鏡による色識別などを適宜用いて行った。
【０１２２】
実施例２１〜３０の接合構造は、本発明の第６請求項に係わる、ボール接合部の接合界面に前記貴金属の濃度が高い第３濃化部12が形成されていることにより、従来型積層チップでの１７５℃-２０００ｈの高温加熱、あるいは、１３０℃／８５％ＲＨ（相対湿度）-５００ｈでの高湿加熱の加速試験における接合信頼性が良好であることが確認された。好ましくは第３濃化部12の厚さが０．０３〜６μｍの範囲である実施例２２〜２５、２７〜３０では、高温加熱の信頼性を向上する高い効果が得られる。より好ましくは、０．２μｍ以上４μｍ以下の範囲である実施例２３、２４、２７〜３０では、高湿加熱の信頼性を向上するより高い効果が得られる。図１６に第１濃化部10と第３濃化部12が形成された実施例２５のボール接合部の断面写真の一例を示す。なお、図１６にはＳＥＭ写真を示すが、第１濃化部10と第３濃化部12の識別は、本図からではなく、ＥＰＭＡ、ＥＤＸ、ＡＥＳ等の元素分析または光学顕微鏡による色識別などを適宜用いて行った。
【０１２３】
実施例１〜１３の接合構造は、本発明の第７請求項に係わる、ボール接合部の表面領域のなかで前記ボール根元域にのみ前記濃化部を有することにより、従来型積層チップおよびオーバーハング型積層チップでのリフトオフ性が良好であることが確認された。
【０１２４】
実施例４、１８、２３、２６、２９の接合構造は、本発明の第８請求項に係わる、前記貴金属がＰｄと、Ａｕ、Ａｇのうち少なくとも1種との合計２種以上であり、前記第１濃化部10において、Ｐｄ濃度に対するＡｕ、Ａｇを総計した濃度の比率が０．０１以上０．４以下の範囲であることにより、従来型積層チップでのキャピラリ摩耗性が良好であることが確認された。ここで濃度比率を求める手法として、第１濃化部10におけるランダムな濃度を５か所以上の位置で測定して、それぞれの位置での濃度比率を平均した値を用いた。
【０１２５】
実施例３〜１７、１９、２１〜２９の接合構造は、本発明の第９請求項に係わる、ボール接合部の断面積に対して前記第１濃化部10と第２濃化部11とを総計した面積の占める割合が５％以上７０％以下の範囲であることにより、オーバーハング型積層チップでのボール圧着高さの安定性が良好であることが確認された。好ましくは１５％以上６０％以下の範囲である実施例６、８〜１３、１５〜１７、２１〜２４、２７〜２８では、ＦＯＷ型積層チップでのボール圧着高さの安定性を向上するより高い効果が確認された。
【０１２６】
実施例２〜３０の接合構造は、本発明の第１０請求項に係わる、前記複層銅ボンディングワイヤの外層の厚さが、０．０１μｍ以上０．４μｍ以下の範囲であることにより、従来型積層チップでのファーストプル強度の安定性が良好であることが確認された。
【０１２７】
実施例１〜２９の接合構造は、本発明の第１１請求項に係わる、前記複層銅ボンディングワイヤの外層と芯材の間に、前記貴金属の少なくとも１種と銅との濃度勾配を有する拡散層を有し、前記拡散層の厚さが０．００３μｍ以上０．１５μｍ以下であることにより、単層チップでの高ループ接続のリーニング性が良好であることが確認された。
【０１２８】
実施例１４、２３の接合構造は、本発明の第１２請求項に係わる、前記複層銅ボンディングワイヤの外層の主成分がＰｄであり、前記外層と芯材の界面にＡｕ、Ａｇのうち１種以上の濃化層を有することにより、従来型積層チップでのキャピラリ摩耗性が良好であることが確認された。
【０１２９】
実施例４、１８、２６、２９の接合構造は、本発明の第１３請求項に係わる、前記複層銅ボンディングワイヤの外層の主成分がＰｄであり、前記外層の表面にＡｕ、Ａｇのうち１種以上の濃化層を有することにより、従来型積層チップでのキャピラリ摩耗性をより向上させる高い効果が得られた。
【符号の説明】
【０１３０】
１ 複層銅ボンディングワイヤ
２ ボール部
３ ボール接合部
４ 半導体チップ
５ 基板（樹脂、リードフレーム）
６ スペーサ
７ FOW樹脂
８ 電極膜
９ ボール根元域
１０ 第１濃化部
１１ 第２濃化部
１２ 第３濃化部
１３ 初期ボール部の末端濃化部
１４ 初期ボール部の内部濃化部
１５ 初期ボール部の表面濃化部
１６ 電極トーチ
２１ 芯材
２２ 外層
５１ 電極トーチ
５２ シールドパイプ
５３ 上下貫通穴
５４ ガス流れ
５５ アーク放電
５６ 後方パイプ
５７ 前方パイプ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複層銅ボンディングワイヤの先端に形成したボール部を被接合部に接続したボール接合部の接合構造であって、
前記複層銅ボンディングワイヤは、
銅を主成分とする芯材と、
前記芯材の上にＰｄ、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｔのうち少なくとも1種から選ばれる貴金属を主成分とする外層と
を有し、
前記貴金属の濃度が高い第１濃化部が、前記ボール接合部の表面領域のなかでも前記複層銅ボンディングワイヤとの境界に位置するボール根元域に形成されたことを特徴とする接合構造。
【請求項２】
前記第１濃化部における前記貴金属を総計した濃度が０．０５ｍｏｌ％以上６ｍｏｌ％以下であることを特徴とする請求項１記載の接合構造。
【請求項３】
前記ボール接合部と前記被接合部の接合界面に垂直な前記ボール接合部の断面において、前記ボール根元域に形成された前記第１濃化部の厚さが線径の１％以上５０％以下の範囲であることを特徴とする請求項１または２記載の接合構造。
【請求項４】
前記ボール接合部と前記被接合部の接合界面に垂直な前記ボール接合部の断面において、前記ボール接合部の断面積に対して前記ボール根元域に形成された前記第１濃化部を総計した面積の占める割合が２％以上３０％以下の範囲であることを特徴とする請求項１〜３のうちいずれか１項記載の接合構造。
【請求項５】
前記ボール接合部と前記被接合部の接合界面に垂直な前記ボール接合部の断面において、前記ボール接合部の内部に前記貴金属の濃度が高い第２濃化部が１箇所以上形成されていることを特徴とする請求項１〜４のうちいずれか１項記載の接合構造。
【請求項６】
前記ボール接合部と前記被接合部の接合界面に前記貴金属の濃度が高い第３濃化部が形成されていることを特徴とする請求項１〜５のうちいずれか１項記載の接合構造。
【請求項７】
前記ボール接合部と前記被接合部の接合界面に垂直な前記ボール接合部の断面において、前記ボール接合部の表面領域のなかで前記第１濃化部のみを有することを特徴とする請求項１〜４のうちいずれか１項記載の接合構造。
【請求項８】
前記貴金属がＰｄおよび、ＡｕとＡｇのうち少なくとも1種の合計２種以上を含み、前記第１濃化部において、Ｐｄ濃度に対するＡｕ、Ａｇを総計した濃度の比率が０．０１以上０．４以下の範囲であることを特徴とする請求項１〜７のうちいずれか１項記載の接合構造。
【請求項９】
前記接合界面に垂直な前記ボール接合部の断面において、前記ボール接合部の断面積に対して前記第１濃化部と前記第２濃化部を総計した面積の占める割合が５％以上７０％以下の範囲であることを特徴とする請求項５記載の接合構造。
【請求項１０】
前記複層銅ボンディングワイヤの外層の厚さが、０．０１μｍ以上０．４μｍ以下の範囲であることを特徴とする請求項１〜９のうちいずれか１項記載の接合構造。
【請求項１１】
前記複層銅ボンディングワイヤの外層と芯材の間に、前記貴金属の少なくとも１種と銅との濃度勾配を有する拡散層を有し、前記拡散層の厚さが０．００３μｍ以上０．１５μｍ以下であることを特徴とする請求項１〜１０のうちいずれか１項記載の接合構造。
【請求項１２】
前記複層銅ボンディングワイヤの外層の主成分がＰｄであり、前記外層と前記芯材の界面にＡｕとＡｇのうち少なくとも1種以上の濃化層を有することを特徴とする請求項１〜１１のうちいずれか１項記載の接合構造。
【請求項１３】
前記複層銅ボンディングワイヤの外層の主成分がＰｄであり、前記外層の表面にＡｕ、Ａｇのうち少なくとも1種以上の濃化層を有することを特徴とする請求項１〜１１のうちいずれか１項記載の接合構造。
【請求項１】
複層銅ボンディングワイヤの先端に形成したボール部を被接合部に接続したボール接合部の接合構造であって、
前記複層銅ボンディングワイヤは、
銅を主成分とする芯材と、
前記芯材の上にＰｄ、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｔのうち少なくとも1種から選ばれる貴金属を主成分とする外層と
を有し、
前記貴金属の濃度が高い第１濃化部が、前記ボール接合部の表面領域のなかでも前記複層銅ボンディングワイヤとの境界に位置するボール根元域に形成されたことを特徴とする接合構造。
【請求項２】
前記第１濃化部における前記貴金属を総計した濃度が０．０５ｍｏｌ％以上６ｍｏｌ％以下であることを特徴とする請求項１記載の接合構造。
【請求項３】
前記ボール接合部と前記被接合部の接合界面に垂直な前記ボール接合部の断面において、前記ボール根元域に形成された前記第１濃化部の厚さが線径の１％以上５０％以下の範囲であることを特徴とする請求項１または２記載の接合構造。
【請求項４】
前記ボール接合部と前記被接合部の接合界面に垂直な前記ボール接合部の断面において、前記ボール接合部の断面積に対して前記ボール根元域に形成された前記第１濃化部を総計した面積の占める割合が２％以上３０％以下の範囲であることを特徴とする請求項１〜３のうちいずれか１項記載の接合構造。
【請求項５】
前記ボール接合部と前記被接合部の接合界面に垂直な前記ボール接合部の断面において、前記ボール接合部の内部に前記貴金属の濃度が高い第２濃化部が１箇所以上形成されていることを特徴とする請求項１〜４のうちいずれか１項記載の接合構造。
【請求項６】
前記ボール接合部と前記被接合部の接合界面に前記貴金属の濃度が高い第３濃化部が形成されていることを特徴とする請求項１〜５のうちいずれか１項記載の接合構造。
【請求項７】
前記ボール接合部と前記被接合部の接合界面に垂直な前記ボール接合部の断面において、前記ボール接合部の表面領域のなかで前記第１濃化部のみを有することを特徴とする請求項１〜４のうちいずれか１項記載の接合構造。
【請求項８】
前記貴金属がＰｄおよび、ＡｕとＡｇのうち少なくとも1種の合計２種以上を含み、前記第１濃化部において、Ｐｄ濃度に対するＡｕ、Ａｇを総計した濃度の比率が０．０１以上０．４以下の範囲であることを特徴とする請求項１〜７のうちいずれか１項記載の接合構造。
【請求項９】
前記接合界面に垂直な前記ボール接合部の断面において、前記ボール接合部の断面積に対して前記第１濃化部と前記第２濃化部を総計した面積の占める割合が５％以上７０％以下の範囲であることを特徴とする請求項５記載の接合構造。
【請求項１０】
前記複層銅ボンディングワイヤの外層の厚さが、０．０１μｍ以上０．４μｍ以下の範囲であることを特徴とする請求項１〜９のうちいずれか１項記載の接合構造。
【請求項１１】
前記複層銅ボンディングワイヤの外層と芯材の間に、前記貴金属の少なくとも１種と銅との濃度勾配を有する拡散層を有し、前記拡散層の厚さが０．００３μｍ以上０．１５μｍ以下であることを特徴とする請求項１〜１０のうちいずれか１項記載の接合構造。
【請求項１２】
前記複層銅ボンディングワイヤの外層の主成分がＰｄであり、前記外層と前記芯材の界面にＡｕとＡｇのうち少なくとも1種以上の濃化層を有することを特徴とする請求項１〜１１のうちいずれか１項記載の接合構造。
【請求項１３】
前記複層銅ボンディングワイヤの外層の主成分がＰｄであり、前記外層の表面にＡｕ、Ａｇのうち少なくとも1種以上の濃化層を有することを特徴とする請求項１〜１１のうちいずれか１項記載の接合構造。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【公開番号】特開２０１２−７９９４４（Ｐ２０１２−７９９４４Ａ）
【公開日】平成２４年４月１９日（２０１２．４．１９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２２４２１３（Ｐ２０１０−２２４２１３）
【出願日】平成２２年１０月１日（２０１０．１０．１）
【出願人】（３０６０３２３１６）新日鉄マテリアルズ株式会社 (196)
【出願人】（５９５１７９２２８）株式会社日鉄マイクロメタル (38)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年４月１９日（２０１２．４．１９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１０月１日（２０１０．１０．１）
【出願人】（３０６０３２３１６）新日鉄マテリアルズ株式会社 (196)
【出願人】（５９５１７９２２８）株式会社日鉄マイクロメタル (38)
【Ｆターム（参考）】
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