Ｃｕボンディングワイヤ
【課題】ボール形成時の雰囲気ガスを１００％窒素ガスとした場合でも銅ボールが酸化しにくく、アルミニウム電極と銅ボールとの接合信頼性を損なわず、銅ワイヤ表面も酸化し難くスティッチボンディング性が非常に良好な銅ボンディングワイヤを提供する。
【解決手段】Ｃｌの含有量が２質量ｐｐｍ以下である、２質量％以上７．５質量％以下のＡｕを含み、残部Ｃｕと不可避不純物からなることを特徴とするＣｕボンディングワイヤ。
【解決手段】Ｃｌの含有量が２質量ｐｐｍ以下である、２質量％以上７．５質量％以下のＡｕを含み、残部Ｃｕと不可避不純物からなることを特徴とするＣｕボンディングワイヤ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体素子上の電極と外部電極とを接続するために用いるＣｕボンディングワイヤに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般に半導体素子の電極と外部電極との接続に用いられるボンディングワイヤの直径は、１５〜７５μｍと非常に細く、また、化学的な安定性や大気中での取り扱いやすさから、従来はＡｕ線が用いられてきた。
しかし、ボンディングワイヤに使われるＡｕ線は、高純度のＡｕ線であるために、非常に高価であり、半導体素子の低廉化の要求に対しては、より低廉なＣｕ製のボンディングワイヤの使用が望まれている。
【０００３】
また、半導体素子の電極材料としてはＡｌまたはＡｌ合金がよく用いられているが、ＡｌやＡｌ合金製の電極表面にＡｕ製のボンディングワイヤやＣｕ製のボンディングワイヤを接合して、高温環境による電極−ボンディングワイヤの接合信頼性を評価すると、Ｃｕ製のボンディングワイヤを用いる方がＡｕ製のボンディングワイヤを用いる場合より、その信頼性の劣化が遅いことが知られており、このためボンディングワイヤと電極材料との接合の信頼性向上のためにもＣｕ製のボンディングワイヤへの期待が高まっている。なお、この信頼性評価結果の理由としてＡｕ中へのＡｌ原子の拡散速度よりもＣｕ中へのＡｌ原子の拡散速度の方が極めて遅いこと、またＣｕ原子のＡｌ中への拡散速度もＡｕ原子の拡散速度に比べて遅いことから推察されている。
【０００４】
しかし、ボンディングワイヤとして使用される材料をＡｕからＣｕに替える場合、最大の弊害として、パッドダメージの発生率がＡｕ製のボンディングワイヤを用いた場合よりＣｕ製のボンディングワイヤを用いた方が高くなるという問題がある。これはＣｕの硬さがＡｕよりも高いことによるものである。
【０００５】
この問題を回避するためには、ボールボンディング時にＣｕ製のボンディングワイヤ先端に形成するボールの硬さを低下させることが必要である。このためには、工業的に入手しやすい純度９９．９９％から９９．９９９９％のＣｕで、かつ酸素濃度が不活性ガス溶融法による酸素濃度分析で１０ｐｐｍ未満である無酸素銅（以下無酸素銅と記す）が一般的に使用されている。
特許文献１には、電解精錬を数回繰り返した後、その電解精錬により得られた高純度の電気銅を帯域融解法により精製して得られる純度９９．９９９％以上の高純度の銅素材、即ち高純度の無酸素銅を使用して、パッドダメージの発生率を低下させる方法が提案されている。
【０００６】
このように、無酸素銅の採用や銅の高純度化は、形成したボールの軟化を実現し、半導体素子上のアルミニウム電極の損傷いわゆるパッドダメージの大幅な低減に寄与し、パワーＩＣやトランジスタ向けの銅ボンディングワイヤとしての用途へ利用されてきている。
一方、近年急激に生産量が急増しているＰＢＧＡ（Ｐｌａｓｔｉｃ Ｂａｌｌ Ｇｒｉｄ Ａｒｒａｙ ｐａｃｋａｇｅ）、或いはＱＦＮ（Ｑｕａｄ Ｆｌａｔ Ｎｏｎ−ｌｅａｄ ｐａｃｋａｇｅ）等の半導体パッケージに対するＣｕボンディングワイヤの適用に向けた評価が開始されてきている。
【０００７】
ところが、これらの半導体パッケージに、高温、高圧の信頼性試験であるＰＣＴ（Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｃｏｏｋｅｒ Ｔｅｓｔ）を行ったところ、ボール接合部が腐食され電気的絶縁となる不具合が露見した。
より詳細には、ボール接合部がＣｌによって腐食され、接合界面が劣化することが原因と見られた。すなわち、ＰＢＧＡやＱＦＮといった半導体パッケージは片側のみが樹脂封止されたものであり、リードと樹脂の隙間から水分がパッケージ内に浸入しやすいため、Ｃｌの存在によってＡｌ（電極）が腐食すると考えられた。
【０００８】
このため、腐食してボールが剥がれた部分のＡｌ電極面とボール裏面についてＥＰＭＡ（電子プローブエックス線マイクロアナライザ）によって元素定性分析を行ったところ、いずれの試料からもＣｌが検出された。このことから、Ｃｕボンディングワイヤ中に存在するＣｌが水分との反応によってＣｕボンディングワイヤ中から溶出することで、ボール接合部が腐食し、これが電気的絶縁を発生させることを見出し、グロー放電質量分析法によって検出される塩素量が１質量ｐｐｍ以下の無酸素銅からなるＣｕボンディングワイヤを見出し、特許文献２に開示した。
【０００９】
特許文献２のＣｕボンディングワイヤの採用により、電気的絶縁の発生は減少できたが、近年の高密度化、高集積化に対応して、線径（直径）が２５μｍや２０μｍといった極細線を用いた場合には、必ずしも十分な効果が得られないという事態が発生してきている。
【００１０】
即ち、線径２５μｍのＣｕボンディングワイヤを用いてワイヤボンディングを行い、エポキシ樹脂で封止して得たパッケージに対しＨＴＢ試験（Ｈｉｇｈ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｂａｋｉｎｇ ｔｅｓｔ：高温動作試験）を行うと、一般的に要求される動作時間である１０００時間を待たずに導通不良となる新たな現象が観察されたことである。
【００１１】
これは、Ｃｕボンディングワイヤを用いたワイヤボンディングは、半導体素子側のＡｌ電極へボールボンディングするためのボール形成を、５％水素＋９５％窒素のフォーミングガス雰囲気中でプラズマ放電によって行っているために、このボール形成は、ワイヤボンディングに要する時間がわずか６０ｍｓｅｃというボンディングヘッドの超高速動作、リードフレームや基板を固定するためのウインドウクランパ開閉動作、さらにリードフレームや基板が挿入されたマガジンの交換作業等で発生する空気の移動などの要因により、その導電不良が発生する。
【００１２】
また、パワーＩＣの組立において主流になっている対向式チューブ状ノズルでは、両ノズルの軸が一直線上で無い場合には合流後のフォーミングガス流に空気が混入しやすくなり、混入した空気により形成したボール表面が酸化し、ボールボンディングによりアルミニウム電極と形成したボールとの間に酸素が取りこまれ、ＨＴＢ試験における約１５０℃という高温加熱によってＡｌ電極側にＣｕが拡散して発生するＡｌ−Ｃｕ合金層が、この酸素により酸化してしまうことが原因であるとされている。
【００１３】
また形成したボールが酸化したり、ボール形状がボール底部へ伸びる楕円形状を呈したりする場合には、最新のＬｏｗ−ｋ材料（ＳｉＯ２より非誘電率が低い材料）を使用してＡｌ電極の下へ回路を形成した半導体素子では、パッドダメージが発生しやすいことも判明した。
【００１４】
ところで、ボールボンディング時に形成するボールの耐酸化性を向上させるために、Ｐを添加する方法がある。例えば、Ｐが２００質量ｐｐｍ以上添加された３Ｎ純度のＣｕボンディングワイヤがある。このＣｕボンディングワイヤは、一部のパワーデバイス向けに用いられている。従来のアルミニウム電極下にＬｏｗ−ｋ材料を使用した配線が施されていない半導体素子に対しては、このＰが添加されたＣｕボンディングワイヤを用いて、パッドダメージ無しにボールボンディングが可能であったが、最新のＬｏｗ−ｋ材料を使用した電極構造を有する半導体素子にボールボンディングをすると、ボンディング時に形成されるボールの硬さが高いためにＬｏｗ−ｋ材料でできた電極構造が損傷するという、いわゆるパッドダメージが発生して使用できない事態が起こっている。
【００１５】
この問題に対しては、Ｐの添加量を５０ｐｐｍ程度添加にすれば、ボールの酸化は抑えられ、最新のＬｏｗ−ｋ材料を使用した電極構造を有する半導体素子へのボールボンディングに使用しても、パッドダメージは無く使用可能であることが確認できたが、温度１２５℃、気圧２．３ａｔｍ、湿度１００％の環境で１６８時間放置して行うＰＣＴ試験の結果では、ボール接合界面で腐食が発生して導通不良が発生するという問題が生じている。
【００１６】
さらに、半導体装置の組立においてはコストミニマムの観点から生産性を極限まで高める工夫を行っており、例えばワイヤボンディングのサイクル時間も短縮化され、その実現のためにボンディングヘッドは超高速動作し、またボール形成時の放電条件は大電流短時間放電が主流となっている。さらに最新のＬｏｗ−ｋ材料を使用した半導体素子では集積化向上のためにＡｌ電極の下には回路が形成されており、その電極下は脆く損傷しやすくなっている。
【００１７】
そして超高速動作による空気の乱流によってフォーミングガス中に空気が混入し、Ｃｕボール表面が酸化し、Ａｌ電極とＣｕボールとの間に酸素が取りこまれ、ＨＴＢ試験における約１５０℃という高温加熱によってＡｌ電極側にＣｕが拡散して発生するＡｌとＣｕの合金層が、酸化して不具合に至るという問題に対しては、Ｃｕボンディングワイヤの成分組成の調整や、製造工程中の熱処理条件などの調整による対応が提案されている。
【００１８】
一方、ＰＢＧＡやＱＦＮ等の片側封止パッケージにおいては、ボンディング温度が１７５℃以下と低かったり、ボンディング部のめっきが硬いパラジウムであったりするため、基本的に接合性が悪く、Ｃｕボンディングワイヤの表面が少しでも酸化してしまうと、ボールボンディングに引き続いて行われるスティッチボンディングで不着となる不良が発生してボンディングマシンが停止したり、ワイヤボンディングされたとしても十分な接合強度が得られないといった問題が顕著になっている。
【００１９】
このようなことから、半導体素子側のボール接合信頼性が高く、かつ外部電極側が、接合性が悪いスティッチボンディング条件であっても、ボンディングされるめっき面あるいはＰｄめっき面との接合信頼性を低下させることのないＣｕボンディングワイヤが望まれている。
このスティッチボンディングの接合性を改善する方法としては、特許文献３および４に開示される、Ｃｕワイヤを芯としてその表面を貴金属で被覆する方法がある。
【００２０】
しかし、これらの方法では通常のボンディングワイヤ製造プロセスに加え、Ｐｄ被膜を形成するプロセスが最低限必要となるが、被膜形成設備の追加や被膜厚管理等の作業の追加のため、製造コストのアップが避けられない。さらに、貴金属被膜形成の場合には、Ｃｕボンディングワイヤ表面の酸化防止効果を高めようとして被膜厚を厚くすると、形成されるボール表面近傍に貴金属の濃縮層が形成されるため、ボールの表面硬度が裸銅線に比べて高くなり、最新のＬｏｗ−ｋ材料を使用したＡｌ電極構造ではパッドダメージが発生するという不具合が発生してしまう。
【００２１】
さらには、Ｃｕボンディングワイヤを使用する半導体装置の組立には、従来のＡｕ線用のワイヤボンディング装置へ、酸化防止用のガス雰囲気形成装置や、ボール形成のための放電電源装置などを追加して設置し、かつ一般的にはＨ２を５％含むＮ２ガス、すなわちフォーミングガスを用いるために、設備投資額やランニングコストが、Ａｕボンディングワイヤに比べて高くなってしまう。
【００２２】
また、Ｈ２は可燃性ガスであるため、十分安全性に配慮した施設を準備しなければならないといった短所があり、Ｎ２ガスのみでボール形成できるＣｕボンディングワイヤの開発が要求されているが、Ｃｕワイヤの表面をＰｄで被覆するボンディングワイヤでは、被覆厚を２０ｎｍ以上とすることでＮ２ガスのみでも比較的良好な形状のボールを形成することが可能であるが、形成したボール表面に高濃度のＣｕ−Ｐｄ合金層が形成され、この合金層の硬さが高いために、パッドダメージが発生しやすいといった問題は解決されていなかった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２３】
【特許文献１】特開昭６０−２４４０５４号公報
【特許文献２】特開２００８−１５３６２５号公報
【特許文献３】特許第４１５８９２８号公報
【特許文献４】特許第４２０４３５９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２４】
本発明は、このような状況を鑑み、半導体装置の組立においてＣｕボンディングワイヤに求められる、Ｎ２ガスのみの雰囲気中で球状ボールが形成でき、その形成されたボール表面硬さを、Ｐｄ被覆銅線に比べて低くすることによりパッドダメージの発生を防止し、さらにＣｕボンディングワイヤ表面の酸化を抑制してスティッチボンディング時のワイヤ不着の発生を防止することであり、かつ電気抵抗率はＣｕに匹敵する非常に導電性が高く、かつ低廉なＣｕ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】
【００２５】
本発明は、Ｃｌが２質量ｐｐｍ以下であり、Ａｕを２質量％以上７．５質量％以下の割合で含み残部がＣｕとＣｕの不可避不純物からなるボンディングワイヤであり、更に、Ｐを１０質量ｐｐｍ以上４０質量ｐｐｍ以下の割合で含むＣｕボンディングワイヤである。
【発明の効果】
【００２６】
本発明に係るＣｕボンディングワイヤによれば、Ａｕを１質量％から７．５質量％含有しているために電気抵抗率は約１．９μΩｃｍ以上約３．３μΩｃｍ以下となり、純度９９％Ａｕボンディングワイヤの電気抵抗率以下の低抵抗値である。
【００２７】
またＡｕを含有することによりボンディングワイヤ表面の酸化速度が著しく低下して、スティッチボンディング時の不着不良を解消でき、さらに、ボール形成時の雰囲気をＮ２ガスのみとしてもボンディングワイヤ表面や形成したボール表面の酸化が極めて少なく、真球度の高い光沢のあるボールを得ることが可能となる。
【００２８】
そして形成したボールの表面硬度は、Ｐｄ被覆銅線よりも軟らかく、パッドダメージの発生からも開放される。更に、Ｃｌ含有量を２質量ｐｐｍ以下とすれば高温高湿下での信頼性が良好となり、更にＰを１０質量ｐｐｍ以上４０ｐｐｍ以下とすれば形成したボール表面の酸素は完全に除去され、また高湿度においてもボンディングワイヤと水分との接触による水分中に滲出するＰ量は極めて少なく、Ｃｌを１質量ｐｐｍ以下とした場合にはＰＢＧＡやＱＦＮといった水分が浸入しやすい片側樹脂封止のパッケージにおいても、ＰとＣｌの相乗効果によるボール接合部の腐食の問題が完全に解決するものである。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】粒界酸化が認められるＣｕボールの例を示す走査電子顕微鏡写真である。
【図２】粒界酸化が認められないＣｕボールの例を示す走査電子顕微鏡写真である。
【図３】底部に伸張した楕円体形状となったＣｕボールの例を示す走査電子顕微鏡写真である。
【図４】穴（巣）を生じたＣｕボールの例を示す走査電子顕微鏡写真である。
【図５】本発明に係るＣｕボンディングワイヤの評価に用いた半導体パッケージの平面図、および電気抵抗測定の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
本発明で用いる銅鋳造線材の組成を、Ａｕを２質量％以上７．５質量％以下、さらにＣｌを２ｐｐｍ以下とし、さらにＰを１０質量ｐｐｍ以上４０質量ｐｐｍ以下の割合で含み、残部が銅と不可避不純物からなる銅鋳造線材としている。この理由は、以下の通りである。
【００３１】
（１）Ａｕ含有量
Ｃｕ線は酸化しやすいため、短期間で使い切るように巻長さを５００ｍと短く設定したり、吸湿防止のためプラスチック袋で封止したりして出荷しているが、使用途中で装置を止めたり開封後に未使用のまま放置すると表面が酸化し、大気中で行われるスティッチボンディングでの接合性が悪化する。
そこで、Ａｕを１質量％以上含有すればＣｕ線表面の酸化速度が低下し、スティッチボンディング接合性の悪化が回避できる。また、Ａｕを２質量％以上含有すれば１００％Ｎ２ガス雰囲気におけるボール形成においても、溶融ボール直上のボンディングワイヤ表面の酸化膜形成が抑制されるため、溶融Ｃｕボールのボンディングワイヤ表面の濡れ性が安定し、真円度の高いボールが形成される。
【００３２】
一方、Ａｕが２質量％未満ではボール頭頂部に尖りが発生する場合があり、ボールボンディング時のパッドダメージの発生原因となり、また酸化がわずかに認められるようになるため、Ｎ２ガスのみでボール形成する場合には、２質量％以上とすることが望ましい。一方７．５質量％を超えると電気抵抗率が、純度９９％Ａｕボンディングワイヤの値約３．３μΩｃｍを超えるため、Ｃｕボンディングワイヤの利点であるＡｕボンディングワイヤより優れて低い電気抵抗率が発揮でききない。
さらに、Ａｕを添加する代わりにＰｔを添加する方法もあるが、ボールの表面硬度（Ｈｖ）が７０を越えるために、パッドダメージを回避できないこと、電気抵抗率がＡｕを添加した場合よりも高くなることからＡｕを添加する方が好ましい。
【００３３】
（２）Ｃｌ含有量
Ｃｌ量を２質量ｐｐｍ以下に抑える理由は、ワイヤボンディングした後のＣｕボールとＡｌとの接合界面に染み出してくるＣｌの量を抑え、同接合界面におけるＣｌによる腐食を抑制するためである。Ｃｌが染み出すと接合界面の雰囲気が酸性側となり、Ａｌの腐食の進行を促進するため、Ｃｌの量としては少なければ少ないほど良いが、２ｐｐｍ以下とすることで目的は達成される。
【００３４】
（３）Ｐ含有量
Ｐは、ボンディングワイヤ表面に酸素が吸着しているか、あるいは、ボンディングワイヤ内にわずかな酸素が残留している場合のＣｕボールの表面酸化を防止するために添加される。Ｐ含有量が１０質量ｐｐｍよりも少ないと、ボール形成雰囲気に酸素が混入した場合にＣｕボールの表面酸化が防止できなくなる。また、Ｐ含有量が高いと高湿度下でボンディングワイヤからＰが滲出し、接合界面の雰囲気が酸性側にシフトするので好ましくない。
また、本発明では、ＰＢＧＡやＱＦＮといった水分が浸入しやすい片側樹脂封止のパッケージにおいても、Ｃｌ含有量を１ｐｐｍ以下と少なくすることにより、ＰとＣｌの相乗効果によるボール接合部の腐食問題が解消される。
【実施例】
【００３５】
以下、本発明に係るＣｕボンディングワイヤについて説明する。
表１に、本発明のＣｕボンディングワイヤを含む、評価用ボンディングワイヤの成分組成を示す。このボンディングワイヤに含まれるＡｕ量、Ｃｌ量およびＰ量は、直径２５μｍのワイヤ試料をアルミニウム製キャップに挿入して２０ｔプレスを用いて平板状にしたものを測定試料とし、測定前に装置内で約１時間の予備放電を行い、試料表面を数ミクロン程度除去した後、その除去面をグロー放電質量分析法にて測定して求めた。
【００３６】
表１に示す評価用ボンディングワイヤの試料Ｎｏ．１〜１４の製造方法を下記に示す。
まず、試料Ｎｏ．１〜１２は、真空溶解連続鋳造炉において純度９９．９９％以上の高純度カーボンルツボ内にＣｕ純度９９．９９５％以上の高純度電解銅を入れ、溶解チャンバー内を真空度１×１０−４Ｐａ以下に保持して高周波溶解を行い、溶湯温度１１５０℃以上、保持時間１０分以上で十分に脱ガスした後、所定の含有量になるように秤量したＡｕ、またはＡｕおよびＰを、ルツボ内に投入して溶解して撹拌し、不活性ガスで溶解チャンバー内を大気圧に戻し、連続鋳造によって直径８ｍｍに鋳造し無酸素銅鋳造線材とした。
【００３７】
次に、この無酸素銅鋳造線材を、伸線ダイスを用いて直径１ｍｍまで縮径し、途中酸洗浄を行う場合と行わない場合に分け、引き続き直径２５μｍまで縮径し、５％Ｈ２＋９５％Ｎ２のフォーミングガス雰囲気中で伸び率が１１％となる温度で焼鈍して、試料Ｎｏ．１〜１２のＣｕボンディングワイヤを作製した。
なお、洗浄については、試料Ｎｏ．５は、直径１ｍｍでの塩酸洗浄を行ったのちに約６０℃のお湯で十分に洗浄し、試料Ｎｏ．８と試料Ｎｏ．１１は、直径１ｍｍでの塩酸洗浄を行ったのちに水道水で十分に洗浄した。
【００３８】
試料Ｎｏ．１３は、Ｃｕ純度９９．９９５％以上の高純度電解銅のみを溶解鋳造した後、直径１ｍｍにてアルカリ脱脂、水洗、電解脱脂、水洗、酸活性、水洗、Ｐｄストライクめっき、水洗、Ｐｄめっき、水洗、湯洗の順に連続的に行ってＰｄ薄膜を形成し、その後直径２５μｍまで縮径した後に、５％Ｈ２＋９５％Ｎ２のフォーミングガス雰囲気中で伸び率が１１％となる温度で焼鈍したＰｄ被覆Ｃｕ銅ボンディングワイヤである。なお、Ｐｄめっき厚は、ワイヤを直径２５μｍまで縮径した際に８０ｎｍ厚となるように調整した。
【００３９】
さらに試料Ｎｏ．１４は、試料Ｎｏ．１〜１２と同様に、真空溶解連続鋳造炉を用いて純度９９．９９％以上の高純度カーボンルツボ内にＣｕ純度９９．９９５％以上の高純度電解銅を入れ、溶解チャンバー内を真空度１×１０−４Ｐａ以下に保持して高周波溶解を行い、溶湯温度１１５０℃以上、保持時間１０分以上で十分に脱ガスした後、所定の含有量になるように秤量したＰを、不活性ガスで溶解チャンバー内を大気圧に戻し、連続鋳造によって直径８ｍｍに鋳造した無酸素銅鋳造線材を、伸線ダイスを用いて直径１ｍｍまで縮径し、途中酸洗浄を行わず、引き続き直径２５μｍまで縮径し、５％Ｈ２＋９５％Ｎ２のフォーミングガス雰囲気中で伸び率が１１％となる温度で焼鈍して、Ｃｕボンディングワイヤを作製した。
【００４０】
【表１】
【００４１】
表１に示す試料を用いて特性評価をおこなった。図１から図４は、その評価時の試料の代表例を示す走査電子顕微鏡写真である。
【００４２】
[ボンディングワイヤ特性]
Ａ：ボール形成時の酸化膜の有無
固定電気トーチと放電用ガスノズルを持つ新川製ワイヤボンダＵＴＣ−１０００を用いて、ボールを酸化しやすくするために通常のＣｕワイヤボンディングに用いられる５％Ｈ２＋９５％Ｎ２ガスではなく、１００％Ｎ２ガスを雰囲気ガスに用いて直径７５μｍのボールを５０個作製し、顕微鏡観察で図１のような粒界酸化の有無を調査し、酸化が認められる場合を不良と判定し、図２のように粒界での酸化が見られない場合を正常であると判定して、その不良個数を求めた。
【００４３】
Ｂ：ボール形成時のボール外形
図３のように底部に伸張した楕円体形状となったボールや、図４のように「巣」が入り穴が開いたボールが５０個中１個でも発生した場合を不良とし、発生しないものを正常であると判定して、その不良個数を求めた。
【００４４】
Ｃ：表面硬度
形成したＣｕボールの表面硬度を、ビッカース硬さにより求めた。荷重は０．５ｇｆで行った。
【００４５】
Ｄ：電気抵抗率
図５に示すように、厚み０．８μｍのＡｌ電極４と、そのＡｌ電極４とシリコン層との間に５０ｎｍ厚のＴｉ層と５０ｎｍの酸化シリコン層とを有する半導体素子３のＡｌ電極４とＡｇめっき付きリード５とを試料１〜１３のＣｕボンディングワイヤを用いて、超音波熱圧着ボールボンディングおよびスティッチボンディングを行った後に、直径２５．０μｍの線を用いてホイートストーンブリッジ回路により電気抵抗を測定して電気抵抗率を算出した。
【００４６】
［ボンディング性］
Ｅ：ボールボンディング時のパッドダメージ
図５に示す、厚み０．８μｍのＡｌ電極４と、そのＡｌ電極４とシリコン層との間に５０ｎｍ厚のＴｉ層と５０ｎｍの酸化シリコン層とを有する半導体素子３のＡｌ電極４とＡｇめっき付きリード５とを、試料１〜１３のＣｕボンディングワイヤを用いて、超音波熱圧着ボールボンディングおよびスティッチボンディングを行った後に、水酸化カリウム溶液でＣｕボールごとＡｌを洗い流してＡｌ電極下のパッドダメージを観察し、ひび割れ、欠け等の損傷が１００個中１個でも発生した場合を不良と判定し、発生しないものを正常とし、その不良個数を求めた。比較例として、純度９９．９９％のＣｕ表面にＰｄを８０ｎｍ厚で被覆したＰｄ被覆Ｃｕ線も用いた。なお、ボール形成はＮ２ガスのみで行った。
【００４７】
Ｆ：スティッチボンディングの接合性
スプールに巻かれたボンディングワイヤを２週間クリーンルーム内の大気中で常温に放置した後に、２個ずつ連結されたＡｌ電極を持つ前述の半導体素子上のＡｌ電極と、リード先端にＡｇめっきされた銅合金製のリードフレームのリード先端とをボール、スティッチボンディングし、１２００箇所中のスティッチボンディング不着の割合を不着率（％）として求めた。
【００４８】
Ｇ：プレッシャークッカーテスト（ＰＣＴ）
隣接するＡｌ電極がＡｌ配線で連結しているＥの「ボールボンディング時のパッドダメージ」測定と同構造の半導体素子を用いて、Ａｌ電極側をボールボンディングし、銅合金製リードフレームのリード先端のＡｇメッキ電極をスティッチボンディングし、ワイヤ、Ａｌ電極、ワイヤ、Ａｇメッキ、ワイヤ、Ａｌ電極、と続くいわゆるデイジーチェーンを形成し、これをＢｒやＳｂを含有しないいわゆるグリーンエポキシコンパウンドでモールドして半導体装置とし、この半導体装置を温度１２５℃、気圧２．３ａｔｍ、湿度１００％の環境で１６８時間放置するいわゆるプレッシャークッカーテスト（ＰＣＴ）を行った後、通電テストにて５０組の中で電気抵抗が高温放置前の２０％以上になった組が１組でも発生した場合を不良と判断し、１組も発生しない場合を正常とし、その不良個数を求めた。
以上、特性ＡからＧの評価結果を表２に示す。
【００４９】
【表２】
【００５０】
表２から明らかなように、本発明の成分組成を有するＣｕボンディングワイヤの実施例１〜６（試料Ｎｏ．３〜８）は、不活性ガスである１００％Ｎ２ガス中において、各実施例の５０個の試料が全て光沢を持った真球形状であり、半導体素子上の５０個全てのアルミニウム電極下でパッドダメージは観察されず、ＰＣＴ試験では５０組全てが電気抵抗の上昇は２０％未満であり、電気抵抗率は実施例１（試料Ｎｏ．３）において２．０８μΩｃｍ、実施例５（試料Ｎｏ．７）でも３．２５μΩｃｍと、Ａｕより低い電気抵抗率を示していた。
【００５１】
一方、Ｃｌ及びＰの含有量共に本発明の範囲内であるが、Ａｕ含有量が１質量％（試料Ｎｏ．１）、１．６質量％（試料Ｎｏ．２）と少ない比較例１および２では、ボンディング性は良好であったが、ボール形成時に、ボール表面は酸化し、また真球状の形状も得られなかった。
【００５２】
Ａｕの含有量が０．５質量％と少ない比較例３（試料Ｎｏ．９）では、Ａｕ含有の効果が見られず、ボールの表面やワイヤ表面が酸化し、また形状も楕円形に変形した。パッドダメージは観察されなかったものの、クリーンルーム内で２週間放置したあとのワイヤボンディングにおけるスティッチ接合性は悪化した。ＰＣＴでの導通不良は見られなかった。
【００５３】
Ｐは１０質量ｐｐｍであるが、Ａｕの含有量が０．５質量％と少ない比較例４（試料Ｎｏ．１０）では、Ｐの効果によりボールの外観には異常は認められなかったものの、Ａｕの含有量が少ないために、そのボール形状に、楕円形のものが見られた。また、パッドダメージは観察されなかったものの、クリーンルーム内で２週間放置したあとのワイヤボンディングにおけるスティッチ接合性は悪化した。ＰＣＴでの導通不良は見られなかった。
【００５４】
Ｐを過剰に含み、Ｃｌの含有量も多い比較例５（試料Ｎｏ．１１）では、ボールの外観には異常は認められなかったものの、ボールボンディングによるパッドダメージが観察され、クリーンルーム内で２週間放置したあとのワイヤボンディングにおけるスティッチ接合性が悪化した。ＰＣＴでの導通不良が多数発生していた。
【００５５】
Ａｕを９質量％と過剰に含む比較例６（試料Ｎｏ．１２）では、ボールの外観には異常は認められなかったものの、ボールボンディングではひび割れや欠けといったパッドダメージが観察された。また電気抵抗率が３．５７μΩｃｍと、純度９９％の金ワイヤよりも高くなったしまった。
【００５６】
Ｐｄ被覆され、含有するＣｌは１．２質量ｐｐｍで本発明内であるが、Ａｕを含まない比較例７（試料Ｎｏ．１３）は、初期ボールの外観には異常は認められなかったものの、ボールボンディングではひび割れや欠けといったパッドダメージが観察された。またＰＣＴでは導通不良を示すワイヤが発生した。
【００５７】
Ａｕを含まず、Ｐのみを３０質量ｐｐｍ含む比較例８（試料Ｎｏ．１４）は、ボールの表面が酸化し、形状も楕円形に変形していた。パッドダメージは観察されなかったが、クリーンルーム内で２週間放置したあとのワイヤボンディングにおけるスティッチ接合性は悪化し、ＰＣＴにおいては導通不良を示すワイヤが発生した。
【００５８】
さらに、試料Ｎｏ．１、２及び９の試料は、１００％Ｎ２ガス、即ち不活性ガス中では良好なボンディングワイヤ特性を示さなかった（比較例１、２及び３参照）が、従来のボンディング条件の還元性雰囲気である５％Ｈ２＋９５％Ｎ２ガスよりもＨ２が少ない２％Ｈ２＋９８％Ｎ２のフォーミングガス中でボール形成したところ、ボール表面の酸化もワイヤ表面の酸化も見られず、ボールは光沢を有する真球であった。この２％Ｈ２＋９８％Ｎ２のフォーミングガスを用いて前述同様の評価を行った結果を表３に示す。
【００５９】
【表３】
【００６０】
試料Ｎｏ．１を用いた実施例７、および試料Ｎｏ．２を用いた実施例８共に、ボールボンディングによるパッドダメージは観察されず、クリーンルーム内で２週間放置してもスティッチ接合性は良好で、ＰＣＴでも導通不良は見られなかった。しかし、試料Ｎｏ．９を用いた比較例９では、ボールの表面が酸化し、形状も楕円形に変形して、スティッチ接合性も悪化した。ＰＣＴにおける導通不良は測定されなかった。
【符号の説明】
【００６１】
１ 銅ボンディングワイヤ
２ ボール
３ 半導体素子
４ アルミニウム電極
５ 銀めっき付きリード
６ エポキシ封止樹脂
７ 抵抗測定器
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体素子上の電極と外部電極とを接続するために用いるＣｕボンディングワイヤに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般に半導体素子の電極と外部電極との接続に用いられるボンディングワイヤの直径は、１５〜７５μｍと非常に細く、また、化学的な安定性や大気中での取り扱いやすさから、従来はＡｕ線が用いられてきた。
しかし、ボンディングワイヤに使われるＡｕ線は、高純度のＡｕ線であるために、非常に高価であり、半導体素子の低廉化の要求に対しては、より低廉なＣｕ製のボンディングワイヤの使用が望まれている。
【０００３】
また、半導体素子の電極材料としてはＡｌまたはＡｌ合金がよく用いられているが、ＡｌやＡｌ合金製の電極表面にＡｕ製のボンディングワイヤやＣｕ製のボンディングワイヤを接合して、高温環境による電極−ボンディングワイヤの接合信頼性を評価すると、Ｃｕ製のボンディングワイヤを用いる方がＡｕ製のボンディングワイヤを用いる場合より、その信頼性の劣化が遅いことが知られており、このためボンディングワイヤと電極材料との接合の信頼性向上のためにもＣｕ製のボンディングワイヤへの期待が高まっている。なお、この信頼性評価結果の理由としてＡｕ中へのＡｌ原子の拡散速度よりもＣｕ中へのＡｌ原子の拡散速度の方が極めて遅いこと、またＣｕ原子のＡｌ中への拡散速度もＡｕ原子の拡散速度に比べて遅いことから推察されている。
【０００４】
しかし、ボンディングワイヤとして使用される材料をＡｕからＣｕに替える場合、最大の弊害として、パッドダメージの発生率がＡｕ製のボンディングワイヤを用いた場合よりＣｕ製のボンディングワイヤを用いた方が高くなるという問題がある。これはＣｕの硬さがＡｕよりも高いことによるものである。
【０００５】
この問題を回避するためには、ボールボンディング時にＣｕ製のボンディングワイヤ先端に形成するボールの硬さを低下させることが必要である。このためには、工業的に入手しやすい純度９９．９９％から９９．９９９９％のＣｕで、かつ酸素濃度が不活性ガス溶融法による酸素濃度分析で１０ｐｐｍ未満である無酸素銅（以下無酸素銅と記す）が一般的に使用されている。
特許文献１には、電解精錬を数回繰り返した後、その電解精錬により得られた高純度の電気銅を帯域融解法により精製して得られる純度９９．９９９％以上の高純度の銅素材、即ち高純度の無酸素銅を使用して、パッドダメージの発生率を低下させる方法が提案されている。
【０００６】
このように、無酸素銅の採用や銅の高純度化は、形成したボールの軟化を実現し、半導体素子上のアルミニウム電極の損傷いわゆるパッドダメージの大幅な低減に寄与し、パワーＩＣやトランジスタ向けの銅ボンディングワイヤとしての用途へ利用されてきている。
一方、近年急激に生産量が急増しているＰＢＧＡ（Ｐｌａｓｔｉｃ Ｂａｌｌ Ｇｒｉｄ Ａｒｒａｙ ｐａｃｋａｇｅ）、或いはＱＦＮ（Ｑｕａｄ Ｆｌａｔ Ｎｏｎ−ｌｅａｄ ｐａｃｋａｇｅ）等の半導体パッケージに対するＣｕボンディングワイヤの適用に向けた評価が開始されてきている。
【０００７】
ところが、これらの半導体パッケージに、高温、高圧の信頼性試験であるＰＣＴ（Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｃｏｏｋｅｒ Ｔｅｓｔ）を行ったところ、ボール接合部が腐食され電気的絶縁となる不具合が露見した。
より詳細には、ボール接合部がＣｌによって腐食され、接合界面が劣化することが原因と見られた。すなわち、ＰＢＧＡやＱＦＮといった半導体パッケージは片側のみが樹脂封止されたものであり、リードと樹脂の隙間から水分がパッケージ内に浸入しやすいため、Ｃｌの存在によってＡｌ（電極）が腐食すると考えられた。
【０００８】
このため、腐食してボールが剥がれた部分のＡｌ電極面とボール裏面についてＥＰＭＡ（電子プローブエックス線マイクロアナライザ）によって元素定性分析を行ったところ、いずれの試料からもＣｌが検出された。このことから、Ｃｕボンディングワイヤ中に存在するＣｌが水分との反応によってＣｕボンディングワイヤ中から溶出することで、ボール接合部が腐食し、これが電気的絶縁を発生させることを見出し、グロー放電質量分析法によって検出される塩素量が１質量ｐｐｍ以下の無酸素銅からなるＣｕボンディングワイヤを見出し、特許文献２に開示した。
【０００９】
特許文献２のＣｕボンディングワイヤの採用により、電気的絶縁の発生は減少できたが、近年の高密度化、高集積化に対応して、線径（直径）が２５μｍや２０μｍといった極細線を用いた場合には、必ずしも十分な効果が得られないという事態が発生してきている。
【００１０】
即ち、線径２５μｍのＣｕボンディングワイヤを用いてワイヤボンディングを行い、エポキシ樹脂で封止して得たパッケージに対しＨＴＢ試験（Ｈｉｇｈ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｂａｋｉｎｇ ｔｅｓｔ：高温動作試験）を行うと、一般的に要求される動作時間である１０００時間を待たずに導通不良となる新たな現象が観察されたことである。
【００１１】
これは、Ｃｕボンディングワイヤを用いたワイヤボンディングは、半導体素子側のＡｌ電極へボールボンディングするためのボール形成を、５％水素＋９５％窒素のフォーミングガス雰囲気中でプラズマ放電によって行っているために、このボール形成は、ワイヤボンディングに要する時間がわずか６０ｍｓｅｃというボンディングヘッドの超高速動作、リードフレームや基板を固定するためのウインドウクランパ開閉動作、さらにリードフレームや基板が挿入されたマガジンの交換作業等で発生する空気の移動などの要因により、その導電不良が発生する。
【００１２】
また、パワーＩＣの組立において主流になっている対向式チューブ状ノズルでは、両ノズルの軸が一直線上で無い場合には合流後のフォーミングガス流に空気が混入しやすくなり、混入した空気により形成したボール表面が酸化し、ボールボンディングによりアルミニウム電極と形成したボールとの間に酸素が取りこまれ、ＨＴＢ試験における約１５０℃という高温加熱によってＡｌ電極側にＣｕが拡散して発生するＡｌ−Ｃｕ合金層が、この酸素により酸化してしまうことが原因であるとされている。
【００１３】
また形成したボールが酸化したり、ボール形状がボール底部へ伸びる楕円形状を呈したりする場合には、最新のＬｏｗ−ｋ材料（ＳｉＯ２より非誘電率が低い材料）を使用してＡｌ電極の下へ回路を形成した半導体素子では、パッドダメージが発生しやすいことも判明した。
【００１４】
ところで、ボールボンディング時に形成するボールの耐酸化性を向上させるために、Ｐを添加する方法がある。例えば、Ｐが２００質量ｐｐｍ以上添加された３Ｎ純度のＣｕボンディングワイヤがある。このＣｕボンディングワイヤは、一部のパワーデバイス向けに用いられている。従来のアルミニウム電極下にＬｏｗ−ｋ材料を使用した配線が施されていない半導体素子に対しては、このＰが添加されたＣｕボンディングワイヤを用いて、パッドダメージ無しにボールボンディングが可能であったが、最新のＬｏｗ−ｋ材料を使用した電極構造を有する半導体素子にボールボンディングをすると、ボンディング時に形成されるボールの硬さが高いためにＬｏｗ−ｋ材料でできた電極構造が損傷するという、いわゆるパッドダメージが発生して使用できない事態が起こっている。
【００１５】
この問題に対しては、Ｐの添加量を５０ｐｐｍ程度添加にすれば、ボールの酸化は抑えられ、最新のＬｏｗ−ｋ材料を使用した電極構造を有する半導体素子へのボールボンディングに使用しても、パッドダメージは無く使用可能であることが確認できたが、温度１２５℃、気圧２．３ａｔｍ、湿度１００％の環境で１６８時間放置して行うＰＣＴ試験の結果では、ボール接合界面で腐食が発生して導通不良が発生するという問題が生じている。
【００１６】
さらに、半導体装置の組立においてはコストミニマムの観点から生産性を極限まで高める工夫を行っており、例えばワイヤボンディングのサイクル時間も短縮化され、その実現のためにボンディングヘッドは超高速動作し、またボール形成時の放電条件は大電流短時間放電が主流となっている。さらに最新のＬｏｗ−ｋ材料を使用した半導体素子では集積化向上のためにＡｌ電極の下には回路が形成されており、その電極下は脆く損傷しやすくなっている。
【００１７】
そして超高速動作による空気の乱流によってフォーミングガス中に空気が混入し、Ｃｕボール表面が酸化し、Ａｌ電極とＣｕボールとの間に酸素が取りこまれ、ＨＴＢ試験における約１５０℃という高温加熱によってＡｌ電極側にＣｕが拡散して発生するＡｌとＣｕの合金層が、酸化して不具合に至るという問題に対しては、Ｃｕボンディングワイヤの成分組成の調整や、製造工程中の熱処理条件などの調整による対応が提案されている。
【００１８】
一方、ＰＢＧＡやＱＦＮ等の片側封止パッケージにおいては、ボンディング温度が１７５℃以下と低かったり、ボンディング部のめっきが硬いパラジウムであったりするため、基本的に接合性が悪く、Ｃｕボンディングワイヤの表面が少しでも酸化してしまうと、ボールボンディングに引き続いて行われるスティッチボンディングで不着となる不良が発生してボンディングマシンが停止したり、ワイヤボンディングされたとしても十分な接合強度が得られないといった問題が顕著になっている。
【００１９】
このようなことから、半導体素子側のボール接合信頼性が高く、かつ外部電極側が、接合性が悪いスティッチボンディング条件であっても、ボンディングされるめっき面あるいはＰｄめっき面との接合信頼性を低下させることのないＣｕボンディングワイヤが望まれている。
このスティッチボンディングの接合性を改善する方法としては、特許文献３および４に開示される、Ｃｕワイヤを芯としてその表面を貴金属で被覆する方法がある。
【００２０】
しかし、これらの方法では通常のボンディングワイヤ製造プロセスに加え、Ｐｄ被膜を形成するプロセスが最低限必要となるが、被膜形成設備の追加や被膜厚管理等の作業の追加のため、製造コストのアップが避けられない。さらに、貴金属被膜形成の場合には、Ｃｕボンディングワイヤ表面の酸化防止効果を高めようとして被膜厚を厚くすると、形成されるボール表面近傍に貴金属の濃縮層が形成されるため、ボールの表面硬度が裸銅線に比べて高くなり、最新のＬｏｗ−ｋ材料を使用したＡｌ電極構造ではパッドダメージが発生するという不具合が発生してしまう。
【００２１】
さらには、Ｃｕボンディングワイヤを使用する半導体装置の組立には、従来のＡｕ線用のワイヤボンディング装置へ、酸化防止用のガス雰囲気形成装置や、ボール形成のための放電電源装置などを追加して設置し、かつ一般的にはＨ２を５％含むＮ２ガス、すなわちフォーミングガスを用いるために、設備投資額やランニングコストが、Ａｕボンディングワイヤに比べて高くなってしまう。
【００２２】
また、Ｈ２は可燃性ガスであるため、十分安全性に配慮した施設を準備しなければならないといった短所があり、Ｎ２ガスのみでボール形成できるＣｕボンディングワイヤの開発が要求されているが、Ｃｕワイヤの表面をＰｄで被覆するボンディングワイヤでは、被覆厚を２０ｎｍ以上とすることでＮ２ガスのみでも比較的良好な形状のボールを形成することが可能であるが、形成したボール表面に高濃度のＣｕ−Ｐｄ合金層が形成され、この合金層の硬さが高いために、パッドダメージが発生しやすいといった問題は解決されていなかった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２３】
【特許文献１】特開昭６０−２４４０５４号公報
【特許文献２】特開２００８−１５３６２５号公報
【特許文献３】特許第４１５８９２８号公報
【特許文献４】特許第４２０４３５９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２４】
本発明は、このような状況を鑑み、半導体装置の組立においてＣｕボンディングワイヤに求められる、Ｎ２ガスのみの雰囲気中で球状ボールが形成でき、その形成されたボール表面硬さを、Ｐｄ被覆銅線に比べて低くすることによりパッドダメージの発生を防止し、さらにＣｕボンディングワイヤ表面の酸化を抑制してスティッチボンディング時のワイヤ不着の発生を防止することであり、かつ電気抵抗率はＣｕに匹敵する非常に導電性が高く、かつ低廉なＣｕ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】
【００２５】
本発明は、Ｃｌが２質量ｐｐｍ以下であり、Ａｕを２質量％以上７．５質量％以下の割合で含み残部がＣｕとＣｕの不可避不純物からなるボンディングワイヤであり、更に、Ｐを１０質量ｐｐｍ以上４０質量ｐｐｍ以下の割合で含むＣｕボンディングワイヤである。
【発明の効果】
【００２６】
本発明に係るＣｕボンディングワイヤによれば、Ａｕを１質量％から７．５質量％含有しているために電気抵抗率は約１．９μΩｃｍ以上約３．３μΩｃｍ以下となり、純度９９％Ａｕボンディングワイヤの電気抵抗率以下の低抵抗値である。
【００２７】
またＡｕを含有することによりボンディングワイヤ表面の酸化速度が著しく低下して、スティッチボンディング時の不着不良を解消でき、さらに、ボール形成時の雰囲気をＮ２ガスのみとしてもボンディングワイヤ表面や形成したボール表面の酸化が極めて少なく、真球度の高い光沢のあるボールを得ることが可能となる。
【００２８】
そして形成したボールの表面硬度は、Ｐｄ被覆銅線よりも軟らかく、パッドダメージの発生からも開放される。更に、Ｃｌ含有量を２質量ｐｐｍ以下とすれば高温高湿下での信頼性が良好となり、更にＰを１０質量ｐｐｍ以上４０ｐｐｍ以下とすれば形成したボール表面の酸素は完全に除去され、また高湿度においてもボンディングワイヤと水分との接触による水分中に滲出するＰ量は極めて少なく、Ｃｌを１質量ｐｐｍ以下とした場合にはＰＢＧＡやＱＦＮといった水分が浸入しやすい片側樹脂封止のパッケージにおいても、ＰとＣｌの相乗効果によるボール接合部の腐食の問題が完全に解決するものである。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】粒界酸化が認められるＣｕボールの例を示す走査電子顕微鏡写真である。
【図２】粒界酸化が認められないＣｕボールの例を示す走査電子顕微鏡写真である。
【図３】底部に伸張した楕円体形状となったＣｕボールの例を示す走査電子顕微鏡写真である。
【図４】穴（巣）を生じたＣｕボールの例を示す走査電子顕微鏡写真である。
【図５】本発明に係るＣｕボンディングワイヤの評価に用いた半導体パッケージの平面図、および電気抵抗測定の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
本発明で用いる銅鋳造線材の組成を、Ａｕを２質量％以上７．５質量％以下、さらにＣｌを２ｐｐｍ以下とし、さらにＰを１０質量ｐｐｍ以上４０質量ｐｐｍ以下の割合で含み、残部が銅と不可避不純物からなる銅鋳造線材としている。この理由は、以下の通りである。
【００３１】
（１）Ａｕ含有量
Ｃｕ線は酸化しやすいため、短期間で使い切るように巻長さを５００ｍと短く設定したり、吸湿防止のためプラスチック袋で封止したりして出荷しているが、使用途中で装置を止めたり開封後に未使用のまま放置すると表面が酸化し、大気中で行われるスティッチボンディングでの接合性が悪化する。
そこで、Ａｕを１質量％以上含有すればＣｕ線表面の酸化速度が低下し、スティッチボンディング接合性の悪化が回避できる。また、Ａｕを２質量％以上含有すれば１００％Ｎ２ガス雰囲気におけるボール形成においても、溶融ボール直上のボンディングワイヤ表面の酸化膜形成が抑制されるため、溶融Ｃｕボールのボンディングワイヤ表面の濡れ性が安定し、真円度の高いボールが形成される。
【００３２】
一方、Ａｕが２質量％未満ではボール頭頂部に尖りが発生する場合があり、ボールボンディング時のパッドダメージの発生原因となり、また酸化がわずかに認められるようになるため、Ｎ２ガスのみでボール形成する場合には、２質量％以上とすることが望ましい。一方７．５質量％を超えると電気抵抗率が、純度９９％Ａｕボンディングワイヤの値約３．３μΩｃｍを超えるため、Ｃｕボンディングワイヤの利点であるＡｕボンディングワイヤより優れて低い電気抵抗率が発揮でききない。
さらに、Ａｕを添加する代わりにＰｔを添加する方法もあるが、ボールの表面硬度（Ｈｖ）が７０を越えるために、パッドダメージを回避できないこと、電気抵抗率がＡｕを添加した場合よりも高くなることからＡｕを添加する方が好ましい。
【００３３】
（２）Ｃｌ含有量
Ｃｌ量を２質量ｐｐｍ以下に抑える理由は、ワイヤボンディングした後のＣｕボールとＡｌとの接合界面に染み出してくるＣｌの量を抑え、同接合界面におけるＣｌによる腐食を抑制するためである。Ｃｌが染み出すと接合界面の雰囲気が酸性側となり、Ａｌの腐食の進行を促進するため、Ｃｌの量としては少なければ少ないほど良いが、２ｐｐｍ以下とすることで目的は達成される。
【００３４】
（３）Ｐ含有量
Ｐは、ボンディングワイヤ表面に酸素が吸着しているか、あるいは、ボンディングワイヤ内にわずかな酸素が残留している場合のＣｕボールの表面酸化を防止するために添加される。Ｐ含有量が１０質量ｐｐｍよりも少ないと、ボール形成雰囲気に酸素が混入した場合にＣｕボールの表面酸化が防止できなくなる。また、Ｐ含有量が高いと高湿度下でボンディングワイヤからＰが滲出し、接合界面の雰囲気が酸性側にシフトするので好ましくない。
また、本発明では、ＰＢＧＡやＱＦＮといった水分が浸入しやすい片側樹脂封止のパッケージにおいても、Ｃｌ含有量を１ｐｐｍ以下と少なくすることにより、ＰとＣｌの相乗効果によるボール接合部の腐食問題が解消される。
【実施例】
【００３５】
以下、本発明に係るＣｕボンディングワイヤについて説明する。
表１に、本発明のＣｕボンディングワイヤを含む、評価用ボンディングワイヤの成分組成を示す。このボンディングワイヤに含まれるＡｕ量、Ｃｌ量およびＰ量は、直径２５μｍのワイヤ試料をアルミニウム製キャップに挿入して２０ｔプレスを用いて平板状にしたものを測定試料とし、測定前に装置内で約１時間の予備放電を行い、試料表面を数ミクロン程度除去した後、その除去面をグロー放電質量分析法にて測定して求めた。
【００３６】
表１に示す評価用ボンディングワイヤの試料Ｎｏ．１〜１４の製造方法を下記に示す。
まず、試料Ｎｏ．１〜１２は、真空溶解連続鋳造炉において純度９９．９９％以上の高純度カーボンルツボ内にＣｕ純度９９．９９５％以上の高純度電解銅を入れ、溶解チャンバー内を真空度１×１０−４Ｐａ以下に保持して高周波溶解を行い、溶湯温度１１５０℃以上、保持時間１０分以上で十分に脱ガスした後、所定の含有量になるように秤量したＡｕ、またはＡｕおよびＰを、ルツボ内に投入して溶解して撹拌し、不活性ガスで溶解チャンバー内を大気圧に戻し、連続鋳造によって直径８ｍｍに鋳造し無酸素銅鋳造線材とした。
【００３７】
次に、この無酸素銅鋳造線材を、伸線ダイスを用いて直径１ｍｍまで縮径し、途中酸洗浄を行う場合と行わない場合に分け、引き続き直径２５μｍまで縮径し、５％Ｈ２＋９５％Ｎ２のフォーミングガス雰囲気中で伸び率が１１％となる温度で焼鈍して、試料Ｎｏ．１〜１２のＣｕボンディングワイヤを作製した。
なお、洗浄については、試料Ｎｏ．５は、直径１ｍｍでの塩酸洗浄を行ったのちに約６０℃のお湯で十分に洗浄し、試料Ｎｏ．８と試料Ｎｏ．１１は、直径１ｍｍでの塩酸洗浄を行ったのちに水道水で十分に洗浄した。
【００３８】
試料Ｎｏ．１３は、Ｃｕ純度９９．９９５％以上の高純度電解銅のみを溶解鋳造した後、直径１ｍｍにてアルカリ脱脂、水洗、電解脱脂、水洗、酸活性、水洗、Ｐｄストライクめっき、水洗、Ｐｄめっき、水洗、湯洗の順に連続的に行ってＰｄ薄膜を形成し、その後直径２５μｍまで縮径した後に、５％Ｈ２＋９５％Ｎ２のフォーミングガス雰囲気中で伸び率が１１％となる温度で焼鈍したＰｄ被覆Ｃｕ銅ボンディングワイヤである。なお、Ｐｄめっき厚は、ワイヤを直径２５μｍまで縮径した際に８０ｎｍ厚となるように調整した。
【００３９】
さらに試料Ｎｏ．１４は、試料Ｎｏ．１〜１２と同様に、真空溶解連続鋳造炉を用いて純度９９．９９％以上の高純度カーボンルツボ内にＣｕ純度９９．９９５％以上の高純度電解銅を入れ、溶解チャンバー内を真空度１×１０−４Ｐａ以下に保持して高周波溶解を行い、溶湯温度１１５０℃以上、保持時間１０分以上で十分に脱ガスした後、所定の含有量になるように秤量したＰを、不活性ガスで溶解チャンバー内を大気圧に戻し、連続鋳造によって直径８ｍｍに鋳造した無酸素銅鋳造線材を、伸線ダイスを用いて直径１ｍｍまで縮径し、途中酸洗浄を行わず、引き続き直径２５μｍまで縮径し、５％Ｈ２＋９５％Ｎ２のフォーミングガス雰囲気中で伸び率が１１％となる温度で焼鈍して、Ｃｕボンディングワイヤを作製した。
【００４０】
【表１】
【００４１】
表１に示す試料を用いて特性評価をおこなった。図１から図４は、その評価時の試料の代表例を示す走査電子顕微鏡写真である。
【００４２】
[ボンディングワイヤ特性]
Ａ：ボール形成時の酸化膜の有無
固定電気トーチと放電用ガスノズルを持つ新川製ワイヤボンダＵＴＣ−１０００を用いて、ボールを酸化しやすくするために通常のＣｕワイヤボンディングに用いられる５％Ｈ２＋９５％Ｎ２ガスではなく、１００％Ｎ２ガスを雰囲気ガスに用いて直径７５μｍのボールを５０個作製し、顕微鏡観察で図１のような粒界酸化の有無を調査し、酸化が認められる場合を不良と判定し、図２のように粒界での酸化が見られない場合を正常であると判定して、その不良個数を求めた。
【００４３】
Ｂ：ボール形成時のボール外形
図３のように底部に伸張した楕円体形状となったボールや、図４のように「巣」が入り穴が開いたボールが５０個中１個でも発生した場合を不良とし、発生しないものを正常であると判定して、その不良個数を求めた。
【００４４】
Ｃ：表面硬度
形成したＣｕボールの表面硬度を、ビッカース硬さにより求めた。荷重は０．５ｇｆで行った。
【００４５】
Ｄ：電気抵抗率
図５に示すように、厚み０．８μｍのＡｌ電極４と、そのＡｌ電極４とシリコン層との間に５０ｎｍ厚のＴｉ層と５０ｎｍの酸化シリコン層とを有する半導体素子３のＡｌ電極４とＡｇめっき付きリード５とを試料１〜１３のＣｕボンディングワイヤを用いて、超音波熱圧着ボールボンディングおよびスティッチボンディングを行った後に、直径２５．０μｍの線を用いてホイートストーンブリッジ回路により電気抵抗を測定して電気抵抗率を算出した。
【００４６】
［ボンディング性］
Ｅ：ボールボンディング時のパッドダメージ
図５に示す、厚み０．８μｍのＡｌ電極４と、そのＡｌ電極４とシリコン層との間に５０ｎｍ厚のＴｉ層と５０ｎｍの酸化シリコン層とを有する半導体素子３のＡｌ電極４とＡｇめっき付きリード５とを、試料１〜１３のＣｕボンディングワイヤを用いて、超音波熱圧着ボールボンディングおよびスティッチボンディングを行った後に、水酸化カリウム溶液でＣｕボールごとＡｌを洗い流してＡｌ電極下のパッドダメージを観察し、ひび割れ、欠け等の損傷が１００個中１個でも発生した場合を不良と判定し、発生しないものを正常とし、その不良個数を求めた。比較例として、純度９９．９９％のＣｕ表面にＰｄを８０ｎｍ厚で被覆したＰｄ被覆Ｃｕ線も用いた。なお、ボール形成はＮ２ガスのみで行った。
【００４７】
Ｆ：スティッチボンディングの接合性
スプールに巻かれたボンディングワイヤを２週間クリーンルーム内の大気中で常温に放置した後に、２個ずつ連結されたＡｌ電極を持つ前述の半導体素子上のＡｌ電極と、リード先端にＡｇめっきされた銅合金製のリードフレームのリード先端とをボール、スティッチボンディングし、１２００箇所中のスティッチボンディング不着の割合を不着率（％）として求めた。
【００４８】
Ｇ：プレッシャークッカーテスト（ＰＣＴ）
隣接するＡｌ電極がＡｌ配線で連結しているＥの「ボールボンディング時のパッドダメージ」測定と同構造の半導体素子を用いて、Ａｌ電極側をボールボンディングし、銅合金製リードフレームのリード先端のＡｇメッキ電極をスティッチボンディングし、ワイヤ、Ａｌ電極、ワイヤ、Ａｇメッキ、ワイヤ、Ａｌ電極、と続くいわゆるデイジーチェーンを形成し、これをＢｒやＳｂを含有しないいわゆるグリーンエポキシコンパウンドでモールドして半導体装置とし、この半導体装置を温度１２５℃、気圧２．３ａｔｍ、湿度１００％の環境で１６８時間放置するいわゆるプレッシャークッカーテスト（ＰＣＴ）を行った後、通電テストにて５０組の中で電気抵抗が高温放置前の２０％以上になった組が１組でも発生した場合を不良と判断し、１組も発生しない場合を正常とし、その不良個数を求めた。
以上、特性ＡからＧの評価結果を表２に示す。
【００４９】
【表２】
【００５０】
表２から明らかなように、本発明の成分組成を有するＣｕボンディングワイヤの実施例１〜６（試料Ｎｏ．３〜８）は、不活性ガスである１００％Ｎ２ガス中において、各実施例の５０個の試料が全て光沢を持った真球形状であり、半導体素子上の５０個全てのアルミニウム電極下でパッドダメージは観察されず、ＰＣＴ試験では５０組全てが電気抵抗の上昇は２０％未満であり、電気抵抗率は実施例１（試料Ｎｏ．３）において２．０８μΩｃｍ、実施例５（試料Ｎｏ．７）でも３．２５μΩｃｍと、Ａｕより低い電気抵抗率を示していた。
【００５１】
一方、Ｃｌ及びＰの含有量共に本発明の範囲内であるが、Ａｕ含有量が１質量％（試料Ｎｏ．１）、１．６質量％（試料Ｎｏ．２）と少ない比較例１および２では、ボンディング性は良好であったが、ボール形成時に、ボール表面は酸化し、また真球状の形状も得られなかった。
【００５２】
Ａｕの含有量が０．５質量％と少ない比較例３（試料Ｎｏ．９）では、Ａｕ含有の効果が見られず、ボールの表面やワイヤ表面が酸化し、また形状も楕円形に変形した。パッドダメージは観察されなかったものの、クリーンルーム内で２週間放置したあとのワイヤボンディングにおけるスティッチ接合性は悪化した。ＰＣＴでの導通不良は見られなかった。
【００５３】
Ｐは１０質量ｐｐｍであるが、Ａｕの含有量が０．５質量％と少ない比較例４（試料Ｎｏ．１０）では、Ｐの効果によりボールの外観には異常は認められなかったものの、Ａｕの含有量が少ないために、そのボール形状に、楕円形のものが見られた。また、パッドダメージは観察されなかったものの、クリーンルーム内で２週間放置したあとのワイヤボンディングにおけるスティッチ接合性は悪化した。ＰＣＴでの導通不良は見られなかった。
【００５４】
Ｐを過剰に含み、Ｃｌの含有量も多い比較例５（試料Ｎｏ．１１）では、ボールの外観には異常は認められなかったものの、ボールボンディングによるパッドダメージが観察され、クリーンルーム内で２週間放置したあとのワイヤボンディングにおけるスティッチ接合性が悪化した。ＰＣＴでの導通不良が多数発生していた。
【００５５】
Ａｕを９質量％と過剰に含む比較例６（試料Ｎｏ．１２）では、ボールの外観には異常は認められなかったものの、ボールボンディングではひび割れや欠けといったパッドダメージが観察された。また電気抵抗率が３．５７μΩｃｍと、純度９９％の金ワイヤよりも高くなったしまった。
【００５６】
Ｐｄ被覆され、含有するＣｌは１．２質量ｐｐｍで本発明内であるが、Ａｕを含まない比較例７（試料Ｎｏ．１３）は、初期ボールの外観には異常は認められなかったものの、ボールボンディングではひび割れや欠けといったパッドダメージが観察された。またＰＣＴでは導通不良を示すワイヤが発生した。
【００５７】
Ａｕを含まず、Ｐのみを３０質量ｐｐｍ含む比較例８（試料Ｎｏ．１４）は、ボールの表面が酸化し、形状も楕円形に変形していた。パッドダメージは観察されなかったが、クリーンルーム内で２週間放置したあとのワイヤボンディングにおけるスティッチ接合性は悪化し、ＰＣＴにおいては導通不良を示すワイヤが発生した。
【００５８】
さらに、試料Ｎｏ．１、２及び９の試料は、１００％Ｎ２ガス、即ち不活性ガス中では良好なボンディングワイヤ特性を示さなかった（比較例１、２及び３参照）が、従来のボンディング条件の還元性雰囲気である５％Ｈ２＋９５％Ｎ２ガスよりもＨ２が少ない２％Ｈ２＋９８％Ｎ２のフォーミングガス中でボール形成したところ、ボール表面の酸化もワイヤ表面の酸化も見られず、ボールは光沢を有する真球であった。この２％Ｈ２＋９８％Ｎ２のフォーミングガスを用いて前述同様の評価を行った結果を表３に示す。
【００５９】
【表３】
【００６０】
試料Ｎｏ．１を用いた実施例７、および試料Ｎｏ．２を用いた実施例８共に、ボールボンディングによるパッドダメージは観察されず、クリーンルーム内で２週間放置してもスティッチ接合性は良好で、ＰＣＴでも導通不良は見られなかった。しかし、試料Ｎｏ．９を用いた比較例９では、ボールの表面が酸化し、形状も楕円形に変形して、スティッチ接合性も悪化した。ＰＣＴにおける導通不良は測定されなかった。
【符号の説明】
【００６１】
１ 銅ボンディングワイヤ
２ ボール
３ 半導体素子
４ アルミニウム電極
５ 銀めっき付きリード
６ エポキシ封止樹脂
７ 抵抗測定器
【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｃｌの含有量が２質量ｐｐｍ以下である、２質量％以上７．５質量％以下のＡｕを含み、残部Ｃｕと不可避不純物からなることを特徴とするＣｕボンディングワイヤ。
【請求項２】
Ｃｌの含有量が２質量ｐｐｍ以下である、１０質量ｐｐｍ以上４０質量ｐｐｍ以下のＰ、および２質量％以上、７．５質量％以下のＡｕを含み、残部Ｃｕと不可避不純物からなることを特徴とするＣｕボンディングワイヤ。
【請求項３】
Ｃｌの含有量が２質量ｐｐｍ以下である、１０質量ｐｐｍ以上４０質量ｐｐｍ以下のＰ、および２質量％以上、７．５質量％以下のＡｕを含み、残部Ｃｕと不可避不純物からなり、かつ不活性雰囲気中でのワイヤボンディングに用いられることを特徴とするＣｕボンディングワイヤ。
【請求項４】
Ｃｌの含有量が２質量ｐｐｍ以下である、１０質量ｐｐｍ以上４０質量ｐｐｍ以下のＰ、および２質量％以上、７．５質量％以下のＡｕを含み、残部Ｃｕと不可避不純物からなるＣｕボンディングワイヤを用い、不活性雰囲気中でワイヤボンディングされることを特徴とする半導体装置。
【請求項１】
Ｃｌの含有量が２質量ｐｐｍ以下である、２質量％以上７．５質量％以下のＡｕを含み、残部Ｃｕと不可避不純物からなることを特徴とするＣｕボンディングワイヤ。
【請求項２】
Ｃｌの含有量が２質量ｐｐｍ以下である、１０質量ｐｐｍ以上４０質量ｐｐｍ以下のＰ、および２質量％以上、７．５質量％以下のＡｕを含み、残部Ｃｕと不可避不純物からなることを特徴とするＣｕボンディングワイヤ。
【請求項３】
Ｃｌの含有量が２質量ｐｐｍ以下である、１０質量ｐｐｍ以上４０質量ｐｐｍ以下のＰ、および２質量％以上、７．５質量％以下のＡｕを含み、残部Ｃｕと不可避不純物からなり、かつ不活性雰囲気中でのワイヤボンディングに用いられることを特徴とするＣｕボンディングワイヤ。
【請求項４】
Ｃｌの含有量が２質量ｐｐｍ以下である、１０質量ｐｐｍ以上４０質量ｐｐｍ以下のＰ、および２質量％以上、７．５質量％以下のＡｕを含み、残部Ｃｕと不可避不純物からなるＣｕボンディングワイヤを用い、不活性雰囲気中でワイヤボンディングされることを特徴とする半導体装置。
【図５】
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２０１１−３７４５（Ｐ２０１１−３７４５Ａ）
【公開日】平成２３年１月６日（２０１１．１．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１４５８８４（Ｐ２００９−１４５８８４）
【出願日】平成２１年６月１８日（２００９．６．１８）
【出願人】（０００１８３３０３）住友金属鉱山株式会社 (2,015)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１月６日（２０１１．１．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年６月１８日（２００９．６．１８）
【出願人】（０００１８３３０３）住友金属鉱山株式会社 (2,015)
【Ｆターム（参考）】
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