半导体装置用接合线的制作方法
半导体装置用接合线的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及为了连接半导体元件上的电极与外部引线等电路布线基板的布线而 被利用的半导体装置用接合线。
【背景技术】
[0002] 现在，作为将半导体元件上的电极与外部引线之间接合的半导体装置用接合线 (以下称为接合线），主要使用线径15~50μπι左右的细线。接合线的接合方法一般为并用超 声波的热压接方式，可使用通用接合装置、使接合线通到其内部而连接的毛细管夹具等。接 合线的接合工艺通过下述过程来完成:通过电弧热输入将线尖端加热熔融，在通过表面张 力形成球部之后，使该球部压接接合于在150°C~300°C的范围内加热了的半导体元件的电 极上（以下称为球接合），接着，形成环路之后，将线部压接接合到外部引线侧的电极（以下 称为楔接合）。作为接合线的接合对象的半导体元件上的电极，大多使用在Si基板上形成了 以A1为主体的合金膜的电极结构、外部引线侧的电极，大多使用在Si基板上施加了镀银层、 镀钯层等的电极结构。
[0003] 对接合线要求具有优异的球形成性、球接合性、楔接合性、环路形成性等。作为综 合性地满足这些要求性能的接合线的材料，逐渐主要使用Au。近年来，以Au价格的高涨为背 景，使用比较便宜的材料作为Au的替代材料的接合线的开发正在盛行。作为开发例，可举出 具有在Cu的表面被覆了 Pd的结构的接合线。该接合线的特征主要是通过抑制Cu的氧化而综 合性地改善了接合线的性能这点，在最尖端的LSI(Large Scale Integration，大规模集 成)领域被使用。
[0004] 在今后的接合线开发中，强烈要求对应于与半导体器件的进一步高性能化、小型 化相伴的高密度安装。在高密度安装中，为了抑制LSI层间的信号延迟，有时会使用脆弱的 低介电常数材料作为层间的绝缘材料，经常存在对半导体元件的损伤的问题。相邻的电极 的间隔狭窄，需要使接合线的线径变细，因此要求接合线具有高的楔接合性。为了在细的线 径中确保导电性，期望用于接合线的材料的电阻率低。作为这样的高密度领域中的接合线 的材料，大多使用软质且可获得高楔接合性、电阻率较低的Au。
[0005] 为了解决上述那样的高密度安装中的课题，提供比Au便宜的接合线，曾进行了作 为接合线的材料使用Ag的尝试。Ag的杨氏模量（约83 X 109N/m2)与Au的杨氏模量（约80X 109N/m2)大致相等，且低于Cu的杨氏模量(约130X 109N/m2)，因此期待在针对脆弱的半导体 元件的球接合中损伤少、且能够获得良好的楔接合性。室温附近的Ag的电阻率（1.6μΩ · cm)比Cu的电阻率（1.7μΩ · cm)、Au的电阻率(2.2μΩ · cm)低，因此从电特性的观点出发， 也可以认为其适合作为高密度安装中的接合线的材料。
[0006] 然而，使用了 Ag的接合线（以下称为Ag接合线)在高密度安装中存在接合可靠性、 环路的稳定性低这样的问题。接合可靠性评价是以评价实际的半导体器件的使用环境中的 接合部寿命为目的而进行的。一般接合可靠性评价使用高温放置试验、高温高湿试验。与使 用了 Au的接合线（以下称为Au接合线)相比，Ag接合线在高温高湿试验中的球接合部的寿命 差是个问题。由于在高密度安装中进行小球接合，因此贡献给接合的面积变小，因此确保寿 命变得更加困难。
[0007] 对于环路的稳定性，被称为弹回（spring)不良的不良成为问题。弹回不良成为在 接合线的接合工序中由于环路弯曲的现象，接合线彼此接触而引起短路的原因。在高密度 安装中，相邻的接合线的间隔变得狭窄，因此强烈要求抑制弹回不良。线的强度越低，弹回 不良越容易发生，因此在线径变细的高密度安装中成为问题的情况较多。
[0008] 作为解决这些课题的方法，曾公开了在Ag中添加各种元素而合金化的技术，但是 如果合金元素的浓度变高，则球会变硬，球接合时发生芯片损伤。这些课题成为妨碍Ag接合 线普及的原因。
[0009] 关于以改善接合可靠性为目的的Ag接合线的开发，例如，专利文献1中公开了一种 接合线，其特征在于，包含合计为0.1~10重量％的？1?(1、(：11、1?11、〇8、1^、&中的1种或2种以 上，Pt为10重量％以下，Pd为10重量％以下，Cu为5重量％以下，Ru为1重量％以下，Os为1重 量％以下，Rh为1重量％以下，Ir为1重量％以下，其余量由Ag和不可避免的杂质组成。
[0010] 例如，专利文献2中公开了一种半导体元件用Ag-Au-Pd三元合金系接合线，其特征 在于，是由纯度99.99质量％以上的Ag、纯度99.999质量％以上的Au和纯度99.99质量％以 上的Pd构成的三元合金系接合线，Au为4~10质量％、Pd为2~5质量％、氧化性非贵金属添 加元素为15~70质量ppm以及其余量由Ag组成，该接合线在连续模拉丝前进行退火热处理， 在连续模拉丝后进行调质热处理，在氮气气氛中进行球接合。
[0011] 关于以提高环路的稳定性为目的的Ag接合线的开发，曾公开了通过加工热处理来 控制抗拉强度和屈服强度σ〇.2的技术。例如，专利文献3中公开了一种接合线，其特征在于， 在523Κ的温度气氛下加热15~25秒钟后，接着在前述温度气氛下测定出的抗拉强度高于在 298Κ的温度气氛下测定出的屈服强度〇〇. 2。
[0012] 在先技术文献 [0013]专利文献
[0014] 专利文献1:日本特开平11-288962号公报 [0015] 专利文献2:日本特开2012-169374号公报 [0016] 专利文献3:日本特开2002-319597号公报
【发明内容】
[0017] 然而，上述专利文献中公开的Ag接合线不能满足高密度安装中要求的针对接合可 靠性、弹回不良、芯片损伤所要求的性能。
[0018] 高温高湿试验一般采用在温度为121°C、相对湿度为100%的条件下进行的被称为 PCT(Pressure Cooker Test:压力锅蒸煮试验)的试验。近年来，作为更加严格的评价方法， 大多采用在温度为130°C、相对湿度为85 %的条件下进行的被称为HAST (Highly Accelerated temperature and humidity Stress Test:高加速温度和湿度应力试验）的 试验。对于高密度安装用的半导体器件，在设想了工作环境的情况下，要求在HAST中经过 300小时以上后也正常地工作。Ag接合线在HAST中球接合部的寿命成为问题。Ag接合线，通 过暴露在高温高湿环境中，在球接合部发生剥离、电连接丧失，从而成为半导体器件故障的 原因。另外，在高密度安装中，为了对应于窄间距化，大多形成比通常小的球而进行接合（以 下称为小球接合）。接合线在使用了小球接合的情况下，贡献给接合的面积变小，存在接合 寿命变短的倾向，因此要求更严格的接合可靠性。
[0019] 弹回不良是大多在高密度安装领域中，在存储器用途中进行的层叠芯片的连接中 成为问题的不良。在通过接合线连接层叠芯片的方法中，大多使用与通常的接合相比接合 位置反过来的、被称为逆接合的连接方法。在逆接合的接合工艺中，在芯片上的电极上形成 柱状凸块，然后在基板的电极上接合球部，最后在前述柱状凸块上使接合线进行楔接合。通 过该逆接合，能够将环路高度抑制为较低，即使在芯片的层叠数增加、高低差(段差)高的情 况下也能实现稳定的环路控制。另一方面，如果进行逆接合，则容易发生弹回不良。
[0020] 芯片损伤是在接合工序中，在球接合工序中发生的不良现象。在高密度安装领域 中，伴随着芯片的薄化、多层化，大多采取强度低的结构，对于抑制芯片损伤的要求在提高。 进而，在高密度安装中进行的小球接合中，接合时应力集中，芯片损伤容易发生，因此要求 严格抑制芯片损伤。
[0021 ]针对这些所要求的性能，在使用了以往所报告的Ag接合线的情况下，判明了在接 合可靠性、弹回性能、芯片损伤性能上存在以下的问题。关于接合可靠性，对A1电极进行球 接合，树脂封止后，进行HAST，结果在经过150小时的阶段球接合部的接合强度下降，没有获 得在高密度安装中要求的300小时以上的寿命。观察接合界面，结果在Ag接合线与A1电极的 界面确认到孔隙（void)的产生。推定这是因为在接合界面形成的Ag与A1的金属间化合物的 一部分腐蚀了。关于弹回性能，在进行了逆接合的情况下，判明了接合线的 强度不足、环路 弯曲、难以抑制弹回不良。关于芯片损伤性能，在进行了小球接合的情况下，可知芯片产生 龟裂，不适合实用。
[0022]本发明的目的是解决以往技术的问题，提供能够满足在高密度安装中要求的接合 可靠性、弹回性能、芯片损伤性能的接合线。
[0023]本发明的半导体装置用接合线，其特征在于，包含总计为0.05~5原子％的111、6&、 Cd中的1种以上，其余量包含Ag和不可避免的杂质。
[0024] 根据本发明，能够满足在高密度安装中要求的接合可靠性、弹回性能、芯片损伤性 能。
【具体实施方式】
[0025] 本实施方式涉及的接合线，通过包含总计为0.05~5原子％的111、6&、0(1中的1种以 上，其余量为Ag和不可避免的杂质，能够改善在高密度安装中要求的接合可靠性，并能够抑 制弹回不良。
[0026] 说明本实施方式涉及的接合线的对于改善接合可靠性的有效性。在使用线的线径 为Φ 15~25μηι的线的情况下，在通常的接合中，形成相对于线的线径、球径为1.7~2.0倍的 球而进行接合。在高密度安装用途中，为了对应于窄间距化，大多形成相对于线的线径、球 径为1.5~1.6倍这样的比通常小的球而进行接合。在使用以往的Ag接合线来进行小球接 合，并在温度为130°C、相对湿度为85%的条件下进行高温高湿试验的情况下，球接合部寿 命小于150小时。在使用本实施方式涉及的接合线的情况下，获得了 300小时以上的优异的 球接合部寿命。从该结果来看，本实施方式涉及的接合线满足在高密度安装中要求的基准， 能够在高密度安装中使用。为了缓和半导体元件的损伤，对使用了脆弱的低介电常数材料 的半导体元件进行球接合时的接合条件，与通常的条件相比，需要减弱超声波。在使用这样 的接合条件的情况下，以往的Ag接合线难以获得充分的接合面积，球接合部寿命小于100小 时。另一方面，在使用本实施方式涉及的接合线的情况下，可获得300小时以上的球接合部 寿命，确认出能够实现优异的接合可靠性。可以认为这是因为本实施方式涉及的接合线中 包含的I η、Ga、Cd抑制了在球接合部的接合界面成为腐蚀的原因的Ag与A1的金属间化合物 的生长。
[0027] 接着，说明本实施方式涉及的接合线的对于抑制弹回不良的有效性。对于具有层 叠有多个半导体元件的结构的器件，使用线的线径为Φ 15~25μπι的线实施逆接合，结果以 往的Ag接合线发生了弹回不良。与此相对，本实施方式涉及的接合线能够抑制弹回不良。本 实施方式涉及的接合线，即使在最尖端的高密度封装中也能够确认到抑制弹回不良的效 果。可以认为弹回性能的改善效果是接合线的屈服强度提高所致。
[0028] 以上表明，本实施方式涉及的接合线能够同时满足在高密度安装中要求的性能和 低成本化，能够代替Au接合线。
[0029 ]包含总计超过5原子％的I η、Ga、Cd中的1种以上的接合线，由于接合线的断裂伸长 率下降，在楔接合时产生接合线断裂的不良，因此不适合实用。即，为了在改善接合可靠性 以及抑制弹回不良的同时满足作为接合线的综合性能，接合线中包含的In、Ga、Cd中的1种 以上的总计为0.05原子％~5原子％是有效的。关于接合线，如果前述元素的总计浓度为 0.1~2原子％，则在HAST中能够实现500小时的寿命，因此优选。这是因为，通过将球的硬度 控制在适当的范围内，球接合界面的金属间化合物均匀地形成，能够缓和成为接合寿命下 降的原因的凹凸所引起的应力集中。进而，关于接合线，如果前述元素的总计浓度为0.5~1 原子％，则在HAST中能够实现1000小时的寿命，因此更优选。这是因为，通过将线部分的硬 度控制在适当的范围内，楔接合时的被称为尾状的形状稳定，能够降低形成球时的形状、大 小的偏差，能够抑制接合可靠性的偏差。
[0030]接合线中包含的元素的浓度分析可以利用ICP发射光谱分析装置等。在接合线的 表面吸附有氧、碳等元素的情况下，在进行解析之前，可以通过溅射法等将从表面起的2nm 的区域削去之后进行浓度测定。作为其他方法，使用酸洗的方法也是有效的。对于后述的 、&1、诎、？(1、？1411或86、8、？、〇3、￥、1^丄6的浓度分析也可以使用同样的方法。
[0031 ] 具有上述特征的接合线，通过进一步包含总计为0.01~5原子5"^^Ni、Cu、Rh、Pd、 Pt、Au中的1种以上，能够改善接合线的使用寿命。
[0032] 接合线包含11!、6&、0(1，而且复合添加与这些元素的结合力强的元素时，针对经时 劣化是有效的。
[0033] 以往的接合线，随着时间的经过，有时表面会吸附硫原子，球形成性等性能下降。 为了抑制接合线表面吸附硫原子，使接合线表面的活性下降的方法是有效的。例如，只要用 与Ag相比对硫的吸附能力低的元素置换接合线表面的Ag原子即可。由于接合线的表面存在 111、6&、0(1，因此可以认为，通过添加与这些元素的结合力强的元素，能够更高效率地提高耐 硫化性。
[0034] 本发明人等进行深入研究的结果发现，本实施方式涉及的接合线通过包含总计为 0.01~5原子％以上的附、(：11、1?11、？(1、？1:、411中的1种以上，耐'硫化性提高，能够改善接合线的 使用寿命。在前述元素的总计浓度小于0.01原子％的情况下不能期待上述的效果。在前述 元素的总计浓度超过5原子％的情况下，通过电弧放电产生的向线表面的热输入变得不稳 定，不能获得圆球性高的球，因此不适合实用。优选前述元素的总计浓度为0.5~3原子％， 如果这样的话，则能够获得更高的效果。这是因为能够进一步抑制电弧放电的热输入的不 均匀。
[0035] 本实施方式涉及的接合线通过进一步包含总计为10~300原子ppm的Be、B、P、Ca、 Y、La、Ce中的1种以上，能够改善球接合时的压溃形状。
[0036] 以往的Ag接合线，由于在球接合时球向超声波的施加方向优先变形，因此有时与 相邻的电极接触引起短路。因此，在球接合中需要降低球变形的各向异性，控制成为接近于 圆形的压溃形状。存在结晶粒径越大，球变形的各向异性越增加的倾向，因此将球部的晶粒 微细化的技术是有效的。
[0037] 本发明人等进行深入研究的结果发现，本实施方式涉及的接合线通过包含总计为 10~300原子ppm的此、8、？工&、￥、1^、(^中的1种以上，球晶粒能够微细化，能够改善球接合 时的压溃形状。在前述浓度小于10原子ppm的情况下不能期待上述的效果。在前述浓度超过 300原子ppm的情况下，接合线的断裂伸长率下降，在楔接合时线会断裂，因此不适合实用。 优选前述浓度为20~200原子ppm，如果这样的话，则可获得更高的效果。这是因为，如果为 该浓度范围，则能够降低球中的元素的偏聚，元素能更均匀地分布。
[0038] 关于本实施方式涉及的接合线，通过使接合线表面部的In、Ga、Cd的总计原子百分 率浓度为接合线内部的前述总计原子百分率浓度的2倍以上，能够改善楔接合性。
[0039] 从接合线表面向深度的方向的浓度分析，可以使用俄歇电子光谱分析装置。首先， 一边从接合线的表面通过溅射法等削去一边进行浓度测定，取得深度方向的浓度廓线。取 得浓度廓线的对象元素设为4 8、111、6&、0(1、0。对于从线表面向深度的方向，分为0~1011111的 区域、20~30nm的区域，求出各区域的平均浓度，由此确定各区域中的各元素的浓度。
[0040] 在楔接合中，由于使接合线变形来确保接合面积，因此接合线的表面部越软质，接 合面积的确保就越容易，可获得越高的接合强度。因此，相对于接合线的内部，使比Ag软质 的元素在接合线的表面部浓化的技术是有效的。将接合线的内部定义为从线表面向深度的 方向20~30nm的区域，将接合线的表面部定义为从线表面向深度的方向0~10nm的区域。
[0041] 本发明人等进行深入研究的结果发现，通过使接合线表面部的In、Ga、Cd的总计原 子百分率为接合线内部的In、Ga、Cd的总计原子百分率的2倍以上，在楔接合部中能够获得 高的接合强度。即，关于接合线，如果从线表面向深度的方向〇~1 〇nm的区域中的选自Iη、 Ga、Cd中的至少1种以上的元素相对于金属元素的总计的平均浓度记为XQ-1Qnm，从线表面向 深度的方向20~30nm的区域中的选自In、Ga、Cd中的至少1种以上 的元素相对于金属元素的 总计的平均浓度记为X2 Q-3Qnm，则在2成立时，在楔接合部能够获得高的接合 强度。在X〇-l〇nm/X2()-3()r?〈2时，不能期待上述效果。
[0042] 本实施方式涉及的接合线，通过使与线轴垂直的方向的截面中的平均结晶粒径为 0.2~3.5μπι，能够改善线的放线性。这里，所谓线轴，是指通过接合线的中心，且与长度方向 平行的轴线。
[0043] 使线截面露出的方法可以利用例如机械研磨、离子蚀刻法等。求平均结晶粒径的 方法可以使用例如电子射线背散射衍射法（E B S D : Ε 1 e c t r ο η B a c k s c a 11 e r e d Diffraction) JBSD法通过求出相邻测定点间的结晶取向差，能够判定晶界。将晶界的取向 差为15度以上的晶界定义为大倾角晶界，将由大倾角晶界包围的区域作为1个晶粒。结晶粒 径规定为通过专用的解析软件算出面积，将该面积假定为圆时的直径。
[0044] 将接合线进行接合时，将接合线从卷绕在被称为绕线架的圆柱状的工具上的状态 一点一点地放线而使用。在进行放线时，在与线轴平行方向对接合线施加张力，因此有可能 接合线变形、线径变细。为了防止这样的现象，需要控制针对在与线轴垂直的方向上起作用 的剪切应力的强度。作为控制针对剪切应力的强度的方法，使与线轴垂直的方向的截面中 的结晶粒径变小是有效的。
[0045] 本发明人等进行深入研究的结果发现，通过使与接合线的线轴垂直的方向的截面 中的平均结晶粒径为〇. 2~3.5μπι，能够获得高的放线性能。进一步优选前述平均粒径为0.4 ~3. Ομπι，如果这样的话则能够获得更高的效果。当前述平均结晶粒径超过3.5μπι时，由于拉 伸应力，线会局部变形，因此不能获得上述的效果。当前述平均结晶粒径小于0.2μπι时，由于 接合线会超过所需地硬质化，因此与毛细管的接触部的磨损变得严重，因此不适合实用。
[0046] 本实施方式涉及的接合线，通过在测定接合线的截面的结晶取向时的测定结果 中，相对于前述接合线的长度方向，角度差为15度以下的结晶取向〈100>的存在比率以面积 率计为30 %以上且100 %以下，能够进一步改善楔接合性。
[0047] 关于楔接合性，通过在接合线的截面中，使相对于接合线的长度方向的角度差为 15度以下的结晶取向〈100>的存在比率增加，能够促进接合部的变形，从而能够获得高的接 合强度。为了获得上述效果，具有相对于线的长度方向的角度差为15度以下的结晶取向〈 1〇〇>的区域的面积，相对于结晶取向测定区域的总面积，占30%以上是有效的。如果前述存 在比率小于30%，则接合部的变形变得不充分，在楔接合部不能获得高的接合强度。
[0048] 作为使接合线截面露出的方法，可以利用机械研磨、离子蚀刻法等。接合线的截面 的结晶取向可以使用EBSD法来确定。相对于接合线的长度方向的角度差为15度以下的结晶 取向〈1〇〇>的存在比率，可以通过算出相对于使用了 EBSD等的结晶取向的测定区域的面积， 具有前述结晶取向〈1〇〇>的区域所占的面积的比率而求出。前述测定区域为:在包含线轴且 与线轴平行的截面中，线的长度方向为100μπι以下，横向为线整体(与线直径大致相同的长 度)。
[0049] 本发明人等进行深入研究的结果发现，通过从本实施方式涉及的接合线的最表面 向深度的方向〇~lnm的区域中的选自In、Ga、Cd中的至少1种以上的元素相对于金属元素的 总计的平均总计原子百分率，控制为从接合线的最表面向深度的方向1~l〇nm区域中的选 自In、Ga、Cd中的至少1种以上的元素相对于金属元素的总计的平均总计原子百分率的1.2 倍以上，能够改善毛细管的使用寿命。
[0050] 毛细管与接合线由于放线时的摩擦，存在毛细管的内部磨损的课题。针对上述课 题，通过控制接合线的最表面的组成，使接合线最表面的强度降低，能够降低毛细管与接合 线间的摩擦力，能够改善毛细管的使用寿命。即，关于接合线，如果将从线表面向深度的方 向0~lnm的区域中的选自In、Ga、Cd中的至少1种以上的元素相对于金属元素的总计的平均 浓度记为Xo-inm，将从线表面向深度的方向1~1 Onm的区域中的选自In、Ga、Cd中的至少1种以 上的元素相对于金属元素的总计的平均浓度记为Xl-lQnm，在Xo-lnm/Xl-lQnm Μ . 2成立时，可获 得优异的毛细管的使用寿命。在时，不能期待上述效果。
[0051 ] 实施例
[0052] 以下对实施例进行详细说明。成为原材料的Ag使用纯度为99.9原子％以上、且其 余量由不可避免的杂质构成的银。1!1、6 &、0(1、附、(：11、1^、？(1、？1411、86、8、？、〇3、￥、1^、〇6使用 纯度为99.9原子％以上且其余量由不可避免的杂质构成的物质。
[0053] 用于接合线的Ag合金，是通过向加工为直径Φ3~6mm的圆柱形的碳坩埚中填装原 料，使用高频炉，在真空中或N2、Ar气等惰性气氛中加热至1080~1600°C使其熔化，然后进 行炉冷或空冷来制造的。
[0054] 通过对所得的Ag合金进行拉拔加工，加工至Φ 0.9~1.2mm后，使用拉模连续地进 行拉丝加工等，从而制作出Φ300~600μπι的线。此时，在线表面吸附了氧、硫的情况下，可以 进行使用盐酸等的酸洗处理。然后，通过反复进行200~500°C的中间热处理和拉丝加工，加 工至最终线径Φ 15~25μηι。拉丝中使用市售的润滑液，拉丝时的送线速度设为20~300m/分 钟。中间热处理是一边连续地牵引线一边在Ar气气氛中进行。中间热处理时的送线速度设 为20~200m/分钟。这里，通过进行3次以上的200~500°C的中间热处理，能够相对于从线表 面向深度的方向20~30nm的区域，将0~10nm的区域中的In、Ga、Cd中的1种以上的浓度控制 为较高。优选的是，关于中间热处理温度，第1次为200~330°C，第2次为250~400°C，自第3 次以后为350°C~500°C的范围来进行，这样将更有效。这是因为通过上述热处理，添加的元 素在接合线的表面扩散的效果所致的。另外，通过使实施中间热处理的线径为Φ50~Φ 100 μπι以上，能够将与线轴垂直的方向的截面中的平均结晶粒径控制在0.2~3.5μπι。这是能够 控制再结晶时的晶粒生长的效果所致的。进而，通过使拉丝时的送线速度为200~300m/分 钟、中间热处理的温度为200~300°C，能够使相对于接合线的长度方向的角度差为15度以 下的结晶取向〈1〇〇>的存在比率增加到30%以上。再者，本技术在多次进行中间热处理的情 况下也是有效的。
[0055] 拉丝加工后的线实施了最终热处理，使得最终断裂伸长率成为约9~15%。最终热 处理以与中间热处理同样的方法进行。最终热处理时的线的输送速度与中间热处理同样地 设为20~200m/分钟。最终热处理温度为200~600°C，热处理时间为0.2~1.0秒。这里，通过 在最终热处理后实施在350~500°C下0.2~0.5秒钟的追加热处理，能够相对于从线表面向 深度的方向1~l〇nm的区域，将从线表面向深度的方向0~lnm的区域中的In、Ga、Cd中的1种 以上的浓度控制在1.2倍以上。
[0056] 接合可靠性评价用的样品，是对在通常的金属框上的Si基板形成了厚度Ι.Ομπι的 Α1膜的电极，使用市售的线焊接机进行球接合，通过市售的环氧树脂进行封止而制作的。球 是一边使Ν2+5%Η 2气体以流量0.4~0.6L/min流动一边形成的，使球径相对于线的线径为 1.5~1.6倍的范围。高温高湿环境中的接合可靠性，是通过使用不饱和型压力锅蒸煮试验 机，暴露在温度130°C、相对湿度85 %的高温高湿环境时的球接合部的接合寿命来判定的。 球接合部的接合寿命设为，每100小时实施球接合部的剪切试验，剪切强度的值成为初期所 得的剪切强度的1/3的时间。高温高湿试验后的剪切试验，是在通过酸处理除去树脂，使球 接合部露出之后进行的。剪切试验机使用DAGE公司制的微小强度试验机。剪切强度的值使 用随机选择的球接合部的10个地方的测定值的平均值。在上述的评价中，如果接合寿命小 于300小时，则判断为实用上有问题，标记为Λ符号；如果接合寿命为300以上且小于500小 时，则判断为实用上无问题，标记为?符号;如果接合寿命 为500小时以上，则判断为特别优 异，标记为◎符号;如果接合寿命为1000小时以上，则标记为☆符号。
[0057]弹回性能评价用的样品，是通过使用市售的线焊接机，在形成于半导体元件上的 电极上的柱状凸块上进行楔接合、即作为接合方法进行逆接合而制作的。接合条件为环路 长度3.0mm、环路高度0.13mm。用光学显微镜观察接合的200根的接合线的环路部分，如果相 邻的接合线有接触的地方则判定为不良。如果不良存在5处以上，则判断为实用上有问题， 标记为Λ符号；如果不良为1~4处，则判断为实用上无问题，标记为?符号；如果不良完全 没有发生，则判断为特别优异，标记为◎符号。
[0058]芯片损伤性能的评价，是通过使用市售的线焊接机对在Si基板成膜有厚度Ι.Ομπι 的Α1膜的电极进行球接合，用光学显微镜观察球接合部正下方的Si基板而进行的。Si基板 出现龟裂的情况判定为不良。观察100处，如果存在1处以上的不良，则判断为实用上有问 题，标记为Λ符号;如果完全没有发生不良，则判断为特别优异，标记为?符号。
[0059]接合线的使用寿命的评价如下:将接合线在大气气氛中放置一定时间，然后进行 接合，评价是否能够形成良好的球、以及球接合部和楔接合部中是否能够获得良好的接合 状态。关于球形成的判定，用光学显微镜观察100个球，如果圆球性低的球、和/或表面有凹 凸的球有5个以上，则判定为不良。球的形成条件为使用Ν 2+5%Η2气体、气流量为0.4~0.6L/ min、球的直径为线的线径的1.5~1.6倍的范围。球接合部和楔接合部中是否能够获得良好 的接合状态的判定是使用市售的线焊接机连续进行1000次的接合而判定的。用光学显微镜 观察球接合部、楔接合部，3根以上发生剥离等不良的情况判定为不良。放置期间小于12个 月而发生了上述任一种不良的情况判断为实用上有问题，标记为Λ符号;放置期间为经过 12个月后且小于18个月的期间而发生不良的情况判断为实用上无问题，标记为?符号；放 置期间为经过18个月后且小于24个月的期间而发生不良的情况判断为优异，标记为◎符 号；如果放置期间为经过24个月后也完全没有发生不良，则判断为特别优异，标记为☆符 号。
[0060] 关于球的压溃形状的评价，使用市售的线焊接机对在Si基板成膜有厚度Ι.Ομπι的 Α1膜的电极进行球接合，从正上方用光学显微镜观察。关于球的压溃形状的判定，如果压溃 形状是近于圆形的，则判定为良好;如果是椭圆形、花瓣状的形状，则判定为不良。用光学显 微镜观察100处球接合部，如果存在5个以上的不良，则判断为实用上有问题，标记为Λ符 号;如果存在1~4个不良，则判断为实用上无问题，标记为?符号;如果完全没有发生不良， 则判断为特别优异，标记为◎符号。
[0061] 楔接合性的评价，通过使用施加了镀Ag层的通常的金属框，使用市售的线焊接机 进行楔接合，观察楔接合部而进行。接合条件使用通常使用的接合条件。用光学显微镜观察 50根的楔接合部，如果接合部中接合线的剥离存在5个以上，则判断为实用上有问题，标记 为Λ符号;如果剥离存在3~4个，则判断为实用上无问题，标记为?符号;如果剥离存在1~ 2个，则判断为优异，标记为◎符号；如果不良完全没有发生，则判断为特别优异，标记为女 符号。
[0062] 关于接合线的放线性能的评价，通过在通常的接合条件下进行接合，然后用扫描 型显微镜观察环路部分的接合线，测定直径，求出相对于接合前的接合线的直径的减少率 而进行。如果减少率为80%以下，则判定为不良。观察30根接合线，如果存在5根以上不良， 则判断为实用上有问题，标记为Λ符号；如果存在3~4根不良，则判断为实用上无问题，标 记为?符号;如果存在1~2根不良，则判断为优异，标记为◎符号;如果不良完全没有发生， 则判断为特别优异，标记为☆符号。
[0063] 关于毛细管的使用寿命，在使用前后观察毛细管的尖端的孔，利用毛细管尖端的 孔的磨损量进行评价。接合条件设为通常的条件，观察将接合线进行3000次接合后的毛细 管，如果无磨损，则判断为实用上无问题，标记为?符号;观察接合10000次后的毛细管，如 果无磨损，则判断为优异，标记为◎符号。
[0064] 表1-1~表1-10表示记载了本发明涉及的接合线的组成等特征和各种接合线的各 评价结果的实施例。表2-1和表2-2表示比较例。
[0065] 权利要求1涉及的接合线是No. 1~188,确认了能够满足在高密度安装中要求的接 合可靠性、弹回性能和芯片损伤性能。与此相对，如比较例的No. 1~7所示那样，In、Ga、Cd的 浓度为上述范围之外的情况下，确认到不能获得充分的效果。权利要求2涉及的接合线是 No.31~94、123~127、131~135、140~144、148~152、156~160、164~168、173~177、180、 182，确认到可实现接合线的使用寿命的提高。权利要求3涉及的接合线是No. 95~127、134、 135、143、144、151、152、159、160、167、168、176、177,确认到能够获得优异的球压溃形状。权 利要求4涉及的接合线是No. 1~127、136~180，确认到能够获得良好的楔接合性。权利要求 5涉及的接合线是No. 1~135、137~168、170~188,确认到能够获得优异的线放线性能。权 利要求6涉及的接合线是No. 170~188,确认到能够获得更优异的楔接合性。权利要求7涉及 的接合线是No. 182~18,确认到能够获得优异的毛细管的使用寿命。
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[0077]
【主权项】
1. 一种半导体装置用接合线，其特征在于，包含总计为0.05~5原子％的111、6&、0(1中的 1种以上，其余量包含Ag和不可避免的杂质。2. 根据权利要求1所述的半导体装置用接合线，其特征在于，还包含总计为0.01~5原 子％的附、&1、1^、？(1、？1411中的1种以上。3. 根据权利要求1或2所述的半导体装置用接合线，其特征在于，还包含总计为10~300 原子ppm的Be、B、P、Ca、Y、La、Ce中的1种以上。4. 根据权利要求1~3的任一项所述的半导体装置用接合线，其特征在于，接合线表面 部的In、Ga、Cd的总计原子百分率是所述接合线内部的In、Ga、Cd的总计原子百分率的2倍以 上。5. 根据权利要求1~4的任一项所述的半导体装置用接合线，其特征在于，与线轴垂直 的方向的截面中的平均结晶粒径为〇. 2~3.5μπι。6. 根据权利要求1~5的任一项所述的半导体装置用接合线，其特征在于，在测定包含 所述接合线的线轴且与线轴平行的截面的结晶取向时的测定结果中，相对于所述接合线的 长度方向，角度差为15度以下的结晶取向〈100>的存在比率以面积率计为30%以上且100% 以下。7. 根据权利要求1~6的任一项所述的半导体装置用接合线，其特征在于，从所述接合 线的最表面向深度的方向0~lnm的区域中的选自In、Ga、Cd中的至少1种以上的元素相对于 金属元素的总计的平均总计原子百分率，是从所述接合线的最表面向深度的方向1~1 〇nm 的区域中的选自In、Ga、Cd中的至少1种以上的元素相对于金属元素的总计的平均总计原子 百分率的1.2倍以上。
【专利摘要】本发明提供能够满足在高密度安装中要求的接合可靠性、弹回性能、芯片损伤性能的接合线。一种接合线，其特征在于，包含总计为0.05～5原子％的In、Ga、Cd中的1种以上，其余量包含Ag和不可避免的杂质。
【IPC分类】C22C5/06, C22F1/14, H01L21/60, C22F1/00
【公开号】CN105492637
【申请号】CN201580001736
【发明人】小山田哲哉, 宇野智裕, 出合博之, 小田大造
【申请人】新日铁住金高新材料株式会社, 日铁住金新材料股份有限公司
【公开日】2016年4月13日
【申请日】2015年5月20日
【公告号】EP3029167A1, WO2016006326A1
【技术领域】
[0001] 本发明涉及为了连接半导体元件上的电极与外部引线等电路布线基板的布线而 被利用的半导体装置用接合线。
【背景技术】
[0002] 现在，作为将半导体元件上的电极与外部引线之间接合的半导体装置用接合线 (以下称为接合线），主要使用线径15~50μπι左右的细线。接合线的接合方法一般为并用超 声波的热压接方式，可使用通用接合装置、使接合线通到其内部而连接的毛细管夹具等。接 合线的接合工艺通过下述过程来完成:通过电弧热输入将线尖端加热熔融，在通过表面张 力形成球部之后，使该球部压接接合于在150°C~300°C的范围内加热了的半导体元件的电 极上（以下称为球接合），接着，形成环路之后，将线部压接接合到外部引线侧的电极（以下 称为楔接合）。作为接合线的接合对象的半导体元件上的电极，大多使用在Si基板上形成了 以A1为主体的合金膜的电极结构、外部引线侧的电极，大多使用在Si基板上施加了镀银层、 镀钯层等的电极结构。
[0003] 对接合线要求具有优异的球形成性、球接合性、楔接合性、环路形成性等。作为综 合性地满足这些要求性能的接合线的材料，逐渐主要使用Au。近年来，以Au价格的高涨为背 景，使用比较便宜的材料作为Au的替代材料的接合线的开发正在盛行。作为开发例，可举出 具有在Cu的表面被覆了 Pd的结构的接合线。该接合线的特征主要是通过抑制Cu的氧化而综 合性地改善了接合线的性能这点，在最尖端的LSI(Large Scale Integration，大规模集 成)领域被使用。
[0004] 在今后的接合线开发中，强烈要求对应于与半导体器件的进一步高性能化、小型 化相伴的高密度安装。在高密度安装中，为了抑制LSI层间的信号延迟，有时会使用脆弱的 低介电常数材料作为层间的绝缘材料，经常存在对半导体元件的损伤的问题。相邻的电极 的间隔狭窄，需要使接合线的线径变细，因此要求接合线具有高的楔接合性。为了在细的线 径中确保导电性，期望用于接合线的材料的电阻率低。作为这样的高密度领域中的接合线 的材料，大多使用软质且可获得高楔接合性、电阻率较低的Au。
[0005] 为了解决上述那样的高密度安装中的课题，提供比Au便宜的接合线，曾进行了作 为接合线的材料使用Ag的尝试。Ag的杨氏模量（约83 X 109N/m2)与Au的杨氏模量（约80X 109N/m2)大致相等，且低于Cu的杨氏模量(约130X 109N/m2)，因此期待在针对脆弱的半导体 元件的球接合中损伤少、且能够获得良好的楔接合性。室温附近的Ag的电阻率（1.6μΩ · cm)比Cu的电阻率（1.7μΩ · cm)、Au的电阻率(2.2μΩ · cm)低，因此从电特性的观点出发， 也可以认为其适合作为高密度安装中的接合线的材料。
[0006] 然而，使用了 Ag的接合线（以下称为Ag接合线)在高密度安装中存在接合可靠性、 环路的稳定性低这样的问题。接合可靠性评价是以评价实际的半导体器件的使用环境中的 接合部寿命为目的而进行的。一般接合可靠性评价使用高温放置试验、高温高湿试验。与使 用了 Au的接合线（以下称为Au接合线)相比，Ag接合线在高温高湿试验中的球接合部的寿命 差是个问题。由于在高密度安装中进行小球接合，因此贡献给接合的面积变小，因此确保寿 命变得更加困难。
[0007] 对于环路的稳定性，被称为弹回（spring)不良的不良成为问题。弹回不良成为在 接合线的接合工序中由于环路弯曲的现象，接合线彼此接触而引起短路的原因。在高密度 安装中，相邻的接合线的间隔变得狭窄，因此强烈要求抑制弹回不良。线的强度越低，弹回 不良越容易发生，因此在线径变细的高密度安装中成为问题的情况较多。
[0008] 作为解决这些课题的方法，曾公开了在Ag中添加各种元素而合金化的技术，但是 如果合金元素的浓度变高，则球会变硬，球接合时发生芯片损伤。这些课题成为妨碍Ag接合 线普及的原因。
[0009] 关于以改善接合可靠性为目的的Ag接合线的开发，例如，专利文献1中公开了一种 接合线，其特征在于，包含合计为0.1~10重量％的？1?(1、(：11、1?11、〇8、1^、&中的1种或2种以 上，Pt为10重量％以下，Pd为10重量％以下，Cu为5重量％以下，Ru为1重量％以下，Os为1重 量％以下，Rh为1重量％以下，Ir为1重量％以下，其余量由Ag和不可避免的杂质组成。
[0010] 例如，专利文献2中公开了一种半导体元件用Ag-Au-Pd三元合金系接合线，其特征 在于，是由纯度99.99质量％以上的Ag、纯度99.999质量％以上的Au和纯度99.99质量％以 上的Pd构成的三元合金系接合线，Au为4~10质量％、Pd为2~5质量％、氧化性非贵金属添 加元素为15~70质量ppm以及其余量由Ag组成，该接合线在连续模拉丝前进行退火热处理， 在连续模拉丝后进行调质热处理，在氮气气氛中进行球接合。
[0011] 关于以提高环路的稳定性为目的的Ag接合线的开发，曾公开了通过加工热处理来 控制抗拉强度和屈服强度σ〇.2的技术。例如，专利文献3中公开了一种接合线，其特征在于， 在523Κ的温度气氛下加热15~25秒钟后，接着在前述温度气氛下测定出的抗拉强度高于在 298Κ的温度气氛下测定出的屈服强度〇〇. 2。
[0012] 在先技术文献 [0013]专利文献
[0014] 专利文献1:日本特开平11-288962号公报 [0015] 专利文献2:日本特开2012-169374号公报 [0016] 专利文献3:日本特开2002-319597号公报
【发明内容】
[0017] 然而，上述专利文献中公开的Ag接合线不能满足高密度安装中要求的针对接合可 靠性、弹回不良、芯片损伤所要求的性能。
[0018] 高温高湿试验一般采用在温度为121°C、相对湿度为100%的条件下进行的被称为 PCT(Pressure Cooker Test:压力锅蒸煮试验)的试验。近年来，作为更加严格的评价方法， 大多采用在温度为130°C、相对湿度为85 %的条件下进行的被称为HAST (Highly Accelerated temperature and humidity Stress Test:高加速温度和湿度应力试验）的 试验。对于高密度安装用的半导体器件，在设想了工作环境的情况下，要求在HAST中经过 300小时以上后也正常地工作。Ag接合线在HAST中球接合部的寿命成为问题。Ag接合线，通 过暴露在高温高湿环境中，在球接合部发生剥离、电连接丧失，从而成为半导体器件故障的 原因。另外，在高密度安装中，为了对应于窄间距化，大多形成比通常小的球而进行接合（以 下称为小球接合）。接合线在使用了小球接合的情况下，贡献给接合的面积变小，存在接合 寿命变短的倾向，因此要求更严格的接合可靠性。
[0019] 弹回不良是大多在高密度安装领域中，在存储器用途中进行的层叠芯片的连接中 成为问题的不良。在通过接合线连接层叠芯片的方法中，大多使用与通常的接合相比接合 位置反过来的、被称为逆接合的连接方法。在逆接合的接合工艺中，在芯片上的电极上形成 柱状凸块，然后在基板的电极上接合球部，最后在前述柱状凸块上使接合线进行楔接合。通 过该逆接合，能够将环路高度抑制为较低，即使在芯片的层叠数增加、高低差(段差)高的情 况下也能实现稳定的环路控制。另一方面，如果进行逆接合，则容易发生弹回不良。
[0020] 芯片损伤是在接合工序中，在球接合工序中发生的不良现象。在高密度安装领域 中，伴随着芯片的薄化、多层化，大多采取强度低的结构，对于抑制芯片损伤的要求在提高。 进而，在高密度安装中进行的小球接合中，接合时应力集中，芯片损伤容易发生，因此要求 严格抑制芯片损伤。
[0021 ]针对这些所要求的性能，在使用了以往所报告的Ag接合线的情况下，判明了在接 合可靠性、弹回性能、芯片损伤性能上存在以下的问题。关于接合可靠性，对A1电极进行球 接合，树脂封止后，进行HAST，结果在经过150小时的阶段球接合部的接合强度下降，没有获 得在高密度安装中要求的300小时以上的寿命。观察接合界面，结果在Ag接合线与A1电极的 界面确认到孔隙（void)的产生。推定这是因为在接合界面形成的Ag与A1的金属间化合物的 一部分腐蚀了。关于弹回性能，在进行了逆接合的情况下，判明了接合线的 强度不足、环路 弯曲、难以抑制弹回不良。关于芯片损伤性能，在进行了小球接合的情况下，可知芯片产生 龟裂，不适合实用。
[0022]本发明的目的是解决以往技术的问题，提供能够满足在高密度安装中要求的接合 可靠性、弹回性能、芯片损伤性能的接合线。
[0023]本发明的半导体装置用接合线，其特征在于，包含总计为0.05~5原子％的111、6&、 Cd中的1种以上，其余量包含Ag和不可避免的杂质。
[0024] 根据本发明，能够满足在高密度安装中要求的接合可靠性、弹回性能、芯片损伤性 能。
【具体实施方式】
[0025] 本实施方式涉及的接合线，通过包含总计为0.05~5原子％的111、6&、0(1中的1种以 上，其余量为Ag和不可避免的杂质，能够改善在高密度安装中要求的接合可靠性，并能够抑 制弹回不良。
[0026] 说明本实施方式涉及的接合线的对于改善接合可靠性的有效性。在使用线的线径 为Φ 15~25μηι的线的情况下，在通常的接合中，形成相对于线的线径、球径为1.7~2.0倍的 球而进行接合。在高密度安装用途中，为了对应于窄间距化，大多形成相对于线的线径、球 径为1.5~1.6倍这样的比通常小的球而进行接合。在使用以往的Ag接合线来进行小球接 合，并在温度为130°C、相对湿度为85%的条件下进行高温高湿试验的情况下，球接合部寿 命小于150小时。在使用本实施方式涉及的接合线的情况下，获得了 300小时以上的优异的 球接合部寿命。从该结果来看，本实施方式涉及的接合线满足在高密度安装中要求的基准， 能够在高密度安装中使用。为了缓和半导体元件的损伤，对使用了脆弱的低介电常数材料 的半导体元件进行球接合时的接合条件，与通常的条件相比，需要减弱超声波。在使用这样 的接合条件的情况下，以往的Ag接合线难以获得充分的接合面积，球接合部寿命小于100小 时。另一方面，在使用本实施方式涉及的接合线的情况下，可获得300小时以上的球接合部 寿命，确认出能够实现优异的接合可靠性。可以认为这是因为本实施方式涉及的接合线中 包含的I η、Ga、Cd抑制了在球接合部的接合界面成为腐蚀的原因的Ag与A1的金属间化合物 的生长。
[0027] 接着，说明本实施方式涉及的接合线的对于抑制弹回不良的有效性。对于具有层 叠有多个半导体元件的结构的器件，使用线的线径为Φ 15~25μπι的线实施逆接合，结果以 往的Ag接合线发生了弹回不良。与此相对，本实施方式涉及的接合线能够抑制弹回不良。本 实施方式涉及的接合线，即使在最尖端的高密度封装中也能够确认到抑制弹回不良的效 果。可以认为弹回性能的改善效果是接合线的屈服强度提高所致。
[0028] 以上表明，本实施方式涉及的接合线能够同时满足在高密度安装中要求的性能和 低成本化，能够代替Au接合线。
[0029 ]包含总计超过5原子％的I η、Ga、Cd中的1种以上的接合线，由于接合线的断裂伸长 率下降，在楔接合时产生接合线断裂的不良，因此不适合实用。即，为了在改善接合可靠性 以及抑制弹回不良的同时满足作为接合线的综合性能，接合线中包含的In、Ga、Cd中的1种 以上的总计为0.05原子％~5原子％是有效的。关于接合线，如果前述元素的总计浓度为 0.1~2原子％，则在HAST中能够实现500小时的寿命，因此优选。这是因为，通过将球的硬度 控制在适当的范围内，球接合界面的金属间化合物均匀地形成，能够缓和成为接合寿命下 降的原因的凹凸所引起的应力集中。进而，关于接合线，如果前述元素的总计浓度为0.5~1 原子％，则在HAST中能够实现1000小时的寿命，因此更优选。这是因为，通过将线部分的硬 度控制在适当的范围内，楔接合时的被称为尾状的形状稳定，能够降低形成球时的形状、大 小的偏差，能够抑制接合可靠性的偏差。
[0030]接合线中包含的元素的浓度分析可以利用ICP发射光谱分析装置等。在接合线的 表面吸附有氧、碳等元素的情况下，在进行解析之前，可以通过溅射法等将从表面起的2nm 的区域削去之后进行浓度测定。作为其他方法，使用酸洗的方法也是有效的。对于后述的 、&1、诎、？(1、？1411或86、8、？、〇3、￥、1^丄6的浓度分析也可以使用同样的方法。
[0031 ] 具有上述特征的接合线，通过进一步包含总计为0.01~5原子5"^^Ni、Cu、Rh、Pd、 Pt、Au中的1种以上，能够改善接合线的使用寿命。
[0032] 接合线包含11!、6&、0(1，而且复合添加与这些元素的结合力强的元素时，针对经时 劣化是有效的。
[0033] 以往的接合线，随着时间的经过，有时表面会吸附硫原子，球形成性等性能下降。 为了抑制接合线表面吸附硫原子，使接合线表面的活性下降的方法是有效的。例如，只要用 与Ag相比对硫的吸附能力低的元素置换接合线表面的Ag原子即可。由于接合线的表面存在 111、6&、0(1，因此可以认为，通过添加与这些元素的结合力强的元素，能够更高效率地提高耐 硫化性。
[0034] 本发明人等进行深入研究的结果发现，本实施方式涉及的接合线通过包含总计为 0.01~5原子％以上的附、(：11、1?11、？(1、？1:、411中的1种以上，耐'硫化性提高，能够改善接合线的 使用寿命。在前述元素的总计浓度小于0.01原子％的情况下不能期待上述的效果。在前述 元素的总计浓度超过5原子％的情况下，通过电弧放电产生的向线表面的热输入变得不稳 定，不能获得圆球性高的球，因此不适合实用。优选前述元素的总计浓度为0.5~3原子％， 如果这样的话，则能够获得更高的效果。这是因为能够进一步抑制电弧放电的热输入的不 均匀。
[0035] 本实施方式涉及的接合线通过进一步包含总计为10~300原子ppm的Be、B、P、Ca、 Y、La、Ce中的1种以上，能够改善球接合时的压溃形状。
[0036] 以往的Ag接合线，由于在球接合时球向超声波的施加方向优先变形，因此有时与 相邻的电极接触引起短路。因此，在球接合中需要降低球变形的各向异性，控制成为接近于 圆形的压溃形状。存在结晶粒径越大，球变形的各向异性越增加的倾向，因此将球部的晶粒 微细化的技术是有效的。
[0037] 本发明人等进行深入研究的结果发现，本实施方式涉及的接合线通过包含总计为 10~300原子ppm的此、8、？工&、￥、1^、(^中的1种以上，球晶粒能够微细化，能够改善球接合 时的压溃形状。在前述浓度小于10原子ppm的情况下不能期待上述的效果。在前述浓度超过 300原子ppm的情况下，接合线的断裂伸长率下降，在楔接合时线会断裂，因此不适合实用。 优选前述浓度为20~200原子ppm，如果这样的话，则可获得更高的效果。这是因为，如果为 该浓度范围，则能够降低球中的元素的偏聚，元素能更均匀地分布。
[0038] 关于本实施方式涉及的接合线，通过使接合线表面部的In、Ga、Cd的总计原子百分 率浓度为接合线内部的前述总计原子百分率浓度的2倍以上，能够改善楔接合性。
[0039] 从接合线表面向深度的方向的浓度分析，可以使用俄歇电子光谱分析装置。首先， 一边从接合线的表面通过溅射法等削去一边进行浓度测定，取得深度方向的浓度廓线。取 得浓度廓线的对象元素设为4 8、111、6&、0(1、0。对于从线表面向深度的方向，分为0~1011111的 区域、20~30nm的区域，求出各区域的平均浓度，由此确定各区域中的各元素的浓度。
[0040] 在楔接合中，由于使接合线变形来确保接合面积，因此接合线的表面部越软质，接 合面积的确保就越容易，可获得越高的接合强度。因此，相对于接合线的内部，使比Ag软质 的元素在接合线的表面部浓化的技术是有效的。将接合线的内部定义为从线表面向深度的 方向20~30nm的区域，将接合线的表面部定义为从线表面向深度的方向0~10nm的区域。
[0041] 本发明人等进行深入研究的结果发现，通过使接合线表面部的In、Ga、Cd的总计原 子百分率为接合线内部的In、Ga、Cd的总计原子百分率的2倍以上，在楔接合部中能够获得 高的接合强度。即，关于接合线，如果从线表面向深度的方向〇~1 〇nm的区域中的选自Iη、 Ga、Cd中的至少1种以上的元素相对于金属元素的总计的平均浓度记为XQ-1Qnm，从线表面向 深度的方向20~30nm的区域中的选自In、Ga、Cd中的至少1种以上 的元素相对于金属元素的 总计的平均浓度记为X2 Q-3Qnm，则在2成立时，在楔接合部能够获得高的接合 强度。在X〇-l〇nm/X2()-3()r?〈2时，不能期待上述效果。
[0042] 本实施方式涉及的接合线，通过使与线轴垂直的方向的截面中的平均结晶粒径为 0.2~3.5μπι，能够改善线的放线性。这里，所谓线轴，是指通过接合线的中心，且与长度方向 平行的轴线。
[0043] 使线截面露出的方法可以利用例如机械研磨、离子蚀刻法等。求平均结晶粒径的 方法可以使用例如电子射线背散射衍射法（E B S D : Ε 1 e c t r ο η B a c k s c a 11 e r e d Diffraction) JBSD法通过求出相邻测定点间的结晶取向差，能够判定晶界。将晶界的取向 差为15度以上的晶界定义为大倾角晶界，将由大倾角晶界包围的区域作为1个晶粒。结晶粒 径规定为通过专用的解析软件算出面积，将该面积假定为圆时的直径。
[0044] 将接合线进行接合时，将接合线从卷绕在被称为绕线架的圆柱状的工具上的状态 一点一点地放线而使用。在进行放线时，在与线轴平行方向对接合线施加张力，因此有可能 接合线变形、线径变细。为了防止这样的现象，需要控制针对在与线轴垂直的方向上起作用 的剪切应力的强度。作为控制针对剪切应力的强度的方法，使与线轴垂直的方向的截面中 的结晶粒径变小是有效的。
[0045] 本发明人等进行深入研究的结果发现，通过使与接合线的线轴垂直的方向的截面 中的平均结晶粒径为〇. 2~3.5μπι，能够获得高的放线性能。进一步优选前述平均粒径为0.4 ~3. Ομπι，如果这样的话则能够获得更高的效果。当前述平均结晶粒径超过3.5μπι时，由于拉 伸应力，线会局部变形，因此不能获得上述的效果。当前述平均结晶粒径小于0.2μπι时，由于 接合线会超过所需地硬质化，因此与毛细管的接触部的磨损变得严重，因此不适合实用。
[0046] 本实施方式涉及的接合线，通过在测定接合线的截面的结晶取向时的测定结果 中，相对于前述接合线的长度方向，角度差为15度以下的结晶取向〈100>的存在比率以面积 率计为30 %以上且100 %以下，能够进一步改善楔接合性。
[0047] 关于楔接合性，通过在接合线的截面中，使相对于接合线的长度方向的角度差为 15度以下的结晶取向〈100>的存在比率增加，能够促进接合部的变形，从而能够获得高的接 合强度。为了获得上述效果，具有相对于线的长度方向的角度差为15度以下的结晶取向〈 1〇〇>的区域的面积，相对于结晶取向测定区域的总面积，占30%以上是有效的。如果前述存 在比率小于30%，则接合部的变形变得不充分，在楔接合部不能获得高的接合强度。
[0048] 作为使接合线截面露出的方法，可以利用机械研磨、离子蚀刻法等。接合线的截面 的结晶取向可以使用EBSD法来确定。相对于接合线的长度方向的角度差为15度以下的结晶 取向〈1〇〇>的存在比率，可以通过算出相对于使用了 EBSD等的结晶取向的测定区域的面积， 具有前述结晶取向〈1〇〇>的区域所占的面积的比率而求出。前述测定区域为:在包含线轴且 与线轴平行的截面中，线的长度方向为100μπι以下，横向为线整体(与线直径大致相同的长 度)。
[0049] 本发明人等进行深入研究的结果发现，通过从本实施方式涉及的接合线的最表面 向深度的方向〇~lnm的区域中的选自In、Ga、Cd中的至少1种以上的元素相对于金属元素的 总计的平均总计原子百分率，控制为从接合线的最表面向深度的方向1~l〇nm区域中的选 自In、Ga、Cd中的至少1种以上的元素相对于金属元素的总计的平均总计原子百分率的1.2 倍以上，能够改善毛细管的使用寿命。
[0050] 毛细管与接合线由于放线时的摩擦，存在毛细管的内部磨损的课题。针对上述课 题，通过控制接合线的最表面的组成，使接合线最表面的强度降低，能够降低毛细管与接合 线间的摩擦力，能够改善毛细管的使用寿命。即，关于接合线，如果将从线表面向深度的方 向0~lnm的区域中的选自In、Ga、Cd中的至少1种以上的元素相对于金属元素的总计的平均 浓度记为Xo-inm，将从线表面向深度的方向1~1 Onm的区域中的选自In、Ga、Cd中的至少1种以 上的元素相对于金属元素的总计的平均浓度记为Xl-lQnm，在Xo-lnm/Xl-lQnm Μ . 2成立时，可获 得优异的毛细管的使用寿命。在时，不能期待上述效果。
[0051 ] 实施例
[0052] 以下对实施例进行详细说明。成为原材料的Ag使用纯度为99.9原子％以上、且其 余量由不可避免的杂质构成的银。1!1、6 &、0(1、附、(：11、1^、？(1、？1411、86、8、？、〇3、￥、1^、〇6使用 纯度为99.9原子％以上且其余量由不可避免的杂质构成的物质。
[0053] 用于接合线的Ag合金，是通过向加工为直径Φ3~6mm的圆柱形的碳坩埚中填装原 料，使用高频炉，在真空中或N2、Ar气等惰性气氛中加热至1080~1600°C使其熔化，然后进 行炉冷或空冷来制造的。
[0054] 通过对所得的Ag合金进行拉拔加工，加工至Φ 0.9~1.2mm后，使用拉模连续地进 行拉丝加工等，从而制作出Φ300~600μπι的线。此时，在线表面吸附了氧、硫的情况下，可以 进行使用盐酸等的酸洗处理。然后，通过反复进行200~500°C的中间热处理和拉丝加工，加 工至最终线径Φ 15~25μηι。拉丝中使用市售的润滑液，拉丝时的送线速度设为20~300m/分 钟。中间热处理是一边连续地牵引线一边在Ar气气氛中进行。中间热处理时的送线速度设 为20~200m/分钟。这里，通过进行3次以上的200~500°C的中间热处理，能够相对于从线表 面向深度的方向20~30nm的区域，将0~10nm的区域中的In、Ga、Cd中的1种以上的浓度控制 为较高。优选的是，关于中间热处理温度，第1次为200~330°C，第2次为250~400°C，自第3 次以后为350°C~500°C的范围来进行，这样将更有效。这是因为通过上述热处理，添加的元 素在接合线的表面扩散的效果所致的。另外，通过使实施中间热处理的线径为Φ50~Φ 100 μπι以上，能够将与线轴垂直的方向的截面中的平均结晶粒径控制在0.2~3.5μπι。这是能够 控制再结晶时的晶粒生长的效果所致的。进而，通过使拉丝时的送线速度为200~300m/分 钟、中间热处理的温度为200~300°C，能够使相对于接合线的长度方向的角度差为15度以 下的结晶取向〈1〇〇>的存在比率增加到30%以上。再者，本技术在多次进行中间热处理的情 况下也是有效的。
[0055] 拉丝加工后的线实施了最终热处理，使得最终断裂伸长率成为约9~15%。最终热 处理以与中间热处理同样的方法进行。最终热处理时的线的输送速度与中间热处理同样地 设为20~200m/分钟。最终热处理温度为200~600°C，热处理时间为0.2~1.0秒。这里，通过 在最终热处理后实施在350~500°C下0.2~0.5秒钟的追加热处理，能够相对于从线表面向 深度的方向1~l〇nm的区域，将从线表面向深度的方向0~lnm的区域中的In、Ga、Cd中的1种 以上的浓度控制在1.2倍以上。
[0056] 接合可靠性评价用的样品，是对在通常的金属框上的Si基板形成了厚度Ι.Ομπι的 Α1膜的电极，使用市售的线焊接机进行球接合，通过市售的环氧树脂进行封止而制作的。球 是一边使Ν2+5%Η 2气体以流量0.4~0.6L/min流动一边形成的，使球径相对于线的线径为 1.5~1.6倍的范围。高温高湿环境中的接合可靠性，是通过使用不饱和型压力锅蒸煮试验 机，暴露在温度130°C、相对湿度85 %的高温高湿环境时的球接合部的接合寿命来判定的。 球接合部的接合寿命设为，每100小时实施球接合部的剪切试验，剪切强度的值成为初期所 得的剪切强度的1/3的时间。高温高湿试验后的剪切试验，是在通过酸处理除去树脂，使球 接合部露出之后进行的。剪切试验机使用DAGE公司制的微小强度试验机。剪切强度的值使 用随机选择的球接合部的10个地方的测定值的平均值。在上述的评价中，如果接合寿命小 于300小时，则判断为实用上有问题，标记为Λ符号；如果接合寿命为300以上且小于500小 时，则判断为实用上无问题，标记为?符号;如果接合寿命 为500小时以上，则判断为特别优 异，标记为◎符号;如果接合寿命为1000小时以上，则标记为☆符号。
[0057]弹回性能评价用的样品，是通过使用市售的线焊接机，在形成于半导体元件上的 电极上的柱状凸块上进行楔接合、即作为接合方法进行逆接合而制作的。接合条件为环路 长度3.0mm、环路高度0.13mm。用光学显微镜观察接合的200根的接合线的环路部分，如果相 邻的接合线有接触的地方则判定为不良。如果不良存在5处以上，则判断为实用上有问题， 标记为Λ符号；如果不良为1~4处，则判断为实用上无问题，标记为?符号；如果不良完全 没有发生，则判断为特别优异，标记为◎符号。
[0058]芯片损伤性能的评价，是通过使用市售的线焊接机对在Si基板成膜有厚度Ι.Ομπι 的Α1膜的电极进行球接合，用光学显微镜观察球接合部正下方的Si基板而进行的。Si基板 出现龟裂的情况判定为不良。观察100处，如果存在1处以上的不良，则判断为实用上有问 题，标记为Λ符号;如果完全没有发生不良，则判断为特别优异，标记为?符号。
[0059]接合线的使用寿命的评价如下:将接合线在大气气氛中放置一定时间，然后进行 接合，评价是否能够形成良好的球、以及球接合部和楔接合部中是否能够获得良好的接合 状态。关于球形成的判定，用光学显微镜观察100个球，如果圆球性低的球、和/或表面有凹 凸的球有5个以上，则判定为不良。球的形成条件为使用Ν 2+5%Η2气体、气流量为0.4~0.6L/ min、球的直径为线的线径的1.5~1.6倍的范围。球接合部和楔接合部中是否能够获得良好 的接合状态的判定是使用市售的线焊接机连续进行1000次的接合而判定的。用光学显微镜 观察球接合部、楔接合部，3根以上发生剥离等不良的情况判定为不良。放置期间小于12个 月而发生了上述任一种不良的情况判断为实用上有问题，标记为Λ符号;放置期间为经过 12个月后且小于18个月的期间而发生不良的情况判断为实用上无问题，标记为?符号；放 置期间为经过18个月后且小于24个月的期间而发生不良的情况判断为优异，标记为◎符 号；如果放置期间为经过24个月后也完全没有发生不良，则判断为特别优异，标记为☆符 号。
[0060] 关于球的压溃形状的评价，使用市售的线焊接机对在Si基板成膜有厚度Ι.Ομπι的 Α1膜的电极进行球接合，从正上方用光学显微镜观察。关于球的压溃形状的判定，如果压溃 形状是近于圆形的，则判定为良好;如果是椭圆形、花瓣状的形状，则判定为不良。用光学显 微镜观察100处球接合部，如果存在5个以上的不良，则判断为实用上有问题，标记为Λ符 号;如果存在1~4个不良，则判断为实用上无问题，标记为?符号;如果完全没有发生不良， 则判断为特别优异，标记为◎符号。
[0061] 楔接合性的评价，通过使用施加了镀Ag层的通常的金属框，使用市售的线焊接机 进行楔接合，观察楔接合部而进行。接合条件使用通常使用的接合条件。用光学显微镜观察 50根的楔接合部，如果接合部中接合线的剥离存在5个以上，则判断为实用上有问题，标记 为Λ符号;如果剥离存在3~4个，则判断为实用上无问题，标记为?符号;如果剥离存在1~ 2个，则判断为优异，标记为◎符号；如果不良完全没有发生，则判断为特别优异，标记为女 符号。
[0062] 关于接合线的放线性能的评价，通过在通常的接合条件下进行接合，然后用扫描 型显微镜观察环路部分的接合线，测定直径，求出相对于接合前的接合线的直径的减少率 而进行。如果减少率为80%以下，则判定为不良。观察30根接合线，如果存在5根以上不良， 则判断为实用上有问题，标记为Λ符号；如果存在3~4根不良，则判断为实用上无问题，标 记为?符号;如果存在1~2根不良，则判断为优异，标记为◎符号;如果不良完全没有发生， 则判断为特别优异，标记为☆符号。
[0063] 关于毛细管的使用寿命，在使用前后观察毛细管的尖端的孔，利用毛细管尖端的 孔的磨损量进行评价。接合条件设为通常的条件，观察将接合线进行3000次接合后的毛细 管，如果无磨损，则判断为实用上无问题，标记为?符号;观察接合10000次后的毛细管，如 果无磨损，则判断为优异，标记为◎符号。
[0064] 表1-1~表1-10表示记载了本发明涉及的接合线的组成等特征和各种接合线的各 评价结果的实施例。表2-1和表2-2表示比较例。
[0065] 权利要求1涉及的接合线是No. 1~188,确认了能够满足在高密度安装中要求的接 合可靠性、弹回性能和芯片损伤性能。与此相对，如比较例的No. 1~7所示那样，In、Ga、Cd的 浓度为上述范围之外的情况下，确认到不能获得充分的效果。权利要求2涉及的接合线是 No.31~94、123~127、131~135、140~144、148~152、156~160、164~168、173~177、180、 182，确认到可实现接合线的使用寿命的提高。权利要求3涉及的接合线是No. 95~127、134、 135、143、144、151、152、159、160、167、168、176、177,确认到能够获得优异的球压溃形状。权 利要求4涉及的接合线是No. 1~127、136~180，确认到能够获得良好的楔接合性。权利要求 5涉及的接合线是No. 1~135、137~168、170~188,确认到能够获得优异的线放线性能。权 利要求6涉及的接合线是No. 170~188,确认到能够获得更优异的楔接合性。权利要求7涉及 的接合线是No. 182~18,确认到能够获得优异的毛细管的使用寿命。
[0066]
[0067]
[0068]
[0069]
[0070]
[0071]
[0072]
[0073]
[0074]
[0075]
[0076]
[0077]
【主权项】
1. 一种半导体装置用接合线，其特征在于，包含总计为0.05~5原子％的111、6&、0(1中的 1种以上，其余量包含Ag和不可避免的杂质。2. 根据权利要求1所述的半导体装置用接合线，其特征在于，还包含总计为0.01~5原 子％的附、&1、1^、？(1、？1411中的1种以上。3. 根据权利要求1或2所述的半导体装置用接合线，其特征在于，还包含总计为10~300 原子ppm的Be、B、P、Ca、Y、La、Ce中的1种以上。4. 根据权利要求1~3的任一项所述的半导体装置用接合线，其特征在于，接合线表面 部的In、Ga、Cd的总计原子百分率是所述接合线内部的In、Ga、Cd的总计原子百分率的2倍以 上。5. 根据权利要求1~4的任一项所述的半导体装置用接合线，其特征在于，与线轴垂直 的方向的截面中的平均结晶粒径为〇. 2~3.5μπι。6. 根据权利要求1~5的任一项所述的半导体装置用接合线，其特征在于，在测定包含 所述接合线的线轴且与线轴平行的截面的结晶取向时的测定结果中，相对于所述接合线的 长度方向，角度差为15度以下的结晶取向〈100>的存在比率以面积率计为30%以上且100% 以下。7. 根据权利要求1~6的任一项所述的半导体装置用接合线，其特征在于，从所述接合 线的最表面向深度的方向0~lnm的区域中的选自In、Ga、Cd中的至少1种以上的元素相对于 金属元素的总计的平均总计原子百分率，是从所述接合线的最表面向深度的方向1~1 〇nm 的区域中的选自In、Ga、Cd中的至少1种以上的元素相对于金属元素的总计的平均总计原子 百分率的1.2倍以上。
【专利摘要】本发明提供能够满足在高密度安装中要求的接合可靠性、弹回性能、芯片损伤性能的接合线。一种接合线，其特征在于，包含总计为0.05～5原子％的In、Ga、Cd中的1种以上，其余量包含Ag和不可避免的杂质。
【IPC分类】C22C5/06, C22F1/14, H01L21/60, C22F1/00
【公开号】CN105492637
【申请号】CN201580001736
【发明人】小山田哲哉, 宇野智裕, 出合博之, 小田大造
【申请人】新日铁住金高新材料株式会社, 日铁住金新材料股份有限公司
【公开日】2016年4月13日
【申请日】2015年5月20日
【公告号】EP3029167A1, WO2016006326A1
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