半导体用接合线的制作方法

半导体用接合线的制作方法
【专利说明】
[0001] 本申请是申请日为2010年7月16日、申请号为201080019191. 6、名称为"半导体 用接合线"的专利申请的分案申请。
技术领域
[0002] 本发明涉及为了接合半导体元件上的电极与外部连接端子而使用的半导体用接 合线。
【背景技术】
[0003] 现在，作为将半导体元件上的电极与外部端子之间连接的半导体用接合线（以下 称为接合线），主要使用线径为20~50ym左右、材质为高纯度4N(4-Nine，纯度为99. 99 质量％以上）的金（Au)的接合线（金接合线）。为了使金接合线接合在作为半导体元件的 硅芯片上的电极上，一般地进行超声波并用热压接方式的球接合。即为下述的方法：使用通 用接合装置，将上述金接合线通到称作毛细管的夹具的内部，通过电弧热输入将线尖端加 热熔融，通过表面张力形成球部后，使加热熔融形成的球部压接接合于在150°C~300°C的 范围内加热了的上述电极上。
[0004] 另一方面，在将金接合线与引线和焊盘等的外部连接端子接合的情况下，一般地 不形成如上述那样的球部而进行金接合线与电极直接接合的所谓的楔接合。近年，半导 体安装的结构、材料、接合技术等在急速地多样化，例如，在安装结构中，除了现行的使用 引线框的QFP(QuadFlatPackaging)以外，使用基板或聚酰亚胺带等的BGA(BallGrid Array)、CSP(ChipScalePackaging)等的新的安装方式得到实用化，外部接合端子也在多 样化。因此，楔接合特性比过去更加受到重视。
[0005] 另外，半导体元件小型化的需求在增高，为了进行薄型安装，降低接合线连接的环 路的高度这种低环路接合技术、从基板侧向多片层叠的芯片翘起环路的逆打线接合技术等 在不断推广。
[0006] 然而，随着最近的资源价格的高涨，作为金接合线的原料的价格也在急速增长，研 究了铜（Cu)作为代替金的低成本的线坯料。然而，与金相比铜容易被氧化，因此单纯的铜 接合线难以长期保管，楔接合特性也不好。另外，在这样的单纯的铜接合线的尖端形成球部 时，必须处在还原气氛中以不使球部氧化。具体地，一般地使用在氮（N2)中混合了 4体积％ 左右氢（H2)的气体，使球部周边成为还原气氛，但尽管如此，也难以进行象使用金接合线那 样的良好的球接合。由于这些原因，铜接合线的利用还没有扩大到一般的LSI领域。
[0007] 于是，为了解决铜接合线氧化的问题，曾提出了在铜线表面被覆了银（Ag)的铜接 合线。例如，专利文献1，虽然没有示出在铜线上被覆了银的具体例，但作为接合线的内部金 属，列举了错（Al)、铜、铁（Fe)、铁与镍的合金（FeNi)等的非纯贵金属，作为上述接合线的 表面被覆金属，公开了对水分、盐分、碱等具有耐腐蚀性的金属，例如金和银。另外，专利文 献2,虽然没有示出在铜线上被覆了银的具体例，但例举了在铜系线上被覆了包含金、银的 贵金属的铜系接合线，记载了如果对该铜系线实施被覆则耐腐蚀性进一步提高的内容。专 利文献3,公开了对铝（Al)或铜线镀了金和银等的贵金属的接合线，在铜接合线的场合，通 过上述镀敷消除了耐腐性和热氧化的问题，与引线框的接合性也得到了与金接合线同样的 可靠性。专利文献4公开了在高纯度铜极细线的表面上被覆了贵金属或耐腐蚀性金属的铜 接合线，作为上述被覆的贵金属之一使用银。通过这样地构成，能够抑制铜接合线的表面 氧化（具体地，有无在大气中放置10天后的表面氧化）。另外，作为上述铜极细线的直径 为15~80ym，上述被覆的被膜为IOnm~Iym的平均层厚（实施例中，25ym直径的线， 0.Iym的平均层厚的被膜）。专利文献5公开了在铜细线的表面上以线径的0.001~0.01 倍的厚度被覆了银的铜接合线，即，在直径25ym的铜细线上被覆0. 02~0. 3ym厚度的银 的铜接合线。通过被覆银可抑制铜的氧化，并且球形成能力提高。
[0008] 另外，为了解决铜接合线氧化的问题，提出了在铜线的表面上被覆贵金属，具体地 被覆金（Au)的铜接合线。例如，专利文献1虽然没有示出在铜线上被覆金的具体例，但作为 接合线的内部金属列举出铝（Al)、铜、铁（Fe)、铁与镍的合金（FeNi)等的非纯贵金属，作为 上述接合线的表面被覆金属公开了对水分、盐分、碱等具有耐腐蚀性的金属，例如，金和银。 专利文献7公开了以含有铜或锡的铜合金为芯线，在芯线上镀金的接合线。记载了断裂强 度提高。另外，虽然专利文献2没有示出在铜线上被覆金的具体例，但例举了在铜系线上被 覆包含金、银的贵金属的铜接合线，记载了如果对铜系线实施被覆则耐腐蚀性进一步提高。 专利文献3公开了在铝（Al)或铜线上镀有金和银等的贵金属的接合线，在铜接合线的场 合，通过上述镀敷消除了耐腐蚀性和热氧化的问题，与引线框的接合性也得到了与金接合 线同样的可靠性，专利文献4公开了在高纯度铜极细线的表面上被覆贵金属或耐腐蚀性金 属的铜接合线，作为上述被覆的贵金属之一使用金。通过这样地构成，能够抑制铜接合线的 表面氧化（具体地，有无在大气中放置10天后的表面氧化）。另外，作为上述铜极细线的 直径为15~80ym，上述被覆的被膜是IOnm~Iym的平均层厚（实施例中，25ym直径的 线，0.1ym的平均层厚的被膜。）。专利文献8公开了使用金被覆铜芯线的外周，记载了对 由铝构成的电极的接合性提高。专利文献9公开了由未塑性变形的芯材与比芯材柔软且塑 性变形的外周材料构成的复合导体，作为一例，示出金作为芯材、铜合金作为外周材料，具 有提高导线与电路之间的接合强度的效果。专利文献10公开了使用金或金合金被覆铜合 金的外侧，显示出防止在树脂封装半导体元件时接合线彼此接触的不良事故。专利文献11 公开了在由无氧铜线构成的线材的表面上镀纯金，示出了高频传送优异的信号导通率高的 接合线。专利文献12公开了在以铜为主成分的芯材的上面隔着由铜以外的金属构成的异 种金属层具有由熔点比铜高的熔点的耐氧化性金属构成的被覆层的接合线，示出了能够稳 定地形成圆球的球部，而且被覆层与芯材之间的粘附性优异的特性。
[0009] 然而，如上所述在线表面上被覆银或金的铜接合线，虽然能够抑制铜的表面氧化 (尤其是保管中的氧化的进行），但在接合时形成在线尖端的球部往往不成为圆球而成为 椭圆形，妨碍该铜接合线的实用化。在被覆银的场合，认为是以下情况所致：在通过电弧 热输入加热熔融线尖端时，熔点低的银（熔点961°C)优先地熔融，而熔点高的铜（熔点 1083°C)只有一部分熔融。另外，在被覆金的场合，认为是以下情况所致：在想要线尖端加 热熔融通过电弧给予热输入时，由于铜比热大（380J/kg*K)因此难以使其熔融，而金比热 小（128J/kg?K)，因此即使一点点的热输入也能够熔融，其结果，在铜与金的多层结构体 中，金优先地熔融。另外，如在专利文献5中那样在还原气氛（10%H2-N2)中进行接合的话， 则即使是银被覆，球部形成变得良好的情况也较多，但在不含有氢的气氛中不能够抑制熔 融时的氧化，因此难以进行接合，不能够实现良好的球部形成。
[0010] 另一方面，也可以考虑在铜线的表面上被覆钯（Pd)来代替被覆银或金。实际上， 在专利文献2~4中，关于被覆层，作为银和金以外的贵金属也例举了钯。上述文献虽然 没有示出钯的优势性，但由于钯的熔点比银高（熔点1554°C)、钯的比热比金高（244J/ kg?K)，因此认为若被覆钯则可以解决下述问题：如上述的银和金那样地在铜线熔融形成 球部之前被覆层熔融，不能够形成圆球状的球部。即，认为通过在铜线的表面被覆钯，能够 同时地解决防止铜的氧化和确保球部的圆球性这两个课题。专利文献6公开了在芯线与被 覆层（外周部）的双层接合线中，在芯线与被覆层之间设置扩散层来改善被覆层的粘附性 等，例举了芯线使用铜、被覆层使用钯。在这样的被覆了钯的铜接合线中，铜的氧化被抑制， 因此不仅铜接合线的长期保管和楔接合特性优异，而且在线尖端形成球部时能够大幅度地 改善球部氧化的可能性。因此，即使不使用作为危险的气体的氢，而使用纯氮气体只使球部 周边成为氮气氛也能够形成圆球的球部。
[0011] 现有技术文献
[0012] 专利文献1 :日本特开昭57-12543号公报
[0013] 专利文献2:日本特开昭59-181040号公报
[0014] 专利文献3:日本特开昭61-285743号公报
[0015] 专利文献4 :日本特开昭62-97360号公报
[0016] 专利文献5:日本特开昭62-120057号公报
[0017] 专利文献6 :日本再公表W02002-23618
[0018] 专利文献7:日本特开昭59-155161号公报
[0019] 专利文献8 :日本特开昭63-46738号公报
[0020] 专利文献9 :日本特开平3-32033号公报
[0021] 专利文献10 :日本特开平4-206646号公报
[0022] 专利文献11 :日本特开2003-59963号公报
[0023] 专利文献12:日本特开2004-6740号公报

【发明内容】

[0024] 如上所述，铜接合线通过在铜线的表面上被覆钯，与金接合线相比能够作为廉价 的接合线实用，但不一定能够应对最近的半导体安装中的结构?材料?接合技术等的急速 的变化和多样化的问题已显著化。
[0025] 例如，目前的引线框表面一般地镀银，而最近在发展使用镀钯的引线框。这是因为 在过去的镀银的引线框（以下，称为「镀银引线框」中，在母板等的基板上软钎焊引线框前， 出于提高哪怕是一点点的与焊料的润湿性的目的，具有在引线的尖端预先薄地镀焊料的工 序（镀焊料工序），成为高成本，因此通过在引线框上镀敷相比于银能够确保对焊料高的润 湿性的钯来代替银，来省略该镀焊料工序，成为低成本。
[0026] 本发明者们发现了下述问题：在铜线的表面被覆了钯的铜接合线的场合，虽然在 以往的镀银引线框中未显著化，但对于镀钯的引线框的楔接合性不充分的情况增多。而且， 本发明者们对上述问题详细地进行研究的结果，由于该铜接合线的最表面是钯，因此在对 镀钯的引线框的楔接合中，钯彼此接触。于是发现，由于钯的硬度（钯的莫氏硬度4. 75、铜 的莫氏硬度3. 0)高，钯难以变形，因此钯表面的氧化皮膜层的破坏不充分是上述问题的原 因。进而还发现，由于在线最表面的钯与引线框上的钯之间产生的扩散慢，因此在两钯层之 间未形成充分的扩散层也是上述问题的原因。
[0027] 为了防止铜接合线的氧化，可以考虑在铜线的表面被覆比铜难以氧化的贵金属。 作为比铜贵的金属，一般已知银、铂、金，但其中的银和金如上所述在球部的形成性上有困 难。另一方面，由于铂是极高价格的材料，因此认为在铜线的表面被覆铂的铜接合线难以在 工业上利用。这样，即使在铜的表面单纯地被覆贵金属（金、钯、银、铂），也难以同时地满足 镀钯的引线框上的良好的楔接合性、耐氧化性和耐硫化性。
[0028] 另外，用于电动机等流过大电流的功率装置的接合线，芯线的线径需要是200ym 左右，该场合由于线径大，因此楔接合和球接合时不产生特别的不良情况。与此相对，芯线 的线径为15~50ixm左右的LSI用接合线的场合，由于线径小，因此存在线表面的污物、损 伤或者球形状等对接合性给予不良影响的问题。所以，芯线的线径为15~50ym左右的 LSI用的接合线，楔接合与球部的圆球性特别重要。
[0029] 本发明是鉴于上述问题完成的，其目的在于提供一种以铜或铜合金为芯线的半导 体用接合线，其中，即使是镀钯的引线框也能够确保良好的楔接合性，耐氧化性优异。
[0030] 为了达到上述目的，本发明的要旨如下。
[0031] 本发明的一个实施方式提供一种半导体用接合线，其特征在于，具有：由铜或铜合 金构成的芯线；形成于该芯线的表面的具有10~200nm的厚度的含有钯的被覆层；和形成 于该被覆层的表面的具有1~80nm的厚度的含有金和钯的合金层，所述合金层中的金的浓 度为10体积％~75体积％，在测定接合线表面的结晶取向所得到的测定结果中，相对于拉 丝方向的倾斜为15度以下的结晶取向〈111>的晶粒的面积比为40%~100%。
[0032] 本发明的另一个实施方式提供一种半导体用接合线，其特征在于，具有：由铜或铜 合金构成的芯线；形成于该芯线的表面的具有10~200nm的厚度的含有钯的被覆层；和形 成于该被覆层的表面的具有1~SOnm的厚度的含有银和钯的合金层，所述合金层中的银的 浓度为10体积％~75体积％，在测定接合线表面的结晶取向所得到的测定结果中，相对于 拉丝方向的倾斜为15度以下的结晶取向〈100>的晶粒的面积比为50%~100%。
[0033] 本发明的又一个实施方式提供一种半导体用接合线，其特征在于，具有：由铜或铜 合金构成的芯线；形成于该芯线的表面的具有10~200nm的厚度的含有钯的被覆层；和形 成于该被覆层的表面的具有1~SOnm的厚度的含有银和钯的合金层，所述合金层中的银的 浓度为10体积％~75体积％，在测定接合线表面的结晶取向所得到的测定结果中，相对于 拉丝方向的倾斜为15度以下的结晶取向〈111>的晶粒的面积比为60%~100%。
[0034] 权利要求1涉及的半导体用接合线，其特征在于，具有由铜或铜合金构成的芯线、 形成于该芯线的表面的具有10~200nm的厚度的含有钯的被覆层、和形成于该被覆层的表 面的具有1~80nm的厚度的包含贵金属和钯的合金层，上述贵金属是金或银，上述合金层 中的上述贵金属的浓度为10体积％以上、75体积％以下。
[0035] 权利要求2涉及的半导体用接合线，其特征在于，上述贵金属是金，上述合金层中 的金的浓度为15体积％以上、75体积％以下。
[0036] 权利要求3涉及的半导体用接合线，其特征在于，上述合金层的表面晶粒之中， 〈111>结晶取向相对于拉丝方向的倾斜为15度以下的晶粒的面积为40%以上、100%以下。
[0037] 权利要求4涉及的半导体用接合线，其特征在于，上述合金层中的金的浓度为40 体积％以上、75体积％以下。
[0038] 权利要求5涉及的半导体用接合线，其特征在于，上述贵金属是银，以1~30nm的 厚度形成上述合金层，上述合金层中的银的浓度为10体积％以上、70体积％以下。
[0039] 权利要求6涉及的半导体用接合线，其特征在于，上述合金层中的银的浓度为20 体积％以上、70体积％以下。
[0040] 权利要求7涉及的半导体用接合线，其特