半导体装置用接合线的制作方法

文档序号:37023334发布日期:2024-02-09 13:18阅读:248061来源:国知局
半导体装置用接合线的制作方法

本发明涉及半导体装置用接合线。进一步而言,涉及包含该接合线的半导体装置。


背景技术:

1、在半导体装置中,通过接合线连接半导体芯片上所形成的电极、与引线框或基板上的电极之间。接合线的连接方法通常采用并用超声波的热压接方式,使用通用焊接装置、劈刀等,该劈刀在其内部穿过接合线并用于连接。连接工艺是在半导体芯片上的电极进行第一接合(1st接合),接着形成线弧后,通过在引线框或基板上的外部电极上对线部进行第二接合(2nd接合)从而完成。第一接合通过电弧热输入而加热熔融线前端,在通过表面张力形成无空气焊球(fab:free air ball;下面,也简称为“球”,“fab”。)后,将该球部压接接合(下面,称为“球接合”)于半导体芯片上的电极。此外,第二接合是不使其形成球,通过对线部施加超声波、荷重,来压接接合(下面,称为“楔接合”)在外部电极上。

2、以前,接合线的材料,金(au)是主流,但以lsi用途为中心逐渐发展为用铜(cu)代替(例如,专利文献1~3),此外,以近年来电动汽车或混合动力汽车的普及为背景,车载用器件用途中,进一步而言在空调或太阳能发电系统等的大功率设备中的功率器件(功率半导体装置)用途中,从热导率或熔断电流的高度出发,期待用高效率且可靠性也高的cu代替。

3、cu相比于au存在更容易氧化的缺点,作为防止cu接合线的表面氧化的方法,还提出了通过pd、ni等金属覆盖cu芯材的表面的结构(专利文献4)。此外,还提出了用pd覆盖cu芯材的表面,进一步通过对cu芯材添加pd、pt,改善第一接合部的接合可靠性的pd被覆cu接合线(专利文献5)。

4、现有技术文献

5、专利文献

6、专利文献1:日本特开昭61-48543号公报

7、专利文献2:日本特表2018-503743号公报

8、专利文献3:国际公开第2017/221770号

9、专利文献4:日本特开2005-167020号公报

10、专利文献5:国际公开第2017/013796号


技术实现思路

1、发明要解决的技术问题

2、车载用器件或功率器件在运行时,相比于一般的电子器件,倾向于进一步高温化,对于所使用的接合线,要求在严酷的高温环境下呈现良好的接合可靠性。

3、本发明的发明人们鉴于车载用器件等所要求的特性,实施评价时发现,在以往的具有pd被覆层的cu接合线中,在高温环境下发生电化腐蚀,存在不能充分地得到第二接合部的接合可靠性的情况。另一方面,关于不具有pd被覆层的裸cu接合线,虽然不产生电化腐蚀,但fab形状不良,进而第一接合部的压接形状变差,不仅是在高密度安装中所要求的对窄间距连接的应对不充分,还存在不能充分地得到在高温环境下第一接合部的接合可靠性的情况。

4、针对实现良好的fab形状,同时车载用器件等所要求的即使在严酷的高温环境下接合可靠性的恶化也较少的cu系的接合线进行研究,确认了通过ni覆盖cu芯材的表面的ni被覆cu接合线在fab形状和高温环境下的接合可靠性的方面呈现一定程度良好的结果。然而,关于ni被覆cu接合线,存在不能充分地得到第二接合部的接合性(刚接合后的第二接合部的接合性)的情况。

5、如上所述,期待的是开发一种cu系的接合线,其带来良好的fab形状,同时第二接合部的接合性也良好,进一步而言在高温环境下呈现良好的接合可靠性。这一点,在车载用器件等所要求的特性逐渐变得苛刻,要求在更高的温度下保证工作。评价高温环境下的接合线的接合可靠性时,设想严酷的高温环境,进行暴露在温度175℃的环境下的高温放置试验(htsl:high temperature storage life test)的情况较为常见,本发明的发明人们假想更严酷的高温环境,进行温度200℃下的htsl。其结果发现,即使是在温度175℃下在第一接合部及第二接合部的二者呈现良好的接合可靠性的接合线,在温度200℃中,尤其是在第二接合部接合可靠性倾向于受到损害。并且还确认了,这一倾向随着接合线的线径变粗而显著。

6、本发明提供一种新型cu接合线,其带来良好的fab形状,同时第二接合部的接合性也良好,进一步而言带来在严酷的高温环境下在第一接合部及第二接合部的双方良好的接合可靠性。

7、用于解决技术问题的技术手段

8、本发明的发明人针对上述技术问题进行深入研究,最终发现了通过具有下述构成从而能够解决上述技术问题,完成了本发明。

9、即,本发明包含以下的内容。

10、[1]一种半导体装置用接合线,是包含由cu或cu合金构成的芯材、及形成在该芯材的表面的含有cu以外的导电性金属的被覆层的半导体装置用接合线,

11、该被覆层在被覆层的厚度方向上,在芯材侧具有以ni为主要成分的区域,且在线表面侧具有包含au和ni的区域,

12、该被覆层的厚度为10nm以上130nm以下,

13、相对于整个线的au的浓度cau(质量%)与ni的浓度cni(质量%)之比cau/cni为0.02以上0.7以下,

14、该线的表面的au的浓度为10原子%以上90原子%以下,

15、满足以下的条件(i)、(ii)的至少一者,

16、(i)相对于整个线的in的浓度为1质量ppm以上100质量ppm以下

17、(ii)相对于整个线的ag的浓度为1质量ppm以上500质量ppm以下。

18、[2]如[1]所述的接合线,

19、线的表面的au的浓度在下述<条件>下通过俄歇电子能谱法(aes)测定,

20、<条件>以线的宽度中心成为测定面的宽度中心的方式定位,且测定面的宽度为线直径的5%以上15%以下,测定面的长度为测定面的宽度的5倍。

21、[3]如[1]或[2]所述的接合线,

22、被覆层作为cu以外的导电性金属还含有pd。

23、[4]如[1]~[3]的任一项所述的接合线,

24、相对于整个线的ni、au、pd的总计浓度cm(质量%)与ni的浓度cni(质量%)之比cni/cm为0.5以上。

25、[5]如[1]~[4]的任一项所述的接合线,

26、在线的深度方向的浓度分布中,ni的最大浓度为80原子%以上。

27、[6]如[5]所述的接合线,

28、线的深度方向的浓度分布是一边从线的表面通过ar溅射在深度方向上向下挖的同时,一边以下述<条件>通过俄歇电子能谱法(aes)测定得到:

29、<条件>以线的宽度中心成为测定面的宽度中心的方式进行定位,且测定面的宽度为线直径的5%以上15%以下,测定面的长度为测定面的宽度的5倍。

30、[7]如[1]~[6]的任一项所述的接合线,使用线形成无空气焊球(fab:free airball)时,在测定垂直于该fab的压接接合方向的截面的晶体取向的结果中,相对于压接接合方向,角度差为15度以下的<100>晶体取向的比例为30%以上。

31、[8]如[7]所述的接合线,相对于压接接合方向角度差为15度以下的<100>晶体取向的比例为50%以上。

32、[9]如[1]~[8]的任一项所述的接合线,被覆层的厚度为18nm以上。

33、[10]如[1]~[9]的任一项所述的接合线,包含从由b、p及mg构成的组中选择的一种以上的元素(下面,称为“第一添加元素”),相对于整个线的第一添加元素的总计浓度为1质量ppm以上100质量ppm以下。

34、[11]如[1]~[10]的任一项所述的接合线,包含从由se、te、as及sb构成的组中选择的一种以上的元素(下面,称为“第二添加元素”),相对于整个线的第二添加元素的总计浓度为1质量ppm以上100质量ppm以下。

35、[12]如[1]~[11]的任一项所述的接合线,包含从由ga及ge构成的组中选择的一种以上的元素(下面,称为“第三添加元素”),相对于整个线的第三添加元素的总计浓度为0.011质量%以上1.5质量%以下。

36、[13]一种半导体装置,包含[1]~[12]的任一项所述的接合线。

37、发明效果

38、根据本发明,能够提供一种新型cu接合线,其带来良好的fab形状,同时第二接合部的接合性也良好,进一步而言在严酷的高温环境下在第一接合部及第二接合部双方也带来良好的接合可靠性。

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