半导体器件的金连接线及其生产方法技术

一种用于半导体器件的金连接线，其中，在连接线纵向截面上的晶粒结构中，在连接线纵向的晶体取向中，［１１１］取向的晶粒面积与［１００］取向的晶粒面积的比值不小于１．２。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及用于连接半导体元件上的电极与外部引线的半导体器件用金连接线，以及生产所述连接线的方法。
技术介绍
目前，由高纯4N型金(纯度＞99.99质量％)制成且线直径为约20至约50微米的连接线被用来连接半导体元件上的电极与外部引线。通常使用结合超声波的热压接系统作为连接连接线的技术，为了进行连接所述技术需要常用的连接装置和用来插入连接线的毛细管夹具。通过电弧供热来加热并融化连接线的一端，从而利用表面张力形成球，所述球被压接到在150至300℃加热的半导体元件的电极上，然后，通过超声波压接将连接线直接楔形接合到外部引线侧。为了将器件用作半导体器件(例如晶体管或IC)，在连接线被连接之后，用环氧树脂密封器件，从而保护硅芯片、连接线和组装硅芯片的引线框架部分。除了改进它们的性质外，改进它们与周围元件的关系，以及改进诸如使用和可靠性的整体性能已经日益重要。伴随着高密度集成半导体元件并降低其厚度的趋势，为了降低半导体元件的厚度，金连接线必须满足种种性质，例如延长金连接线、降低连接线的直径、形成高的拱线(loop)或者形成低的拱线。与连接线接合的材料也正在变化。除了使用传统的Al合金外，硅衬底上连接线和电极材料现在使用适合高密度集成的Cu和Cu合金。即便在Al合金、Cu和Cu合金的电极元件中，也已经竭力主张使用小的球形接点来满足狭窄的间距，并且在高温接点中维持接点强度、球的变形和可靠性日益重要。为了满足高密度集成半导体元件的要求，对于使间距变窄、降低连接线的尺寸、增加引脚(pin)的数量、延长连接线的长度，以及获得金连接线的接点特性，都提出了严格的要求。举例来说，在高速注入高粘度热固性环氧树脂的树脂密封步骤中，出现连接线变形从而与相邻连接线接触的问题。此外，当间距变窄，并且连接线变得长且细时，在用树脂密封时抑制连接线的变形(下文还称作连接线弯曲(wire sweep))是理想的，即便是少量的抑制。使间距变窄的要求也已经很强烈。目前，批量生产中的间距仍在60微米的水平。50微米的间距也已经开发出来，并且预期在两或三年内可以实现45微米的非常窄的间距，这样的间距在几年前被认为是球形接合的极限。在未来，随着组装技术的发展，将有望实现20微米的间距。在许多种半导体封装技术中，BGAs(球栅阵列)和CSPs(芯片级封装(chip size packages))具有窄的间距。它们的组装方式是以板和带为基础的，与常规的引线框架结构相比，这样的组装方式限制(例如降低引线间距)较少。当使用所述板和带时，必须小心，以在低达150-170℃的连接温度下实现连接。与在引线框架情况中于210至300℃下实施的连接相比，这将温度降低了几十摄氏度。因此，一直希望能在低温下实现窄间距的连接。由于在低温下扩散变慢、接点面积降低和非常细的毛细端，球形接点和楔形接点必须满足非常严格的性能要求和具有好的可靠性。满足上述需求的连接线需要具备一些基本特性，以便在连接步骤中可以高度精确地控制拱线形状，改善与电极部分和引线部分的接合，并且在连接步骤后的组装步骤中，抑制连接线的变形。到目前为止，为了增加连接线的强度，通常添加多种合金元素。在现在的主流连接线—高纯金连接线中，为了阻止球形部分的氧化，或者电阻的升高，合金元素的添加量被限制为几个ppm至几十个ppm。因此，尽管拱线的可控性和接合特性是优越的，但是它仍不能满意地解决在形成所述球时抑制连接线变形或者热影响部分(颈部)的强度问题。在最近几年，在某些ICs中已经使用总添加量增至约1％的高合金连接线。但是，改善连接线在用树脂密封时的变形的作用并不令人满意，存在与引线的接合特性降低的问题。作为实现高强度的方法，已经建议使用芯部和外围部分不同的多层金属连接线。举例来说，日本未审专利公开(kokai(特开平))第56-21354号教导了用Au覆盖Ag芯而获得的连接线，并且日本未审专利公开(kokai)第59-155161号教导了具有表面镀有Au的导电金属芯的连接线。通过用不同的金属制备芯线和外围部分，与由通常使用单一材料制成的连接线相比，所述连接线有望满足高强度和高接合特性的要求。但是实际上，还没有在半导体中使用多层连接线的报道。因此，为了满足未来高密度组装的需要，连接线不应仅仅满足它们的个别要求，而且迫切需要开发一种能够改善整体性质的材料。适合相邻电极间距不大于50微米的窄间距接合的连接线必需同时满足楔形接合特性和倾斜性质，这是新的问题，而且能有利地改善高强度和高弹性、拱线可控性、接合特性，同时能抑制连接线弯曲的传统问题。关于实现窄间距连接的连接线，研究已经趋向于使用金合金、使用取代金的材料，以及使用多层连接线。下面描述在使用上述方法以批量生产水平实现窄间距连接时遇到的问题。通过向金中添加合金元素，引起固溶硬化、析出硬化和由于形成化合物而引起的硬化，以及位错相互作用，可以在一定程度上增加常规连接线所需的强度。但是，仅仅通过添加合金元素来增加强度或者增加弹性模量是有限的，并且此外，在用树脂密封时很难抑制连接线的变形。当常规密封技术中连接线弯曲高达5％或更大时，因为连接线变形主要发生在塑性区域，所以连接线强度的增加对于抑制连接线弯曲是有效的。另一方面，由于树脂密封技术最近的发展，现在的连接线弯曲主要是弹性变形，并且弹性模量的增加变得更为重要。但是，为了将金合金连接线的弹性模量增加至不小于88 MPa，仅靠合金元素的固溶和析出是不够的。此外，如果为了增加强度和弹性模量而高浓度地添加合金元素，将引起新的问题，例如连接线表面的氧化、所述球形接点形成时出现空穴、所述球形部分接合特性的降低、电阻过度增加等。通过选择添加元素的种类和浓度来使加入连接线材料的合金元素固溶、析出和形成化合物的传统方法，很难在批量生产中将金连接线用于非常窄间距的连接中形成球形接点。上述由芯线和外围部分构成的多层连接线的芯线和外围部分可以具有不同的性质，并且有望具有不同的潜在性质。但是，多层连接线的生产非常复杂，其批量生产还存在很多尚待解决的问题，例如成本由于步骤和新设备的增加而增加，以及非常困难的质量控制(例如特性的均匀度和稳定性)。在多层连接线中，可以较容易地改善某些特定的特性。但是，多层连接线仍难以完全满足窄间距连接所需的复杂连接线特性，在实际使用中还有很多尚待解决的问题。因此，无论用金合金材料来取代金还是使用多层连接线，都难以满足窄间距连接所需的所有性质。窄间距接合的连接线必须具有高的强度、高的弹性和抑制连接线弯曲的高的刚性，并且必须在改善拱线可控性和接合的同时，降低成本和使电阻增加最小化。此外，在间距变得小于40微米时，引起新的问题，例如球形接点上的直立部分的倾斜，到目前为止这还不是一个问题。在多引脚/窄间距连接中，在单个IC的组装中存在不同的连接线长度和不同的拱线高度。但是，与在芯片中使用相同拱线形状的常规组装方法不同，这趋向于产生涉及拱线控制的问题。在最近几年已经引起最严重关注的问题是连接线直立的部分在球形接点附近倒下，从而离相邻的连接线太近。所述现象被称作倾斜，并且正成为降低窄间距连接批量生产率的主要原因。仅仅增加连接线的强度和弹性模量，或者相反地，降低强度，并不能容易地改善球形接点上的直立部分的倾斜。即便增加或降低本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种用于半导体器件的金连接线，其中，在连接线纵向截面上的晶粒结构中，在连接线纵向的晶体取向中，[111]取向的晶粒面积与[100]取向的晶粒面积的比值不小于1.2。2.一种用于半导体器件的金连接线，其中，在连接线纵向截面上的晶粒结构中，在连接线纵向的晶体取向中，[111]取向的晶粒所占的面积比不小于55％。3.一种用于半导体器件的金连接线，其中，在连接线纵向截面上的晶粒结构中，如果连接线的半径用R表示，并且将从连接线中央至R/2的部分作为中央部分，那么在连接线纵向中央部分的晶体取向上，[111]取向的晶粒面积与[100]取向的晶粒面积的比值Rc和整个连接线截面上[111]取向的晶粒面积与[100]取向的晶粒面积的比值Ra，满足两者之间的差分率绝对值|1-Rc/Ra|×100(％)小于30％，并且整个连接线截面上的比值Ra不小于1.2。4.根据权利要求1至3任何一项的用于半导体器件的金连接线，其中，在连接线纵向截面上的晶粒结构中，如果连接线的半径用R表示，在连接线纵向的晶体取向中，在至少一层或多层中存在其中[111]取向的晶粒面积与[100]取向的晶粒面积的比值不小于1.6的区域，并且该区域在连接线半径方向上的宽度不小于连接线半径R的1/10。5.根据权利要求1至4任何一项的用于半导体器件的金连接线，其中，在连接线纵向截面上的晶粒结构中，如果连接线的半径用R表示，在连接线纵向的晶体取向中，在至少一层或多层中存在其中[111]取向的晶粒所占的面积比不小于60％的区域，并且该区域在连接线半径方向上的宽度不小于连接线半径R的1/10。6.根据权利要求1至3任何一项的用于半导体器件的金连接线，其中，在连接线纵向截面上的晶粒结构中，如果连接线的半径用R表示，在连接线纵向的晶体取向中，在至少一层或多层中存在其中[111]取向的晶粒面积与[100]取向的晶粒面积的比值小于0.9的区域，并且该区域在连接线半径方向上的宽度不小于1/10R，但小于1/3R。7.根据权利要求1至3或6任何一项的用于半导体器件的金连接线，其中，在连接线纵向截面上的晶粒结构中，如果连接线的半径用R表示，在连接线纵向的晶体取向中，在至少一层或多层中存在其中[100]取向的晶粒所占的面积比不小于50％的区域，并且该区域在连接线半径方向上的宽度不小于连接线半径R的1/10。8.根据权利要求1至7任何一项的用于半导体器件的金连接线，其中，在连接线纵向截面上的晶粒结构中，在连接线纵向的晶体取向中，[111]取向和[100]取向的晶粒的总面积所占的比值不小于50％。9.根据权利要求1至8任何一项的用于半导体器件的金连接线，其中，在连接线纵向截面上，如果连接线的半径用R表示，并且将从连接线中央至R/2的部分作为中央部分，在连接线纵向中央部分的晶体取向上，具有[111]取向和[100]取向的晶粒的总面积在中央部分所占的比值不小于60％。10.一种用于半导体器件的金连接线，其中，在连接线纵向截面上的晶粒结构中，如果连接线的半径用R表示，并且将从连接线表面到R/3深处的部分作为表面层部分，在连接线纵向表面层部分的晶体取向上，[111]取向的晶粒面积与[100]取向的晶粒面积的比值不小于1.6，并且在整个连接线截面上，[111]取向的晶粒面积与[100]取向的晶粒面积的比值不小于1.2。11.根据权利要求1至10任何一项的用于半导体器件的金连接线，其中，在连接线纵向截面上的晶粒结构中，如果连接线的半径用R表示，并且将从连接线表面到R/3深处的部分作为表面区，在连接线纵向表面区的晶体取向上，具有[111]取向和[100]取向的晶粒的总面积在中央部分所占的比值不小于50％。12.一种用于半导体器件的金连接线，其中，在连接线纵向截面上，或者在垂直于连接线纵向的方向上由X射线衍射测出的晶体取向上，[111]取向的晶粒与[100]取向的晶粒的体积比不小于1.2。13.根据权利要求1至12任何一项的用于半导体器件的金连接线，其中，在长度大于连接线直径5倍的连接线纵向截面上，至少包括两个或多个其晶体取向偏离连接线纵向的倾角小于15°且其长度不小于连接线直径70％的晶粒。14.根据权利要求1至13任何一项的用于半导体器件的金连接线，其中，所述连接线包含金作为主要组分，并包含总浓度C1为0.002至0.03质量％的一种或多种选自Y、Ca、Yb和Eu的元素，并且包含总浓度C2为0.002至0.05质量％的一种或多种选...

【专利技术属性】
技术研发人员：宇野智裕，寺岛晋一，宏平，
申请(专利权)人：新日本制铁株式会社，
类型：发明
国别省市：