半导体装置用接合线制造方法及图纸

本发明专利技术的目的是提供材料费廉价且球接合性、热循环试验或软熔试验的可靠性优异、保管寿命也良好的也适应于窄间距用细线化的铜系接合线。本发明专利技术的半导体装置用接合线是具有以铜为主成分的芯材、和设置在所述芯材上的含有成分和组成的某一方或两方与所述芯材不同的金属M和铜的外层的接合线，其特征在于，所述外层的厚度为0.021～0.12μm，所述金属M为Pd，所述外层为含有50mol%以上的Pd的部位。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及为连接半导体元件上的电极与线路板(引线框、基板、带等)的配线而使用的半导体装置用接合线及其接合线的连接方法。
技术介绍
现在，作为将半导体元件上的电极与外部端子之间进行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20 50 μ m左右的细线(接合线)。接合线的接合一般是超声波并用热压接方式，可使用通用接合装置、使接合线在其内部通过而用于连接的毛细管夹具等。在由电弧热输入将线端头加热熔融，借助于表面张カ使之形成球后，使该球部压接接合于在150 300°C的范围内加热了的半导体元件的电极上，然后，通过超声波压接使线直接接合在外部引线侧。近年，半导体组装的结构、材料、连接技术等在急速地多祥化，例如，组装结构除了使用现行的引线框的QFP (Quad Flat Packaging)以外，使用基板、聚酰亚胺带等的BGA(Ball Grid Array)、CSP (Chip Scale Packaging)等的新形态也已实用化,需求进一步提高了环性、接合性、大批量生产使用性等的接合线。即使是这样的接合线的连接技木，除了现在主流的球/楔接合以外，在适合于窄间距化的楔/楔接合方面，为了在2处的部位直接将接合线接合，要求细线的接合性提高。成为接合线的接合对方的材质也在多样化，硅基板上的配线、电极材料，除了以往的铝合金以外，适合于更微细配线的铜也已实用化。另外，在引线框上施加Ag镀层、Pd镀层等，或在树脂基板、带等上施加铜配线，并在其上施加金等贵金属元素及其合金的膜的情形较多。要求相应于这样的种种的接合对方来提高线的接合性、接合部可靠性。迄今为止接合线的材料主要使用高纯度4N系(纯度>99. 99质量％)的金。然而，由于金价格高，因此期望得到材料费价廉的其他种类金属的接合线。在来自接合线技术的要求上，重要的是在进行球形成时形成圆球性良好的球，在其球部与电极的接合部得到充分的接合強度。另外，为了对应于接合温度的低温化、接合线的细线化等，也需要在线路板上的配线部楔形连接接合线的部位的接合強度、抗拉强度等。在高速注入高粘性的热固化环氧树脂的树脂封装エ序中，接合线发生变形而与相邻线接触成为问题，而且，窄间距化、长线化、细线化也在发展中，要求尽管少也能够抑制树脂封装时的线变形。随着线強度的増加，虽然能够某种程度地控制这样的变形，但难以控制环，或不能解决接合时的强度降低等的问题，难以实用化。此外，连接接合线而组装出的半导体元件实际使用时的长期可靠性也很重要。尤其是装载在汽车上的半导体元件等，为了确保严格的安全性，要求在高温、高湿、热循环等苛刻的环境下的高的可靠性。即使是在这样的以往没有的苛刻的环境下，连接接合线的接合部也不劣化而必须維持高的可靠性。作为满足上述要求的线的特性，期望在接合エ序中的环控制容易，而且对电极部、引线部的接合性也提高，抑制接合以后的树脂封装エ序中的过剩的线变形，而且满足连接部的长期可靠性和在苛刻环境下的接合部稳定性等的综合特性。为了材料费廉价、导电性优异、球接合、楔接合等也提高，以铜为材料的接合线被开发，专利文献I等曾进行了公开。然而，对于铜接合线而言，由于线表面的氧化而导致接合強度降低、或树脂封装时容易发生线表面的腐蚀等，这些情况成为问题。这些问题也成为铜接合线的实用化未进行的原因。铜系接合线，在将线端头熔融形成球部时，为了抑制氧化，一边对线端头喷射气体一边进行接合。现在，作为形成铜系接合线的球时的气氛气体，一般使用含有5体积％的氢的氮气。专利文献2公开了在将铜线与铜或铜合金引线框连接时，在5体积％H2+N2的气氛下进行连接的方法。另外，非专利文献I报道了 在形成铜接合线的球吋，5体积％4+队气 能够抑制球表面的氧化，因此相比于N2气是优选的。现在，作为在使用铜系接合线时所使用的气体，5体积％H2+N2气体已被标准化。作为防止铜接合线表面氧化的方法，专利文献3提出了使用金、银、钼、钯、镍、钴、铬、钛等贵金属、耐腐蚀性金属被覆了铜的接合线。另外，从球形成性、防止镀液劣化等的观点考虑，专利文献4提出了呈下述结构的接合线，所述结构具有以铜为主成分的芯材、在该芯材上形成的由铜以外的金属构成的异种金属层、和在该异种金属层上形成的由熔点比铜高的耐氧化性金属构成的被覆层。专利文献5提出了具有以铜为主成分的芯材、和在该芯材上具有含有成分或组成的一方或两方与芯材不同的金属和铜的外皮层，且该外皮层为厚度O. 001 O. 02 μ m的薄膜的接合线。专利文献I :日本特开昭61-99645号公报专利文献2 :日本特开昭63-24660号公报专利文献3 :日本特开昭62-97360号公报专利文献4 日本特开2004-64033号公报专利文献5 :日本特开2007-12776号公报非专利文献I: “Copper Ball Bonding for Fine Pitch, High I/O Devices”:P.Devlin, Lee Levine, 38th International Symposium on Microelectronics(2005), P. 320-324。
技术实现思路
作为以往的单层结构的铜系接合线(是非被覆的铜系接合线，有时在线表面形成有薄的自然氧化膜层等。以下记为单层铜线。)的实用上的问题，可举出线表面容易氧化、容易引起接合強度的降低等。因此，作为防止铜接合线表面氧化的手段，可在线表面被覆贵金属或耐氧化性的金属。考虑半导体组装的高密度化、小型化、薄型化等的要求，本专利技术者们进行评价的结果判明由与铜不同的金属被覆了铜接合线表面的结构的现有多层铜线(相对于将非被覆的铜线称为单层铜线，将由I层构成的被覆层被覆了的上述铜线作为多层铜线。以下记为现有多层铜线)，残留许多的如后所述的实用上的问题。在现有多层铜线的端头形成了球的场合，形成偏离了圆球的扁平球、或在球内部残留未熔融的线、或发生气泡等都成为问题。当在电极上接合这种不正常的球部时，成为引起接合強度降低、芯片损伤等的问题的原因。由现有多层铜线实施复杂的环控制时，担心下述情况由于在被覆层与铜的界面发生剥离等，环形状变得不稳定；窄间距连接时相邻线发生电短路。在由现有多层铜线形成了球的场合，与使用单层铜线或现在主流的金接合线的场合相比，容易引起球接合部的形状不良和接合強度的降低等成为实用上的问题。具体的不良事例，有时形成偏离圆球的扁平球、或发生球相对于线倾斜地形成的偏芯等、或在球内部残留未熔融的线、或生成气泡(气孔)成为问题。当在电极上接合这种不正常的球部吋，由于偏离线中心从而球产生变形的偏芯变形、作为偏离圆形的形状不良而产生椭圆变形、花瓣变形等，成为引起接合部从电极面剥出、接合強度降低、芯片损伤、生产管理上的不良情况等问题的原因。这种初期接合的不良，也有时诱发上述的长期可靠性降低。 作业解决与现有多层铜线的球接合有关的不良情况的方法，专利文献4公开了外皮层的厚度为O. 001 0.02 μ m。也记载了 在此的外皮层也包含浓度梯度的区域，外皮层与芯材的界面的金属M的浓度为10mol%以上。据本专利技术者们的评价，通过这样地将外皮层的厚度薄膜化，可观察到上述的球接合部的问题部分地得到改善，但在装载到汽车上的半导体元件等的用途中在新的环本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种半导体装置用接合线，具有：以铜为主成分的芯材；和设置在所述芯材上的含有成分和组成的某一方或两方与所述芯材不同的金属M和铜的外层，其特征在于，所述外层其厚度为0.021~0.12μm，所述金属M为Pd，所述外层为含有50mol%以上的Pd的部位。

【技术特征摘要】
2007.07.24 JP 192193/20071.一种半导体装置用接合线，具有 以铜为主成分的芯材；和 设置在所述芯材上的含有成分和组成的某一方或两方与所述芯材不同的金属M和铜的外层， 其特征在干， 所述外层其厚度为O. 02Γ0. 12 μ m， 所述金属M为Pd，所述外层为含有50mol%以上的Pd的部位。2.根据权利要求I所述的半导体装置用接合线，其特征在干， 所述外层含有选自Bi、P、Se和Tl中的ー种以上的元素，在所述外层的最表面的该元素浓度总计为O. Ol 5mol%的范围。3.根据权利要求I所述的半导体装置用接合线，其特征在干， 在所述外层与所述芯材之间具有扩散层。4.根据权利要求I所述的半导体装置用接合线，其特征在于，所述金属M相对于金属元素的总计的浓度为10mol%以上的区域的厚度为O. 03^0. 2 μ m。5.根据权利要求I所述的半导体装置用接合线，其特征在于，在所述外层内，所述金属M相对于金属元素的总计的浓度总计为90mol%以上的区域的厚度为O. ΟΟΓΟ. 07 μ m。6.根据权利要求I所述的半导体装置用接合线，其特征在于，在所述外层内，所述金属M相对于金属元素的总计的浓度总计为96mol%以上的区域的厚度为O. 002、. 06 μ m。7.根据权利要求I所述的半导体装置用接合线，其特征在于，所述外层的最表面的相对于金属兀素的总计的铜浓度为O. 5 45mol%。8.根据权利要求I所述的半导体装置用接合线，其特征在于，在所述外层内，相对于金属元素的总计的铜浓度为f 30mol%的范围的区域的厚度为O. 0005、. 008 μ m。9.根据权利要求I所述的半导体装置用接合线，其特征在于，在线整体中所占的、铜以外的所述金属M相对于金属兀素的总计的浓度总计为O. 05^3mol%的范围。10.一种半导体装置用接合线，具有 以铜为主成分的芯材；和 设置在所述芯材上的含有成分和组成的某一方或两方与所述芯材不同的金属M和铜的外层， 其特征在干， 所述外层其厚度为O. 02Γ0. 12 μ m， 以相对于金属系元素与碳、氧和氮的各元素的总计的浓度进行比较，所述外层的最表面的碳浓度为15 80mol%的范围，从表面沿深度方向碳浓度为5 80mol%的范围的区域的厚度为 O. 0004 0.01 μ m。11.根据权利要求10所述的半导体装置用接合线，其特征在干， 构成所述外层的金属M以选自Au、Pd、Pt和Rh中的ー种以上为主成分。12.根据权利要求10所述的半导体装置用接合线，其特征在干， 所述以铜为主成分的芯材含有选自P、B、Ir、Zr、Bi、Ti、Au、Ag、Sn和稀土类元素中的ー种以上的元素，该元素在线整体中所占的浓度总计为O. 000Γ0. 03mol%的范围。13.根据权利要求10所述的半导体装置用接合线，其特征在干，所述外层含有选自Bi、P、Se和Tl中的ー种以上的元素，在所述外层的最表面的该元素浓度总计为O. Ol 5mol%的范围。14.根据权利要求10所述的半导体装置用接合线，其特征在干， 在所述外层与所述芯材之间具有扩散层。15.根据权利要求10所述的半导体装置用接合线，其特征在干， 以相对于金属系元素与碳、氧和氮的各元素的总计的浓度进行比较，所述外层的最表面的氧浓度为f25mol%的范围，在该外层的表面氧浓度为O. 2^25mol%的范围的区域的厚度为O. 0005 O. 007 μ m的范围。16.根据权利要求10所述的半导体装置用接合线，其特征在干， 所述金属M相对于...

【专利技术属性】
技术研发人员：宇野智裕，木村圭一，寺嶋晋一，山田隆，西林景仁，
申请(专利权)人：新日铁高新材料株式会社，日铁新材料股份有限公司，
类型：发明
国别省市：