半導(dǎo)體裝置用接合線的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及為了連接半導(dǎo)體元件上的電極與外部引線等電路布線基板的布線而 被利用的半導(dǎo)體裝置用接合線。
【背景技術(shù)】
[0002] 現(xiàn)在，作為將半導(dǎo)體元件上的電極與外部引線之間接合的半導(dǎo)體裝置用接合線 (以下稱為接合線），主要使用線徑15~50μπι左右的細(xì)線。接合線的接合方法一般為并用超 聲波的熱壓接方式，可使用通用接合裝置、使接合線通到其內(nèi)部而連接的毛細(xì)管夾具等。接 合線的接合工藝通過下述過程來完成:通過電弧熱輸入將線尖端加熱熔融，在通過表面張 力形成球部之后，使該球部壓接接合于在150°C~300°C的范圍內(nèi)加熱了的半導(dǎo)體元件的電 極上（以下稱為球接合），接著，形成環(huán)路之后，將線部壓接接合到外部引線側(cè)的電極（以下 稱為楔接合）。作為接合線的接合對象的半導(dǎo)體元件上的電極，大多使用在Si基板上形成了 以A1為主體的合金膜的電極結(jié)構(gòu)、外部引線側(cè)的電極，大多使用在Si基板上施加了鍍銀層、 鍍鈀層等的電極結(jié)構(gòu)。
[0003] 對接合線要求具有優(yōu)異的球形成性、球接合性、楔接合性、環(huán)路形成性等。作為綜 合性地滿足這些要求性能的接合線的材料，逐漸主要使用Au。近年來，以Au價(jià)格的高漲為背 景，使用比較便宜的材料作為Au的替代材料的接合線的開發(fā)正在盛行。作為開發(fā)例，可舉出 具有在Cu的表面被覆了 Pd的結(jié)構(gòu)的接合線。該接合線的特征主要是通過抑制Cu的氧化而綜 合性地改善了接合線的性能這點(diǎn)，在最尖端的LSI(Large Scale Integration，大規(guī)模集 成)領(lǐng)域被使用。
[0004] 在今后的接合線開發(fā)中，強(qiáng)烈要求對應(yīng)于與半導(dǎo)體器件的進(jìn)一步高性能化、小型 化相伴的高密度安裝。在高密度安裝中，為了抑制LSI層間的信號延遲，有時(shí)會使用脆弱的 低介電常數(shù)材料作為層間的絕緣材料，經(jīng)常存在對半導(dǎo)體元件的損傷的問題。相鄰的電極 的間隔狹窄，需要使接合線的線徑變細(xì)，因此要求接合線具有高的楔接合性。為了在細(xì)的線 徑中確保導(dǎo)電性，期望用于接合線的材料的電阻率低。作為這樣的高密度領(lǐng)域中的接合線 的材料，大多使用軟質(zhì)且可獲得高楔接合性、電阻率較低的Au。
[0005] 為了解決上述那樣的高密度安裝中的課題，提供比Au便宜的接合線，曾進(jìn)行了作 為接合線的材料使用Ag的嘗試。Ag的楊氏模量（約83 X 109N/m2)與Au的楊氏模量（約80X 109N/m2)大致相等，且低于Cu的楊氏模量(約130X 109N/m2)，因此期待在針對脆弱的半導(dǎo)體 元件的球接合中損傷少、且能夠獲得良好的楔接合性。室溫附近的Ag的電阻率（1.6μΩ · cm)比Cu的電阻率（1.7μΩ · cm)、Au的電阻率(2.2μΩ · cm)低，因此從電特性的觀點(diǎn)出發(fā)， 也可以認(rèn)為其適合作為高密度安裝中的接合線的材料。
[0006] 然而，使用了 Ag的接合線（以下稱為Ag接合線)在高密度安裝中存在接合可靠性、 環(huán)路的穩(wěn)定性低這樣的問題。接合可靠性評價(jià)是以評價(jià)實(shí)際的半導(dǎo)體器件的使用環(huán)境中的 接合部壽命為目的而進(jìn)行的。一般接合可靠性評價(jià)使用高溫放置試驗(yàn)、高溫高濕試驗(yàn)。與使 用了 Au的接合線（以下稱為Au接合線)相比，Ag接合線在高溫高濕試驗(yàn)中的球接合部的壽命 差是個(gè)問題。由于在高密度安裝中進(jìn)行小球接合，因此貢獻(xiàn)給接合的面積變小，因此確保壽 命變得更加困難。
[0007] 對于環(huán)路的穩(wěn)定性，被稱為彈回（spring)不良的不良成為問題。彈回不良成為在 接合線的接合工序中由于環(huán)路彎曲的現(xiàn)象，接合線彼此接觸而引起短路的原因。在高密度 安裝中，相鄰的接合線的間隔變得狹窄，因此強(qiáng)烈要求抑制彈回不良。線的強(qiáng)度越低，彈回 不良越容易發(fā)生，因此在線徑變細(xì)的高密度安裝中成為問題的情況較多。
[0008] 作為解決這些課題的方法，曾公開了在Ag中添加各種元素而合金化的技術(shù)，但是 如果合金元素的濃度變高，則球會變硬，球接合時(shí)發(fā)生芯片損傷。這些課題成為妨礙Ag接合 線普及的原因。
[0009] 關(guān)于以改善接合可靠性為目的的Ag接合線的開發(fā)，例如，專利文獻(xiàn)1中公開了一種 接合線，其特征在于，包含合計(jì)為0.1~10重量％的？1?(1、(：11、1?11、〇8、1^、&中的1種或2種以 上，Pt為10重量％以下，Pd為10重量％以下，Cu為5重量％以下，Ru為1重量％以下，Os為1重 量％以下，Rh為1重量％以下，Ir為1重量％以下，其余量由Ag和不可避免的雜質(zhì)組成。
[0010] 例如，專利文獻(xiàn)2中公開了一種半導(dǎo)體元件用Ag-Au-Pd三元合金系接合線，其特征 在于，是由純度99.99質(zhì)量％以上的Ag、純度99.999質(zhì)量％以上的Au和純度99.99質(zhì)量％以 上的Pd構(gòu)成的三元合金系接合線，Au為4~10質(zhì)量％、Pd為2~5質(zhì)量％、氧化性非貴金屬添 加元素為15~70質(zhì)量ppm以及其余量由Ag組成，該接合線在連續(xù)模拉絲前進(jìn)行退火熱處理， 在連續(xù)模拉絲后進(jìn)行調(diào)質(zhì)熱處理，在氮?dú)鈿夥罩羞M(jìn)行球接合。
[0011] 關(guān)于以提高環(huán)路的穩(wěn)定性為目的的Ag接合線的開發(fā)，曾公開了通過加工熱處理來 控制抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度σ〇.2的技術(shù)。例如，專利文獻(xiàn)3中公開了一種接合線，其特征在于， 在523Κ的溫度氣氛下加熱15~25秒鐘后，接著在前述溫度氣氛下測定出的抗拉強(qiáng)度高于在 298Κ的溫度氣氛下測定出的屈服強(qiáng)度〇〇. 2。
[0012] 在先技術(shù)文獻(xiàn) [0013]專利文獻(xiàn)
[0014] 專利文獻(xiàn)1:日本特開平11-288962號公報(bào) [0015] 專利文獻(xiàn)2:日本特開2012-169374號公報(bào) [0016] 專利文獻(xiàn)3:日本特開2002-319597號公報(bào)

【發(fā)明內(nèi)容】

[0017] 然而，上述專利文獻(xiàn)中公開的Ag接合線不能滿足高密度安裝中要求的針對接合可 靠性、彈回不良、芯片損傷所要求的性能。
[0018] 高溫高濕試驗(yàn)一般采用在溫度為121°C、相對濕度為100%的條件下進(jìn)行的被稱為 PCT(Pressure Cooker Test:壓力鍋蒸煮試驗(yàn))的試驗(yàn)。近年來，作為更加嚴(yán)格的評價(jià)方法， 大多采用在溫度為130°C、相對濕度為85 %的條件下進(jìn)行的被稱為HAST (Highly Accelerated temperature and humidity Stress Test:高加速溫度和濕度應(yīng)力試驗(yàn)）的 試驗(yàn)。對于高密度安裝用的半導(dǎo)體器件，在設(shè)想了工作環(huán)境的情況下，要求在HAST中經(jīng)過 300小時(shí)以上后也正常地工作。Ag接合線在HAST中球接合部的壽命成為問題。Ag接合線，通 過暴露在高溫高濕環(huán)境中，在球接合部發(fā)生剝離、電連接喪失，從而成為半導(dǎo)體器件故障的 原因。另外，在高密度安裝中，為了對應(yīng)于窄間距化，大多形成比通常小的球而進(jìn)行接合（以 下稱為小球接合）。接合線在使用了小球接合的情況下，貢獻(xiàn)給接合的面積變小，存在接合 壽命變短的傾向，因此要求更嚴(yán)格的接合可靠性。
[0019] 彈回不良是大多在高密度安裝領(lǐng)域中，在存儲器用途中進(jìn)行的層疊芯片的連接中 成為問題的不良。在通過接合線連接層疊芯片的方法中，大多使用與通常的接合相比接合 位置反過來的、被稱為逆接合的連接方法。在逆接合的接合工藝中，在芯片上的電極上形成 柱狀凸塊，然后在基板的電極上接合球部，最后在前述柱狀凸塊上使接合線進(jìn)行楔接合。通 過該逆接合，能夠?qū)h(huán)路高度抑制為較低，即使在芯片的層疊數(shù)增加、高低差(段差)高的情 況下也能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的環(huán)路控制。另一方面，如果進(jìn)行逆接合，則容易發(fā)生彈回不良。
[0020] 芯片損傷是在接合工序中，在球接合工序中發(fā)生的不良現(xiàn)象。在高密度安裝領(lǐng)域 中，伴隨著芯片的薄化、多層化，大多采取強(qiáng)度低的結(jié)構(gòu)，對于抑制芯片損傷的要求在提高。 進(jìn)而，在高密度安裝中進(jìn)行的小球接合中，接合時(shí)應(yīng)力集中，芯片損傷容易發(fā)生，因此要求 嚴(yán)格抑制芯片損傷。
[0021 ]針對這些所要求的性能，在使用了以往所報(bào)告的Ag接合線的情況下，判明了在接 合可靠性、彈回性能、芯片損傷性能上存在以下的問題。關(guān)于接合可靠性，對A1電極進(jìn)行球 接合，樹脂封止后，進(jìn)行HAST，結(jié)果在經(jīng)過150小時(shí)的階段球接合部的接合強(qiáng)度下降，沒有獲 得在高密度安裝中要求的300小時(shí)以上的壽命。觀察接合界面，結(jié)果在Ag接合線與A1電極的 界面確認(rèn)到孔隙（void)的產(chǎn)生。推定這是因?yàn)樵诮雍辖缑嫘纬傻腁g與A1的金屬間化合物的 一部分腐蝕了。關(guān)于彈回性能，在進(jìn)行了逆接合的情況下，判明了接合線的