半導體裝置用接合線的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及為了連接半導體元件上的電極與外部引線等電路布線基板的布線而 被利用的半導體裝置用接合線。
【背景技術】
[0002] 現在，作為將半導體元件上的電極與外部引線之間接合的半導體裝置用接合線 (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、使接合線通到其內部而連接的毛細管夾具等。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的范圍內加熱了的半導體元件的電 極上（以下稱為球接合），接著，形成環路之后，將線部壓接接合到外部引線側的電極（以下 稱為楔接合）。作為接合線的接合對象的半導體元件上的電極，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構、外部引線側的電極，大多使用在Si基板上施加了鍍銀層、 鍍鈀層等的電極結構。
[0003] 對接合線要求具有優異的球形成性、球接合性、楔接合性、環路形成性等。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正在盛行。作為開發例，可舉出 具有在Cu的表面被覆了 Pd的結構的接合線。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，在最尖端的LSI(Large Scale Integration，大規模集 成)領域被使用。
[0004] 在今后的接合線開發中，強烈要求對應于與半導體器件的進一步高性能化、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，有時會使用脆弱的 低介電常數材料作為層間的絕緣材料，經常存在對半導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，因此要求接合線具有高的楔接合性。為了在細的線 徑中確保導電性，期望用于接合線的材料的電阻率低。作為這樣的高密度領域中的接合線 的材料，大多使用軟質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出發， 也可以認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、 環路的穩定性低這樣的問題。接合可靠性評價是以評價實際的半導體器件的使用環境中的 接合部壽命為目的而進行的。一般接合可靠性評價使用高溫放置試驗、高溫高濕試驗。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中的球接合部的壽命 差是個問題。由于在高密度安裝中進行小球接合，因此貢獻給接合的面積變小，因此確保壽 命變得更加困難。
[0007] 對于環路的穩定性，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路彎曲的現象，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，因此強烈要求抑制彈回不良。線的強度越低，彈回 不良越容易發生，因此在線徑變細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，但是 如果合金元素的濃度變高，則球會變硬，球接合時發生芯片損傷。這些課題成為妨礙Ag接合 線普及的原因。
[0009] 關于以改善接合可靠性為目的的Ag接合線的開發，例如，專利文獻1中公開了一種 接合線，其特征在于，包含合計為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和不可避免的雜質組成。
[0010] 例如，專利文獻2中公開了一種半導體元件用Ag-Au-Pd三元合金系接合線，其特征 在于，是由純度99.99質量％以上的Ag、純度99.999質量％以上的Au和純度99.99質量％以 上的Pd構成的三元合金系接合線，Au為4~10質量％、Pd為2~5質量％、氧化性非貴金屬添 加元素為15~70質量ppm以及其余量由Ag組成，該接合線在連續模拉絲前進行退火熱處理， 在連續模拉絲后進行調質熱處理，在氮氣氣氛中進行球接合。
[0011] 關于以提高環路的穩定性為目的的Ag接合線的開發，曾公開了通過加工熱處理來 控制抗拉強度和屈服強度σ〇.2的技術。例如，專利文獻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度高于在 298Κ的溫度氣氛下測定出的屈服強度〇〇. 2。
[0012] 在先技術文獻 [0013]專利文獻
[0014] 專利文獻1:日本特開平11-288962號公報 [0015] 專利文獻2:日本特開2012-169374號公報 [0016] 專利文獻3:日本特開2002-319597號公報
【發明內容】
[0017] 然而，上述專利文獻中公開的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] 高溫高濕試驗一般采用在溫度為121°C、相對濕度為100%的條件下進行的被稱為 PCT(Pressure Cooker Test:壓力鍋蒸煮試驗)的試驗。近年來，作為更加嚴格的評價方法， 大多采用在溫度為130°C、相對濕度為85 %的條件下進行的被稱為HAST (Highly Accelerated temperature and humidity Stress Test:高加速溫度和濕度應力試驗）的 試驗。對于高密度安裝用的半導體器件，在設想了工作環境的情況下，要求在HAST中經過 300小時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境中，在球接合部發生剝離、電連接喪失，從而成為半導體器件故障的 原因。另外，在高密度安裝中，為了對應于窄間距化，大多形成比通常小的球而進行接合（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，因此要求更嚴格的接合可靠性。
[0019] 彈回不良是大多在高密度安裝領域中，在存儲器用途中進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行楔接合。通 過該逆接合，能夠將環路高度抑制為較低，即使在芯片的層疊數增加、高低差(段差)高的情 況下也能實現穩定的環路控制。另一方面，如果進行逆接合，則容易發生彈回不良。
[0020] 芯片損傷是在接合工序中，在球接合工序中發生的不良現象。在高密度安裝領域 中，伴隨著芯片的薄化、多層化，大多采取強度低的結構，對于抑制芯片損傷的要求在提高。 進而，在高密度安裝中進行的小球接合中，接合時應力集中，芯片損傷容易發生，因此要求 嚴格抑制芯片損傷。
[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。關于接合可靠性，對A1電極進行球 接合，樹脂封止后，進行HAST，結果在經過150小時的階段球接合部的接合強度下降，沒有獲 得在高密度安裝中要求的300小時以上的壽命。觀察接合界面，結果在Ag接合線與A1電極的 界面確認到孔隙（void)的產生。推定這是因為在接合界面形成的Ag與A1的金屬間化合物的 一部分腐蝕了。關于彈回性能，在進行了逆接合的情況下，判明了接合線的