半导体装置用铜接合线及半导体装置的制作方法

1.本发明涉及半导体装置用铜接合线。进一步而言，涉及包含该铜接合线的半导体装置。


背景技术：

2.在半导体装置中，通过接合线连接半导体芯片上形成的电极和引线框或基板上的电极之间。至今接合线的材料中金(au)为主流，但以lsi用途为中心，正向铜(cu)进行代替(例如，专利文献1～3)，此外，在功率半导体用途中，考虑导热率或熔断电流的高度，期待的是向高效、可靠性也高的cu的替代。
3.铜接合线在被卷绕成卷轴而制成卷装体后，通过阻断氧或水分等的屏障袋将该卷装体密封并出货。而且，在半导体装置的制造中在用在电极间的连接之前将屏障袋开封。铜接合线由于大气中的氧或水分等的影响而表面氧化发展、连接性容易变差，因此开封后的保管期限通常为一周时间。
4.然而，存在开封后一周期间没有用完而废弃的情况。此外，卷装体中的线长度(卷绕长)被限制为较短，在该情况下，卷装体的替换频率增加，每次都需要停止生产线等，生产效率降低不可避免。因此，对于铜接合线要求提高在大气中的保管寿命。
5.[现有技术文献]
[0006]
[专利文献]
[0007]
专利文献1：日本特开昭61－48543号公报
[0008]
专利文献2：特表2018－503743号公报
[0009]
专利文献3：国际公开第2017/221770号


技术实现要素：

[0010]
本发明的课题在于提供一种铜接合线，其提高在大气中的保管寿命。
[0011]
用于解决技术问题的技术手段
[0012]
本发明的发明人们针对上述技术问题进行深入研究，结果发现通过具有下述结构的铜接合线能够解决上述技术问题，根据相关认识进一步反复研究，完成了本发明。
[0013]
即，本发明包含以下的内容。
[0014]
[1]一种半导体装置用铜接合线，表面的结晶晶界密度为0.6(μm/μm2)以上且1.6(μm/μm2)以下。
[0015]
[2]如[1]所述的铜接合线，表面的结晶晶界密度如下计算：通过ebsd法以测定点间隔0.06μm以上且0.6μm以下进行测定，将相邻的测定点间的取向差为15
°
以上的边界视为结晶晶界时的结晶晶界的总长度(μm)处理测定面积(μm2)。
[0016]
[3]如[2]所述的铜接合线，表面的结晶晶界密度在如下的条件下进行测定：以垂直于线长向轴的方向上的线的宽度的中心成为测定面的宽度的中心的方式定位，且在测定面的宽度为线直径的20％以上且40％以下、测定面的长度为测定面的宽度的5倍。
[0017]
[4]如[1]～[3]的任一项所述的铜接合线，由纯度99.9质量％以上的铜构成。
[0018]
[5]如[1]～[4]的任一项所述的铜接合线，线直径为15μm以上且300μm以下。
[0019]
[6]如[1]～[5]的任一项所述的铜接合线，断裂强度为145mpa以上。
[0020]
[7]一种半导体装置，包括[1]～[6]的任一项所述的铜接合线。
[0021]
发明效果
[0022]
根据本发明，可以提供一种铜接合线，其提高在大气中的保管寿命。
具体实施方式
[0023]
以下，基于优选的实施方式详细地说明本发明。
[0024]
[半导体装置用铜接合线]
[0025]
本发明的半导体装置用铜接合线的特征在于，表面的结晶晶界密度为0.6(μm/μm2)以上且1.6(μm/μm2)以下。
[0026]
作为表示接合线的晶体组织的指标已知的是平均结晶粒径，为了实现期望的线性状，以往就执行将相关的平均结晶粒径调整到一定范围内的措施。例如提出了一种技术，根据与线的环境耐性或连接可靠性的关联，添加一定量的掺杂剂的同时将线的平均结晶粒径调整到一定范围内(例如，日本特表2018－503743号公报，国际公开手册wo2017/221770等)。因此，本发明的发明人们，根据与铜接合线的在大气中的保管寿命的关联，研究了线的平均结晶粒径等的影响。其结果，确认了在大气中的保管寿命与线的平均结晶粒径不是必然相关。
[0027]
本发明的发明人们为了提高铜接合线在大气中的保管寿命，在深入研究的过程中，发现线表面的结晶晶界密度与在大气中的保管寿命高度相关性，终于得到本发明。需要说明的是，前述的平均结晶粒径如以霍尔—佩奇(hall-petch)的经验法则所代表的那样，有时作为表示多晶材料的强度特性或接合材料的接合强度这样的主体特性的指标而使用，那时存在该平均结晶粒径与结晶晶界密度被以相同含义而使用的情况。然而，还发现，在如在大气中的保管寿命这样的、以材料的表面特性作为对象的情况下，该特性与平均结晶粒径不是必然相关，另一方面，该特性与结晶晶界密度高度相关。
[0028]
在本发明中，所谓结晶晶界密度，是指每单位面积(μm2)存在的结晶晶界的总长度(μm)，是表示每单位面积存在多少结晶晶界的指标。
[0029]
出于实现提高在大气中的保管寿命的铜接合线的观点，表面的结晶晶界密度的上限为1.6(μm/μm2)以下，优选1.55(μm/μm2)以下，较优选1.5(μm/μm2)以下、1.45(μm/μm2)以下、或1.4(μm/μm2)以下。
[0030]
出于实现一种呈现充分的断裂强度、能够稳定地形成希望的线弧形状的铜接合线的观点，表面的结晶晶界密度的下限为0.6(μm/μm2)以上，优选为0.65(μm/μm2)以上、0.7(μm/μm2)以上、0.75(μm/μm2)以上、0.8(μm/μm2)以上、或0.85(μm/μm2)以上。
[0031]
在本发明中，表面的结晶晶界密度是将线表面作为观察面，通过ebsd(电子背散射衍射、electron backscattered diffraction)法测量、算出。详细而言，通过ebsd法以测定点间隔0.06μm以上且0.6μm以下进行测定，将相邻的测定点间的取向差为15
°
以上的边界视为结晶晶界时的结晶晶界的总长度(μm)除以测定面积(μm2)而算出。在此，结晶晶界的总长度是通过ebsd解析软件aztec hkl(牛津仪器株式会社制造)在得到的直方图中，求得相邻
的测定点间的取向差为15
°
以上的边界的次数，对该次数乘以测定点间隔而算出。
[0032]
通过ebsd法测定、计算表面的结晶晶界密度时，测定面的位置及尺寸按照如下的方式决定。需要说明的是，在下文中，所谓测定面的宽度，是指垂直于线长向轴的方向上的测定面的尺寸，所谓测定面的长度，是指线长向轴方向上的测定面的尺寸。
[0033]
首先，将供测定的铜接合线呈直线状地固定于试样支座上。接着，以垂直于线长向轴的方向上的线的宽度的中心(即，在垂直于线长向轴的方向上观察线表面时的线的宽度的中心)成为测定面的宽度的中心的方式定位，且，以测定面的宽度成为线直径的20％以上且40％以下的方式决定测定面。通过以上述的方式决定测定面的位置及尺寸，可以抑制线表面的曲率的影响，精度良好地测定、计算表面的结晶晶界密度。测定面的长度设定为测定面的宽度的5倍。此外，优选针对线长度方向上彼此分开1mm以上的多个位置(n≧3)的测定面实施，并采用其平均值。
[0034]
本发明的铜接合线由铜或铜合金构成。从可以进一步享受本发明的效果的观点出发，线中的铜的含量优选为99.9质量％以上，较优选为99.99质量％以上或99.999质量％以上。
[0035]
对于本发明的铜接合线，可以添加已知可赋予环境耐性的任意的掺杂物。作为相关的掺杂物，例如可举出钪(sc)或钇(y)等的稀土类元素、磷(p)、锡(sn)、锌(zn)、镍(ni)及硅(si)。掺杂物的含量可以为1质量ppm以上、3质量ppm以上、5质量ppm以上或10质量ppm以上等，该含量的上限可以设为500质量ppm以下、400质量ppm以下、300质量ppm以下或200质量ppm以下等。因此，在一实施方式中，本发明的铜接合线含有由稀土类元素、p、sn、zn、ni及si构成的组中选择的一种以上的元素1～500质量ppm。即使在不添加该掺杂物或添加量极其微量(例如，100质量ppm以下、50质量ppm以下、30质量ppm以下等)的情况下，本发明的铜接合线也能够在大气中呈现良好的保管寿命。在优选的一实施方式中，本发明的铜接合线由铜和不可避免的杂质构成。
[0036]
本发明的铜接合线的直径并不特别地限定，根据具体的目的适当决定即可，可以优选为15μm以上、18μm以上或20μm以上等。该直径的上限并不特别限定，例如可以设为300μm以下、250μm以下、200μm以下、150μm以下、100μm以下、80μm以下、60μm以下或50μm以下等。因此，在一实施方式中，本发明的铜接合线的直径为15μm以上且300μm以下。
[0037]
＜线的制造方法＞
[0038]
针对本发明的半导体装置用铜接合线的制造方法的一个示例进行说明。
[0039]
通过连续铸造将纯度为3n～6n(99.9～99.9999质量％)的原料铜加工成大径，接着通过拉丝加工细化至最终线径。
[0040]
此外，在添加掺杂物的情况下，将含有必要的浓度的掺杂物的铜合金作为原料使用即可。添加掺杂物时，可以直接添加高纯度的掺杂物成分，也可以利用含有1％程度的掺杂物成分的母合金。或者，也可以在线制造工序的中途，通过使掺杂物成分被覆到线表面而从而使线含有掺杂物。此时，可以编入线制造工序的某处，也可以编入多个工序中。作为被覆的方法，可以从(1)水溶液的涂布干燥热处理、(2)镀覆法(湿式)、(3)蒸镀法(干式)中选择。
[0041]
拉丝加工可以使用连续拉丝装置而实施，该连续拉丝装置能够设置多个被金刚石包覆的模具。根据需要，也可以在拉丝加工的中途阶段实施热处理。
[0042]
拉丝加工之后，进行表面改性热处理。出于实现表面的结晶晶界密度处于预定范围的铜接合线的观点，表面改性热处理优选在高温下短时间实施。虽然也取决于拉丝加工的加工度等，但在将铜的熔点设为tm(k)时，表面改性热处理的温度优选在0.6tm～0.8tm的范围中决定。铜的熔点tm为1358k(＝1085℃)，因此表面改性热处理的温度优选为540℃～820℃的范围。此外，表面改性热处理的时间优选设定为长不过几秒钟(例如，7秒钟以下、5秒钟以下、4秒钟以下等)。
[0043]
出于实现表面的结晶晶界密度处于预定范围的铜接合线的观点，表面改性热处理优选在导热率高的氛围气体的存在下实施。由此，能够缩短使线表面的温度上升所要的工序时间，容易将表面的结晶晶界密度调整到预定范围中。通常气体的导热率随着分子量越小而越大，因此作为表面改性热处理的氛围气体，优选含氢气的惰性气体，例如可举出含氢氦气、含氢氮气、含氢氩气。含氢惰性气体中的氢浓度例如可以设为1～20％的范围。在优选的一实施方式中，表面改性热处理的氛围气体为合成气体(5％h2－n2)。或者，在热处理的温度、时间的严格管理之下，作为氛围气体，可以使用氮气、氩气等惰性气体。
[0044]
本发明的铜接合线由于表面的结晶晶界密度处于预定范围，因此在大气中的保管寿命优异。本发明的铜接合线还由于线内部的结晶结构，而呈现良好的强度。例如，本发明的铜接合线的断裂强度优选为145mpa以上，较优选为150mpa以上、155mpa以上、或160mpa以上。该断裂强度的上限并不特别地限定，但通常可设为250mpa以下、200mpa以下等。铜接合线的断裂强度可以通过后述的[断裂强度]所述的方法进行测定。
[0045]
本发明的铜接合线在制造后，可以通过将该线卷绕成卷筒来形成线卷装体。本发明的铜接合线由于在大气中的保管寿命优异，因此即使在较长地卷绕的情况下，也不容易招致氧化劣化的问题，显著地有助于提高半导体装置的生产效率。
[0046]
在半导体装置的制造中，本发明的铜接合线可以用于连接半导体芯片上的电极和引线框或电路基板上的电极。与半导体芯片上的电极的第一连接(1st接合)可以是球接合，也可以是楔接合。在球接合中，通过电弧热输入将线前端加热熔融，通过表面张力形成球(无空气球：(fab：free air ball))后，在加热的半导体元件的电极上压接接合该球部。在楔接合中，不形成球，通过对线部施加热、超声波、压力而压接接合在电极上。表面的结晶晶界密度处于预定范围的本发明的铜接合线即使不添加掺杂物或添加量极其微量，在大气中的保管寿命也优异，因此能够抑制氧化物或掺杂物导致的球的硬质化，能够抑制球形接合时的芯片损伤。此外，在大气中的保管寿命优异的本发明的铜接合线在大气中长期保管后仍能够抑制氧化劣化引起的连接不良，能够确保广阔的工艺窗口。与引线框或电路基板上的电极的第二连接(二次接合)，可以设为楔接合，通过使用本发明的铜接合线，如上所述能够确保广阔的工艺窗口。
[0047]
[半导体装置]
[0048]
通过使用本发明的半导体装置用铜接合线，连接半导体芯片上的电极和引线框或电路基板上的电极，能够制造半导体装置。
[0049]
在一实施方式中，本发明的半导体装置的特征在于，包含电路基板、半导体芯片、及用于导通电路基板和半导体芯片的铜接合线，该铜接合线是本发明的铜接合线。
[0050]
在本发明的半导体装置中，电路基板及半导体芯片并不特别地限定，可以使用为了构成半导体装置而可用的公知的电路基板及半导体芯片。或者，也代替电路基板，而使用
引线框。例如，如日本特开2002－246542号公报所述的半导体装置那样，也可以设为包含引线框、被安装于该引线框的半导体芯片的半导体装置的构成。
[0051]
作为半导体装置，可以举出提供给电气产品(例如计算机、手机、数码相机、电视、空调、太阳光发电系统等)以及交通工具(例如，摩托车、汽车、电车、船舶以及航空器等)等的各种半导体装置，其中优选电力用半导体装置(功率半导体装置)。
[0052]
[实施例]
[0053]
下面，针对本发明，示出实施例具体地说明。其中，本发明并不限定于以下所示的实施例。
[0054]
(样品)
[0055]
首先，针对样品的制作方法进行说明。作为线的原材料的cu，使用纯度为99.9质量％(3n)以上～99.999质量％(5n)以上、剩余部分由不可避免的杂质构成的物质。该预定纯度的铜通过连续铸造进行制造以便成为几mm的线径。此外，在添加掺杂物sn、p、ni的情况下，sn、p、ni是纯度为99质量％以上、剩余部分由不可避免的杂质构成的物质，或者使用对cu以高浓度配合掺杂物的母合金。并且，以掺杂物含量成为目标值的方式，添加至上述预定纯度的铜中，通过连续铸造进行制造以便成为几mm的线径。对得到的线材，进行拉伸加工，制作线径0.3～1.4mm的线。拉丝中使用市售的润滑液，拉丝速度为20～150m/分。此外，在拉丝中，为了除去线表面的氧化膜，在进行了基于盐酸等的酸洗处理后，使用减面率处于10～26％的范围的多个模具(其中一半以上的模具的减面率为18％以上)进行拉丝加工，加工至最终线径。根据需要，在拉丝加工的途中，进行200～600℃、5～15秒钟的热处理0～2次。在此，最终线径为直径20μm(实施例1～11、15～17及比较例1～4、7)、30μm(实施例12～14及比较例5～6)。加工后，在实施例1～17的制造中，在540～820℃下进行最长不过几秒钟的表面改性热处理。另一方面，在比较例1、4及5的制造中，在500～650℃下进行10秒钟以上的调质热处理，另外，在比较例2、3、6和7的制造中，在350～600℃下进行1～10秒钟的调质热处理。热处理是在连续地扫掠线的同时进行，在合成气体(5％h2－n2)的流通下进行。
[0056]
(试验、评价方法)
[0057]
下面，针对试验、评价方法进行说明。
[0058]
[表面的结晶晶界密度]
[0059]
将线的表面作为观察面，通过ebsd法，按照如下的方式，测定结晶晶界，计算结晶晶界密度。
[0060]
将供测定的接合线呈直线状固定于试样支座。接着，以垂直于线长向轴的方向上的线的宽度的中心成为测定面的宽度的中心的方式定位，且以测定面的宽度成为线直径的20％以上且40％以下的方式决定测定面。测定面的长度设为测定面的宽度的5倍。然后，使用ebsd测定装置(牛津仪器株式会社制造aztec ebsd系统)，以加速电压15kv、测定点间隔0.06至0.6μm进行测定，通过ebsd解析软件(牛津仪器株式会社制造的aztec hkl)进行解析，将相邻的测定点间的取向差为15
°
以上的边界视为结晶晶界，求得结晶晶界的总长度(μm)。详细而言，所得的直方图中，求得相邻的测定点间的取向差为15
°
以上的边界的次数，对该次数乘以测定点间隔从而计算结晶晶界的总长度(μm)。将所得到的结晶晶界的总长度(μm)除以测定面积(μm2)，计算表面的结晶晶界密度(μm/μm2)。
[0061]
此外，基于ebsd法的测定是针对在线长度方向上彼此分开1mm以上的三处的测定
面实施，采用其平均值。
[0062]
[断裂强度]
[0063]
线的断裂强度是使用instron制造的拉伸试验机，在标记点间距离100mm、拉伸速度10mm/分、力传感器额定负载5n的条件下进行拉伸、测定。在本试验中，将线断裂的负载用初始(试验前)的线截面积进行除算而得到的值作为断裂负载。实施5次测定，采用其平均值作为该样品的断裂强度。
[0064]
[二次接合窗口]
[0065]
二次接合窗口试验是如下的试验：在线径20μm时，如表1所示，在横轴上将二次接合时的超声波电流从50ma至100ma、每次隔开10ma设置6个阶段，在纵轴上，将二次接合时的负载从40gf至90gf、每次隔开10gf设置6个阶段，在线径30μm时，如表2所示，在横轴上从130ma至180ma、每次隔开10ma设置6个阶段，在纵轴上从90gf至140gf、每次隔开10gf设置6个阶段，针对全部36个二次接合条件求得能够接合的条件的个数。
[0066]
[表1]
[0067]
(表1)
[0068][0069]
[表2]
[0070]
(表2)
[0071][0072]
本试验是针对实施例及比较例的各线，在(i)线的制造当日、线制造后(ii)在大气中保管1周时间后、(iii)在大气中保管2周时间后、(iv)在大气中保管3周时间后、(v)在大
气中保管4周时间后的、不同的五个时期实施的。详细而言，使用市售的引线接合器，在引线框的引线部分，对各条件每个进行200根的接合。对于引线框，使用实施了镀ag的引线框，在工作台温度200℃、合成气体(5％h2－n2)0.5l/分的流通下进行接合。而且，求得没有未附着或焊接机停止的问题地实现连续接合的条件的个数，按照以下的基准，进行评价。
[0073]
评价标准：
[0074]
◎
：33条件以上
[0075]
○
：30～32条件
[0076]
△
：26～29条件
[0077]
×
：25条件以下
[0078]
[线弧形状稳定性]
[0079]
线弧形状稳定性(线弧外形的再现性)是以线长为3mm、线弧高度为250μm的方式连接梯形线弧40根，根据高度的标准偏差进行评价的。在高度测定中使用光学显微镜，位置是在线弧的最顶点附近和线弧的中央部的两处测定的。若线弧高度的标准偏差为线径的1/2以上，则判断为偏差较大，若小于1/2则判断为偏差较小，为良好。并且，根据表3所示的标准进行评价。
[0080]
[表3]
[0081]
(表3)
[0082][0083]
在表4中示出实施例及比较例的评价结果。
[0084]
[表4]
[0085][0086]
实施例no.1～17均可以确认，线的表面的结晶晶界密度处于本发明范围内，在大气中保管后仍能够抑制氧化劣化导致的连接不良，能够确保宽的工艺窗口。进一步确认了，实施例no.1～17均线弧外形的再现性优异，呈现良好的线弧形状稳定性。此外，对线的表面进行sem观察(倍率10，000倍；二次电子像)时，对于实施例no.1～6、9～13、15～17，未观察
到表面缺陷，此外，对于实施例no.7、8和14，观察到些许表面缺陷。此外，所谓表面缺陷，并不是能用光学显微镜观察到的伤痕、削痕，而是能通过电子显微镜观察到的微小的缺陷。表面缺陷被认为主要是在拉丝时因与模具的接触而形成的。
[0087]
另一方面，比较例no.1～7确认了，线的表面的结晶晶界密度在本发明范围外，产生氧化劣化导致的连接不良，回到窄的工艺窗口，或线弧形状稳定性变差。此外，对线的表面进行sem观察(倍率10，000倍；二次电子像)时，对于比较例no.1、4、5，未观察到表面缺陷，对于比较例no.2、7，观察到些许表面缺陷，对于比较例no.3、6，观察到较多表面缺陷。
[0088]
此外，关于线径100μm、200μm等的线，也确认到若线的表面的结晶晶界密度处于本发明范围内，则表现出与上述实施例同样的举动。