[发明专利]用于连接半导体装置的铜-铑合金线

说明书

技术领域

本发明涉及用于借助使用了超声波和热压的混合接合方法在半导体装置上将焊盘(pad)电极连接至外部电极上的铜合金线，特别涉及铜-贫铑合金线，其中铑溶解在纯度为99.995质量％以上的铜(Cu)中。

背景技术

随着近年来金价格的上涨，铜合金线作为4N-纯金合金线的替代品，正在重新获得更多的关注。

通常用于接合铜合金线的使用超声波和热压的混合接合方法由以下步骤构成：在保持非氧化的气氛中，如在氮气气氛中和混合了氢的氮气气氛中，借助电弧加热输出将铜合金接合线的一端加热并熔融在铝焊盘上；在该线的端部通过表面张力制成熔融球；随后借助碳化物工具将该线球下压在被加热至150-300摄氏度的半导体装置的电极上，从而通过加压负荷和来自碳化物工具的超声振动能量将铜合金线和铝焊盘接合在一起。超声波接合的效果是促进了铜合金线的变形，从而使接合面积变大，并且促进了在铜合金线表面上形成的厚度为50-100纳米(nm)的氧化物膜的破坏和除去，从而在下方表面处将金属原子如铜(Cu)露出，并因此在线和接合焊盘之间的相对面之间的界面中造成塑性流动，这起到了增大紧密接合的界面的面积的作用，且因此获得了两个物体之间的原子间接合。

常规上，已经有了含有处于固溶体状态的铜(Cu)和贵金属的铜合金线，如下文所述的铜合金线；然而，由于贵金属昂贵的价格，使得后者的添加量受到限制。作为结果，铜(Cu)基体本身的性质通过氧化的表面膜显露出来，并且在一次接合期间，在超声波接合时，当通过压力将线球接合时，因为在线球的塑性流动期间发生加工硬化，所以动态强度提高，且如果该球变得过硬，可能发生芯片破裂，且当在高温进行调质热处理以避免芯片破裂时，铜合金的静态强度变得过低，并且作为结果，该线可能不能够形成(describe)正确成型的接合环(loop)。

因此，常规铜合金的问题是，不可能在保持它的恒定的静态强度的同时，保持平衡的动态强度和接合线所需的柔韧性(韧性)。另一个问题是，在二次接合时，由于氧化物浓度的不均匀性，所得可接合性差。

在日本专利申请公开S61-020693(在下文中称为IP公开1)中描述了这种铜合金线的一个实例。名义上，它含有贵金属如金(Au)，但实质上，以0.001-2重量％向铜中加入镁(Mg)、铪(Hf)或其它贱金属元素，从而“H、O、N和C被固定在合金中，并由此限制了H₂、O₂、N₂和CO气体的生成”(IP公开1第2页的右上栏)。然而，当贱金属元素的含量总计达到百分比量级时，硬度变得过高，且熔融球倾向于过硬而不能避免芯片破裂。

又有日本专利申请公开2008-085320(在下文中称为IP公开2)。它涉及用于半导体装置的铜合金接合线，其特征在于，包含高纯度的铜，所述铜含有总量为10-700质量ppm的Mg和P中至少一种、总量为10-5,000质量ppm的Ag、Pd、Pt和Au中的至少一种、以及量为6-30质量ppm的氧(IP公开2的权利要求2)，且该发明的目的是，通过控制在线球表面上形成的氧化物膜的氧，改善熔融球的形状和接合强度。然而，因为通过软化，即降低硬度和静态强度，来改善球接合形状和接合强度，出现了与上文所述相同的问题，即，所得的接合环不能正确地定形。

正如由上述实例可见，常规的铜合金接合线是通过加入相对小量的金属元素来改善铜(Cu)接合线的接合性能的努力的结果。

作为结果，尽管降低了接合线的静态强度，但动态强度变得如此之高，使得即使在球焊期间不发生芯片破裂，但发生“铝飞溅(splash)”，即铝焊盘的扭曲和撕脱，并也伴随着静态强度的降低，发生倾斜(leaning)，因此达不到使用自由空气球(FAB)的接合线所需的平衡的柔韧性(韧性)。附带提及，通常在混合了氢的氮气气氛中形成自由空气球(FAB)，但偶尔在包含100％的氮气的惰性气氛等中形成它。

现有技术公开

[IP公开]

[IP公开1]

(日本)专利申请公开S61-020693(1986)

(日本)专利申请公开2008-085320

发明内容

发明寻求解决的问题

本发明的目的在于，提供一种铜合金接合线，其在一次接合时当借助超声波将铜合金线的熔融球接合至铝焊盘时不产生铝飞溅、芯片破裂或倾斜，并在二次接合期间能够形成具有高接合性的出色的二次接合。

解决问题的手段