Al布线材料

技术领域

本发明涉及一种Al布线材料。进一步地，涉及一种包含该Al布线材料的半导体装置。

背景技术

在工业设备或电子部件中被用于电连接及/或机械连接的线状的材料中，伴随汽车电子化的需要，为了比以往的铜(Cu)更为轻量、低成本，铝(Al)的使用正在增加。在被使用于输送设备、机器人等工业设备的Al线(圆形)、Al条(扁平形、椭圆)中，根据使用目的，要求断裂强度、伸长率等机械特性、或导电性、导热性等。

在半导体装置中，通过接合线或接合带，对被形成在半导体芯片上的电极与引线框架或电路基板(也简称为“基板”)上的电极之间进行连接，在功率半导体装置中，作为其材质，主要使用Al。例如，在专利文献1中，示出了在功率半导体模块中使用

以下，将上述Al线、Al条、Al接合线、Al接合带等统称为Al布线材料。

使用了Al布线材料的功率半导体装置多被用作空调或太阳光发电系统等大功率设备、以及车载用的半导体装置。在这些半导体装置中，在装置动作时，布线材料与被连接构件的连接部被暴露于120℃以上的高温。此外，当高电压的ON/OFF以高速进行时，会成为反复升温与降温的严酷环境。在使用了仅由高纯度的Al构成的材料作为布线材料的情况下，在装置动作时的温度环境中，布线材料的软化易于进行，因此在高温环境下使用是困难的。

一种Al布线材料被提出，其由将特定的元素添加于Al得到的材料构成。例如，在专利文献2中，公开了一种Al接合线，由于将0.05～1重量％的钪(Sc)添加于Al，并使其析出硬化，因而其机械强度提高，此外，在专利文献3中，公开了一种线，其为将0.15～0.5质量％的Sc添加于Al，使其强制固溶得到的Al接合线，并在连接后，通过时效热处理来析出硬化。在专利文献4中，公开了：合计含有镍(Ni)、硅(Si)及磷(P)中的1种以上800质量ppm以下的Al布线材料呈现出良好的接合强度、耐候性。在专利文献5中，公开了一种Al接合线，其含有0.01～0.2质量％的铁(Fe)和1～20质量ppm的Si，Fe的固溶量为0.01～0.06质量％，Fe的析出量为固溶量的7倍以下，且平均晶体粒径为6～12μm，并记载了该线呈现良好的接合可靠性。

先行技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2002-314038号公报

专利文献2：日本特表2016-511529号公报

专利文献3：日本特开2014-47417号公报

专利文献4：日本特开2016-152316号公报

专利文献5：日本特开2014-129578号公报

发明内容

发明要解决的技术问题

伴随工业设备及电子部件的高性能化、应用范围的扩大，Al布线材料所需的要求正在变严。关于被使用于输送设备、机器人等工业设备的Al布线材料，要求向高温环境或反复弯曲变形的适应。最近，在汽车相关用途中，在高温环境下被使用的期间，线的强度会劣化，从而发生变形异常或产生裂纹，当其进行时，有时会达到断线。因此，抑制高温环境下的Al布线材料的强度降低，从而提高高温可靠性被作为了课题，但仅通过使布线材料的强度増加，难以得到足够的高温可靠性，除此之外，也顾虑设置使用时的操作性、接合性等降低。

此外，在被使用于半导体等电子部件的Al布线材料中，由于面向汽车的功率设备的用途扩大，需要提高初始接合性与接合部的高温可靠性。半导体中的Al布线材料的连接有2处，为与半导体芯片上电极的连接(以下，称为“第1连接”)、以及与引线框架或基板上的外部电极的连接(以下，称为“第2连接”)。在功率设备中，会产生伴随动作时的温度变化的冲击性的热应力(以下，称为“热冲击”)，有时会在第1连接部处发生损伤，该第1连接部为Al布线材料与半导体芯片上电极的连接部。具体而言，由于Al布线材料与被连接构件的热膨胀率差，有时在连接部界面会产生裂纹(以下，称为“接合裂纹(bond crack)”)。由于Al布线材料自身的伸缩所产生的弯曲应力，有时也会在连接部附近的线弧立起部产生裂纹(以下，称为“根裂纹(heel crack)”)。由于装置动作时的环境下的腐蚀，这些接合裂纹及根裂纹会发展，最终会发生Al布线材料的连接部的剥离等，连接部的高温可靠性会被损害。关于这一点，尽管考虑向Al布线材料添加其他元素来抑制晶粒的粗大化并使其高强度化的方法，但是在上述方法中，随着Al布线材料中的其他元素的含量变高，会存在以下情况：在Al布线材料的制造时，发生断线或产生损伤，成品率降低，或是在连接Al布线材料时，被连接构件损伤(以下，称为“芯片损伤(chip damage)”)。

如此，对于Al布线材料，需要抑制常温强度的上升，维持、改善变形、接合的操作性能，并提高高温可靠性。

另一方面，已知通过将Sc添加于Al布线材料，会改善高温可靠性(专利文献2、3)。但是，在上述技术中，也会受到常温强度上升的影响，并且因Sc为高价故材料费会变高，另外，为了利用Sc的析出来提高高温可靠性，在较窄范围内对制造时或连接后的补充加热处理等的条件进行管理是必要的，会成为实用化的阻碍。

关于布线材料制造时的热处理或连接后的补充加热处理，如果通过低温或短时间的处理达成性能提高，则能够将布线材料的生产性的提高、对被连接构件的热影响等抑制得较低，能够综合地满足许多要求性能。

本发明的目的在于提供一种抑制常温强度的上升，并且显示出良好的高温可靠性的新的Al布线材料。

用于解决技术问题的技术手段

本发明人们针对上述问题，进行了专心研究，结果发现能够通过具有下述构成的Al布线材料来解决上述问题，并基于上述认识，进一步反复研究，由此完成了本发明。

即，本发明包含以下内容。

[1]一种Al布线材料，其含有从由Er、Yb及Gd构成的组中选择的1种以上，在将其含量的总计记为x1[质量％]时，

0.001≤x1≤0.6，剩余部分包含Al。

[2]如[1]所述的Al布线材料，其中，还含有从由Sc及Zr构成的组中选择的1种以上，在将其含量的总计记为x2[质量％]时，

0.005≤x2≤0.6。

[3]如[1]或[2]所述的Al布线材料，其中，还含有从由Si、Fe、Ni、Ce、Y及Zn构成的组中选择的1种以上，在将其含量的总计记为x3[质量％]时，

0.001≤x3≤1。

[4]如[1]～[3]的任意一项所述的Al布线材料，其中，该Al布线材料为接合线。

[5]一种半导体装置，其包含如[1]～[4]的任意一项所述的Al布线材料。

发明效果

根据本发明，能够提供一种会抑制常温强度的上升，并且显示出良好的高温可靠性的新的Al布线材料。关于上述新Al布线材料，常温强度的上升被抑制，并能够提高向装置的设置、连接时的操作性、生产性，并且关于布线材料制造时的热处理或连接后的补充加热处理，能够通过低温或短时间的处理，或无需该加热处理地，在高温环境下的使用时维持、改善强度，并呈现出良好的高温可靠性。

具体实施方式

以下，就其优选的实施方式，对本发明详细进行说明。

[Al布线材料]

本发明的Al布线材料的特征在于，含有从由Er、Yb及Gd构成的组中选择的1种以上，在将其含量的总计记为x1[质量％]时，满足0.001≤x1≤0.6。

通过在Al布线材料中少量添加从由Er、Yb、Gd构成的组中选择的1种以上(以下，也称“第1组元素”)，能够提高Al布线材料的高温可靠性，而且能够抑制Al布线材料的常温强度的上升，从而改善变形、接合的操作性能。关于上述高温可靠性，能够通过高温加热后的Al布线材料的强度与加热前相比被维持或是提高来确认。此外，关于常温强度，能够通过Al布线材料的硬度的上升被抑制、连接时的对被连接构件(半导体芯片等)的损伤被抑制、以及初始接合性良好等来确认。

作为添加了第1组元素的Al布线材料的特性评价的事例，能够提高在300～500℃的高温下长时间加热时的断裂强度。作为在严酷的高温环境下的使用时达成的效果，例如可举出即使在以350℃加热了4小时后，也会抑制Al布线材料的断裂强度的劣化，断裂强度反而提高等。

发现了：通过将含有第1组元素的Al合金精加工为线材，这些元素的添加所带来的高温可靠性的改善效果与在块、板等构件中得到的改善效果相比更高。认为通过利用拉丝加工中的织构的形成、细线中的加热、冷却的热处理所造成的再结晶现象的进行等，从而Al合金内的Er、Yb、Gd的析出及固溶的状态会对高温可靠性有利地起作用。

作为Er、Yb、Gd的特征，可举出在Al内的原子的扩散速度较快、可固溶在Al内的最大浓度(最大固溶度)较低，认为在加热中，析出会被促进，从而对高温可靠性的提高有利地起作用。即，在Er、Yb、Gd的添加中，认为由于即使在少量添加的情况下，也能够有效地形成析出物的核，还有析出速度较快，因而即使为低温、短时间的加热处理，也能够改善强度。

通过对含有第1组元素的Al合金进行加热，能够形成作为第1组元素与Al的金属间化合物的Al

通过添加第1组元素来提高析出物形成的效率，从而对析出物的尺寸、密度等进行控制会变得容易。由此，与以往的Sc添加等的情况相比，以即使为低温、短时间的加热处理，也能够改善强度为代表，由于增加高温环境下的强度的添加效果显著较高等，能够较大地有助于高温强度的提高。可通过比较廉价的素材来实现这样的特别显著的功能也是实用上的优点。

关于第1组元素即Er、Yb、Gd，能够同样地起到上述添加效果。进而，也能够通过利用各元素的特征来进行符合要求的适当化。例如，针对Er，Al－Er系为共晶型，保持析出所需的过饱和的固溶状态比较容易，此外，也能够利用固溶强化来助长高强度化。针对Yb，在第1组元素中，为唯一的面心立方结构的元素，在Al内的扩散速度也最快，因此对于使用于析出的加热时间更短是有利的。关于Gd，抑制固溶状态下的强度上升的倾向较强，因此更加适于优先提高Al布线材料的变形、接合的操作性能等常温下的操作性的用途。

根据用途、要求特性，能够选定第1组元素中的1种或多种并分开使用。例如，当使Er与Yb共存时，对于减少含量并增进提高析出速度的效果是有利的，此外，当使Er与Gd共存时，对于同时提高常温下的变形、接合的操作性能、以及在高温环境下的使用时维持、改善强度的性能是有利的。第1组元素的组合不限于此，既可以将Yb与Gd组合，也可以将3种元素全部组合。

本发明的Al布线材料在总计0.001～0.6质量％的范围内含有从由Er、Yb及Gd构成的组中选择的1种以上作为第1组元素。即，在将Al布线材料中的第1组元素的含量的总计记为x1[质量％]时，满足0.001≤x1≤0.6。

从提高高温环境下使用时的强度，得到高温可靠性良好的Al布线材料的观点出发，Al布线材料中的第1组元素的含量的总计，即x1为0.001质量％以上，优选为0.002质量％以上、0.003质量％以上或0.005质量％以上，更优选的是，为0.01质量％以上、0.02质量％以上、0.03质量％以上、0.05质量％以上、0.07质量％以上、0.09质量％以上或0.1质量％以上。确认了，当x1为0.01质量％以上时，能够实现高温可靠性更为良好的Al布线材料。

关于Al布线材料中的第1组元素的含量的总计，即x1的上限，从抑制常温强度的上升，从而得到变形、接合的操作性能良好的Al布线材料的观点出发，为0.6质量％以下，优选为0.55质量％以下，更优选的是，为0.5质量％以下。确认了，当x1为0.5质量％以下时，能够实现常温下的操作性能更为良好的Al布线材料。

因此，在优选的一个实施方式中，Al布线材料中的第1组元素的含量的总计，即x1满足0.001≤x1≤0.6，更优选的是，满足0.01≤x1≤0.5。

－Sc、Zr(第2组元素)－

本发明的Al布线材料还可以含有从由Sc及Zr构成的组中选择的1种以上。

由于除了第1组元素之外，还含有从由Sc及Zr构成的组中选择的1种以上(也称“第2组元素”)，因而能够抑制常温强度的上升，维持变形、接合等常温下的操作性能，并进一步提高高温环境下使用时的强度，实现高温可靠性更为良好的Al布线材料。作为其效果的一例，在复合添加了第2组元素和第1组元素的Al布线材料中，能够改善更高温度区域中的强度，进而能够进一步地改善电子设备的高输出动作时的重复高温和低温的热历程中的连接部的高温可靠性。

以下，列举复合添加了第2组元素和第1组元素的Al布线材料的特性评价的事例。作为在严酷的高温环境下的使用时达成的效果，在第一事例中，例如，即使在以400℃的高温加热后，也能够抑制Al布线材料的断裂强度的劣化，更不如说，能够提高断裂强度。与单独添加第1组元素的情况相比，这显示了即使是高50℃以上的温度，也能够实现优异可靠性的可能性。

在第二事例中，在复合添加了第2组元素和第1组元素的Al布线材料中，与被连接构件的连接部的高温可靠性会进一步提高。尤其是，即使针对重复温度的上升、下降的热冲击，也能够保持高接合强度，从而实现长寿命。在此，作为对热冲击进行加速评价的方法之一，实施功率循环试验。其为通过重复电压的ON/OFF来反复进行急速的加热和冷却的试验。当由于该热冲击，与被连接构件的连接部的接合强度降低或进一步恶化时，裂纹在连接界面附近发展并剥离等会成为问题。针对由于急速的加热和冷却而Al布线材料的连接部产生的热应变，能够通过抑制在以往的Al布线材料中会成为问题的、布线材料内部的晶粒生长并粗大化的现象，从而提高连接部的高温可靠性。关于该连接部的高温可靠性，确认了即使在单独添加第1组元素的情况下也能够改善，但能够通过进一步复合添加第2组元素来得到更为显著的改善效果。

通过复合添加第1组元素和第2组元素，从而除了元素的固溶以外，还会形成由第2组元素、第1组元素中的1种或2种和Al构成的金属间化合物的析出物，该析出物会抑制高温环境下的布线材料及连接部中的晶界的移动或晶粒的粗大化，因此认为能够实现上述显著的效果。3元系的金属间化合物是有代表性的，例如可举出Al

关于3元系析出物的元素分布，为内部(芯)与外壳(壳)由不同的元素构成的复合结构(芯·壳结构)，这也会有效地作用于高温特性的改善。针对复合添加了第1组元素和第2组元素的Al布线材料，通过析出物的TEM分析等确认了：在析出物的内部，主要存在第1组元素富集的倾向，在外壳中，存在第2组元素富集的倾向。例如，在Al―Er―Sc的3元系析出物中，为Er富集于内部，Sc富集于外壳的结构，在Al―Yb―Zr的3元系析出物中，存在形成Yb富集于内部，Zr富集于外壳的结构的倾向。这被认为起因于：扩散速度较快的第1组元素较早凝集，形成与Al的芯析出物，以其为核，第2组元素析出到周边而形成壳。作为分析析出物的组成的方法，能够利用透射型电子显微镜(TEM)的组成分析(EDS分析)等。

作为该芯·壳结构的优点，即使在由第1组元素和Al构成的芯部会粗大化那样的较高的温度区域中，壳部也能够通过抑制析出物的生长来维持微细的析出物。由此，即使在相当高的温度区域中，也会得到可维持Al布线材料的可靠性这样的显著效果。这也是在复合添加了第1组元素和第2组元素时达成上述特别显著的效果的主要因素。关于芯·壳结构的析出物的形成，在块等大型构件中，难以使其稳定地分布在试样内部，这一点会成为阻碍，但在作为2维的线材的Al布线材料中，发现比较容易使芯·壳结构的析出物均匀地分布。即，如果为复合添加了第1组元素和第2组元素的Al布线材料，则对于作为提高高温特性的产品来量产化也是有利的。作为对这样的析出物的结构、组成进行分析的方法，能够使用3维原子探针(3Dimensional Atom Probe：3DAP)法等。能够通过析出物内的元素的浓度分布，对结构进行分析。

同时添加第1组元素和第2组元素(及后述的第3组元素)等多种元素的复合添加也有经济上的优点，由于能够减少高价的Sc的含量，并能够以更为少量的第2组元素来满足要求，因而作为结果，也能够减少第1组元素的使用量从而降低原料费。此外，有关用于改善高温可靠性的热处理条件，能够通过复合添加，低温、短时间地形成析出物，因此也能够享受生产性提高这样的优点。

本发明的Al布线材料优选在总计0.005～0.6质量％的范围内含有从由Sc、Zr构成的组中选择的1种以上作为第2组元素。即，在将Al布线材料中的第2组元素的含量的总计记为x2[质量％]时，优选满足0.005≤x2≤0.6。

从进一步提高高温环境下使用时的强度，得到高温可靠性更为良好的Al布线材料的观点出发，Al布线材料中的第2组元素的含量的总计，即x2优选为0.005质量％以上，更优选的是，为0.006质量％以上、0.008质量％以上或0.009质量％以上，进一步优选的是，为0.01质量％以上、0.02质量％以上、0.03质量％以上、0.05质量％以上或0.1质量％以上。确认了，当x2为0.01质量％以上时，能够实现高温可靠性格外良好的Al布线材料。

关于Al布线材料中的第2组元素的含量的总计，即x2的上限，从抑制常温强度的上升，从而得到变形、接合等常温下的操作性能良好的Al布线材料的观点出发，优选为0.6质量％以下，更优选的是，为0.55质量％以下，进一步优选的是，为0.5质量％以下。确认了，当x2为0.5质量％以下时，能够实现常温下的操作性能更为良好的Al布线材料。在添加第1组元素的本发明的Al布线材料中，能够抑制第2组元素的含量，x2可以低到0.45质量％以下、0.4质量％以下、0.35质量％以下、0.3质量％以下、0.25质量％以下、0.2质量％以下、0.15质量％以下或小于0.15质量％。

因此，在优选的一个实施方式中，Al布线材料中的第2组元素的含量的总计，即x2满足0.005≤x2≤0.6，更优选的是，满足0.01≤x2≤0.5。

－Si、Fe、Ni、Ce、Y、Zn(第3组元素)－

本发明的Al布线材料还可以含有从由Si、Fe、Ni、Ce、Y及Zn构成的组中选择的1种以上。

通过除了第1组元素以外，还含有从由Si、Fe、Ni、Ce、Y及Zn构成的组中选择的1种以上(也称“第3组元素”)，从而能够作为在Al布线材料与引线框或基板上的外部电极的连接的第2连接处，使高温可靠性提高，或是能够改善高温下的Al布线材料的弯曲变形性。通过复合添加第3组元素和第1组元素，与单独添加第1组元素的情况相比，在与由比Al更加高熔点、硬质的原材料构成的外部电极的第2连接处，即使在200℃以上的高温环境下，也在抑制接合强度的劣化时得到更高的效果。

作为引线框或基板上的外部电极，并不被特别地限定，但例如可举出由Ni、Ag、Pd等被覆的Cu基合金、Fe基合金。在第2连接处，外部电极的尺寸、厚度比较大，因此与芯片侧的第1连接相比，比较容易确保可靠性。即便这样，在严酷的使用条件下，由于高温环境或施加高电压时的动作发热等，在连接界面产生空隙或裂纹会成为问题。今后，如果Al布线材料的细线化进展，则与外部电极的连接部的高温可靠性会成为问题。这与以下情况有关：由于被连接构件为硬质、高熔点，因而在连接时主要发生Al布线材料的变形，难以得到连接界面处的金属接合、以及界面中的扩散速度较慢等。

第3组元素即Si、Fe、Ni、Ce、Y及Zn在Al内以固溶状态存在的量比第1组元素更多，因此能够通过固溶强化、或对加工、再结晶组织等进行影响来帮助高温可靠性的进一步提高。通过将第3组元素的固溶及第1组元素的析出组合，能够使与硬质的被连接构件的连接部处的金属新生面露出，从而促进相互扩散。此外，能够通过对Al布线材料进行加热处理，形成由Al、第3组元素、第1组元素构成的3元合金析出物，由此，在施加超声波的连接中，促进Al布线材料的均匀变形。认为通过这样的固溶和析出的协同作用及3元系的金属间化合物的形成等，作为结果，与外部电极的连接部处的高温可靠性会提高。作为3元系的金属间化合物的组成，例如可举出Al

本发明的Al布线材料优选在总计0.001～1质量％的范围内含有从由Si、Fe、Ni、Ce、Y及Zn构成的组中选择的1种以上作为第3组元素。即，优选的是，在将Al布线材料中的第3组元素的含量的总计记为x3[质量％]时，满足0.001≤x2≤1。

从得到第2连接部的高温可靠性良好的Al布线材料的观点出发，Al布线材料中的第3组元素的含量的总计，即x3优选为0.001质量％以上，更优选的是，为0.002质量％以上，进一步优选的是，为0.003质量％以上、0.005质量％以上、0.006质量％以上、0.008质量％以上、0.009质量％以上或0.01质量％以上。确认了，当x3为0.003质量％以上时，能够实现第2连接部的高温可靠性格外良好的Al布线材料。

关于Al布线材料中的第3组元素的含量的总计，即x3的上限，从抑制常温强度的上升从而得到变形、接合等常温下的操作性能良好的Al布线材料的观点出发，优选为1质量％以下，更优选的是，为0.9质量％以下，进一步优选的是，为0.8质量％以下。确认了，当x3为0.8质量％以下时，能够实现常温下的操作性能更为良好的Al布线材料。

因此，在优选的一个实施方式中，Al布线材料中的第3组元素的含量的总计即x3满足0.001≤x3≤1，更优选的是，满足0.003≤x3≤0.8。

本发明的Al布线材料的剩余部分包含Al。作为制造Al布线材料时的铝原料，能够使用纯度为4N(Al：99.99质量％以上)的工业上的纯Al。进一步地，更优选的是，使用杂质量较少的5N(Al：99.999质量％以上)以上的铝。在不妨碍本发明的效果的范围内，本发明的Al布线材料的剩余部分可以含有Al以外的元素。本发明的Al布线材料的剩余部分中的Al的含量只要不妨碍本发明的效果，就不会被特别地限定，优选的是，为98质量％以上、98.5质量％以上、99质量％以上、99.5质量％以上、99.6质量％以上、99.7质量％以上、99.8质量％以上、或99.9质量％以上。在优选的一个实施方式中，本发明的Al布线材料的剩余部分由Al及不可避免的杂质构成。

Al布线材料中的第1组元素、第2组元素、第3组元素等的含量能够通过后述的[元素含量的测定]所记载的方法来测定。

本发明的Al布线材料既可以在该Al布线材料的外周具有以Al以外的元素为主成分的被覆，也可以不具有该被覆。在优选的一个实施方式中，本发明的Al布线材料在该Al布线材料的外周不具有以Al以外的金属为主成分的被覆。在此，所谓“以Al以外的金属为主成分的被覆”，是指Al以外的金属的含量为50质量％以上的被覆。

本发明的Al布线材料抑制了常温强度的上升，并能够提高向装置的设置、连接时的操作性、生产性，并且关于布线材料制造时的热处理或连接后的补充加热处理，能够通过低温或短时间的处理，或无需该加热处理地，在高温环境下的使用时维持、改善强度，呈现出良好的高温可靠性。因此，本发明的Al布线材料能够在与被连接构件的连接时，用于同时要求常温下的操作性能与高温可靠性的广泛的用途，例如能够在输送设备、机器人等工业设备中，良好地用于与被连接构件的连接(工业设备用Al布线材料)，此外，能够在以功率半导体装置为代表的各种半导体装置中，良好地用于与被连接构件的连接(半导体装置用Al布线材料)。

本发明的Al布线材料可以根据其具体的使用方案而具有任意的尺寸。在本发明的Al布线材料为被用于输送设备、机器人等工业设备的Al线的情况下，其线径不被特别地限定，例如，直径可以为500μm～10mm。此外，也可以为使用了多条上述Al线的绞线。在为Al条的情况下，其矩形或大致矩形的截面的尺寸(w×t)不被特别地限定，例如，w可以为500μm～10mm，t可以为50μm～2mm。此外，在本发明的Al布线材料为被用于以功率半导体装置为代表的各种半导体装置的Al接合线的情况下，其线径不被特别地限定，例如直径可以为50～600μm。此外，在为Al接合带的情况下，其矩形或大致矩形的截面的尺寸(w×t)不被特别地限定，例如，w可以为100～3000μm，t可以为50～600μm。

本发明的Al布线材料的制造方法不被特别地限定，例如可以使用挤出加工、型锻加工、拉丝加工、轧制加工等公知的加工方法来制造。在某种程度上线径较细的情况下，优选实施使用金刚石模具的拉丝加工。在室温下进行拉丝的冷加工为制造装置等比较简单的构成，操作性优异。此外，在降低拉丝时的阻力从而提高生产性的情况下，也可以使用加热并拉丝的热加工。

在将Al及各添加元素的纯金属作为初始原料进行称量，使得各添加元素的含量成为特定范围后，将其混合并熔融凝固，由此来制作锭。或者，也可以是，作为各添加元素的原料，使用高浓度地包含添加元素的母合金。在制作该锭的溶解过程中，可使用间歇式、连续铸造式。连续铸造式的生产性优异，但间歇式容易改变凝固的冷却温度条件。将该锭加工到成为最终尺寸，形成Al布线材料。

为了在锭的状态下，或是在加工的中途或加工结束后，使各添加元素固溶并均等地分布，优选进行固溶热处理。在固溶热处理中，在固溶度较高的高温下，使添加元素固溶在Al内，为了抑制该已固溶的元素析出，通过水冷、空冷等，使冷却速度变快，将其冷却到常温。固溶热处理的条件例如能够在550～640℃的温度范围内加热了1小时～20小时后，以水冷、空冷等来冷却。在间歇式下，锭的冷却速度较快的情况下，大部分添加元素固溶，因此能够使固溶热处理的时间变短。或者，能够通过在溶解度较高的高温区域中进行热处理，从而使锭的凝固时产生的析出物再溶解，得到添加元素均匀地分布的状态。因此，能够通过提高凝固时的冷却速度来替代固溶热处理。例如，如果为连续铸造方式，则与分批溶解法的凝固相比，能够使凝固速度变快，因此比较容易在Al内使添加元素固溶，也能够不实施固溶热处理。

为了在已被固溶热处理的Al合金中促进析出，优选实施析出热处理。在进行析出热处理的情况下，能够在刚固溶热处理后，或之后的加工工序的中途或加工后进行。在以粗径的状态通过间歇式进行析出热处理的情况下，析出热处理例如可以通过在200～450℃的温度范围内加热10分钟～5小时来进行。具体而言，例如可举出250℃3小时的低温条件、350℃30分钟的高温条件等。或者，在以被加工的细径的状态连续地进行析出热处理的情况下，析出热处理例如可以通过以下方式进行：一边使线在炉内连续移动，一边在400～600℃的温度范围内加热1秒钟～5分钟。具体而言，例如可举出在抑制析出的进行的情况下，以400℃加热5秒钟，在促进析出物的形成的情况下，以500℃加热1分钟等。可以以这样的热处理条件为参考，决定温度、时间。更详细而言，能够在欲使条件适当化的情况下，以这样的热处理条件为参考，进行等温热处理或等时热处理，由此来容易地使温度、时间等适当化。例如，如果预先试制在一些时间条件下进行了等温热处理的Al布线材料，并对机械特性进行测定，则能够容易地再现所期望的特性。

在加工Al布线材料的中途或最终的线径中，可以实施调质热处理。通过调质热处理，会引起加工应变的除去、再结晶组织的形成等，此外，也能够结合上述析出热处理来使析出物生长。该调质热处理优选一边在加热炉内连续扫掠Al布线材料一边连续地进行热处理。作为该热处理条件，以在400～600℃的温度范围内以0.1秒钟～3分钟的短时间进行加热等进行例示。因为也能够以调质热处理使析出进行，所以根据必要的析出的程度，调质热处理能够同时兼作析出热处理。

在半导体装置中，关于本发明的Al布线材料与被连接构件的连接，与半导体芯片上的电极的第1连接、以及与引线框架或基板上的外部电极的第2连接均通过楔接合来实施。优选的是，在与被连接构件的连接后，进行包含Al布线材料的半导体装置的安装热处理。通过安装热处理，在Al布线材料中形成作为金属间化合物的析出物，由此能够通过析出强化来进一步使强度増大。在本发明的Al布线材料中，关于被形成的析出物的组成、方式，如前所述。

作为安装热处理的条件，只要能够形成金属间化合物，就不被特别地限定，但例如优选以200～400℃的温度范围加热10～60分钟。安装热处理时的气氛也可以为大气，但为了抑制构件的氧化，也可以在氮气、氩气等惰性气氛中进行。

本发明也提供一种半导体装置的制造方法。在优选的一个实施方式中，本发明的半导体装置的制造方法包含：

(A)将半导体芯片上的电极与引线框架或基板上的电极通过本发明的Al布线材料来连接的工序；以及

(B)在基于Al布线材料的连接之后，进行安装热处理的工序。

在工序(A)中使用的半导体芯片、引线框架或基板如后所述，可以使用能够用于构成半导体装置的公知的半导体芯片、引线框架或基板。此外，在工序(A)中使用的本发明的Al布线材料的详细、优选的方案如前所述。在工序(A)中，与半导体芯片上的电极的第1连接、以及与引线框架或基板上的电极的第2连接均可以通过楔接合来实施。此外，能够在工序(B)中，在Al布线材料中形成上述金属间化合物的微细的析出相。

[半导体装置]

通过用本发明的Al布线材料来对半导体芯片上的电极、以及引线框架或基板上的外部电极进行连接，从而能够制造半导体装置。

本发明的半导体装置包含本发明的Al布线材料。关于本发明的Al布线材料，常温强度的上升被抑制，能够提高向装置的设置、连接时的操作性、生产性，并且关于布线材料制造时的热处理或连接后的补充加热处理，能够通过低温或短时间的处理，或无需该加热处理地，在高温环境下的使用时维持、改善强度，并呈现出良好的高温可靠性。因此，以即使在高温的动作环境下也能够长期地实现良好的动作可靠性为代表，包含该Al布线材料的半导体装置能够将向被连接构件的热影响等抑制得较低，并能够综合性地满足许多要求性能。

在一个实施方式中，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、以及用于使电路基板与半导体芯片导通的Al布线材料，该Al布线材料为本发明的Al布线材料。在此，针对本发明的半导体装置所说的所谓“本发明的Al布线材料”，其特征在于，在前述优选的浓度范围内含有第1组元素，并根据需要在前述优选的浓度范围内含有第2组元素、第3组元素。

在本发明的半导体装置中，即使在高温环境下使其长时间动作的情况下，也能够保持微细的相地维持与Al分离的析出物(例如，由前述的2元系或3元系的金属间化合物构成的析出物)。

在本发明的半导体装置中，电路基板及半导体芯片不被特别地限定，可以使用能够用于构成半导体装置的公知的电路基板及半导体芯片。或者，还可以代替电路基板而使用引线框架。例如，可以像日本特开2020-150116号公报及日本特开2002-246542号公报所记载的半导体装置那样，设为包含引线框架、以及被安装于该引线框架上的半导体芯片的半导体装置的构成。

作为半导体装置，可举出被提供给电气产品(例如，计算机、移动电话、数码相机、电视、空调、太阳光发电系统等)及交通工具(例如，摩托车、汽车、电车、船舶及航空器等)等的各种半导体装置，其中，优选功率用半导体装置(功率半导体装置)。

【实施例】

以下，针对本发明，示出实施例并具体地进行说明。但是，本发明并不被限定于下示实施例。

(样本)

首先，针对样本的制作方法进行说明。将纯度5N(99.999质量％以上)的Al和纯度99.9质量％以上的Er、Yb、Gd、Sc、Zr、Si、Fe、Ni、Ce、Y、Zn作为原料熔融，制作出表1及表2所示的组成的Al锭。接着，在550～640℃的范围内进行5小时的固溶热处理，并进行急冷(水冷)。在对该锭进行了挤出加工、型锻加工后，再进行了拉丝加工。在一部分试样中，在线径为2mm的阶段中，在350～600℃的范围内进行了1～60分钟的析出热处理。然后，将最终线径设为300μm，进行模具拉丝加工，在拉丝加工结束后，在2秒钟的热处理时间中，进行调质热处理，得到Al布线材料。

[元素含量的测定]

作为分析装置，使用ICP－OES((株)日立High-tech Science制“PS3520UVDDII”)或ICP－MS(Agilent Technologies(株)制“Agilent 7700x ICP－MS”)来测定了Al布线材料中的添加元素的含量。

[线的机械特性]

－加热后的强度变化－

针对线的加热后的强度变化，在加热处理前和后进行拉伸试验，以线的断裂强度的变化进行了评价。关于断裂强度的测定，用Instron制拉伸试验机，以标点间距离100mm、拉伸速度10mm/分、测力元件额定载荷1kN的条件，实施了拉伸试验。测定使用了5次的平均值。加热处理在氮气氛下，对线以350℃实施了4小时或以400℃实施了1小时。将加热处理前和后的线强度分别记为F1、F2，以其比例F2/F1进行了评价。针对F2/F1的值，如果为1.2以上，则线的高温可靠性的提高较为显著，因此记为“◎”，如果为1.0以上，小于1.2，则在通常的高温环境下是良好的，因此记为“○”，如果为0.7以上、小于1.0，则在通常的使用中没有问题，但对于高温环境下的使用需要注意，因此记为“△”，当小于0.7时，高温可靠性较差，因此记为“×”，并将其记载于表1及表2的“加热后的强度变化”栏。

－硬度的测定－

Al布线材料的长度轴线部的维氏硬度Hv用显微维氏硬度计进行了测定。将Al布线材料的包含长度轴线的、与长度方向平行的截面(L截面)作为测定对象面，对长度轴线部(即，Al布线材料的中心位置)中的硬度进行了测定。采用5处测定值的平均值作为该样本的维氏硬度。在维氏硬度Hv为20以上且小于35的范围中为软质，因此记为“〇”，在35以上且小于45的范围中，记为“△”，在45以上的范围中较硬，因而顾虑变形性，因此记为“×”，并将其记载于表1及表2的“硬度Hv”栏。

＜连接＞

在半导体装置中，半导体芯片的电极为Al－Cu焊盘(厚度2μm)，外部端子使用了Ni被覆的Cu制引线框。将半导体芯片的电极与Al布线材料之间的第1连接部、外部端子与Al布线材料之间的第2连接部一同设为楔接合。针对一部分实施例、比较例，在连接后，进行了300℃30分钟的安装热处理(时效热处理)。

＜芯片损伤的评价＞

关于半导体装置中的芯片损伤，将焊盘表面的金属以酸溶解，以显微镜对焊盘下进行观察，并进行了评价(评价数N＝50)。将裂缝及接合的痕迹等都看不到的良好的情况记为“○”，将具有尽管没有裂缝，但可确认接合痕迹的地方的焊盘下(评价数50中，3处以下)，记为“△”，将其以外记为“×”，将其记载于表1及表2的“芯片损伤”栏。

＜高温可靠性的评价＞

－第1连接部－

关于第1连接部的高温可靠性的评价通过功率循环试验来进行。功率循环试验中，针对连接有Al布线材料的半导体装置，交替地重复加热和冷却。关于加热，实施了中温条件和高温条件这2个种类。在中温条件下，花费2秒钟加热到半导体装置中的Al布线材料的连接部的最高温度成为约120℃为止，然后，花费20秒钟冷却到连接部的温度成为30℃为止。将该加热、冷却的循环重复了10万次。在高温条件下，花费2秒钟加热到最高温度成为约140℃为止，然后，花费25秒钟冷却到连接部的温度成为30℃为止。将该加热、冷却的循环重复了10万次。

－第2连接部－

关于第2连接部的高温可靠性的评价通过温度循环试验(Temperature CycleTest，以下，称为TCT)来进行。TCT是一种如下的试验：将连接有Al布线材料的半导体装置配置在温度循环试验装置的炉内，并连续地重复高温和低温。高温的温度设定为125℃，低温的温度设定为－40℃。将该高温、低温的循环重复了1000次。

分别对上述功率循环试验后的第1连接部的接合剪切强度、以及上述温度循环试验后的第2连接部的接合剪切强度进行测定，并进行了连接部的高温可靠性的评价。以功率循环试验或温度循环试验后的剪切强度S2相对于初始的连接部的剪切强度S1的比例即S2/S1进行了评价。针对S2/S1的值，如果为0.9以上，则为优异的可靠性，因此记为“◎”，如果为0.8以上且小于0.9，则为良好，因此记为“○”，如果为0.6以上且小于0.8，则在通常的使用中没有问题，但需要注意，因此记为“△”，当小于0.6时，高温可靠性较差，因此记为“×”，并将其记载于表1及表2的“高温可靠性”栏。

将Al布线材料的制造条件、评价结果在表1及表2中示出。

【表1】

【表2】

实施例1～40的Al布线材料为如下结果：Er、Yb、Gd的含量的总计x1处于本发明范围内，与有无布线材料制造时及连接后的热处理或其温度、时间无关，350℃加热后的强度变化、芯片损伤、硬度、中温条件的第1连接部的高温可靠性均良好。

在实施例2、3、6～10、12、13、15～18、20、21、24～27、29、31、33～40的Al布线材料中，进一步地，Sc、Zr的含量处于本发明的优选范围内，400℃加热后的强度变化为“〇”或“◎”，中温条件及高温条件下，第1连接部的高温可靠性均为“○”或“◎”，为良好的结果。

在实施例2～10、12、14～17、19～21、23、24、26～32、34～37、39、40的Al布线材料中，进一步地，Si、Fe、Ni、Ce、Y、Zn的含量处于本发明的优选范围内，第2连接部的高温可靠性也为良好的结果。

关于比较例1～3、6～8的Al布线材料，Er、Yb、Gd的含量脱离了本发明范围的下限，350℃加热后的强度变化为“×”。关于比较例4、5的Al布线材料，Er、Yb、Gd的含量脱离了本发明范围的上限，芯片损伤、硬度为“×”。