JP2000001727A - 半導体構成素子を接続させるためのニッケル含有金合金からなる微細ワイヤ、その製造法および使用 - Google Patents

半導体構成素子を接続させるためのニッケル含有金合金からなる微細ワイヤ、その製造法および使用

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gold
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Guenter Herklotz
ヘルクロッツ ギュンター
Lutz Schraepler
シュレープラー ルッツ
Christoph Simons
ジーモンス クリストーフ
Juergen Reuel
ロイエル ユルゲン
Y C Cho
ヨン チョル チョー
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WC Heraus GmbH and Co KG
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 特開昭５２−０５１８６７号公報の記載から
出発して、良好な強度／伸び挙動を有するニッケル含有
金合金から成る微細ワイヤを見出す。 【解決手段】 半導体構成素子を接続させるためのニッ
ケル含有金合金からなる微細ワイヤの場合に、この金合
金が金およびニッケル０．６〜２重量％からなるか、ま
たはニッケル０１．〜２重量％、アルカリ土類金属およ
び希土類金属の群からの少なくとも１つの元素０．００
０１〜０．１重量％、残分金からなる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体構成素子を
接続させるためのニッケル含有金合金からなる微細ワイ
ヤ、その製造法および使用に関する。
【０００２】
【従来の技術】半導体構成素子を接続させる、即ちボン
ディングさせるのに適したワイヤ、ボンディングワイヤ
とも呼称される、は、良好な電気的性質を有していなけ
ればならず、かつ良好な機械的強度値を示さなければな
らない。ワイヤの直径は、約１０〜２００μｍであるこ
とができ、通常は約２０〜６０μｍであり；このワイヤ
の直径は、使用目的に相応して選択される。
【０００３】ボンディングワイヤは、しばしば高純度の
金から成るか、また最近は金合金からも成る。この金合
金は、高い強度をもつという利点を有しているが、微少
量の合金形成剤のみを含有する場合には、純粋な金と比
較して僅かに減少された導電率を有している。
【０００４】即ち、例えばドイツ連邦共和国特許第１６
０８１６１号明細書の記載から、集積回路内に供給線を
製造するための金と特にＣｅｒ混合金属の形の１種以上
の希土類金属またはイットリウム０．００１〜０．１％
とから成る合金の使用が公知である。金と微少量の希土
類金属またはイットリウムとのこの合金は、５００℃ま
での加熱温度で明らかに改善された強度挙動および伸び
挙動を有し、この場合には、金の別の性質、例えば硬
度、化学的成分または電気抵抗は、本質的に影響を及ぼ
されることがない。
【０００５】また、ボンディングワイヤのための金−希
土類金属の合金は、ドイツ連邦共和国特許出願公開第３
２２７３８５号明細書（米国特許第４８８５１３５号明
細書）、ドイツ連邦共和国特許出願公開第３９３６２８
１号明細書（米国特許第４９３８９２３号明細書）、特
開平６−１１２２５８号公報、欧州特許出願公開第０７
４３６７９号明細書および欧州特許出願公開第０７６１
８３１号明細書に記載されている。
【０００６】ドイツ連邦共和国特許出願公開第３２３７
３８５号明細書の記載は、希土類金属、特にＣｅｒ０．
０００３〜０．０１重量％および場合によっては付加的
になおゲルマニウム、ベリリウムおよび／またはカルシ
ウムを有する金合金から成る高い引張強さを有する微細
な金合金ワイヤに関する。
【０００７】ドイツ連邦共和国特許出願公開第３９３６
２８１号明細書には、微少量のランタン、ベリリウム、
カルシウムおよび白金族の元素、特に白金および／また
はパラジウムで合金化された高純度の金から成る、半導
体装置をボンディングさせるための金ワイヤが記載され
ている。
【０００８】特開平６−１１２２５８号公報、ケミカル
・アブストラクツ（Chemical Abstracts）第１２１巻、
８９２８７ｍ参照、の記載から公知のボンディングワイ
ヤは、白金１〜３０％およびスカンジウム、イットリウ
ムおよび／または希土類金属０．０００１〜０．０５％
および場合によってはベリリウム、カルシウム、ゲルマ
ニウム、ニッケル、鉄、コバルトおよび／または銀０．
０００１〜０．０５％を有する金合金から成る。
【０００９】欧州特許出願公開第０７４３６７９号明細
書には、同様に白金含有金−希土類金属合金から成るボ
ンディングワイヤが提案されている。この合金は、金と
微少量の白金（０．０００１〜０．００５重量％）、
銀、マグネシウムおよびユーロピウムとから成り、例え
ばなおＣｅｒを０．０００１〜０．０２重量％の量で含
有することができる。
【００１０】欧州特許出願公開第０７６１８３１号明細
書には、白金および／またはパラジウムを含有する金−
希土類金属合金から成る微細ワイヤが記載されている。
この合金は、白金および／またはパラジウム０．１〜
２．２重量％、ベリリウム、ゲルマニウム、カルシウ
ム、ランタン、イットリウムおよび／またはユーロピウ
ム０．０００１〜０．００５重量％、残分金から成る。
このワイヤは、合金を形成する元素を坩堝中で溶融し、
坩堝中に存在する合金融液を下方から上方へ進行する冷
却により、棒状地金に変え、引続き圧延し、引き抜き、
かつ灼熱させることによって製造される。この微細ワイ
ヤは、３〜８％の伸びおよび６８００〜９０００ｋｇ／
ｍｍ２のヤング率を有している。
【００１１】特開昭５２−０５１８６７号公報の記載か
ら、金とニッケル、鉄、コバルト、クロムおよび銀の金
属の中の少なくとも１つ０．００４〜０．５重量％とか
ら成るボンディングワイヤが公知である。３０μｍの直
径を有するボンディングワイヤは、良好な結合特性を有
し、かつ純粋な金から成るボンディングワイヤと比較し
て改善された強度を有している。０．００４重量％の量
のニッケルは、６％の伸びの際に１３ｋｇ／ｍｍ２（１
３０Ｎ／ｍｍ２）の強度を有し、１４％の伸びの際に
は、０．５重量％の量で２４ｋｇ／ｍｍ２（２４０Ｎ／
ｍｍ２）の強度を有している。ニッケルの量が高いと機
械的性質は減少し、したがってニッケル０．６重量％を
有する金合金から成るボンディングワイヤについては、
５％の伸びの際になお１０ｋｇ／ｍｍ２（１００Ｎ／ｍ
ｍ２）のみの強度が記載される。ボンディングワイヤの
製造については、特開昭５２−０５１８６７号公報には
記載されていない。
【００１２】ドイツ民主共和国特許第２０１１５６号明
細書には、添加剤として銅、ニッケルおよび／またはコ
バルトを５質量％の濃度で含有しかつ通常の不純物とし
て（１００ｐｐｍを超えない）鉄、アルミニウム、パラ
ジウム、白金、アンチモン、蒼鉛、ゲルマニウムおよび
／または砒素を含有する、結合能力を有する微細ワイヤ
のための金−銀合金が提案されている。この合金は、真
空誘導炉内で溶融され、鋳造ボルトに鋳造される。この
鋳造ボルトの引続くストランドへの圧延には、相応する
熱処理で最終直径（２５〜３０μｍ）になるまで、直接
の伸線で冷間変形が継続している。
【００１３】また、金−ニッケル合金は、別の目的に対
しても公知である。即ち、例えばドイツ連邦共和国特許
出願公告第１１６９１４０号明細書には、１０−７〜１
０− ４ヘンリーの範囲内にある自己誘導を有する接続回
路のための弱電流接点を製造するための材料としてのニ
ッケル１〜２０重量％を有する金−ニッケル合金の使用
が教示されている。金−ニッケル合金は、再結晶温度を
上昇させるために付加的になお銀、白金、パラジウム、
ジルコニウム、銅、コバルト、鉄、クロムおよび／また
はマンガンを含有することができる。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】特開昭５２−０５１８
６７号公報の記載から出発して、本発明の課題は、良好
な強度／伸び挙動を有するニッケル含有金合金から成る
微細ワイヤを見出すという課題が課された。更に、経済
的な方法で顕著な品質で微細ワイヤを連続的に製造する
ことを可能にする１つの方法が記載されるはずである。
この微細ワイヤは、ワイヤ結合のため、ならびに例えば
ドイツ連邦共和国特許第４４４２９６０号明細書に記載
されているように、フリップチップ技術のための所謂ボ
ール−バンプス（Ball-Bumps）の製造のために適当であ
るはずである。
【００１５】
【課題を解決するための手段】本発明によれば、この課
題は、金とニッケル０．６〜２重量％から成ることを特
徴とする、合金から成る微細ワイヤによって解決され
る。
【００１６】更に、本発明によれば、この課題は、ニッ
ケル０．１〜２重量％、アルカリ土類金属および希土類
金属の群からの少なくとも１つの元素０．０００１〜
０．１重量％。残分金から成ることを特徴とする、合金
から成る微細ワイヤによって解決される。
【００１７】金合金のニッケル含量が０．７〜１．５重
量％である場合には、微細ワイヤは、特に有効であるこ
とが証明された。金合金のアルカリ土類金属含量および
／または希土類金属含量は、特に０．００１〜０．０１
重量％である。
【００１８】若干の場合には、付加的に白金、パラジウ
ムまたは白金およびパラジウム０．１〜１．０重量％を
含有する金−ニッケル合金から成る微細ワイヤは、極め
て好ましいことが判明した。
【００１９】本発明の範囲内で、”アルカリ土類金属”
とは、ベリリウム、マグネシウム、カルシウム、バリウ
ムおよびストロンチウムのことであり、”希土類金属”
とは、ランタン（原子番号５７）および専門文献で”ラ
ンタン系列の元素”とも呼称されているランタンに続く
１４個の元素Ｃｅｒ（原子番号５８）ないしルテチウム
（原子番号７１）のことである。
【００２０】アルカリ土類金属は、好ましくはベリリウ
ム、マグネシウム、カルシウムまたはこれらアルカリ土
類金属の中の少なくとも２個からの混合物から成る。ベ
リリウムとカルシウムとの混合物を使用する場合には、
ベリリウムおよびカルシウムそれぞれ５０重量％からな
るものが特に好適であることが判明した。
【００２１】希土類金属は、好ましくはＣｅｒまたはＣ
ｅｒと原子番号５７および５９〜７１を有する１種以上
の希土類金属とからの混合物から成る。Ｃｅｒ混合金属
は、特に好適であることが判明した。通常、Ｃｅｒ５０
〜６０％、ランタン２５〜３０％、ネオジム１０〜１５
％、プラセオジム４〜６％および鉄１％ならびに微少含
量の他の希土類金属を有する混合物は、Ｃｅｒ混合金属
と呼称される（RoemppChemie Lexikon, Georg Thieme V
erlag Stuttgart-New York,第１巻,第１０版（１９９
６）,６４７）。
【００２２】ボンディングワイヤに対して通常の直径を
有する本発明による微細ワイヤは、ボンディングのため
の使用に必要とされる全ての性質を有している。この本
発明による微細ワイヤは、比電気抵抗として測定された
好ましい導電率（第Ｖ表参照）および伸びに対して極め
て好ましい強度（図面参照）を示す。微細ワイヤの好ま
しい強度／伸びの比は、本質的にボンディング結合の極
めて良好な品質に貢献する。
【００２３】意外なことに、金とニッケルもしくはニッ
ケルおよびアルカリ土類金属および／または希土類金属
との合金形成は、特許の保護が請求された量で、合金化
されていないアクセスホール金からのワイヤおよび特開
昭５２−０５１８６７号公報に記載の金−ニッケル合金
からのワイヤと比較して、より高い強度を生じる。ま
た、アルカリ土類金属および／または希土類金属の合金
化により、灼熱による強度損失の著しい減少（第ＶＩ表
参照）を達成させることができることは、特に驚異的な
ことである。
【００２４】図１には、本発明による２本の微細ワイヤ
の強度（引張強さ）[Ｎ／ｍｍ２]（例１および２）およ
び比較のための本発明によらない２本の微細ワイヤの強
度（例３および４）が伸び（破断時の伸び）[％]に関連
して表わされている。本発明による微細ワイヤは、所定
の伸びの際によりいっそう高い強度を有している。
【００２５】第５表には、例中に記載された本発明によ
る微細ワイヤおよび本発明によらない微細ワイヤならび
に付加的に鉄０．８重量％を有する金合金から成る微細
ワイヤの化学組成および比電気抵抗が記載されている。
第ＶＩ表は、４％の伸びの際に強く引っ張られた状態で
の例中の記載された微細ワイヤの強度に対する値を示
し、強度に対するベリリウム添加剤およびカルシウム添
加剤の影響を認めることができる。ベリリウムおよびカ
ルシウムは、灼熱と関連した強度の損失を減少させる。
【００２６】本発明による微細ワイヤは、好ましい性質
に基づいて特に有利にワイヤのボンディングのため、ひ
いては発展の段階にある高周波ボンディングのため、お
よびフリップチップの突起状の接続電極（Kontakthuege
l）の製造のために使用されることができる。
【００２７】更に、前記課題の解決は、半導体構成素子
を接続させるためのニッケル含有金合金からなる微細ワ
イヤを製造する方法にあり、この方法は、ａ）金、ニッ
ケル０．６〜２重量％および場合によっては白金、パラ
ジウムまたは白金およびパラジウム０．１〜１．０重量
％から成る金合金またはｂ）金、ニッケル０．１〜２重
量％、アルカリ土類金属および希土類金属の群からの少
なくとも１つの元素０．０００１〜０．１重量％および
場合によっては白金、パラジウムまたは白金およびパラ
ジウム０．１〜１．０重量％、残分金から成る金合金を
溶融させ、溶融された合金を鋳造し、ストランドに変
え、このストランドを引張り、ボンディングの目的にと
って常用の直径を有するワイヤに変え、このワイヤを灼
熱させることによって特徴付けられている。
【００２８】本発明による方法は、溶融された合金を鋳
造し、円形の横断面を有するストランドに変え、このス
トランドを引張り、ワイヤに変え、このワイヤを約３０
０〜７００℃で灼熱させる場合に、特に有利であること
が判明した。最初に強く引っ張られたワイヤは、灼熱に
よって必要とされる伸びを生じる。合金の溶融および鋳
造は、空気に接続させるか、保護ガス雰囲気下、例えば
アルゴンガス雰囲気下か、または真空中で行なうことが
できる。
【００２９】本発明による方法の場合には、好ましくは
０．７〜１．５重量％のニッケル含量を有する金合金が
溶融される。アルカリ土類金属および／または希土類金
属を、０．００１〜０．０１重量％の量で添加すること
は、有利であることが判明した。
【００３０】アルカリ土類金属として、ベリリウム、マ
グネシウム、カルシウム、ストロンチウム、バリウムま
たはこれらの元素の中の少なくとも２つからの混合物を
使用することができる。特に、ベリリウム、マグネシウ
ム、カルシウムまたはこれらのアルカリ土類金属の中の
少なくとも２つからの混合物は、有利であることが判明
した。ベリリウムとカルシウムとから成る混合物を使用
した場合には、ベリリウムおよびカルシウムそれぞれ５
０重量％から成るものが好ましい。
【００３１】希土類金属として、特にＣｅｒまたはＣｅ
ｒと原子番号５７および５９〜７１を有する１種以上の
希土類金属とからの混合物が使用され、この混合物は、
特に市販のＣｅｒ混合金属の形で使用される。
【００３２】本発明による方法は、特に連続的に実施す
ることができること、および極めて均一で不変の品質を
有する処理製品、例えば鋳造されたストランドおよび引
っ張られたワイヤを供給することを示す。
【００３３】詳細な説明のために、次の実施例におい
て、本発明による微細ワイヤおよびその製造（例１およ
び２）ならびに比較のため、ドイツ連邦共和国特許第１
６０８１６１号明細書から公知の技術水準による微細ワ
イヤ（例３）および９９．９９重量％の純度を有する金
から成る微細ワイヤ（例４）を記載する。微細ワイヤ
は、伸び（破断時の伸び）[％]、強度（引張強さ）[Ｎ
／ｍｍ２]および比電気抵抗[Ωｍｍ２／ｍ]によって特
性を示す。
【００３４】
【実施例】例１ ニッケル０．８重量％を有する金合金から成る微細ワイ
ヤ ニッケル０．８重量％と残分としての金とから成る合金
の融液をストランド鋳造装置中で鋳造し、円形の横断面
を有するストランドに変える。引続き、このストランド
から３０μｍの直径を有するワイヤに引張り、このワイ
ヤを達成すべき伸びに応じて約３００〜７００℃で空気
を用いて灼熱させる。伸び[％]に依存して測定された強
度値[Ｎ／ｍｍ２]は、第Ｉ表中に記載されている。
【００３５】２７５μｍの直径を有するワイヤを用いて
測定された、室温での比電気抵抗は、０．０４５Ωｍｍ
２／ｍである。
【００３６】
【表１】
【００３７】例２ ニッケル０．８重量％、ベリリウム０．００１重量％お
よびカルシウム０．００１重量％を有する金合金から成
る微細ワイヤ ニッケル０．８重量％、ベリリウム０．００１重量％、
カルシウム０．００１重量％および残分としての金から
成る合金の融液をストランド鋳造装置中で鋳造し、円形
の横断面を有するストランドに変える。引続き、このス
トランドから３０μｍの直径を有するワイヤに引張り、
このワイヤを達成すべき伸びに応じて約３００〜７００
℃で空気を用いて灼熱させる。伸び[％]に依存して測定
された強度値[Ｎ／ｍｍ２]は、第ＩＩ表中に記載されて
いる。
【００３８】２７５μｍの直径を有するワイヤを用いて
測定された、室温での比電気抵抗は、０．０４６Ωｍｍ
２／ｍである。
【００３９】
【表２】
【００４０】例３（比較） ドイツ連邦共和国特許第１６０８１６１号明細書に記載
のＣｅｒ混合金属を有する金合金から成る微細ワイヤ 金とＣｅｒ混合金属とから成る合金の融液をストランド
鋳造装置中で鋳造し、円形の横断面を有するストランド
に変える。引続き、このストランドから３０μｍの直径
を有するワイヤに引張り、このワイヤを達成すべき伸び
に応じて約３００〜６００℃で空気を用いて灼熱させ
る。伸び[％]に依存して測定された強度値[Ｎ／ｍｍ２]
は、第ＩＩＩ表中に記載されている。
【００４１】２７５μｍの直径を有するワイヤを用いて
測定された、室温での比電気抵抗は、０．０２３Ωｍｍ
２／ｍである。
【００４２】
【表３】
【００４３】例４（比較） ９９．９９重量％の純度を有する金から成る微細ワイヤ ９９．９９重量％の純度を有する金から成る融液をスト
ランド鋳造装置中で鋳造し、円形の横断面を有するスト
ランドに変える。引続き、このストランドから３０μｍ
の直径を有するワイヤに引張り、このワイヤを達成すべ
き伸びに応じて約２００〜５００℃で空気を用いて灼熱
させる。伸び[％]に依存して測定された強度値[Ｎ／ｍ
ｍ２]は、第ＩＶ表中に記載されている。
【００４４】２７５μｍの直径を有するワイヤを用いて
測定された、室温での比電気抵抗は、０．０２３Ωｍｍ
２／ｍである。
【００４５】
【表４】
【００４６】
【表５】
【００４７】
【表６】
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による２本の微細ワイヤの強度（引張強
さ）[Ｎ／ｍｍ２]（例１および２）および比較のための
本発明によらない２本の微細ワイヤの強度（例３および
４）を伸び（破断時の伸び）[％]に関連して示す分布
図。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ギュンター ヘルクロッツ ドイツ連邦共和国 ブルーフケーベル ト ーマス−マン−シュトラーセ 18 (72)発明者 ルッツ シュレープラー ドイツ連邦共和国 カールシュタイン ア イヒェンドルフシュトラーセ 20 (72)発明者 クリストーフ ジーモンス ドイツ連邦共和国 ビーバーゲミュント ジュートリング ３ (72)発明者 ユルゲン ロイエル ドイツ連邦共和国 ゲルンハウゼン イム ノイエン ベルク 17 (72)発明者 チョー ヨン チョル 大韓民国 インチョン ナム−グ クァン キョ−ドン 13−10 サム ワン アパ ートメント 203−501

Claims (13)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 半導体構成素子を接続させるためのニッ
    ケル含有金合金からなる微細ワイヤにおいて、この金合
    金が金およびニッケル０．６〜２重量％からなることを
    特徴とする、半導体構成素子を接続させるためのニッケ
    ル含有金合金からなる微細ワイヤ。
  2. 【請求項２】 半導体構成素子を接続させるためのニッ
    ケル含有金合金からなる微細ワイヤにおいて、この金合
    金がニッケル０．１〜２重量％、アルカリ土類金属およ
    び希土類金属の群からの少なくとも１つの元素０．００
    ０１〜０．１重量％、残分金からなることを特徴とす
    る、半導体構成素子を接続させるためのニッケル含有金
    合金からなる微細ワイヤ。
  3. 【請求項３】 金合金のニッケル含量が０．７〜１．５
    重量％である、請求項１または２記載の微細ワイヤ。
  4. 【請求項４】 金合金のアルカリ土類金属含量および／
    または希土類金属含量が０．００１〜０．０１重量％で
    ある、請求項２または３記載の微細ワイヤ。
  5. 【請求項５】 金合金が付加的に白金、パラジウムまた
    は白金およびパラジウムを０．１〜１．０重量％含有す
    る、請求項１から４までのいずれか１項に記載の微細ワ
    イヤ。
  6. 【請求項６】 アルカリ土類金属がベリリウム、マグネ
    シウムおよび／またはカルシウムである、請求項２から
    ５までのいずれか１項に記載の微細ワイヤ。
  7. 【請求項７】 希土類金属がＣｅｒである、請求項２か
    ら６までのいずれか１項に記載の微細ワイヤ。
  8. 【請求項８】 請求項１から７までのいずれか１項に記
    載された、半導体構成素子を接続させるためのニッケル
    含有金合金からなる微細ワイヤを製造する方法におい
    て、金合金を溶融させ、溶融された合金を鋳造し、スト
    ランドに変え、このストランドを引張り、ボンディング
    の目的にとって常用の直径を有するワイヤに変え、この
    ワイヤを灼熱させることを特徴とする、請求項１から７
    までのいずれか１項に記載された、半導体構成素子を接
    続させるためのニッケル含有金合金からなる微細ワイヤ
    を製造する方法。
  9. 【請求項９】 溶融された合金を鋳造し、円形の横断面
    を有するストランドに変える、請求項８記載の方法。
  10. 【請求項１０】 ワイヤを３００〜７００℃で灼熱させ
    る、請求項８または９記載の方法。
  11. 【請求項１１】 ワイヤのボンディングのための請求項
    １から７までのいずれか１項に記載の微細ワイヤの使
    用。
  12. 【請求項１２】 高周波を使用しながらのワイヤのボン
    ディングのための請求項１１記載の使用。
  13. 【請求項１３】 フリップチップ技術において半導体構
    成素子をボンディングさせるための請求項１から７まで
    のいずれか１項に記載の微細ワイヤの使用。
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