專利名稱：金－合金細(xì)導(dǎo)線及其制造方法和應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于半導(dǎo)體器件連接的含鎳的金-合金細(xì)導(dǎo)線及其制造方法和應(yīng)用。
適用于半導(dǎo)體器件的連接的導(dǎo)線又稱為連接線，它必需具備良好的電性能及具有良好的機(jī)械強(qiáng)度。導(dǎo)線的直徑可在約10到200微米范圍，通常是約20到60微米范圍，可按用途進(jìn)行選擇。
這種連線通常是由高純度的金制成或近來也用金-合金制造。后者具有強(qiáng)度較高的優(yōu)點，當(dāng)其含少量合金組分時，與純金導(dǎo)線對比，其導(dǎo)電性能僅有微小的降低。
例如在專利DE1608161C中提出一種由金及0.001-0.1％的一種稀土金屬或幾種稀土金屬特別是以鈰混合金屬的形狀或釔制成的引線在集成電路中的應(yīng)用。這種含少量稀土金屬或釔的金-合金具備在加熱到500℃還明顯地表現(xiàn)良好的強(qiáng)度以及伸長性能，對金的其他性能如硬度，化學(xué)穩(wěn)定性或電阻等影響也不大。
在專利DE3237385A(US4885135)、DE3936281A(US4938923)、JP6-112258A、EP0743679A及EP0761831A中也介紹過這種用作連接導(dǎo)線的金-稀土金屬的合金。
專利DE3237385A中涉及的高拉伸強(qiáng)度的金-合金細(xì)導(dǎo)線中含0.0003-0.01重量％稀土金屬，特別是鈰，有時還含鍺、鈹和/或鈣。
專利DE3936281A介紹的連接半導(dǎo)體裝置的金連接線由高純度的金制成，并加入微量的鑭、鈹、鈣以及鉑族元素特別是鉑和/或鈀以制成合金。
化學(xué)文摘(Chemical Abstracts)121卷，89287m介紹的JP6-112258A中的已知連接線也由金-合金制成，其中含1-30％鉑及0.0001-0.05％鈧、釔和/或稀土金屬，有時含0.0001-0.05％鈹、鈣、鍺、鎳、鐵、鈷和/或銀。
專利EP0743679A也介紹了一種由含鉑的金-稀土金屬合金制成的連接線。合金由金及少量鉑(0.0001-0.005重量％)、銀、鎂及銪組成，并還可含例如鈰，其含量為0.0001-0.02重量％。
專利EP0761831A中描述了一種由鉑和/或鈀的金-稀土金屬合金制的細(xì)導(dǎo)線。該合金由0.1-2.2重量％鉑和/或鈀、0.0001-0.005重量％鈹、鍺、鈣、鑭、釔和/或銪、余量為金組成。將構(gòu)成合金的元素在坩鍋中熔化然后從下到上使坩鍋中的熔融物逐漸冷卻形成一塊鑄錠，然后經(jīng)過壓延，拉伸和退火制成導(dǎo)線。其延伸率為3.8％，楊氏模量為6800-9000kg/mm2。
從專利JP52-051867A中已知一種由金及含0.004-0.5重量％的至少一種下列金屬鎳、鐵、鈷、鉻及銀制成的連接導(dǎo)線。該連接導(dǎo)線的直徑為30微米，具有良好的連接性能，并與用純金制的引線對比還有較好的強(qiáng)度。含0.004重量％鎳，伸長率為6％時強(qiáng)度為13kg/mm2(130N/mm2)以及含0 5重量％鎳，伸長率為14％時強(qiáng)度為24kg/mm2(240N/mm2)。鎳含量更高時機(jī)械性能有所下降，例如由含0.6重量％鎳的金-合金制成的連接導(dǎo)線在伸長率為5％時強(qiáng)度只有10kg/mm2(100N/mm2)。在專利JP52-051867A中沒有介紹連接導(dǎo)線的制造方法。
專利DD201156介紹了可用來制造連接用微細(xì)導(dǎo)線的金-銀合金，其中還加入銅、鎳和/或鈷，其濃度≤5重量％以及作為一般雜質(zhì)的含量不大于100ppm的鐵、鋁、鈀、鉑、銻、鉍、鍺、砷。這種合金是在真空感應(yīng)爐中熔融并澆注成鑄錠。經(jīng)過擠壓后進(jìn)行冷加工直接拉制成最終直徑為25-30微米的細(xì)絲，并進(jìn)行相應(yīng)熱處理。
金-鎳合金已知還有別的用途，例如在德文文獻(xiàn)1169140中提到一種含1-20重量％鎳的金-鎳合金。用于制造弱電電路中的連接材料，其自感系數(shù)為10-7到10-4亨利(Henry)范圍。還可在金-鎳合金中加入銀、鉑、鈀、鋯、銅、鈷、鐵、鉻和/或錳以提高其再結(jié)晶溫度。
從專利JP52-051867A出發(fā)，本發(fā)明的任務(wù)是開發(fā)一種用含鎳的金-合金制造的細(xì)導(dǎo)線，要求它具備良好的強(qiáng)度/伸長率關(guān)系。此外還應(yīng)提出一種可能經(jīng)濟(jì)地連續(xù)生產(chǎn)極具有十分優(yōu)良的質(zhì)量的細(xì)導(dǎo)線的方法。這種細(xì)導(dǎo)線既適合于用作連接導(dǎo)線，還可用來制造例如在專利DE4442960C中所介紹的用于倒裝技術(shù)(Flip-Chip-Technik)的所謂球形-突緣(Ball-Bumps)。
按照本發(fā)明，該目的是通過一種由合金制造的細(xì)導(dǎo)線來達(dá)到，其特征在于該合金由金及0.6-2重量％鎳構(gòu)成。
按照本發(fā)明，該目的還可通過由一種合金制造的細(xì)導(dǎo)線來達(dá)到，該合金的特征在于該合金由0.1-2重量％鎳、0.0001-0.1重量％的至少一種堿土金屬和稀土金屬、余量為金構(gòu)成。
當(dāng)金-合金中鎳含量在0.7-1.5重量％時，其導(dǎo)線特別良好。金-合金中的堿土金屬和/或稀土金屬含量優(yōu)選為0.001-0.01重量％。
在某些情況下，制造細(xì)導(dǎo)線的金-鎳-合金中加入0.1-1.0重量％鉑、鈀或鈀和鉑是非常有利的。
本發(fā)明中所述及的“堿土金屬”意指鈹、鎂、鈣、鋇和鍶，“稀土金屬”意指鑭(原子序數(shù)57)以及鑭后面的從元素鈰(原子序數(shù)58)到镥(原子序數(shù)71)的14個元素，在專業(yè)文獻(xiàn)中還稱之為“鑭系元素”。
堿土金屬優(yōu)先采用鈹、鎂、鈣或由至少兩種該堿土金屬組成的混合物。如果采用鈹與鈣的混合物，則鈹與鈣的用量各占50重量％特別適合。
稀土金屬優(yōu)先采用鈰或由鈰與原子序數(shù)57及59-71的一種或幾種稀土金屬的混合物。采用鈰的混合金屬特別合適。作為鈰的混合金屬一般含50-60％鈰、25-30％鑭，10-15％釹，4-6％鐠及1％鐵，還可能含微量其他稀土金屬(參閱Rompp Chemie Lexikon(化學(xué)百科全書)，Georg Thieme Verlag Stuttgart-New York，第一冊，第10版1996,647頁)。
本發(fā)明的具有作連接導(dǎo)線用的通常直徑的細(xì)導(dǎo)線具備所有作連接線用的所需性能。特別是比電阻適中的合適的電導(dǎo)性(參閱表Ⅴ)與伸長有關(guān)的優(yōu)良強(qiáng)度(參閱附圖
)。細(xì)導(dǎo)線的良好強(qiáng)度/伸長比對達(dá)到良好連接質(zhì)量是重要的。
令人驚奇的是金與鎳或與鎳及堿土金屬和/或稀土金屬的合金制成的細(xì)導(dǎo)線與由純金及按照專利JP52-051867A的金-鎳合金制成的導(dǎo)線對比，在同樣的受力情況下導(dǎo)致本發(fā)明細(xì)導(dǎo)線具有較高的強(qiáng)度。特別值得驚奇的是加入堿土金屬和/或稀土金屬制成合金后明顯地降低了由于灼熱引起的強(qiáng)度損失(參閱表Ⅵ)。
附圖示出本發(fā)明兩種細(xì)導(dǎo)線(實例1及2)與兩種非本發(fā)明細(xì)導(dǎo)線(實例3及4)在強(qiáng)度(伸長強(qiáng)度)[N/mm2]與伸長率(斷裂伸長)關(guān)系上進(jìn)行對比。本發(fā)明的細(xì)導(dǎo)線在給定的伸長率情況下具備較高的強(qiáng)度。
表Ⅴ給出實施例中描述的本發(fā)明的細(xì)導(dǎo)線和非本發(fā)明的細(xì)導(dǎo)線的化學(xué)組成及其比電阻，還給出一種由含0.8重量％鐵的金-合金制成的細(xì)導(dǎo)線的特性。表Ⅵ給出實施例中描述的細(xì)導(dǎo)線在拉伸硬化的狀態(tài)下的強(qiáng)度值，可以看出伸長率為4％時，加入鈹和鈣對強(qiáng)度的影響。鈹和鈣還降低了與灼熱處理有關(guān)的強(qiáng)度損失。
本發(fā)明的細(xì)導(dǎo)線，由于它所具備的優(yōu)越性能，特別是用作連接導(dǎo)線是有利的，還可用于在發(fā)展中的高頻連接技術(shù)，以及在倒裝技術(shù)中用來制造接觸突緣。
為達(dá)到本發(fā)明的目的，還包括提供一種由含鎳的金-合金制造的用作半導(dǎo)體器件連接的細(xì)導(dǎo)線的方法，按照本發(fā)明，其特征在于熔融由(a)金、0.6-2重量％鎳、有時還含0.1-1.0重量％鉑、鈀或鉑和鈀，或由(b)金、0.1-2重量％鎳、0.0001-0.1重量％的至少一種堿土金屬和稀土金屬族中的元素，有時還含0.1-1.0重量％鉑，鈀或鉑和鈀，余量為金的金-合金，將熔融的合金澆注成鑄錠，然后拉成具有作連接用的通常直徑的導(dǎo)線和對其進(jìn)行退火。
按照本發(fā)明的制造方法，特別合適的是將熔融的合金澆注成圓形截面的鑄件，將鑄件拉伸成導(dǎo)線，并在約300-700℃下退火。通過退火可使由于拉伸硬化的導(dǎo)線得到所需的伸長。合金的熔融及澆注可在空氣中、在如氬的保護(hù)氣體中或在真空中進(jìn)行。
按照本發(fā)明的方法，優(yōu)選熔融含鎳量為0.7-1.5重量％的金合金。加入量為0.001-0.01重量％的堿土金屬和/或稀土金屬是有利的。
作為堿土金屬可用鈹、鎂、鈣、鍶、鋇或由至少兩種這些元素的混合物。特別適用的是鈹、鎂、鈣或由至少兩種這些堿土金屬的混合物。在采用鈹和鈣的混合物時，應(yīng)優(yōu)先選擇兩者各占50重量％。
作為稀土金屬應(yīng)特別選擇鈰或鈰與原子序數(shù)57,59-71的一種或幾種稀土金屬的混合物，后者可優(yōu)先采用一般市售的鈰-混合金屬。
本發(fā)明方法的特征特別在于可以進(jìn)行連續(xù)生產(chǎn)，而且工藝產(chǎn)物-鑄錠和拉成的導(dǎo)線非常均一，并且質(zhì)量也保持不變。
為了進(jìn)一步說明，通過下列實例描述本發(fā)明的細(xì)導(dǎo)線及其制造方法(實例1及2)，作為對比例是按照DE1608161C介紹的已知技術(shù)制成的細(xì)導(dǎo)線(實例3)和用純度為99.99重量％的純金制成的細(xì)導(dǎo)線(實例4)。細(xì)導(dǎo)線的特征值以伸長率(斷裂伸長)[％]，強(qiáng)度(拉伸強(qiáng)度)[N/mm2]及其比電阻[Ohm mm2/m]表示。實例1由含0.8重量％鎳的金-合金制造的細(xì)導(dǎo)線由0.8重量％鎳、余量為金的合金熔體在鑄造裝置中澆注成具有圓形截面的鑄件。接著將鑄件拉制成直徑為30微米的導(dǎo)線，并且達(dá)到所需拉伸后的導(dǎo)線在空氣中于約300-700℃下退火。拉伸率[％]與所測強(qiáng)度[N/mm2]的關(guān)系列于表1。
直徑為275微米的導(dǎo)線在室溫中測得的比電阻為0.045Ohmmm2/m。表1
實例2由含0.8重量％鎳、0.001重量％鈹及0.001重量％鈣的金-合金制造的細(xì)導(dǎo)線由0.8重量％鎳、0.001重量％鈹、0.001重量％鈣、余量為金的合金熔體，在鑄造裝置中澆注成圓形截面的鑄件。接著將鑄件拉伸制成直徑為30微米的導(dǎo)線。并且達(dá)到所需拉伸后的導(dǎo)線在空氣中于300～700℃下退火。拉伸率[％]與所測強(qiáng)度[N/mm2]的關(guān)系列于表Ⅱ。
直徑為275微米的導(dǎo)線在室溫測得的比電阻為0.046Ohmmm2/m。
表
實例3(對比)按照DE1608161C用含鈰-混合金屬的金-合金制造的細(xì)導(dǎo)線由金及鈰-混合金屬的合金熔體在鑄造裝置中澆注成圓形截面的鑄件。接著將鑄件拉伸制成直徑為30微米的導(dǎo)線，并且達(dá)到所需拉伸后的導(dǎo)線在空氣中于約300-600℃下退火。拉伸率[％]與所測強(qiáng)度[N/mm2]的關(guān)系列于表Ⅲ。
直徑為275微米的導(dǎo)線在室溫測得的比電阻為0.023Ohmmm2/m。
表
<p>實例4(對比)由99.99重量％的純金制造的細(xì)導(dǎo)線由純度為99.99重量％的金的熔體在鑄造裝置中澆注成截面為圓形的鑄件，接著將鑄件拉伸制成直徑為30微米的導(dǎo)線，并且達(dá)到所需拉伸后的導(dǎo)線在空氣中于200-500℃下退火。附表Ⅳ中列出在不同程度的伸長率[％]與所測強(qiáng)度[N/mm2]的關(guān)系列于表Ⅳ。
直徑為275微米的導(dǎo)線在室溫測得的比電阻為0.023Ohmmm2/m。表Ⅳ
表Ⅴ
*按照DE1608161C含鈰-混合金屬的金-合金表Ⅵ
*按照DE1608161C含鈰-混合金屬的金-合金
權(quán)利要求
1．一種由含鎳的金-合金制成的用作半導(dǎo)體器件連接的細(xì)導(dǎo)線，其特征在于金-合金由金及0.6-2重量％鎳組成。
2．一種由含鎳的金-合金制成的用作半導(dǎo)體器件連接的細(xì)導(dǎo)線，其特征在于金-合金由0.1-2重量％鎳、0.0001-0.1重量％的至少一種堿土金屬族及稀土金屬族中的元素、余量為金組成。
3．權(quán)利要求1或2中的細(xì)導(dǎo)線，其特征在于金-合金中的鎳含量為0.7-1.5重量％。
4．權(quán)利要求2或3中的細(xì)導(dǎo)線，其特征在于金-合金中所含堿土金屬及/或稀土金屬的含量為0.001-0.01重量％。
5．權(quán)利要求1-4中之一的細(xì)導(dǎo)線，其特征在于金-合金中還含有0.1-1.0重量％的鉑、鈀或鉑和鈀。
6．權(quán)利要求2-5中之一的細(xì)導(dǎo)線，其特征在于所含堿土金屬為鈹、鎂和/或鈣。
7．權(quán)利要求2-6中之一的細(xì)導(dǎo)線，其特征在于所含的稀土金屬為鈰。
8．一種制造權(quán)利要求1-7中之一的由含鎳金-合金制的用作半導(dǎo)體器件連接的細(xì)導(dǎo)線的方法，其特征在于熔融金-合金，將合金熔體澆注成鑄件，再將鑄件拉伸成具有連接用導(dǎo)線的一般直徑的細(xì)導(dǎo)線，并將該導(dǎo)線退火。
9權(quán)利要求8中的制造方法，其特征在于熔融合金被鑄成圓形截面的鑄件。
10．權(quán)利要求8或9的制造方法，其特征在于細(xì)導(dǎo)線在300-700℃下退火。
11．按照權(quán)利要求1-7中之一的細(xì)導(dǎo)線作為連接導(dǎo)線的應(yīng)用。
12．權(quán)利要求11的應(yīng)用作為高頻應(yīng)用中的連接導(dǎo)線。
13．按照權(quán)利要求1-7中之一的細(xì)導(dǎo)線在倒裝技術(shù)中用于半導(dǎo)體器件的連接的應(yīng)用。
全文摘要
本發(fā)明涉及由金及0.6—2重量%的鎳制成的合金或用金及0.1—2重量%的鎳、0.0001—0.1重量%的堿土金屬和/或稀土金屬、以及有時還加入0.1—1.0重量%的鉑和/或鈀制成的細(xì)導(dǎo)線,其特征是具有優(yōu)良的導(dǎo)電性能及良好的強(qiáng)度/伸長率關(guān)系。它們適宜作連接導(dǎo)線,還可在倒裝技術(shù)(Flip-Chips)中用于制成接觸凸緣。
文檔編號H01L21/60GK1235376SQ9910648
公開日1999年11月17日 申請日期1999年5月13日 優(yōu)先權(quán)日1998年5月13日
發(fā)明者G·赫爾克羅茨, J·羅伊爾, L, 施萊普勒, Y·C·籌, C·西蒙斯 申請人:W·C·賀利氏股份有限兩合公司