DE102009045184A1 - Bondverbindung zwischen einem Bonddraht und einem Leistungshalbleiterchip - Google Patents

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    • H01L2224/48717—Principal constituent of the connecting portion of the wire connector being Aluminium (Al) with a principal constituent of the bonding area being a metal or a metalloid, e.g. boron (B), silicon (Si), germanium (Ge), arsenic (As), antimony (Sb), tellurium (Te) and polonium (Po), and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than or equal to 400°C and less than 950 °C
    • H01L2224/48724—Aluminium (Al) as principal constituent
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    • H01L2224/487—Principal constituent of the connecting portion of the wire connector being Aluminium (Al) with a principal constituent of the bonding area being a metal or a metalloid, e.g. boron (B), silicon (Si), germanium (Ge), arsenic (As), antimony (Sb), tellurium (Te) and polonium (Po), and alloys thereof
    • H01L2224/48738—Principal constituent of the connecting portion of the wire connector being Aluminium (Al) with a principal constituent of the bonding area being a metal or a metalloid, e.g. boron (B), silicon (Si), germanium (Ge), arsenic (As), antimony (Sb), tellurium (Te) and polonium (Po), and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than or equal to 950°C and less than 1550°C
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    • H01L2224/48738—Principal constituent of the connecting portion of the wire connector being Aluminium (Al) with a principal constituent of the bonding area being a metal or a metalloid, e.g. boron (B), silicon (Si), germanium (Ge), arsenic (As), antimony (Sb), tellurium (Te) and polonium (Po), and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than or equal to 950°C and less than 1550°C
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    • H01L2224/48738—Principal constituent of the connecting portion of the wire connector being Aluminium (Al) with a principal constituent of the bonding area being a metal or a metalloid, e.g. boron (B), silicon (Si), germanium (Ge), arsenic (As), antimony (Sb), tellurium (Te) and polonium (Po), and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than or equal to 950°C and less than 1550°C
    • H01L2224/48747—Copper (Cu) as principal constituent
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    • H01L2224/48699—Principal constituent of the connecting portion of the wire connector being Aluminium (Al)
    • H01L2224/487—Principal constituent of the connecting portion of the wire connector being Aluminium (Al) with a principal constituent of the bonding area being a metal or a metalloid, e.g. boron (B), silicon (Si), germanium (Ge), arsenic (As), antimony (Sb), tellurium (Te) and polonium (Po), and alloys thereof
    • H01L2224/48738—Principal constituent of the connecting portion of the wire connector being Aluminium (Al) with a principal constituent of the bonding area being a metal or a metalloid, e.g. boron (B), silicon (Si), germanium (Ge), arsenic (As), antimony (Sb), tellurium (Te) and polonium (Po), and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than or equal to 950°C and less than 1550°C
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    • H01L2224/48738—Principal constituent of the connecting portion of the wire connector being Aluminium (Al) with a principal constituent of the bonding area being a metal or a metalloid, e.g. boron (B), silicon (Si), germanium (Ge), arsenic (As), antimony (Sb), tellurium (Te) and polonium (Po), and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than or equal to 950°C and less than 1550°C
    • H01L2224/48757—Cobalt (Co) as principal constituent
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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Bondverbindung zwischen einem Bonddraht (9) und einem Leistungshalbleiterchip (1). Der Leistungshalbleiterchip (10) weist einen Halbleiterkörper (1) auf, in dem ein aktiver Zellbereich (12) mit einer Vielzahl von Zellen (15) angeordnet ist, die in einer lateralen Richtung (r) aufeinanderfolgend angeordnet und elektrisch parallel geschaltet sind. Der Halbleiterkörper (1) weist einen Oberflächenabschnitt (11') auf, der in einer zur lateralen Richtung (r) senkrechten vertikalen Richtung (v) oberhalb des aktiven Zellbereichs (12) angeordnet ist. Auf den Oberflächenabschnitt (15) ist eine Metallisierungsschicht (20) aufgebracht, auf die ein Bonddraht (9) gebondet ist. Der Bonddraht (9) besteht aus einer Legierung, die wenigstens 99 Gew.-% Aluminium (91) enthält, sowie wenigstens einen weiteren Legierungsbestandteil (92). Das Aluminium (91) weist eine Kornstruktur mit einer mittleren Korngröße (<D91>) auf, die kleiner ist als 2 µm.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Bondverbindung zwischen einem Bonddraht und einem Leistungshalbleiterchip. An einer Oberseite weisen Leistungshalbleiterchip eine Chipmetallisierung auf, auf die zur elektrischen Kontaktierung des Leistungshalbleiterchips ein oder mehrere Bonddrähte gebondet werden können.
  • Während des Bondvorganges wird der Bonddraht mit einer vorgegebenen Anpresskraft gegen die Chipmetallisierung gepresst, um eine innige Verbindung zwischen dem Bonddraht und der Chipmetallisierung zu erreichen. Mit zunehmendem Durchmesser des Bonddrahtes steigt jedoch die hierzu erforderliche Anpresskraft und, sofern das Bonden mittels Ultraschallbonden erfolgt, die erforderliche Ultraschall-Leistung. Wenn es sich jedoch bei dem Leistungshalbleiterchip um ein Bauelement mit einem aktiven Zellbereich mit einer Vielzahl von elektrisch parallel geschalteten Zellen handelt, beispielsweise einen MOSFET oder einen IGBT, so besteht bei einer hohen Anpresskraft und Ultraschall-Leistung die Gefahr, dass die Zellstruktur und damit einhergehend der Leistungshalbleiterchip zerstört wird, wenn die Bondung sehr dicker Bonddrähte mit einem Durchmesser von beispielsweise mehr als 100 μm oder mehr als 300 μm oberhalb des aktiven Zellbereichs erfolgt.
  • Daher werden zur Bondung oberhalb aktiver Zellbereiche mit dicken Bonddrähten sehr weiche Drahtmaterialien, typischer Weise aus hochreinem Aluminium mit einem Reinheitsgrad von 99,99% oder 99,999%, eingesetzt, dessen Gefüge sich durch große Einzelkörner und eine geringe Härte auszeichnet, weshalb beim Bonden eine vergleichsweise geringe Anpresskraft und Ultraschall-Leistung erforderlich ist. Hierdurch wird der unter der Chipmetallisierung befindliche aktive Zellbereich während des Bondens weniger stark belastet als bei härteren Drahtmaterialien.
  • Da sich jedoch der thermische Ausdehnungskoeffizient von Aluminum sehr stark vom thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Halbleitermaterials, beispielsweise Silizium oder Siliziumkarbid, unterscheidet, unterliegt die Bondverbindung bei häufigen Temperaturwechseln mit großen Temperaturhüben, wie sie vor allem im Schaltbetrieb bei hohen Lastwechseln, z. B. bei Anwendungen im Traktionsbereich, auftreten, einer erheblichen Temperaturwechselbelastung. Aufgrund derartiger Temperaturwechselbelastungen verringert sich im Lauf der Zeit die Kontaktfläche zwischen dem Bonddraht und der Chipmetallisierung des Leistungshalbleiterchips, bis sich der Bonddraht schließlich von der Chipmetallisierung ablöst (”lift off”). Die erläuterte Problematik steigt im Zuge der fortschreitenden Entwicklung, die zu immer höheren zulässigen Sperrschichttemperaturen der Leistungshalbleiterchips und damit zu einer höheren Temperaturwechselbelastung führt.
  • Um die Gefahr einer Bonddrahtablösung zu verringern, werden bislang auch kostspielige Maßnahmen in Kauf genommen. Bei einer solchen aus der DE 10 2005 028 951 A1 bekannten Maßnahme handelt es sich um die Versiegelung der Bondstelle mit Polyimid, was jedoch einen zusätzlichen kostenintensiven Prozessschritt beim Bonden erfordert.
  • Eine weitere solche Maßnahme besteht in einem Bondprozess mit hoher Scherfläche, wie sie in der Veröffentlichung (CD-ROM) zum Vortrag Siepe, Bayerer: "Time and spatial resolved detection of power device failures during wire bonding" auf der CIPS 2006, 4th International Conference on Integrated Power Electronics Systems, 7. bis 9. Juni 2006, Neapel/Italien, VDE-Verlag, Berlin, Frankfurt, ISBN 978-3-8007-2972-2, beschrieben ist. Dieses Verfahren erfordert jedoch eine hohe Beanspruchung der Chipmetallisierung und führt beim Bonden oberhalb eines aktiven Zellbereichs zu einer signifikanten Erhöhung des Ausschusses. Außerdem rekristallisiert der verwendete Aluminiumbonddraht durch die hohe Temperatur und die Temperaturwechselbelastung, und ändert dadurch seine mechanischen Eigenschaften. So führt beispielsweise eine viereinhalbstündige Temperung bei 190°C bei einem Aluminiumbonddraht mit 350 μm Durchmesser zu einer Verringerung der Martens Härte um ca. 20%. Außerdem sinkt die Bruchlast eines reinen Aluminiumbonddrahtes sehr stark.
  • Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Bondverbindung zwischen einem Bonddraht und einem Leistungshalbleiterchip bereitzustellen, die die Verwendung dicker Bonddrähte erlaubt, und die einer hohen Temperaturwechselbelastung Stand hält.
  • Diese Aufgabe wird durch eine Bondverbindung gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.
  • Bei einer solchen Bondverbindung, die zwischen einem Bonddraht und einem Leistungshalbleiterchip hergestellt ist, umfasst der Leistungshalbleiterchip einen Halbleiterkörper, in dem ein aktiver Zellbereich mit einer Vielzahl von Zellen, beispielsweise IGBT- oder MOSFET-Zellen, angeordnet ist. Die Zellen sind in einer lateralen Richtung aufeinanderfolgend angeordnet und elektrisch parallel geschaltet. Der Halbleiterkörper weist einen Oberflächenabschnitt auf, der in einer zur lateralen Richtung senkrechten vertikalen Richtung oberhalb des aktiven Zellbereichs angeordnet ist.
  • Auf den Oberflächenabschnitt ist eine Chipmetallisierungsschicht aufgebracht, auf die in der vertikalen Richtung oberhalb des aktiven Zellbereichs ein Bonddraht gebondet ist. Dieser Bonddraht besteht aus einer Legierung, die wenigstens 99 Gew.% Aluminium enthält. Das Aluminium weist eine Kornstruktur mit einer mittleren Korngröße von kleiner als 2 μm auf. Diese sehr kleine Korngröße der Aluminiumkörner wird dadurch erreicht, dass dem Aluminum des Bonddrahtes wenigstens ein Legierungsbestandteil beigemischt ist. Als Korngröße eines Korns wird in diesem Kontext die maximale Abmessung des Korns angesehen. Die mittlere Korngröße der Aluminiumkörner ist durch das arithmetische Mittel der maximalen Abmessungen aller Aluminiumkörner des Bonddrahtes gegeben.
  • Durch die Verringerung der mittleren Korngröße der Aluminiumkörner im Vergleich zu einem hochreinen Aluminiumbonddraht steigt die mechanische Belastbarkeit der Bondverbindung, so dass die plastische Verformung der Bondstelle sinkt bzw. ein Rissfortschritt, der typischerweise an Korngrenzen entlangläuft, deutlich reduziert wird und sich damit die Lebensdauer der Bondverbindung erhöht. Durch Variation der mittleren Korngröße der Aluminiumkörner kann der Aluminiumbonddraht so angepasst werden, dass eine Rekristallisierung bei Temperaturen bis zu 150°C, bis zu 175°C, bis zu 200°C, bis zu 250°C oder bis zu 400°C verhindert oder – bei nur kurzzeitigen Temperaturbelastungen – zumindest deutlich verzögert wird.
  • Andererseits steigt durch die Verringerung der mittleren Korngröße der Aluminiumkörner auch die Härte des Bonddrahtes. Um eine hierdurch bedingte, mögliche Beschädigung des aktiven Zellbereichs während des Bondvorganges zu begegnen, ist es vorgesehen, eine Chipmetallisierung mit ausreichender Festigkeit zu verwenden. Durch die Kombination eines harten Drahtes mit einer robusten Chipmetallisierung wird das Risiko schlechter Bondausbeuten verhindert. Eine robuste Chipmetallisierung kann auf der Verwendung eines harten Metalls für die Chipmetallisierung basieren.
  • Die Chipmetallisierung kann dabei eine erste Teilschicht aufweisen, sowie eine zweite Teilschicht, die zwischen der ersten Teilschicht und dem aktiven Zellbereich auf dem Oberflächenabschnitt angeordnet ist.
  • Gemäß einem Aspekt ist die erste Teilschicht härter als der Bonddraht.
  • Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung bestehen die erste Teilschicht aus Kupfer oder einer Kupferlegierung, die härter ist als der Bonddraht, während die zweite Teilschicht eine Barriereschicht darstellen kann, welche eine Diffusion von Kupfer aus der zweiten Teilschicht in den Halbleiterkörper weitestgehend verhindert.
  • Gemäß einem noch einem anderen Aspekt der Erfindung besteht die erste Teilschicht aus siliziumfreiem Aluminium, während die zweite Teilschicht eine Barriereschicht darstellen kann, welche eine Diffusion von Aluminium aus der ersten Teilschicht in den Halbleiterkörper weitestgehend verhindert.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren beispielhaft erläutert. Es zeigen:
  • 1 einen Vertikalschnitt durch einen Leistungshalbleiterchip, der einen aktiven Zellbereich aufweist, oberhalb dem ein dicker Bonddraht auf die Chipmetallisierung gebondet ist;
  • 2 einen vergrößerten Abschnitt einer Bondstelle gemäß 1, bei der die Metallisierungsschicht zwei Teilschichten enthält, von denen eine eine größere Härte aufweist als der Bonddraht, und eine andere, die zwischen der einen Teilschicht und dem aktiven Bereich angeordnet ist, und die mit Silizium dotiertes Aluminium umfasst;
  • 3 einen vergrößerten Abschnitt einer Bondstelle gemäß 1, bei der die Metallisierungsschicht zwei Teilschichten enthält, von denen eine Kupfer oder eine Kupferlegierung aufweist, und eine andere, die zwischen der einen Teilschicht und dem aktiven Bereich angeordnet ist, und die eine Diffusionsbarriere für Kupfer darstellt;
  • 4 einen vergrößerten Abschnitt einer Bondstelle gemäß 1, bei der die Metallisierungsschicht zwei Teilschichten enthält, von denen eine aus reinem Aluminium besteht, und eine andere, die zwischen der einen Teilschicht und dem aktiven Bereich angeordnet ist, und die eine Diffusionsbarriere für Aluminium darstellt; und
  • 5 einen vergrößerten Abschnitt einer Bondstelle gemäß 2, bei der zwischen der ersten Teilschicht und dem Bonddraht eine weitere Teilschicht der Metallisierungsschicht angeordnet ist.
  • Die gezeigten Figuren sind, sofern nichts anderes erwähnt ist, nicht maßstäblich. Die in der nachfolgenden Figurenbeschreibung verwendete, richtungsgebundene Terminologie (z. B. Begriffe wie ”oben”, ”unten”, ”links”, ”rechts”, ”vorne”, ”hinten”, ”seitlich”, ”auf”, ”unter”...) bezieht sich auf die jeweilige Figur. Sie wird lediglich dazu verwendet, das Verständnis der Figurenbeschreibung zu erleichtern. Grundsätzlich können die gezeigten Elemente räumlich beliebig angeordnet werden, sofern sich aus der Beschreibung nichts anderes ergibt. Im Übrigen bezeichnen, sofern nicht ausdrücklich anders erwähnt, in den verschiedenen Figuren gleiche Bezugszeichen gleiche oder einander entsprechende Elemente mit gleicher oder einander entsprechender Funktion.
  • 1 zeigt einen Vertikalschnitt durch einen Leistungshalbleiterchip 10, der einen Halbleiterkörper 1 mit einer Anzahl aktiver Zellen 15 aufweist, die in einer lateralen Richtung r aufeinanderfolgend angeordnet und elektrisch parallel geschaltet sind. Bei den aktiven Zellen 15 kann es sich beispielsweise um MOSFET- oder IGBT-Zellen handeln. Die aktiven Zellen sind nur schematisch angeordnet, da deren Aufbau dem Fachmann grundsätzlich bekannt ist.
  • In einer zur lateralen Richtung r senkrechten vertikalen Richtung v weist der Halbleiterkörper 1 eine Oberseite 11 mit einem Oberflächenabschnitt 11' auf, der in der vertikalen Richtung v nur oberhalb des aktiven Zellbereichs 12 angeordnet ist. Auf den Oberflächenabschnitt 15 ist eine Chipmetallisierungsschicht 20 aufgebracht, auf die in der vertikalen Richtung v oberhalb des aktiven Zellbereichs ein Bonddraht 9 gebondet ist. Der Durchmesser des Bonddrahtes 9 ist grundsätzlich beliebig, er kann beispielsweise mehr als 100 μm oder mehr als 300 μm betragen. Weiterhin besteht der Bonddraht 9 aus einer Legierung, die wenigstens 99 Gew.% Aluminium enthält, sowie wenigstens einen weiteren Legierungsbestandteil. Das Aluminium weist eine Kornstruktur mit einer mittleren Korngröße auf, die kleiner ist als 2 μm.
  • 2 zeigt einen vergrößerten Abschnitt einer Anordnung gemäß 1. Ein Abschnitt des Bonddrahtes 9 ist seinerseits nochmals vergrößert dargestellt. Hieraus ist ersichtlich, dass der Bonddraht Aluminium aufweist, die Körner 91 mit Korngrößen D91 bilden. Im Sinne der vorliegenden Erfindung wird als Korngröße die maximale Abmessung D91 des betreffenden Korns 91 angesehen. Das arithmetische Mittel <D91> sämtlicher Aluminiumkörner 91 des Bonddrahtes 9 ist kleiner als 2 μm. Es bestimmt sich gemäß
    Figure 00070001
    wobei N die Anzahl der Aluminiumkörner 91 des Bonddrahtes 9 und D91(i) die maximale Abmessung des i-ten Aluminiumkornes 91 sind.
  • Diese geringe mittlere Korngröße <D91> wird dadurch erreicht, dass der Bonddraht 9 wenigstens einen Legierungsbestandteil 92 enthält. Als Legierungsbestandteil 92 eignen sich beispielsweise einzeln oder in beliebigen Kombinationen miteinander Mg, Si, Ti, Cu, Pd mit einem Gesamtlegierungsanteil von beispielsweise 0,2 Gew.% bis 1 Gew.% des Bonddrahtes 9. Der Bonddraht 9 kann beispielsweise aus einem der folgenden Materialien gebildet sein: AlMg, AlSi, AlTi, AlCu, AlSiCu, AlMgPd.
  • Die Chipmetallisierung 20 umfasst eine erste Teilschicht 21 aus einem elektrisch leitenden Material, dessen Martens-Härte größer ist als die Härte des Bonddrahtes 9. Die erste Teilschicht kann beispielsweise genau eines oder mehrere der folgenden Materialien aufweisen, oder aus genau einem oder mehreren dieser Materialien bestehen: Ni, NiB, NiP, CoWB, CoWB, NiWP, NiWB, NiMoP, NiMoB, NiCoP, NiCoB, NiPd, Cu oder eine Cu-Legierung.
  • Zwischen der ersten Teilschicht 21 und dem aktiven Zellbereich 12 ist eine zweite Teilschicht 22 angeordnet, die beispielsweise aus AlSi, AlSiCu oder AlSiTi bestehen oder zumindest einen dieser Bestandteile aufweisen kann, die einen Anteil von mehr als 90 Gew.% Aluminium aufweist, und die eine Beimischung von 0,2 Gew.% bis 5,0 Gew.% Si und damit auch Siliziumprezipitaten 25 enthält.
  • Bei dem Beispiel gemäß 3 kann der Bonddraht 9 ebenso aufgebaut sein wie der anhand von 2 erläuterte Bonddraht 9. In diesem Beispiel besteht die erste Teilschicht 21 aus Kupfer oder einer Kupferlegierung. Diese erste Teilschicht 21 ist wiederum härter als der Bonddraht 9. Alternativ zu Kupfer können beispielsweise auch Nickel, Gold oder Platin, oder eine Legierung mit zumindest einem dieser Metalle eingesetzt werden.
  • Die zweite Teilschicht 22 ist wie bei der Anordnung gemäß 2 zwischen der ersten Teilschicht 21 und dem aktiven Zellbereich 12 angeordnet. Die zweite Teilschicht 22 stellt eine Barriereschicht dar, welche eine Diffusion von Kupfer aus der ersten Teilschicht 21 in den Halbleiterkörper 1 weitestgehend verhindert. Als Materialien für die Barriereschicht 22 eignen sich beispielsweise TiN, Ta, TaN, TiW oder W, Legierungen oder Kombinationen dieser Schichten plus einer evtl. Zwischenschicht – die bspw. eine Haftungsfunktion übernehmen kann – mit zumindest einem dieser Materialien.
  • Eine weitere Möglichkeit, die Ausbeute beim Bonden zu erhöhen, wird anhand von 4 erläutert. Hierbei wird eine Chipmetallisierung 20 mit einer ersten Teilschicht 21 aus Al, AlCu, AlTi oder einer Legierung mit zumindest einem dieser Stoffe verwendet, die frei von Siliziumprezipitaten ist. Silizium und damit auch Siliziumprezipitate werden üblicherweise in Aluminium oder aluminiumhaltige Legierungen eingebracht, um das Auftreten von schädlichem ”Al-Spiking” im Halbleiterkörper zu vermeiden. Zu ”Al-Spiking” kommt es, wenn Aluminium aus der Chipmetallisierung und Si aus dem Halbleiterkörper sich gegenseitig austauschen und somit ein pn-Übergang im Si zerstört werden kann. Durch die Siliziumprezipitate wird das Aluminium bis zu einem gewissen Grad in der Metallisierung gebunden, wodurch sich die Diffusion von Aluminium in den Halbleiterkörper verringert. Allerdings stellen Siliziumprezipitate eine Hauptausfallursache beim Bonden dar, so dass die Qualität einer Bondverbindung durch Weglassen dieser Siliziumprezipitate verbessert werden kann. Allerdings ist es dann vorteilhaft, zwischen der von Siliziumprezipitaten freien ersten Teilschicht 21 und dem Halbleiterkörper eine optionale zweite Teilschicht 22 vorzusehen, die die Diffusion von Aluminium in den Halbleiterkörper 1 weitestgehend verhindert.
  • Generell eignen sich für Barriereschichten 22 solche Materialien, in denen der Stoff, dessen Diffusion in den Halbleiterkörper 1 durch die Barriereschicht 22 reduziert werden soll. Um eine Barriereschicht 22 zu überwinden zu können, muss der Stoff eine gewisse Mindestenergie, die so genannte Aktivierungsenergie, aufweisen. Diese Aktivierungsenergie hängt zum Einen vom Stoff selbst ab, zum Anderen vom Material der Barriereschicht 22 ab, sowie von deren Dicke. Somit ist es vorteilhaft, bei einem vorgegebenen Stoff, beispielsweise Aluminium, und einem vorgegebenen Material der Barriereschicht 22 die Dicke der Barriereschicht so zu wählen, dass die erforderliche Aktivierungsenergie größer ist, als der wesentliche Anteil der während der Lebensdauer des Bauelements in dem Stoff auftretenden Teilchenenergien. Bei einer Lebensdauer von angenommenen 15 Jahren kann die erforderliche Aktivierungsenergie zum Durchdringen der Barriereschicht 22 beispielsweise 0,9 eV betragen. Als Materialien für die Barriereschicht 22 bei den Anordnungen in den 3 oder 4 eignen sich beispielsweise TiN, Ta, TaN, TiW oder W, oder Legierungen mit zumindest einem dieser Materialien.
  • Bei allen Varianten gemäß der vorliegenden Erfindung kann der Bonddraht die erste Teilschicht 21 unmittelbar kontaktieren. Alternativ dazu kann, wie in 5 gezeigt ist, auf die erste Teilschicht 21 noch eine weitere, dritte Teilschicht 23 der Chipmetallisierung aufgebracht sein. Bei einer solchen dritten Teilschicht 23, die dann zwischen dem Bonddraht 9 und der ersten Teilschicht 21 angeordnet ist, kann es sich beispielsweise um eine Oxidationsschutzschicht handeln, mit der die nächste darunter liegende Teilschicht der Chipmetallisierung 21, d. h. in 5 die erste Teilschicht 21, gegenüber Oxidation geschützt ist. Hierdurch lässt sich eine höhere Festigkeit der Bondverbindung erreichen, da sich eine Oxidoberfläche auf einer mit einem Bonddraht zu verbindenden Metallisierung nachteilig auf die Qualität der Bondverbindung auswirkt. Grundsätzlich kann eine solche dritte Teilschicht aber auch andere Funktionen, beispielsweise zum Schutz gegenüber einer bei der Prozessierung des Leistungshalbleiterchips eingesetzten Chemikalie, übernehmen. Als Materialien für eine solche dritte Teilschicht 23 eignen sich beispielsweise Au, Pt, Pd, Ag oder Ni, oder Legierungen mit zumindest einem dieser Metalle.
  • Mit der vorliegenden Erfindung kann auf Sondermaßnahmen wie Bonddrahtversiegelung verzichtet werden. Gleichwohl kann natürlich ergänzend eine Bonddrahtversiegelung vorgesehen werden. Ein Vorteil der Erfindung besteht darin, dass die damit verbundenen Zusatzkosten weit unter denen für eine Bonddrahtversiegelung liegen. Außerdem kann eine weitere Verbesserung der Lastwechselfestigkeit im Vergleich zu bonddrahtversiegelten Modulen erreicht werden. Ein weiterer Vorteil der Erfindung liegt darin, dass die robuste Metallisierung keine Veränderung der elektrischen Parameter der Chips nach sich zieht, so dass auch produktive Chips auf einfache Weise umgestellt werden können.
  • Die Erfindung ist an IGBTs bei einer Sperrspannung von 1,2 kV und 6,5 kV in Verbindung mit einem Bonddraht aus AlMg 0,5% (d. h. 99,5 Gew.% Al und 0,5 Gew.% Mg) und einem Durchmesser von 400 μm getestet worden. Dazu wurde der Aufbau gemäß 2 gewählt, wobei die robuste erste Teilschicht 21 eine stromlos abgeschiedene Nickelschicht und die zweite Teilschicht 22 eine AlSiCu Chipmetallisierung war. Schichtdicken der ersten Teilschicht 21 und der zweiten Teilschicht 22 waren in etwa gleich gewählt. Bei einer parallelen Testreihe mit einer herkömmlichen Bondverbindung traten fünfzehn Gate-Emitter-Ausfälle auf, sechs IGBTs wurden beim Bonden vollständig zerstört. Demgegenüber kam es bei der Testreihe mit der erfindungsgemäßen Bondverbindung zu keinem einzigen Ausfall. Die getestete Stückzahl war bei beiden Testreihen jeweils 100.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Claims (20)

  1. Bondverbindung zwischen einem Bonddraht und einem Leistungshalbleiterchip umfassend einen Leistungshalbleiterchip (10) mit einem Halbleiterkörper (1), in dem ein aktiver Zellbereich (12) mit einer Vielzahl von Zellen (15) angeordnet ist, die in einer lateralen Richtung (r) aufeinanderfolgend angeordnet und elektrisch parallel geschaltet sind, wobei – der Halbleiterkörper (1) einen Oberflächenabschnitt (11') aufweist, der in einer zur lateralen Richtung (r) senkrechten vertikalen Richtung (v) oberhalb des aktiven Zellbereichs (12) angeordnet ist; – auf den Oberflächenabschnitt (15) eine Metallisierungsschicht (20) aufgebracht ist, auf die ein Bonddraht (9) gebondet ist; – der Bonddraht (9) aus einer Legierung besteht, die wenigstens 99 Gew.% Aluminium (91) enthält, sowie wenigstens einen weiteren Legierungsbestandteil (92); – das Aluminium (91) eine Kornstruktur mit einer mittleren Korngröße (<D91>) aufweist, die kleiner ist als 2 μm.
  2. Leistungshalbleiteranordnung gemäß Anspruch 1, bei der die Metallisierungsschicht (20) eine erste Teilschicht (21) aufweist, sowie eine zweite Teilschicht (22), die zwischen der ersten Teilschicht (21) und dem aktiven Zellbereich (12) auf dem Oberflächenabschnitt (11') angeordnet ist.
  3. Leistungshalbleiteranordnung gemäß Anspruch 2, bei der die erste Teilschicht (21) die zweite Teilschicht (22) unmittelbar kontaktiert.
  4. Leistungshalbleiteranordnung gemäß Anspruch 2 oder 3, bei der die erste Teilschicht (21) eine Härte aufweist, die größer ist als die Härte des Bonddrahtes (9).
  5. Leistungshalbleiteranordnung gemäß Anspruch 4, bei der die erste Teilschicht (21) genau eines oder mehrere der folgenden Materialien aufweist, oder aus genau einem oder mehreren der folgenden Materialien oder aus einer Legierung mit genau einem oder mehrerer folgender Materialien besteht: Ni, NiB, NiP, CoWB, CoWB, NiWP, NiWB, NiMoP, NiMoB, NiCoP, NiCoB, NiPd, Cu, eine Cu-Legierung.
  6. Leistungshalbleiteranordnung gemäß einem der Ansprüche 2 bis 5, bei der die zweite Teilschicht (22) aus Aluminium besteht, dem 0,2 Gew.% bis 5,0 Gew.% Siliziumprezipitate beigefügt sind.
  7. Leistungshalbleiteranordnung gemäß Anspruch 2 oder 3, bei der die erste Teilschicht (21) aus Al, AlCu, AlTi oder einer Legierung mit zumindest einem dieser Stoffe besteht und frei von Siliziumprezipitaten ist.
  8. Leistungshalbleiteranordnung gemäß einem der Ansprüche 2 bis 7, bei der die zweite Teilschicht (22) als Barriereschicht ausgebildet ist.
  9. Leistungshalbleiteranordnung gemäß Anspruch 8, bei der die Dicke der als Barriereschicht ausgebildeten zweite Teilschicht (22) so gewählt ist, dass die Aktivierungsenergie, ab der eine Diffusion von Teilchen der ersten Teilschicht (21) durch die zweite Teilschicht (22) hindurch möglich ist, wenigstens 0,9 eV beträgt.
  10. Leistungshalbleiteranordnung gemäß Anspruch 9, bei der die Dicke der als Barriereschicht ausgebildeten zweite Teilschicht (22) so gewählt ist, dass die Aktivierungsenergie, ab der eine Diffusion von Kupfer und/oder Aluminum durch die zweite Teilschicht (22) hindurch möglich ist, wenigstens 0,9 eV beträgt.
  11. Leistungshalbleiteranordnung gemäß einem der Ansprüche 8 bis 10, bei der die zweite Teilschicht (22) aus einem der folgenden Materialen oder aus einer Legierung mit einem der folgenden Materialien besteht: TiN, Ta, TaN, TiW, W.
  12. Leistungshalbleiteranordnung gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei der der weitere Legierungsbestandteil (92) einen oder mehrere der folgenden Stoffe umfasst: Mg, Si, Ti, Cu, Si, Pd.
  13. Leistungshalbleiteranordnung gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei der der Bonddraht (9) die erste Teilschicht (21) unmittelbar kontaktiert.
  14. Leistungshalbleiteranordnung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12, bei der die Chipmetallisierung (20) eine dritte Teilschicht (23) umfasst, die in der vertikalen Richtung (v) zwischen dem Bonddraht (9) und der ersten Teilschicht (21) angeordnet ist.
  15. Leistungshalbleiteranordnung gemäß Anspruch 14, bei der der Bonddraht (9) die dritte Teilschicht (23) unmittelbar kontaktiert.
  16. Leistungshalbleiteranordnung gemäß Anspruch 11, bei der der Bonddraht aus einem der folgenden Materialien gebildet ist: AlMg, AlSi, AlTi, AlCu, AlSiCu, AlMgPd.
  17. Leistungshalbleiteranordnung gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei der Bonddraht (9) einen Durchmesser von mehr als 100 μm aufweist.
  18. Leistungshalbleiteranordnung gemäß Anspruch 17, bei der Bonddraht (9) einen Durchmesser von größer gleich 300 μm aufweist.
  19. Leistungshalbleiteranordnung gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei der Bonddraht (9) unversiegelt ist.
  20. Leistungshalbleiteranordnung gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei der der Leistungshalbleiterchip (10) ein MOSFET oder ein IGBT ist, und bei der die Zellen (15) Zellen eines MOSFETs bzw. eines IGBTs sind.
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