DE102013222816A1 - Verbindungsanordnung mit einem Halbleiterbaustein und einem ultraschallverschweißten Draht - Google Patents

Verbindungsanordnung mit einem Halbleiterbaustein und einem ultraschallverschweißten Draht Download PDF

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David Gross
Sabine Haag
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Robert Bosch GmbH
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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Verbindungsanordnung. Die Verbindungsanordnung umfasst ein Halbleiterbauelement und wenigstens einen elektrisch leitfähigen längsgestreckten Leiter, insbesondere Draht oder bandförmiger Draht. Das Halbleiterbauelement weist wenigstens einen wenigstens eine elektrisch leitfähige Schicht umfassenden elektrischen Anschluss auf. Bei der Verbindungsanordnung ist ein Endabschnitt des Drahtes mit dem Anschluss mittels Ultraschallschweißen verbunden. Erfindungsgemäß weist der Anschluss des Halbleiterbauelements der wenigstens eine elektrisch leitfähige Schutzschicht auf, wobei die Schutzschicht zwischen einer zum Ultraschallverschweißen ausgebildeten Schweißschicht des Anschlusses und dem Halbleiterbauelement angeordnet ist. Die Schutzschicht ist eine Metallschicht, die bevorzugt durch wenigstens ein Metall, bevorzugt aus der sechsten Gruppe des Periodensystems, gebildet ist. Die Schutzschicht ist ausgebildet, beim Ultraschallverschweißen des Endabschnitts mit der Schweißschicht ein Durchbrechen des Endabschnitts durch die Schutzschicht hindurch in den Halbleiterbaustein zu verhindern.

Description

  • Stand der Technik
  • Die Erfindung betrifft eine Verbindungsanordnung. Die Verbindungsanordnung umfasst ein Halbleiterbauelement und wenigstens einen elektrisch leitfähigen längsgestreckten Leiter, insbesondere Draht oder bandförmiger Draht. Das Halbleiterbauelement weist wenigstens einen wenigstens eine elektrisch leitfähige Schicht umfassenden elektrischen Anschluss auf. Bei der Verbindungsanordnung ist ein Endabschnitt des Drahtes mit dem Anschluss mittels Ultraschallschweißen verbunden.
  • Bei aus dem Stand der Technik bekannten Verbindungsanordnungen mit einem Halbleiterbauelement und einem elektrisch leitfähigen Draht, welcher mittels Ultraschallschweißen mit dem Halbleiterbauelement, beispielsweise einem Leistungshalbleiter in Form eines blockförmigen Halbleiters, insbesondere eines sogenannten Bare-Die, verbunden wird, besteht das Problem, dass der Leistungshalbleiter oder dessen durch einen Metallfilm gebildeten elektrischen Anschlüsse beim Ultraschallschweißen durch ein Kratzen oder Schaben des elektrisch leitfähigen Drahtes in den Leistungshalbleiter beschädigt werden kann.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Erfindungsgemäß weist der Anschluss des Halbleiterbauelements der eingangs genannten Art wenigstens eine elektrisch leitfähige Schutzschicht auf, wobei die Schutzschicht zwischen einer zum Ultraschallverschweißen ausgebildeten Schweißschicht des Anschlusses und dem Halbleiterbauelement angeordnet ist. Die Schutzschicht ist eine Metallschicht, die bevorzugt durch wenigstens ein Metall, bevorzugt aus der sechsten Gruppe des Periodensystems, gebildet ist. Die Schutzschicht ist ausgebildet, beim Ultraschallverschweißen des Endabschnitts mit der Schweißschicht ein Durchbrechen des Endabschnitts durch die Schutzschicht hindurch in den Halbleiterbaustein zu verhindern.
  • Bevorzugt schließt die Schutzschicht unmittelbar an die Schweißschicht an. Dadurch sind vorteilhaft zwischen dem Halbleiter und der Schweißschicht angeordnete weitere Schichten geschützt.
  • So kann vorteilhaft eine stoffschlüssige Verbindung zwischen dem Endabschnitt des Drahtes und der Schweißschicht erzeugt werden, ohne dass der Endabschnitt des Drahtes das Halbleiterbauelement beschädigen kann.
  • Ein Draht ist ein längsgestreckter elektrischer Leiter, dessen Querschnitt rund und/oder eckig, kreisrund, ellipsenförmig, flach, rechteckig oder quadratisch ausgebildet sein kann. Ein Bändchen ist ein besonders dünner und flacher Draht mit einem Querschnitt, dessen Querschnittsbreite ein Vielfaches einer Querschnittshöhe beträgt. Die Querschnittshöhe bildet eine Dicke des Bändchens.
  • Bevorzugt weist die Schutzschicht Wolfram auf oder ist aus Wolfram gebildet. Dadurch kann die Schutzschicht vorteilhaft besonders hart ausgebildet sein und kann so vorteilhaft schon mit einer kleinen Dickenerstreckung eine große Schutzwirkung erzielen. Es wurde nämlich erkannt, dass mittels reiner Metallschichten aus wenigstens einem Metall der sechsten Gruppe des Periodensystems, oder Legierungen der Metalle der sechsten Gruppe untereinander, eine gute Schutzwirkung erzeugt werden kann.
  • Beispielsweise umfasst das Metall der Schutzschicht Wolfram und/oder Molybdän und/oder Chrom.
  • Es wurde auch erkannt, dass bisher verwendete Schichtfolgen aus Metalloxiden, Metallnitriden oder tertiäre Metallkompositionen, die als Füllstoffe oder Haftvermittler eingesetzt wurden, keine hinreichende Schutzwirkung erzeugen und selbst durch das Ultraschallverschweißen geschädigt werden können.
  • Zusätzlich oder unabhängig von dem zuvor erwähnten Metall der sechsten Gruppe des Periodensystems, nämlich Wolfram, weist die Schutzschicht Molybdän auf. Die Molybdän-Schicht kann vorteilhaft bereits bei Schichtdicken von wenigstens einem Mikrometer, bevorzugt zwischen fünf und zehn Mikrometer, eine harte Schutzschicht bilden, welche vorteilhaft ausgebildet ist, ein Durchreiben des Drahtes beim Ultraschallverschweißen in den Halbleiterbaustein hinein zu verhindern. Weiter vorteilhaft kann die Molybdän-Schicht mittels kathodischen Zerstäubens aufwandsgünstig auf den Halbleiterbausteinen als Schutzschicht aufgebracht werden.
  • Zusätzlich oder unabhängig von den zuvor erwähnten Metallen der sechsten Gruppe, nämlich Wolfram und Molybdän, kann die Schutzschicht Chrom aufweisen. Die Schutzschicht kann so vorteilhaft besonders günstig bereitgestellt werden. Weiter vorteilhaft kann die Schutzschicht Chrom in Form einer Legierung gemeinsam mit Molybdän und/oder Wolfram aufweisen.
  • Beispielsweise kann so eine Schutzschicht durch eine Legierung aus Wolfram und/oder Molybdän oder zusätzlich Chrom gebildet sein.
  • Bevorzugt weist die Schutzschicht wenigstens zwei insbesondere unmittelbar aufeinanderfolgende Schichten aus zueinander verschiedenen Metallen der sechsten Gruppe des Periodensystems auf. Eine vorteilhafte Schutzschicht umfasst eine Wolframschicht und eine Molybdänschicht, die unmittelbar aufeinanderliegen. Dadurch kann vorteilhaft eine größere Härte gegen Durchdringung der Schutzschicht erzielt werden.
  • Die Schutzschicht weist bevorzugt eine Schichtdicke von mindestens einem Mikrometer auf, weiter bevorzugt zwischen einem Mikrometer und zehn Mikrometern, besonders bevorzugt mindestens fünf Mikrometer auf. So kann vorteilhaft mittels der so ausgebildeten harten, elektrisch leitfähigen Schutzschicht eine wirkungsvolle Barriere gegen ein Durchkratzen oder Durchreiben des Drahtes beim Ultraschallverschweißen mit der Schweißschicht, in den Halbleiterbaustein hinein, oder in zwischen dem Halbleiterbaustein und der Schutzschicht sich erstreckende, weitere haftvermittelnde Schichten verhindert werden.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Schweißschicht eine Kupferschicht. Weiter bevorzugt weist der Halbleiterbaustein eine Ruthenium-Schicht auf, welche zwischen der Schutzschicht und der Schweißschicht angeordnet ist. Die Ruthenium-Schicht kann vorteilhaft ein Anhaften der Kupferschicht auf der Schutzschicht verbessern.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform der Verbindungsanordnung ist die Schutzschicht mittels eines stromlosen Verfahrens, insbesondere kathodischem Zerstäuben oder mittels CVD (CVD = Chemical-Vapor-Deposition) abgeschieden. Kathodisches Zerstäuben oder auch Sputtern genannt, verwendet einen elektrischen Strom, um mittels einer mit dem elektrischen Strom erzeugten Gasentladung aus einem Targetmaterial Materialteilchen, beispielsweise Kupferteilchen, herauszuschlagen, welche dann beim Auftreffen auf den Halbleiterbaustein adsorbieren können und so eine Verbundschicht bilden können.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform der Verbindungsanordnung ist die Schweißschicht eine Nickel-Schicht. Die Schweißschicht kann so vorteilhaft aufwandsgünstig bereitgestellt werden, weiter vorteilhaft braucht so ein Gesamtaufbau des mittels elektrisch leitfähigen Schichten gebildeten Anschlusses weniger Einzelschichten aufweisen, verglichen mit Kupfer als bondfähiger Materialschicht.
  • Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Verbinden eines Drahtes mit einem Halbleiterbauelement.
  • Bei dem Verfahren weist ein elektrischer Anschluss des Halbleiterbauelements eine Schutzschicht aus wenigstens einem Metall oder einem der Metalle Wolfram, Molybdän oder Chrom auf, wobei der Anschluss wenigstens eine Schweissschicht zum Ultraschallverschweissen mit einem Endabschnitt des Drahtes aufweist.
  • Bei dem Verfahren wird der Endabschnitt mittels Ultraschallschweißen mit der Schweißschicht kaltverschweißt und so eine elektrisch leitfähige, stoffschlüssige Verbindung erzeugt, wobei die Schutzschicht ein Durchreiben des Endabschnitts durch die Schutzschicht hindurch verhindert.
  • Vorteilhaft sind das Halbleiterbauelement oder zusätzlich zwischen der Schutzschicht und dem Halbleiterbauelement angeordnete elektrisch leitfähige Schichten so vor mechanischer Schädigung oder nachhaltiger elektrischer Beeinflussung geschützt.
  • Die Erfindung wird nun im Folgenden anhand von Figuren und weiteren Ausführungsbeispielen beschrieben. Weitere vorteilhafte Ausführungsvarianten ergeben sich aus den in den Figuren und den abhängigen Ansprüchen beschriebenen Merkmalen.
  • 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel für eine Verbindungsanordnung mit einem Halbleiterbaustein und einem elektrisch leitfähigen Draht, wobei der Draht mittels Ultraschallschweißen mit einem Anschluss des Halbleiterbausteins verbunden ist, wobei der Halbleiterbaustein mittels einer Schutzschicht durch den Schweissvorgang unverletzt geblieben ist, wobei als Schweissschicht eine Nickelschicht vorgesehen ist;
  • 2 zeigt eine Variante des in 1 gezeigten Ausführungsbeispiels für eine Verbindungsanordnung mit einem Halbleiterbaustein und einem elektrisch leitfähigen Draht, wobei der Draht mittels Ultraschallschweißen mit einem Anschluss des Halbleiterbausteins verbunden ist, wobei der Halbleiterbaustein mittels einer Schutzschicht durch den Schweissvorgang unverletzt geblieben ist, bei der anstelle einer Nickelschicht als Schweißschicht eine Kupferschicht vorgesehen ist.
  • 1 zeigt – schematisch – ein Ausführungsbeispiel für eine Verbindungsanordnung 1. Die Verbindungsanordnung 1 umfasst einen Halbleiterbaustein 2, welcher in diesem Ausführungsbeispiel einen Leistungshalbleiter, insbesondere einen Transistor, beispielsweise Feldeffekt-Transistor oder ein Insulated-Gate-Bipolar-Transistor in Form eines Bare-Die bildet. Der Halbleiterbaustein 2 weist in diesem Ausführungsbeispiel eine Unterseitenmetallisierung 11 auf, welche ausgebildet ist, mit einem Substrat insbesondere stoffschlüssig verbunden zu werden. Das Substrat ist beispielsweise eine Leiterplatte, ein Keramiksubstrat, insbesondere LTCC-Substrat (LTCC = Low-Temperature-Co-Fired-Ceramics)oder ein Direct-Bonded-Copper-Substrat. Die stoffschlüssige Verbindung ist beispielsweise eine Lötverbindung, Silbersinterverbindung. In einer anderen Ausführungsform ist die Verbindung eine Klebeverbindung.
  • Der Halbleiterbaustein 2, welcher beispielsweise aus einem Wafer gebildet ist, weist auf einer zur Unterseitenmetallisierung 11 entgegengesetzten Seite eine aktive Sicht 9 auf, welche beispielsweise Schaltanschlüsse des Halbleiterbausteins 2 bildet und weist dazu beispielsweise Gate-Oxid, Feld-Oxid, pn-Übergänge und beispielsweise eine Epitaxie-Schicht auf.
  • Mit der aktiven Schicht 9 ist eine Titanschicht 8 verbunden, welche einen ohmschen Kontakt zur aktiven Schicht 9 und so zum Halbleiterbaustein 2 hin bildet. Die Titanschicht 8 ist mit einer Titan-Nitrid-Schicht 7 verbunden, welche eine Diffusionsbarriere bildet. Die Titan-Nitrid-Schicht 7 ist mit einer weiteren Titanschicht 6 verbunden, welche einen Haftvermittler zu einer mit der Titanschicht 6 verbundenen Wolfram-Schicht 4 hin bildet. Die Wolfram-Schicht 4 weist in diesem Ausführungsbeispiel eine Dicke von wenigstens fünf Mikrometer auf und bildet die zuvor erwähnte Schutzschicht.
  • Die Schutzschicht 4, gebildet durch die Wolfram-Schicht, ist mit einer Schweißschicht 5 verbunden. Die Schweißschicht 5 ist in diesem Ausführungsbeispiel durch eine Nickelschicht gebildet. Die Nickelschicht weist beispielsweise eine Schichtdicke von mehr als einem Mikrometer, beispielsweise fünf Mikrometer, auf. Die Schweißschicht 5 ist mit einer Schicht 12 verbunden, welche eine Oberfläche des Anschlusses 3 des Halbleiterbausteins 2 bildet.
  • Die Schicht 12 bildet eine Oberflächenschicht und ist beispielsweise durch eine Goldschicht oder einen Schichtstapel umfassend Palladium und Gold gebildet und ist ausgebildet, den Anschluss 3 vor Oxidation zu schützen. Die Schichten 8, 7, 6, 4, 5 und 12 bilden in diesem Ausführungsbeispiel den zum Kontaktiertwerden durch einen Draht ausgebildeten elektrischen Anschluss 3 des Halbleiterbausteins 2.
  • Dargestellt ist auch ein Endabschnitt 13 eines Drahtes, welcher mittels Ultraschallschweißen mit der Schweißschicht 5 des Anschlusses 3 verbunden ist. Die Schutzschicht 4 hat beim Verschweißen des Endabschnitts 3 mit der Schweißschicht 5 vorteilhaft ein Verletzen der Titanschicht 6, der Titan-Nitrid-Schicht 7, der Titanschicht 8, der aktiven Schicht 9 und des Halbleitermaterials des Halbleiterbausteins 2 zuverlässig verhindert.
  • 2 zeigt eine Variante der in 1 bereits dargestellten Verbindungsanordnung 1, in Form einer Verbindungsanordnung 21. Die Verbindungsanordnung 21 weist wie die Verbindungsanordnung 1 den Leistungshalbleiter 2 mit seiner Unterseitenmetallisierung 11 auf. Die aktive Schicht 9 des Halbleiterbausteins 2 ist wie bei der Verbindungsanordnung 1 mit einer Titanschicht 8 verbunden, welche einen ohmschen Kontakt zum Halbleitermaterial, insbesondere der aktiven Schicht 9 hin bildet.
  • Anders als bei der Verbindungsanordnung 1 in 1, folgt auf die Titanschicht 8 eine Tantal und Stickstoff aufweisende Schicht, insbesondere eine Tantal-Nitrid-Schicht 14, welche eine Diffusionsbarriere gegen Kupfer bildet. Die Tantal-Nitrid-Schicht 14 ist mit einer Ruthenium-Schicht 15 verbunden. Die Ruthenium-Schicht 15 bildet in diesem Ausführungsbeispiel einen Haftvermittler zu einer Kupferschicht 16 hin. Die Kupferschicht 16 bildet in diesem Ausführungsbeispiel eine Füllschicht. Auf die Kupferschicht 16 folgt eine mit der Kupferschicht 16 verbundene Ruthenium-Schicht 17, welche einen Haftvermittler einer Schutzschicht 4 zur Kupferschicht 17 hin bildet. Die Schutzschicht 4 ist in diesem Ausführungsbeispiel durch eine Wolfram-Schicht gebildet. Die Schutzschicht 4 ist über eine Ruthenium-Schicht 18 mit einer Schweißschicht 19 verbunden. Die Schweißschicht 19 ist in diesem Ausführungsbeispiel durch eine Kupferschicht gebildet.
  • Die Ruthenium-Schicht 18 ist ausgebildet, eine Haftung zwischen der Schweißschicht 19 und der Schutzschicht 4 zu erzeugen. Die Schweißschicht 19 ist mit einer Oberflächenschicht 20 verbunden, welche eine Oberfläche eines Anschlusses 23 des Halbleiterbausteins 2 bildet. Die Oberflächenschicht 20 ist beispielsweise eine Palladium-Schicht oder eine Legierungs-Schicht umfassend Nickel, Palladium und Gold und ist ausgebildet, die Schweißschicht 19 vor Oxidation zu schützen.
  • Der Anschluss 23 umfasst in diesem Ausführungsbeispiel von der aktiven Schicht 9 ausgehend die Titanschicht 8, die Tantal-Nitrid-Schicht 14, die Ruthenium-Schicht 15, die Kupferschicht 16, die Ruthenium-Schicht 17, die Schutzschicht 4, in diesem Ausführungsbeispiel eine Wolfram-Schicht, die Ruthenium-Schicht 18, als Haftvermittler zur Schweißschicht 19 hin und die Oberflächenschicht 20.
  • Mit der Schweißschicht 19 ist in diesem Ausführungsbeispiel ein Endabschnitt 13 eines Drahtes, beispielsweise eines Kupferdrahtes, mittels Ultraschallschweißen mit der Schweißschicht 19 verbunden. Die Schutzschicht 4 hat beim Ultraschallverschweißen zuverlässig ein Durchreiben des Endabschnitts 13 des Drahtes in zwischen der Schweißschicht 19 und dem Halbleiterbaustein 2 liegende Schichten verhindert. Die Schutzschicht 4 weist in diesem Ausführungsbeispiel eine Schichtdicke von fünf Mikrometer auf.
  • Die in den 1 und 2 dargestellten Schutzschichten 4, welche jeweils als Wolfram-Schichten beschrieben sind, können anders als zuvor beschrieben als Molybdän-Schicht, als Chrom-Schicht oder als eine Kombination von aufeinanderfolgenden Schichten, gebildet aus Wolfram und/oder Molybdän, und/oder Chrom ausgebildet sein.

Claims (11)

  1. Verbindungsanordnung (1) umfassend ein Halbleiterbauelement (2) und wenigstens ein elektrisch leitfähigen Draht, wobei das Halbleiterbauelement (2) einen wenigstens eine elektrisch leitfähige Schicht (4, 5, 6, 7, 8, 12) umfassenden elektrischen Anschluss (3, 23) aufweist, wobei ein Endabschnitt (13) des Drahtes mit dem Anschluss (3, 23) mittels Ultraschallschweißen verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Anschluss (3, 23) des Halbleiterbauelements (2) wenigstens eine elektrisch leitfähige Schutzschicht (4) aufweist, wobei die Schutzschicht (4) zwischen einer zum Ultraschallverschweißen ausgebildeten Schweißschicht (5, 19) des Anschlusses (3, 23) und dem Halbleiterbauelement (2) angeordnet ist, wobei die Schutzschicht (4) eine Metallschicht ist, die durch wenigstens ein Metall aus der sechsten Gruppe des Periodensystems gebildet ist und wobei die Schutzschicht (4) ausgebildet ist, beim Ultraschallverschweissen des Endabschnitts (13) mit der Schweißschicht (5, 19) ein Durchbrechen des Endabschnitts (13) durch die Schutzschicht (4) hindurch in den Halbleiterbaustein (2) zu verhindern.
  2. Verbindungsanordnung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzschicht (4) unmittelbar an die Schweißschicht (5, 19) anschließt.
  3. Verbindungsanordnung (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Schutzschicht (4) durch Molybdän oder Wolfram gebildet ist.
  4. Verbindungsanordnung (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Schutzschicht (4) Chrom aufweist.
  5. Verbindungsanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzschicht (4) wenigstens zwei aufeinanderfolgende Schichten aus zueinander verschiedenen Metallen der sechsten Gruppe des Periodensystems aufweist.
  6. Verbindungsanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzschicht (4) eine Schichtdicke zwischen einem Mikrometer und zehn Mikrometer aufweist.
  7. Verbindungsanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schweißschicht (19) eine Kupferschicht ist.
  8. Verbindungsanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Schweißschicht (5) eine Nickelschicht ist.
  9. Verbindungsanordnung (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Schutzschicht (4) und der Schweißschicht (19) eine Rutheniumschicht (18) angeordnet ist.
  10. Verbindungsanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzschicht (4) mittels eines stromlosen Verfahrens, insbesondere Kathodischem Zerstäuben oder chemischer Dampfphasenabscheidung, abgeschieden ist.
  11. Verfahren zum Verbinden eines Drahtes mit einem Halbleiterbauelement (2), bei dem ein elektrischer Anschluss (3, 23) des Halbleiterbauelements (2) wenigstens eine Schutzschicht (4) aus wenigstens einem Metall oder einem der Metalle Wolfram, Molybdän oder Chrom aufweist und der Anschluss wenigstens eine Schweissschicht zum Ultraschallverschweissen mit einem Endabschnitt (13) des Drahtes aufweist, wobei der Endabschnitt (13) mittels Ultraschallschweißen mit der Schweißschicht (5, 19) kaltverschweißt wird und so eine elektrisch leitfähige, stoffschlüssige Verbindung erzeugt wird, wobei die Schutzschicht (4) ein Durchreiben des Endabschnitts (13) durch die Schutzschicht (4) hindurch verhindert.
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