DE102019125447A1 - Halbleitersubstrat mit einem Bondpat-Material auf Aluminiumbasis - Google Patents

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Gert Pfahl
Evelyn Napetschnig
Daniel Bolowski
Holger Schulze
Michael Kreuz
Stefan Woehlert
Marian Sebastian Broll
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Infineon Technologies AG
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Abstract

Ein Halbleitersubstrat (100) weist ein Bondpad (110) auf. Das Bondpad (110) umfasst eine Schicht aus einer Aluminiumlegierung mit einer chemischen Zusammensetzung, die ein Hauptlegierungselement umfasst, das aus Zn, Mg, Cu, Si und Sc ausgewählt ist. Wenn das Hauptlegierungselement Cu ist, umfasst die chemische Zusammensetzung ferner mindestens ein Element, das aus Ti, Mg, Ag und Zr ausgewählt ist.

Description

  • Technischer Bereich
  • Diese Offenbarung betrifft im Allgemeinen die Technik der Herstellung von Halbleitersubstraten mit Bondpads und insbesondere ein Halbleitersubstrat mit einem Bondpad auf Aluminiumbasis.
  • Hintergrund
  • Das Drahtbonden auf Aluminium (AI)-Bondpads hat sich zu einem weit verbreiteten Verfahren bei der Herstellung von Halbleitervorrichtungen entwickelt. Solche Al-Bondpads werden typischerweise aus binären Al-Legierungen AlCu, AlSi oder der ternären Al-Legierung AlSiCu statt aus reinem Al hergestellt. Insbesondere AlSiCu mit einer chemischen Zusammensetzung in Gewichtsprozent bestehend aus 98,5 Gew.-% Al, 1,0 Gew.-% Si und 0,5 Gew.-% Cu, Rest zufällige Verunreinigungen, ist in der Technik weit verbreitet. Es hat sich gezeigt, dass diese Legierung gute Verarbeitbarkeit mit hoher struktureller Gleichmäßigkeit verbindet. Darüber hinaus ermöglichen AlSiCu-Bondpads einen niedrigen elektrischen Kontaktwiderstand zum Bonddraht und verhindern wirksam Elektromigration.
  • Bevor die Bonddrähte an den Bondpads angebracht werden, werden die Wafer üblicherweise einer Reihe von Tests unterzogen. Während des Wafertests werden Prüfnadeln verwendet, um die Bondpads auf dem Wafer zu kontaktieren. Beim Testen (probing) müssen die Kontaktkräfte ausreichende Werte erreichen, um einen stabilen elektrischen Kontakt mit niedrigem elektrischen Widerstand zum Bondpad zu gewährleisten. Hohe Kontaktkräfte verursachen jedoch eine plastische Verformung oder Vertiefung („scrub depth“) auf dem Bondpad und können zusätzlich Risse in der Oxidschicht unter dem Bondpad hervorrufen. Eine solche Verformung des Bondpads oder Risse in der darunter liegenden Schicht könnten die Zuverlässigkeit des Drahtbondens während der anschließenden Fertigung verringern und zu Ausbeuteverlusten während der Produktion oder frühen Ausfällen im Einsatz führen.
  • In einigen Anwendungen, wie z.B. bei Hochleistungsvorrichtungen, muss das Wafer-Testen mehrmals bei unterschiedlichen Temperaturen wiederholt werden. Dies erhöht das Risiko einer unzulässigen mechanischen Beschädigung der Bondpads oder der darunter liegenden Schicht. Kurz gesagt kann die Integrität der Bondpads und/oder die Bond-Qualität durch das Wafer-Testen erheblich beeinträchtigt werden.
  • Zusammenfassung
  • Gemäß einem Aspekt der Offenbarung weist ein Halbleitersubstrat ein Bondpad auf. Das Bondpad umfasst eine Schicht aus einer Aluminiumlegierung mit einer chemischen Zusammensetzung, die ein Hauptlegierungselement umfasst, das aus Zn, Mg, Cu, Si und Sc ausgewählt ist, wobei, wenn das Hauptlegierungselement Cu ist, die chemische Zusammensetzung weiterhin mindestens ein Element umfasst, das aus Ti, Mg, Ag und Zr ausgewählt ist.
  • Gemäß einem anderen Aspekt der Offenbarung umfasst ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleitersubstrats mit einem Bondpad die Bereitstellung des Halbleitersubstrats. Das Verfahren umfasst ferner das Abscheiden eines Bondpad-Materials über dem Halbleitersubstrat, wobei das Bondpad-Material eine Aluminiumlegierung mit einer chemischen Zusammensetzung umfasst, die ein Hauptlegierungselement umfasst, das aus Zn, Mg, Cu, Si und Sc ausgewählt ist. Wenn das Hauptlegierungselement Cu ist, umfasst die chemische Zusammensetzung ferner mindestens ein Element, das aus Ti, Mg, Ag und Zr ausgewählt ist.
  • Kurzbeschreibung der Zeichnungen
  • Die Elemente der Zeichnungen sind zueinander nicht unbedingt maßstabsgerecht. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen einander entsprechende ähnliche Teile. Die Merkmale der verschiedenen veranschaulichten Ausführungsformen können kombiniert werden, es sei denn, sie schließen sich gegenseitig aus, und/oder können weggelassen werden, wenn sie nicht als zwingend erforderlich beschrieben werden. Ausführungsformen sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung exemplarisch detailliert.
  • 1 zeigt eine Querschnittsansicht, die ein Beispiel für ein Halbleitersubstrat mit einem Bondpad darstellt, auf das ein Bonddraht gebondet ist.
  • Die 2A-2B sind Querschnittsansichten, die eine beispielhafte Wafer-Testausrüstung für das Wafer-Testen vor und nach dem Aufsetzen einer Testkarte auf einen Wafer zeigen.
  • 3 ist eine Querschnittsansicht, die eine beispielhafte Vertiefung auf einem Bondpad auf einem Halbleitersubstrat zeigt, die durch eine das Bondpad kontaktierende Testnadel verursacht wurde.
  • 4 ist eine Querschnittsansicht, die einen beispielhaften Riss in einer Schicht unter dem Bondpad zeigt, der entweder durch die Testnadel oder durch den Drahtbondprozess verursacht wurde.
  • 5 ist ein Flussdiagramm, das die Stadien eines Verfahrens zur Herstellung eines Halbleitersubstrats mit einem Bondpad darstellt.
  • Detaillierte Beschreibung
  • Es versteht sich, dass die Merkmale der verschiedenen hier beschriebenen beispielhaften Ausführungsformen und Beispiele miteinander kombiniert werden können, sofern es nicht ausdrücklich anders angegeben ist.
  • Unter Bezugnahme auf 1 ist nur ein kleiner Teil eines Halbleitersubstrats 100 in der Nähe eines Bondpads 110 dargestellt. Das Halbleitersubstrat 100 kann zum Beispiel ein Wafer oder ein Chip sein. Das Bondpad 110 kann eine einzelne Schicht eines bestimmten Al-Legierungsmaterials (wie in 1 dargestellt) oder weitere Schichten (nicht in 1 dargestellt) aus verschiedenen Metallmaterialien enthalten, z.B. aus einem oder mehreren der weiter unten näher beschriebenen Al-Legierungsmaterialien.
  • Eine darunterliegende Schicht 120 erstreckt sich unter dem Bondpad 110. Die darunterliegende Schicht 120 kann z.B. eine Isolationsschicht sein, wie z.B. eine anorganische Schicht, die SiO2 oder ein anderes anorganisches isolierendes Material enthält oder daraus besteht. Die darunterliegende Schicht 120 kann auch eine Schicht aus einem Halbleitervollmaterial sein.
  • Neben dem Bondpad 110 und der darunterliegenden Schicht 120 kann das Halbleitersubstrat 100 z.B. eine Verdrahtungsmetallschicht 130 enthalten, die in eine Isolationsschicht 140 (z.B. aus einem low-k-Material) eingebettet ist. Die Verdrahtungsmetallschicht 130 und die Isolationsschicht 140 können eine obere Metallisierungsebene des Halbleitersubstrats 100 bilden.
  • Ferner kann das Halbleitersubstrat 100 z.B. eine oder mehrere der folgenden Schichten enthalten: eine obere Resistschicht 150 (z.B. eine Imidschicht), eine Passivierungsschicht 160 wie z.B. eine Si3N4-Schicht, eine metallische Auskleidungsschicht 170 aus z.B. TaN und/oder TiN, die zwischen dem Bondpad 110 und der Verdrahtungsmetallschicht 130 angeordnet ist, sowie eine Barriereschicht 180 aus z.B. Si3N4, die die darunterliegende Schicht 120 von der Isolationsschicht 140 trennt. Das Halbleitersubstrat 100 enthält eine Halbleiterschicht (nicht dargestellt) unter dem Bondpad 110 (und z.B. unter anderen in 1 gezeigten Schichten). Halbleitervorrichtungen, wie z.B. integrierte Schaltkreise (ICs), Transistoren usw., können monolithisch in die Halbleiterschicht des Halbleitersubstrats 100 integriert sein. Die Halbleitervorrichtungen können elektrisch mit dem Bondpad 110 verbunden sein, z.B. über die Metallschicht 130.
  • Ein in das Halbleitersubstrat 100 integrierter IC kann jede Art von IC sein, z.B. ein Logik-IC, Speicher-IC, Leistungs-IC wie z.B. Leistungstransistor, Leistungsdiode, oder ein Leistungs-System-on-Chip (SoC), wie z.B. ein Leistungsverstärker. Die Halbleiterschicht des Halbleitersubstrats 100 kann ein Halbleitermaterial wie z.B. Si, SiC, SiGe, GaAs, GaN, AlGaN, InGaAs, InAlAs usw. umfassen oder aus einem solchen bestehen.
  • 1 zeigt ferner einen Bonddraht 190, der auf das Bondpad 110 gebondet ist. Der Bonddraht 190 kann z.B. Cu, Au oder Al umfassen oder aus diesen bestehen. Der Bonddraht 190 kann mit dem Bondpad 110 verbunden werden, indem der Bonddraht 190 erhitzt wird und während des Bondvorgangs (d.h. beim Verschweißen) Ultraschallenergie und Druck angewendet werden. Das in 1 dargestellte Bondpad 110 hat eine idealisierte, ebene und intakte Oberfläche, die einen niedrigen elektrischen Kontaktwiderstand zwischen dem Bondpad 110 und dem Bonddraht 190 ermöglicht.
  • 2A zeigt eine Querschnittsansicht einer beispielhaften Wafer-Testausrüstung 200 für das Wafer-Testen. Die Wafer-Testausrüstung 200 kann einen Halter 210, einen Wafer-Träger (Chuck) 220 und einen Manipulator 250 umfassen, der so ausgelegt ist, dass der Abstand zwischen dem Halter 210 und dem Wafer-Träger 220 variiert werden kann. Am Halter 210 kann eine Testkarte 230 angebracht werden. Die Testkarte 230 kann einen Testnadelträger 231 und eine Vielzahl von Testnadeln 232, die am Testnadelträger 231 befestigt sind, enthalten. Die Testnadeln 232 können vom Auslegertyp mit einem freitragenden Abschnitt 232_1 und einem Spitzenabschnitt 232_2 sein.
  • Ein Wafer 240 kann auf den Wafer-Träger 220 gelegt werden. Der Wafer 240 kann das Halbleitersubstrat 100 oder ein Vorgänger des Halbleitersubstrats 100 sein. Zum Beispiel kann das Halbleitersubstrat 100 aus einem Chip bestehen, der aus dem Wafer 240 herausgeschnitten wurde.
  • Der Wafer 240 kann mit einer bestimmten Halbleitertechnologie hergestellt werden. Eine (spezifische) Halbleitertechnologie kann unter anderem durch ein bestimmtes Bondpad-Material, eine bestimmte Dicke der Bondpads, ein bestimmtes Design der Bondpads und einen bestimmten Stapel von Schichten unter den Bondpads definiert werden.
  • 2B zeigt die Wafer-Testausrüstung 200 beim Aufsetzen der Testkarte 230 auf den Wafer 240. Während des Auftreffens kommen die Spitzen 232_2 der Testnadeln 232 mit den Bondpads 110 (siehe 1) auf dem Wafer 240 in Kontakt. Das Aufsetzen kann mit dem Manipulator 250 durchgeführt werden. Der Overdrive (d.h. der Versatz vom anfänglichen Kontakt der Testnadeln mit den Bondpads zur Einstellposition des Wafer-Testgeräts 200) kann präzise gemessen und gesteuert werden. Der Overdrive entspricht der Kraft, die von der Spitze der Testtnadel 232 auf das Bondpad ausgeübt wird. Der Overdrive und der Spitzendurchmesser sind beim Wafer-Testen entscheidende Parameter für die Wahrscheinlichkeit des Auftretens von Bondpad-Schäden.
  • Nachfolgendes Drahtbonden kann eine ausreichende Restdicke des Bondpads erfordern, um eine zuverlässige Haftung zwischen dem Drahtbond und dem Bondpad zu gewährleisten und/oder um das Risiko von Bondpad-Rissen zu minimieren (was zu einem Versagen der integrierten Vorrichtung führen kann). Daher sollte die Eindringtiefe (auch als „Scheuertiefe“ („scrub depth“) bezeichnet), die durch einen Kontakt der Testnadel auf dem Bondpad verursacht wird, eine kritische Grenze nicht überschreiten.
  • Das Überschreiten einer solchen kritischen Grenze wird als eine erste Art von Testschäden betrachtet. Eine andere Art von Testschäden ist das Auftreten eines Risses in der/den darunterliegenden Schicht(en) des Bondpads. Das Auftreten eines Risses kann zu einem Versagen der integrierten Vorrichtung führen.
  • 3 veranschaulicht den ersten Schadenstyp, d.h. die Erzeugung einer Testmarkierung 310 auf dem Bondpad 110 einer kritischen Scheuertiefe. Die Scheuertiefe, die durch das Aufsetzen einer Testnadel auf dem Bondpad 110 erzeugt wird, hängt unter anderem von der auf das Bondpad 110 ausgeübten Kraft, von der Geometrie und dem Durchmesser der Spitze der Testnadel 232 und vom Material des Bondpads 110 ab.
  • 4 veranschaulicht den zweiten Schadenstyp, d.h. die Erzeugung eines Risses 410 in der/den darunterliegenden Schicht(en) 120 des Bondpads 110. Die Risswahrscheinlichkeit hängt unter anderem von der auf das Bondpad aufgebrachten Kraft, von der Geometrie und dem Durchmesser der Spitze der Testnadel, vom Material des Bondpads 110, von der Dicke t des Bondpads 110 und vom Material und der Dicke der darunterliegenden Schicht(en) 120 ab.
  • Außerdem können mechanische und thermische Belastungen, wie sie während des Drahtbondprozesses auf das Bondpad 110 ausgeübt werden, das Risiko des Auftretens einer Beschädigung des Bondpads erhöhen.
  • Beide Arten von Testschäden (und alle Schäden, die später durch den Drahtbondprozess verursacht werden können) können die Funktionsfähigkeit einer Vorrichtung beeinträchtigen, in der das Halbleitersubstrat 100 implementiert ist. Wenn die Scheuertiefe einen bestimmten Grenzwert überschreitet, wird die Zuverlässigkeit des Drahtbondens auf dem Bondpad 110 erheblich reduziert. Ein Riss 410, der in der darunterliegenden Schicht 120 auftritt, kann einen Zusammenbruch der integrierten Vorrichtung verursachen. Beide Arten von Schäden können zu Ausbeuteverlusten oder frühzeitigen Ausfällen der Vorrichtung führen.
  • Eine Testkarte 230 kann mehr als 10000, 15000 oder sogar 20000 Testnadeln mit Variationen des Spitzendurchmessers, die bis zu >± 20 oder 25% betragen können, tragen. Daher kann eine konsistente Scheuertiefe auf den Bondpads 110 und/oder eine konsistente Risswahrscheinlichkeit der darunterliegenden Schicht(en) 120 nicht realisiert werden. Es ist daher eine Herausforderung, optimale Testparameter (Overdrive, Spitzendurchmesser) und ein geeignetes Bondpad-Schichtstapeldesign (d.h. eine geeignete Halbleitertechnologie) für eine Zuverlässigkeit von Teilen pro Million zu finden.
  • In der Vergangenheit wurde dieses Problem meist durch Optimierung - und genaues Überwachen und Nachjustieren während der Prüfung - der Testparameter (z.B. Spitzendurchmesser, Testkartenkräfte/Testkarten-Overdrive) und/oder durch eine ausreichende Dicke t der Bondpads 110 und/oder der darunterliegenden Schicht(en) 120 angegangen.
  • Die hier enthaltene Offenbarung beruht auf einem Ansatz, bei dem die Zusammensetzung des Bondpad-Materials berücksichtigt wird, um die mechanischen Eigenschaften des Bondpads 110 so einzustellen, dass die Wahrscheinlichkeit des Auftretens von Testschäden des ersten und/oder zweiten Typs verringert wird und gleichzeitig die strukturellen und elektrischen Anforderungen zur Gewährleistung eines sicheren Drahtbondens erfüllt werden.
  • Genauer gesagt wurde festgestellt, dass hochfeste Aluminiumlegierungen, wie sie unten im Einzelnen aufgeführt sind, eine erhebliche Reduzierung von Ausbeuteverlusten und/oder Frühausfällen ermöglichen und gleichzeitig die für Drahtbondanwendungen erforderlichen mikrostrukturellen und elektrischen Bondpad-Voraussetzungen schaffen.
  • Im Folgenden bedeutet eine „Legierung von X“ (einschließlich weiterer Komponenten Y, Z, ...), dass X die Basiskomponente der Legierung ist, d.h. der Beitrag von X in Gew.-% größer ist als der Beitrag von Y in Gew.-% bzw. der Beitrag von Z in Gew.-%. Insbesondere kann dies bedeuten, dass der Beitrag von X mindestens 50 Gew.-%, 80 Gew.-% oder 90 Gew.-% beträgt.
  • Die Notation XY bezieht sich auf eine Legierung von X, die mindestens Y als weiteren Bestandteil enthält. Insbesondere kann sie sich auf eine Legierung von X, die Y als einzigen Restbestandteil enthält (d.h. eine geschlossene Zusammensetzung) beziehen. In diesem Fall bedeutet die Bezeichnung XY, dass die Legierung XY eine Zusammensetzung hat, die aus X (mit dem Gewichtsprozentanteil von X) und Y (mit dem Gewichtsprozentanteil von Y) besteht, wobei der Rest nur zufällige Verunreinigungen sind. Die Bezeichnung XYZ... hat ebenfalls die Bedeutung entweder einer „offenen Zusammensetzung“ oder einer „geschlossenen Zusammensetzung“, bei der X, Y, Z, ... die einzigen Bestandteile der Legierung (außer zufälligen Verunreinigungen) bilden.
  • Im Allgemeinen kann sich eine Legierung XY... auf eine binäre, ternäre, quaternäre, quinäre oder senäre Legierung von X beziehen, wobei Y das einzige (binäre Legierung) oder das Hauptlegierungselement ist. Zusätzliche Legierungsbestandteile können z.B. Si, Mg, Zn, Cu, Fe, Ti, Mn, Li, Ag, Ni und B sein.
  • Das Bondpad 110 besteht aus einer Schicht einer Al-Legierung mit einer chemischen Zusammensetzung, die ein Hauptlegierungselement enthält, das aus Zn, Mg, Cu, Si und Sc ausgewählt ist, oder umfasst eine solche Schicht. Wenn das Hauptlegierungselement Cu ist, umfasst die chemische Zusammensetzung außerdem mindestens ein Element, das aus Ti, Mg, Ag und Zr ausgewählt ist.
  • Insbesondere kann die chemische Zusammensetzung durch AlXY dargestellt werden, wobei X das Hauptlegierungselement ist, Y eine optionale Hinzufügung mindestens eines Elements ist, das sich von X unterscheidet und aus Zr, Si, Mg und Cu ausgewählt ist, wenn das Hauptlegierungselement X Zn, Mg, Si oder Sc ist, oder Y eine Hinzufügung mindestens eines Elements ist, das aus Zr, Ti, Mg und Ag ausgewählt ist, wenn das Hauptlegierungselement Cu ist, und der Rest aus Al und zufälligen Verunreinigungen besteht.
  • Beispielsweise kann die Al-Legierung z.B. AlZnMgCu, AICuTiMgAg, AlCuZr, AlSc, AlMgZr, AlSiZr oder AlMgSi sein. Diese Al-Legierungen erwiesen sich als vielversprechend im Hinblick auf ihre Eignung zur Vermeidung von Testschäden und darüber hinaus hinsichtlich ihrer mechanischen, elektrischen und mikrostrukturellen Eigenschaften.
  • Die Al-Legierung AlZnMgCu kann die chemische Zusammensetzung in Gewichtsprozent aus 5,1 Gew.-% ≤ Zn ≤ 6,2 Gew.-%, 2,1 Gew.-% ≤ Mg ≤ 2,9 Gew.-%, 1,2 Gew.-% ≤ Cu ≤ 2,0 Gew.-%, Rest Al und zufällige Verunreinigungen, haben.
  • Die Al-Legierung AlCuTiMgAg kann eine chemische Zusammensetzung in Gewichtsprozent haben, die 0,5 Gew.-% ≤ Cu ≤ 8 Gew.-%, 0,3 Gew.-% ≤ Ti ≤ 1,0 Gew.-%, 0,5 Gew.-% ≤ Mg ≤ 1,0 Gew.-%, 0,5 Gew.-% ≤ Ag ≤ 3 Gew.-%, Rest Al und zufällige Verunreinigungen, umfasst.
  • Die Al-Legierung AlMgZr kann eine chemische Zusammensetzung in Gewichtsprozent haben, die 0,3 Gew.-% ≤ Mg ≤ 5,0 Gew.-%, 0,3 Gew.-% ≤ Zr ≤ 5,0 Gew.-%, Rest Al und zufällige Verunreinigungen, umfasst.
  • Die Al-Legierung AlCuZr kann eine chemische Zusammensetzung in Gewichtsprozent haben, die 0,3 Gew.-% ≤ Cu ≤ 5,0 Gew.-%, 0,3 Gew.-% ≤ Zr ≤ 5,0 Gew.-%, Rest Al und zufällige Verunreinigungen, umfasst.
  • Die Al-Legierung AlSc kann eine chemische Zusammensetzung in Gewichtsprozent haben, die 0,3 Gew.-% ≤ Sc ≤ 5,0 Gew.-%, Rest Al und zufällige Verunreinigungen, umfasst.
  • Die Al-Legierung AlSiZr kann eine chemische Zusammensetzung in Gewichtsprozent haben, die 0,3 Gew.-% ≤ Si ≤ 5,0 Gew.-%, 0,3 Gew.-% ≤ Zr ≤ 5,0 Gew.-%, Rest Al und zufällige Verunreinigungen, umfasst.
  • Die Al-Legierung AlMgSi kann eine chemische Zusammensetzung in Gewichtsprozent haben, die 0,3 Gew.-% ≤ Mg ≤ 5,0 Gew.-%, 0,3 Gew.-% ≤ Si ≤ 5,0 Gew.-%, Rest Al und zufällige Verunreinigungen, umfasst.
  • Tabelle 1 zeigt die Messergebnisse der mechanischen Eigenschaften des Bondpads 110, nämlich die Brinell-Härte (in HB), die Streckgrenze (in MPa) und die Zugfestigkeit (in MPa) von drei Referenzmaterialien, nämlich Stahl (ref_1), reines Al (99,5 Gew.-% Al, ref_2) und AlCu4Mg1 (Dural, ref_3) zusammen mit zwei beispielhaften Al-Legierungsmaterialien, nämlich AlZn5Mg2Cu1,5 (no_1: Zusammensetzung: 5,0 Gew.-% Zn, 2,0 Gew.-% Mg, 1,5 Gew.-% Cu, Rest Al und zufällige Verunreinigungen) und AlCu4TiO, 6MgO, 8Ag2 (no_2: Zusammensetzung: 4,0 Gew.-% Cu, 0,6 Gew.-% Ti, 0,8 Gew.-% Mg, 2,0 Gew.-% Ag, Rest Al und zufällige Verunreinigungen).
  • Wie aus Tabelle 1 ersichtlich, ist die Härte der beispielhaften Al-Legierungen no_1 und no_2 etwa gleich oder größer als die Härte von Dural (ref_3). Die Streckgrenze der beispielhaften Al-Legierungen no_1 und no_2 ist wesentlich höher als die Streckgrenze von Dural (ref_3). Ferner liegt die Zugfestigkeit der Aluminiumlegierungen no_1 und no_2 im gleichen Bereich wie die Zugfestigkeit von Dural (ref_3). Im Vergleich zu unlegiertem Al (ref_2) sind die mechanischen Eigenschaften der beispielhaften Al-Legierungen no_1 und no_2 durch das Legieren deutlich erhöht. Selbstverständlich sind die mechanischen Eigenschaften von Stahl (ref_1) immer noch höher als die der beispielhaften Al-Legierungen no_1 und no_2. Tabelle 1
    Nummer Material Härte (HB) Streckgrenze [MPa] Zugfestigkeit [MPa]
    ref_1 Stahl 340-440 850-1050 1100-1250
    ref_2 Al (99,5 Gew.-%) 22-35 40 75
    ref_3 AlCu4Mg1 (Dural) 115-135 250 500-750
    no_1 AlZn5Mg2Cu1,5 140 450 550
    no_2 AlCu4TiO, 6MgO, 8Ag2 130-150 450 550
  • Bei den Al-Legierungen no_1 und no_2 wurde die Härte auf der Basis homogener Materialzusammensetzungen bestimmt, indem die Legierungsmaterialien gemischt und daraus eine homogene Materialprobe (Sputtertarget) wie z.B. ein Würfel hergestellt wurde.
  • Beispielhafte AL Legierungsmaterialzusammensetzungen für AlCuZr, AlSc, AlMgZr, AlSiZr und AlMgSi sind:
    • no_3: Cu = 0,5 Gew.-%, Zr = 0,5 Gew.-%, Rest Al;
    • no_4: Sc = 0,3 Gew.-%, Rest Al;
    • no_5: Mg = 3,0 Gew.-%, Zr = 0,5 Gew.-%, Rest Al;
    • no_6: Si = 3,0 Gew.-%, Zr = 0,5 Gew.-%, Rest Al;
    • no_7: Mg = 3,0 Gew.-%, Si = 1,0 Gew.-%, Rest Al.
  • Die Härte der beispielhaften Al-Legierungen no_3, no_4, no_5 und no_7 wurde auf Bondpads durch Nano-Eindruckvertiefungsmessungen bei 300 nm Tiefe gemessen. Die Werte für die Härte der Bondpads der Al-Legierungen no_3 bis no_5 und no_7 können, wie in Tabelle 2 gezeigt, als Prozentsatz in Bezug auf einen 100%-Referenzpunkt (ref_pad) angegeben werden, der dem Härtewert eines Bondpads aus einer AlSiCu-Legierung (genauer gesagt der Al98,5Si1,0Cu0,5) entspricht. Alle Bondpads wurden unter Verwendung der gleichen Prozessparameter im Hinblick auf Glühtemperatur und Glühzeit hergestellt. Härtewerte für Bondpads aus der Al-Legierung no_6 sind noch nicht verfügbar, es wird jedoch eine Erhöhung der Härte angenommen. Tabelle 2
    ref_pad AlSiCu 100,00%
    no_3 AlCuZr 125,80%
    no_4 AlSc 112,35%
    no_5 AlMgZr 113,84%
    no_7 AlMgSi 35, 67%
  • Was den vorläufig gemessenen niedrigen Härtewert der Beispiellegierung no_7 (AlMgSi) betrifft, so wird angenommen, dass diese Legierung dennoch ein Kandidat für eine erhöhte Bondpad-Härte sein könnte, wenn die Prozessparameter (Sputterprozessparameter, Glühtemperatur und Glühzeit), die die Größe und das Wachstum der Kristallkörner steuern, optimiert werden.
  • Da die Härte ein ungefähres Maß für die Zugfestigkeit ist, wird die Zugfestigkeit in ähnlicher Weise verbessert.
  • Unter Bezugnahme auf 5 kann ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleitersubstrats mit einem Bondpad bei S1 die Bereitstellung des Halbleitersubstrats enthalten.
  • Bei S2 wird ein Bondpad-Material über dem Halbleitersubstrat abgeschieden. Das Bondpad-Material kann eine Aluminiumlegierung mit einer chemischen Zusammensetzung enthalten, die ein Hauptlegierungselement umfasst, das aus Zn, Mg, Cu, Si und Sc ausgewählt ist, wobei, wenn das Hauptlegierungselement Cu ist, die chemische Zusammensetzung weiterhin mindestens ein Element umfasst, das aus Ti, Mg, Ag und Zr ausgewählt ist.
  • Der Abscheideprozess kann z.B. durch Sputtern eines Targets mit der chemischen Zusammensetzung des herzustellenden Bondpads erfolgen. Nach dem Abscheideprozess kann ein konventioneller Glühprozess (z.B. ähnlich dem Glühprozess, wie er für die Herstellung konventioneller AlSilCu0,5-Bondpads verwendet wird) durchgeführt werden. Ferner könnten anstelle von Sputtern auch andere Abscheidungsmethoden, wie z.B. die Gasphasenabscheidung in Betracht gezogen werden.
  • Weiterhin wird die Verwendung einer Aluminiumlegierung, wie oben erwähnt, für ein Bondpad auf einem Halbleitersubstrat hierin offenbart.
  • Die folgenden Beispiele beziehen sich auf weitere Aspekte der Offenbarung:
    • Beispiel 1 ist ein Halbleitersubstrat mit einem Bondpad, wobei das Bondpad eine Schicht aus einer Aluminiumlegierung mit einer chemischen Zusammensetzung umfasst, die ein Hauptlegierungselement umfasst, das aus Zn, Mg, Cu, Si und Sc ausgewählt ist, wobei, wenn das Hauptlegierungselement Cu ist, die chemische Zusammensetzung ferner mindestens ein Element umfasst, das aus Ti, Mg, Ag und Zr ausgewählt ist.
    • In Beispiel 2 kann der Gegenstand von Beispiel 1 optional enthalten, wobei die chemische Zusammensetzung durch AlXY dargestellt wird, wobei X das Hauptlegierungselement ist, Y eine optionale Hinzufügung von mindestens einem von X verschiedenen und aus Zr, Si, Mg und Cu ausgewählten Element ist, wenn das Hauptlegierungselement Zn, Mg, Si oder Sc ist, oder Y eine Hinzufügung von mindestens einem aus Zr, Ti, Mg und Ag ausgewählten Element ist, wenn das Hauptlegierungselement Cu ist, und der Rest Al und zufällige Verunreinigungen sind.
    • In Beispiel 3 kann der Gegenstand von Beispiel 1 oder 2 optional enthalten, dass die Aluminiumlegierung eine chemische Zusammensetzung von AlZnMgCu hat.
    • In Beispiel 4 kann der Gegenstand von Beispiel 3 optional enthalten, dass die Aluminiumlegierung eine chemische Zusammensetzung in Gewichtsprozent aufweist, die 5,1 Gew.-% ≤ Zn ≤ 6,2 Gew.-%, 2,1 Gew.-% ≤ Mg ≤ 2,9 Gew.-%, 1,2 Gew.-% ≤ Cu ≤ 2,0 Gew.-%, Rest Al und zufällige Verunreinigungen hat.
    • In Beispiel 5 kann der Gegenstand von Beispiel 1 oder 2 optional enthalten, dass die Aluminiumlegierung eine chemische Zusammensetzung von AlCuTiMgAg hat.
    • In Beispiel 6 kann der Gegenstand von Beispiel 5 optional enthalten, dass die Aluminiumlegierung eine chemische Zusammensetzung in Gewichtsprozent aufweist, die 0,5 Gew.-% ≤ Cu ≤ 8,0 Gew.-%, 0,3 Gew.-% ≤ Ti ≤ 1,0 Gew.-%, 0,5 Gew.-% ≤ Mg ≤ 1,0 Gew.-%, 0,5 Gew.-% ≤ Ag ≤ 3,0 Gew.-%, Rest Al und zufällige Verunreinigungen hat.
    • In Beispiel 7 kann der Gegenstand von Beispiel 1 oder 2 optional enthalten, dass die Aluminiumlegierung eine chemische Zusammensetzung von AlCuZr hat.
    • In Beispiel 8 kann der Gegenstand von Beispiel 7 optional enthalten, dass die Aluminiumlegierung eine chemische Zusammensetzung in Gewichtsprozent aufweist, die 0,3 Gew.-% ≤ Cu ≤ 5,0 Gew.-%, 0,3 Gew.-% ≤ Zr ≤ 5,0 Gew.-%, Rest Al und zufällige Verunreinigungen hat.
    • In Beispiel 9 kann der Gegenstand von Beispiel 1 oder 2 optional enthalten, dass die Aluminiumlegierung eine chemische Zusammensetzung von AlSc hat.
    • In Beispiel 10 kann der Gegenstand von Beispiel 9 optional enthalten, dass die Aluminiumlegierung eine chemische Zusammensetzung in Gewichtsprozent aufweist, die umfasst 0,3 Gew.-% ≤ Sc ≤ 5,0 Gew.-%, Rest Al und zufällige Verunreinigungen hat.
    • In Beispiel 11 kann der Gegenstand von Beispiel 1 oder 2 optional enthalten, dass die Aluminiumlegierung eine chemische Zusammensetzung von AlMgZr hat.
    • In Beispiel 12 kann der Gegenstand von Beispiel 10 optional enthalten, dass die Aluminiumlegierung eine chemische Zusammensetzung in Gewichtsprozent aufweist, die 0,3 Gew.-% ≤ Mg ≤ 5,0 Gew.-%, 0,3 Gew.-% ≤ Zr ≤ 5,0 Gew.-%, Rest Al und zufällige Verunreinigungen hat.
    • In Beispiel 13 kann der Gegenstand von Beispiel 1 oder 2 optional enthalten, dass die Aluminiumlegierung eine chemische Zusammensetzung von AlSiZr hat.
    • In Beispiel 14 kann der Gegenstand von Beispiel 13 optional enthalten, dass die Aluminiumlegierung eine chemische Zusammensetzung in Gewichtsprozent aufweist, die 0,3 Gew.-% ≤ Si ≤ 5,0 Gew.-%, 0,3 Gew.-% ≤ Zr ≤ 5,0 Gew.-%, Rest Al und zufällige Verunreinigungen hat.
    • In Beispiel 15 kann der Gegenstand von Beispiel 1 oder 2 optional enthalten, dass die Aluminiumlegierung eine chemische Zusammensetzung von AlMgSi hat.
    • In Beispiel 16 kann der Gegenstand von Beispiel 15 optional enthalten, dass die Aluminiumlegierung eine chemische Zusammensetzung in Gewichtsprozent aufweist, die 0,3 Gew.-% ≤ Mg ≤ 5,0 Gew.-%, 0,3 Gew.-% ≤ Si ≤ 5,0 Gew.-%, Rest Al und zufällige Verunreinigungen hat.
    • Beispiel 17 ist ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleitersubstrats mit einem Bondpad, wobei das Verfahren umfasst: Bereitstellen eines Halbleitersubstrats; und Abscheiden eines Bondpad-Materials über dem Halbleitersubstrat, wobei das Bondpad-Material eine Aluminiumlegierung mit einer chemischen Zusammensetzung umfasst, die ein Hauptlegierungselement umfasst, das aus Zn, Mg, Cu, Si und Sc ausgewählt ist, wobei, wenn das Hauptlegierungselement Cu ist, die chemische Zusammensetzung ferner mindestens ein Element umfasst, das aus Ti, Mg, Ag und Zr ausgewählt ist.
  • Obwohl hier spezifische Ausführungsformen illustriert und beschrieben wurden, wird von denjenigen, die sich auf dem Gebiet der Technik auskennen, erkannt, dass eine Vielzahl von alternativen und/oder gleichwertigen Ausführungsformen die gezeigten und beschriebenen spezifischen Ausführungsformen ersetzen können, ohne vom Anwendungsbereich der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Diese Anmeldung soll alle Anpassungen oder Variationen der hier besprochenen spezifischen Ausführungsformen abdecken. Es ist daher beabsichtigt, dass diese Erfindung nur durch die Ansprüche und deren Äquivalente beschränkt wird.

Claims (17)

  1. Halbleitersubstrat (100) mit einem Bondpad (110), wobei das Bondpad (110) eine Schicht aus einer Aluminiumlegierung mit einer chemischen Zusammensetzung umfasst, die ein Hauptlegierungselement umfasst, das aus Zn, Mg, Cu, Si und Sc ausgewählt ist, wobei, wenn das Hauptlegierungselement Cu ist, die chemische Zusammensetzung weiterhin mindestens ein Element umfasst, das aus Ti, Mg, Ag und Zr ausgewählt ist.
  2. Halbleitersubstrat (100) nach Anspruch 1, wobei die chemische Zusammensetzung durch AlXY dargestellt wird, wobei X das Hauptlegierungselement ist, Y eine optionale Hinzufügung von mindestens einem von X verschiedenen und aus Zr, Si, Mg und Cu ausgewählten Element ist, wenn das Hauptlegierungselement Zn, Mg, Si oder Sc ist, oder Y eine Hinzufügung von mindestens einem Element ist, das aus Zr, Ti, Mg und Ag ausgewählt ist, wenn das Hauptlegierungselement Cu ist, und der Rest Al und zufällige Verunreinigungen sind.
  3. Halbleitersubstrat (100) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Aluminiumlegierung eine chemische Zusammensetzung von AlZnMgCu hat.
  4. Halbleitersubstrat (100) nach Anspruch 3, wobei die Aluminiumlegierung eine chemische Zusammensetzung in Gewichtsprozent umfassend 5,1 Gew.-% ≤ Zn ≤ 6,2 Gew.-%, 2,1 Gew.-% ≤ Mg ≤ 2,9 Gew.-%, 1,2 Gew.-% ≤ Cu ≤ 2,0 Gew.-%, Rest Al und zufällige Verunreinigungen hat.
  5. Halbleitersubstrat (100) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Aluminiumlegierung eine chemische Zusammensetzung von AlCuTiMgAg hat.
  6. Halbleitersubstrat (100) nach Anspruch 5, wobei die Aluminiumlegierung eine chemische Zusammensetzung in Gewichtsprozent umfassend 0,5 % ≤ Cu ≤ 8,0 Gew.-%, 0,3 Gew.-% ≤ Ti ≤ 1,0 Gew.-%, 0,5 Gew.-% ≤ Mg ≤ 1,0 Gew.-%, 0,5 Gew.-% ≤ Ag ≤ 3,0 Gew.-%, Rest Al und zufällige Verunreinigungen hat.
  7. Halbleitersubstrat (100) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Aluminiumlegierung eine chemische Zusammensetzung von AlCuZr hat.
  8. Halbleitersubstrat (100) nach Anspruch 7, wobei die Aluminiumlegierung eine chemische Zusammensetzung in Gewichtsprozent umfassend 0,3 Gew.-% ≤ Cu ≤ 5,0 Gew.-%, 0,3 Gew.-% ≤ Zr ≤ 5,0 Gew.-%, Rest Al und zufällige Verunreinigungen hat.
  9. Halbleitersubstrat (100) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Aluminiumlegierung eine chemische Zusammensetzung von AlSc hat.
  10. Halbleitersubstrat (100) nach Anspruch 9, wobei die Aluminiumlegierung eine chemische Zusammensetzung in Gewichtsprozent umfassend 0,3 Gew.-% ≤ Sc ≤ 5,0 Gew.-%, Rest Al und zufällige Verunreinigungen hat.
  11. Halbleitersubstrat (100) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Aluminiumlegierung eine chemische Zusammensetzung von AlMgZr hat.
  12. Halbleitersubstrat (100) nach Anspruch 11, wobei die Aluminiumlegierung eine chemische Zusammensetzung in Gewichtsprozent umfassend 0,3 Gew.-% ≤ Mg ≤ 5,0 Gew.-%, 0,3 Gew.-% ≤ Zr ≤ 5,0 Gew.-%, Rest Al und zufällige Verunreinigungen hat.
  13. Halbleitersubstrat (100) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Aluminiumlegierung eine chemische Zusammensetzung von AlSiZr hat.
  14. Halbleitersubstrat (100) nach Anspruch 13, wobei die Aluminiumlegierung eine chemische Zusammensetzung in Gewichtsprozent umfassend 0,3 Gew.-% ≤ Si ≤ 5,0 Gew.-%, 0,3 Gew.-% ≤ Zr ≤ 5,0 Gew.-%, Rest Al und zufällige Verunreinigungen hat.
  15. Halbleitersubstrat (100) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Aluminiumlegierung eine chemische Zusammensetzung von AlMgSi hat.
  16. Halbleitersubstrat (100) nach Anspruch 15, wobei die Aluminiumlegierung eine chemische Zusammensetzung in Gewichtsprozent umfassend 0,3 Gew.-% ≤ Mg ≤ 5,0 Gew.-%, 0,3 Gew.-% ≤ Si ≤ 5,0 Gew.-%, Rest Al und zufällige Verunreinigungen hat.
  17. Verfahren zur Herstellung eines Halbleitersubstrats (100) mit einem Bondpad (110), wobei das Verfahren umfasst: Bereitstellung eines Halbleitersubstrats (100); und Abscheiden eines Bondpad (110) -Materials über dem Halbleitersubstrat (100), wobei das Bondpad (110) -Material eine Aluminiumlegierung mit einer chemischen Zusammensetzung umfasst, die ein Hauptlegierungselement ausgewählt aus Zn, Mg, Cu, Si und Sc umfasst, wobei, wenn das Hauptlegierungselement Cu ist, die chemische Zusammensetzung weiterhin mindestens ein Element ausgewählt aus Ti, Mg, Ag und Zr umfasst.
DE102019125447.7A 2019-09-20 2019-09-20 Halbleitersubstrat mit einem Bondpat-Material auf Aluminiumbasis Pending DE102019125447A1 (de)

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