DE2727319A1 - Hump electrode for gang bonding semiconductor arrays - has two layers of gold with geometric configuration increasing tear strength - Google Patents
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Abstract
Description
Halbleiteranordnung Semiconductor device
mit einer höckerförmigen Anschlußelektrode Die Erfindung bezieht sich auf eine Halbleiteranordnung mit metallischen Anschlußelektroden, an die metallische Anschlußleitungen gebondet werden. with a hump-shaped connection electrode The invention relates on a semiconductor device with metallic connection electrodes, on the metallic one Connection lines are bonded.
Zur Herstellung einer elektrischen Verbindung von Anschlußleitungen mit metallischen Anschlußelektroden an einer Halbleiteranordnung sind bereits verschiedene neue Verfahren anstelle des herkömmlichen Drahtbondens vorgeschlagen worden. Eine kürzlich für die LSI-Anwendung vorgeschlagene Technik ist das sogenannte Serienbonden (gang bonding), bei der die Anschlußleitungen als Streifen einer Metallfolie auf einem Kunststoffband bereitgestellt werden und ihre Endabschnitte so dünn ausgebildet sind, daß sie direkt und gleichzeitig an die metallischen Vorsprünge bsw. Iontaktfl.oko (iiöcker)/an den Anschlußelektroden der integrierten Schaltkreise gebondet werden können. Ein derartiges Serienbonden wird z.B. in der US-PS 3 763 404 vorgeschlagen. For establishing an electrical connection between connecting cables with metallic connection electrodes on a semiconductor arrangement are already different proposed new methods instead of traditional wire bonding been. A technique recently proposed for LSI application is so-called series bonding (gang bonding), in which the connection lines appear as strips of metal foil a plastic tape are provided and their end portions are made so thin are that they bsw directly and simultaneously to the metallic projections. Iontaktfl.oko (iiöcker) / be bonded to the connection electrodes of the integrated circuits can. Such serial bonding is suggested, for example, in U.S. Patent No. 3,763,404.
Bei der herkömmlichen Halbleitertechnologie für das Serienbonden sind die Zwischenverbindungen und Anschlußelektroden aus Aluminium, während die Höcker aus Gold sind. With conventional semiconductor technology for series bonding the interconnections and connection electrodes are made of aluminum, while the Bumps are made of gold.
Die Ausbildung der Goldhöcker direkt auf den Aluminiumanschlußelektroden hat jedoch eine schlechte Adhäsion und eine anfällige metallische Verbindung zwischen den beiden Metallen zur Folge, die als Purpurpest (purple plague) bezeichnet wird. Ss wird daher allgemein zwischen das Aluminium und das Gold ein feuerfestes oder wärmebeständiges metall gelegt, um diese Probleme zu lösen. Bei dieser verbesserten Struktur tritt jedoch immer noch ein Aufbrechen der metallischen Verbindung, die Furpurpest auf: die dazwischenliegende feuerfeste Metallschicht bricht an einigen Stellen aufgrund des durch das Bonden ausgeübten Druckes auf, der auf das weiche darunterliegende Aluminium ausgeübt wird. Um diesen Nachteil zu vermeiden, wurde bereits vorgeschlagen, die Goldhöcker auf verlängerten Außenleitern aus festem Metall auszubilden, anstatt auf den Aluminiumanschlußelektroden. Dabei hat sich eine Kombination aus Ti-Pt-Au als geeignetes Metall für die verlängerten Außenleiter erwiesen, um eine verbesserte mechanische Festigkeit und eine gute Leitfähigkeit zu erhalten.The formation of the gold bumps directly on the aluminum connection electrodes however, has poor adhesion and a fragile metallic bond between the result of the two metals known as purple plague. Ss will therefore generally be a refractory or between the aluminum and the gold heat-resistant metal laid to solve these problems. In this improved However, a breakdown of the metallic bond still occurs in the structure Furpurpest on: the intermediate refractory metal layer breaks on some Set up due to the pressure exerted by the bonding on the soft underlying aluminum is exerted. To avoid this disadvantage, was already proposed the gold humps on extended outer conductors from solid metal rather than on the aluminum terminal electrodes. Included a combination of Ti-Pt-Au has proven to be a suitable metal for the extended Outer conductors proved to have improved mechanical strength and good conductivity to obtain.
Aufgrund der Goldhöckerstruktur für das Serienbonden werden bereits in großem Umfange Anschlußleitungen hergestellt, die zinnplattiertes Kupfer verwenden. Die Auswahl dieses Materials ist darauf zurückzuführen, daß das Gold-Zinn-Eutektikum bei einem niedrigen Bonddruck bei einer relativ niedrigen Temperatur erhalten werden kann. Damit kann ein ausreichendes mechanisches Bonden ohne Bruchstellen erzielt werden, wenn die oben beschriebene Goldhöckerstruktur und die zinnplattierten Kupferleitungen verwendet werden. Bei bestimmten Betriebsbedingungen tritt jedoch bei derartigen Leitungen oft eine Oxydation, eine Korrosion sowie eine Haarbildung (whisker formation) auf. Dabei stellt die Haarbildung des Zinnes, die bei einem großen elektrischen Stromfluß und bei hohen Temperaturbedingungen induziert wird, das ernathafteate Problem dar. Dabei können einzelne kristalline Zinnhaare getrennte leitfähige Bereiche überbrücken, was zu einem elektrischen Kurzschluß führen kann. Es wurde bereits horausgefunden, daß die Zugabe einer kleinen Menge Blei (Pb) zu dem Zinn und einige andere Verfahren das Auftreten der Haare vermindern, aber nicht vollständig ausschließen können. Due to the gold stud structure for series bonding, widely manufactured connecting leads using tin-plated copper. The selection of this material is due to the fact that the gold-tin eutectic can be obtained at a low bond pressure at a relatively low temperature can. A sufficient mechanical bonding without breaking points can thus be achieved if the above-described gold bump structure and tin-plated copper wires be used. However, under certain operating conditions such Lines often oxidation, corrosion and whisker formation on. This represents the hair formation of the tin, which occurs with a large electrical Current flow and induced at high temperature conditions, the ernathafteate Problem. Individual crystalline tin hairs can create separate conductive areas bridge, which can lead to an electrical short circuit. It was already Hor found that adding a small amount of lead (Pb) to the tin and some other procedures the occurrence of the Decrease hair, but not can completely exclude.
Demnach sind zinnplattierte Kupferleitungen hinsichtlich ihrer elektrochemischen Qualität mangelhaft und müssen durch andere stabile Naterialien ersetzt werden. In dieser Hinsicht bieten sich vor allem goldplattierte Kupferleitungen an, da sie keine chemische Degradation oder Haarbildung zeigen. Es wurde jedoch festgestellt, daß die goldplattierten Kupferleitungen im Vergleich zu den zinnplattierten Kupferleitungen einen größeren Bonddruck benötigen, um eine ausreichende mechanische Verbindung mit den Goldhöckern herstellen zu können. Die Unterschiede beim Bonden scheinen dadurch bedingt zu sein, daß das Bonden von Gold mit Gold auf der plastischen Verformung des metalles basiert, während das Bonden von Zinn mit Gold auf einer eutektischen Legierungsbildung basiert. Aufgrund des höheren Bonddruckes, der für die Gold-Gold-Verbindung benötigt wird, z.B. etwa 1200 kg/cm2 oder mehr bei beispielsweise einer Temperatur von 3O00C, treten im Siliciumsubstrat unterhalb der Golohöcker oft mechanische Risse auf. Darüber hinaus kann im Falle eines Serienbondens bei einer LSI-Struktur, die üblicherweise einige Zig Bondstellen aufweist, der Bonddruck nicht gleichmäßig auf alle Stellen ausgeübt werden, und zwar aufgrund der unterschiedlichen Dicke der Goldhöcker und der goldplattierten Leitungen. Folglich kann ein größerer Druck als der Durchschnittswert auf einige Bondstellen ausgeübt werden und damit das Siliciumsubstrat unterhalb dieser Höcker deutlich zer- stören. Demnach besteht eine erste Forderung für ein zuverlässiges Gold-Gold-Serienbonden in einer vollständigen Eliminierung der Siliciumrisse.Accordingly, tin-plated copper wires are electrochemical in terms of their properties Poor quality and must be replaced by other stable materials. In this regard, gold-plated copper cables are particularly suitable because they show no chemical degradation or hair formation. However, it was found that the gold plated copper wires compared to the tin plated copper wires need a larger bond pressure to create a sufficient mechanical connection to be able to produce with the gold studs. The differences in bonding seem to be due to the fact that the bonding of gold with gold is based on the plastic deformation of the metal is based, while the bonding of tin with gold is based on a eutectic Alloy formation based. Because of the higher bond pressure for the gold-gold connection is required, e.g., about 1200 kg / cm2 or more at e.g. one temperature of 3000C, mechanical cracks often occur in the silicon substrate below the golo bumps on. In addition, in the case of series bonding in an LSI structure, the usually has a few tens of bond points, the bond pressure is not evenly applied all places are exercised, due to the different thickness of the Gold bumps and the gold-plated wires. Consequently, a greater pressure than the average value applied to some bond points and thus the silicon substrate clearly disintegrated below these disturb. So there is one first requirement for a reliable gold-gold series bonding in a complete Elimination of silicon cracks.
weiterhin ist bei dem Serienbondverfahren zusätzlich zum Bonden zwischen den Anschlußleitungen und den Anschlußelektroden (inneres Leitungsbonden) normalerweise ein weiteres Bonden nötig, um die Anschlußleitungen an Außenleitungen an einem äußeren Gehäuse oder einem keramischen Substrat anzubonden (äußeres Leitungsbonden). Vor diesem äußeren Leitungsbonden müssen die Anschlußleitungen abgeschnitten, gebogen und mit einem Plastüberzug versehen werden. Es muß daher die Festigkeit aufgrund des inneren Leitungsbondens groß genug sein, um den oben erwähnten mechanischen Beanspruchungen ( 2 20 g) widerstehen zu können. furthermore, in the case of the series bonding method, in addition to bonding, between the connection leads and the connection electrodes (inner lead bonding) normally Another bonding is necessary to connect the connecting lines to external lines to an external one Housing or a ceramic substrate to be bonded (external line bonding). before For this outer wire bonding, the connecting wires must be cut off, bent and provided with a plastic coating. It must therefore be due to the strength of the internal conduction bonding must be large enough to accommodate the mechanical To be able to withstand stresses (2 20 g).
Die dritte Forderung für ein zuverlässiges bonden ist die vollständige Elimination der möglichen Siliciuinrisse, die bei der thermischen beanspruchung bei einigen i3etriebsbedingungen selbst dann auftreten, wenn das innere l.eitungsbonden die erste und zweite Forderung erfüllt. Diese Art von Rissen kann durch die absichtliche Zerstörung der Verbindung durch eine Abreißbeanspruchung festgestellt werden. Bei diesem einfachen Test kann die Verbindung an vier verschiedenen Stellen getrennt werden: an der Anschlußleitung, an der Schnittstelle Leitung-Höcker, an der Schnittstelle Höcker Substrat und am Siliciumsubstrat. Vergleicht man diese vier Brucharten, so zeigt die erste eine ausreichend gute Verbindung, die zweite und dritte Art jedoch eine schlechte Verbindung des Höckers mit der Leitung bzw. eine schlechte Adhäsion des Höckers mit dem Substrat. Die vierte Bruch-oder Schädigungsart, d.h. das Auftreten der Siliciumrisse als Ergebnis der absichtlichen Abreißbeanspruchung von mehr als 20 g, entspricht einem möglichen Siliciumriß oder -bruch. The third requirement for reliable bonding is complete Elimination of the possible silicon cracks caused by thermal stress may occur under some operating conditions even if the internal wire bonding fulfills the first and second requirements. These types of cracks can be due to intentional Destruction of the connection due to a tear-off stress can be determined. at This simple test can disconnect the connection in four different places at the connection line, at the line-hump interface, at the interface Humps Substrate and on the silicon substrate. Comparing these four Types of fracture, the first shows a sufficiently good connection, the second and third type, however, a bad connection of the hump with the line or a poor adhesion of the cusp with the substrate. The fourth type of breakage or damage, i.e., the occurrence of silicon cracks as a result of the deliberate pull-off stress of more than 20 g, corresponds to a possible silicon crack or break.
Demgegenüber erfüllt die Erfindung die oben genannten drei Forderungen im ausreichenden Maße.In contrast, the invention fulfills the three requirements mentioned above to a sufficient extent.
Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Halbleiteranordnung zu schaffen, bei der die Höckeranschlußelektroden eine für das Serienbonden erforderliche verbesserte mechanische Festigkeit aufweisen. An object of the invention is to provide a semiconductor device in which the bump terminal electrodes are required for series bonding have improved mechanical strength.
Die erfindungsgemäße Halbleiteranordnung mit einer höckerförmigen Anschlußelektrode, die ein Halbleitersubstrat mit mindestens einem Schaltungselement und einer Hauptfläche, einen auf der Hauptfläche ausgebildeten Isolierfilm und einen auf dem Isolierfilm ausgebildeten Höckeranschluß aufweist, der über eine leitfähige Schicht mit dem Schaltungselement verbunden ist, ist dadurch gekennzeichnet, daß die Iiöckeranschlußelektrode eine erste, eine zweite und eine aus dem gleichen Material wie die zweite bestehende dritte Metallscliicht aufweist, wobei die erste Metallschicht auf dem Isolierfilm ausgebildet und mit der leitfähigen Schichtelektrode verbunden ist, die zweite Hetallschicht direkt auf der Oberfläche der ersten etallschicht angeordnet ist, sie sich nicht über diese hinaus erstreckt und ihre Fläche kleiner ist als die der ersten Metallschicht, und wobei die dritte Metallschicht direkt auf der Oberfläche der zweiten Metallschicht angeordnet und ihre Fläche kleiner ist als die der zweiten Metallschicht. The semiconductor arrangement according to the invention with a hump-shaped Terminal electrode comprising a semiconductor substrate with at least one circuit element and a main surface, an insulating film formed on the main surface, and a has formed on the insulating film bump terminal which has a conductive Layer is connected to the circuit element is characterized in that the stud terminal electrode has a first, a second and a made of the same material like the second existing third metal layer, the first metal layer on the Insulating film is formed and connected to the conductive sheet electrode is connected, the second metal layer directly on the surface of the first metal layer is arranged, it does not extend beyond this and its area is smaller is than that of the first metal layer, and wherein the third metal layer directly arranged on the surface of the second metal layer and its area smaller is than that of the second metal layer.
Demzufolge sieht die Erfindung eine Anschlußelektrode für eine Halbleiteranordnung mit einer Höckeranschlußelektrode vor, die eine erste, zweite und dritte Iwletallschicht aufweist und dadurch ein stufenartiges Profil bildet. Die Höckeranschlußelektrode weist für das Serienbonden eine verbesserte mechanische Festigkeit auf. Accordingly, the invention provides a connection electrode for a semiconductor device with a bump terminal electrode, the first, second and third Iwletallschicht and thereby forms a step-like profile. The hump terminal electrode has improved mechanical strength for series bonding.
Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen: Fig. 1 einen Querschnitt durch eine Halbleiteranordnung mit einer Höckerelektrode, die mit einer Anschlußleitung verbunden ist; Fig. 2A eine vergrößerte Draufsicht auf eine nerkömmliche Höckerstruktur; Fig. 2D einen Querschnitt entlang der Linie B-B nach Fig. 2A; Fig. 3 ein Schaubild, in dem die Ergebnisse eines Abreißtestes einer Leitung dargestellt sind, die an die herkömmliche Höckerstruktur nach den Fig. 2A und 2B angebondet ist; Fig. 4A, 4B und 4C schematische Schnittansichten von einer herkömmlichen Höckerstruktur und zwei Höckerstrukturen, in denen die Spannung verteilt wird; Fig. 5 eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Höckerstruktur, wobei Fig. 5A eine Draufsicht und Fig. SB einen Querschnitt entlang der Linie B-B nach Fig. 5A darstellen; Fig. Ü ein Schaubild, in dem die Ergebnisse des Abreil3-testes einer Leitung dargestellt sind, die an die in Fig. 5 dargestellte, erfindungsgemäße Höckerstruktur angebondet ist; Fig. 7A eine Draufsicht auf eine veränderte Ausführungsform einer Höckerstruktur; Fig. 7B einen Querschnitt entlang der Linie B-B nach Fig. 7A und Fig. 8 ein Schaubild, in dem die Ergebnisse des Abreißtestes einer Leitung dargestellt sind, die an die Höckerstruktur nach Fig. 7 angebondet ist. Embodiments of the invention are explained in more detail with reference to the drawings described. 1 shows a cross section through a semiconductor arrangement with a bump electrode which is connected to a connecting lead; Figure 2A an enlarged top plan view of a conventional bump structure; Fig. 2D is a cross-section along the line B-B of FIG. 2A; Fig. 3 is a diagram in which shows the results of a tear-off test on a line connected to the conventional hump structure of Figures 2A and 2B is bonded; Figures 4A, 4B and FIG. 4C is schematic sectional views of a conventional hump structure and FIG two hump structures in which the stress is distributed; Fig. 5 shows an embodiment of the hump structure according to the invention, FIG. 5A being a top view and FIG. 5B Figure 5 is a cross-section along the line B-B of Figure 5A; Fig. Ü a diagram, which shows the results of the Abreil3 test of a line that is connected to the hump structure according to the invention shown in FIG. 5 is bonded; Fig. 7A is a top view of an alternate embodiment of a hump structure; Fig. 7B shows a cross section along the line B-B of FIGS. 7A and 7 Fig. 8 is a graph showing the results of a line tear test which is bonded to the hump structure of FIG.
Die in Fig. 1 dargestellte integrierte Halbleiteranordnung mit einer Höckeranschlußelektrode weist einen Hauptabschnitt einer Kupferanschlußleitung 1, einen Oberflächenbelag 2 aus einer plattierten Goldschicht auf der Kupferanschlußleitung, einen herkömmlichen Goldhöcker 3, Au-, Pt- und Ti-Schichten 4, 5 und 6 für die verlängerten Außenleiter, eine SiO2-Schicht 7 zur Isolation der verschiedenen Metallschichten, Aluminiumzwischenschichten 9, eine SiO2-Schicht 10 zur Oberflächenpassivierung, ein Störstellen-Diffusionsgebiet 11 sowie ein Si-Substrat 12 auf, das wiederum Schaltungselemente, wie etwa einen Transistor oder Widerstand aufweist. Ein die Iöckeranschlußelektrode der Anordnung nach Fig. 1 einschließender Teil 20 ist in den Fig. 2A und 2B dargestellt. Dabei ist eine Hauptfläche des Substrates 12 mit der Siü2-Schicht 10 bedeckt, die vorzugsweise durch ein therneisches Aufwachsverfahren, gefolgt von einem chemischen Daiiipfablagerungsverfahren, gebildet wird. Bei der höckerbildung werden zuerst eine Ti-Schicht 6 und eine Ut-Schicht 5 aufgesprüht und in die Form der verlängerten Außenleiter gebracht. Dann wird eine dünnere Goldschicht 4 (etwa 2 µ) aufgebracht, um die elektrische Leitfähigkeit der verlängerten Außenleiter zu erhöhen. Schließlich wird ein Goldhöcker 3 durch Aufbringen einer dicken Goldschicht (etwa 15 ) gebildet. Damit erhält man die in Fig. 2 dargestellte Goldhöckerelektrode, wobei die Ti-Schicht 6, die Pt-Schicht 5 und die Goldschicht 4 mehrschichtig übereinander angeordnet sind und ihre Umfangsränder miteinander fluchten. The integrated semiconductor device shown in Fig. 1 with a Bump connection electrode has a main section of a copper connection line 1, a surface covering 2 made of a plated gold layer on the copper connection line, a conventional gold bump 3, Au, Pt and Ti layers 4, 5 and 6 for the extended ones Outer conductor, an SiO2 layer 7 for insulating the various metal layers, Aluminum intermediate layers 9, an SiO2 layer 10 for surface passivation, an impurity diffusion region 11 and an Si substrate 12, which in turn have circuit elements, such as a transistor or resistor. One the loosener connection electrode Part 20 including the arrangement of FIG. 1 is shown in FIGS. 2A and 2B. A main surface of the substrate 12 is covered with the SiO 2 layer 10, which preferably by a thermal growth process followed by a chemical one Daiipf deposition process, is formed. When the bumps are formed first a Ti layer 6 and a Ut layer 5 and sprayed in the shape of the elongated Outer conductor brought. Then a thinner gold layer 4 (about 2 µ) is applied, to increase the electrical conductivity of the extended outer conductor. In the end becomes a gold bump 3 by applying a thick layer of gold (about 15) formed. This gives the gold bump electrode shown in Fig. 2, wherein the Ti layer 6, the Pt layer 5 and the gold layer 4 are multilayered one on top of the other are arranged and their peripheral edges are aligned.
Im nächsten Verfahrensschritt wird eine goldplattierte Kupferleitung 1 an dem Goldhöcker 3 angebracht und dann eine Thermokompression (1200 kg/cm2 bei 3000C) über die Anschlußleitung 1 auf den Höcker 3 ausgeübt. The next step is a gold-plated copper wire 1 attached to the gold bump 3 and then thermocompression (1200 kg / cm2 at 3000C) exerted on the hump 3 via the connecting line 1.
Die Festigkeit der Verbindung wird durch einen Spannungsmesser gemessen, indem die Leitung 1 so lange nach oben gezogen wird, bis die Verbindung getrennt wird. Das Testergebnis ist in Fig. 3 dargestellt, wobei auf der x-Achse die Zugfestigkeit, bei der die Trennung auftritt, und auf der y-Achse die Zahl der Trennungen aufgetragen ist. Dabei sind mit 36 die Zahl der Trennungen aufgrund von Siliciumrissen und mit 37 die Zahl der anderen Trennungsarten bezeichnet. The strength of the connection is measured by a tension meter, by pulling line 1 upwards until the connection is disconnected will. The test result is shown in Fig. 3, with the tensile strength on the x-axis, at which the separation occurs, and the number of separations is plotted on the y-axis is. With 36 are the number of separations due to silicon cracks and with 37 denotes the number of other types of separation.
Daraus ist ersichtlich, daß die meisten Verbindungen durch Siliciumrisse getrennt werden. Aus dem Schaubild ist auch ein weiterer Nachteil ersichtlich, nämlich daß viele Verbindungen eine geringere Festigkeit als 20 g aufweisen.It can be seen from this that most of the connections are caused by silicon cracks be separated. Another disadvantage can also be seen from the diagram, namely that many connections have a strength less than 20 g.
Daraus muß geschlossen werden, daß der herkömmliche Goldhöcker nur sehr mangelhaft an die goldplattierte Leitung angebondet werden kann und daß eine derartige Höckeran- schlußelektrode nicht für das Serienbonden verwendet werden kann.From this it must be concluded that the conventional gold hump only can be bonded very poorly to the gold-plated wire and that a such hump Terminal electrode not for series bonding can be used.
Zum besseren Verständnis dieses Bruchverhaltens wird nun das Bonden und die Spannungskonzentration näher betrachtet. For a better understanding of this fracture behavior, we will now consider bonding and take a closer look at the stress concentration.
Es ist offensichtlich, daß ein beim Bonden auf die Oberfläche der goldplattierten Leitung ausgeübter Durchschnittsdruck (üblicherweise 1200 kg/cm2 bei einer Temperatur von 3000C) nicht die Druckfestigkeit des Siliciums (ungefähr 3500 kg/cm2) übersteigt. Es scheint jedoch, daß die am Höckerrand auf das Siliciumsubstrat ausgeübte konzentrierte Spannung in einigen Fällen die Druckfestigkeit des Siliciums überschreitet, was auf die Verformung der Höckerstruktur beim Bonden zurückzuführen ist. Unter diesen Umständen kann das Siliciumkristall eine Zerstörung (Risse) erfahren.It is obvious that when bonding to the surface of the gold-plated pipe average pressure exerted (usually 1200 kg / cm2 at a temperature of 3000C) does not affect the compressive strength of silicon (approx 3500 kg / cm2). However, it appears that the bump edge is on the silicon substrate applied concentrated stress in some cases affects the compressive strength of the silicon exceeds, which can be attributed to the deformation of the hump structure during bonding is. Under these circumstances, the silicon crystal may be destroyed (cracked).
Eine der einfachsten methoden zur Reduzierung der oben beschriebenen konzentrierten Spannung besteht darin, die Höckeroberfläche größer als die Bondfläche mit der Anschlußleitung zu gestalten. Dies bedeutet eine Verminderung der Leitungsbreite relativ zur Höckergröße. Eine maximale Höcker größe wird normalerweise von den wirtschaftlichen Gesichtspunkten bei der LSI-Herstellung bestimmt. Gegenwärtig liegt die maximale Höckergröße üblicherweise bei 100 P x 100 und der zukünftige Trend bewegt sich in Richtung auf eine Reduktion dieser maximalen Höckergröße. Die Anmelderin hat mit einer Goldhöckergröße von 100 P x 100 P Versuche durchgeführt und dabei festgestellt, daß die Breite der Anschlußleitung bis auf unter 40 P vermindert werden muß, um vollständig die Siliciumrisse zu eliminieren. Um beim Bonden ein mögliches Fehlausrichten einer Anschlußleitung bezüglich der Höckeroberfläche in Rechnung zu stellen, sollte dieser Wert für eine geeignete maximale Leitungsbreite noch weiter vermindert werden. Eine Anschlußleitung mit einer derart geringen Breite wird jedoch mechanisch gesehen sehr schwach. One of the easiest ways to reduce the above concentrated stress consists in making the bump surface larger than the bond area to shape with the connecting cable. This means a reduction in the line width relative to the hump size. A maximum hump size is usually determined by the economic Determined from the point of view of the LSI production. The current maximum is Bump size usually at 100 P x 100 and the future trend is moving in Direction towards a reduction of this maximum cusp size. The applicant has with Tests carried out with a gold bump size of 100 P x 100 P and found that the width of the connecting line must be reduced to below 40 P to to completely eliminate the silicon cracks. To avoid possible misalignment when bonding a connection line with respect to the hump surface should be charged this value can be further reduced for a suitable maximum line width. A connecting line with such a small width is, however, seen mechanically very weak.
Daraus kann geschlossen werden, daß dieses Verfahren ungeeignet ist.From this it can be concluded that this method is unsuitable.
Lin weiterer Versuch zur Spannungsverteilung kann darin bestehen, daß die herkömmliche Höckerstruktur so verändert wird, daß die konzentrierte Spannung minimisiert wird. Dies wird durch die erfindungsgemäße Höckerstruktur erreicht. Another attempt at stress distribution can consist of that the conventional hump structure is modified so that the concentrated stress is minimized. This is achieved by the hump structure according to the invention.
enn ein Höcker mit einer flachen Oberfläche aul einer flachen ebene gebildet wird und er einem gleichmäßigen Druck über die gesamte Oberfläche ausgesetzt wird, so wird im allgemeinen die sich ergebende Spannungskonzentration unter dem Höckerrand bestimmt durch die Gestalt und das Material des Höckers. Bezüglich der Spannungskonzentration kann hier gesagt werden, daß bei fester Oberfläche, Bodenschnittstelle und Höckerhöhe die maximale Spannung yrnax die auf die darunterliegende ebene einwirkt, mit Zunahme des Krümmungs- radius der Seitenfläche g abnimmt. So ergibt sich für die in den Fig. 4A, 4B und 4C dargestellten Höcker, nämlich den herkömmlichen Höcker 41 und die verbesserten Höcker 42 und 43 bei einer jeweiligen Krümmung der Seitenfläche « b bzw. hen a hump with a flat surface on a flat plane is formed and it is subjected to a uniform pressure over the entire surface the resulting stress concentration will generally be below the The edge of the cusp is determined by the shape and material of the cusp. Regarding the Stress concentration can be said here that with a solid surface, soil interface and cusp height is the maximum stress yrnax that acts on the plane below, with an increase in curvature radius of the side surface g decreases. So results for the humps shown in FIGS. 4A, 4B and 4C, namely the conventional bumps 41 and the improved bumps 42 and 43 at each Curvature of the side surface «b or
wobei γb < γc', auf den entsprechenden Substraten 44, 45 und 46 die folgende Beziehung: a max > #bmax > #cmax wobei a max' # b max und #c max die maximale Spannung kennzeichnen, die jeweils auf das Substrat 44, 45 bzw. 46 einwirkt.where γb <γc ', on the corresponding substrates 44, 45 and 46 have the following relationship: a max> #bmax> #cmax where a max '# b max and #c max denote the maximum voltage that is applied to the substrate 44, 45 or 46 acts.
Mit einer Reihe von Höckern 41, 42 und 43 wurden auf einem gleichen Siliciumsubstrat 44, 45 und 446 auf der basis des oben erwähnten Prinzips Versuche gemacht, ura eine spannungsverminderte Struktur herauszufinden, die mit der herkömralichen Technologie kompatibel ist. With a series of humps 41, 42 and 43 were on an equal Silicon substrate 44, 45 and 446 based on the above-mentioned principle experiments made to find out ura a stress-relieved structure that matches the conventional one Technology is compatible.
Eine bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Höckerelektrodenanordnung ist in den Fig. 5A und 5B dargestellt, wobei die Zusammensetzung des metallischen materials die gleiche ist wie in Fig. 2. Die geometrische Struktur der Höckerelektrodenanordnung ist in vertikaler Richtung jedoch dadurch gekennzeichnet, daß sie zwei Stufen aufweist, die eine Annäherung an die in der Fig. 4 dargestellte Kurvenform darstellt. A preferred embodiment of a hump electrode arrangement according to the invention is shown in Figs. 5A and 5B, the composition of the metallic materials is the same as in Fig. 2. The geometric structure of the bump electrode assembly is in the vertical direction, however characterized in that they has two stages which approximate the curve shape shown in FIG represents.
Anhand der Fig. 5 wird nun ein bevorzugtes Herstellungsverfahren einer erfindungsgemäßen Höckerstruktur beschrieben. A preferred manufacturing method will now be described with reference to FIG a hump structure according to the invention described.
Auf die auf dem Siliciumsubstrat 51 ausgebildete Si3N4-Schicht 52 wird zuerst eine 1000 i dicke Titaniumschicht 53 und danach eine 1500 i dicke Platinschicht 54 aufgesprüht.On the Si3N4 layer 52 formed on the silicon substrate 51 is first a 1000 i thick titanium layer 53 and then a 1500 i thick platinum layer 54 sprayed on.
Diese auf dem Elektrodenbereich aufgebrachte doppelte Metallschicht wird dann in eine 100 P x 100 p Quadratform gebracht.This double metal layer applied to the electrode area is then made into a 100p x 100p square shape.
Danach wird eine dünne Goldschicht 55 mit einer Dicke von 2 bis 3 p örtlich elektroplattiert, um einen verlängerten Außenleiteranschluß in der Form eines Quadrates von 80 P x 80 P zu bilden. Schließlich wird die 10 bis 15 P dicke Goldschicht örtlich aufgebracht und bildet den Goldhöcker 56 in der Form eines quadrates von 60 P x 60 Nach der Herstellung dieser doppelten Stufenstruktur wurde der bereits oben beschriebene Abreißtest bei einer goldplattierten Kupferleitung durchgeführt, die an den Höcker 55 angebondet wurde. Das Ergebnis dieser Versuche ist in Schaubild 6 dargestellt. Daraus ist ersichtlich, daß bei keinem der getesteten Höcker ein Siliciumriß auftrat. Fast alle Trennungen traten aufgrund eines Leitungsbruches auf und die Zugfestigkeit betrug jeweils mehr als 30 g. Dieses Ergebnis zeigt deutlich eine wesentliche Verbesserung der Festigkeit und Zuverlässigkeit der Verbindung im Vergleich zu der in den Fig. 2A und 213 dargestellten herkömmlichen Struktur.Thereafter, a thin gold layer 55 with a thickness of 2 to 3 p locally electroplated around an elongated outer conductor terminal in the mold a square of 80 P x 80 P to form. Eventually the 10 to 15 P becomes thick Gold layer applied locally and forms the gold bump 56 in the shape of a square von 60 P x 60 After the production of this double step structure, the The tear-off test described above was carried out on a gold-plated copper line, which was bonded to the hump 55. The result of these tests is shown in the diagram 6 shown. It can be seen from this that none of the bumps tested had a Silicon crack occurred. Almost all disconnections occurred due to a line break and the tensile strength was more than 30 g in each case. This Result clearly shows a substantial improvement in strength and reliability of the connection in comparison with the conventional one shown in Figs. 2A and 213 Structure.
Als eine weitere Annäherung an die in den Fig. 4 dargestellte Kurvenform mit gekrümmter Seitenfläche wurde eine in Fig. 7 dargestellte Höckerstruktur mit einer einzelnen Stufe hergestellt. In diesem Beispiel wurden die unteren Schichten, nämlich die Ti-Schicht 73, die Pt-Schicht 74 und die Au-Schicht 75 in die Form eines Quadrates von 150 x x 150 und die darüberliegende Höckerstruktur 76 in die dorlaa eines Quadrates von 80 P x 80 P gebracht. Das ergebnis des Abreif3-testes einer Leitung, die an die in Fig. 7 dargestellte Höckerstruktur angebondet wurde, ist in Fig. J dargestellt. As a further approximation to the waveform shown in FIG with a curved side surface, a hump structure shown in FIG. 7 was included a single stage. In this example the lower layers, namely, the Ti layer 73, the Pt layer 74, and the Au layer 75 in the shape of one Square of 150 x x 150 and the overlying cusp structure 76 in the dorlaa a square of 80 P x 80 P brought. The result of the maturity3 test of a Line bonded to the hump structure shown in FIG. 7 is shown in FIG.
Daraus ist ersichtlich, daß die einstufige Struktur wohl die Zuverlässigkeit des Gold-Gold-bondens verbessert, sie aber nicht die Si-Kisse eliminieren kann, selbst wenn der Stufen rand größer als 35 P auf jeder Seite gewählt wird. Daraus kann geschlossen werden, daß eine stufenartige Höckerstruktur mit nicht weniger als zwei Stufen ausreichend ist.From this it can be seen that the single-stage structure is arguably the reliability of gold-gold bonding is improved, but it cannot eliminate the Si cushion, even if the step edge is chosen to be greater than 35 P on each side. From it it can be concluded that a step-like hump structure with no less than two levels is sufficient.
Hinsichtlich der Höckerstruktur mit zwei Stufen wurde herausgefunden, daß ein minimaler Stufenrand von 5 P bei jeder Stufe erforderlich ist, um eine günstige wirkung der Abstufung sicherzustellen. Bin maximaler Stufenrand von etwa 25 P ist günstig sowohl im Hinblick auf eine bei einer LI-Struktur erträgliche Höckerniaxinialgröße als auch auf eine benötigte minimale Höckergröße für eine ausreichende mechanische Festigkeit. Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung beträgt die Dicke der Titanschicht 53 500 bis 1500 i, die der Flatinschicht 54 1000 bis 3000 i, die der Goldschicht 55 1 bis 3 µ und die des Goldhöckers 56 5 bis 30 Wie oben beschrieben wurde, ist die erfindungsgemäße Höckerstruktur in der Lage einer hohen Spannung zu widerstehen. Damit wurde das Bonden einer Goldleitung an einen Goldhöcker realisiert, ohne daß die Halbleiteranordnung verschlechtert wurde. Durch das Austauschen der früher verwendeten zinnplattierten Anschlußleitung durch die goldplattierte Leitung wurde eine Verbesserung der Zuverlässigkeit erreicht, die auf die Elimination der Haarbildung und der Korrosion zurückgeführt wird. Damit ermöglicht die erfindungsgemäße Höckerstruktur ein zuverlässiges Bonden der LSI-Anschlußelektroden an die Anschlußleitungen. Regarding the cusp structure with two steps, it was found that a minimum step margin of 5 P is required for each step in order to achieve a favorable one ensure the effect of the gradation. Am maximum step edge of about 25th P is favorable both in terms of an axial axial size of the cusps that is tolerable in an LI structure as well as a required minimum cusp size for a sufficient mechanical Strength. In a preferred embodiment of the invention, the thickness is the titanium layer 53 500 to 1500 i, that of the flatin layer 54 1000 to 3000 i, the of the gold layer 55 1 to 3 μ and that of the gold bump 56 5 to 30 As described above the bump structure of the present invention is capable of high stress to resist. With this the bonding of a gold line to a gold bump was realized, without deteriorating the semiconductor device. By exchanging the previously used tin-plated connecting wire through the gold-plated wire an improvement in reliability was achieved, which is due to the elimination of the Hair formation and corrosion is attributed. This enables the inventive Bump structure ensures reliable bonding of the LSI connection electrodes to the connection lines.
Änderungen und Ausgestaltungen der beschriebenen Ausführungsformen sind für den Fachmann ohne weiteres möglich und fallen in den Rahmen der Erfindung. So kann das Prinzip des doppelstufigen Höckers auch auf andere Metalle wie etwa einen Kupferhöcker angewendet werden, ebenso wie auf andere Halbleiteranordnungen, wie etwa einen einzelnen Transistor, eine einzelne Diode und eine integrierte Halbleiteranordnung. Changes and refinements to the described embodiments are easily possible for the person skilled in the art and fall within the scope of the invention. So the principle of the double-stage hump can also be applied to other metals such as applied to a copper bump, as well as to others Semiconductor arrangements, such as a single transistor, a single diode, and an integrated semiconductor device.
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