DE3641689A1 - Verfahren zur herstellung eines halbleiterbauelements und eines darin verwendeten halbleiterchips - Google Patents

Verfahren zur herstellung eines halbleiterbauelements und eines darin verwendeten halbleiterchips

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DE3641689A1
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copper
semiconductor chip
ball
contact wire
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Jitsuho Hirota
Kazumichi Machida
Masaaki Shimotomai
Seizo Omae
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Mitsubishi Electric Corp
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Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements, wie eines ICs (integrierte Schaltung) und eines diskreten oder Einzelhalbleiter-Bauelements, auf dem eine mit einer Leitung verbundene Elektrode vorgesehen ist, und eines Halbleiterchips, der für die Verwirklichung und An­ wendung des Verfahrens benutzt wird.
Die Fig. 1 zeigt ein Verfahren der Drahtbondie­ rung bzw. Drahtkontaktierung auf einem solchen Halb­ leiterbauelement. Diese Drahtbondierung soll eine auf einem Halbleiterchip 2 ausgebildete Aluminium­ elektrode 3 mittels eines Golddrahtes 1 mit einer Leitung oder Leiterbahn 4 aus einer Kupferlegierung verbinden, wobei diese Leitung einer Oberflächen­ behandlung, wie beispielsweise einer metallischen Überziehung mit Silber, unterzogen worden ist und ein haarröhrenförmiger Körper bzw. ein Kapillarteil als Bondierungswerkzeug benutzt wird.
Um eine derartige Verbindung zu erzielen, wird ein Ende des Golddrahtes 1 mittels einer Lichtbogenheiz­ einwirkung zum Fließen oder Schmelzen gebracht und anschließend läßt man es zu einer Kugel 1 a festwerden. Die Kugel 1 a wird daraufhin durch Kugelthermokompression an die Aluminiumelektrode (Fig. 1a und 1b) geheftet. Danach wird der Draht 1 abgeleitet und an der Lei­ tung 4 mittels einer Steppkontaktierung befestigt (Fig. 1c und 1d). Häufig wird für diese Kontaktierung des Drahtes 1 das Thermoschallverfahren angewendet.
Da das für den Draht verwendete Gold teuer ist und die langfristige Zuverlässigkeit und Betriebs­ sicherheit der Verbindung nicht ausreichend hoch sind, werden im folgenden verschiedene alternative Materia­ lien und Bondierungstechniken näher untersucht.
Als in Betracht zu ziehendes Ersatzmaterial kommt Kupfer in Frage, da Kupfer einerseits preisgünstiger ist und andererseits eine gute langfristige Zuver­ lässigkeit bietet. Ein mit der Verwendung von Kupfer verbundener Nachteil liegt in der geringeren Bondie­ rungsfähigkeit einer Kupferleitung an eine Aluminium­ elektrode. Bei einem Anheben der Ultraschallwellen­ leistung in einem Versuch, den Kontakt zu unterstützen und zu verbessern, wird, wie in der Fig. 2 durch die Bezugszahl 3 a angedeutet ist, Aluminium nach außen gedrückt. Infolgedessen kann die Kugel 10 a des Kupfer­ drahtes 10 gegebenenfalls auf den Halbleiterchip 2 stoßen. Auf diese Weise können die Elektrode 3 und der Halbleiterchip 2 beschädigt und zerstört werden.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen verbesserten Bondierungskontakt zwischen der Elektrode eines Halbleiterchips und eines bondierten Drahtes zu schaffen und die Gefahr der Beschädigung des Halbleiterchips und der Elek­ trode zu minimisieren.
Die Erfinder der vorliegenden Anmeldung haben herausgefunden, daß ein guter Kontakt auch mit ge­ ringer Ultraschallwellenleistung erzielt werden kann, wem die Beschaffenheit der Elektrodenschicht in geeigneter Weise eingestellt wird, d.h. die Elektrode wird mit derartigen Eigenschaften ausgebildet, daß die Tiefe einer Delle oder Einbeulung, die beim An­ drücken einer Kugel aus einem identischen oder ähnli­ chen Material wie dem Material des Bondierungsdrahtes gegen die Elektrode bei bestimmten Bedingungen re­ sultiert, innerhalb eines bestimmten Bereiches, d.h. Toleranzbereiches liegt.
Zur genauen Überprüfung der Bondierfähigkeit sind verschiedene Tests durchzuführen, wobei hierzu ein Prüftest bezüglich der Kontaktfestigkeit als auch die Beobachtung gehören, wie die Legierungs­ schicht ausgebildet ist und wie die Aluminiumschicht deformiert und weggedrückt wird. Diese Beobachtung kam ausgeführt werden, indem der Querschnitt des bondierten Bereichs betrachtet wird. Die Kontakt­ festigkeit kam durch einen Stoßtest zur Messung der Schub- oder Scherfestigkeit des bondierten Be­ reichs gemessen werden. Typischerweise liegt ein erforderlicher Mindestpegel für die Bruchbelastung bei 0,392 N (40 gram force). Für die Überprüfung der Elektrode zum Zweck einer Qualitätskontrolle während einer Massenproduktion ist jedoch die Anwen­ dung eines Testverfahrens erforderlich, und die Erfindung begegnet dieser Notwendigkeit, auf der­ art komplizierte und zeitaufwendige Prüfungsproze­ duren zurückgreifen zu müssen.
Entsprechend einem erfindungsgemäßen Aspekt wird ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleiter­ bauelementes, das eine Elektrode aufweist, auf der ein Bondierungsdraht kontaktiert ist, angegeben, welches Verfahren als Verfahrensschritte aufweist: Vorbereitende Behandlung des eine Elektrode aufwei­ senden Halbleiterbauelements, die mit solchen Eigen­ schaften ausgebildet wird, daß eine Einbeulung, die resultiert, wenn eine Kugel aus einem dem Kontaktdrahtmaterial oder Bondierdrahtmaterial identischen oder ähnlichen Material gegen die Elek­ trode gedrückt wird, in einem bestimmten Bereich liegt, und Bondieren des Kontaktdrahtes an die Elektrode.
Entsprechend einem weiteren Aspekt der Erfin­ dung wird ein Halbleiterchip angegeben, der eine Elektrode aufweist, an der ein Kontaktdraht anzu­ bringen ist, wobei sich die Erfindung dadurch aus­ zeichnet, daß die Elektrode eine solche Beschaffen­ heit bzw. Eigenschaften aufweist, daß eine Einbeu­ lung, die resultiert, wenn eine Kugel aus dem Kon­ taktdrahtmaterial identischen oder ähnlichen Material gegen die Elektrode gepreßt wird, in einem bestimmten Bereich liegt.
Im folgenden wird die Erfindung an Hand der Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung, wie die Drahtbondierung ausgeführt wird,
Fig. 2 die Deformation einer Elektrodenschicht,
Fig. 3 eine Teildarstellung der Anordnung eines Halbleiterbauelements, dessen Elektrode über einen Kontaktdraht an eine Leitung angeschlossen ist,
Fig. 4 eine vergrößerte Ansicht, die eine an eine Elektrode bondierte Kugel darstellt,
Fig. 5, wie eine Kugel während der prüfenden Bewertung der Elektrodenschicht gegen diese gepreßt wird,
Fig. 6 einen Querschnittsbereich einer einge­ drückten oder eingebeulten Elektrodenschicht,
Fig. 7 einen Bereich, in welchem zufrieden­ stellende Bedingungen in Abhängigkeit von Belastung und Tiefe der Einbeulung vorliegen, und
Fig. 8 einen Bereich, in welchem zufriedenstel­ lende Bedingungen in Abhängigkeit von der Amplitude einer Ultraschallschwingung und der Tiefe der Einbeu­ lung vorliegen.
Die Fig. 3 und 4 zeigen ein Halbleiterbauele­ ment eines erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels. In den Fig. 3 und 4 bezeichnen mit den Bezugszeichen in Fig. 1 und 2 identische Bezugszeichen gleiche oder ähnliche Teile.
Wie bereits erwähnt, basiert die vorliegende Er­ findung auf der Entdeckung, daß beim Anpressen einer Kugel aus einem dem Kontaktdrahtmaterial identischen oder ähnlichen Material gegen eine Elektrode, die Tiefe der resultierenden Einbeulung oder Eindrückung der Elektrode eine gute Korrelation bezüglich der Bondierfähigkeit zeigt. Falls eine Elektrode mit einer solchen Beschaffenheit ausgebildet wird, d.h. solche Eigenschaften aufweist, daß die Tiefe einer Einbeulung, die resultiert, wenn eine Kugel aus einem dem Kontaktdrahtmaterial identischen oder ähnlichen Material unter bestimmten Bedingungen gegen die Elek­ trode gepreßt wird, innerhalb eines bestimmten Be­ reichs liegt, wird ein guter Bondierungskontakt durch die darauffolgende Bondierung gewonnen.
Entsprechend einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird ein Halbleiterchip 2 mit einer Elektrode aus einer dünnen Schicht versehen, welche eine solche Qualität aufweist, d.h. derart beschaf­ fen ist, daß die Tiefe einer Einbeulung, die resul­ tiert, wenn eine Kugel aus Kupfer mit einem Durchmes­ ser von 70 bis 75 µm mit einer Anpreßkraft von 1,96 N bis 2,94 N (200 bis 300 gf) gegen die Elektrode ge­ drückt wird, innerhalb eines Bereichs von 0,1 bis 0,6 µm liegt.
Um einen solchen Halbleiterchip zu gewinnen, wird das folgende Verfahren befolgt: Zunächst werden die Bedingungen, unter denen die Elektrode 13 gebildet wird, so lange verändert, bis optimale Bedingungen für die Produktion der Elektrode 13 der gewünschten Beschaf­ fenheit gefunden sind. D.h. es wird ermittelt, ob die Tiefe der Einbeulung der Elektrode, die aus dem Anpressen einer Kupferkugel unter bestimmten Bedin­ gungen resultiert, in einem bestimmten Bereich liegt oder nicht.
Dies wird durchgeführt, indem der folgende Test wiederholt wird: Eine Kugel aus einem dem Kontakt­ drahtmaterial identischen oder ähnlichen Material wird unter Benutzung einer Kapillare 5 gegen eine dünne Elektrodenschicht 3 auf einen Halbleiterchip 2 (Fig. 5) gepreßt. Der Betrag der resultierenden Defor­ mation, d.h. die Tiefe D der resultierenden Einbeulung oder Einbuchtung (Fig. 6) wird gemessen.
Die Tiefe der Einbeulung kann gemessen werden, indem mit einem Mikroskop der in Fig. 6 gezeigte Querschnitt, der durch Anschliff des Bereichs B der zu bondierenden Elektrode ausgebildet ist, untersucht wird. Die Höhendifferenz, wie sie durch das Mikroskop erfaßt wird, zwischen dem Einbeu­ lungsbereich B und dem diesen umgebenden Bereich S, d.h. Bereichen, die nicht zu bondieren sind, ent­ spricht der Tiefe D der Einbeulung.
Die hiermit gefundenen optimalen Bedingungen werden fixiert oder festgesetzt und für die darauf folgende Produktion der Elektrodenschicht auf den Halbleiterchips verwendet. D.h., sind die Produk­ tionsbedingungen für die Elektrode einmal bestimmt, so werden daraufhin die darauffolgend produzierten Elektroden der Halbleiterchips unter genau diesen bestimmten Bedingungen produziert.
Der Bondierungsprozeß kann identisch zu dem eines üblichen Verfahrens erfolgen. Dabei wird eine Kugel 10 a eines Kupferdrahtes 10 bei Anwendung einer Ultraschall­ schwingung an die Elektrode 13 eines Halbleiterchips 2 durch Kugelthermokompression angeheftet, und der Kupfer­ draht wird an die Leitung 4 durch eine Steppkontaktie­ rung angeheftet. Wird der Kupferdraht an die die oben beschriebene Beschaffenheit bzw. Qualität aufweisende Elektrode durch Kugelkompression angeheftet, so kann ein guter Bondierungskontakt ohne Verwendung einer Ultraschallschwingung mit einer hohen Ausgangsleistung erzielt werden, d.h., auch wenn eine Ultraschallschwin­ gung geringer Amplitude oder Intensität verwendet wird. Ferner wird das Aluminium nicht aus der Elektrode herausgedrückt, so daß die Beschädigung und Zerstörung der Elektrode oder des Halbleiterchips vermieden sind. Die Benutzung von Kupferdraht ist infolgedessen er­ möglicht, und die langfristige Dauerhaftigkeit der Verbindung zwischen dem Draht und der Elektrode ist verbessert.
Entsprechend einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung wird ein Halbleiterchip 2 mit einer Elektrode aus einer dünnen Schicht versehen, welche eine solche Qualität bzw. Beschaffenheit hat, daß die Tiefe einer Einbeulung, die resultiert, wenn eine Kupferkugel eines Durchmessers von 70 bis 75 µm bei einer Temperatur von 350°C mit einer Andrückkraft oder Anpreßkraft von 1,47 N (150 gf) bei Anwendung einer Ultraschallwelle von 60 kHz mit einer Amplitude von 0,07 bis 0,14 µm gegen die Elektrode gepreßt wird, innerhalb eines Bereichs von 0,1 bis 0,6 µm liegt. Der Rest des Verfahrens ist ähnlich dem mit Bezug auf das erste Ausführungsbeispiel beschriebenen.
Anstelle des Kupferdrahtes in den oben benutzten Ausführungsbeispielen kann auch ein Draht aus einer Kupferlegierung verwendet werden.
Entsprechend der vorliegenden Erfindung wird die Bondierfähigkeit überprüft, abgeschätzt oder überwacht und in einfacher Weise gesteuert und kontrolliert, so daß eine Elektrodenschicht mit einer guten Bondierfähigkeit auf dem Halbleiterchip ge­ sichert ist.

Claims (20)

1. Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbau­ elements, das eine Elektrode aufweist, auf welcher ein Kontaktdraht bondiert wird, welches Verfahren durch die folgenden Verfahrensschritte gekennzeichnet ist:
Vorbereitende Behandlung des eine Elektrode auf­ weisenden Halbleiterbauelements, die derart ausgebildet wird, daß sie solche Eigenschaften aufweist, daß eine Einbeulung, die resultiert, wenn eine Kugel aus einem dem Kontaktdrahtmaterial identischen oder ähnlichen Material gegen die Elektrode gedrückt wird, innerhalb eines bestimmten Bereichs liegt, und
Bondieren des Kontaktdrahtes an die Elektrode.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf die Kugel, während sie gegen die Elektroden­ schicht gepreßt wird, eine Ultraschallschwingung an­ gewendet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrodenschicht aus Aluminium gebildet ist.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kontaktdraht aus Kupfer oder Kupferlegierung hergestellt ist.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrodenschicht aus Aluminium, der Kontakt­ draht aus Kupfer oder Kupferlegierung und die Kugel aus Kupfer gebildet sind, wobei die Kugel einen Durchmesser von ungefähr 70 bis 75 µm aufweist und mit einer Kraft von 1,96 N bis 2,94 N (200 bis 300 gf) angedrückt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Beurteilung ausgeführt wird, um zu bestimmen, ob die Tiefe der Einbeulung innerhalb des Bereichs von 0,1 bis 0,6 µm liegt oder nicht.
7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Ultraschallschwingung während des Bondierens angewandt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrodenschicht aus Aluminium, der Kontakt­ draht aus Kupfer oder Kupferlegierung und die Kugel aus Kupfer gebildet sind, wobei die Kugel einen Durch­ messer von ungefähr 70 bis 75 µm aufweist und bei einer Temperatur von ungefähr 350°C mit einer Kraft von 1,47 N (150 gf) und bei Anwendung einer Ultra­ schallschwingung von ungefähr 60 kHz, die eine Amplitu­ de von 0,07 bis 0,14 µm aufweist, komprimiert wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine Beurteilung vorgenommen wird, um zu bestim­ men, ob die Tiefe der Einbeulung innerhalb des Be­ reichs von 0,1 bis 0,6 µm liegt.
10. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß während des Bondierens eine Ultraschallschwingung angewendet wird.
11. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kugel unter Benutzung einer Bondierkapillare angedrückt wird.
12. Halbleiterchip mit einer Elektrode, auf der ein Kontaktdraht anzuschließen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode eine solche Qualität hat, daß eine Einbeulung, die resultiert, wenn eine Kugel aus einem dem Kontaktdrahtmaterial identischen oder ähnlichen Material gegen die Elektrode gedrückt wird, innerhalb eines bestimmten Bereichs liegt.
13. Halbleiterchip nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß, während die Kugel gegen die Elektrodenschicht gedrückt wird, eine Ultraschallschwingung angewandt wird.
14. Halbleiterchip nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrodenschicht aus Aluminium gebildet ist.
15. Halbleiterchip nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Kontaktdraht aus Kupfer oder einer Kupfer­ legierung hergestellt ist.
16. Halbleiterchip nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrodenschicht aus Aluminium, der Kontakt­ draht aus Kupfer oder einer Kupferlegierung und die Kugel aus Kupfer gebildet sind, wobei die Kugel einen Durchmesser von ungefähr 70 bis 75 µm aufweist und mit einer Kraft von 1,96 N bis 2,94 N (200 bis 300 gf) angedrückt wird.
17. Halbleiterchip nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß eine Beurteilung ausgeführt wird, um zu bestimmen, ob die Tiefe der Einbeulung innerhalb des Bereichs von 0,1 bis 0,6 µm liegt.
18. Halbleiterchip nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß während des Bondierens eine Ultraschallschwingung angewandt wird.
19. Halbleiterchip nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrodenschicht aus Aluminium, der Kontakt­ draht aus Kupfer oder einer Kupferlegierung und die Kugel aus Kupfer gebildet sind, wobei die Kugel einen Durchmesser von ungefähr 70 bis 75 µm aufweist und bei einer Temperatur von ungefähr 350°C mit einer Kraft von 1,47 N (150 gf) und bei Anwendung einer Ultra­ schallschwingung von ungefähr 60 kHz die eine Am­ plitude von 0,07 bis 0,14 µm aufweist, komprimiert wird.
20. Halbleiterchip nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Kugel unter Verwendung einer Bondierkapillare angedrückt wird.
DE19863641689 1985-12-24 1986-12-06 Verfahren zur herstellung eines halbleiterbauelements und eines darin verwendeten halbleiterchips Ceased DE3641689A1 (de)

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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DE4021031A1 (de) * 1990-01-10 1991-07-11 Mitsubishi Electric Corp Halbleiterbauelement und verfahren zu seiner herstellung

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Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0169574A2 (de) * 1984-07-27 1986-01-29 Kabushiki Kaisha Toshiba Apparat zum Herstellen einer Halbleiteranordnung

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