DE3916168A1 - Ultrafeine draehte aus einer kupferlegierung und halbleitervorrichtungen unter verwendung derselben - Google Patents

Ultrafeine draehte aus einer kupferlegierung und halbleitervorrichtungen unter verwendung derselben

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Toshiaki Ono
Makoto Kinoshita
Toshinori Ishii
Kiyoaki Tsumura
Hitoshi Fujimoto
Syuichi Osaka
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Mitsubishi Metal Corp
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Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ultrafeine Drähte aus einer Kupferlegierung zum Einsatz in Halbleitervorrichtungen sowie Halbleitervorrichtungen, die solche Drähte enthalten.
Es sind verschiedene Halbleitervorrichtungen bekannt, wie Transistoren, integrierte Schaltkreise (IC′s) und auch solche in großem Maßstab (large scale integrated circuits (LSI′s)). Die Halbleitervorrichtungen werden in vielen Stufen hergestellt. Beispielsweise umfaßt ein herkömmliches Verfahren zur Herstellung von IC′s die folgenden Stufen:
  • (a) zuerst werden 0,1 bis 0,3 mm dicke Kupferlegierungsstreifen als Führungsrahmenmaterial bereitgestellt;
  • (b) Führungsrahmen mit einer dem herzustellenden IC angepaßten Form werden aus dem Führungsrahmenmaterial durch Ätzen oder Stanzen mit einer Presse hergestellt;
  • (c) dann werden Si-Chips auf die Führungsrahmen an vorbestimmten Positionen gebunden, indem man die Si-Chips unter Verwendung eines leitfähigen Harzes, wie einer Ag-Paste, thermobindet, oder indem man die Si-Chips über Plattierungsschichten aus Au, Ag, Ni, Cu oder Legierungen davon, welche auf einer Oberfläche von Si und dem Führungsrahmen ausgebildet sind, weich verlötet oder diese mit Au hart verlötet;
  • (d) Kugel-Bonding (ball bonding) wird über dem Si-Chip und dem Führungsrahmen durchgeführt, indem man einen ultrafeinen Au-Draht mit 20 bis 50 µm Durchmesser als einen Bonding-Draht verwendet;
  • (e) anschließend werden der Si-Chip, der Bonding-Draht und der Führungsrahmen zum Schutz mit einem Harz versiegelt; und
  • (f) schließlich werden Verbindungsteile der Führungsrahmen herausgeschnitten, um IC′s herzustellen.
Wie vorstehend festgestellt, sind ultrafeine Golddrähte als Bonding-Draht bei der Herstellung von Halbleitervorrichtungen verwendet worden, weshalb die Halbleiter teuer waren. Neuerdings wird erhöhte Aufmerksamkeit auf ultrafeine, hochreine, sauerstofffreie Kupferdrähte gerichtet, die im wesentlichen keinen Sauerstoff enthalten, hochrein und weniger teuer sind.
Üblicherweise wird Thermokompressions-Bonding in Kombination mit Ultraschallwellen angewandt, wenn ultrafeine, hochreine, sauerstofffreie Kupferdrähte als Bonding-Draht in Halbleitervorrichtungen verwendet werden. Diese Drähte weisen insofern Nachteile auf, als beim Thermokompressions-Bonding die an der Spitze der Drähte gebildeten kugelförmigen Bereiche Verschlechterungen hervorrufen, z. B. Erzeugung von Mikrobrüchen in den Si-Chips. Aus diesem Grund wurde angenommen, daß die Zugabe verschiedener Elemente zur Steigerung der Härte von Bonding-Materialien unerwünscht ist.
Neuere Entwicklungen in der Bonding-Technik haben jedoch ergeben, daß Si-Chips gebunden werden können und kaum zerstört werden, sogar wenn sich die Härte des kugelförmigen Bereiches bis zu einem gewissen Grad verändert hat, was die Einverleibung von zusätzlichen oder Legierungselementen in größeren Mengen als bisher ermöglichte.
Ferner besteht eine steigende Tendenz dahingehend, daß Halbleiter und Halbleitervorrichtungen unter härteren Bedingungen, wie hohen Temperaturen, bei gleichzeitig erhöhtem Bedarf nach verbesserter Zuverlässigkeit verwendet werden müssen. Dies ruft neue Probleme, wie Korrosion von Kreuzungs- oder Bindungsstellen zwischen dem Kupferdraht und einer Aluminiumlegierungsdrahtscheide, hervor, welche als Ergebnis der Ezeugung einer lokalen elektrischen Zelle zwischen den beiden auftritt, was zum Bruch des Drahtes oder seiner Ablösung führt.
Als Ergebnis intensiver Forschung im Hinblick auf die Umgehung der vorgenannten Mängel des Standes der Technik sowie auf die Entwicklung von Kupfer-Bonding-Drähten ist nunmehr herausgefunden worden, daß
  • (a) wenn der Gesamtgehalt an Schwefel (S), Selen (Se) und Tellur (Te) im Kupfer 1,0 ppm übersteigt, ungünstige Einflüsse auf die Korrosionsbeständigkeit der Verbindungsstelle zwischen dem Draht und einer Aluminiumlegierungsdrahtscheide beobachtet werden;
  • (b) die Einverleibung von mindestens einem Mitglied, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Si, Al, Cr, Fe, Mn, Ni, P, Sn und Zn, in das vorgenannte Basismaterial in Mengen im Bereich von insgesamt 1,0 bis 500 ppm die Korrosionsbeständigkeit des Verbindungspunktes zwischen dem Draht und der Drahtscheide beträchtlich erhöht;
  • (c) Die Einverleibung des vorgenannten Elementes oder der Elemente in ein Basismaterial, das S, Se und/oder Te in Gesamtmengen über 1,00 ppm enthält, nicht nur zum Nachteil einer erhöhten Härte des Basismaterials selbst, sondern auch dazu führt, daß eine Verbesserung der Korrosionsbeständigkeit der Verbindungsstelle nicht erreicht werden kann.
Die vorliegende Erfindung beruht auf diesen Erkenntnissen und liefert einen ultrafeinen Draht, der
  • (a) ein Basismaterial im wesentlichen aus einem sauerstofffreien Kupfer, enthaltend nicht mehr als insgesamt 1,0 ppm mindestens eines Mitgliedes, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus S, Se und Te, und als Rest Kupfer, sowie
  • (b) mindestens ein Legierungselement, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Si, Al, Cr, Fe, Mn, Ni, P, Sn und Zn, in einer Gesamtmenge im Bereich von 1,0 bis 500 ppm enthält.
Die vorliegende Erfindung stellt auch eine Halbleitervorrichtung bereit, die den vorstehend beschriebenen hochreinen, ultrafeinen, sauerstofffreien Kupferlegierungsdraht als Bonding-Draht enthält.
Im erfindungsgemäßen ultrafeinen Kupferlegierungsdraht kann die Härte ohne Verschlechterung der Korrosionsbeständigkeit herabgesetzt werden, indem der Gesamtgehalt an S, Se und Te im hochreinen sauerstofffreien Kupfer auf einen Gehalt von 1,0 ppm oder weniger festgelegt wird. Zudem kann die Bildung einer lokalen elektrischen Zelle an der Verbindungsstelle verhindert und die Korrosionsbeständigkeit bei hohen Temperaturen verbessert werden, wenn der Draht an die Si-Chips oder an die Oberfläche der Führungsrahmen in der Hitze gebunden wird, und zwar indem man mindestens ein Mitglied, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Si, Al, Cr, Fe, Mn, Ni, P, Sn und Zn, in einer Menge von 1,0 bis 500 ppm inkorporiert, wodurch die Korrosionsbeständigkeit der Bindungsstelle unter Anstieg der Härte gewährleistet wird, die in einem Bereich liegt, bei dem Bindung möglich bleibt.
Weiterhin können bei den unter Verwendung des erfindungsgemäßen ultrafeinen Kupferdrahtes hergestellten Halbleitervorrichtungen Schadensfälle verhindert werden, wie sie als Drahtbrüche wegen Korrosion infolge der Bildung einer lokalen elektrischen Zelle am Bindungspunkt zwichen dem Draht und einem Aluminiumlegierungsüberzug auftreten können. Deshalb erweist sich die Vorrichtung in hohem Maße als widerstandsfähig gegenüber unerwünschten Umwelteinflüssen, wie hohen Temperaturen.
Im ultrafeinen Kupferlegierungsdraht der vorliegenden Erfindung beträgt die Gesamtmenge der Legierungsbestandteile, d. h. mindestens eines Mitgliedes, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Si, Al, Cr, Fe, Mn, Ni, P, Sn und Zn, 1,0 bis 500 ppm. Wenn der Gesamtgehalt der Legierungsbestandteile unter 1,0 ppm liegt, wird kein Effekt hinsichtlich der Verbesserung der Korrosionsbeständigkeit am Bindungspunkt zwischen dem Draht und einer Aluminiumlegierungsdrahtscheide oder einem entsprechenden Überzug in der Halbleitervorrichtung bei hohen Temperaturen erzielt. Wenn andererseits der Gehalt über 500 ppm liegt, treten bei der Herstellung abrupt Härtungen unter gleichzeitiger Deformation des kugelförmigen Bereiches auf, der an der Spitze des Drahtes während des mit dem Draht bewerkstelligten Bindevorganges gebildet wird, und deshalb wird es schwierig, die als Konstruktionsmerkmal erschwerte Bruchneigung des Draht-Bonding zu bewirken. Die Obergrenze des Gesamtgehaltes an S, Se und Te als unvermeidbare Verunreinigungen wird empirisch festgelegt. Wenn der Gehalt über dieser Obergrenze liegt, steigt nicht nur die Härte an, sondern es kann auch die Herabsetzung der Korrosionsbeständigkeit beim herkömmlichen Kupfer-Bonding-Draht nicht verhindert werden.
Vorzugsweise enthält der ultrafeine Kupfer-Bonding-Draht Si in einer Menge von nicht weniger als 1,0 ppm und auch mindestens ein Mitglied, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Al, Cr, Fe, Mn, Ni, P, Sn und Zn, in einer Gesamtmenge von 1,0 bis 500 ppm, und zwar zusammengenommen mit Si.
Der erfindungsgemäße ultrafeine Kupferlegierungsdraht wird nun detaillierter unter Bezug auf die Beispiele beschrieben, wobei diese lediglich als Beispiele dienen und die vorliegende Erfindung nicht auf sie beschränkt sein soll.
Beispiel 1
Nachdem gewöhnliches elektrisches Kupfer, das als Ausgangsmaterial verwendet wurde, wiederholt einer elektrolytischen Reinigung unterzogen wurde, erfolgte die Zugabe eines Elementes, das zur Bildung einer Verbindung mit S, Se oder Te geeignet ist, wie La, und die Mischung wurde einer Zonenraffinierung unterworfen, um hochreines sauerstofffreies Kupfer, enthaltend S, Se und Te, in einer Gesamtmenge von nicht höher als 1,0 ppm herzustellen. Anschließend wurde das hochreine sauerstofffreie Kupfer in einem Vakuumschmelzofen geschmolzen und mindestens ein Mitglied, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Al, Cr, Fe, Mn, Ni, P, Sn und Zn, in einer Gesamtmenge von 1,0 bis 500 ppm, wie in Tabelle 1 gezeigt, zugegeben und die Mischung gegossen. Das so erhaltene Kupferprodukt wurde unter gewöhnlichen Bedingungen Heiß- und Kaltziehstufen unterworfen, um ultrafeine Drahtproben 1 bis 15 mit einem Durchmesser von jeweils 25 µm herzustellen.
Zum Vergleich wurden Vergleichsproben 1 bis 4 hergestellt, in denen mindestens ein Mitglied, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Al, Cr, Fe, Mn, Ni, P, Sn und Zn, in einer Gesamtmenge unter 1,0 ppm oder über 500 ppm enthalten war.
Dann wurde unter Einsatz dieser verschiedenen ultrafeinen Kupferdrähte Kugel-Bonding (ball bonding) an Al-Legierungsdrahtscheiden aufweisenden Si-Chips, die gegenüber Kugel-Bonding beständig waren, durchgeführt und die Zahl der gebildeten Mikrobrüche gemessen.
Des weiteren wurden unter Verwendung solcher Drähte hergestellte Halbleitervorrichtungen bei hohen Temperaturen von 250°C 30 Stunden lang stehen gelassen und dann die Anzahl der schwachen Verbindungsstellen ermittelt. Die erhaltenen Ergebnisse sind in Tabelle 1 aufgeführt.
Tabelle 1
Die Ergebnisse aus Tabelle 1 legen dar, daß die erfindungsgemäßen ultrafeinen Kupferlegierungsdrähte, ausgenommen die Beispiele 3, 4, 8 und 13, keine Korrosionsbrüche an den Verbindungsstellen zwischen dem Draht und der Al-Legierungsdrahtscheide und die Beispiele 3, 4, 8 und 13 Brüche in einem geringeren Ausmaß als die Vergleichsbeispiele 1 und 2 zeigten, in denen wegen des niedrigen Gehaltes an Legierungselement keine Verbesserung der Korrosionsbeständigkeit erreicht wurde. In den Vergleichsbeispielen 3 und 4 war die Kugelhärte wegen des hohen Gehaltes an Legierungselement groß, weshalb Schadensfälle oder Mikrobrüche nicht verhindert wurden, sogar bei Si-Chips mit Bruchbeständigkeit.
Beispiel 2
Das hochreine, sauerstofffreie Kupfer, enthaltend S, Se und Te in einer Gesamtmenge von nicht mehr als 1,0 ppm, wurde in derselben Weise wie in Beispiel 1 hergestellt und in einemVakuumschmelzofen geschmolzen. Si wurde als Legierungsbestandteil dem geschmolzenen Kupfer in den in Tabelle 2 gezeigten Mengen zugefügt und die Mischung gegossen. Diese Gießprodukte wurden heiß und kalt gezogen, um erfindungsgemäße ultrafeine Kupferlegierungsdrähte mit einem Durchmesser von 25 µm (Beispiele 2-1 bis 2-11) zu erhalten.
In den zu Vergleichszwecken ebenfalls hergestellten Vergleichsbeispielen 2-1 bis 2-3 lag der Gehalt an Si unter 1,0 ppm oder über 500 ppm.
Verschiedene ultrafeine Kupferlegierungsdrähte wurden durch Kugel-Bonding an Si-Chips gebunden, welche eine Al-Legierungsdrahtscheide aufwiesen und wegen dieser Bindung bruchbeständig waren. Es wurde die Anzahl der aufgetretenen Mikrobrüche ermittelt.
Weiterhin wurden unter Einsatz solcher Drähte hergestellte Halbleitervorrichtungen bei hohen Temperaturen von 250°C 30 Stunden lang stehen gelassen und dann die Anzahl der schwachen Verbindungsstellen ermittelt. Die Ergebnisse sind in Tabelle 2 gezeigt.
Tabelle 2
Aus den Ergebnissen der Tabelle 2 ist ersichtlich, daß die erfindungsgemäßen ultrafeinen Kupferlegierungsdrähte, ausgenommen Beispiele 2-1 bis 2-4, keine Korrosionsbrüche an den Verbindungsstellen zwischen dem Draht und der Al-Legierungsdrahtscheide zeigten, während sich in den Vergleichsbeispielen 2-1 und 2-2 die Korrosionsbeständigkeit wegen des geringen Gehaltes an Si nicht verbesserte. Im Vergleichsbeispiel 3 war die Kugelhärte wegen des hohen Gehaltes an Si groß, deshalb wurden Schadensfälle an der Drahtscheide oder Mikrobrüche nicht verhindert, sogar bei Si-Chips mit Bruchbeständigkeit.
Beispiel 3
Das hochreine, sauerstofffreie Kupfer, enthaltend S, Se und Te in einer Gesamtmenge, die nicht mehr als 1 ppm betrug, wurde in derselben Weise wie in Beispiel 1 hergestellt und in einem Vakuumschmelzofen geschmolzen. Si wurde dem geschmolzenen Kupfer in einer Menge nicht unter 1 ppm und mindestens auch ein Mitglied, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Al, Cr, Fe, Mn, Ni, P, Sn und Zn, als ein Legierungsbestandteil in einer Gesamtmenge von 1,0 bis 500 ppm, zusammengenommen mit Si, zugefügt und die Mischung gegossen. Diese Gießprodukte wurden heiß und kalt gezogen, um erfindungsgemäße ultrafeine Kupferlegierungsdrähte mit einem Durchmesser von 25 µm (Beispiele 3-1 bis 3-18) zu erhalten.
Zu Vergleichszwecken wurden ebenfalls Vergleichsbeispiele 3-1 bis 3-4 hergestellt, in denen der Gesamtgehalt an Si und den anderen Legierungsbestandteilen unter 1,0 ppm oder über 500 ppm lag.
Dieselben Versuche wie in Beispiel 1 wurden unter Einsatz dieser ultrafeinen Drähte wiederholt. Die Ergebnisse sind in Tabelle 3 gezeigt.
Tabelle 3
Die Ergebnisse der Tabelle 3 verdeutlichen, daß die erfindungsgemäßen ultrafeinen Kupferlegierungsdrähte, ausgenommen Beispiele 3-1 und 3-3, keine Korrosionsbrüche an den Verbindungsstellen zwischen dem Draht und der Al-Legierungsdrahtscheide zeigten, während sich in Vergleichsbeispiel 3-1 die Korrosionsbeständigkeit wegen des niedrigen Gehaltes an Si und Al nicht verbesserte. In den Vergleichsbeispielen 3-2 bis 3-4 war die Kugelhärte wegen des hohen Gehaltes an Si und der anderen Legierungsbestandteile groß, deshalb wurden Schadensfälle an der Drahtscheide oder Mikrobrüche nicht verhindert, sogar bei Si-Chips mit Bruchbeständigkeit.

Claims (6)

1. Ultrafeiner Kupferlegierungsdraht, umfassend
  • (a) ein Basismaterial, das im wesentlichen aus sauerstofffreiem Kupfer zusammengesetzt ist, das nicht mehr als insgesamt 1,0 ppm mindestens eines Mitgliedes, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus S, Se und Te, und als Restmenge Kupfer enthält, sowie
  • (b) mindestens ein Legierungselement, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Si, Al, Cr, Fe, Mn, Ni, P, Sn und Zn, in einer Gesamtmenge im Bereich von 1,0 bis 500 ppm.
2. Ultrafeiner Kupferlegierungsdraht gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das genannte Legierungselement Si ist.
3. Ultrafeiner Kupferlegierungsdraht gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das genannte Legierungselement Si und mindestens ein Mitglied, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Al, Cr, Fe, Mn, Ni, P, Sn und Zn, ist, wobei die Gesamtmenge des Legierungselementes im Bereich von 1,0 bis 500 ppm liegt.
4. Halbleitervorrichtung, umfassend einen Halbleiterschaltkreis, einen Führungsrahmen und einen Bonding-Draht, dadurch gekennzeichnet, daß der genannte Bonding-Draht ein ultrafeiner Kupferlegierungsdraht ist, der
  • (a) ein Basismaterial, im wesentlichen zusammengesetzt aus sauerstofffreiem Kupfer, enthaltend nicht mehr als insgesamt 1,0 ppm mindestens eines Mitgliedes, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus S, Se und Te, und als Restmenge Kupfer, sowie
  • (b) mindestens ein Legierungselement, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Si, Al, Cr, Fe, Mn, Ni, P, Sn und Zn, in einer Gesamtmenge im Bereich von 1,0 bis 500 ppm enthält.
5. Halbleitervorrichtung gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das genannte Legierungselement Si ist.
6. Halbleitervorrichtung gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das genannte Legierungselement Si und mindestens ein Mitglied, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Al, Cr, Fe, Mn, Ni, P, Sn und Zn, ist, wobei die Gesamtmenge des Legierungselementes im Bereich von 1,0 bis 500 ppm liegt.
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