DE3938152A1 - Verfahren zur herstellung eines halbleiterbauelements - Google Patents

Verfahren zur herstellung eines halbleiterbauelements

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements, bei dem insbesondere dünne Metall­ drähte - ausgenommen Golddrähte - für die Verdrahtung zwi­ schen den Elektroden eines Halbleiterchips und externen Zuleitungen verwendet werden und eine höhere Zuverlässig­ keit erreicht wird als bei mit Golddraht verdrahteten Halb­ leiterbauelementen.
Die Fig. 1 und 2 sind Schnittansichten von Halbleiterbau­ elementen, die mit bekannten Verfahren hergestellt sind, und zwar sind insbesondere Elektrodenkonstruktionen des Bauelements gezeigt. Jedes Halbleiterbauelement 1, 1 a hat ein Si-Substrat 11, auf dem ein SiO₂-Film gebildet ist, der seinerseits von einem Al-Film 13 überdeckt ist.
Das Si-Substrat 11 ist mit einer Chipkontaktstelle 14 eines Leiterrahmens durch ein Bondmaterial wie Epoxidharz 16 oder ein Au-Si-Lot 17 verbunden. Ein dünner Metalldraht 21, der hier ein Kupferdraht ist, wurde an seinem Ende zum Schmel­ zen gebracht, um eine Kupferkugel 22 zu bilden. Die Kupfer­ kugel 22 wird mittels eines Thermokompressions-Chips (nicht gezeigt) gegen den Al-Film 13 gedrückt, so daß sie pla­ stisch verformt wird. Ultraschallenergie wird gemeinsam mit der Wärmeenergie von 250-400°C vom Substrat 11 aus zur Einwirkung gebracht, so daß eine intermetallische Verbin­ dung zwischen dem Film 13 und der Kupferkugel 22 entsteht. Insbesondere umfaßt diese intermetallische Verbindung 31 bzw. 32 bzw. 33 die R-Phase (CuAl₂), die η₂-Phase (CuAl) und die γ₂-Phase (Cu₉Al₄). Das Halbleiterbauelement wird dann in ein Keramikgehäuse mit Leerraum für den Chip dicht eingesetzt oder mit Kunstharz umgossen. Anscheinend ist die R-Phasenschicht 31 von Fig. 1 eine nichtgleichförmige Legierungsschicht, deren Dicke stark schwankt, wogegen die R-Phasenschicht 31, die η₂-Phasenschicht 32 und die γ₂- Phasenschicht 33 von Fig. 2 gleichförmige Legierungsschich­ ten mit nur geringer Dickenschwankung sind.
Die intermetallische Verbindung der Legierungsschicht kann durch die Farbe der Legierungsschichtphase bestimmt werden:
Der Al-Film 13 wird mit Phosphorsäure (H₃PO₄) geätzt, die Kupferkugel 22 wird durch Behandlung mit wäßriger Natrium­ hydroxidlösung (NaOH) zum Verfärben gebracht, und die R-Phasenschicht 31 wird durch eine braune Färbung an der Bondfläche bestimmt.
Fig. 3 zeigt schematisch eine Bondfläche der Kupferkugel 22 von Fig. 1. Dabei existiert die Braunfärbung (R-Phase 31) nicht gleichmäßig über die gesamte Fläche, und hier und da erkennt man Abschnitte, die nicht braun gefärbt sind und an denen die R-Phase nicht ausgebildet ist.
Fig. 4 zeigt schematisch eine Bondfläche der Kupferkugel 22 von Fig. 2. Die Braunfärbung (R-Phase) ist über die Ge­ samtfläche verteilt, und die weiße bzw. die blaue η₂-Phase 32 bzw. γ₂-Phase 33 liegen lokal vor.
Die JP-OS 62-2 65 729 beschreibt ein Halbleiterbauelement. Aus der entsprechenden Beschreibung geht hervor, daß die Konstruktion dieses Bauelements ähnlich dem in den Fig. 2 und 4 gezeigten Aufbau ist, d. h. daß in der Legierungs­ schicht die R-Phase (CuAl₂), die η₂-Phase (CuAl) und die γ₂-Phase (Cu₉Al₄) vorliegen.
Das bekannte Halbleiterbauelement hat eine Bondstruktur wie oben beschrieben. Es ist entweder dicht in einem Keramik­ gehäuse mit Platz für den Chip angeordnet oder mit Harz umspritzt.
Die Zuverlässigkeit eines Halbleiterbauelements wird durch eine Kurzzeit-Zuverlässigkeitsprüfung ermittelt. Bei dem Bauelement mit dichtem Keramikgehäuse ergeben sich kaum Probleme. Wenn das Bauelement aber mit Epoxidharz umspritzt ist, treten insbesondere bei der Hochtemperatur-Lagerprü­ fung (250°C) stärkere Schwankungen der Zuverlässigkeit dieses Bauelements als bei dem Bauelement mit Golddraht auf. Außerdem ist die Standzeit im Hochtemperatur-Lagertest im wesentlichen gleich derjenigen des Bauelements mit Gold­ draht, so daß die Erwartungen, daß das Bauelement mit Kup­ ferdraht eine höhere Lebenserwartung im höheren Temperatur­ bereich als das Bauelement mit Golddraht hat, nicht erfüllt werden.
Aufgabe der Erfindung ist daher die Lösung des vorgenannten Problems, wobei verhindert werden soll, daß sich die Kupfer-Aluminium-Legierungsschicht in dem bei hoher Tempe­ ratur geformten Epoxidgehäuse verschlechtert; dazu soll ein Verfahren angegeben werden, mit dem die Herstellung von Halbleiterbauelementen gleichbleibender Güte ermöglicht wird.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements angegeben, das folgende Schritte umfaßt: Bonden eines Halbleiterchips auf eine Chipkontaktstelle eines Leiterrahmens mittels eines Bondmaterials; Verdrahten einer Aluminiumelektrode auf dem Chip mit einer externen Zuleitung mittels eines dünnen Kupferdrahts; und Umspritzen der Baugruppe mit Harz. Dabei wird die an einem Ende des Kupferdrahts gebildete Kupfer­ kugel auf die Elektrode des erwärmten Halbleiterchips ge­ preßt, und die Kupferkugel wird darauf plastisch verformt, so daß eine intermetallische R-Phasenverbindung (CuAl₂) gebildet wird.
An Hand der Zeichnung wird die Erfindung beispielsweise näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 und 2 Schnittansichten von Halbleiterbauelementen, die mit konventionellen Verfahren hergestellt sind;
Fig. 3 eine schematische Darstellung, die den Zustand des Bondbereichs einer Kupferkugel von Fig. 1 zeigt;
Fig. 4 eine schematische Darstellung, die den Zustand des Bondbereichs einer Kupferkugel von Fig. 2 zeigt;
Fig. 5a bis 5c Schnitte von Proben eines epoxidharzumspritz­ ten Einphasen-Grundmaterials einer Kupfer- Aluminium-Legierung nach Lagerung bei hoher Temperatur;
Fig. 6 einen Schnitt einer Probe eines Vielphasen- Grundmaterials einer Kupfer-Aluminium-Legie­ rung nach einer Reihe von Verfahrensschritten, und zwar Walzen, Wärmebehandeln, Epoxidharz­ umspritzen und Lagern bei hoher Temperatur;
Fig. 7 und 8 Schnitte von Kupfer-Aluminium-Bondabschnitten des Halbleiterbauelements von Fig. 2 nach Lagerung bei hoher Temperatur;
Fig. 9 einen Schnitt durch ein Halbleiterbauelement, das mit dem Verfahren nach der Erfindung her­ gestellt ist;
Fig. 10 eine schematische Ansicht, die den Zustand eines Bondbereichs einer Kupferkugel bei dem Aufbau von Fig. 9 zeigt; und
Fig. 11 ein Diagramm, das den Fehleranteil über der Lagerzeit zeigt, beobachtet in einem Hochtem­ peratur-Zuverlässigkeitstest mit einem kon­ ventionellen und einem erfindungsgemäßen Halb­ leiterbauelement.
Der folgende Test wurde durchgeführt, um das Verhalten einer Kupfer-Aluminium-Legierung beim Umspritzen mit Epoxidharz zu untersuchen. Stücke von Einphasen-Grundma­ terial, und zwar R-Phase (CuAl₂), η₂-Phase (CuAl) und γ₂-Phase (Cu₉Al₄), und Vielphasen-Grundmaterial, das durch Säubern der Oberfläche von Al- und Cu-Grundmaterial, Ein­ walzen und Lagern bei hoher Temperatur unter gegenseitigem Diffundieren hergestellt ist, wurden bereitgestellt. Diese Grundmaterialien wurde mit Epoxidharz umspritzt und bei hoher Temperatur gelagert. Querschnitte der Proben wurden dann untersucht.
Die Fig. 5a bis 5c sind schematische Schnitte durch das Einphasen-Grundmaterial, und Fig. 6 ist ein Schnitt durch ein Vielphasen-Grundmaterial.
Nach Fig. 5b wurde eine geschädigte η₂-Phase 34 um die γ₂-Phase 32 herum beobachtet, wogegen in Fig. 5a eine geschädigte γ₂-Phase 35 um die γ₂-Phase 33 herum beobachtet wurde. Es wurde jedoch keine Schädigung der R-Phase 31 beobachtet, wie Fig. 5c zeigt. Hinsichtlich des Viel­ phasen-Grundmaterials wurde keine Schädigung des Grundma­ terials Al 18, des Grundmaterials Cu 23 und der R-Phase 31 beobachtet, während die η₂-Phase und die γ₂-Phase Schä­ digungen aufwiesen, wie bei 34 und 35 angedeutet ist.
Aus diesem Untersuchungsergebnis ist ersichtlich, daß in der Kupfer-Aluminium-Legierung eine Legierungsphase vor­ liegt, die selektiv geschädigt wird, wenn die Legierung beim Umspritzen mit Epoxidharz bei hoher Temperatur gela­ gert wird.
Um dies beim Bonden einer Al-Elektrode und eines Kupfer­ drahts zu bestätigen, wurde der folgende Test durchgeführt. Dabei wurde ein harzumspritztes Halbleiterbauelement gemäß Fig. 2 in einem Thermostatofen bei 250°C gehalten, und der elektrische Widerstand der Bondgrenze der Elektrode und des Kupferdrahts 21 wurde gemessen, um den Schädigungszustand der Bondfläche zu untersuchen. Die Fig. 7 und 8 sind Quer­ schnitte der Bondfläche, die für 20 h bzw. 30 h entspre­ chend gelagert war.
Gemäß Fig. 7 verläuft der Schädigungsbereich um die Grenze zwischen der Kupferkugel 22 und der Al-Schicht 13 in die Mitte der Kupferkugel 22 und breitet sich weit aus. Es ist ersichtlich, daß auf der Al-Schicht 13 eine R-Phase 31 gebildet ist. Ferner sind im Kernabschnitt der Kupferkugel 22 eine η₂-Phase 32 und eine γ₂-Phase 33 gebildet, in die die Schädigung noch nicht fortgeschritten ist. Außerdem werden eine geschädigte η₂-Phase 34 und eine geschädigte γ₂-Phase 35 im Bereich um die Grenze der Kupferkugel 22 beobachtet.
Fig. 8 zeigt den Zustand nach 30 h Lagerzeit bei hoher Temperatur; es ist ersichtlich, daß die gesamte Bondfläche vollständig geschädigt ist. Daraus wird folgendes geschlos­ sen: Während einer langen Lagerzeit bei 250°C laufen die Schädigung und das Wachstum der Kupfer-Aluminium-Schicht gleichzeitig ab; d. h. die geschädigten Bereiche 34 und 35 der η₂- und der γ₂-Phase breiten sich gleichzeitig mit dem Wachstum der h₂-Phase 32 und der γ₂-Phase 33 aus, was durch den vorher erwähnten Grundmaterialtest bestätigt wird. Tat­ sächlich endet die Lebensdauer der Bondfläche als Halblei­ terbauelement im Zustand zwischen den Fig. 7 und 8, d. h. dort beginnt der Ausfall.
Durch die vorstehend erläuterten Testreihen wurde gefunden, daß die Technik der Herstellung nur einer gleichförmigen R-Phase im Bondbereich es ermöglicht, die höchste Zuverläs­ sigkeit von Halbleiterbauelementen mit Kupferdraht 21 zu erreichen.
Nachstehend folgt die Beschreibung des Herstellungsver­ fahrens für ein Halbleiterbauelement.
Gemäß Fig. 9 wird ein Si-Substrat 11 eines Halbleiterbau­ elements 1 A auf eine Chipkontaktstelle 14 eines Leiterrah­ mens gebondet, wobei als Bondmaterial ein Silikonharz 15 verwendet wird. Ein dünner Metalldraht, der hier ein Kup­ ferdraht 21 ist, wird am Ende angeschmolzen unter Bildung einer Kupferkugel 22. Die Kupferkugel 22 wird mit einer Kraft von 130-180 g von einem Thermokompressionschip (nicht gezeigt) auf eine Al-Schicht 13 gepreßt, die auf einer auf dem Si-Substrat 11 gebildeten SiO₂-Schicht 12 gebildet ist, und wird somit plastisch verformt. Gleichzeitig wird Ultra­ schallenergie einer Frequenz von 60 kHz für 30 ms zur Ein­ wirkung auf den Bondbereich der Kupferkugel 22 und der Al- Schicht 13 mit dem Thermokompressions-Chip gebracht, um Oxidbeläge auf den Oberflächen der Kupferkugel 22 und der Al-Schicht 13 zu entfernen, wodurch die oxidfreie Gleit­ linienfläche des Cu- und Al-Atoms selbst freigelegt wird. Infolgedessen diffundieren die Atome von Cu und Al durch die auf den Bondbereich einwirkende Wärmeenergie inein­ ander, wobei die Wärmeenergie im allgemeinen ausreichend lang einwirkt, um den Bondbereich auf 250-400°C zu halten. Die intermetallische R-Phasenverbindung CuAl₂ wird durch das gegenseitige Diffundieren von Cu und Al gebildet. Die intermetallische R-Phasenverbindung CuAl₂ entsteht, wenn die Kupferatome in einem Verhältnis von Al : Cu=2 : 1 in die Al-Atome diffundieren. Bei dem Verfahren nach der Erfindung wird das Wachstum des R-Phasenbereichs 31 dann gefördert, wenn der Bonddruck und die Bondtemperatur einen bestimmten Wert haben, wenn die Temperatur der Cu-Atome höher als die der Al-Atome ist, oder wenn die Schwingung der Al-Atome stärker als die der Cu-Atome ist. Nach dem Bondvorgang wer­ den die Kupferkugel 22 und die Al-Schicht in einem Keramik­ gehäuse dicht angeordnet oder mit Epoxidharz umspritzt.
Bei dem Halbleiterbauelement nach der Erfindung wird also der Bondbereich im wesentlichen von dem intermetallischen Verbindungsbereich 31 der R-Phase eingenommen. Wenn die­ ses Halbleiterbauelement bei 250°C gelagert wird, beginnen eine η₂-Phase 32 und die γ₂-Phase 33, die anfangs nicht existieren, zu erscheinen, und gleichzeitig beginnt die Schädigung durch den Einfluß des Epoxidharzes. Somit laufen die Schädigung und das Wachstum der Legierungsschicht gleichzeitig ab, und die Lebensdauer des Bauelements ist abgelaufen, wenn der Zustand von Fig. 7 erreicht ist.
Die Herstellung des Halbleiterbauelements kann unter Aus­ wertung des Zustands der R-Phase 31 durchgeführt werden. Dabei werden während des Herstellungsvorgangs einige Proben der Halbleiterbauelemente entnommen und der Farbtest daran durchgeführt, wobei, wie eingangs erläutert wurde, die Bondfläche mit Phosphorsäuren geätzt und dann mit einer wäß­ rigen Natriumhydroxidlösung gefärbt wird. Die Produktion kann fortgesetzt werden, wenn z. B. mindestens 80% der gesamten Bondfläche eine Braunfärbung zeigt, was die Anwe­ senheit der R-Phasenfläche anzeigt. Ein solches Vorgehen gewährleistet die kontinuierliche Produktion von Halblei­ terbauelementen unter Sicherstellung einer hohen Produkt­ güte. Fig. 10 zeigt schematisch den Zustand, in dem die R-Phase 31 gleichmäßig auf der gesamten Bondfläche gebildet wird.
Wie aus der obigen Beschreibung hervorgeht, liegt die charakteristische Besonderheit der Erfindung in der Opti­ mierung des Chipbondmaterials, mit dem ein Halbleiterchip und eine Chipkontaktfläche gebondet werden. Die Eigenschaf­ ten des hier als Bondmaterial verwendeten Silikonharzes sind in der nachstehenden Tabelle gemeinsam mit denen eines Epoxidharzes und eines Au-Si-Lots, die üblicherweise verwendet werden, aufgelistet.
Eigenschaften von Chipbondmaterial
Das Au-Si-Lot schmilzt nicht bei der Drahtbondtemperatur und hat einen hohen Elastizitätsmodul. Ferner tendiert die­ ses Bondmaterial dazu, die Bildung einer intermetallischen Allphasen-Verbindung, d. h. η₂-, γ₂- und R-Phase, zuzu­ lassen. Dagegen hat das Epoxidharz eine Glasübergangstem­ peratur (Tg) unterhalb der Drahtbondtemperatur, so daß es thermisch zersetzt wird, wenn der Elastizitätsmodul beein­ trächtigt wird, und der R-Phasenbereich ungleichförmig ausgebildet wird. Insbesondere nimmt dabei der Elastizi­ tätsmodul nichtlinear ab, so daß die Chipkontaktfläche 14 sich vom Si-Substrat 11 lösen kann. Ferner sind die Ultra­ schallschwingungen unregelmäßig. Dagegen liegt die Glas­ übergangstemperatur (Tg) des Silikonharzes erheblich unter der Drahtbondtemperatur, so daß im Verlauf des Bondvorgangs kein Ausfall dieses Harzes auftritt. Infolgedessen tritt keine nichtlineare Änderung des Elastizitätsmoduls ein, und dieser übersteigt nicht 1,0×10² kg/cm², so daß der R-Phasenbereich gleichmäßig gebildet werden kann.
Bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel wird zwar ein Silikonharz verwendet, dies dient jedoch nur als Beispiel, und andere geeignete Werkstoffe, die einen Elastizitäts­ modul von weniger als 1,0×10² kg/cm² zwischen Raumtempe­ ratur und ca. 400°C haben, können eine gleiche Auswirkung haben. Der Elastizitätsmodul solcher Werkstoffe liegt be­ vorzugt im Bereich zwischen 1 kg/cm² und 1,0×10² kg/cm².
Fig. 11 ist das Wibble-Diagramm, das den fehlerhaften Anteil über der Halbleiterbauelement-Lagerzeit bei 250°C zeigt. Die Charakteristiken eines gemäß der Erfindung erzeugten und eines konventionellen Halbleiterbauelements sind mit 5 bzw. 6 bezeichnet. Es ist ersichtlich, daß das gemäß der Erfindung hergestellte Halbleiterbauelement auch nach Lagerung für 100-130 h Zuverlässigkeit aufweist, wogegen das konventionelle Halbleiterbauelement eine ver­ gleichsweise kurze Betriebslebensdauer von ca. 20-30 h hat.

Claims (4)

1. Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements, gekennzeichnet durch Bonden eines Halbleiterchips auf eine Chipkontaktfläche eines Leiterrahmens mit einem Bondmaterial;
Bonden einer hauptsächlich aus Aluminium bestehenden Elektrode, die auf dem Halbleiterchip vorhanden ist, mit einem als externe Zuleitung dienenden Kupferdraht und
Harzumspritzen des gesamten Bondbereichs zwischen der Elektrode und der externen Zuleitung;
wobei das Bonden von Elektrode und externer Zuleitung erfolgt durch Anschmelzen eines Endes des Kupferdrahts unter Bildung einer Kupferkugel und Pressen der Kupferkugel auf die Elektrode des erwärmten Chips unter plastischer Verformung der Kupferkugel, um dadurch eine intermetalli­ sche R-Phasenverbindung (CuAl₂) von Kupfer und Aluminium in dem Bereich zu bilden, in dem die verformte Kupferkugel gegen die Elektrode gepreßt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Bondmaterial ein Silikonharz ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Bondmaterial einen Elastizitätsmodul zwischen 1 kg/cm² und 1,0×10² kg/cm² zwischen Raumtemperatur und ca. 400°C aufweist.
4. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Beaufschlagen der Bondfläche der Kupferkugel und der Elek­ trode mit Ultraschallenergie unter Entfernen von Oxidbe­ lägen auf der Kupferkugel und dem Aluminium der Elektrode.
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