DE3990432C1 - Bonddraht für Halbleiterelemente - Google Patents

Bonddraht für Halbleiterelemente

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DE3990432C1
DE3990432C1 DE3990432A DE3990432A DE3990432C1 DE 3990432 C1 DE3990432 C1 DE 3990432C1 DE 3990432 A DE3990432 A DE 3990432A DE 3990432 A DE3990432 A DE 3990432A DE 3990432 C1 DE3990432 C1 DE 3990432C1
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DE
Germany
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semiconductor element
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bond
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DE3990432A
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Ozeki Yoshio
Ono Yasuhide
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Nippon Steel Corp
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Nippon Steel Corp
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Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Bonddraht für ein Halbleiterelement.
Zum Verbinden von Elektroden eines Halbleiterelements mit äußeren Anschlüssen bzw. Zuleitungen wurde bisher ein Draht verwendet, der aus einer Goldlegierung besteht mit geringen Anteilen von Ca, Be, Ge und anderen. Dieser Banddraht auf der Basis von Gold hatte einen Durchmesser von 25 bis 50 µm.
Bei Verwendung eines solchen Drahtes wird zum Verbinden des Halbleiterelements mit einem Zuleitungsrahmen entweder ein Verfahren angewandt, bei dem beide Komponenten mit einem Ultraschall-Druckbondverfahren verbunden werden, oder für die Elektroden des Halbleiterelements ein Heißdruck-Bondverfahren angewendet, nach dem dessen Spitze jeweils durch einen Flammbogen kugelförmig ausgebildet worden ist.
Jedoch sind neuerdings IC-Bausteine herstellbar, die kleiner sind und einen höheren Integrationsgrad aufweisen, mit der Folge, daß sich aufgrund einer höheren Anzahl von Elektroden dadurch Probleme ergeben, weil die Elektroden eine zu große Fläche benötigen, wenn ein üblicher Drahtdurchmesser vorliegt. Zur Lösung dieses Problems ist es erforderlich, den Durchmesser des Drahts zu verkleinern. Bei dem derzeit zur Verfügung stehenden Draht besteht bei zu kleinen Abmessungen die Gefahr, daß dieser bei einem Verdrahtungsvorgang und dessen Verwendung bricht bzw. reißt. Der Draht ist somit für einen praktischen Einsatz nicht geeignet.
Aus diesem Grund wird für einen üblichen Draht ein Drahtdurchmesser von ungefähr 20 µm als untere Grenze angesehen.
Es sind einige Versuche bekannt, den Drahtdurchmesser zu verringern, z. B. wird gemäß den japanischen ungeprüften Patentveröffentlichungen Nr. 56-49 534 und 56-49 535 dem Gold bis zu 30 Gew.-% Pt oder bis zu 40% Pd beigefügt, um damit die Festigkeit des Drahts zu erhöhen und einen geringeren Drahtdurchmesser zu erreichen. Überschreitet jedoch der Anteil der Legierungselemente eine bestimmte Grenze, tritt das Problem auf, daß sich die Härte der Kugel erhöht und damit die für das Heißdruck-Bondverfahren notwendige Kraft vergrößert werden muß, mit der Folge, daß ein Halbleiterchip eines IC′s beschädigt werden kann. In der japanischen ungeprüften Patentveröffentlichung Nr. 60-15 958 wird ein Draht auf einer Goldbasislegierung als Bonddraht vorgeschlagen mit guten Heißdruck-Bondeigenschaften für die Verdrahtung von Elektroden, bei dem wenigstens ein anderes Element z. B. aus der Gruppe Ag, Cu, Ni, Pd, Pt dem Gold zugemischt wird, wobei der Anteil des anderen Elements zwischen 5 und 50 Gew.-% liegt. Dieser Draht hat ebenfalls die oben genannten Probleme. Es besteht daher ein Bedarf, einen neuen Bonddraht bereitzustellen, der geeignet ist, die Größe eines IC′s zu verkleinern und eine höhere Integrationsdichte zu erreichen, ohne besondere Modifikationen des üblichen IC′s und mit Hilfe eines üblichen Bondverfahrens.
Die DD 201 156 beschriebt einen Bonddraht zur Halbleiterkontaktierung, bestehend aus einer Edelmetall-Legierung auf Au- und Ag-Basis, wobei der Ag-Gehalt 30 Masseprozent beträgt. Ferner kann die Legierung Zusätze von Cu und/oder Ni und/oder Co in Konzentrationen von 5 Masseprozent aufweisen, wobei die üblichen Verunreinigungen Fe, Al, Pd, Pt, Sb, Bi, Ge, As einen Gesamtgehalt von 100 ppm nicht überschreiten dürfen.
Die JP-A-56-76 556 beschreibt einen Bonddraht auf Au-Basis mit mit Dotierungselementen aus der ersten Elementengruppe Ag, Ge, Ca, Fe, Mg, der zweiten Elementengruppe Ti, Cu, Si, Sn, Bi, Mn, Pb, Ni, Cr usw. und der dritten Elementengruppe anderer Metalle. Die genannten Dotierungselemente werden mit einem Anteil von etwa 0,5 bis 80 ppm hinzugefügt.
Die JP-A-60-30 158 betrifft einen Bonddraht auf Au-Basis, dem 0,0001 bis 0,01 Gew.-% Yttrium und/oder Seltene Erden und 0,0001 bis 0,01 Gew.-% Be, Ge, Sn, Pb und/oder Al zugesetzt sind.
In der DE-OS-23 03 519 sind Gußzusammensetzungen zum Erzeugen von Goldlegierungen beschrieben. Die Legierungen enthalten 0,01 bis 2 Gew.-% Al, Si und Mischungen aus beiden, um auf dem aus der Zusammensetzung gegossenen Produkt einen glänzenden Oberflächenüberzug zu erhalten. Ferner kann Kupfer als Härteelement in einer Menge von vorzugsweise mindestens 5 Gew.-% bis zu 50 Gew.-% vorhanden sein.
Die JP-A-56-13 740 beschreibt einen Bonddraht für ein Halbleiterelement. Dabei wird entweder Gold mit hoher Reinheit oder Gold mit einem Zusatz von 0,0003 bis 0,01 W/O Ca, Be, Ge, Ni, Fe, Co und/oder Ag mit einem nicht näher angegebenen Zusatz an Pd, Pt, Ir, Rh, Os und/oder Ru angegeben.
In der JP-A-59-119 752 ist ein Bonddraht für ein Halbleiterelement auf Goldbasis beschrieben, dem 0,0008 bis 0,001 Gew.-% Be und 0,001 bis 0,007 Gew.-% Pb zugefügt werden.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Bonddraht bereitzustellen, dessen Zuverlässigkeit im wesentlichen gleich der eines üblichen Drahts ist, selbst wenn der Drahtdurchmesser des Bonddrahts kleiner als der des üblichen Drahts gemacht wird und einen Bonddraht für ein Halbleiterelement bereitzustellen, wobei der Draht mit einem extrem kleinen Durchmesser herstellbar ist und dabei eine ausreichend hohe Festigkeit aufweist und wobei der Draht in bezug auf die Bruchgefahr beim Bonden verbessert ist.
Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen der Patentansprüche 1-4 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt
Fig. 1 ein Diagramm, in dem, in bezug auf die Bruchfestigkeit eines erfindungsgemäßen Bonddrahts, die Beziehung zwischen dem Kupferanteil und einer Wärmebehandlungsbedingung dargestellt ist, und
Fig. 2 eine schematische Ansicht zur Verdeutlichung des Verfahrens zum Messen der Bondfestigkeit.
Ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Bonddrahts für ein Halbleiterelement enthält mindestens 1 Gew.-% und weniger als 5 Gew.-% Cu in Au, weil Cu, das in Gold vollständig fest gelöst ist, nicht nur die Festigkeit des Basisdrahts, sondern auch dessen Bondfestigkeit erhöht, wodurch die Herstellung eines dünnen Drahts mit einem Drahtdurchmesser von 20 µm oder weniger möglich ist, also einem Draht, der im Stand der Technik nur schwer zu realisieren war, und wobei dieser Draht eine Bruchfestigkeit von 4 g (0,04 N) oder mehr aufweist.
Generell gilt, daß die Festigkeit größer wird mit einer Erhöhung des Anteils von Cu.
Wenn der Cu-Anteil jedoch 5% oder mehr beträgt, treten Probleme hinsichtlich der Antikorrosionseigenschaften auf, was zu einer Verschlechterung der Zuverlässigkeit über einen langen Zeitraum führt. Wenn der Cu-Anteil 5% erreicht, wird außerdem die Härte einer während des Bondvorgangs gebildeten Kugel größer und für das Heißdruck-Bondverfahren ist eine größere Kraft erforderlich, mit der Folge, daß ein Siliciumchip beschädigt werden kann.
Eine zu große Menge an Verunreinigungen im als Rohmaterialien verwendeten Gold und Kupfer führt dazu, daß die Eigenschaften eines Produkts instabil werden und dies kann zum Bruch während der Herstellung eines dünnen Drahtes und während des Bondvorgangs führen. Daher ist eine Reinheit von größer als 99,9% bevorzugt.
Es ist anzunehmen, daß der Grund für die durch den Anteil von Cu erhaltenen Effekte darin liegt, daß eine Fest-Lösung- Verstärkung und die Erzeugung eines Übergitters auftritt. Außerdem unterstützt Pt diese Effekte noch. Der Anteil von Pt ist bei einem weiteren Ausführungsbeispiel größer als 1 Gew.-% aber kleiner als 5 Gew.-%. Wenn der Pt-Anteil kleiner als diese Untergrenze ist, wird dieser Effekt nicht erzielt. Wenn der Pt-Anteil größer als die Obergrenze ist, können Defekte auftreten, die die Verformbarkeit verringern und die Härte der Kugel vergrößern.
Es ist bevorzugt, eine Wärmebehandlung bei einer Temperatur zwischen 200 bis 600°C für eine geeignete Zeitdauer durchzuführen, um eine geeignete Verformbarkeit und eine ausreichende Festigkeit sicherzustellen, indem während des Drahtziehvorgangs auftretende Werkstückspannungen abgebaut werden.
Ein dünner Draht hat nach dem Ziehen als Folge der Verarbeitungsverformung eine schlechte Verformbarkeit (Verlängerbarkeit) und weist unerwünschte Spiralverformungen auf, so daß dieser manchmal für einen praktischen Einsatz nicht verwendbar ist. Daher wird üblicherweise der Draht einem Glühvorgang unterzogen. Im allgemeinen gilt, je höher die Temperatur der Wärmebehandlung und je länger die Wärmebehandlung dauert, um so geringer ist die Festigkeit und um so größer ist die Verformbarkeit. Dabei variiert jedoch die Höhe in Abhängigkeit von dem Anteil der Legierungselemente. Es ist daher erforderlich, die Bedingungen für die Wärmebehandlung entsprechend dem Drahtdurchmesser und dessen Zusammensetzung auszuwählen. Durch die Wärmebehandlung erfolgt außerdem die Rekristallisation der Struktur und das Kornwachstum. Wenn die kristallinen Korngrößen den Drahtdurchmesser erreichen, verschlechtern sich wesentlich sowohl die Festigkeit als auch die Verformbarkeit. Es ist daher sehr wichtig, die Wärmebehandlungsbedingungen für den Fall eines dünnen Drahtdurchmessers besonders auszuwählen.
Das Diagramm von Fig. 1 zeigt eine Wärmebehandlungsbedingung zur Sicherstellung der Bruchfestigkeit von mindestens 4 g (0,04 N) für den Fall, daß ein Draht einen Durchmesser von 10 µm aufweist und Cu enthält. Die durchgezogene Linie zeigt den Fall einer Behandlung bei 400°C, und die gestrichelte Linie zeigt den Fall einer Behandlung bei 200°C.
Außerdem dient bei einem weiteren Ausführungsbeispiel der Zusatz insbesondere von Ca, Be, Ge, La und In, wie bei einem üblichen Goldbonddraht dazu, die Bondfestigkeit des erfindungsgemäßen Bonddrahts zu erhöhen. Um dieses Ziel zu erreichen, ist es möglich, mindestens eines dieser Elemente hinzuzufügen, wobei die Gesamtmenge 0,0003 bis 0,01 Gew.-% beträgt. Eine Goldlegierung mit einer entsprechenden chemischen Zusammensetzung wird in einem Vakuumschmelzofen geschmolzen und gegossen. Danach wird zum Erhalten eines Drahts mit einem gewünschten Drahtdurchmesser der Drahtziehvorgang, Wärmebehandlung und weiteres durchgeführt.
Es werden nun Ausführungsformen beschrieben, die die Vorteile der Erfindung deutlich machen.
Unter Verwendung von hochreinem Au mit einer Reinheit von 99,99% und einem hochreinen Cu mit einer Reinheit von 99,9% wird ein Material, dem die Elemente, die in Tabelle I angegeben sind, hinzugefügt werden, in einem Vakuumschmelzofen geschmolzen. Das Material wird dann einem Drahtziehvorgang und einer Wärmebehandlung unterzogen, so daß Drähte mit einem Durchmesser von 10, 12, 15, 19, 25 und 30 µm erhalten werden.
In einem Zugtest wird ein Teststück mit einer Meßlänge von 100 mm verwendet. Die Bondfestigkeitsmessung wird durchgeführt, indem der Bonddraht 3 mit sowohl dem Si-Chip 1 als auch dem Zuleitungsrahmen 2 wie in Fig. 2 gezeigt, verbunden wird und in der mit dem Pfeil angegebenen Richtung gespannt wird, wobei die Bruchfestigkeit gemessen wird. In Tabelle I sind die Ergebnisse für Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Drahts bezüglich der Bruchlast, der Verlängerung und der Bruchfestigkeit des Drahts nach dem miteinander Verbinden bzw. Verbonden mit den Ergebnissen von Vergleichsmaterialien gezeigt.
Wie aus Tabelle I hervorgeht, sind die Drähte gemäß der vorliegenden Erfindung besser hinsichtlich der Bruchfestigkeit und der Bondfestigkeit unabhängig von dem dünnen Durchmesser. Außerdem ist erkennbar, daß, wenn die Bonddrähte den gleichen Durchmesser wie die herkömmlichen Bonddrähte haben, der erfindungsgemäße Draht eine höhere Festigkeit hat. Selbst wenn der erfindungsgemäße Draht auf 10 µm verjüngt ist, bietet er eine höhere Zuverlässigkeit als der übliche Draht.

Claims (7)

1. Bonddraht für ein Halbleiterelement bestehend aus mindestens 1 Gew.-% und weniger als 5 Gew.-% Cu, Rest Au und unvermeidbare Verunreinigungen.
2. Bonddraht für ein Halbleiterelement bestehend aus mindestens 1 Gew.-% und weniger als 5 Gew.-% Cu, und mindestens einem Element der folgenden Gruppe, bestehend aus Ca, Ge, Be, La und In, mit einer Gesamtmenge von 0,0003 bis 0,01 Gew.-%, Rest Au und unvermeidbare Verunreinigungen.
3. Bonddraht für ein Halbleiterelement bestehend aus mindestens 1 Gew.-% und weniger als 5 Gew.-% Cu, mindestens 1 Gew.-% und höchstens 5 Gew.-% Pt, Rest Au und unvermeidbare Verunreinigungen.
4. Bonddraht für ein Halbleiterelement bestehend aus mindestens 1 Gew.-% und weniger als 5 Gew.-% Cu, mindestens 1 Gew.-% und höchstens 5 Gew.-% Pt, und mindestens einem Element aus der folgenden Gruppe, bestehend aus Ca, Ge, Be, La und In, wobei die Gesamtmenge 0,0003 bis 0,01 Gew.-% beträgt, und Rest Au.
5. Bonddraht für ein Halbleiterelement, nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Drahtdurchmesser kleiner als 20 µm ist.
6. Bonddraht für ein Halbleiterelement, nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei eine Bruchfestigkeit von mindestens 4 g (0,04 N) vorliegt.
7. Bonddraht für ein Halbleiterelement, nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei ein Drahtdurchmesser kleiner als 15 µm und eine Bruchfestigkeit von mindestens 4 g (0,04 N) vorhanden ist.
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