DE3990432C1 - Bonddraht für Halbleiterelemente - Google Patents
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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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