JP7169039B2 - 半導体デバイスのワイヤボールボンディング - Google Patents

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    • H01L2224/45663—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron (B), silicon (Si), germanium (Ge), arsenic (As), antimony (Sb), tellurium (Te) and polonium (Po), and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than 1550°C
    • H01L2224/45664—Palladium (Pd) as principal constituent
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    • H01L2224/48699—Principal constituent of the connecting portion of the wire connector being Aluminium (Al)
    • H01L2224/487—Principal constituent of the connecting portion of the wire connector being Aluminium (Al) with a principal constituent of the bonding area being a metal or a metalloid, e.g. boron (B), silicon (Si), germanium (Ge), arsenic (As), antimony (Sb), tellurium (Te) and polonium (Po), and alloys thereof
    • H01L2224/48717—Principal constituent of the connecting portion of the wire connector being Aluminium (Al) with a principal constituent of the bonding area being a metal or a metalloid, e.g. boron (B), silicon (Si), germanium (Ge), arsenic (As), antimony (Sb), tellurium (Te) and polonium (Po), and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than or equal to 400°C and less than 950 °C
    • H01L2224/48724—Aluminium (Al) as principal constituent
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    • H01L2224/48699—Principal constituent of the connecting portion of the wire connector being Aluminium (Al)
    • H01L2224/487—Principal constituent of the connecting portion of the wire connector being Aluminium (Al) with a principal constituent of the bonding area being a metal or a metalloid, e.g. boron (B), silicon (Si), germanium (Ge), arsenic (As), antimony (Sb), tellurium (Te) and polonium (Po), and alloys thereof
    • H01L2224/48763—Principal constituent of the connecting portion of the wire connector being Aluminium (Al) with a principal constituent of the bonding area being a metal or a metalloid, e.g. boron (B), silicon (Si), germanium (Ge), arsenic (As), antimony (Sb), tellurium (Te) and polonium (Po), and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than 1550°C
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    • H01L2224/85—Methods for connecting semiconductor or other solid state bodies using means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected using a wire connector
    • H01L2224/85009—Pre-treatment of the connector or the bonding area
    • H01L2224/8503—Reshaping, e.g. forming the ball or the wedge of the wire connector
    • H01L2224/85035—Reshaping, e.g. forming the ball or the wedge of the wire connector by heating means, e.g. "free-air-ball"
    • H01L2224/85045—Reshaping, e.g. forming the ball or the wedge of the wire connector by heating means, e.g. "free-air-ball" using a corona discharge, e.g. electronic flame off [EFO]
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    • H01L2224/85—Methods for connecting semiconductor or other solid state bodies using means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected using a wire connector
    • H01L2224/8538—Bonding interfaces outside the semiconductor or solid-state body
    • H01L2224/85399—Material
    • H01L2224/854—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron (B), silicon (Si), germanium (Ge), arsenic (As), antimony (Sb), tellurium (Te) and polonium (Po), and alloys thereof
    • H01L2224/85438—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron (B), silicon (Si), germanium (Ge), arsenic (As), antimony (Sb), tellurium (Te) and polonium (Po), and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than or equal to 950°C and less than 1550°C
    • H01L2224/85439—Silver (Ag) as principal constituent
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    • H01L2224/8538—Bonding interfaces outside the semiconductor or solid-state body
    • H01L2224/85399—Material
    • H01L2224/854—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron (B), silicon (Si), germanium (Ge), arsenic (As), antimony (Sb), tellurium (Te) and polonium (Po), and alloys thereof
    • H01L2224/85438—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron (B), silicon (Si), germanium (Ge), arsenic (As), antimony (Sb), tellurium (Te) and polonium (Po), and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than or equal to 950°C and less than 1550°C
    • H01L2224/85447—Copper (Cu) as principal constituent
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    • H01L2224/85—Methods for connecting semiconductor or other solid state bodies using means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected using a wire connector
    • H01L2224/8538—Bonding interfaces outside the semiconductor or solid-state body
    • H01L2224/85399—Material
    • H01L2224/854—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron (B), silicon (Si), germanium (Ge), arsenic (As), antimony (Sb), tellurium (Te) and polonium (Po), and alloys thereof
    • H01L2224/85438—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron (B), silicon (Si), germanium (Ge), arsenic (As), antimony (Sb), tellurium (Te) and polonium (Po), and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than or equal to 950°C and less than 1550°C
    • H01L2224/85455—Nickel (Ni) as principal constituent
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    • H01L2224/85463—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron (B), silicon (Si), germanium (Ge), arsenic (As), antimony (Sb), tellurium (Te) and polonium (Po), and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than 1550°C
    • H01L2224/85464—Palladium (Pd) as principal constituent
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    • H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/28—Encapsulations, e.g. encapsulating layers, coatings, e.g. for protection
    • H01L23/31—Encapsulations, e.g. encapsulating layers, coatings, e.g. for protection characterised by the arrangement or shape
    • H01L23/3107—Encapsulations, e.g. encapsulating layers, coatings, e.g. for protection characterised by the arrangement or shape the device being completely enclosed
    • H—ELECTRICITY
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    • H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/48—Arrangements for conducting electric current to or from the solid state body in operation, e.g. leads, terminal arrangements ; Selection of materials therefor
    • H01L23/488—Arrangements for conducting electric current to or from the solid state body in operation, e.g. leads, terminal arrangements ; Selection of materials therefor consisting of soldered or bonded constructions
    • H01L23/498—Leads, i.e. metallisations or lead-frames on insulating substrates, e.g. chip carriers
    • H01L23/49811—Additional leads joined to the metallisation on the insulating substrate, e.g. pins, bumps, wires, flat leads
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    • H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/48—Arrangements for conducting electric current to or from the solid state body in operation, e.g. leads, terminal arrangements ; Selection of materials therefor
    • H01L23/488—Arrangements for conducting electric current to or from the solid state body in operation, e.g. leads, terminal arrangements ; Selection of materials therefor consisting of soldered or bonded constructions
    • H01L23/498—Leads, i.e. metallisations or lead-frames on insulating substrates, e.g. chip carriers
    • H01L23/49811—Additional leads joined to the metallisation on the insulating substrate, e.g. pins, bumps, wires, flat leads
    • H01L23/49816—Spherical bumps on the substrate for external connection, e.g. ball grid arrays [BGA]
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    • H01L24/00—Arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies; Methods or apparatus related thereto
    • H01L24/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L24/26—Layer connectors, e.g. plate connectors, solder or adhesive layers; Manufacturing methods related thereto
    • H01L24/28—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors prior to the connecting process
    • H01L24/29—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors prior to the connecting process of an individual layer connector
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Description

本開示は一般に、半導体デバイスに関し、より詳細には、半導体デバイスにおけるワイヤボールボンディングに関する。
半導体パッケージングにおいて、ワイヤボンディングは、半導体ダイを半導体パッケージ内のリードフレーム又は他の要素に電気的に結合するために用いられる。ワイヤボンディングの一つのタイプはボールボンディングである。ワイヤボールボンディングにおいて、電気的フレームオフ（ＥＦＯ）ワンド（wand）を用いて、ボールが金属配線の一端に形成される。このボールは、半導体ダイ上のボンドパッドにボンドされる。金属配線の他方の端部は、第２のボンド（スティッチボンド）によって、半導体パッケージ内のリードフレーム又は別の要素上のリード又はボンドサイトにボンドされる。ワイヤボンディングは何十年にもの間当業界で良好に機能してきたが、依然として改善が望まれている。所望の改善の１つの分野は、金属間ボンドの態様に関するものである。
一つの態様において、ワイヤボンディングを用いる半導体デバイスの構成要素を相互接続する方法が提示される。この方法は、アルミニウムワイヤを囲む被覆を有するアルミニウムワイヤの第１の端部にフリーエアボールを生成する工程を含み、被覆はパラジウムを含み、フリーエアボールには実質的に被覆はない。この方法は更に、半導体チップ上のボンドパッドにフリーエアボールをボンドする工程を含み、ボンドパッドはアルミニウム表面層を有し、フリーエアボールは、ボンドパッド上にボールボンドを形成して、実質的に均質のアルミニウム対アルミニウムボンドを形成する。この方法は更に、被覆アルミニウムワイヤの反対の第２の端部を、半導体チップとは離れたボンドパッドにボンドすることを含み、ボンドパッドはパラジウム表面層を有し、被覆アルミニウムワイヤの第２の端部及びボンドパッドは、実質的に均質のパラジウム対パラジウムボンドを形成する。
別の態様において、半導体デバイスが、リードフレームと、第１の側及び対向する第２の側を有する半導体ダイとを含む。ダイの第２の側は、半導体ダイがその第１の側にアルミニウムボンドパッドを有する状態でリードフレームに取り付けられる。リードが、パラジウム表面層を有するリードを用いて、半導体ダイに近接してリードフレームに取り付けられる。このデバイスは更に、パラジウム被覆アルミニウム相互接続ワイヤを含み、パラジウム被覆アルミニウム相互接続ワイヤは、第１のボンドが実質的に均質のアルミニウム対アルミニウムボンドであるように第１のボンドを形成するために半導体ダイのアルミニウムボンドパッドにボンドされたフリーエアボールを備えるパラジウム被覆アルミニウムワイヤの第１の端部の上に形成されるボールボンドを有する。パラジウム被覆アルミニウム相互接続ワイヤの第２の端部が、第２のボンドが実質的に均質のパラジウム対パラジウムボンドであるように第２のボンドを形成するためにリードのパラジウム表面層にボンドされる。
更に別の態様において、半導体デバイスが、支持構造と、支持構造に取り付けられる半導体ダイと、パラジウム表面層を有するボンドサイトとを含み、半導体ダイは、アルミニウム表面層を有する第１のボンドパッドを有する。ボンドサイトは半導体ダイに近接している。半導体デバイスは更に、半導体ダイ上の第１のボンドパッドを支持構造上のボンドパッドに接続するための被覆アルミニウムワイヤを含む。被覆アルミニウムの上の被覆はパラジウムを含む。被覆アルミニウムワイヤは、その上に形成されたフリーエアボールを有する第１の端部を有し、フリーエアボールは第１のボンドパッドにボンドされ、ボールボンドの形成の間、ボールボンドと第１のボンドパッドとの間のボンドが少なくとも実質的にアルミニウム対アルミニウムボンドであるように、被覆の少なくとも一部がフリーエアボールから除去される。被覆アルミニウムワイヤの第２の端部が、パラジウム対パラジウムボンドが形成されるようにボンドサイトのパラジウム表面層にボンドされる。
例示的な実施例に従った、半導体デバイス内のワイヤボンドの概略断面図である。
図１Ａの一部の概略詳細図である。
図１Ａの一部の概略詳細図である。
ワイヤボンディングプロセスにおけるフリーエアボールの形成を表す概略断面図である。 ワイヤボンディングプロセスにおけるフリーエアボールの形成を表す概略断面図である。
図２Ａの一部の概略詳細図である。
図２Ｂの一部の概略詳細図である。
例示的な実施例に従った、ワイヤボンディングプロセスにおけるフリーエアボールの概略部分断面図である。
例示的な実施例に従って、ワイヤボールボンディングを用いて半導体デバイスの構成要素を相互接続する方法のためのフローチャートである。
例示の実施例に従った、半導体デバイスにおけるワイヤボンドの概略断面図である。
銅及び金ワイヤは、ボールボンドを形成する際に用いられる熱及びその他の要因にもかかわらず望ましい特性を維持する能力があるため、ボールボンディングにおいて用いられる一般的なワイヤ材料である。しかしながら、ボールボンディングにおいて、ワイヤ相互接続は、ワイヤ相互接続がボンドされるボンドパッドとは異なる材料で形成されることが一般的であり、それにより、ワイヤ相互接続とボンドパッドとの間に金属間ボンドが形成される。２つの異なる材料を互いにボンドすることにより、ボンドサイト、インタフェース腐食、金属間形成、又はその他のボンド劣化状態内に、ボンド応力が生じる可能性がある。こういった懸念面は、本明細書において対処される。
図１Ａ～図１Ｃを参照すると、ワイヤボールボンド１０２を用いる半導体デバイス１００の例示的な実施例が提示されている。半導体デバイス１００は、支持構造１０４、支持構造１０４に取り付けられる半導体ダイ１０６、及び、半導体ダイ１０６と、例えばボンドパッド（例えば、以下に紹介するボンドサイト１１６）などの半導体ダイ１０６の外のデバイスとの間の相互接続を提供するための被覆アルミニウムワイヤ１０８を含む。支持構造１０４は、いくつかの例示的な実施例において、半導体基板又はリードフレームであり得る。
半導体ダイ１０６は、第１の側１１０と、対向する第２の側１１２とを有し、半導体ダイ１０６の第２の側１１２は、支持構造１０４に取り付けられる。被覆アルミニウムワイヤ１０８は、半導体ダイ１０６の第１の側１１０の第１のボンドパッド１１４を、半導体ダイ１０６の外にある支持構造１０４上のボンドサイト１１６に接続する。ボンドサイト１１６は、支持構造１０４上にあってもよく、或いは、その一部の上にあってもよい。上述のように、いくつかの態様において、支持構造１０４はリードフレームであり得る。支持構造１０４がリードフレームである場合、ある態様において、半導体ダイ１０６は、リードフレーム（支持構造１０４）の第１の部分１１５上にあり得、ボンドサイト１１６は、リードフレーム１０４の一部であるリードとも呼ばれる、第２の部分であり得る。
第１のボンドパッド１１４は、少なくとも１つのアルミニウム表面層１１８を含む。ある態様において、アルミニウム表面層１１８はアルミニウム合金であり得る。第１のボンドパッド１１４は、アルミニウム表面層１１８と半導体ダイ１０６との間に拡散障壁層１２０を更に含み得る。限定的でない例示的な実施例において、拡散障壁層１２０はチタン窒化物（ＴｉＮ）である。他の既知の拡散障壁層材料を用いてもよい。他の態様において、第１のボンドパッド１１４は、全てアルミニウムで、又はアルミニウム合金で形成される。アルミニウムは、半導体ダイ上の少なくとも幾つかのボンドパッドに対して望ましい特性を有するコスト効率の良い導電性材料である傾向がある。
ボンドサイト１１６は、少なくともパラジウム（Ｐｄ）表面層１２２を含む。いくつかの態様において、ボンドサイト１１６は、支持構造１０４の必須部分である。更にいくつかの態様において、ボンドサイト１１６は、支持構造１０４又はリードフレームに取り付けられるリードである。他の態様において、ボンドサイト１１６は、支持構造１０４の表面に取り付けられる（明示的には示されていない）。ボンドサイト１１６は、パラジウム（Ｐｄ）層１２２の下に、ニッケル（Ｎｉ）層１２４及び銅（Ｃｕ）層１２６を更に含み得る。更にいくつかの態様において、ボンドサイト１１６が銀めっきを含み得る。ボンドサイト１１６は、パラジウム層、銅層、ニッケル層、銀層、又はそれらの組み合わせを含み得る。
被覆アルミニウムワイヤ１０８は、パラジウムを含む被覆１２８によって囲まれるアルミニウムコア１２７を含む。いくつかの態様において、被覆１２８は、被覆１２８がパラジウム・銅被覆であるように、パラジウム及び銅を含む。被覆１２８は、アルミニウムコア１２７が、ワイヤボールボンディングプロセスの間に、ヒドロニウム（Ｈ＋）を吸収し、脆くなったり、酸化したり、又はその他の方式で劣化するのを防止する。被覆アルミニウムワイヤ１０８は、第１の端部１３０と、反対の第２の端部１３２とを有する。被覆アルミニウムワイヤ１０８の第１の端部１３０は、半導体ダイ１０６上の第１のボンドパッド１１４にボンドされ、被覆アルミニウムワイヤ１０８の第２の端部１３２は、ボンドサイト１１６にボンドされる。
図１Ａ～図１Ｃを更に参照すると、被覆アルミニウムワイヤ１０８の第１の端部１３０は、第１のボンドパッド１１４にボンドされる、その上に形成されるボールボンド１３４を有する。ボールボンド１３４は、フリーエアボール（ＦＡＢ）１３５（図２Ｂ）を用いて形成される。フリーエアボール１３５及び結果として得られるボールボンド１３４の形成の間、被覆１２８の少なくとも一部がアルミニウムコア１２７から除去される。フリーエアボールは、アルミニウムコア１２７から形成される。換言すれば、被覆１２８はアルミニウムコア１２７から除去され、それによってアルミニウムコア１２７の一部を露出させ、その結果、フリーエアボールの少なくとも一部、及びそのためボールボンド１３４は、実質的にアルミニウムから形成される。第１のボンド１３６又はインタフェースが、ここでは実質的にアルミニウムから形成されているボールボンド１３４と、第１のボンドパッド１１４のアルミニウム表面層１１８との間に形成される。第１のボンド１３６は、実質的に均質のアルミニウム対アルミニウムボンドである。第１のボンド１３６は実質的に均質のアルミニウム対アルミニウムボンドであるが、金属が実質的に均質のボンドを形成するのに充分に類似している限り、他の適切な金属を用いて、第１のボンドパッド１１４及びコア１２７を形成することができる。被覆１２８を除去し、フリーエアボールを、及びそれに続くボールボンド１３４を形成するプロセスについて、図２Ａ～図２Ｃに関して以下でより詳細に説明する。
被覆アルミニウムワイヤ１０８の第２の端部１３２は、ボンドサイト１１６のパラジウム表面層１２２にボンドされて、第２のボンド１３８を形成する。被覆アルミニウムワイヤ１０８を囲むパラジウム被覆１２８は、第２のボンド１３８が実質的に均質のパラジウム対パラジウムボンドであるように、第２のボンド１３８が形成されるときにそのままである。いくつかの態様において、第２のボンド１３８は、原子拡散が生じるスティッチボンドである。更に他の態様において、第２のボンド１３８はウェッジボンドである。第２のボンド１３８は実質的に均質のパラジウム対パラジウムボンドであるが、実質的に均質のボンドを形成するのに充分に類似した金属である限り、ボンドサイト１１６及び被覆１２８を形成するために、又は、ボンドサイト１１６及び被覆１２８において、他の適切な金属を用いることもできる。
半導体デバイス１００は、モールディング化合物１４６を更に含み得る。モールディング化合物１４６は、半導体ダイ１０６、被覆アルミニウムワイヤ１０８、第１のボンド１３６、及び第２のボンド１３８の少なくとも一部を覆い得る。モールディング化合物１４６は、任意の適切な絶縁材料であり得る。
半導体デバイス１００は、被覆アルミニウムワイヤ１０８と半導体ダイ１０６との間の第１のボンド１３６が実質的に均質のアルミニウム対アルミニウムボンドであることを可能にすると同時に、被覆アルミニウムワイヤ１０８とボンドサイト１１６との間の第２のボンド１３８が実質的に均質のアルミニウムワイヤ対パラジウムであることを可能にする、被覆されたパラジウム１０８を提供する。アルミニウム対アルミニウムの第１のボンド１３６及びパラジウム対パラジウムの第２のボンド１３８などの均質の金属性ボンドは、ワイヤのボンドパッドクラック、又は、高ボンディング応力によるボンドパッドからの持ち上がりの危険性を低減し、ボンドの信頼性及び寿命を増大させ、異質の金属間ボンドと比較した場合、ワイヤとボンドパッドとの間の電流及び熱伝達の効率を増大させる。
ここで、図２Ａ～図２Ｄを参照すると、ワイヤボールボンディングプロセスにおいてフリーエアボール１３５を形成するための概略図が提示されている。被覆アルミニウムワイヤ１０８の第１の端部１３０は、被覆アルミニウムワイヤ１０８がキャピラリ１４０の先端１４４を越えて距離Ｄ１延在するまで、キャピラリ１４０を通してフィードされる（図２Ａ）。ある態様において、被覆アルミワイヤ１０８の直径は、約０．７～１．３μｍである。更にいくつかの態様において、被覆アルミニウムワイヤ１０８がキャピラリ１４０の先端１４４を越えて延在する距離Ｄ１は、８～１５ミル（ｍｉｌｓ）であり得る。いくつかの態様において、フリーエアボール１３４の直径は約５０マイクロメートルである。
充分な量の被覆アルミニウムワイヤ１０８がキャピラリ１４０の先端１４４を越えて延在すると、電気的フレームオフ（ＥＦＯ）ワンド１４２が被覆アルミニウムワイヤ１０８の第１の端部１３８に適用されて、フリーエアボール１３５を形成する。フリーエアボール１３５の形成の間、アルミニウムコア１２７は、パラジウム被覆１２８を除去することによって露出される。すなわち、ある態様において、パラジウム被覆１２８は、フリーエアボールの形成の間、第１の端部１３０から除去されるか、その他の方式で離れるよう移動される。パラジウム被覆１２８は、第１の例では、アルミニウムコア１２７が、ワイヤボールボンディングプロセスにおけるフリーエアボール１３５の形成の間に、ヒドロニウム（Ｈ＋）１４８を吸収し、脆くなったり、酸化したり、又はその他の方式で劣化するのを防止するために、存在する。ヒドロニウム１４８は、大気中に存在し、アルミニウムによって吸収されると、アルミニウム中にボイドを生成し得る。図２Ｂは、フリーエアボール１３５によるヒドロニウム１４８の吸収がないこと、及びそのため、アルミニウムコア１２７を保護するために被覆１２８が存在しなかった場合に存在し得るフリーエアボール１３５におけるボイドがないことを図示する。
フリーエアボール１３４は、被覆アルミニウムワイヤ１０８のアルミニウムコア１２７から形成される。電気的フレームオフワンド１４２は、フリーエアボール１３４が形成されるときに、フリーエアボール１３４の少なくとも一部が実質的にアルミニウムから形成されるように、パラジウム被覆１２８を除去するか、さもなければ、被覆アルミニウムワイヤ１０８の第１の端部１３０から離れるように移動させるために用いられる。ある態様において、パラジウム被覆１２８は、フリーエアボール１３４の形成の間、第１の端部１３０から除去されるか、さもなければ離れるように移動される。フリーエアボール１３４が実質的にアルミニウムで形成されているので、フリーエアボール１３４と第１のボンドパッド１１４との間の第１のボンド１３６は、均質のアルミニウム対アルミニウムボンドである（第１のボンド１３６は図１Ａに示されている）。
電気的フレームオフワンド１４２は、被覆アルミニウムワイヤ１０８を、フリーエアボール形成において典型的に用いられるよりも高い電流に晒し得る。ある態様において、電気的フレームオフワンド１４２は、約１５０～１７０ｍＡのＥＦＯ電流を放出する。更にいくつかの態様において、ＥＦＯ電流は約１６０ｍＡである。いくつかの態様において、電気的フレームオフワンド１４２と被覆アルミニウムワイヤ１０８の第１の端部１３０との間のＥＦＯギャップＤ２は、約２０～３０ミル（ｍｉｌｓ）である。更にいくつかの態様において、ＥＦＯギャップＤ２は約２５ミル（ｍｉｌｓ）である。ある態様において、電気的フレームオフワンド１４２は、約９００～１０００μｓのＥＦＯ発射（fire）時間を有する。フリーエアボール１３４の形成は、ある態様において、アルミニウムが酸化するのを防止するのを助けるために不活性雰囲気中で行われ得る。非限定的な実施例において、不活性雰囲気は、約９５パーセント窒素及び５パーセント水素で構成されてもよい。更にいくつかの態様において、不活性雰囲気は１００パーセント窒素であり得る。
図３は、例示的な実施例に従った、ワイヤボンディングプロセスにおけるフリーエアボール２３４の概略部分断面図である。フリーエアボール２３４は、フリーエアボール２３４の第１の部分２５０がパラジウム被覆２２８の少なくともいくらかを維持することを除いて、図２Ｂに表されるフリーエアボール１３４と同様である。いくつかの態様において、フリーエアボール２３４の第１の部分２５０は、フリーエアボール２３４の第２の部分２５２よりも多くのパラジウム被覆２２８を有する。更にいくつかの態様において、パラジウム被覆２２８は、被覆アルミニウムワイヤ２０８のアルミニウムコア２２７の上よりも、フリーエアボール２３４の第１の部分２５０の上を厚くし得る。別の態様において、パラジウム被覆２２８は、フリーエアボール２３４の第１の部分２５０上の厚みが、被覆アルミニウムワイヤ２０８のアルミニウムコア２２７の上と同じであり得る。例示的な実施例において、フリーエアボール２３４の第２の部分２５２にはパラジウム被覆２２８がない。フリーエアボール２３４は、図２Ａ～図２Ｄに関連して上述したものと同じプロセス及びパラメータを用いて形成され得る。
図４は、例示的な実施例に従って、ワイヤボールボンディングを用いて半導体デバイスの構成要素を相互接続する方法のためのフローチャートである。工程３０２において、アルミニウムワイヤ１０８を囲む被覆１２８を有するアルミニウムワイヤ１０８の第１の端部１３０において、フリーエアボール１３４が作成される。被覆１２８はパラジウムを含む。フリーエアボール１３４には実質的に被覆１２８がないように形成され、そのため、パラジウムを実質的に含まない。工程３０４において、フリーエアボール１３４は、半導体ダイ１０６上の第１のボンドパッド１１４にボンドされる。第１のボンドパッド１１４はアルミニウム表面層１１８を含む。フリーエアボール１３４及び第１のボンドパッド１１４は、実質的に均質のアルミニウム対アルミニウムボンドである第１のボンド１３６を形成する。工程３０６において、パラジウムで被覆された被覆アルミニウムワイヤ１０８の第２の端部１３２は、半導体ダイ１０６から離れたスティッチボンド又はウェッジボンドによってボンドサイト１１６にボンドされる。ボンドサイト１１６はパラジウム表面層１２２を含む。被覆アルミニウムワイヤ１０８の第２の端部１３２と、ボンドサイト１１６とは、実質的に均質のパラジウム対パラジウムボンドである第２のボンド１３８を形成する。
図５は、例示の実施例に従った、ワイヤボールボンド４０２を用いる半導体デバイス４００の概略断面図である。半導体デバイス４００は、電気的絶縁基板４０４、その上に支持される半導体チップ４０６、及び、半導体チップ４０６とボンドパッド（例えば、以下に紹介する第２の複数コンタクトパッド４１６の１つ）などの半導体チップ４０６の外にあるデバイスとを電気的に接続するための被覆アルミニウムワイヤ４０８を含む。明瞭化のため、半導体デバイス４００のすべての態様が示されているわけではないことに留意されたい。例えば、絶縁基板４０４におけるビアは示されていない。
半導体チップ４０６は、能動表面４１０と受動表面４１２とを有し、受動表面４１２は、接着層４１５を用いて基板４０４の第１の表面４１３に取り付けられる。能動表面４１０は、集積回路と、少なくともアルミニウム又はアルミニウム合金表面層を含む第１の複数のコンタクトパッド４１４とを含む。
被覆アルミニウムワイヤ４０８は、半導体チップ３０６上の第１の複数のコンタクトパッド４１４を、第２の複数のコンタクトパッド４１６に接続する。第２の複数のコンタクトパッド４１６は、半導体チップ４０６に横方向に近接する基板４０４の第１の表面４１３上にある。第２の複数のコンタクトパッド４１６は、少なくともパラジウム表面層を含む。
被覆アルミニウムワイヤ４０８は、パラジウム被覆４２８によって囲まれたアルミニウムコア４２７を含む。いくつかの態様において、パラジウム被覆４２８は銅を更に含み得る。被覆アルミニウムワイヤ４０８は、第１の端部４３０と、反対の第２の端部４３２とを有する。第１の端部４３０は、半導体チップ４０６上の第１の複数のコンタクトパッド４１４に接合され、第２の端部４３２は、第２の複数のコンタクトパッド４１６にボンドされる。
それぞれの場合において、被覆アルミニウムワイヤ４０８の第１の端部４３０上に形成される、アルミニウムのフリーエアボール（ＦＡＢ）４３４が、第１の複数のコンタクトパッド４１４のうちの１つに取り付けられる。アルミニウムのフリーエアボール４３４の形成の間、アルミニウムのフリーエアボール４３４がアルミニウムコア４２７の一部から形成されるように、パラジウム被覆４２８が除去される。第１のボンド４３６が、アルミニウムのフリーエアボール４３４と第１の複数のコンタクトパッドのアルミニウム表面層との間に形成され、第１のボンド４３６は、実質的に均質のアルミニウム対アルミニウムボンドである。被覆４２８を除去し、フリーエアボール４３４を形成するプロセスは、図２Ａ～図２Ｄに関して上述したプロセスと同様である。
被覆アルミニウムワイヤ４１２の第２の端部４３２は、第２の複数のコンタクトパッド４１６のパラジウム表面層にボンドされて、実質的に均質のパラジウム対パラジウムボンドである第２のボンド４２８を形成する。パラジウム対パラジウムボンドは、図１Ｃに関連して記載したものに類似の方式で形成される。いくつかの態様において、第２のボンド４３８はスティッチボンドである。半導体デバイス４００は、被覆アルミニウムワイヤ４０８と半導体チップ４０６との間の実質的に均質のアルミニウム対アルミニウムの第１のボンド４３６を可能にすると同時に、被覆アルミニウムワイヤ４０８と第２の複数のコンタクトパッド４１６との間の実質的に均質のパラジウム対パラジウムの第２のボンド４３８を可能にする、被覆アルミニウムワイヤ４０８を提供する。
いくつかの態様において、基板４０４は、基板の第２の表面４１７上に配置される第３の複数のコンタクトパッド４２０を含む。更に或る態様において、複数の相互接続要素４２６が、第３の複数のコンタクトパッド４２０に接続される。モールディング化合物４４６が、半導体チップ４０６、被覆アルミニウムワイヤ４０８、第１のボンド４３６、及び第２のボンド４３８の少なくとも一部を覆い得る。
半導体デバイスは、ウェハ上に形成される多くの半導体デバイスのうちの１つとし得ることが理解されるべきである。また、半導体デバイスがウェハから単体化又は分離されている場合、半導体デバイスは、半導体パッケージ又は個々の半導体パッケージと称され得ることを理解されたい。ウェハ上のスクライブラインに沿ってウェハを鋸引きすることにより、半導体デバイス又は半導体パッケージは単体化又は分離され得る。スクライブラインは、ウェハ上の隣り合うデバイス間にある。
一態様において、半導体チップ又はダイがリードフレームに取り付けられる。この取り付けは、接着材、導電性接着材又はんだペースト、はんだワイヤ、はんだプリフォーム、又は他の手法を用いて、シリコンダイ又はチップをリードフレーム又はその他の基板に取り付けることによって達成され得る。一態様において、実質的に均質のアルミニウム対アルミニウムボールボンド及び実質的に均質のパラジウム対パラジウムボンドは、モールディング又は被覆化合物で被覆される。モールディング化合物は、任意の適切な被覆化合物、例えば、シリカ充填材で満たされたエポキシ樹脂であり得る。
本明細書で説明されるワイヤボールボンディング手法は、様々な構成のために用いられ得ることを理解されたい。ワイヤボールボンディング手法がどのように用いられ得るかの幾つかの非限定的な例には、リードフレームへの半導体ダイの相互接続、基板への半導体ダイ、更には、別の半導体ダイにおける１つの半導体ダイが含まれる。
本発明の特許請求の範囲内で、説明した例示の実施例に改変が成され得、他の実施例が可能である。

Claims (20)

  1. ワイヤボンディングを用いて半導体デバイスの構成要素を相互接続する方法であって、
    パラジウムを含む被覆を有する被覆アルミニウムワイヤを提供することと、
    前記被覆アルミニウムワイヤの第１の端部からフリーエアボールを形成することであって、前記フリーエアボールの形成の間に前記フリーエアボールの少なくとも一部から前記被覆が除去される、前記フリーエアボールを形成することと、
    前記フリーエアボールを半導体チップ上のボンドパッドにボンドすることであって、前記ボンドパッドがアルミニウム表面層を有し、前記フリーエアボールと前記ボンドパッドのアルミニウム表面層とが均質のアルミニウム対アルミニウムボールボンドを形成する、前記フリーエアボールをボンドすることと、
    前記被覆アルミニウムワイヤの反対の第２の端部をリードフレーム上のリードにボンドすることであって、前記リードがパラジウム表面層を有し、前記被覆アルミニウムワイヤの第２の端部と前記パラジウム表面層とが均質のパラジウム対パラジウムボンドを形成する、前記第２の端部をボンドすることと、
    を含む、方法。
  2. 請求項１に記載の方法であって、
    前記被覆が、前記フリーエアボールの形成の間に前記フリーエアボールの酸化を防止する、方法。
  3. 請求項１に記載の方法であって、
    前記均質のパラジウム対パラジウムボンドがスティッチボンドである、方法。
  4. 請求項１に記載の方法であって、
    前記フリーエアボールが電気的フレームオフワンドを用いて作成される、方法。
  5. 請求項４に記載の方法であって、
    前記電気的フレームオフワンドが１５０～１７０ミリアンペアの範囲の電流を用いる、方法。
  6. 請求項１に記載の方法であって、
    前記半導体チップを前記リードフレームに取り付けることと、
    前記均質のアルミニウム対アルミニウムボールボンドと前記均質のパラジウム対パラジウムボンドとをモールディング化合物で覆うことと、
    前記半導体チップと前記リードフレームとを個々の半導体パッケージに分離することと、
    を更に含む、方法。
  7. 半導体デバイスであって、
    リードを含むリードフレームであって、前記リードがパラジウム表面層を有する、前記リードフレームと、
    第１の側と反対の第２の側とを有する半導体ダイであって、前記半導体ダイの第２の側が前記リードフレームに取り付けられ、前記半導体ダイが、前記第１の側にアルミニウムボンドパッドを有し、前記リードに近接する、前記半導体ダイと、
    第１端部と反対の第２の端部とを有するパラジウム被覆アルミニウム相互接続ワイヤと、
    前記アルミニウムボンドパッドと前記パラジウム被覆アルミニウム相互接続ワイヤの第１の端部との間のボールボンドであって、均質のアルミニウム対アルミニウムボールボンドである、前記ボールボンドと、
    前記リードと前記パラジウム被覆アルミニウム相互接続ワイヤの第２の端部との間のボンドであって、均質のパラジウム対パラジウムボンドである、前記ボンドと、
    を含む、半導体デバイス。
  8. 請求項７に記載の半導体デバイスであって、
    前記パラジウム被覆アルミニウム相互接続ワイヤが、パラジウム銅被覆を形成するための銅を更に含む、半導体デバイス。
  9. 請求項７に記載の半導体デバイスであって、
    前記ボンドがスティッチボンドである、半導体デバイス。
  10. 請求項７に記載の半導体デバイスであって、
    前記ボールボンドがパラジウムを含まない、半導体デバイス。
  11. 請求項７に記載の半導体デバイスであって、
    前記ボールボンドが前記アルミニウムボンドパッドから離れた第１の部分と前記アルミニウムボンドパッドに近接した第２の部分とを有し、前記第１の部分が前記第２の部分よりも多くのパラジウム被覆を有する、半導体デバイス。
  12. 請求項７に記載の半導体デバイスであって、
    前記均質のアルミニウム対アルミニウムボールボンドと前記均質のパラジウム対パラジウムボンドとの上の絶縁被覆を更に含む、半導体デバイス。
  13. 請求項７に記載の半導体デバイスであって、
    前記均質のアルミニウム対アルミニウムボールボンドに酸化がない、半導体デバイス。
  14. 半導体デバイスであって、
    支持構造と、
    前記支持構造に取り付けられる半導体ダイであって、前記半導体ダイ上のボンドパッドを有し、前記ボンドパッドがアルミニウム表面層を有する、前記半導体ダイと、
    前記半導体ダイに近接し、パラジウム表面層を有するボンドサイトと、
    前記半導体ダイ上のボンドパッドを前記ボンドサイトに接続するための被覆アルミニウムワイヤであって、アルミニウムコアと、パラジウムを含む被覆と、前記被覆のない第１の端部と、反対の第２の端部とを含む、前記被覆アルミニウムワイヤと、
    前記被覆アルミニウムワイヤの第１の端部と前記ボンドパッドのアルミニウム表面層との間に形成されるアルミニウム対アルミニウムのボールボンドと、
    前記被覆アルミニウムワイヤの第２の端部と前記ボンドサイトのパラジウム表面層との間に形成されるパラジウムボンド対パラジウムのボンドと、
    を含む、半導体デバイス。
  15. 請求項１４に記載の半導体デバイスであって、
    前記支持構造が半導体基板である、半導体デバイス。
  16. 請求項１４に記載の半導体デバイスであって、
    前記アルミニウム対アルミニウムのボールボンドと前記パラジウム対パラジウムのボンドとを覆う被覆を更に含む、半導体デバイス。
  17. 請求項１４に記載の半導体デバイスであって、
    前記被覆アルミニウムワイヤの被覆が銅を更に含む、半導体デバイス。
  18. 請求項１４に記載の半導体デバイスであって、
    前記パラジウム対パラジウムのボンドがスティッチボンドである、半導体デバイス。
  19. 請求項１４に記載の半導体デバイスであって、
    前記半導体ダイ上のボンドパッドが前記支持構造のボンドサイトより上にある、半導体デバイス。
  20. 請求項１４に記載の半導体デバイスであって、
    前記支持構造がリードフレームであり、前記ボンドサイトが前記リードフレームのリードである、半導体デバイス。
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