球形键合结合体制造技术

包括半导体器件的铝焊盘和球形键合到所述铝焊盘上的丝的球形键合结合体，其中所述丝具有10至80微米的直径并包含由铜合金构成的芯，所述铜合金由0.05至3重量%的钯和/或铂与作为余量补足100重量%的铜构成。

Spherical bonding

A semiconductor device including aluminum pad and ball bonded to the spherical key of the aluminum pad on the wire combination, wherein the wire has 10 to 80 microns in diameter and composed of copper alloy core, the copper alloy from 0.05 to 3 wt% of palladium and platinum and / or as allowance up to 100 wt.% copper composition.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】本专利技术涉及包括半导体器件的铝焊盘和球形键合（ball-bond）到铝焊盘（bondpad）上的铜合金丝的球形键合结合体（arrangement）。键合丝（bondingwire）在电子和微电子应用中的使用是公知的现有技术状况。尽管键合丝一开始由金制成，但现今使用更便宜的材料，如铜。尽管铜丝提供非常好的电导率和热导率，但铜丝的键合具有其挑战性。已经证实，球形键合到半导体器件，例如集成芯片的铝焊盘上的铜丝的球形键合结合体由于在铝焊盘表面和球形键合的铜丝表面之间的球形键合接触区内，或更简单地说，在接合处或在球形键合界面处的铜铝化合物（copperaluminide）界面层的不合意形成和生长而倾向于随时间经过变弱。在本文中使用术语“铝焊盘”。其是指由铝或具有例如至少98.5wt.-%（重量%）的铝含量的铝合金构成的焊盘，特别是半导体器件的焊盘。很常用于铝焊盘的铝合金的一个实例是与1重量%硅和0.5重量%铜形成合金（Al1Si0.5Cu）或与0.5重量%铜形成合金（Al0.5Cu）的铝。铝焊盘具有例如0.6至4微米的总厚度。术语“铝焊盘”也指具有外部铝顶层（例如0.5至1微米厚）的非铝或铝合金的金属的焊盘。在本文中使用术语“铜铝化合物”。其是指Cu9Al4（68.3原子%Cu和31.7原子%Al）和CuAl2（34原子%Cu和66原子%Al）相和Cu0.01Al0.99（9.11原子%Cu和90.88原子%Al）、Cu0.78Al0.22（78.2原子%Cu和21.84原子%Al）、Cu0.84Al0.16（82.6原子%Cu和17.4原子%Al）、Cu0.85Al0.15（84.5原子%Cu和15.5原子%Al）和Cu0.96Al0.04（97.3原子%Cu和2.7原子%Al）亚稳相。原子%值来自在各自的铜-铝相处进行的SEM-EDX测量。前面提到的铜铝化合物界面层的形成和生长是老化现象。明显地，发生固态反应，即来自球形键合或丝的铜和来自焊盘的铝的扩散。经过越长时间或球形键合结合体变得越旧，形成越多的铜铝化合物，如可根据该铜铝化合物层的不仅厚度还有面积方面的生长所观察到的。换言之，球形键合结合体处于运行中的时间越长，形成越多的铜铝化合物。还存在温度的影响，这意味着运行中的接点温度（junctiontemperature）越高，即运行过程中球形键合界面处的温度越高，铜铝化合物层的生长越快。球形键合结合体在运行中的接点温度据信在100至300℃或100至250℃的范围内。可以通过在高功率光学显微镜（50至1200X放大）中观察的球形键合到铝焊盘上的铜丝的球形键合结合体的剖面样品的颜色对比成像确定或表征这样的界面铜铝化合物层的性质和厚度。选择在500至1000X范围内的放大率是便利的。当在这样的显微镜下观察这样的剖面球形键合结合体时，这样的铜铝化合物层呈现为80至100面积%的灰色区域和0至20面积%的黄色区域，基于这两个区域的总面积计。可以如下文概述还更详细地进行界面铜铝化合物层的表征。可以使用扫描电子显微镜–能量色散X-射线分析（SEM-EDX）确定界面铜铝化合物层中元素铜和铝的存在及其定量比率。这种方法是技术人员公知的并且不需要进一步说明。例如，可以从含有灰色和/或黄色铜铝化合物相的球形键合界面聚焦离子束(FIB)切割20µmx10µmx100nm的样品。例如可以使用来自FEI的HeliosNanolab450SDualBeamFIB仪器（在2至30kV的电压下，用23pA至21nA的射束电流）进行FIB剖面和SEM成像。所述FIB切割样品可用于进一步的透射电子显微术（TEM）研究。例如，可以使用JEOLJEM2100TEM在200kV的加速电压下和用105µA的发射电流进行FIB切片的透射成像和衍射图谱。可以用例如JEOLTEM观察铜铝化合物的纳米尺寸的晶粒和晶粒边界。此外，可以记录晶粒的衍射图谱。由衍射图谱可以使用Hanawalt搜索法使用来自无机晶体结构数据库（InorganicCrystalStructureDatabase）(ICSD)和国际衍射数据中心（InternationalCentreforDiffractionData）(ICDD)参考文件的粉末衍射文件识别晶格类型和原子参数。基本上，该粉末衍射文件中报道的三个强峰必须匹配ICSD或ICDD记录的化合物晶体结构的报道的衍射面。例如，可以用配备有EDX检测器的FEITitan80-300TEM在200kV的加速电压和89µA的发射电流下进行铜铝化合物相的组成分析。透射电子显微术（TEM）衍射图谱分析确认在灰色区域中主要是Cu9Al4、CuAl2和Cu0.01Al0.99和在黄色区域中主要是Cu0.78Al0.22、Cu0.84Al0.16、Cu0.85Al0.15和Cu0.96Al0.04。可以在本专利技术的球形键合结合体的使用寿命内监测随时间经过的铜铝化合物层的形成。但是，存在加速老化试验方法，其能够通过对新形成的球形键合结合体施以在125至250℃的目标温度下总共例如500至2000小时或在一个实施方案中在250℃的目标温度下2000小时的连续或不连续热处理来模拟随时间经过的铜铝化合物层的形成。技术人员将这样的热老化试验称作所谓的高温储存试验或高温可靠性试验。这种高温储存试验相当好地与现实相关联，因为如已经说到，正常运行过程中的接点温度据信达到或位于100至300℃或100至250℃的范围内。可随后在界面铜铝化合物方面定性和定量分析如此人工热老化的球形键合结合体。现在已经发现，通过用由0.05至3重量%钯和/或铂与作为余量补足100重量%的铜构成的铜合金丝替代上述球形键合结合体中的铜丝，可以显著减慢界面铜铝化合物层的上述不合意的形成和生长。钯优选作为合金化贵金属。因此本专利技术涉及包括半导体器件的铝焊盘和球形键合到所述铝焊盘上的丝的球形键合结合体，其中所述丝具有10至80微米的直径并包含由铜合金构成的芯，所述铜合金由0.05至3重量%，优选1至2重量%，最优选1.2至1.3重量%的钯和/或铂与作为余量补足100重量%的铜构成。钯优选作为合金化贵金属。本专利技术还涉及制造本专利技术的球形键合结合体的方法。在下文中，短语“由0.05至3重量%的钯和/或铂与作为余量补足100重量%的铜构成的铜合金”也简称为“铜合金”。在本文中使用短语“作为余量补足100重量%的铜”。其应该是指铜是该铜合金中的主要组分。为避免误解，这不应被理解为排除没有明确提到并由于现行技术条件而可能设法进入铜合金中（例如由于在制造过程中的无意但不可避免的并入）的其它元素。换言之，这样的其它元素可能作为不可避免的杂质存在于该合金中，但仅以例如>0至100重量ppm的极微小的总量。在任何情况下，此类不可避免的杂质不是有意添加或引入形成铜合金的组合物中。就此而言，短语“作为余量补足100重量%的铜”是指补足100重量%的铜合金所缺失的重量%比例由铜加上所述不可避免的杂质（如果后者存在）构成。铜合金可通过金属合金领域的技术人员已知的常规方法制备，例如通过将铜和钯和/或铂以所需比率熔融在一起。在该情况下，可以使用常规的铜-钯-铂、铜-钯或铜-铂母合金。可以例如使用感应炉本文档来自技高网...

【技术保护点】
包括半导体器件的铝焊盘和球形键合到所述铝焊盘上的丝的球形键合结合体，其中所述丝具有10至80微米的直径并包含由铜合金构成的芯，所述铜合金由0.05至3重量%的钯和/或铂与作为余量补足100重量%的铜构成。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.08.04 SG 10201404628T1.包括半导体器件的铝焊盘和球形键合到所述铝焊盘上的丝的球形键合结合体，其中所述丝具有10至80微米的直径并包含由铜合金构成的芯，所述铜合金由0.05至3重量%的钯和/或铂与作为余量补足100重量%的铜构成。2.权利要求1的球形键合结合体，其中所述芯由铜合金构成，所述铜合金由1至2重量%的钯和/或铂与作为余量补足100重量%的铜构成。3.权利要求1的球形键合结合体，其中所述芯由铜合金构成，所述铜合金由1.2至1.3重量%的钯和/或铂与作为余量补足100重量%的铜构成。4.前述权利要求任一项的球形键合结合体，其中所述芯具有表面，其中在所述芯的表面上叠加2至500纳米薄周向单层金属涂层或不同金属的相邻层的多层涂层，其中一种或多种金属选自钯、铂、金和银，且其中单层或多层金属涂层的总质量为相对于所述芯的总质量的0.09至2.5重量%。5.前述权利要求任一项的球形键合结合体，其在其制造后已被连续或不连续地在125至250℃的目标温度下热处理总共500至2000小时。6.权利要求5的球形键合结合体，其中所述热处理在250℃的目标温度下进行总共2000小时。7.权利要求6的球形键合结合体，其特征在于其表现出在铝焊盘表面和球形键合丝的表面之间的球形键合接触区内形成的2.5至4微米的薄铜铝化合物界面层。8.前述权利要求任一项的...

【专利技术属性】
技术研发人员：M萨兰加帕尼，张兮，杨平熹，E米尔克，
申请(专利权)人：贺利氏德国有限两合公司，贺利氏材料新加坡私人有限公司，
类型：发明
国别省市：德国;DE