[發明專利]球形鍵合結合體

有效

• 申請號: 201580040608.X
• 申請日: 2015-07-28
• 公開（公告）號: CN106663668B
• 公開（公告）日: 2019-12-03
• 發明（設計）人: M.薩蘭加帕尼;張兮;楊平熹;E.米爾克
• 申請（專利權）人: 賀利氏德國有限兩合公司;賀利氏材料新加坡私人有限公司
• 主分類號: H01L23/49
• 分類號: H01L23/49;H01L21/60
• 代理公司: 72001 中國專利代理(香港)有限公司
• 代理人: 石克虎;楊思捷<國際申請>=PCT/SG

包括半導體器件的鋁焊盤和球形鍵合到所述鋁焊盤上的絲的球形鍵合結合體，其中所述絲具有10至80微米的直徑并包含由銅合金構成的芯，所述銅合金由0.05至3重量%的鈀和/或鉑與作為余量補足100重量%的銅構成。

本發明涉及包括半導體器件的鋁焊盤和球形鍵合（ball-bond）到鋁焊盤（bondpad）上的銅合金絲的球形鍵合結合體（arrangement）。

鍵合絲（bonding wire）在電子和微電子應用中的使用是公知的現有技術狀況。盡管鍵合絲一開始由金制成，但現今使用更便宜的材料，如銅。盡管銅絲提供非常好的電導率和熱導率，但銅絲的鍵合具有其挑戰性。

已經證實，球形鍵合到半導體器件，例如集成芯片的鋁焊盤上的銅絲的球形鍵合結合體由于在鋁焊盤表面和球形鍵合的銅絲表面之間的球形鍵合接觸區內，或更簡單地說，在接合處或在球形鍵合界面處的銅鋁化合物（copper aluminide）界面層的不合意形成和生長而傾向于隨時間經過變弱。

在本文中使用術語“鋁焊盤”。其是指由鋁或具有例如至少98.5 wt.-%（重量%）的鋁含量的鋁合金構成的焊盤，特別是半導體器件的焊盤。很常用于鋁焊盤的鋁合金的一個實例是與1重量%硅和0.5重量%銅形成合金（Al1Si0.5Cu）或與0.5重量%銅形成合金（Al0.5Cu）的鋁。鋁焊盤具有例如0.6至4微米的總厚度。術語“鋁焊盤”也指具有外部鋁頂層（例如0.5至1微米厚）的非鋁或鋁合金的金屬的焊盤。

在本文中使用術語“銅鋁化合物”。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Cu_0.01Al_0.99（9.11原子% Cu和90.88原子% Al）、Cu_0.78Al_0.22（78.2原子% Cu和21.84原子% Al）、Cu_0.84Al_0.16（82.6原子% Cu和17.4原子%Al）、Cu_0.85Al_0.15（84.5原子% Cu和15.5原子% Al）和Cu_0.96Al_0.04（97.3原子% Cu和2.7原子%Al）亞穩相。原子%值來自在各自的銅-鋁相處進行的SEM-EDX測量。

前面提到的銅鋁化合物界面層的形成和生長是老化現象。明顯地，發生固態反應，即來自球形鍵合或絲的銅和來自焊盤的鋁的擴散。經過越長時間或球形鍵合結合體變得越舊，形成越多的銅鋁化合物，如可根據該銅鋁化合物層的不僅厚度還有面積方面的生長所觀察到的。換言之，球形鍵合結合體處于運行中的時間越長，形成越多的銅鋁化合物。還存在溫度的影響，這意味著運行中的接點溫度（junction temperature）越高，即運行過程中球形鍵合界面處的溫度越高，銅鋁化合物層的生長越快。球形鍵合結合體在運行中的接點溫度據信在100至300℃或100至250℃的范圍內。

可以通過在高功率光學顯微鏡（50至1200X放大）中觀察的球形鍵合到鋁焊盤上的銅絲的球形鍵合結合體的剖面樣品的顏色對比成像確定或表征這樣的界面銅鋁化合物層的性質和厚度。選擇在500至1000X范圍內的放大率是便利的。當在這樣的顯微鏡下觀察這樣的剖面球形鍵合結合體時，這樣的銅鋁化合物層呈現為80至100面積%的灰色區域和0至20面積%的黃色區域，基于這兩個區域的總面積計。

可以如下文概述還更詳細地進行界面銅鋁化合物層的表征。