半导体器件的制作方法

专利名称：半导体器件的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种半导体器件，且更具体地涉及一种配置成在半导 体芯片的电极焊垫和键合线(bonding wire)等接合构件之间具有结点 (junction)并用密封树脂密封的半导体器件。
背景技术：
日本专利特开No. S64-37044 ( 1989 )和日本专利特开No. H01-187832 ( 1989)公开了典型的半导体器件，其是通过将布置在半 导体芯片上的电极焊垫经由例如引线键合的接合构件接合到引线架， 之后用密封树脂密封而制造的。在日本专利特开No. S64-37044描述的半导体器件中，金(Au) 线键合到由铝(Al)硅(Si)合金构成的互连。此外，日本专利特开No. S64-37044还公开了，当塑料模制的半导 体器件保持在200摄氏度或更高的高温环境中时，在金线和铝电极焊 垫的结点处会造成脱离，导致有缺陷的接合；并且还公开了，除了金 线的结点之外，在铜(Cu)线和铝电极的结点中也会导致类似的现象。此外，日本专利特开No. S64-37044另外公开了，这种现象与密封 树脂中由于热退化而产生的自由卤素的程度相关；并且还公开了可 以通过纯化用作阻燃剂的溴化的环氧树脂，以减少由于热分解产生的 自由溴化合物，来改善这种现象。日本专利特开No. H01-187832公开了用Cu导线的键合技术。日 本专利特开No. HOl-187832描述了为了增加电极焊垫的硬度，以相 对高的比例将Cu加入到包含Al作为主要成分的电极焊垫中。更具体 地，以2%到12。/。的比率将Cu加入到包含Al作为主要成分的电极焊垫 中，以获得其硬度在70到100维氏硬度的等级。日本专利特开No. HOl-187832还描述了由于这种电极焊垫的硬度高于Al焊垫的硬度， 所以在键合Cu导线的处理期间压焊截面不会剥离，并且减小了施加到 电极焊垫的下层上的冲击力，以便避免绝缘膜中的损伤，例如裂缝。发明内容本发明人研究了在日本专利特开No. S64-37044和日本专利特开 No. HOl-187832中描述的技术，并发现仍然需要提高在高温环境下 操作期间电极焊垫和键合线之间结点的可靠性。在这种情况下，为了实现进一步提高长期高温下的操作可靠性， 本发明人进行了进一步的研究。由研究的结果发现不采用在密封树 脂中的至少一个区域中使用含溴(Br)的树脂合成物的结构，而是使 用基本不包含Br的结构，并且分别为电极焊垫和例如键合线的接合构 件选择合适的材料，使得可以实现在高温下的改善的操作可靠性，并 由此提出了本发明。根据本发明的一个方面，提供一种半导体器件，包括半导体芯 片；电极焊垫，其提供在半导体芯片中并包含铝(Al)作为主要成分 且另外包含铜(Cu);和接合构件，其连接提供在半导体芯片外部的 接合端子和半导体芯片，且主要包含Cu,其中在用来接合该接合构件 和电极焊垫的区域中提供多层具有不同Cu与Al含量比的Cu和Al合 金，其中Cu和Al合金层包括铜-铝合金(CuAl2)层和提供在CuAl2 层和接合构件之间且具有比CuAl2层的Al含量比相对低的Al含量比的 层，并且其中电极焊垫和接合构件用基本不包含卤素的密封树脂密封。本发明的半导体器件配置成接合构件主要包含CU，电极焊垫包 含Al作为主要成分并且进一步包含CU，并且密封树脂基本不包含卤素。由于多层具有不同Cu与Al含量比的Cu和Al合金提供在用来接合该接合构件和电极焊垫的区域中，所以通过这些增强效应抑制了在 高温操作期间接合构件和电极焊垫之间的结点区域中缺陷的产生，由 此可以稳定地提高可靠性。此外，与使用Au作为接合构件的材料相比，能够实现改善的电学特性，另外，能够显著降低制造成本。可以使用任何类型的构件作为本发明中的接合构件，只要该构件 能够提供接合端子和半导体芯片之间的电接合，更具体地可以使用线 状、球状、带状接合构件等。能够抑制在接合构件和电极焊垫之间的 结点区域中缺陷的产生，而不管接合构件的类型。在这里，条件"密封树脂基本不包含卤素"在本说明书中被确定为没有蓄意地向构成密封树脂的成分中的任何树脂或例如阻燃剂等 的任何添加剂中加入卣素，并且，在制造过程期间不可避免地混入密 封树脂组合物中的卤素是允许的。即使在这种不可避免的混合的情况 下，树脂组合物中每种卤素元素的卤素含量可以是，例如，等于或低于1000 ppm，更优选等于或低于lOOppm。这里，条件"电极焊垫包含Al作为主要成分"在本说明书中确定 为在整个电极焊垫上包含Al的比率例如等于或高于50%wt.。另外，条件"接合构件主要包含CU"在本申请书中确定为在整个接合构件上包含Cu的比率例如等于或高于50 %wt.。如上所述，根据本发明，能够实现在高温下接合构件和电极焊垫之间的结点区域中的提高的可靠性。


结合附图，由下面的特定优选实施例的描述，本发明的上述和其 它目的、优点和特征将变得更加明显，附图中图1是截面图，示出了实施例中半导体器件的结构； 图2是图1的半导体器件的部分放大的截面图；图3是截面图，示出了实施例中电极焊垫和半导体器件的键合焊垫之间的结点的结构；图4是截面图，示出了实施例中半导体器件的结构； 图5是截面图，示出了实施例中半导体器件的结构； 图6A和6B是截面图，示出了图5中所示的半导体器件中的结点的结构；图7A和7B是截面图，示出了图5中所示的半导体器件中的结点 的结构；图8A和8B是截面图，示出了图5中所示的半导体器件中的结点 的结构；图9A、 9B和9C是截面图，示出了实例中电极焊垫和导线之间的 结点的结构；图IO是示出实例中的电极焊垫和导线之间的结点结构的截面图； 图IIA到图IID是示出实例中电极焊垫和导线之间结点层的分析 结果的图表；图12A和12B是截面图，示出了实例中电极焊垫和导线之间的结 点结构；图13包括截面图，示出了实例中电极焊垫和导线之间的结点结构；图14包括图表，示出了实例中电极焊垫和导线之间结点的高温储 存的分析结果；图15A和15B是截面图，示出了实例中在高温下电极焊垫和导线 之间的结点结构；图16包括示出了实例中电极焊垫和导线之间结点层的分析结果 的频谱；图17包括示出了实例中电极焊垫和导线之间结点层的分析结果 的频谱；图18A和18B是截面图，示出了实例中电极焊垫和导线之间的结 点结构；和图19是Al-Cu合金的相图。
具体实施方式
现在在这里将参考示范性实施例描述本发明。本领域的技术人员 将认识到，利用本发明的教导能够实现多个可选实施例，并且本发明 并不限于为说明目的而示出的实施例。将参考附图描述根据本发明的示范性实现方式。在所有图中，相 同的附图标记指定给图中共同出现的元件，并且将不再重复它们的详 细描述。下面将描述采用键合线作为接合构件用于使焊垫与半导体芯 片电接合的示范性实现方式。首先，为了更好地理解本发明，将详细地描述如上所述用于概括 说明在较高温度下的操作期间在常规的半导体器件中出现故障的机 理。图5是截面图，示出了研究所采用的半导体器件的结构。图5所示 的半导体器件200被配置为具有由叠置在硅衬底上(未示出)的互连层 和层间绝缘层组成的多层膜(未示出)。铝(Al)焊垫207提供在多层 膜(未示出)的特定位置上，并且聚酰亚胺膜209覆盖A1焊垫207的整 个侧表面和一部分上表面。在未覆盖聚酰亚胺膜209的部分中，Cu导线 211接合至Al焊垫207的上表面。Cu导线211的最前部，其是与A1焊垫207 的接合部分，形成为Cu球213， Al焊垫207结合至Cu球213。由包含溴化 了的环氧树脂的树脂组分构成的密封树脂215设置在聚酰亚胺膜209的整个上表面上方，以覆盖Al焊垫207和Cu球213之间的结点。对于图5中所示的半导体器件200研究了在较高温度下的储存期间 在结点中出现缺陷的原因。更具体地，制造多个半导体器件200，并且 保持在175摄氏度的温度下2350小时。然后，将半导体器件200冷却到 环境温度，然后用扫描电子显微镜(SEM)观察Al焊垫207和Cu球213 之间的结点。为了比较，在完成2350小时储存之前取出一些半导体器 件200，且将其冷却到环境温度，然后观察了它的结点的状况。图6A和6B、图7A和7B以及图8A和8B是截面图，示出了A1焊垫207 和提供在Cu导线211的头部的Cu球213之间的结点205的结构。图6A示 出了在较高温度下储存之前的状况。而且，在图6B、图7A、图7B、图 8A中示出了在储存期间器件的状况随着时间的一系列变化，储存时间 按上述顺序变长，以及图8B示出了储存之后的状况。如图6A所示，在高温储存之前的初始阶段的结点提供有形成为约 0.2/mi厚的铜-铝(CuAl)合金层。当这种结构保持在较高的温度下时，在该结点中出现了反扩散， 形成从Cu导线211侧朝着Al焊垫207侧的从Cu富集层至Al富集层的多个 合金层，由此在Cu侧，或者也就是在Cu球213的底部，生成了Oi3Al2 (图6B)。而且，溴离子(Br—)，其是从密封树脂215中溴化的环氧树 脂得到的，从Cu球213的圆周部分渗透入该结点中(图7A) 。 Cu3Al2 被渗透入其中的溴离子腐蚀形成溴化铝(A旧r3)(图7B) 。 A1B"的形 成导致合金层中的Cu被挤出去，结果形成了包含被隔离在AlBr3的内部 中的剩余Cu的区域(图8A)。由于AlBr3具有较高的电阻，所以这种高 电阻层的形成会导致开路缺陷(open defect)(图8B)。而且，由于 AlBr3具有97.5摄氏度的较低熔点，所以其体积在环境温度下降低，由 此会在AlBr3层中产生空隙或裂缝。从上述的分析结果来看，发现在具有Cll导线211和包含溴化的环氧树脂的密封树脂215的半导体器件200被保持在高温下时产生缺陷。根据这些分析结果，如下将描述器件结构的示范性实现方式，其中抑制了形成A1B巧的反应的进行和相应缺陷的产生。 (第一实施例)图1是截面图，示出了本实施例的半导体器件的结构。图2是图1 中的半导体器件100的部分放大截面图，其中放大了电极焊垫和键合线 结合的区域周围的结构。图1和图2中所示的半导体器件200包括半导体芯片102、电极焊垫 (AlCu焊垫107)和导线，其中该电极焊垫提供在半导体芯片102中， 包含A1作为主要组分并且另外包含铜(Cu);该导线包含Cu作为主要 组分(例如，CuP导线lll)，其用作用于将提供在半导体芯片I02外部 的接合端子(内引线in)与半导体芯片102连接的接合构件，且主要 包含Cu。 CuP导线lll包含Cu作为主要组分并且另外包含磷(P) 。 CuP 导线lll的前缘形成球状CuP球113。 AlCu焊垫107和CuP导线lll用基本 不包含卤素的密封树脂115密封。这里，在本说明书中，包含Al和Cu作为组成元素的电极焊垫称为 "AlCu焊垫107"。另外，包含Cu和P作为组成元素的导线和球被分别称 为"CuP导线"和"CuP球"。而且，在半导体器件100中，半导体芯片102提供在引线架121上， 其全部都用密封树脂115密封。其它引线架119提供在引线架121的侧 面。引线架119的部分用密封树脂115密封以形成内引线117。半导体芯片102被配置为具有例如形成在衬底如半导体衬底(硅衬 底IOI)和提供在衬底上由叠置的互连层、层间绝缘层等构成的多层膜 103上的垂直功率金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET，未示出)。AlCu焊垫107提供在多层膜103上的特定位置上，并且AlCu焊垫107的整 个侧表面和部分上表面用聚酰亚胺膜109覆盖。在提供在聚酰亚胺膜 109中的开口中，暴露AlCu焊垫107的上表面。AlCu焊垫107的露出部分 经由CuP导线lll电接合至内引线117。 CuP导线lll的一端形成CuP球 113，并且将AlCu焊垫107结合至CuP球113。在CuP球l 13和AlCu焊垫107 之间的结点的区域中，CuAl合金层105存在于CuP球113的底部上(图2)。 AlCu焊垫107和CuP球113之间的结点涂布有密封树脂115。在具有这种结构的半导体器件100中，CuP导线lll和CuP球113由 主要包含Cu的导电材料构成，在该实施例中典型的是磷铜(CuP)。在 CuP导线lll中磷(P)的含量设定为例如等于或大于整个CuP导线lll 的O.Ol %wt.。这样的工序能进一步有效地抑制在导线键合工艺期间形 成氧化铜，以便可以抑制结点电阻的增加。而且，在CuP导线lll中P的含量设定为例如等于或小于0.03 %wt.。 这种程度的含量进一步提高了该导线的导电性。CuP的更具体的组分可 包括一般包含99.97 。/。wt.的Cu和0.03 %wt.(300 ppm)的P的CuP的组分。CuP导线lll的直径0可根据AlCu焊垫lO7的尺寸和/或AlCu焊垫 107的集成度来确定。更具体地，CuP导线lll的导线直径可确定为大于 等于20/mi且小于等于70/mi。不小于20/mi的直径将提供进一步提高了的 与AlCu焊垫107接合的可靠性。在AlCu焊垫107的布置中，不大于70/mi 的直径将提供更小间距的焊垫，以便内引线117和AlCu焊垫107的接合 布置处于更高的密度。此外，CuP球113形成在CuP导线lll与AlCu焊垫107的结点中。如图2的截面图所示，在CuP球113中提供了球的厚度从中心朝着外 围增加的肩部131。肩部131和水平面之间的角度可以是例如大于等于4度和小于等于 8度。如果该角过小，则需注意，在结点的形成期间难以用毛细管 (capillary)支撑CuP导线lll。相反，如果该角过大，则在具有第一和 第二焊点的CuP导线lll中，当键合CuP导线lll的第二焊点时，毛细管 凹陷，结果需注意CuP导线lll损伤。此外，在与AlCu焊垫107的结点中，CuP球113的底表面形成例如平坦的表面。AlCu焊垫107是包含Al作为主要成分并且另外包含Cu的电极焊垫的实例。Al在整个AlCu焊垫107中的比例可以是例如大于等于50.0 y。wt.和 小于等于99.9。/。wt.，且Cu的比例可以是例如大于等于O.l 。/。wt.和小于等 于IO.O %wt.。为了实现增加的电极焊垫的硬度和抑制在导线键合工艺 期间电极焊垫的损伤，可将Cu的比例设定为例如等于或高于O.l %wt.， 优选等于或高于0.2。/。wt.。此外，为了抑制膜应力的增加，可将Cu的比 例设定为例如等于或低于10.0y。wt.,优选等于或低于5.0。/。wt.，更优选 等于或低于3.0Mwt.。除了上述之外，当AlCu焊垫107由Al和Cu构成时，Al在整个AlCu 焊垫107的比例更具体地可以是大于等于90.0 y。wt.和小于等于99.9 %wt.。此外，如果AlCu焊垫107中的Cu含量过低，则AlCu焊垫107的硬度 会过分降低，以致需注意下层在键合工艺中受到损伤，或者不均均地 形成初始合金层，以致需注意结点的稳定退化。另一方面，如果AlCu 焊垫107中的Cu含量过高，则需注意AlCu焊垫107和CuP导线lll之间的 结点的强度降低。在超声波结合时，通过应用超声波使导线的金属与 焊垫的金属摩擦，以导致结点表面中的相对滑动，于是由滑动引起的新产生的表面相互粘着，结果不同金属之间的粘接活跃进行，由此产生了不同金属之间的结点。随着AlCu焊垫107中的Cu含量增加，AlCu 焊垫107的硬度也增加了，由此难以形成新产生的表面，以致会担心结 点的强度降低。由此，鉴于结点的强度和结点的稳定性的平衡，AlCu 焊垫107中的Cu含量可以是优选不等于或高于0.1 。/。wt.且低于2 %wt.， 更优选为大于等于0.2 。/。wt.且小于等于l。/。wt.。与CuP导线lll接合的AlCu焊垫107的区域的厚度可以是，例如， 等于或大于未与CuP导线lll接合的AlCu焊垫107的区域的厚度的1/4， 并优选等于或大于它的1/2。当与CuP导线lll接合的AlCu焊垫107的区 域的厚度过小时，需注意AlCu焊垫107下面的层受到损伤。除了上述之 外，没有特别限制CuP导线lll接合的AlCu焊垫107的区域的厚度的上 限，其可以是，例如，不大于CuP导线lll未接合的AlCu焊垫107的区域 的厚度。此外，半导体器件100包括在AlCu焊垫107和CuP球113之间的结点 中的Al和Cu的合金层(CuAl合金层105)。在该说明书中，把Cu和Al 的合金层称为"CuAl合金层"。这种CuAl合金层包括Cu和Al不同含量比 的合金。Al是金属元素，作为包含在AlCu焊垫107中的主要成分。Al和Cu的合金层的尺寸面积等于或大于AlCu焊垫107和CuP导线 111之间的接合部分的尺寸面积的5 0 % 。CuAl合金层105是分层的区域，其是通过AlCu焊垫107中的Al和 CuP球113中的Cu由于形成该结点的工艺中的加热引起的扩散形成的， 并且包含Cu和Al作为主要组分。这里，术语"包含Cu和Al作为主要组分" 指的是Cu的含量和Al的含量之和大于整个CuAl合金层105的50。/。wt.。图3是截面图，具体示出了CuAl合金层105的结构。如图3所示， CuAl合金层105由具有不同组分比的Al和Cu的Cu和Al的多层(CuAl合金层)组成。CuAl合金层是逐步形成的以具有Cu和Al的组分分布，其 中从CuP球113侧朝着AlCu焊垫107侧，Cu的比例相对降低而Al的比例 相对增加。更具体地，多个合金层提供在CuAl合金层105中以形成含量 比分级分布，其中从CuP球113侧朝着AlCu焊垫107侧，Cu的含量比相 对降低而A1的含量比相对增加。更具体地，合金层包括，CuAl2层和提供在CuAl2层与CuP球113之 间且具有相比CuAl2层较低的Al含量比的层。提供在CuAl2层和CuP层球 113之间且具有相比CuAl2层较低的Al含量比的层包括Cu和Al的含量 比为l:l的CuAl层，以及提供在CuAl层和CuP球113之间且具有相比 CuAl层较低的Al含量比的层。在图3所示的示范性实现方式中，多层结构从其上部起包含CuP 球113 (Cu层)、Cu9Al4层或Oi3Al2层、CuAl层、CuAl2层和AlCu焊垫 107 (Al层)。如上所述，CuAl合金层105是例如由Cu和Al的金属互化物构成的 层，且包含例如CuAUi。另外，CuAl合金层105可进一步包括CuAl层和CU9AU层或Cll3Al2层。对于组成CuAl合金层105的每层的厚度没有具体限制，并且一般例 如约为200至300 nm。而且，如图3所示，组成CuAl合金层105的每层之 间的界面可以是不平坦的表面。而且，从上面看，这种不平坦的表面 可形成在结点区域的整个表面上方。虽然图2和图3示出了CuAl合金层105清楚地出现在CuP球113底部 的结构，但可采用半导体器件100的任何结构，只要通过加热工艺CuAl 合金层105明确出现在CuP球113的至少一部分中，且在使用前的条件下 在半导体器件100中不需要具有CuAl合金层105的明确分层的结构。即 使在使用之前的条件下的半导体器件100不具有CuAl合金层105的明确分层的结构，但一旦开始使用半导体器件100来加热与CuP球113和AlCu 焊垫107的结点的附近，那么CuAl合金层105就会更清楚地呈现。密封树脂115基本不包含囱素。更具体地，密封树脂115是耐热性 树脂，其是由基本不包含卣素或锑的树脂组分组成。对于每种卣素元 素不可避免地混合在密封树脂115中的浓度可以是例如等于或低于 1000 ppm，优选等于或低于100ppm。另外，不可避免地混合在密封树 脂115中的卤素的总浓度可以是例如等于或低于1000ppm，且更优选等 于或低于IOO ppm。包含在密封树脂115中的树脂由分子骨架(backbone)中基本没有 卤素基团的聚合体化合物构成。例如，密封树脂115中的树脂由分子骨 架中基本没有Br基团的聚合体化合物构成。密封树脂115可包含一种类 型的树脂，或者可包含多种类型的树脂。而且，密封树脂115甚至在除了树脂以外的组分中，例如添加剂如 阻燃剂等等中，也不含卤化物。更具体地，这些类型的树脂组成典型包括包含含有可选的阻燃 剂的树脂例如金属氢氧化物的树脂组分；高填充剂的树脂组分，包含 例如在等于或高于整个树脂组分的80 。/。wt.且优选等于或高于85 %wt. 程度的填料例如熔融的球形硅石等；和包含具有阻燃骨架的聚合体化 合物的树脂组分，例如酚醛树脂、环氧树脂等。这些可单独使用，或 者可采用它们的组合。更具体地，典型的金属氢氧化物包括氢氧化铝和氢氧化镁。更具 体地，其它的替换的阻燃剂包括无机磷和有机磷化合物。也可采用金 属氢氧化物和分子骨架中基本没有卤素基团的聚合体化合物的组合。在具有阻燃骨架的聚合体化合物中，具有阻燃骨架的酚醛树脂一般包括，例如，其分子中具有联苯或萘的线性结构(novolac structure) 酚醛树脂。更具体地，酚醛树脂包括酚类芳烷基树脂例如酚类联苯 撑芳烷基树脂、酚类亚苯基芳垸基树脂、酚类二苯醚芳垸基树脂等； 含双酚芴(bisphenol fluorene)的线性酚醛树脂(phenolic novolac resin)、 含双酚-S的线性酚醛树脂；含双酚-F的线性酚醛树脂；含双酚-A的线性 酚醛树脂；含萘的线性酚酸树脂；含蒽的线性酚醛树脂；含芴的线性 酚醛树脂；和稠合的多环芳香族酚醛树脂(condensed polycyclic aromatic phenolic resin)。这些可单独采用，或者可采用它们的组合。具有阻燃骨架的环氧树脂包括，例如，分子中具有联苯或萘的线 性结构环氧树脂。更具体地，环氧树脂包括酚类芳垸基环氧树脂， 例如酚类联苯撑芳烷基环氧树脂、酚类亚苯基芳烷基环氧树脂、酚类 二苯醚芳垸基环氧树脂等；含双酚芴的酚醛环氧树脂；含双酚-S的酚醛 环氧树脂；含双酚-F的酚醛环氧树脂；含双酚-A的酚醛环氧树脂；含萘 的酚醛环氧树脂；含蒽的酚醛环氧树脂；含芴的酚醛环氧树脂；和稠 合的多环芳香族环氧树脂。这些可单独采用，或者可采用它们的组合。由于与采用另外包含可选阻燃剂的树脂组分的情况相比，通过釆 用包含具有阻燃骨架的聚合体化合物的树脂组分，可以提供密封树脂115和将被密封的构件之间的进一步提高的粘接性，因此甚至在包括例 如具有相对大的尺寸面积的AlCu焊垫107的情况下也可以更优选采用 这种树脂组分。接下来，将描述半导体器件100的制造方法。首先，在衬底例如半导体衬底(硅衬底101)上形成由叠置的互连 层、层间绝缘层等构成的多层膜103。接下来，经由溅射工艺在多层膜 103上的特定位置形成AlCu焊垫107。AlCu焊垫107的厚度设定为例如等 于或大于2.5/mi。随后，经由涂布工艺形成聚酰亚胺膜109以覆盖AlCu 焊垫107。随后，图案化聚酰亚胺膜109以提供开口，以便暴露出部分AlCu焊垫107。由此获得了半导体芯片102。获得的半导体芯片102装配在引线架121上，并且AlCu焊垫107和内 引线117之间的导线键合经由CuP导线lll进行。在键合工艺中形成CuP 球113。在这种情况下，对于支撑CuP导线lll的毛细管采用具有斜的端部 分的构件。毛细管的倾角根据肩部131的几何图形适当地选择，例如， 大于等于4度和小于等于8度。这允许形成CuP球113的肩部131具有这样 的几何图形，g口，其中该肩部从CuP球113的中心朝着周围逐渐与AlCu 焊垫107的上表面拉开距离。另外，键合工艺在腔室例如玻璃腔室内进行。腔室中的气氛可选 择为例如由5%体积的氢气(H2)和95%体积的氮气(N2)构成。对于 键合线的材料采用CuP并在上述气氛内进行键合工艺的这种结构，允许 减少在键合工艺期间的氧化，并且即使导致氧化也优先氧化在CuP导线 lll中的P，使得防止Cu氧化物的形成，减少结点电阻的增加。键合工艺通过以下工序进行步骤ll:在CuP导线lll的最前部形成具有一定直径的CuP球113; 步骤12:基本上垂直于AlCu焊垫107的上表面下移CuP球113;和 步骤13: CuP球113与AlCu焊垫107接触，然后相比步骤12的情况 减少施加到CuP球113的负荷，并施加超声波振动。在上述工序的步骤12中，沿着毛细管的最前部的几何图形成形CuP 球113，以形成肩部131。另外，其底部接触AlCu焊垫107以形成平坦的 结点表面。在步骤12中，更具体地，例如，施加约400g至l kg的较大负 荷约O.l msec.至IO msec.，而没有向CuP球113提供超声波振动，以将CuP 球113朝着AlCu焊垫107的顶部下降。这使得当AlCu焊垫107与CuP球 113接触时能防止与CuP球113接触的AlCu焊垫107的部分过度下沉，以避免提供过小厚度的焊垫或底下的器件的退化。另外，通过利用CuP球 113的底表面的平坦部分可以确保足够的结点面积。在步骤13中，将施加到CuP球113的负荷减少至例如步骤12中所施 加的约1/5，并提供超声波振动。这里，在步骤13中施加该负荷的时间 设定为例如约0.5 msec.至20 msec.。提供超声波振动同时将该负荷施加 到CuP球113，以便可以去除形成在AlCu焊垫107的上表面中的原生氧化 膜，以生成新表面，由此使CuP球113与该新产生的表面接触。由此， 可以实现提高CuP球113与AlCu焊垫107的结点的可靠性。施加比在步骤 12中施加的负荷低的减小的负荷和提供超声波振动的工序，能通过CuP 球113抑制AlCu焊垫107的挤出，以便接合CuP球113的区域中AlCu焊垫 107的厚度等于或大于未接合CuP球113的区域中AlCu焊垫107的厚度的 1/4。由于在步骤12中形成了新生成的表面，所以即使减小了负荷，在 结点中也获得了足够的强度并确保了AlCu焊垫107的足够厚度，因此减 小了用作结点的形成的CuAl合金层105的厚度的不均匀。因此，可以形 成均质的CuAl合金层105以提供提高的结点可靠性。而且，通过减小负 荷可以减少对下面的器件的损伤。其后，用密封树脂115密封引线架121、半导体芯片102、 CuP导线 lll和内引线in。由此通过上述工序获得了图1和图2中所示的半导体 器件IOO。虽然图2中所示的CuAl合金层105存在于所获得的半导体器件 IOO内，但其后使用半导体器件100会导致CuAl合金层105更清楚地呈现。接下来，将描述通过釆用半导体器件100的结构获得的有利效果。在图1和图2所示的半导体器件100中，CuP导线lll结合至AlCu焊 垫107， CuAl2层和具有相比CuAl2层相对较低的Al含量比的层从AlCu焊 垫107侧朝着CuP球113侧按着该顺序形成在该结点中。由此，可以存在 在结点工艺的初始阶段在结点区域中实现合金层的稳定形成的结构，来减少在较高温度下的操作期间合金层的过度生长，以及在较高温度 下的操作期间提供提高的接合可靠性。当配置CuAl合金层105以具有含 有不同组分的三层或更多层，其被布置成提供Al含量比从AlCu焊垫107 侧朝着CuP球113侧降低的分布时，更显著地呈现出这种有利效果。而且，在半导体器件100中，其间的接合部分用无卤素的密封树脂 115密封。由此，由于抑制了密封树脂115中的卤素侵蚀CuAl合金层105， 所以可以抑制由于CuAl合金层105的侵蚀导致的空隙的生长和高电阻 层的生长。由此，与主要采用由含卤素的树脂组成的密封树脂的常规 结构相比，半导体器件100被配置来提供在较高温度下长时间操作期间 显著提高了的接合可靠性。如上面参考图6A、 6B、图7A、 7B和图8A、 8B所述的，考虑了由 于形成AlBr3等的化学反应而导致电极焊垫和键合线之间的接合缺陷， 并配置半导体器件分别选择电极焊垫、导线和密封树脂的具体材料， 以及配置电极焊垫和导线之间的结点通过具体顺序在其中布置多个合 金层。由此，通过这些增强效应，在半导体器件100中可以稳定地获得 在较高温度下的操作期间提高的接合可靠性，而不管CuP导线lll的直 径。当AlCu焊垫107中的Cu含量低于2 。/。wt.时更显著地呈现出这种有利 的效果。另外，配置半导体器件100以在工作温度方面具有提高的灵活性。 而且，如果在较高的温度下的操作期间在结点区域的部分中产生裂缝， 则能在半导体器件中抑制由裂缝传播引起的开路缺陷。另外，在半导体器件100中，电极焊垫包含Al和Cu作为基本组成。 由此，即使电极焊垫结合至含比Au或Au合金硬的Cu作为主要组分的键 合线，也可以抑制在形成结点的工艺期间在电极焊垫中的结点区域的 过分变薄，使得实现提高的制造产率。而且，由于半导体器件100中的键合线包含Ol作为主要组成，所以 与采用AU导线的情况相比，可以提供例如减小约30%的导线容积电阻率(volumetric resistivity)。由此，可以实现提高的键合线电导率。而 且，与采用Au导线的情况相比，可以减少在高温储存期间金属互化物 的形成和柯肯德尔(Kirkendall)空隙的形成，由此提供了提高的可靠 性。而且，与采用Au导线的情况相比，材料成本可以减少例如约50至 卯％，由此实现了器件制造成本的显著减少。而且，由于键合线含P，所以即使键合线主要含Cu，也能有效地抑 制在键合工艺期间形成Cu氧化物。由此，可以防止该结点中电阻的增 加，因而呈现出提高的导电性。由此，可以采用与采用Au导线的情况 相比截面面积减小约30%的导线。而且，可以采用与采用仅由Cu构成 的导线的情况相比具有减小硬度的导线，以便可以增强产生键合的便 利。另外，P不是必不可少的且键合线可不含P。而且，由于CuP球113具有肩部131，该肩部131具有从该球的中心 朝着周围升起的几何图形，并且还具有从球的中心朝着周围厚度增加 的截面几何图形，所以在键合工艺中可以实现进一步提高的制造产率。在以下实施例中，将描述与第一实施例中不同的技术特征。 (第二实施例)虽然在第一实施例中描述了被配置为具有用键合线接合的电极焊 垫和内引线的示范性实现方式，但接合至键合线的一端(该键合线的 另一端耦合接合至电极焊垫)的用于提供外部接合的端子并不限于内 引线，并且可以替换地采用其它类型的构件。例如，导线结合可从半 导体芯片的电极焊垫形成至提供在印刷电路板上的互连。图4是截面图，示出了具有这种结构的半导体器件。除了提供球栅 格阵列(BGA)衬底129代替引线架121和引线架119之外，图4中所示的半导体器件110的基本结构与图1中所示的半导体器件100的结构相似。BGA衬底129包括具有半导体芯片102装配在上面的印刷电路板 123、提供在印刷电路板123的特定位置中的互连125、和提供在与印刷 电路板123的芯片装配表面相反的表面上的多个凸块127。 CuP导线lll 接合至AICu焊垫107和互连125。用于在印刷电路板123上装配芯片的整 个区域用密封树脂115密封。由于图4中所示的半导体器件110也被配置为如下CuP导线lll接 合至AlCu焊垫107并釆用无卤素阻燃剂密封树脂115，所以获得了与图l 中所示的半导体器件100相同的有利效果。虽然已参考附图全面地描述了本发明的实施例，但呈现这些实施 例仅用于说明本发明的目的，并且其各种修改也是可用的。例如，虽然己在上述实施例中描述了涉及由Al和Cu制成的电极焊 垫的示范性实现方式，但电极焊垫的材料不限于此，只要该材料包含 Al作为主要组分并且进一步包含Cu，并且也可釆用包含A1作为主要组 成并且进一步包含Si和Cu的金属材料，例如AlSiCu。更具体地，电极 焊垫的材料可以是包含98.5 0/owt.的Al、 1.0 。/。wt.的Si和0.5 。/。wt.的Cu的 AlSiCu。而且，虽然在上述实施例中描述了釆用CuP用于结合到AlCu焊垫 107的键合线的材料的示范性实现方式，但键合线的材料没有特别限制 于此，只要该材料主要包含Cu。例如，键合线可以由不含P的材料组成。而且，虽然在上述实施例中描述了半导体器件被配置来在AlCu焊 垫107上提供聚酰亚胺膜109的示例性实施方式，但还可采用没有聚酰 亚胺膜109的可选结构。而且，在上述实施例中，可进一步提供用作AlCu焊垫107下面的层 的阻挡层。这种阻挡层的具体实例包括TiN层、TiN层(焊垫侧)/Ti层 (衬底侧)的组合、Wsi层、MoSi层、TiSi层等。而且，本发明的技术可以施加到各种类型的半导体封装，配置该 封装以用树脂例如环氧树脂等密封，并且毋庸多说，本发明的技术并 不特别限制于如上所述实施例中的结构，例如B GA等的封装。而且，虽然在上述实施例中描述了键合线的示范性实现，其被用 于接合焊垫与半导体芯片中的导电构件的导电接合构件，但也可采用 其它类型的接合构件，例如球状接合构件、带状接合构件等。实例 (实例l)在本实例中，包含Cu和P的导线(CuP导线)结合至包含Al和Cu 的电极焊垫(AlCu焊垫)，然后分析高温储存之后的结点的结构。在 下面示出了电极焊垫和导线的组分、用于键合工艺的条件和在较高温 度下储存的条件电极焊垫99.5 。/。Wt.的Al和0.5 。/oWt.的Cu;导线99.9 0/owt.的Cu和0.1 。/owt.的P， 50/mi的直径;键合条件在200摄氏度的温度，具有100至600g的负荷；以及储存条件在175摄氏度的温度1000小时。图9A是截面图，示出了在高温储存之后的结点结构，以及图9B是 截面图，示出了用图9A中的方框表示的区域的放大图。图10是截面图， 示出了用图9B中的方框表示的区域的进一步放大的图。从图9A和图9B 可以看到，均匀地形成具有约1.2/mi尺寸的结点层。另外，虽然与形成 该结点之前的厚度相比，结点中的电极焊垫的厚度减小了，但仍发现 电极焊垫残留在整个结点上方。如从图10看到的，发现该结点层主要由至少三层(图10中的B至D层)构成。由此，经由X射线衍射获得了图10中的A至D层的组成。图 11A至图11D是图表，分别示出了A至D层的分析结果。参考图19中所示 的A1-Cu合金的相图(最初包括在Hyoung-Joon Kim等人的、标题为 "Effects of Cu/Al Intermetallic Compound(IMC) on Copper Wire and Aluminum Pad Bondability" 中，IEEE Transactions on Components and Packaging Technologies,第26巻，第2期，2003年6月)，图11A至图11D 提供了每层的组分如下。A层A10x;B层CU9AU或CU3A12;C层CuAl;禾口D层CuAl2。另一方面，图9C示出了该结点的条件，其是通过使Au导线(直径 为50拜)与A1-Si-Cu焊垫(98.5 。/。wt.的Al、 1 。/。wt.的Si和0.5 Q/owt.的Cu)结合形成的，然后将其保持在175摄氏度的温度下500小时。如从图9C 和图9A可以看到的，发现通过采用包含Cu作为主要组成的导线和AlCu 焊垫，可以更有效地抑制结点中由于合金层的生长合金本身的生长导 致的空隙的产生。(实例2)在本实例中，评价了在初始阶段与CuP导线一起采用的电极焊垫的 材料对于在该结点中形成的合金层的条件的影响。对于该导线采用具有与实例l中采用的导线相同组分的CuP导线。 对于电极焊垫采用具有与实例l中采用的导线或AlSi焊垫(99 y。wt.的 Al、 "/owt.的Si)相同组分的AlCu焊垫。图12A是截面图，示出了恰在形成采用AlSi焊垫的样本的结点之后的结点，图12B是截面图，示出了恰在形成采用A1CU焊垫的样本的结点之后的结点。如从图12A可以看到的，在采用AlSi悍垫的样本中，在恰在形成该结点之后的结点区域中，存在未完全形成合金层的区域。相反，在采用AlCu焊垫的样本中，合金层完全形成在整个结点区域上方， 如图12B所示。(实例3)在本实例中，评价了对于结点的高温储存与CuP导线一起采用的电 极焊垫的材料关于结构和电阻的影响。对于该导线采用了具有与实例l 中釆用的导线相同组分的CuP导线，并制造了采用不同电极焊垫材料的 以下样品。样品l: AlSiCu焊垫(98.5 Q/owt.的Al、 1 。/。wt.的Si、 0.5 wt.的Cu); 样品2: AlCu焊垫(99.5 。/。wt.的Al、 0.5 wt.的Cu);和 样品3: AlSi焊垫(99。/。wt.的Al、 1 0/owt.的Si)。图13包括截面图，示出了恰在形成样品1至3中的结点之后的结构。 除了以上之外，图13还包括用于与结点中强度对应的结点中的分享强 度(share strength)的测量结果。该分享强度是通过测量当用金属工具 将沿着横向的力施加到在焊垫表面之上2至6 jum的部分时的切变强度 获得的。从图13发现，虽然当采用包含Cu作为组成元素的电极焊垫时电极 焊垫保留在整个结点区域上方，但当采用不包含Cu的AlSi焊垫时由于 球的过度刺穿而形成不存在电极焊垫的区域(参见样品3)。另外，对于样品1至3中的每个制造了15个样本并通过用王水进行 剥离确认了在电极焊垫下面的条件，并且其结果显示，对于样品1和2 的所有15个样本没有发现剥离，而对于样品3的15个样本中的2个样本发现了剥离。接下来，对于样品1和2中的每一个测量了晶体管开态(ON)电阻的波动，该样品1和2用无溴的树脂密封并保持在200摄氏度下。另外， 还对采用与样品1和2对应的电极焊垫和导线、并用含Br的树脂密封的 新样品进行了如上所述的类似测量(样品4和5)。测量结果示于图14 中。从图14可以看到，在200摄氏度的较高温度下操作的晶体管的开态 电阻的增加波动能够通过采用含Cu的电极焊垫并用无Br的树脂密封来 抑制。图15A是截面图，示出了在175摄氏度储存2350小时之后样品5中的 结点的结构，图15B示出了由图15A中的方形指示的区域的放大图。图 16和图17包括多个频谱，其是通过测量图15B中的点1至点6的能量分散 X射线光谱(EDS)获得的。如从图15至图17可以看到的，发现当采用含Br的树脂时，在结点 中形成了Br侵蚀层(AlBr3层)。另外，从Cu和Al的合金挤出Cu以保留 在AlBr3层中。(实例4)在本实例中，评价了密封树脂材料的影响。采用了都具有与实例l 中采用的相同的组分的电极焊垫和CuP导线。该导线结合至电极焊垫， 然后用含Br的树脂或无Br的树脂密封，之后将其保持在175摄氏度下 700小时。图18A是截面图，示出了储存之后的样品，其是用含Br树脂密封的， 以及图18B是截面图，示出了储存之后的样品，其是用无Br的树脂密封 的。如从图1SA和图18B可以看到的，发现在用无Br的树脂密封的样品中没有造成侵蚀，而在用含Br的树脂密封的样品中在结点的区域中形 成了侵蚀。根据实例1至4的结果，发现在含Cu的Al焊垫和含Cu的导线之间的 结点的区域中形成具有不同组分的多个合金层，然后将其用无Br的阻 燃剂树脂密封，使得初始的合金层均质地形成在整个结点区域上方， 并且抑制了在高温储存期间合金层的过度生长和Br的侵蚀，由此在较高温度的操作期间提供了显著提高的接合可靠性。显然，本发明不限于上述实施例，且可进行修改和改变，而不脱 离本发明的范围和精神。
权利要求
1.一种半导体器件，包括半导体芯片；电极焊垫，其提供在所述半导体芯片中，并包含铝(Al)作为主要成分且另外包含铜(Cu)；和接合构件，其连接提供在所述半导体芯片外部的接合端子和所述半导体芯片，且主要包含Cu，其中，在用来接合所述接合构件和所述电极焊垫的区域中，提供具有不同Cu和Al含量比的多个Cu和Al合金层，其中所述Cu和Al合金层包括铜-铝合金(CuAl2)层和提供在所述CuAl2层和所述接合构件之间且具有比所述CuAl2层的Al含量比相对低的Al含量比的层，和其中所述电极焊垫和所述接合构件用基本不包含卤素的密封树脂密封。
2. 如权利要求1所述的半导体器件，其中在所述CuAl2层和所述 接合构件之间提供的所述层包括具有1: 1的Cu和Al含量比的铜-铝合金(CuAl)层，和提供在所述CuAl层和所述接合构件之间且具有 比所述CuAl层的Al含量比相对低的Al含量比的层。
3. 如权利要求l所述的半导体器件，其中在整个所述电极焊垫上 Al的含量比为大于等于50.0 。/owt.且小于等于99.9 %wt.，且在整个所 述电极焊垫上Cu的含量比为大于等于0.1 y。wt.且小于等于5.0 %wt.。
4. 如权利要求l所述的半导体器件，其中所述电极焊垫进一步包 含硅(Si)。
5. 如权利要求l所述的半导体器件，其中所述接合构件进一步包 含磷(P)。
6. 如权利要求1所述的半导体器件，其中所述密封树脂中的树脂 由分子骨架中基本没有溴(Br)基团的聚合体化合物构成。
7. 如权利要求l所述的半导体器件，其中所述密封树脂包含金属氢氧化合物。
8. 如权利要求l所述的半导体器件，其中接合所述接合构件的区 域中的所述电极焊垫的厚度等于或大于没有接合所述接合构件的区域 中的所述电极焊垫的厚度的1/4。
9. 如权利要求l所述的半导体器件， 其中所述接合构件为导线，其中在所述导线与所述电极焊垫的结点中形成了球，和 其中在截面图中所述球提供有具有从中心向球的外围增加的球厚 度的肩部。
10. 如权利要求2所述的半导体器件，其中在整个所述电极焊垫上Al的含量比为大于等于50.0 。/。wt.且 小于等于99.9 %wt.，且在整个所述电极焊垫上Cu的含量比为大于等 于0.1 y。wt.且小于等于5.0 %wt.。
11. 如权利要求2所述的半导体器件，其中所述密封树脂中的树脂由分子骨架中基本没有溴(Br)基团 的聚合体化合物构成。
12. 如权利要求3所述的半导体器件，其中所述密封树脂中的树脂由分子骨架中基本没有溴(Br)基团 的聚合体化合物构成。
13. 如权利要求IO所述的半导体器件，其中所述密封树脂中的树脂由分子骨架中基本没有溴(Br)基团的聚合体化合物构成。
14. 如权利要求6所述的半导体器件，其中所述密封树脂包含金 属氢氧化物。
15. 如权利要求ll所述的半导体器件，其中所述密封树脂包含金 属氢氧化物。
16. 如权利要求12所述的半导体器件，其中所述密封树脂包含金 属氢氧化物。
17. 如权利要求13所述的半导体器件，其中所述密封树脂包含金 属氢氧化物。
18. 如权利要求2所述的半导体器件，其中接合所述接合构件的 区域中的所述电极焊垫的厚度等于或大于没有接合所述接合构件的区 域中的所述电极焊垫的厚度的1/4。
19. 如权利要求3所述的半导体器件，其中接合所述接合构件的 区域中的所述电极焊垫的厚度等于或大于没有接合所述接合构件的区 域中的所述电极焊垫的厚度的1/4。
20. 如权利要求IO所述的半导体器件，其中接合所述接合构件的 区域中的所述电极焊垫的厚度等于或大于没有接合所述接合构件的区 域中的所述电极焊垫的厚度的1/4。
全文摘要
实现了在较高的温度下键合线和电极焊垫之间的结点区域中提高的可靠性。半导体器件(100)包括半导体芯片(102)、AlCu焊垫(107)和CuP导线(111)，其中AlCu焊垫(107)提供在半导体芯片(102)中且包含Al作为主要组分并且另外包含铜(Cu)，CuP导线(111)用作接合构件用于将提供在半导体芯片(102)外部的内引线(117)与半导体芯片(102)连接，并且主要包含Cu。AlCu焊垫(107)和CuP导线(111)用基本不含卤素的密封树脂(115)密封。
文档编号H01L23/488GK101256993SQ20081008123
公开日2008年9月3日 申请日期2008年2月20日 优先权日2007年2月20日
发明者冈部诚司, 田中壮和, 高桥康平 申请人:恩益禧电子股份有限公司