專利名稱：一種半導體器件和一種制造該器件的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種半導體器件和這種半導體器件的一種制造方法，尤其涉及一種技術，當將這種技術應用于具有用于連接半導體芯片(片狀器件)和外部接線端子的絲線的半導體器件時是有效的，并且涉及該半導體器件的制造方法。
背景技術：
取出電信號的輸入和輸出以便允許IC(集成電路)芯片起作用是必要的。為了這一目的，可用的是用金絲(鍵合線)連接IC芯片的鍵合焊盤部分和引線框架等的外部引線端子，然后用樹脂密封IC芯片和金絲的封裝方法。
例如，在日本專利申請公開號Hei 1(1989)-215030中公開的是一種防止裂縫(14)出現(xiàn)在半導體器件鍵合焊盤的下部的技術，這已經(jīng)通過用連接線連接半導體片狀器件和引線框架然后用樹脂密封，通過將線端部球部分的厚度(t)和鍵合寬度(S)的比值(t/S)調(diào)節(jié)到0.2或更小來獲得。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明者已經(jīng)致力于半導體器件的研究和發(fā)展，并且他們已經(jīng)采用上述使用金絲和樹脂的半導體器件封裝方法。
例如，封裝通過將金絲的一端熔化并接觸鍵合(第一鍵合)到鍵合焊盤部分以便用金絲連接IC芯片來完成，鍵合焊盤部分是IC芯片Al膜(互連)的最上暴露部分；將金絲的另一端熱壓鍵合(第二鍵合)到布線襯底上的外部接線端子；并且用樹脂密封IC芯片，金絲等。
在這種封裝方法中，Al膜(互連)和金絲的端部(球部分)通過在鍵合焊盤部分上，在鋁和金之間形成合金來連接。
由于引腳數(shù)(外部接線端子數(shù))隨LSI(大規(guī)模集成電路)功能的多樣化而增加，而且趨向于LSI的高集成，這些引腳(外部接線端子)的間距變得日益狹窄。另外，由于LSI的小型化，每個互連趨向于更薄。
當上述鍵合方法應用于這種具有多樣化功能的高集成的器件時，在用于評價(測試)半導體器件耐久性的溫度循環(huán)試驗之后，短路故障頻繁發(fā)生。
本發(fā)明者已經(jīng)進行關于這種故障的廣泛研究，結果發(fā)現(xiàn)鋁-金合金層中的破裂現(xiàn)象(裂縫)是故障的原因。他們繼續(xù)進行進一步的研究，因為在鍵合焊盤部分下部的裂縫占鋁-金合金層中破裂現(xiàn)象的主要部分，如在上述日本專利公開號Hei 1(1989)-215030中所示。如隨后將詳細描述的，鋁-金合金層的形態(tài)不同于傳統(tǒng)的形態(tài)。
本發(fā)明的一個目的在于改進鍵合焊盤部分(互連)和球部分之間的粘附，尤其是，維持互連和球部分之間足夠的粘附，即使互連的膜厚度很小。
本發(fā)明的另一個目的在于通過改進互連和球部分之間的粘附來改進半導體器件的可靠性，并且改進半導體器件的成品率。
本發(fā)明的更進一步目的在于提供一種技術，將這種技術當應用于具有以小間距排列的鍵合焊盤的半導體器件時是合乎需要的，并且提供這種半導體器件的制造方法。
本發(fā)明的上述和新的特征將從這里的描述和附圖變得明白。
接下來將簡要描述由本申請公開的發(fā)明的典型。
(1)本發(fā)明的一種半導體器件具有形成于半導體芯片上的第一金屬膜，形成于第一金屬膜上并由第二金屬形成的球部分，以及形成于第一金屬膜和球部分之間以達到第一金屬膜底部的第一金屬和第二金屬的合金層。球部分可以用樹脂覆蓋。球部分的高度h和球的最大外徑D之間的關系可以滿足下面的表達式9≥D/h≥2。
(2)本發(fā)明的一種半導體器件具有形成于半導體芯片上的第一金屬膜，形成于第一金屬膜上并由第二金屬形成的球部分，以及形成于第一金屬膜和球部分之間的第一金屬和第二金屬的合金層。第一金屬膜與球部分的接觸區(qū)的直徑d和合金層形成區(qū)域的直徑g滿足下面的表達式g≥0.8d。第一金屬膜與球部分的接觸區(qū)的直徑d和球的最大外徑D可以滿足下面的表達式d≥0.8D。
(3)根據(jù)本發(fā)明的半導體器件的一種制造方法包括，在半導體芯片上的第一金屬膜上形成在鍵合焊盤部分具有開口的絕緣膜，并且將第二金屬形成的球部分通過使用具有110kHz或更大頻率超聲波的超聲波熱壓鍵合方法粘附到鍵合焊盤部分上。
(4)根據(jù)本發(fā)明的半導體器件的一種制造方法包括，在半導體芯片上的第一金屬膜上形成在鍵合焊盤部分具有開口的絕緣膜，并且通過在第一金屬膜與球部分的接觸區(qū)的至少70％中形成第一金屬與第二金屬的合金層來將形成于第一金屬膜上并由第二金屬形成的球部分粘附到鍵合焊盤部分上。在球部分用樹脂覆蓋或者由樹脂覆蓋的半導體芯片暴露于高溫條件之后，可以測試半導體芯片的特性。由第二金屬形成的球部分可以加工成形，使得接觸區(qū)的直徑d和球部分的最大外徑D滿足下面的表達式d≥0.8D。


圖1是襯底的不完整橫斷面視圖，說明根據(jù)本發(fā)明實施方案的半導體器件的制造步驟；圖2是襯底的不完整橫斷面視圖，說明根據(jù)本發(fā)明實施方案的半導體器件的制造步驟；圖3是襯底的不完整橫斷面視圖，說明根據(jù)本發(fā)明實施方案的半導體器件的制造步驟；圖4是襯底的不完整橫斷面視圖，說明根據(jù)本發(fā)明實施方案的半導體器件的制造方法；圖5是襯底的不完整橫斷面視圖，說明根據(jù)本發(fā)明實施方案的半導體器件的制造方法；
圖6是襯底的不完整橫斷面視圖，說明根據(jù)本發(fā)明實施方案的半導體器件的制造方法；圖7是襯底的不完整橫斷面視圖，說明根據(jù)本發(fā)明實施方案的半導體器件的制造步驟；圖8是襯底的不完整橫斷面視圖，說明根據(jù)本發(fā)明實施方案的半導體器件的制造步驟；圖9是襯底的不完整平面圖，說明根據(jù)本發(fā)明實施方案的半導體器件的制造方法；圖10說明一種毛細管，該毛細管用于根據(jù)本發(fā)明實施方案的半導體器件的制造步驟中；圖11是襯底(鍵合焊盤部分)的不完整橫斷面視圖，說明根據(jù)本發(fā)明實施方案的半導體器件的制造步驟；圖12是襯底(鍵合焊盤部分)的不完整橫斷面視圖，說明根據(jù)本發(fā)明實施方案的半導體器件的制造步驟；圖13是顯示毛細管運動的曲線圖，該毛細管用于根據(jù)本發(fā)明實施方案的半導體器件的制造步驟中；圖14是襯底(鍵合焊盤部分)的不完整橫斷面視圖，說明根據(jù)本發(fā)明實施方案的半導體器件的制造步驟；圖15是半導體器件鍵合焊盤部分的不完整橫斷面視圖，用于說明本發(fā)明實施方案的一個優(yōu)點；圖16是半導體器件鍵合焊盤部分的不完整橫斷面視圖，用于說明本發(fā)明實施方案的另一個優(yōu)點；圖17是半導體器件鍵合焊盤部分的不完整橫斷面視圖，用于說明本發(fā)明實施方案更進一步的優(yōu)點；圖18是根據(jù)本發(fā)明實施方案的半導體器件制造過程的鍵合焊盤部分的不完整橫斷面視圖；圖19是半導體器件鍵合焊盤部分的不完整橫斷面視圖，用于說明本發(fā)明實施方案更進一步的優(yōu)點；圖20是半導體器件鍵合焊盤部分的不完整橫斷面視圖，用于說明本發(fā)明實施方案更進一步的優(yōu)點；圖21是顯示在不同超聲波頻率，接觸鍵合球部分的直徑(μm)和抗剪強度(N)之間關系的曲線圖；圖22是顯示在不同超聲波頻率，超聲波振幅(μm)和抗剪強度(N)之間關系的曲線圖；圖23是顯示在不同超聲波頻率，接觸鍵合球部分的直徑(μm)和合金形成區(qū)域百分比(％)之間關系的曲線圖；圖24是顯示鍵合焊盤部分的間距和Al-Au合金層形成區(qū)域的直徑g與金球部分B的連接區(qū)直徑d的比值(g/d)之間關系的曲線圖；圖25是襯底(鍵合焊盤部分)的不完整橫斷面視圖，說明根據(jù)本發(fā)明實施方案的半導體器件的制造步驟；圖26是說明毛細管運動的曲線圖，該毛細管用于根據(jù)本發(fā)明實施方案的半導體器件的制造步驟中；圖27是襯底的不完整橫斷面視圖，說明根據(jù)本發(fā)明實施方案的半導體器件的制造步驟；圖28是襯底的透視圖，說明根據(jù)本發(fā)明實施方案的半導體器件的制造步驟；圖29是圖28的部分放大圖，說明根據(jù)本發(fā)明實施方案的半導體器件的制造步驟；圖30是襯底的透視圖，說明根據(jù)本發(fā)明實施方案的半導體器件的制造過程。
具體實施例方式
本發(fā)明的實施方案將在下文基于附圖具體地描述。在所有用于描述下述實施方案的附圖中，具有相似功能的元件將由相似的參考數(shù)字來標識，并且重復的描述將省略。
根據(jù)本發(fā)明實施方案的半導體器件(半導體集成電路器件)接下來將在它的制造方法之后描述。
如圖1中所示，制備在其上形成氧化硅膜11和二級互連M2的半導體襯底1。在氧化硅膜11中，形成半導體元件例如MISFET(金屬絕緣半導體場效應晶體管)，一級互連，用于連接元件和一級互連的插塞，隨后將描述的用于連接一級互連和二級互連的插塞等。在半導體襯墊1中，由例如氧化硅膜做成的元件隔離根據(jù)需要形成，但是它的說明也省略了。
如圖2中所示，氧化硅膜12通過CVD(化學汽相沉積)在二級互連M2上沉積作為級間絕緣膜。然后，接觸孔C3通過干法刻蝕移除二級互連M2上的氧化硅膜12來形成。在氧化硅膜11上包括接觸孔C3的內(nèi)部，鎢(W)膜，例如，通過CVD沉積作為導電膜。在接觸孔C3外的W膜通過，例如，CMP(化學機械拋光)移除以便形成插塞P3。
如圖3和4中所示，在氧化硅膜12上包括插塞P3頂面，大約50nm厚的TiN(一氮化鈦)膜M3a，大約700nm厚的Al(鋁)膜M3b和大約50nm厚的TiN膜M3c通過例如濺射依次沉積作為導電膜。在這里使用的術語“Al膜”意味著具有Al作為主要成分的膜，并且它包含Al和另一種金屬的合金膜。
TiN膜M3a和M3c形成以便通過1)增強Al膜M3b和絕緣膜例如氧化硅膜12之間的粘附，或者通過2)改進由Al合金形成的二級互連M2的電遷移阻抗來保證互連的可靠性。代替TiN膜，可以使用Ti(鈦)膜的單層膜，TiW(鈦鎢)膜，Ta(鉭)膜，W膜或WN(氮化鎢)膜，或者它們的復合膜。
用保護膜(沒有示出)作為掩膜，TiN膜M3a，Al膜M3b和TiN膜M3c然后干法刻蝕以形成三級互連M3。圖4是沿著圖3的線A-A(這將同樣應用于圖6和8)而取的橫斷面視圖(三級互連M3伸展方向的橫斷面視圖)。
如圖5和6中所示，氮化硅膜和氧化硅膜通過例如CVD在三級互連M3上依次沉積作為保護膜，以便形成由它們的疊片形成的鈍化膜41。這一鈍化膜41可以由單層形成。
如圖7和8中所示，在希望的位置具有開口部分的聚酰亞胺樹脂膜43在鈍化膜41上形成。這一聚酰亞胺樹脂膜43通過旋涂光敏聚酰亞胺樹脂膜以給出大約5μm的厚度，熱處理(前烘)膜，曝光并顯影所得到的聚酰亞胺樹脂膜以形成開口，然后熱處理(后烘)膜使其硬化來形成。
用所得到的聚酰亞胺樹脂膜43作為掩膜，下面的鈍化膜41干法刻蝕，接著是TiN膜M3c的干法刻蝕。結果，Al膜M3b表面的一部分暴露。Al膜M3b這一暴露區(qū)稱作“鍵合焊盤部分BP”。圖9是襯底(芯片區(qū))的不完整平面圖，鍵合焊盤部分BP在襯底上形成。
至此所描述的步驟經(jīng)常在通常所說的晶片狀態(tài)下進行。在這種情況下，具有多個基本上矩形的半導體芯片區(qū)的晶片(半導體襯底)切割(切成小塊)成各個半導體芯片。
然后，執(zhí)行將金絲WR粘附(第一鍵合)到半導體芯片上的鍵合焊盤部分BP。這一步驟將參考圖10～11來描述。
如圖10中所示，制備毛細管CA，該毛細管具有沿著它的軸心，用于使金絲WR從中穿過的細孔，并且使金絲WR穿過毛細管的內(nèi)部。然后，使用電焊槍(沒有示出)將來自電極的放電能量施加到從毛細管CA端部露出的金絲WR，從而金絲WR熔化，球MB形成。
如圖11和12中所示，熔化的球MB粘附到鍵合焊盤部分BP上。當從毛細管CA施加壓力到熔化的球MB上并且施加超聲波到毛細管CA時執(zhí)行這一粘附步驟。在這一處理過程中，鍵合焊盤部分BP由加熱器加熱，加熱器沒有說明。這種處理方法稱作“超聲波熱壓鍵合方法”。當金絲WR在處理之后拉起時，金絲WR的端部保持粘附于鍵合焊盤部分BP上。如圖12中所示，這樣粘附的金絲WR的端部稱作“球部分B”或者“金球部分B”。這一金球部分B和鍵合焊盤部分BP(Al膜M3b)通過在它們之間的接觸面上形成Al-Au合金層來鍵合。
圖13顯示毛細管CA的高度(Z)和時間(T)之間的關系。如圖13中所示，毛細管CA的高度在時間T0開始下降，但是這一下降率在時間T1變小。在T2期間，熔化的球MB固定到鍵合焊盤部分BP上，并且這一狀態(tài)維持預先確定的時間(T2～T3)。這一期間稱作“鍵合期”。然后(在時間T3及之后)，毛細管CA的高度呈現(xiàn)增加，并且金絲WR被拉起。如圖14中所示，執(zhí)行這樣拉起的金絲WR到例如布線襯底60上的印刷線路(沒有示出)上的超聲波熱壓鍵合(第二鍵合)。
這里，將描述由本發(fā)明者研究的技術。
當金絲WR鍵合到具有大約700nm厚度(t)的Al膜M3b時，短路故障在溫度循環(huán)試驗之后發(fā)生。作為尋找短路位置的結果，發(fā)現(xiàn)裂縫在Al-Au合金層50中出現(xiàn)，如圖15中所示。隨后對Al-Au合金層50的詳細分析揭示Al-Au合金層50由三層構成。它們是，從底層開始，AlAu2膜50a，Al2Au5膜50b和AlAu4膜50c(參考圖16和17)。同時證實的是，在金球B和接觸點部分BP(Al膜M3b)之間的接觸面上，存在沒有形成Al-Au合金層50的區(qū)域53。在構成Al-Au合金層50的AlAu2膜50a，Al2Au5膜50b和AlAu4膜50c中，Al2Au5最穩(wěn)定。圖16和17是圖15中畫有圓圈的區(qū)域E的放大圖。
當Al膜M3b具有大約1000nm相對大的厚度時，AlAu4的存在并不確定。因此，假定Al膜M3b(互連)厚度的減小導致Al供給量的減小，從而，具有小的Al組成比的AlAu4膜在金球部分B的一側上形成。
因此，如圖16中所示，Al-Au合金層50形成時，熔合反應的不一致在Al2Au5膜50b和AlAu4膜50c之間出現(xiàn)，并且它變成空隙55。
考慮多個這種已經(jīng)被溫度循環(huán)試驗擴大的空隙形成如圖17中所示的裂縫，導致短路故障。在裂縫中，Al或Au的氧化物Ox形成，這推測是由于包含于密封樹脂中的痕量的氧而導致，密封樹脂將在隨后描述。
作為這種短路的對策，用高壓壓平金球部分B，從而增加它與Al膜M3b的接觸區(qū)域的方法可以考慮。但是，用高壓壓平金球部分B使得保證與相鄰接觸點或者其上另一個金球之間的短的裕度是不可能的，導致短路故障的增加。當鍵合焊盤部分BP的間距由于半導體器件的小型化而變得更小時，上述短路故障成為嚴重的問題。用高壓壓平金球部分B有時對鍵合焊盤造成嚴重的破壞，雖然依賴于鍵合條件。
基于上述結果，本發(fā)明者研究能夠維持足夠的粘接強度而不導致金球部分B形狀的大改變，并且在技術標準內(nèi)調(diào)節(jié)它的改變量的金球部分B的形狀；以及它的制造方法。
首先，將參考附圖18描述金球部分B的形狀。如圖18中所示，金球部分B的連接區(qū)的直徑d和金球部分B的最大外徑D調(diào)節(jié)成具有下面的關系d≥0.8D。術語“連接區(qū)Ad”意味著金球部分B與Al膜M3b(互連)的接觸區(qū)，而術語“連接區(qū)的直徑d”意味著金球部分B與Al膜M3b(互連)的接觸區(qū)的直徑。
通過滿足上述關系，短路裕度，和接觸區(qū)可以保證。
當通過金球部分B的連接區(qū)Ad和由金球部分B的最大邊界所定義的區(qū)域之間的關系來表示時，上述關系d≥0.8D相當于Ad≥0.64D。當考慮制造時鍵合焊盤部分的表面狀況的起伏或者鍵合條件的波動時，關系優(yōu)選地滿足下面的表達式Ad≥0.7AD。
金球部分B的高度(h)優(yōu)選地落在9≥D/h≥2的范圍中。當D是65μm或更小時，高度優(yōu)選地是5μm或更大，但是不大于15μm。金絲的直徑(寬度)WW優(yōu)選地是25μm或更小。
金球部分B的連接區(qū)的直徑d和Al-Au合金層50形成區(qū)域的直徑g設置成滿足下面的關系g≥0.8d。
當上述關系滿足時，金球部分B和Al膜M3b(互連)之間由Al-Au合金層50產(chǎn)生的粘接強度可以保證，從而上述空隙或裂縫的影響可以削弱，使得壞連接減少。
當通過金球部分B的連接區(qū)Ad和Al-Au合金層50所形成的區(qū)域Ag之間的關系來表示時，關系g≥0.8d相當于Ag≥0.64Ad。隨后將描述的數(shù)據(jù)(圖23)顯示，優(yōu)選地，關系滿足下面的表達式Ag≥0.7Ad。
即使Al膜M3b的厚度是例如700nm或更小，與其形成的合金(AlAu4)層具有小的Al組成比，粘接強度仍然可以保證。
當Al膜M3b薄時，Al-Au合金層50甚至延伸到Al膜M3b的底部。因此，TiN膜M3a存在于Al-Au合金層50的下面(參考圖27)。
在本實施方案中，連接區(qū)的直徑d，金球部分B的最大外徑D和Al-Au合金層50形成區(qū)域的直徑g每個不必是完美圓的直徑，而只是在這些區(qū)域中每個區(qū)域的中心的線。
相反地，當金球部分鍵合到薄的Al膜上，使得通過設置鍵合溫度和鍵合時間，使之與Al膜厚度大并且鍵合焊盤部分的間距相對大的情況下所研究的相似，改變毛細管和金絲直徑以符合所希望的鍵合焊盤間距(初始的球體積)并調(diào)節(jié)鍵合負載和超聲波施加輸出，來給出所希望的接觸鍵合球直徑時，形成如圖19中所示的形狀。
在上述情況下，金球部分B的連接區(qū)的直徑d和金球部分B的最大外徑D之間的關系滿足下面的表達式d≤0.8D，而金球部分B的連接區(qū)的直徑d和Al-Au合金層50形成區(qū)域的直徑g之間的關系滿足下面的表達式g≤0.8d。
因此，維持金球部分B和Al膜M3b(互連)之間由Al-Au合金層50產(chǎn)生的足夠的粘接強度變得困難。尤其是，當Al膜薄時，具有小的Al組成比的AlAu4膜形成得厚，并且由于隨后將進行的溫度循環(huán)試驗的影響，裂縫易于在AlAu4膜的接觸面上出現(xiàn)。
當例如，如圖20中所示，鍵合焊盤部分BP的間距是130μm時，這種現(xiàn)象可能發(fā)生。但是，假定在這種情況下，短路故障被避免，因為連接區(qū)或Al-Au合金層形成區(qū)域的絕對直徑維持為大。術語“鍵合焊盤部分BP的間距”意味著任意兩個相鄰鍵合焊盤BP的中心之間的距離。
當如圖19中所示的球部分B的尺寸減小，并且應用窄間距(例如，70μm或者更小)時，壞連接出現(xiàn)。如果保證連接區(qū)不改變這種形狀，金球部分B的連接區(qū)的直徑d和金球部分B的最大外徑D之間過大的差異導致短路故障。
另一方面，如圖18所示的根據(jù)本實施方案的結構，使得維持金球部分B和Al膜M3b(互連)之間由Al-Au合金層產(chǎn)生的足夠的粘接強度成為可能，并且同時，使得維持足夠短路裕度成為可能。當應用于窄間距的鍵合焊盤部分BP或者在薄Al膜(互連)上的鍵合焊盤部分BP時，本實施方案的結構尤其有效。
然后，將描述形成如圖18中所示的金球的鍵合步驟的一個例子。
例如，在鍵合期間(圖13中的T2～T3)施加110kHz或更高的超聲波，在此期間，熔化的球MB固定在鍵合焊盤部分BP上。
圖21說明在各個超聲波頻率，接觸鍵合球部分的直徑(μm)和抗剪強度(N)之間的關系。鍵合溫度設為200℃，初始的球直徑設為35±5μm。術語“抗剪強度(N)”意味著當水平施加到球部分B的壓力增加時，球部分B的剝落發(fā)生時的壓力。
如圖21中所示，當施加頻率120kHz或180kHz的超聲波時，抗剪強度變得比當施加頻率60kHz的超聲波時大。在120kHz和180kHz之間，抗剪強度在后者超聲波頻率時稍大。在60kHz的頻率，當接觸鍵合球直徑為大約50nm時，抗剪強度為0.35N，而在180kHz的頻率，相同級別(0.35N)的抗剪強度可以獲得，即使當接觸鍵合球直徑小到大約42μm。
圖22說明在各個超聲波頻率，超聲波振幅(μm)和抗剪強度(N)之間的關系。如圖22中所示，頻率越高，振幅變得越小，呈現(xiàn)點振幅。振幅(μm)的減小產(chǎn)生減小鍵合損壞的效果。
從如圖21中所示的抗剪試驗的結果，研究接觸鍵合球部分的直徑(μm)和合金形成區(qū)域百分比(％)之間的關系。結果在圖23中顯示，術語“合金形成區(qū)域百分比”意味著在作為抗剪試驗結果出現(xiàn)在鍵合焊盤部分BP上的接觸鍵合標記剩余區(qū)域L中的合金形成區(qū)域的百分比(％)。
如圖23中所示，當施加頻率120kHz(曲線(b))或180kHz(曲線(c))的超聲波時，合金形成區(qū)域的百分比比當施加頻率60kHz(圖(a))的超聲波時大。在120kHz和180kHz之間，合金形成區(qū)域的百分比在后者超聲波頻率時大。當施加頻率180kHz的超聲波時，合金形成區(qū)域的百分比(％)達到至少70％，即使接觸鍵合球的直徑為大約65μm～50μm，而在120kHz的超聲波頻率，合金形成區(qū)域的百分比(％)達到大約70％，即使接觸鍵合球的直徑為大約65μm～55μm。
具有如圖18中所示的結構的金球部分B或Al-Au合金層通過增加超聲波頻率來形成。考慮圖25中所示的因素，使得能夠調(diào)整金球部分B的形狀或Al-Au合金層。
例如，與超聲波有關的因素包括施加的超聲波的頻率(f)，振幅(a)和時間(s)。另外的例子包括由毛細管施加的負載(F)和鍵合焊盤部分BP的加熱溫度(℃)。
具體可能的方法包括增加超聲波頻率，在鍵合期間(T2～T3)通過毛細管逐漸或逐步地增加負載(F)，縮短或延長超聲波的施加時間，在鍵合時間之前開始施加超聲波，以及結合地使用這些方法(參考圖26)。
圖24說明鍵合焊盤部分的間距(鍵合焊盤間距)和Al-Au合金層形成區(qū)域的直徑g與金球部分B的接觸區(qū)直徑d的百分比(g/d)之間的關系。曲線(a)的上區(qū)域表示區(qū)域Q，其中金球部分B的可靠性可以保證，而曲線(a)的下區(qū)域表示區(qū)域NQ，其中短路故障發(fā)生。Al膜的厚度設為700nm。
如圖24中所示，當百分比(g/d)是80％或更大時，可靠性可以保證，即使是60μm或更小的鍵合焊盤間距。
圖27是金絲WR粘附(第一鍵合)到鍵合焊盤部分BP上之后，襯底的不完整橫斷面視圖。
如參考圖14所描述的，金絲WR被超聲波熱壓鍵合(第二鍵合)到布線襯底60例如玻璃環(huán)氧樹脂上的印刷線路WR(沒有說明)。圖28說明第二鍵合之后IC芯片(1)和布線襯底60的狀態(tài)(透視圖)，而圖29是圖28中畫有圓圈的部分的不完整放大圖。
然后，如圖30中所示，金絲WR和IC芯片在其外圍用樹脂密封劑64密封。樹脂密封劑通過，例如，遞壓模具方法形成，其中熔化的樹脂注入金屬模具中，金屬模具與布線襯底60的緊緊地固定樹脂，然后硬化并密封。例如，包含二氧化硅作為填料的環(huán)氧樹脂系列熱固性樹脂可以用作這種樹脂。
一旦注入或硬化這一樹脂，壓力施加到金絲WR或它的球部分B。在本實施方案中，金球部分B的連接區(qū)的直徑d和Al-Au合金層50形成區(qū)域的直徑之間的關系設置為g≥0.8d，使得金球部分B和Al膜M3b(互連)之間由Al-Au合金層50產(chǎn)生的的粘接強度可以保證。
在形成樹脂密封劑64之后，凸起電極52在布線襯底60的背面上形成。這一凸起電極沒有示出，但是連接到形成于布線襯底60背面上的背面電極。
背面電極經(jīng)由布線襯底60的內(nèi)部布線與金絲WR電學連接。凸起電極62沒有示出，但是出于與封裝的襯底電學連接的目的使用該凸起電極，多個電子零件固定在封裝襯底上供使用，例如用于方便電話。如圖30中所示的封裝形式稱作“BGA”(球柵陣列)。
然后，為了保證產(chǎn)品壽命，使用沒有發(fā)貨的樣品來進行質(zhì)量試驗例如溫度循環(huán)試驗。在這種溫度循環(huán)試驗中，在客戶封裝時的熱過程(260℃×10s×三次)之后，半導體器件暴露于150℃的高溫10分鐘，然后-55℃的低溫10分鐘。這一循環(huán)重復1000次(1000個循環(huán))。
在這一試驗，熱形變度在樹脂64和IC芯片(1)之間是不同的，反映出樹脂64，IC芯片(1)和布線襯底60之間熱膨脹系數(shù)的不同。結果，壓力在每個循環(huán)施加到金球部分B上。
但是在本實施方案中，金球部分B的連接區(qū)的直徑d和Al-Au合金層50形成區(qū)域的直徑g之間的關系設置為g≥0.8d，使得金球部分B和Al膜M3b(互連)之間由Al-Au合金層50產(chǎn)生的足夠的粘接強度可以保證，使得避免因壓力而導致的短路。
即使Al膜M3b(互連)形成得薄，并且由于AlAu4膜的形成出現(xiàn)不耐壓力的部分，粘接強度仍然可以保證，從而短路可以避免。作為防止AlAu4膜形成的對策，可以考慮在金絲WR的第一鍵合之前，在鍵合焊盤部分BP上層積Al膜。但是，在這種情況下，Al膜的層積使得制造過程復雜。另一方面，根據(jù)本實施方案，由于層積另一Al膜而導致的步驟的復雜化可以避免。
一般慣例是同時形成鍵合焊盤和非鍵合焊盤的布線圖。這一實施方案的應用使得獲得足夠的粘接強度成為可能，即使Al膜足夠薄以便對IC芯片上布線寬度的變窄有利。
這使得形成更多的微細圖案成為可能，從而提高芯片的集成度，增加每個晶片上可形成的芯片數(shù)，并減少生產(chǎn)成本。
即使鍵合焊盤部分BP隨著因半導體器件的小型化或功能多樣化而導致的引腳數(shù)的增加而變得更小，粘接強度仍然可以保證，并且短路可以避免。
另外，即使鍵合焊盤部分BP的間距隨著因半導體器件的小型化或功能多樣化而導致的引腳數(shù)的增加而變得更小，粘接強度仍然可以保證，并且短路可以避免。
當金球部分B的連接區(qū)的直徑d和金球部分B的最大外徑D之間的關系設置成滿足下面的表達式d≥0.8D時，金球部分的短路裕度可以保證，即使鍵合焊盤部分BP的間距隨著因半導體器件的小型化或功能多樣化而導致的引腳數(shù)的增加而變得更小。
由本發(fā)明者完成的本發(fā)明已基于實施方案具體地描述。本發(fā)明不局限于上述實施方案，并且無需說明，它可以在不背離本發(fā)明要點的范圍內(nèi)作修改。
特別地，在上述實施方案中，本發(fā)明應用于Al膜和金球部分B的鍵合。它也可以廣泛地應用于半導體器件，其中金屬互連和金屬球部分(其可以是凸起電極)通過在它們的金屬之間形成合金層來鍵合。
本實施方案不僅可以應用于BGA，也可以應用于使用引線框架的半導體器件例如QFP(四線扁平封裝)。
下面將簡要地描述由本申請所公開的發(fā)明的典型可獲得的效果。
當形成于半導體芯片上的第一金屬膜和由第二金屬形成的球部分通過第一金屬和第二金屬的合金層來鍵合時，因為第一金屬膜與球部分的接觸區(qū)的直徑d和合金層形成區(qū)域的直徑g設置成滿足下面的表達式g≥08d；并且接觸區(qū)的直徑和球的最大外徑D設置成滿足下面的表達式d≥0.8D，具有第一金屬膜的互連與球部分之間的粘附可以保證。
另外，半導體器件的可靠性可以提高。
而且，半導體器件的成品率可以提高。
雖然一般慣例是同時形成鍵合焊盤和非鍵合焊盤的布線圖，但是本實施方案的結構的使用使得能夠獲得足夠的粘接強度，即使當Al膜足夠薄以便對IC芯片上布線寬度的變窄有利時。
芯片的集成度可以通過形成更多的微細圖案來提高，這可以增加每個晶片可獲得的芯片數(shù)，并減少生產(chǎn)成本。
權利要求
1.一種半導體器件，包括(a)形成于半導體芯片上的第一金屬膜；(b)形成于所述第一金屬膜上并由第二金屬構成的球部分；(c)所述第一金屬和所述第二金屬的合金層，該合金層在所述第一金屬膜和所述球部分之間形成，(d)其中所述合金層達到所述第一金屬膜的底部，以及(e)其中所述球部分用樹脂覆蓋。
2.一種半導體器件，包括(a)形成于半導體芯片上并且具有鋁(Al)作為主要成分的Al膜；(b)形成于所述Al膜上并且具有金(Au)作為主要成分的球部分；(c)形成于所述第一Al膜和所述金球部分之間的鋁-金合金層，(d)其中所述合金層達到所述Al膜的底部，以及(e)其中所述金球部分用樹脂覆蓋。
3.根據(jù)權利要求2的半導體器件，其中所述合金層包括AlAu4膜。
4.根據(jù)權利要求2的半導體器件，其中所述合金層由層疊薄膜組成，并且所述層疊薄膜金組成比相對于鋁從低層向高層增加。
5.根據(jù)權利要求2的半導體器件，其中所述合金層以從底層開始的順序，具有AlAu2膜，Al2Au5膜和AlAu4膜。
6.根據(jù)權利要求2的半導體器件，其中所述Al膜具有700nm或更小的厚度。
7.根據(jù)權利要求2的半導體器件，其中所述半導體器件具有多個所述Al膜，其中所述多個Al膜用在每個焊盤區(qū)域具有開口的絕緣膜覆蓋，其中任意相鄰兩個所述焊盤區(qū)域之間的最短距離是70μm或更小。
8.根據(jù)權利要求2的半導體器件，其中所述金部分具有65μm或更小的最大外徑。
9.根據(jù)權利要求2的半導體器件，其中所述金球部分的高度h和所述金球部分的最大外徑D之間的關系滿足下面的表達式9≥D/h≥2。
10.根據(jù)權利要求2的半導體器件，其中所述金球部分的高度是15μm或更小。
11.根據(jù)權利要求2的半導體器件，其中所述金球部分的高度是5μm或更大，但不大于15μm。
12.根據(jù)權利要求2的半導體器件，其中金絲從所述金球部分的上部延伸到外部接線端子。
13.一種半導體器件，包括(a)形成于半導體芯片上的第一金屬膜；(b)形成于所述第一金屬膜上并由第二金屬構成的球部分；(c)所述第一金屬和所述第二金屬的合金層，該合金層在所述第一金屬膜和所述球部分之間形成，(d)其中所述合金層達到所述第一金屬膜的底部，(e)其中所述金球部分的高度h和所述金球部分的最大外徑D之間的關系滿足下面的表達式9≥D/h≥2。
14.根據(jù)權利要求13的半導體器件，其中所述第一金屬膜具有鋁(Al)作為主要成分，而所述球部分具有金(Au)作為主要成分。
15.根據(jù)權利要求14的半導體器件，其中所述合金層包括AlAu4膜。
16.根據(jù)權利要求14的半導體器件，其中所述合金層由層疊薄膜組成，并且所述層疊薄膜中金組成比相對于鋁從低層向高層增加。
17.根據(jù)權利要求14的半導體器件，其中所述合金層以從底層開始的順序，具有AlAu2膜，Al2Au5膜和AlAu4膜。
18.根據(jù)權利要求14的半導體器件，其中所述Al膜具有700nm或更小的厚度。
19.根據(jù)權利要求14的半導體器件，其中所述半導體器件具有多個所述Al膜，其中所述多個Al膜用在每個焊盤區(qū)域具有開口的絕緣層覆蓋，其中任意相鄰兩個所述焊盤區(qū)域之間的最短距離是70μm或更小。
20.根據(jù)權利要求14的半導體器件，其中所述金球部分具有65μm或更小的最大外徑。
21.根據(jù)權利要求14的半導體器件，其中所述金球部分具有15μm或更小的高度。
22.根據(jù)權利要求14的半導體器件，其中所述金球部分具有5μm或更大的高度，但不大于15μm或更小。
23.根據(jù)權利要求14的半導體器件，其中從所述金球部分的上部，金絲延伸到外部接線端子。
24.一種半導體器件，包括(a)形成于半導體芯片上的第一金屬膜；(b)形成于所述第一金屬膜上并由第二金屬構成的球部分；(c)所述第一金屬和所述第二金屬的合金層，該合金層在所述第一金屬膜和所述球部分之間形成，(d)其中所述第一金屬膜與所述球部分的接觸區(qū)的直徑d和所述合金層形成區(qū)域的直徑g之間的關系滿足下面的表達式g≥0.8d。
25.根據(jù)權利要求24的半導體器件，其中所述第一金屬膜具有鋁(Al)作為主要成分，而所述球部分具有金(Au)作為主要成分。
26.根據(jù)權利要求24的半導體器件，其中所述合金層達到所述第一金屬膜的底部。
27.根據(jù)權利要求24的半導體器件，其中所述接觸區(qū)的直徑d和所述球部分的最大外徑D之間的關系滿足下面的表達式d≥0.8D。
28.根據(jù)權利要求24的半導體器件，其中所述接觸區(qū)是由所述球部分的最大周邊所定義的區(qū)域的至少70％。
29.根據(jù)權利要求25的半導體器件，其中所述合金層包括AlAu4膜。
30.根據(jù)權利要求25的半導體器件，其中所述合金層由層疊薄膜組成，并且所述層疊薄膜中金組成比相對于鋁從低層向高層增加。
31.根據(jù)權利要求25的半導體器件，其中所述合金層以從底層開始的順序，具有AlAu2膜，Al2Au5膜和AlAu4膜。
32.根據(jù)權利要求25的半導體器件，其中所述Al膜具有700nm或更小的厚度。
33.根據(jù)權利要求25的半導體器件，其中所述半導體器件具有多個所述Al膜，其中所述多個Al膜用在每個焊盤區(qū)域具有開口的絕緣層覆蓋，其中任意相鄰兩個所述焊盤區(qū)域之間的最短距離是70μm或更小。
34.根據(jù)權利要求25的半導體器件，其中具有金(Au)作為主要成分的所述球部分具有65μm或更小的最大外徑。
35.根據(jù)權利要求25的半導體器件，其中具有金(Au)作為主要成分的所述球部分的高度h和所述金球部分的最大外徑D之間的關系滿足下面的表達式9≥D/h≥2。
36.根據(jù)權利要求25的半導體器件，其中具有金(Au)作為主要成分的所述球部分具有15μm或更小的高度。
37.根據(jù)權利要求25的半導體器件，其中具有金(Au)作為主要成分的所述球部分具有5μm或更大，但不大于15μm的高度。
38.根據(jù)權利要求25的半導體器件，其中從具有金(Au)作為主要成分的所述球部分的上部，金絲延伸到外部接線端子。
39.一種半導體器件，包括(a)形成于半導體芯片上的第一金屬膜；(b)形成于所述第一金屬膜上并由第二金屬構成的球部分；(c)所述第一金屬和所述第二金屬的合金層，該合金層在所述第一金屬膜和所述球部分之間形成，(d)其中合金層在所述第一金屬膜與所述球部分的接觸區(qū)的至少70％中形成。
40.根據(jù)權利要求39的半導體器件，其中所述接觸區(qū)的直徑d和所述球部分的最大外徑D之間的關系滿足下面的表達式d≥0.8D。
41.一種半導體器件，包括(a)形成于半導體芯片上的第一金屬膜；(b)形成于所述第一金屬膜上并由第二金屬構成的球部分；(c)所述第一金屬和所述第二金屬的合金層，該合金層在所述第一金屬膜和所述球部分之間形成，(d)其中所述第一金屬膜與所述球部分的接觸區(qū)的直徑d和所述球部分的最大外徑D之間的關系滿足下面的表達式d≥0.8D。
42.一種半導體器件，包括(a)形成于半導體芯片上的第一金屬膜；(b)形成于所述第一金屬膜上并由第二金屬構成的球部分；(c)所述第一金屬和所述第二金屬的合金層，該合金層在所述第一金屬膜和所述球部分之間形成，(d)其中所述第一金屬膜與所述球部分的接觸區(qū)是所述球部分的最大周邊所定義的區(qū)域的至少70％。
43.一種半導體器件制造方法，包括步驟(a)在半導體芯片區(qū)域上形成第一金屬膜；(b)在所述第一金屬膜上形成絕緣膜，該絕緣膜在所述第一金屬膜上的焊盤部分具有開口；(c)通過110kHz或更大超聲波頻率的超聲波熱壓鍵合方法將由第二金屬形成的球部分粘附到所述焊盤部分上。
44.根據(jù)權利要求43的半導體器件制造方法，其中所述步驟(c)通過在施加超聲波時增加施加到所述焊盤部分的壓力來進行。
45.根據(jù)權利要求43的半導體器件制造方法，在所述步驟(c)之后，進一步包括步驟(d)用樹脂覆蓋并密封所述球部分。
46.一種半導體器件制造方法，包括步驟(a)在半導體芯片區(qū)域上形成第一金屬膜；(b)在所述第一金屬膜上形成絕緣膜，該絕緣膜在所述第一金屬膜上的焊盤部分具有開口；(c)通過110kHz或更大超聲波頻率的超聲波熱壓鍵合方法將由第二金屬形成的球部分粘附到所述焊盤部分上；(d)用樹脂覆蓋并密封所述球部分；(e)在所述步驟(d)之后，制備類似于上面所獲得的所述密封半導體芯片的多個密封半導體芯片，并且將所述多個密封半導體芯片中的一些暴露于高溫條件，以測試它們的特性。
47.一種半導體器件制造方法，包括步驟(a)在半導體芯片區(qū)域上形成第一金屬膜；(b)在所述第一金屬膜上形成絕緣膜，該絕緣膜在所述第一金屬膜上的焊盤部分具有開口；(c)當由第二金屬形成的球部分在所述第一金屬膜上形成時，在所述第一金屬膜與所述球部分的接觸區(qū)的至少70％中形成所述第一金屬和所述第二金屬的合金層，從而將所述球部分粘附到所述焊盤部分上；(d)用樹脂覆蓋并密封所述球部分；(e)在所述步驟(d)之后，制備類似于上面所獲得的所述密封半導體芯片的多個密封半導體芯片，并且將所述多個密封半導體芯片中的一些暴露于高溫條件，以測試所述半導體芯片的特性。
48.一種半導體器件制造方法，包括步驟(a)在半導體芯片區(qū)域上形成第一金屬膜；(b)在所述第一金屬膜上形成絕緣膜，該絕緣膜在所述第一金屬膜上的焊盤部分具有開口；(c)當由第二金屬形成的球部分在所述第一金屬膜上形成時，在所述第一金屬膜與所述球部分的接觸區(qū)的至少70％中形成所述第一金屬和所述第二金屬的合金層，從而將所述球部分粘附到所述第一金屬膜上，并且調(diào)節(jié)所述球部分的形狀，使得所述接觸區(qū)的直徑d和所述球部分的最大外徑D滿足下面的表達式d≥0.8D；(d)用樹脂覆蓋并密封所述球部分。
49.一種半導體器件制造方法，包括步驟(a)在半導體芯片區(qū)域上形成第一金屬膜；(b)在所述第一金屬膜上形成絕緣膜，該絕緣膜在所述第一金屬膜上的焊盤部分具有開口；(c)當由第二金屬形成的球部分在所述第一金屬膜上形成時，在所述第一金屬膜與所述球部分的接觸區(qū)的至少70％中形成所述第一金屬和所述第二金屬的合金層，從而將所述球部分粘附到所述第一金屬膜上，并且調(diào)節(jié)所述球部分的形狀，使得所述接觸區(qū)的直徑d和最大外徑D滿足下面的表達式d≥0.8D；(d)用樹脂覆蓋并密封所述球部分；(e)在所述步驟(d)之后，制備類似于上面所獲得的所述密封半導體芯片的多個密封半導體芯片，并且將所述多個密封半導體芯片中的一些暴露于高溫條件，以測試它們的特性。
全文摘要
提供一種半導體器件，該半導體器件包括形成于半導體芯片上的第一金屬膜，形成于所述第一金屬膜上并由第二金屬形成的球部分，以及所述第一金屬和所述第二金屬的合金層，該合金層在所述第一金屬膜和所述球部分之間形成，其中所述合金層達到所述第一金屬膜的底部，并且所述球部分用樹脂覆蓋；以及該半導體器件的制造方法。本發(fā)明使得能夠改進鍵合焊盤部分和互連上鍵合線的球部分之間的粘附，從而提高半導體器件的可靠性。
文檔編號H01L21/60GK1444272SQ0312022
公開日2003年9月24日 申請日期2003年3月7日 優(yōu)先權日2002年3月7日
發(fā)明者中島靖之, 守田俊章, 松澤朝夫, 友井晴一, 川邉直樹 申請人:株式會社日立制作所, 日立超大規(guī)模集成電路系統(tǒng)株式會社