專利名稱：具有連接到導(dǎo)線的焊盤電極的半導(dǎo)體器件的制作方法
本申請(qǐng)要求在先申請(qǐng)的JP2002-110874的優(yōu)先權(quán)，在此結(jié)合參考其公開(kāi)的內(nèi)容。
在這種類型的半導(dǎo)體器件中，作為主要部件的鋁或包含鋁的合金通常被當(dāng)作用于焊盤電極的材料，以便電阻的連接焊盤電極到半導(dǎo)體元件。諸如金、銅或鋁之類的高電傳導(dǎo)性的金屬或合金被用作導(dǎo)線。通過(guò)主要考慮電氣特性來(lái)確定導(dǎo)線的材料和直徑，比如工作電流，成本和可靠性。如果要求較低的電阻和可靠性，通常使用金。
現(xiàn)在，參考

圖1，將作出有關(guān)半導(dǎo)體器件的描述。
在圖1中，參考數(shù)字1表示在其上形成半導(dǎo)體元件的半導(dǎo)體基片。通過(guò)在硅元素或化合物半導(dǎo)體中擴(kuò)散雜質(zhì)，半導(dǎo)體元件包括有源器件，比如晶體管，和無(wú)源器件，比如電阻器或電容器。盡管未示出，但在半導(dǎo)體基片1的表面上形成了布線層。在基片1上，形成了保護(hù)薄膜2。保護(hù)薄膜2保護(hù)性的覆蓋包括布線層的半導(dǎo)體基片1的表面。焊盤電極3電連接到半導(dǎo)體基片1中的半導(dǎo)體元件。焊盤電極3由阻擋金屬層5和外部電極層6組成，它們以這樣的順序被淀積在被電連接到布線層(未示出)的內(nèi)部電極層4上。參考數(shù)字7表示外部連接到焊盤電極3的導(dǎo)線。
通過(guò)制造圓形開(kāi)口來(lái)形成內(nèi)部電極層4，其在覆蓋半導(dǎo)體基片1的保護(hù)薄膜2的部分中具有(例如)100μm的直徑，以便暴露具有(例如)幾微米厚度的鋁-銅合金層。阻擋金屬層5具有多層結(jié)構(gòu)，其中多層通常由金屬組成，比如鈦或鈦鎳，或具有阻擋特性的合金，其被沉積到預(yù)定的厚度。在阻擋金屬層5的頂部，由鋁和銅的合金組成的層被沉積以形成外部電極層6。
通過(guò)熔化從金屬導(dǎo)線底部伸出的末端部分來(lái)形成導(dǎo)線7，該金屬導(dǎo)線經(jīng)電子放電被插入毛細(xì)管(未示出)中，借此形成一個(gè)球。將球施壓于毛細(xì)管底部上的焊盤電極以擠壓該球。擠壓的部分7a的直徑被增加到導(dǎo)線直徑的幾倍大小，借此增加接合區(qū)，從而確保電連接。通過(guò)最大可允許的半導(dǎo)體器件的電流來(lái)確定導(dǎo)線7的直徑，并且基于導(dǎo)線直徑確定擠壓部分7a的直徑。
同時(shí)，焊盤電極3的直徑被設(shè)置到大于擠壓部分7a的直徑，以便允許容易地進(jìn)行布線焊接。這就使得易于把導(dǎo)線7連接到焊盤電極3，即使半導(dǎo)體片狀器件是錯(cuò)位的。
通常通過(guò)熱壓焊接、超聲波焊接或結(jié)合前者的兩個(gè)的其他的連接方法來(lái)連接焊盤電極和導(dǎo)線7。因此，連接接口的溫度被設(shè)置在連接的最佳的溫度上。
另一方面，大家都知道，如果鋁被用作外部電極層6和金被用作導(dǎo)線7，并且如果整個(gè)或在連接處理過(guò)程之后連接接口受到高溫，則產(chǎn)生金和鋁的金屬間的化合物。還知道的是，金屬間的化合物的類型和產(chǎn)生率根據(jù)連接接口的溫度而變化。
紫色合金(AuAI2)通常稱作紫斑。如果金的量大于紫斑的量，則產(chǎn)生白色合金(Au2AI)。這種合金展現(xiàn)較高的電阻和易碎性，導(dǎo)致機(jī)械強(qiáng)度的惡化，這意味著連接強(qiáng)度的惡化。而且，產(chǎn)生的金屬間化合物被直接連接在導(dǎo)線和半導(dǎo)體元件之間，以至于它嚴(yán)重的影響了半導(dǎo)體器件的電阻值。這就引起一個(gè)問(wèn)題，在電極上增加了ON(導(dǎo)通)電阻，對(duì)該電極提供了主電流，以及在一個(gè)電極上增加了DC輸入電阻，對(duì)該電極提供了輸入信號(hào)。
為了解決上述問(wèn)題，日本未審專利公開(kāi)號(hào)(JP-A)No.4-10632(現(xiàn)有技術(shù))已經(jīng)公開(kāi)了一種方法，其中在導(dǎo)線焊接到半導(dǎo)體片器件的焊盤電極之后，在它進(jìn)行樹(shù)脂密封步驟之前半導(dǎo)體片狀器件被保持在高溫上。更特別的是，如果半導(dǎo)體片狀器件被保持在大約200℃上持續(xù)大約兩個(gè)小時(shí)，大約80％或更多的合金能被產(chǎn)生為完成的產(chǎn)品以便獲得穩(wěn)定的半導(dǎo)體器件。此外，還公開(kāi)了在200℃上加熱半導(dǎo)體片狀器件持續(xù)200小時(shí)，不利的是這使得鋁和金的金屬間的化合物易碎。
按照上述的現(xiàn)有技術(shù)，導(dǎo)線被連接到焊盤電極，并接著，焊盤電極和導(dǎo)線在預(yù)定的溫度上被加熱預(yù)定的時(shí)間，以促進(jìn)鋁和金的金屬間化合物的生成，從而穩(wěn)定半導(dǎo)體器件的特性。然而，按照該現(xiàn)有技術(shù)，金屬間化合物的產(chǎn)生不能被完全地完成，而延長(zhǎng)的加熱時(shí)間會(huì)引起連接接口易碎。
當(dāng)半導(dǎo)體器件被反復(fù)的打開(kāi)ON和關(guān)閉OFF，它的溫度反復(fù)的上升和下降。作為結(jié)果，焊盤電極和導(dǎo)線的接合部反復(fù)地受到由于熱膨脹的膨脹和收縮的應(yīng)力。在接合部的電阻中的增加引起接合部本身發(fā)熱，進(jìn)一步表現(xiàn)為易于破碎。在相當(dāng)短的時(shí)間周期中，這導(dǎo)致導(dǎo)線的受損壞的電連接。
在半導(dǎo)體器件操作在超高頻的情況下，在頻段范圍從幾百M(fèi)Hz-GHz中，在半導(dǎo)體器件和連接到它的電路之間執(zhí)行阻抗匹配以便最大化功率效率。半導(dǎo)體器件中的導(dǎo)線構(gòu)成匹配電路的一部分。
如果焊盤電極和導(dǎo)線之間的電阻隨時(shí)間改變，匹配條件也隨時(shí)間改變從而增加損耗。這需要再調(diào)整外部電路以恢復(fù)最佳條件。為此，焊盤電極和導(dǎo)線之間的接合部的穩(wěn)定性就成為了重要的因素。
在按照本發(fā)明的一個(gè)方面的半導(dǎo)體器件中，內(nèi)部電極層形成在半導(dǎo)體基片上。阻擋金屬層形成在內(nèi)部電極上。外部電極層形成在阻擋金屬層上。焊盤電極由內(nèi)部電極層，阻擋金屬層，和外部電極層組成。導(dǎo)線被電連接到焊盤電極。外部電極層的面積被設(shè)置在焊盤電極上的導(dǎo)線的聚合部分的面積和阻擋金屬層的平面面積之間的中間。
優(yōu)選地的，外部電極層由鋁形成，或由包含作為主要成分的鋁的合金形成，并且導(dǎo)線由金形成，或由包含作為主要成分的金的合金形成。
優(yōu)選地的，焊盤電極的外部電極層的面積大小被設(shè)置到導(dǎo)線的聚合部分的1.2-10倍。
優(yōu)選地的，半導(dǎo)體基片包括超高頻電路器件。導(dǎo)線構(gòu)成超高頻電路器件的一部分。
優(yōu)選地的，把外部電極層做成阻擋金屬層上的島嶼形狀，并設(shè)置焊盤電極的外部電極層的面積大小，以便抑制導(dǎo)線和焊盤電極間的電阻隨時(shí)間發(fā)生波動(dòng)(改變)。
按照本發(fā)明的半導(dǎo)體器件可以包括超高頻半導(dǎo)體元件，并可以適用于半導(dǎo)體器件，其中導(dǎo)線構(gòu)成超高頻電路元件的一部分。
現(xiàn)在，參考圖2，將詳細(xì)解釋本發(fā)明的實(shí)施例。在圖2中，圖1中相同的部件將被分配相同的參考數(shù)字，并不再重復(fù)相同的描述。
參考圖2，焊盤電極8形成在包括半導(dǎo)體元件(未示出)的半導(dǎo)體基片1的表面上。焊盤電極8由內(nèi)部電極層4、阻擋金屬層5和外部電極層9構(gòu)成，其中內(nèi)部電極層4由包含銅的鋁合金形成，并具有幾微米的厚度，外部電極層9由包含銅的鋁合金形成。阻擋金屬層5由金屬層的多層疊片或由展現(xiàn)阻擋特性的鈦或者氮化鈦的合金層構(gòu)成。由金形成的導(dǎo)線7連接在外部的電極層9上。
按照本發(fā)明的半導(dǎo)體器件不同于圖1所示的有關(guān)的半導(dǎo)體器件之處在于，其中外部電極層9的平面面積的大小被設(shè)置在焊盤電極8的導(dǎo)線7的聚合部分的面積大小和阻擋金屬層5的平面面積的大小之間的中間。通過(guò)以此方式設(shè)置外部電極層9的平面面積，外部電極層9被設(shè)置在阻擋金屬層5上的島嶼形狀中。
按照本發(fā)明，將半導(dǎo)體器件在樹(shù)脂鑄模步驟和跟隨導(dǎo)線焊接步驟的樹(shù)脂固化步驟中加熱并保持在高溫上，直到裝運(yùn)成完全的產(chǎn)品。在整個(gè)加熱步驟期間，金從導(dǎo)線7被擴(kuò)散到外部電極層9中，同時(shí)鋁從外部電極層9被擴(kuò)散到在導(dǎo)線7和焊盤電極8之間的接合接口的導(dǎo)線7中。因此，產(chǎn)生金屬間的化合物。
在此情況下，外部電極層9的面積小于圖1所示的有關(guān)的半導(dǎo)體器件的外部電極層的面積，以至于擴(kuò)散到鋁中的金快速的達(dá)到平衡狀態(tài)，完成相互的擴(kuò)散。這樣，沒(méi)有產(chǎn)生附加的金屬間化合物。以此方式結(jié)束的金屬間化合物的產(chǎn)生最小化了導(dǎo)線和焊盤電極間的電阻中的時(shí)間相關(guān)波動(dòng)。因此，穩(wěn)定性被提高。
具有100μm直徑和0.35μm厚度的外部電極層9形成在具有130μm直徑的圓形阻擋金屬層5上。具有直徑0.25μm(膨脹部分的直徑大約是80μm)的導(dǎo)線7被連接到焊盤電極8。導(dǎo)線電阻的初始值是0.12Ω。這種裝配被放在250℃的空氣中持續(xù)2000小時(shí)，以檢查導(dǎo)線電阻值中的時(shí)間相關(guān)波動(dòng)。在2000小時(shí)過(guò)去之后，初始值保持不變，表明特別的高穩(wěn)定性。
如同在典型的半導(dǎo)體器件中一樣，按照本發(fā)明的導(dǎo)線7的接合部分和半導(dǎo)體器件的焊盤電極8在邊緣試驗(yàn)處理等中也被加熱。然而，在接合部分上的電阻仍然保持穩(wěn)定直到器件達(dá)到電氣檢查步驟為止。因此，不需要特殊的加熱步驟，以致于能夠容易地完成半導(dǎo)體器件的生產(chǎn)。
形成的外部電極層9具有0.35μm厚度和具有100μm直徑的圓形。導(dǎo)線7的膨脹部分(聚合部分)7a被設(shè)置到70-90μm，并且外部電極層9的面積對(duì)聚合部分的面積的比率在1.2-10的范圍內(nèi)變化，以便測(cè)量導(dǎo)線電阻中的時(shí)間相關(guān)波動(dòng)。測(cè)量結(jié)果表明由于初始值造成的波動(dòng)被抑制。
如果前述的面積比率被設(shè)置到大于10，就是說(shuō)，如果外部電極層9的面積被增加或?qū)Ь€的聚合部分7a被減少，相對(duì)于導(dǎo)線7來(lái)說(shuō)，外部電極的容量變得相對(duì)較大。這就引起金從導(dǎo)線7擴(kuò)散到外部電極層9持續(xù)很長(zhǎng)的時(shí)間，導(dǎo)致導(dǎo)線電阻中的時(shí)間相關(guān)波動(dòng)。
相反，如果面積比率被設(shè)置到小于1.2，就是說(shuō)，如果外部電極層9的直徑被減小或?qū)Ь€聚合部分7a的面積被增加，相對(duì)于導(dǎo)線7來(lái)說(shuō)，外部電極層9的容量相對(duì)被減少。這是所期望的能防止導(dǎo)線電阻中的時(shí)間相關(guān)波動(dòng)，因?yàn)閺膶?dǎo)線7提供的金的濃度快速地達(dá)到飽和點(diǎn)。然而，不利的是，需要高精度的導(dǎo)線焊接，并且如果焊接位置不準(zhǔn)確，焊盤電極可能會(huì)受到損壞。為此，適當(dāng)?shù)拿娣e比率范圍是1.2-10。
在按照本發(fā)明的半導(dǎo)體器件中，在導(dǎo)線7和焊盤電極8之間的接合部分上不出現(xiàn)電阻中的時(shí)間相關(guān)波動(dòng)。因此，即使提供了主電流，在接合部分上電壓不會(huì)下降，導(dǎo)致沒(méi)有功率損失。因此，該半導(dǎo)體器件適于作為功率半導(dǎo)體器件。
而且，當(dāng)在幾百兆赫茲到吉赫茲的超高頻上工作時(shí)，按照本發(fā)明的半導(dǎo)體器件能夠長(zhǎng)時(shí)間周期的保持與連接到它的電路的匹配。因此，包括再調(diào)整的維護(hù)操作是不需要的。
因此，按照本發(fā)明，能夠?qū)崿F(xiàn)高可靠性的半導(dǎo)體器件而不會(huì)產(chǎn)生導(dǎo)線和電極間的電阻的時(shí)間相關(guān)波動(dòng)，從而允許持續(xù)長(zhǎng)時(shí)間的穩(wěn)定的工作。
盡管已經(jīng)結(jié)合幾個(gè)實(shí)施例全面地公開(kāi)了本發(fā)明，但對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，完全可以容易的對(duì)本發(fā)明以各種其它的方式進(jìn)行實(shí)施。
權(quán)利要求
1.一種具有半導(dǎo)體基片的半導(dǎo)體器件，包括內(nèi)部電極層，它形成在半導(dǎo)體基片上，阻擋金屬層，它形成在內(nèi)部電極上，外部電極層，它形成在阻擋金屬層上，焊盤電極，其由內(nèi)部電極層、阻擋金屬層和外部電極層構(gòu)成，以及導(dǎo)線，其被電連接到焊盤電極，其中外部電極層的面積被設(shè)置在處于焊盤電極上的導(dǎo)線的聚合部分的一個(gè)面積和阻擋金屬層的平面面積之間的中間。
2.按照權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體器件，其中所述外部電極層由鋁或包含鋁作為主要成分的合金組成。
3.按照權(quán)利要求2所述的半導(dǎo)體器件，其中所述導(dǎo)線由金或包含金作為主要成分的合金組成。
4.按照權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體器件，其中所述外部電極層的面積被設(shè)置為導(dǎo)線的聚合部分的1.2-10倍。
5.按照權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體器件，其中所述半導(dǎo)體基片包括超高頻電路器件。
6.按照權(quán)利要求5所述的半導(dǎo)體器件，其中所述導(dǎo)線構(gòu)成超高頻電路器件的一部分。
7.按照權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體器件，其中將所述外部電極層在阻擋金屬層上形成島嶼的形狀。
8.按照權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體器件，其中設(shè)置焊盤電極的外部電極層的面積大小以便抑制導(dǎo)線和焊盤電極間的電阻中的時(shí)間相關(guān)波動(dòng)。
全文摘要
本發(fā)明涉及具有半導(dǎo)體基片和在其上形成并被電連接到導(dǎo)線的焊盤電極的半導(dǎo)體器件。在具有半導(dǎo)體基片的半導(dǎo)體器件中，內(nèi)部電極層形成在半導(dǎo)體基片上。阻擋金屬層形成在內(nèi)部電極上。外部電極層形成在阻擋金屬層上。焊盤電極由內(nèi)部電極層，阻擋金屬層和外部電極層構(gòu)成。導(dǎo)線被電連接到焊盤電極。外部電極層的面積被設(shè)置在處于焊盤電極上的導(dǎo)線的聚合部分的面積和阻擋金屬層的平面面積之間的中間。
文檔編號(hào)H01L23/485GK1452241SQ0311016
公開(kāi)日2003年10月29日 申請(qǐng)日期2003年4月14日 優(yōu)先權(quán)日2002年4月12日
發(fā)明者栗原俊道, 川端隆弘, 戶田鐵, 椿茂樹(shù) 申請(qǐng)人:Nec化合物半導(dǎo)體器件株式會(huì)社