JPH088292A - 集積回路の導電性ボンドにおける金属学的安定性を得る方法 - Google Patents

集積回路の導電性ボンドにおける金属学的安定性を得る方法

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JPH088292A
JPH088292A JP7109302A JP10930295A JPH088292A JP H088292 A JPH088292 A JP H088292A JP 7109302 A JP7109302 A JP 7109302A JP 10930295 A JP10930295 A JP 10930295A JP H088292 A JPH088292 A JP H088292A
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エイチ ラムジー トーマス
Rafael C Alfaro
シー アルファーロ ラファエル
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Abstract

(57)【要約】 【目的】集積回路にいて、ボールボンドワイヤとボンド
パッドを接続した場合の金属学的安定性を得ること 【構成】例えば金或いは銅のボールボンドワイヤ（１
８）を、例えばアルミニュームのボンドパッド（１４）
に接続する方法であって、ボンドパッド（１４）上に電
気的に接続するパラジュームの層（１６）を形成し、次
いでボールボンドワイヤ（１８）をパラジュームの層
（１６）に接続して、ボンドパッド（１４）とボンドワ
イヤ（１８）を電気的に接続する。これにより、ボンド
パッド（１４）とボンドワイヤ（１８）が直接接続され
た場合に生じる金属間化合物による好ましくない過剰な
ストレスあるいは持ち上がりを防ぐことができる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、一般に集積回路に関
し、特にフェーズ及び金属間化合物の形成を除去或いは
最小にする、集積回路の導電性ボンドにおける金属学的
安定性を得る方法に関し、金或いは銅のワイヤ及びと電
気的に接続されたアルミニュームボンドパッド間に存在
する過度のストレスを除去するものである。
【０００２】
【本発明の背景】金或いは銅のワイヤ及びと電気的に接
続されたアルミニュームボンドパッド間に存在する典型
的なボンドはAu5Al2や AuAl2のような金属間化合物をし
ばしば生成させる。これらの化合物はアルミニューム基
板（即ち、SiO2レベルとCiW の相互接続）構造の接合面
において強力なボンドを生成する。しかしながら、これ
らの強力なボンドは信頼性の観点から好ましくないある
特性をも保有する。例えば、金属間化合物はもろく且つ
ボンドの機械的強度にとって好ましくないストレスを生
じる。回路がさらに温度の周期的な変化や圧力の変化の
ようなストレスに曝されると、種々の金属間化合物によ
る、構造上加えられたストレスは破損を促進し、或いは
等価的にボンドワイヤの持ち上がりによるその集積回路
の寿命を減少する。
【０００３】
【本発明の概要】従って、金や銅のワイヤ及びそれに関
連したアルミニュームのボンドパッド間のもろい金属間
化合物の形成を避ける、金や銅のボンドワイヤをアルミ
ニュームのボンドパッドにボンディングする信頼できる
方法が必要である。現存するボンド装置において生じる
好ましくないストレスを除去する改善されたボンディン
グ方法が必要である。更に、金や銅のワイヤとアルミニ
ュームのパッドの間に金属間化合物が形成される結果と
して、破損を促進したりボンドを持ち上げたりすること
のない、金や銅をアルミニュームのボンドパッドにボン
ディングする改善された方法が必要である。従って、本
発明は、改善された金属学的安定性を有し、また金属間
化合物を形成する代わりにアルミニュームのボンドパッ
ドでのフェーズ変換を除去或いは最小にする、金や銅の
ワイヤをアルミニュームのボンドパッドに信頼性のある
ボンディングをする改善された方法を提供する。結果的
に、本発明は、アルミニュームのボンドパッドにおける
過度のストレスやラジカル構造の形成を避けて、集積回
路の使用に対して金や銅のワイヤをアルミニュームのボ
ンドパッドにボンディングする公知の方法に関した制限
を克服し、或いは実質的に減少する。本発明は、長時間
にわたって金属学的安定性を増大する金−パラジューム
或いは銅−パラジュームの固溶体シリーズを形成するた
めに、標準的なアルミニュームのボンドパッド上にパラ
ジュームの薄い層を堆積するステップを有している。
【０００４】本発明の特徴の一つによれば、ボンドパッ
ド上にパラジュームの層を形成するステップを含む、金
や銅のボンドワイヤをアルミニュームボンドパッドに電
気的に結合するための方法を提供する。次のステップ
は、金や銅のボンドワイヤをパラジュームの層に接続
し、金や銅のワイヤとアルミニュームのボンドパッド間
に所望の電気的接続を形成することである。本発明の技
術的利点は、金や銅のボンドボールワイヤから１乃至
２．５ミクロンの厚さのパラジュームの層で覆われたパ
ッドへのボンディング処理を行うことである。加熱或い
は温度処理の間、パラジュームはボンドワイヤやボンド
パッドの何れとも金属間化合物を形成しない。結論的
に、ワイヤボンドの接合面上にストレスを生じない。こ
のことは、多くの場合に集積回路の寿命を伸ばす。更
に、本発明の技術的利点は、パラジュームの層から生じ
る金−パラジューム及び銅−パラジューム系が、温度や
圧力が増大しても殆ど変化しない固溶体シリーズを形成
することである。結果として、本発明は、集積回路の電
気的接続に対して増大した金属学的安定性を提供する。
本発明、その使用モード及び利点は添付図面と以下の実
施例の記載を参照することにより理解されるであろう。
【０００５】
【実施例】本発明の実施例において、種々の素子の同じ
部分及び対応する部分に対しては同じ参照番号が用いら
れる。金−アルミニューム或いは銅−アルミニュームの
金属間化合物の生成を防ぐために、本実施例は、ボンド
ワイヤとボンドパッド間にパラジュームの様な材料のバ
リヤ層を形成する。これは、金や銅のボンドワイヤとア
ルミニュームのボンドパッド間の電気的接続を作るが、
しかし二点間の物理的接続はない。例えば、パラジュー
ムの層は１乃至２．５ミクロンの厚さを有することがで
きる。パラジューム層の利点は、加熱或いはあらゆる温
度処理の間、或いは高度なボンディング回路の使用中
に、金属間化合物を形成しないことである。金−パラジ
ューム或いは銅−パラジューム系は固溶体シリーズであ
り、温度の上昇及び一つの金属の拡散を伴って、他のも
のに一様に変化する。これは、従来のボンドがワイヤと
ボンドパッドの接合面に生じるストレスを除去する。図
１は、基板上にボンドパッド１４を有するボンディング
システム１０を示している。ボンドパッド１４上にはパ
ラジュームの層１６がある。パラジュームの層１６はボ
ンドワイヤ１８とボンドパッド１４の双方に接続してい
る。ボンドワイヤ１８は、例えは銅のボールボンドワイ
ヤ或いは金のボールボンドワイヤの何れかでよい。
【０００６】図２と図３は、金−アルミニュームのボー
ルボンド及び銅−アルミニュームのボールボンドの退化
の状態に関する温度と時間のエージングの影響を示して
いる。例えば、図２において縦軸は、エージング後のボ
ンディングの強さをエージング前のボンディングの強さ
で除して、その結果を１００倍した式によって定められ
た０から１００％の範囲である。横軸は、１０００から
３０００の範囲にあって、ボンディングの強さが試験さ
れたボンド形成後の時間数を示す。従って、金−アルミ
ニュームについての図２において、ライン２０は２００
℃のエージング温度で、金−アルミニュームのボールボ
ンドが最初の１０００時間内に大きく退化し、２０００
時間の点までに５０％以下に退化し続ける。ライン２２
は、１８０℃の一定エージング温度において生じる退化
を示している。ライン２４は、１５０℃の一定エージン
グ温度における退化を示している。ライン２６は、１２
０℃における退化を示している。従って、エージングに
比例して従来の金−アルミニュームのボールボンドに対
するボンディングの強さの百分率は退化する。しかしな
がら、図２において、ライン２８は２００℃及び室温以
下のエージング温度に対して、パラジュームの層１６に
よるボンドワイヤ−ボンドパッド接続において金属間化
合物やもろさが生じないので、ボンディングの強さの比
は時間にわたって一定に維持される。
【０００７】図３に示すように銅−アルミニュームボー
ルボンドに対して、同様な結果が得られる。従って、ラ
イン３０は、ボンドの接続強さにおいて退化が生じる２
００℃のエージング温度の効果を示している。ライン３
２は、１８０℃のエージング温度の効果を示している。
ライン３４は、１５０℃のエージング温度の効果を示し
ている。ライン３６は、１２０℃のエージング温度の効
果を示している。金−アルミニュームのボールボンドの
場合のように、ライン３８は、上述のように全ての温度
に対して、パラジュームの層を含むボンドに対してエー
ジング後にボールボンドの強さにおいて退化がないこと
を示している。全ての結果は、本実施例で、最適のボン
ド温度が２６０℃であることを示している。しかしなが
ら、これは、例えば周囲の試験及び他のパラメータを考
慮して実際には変化することができる。例えば３００℃
のボンディング温度でのアルミニュームのボンドパッド
上の銅ワイヤに対しては、ボンドの強さがボンドされて
から１７５℃で５時間の処理ベークにわたって最初に生
じる。即ち、ボンドされると、ボンドの強さは５６．６
グラムの剪断力である。１７５℃で５時間後に、その強
さは６０．５グラムの剪断力に増加する。１５時間と２
４時間後に、ボールボンドの強さは、１７５℃のエージ
ング環境で、それぞれ５２．１グラムと４２．７グラム
の剪断力に減少する。これは、CuAl2 と CuAl の形成お
よびそれらの関連ストレスによる。
【０００８】しかしながら、もし、パラジュームの層１
６が、例えばアルミニュームのボンドバッド上１４に１
０００乃至５０００オングストロームの厚さに形成され
ると、剪断力は安定する。これは、銅のボンディングワ
イヤとパラジュームの間、或いは金のボンディングワイ
ヤとパラジュームの間に固溶体が形成するためである。
固溶体の結果として、幾つかの場合に金−アルミニュー
ムフェーズの変換による９０グラムの剪断力が報告され
ている。これらのストレスは、特にモールドさたプラス
チックパッケージにおいて存在する大きなボールボンド
の周囲に、金属間化合物と破損を生じる全体のストレス
及びボンドの持ち上がりを増大する。銅とパラジューム
に対する剪断の強さのデータは、固溶体のボンド構造の
安定性を示している。従って、例えば、１０００オング
ストロームの銅と５０００オングストロームのパラジュ
ームで３００℃のボンド温度は５８グラムの剪断力であ
るボンドの強さを生じる。２００℃で６時間後に、ボン
ドされた強さは６０グラムの剪断力であった。また、２
７５℃のボンド温度では、２００℃で６時間後にボンド
の強さは５２グラムの剪断力から５５グラムの剪断力に
増大する。図１の構造は、パラジュームの層１６を生じ
る堆積或いはスパッタリング技術の広範な変化によって
形成されることができる。パラジュームの層１６の機能
が得られる他の材料を用いることができる。例えば、ク
ロムが、例として１０００オングストロームの厚さを有
する層を形成するために用いることができる。この厚さ
で、同様なボンドの強さが得られる。
【０００９】本発明の技術的利点は、加熱或いは温度処
理の間にパラジュームの層１６がボンドパッド１４或い
はボンドワイヤ１８の何れとも金属間化合物を作らない
ことである。結果的に、ワイヤとボンドの接合面にスト
レスを生じることがない。これは、多くの場合、集積回
路の寿命を延ばす。本発明の他の技術的利点は、パラジ
ュームの層から生じる金−パラジューム及び銅−パラジ
ューム系は、温度及び圧力が増加しても殆ど変化しない
固溶体を形成することである。結果として、本発明は集
積回路のボンドパッドに対して増大した金属学的安定性
を提供する。要約すれば、本実施例は、ボンディングワ
イヤをボンドパッドと電気的に結合するための方法を提
供し、ボンドパッド上にパラジュームの層を形成するス
テップを含む。次のステップは、ボールボンドワイヤを
パラジュームの層と接続し、ボンドパッドとボンドワイ
ヤ間の電気的接続を形成することである。このボンドワ
イヤは金のボンドワイヤか銅のボンドワイヤ、或いはア
ルミニュームのような共通のボンドパッド材料と金属間
化合物を形成する他の金属であってもよい。他の実施例 この分野における通常の知識を有するものにとって容易
に明らかである、集積回路の銅−金のボールボンドの金
属学的安定性を得るため、ここに記載された方法及び構
造の設計に多くの変形或いは変更があり得る。このよう
な変更は、コスト及び性能の考慮、サイズの制約、材料
の利用可能性、任意の設計決定等の多くの理由のために
上記の実施例においては採用されないかもしれない。こ
れらの変更の多くは上述された。しかしながら、これら
の変更はこの分野における通常の知識を有するものにと
って明らかである他の実施例を制限することなく述べら
れているが、時間とスペースの制約のためにここでは述
べない。従って、本発明は必要な設計からの明らかな変
形及び変更を含むと認められる特許請求の範囲のみによ
って限定されるべきである。
【００１０】以上の記載に関連して、以下の事項を開示
する。 (1) ボンドワイヤをボンドパッドに電気的に結合する方
法であって、ボンドパッドを有する、電気的接続に関し
てのパラジュームの層を形成するステップ、及びボール
ボンドを前記パラジュームの層に接続してボンドパッド
をボンドワイヤに電気的に接続するステップを有するこ
とを特徴とする方法。 (2) 前記パラジュームの層を１０００乃至５０００オン
グストロームの厚さに形成するステップを有する前記
(1) に記載の方法。 (3) 前記形成するステップは、パラジュームの層をアル
ミニュームのボンドパッド上に形成するステップを有す
る前記(1) に記載の方法。 (4) 前記接続するステップは、金のボールボンドワイヤ
をパラジュームの層に接続して、金のボールボンドワイ
ヤをボンドパッドに接続するステップを有する前記(1)
に記載の方法。 (5) 前記接続するステップは、銅のボールボンドワイヤ
を固溶体シリーズの金属に接続して、ボールボンドワイ
ヤとボンドパッド間に電気的接続を形成するステップを
有する前記(1) に記載の方法。 (6) 前記固溶体シリーズの金属を形成するステップは、
ボンドパッド上にパラジュームの層を形成するステップ
を有する前記(1) に記載の方法。 (7) 前記固溶体シリーズの金属を形成するステップは、
ボンドパッド上にクロムの層を形成するステップを有す
る前記(1) に記載の方法。 (8) ボールボンドワイヤをボンドパッドに電気的に結合
するための方法であって、ボンドパッドと電気的接続を
するパラジュームの層を形成するステップ、及び前記ボ
ールボンドワイヤを前記パラジュームの層と接続して、
前記ボンドパッドをボールボンドワイヤに電気的に接続
するステップを有する方法。 (9) 更に、前記パラジュームの層を１０００乃至５００
０オングストロームの厚さに形成するステップを有する
前記(8) に記載の方法。 (10)前記形成するステップは、パラジュームの層をアル
ミニュームのボンドパッド上に形成するステップを有す
る前記(8) に記載の方法。 (11)前記接続するステップは、金のボールボンドワイヤ
をパラジュームの層と接続して、金のボールボンドワイ
ヤをボンドパッドに電気的に接続するステップを有する
前記(8) に記載の方法。 (12)前記接続するステップは、銅のボールボンドワイヤ
を固溶体シリーズの金属に接続して、ボールボンドワイ
ヤの先端とボンドパッド間に電気的接続を形成するステ
ップを有する前記(8) に記載の方法。 (13)前記固溶体シリーズの金属を形成するステップは、
パラジュームの層をボンドパッド上に形成するステップ
を有する前記(8) に記載の方法。 (14)前記固溶体シリーズの金属を形成するステップは、
クロムの層をボンドパッド上に形成するステップを有す
る前記(8) に記載の方法。 (15)ボールボンドワイヤをボンドパッドに電気的に結合
するための方法であって、ボンドパッドと電気的接続を
するパラジュームの層を形成するステップ、及び前記ボ
ールボンドワイヤを前記パラジュームの層と接続して、
前記ボンドパッドをボンドワイヤに電気的に接続するス
テップを有する方法。 (16)更に、前記パラジュームの層を１０００乃至５００
０オングストロームの厚さに形成するステップを有する
前記(15)に記載の方法。 (17)前記形成するステップは、パラジュームの層をアル
ミニュームのボンドパッド上に形成するステップを有す
る前記(15)に記載の方法。 (18)前記接続するステップは、金のボールボンドワイヤ
をパラジュームの層と接続して、金のボールボンドワイ
ヤの先端をボンドパッドに電気的に接続するステップを
有する前記(15)に記載の方法。 (19)前記接続するステップは、銅のボールボンドワイヤ
を固溶体シリーズの金属に接続して、ボンドワイヤとボ
ンドパッド間に電気的接続を形成するステップを有する
前記(8) に記載の方法。 (20)前記固溶体シリーズの金属を形成するステップは、
パラジュームの層をボンドパッド上に形成するステップ
を有する前記(15)に記載の方法。 (21)前記固溶体シリーズの金属を形成するステップは、
クロムの層をボンドパッド上に形成するステップを有す
る前記(15)に記載の方法。 (22)ボンドワイヤ(18)をボンドパッド(14)と接続する集
積回路の銅−金のボールボンドを電気的に接続するため
の方法であって、ボンドワイヤ(18)とボンドパッド(14)
間に電気的接続についてパラジュームの層(16)を形成す
る。この接続が、ボンドワイヤ(18)とボンドパッド(14)
間の金属間化合物の形成から生じる過剰なストレスを避
ける方法。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による形成されたボンディングワイヤ−
ボンドパッドの形状を示す概念的側面図。
【図２】本発明の実施例と従来例によって形成された金
−アルミニュームの電気的ボンドの退化の状態に関し
て、エージング温度と時間の効果を示したものである。
【図３】本発明の実施例と従来例によって形成された銅
−アルミニュームの電気的ボンドの退化の状態に関し
て、エージング温度と時間の効果を示したものである。
【符号の説明】
１２ 基板 １４ ボンドパッド １６ パラジュームの層 １８ ボンドワイヤ

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 ボンドワイヤをボンドパッドに電気的に
    結合する方法であって、 ボンドパッドを有する、電気的接続に関してのパラジュ
    ームの層を形成するステップ、及びボールボンドを前記
    パラジュームの層に接続して、ボンドパッドをボンドワ
    イヤに電気的に接続するステップを有することを特徴と
    する方法。
JP7109302A 1994-05-06 1995-05-08 集積回路の導電性ボンドにおける金属学的安定性を得る方法 Pending JPH088292A (ja)

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