专利名称：在半导体器件中形成引线键合的方法
技术领域：
本发明主要涉及半导体器件，并且，更具体地涉及一种半导体器件中的引线键合 的方法。
背景技术：
引线键合是最常用于半导体器件电互连的技术。引线键合是一种使用热、压力及 超声能的组合通过原子扩散和电子共享形成互连引线与键合焊盘表面之间键合的固相焊 接技术。更早的引线键合技术使用金引线用于形成电连接。在近些年，出现了铜作为金引 线的可行替代。铜引线键合不仅提供显著的成本优点而且提供一些机械和电气优点。但是， 在引线键合中使用铜也引起一些问题。铜比金更硬，因而铜引线需要更大的机械力和超声 功率去形成与管芯键合焊盘的键合。众所周知，铜引线键合工艺使半导体器件遭受显著的热和机械应力，这会损伤位 于管芯键合焊盘下面的金属和电介质层，这也称为硅弹坑(silicon cratering)。弹坑对引 线键合的质量和可靠性产生不利影响。造成所述损伤的主要因素包括球焊接工艺过程中的 毛细管的机械冲击、超声振动频率和能量、以及工艺温度。在半导体制造中出现的趋势之一是具有低介电常数的介电材料的使用。这种材料 的例子包括含硅的氢化合物、气凝胶以及有机化合物。这种材料由于它们有助于降低有效 电容并且因而便于提高半导体器件的处理速度而被优先采用。但是这种材料的机械性要弱 于传统的介电材料(使用化学气相沉积技术沉积)。所以，半导体器件中这种材料的使用更 加加剧了上面讨论的弹坑问题。另一个导致引线键合失效的重要因素是过多的键合焊盘探测。半导体芯片遭受各 种使用电探针的电测试。探针测试在键合焊盘上留下使键合焊盘的表面形貌变形的针痕或 擦痕，使得它不平坦和粗糙。探针头甚至能引起键合焊盘底层被暴露出来。因而，针痕阻碍 引线和键合焊盘之间有效的相互金属化并且从而对引线键合的完整性产生不利影响。铜也被用于形成芯片键合焊盘。但是，铜具有氧化形成铜氧化物的倾向，这阻碍引 线键合期间的相互金属化。为了克服该问题，工业实践使用铝覆盖铜键合焊盘。但是，如上 所述，探针头会挖凿键合焊盘的表面使得铝上层被擦伤并且下面的铜层被暴露出来，这导 致氧化铜的形成。也希望降低芯片键合焊盘的厚度。但是，降低了厚度的键合焊盘不能够承受引线 键合工艺过程中产生的机械冲击并且有时被损伤。因此，另一个重要的问题是能够降低键 合焊盘的厚度并且获得具有足够机械强度的可靠引线键合。此外，键合焊盘的数量不断地增加，键合焊盘间距被降低，并且每个单独的键合焊 盘变得越来越小，并且从而可用于焊接的接触面积不断缩小。随着键合焊盘尺寸的缩小，键 合焊盘被探针头损伤的面积不断上升，对焊接工艺期间压接(crimping)和合金形成造成 越来越大的阻碍。因此，由于针痕引起的焊盘损伤导致引线键合失效情况，比如焊盘的不粘
3贴(non-stick on pad)和翘起的焊接(lifted bonds)。本发明将有利于将铜引线可靠地焊接到小和薄的焊盘上。
结合附图将更好地理解本发明优选实施例的以下详细描述。通过实例阐明本发 明，并且不受附图限制，其中相同的附图标记代表相似的元件。图1是根据本发明实施例的半导体器件的横截面侧视图；图2是根据本发明实施例的半导体封装的横截面侧视图；图3是图2的半导体封装的顶视图；图4A-4C是示出根据本发明实施例的在引线和半导体芯片的焊盘之间形成电连 接期间的各个阶段的示意图；以及图5是描述根据本发明实施例的在半导体器件中形成引线键合的方法的流程图。
具体实施例方式附图的详细描述意在作为本发明的当前最佳实施例的描述，并且不意在代表本发 明实施的唯一形式。也可以理解的是，相同或等效的功能可以通过不同的意在包含在本发 明的精神和范围内的实施例来实现。在本发明的实施例中，在半导体器件中形成用于将第一导电区电连接到第二导电 区的引线键合的方法包括在第一导电区上形成具有第一成分的第一凸块。接近第一导电区 上的针痕形成该第一凸块。在第一导电区上邻近第一凸块形成具有第一成分的第二凸块。 该第一和第二凸块远离第一导电区上的针痕形成。该方法进一步包括在第一和第二凸块的 顶部焊接具有第二成分的引线的第一端。然后将引线的第二端连接到第二导电区。在本发明的另一个实施例中，在引线和半导体芯片上的键合焊盘之间提供电连 接。电连接包括在键合焊盘上形成的具有第一成分的第一凸块。接近键合焊盘上的针痕形 成该第一凸块。在键合焊盘上邻近第一凸块形成具有第一成分的第二凸块。第一和第二凸 块远离键合焊盘上的针痕形成。然后利用球焊接将引线附连到第一和第二凸块。引线由第 二成分构成。引线至少部分地插入第一和第二凸块。本发明的实施例提供一种在半导体器件中形成引线键合的方法。第一成分的材 料(即，第一和第二凸块)优选地为比引线更柔软的材料，并且因而吸收了引线键合时引线 在焊盘上的机械冲击，这样保护了键合焊盘和其底层不受机械损伤并且因此能够使用例如 由铜构成的引线。铜引线相对金引线而言较便宜，因此降低了半导体器件的制造成本。另 外，铜引线与金相比具有更好的导电和导热性能，并且因而铜引线的使用改进了互连的电 属性。进一步，本发明使得半导体器件中具有低介电常数的介电材料(低k介电材料)的 使用没有硅弹坑。另外，通过第一和第二凸块的引线键合期间产生的热和机械应力效应的 缓解便于降低键合焊盘厚度以及在更薄键合焊盘上使用硬金属引线。同样，球焊接插入到 第一和第二凸块使得连接在机械上更加稳定。优选地，远离出现在键合焊盘上的所有或大 部分针痕而形成第一和第二凸块，因而减轻了引线键合期间针痕的影响，并且因此提高了 半导体器件的可靠性。现在参见图1，示出了根据本发明实施例的半导体器件装置100的示意图。半导体器件装置100包括衬底102。在本发明的实施例中，衬底102可以是任何适合的衬底，例 如陶瓷衬底、硅衬底或者有机衬底，并且可以具有任何适合的厚度。衬底102包括多个导电 区，例如接触焊盘104，其位于靠近衬底102的第一或顶表面的外围。半导体管芯或芯片106 安装在衬底102的顶表面上，使得半导体芯片106的无源表面接触衬底102的顶表面，并且 芯片106的有源表面远离衬底102的顶表面。半导体芯片106的有源表面包括多个用于提 供电连接到衬底102的导电区或键合焊盘108。在本发明的实施例中，键合焊盘108由覆盖 有铝或铝合金的铜构成。现在参见图2，示出了根据本发明实施例的半导体封装200的截面图的示意图。半 导体封装200包括衬底102和半导体芯片106。在半导体芯片106的每个键合焊盘108上 形成第一凸块202a和第二凸块202b。第一凸块202a和第二凸块202b使用具有第一成分 的材料形成。第一成分的例子包括但不限于金、银、钯以及它们的组合物。半导体芯片106 使用引线204与衬底102电连接。引线204可以是纯金属引线或基于合金的引线，并且可 以使其绝缘或用绝缘体覆盖。引线204使用具有第二成分的材料形成。在本发明的实施例 中，第二成分比第一成分硬。第二成分的例子包括但不限于铝、铜以及它们的组合物。引线 204通过球焊接附连到第一和第二凸块202a和202b。在图2中示出球焊接206。如图2中 所示的那样，引线204优选至少部分地插入第一和第二凸块202a和202b。将引线204的第二端连接到衬底102的接触焊盘104。在本发明的实施例中，引线 204的第二端使用楔形焊接技术电连接到接触焊盘104。在楔形焊接期间，引线204的第二 端形成为与接触焊盘104接触，并且提供热、压力和超声能的组合以影响引线204和接触焊 盘104间的焊接。现在参见图3，示出了图2所示的半导体封装200的顶视图的示意图。半导体芯片 106的键合焊盘108使用引线204电连接到衬底102的接触焊盘104。多个电连接组件例 如电连接组件302在半导体芯片106的每个键合焊盘108上形成。每个电连接组件包括第 一和第二凸块202a和202b以及球焊接206。现在参见图4A-4C，示出了根据本发明实施例的在引线204和半导体芯片106的键 合焊盘108之间形成电连接的各个阶段的示意图。参见图4A，确定键合焊盘108上的针痕402的位置。如现有技术中所知的那样，当 探针(未示出)接触键合焊盘108时，通过探针施加的压力可能在键合焊盘108上留下针 痕402。在本发明的实施例中，适合的针痕检查技术被用于确定键合焊盘108上的针痕402 的位置。例如，针痕的位置可以使用键合焊盘平面中的x_y坐标确定，其中X1是χ方向上 键合焊盘108的左边界与针痕402的左边界之间的距离。类似地，X2是χ方向上键合焊盘 108的右边界与针痕402的右边界之间的距离。yi是y方向上键合焊盘108的上边界与针 痕402的上边界之间的距离，并且y2是y方向上键合焊盘108的下边界与针痕402的下边 界之间的距离。确定的x_y坐标描述了针痕402相对于键合焊盘108的位置，并且用于确 定第一和第二凸块202a和202b的形成位置。现在参见图4B，接近针痕402形成第一凸块202a和第二凸块202b。邻近第一凸 块202a形成第二凸块202b，使得第一凸块202a和第二凸块202b靠近针痕402但优选地不 在针痕402上。在本发明的实施例中，凸块突起(stud bumping)技术可以用于形成第一和 第二凸块202a和202b。在凸块突起中，由第一成分构成并且保持在毛细管中的引线被拉成线圈然后将高压电荷施加到引线上。电荷熔化毛细管尖端的引线，引起凸块突起的形成。 之后，将毛细管降低到半导体芯片106的键合焊盘108并且施加超声能。热、压力和超声能 的组合在凸块(第一凸块或第二凸块202a或202b中的任意一个)和键合焊盘108间形成 焊接。在本发明的另一个实施例中，焊球分配技术可以被用于形成第一和第二凸块202a和 202b。在焊球分配技术中，使用焊球分配机器例如HANMI BMS-500.MMS-MSA-250A,MicroPro 和MIZBA-1200将第一凸块和第二凸块202a和202b放置在键合焊盘108上并且使用粘合 剂例如导电焊料膏附连到键合焊盘108。在本发明的各种实施例中，第一和第二凸块202a 和202b对角地跨越针痕402形成。现在参见图4C，在第一和第二凸块202a和202b的顶部形成球焊接206。在本发 明的一个实施例中，球焊接206使用球焊接技术形成，其中球焊接206至少部分地插入第一 和第二凸块202a和202b，这样提供机械上牢固的焊接。现在参见图5，流程图显示了根据本发明实施例的形成引线键合的方法。在步骤502中，接近键合焊盘上的针痕形成具有第一成分的第一凸块。第一成分 的例子包括金、银、钯或它们的组合物。在本发明的实施例中，使用适合的针痕确定技术例 如使用如上所述的χ-y坐标在键合焊盘上确定针痕。在步骤504中，在键合焊盘上邻近第一凸块形成具有第一成分的第二凸块。在本 发明的实施例中，在键合焊盘上对角地跨越已确定的针痕形成第一和第二凸块。第一和第 二凸块的大小使得它们可以接近针痕但不位于针痕上。在步骤506中，将引线的第一端焊接在第一和第二凸块的顶部。引线从由纯金属、 基于合金以及被覆盖或绝缘的引线构成的引线组中选择。引线由具有第二成分的材料构 成，第二成分优选比第一成分硬。第二成分的例子包括铝、铜以及它们的组合物。在本发明 的一个实施例中，引线通过球焊接附连到第一和第二凸块，其中将引线至少部分地插入第 一和第二凸块中的至少一个。在步骤508中，将引线的第二端连接到衬底的接触焊盘，因此 在芯片键合焊盘和衬底接触焊盘之间形成电连接。虽然已经示出和描述本发明的各种实施例，很明显本发明并不仅仅限于这些实施 例。许多修改、改变、变形、替代物以及等效物对于本领域技术人员将是显而易见的，并且没 有超出如权利要求中所描述的本发明的精神和范围。
权利要求
一种将第一导电区电连接到第二导电区的方法，包括在所述第一导电区上形成具有第一成分的第一凸块；在所述第一导电区上邻近所述第一凸块形成具有所述第一成分的第二凸块；在所述第一和第二凸块的顶部附连具有第二成分的引线的第一端；以及将所述引线的第二端连接到所述第二导电区。
2.如权利要求1所述的将第一导电区电连接到第二导电区的方法，其中，所述第二成 分比所述第一成分硬。
3.如权利要求2所述的将第一导电区电连接到第二导电区的方法，其中，所述第一成 分包括金、银、钯或它们的组合物之一。
4.如权利要求3所述的将第一导电区电连接到第二导电区的方法，其中，所述引线包 括纯金属、基于合金和被覆盖的引线之一。
5.如权利要求3所述的将第一导电区电连接到第二导电区的方法，其中，所述第二成 分包括铜。
6.如权利要求2所述的将第一导电区电连接到第二导电区的方法，其中，所述弓I线插 入所述第一和第二凸块中的至少一个。
7.如权利要求1所述的将第一导电区电连接到第二导电区的方法，其中，所述第一导 电区包括来自探针头的针痕，并且远离所述针痕形成所述第一和第二凸块。
8.—种在引线和半导体芯片的键合焊盘之间的电连接，包括在所述键合焊盘上形成的具有第一成分的第一凸块；在所述键合焊盘上邻近所述第一凸块形成的具有所述第一成分的第二凸块；以及附连在所述第一和第二凸块的顶部上的具有第二成分的引线，其中，所述第二成分包 括比所述第一成分的材料硬的材料并且所述引线至少部分地插入所述第一和第二凸块中 的至少一个。
9.如权利要求8所述的电连接，其中，所述第一成分包括金、银、钯或它们的组合物之器ο
10.如权利要求9所述的电连接，其中，所述第二成分包括铜。
全文摘要
本发明公开一种在半导体器件中形成引线键合的方法，包括接近键合焊盘上的针痕形成具有第一成分的第一凸块。邻近所述第一凸块形成具有所述第一成分的第二凸块，使得远离所述针痕形成所述第一和第二凸块。具有比所述第一成分硬的第二成分的引线附连到所述第一和第二凸块的顶部以形成互连。
文档编号H01L23/48GK101924046SQ20091015955
公开日2010年12月22日 申请日期2009年6月16日 优先权日2009年6月16日
发明者姜英伟, 张长亮, 王志杰, 肖维 申请人:飞思卡尔半导体公司