丝线键合系统及相关方法
【专利摘要】本发明涉及丝线键合系统及相关方法。实施方式可以包括：包含铜(Cu)的键合丝线、包含铝(Al)的键合焊盘以及与键合焊盘电耦接的牺牲阳极，其中该牺牲阳极包含具有在Al的标准电极电位以下的标准电极电位的一种或多种元素。
【专利说明】
丝线键合系统及相关方法 相关申请的交叉引用 本文要求在2015年4月17日提交的、Qin等人的、题目为"Bond Wires and Methods"的 美国临时专利申请No. 62149455('455临时申请）的申请日期的权益，并且还要求在2015年 11月17日提交的、Qin等人的、题目为"Wire Bond Structures and Methods"的美国临时专 利申请No. 62256130 (' 130临时申请）的申请日期的权益，这两个临时申请的全文以提及方 式并入本文。
技术领域 本文的各方面一般地涉及用于丝线键合的结构和系统。
【背景技术】 丝线键合包括将丝线与键合焊盘进行热、机械及电连接。在各种丝球键合系统中，超声 波或其他能量被用来熔化丝线以形成然后被向下压在键合焊盘上的自由球体。该工艺导致 丝线和键合焊盘的材料的混合，从而形成丝线键合。
【发明内容】
丝线键合系统的实施方式可以包括:含有铜(Cu)的键合丝线、含有铝(Al)的键合焊盘 以及与键合焊盘电耦接的牺牲阳极，其中牺牲阳极包含具有在Al的标准电极电位以下的标 准电极电位的一种或多种元素。 丝线键合系统的实施方式可以包括下列方式中的一种、全部或任意多种： 该一种或多种元素可以是镁(Mg)、铪(Hf)、铍(Be)之一，或者它们的任意组合。 丝线键合系统的实施方式可以包括含有Cu的键合丝线、含有Al的键合焊盘以及物理及 电耦接于键合焊盘的至少一部分之上的牺牲阳极，其中该牺牲阳极包含具有在Al的标准电 极电位以下的标准电极电位的一种或多种元素。 丝线键合系统的实施方式可以包括下列方式中的一种、全部或任意多种： 该一种或多种元素可以是Mg、Hf、Be之一，或者它们的任意组合。 丝线键合系统的实施方式可以包括含有Cu的键合丝线以及与键合丝线耦接的键合焊 盘，其中该键合焊盘包括含有Al在内的材料以及具有在Cu的标准电极电位与Al的标准电极 电位之间的标准电极电位的一种或多种元素。 丝线键合系统的实施方式可以包括下列方式中的一种、全部或任意多种： 该一种或多种元素可以包括钨(W)。 该一种或多种元素可以包括锌(Zn)。 该一种或多种元素可以包括铬(Cr)。 该一种或多种元素可以包括锡(Sn)。 该一种或多种元素可以包括铁(Fe)。 该一种或多种元素可以选自钼(Mo)、铬(Cd)、钴(Co)、镍(Ni)、Cu，或者它们的任意组 合。 键合丝线可以包括含有选自金(Au)、银(Ag)、钯(Pd)、镍(Ni)或者它们的任意组合的金 属的涂层。 键合丝线还可以包含Ni。 丝线键合系统的实施方式可以包括含有Cu的键合丝线、与键合丝线耦接的键合焊盘、 含有Al的键合焊盘，以及与在键合丝线与键合焊盘之间的与键合焊盘耦接的层，其中该层 包含具有在Al的标准电极电位与Cu的标准电极电位之间的标准电极电位的一种或多种元 素。 丝线键合系统的实施方式可以包括下列方式中的一种、全部或任意多种： 该一种或多种元素可以包括W。 该一种或多种元素可以包括Zn。 该一种或多种元素可以包括Cr。 该一种或多种元素可以包括Sn。 该一种或多种元素可以选自此、0(1、(：〇、附、？6、(：11，或者它们的任意组合。 键合焊盘还可以包含具有在Cu的标准电极电位与Al的标准电极电位之间的标准电极 电位的一种或多种元素。 根据本说明书、附图及权利要求书，本领域技术人员将会很清楚上述及其他方面、特征 和优点。
【附图说明】 实施方式将在下文结合附图来描述，在附图中，相同的附图标记指示相同的元件，并 且： 图1是与焊盘键合的丝线的透视图； 图2是与焊盘的实施方式键合的丝线的截面图； 图3是与焊盘耦接的牺牲阳极的实施方式的与焊盘耦接的丝线的截面图； 图4是示出耦接于丝线周围的焊盘之上的牺牲阳极的实施方式的与焊盘耦接的丝线的 截面图； 图5是示出包含形成于丝线和焊盘之间的层的实施方式的焊盘的实施方式的与焊盘耦 接的丝线的截面图； 图6是示出形成于丝线与焊盘之间的层的另一种实施方式的与焊盘耦接的丝线的截面 图。
【具体实施方式】 本公开内容及其各方面和实施方式并不限于本文所公开的特定的构件、组装过程或方 法要件。本技术领域已知的与预期的丝线、焊盘和丝线键合系统一致的许多另外的构件、组 装过程和/或方法要件根据本公开内容在用于特定的实施方式方面将变得很明显。因此，例 如，尽管本文已公开了特定的实施方式，但是这样的实施方式和实施构件可以包括本技术 领域所已知的用于这样的丝线、焊盘和丝线键合系统的以及用于实现与预期的操作和方法 相容的构件和方法的任何形状、尺寸、样式、类型、模型、版本、度量、浓度、材料、数量、方法 要件、步骤等。 参考图1，图中示出了与键合焊盘(焊盘)4键合的键合丝线(丝线)2的透视图。在该实施 方式中，丝线2已经使用球键合工艺与焊盘4键合。如图所示，在该键合工艺中，丝线2被熔化 并且所产生的球体然后与焊盘连接。超声能量与作为副产品的热量的结合，或者超声能量 与外部热源的结合软化球体并且在被向下压到焊盘4上时促使已软化的材料在负荷下流 动，从而导致两种材料相互混合/粘贴。能够看出，在该工艺中，取决于在丝线上的球体的硬 度，焊盘金属位移(PMD)或铝飞溅6的特定量能够在丝线的边缘周围观察到。由于在各种丝 线键合工艺(无论是球键合还是楔形键合）中所涉及的温度/能量，丝线和焊盘的材料的各 种混合在键合工艺完成后被观察到。在丝线2和焊盘4由金属材料制成的情况下，混合物是 包括丝线2和焊盘4的金属的各种金属间化合物（BK)的合金。图2示出了如图1所示的丝线 键合体的截面，示出了丝线2、焊盘4及合金垛8。虽然在图2中，合金垛8被示为朝丝线2向上 延伸，但是在各种实施方式中，合金垛8同样可以向下延伸到焊盘4内。在各种实施方式中， 可能没有紧随键合之后的可检测到的合金垛8,但是合金垛8在半导体的封装和/或测试操 作之后变得容易检测到。 在丝线2含有铜(Cu)且焊盘含有铝(Al)的情况下，发生腐蚀的电位在键合工艺之后存 在。这是因为标准的Cu/Cu2+电极具有+0.342eV的标准电极电位，并且标准的Cu/Cu1+电极具 有+0.521 e V的标准电极电位，而标准的Al /Al3+电极具有-1.66eV的标准电极电位。在本文所 公开的各种系统实施方式中，Cu的标准电极电位中的任一种都能够被用作参考。因为电位 是不同的，所以在潮湿的环境中，可能会发生电化腐蚀。在不受任何理论限制的情况下，同 样应当相信，包围着丝线键合体的模制化合物所含有的任何卤素都能够进一步加速该腐蚀 过程。由于该腐蚀，頂C变为被氧化的，并且裂纹能够传播于丝线与焊盘之间，从而导致二者 的电分离(electrical separation)。因为在腐蚀产生该结果之前可能需要大量的时间，所 以该腐蚀过程产生了无法在半导体封装的初始测试工艺中检测到的可靠性顾虑。 前面通过引用并入本文的'455临时申请，以及Qin等人的题目为"Corrosion Mechanisms of Cu Bond Wires on AlSi Pads" 的文章 （Conference Proceedings from the 41st International Symposium for Testing and Failure Analysis,p.423-428 (2015-11)，（Qin等））（该文章的公开内容全文以提及方式并入本文），每篇都详细地公开了 对于在高加速的应力测试(HAST)测试之后观察到的随丝线键合之后在Cu与Al之间的腐蚀 过程的所建议机制。在不受任何特定理论限制的情况下，似乎是在丝线含有Cu且焊盘含有 AlSi合金的情况下，各种富含Cu的頂C被形成，该頂C然后在测试期间接着被腐蚀。 在本文中，公开了被设计用于最小化/降低发生于含CU的丝线和含铝的焊盘之间的腐 蚀的电位的各种丝线、焊盘及丝线键合系统的实施方式。在各种实施方式中可以使用各种 各样的含Cu的键合丝线。这些键合丝线中的某些可以包括(作为非限制性实例）：1N、2N、3N、 4N、5N和6N铜线;有涂层的铜线；以及合金铜丝线。作为非限制性实例，在各种实施方式中可 以使用在下面的引文中公开的任何合金铜丝线版本:Sarangapani等人的、在2012年11月29 日提交的、题目为"Doped 4N copper wires for bonding in microelectronics devices"的美国专利申请公开No · 20130142567; Sarangapani等人的、在2012年11月30日提 交的、题目为"3N copper wires with trace additions for bonding in microelectronics devices" 的美国专利申请公开No. 20130142568; Sarangapani等人的、 在 2012 年 11 月29 日提交的、题目为"Secondary alloyed IN copper wires for bonding in microelectronics devices" 的美国专利申请公开No · 20130140068;以及Sarangapani 等人的、在 2012 年 11 月30 日提交的、题目为"Alloyed 2N copper wires for bonding in microelectronics devices"的美国专利申请公开No · 20130140084;这些申请每篇都全文 以提及方式并入本文。作为非限制性实例，能够用于本文所公开的各种实施方式中的有涂 层的铜线的实施方式可以包括以锡(Sn)、银(Ag)、镍(Ni)、钯(Pd)、金(Au)、有机(含碳)材 料、陶瓷材料或者它们的任意组合涂覆的丝线，包括在Carpenter等人的、在2014年4月25日 提交的、题目为 "Structures and methods for reducing corrosion in wire bonds" 的 美国专利申请公开No.20150311173中公开的任何涂层类型，该申请全文以提及方式并入本 文。 在第一实施方式中，丝线键合系统包括含有Cu的键合丝线以及含有Al的键合焊盘。参 照图3,图中示出了这样的具有丝线10和焊盘12的系统的实施方式。还示出示出了牺牲阳极 14,该牺牲阳极14通过直接布置于焊盘12上而与焊盘12电耦接。但是，在不同的实施方式 中，牺牲阳极14可以不被布置为与焊盘12直接物理接触，但是可以被布置为与焊盘12电接 触，同时仍然与腐蚀反应所涉及的电解质接触。以此方式，在各种实施方式中，不止一个焊 盘可以与单个牺牲阳极电耦接。 牺牲阳极14可以在丝线键合已经形成之前或之后被布置为电接触，取决于实施方式。 牺牲阳极可以包含具有在Al的标准电极电位以下的标准电极电位的一种或多种元素。 作为非限制性实例，该一种或多种元素可以是镁(Mg)或者Mg和Al的合金。在特定的实施方 式中，该一种或多种元素可以是Be或者Be和Al的合金。在其他实施方式中，Hf、铀(U)、Be、钠 (Na)、钙(Ca)、钾⑷、锂(Li)、Mg或者它们的任意组合都能够使用。在各种实施方式中，牺牲 阳极可以包含各种材料和/或合金的组合，包括具有所期望的标准电极电位的复合物。因为 牺牲阳极具有在Al的标准电极电位以下的标准电极电位，所以Al变为相对于牺牲阳极的阴 极，这显著地减缓了丝线/焊盘界面处的腐蚀。 参照图4,图中示出了丝线键合系统16的第二实施方式。如图所示，丝线18与焊盘20耦 接，该丝线包含Cu并且该键合焊盘包含A1。还包含通过耦接于其上而与键合焊盘物理及电 连接的牺牲阳极22。在该实施方式中，牺牲阳极22在半导体管芯自身的处理期间通过沉积/ 图形化/蚀刻步骤来产生，并且被半导体管芯的钝化层24覆盖。在不同的方法实施方式中， 牺牲阳极22的材料可以经由物理气相沉积(PVD)、化学气相沉积(CVD)、有机金属化学气相 沉积(MOCVD)、电镀、无电镀以及用于将材料形成于焊盘材料之上的其他任意技术沉积于焊 盘20之上。当焊盘20被打开时，钝化层22被蚀刻掉，并且牺牲阳极材料可以作为单独的步骤 被蚀刻或者在钝化层蚀刻期间同时蚀刻。作为选择，在其他的方法实施方式中，牺牲阳极的 材料可以被图形化并被蚀刻以在钝化材料的沉积及后续蚀刻之前使焊盘20变裸露。 类似于第一系统实施方式，牺牲阳极的材料包含具有在Al的标准电极电位以下的标准 电极电位的一种或多种元素，该元素可以是前面所公开的任何元素，包括Mg、Be、Hf、U、Na、 Ca、K、Li以及它们的任意组合。在第一及第二系统实施方式中，本文在前面所公开的任何含 Cu的丝线实施方式都可以使用。
[0046]参见图2以作参照，图中能够示出第三系统实施方式的结构。在这样的实施方式 中，丝线26含有Cu，并且键合焊盘28与键合丝线耦接。焊盘28包含含有Al的材料以及具有在 Cu的标准电极电位与Al的标准电极电位之间的标准电极电位的一种或多种元素。在各种实 施方式中，该材料可以是金属合金、复合物，或者包含Al的其他材料。因为包含于键合焊盘 内的元素和/或其他材料具有在Cu和Al的标准电极电位之间的标准电极电位，所以整个键 合焊盘自身将会具有比单独的Al更高的电极电位。由于该情况，任何理论上的腐蚀反应能 够发生的速率都能够被降低，因为电位差已经被降低。降低理论的反应速率可以具有降低 在半导体封装的整个寿命期内的腐蚀可靠性风险的效果。 在各种系统实施方式中能够使用各种各样的元素和元素组合。例如，所使用的元素除 了Al之外还能够是钨(W)、锌(Zn)、铬(Cr)、Sn、硅(Si)、镉(Cd)、钼(Mo)、钴(Co)、Cu，或者这 些元素的任意组合。在各种实施方式中，同样能够使用具有在Cu和Al的标准电极电位之间 的标准电极电位的其他元素或化合物。同样，第三系统的各种实施方式可以包括含有本文 所公开的丝线合金和涂层的任何键合丝线的实施方式。在这些实施方式中，键合丝线的实 施方式的任意组合都结合本文所公开的键合焊盘材料实施方式来使用。 参照图5,图中示出了第四系统实施方式30的一种实施方式。如图所示，系统30包括丝 线32和键合焊盘34。丝线32包含Cu，而键合焊盘34包含Al，并且它们可以由本文所公开的任 何丝线或焊盘材料制成。存在耦接于键合焊盘34之上且含有包含具有在Al的标准电极电位 与Cu的标准电极电位之间的标准电极电位的一种或多种元素的材料的层(涂层)36。在各种 实施方式中，该层36可以是同质材料的单层，不管是合金还是复合物。在其他实施方式中， 它可以由被沉积的或者一个在另一个上地形成的不同材料类型的各种层形成。在某些实施 方式中，层36可以完全地延展跨越于键合焊盘34之上，但是在其他实施方式中，层36可以位 于丝线32将要与焊盘34耦接的点处。 在各种实施方式中，取决于为层36而选择的材料、它的厚度等，存在于Cu和Al之间的硬 度失配同样能够被降低，这能够降低在丝线键合期间发生焊盘破坏的可能性。同样，因为像 Zn和Cd之类的材料比Al硬，所以它们可以增加与含铝的焊盘的接触面积并降低键合的飞 溅，类似于在Au丝线键合中可见的益处。在各种实施方式中，层的厚度可以为大约30埃至大 约200埃厚。在各种实施方式中，可以使用无电镀沉积工艺（例如，锌酸盐化(zincation))， 以避免必须使用图形化和蚀刻工艺。 参照图6,图中示出了第四系统实施方式的另一种实施方式38。在该实施方式中，层44 被耦接于焊盘42之上，在丝线40与焊盘42之间。但是，在该键合工艺(及后续的使用）中，如 果材料是金属或者另一种固体混合物、溶液和/或合金，则层44的材料可以与焊盘42的材料 和/或丝线40的材料一起混合/扩散/反应，从而形成頂C层46。HC层46可以包含具有在Cu和 Al的标准电极电位之间的标准电极电位的一种或多种元素，或者在IMC层中形成的所产生 的化合物可以具有在Cu和Al之间的标准电极电位。以此方式，可以形成很可能会降低腐蚀 反应的速率的可阻止形成富含Cu的IMC化合物的势皇，或者可以形成可增强丝线40和焊盘 42之间的附着力的混合物/固溶液，从而在将要发生腐蚀时防止裂纹和空隙。 在层的实施方式36、44中，可以使用用于第三系统实施方式的键合焊盘的所公开的任 何元素及元素组合，包括(作为非限制性实例）:W、Zn、Cr、Sn、Mo、Cd、Co、Cu、Al，或者这些元 素的任意组合。在特定的实施方式中，该层可以是Zn层。同样，在各种实施方式中能够使用 具有所期望的标准电极电位值的其他材料和化合物。此外，键合焊盘34自身可以包含Al，以 及本文所公开的具有在Cu的标准电极电位与Al的标准电极电位之间的标准电极电位的该 一种或多种元素中的任一种。在各种实施方式中，这种组合还能够产生具有能够降低腐蚀 反应的速率的不同的标准电极电位的材料。 在某些系统实施方式中，焊盘可以唯一地包含Al或者包含AlSi，并且丝线可以是如本 文所公开的那些合金中的任一种之类的合金。在各种实施方式中，丝线可以包含CuNi合金。 实例1 各自包含基极焊盘和发射极焊盘的43个双极结型晶体管的集合被用作实验的用于测 量Cu丝线与焊盘材料组合的各种结合的丝线键合特性的部分。作为AlSi合金的焊盘被用作 控制件，并且下面的焊盘材料类型被使用=AlCuW合金、AlCu和AlCuSi ^lCu和AlCuSi合金使 用加州圣克拉拉的应用材料公司的以商标名ENDURA销售的物理气相沉积工具沉积。AlCuW 层利用使用AlCuW靶子的物理气相沉积工艺来沉积。所有各个部分都进行丝线键合，并在丝 线键合后进行评价。对用于包含该控制件的各种材料的全部焊盘的分析表明，所有部分均 满足在焊盘上的键合面积的百分比>75%的规格。 表1总结了焊盘金属位移-剩余量(PMDr)的结果，所有焊盘均满足在20%到80%之间的 变形的规范值。
表1 按平均来说，AlCuW具有对基极和发射极焊盘两者最佳的PMDr13AlCuSi具有比AlSi好的 PMDr，而AlCu在发射极焊盘方面优于AlCuSi。一般地，AlCuW>AlCu>AlCuSi (除基极焊盘外)> AlSi的PMDr的值逐渐升高的趋势被观察到。 这些部分的HAST测试指出，与具有AlSi焊盘的部分不同，AlCuW、AlCu和AlCuSi焊盘全 都通过了测试。 假定AlCuW合金焊盘含有具有在Cu和Al之间的有效标准电极电位的元素，则可以降低 腐蚀反应的速率。另外，相信W约束了Cu在焊盘中的偏析(segregation)，并且与可以进一步 用来防止易于被腐蚀的富含Cu的IMC化合物的形成的Al材料反应，如同'455临时申请以及 Qin等人的文章中所讨论的。 在上述描述提及丝线、焊盘和丝线键合系统的以及用于实施构件、子构件、方法和子方 法的特定实施方式的地方，应当很清楚，在不脱离本发明的精神的情况下可以进行众多修 改，并且这些实施方式、实施构件、子构件、方法和子方法可以应用于其他丝线、焊盘及丝线 键合系统。
【主权项】
1. 一种丝线键合系统，包括： 包含Cu的键合丝线； 包含A1的键合焊盘；以及 与所述键合焊盘电耦接的牺牲阳极，所述牺牲阳极包含一种或多种元素，所述一种或 多种元素具有的标准电极电位低于A1的标准电极电位。2. 根据权利要求1所述的系统，其中所述一种或多种元素是下列中的一种:Mg、Hf、Be以 及它们的任意组合。3. -种丝线键合系统，包括： 包含Cu的键合丝线； 包含A1的键合焊盘；以及 物理及电耦接于所述键合焊盘的至少一部分上的牺牲阳极，所述牺牲阳极包含一种或 多种元素，所述一种或多种元素具有的标准电极电位低于A1的标准电极电位。4. 根据权利要求3所述的系统，其中所述一种或多种元素下列中的一种:Mg、Hf、Be以及 它们的任意组合。5. -种丝线键合系统，包括： 包含Cu的键合丝线；以及 与所述键合丝线耦接的键合焊盘，所述键合焊盘包括含有A1及一种或多种元素的材 料，所述一种或多种元素具有的标准电极电位在Cu的标准电极电位与A1的标准电极电位之 间。6. 根据权利要求5所述的系统，其中所述一种或多种元素选自：W、Zn、Cr、Sn、Fe、Mo、Cd、 Co、Ni、Cu以及它们的任意组合。7. 根据权利要求5所述的系统，其中所述键合丝线包括涂层，所述涂层包含选自Au、Ag、 Pd、Ni及它们的任意组合中的金属。8. -种丝线键合系统，包括： 包含Cu的键合丝线； 与所述键合丝线耦接的键合焊盘，所述键合焊盘包含A1;以及 在所述键合丝线与所述键合焊盘之间的与所述键合焊盘耦接的层，所述层包含一种或 多种元素，所述一种或多种元素具有的标准电极电位在A1的标准电极电位与Cu的标准电极 电位之间。9. 根据权利要求8所述的系统，其中所述一种或多种元素选自：W、Zn、Cr、Sn、Mo、Cd、Co、 Ni、Fe、Cu以及它们的任意组合。
【文档编号】H01L23/488GK106057762SQ201610232777
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年4月15日 公开号201610232777.X, CN 106057762 A, CN 106057762A, CN 201610232777, CN-A-106057762, CN106057762 A, CN106057762A, CN201610232777, CN201610232777.X
【发明人】覃文涛, G·M·格里瓦纳, H·安德森, T·安德森, G·常
【申请人】半导体元件工业有限责任公司