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DE4021031A1 - Halbleiterbauelement und verfahren zu seiner herstellung - Google Patents

Halbleiterbauelement und verfahren zu seiner herstellung

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Publication number
DE4021031A1
DE4021031A1 DE4021031A DE4021031A DE4021031A1 DE 4021031 A1 DE4021031 A1 DE 4021031A1 DE 4021031 A DE4021031 A DE 4021031A DE 4021031 A DE4021031 A DE 4021031A DE 4021031 A1 DE4021031 A1 DE 4021031A1
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DE
Germany
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semiconductor chip
semiconductor
ball
metallization layer
solder
Prior art date
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Application number
DE4021031A
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English (en)
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DE4021031C2 (de
Inventor
Kiyoaki Tsumura
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Mitsubishi Electric Corp
Original Assignee
Mitsubishi Electric Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
Application filed by Mitsubishi Electric Corp filed Critical Mitsubishi Electric Corp
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Application granted granted Critical
Publication of DE4021031C2 publication Critical patent/DE4021031C2/de
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    • H01L2224/48247—Connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked the item being metallic connecting the wire to a bond pad of the item
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    • H01L2224/48463—Connecting portions the connecting portion on the bonding area of the semiconductor or solid-state body being a ball bond
    • H01L2224/48465—Connecting portions the connecting portion on the bonding area of the semiconductor or solid-state body being a ball bond the other connecting portion not on the bonding area being a wedge bond, i.e. ball-to-wedge, regular stitch
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    • H01L2224/47—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process
    • H01L2224/48—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process of an individual wire connector
    • H01L2224/485—Material
    • H01L2224/48505—Material at the bonding interface
    • H01L2224/48599—Principal constituent of the connecting portion of the wire connector being Gold (Au)
    • H01L2224/486—Principal constituent of the connecting portion of the wire connector being Gold (Au) with a principal constituent of the bonding area being a metal or a metalloid, e.g. boron (B), silicon (Si), germanium (Ge), arsenic (As), antimony (Sb), tellurium (Te) and polonium (Po), and alloys thereof
    • H01L2224/48617—Principal constituent of the connecting portion of the wire connector being Gold (Au) with a principal constituent of the bonding area being a metal or a metalloid, e.g. boron (B), silicon (Si), germanium (Ge), arsenic (As), antimony (Sb), tellurium (Te) and polonium (Po), and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than or equal to 400°C and less than 950 °C
    • H01L2224/48624—Aluminium (Al) as principal constituent
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    • H01L2224/48—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process of an individual wire connector
    • H01L2224/485—Material
    • H01L2224/48505—Material at the bonding interface
    • H01L2224/48599—Principal constituent of the connecting portion of the wire connector being Gold (Au)
    • H01L2224/486—Principal constituent of the connecting portion of the wire connector being Gold (Au) with a principal constituent of the bonding area being a metal or a metalloid, e.g. boron (B), silicon (Si), germanium (Ge), arsenic (As), antimony (Sb), tellurium (Te) and polonium (Po), and alloys thereof
    • H01L2224/48638—Principal constituent of the connecting portion of the wire connector being Gold (Au) with a principal constituent of the bonding area being a metal or a metalloid, e.g. boron (B), silicon (Si), germanium (Ge), arsenic (As), antimony (Sb), tellurium (Te) and polonium (Po), and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than or equal to 950°C and less than 1550°C
    • H01L2224/48639—Silver (Ag) as principal constituent
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    • H01L2224/485—Material
    • H01L2224/48505—Material at the bonding interface
    • H01L2224/48799—Principal constituent of the connecting portion of the wire connector being Copper (Cu)
    • H01L2224/488—Principal constituent of the connecting portion of the wire connector being Copper (Cu) with a principal constituent of the bonding area being a metal or a metalloid, e.g. boron (B), silicon (Si), germanium (Ge), arsenic (As), antimony (Sb), tellurium (Te) and polonium (Po), and alloys thereof
    • H01L2224/48817—Principal constituent of the connecting portion of the wire connector being Copper (Cu) with a principal constituent of the bonding area being a metal or a metalloid, e.g. boron (B), silicon (Si), germanium (Ge), arsenic (As), antimony (Sb), tellurium (Te) and polonium (Po), and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than or equal to 400°C and less than 950 °C
    • H01L2224/48824—Aluminium (Al) as principal constituent
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    • H01L2224/783—Means for applying energy, e.g. heating means by means of pressure
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    • H01L2224/83—Methods for connecting semiconductor or other solid state bodies using means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected using a layer connector
    • H01L2224/8338—Bonding interfaces outside the semiconductor or solid-state body
    • H01L2224/83399—Material
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    • H01L2224/83438—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than or equal to 950°C and less than 1550°C
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    • H01L2224/8518—Translational movements
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    • H01L2224/8538—Bonding interfaces outside the semiconductor or solid-state body
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    • H01L2224/92—Specific sequence of method steps
    • H01L2224/922—Connecting different surfaces of the semiconductor or solid-state body with connectors of different types
    • H01L2224/9222—Sequential connecting processes
    • H01L2224/92242—Sequential connecting processes the first connecting process involving a layer connector
    • H01L2224/92247—Sequential connecting processes the first connecting process involving a layer connector the second connecting process involving a wire connector
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    • H01L24/44—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors prior to the connecting process
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Description

Die Erfindung betrifft ein Halbleiterbauelement, bei dem ein feiner Kupferdraht (Cu-Draht) als Drahtmaterial und ein Chipbondmaterial mit einer vorgegebenen physikalischen Eigenschaft zum Bonden eines Halbleiterchips auf eine Bond­ insel verwendet wird. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements, wobei eine Kupfer- bzw. Cu-Kugel innerhalb einer vorgege­ benen Zeit in Kontakt mit einem Aluminium- bzw. Al-Elektro­ denkontaktfleck gebracht wird und die Höhe der zusammenge­ preßten Cu-Kugel vorgegeben ist.
Fig. 1 zeigt im Querschnitt eine Seitenansicht eines kon­ ventionellen Halbleiterbauelements. Dabei ist ein Halblei­ terchip 1 auf eine Bondinsel 3, die als Leiterrahmen dient, mit einem Epoxidharz 4, das als Chipbondmaterial dient, gebondet. Ein Al-Elektrodenkontaktfleck 5 ist auf der Ober­ fläche des Halbleiterchips 1 vorgesehen, und die Oberfläche des den Al-Elektrodenkontaktfleck 5 nicht aufweisenden Teils ist mit einem SiO2-Glasüberzug versehen, um eine Kor­ rosion der Al-Leiter aufgrund von Verunreinigungen im Gieß­ harz des Chips 1 zu verhindern. Der Al-Elektrodenkontakt­ fleck 5 und ein Innenanschluß 7 sind mit einem Cu-Draht 8 elektrisch miteinander verbunden. Eine Silberschicht 9 und 2 ist auf die Oberfläche des Innenanschlusses 7 abgeschie­ den, und sowohl die Bondinsel 3 als auch der Innenanschluß 7 sind unter Verwendung einer Kupferlegierung oder einer Eisen-Nickellegierung gebildet.
Fig. 2 ist ein Querschnitt durch ein anderes konventionel­ les Halbleiterbauelement, das ebenso wie in Fig. 1 aufge­ baut ist, wobei jedoch als Chipbondmaterial ein Au-Si-Lot 10 eingesetzt ist.
Bei den vorstehend beschriebenen konventionellen Halblei­ terbauelementen ist es allgemein notwendig, ein geeignetes Chipbondmaterial auszuwählen. Ein ungeeignetes Material führt zu einer Verschlechterung des Halbleiterchips durch die Erwärmungstemperatur beim Bondvorgang und durch Über­ gangsstellenfehler beim Drahtbonden. Die Einzelheiten wer­ den nachstehend erläutert.
Wenn das Chipbondmaterial das Epoxidharz 4 (Fig. 1) ist, wird das Epoxidharz 4 bei niedriger Temperatur von 150-250°C ausgehärtet, wodurch der Halbleiterchip 1 nicht verschlechtert wird. Allerdings tritt ein Problem beim Drahtbonden auf.
Die Fig. 3A und 3B sind eine Draufsicht bzw. eine Seiten­ ansicht im Querschnitt des Al-Elektrodenkontaktflecks 5 des Halbleiterchips 1, der mit dem Epoxidharz 4 auf die Chip­ bondinsel 3 gebondet ist, wenn der Al-Elektrodenkontakt­ fleck 5 mittels Salpetersäure (HNO3) ausgeätzt wird, nach­ dem eine Cu-Kugel auf den Al-Elektrodenkontaktfleck 5 ge­ bondet wurde. In diesen Zeichnungen ist zu viel Al entfernt unter Bildung eines Al-freien Teils 11, und damit wird ein SiO2-Film 13, der eine Unterschicht eines Al-Films 12 ist, freigelegt. Infolgedessen verschlechtert sich beispiels­ weise die Zuverlässigkeit einer Hochtemperatur-Lebensdauer­ prüfung, wie in der JP-OS 1-1 43 332 beschrieben ist. Wenn die zum Entfernen von Al führende Ultraschallenergie ver­ ringert wird, wird eine Cu-Al-Legierungsschicht nicht so gut ausgebildet, so daß die Zuverlässigkeit einer Hochtem­ peratur-Lebensdauerprüfung ebenfalls verschlechtert wird.
Als Grund hierfür wird die Tatsache angenommen, daß die Drahtbondtemperatur bei 250-300°C und die Glasübergangs­ temperatur Tg des Epoxidharzes bei 110-150°C liegt und die Cu-Kugel auf dem Al-Elektrodenkontaktfleck 5 durch Aufbrin­ gen der Ultraschallschwingungsenergie, die höher als im Fall einer allgemein verwendeten Au-Kugel ist, plastisch verformt wird. Ferner findet eine stärkere Kaltverfestigung der Cu-Kugel als im Fall der Au-Kugel statt.
Wenn das Chipbondmaterial das Au-Si-Lot 10 (Fig. 2) ist, ist die Bondtemperatur höher als die bei 370°C liegende Liquidustemperatur des Au-Si-Lots. Dadurch entstehen Risse im Glasüberzug 6, und der Halbleiterchip 1 wird verschlech­ tert; Einzelheiten werden nachstehend erläutert.
Fig. 4A zeigt perspektivisch den Halbleiterchip 1 und die Bondinsel 3, und Fig. 4B ist im Querschnitt eine Seitenan­ sicht entlang der Linie A-A von Fig. 4A. Fig. 5 ist eine Draufsicht auf den Halbleiterchip 1, der einer Struktur­ analyse unterzogen wurde. In der Zeichnung ist ein Al-Lei­ ter 14 vollständig mit dem Glasüberzug 6 versehen. In der Strukturanalyse nach dem Bonden von Proben findet sich ein Riß im Glasüberzug 6 des Halbleiterchips 1, der mit dem Au-Si-Lot 10 auf die Bondinsel 3 gebondet ist und für die Dauer von 20 min in eine Lösung aus Phosphorsäure (H3PO4) bei 80-90°C getaucht wurde, wobei der Al-Leiter 14 unter dem Glasüberzug 6 ausgeätzt wurde. Dann verschlechtert sich im Dampfdrucktest der harzumspritzte Chip nach Verschlech­ terung des zum Umspritzen eingesetzten Harzes. Der Grund hierfür wird darin gesehen, daß der Riß 15 durch die Kon­ zentration von Beanspruchungen in einem bestimmten Teil des Glasüberzugs 6 über dem Al-Leiter 14 entsteht, weil die Wärmeausdehnungszahlen des Glasüberzugs 6 und des Halblei­ terchips 1 verschieden sind (0,65×10-6/°C für den SiO2-Überzug und 3,5×10-6/°C für den Si-Halbleiterchip). Der Grund für die Verwendung von Au-Si-Lot 10 als Chipbond­ material ist, daß die Drahtbondtemperatur höher als die­ jenige eines Au-Drahts gemacht werden sollte, um das gegen­ seitige Diffundieren zwischen dem Cu-Draht und der Al-Elek­ trode zu unterstützen.
Bei dem oben beschriebenen Halbleiterbauelement wird bei Verwendung von Epoxidharz als Chipbondmaterial der Halblei­ terchip nicht ausreichend fest gebondet, weil die Erwär­ mungstemperatur zum Drahtbonden höher als die Glasüber­ gangstemperatur des Epoxidharzes ist. Ferner wird die Cu- Kugel auf dem Al-Elektrodenkontaktfleck durch Aufbringen der Ultraschallschwingungsenergie, die höher als im Fall einer Au-Kugel ist, plastisch verformt, weil die Kaltver­ festigungseigenschaft der Cu-Kugel größer als diejenige der Au-Kugel ist. Dies führt zu einem Ausschluß von Al im Al- Elektrodenkontaktfleck, der darunter befindliche SiO2-Film wird freigelegt, und bei der Hochtemperatur-Lebensdauer­ prüfung verschlechtert sich die Lebensdauer des Halbleiter­ bauelements.
Wenn das Au-Si-Lot eingesetzt wird, um eine höhere Erwär­ mungstemperatur zum Drahtbonden als im Fall eines Au-Drahts vorzugeben, treten Risse im Glasüberzug des Halbleiterchips bei der Erwärmungstemperatur des Chipbondvorgangs auf, und damit verschlechtert sich der harzumspritzte Chip im Dampf­ drucktest, und auch die Wirtschaftlichkeit ist nicht mehr gegeben.
Aufgabe der Erfindung ist die Beseitigung der vorgenannten Probleme durch Bereitstellung eines Halbleiterbauelements, das Cu-Leiter verwendet und dessen Chipbondmaterial den gesamten Halbleiterchip fest mit einer Bondinsel verbinden kann, wobei eine niedrigere Temperatur anwendbar ist, so daß keine Risse in einem Glasüberzug auftreten. Ferner soll durch die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung dieses Halbleiterbauelements angegeben werden, wobei an einem Ende eines Cu-Drahts die Wärmezufuhr abgebrochen wird, Wärme in einer Cu-Kugel gehalten wird, das Aufwachsen eines Oxid­ films auf der Oberfläche der Cu-Kugel verhindert und deren Härte erhöht wird und Ultraschallschwingungen beim Bonden aufgebracht werden, so daß die Cu- und die Al-Atome in wirksamer Weise in Schwingungen versetzt werden, ohne daß ein Ausschluß von Al stattfindet.
Zur Lösung der genannten Aufgabe sieht die Erfindung ein Halbleiterbauelement vor mit einer als Leiterrahmen dienen­ den Bondinsel und mit einem auf der Bondinsel vorgesehenen Halbleiterchip, der einen Aluminiumelektrodenanschlußfleck, einen Aluminiumleiter und einen Glasüberzug aufweist; dabei umfaßt das Halbleiterbauelement ein zum Bonden des Halb­ leiterchips mit der Bondinsel eingesetztes Lot, das eine Liquidustemperatur hat, bei der kein Riß infolge der unter­ schiedlichen Wärmeausdehnung zwischen dem Glasüberzug und dem Halbleiterchip (Si) auftritt, und einen feinen Kupfer­ draht, der mit dem Aluminiumelektrodenkontaktfleck durch Drahtbonden verbunden ist.
Ferner wird durch die Erfindung ein Verfahren zur Herstel­ lung eines Halbleiterbauelements angegeben, das die folgen­ den Schritte umfaßt: Bilden einer Kupferkugel durch Erwär­ mungsabriß an einem Ende eines feinen Kupferdrahts, Absen­ ken der Kupferkugel und Kontaktieren derselben mit einer Aluminiumelektrode auf einem Halbleiterchip innerhalb einer Zeitdauer von 150 ms oder weniger vom Beginn der Bildung der Kupferkugel, und Pressen der Kupferkugel an den Alu­ miniumelektrodenkontaktfleck, so daß die Höhe der Kupfer­ kugel 25 µm oder weniger beträgt.
Die Erfindung wird nachstehend auch hinsichtlich weiterer Merkmale und Vorteile anhand der Beschreibung von Ausfüh­ rungsbeispielen und unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Die Zeichnungen zeigen in
Fig. 1 und 2 seitliche Querschnittsansichten konventionel­ ler Halbleiterbauelemente;
Fig. 3A und 3B eine Draufsicht bzw. einen seitliche Quer­ schnittsansicht des Al-Elektrodenkontaktflecks eines konventionellen Halbleiterbauelements, das einer Strukturanalyse unterzogen wurde;
Fig. 4A und 4B eine Perspektivansicht bzw. eine seitliche Querschnittsansicht eines konventionellen Halbleiterbauelements nach dem Chipbonden;
Fig. 5 eine Draufsicht auf einen Halbleiterchip, bei dem ein Riß in einem Glasüberzug nach dem Chipbonden und dem Eintauchen in eine Phos­ phorsäurelösung einer Strukturanalyse unter­ zogen wurde;
Fig. 6 eine seitliche Querschnittsansicht eines Halb­ leiterbauelements gemäß einem Ausführungsbei­ spiel der Erfindung;
Fig. 7 eine schematische Darstellung der Anordnung bei einem Drahtbondschritt nach Bildung einer Cu-Kugel;
Fig. 8 und 10 jeweils seitliche Querschnittsansichten, wobei eine Cu-Kugel mit einem Al-Elektrodenkontakt­ fleck verbunden ist;
Fig. 9 ein Diagramm, das die Beziehung zwischen der Höhe einer Cu-Kugel und der Zeit zwischen der Bildung der Cu-Kugel und deren Kontakt mit einem Al-Elektrodenkontaktfleck zeigt;
Fig. 11 ein Weibull-Diagramm, das die Ergebnisse der Hochtemperatur-Lebensdauerprüfung eines Halb­ leiterbauelements nach der Erfindung und eines konventionellen Halbleiterbauelements zeigt;
Fig. 12 ein Weibull-Diagramm, das die Ergebnisse eines Dampfdrucktests eines Halbleiterbauelements nach der Erfindung und eines konventionellen Halbleiterbauelements zeigt;
Fig. 13A und 13B jeweils eine Draufsicht und eine seitliche Querschnittsansicht eines Al-Elektrodenkon­ taktflecks nach dem Ätzen einer darauf befind­ lichen Cu-Kugel mit Salpetersäure; und
Fig. 14 eine Draufsicht auf einen Halbleiterchip, an dem eine Strukturanalyse eines Risses im Glas­ überzug beim Chipbonden und Eintauchen in einer Phosphorsäurelösung durchgeführt wurde.
Die Erfindung unterscheidet sich vom Stand der Technik erstens dadurch, daß ungeachtet der Änderung eines Leiter­ materials von Au zu Cu ein zu lösendes Problem beim Stand der Technik nicht deutlich analysiert ist, und zwar war es dort nicht möglich, die Zuverlässigkeit eines Bauelements zu verbessern und die Massenfertigung zu erlauben. Im vor­ liegenden Fall dagegen wird ein lotartiges Chipbondmaterial so ausgewählt, daß Ultraschallschwingungen in wirksamer Weise auf die Cu-Kugel und den Al-Elektrodenkontaktfleck aufbringbar sind, weil die plastische Verformung der Cu- Kugel verbessert werden muß, die besser kaltverfestigbar ist als die Au-Kugel.
Zweitens ist die Liquidustemperatur des Chipbondmaterials, z. B. von Pb-5-%-Sn-Lot, das allgemein vorteilhaft ist, so gewählt, daß sie bei 370°C oder darunter liegt, da die Ausbildung von Rissen im Glasüberzug bei der Erwärmungs­ temperatur des Halbleiterchips vermieden werden soll.
Schließlich ist die Zeitdauer zwischen der Ausbildung der Cu-Kugel und deren Kontakt mit dem Al-Elektrodenkontakt­ fleck mit 150 ms oder weniger vorgegeben, denn je länger diese Zeitdauer ist, desto dicker wächst die Oxidschicht auf die Oberfläche der Cu-Kugel auf, wodurch die Kaltver­ festigungseigenschaft der Cu-Kugel verschlechtert und die Wärmeenergie in der Cu-Kugel selbst vermindert wird. Ferner ist die Höhe der flachgepreßten Cu-Kugel nach dem Preßvor­ gang möglichst klein, d. h. mit 25 µm oder weniger, vorge­ geben.
Die Erfindung wird nachstehend im einzelnen erläutert. Fig. 6 ist eine seitliche Querschnittsansicht eines Ausführungs­ beispiels, wobei die Bezugszeichen 1-3 und 5-9 denjenigen des konventionellen Halbleiterbauelements entsprechen. Beispielsweise ist eine Ti-Ni-Au-Schicht als Au-Metalli­ sierungsschicht 16 auf der Rückseite des Halbleiterchips 1 vorgesehen, und Pb-5-%-Sn-Lot befindet sich als Lot 17 zwi­ schen der Metallisierungsschicht 16 und der abgeschiedenen Silberschicht 2 auf der Bondinsel 3, so daß der Halbleiter­ chip 1 mit der Bondinsel 3 verbindbar ist.
Fig. 7 zeigt schematisch die Anordnung bei einem Drahtbond­ vorgang nach der Bildung einer Cu-Kugel. Dabei wird über dem Halbleiterchip 1 eine Thermokompressionskapillare 18 gehalten, um die Cu-Kugel 8a auf den Al-Elektrodenkontakt­ fleck 5 zu pressen, und unter der Bondinsel 3 befindet sich ein Heizblock 19 zum Erwärmen der Bondinsel 3.
Bei diesem Halbleiterbauelement wird die Cu-Kugel 8a ge­ meinsam mit der Thermokompressionskapillaren 18 nach unten auf den Al-Elektrodenkontaktfleck 5 bewegt, wie Fig. 8 zeigt, eine Kraft von ca. 150 g wird auf den Al-Elektro­ denkontaktfleck 5 aufgebracht, Ultraschallenergie wird durch die Thermokompressionskapillare 18 zugeführt, und Heizenergie (ca. 280°C) wird vom Heizblock 19 zugeführt.
Um den quantitativen Wert der plastischen Verformung der Cu-Kugel 8a zu verdeutlichen, sei gesagt, daß die Cu-Kugel 8a mit dem Al-Elektrodenkontaktfleck 5 unter Aufbringen der gleichen Ultraschallenergiemenge durch die Thermokompres­ sionskapillare 18 verbunden wurde, wobei die Höhe der Cu- Kugel 8a (flachgepreßt) gemessen wurde, während die Zeit­ dauer t zwischen der Ausbildung der Cu-Kugel 8a und deren Kontakt mit dem Al-Elektrodenkontaktfleck 5 variiert wurde.
Die Meßergebnisse sind in Fig. 9 gezeigt. Aus dem Diagramm ist ersichtlich, daß während einer Zeitdauer t von weniger als 150 ms die Höhe der Cu-Kugel 8a nahezu konstant ist, wogegen in der über 150 ms hinausgehenden Zeit die Höhe der Cu-Kugel 8a nicht konstantgehalten wird und erheblich schwankt. Daraus ergibt sich, daß die plastische Verformung der Cu-Kugel 8a mit zunehmender Zeitdauer t stabil ist und daß auch vom Gesichtspunkt der mechanischen Grenzen der verwendeten Fertigungsvorrichtung eine Zeitdauer von weni­ ger als 150 ms die beste Bedingung darstellt. Ferner ist eine Zeitdauer t von weniger als 120 ms bevorzugt, und mit einer Zeitdauer von 150-100 ms werden sehr gute Ergebnisse erzielt.
Wenn die Höhe der flachgepreßten Cu-Kugel 8a 25 µm oder weniger beträgt, kann die Cu-Al-Legierung ohne jede Beschä­ digung des Halbleiterchips 1 sicher gebildet werden, wäh­ rend bei einer Höhe von mehr als 25 µm eine solche Legie­ rung nicht in befriedigender Weise ohne Beschädigung des Halbleiterchips 1 möglich ist, so daß sich eine Verschlech­ terung der Zuverlässigkeit des Bauelements ergeben kann. Im Fall des Thermokompressions-Kapillarchips 18 von Fig. 10 ist die Höhe h der Cu-Kugel 8a (flachgepreßt) als die kür­ zeste Entfernung zwischen der Vertiefung 8b der Cu-Kugel 8a und dem Al-Elektrodenkontaktfleck 5 definiert. In Fig. 9 zeigt die Kurve A die Ergebnisse, wenn die gebildete Cu- Kugel 8a kleinen Durchmesser hat, während die Kurve B die Ergebnisse zeigt, wenn die gebildete Cu-Kugel 8a großen Durchmesser hat. Allgemein beträgt der Durchmesser des Cu- Drahts 8 ca. 25 µm, und der Durchmesser der Cu-Kugel 8a (flachgepreßt) beträgt 100 µm oder weniger.
Es wurden bei 200°C Hochtemperatur-Lebensdauertests durch­ geführt, um die Lebensdauer des Halbleiterbauelements zu ermitteln, und dabei wurde das Weibull-Diagramm nach Fig. 11 erstellt. Daraus ist ersichtlich, daß die Lebensdauer (Kurve C) des Halbleiterbauelements nach der Erfindung ge­ genüber der Lebensdauer (Kurve D) des bekannten Halbleiter­ bauelements wesentlich verbessert ist. Dampfdrucktests bei 121°C und einer relativen Feuchte von 100% wurden durch­ geführt, um die Lebensdauer des Halbleiterbauelements zu ermitteln, und dabei wurde das Weibull-Diagramm nach Fig. 12 erstellt. Daraus ist ersichtlich, daß die Lebensdauer (Kurve E) des Halbleiterbauelements nach der Erfindung ge­ genüber der Lebensdauer (Kurve F) des konventionellen Halb­ leiterbauelements wesentlich verbessert ist. Diese ausge­ zeichneten Ergebnisse werden auch durch die Strukturanalyse dieses Halbleiterchips gestützt. Die Fig. 13A und 13B sind eine Draufsicht bzw. eine seitliche Querschnittsansicht des Al-Elektrodenkontaktflecks nach dem Ausätzen der Cu-Kugel 8a mit Salpetersäure (HNO3). Al ist zwar, wie die Zeich­ nungen zeigen, geringfügig entfernt unter Bildung eines weniger Al aufweisenden Teils 11, aber die unter der Al- Schicht befindliche SiO2-Schicht 13 ist nicht freigelegt. Wenn ferner, wie Fig. 14 zeigt, der thermokompressionsge­ bondete Halbleiterchip 1 in eine Phosphorsäurelösung (H3PO4- Lösung) bei 80-90°C für die Dauer von 20 min getaucht wurde, wurde keine Korrosion der Al-Leiter und kein Riß im Glasüberzug gefunden.
Bei dem obigen Ausführungsbeispiel wird zwar als Lotmate­ rial Pb-5-%-Sn-Lot eingesetzt, aber es können in gleicher Weise andere Lote mit Liquidustemperaturen von 370°C oder weniger eingesetzt werden. Beispielsweise kann Lotmaterial aus Pb-Sn (5% oder mehr Sn), Pb-Ag, Pb-In, Sn-Ag, Pb-Ag-Sn, Pb-Ag-In und dergleichen eingesetzt werden. Fer­ ner wird zwar als Metallisierung 16 eine Ti-Ni-Au-Schicht verwendet, aber die Schichtoberfläche kann mit Au oder Ag metallisiert sein, z. B. kann als Metallisierungsschicht eine Ag-Metallisierungsschicht wie Cr-Ag oder dergleichen verwendet werden.
Die Erfindung eignet sich ferner für einen Transistorchip, der kein Planar-IC ist und weder einen Glasüberzug noch irgendeine Isolierschicht wie etwa einen SiO2-Film auf­ weist. Ein Halbleiter aus einer von Si verschiedenen Ver­ bindung wie GaAs oder dergleichen kann als Substrat einge­ setzt werden. Die Unterschicht des Al-Films des Al-Elektro­ denkontaktflecks 5 ist nicht auf einen SiO2-Film be­ schränkt, auch andere Materialien können geeignet sein.
Wie vorstehend beschrieben, kann durch die Erfindung die Ausbildung von Rissen im Glasüberzug verhindert und der gesamte Halbleiterchip fest mittels Lot auf die Bondinsel gebondet werden, das zwischen der Silberplattierung auf der Bondinsel und der auf der Rückseite des Halbleiterchips gebildeten Au-Metallisierungsschicht liegt. Durch die Er­ findung kann außerdem die Kaltverfestigungseigenschaft der Cu-Kugel vermindert und damit ein Ausschluß von Al beim Bonden der Cu-Kugel auf den Al-Elektrodenkontaktfleck ver­ hindert werden. Außerdem wird durch die plastische Verfor­ mung der Cu-Kugel eine Legierung mit dem Al-Elektrodenkon­ taktfleck hergestellt. Ferner ist es möglich, ein Entfernen von Al ungeachtet des Aufbringens von Ultraschallenergie auf die Cu-Kugel und den Al-Elektrodenkontaktfleck zu ver­ meiden. Der größte durch die Erfindung erzielbare Vorteil besteht darin, daß ohne große Änderungen das gleiche Bond­ verfahren wie bei einem Au-Leiter im Fall des Cu-Leiters angewandt werden kann, wodurch die Betriebszuverlässigkeit des Halbleiterbauelements im Gebrauch realisierbar ist.

Claims (12)

1. Halbleiterbauelement mit
einer als Leiterrahmen dienenden Bondinsel (3); und
einem auf der Bondinsel vorgesehenen Halbleiterchip (1), der einen Aluminiumelektrodenanschlußfleck (5), einen Alu­ miniumleiter (8) und einen Glasüberzug (6) aufweist;
gekennzeichnet durch
ein zum Bonden des Halbleiterchips (1) mit der Bondinsel (3) eingesetztes Lot, das eine Liquidustemperatur hat, bei der kein Riß infolge der unterschiedlichen Wärmeausdehnung zwischen dem Glasüberzug (6) und dem Halbleiterchip (Si) (1) auftritt; und
einen feinen Kupferdraht (8), der mit dem Aluminiumelek­ trodenkontaktfleck (5) durch Drahtbonden verbunden ist.
2. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Liquidistemperatur 370°C oder weniger beträgt.
3. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Lot aus Pb-5-%-Sn besteht.
4. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Lot aus der Pb-Ag, Pb-In, Sn-Ag, Pb-Ag-Sn und Pb-Ag-In umfassenden Gruppe ausgewählt ist.
5. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine zwischen dem Lot und dem Halbleiterchip gebildete Metallisierungsschicht (16).
6. Halbleiterbauelement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallisierungsschicht eine Goldmetallisierungs­ schicht ist.
7. Halbleiterbauelement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Goldmetallisierungsschicht aus Ti-Ni-Au besteht.
8. Halbleiterbauelement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallisierungsschicht eine Silbermetallisierungs­ schicht ist.
9. Halbleiterbauelement nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Silbermetallisierungsschicht aus Cr-Ag besteht.
10. Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:
Bilden einer Kupferkugel durch Flammabriß an einem Ende eines feinen Kupferdrahts;
Absenken der Kupferkugel und Kontaktieren derselben mit einer Aluminiumelektrode auf einem Halbleiterchip innerhalb einer Zeitdauer von 150 ms oder weniger vom Beginn der Bil­ dung der Kupferkugel; und
Pressen der Kupferkugel an den Aluminiumelektrodenkon­ taktfleck, so daß die Höhe der Kupferkugel 25 µm oder weniger beträgt.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß vor der Bildung der Kupferkugel der Halbleiterchip mit einer Bondinsel verbunden wird unter Einsatz eines zum Bon­ den eines Halbleiterchips an eine Bondinsel verwendbaren Lots, das eine Liquidustemperatur hat, die das Auftreten von Rissen aufgrund der unterschiedlichen Wärmedehnung zwi­ schen dem Glasüberzug des Halbleiterchips und dem Halblei­ terchip (Si) nicht zuläßt.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Liquidustemperatur bei 370°C oder niedriger liegt.
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