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KR20160134879A - 워터폴 와이어 본딩 - Google Patents

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KR20160134879A
KR20160134879A KR1020167032045A KR20167032045A KR20160134879A KR 20160134879 A KR20160134879 A KR 20160134879A KR 1020167032045 A KR1020167032045 A KR 1020167032045A KR 20167032045 A KR20167032045 A KR 20167032045A KR 20160134879 A KR20160134879 A KR 20160134879A
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KR
South Korea
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wire
bonding
bonding pad
die
contact
Prior art date
Application number
KR1020167032045A
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English (en)
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종 루
펜 유
친 티엔 치우
치맨 유
푸치앙 시아오
Original Assignee
샌디스크 세미컨덕터 (상하이) 컴퍼니, 리미티드
샌디스크 인포메이션 테크놀로지 (상하이) 컴퍼니, 리미티드
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Publication date
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    • H01L2224/48245—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
    • 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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    • H01L2224/48—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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    • H01L2224/486—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
    • H01L2224/48644—Gold (Au) as principal constituent
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    • H01L2224/48699—Principal constituent of the connecting portion of the wire connector being Aluminium (Al)
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Abstract

반도체 디바이스를 위한 와이어 본딩된 구조체가 개시되었다. 와이어 본딩된 구조체는 본딩 패드, 및 본딩 패드와 상호 확산되는 연속된 길이의 와이어를 포함하며, 와이어는 본딩 패드를 제1 전기 컨택 및 제1 전기 컨택과 상이한 제2 전기 컨택과 전기 결합한다.

Description

워터폴 와이어 본딩{WATERFALL WIRE BONDING}
본 기술은 반도체 디바이스의 제조에 관한 것이다.
와이어 본딩은 반도체 디바이스 제조 동안 반도체 다이 또는 기판과 같은 개별 전자 컴포넌트 두 개를 전기 결합하는 기본 방법이다.
와이어 본딩 프로세스 동안, 한 가닥의 와이어(일반적으로 금 또는 구리)가 캐필러리라고 불리는 침상형 일회용 도구의 중앙 캐비티를 관통한다. 와이어는 캐필러리 팁을 통해서 돌출하며, 거기에서 캐필러리 팁과 관련된 변환기로부터 고전압 전하가 와이어에 가해진다. 전하는 팁에서 와이어를 용융시키고 와이어는 용융된 금속의 표면장력 때문에 볼의 형태를 이룬다. 볼이 응고되면서, 캐필러리는 본딩 표면으로 내려지고 변환기에 의해 초음파 에너지가 가해진다. 본딩 표면은 본딩을 촉진시키기 위해서 가열도 될 수 있다. 열, 압력, 및 초음파 에너지의 결합은 구리볼 또는 금볼과 본딩 표면 사이에 용접을 생성한다. 그러면 캐필러리는 본딩 표면으로부터 뽑혀서 떨어져 나가고, 와이어가 캐필러리를 통과하여 나온다. 그 결과로 생성된 본드는 볼 본드로 칭한다. 본딩 표면은 반도체 다이의 다이 본딩 패드, 기판의 컨택 패드, 또는 심지어 이전에 형성된 다른 볼 본드 구조체일 수 있다.
그 후 와이어를 지닌 캐필러리는, 인접한 반도체 다이의 다음 다이 본딩 패드 또는 기판의 컨택 패드와 같은 다른 본딩 표면 위로 이동하고, 하강하여 본딩 표면에 접촉함으로써 와이어를 압착시켜, 열, 압력 및 초음파 에너지를 이용하여 와이어 본드를 다시 만든다. 그러면 캐필러리는 짧은 길이의 와이어를 배출하고 본딩 표면으로부터 와이어를 벗긴다. 그 결과로 생성된 본드는 흔히 웨지 본드, 또는 스티치 본드로 칭한다.
도 1a, 도 1b 및 도 1c는 각각 본 기술의 일 실시예에 따른 와이어 본딩된 구조체의 개략적인 측면도, 개략적인 평면도, 및 개략적인 사시도이다.
도 2a는 본 기술의 일 실시예에 따른 워터폴 와이어 본딩 프로세스에서 이용되는 와이어 본딩 디바이스의 개략적인 측면도이다.
도 2b-2e는 본 기술의 일 실시예에 따라 본딩 패드 상에 본딩된 연속된 길이의 와이어를 도시한 측면도이다.
도 3은 본 기술의 일 실시예에 따른 워터폴 와이어 본딩으로 전기 결합된 두 개의 반도체 다이와 기판을 포함하는 반도체 디바이스를 도시한 사시도이다.
도 4a-4e는 본 기술의 일 실시예에 따른 도 3에 도시된 반도체 디바이스를 전기 결합하기 위한 워터폴 와이어 본딩 프로세스를 도시한 측면도이다.
도 5는 본 기술의 다른 실시예에 따른 워터폴 와이어 본드로 전기 결합된 두 개의 반도체 다이와 기판을 포함하는 반도체 디바이스를 도시한 사시도이다.
도 6은 본 기술의 다른 실시예에 따른 워터폴 와이어 본드로 전기 결합된 세 개의 반도체 다이와 기판을 포함하는 반도체 디바이스를 도시한 사시도이다.
지금부터 실시예들이 도 1 내지 도 6을 참조하여 설명될 것이며, 이 실시예들은 워터폴 와이어 본딩된 구조체, 및 워터폴 와이어 본딩된 구조체를 갖는 반도체 디바이스, 및 워터폴 와이어 본딩된 구조체를 갖는 반도체 디바이스를 제조하는 방법에 관한 것이다. 본 기술은 많은 다른 형태들로 구현될 수 있으며 본 명세서에 명시된 실시예들로 한정되는 것으로 해석되어서는 안될 것으로 생각된다. 오히려 본 개시를 철저하고 완벽하게 하고 본 개시가 본 기술을 당 업계의 통상의 지식을 가진 자들에게 완전하게 전달하기 위해서 이 실시예들이 제공된다. 실제로 본 기술은, 첨부된 청구 범위에 의해서 정의된 발명의 범위 및 개념 내에 포함된 이러한 실시예들의 대안, 수정 및 등가물들을 포함하고자 한 것이다. 또한, 이하의 본 기술의 상세한 설명에서, 본 기술에 대한 철저한 이해를 제공하기 위해 많은 특정 상세들이 제시되었다. 그러나, 이러한 특정 상세들 없이 본 기술이 실현될 수 있음은 당 업계의 통상의 지식을 가진 자들에게 명백할 것이다.
본 명세서에서 이용될 수 있는 용어 "상부", "하부", "위쪽", "아래쪽", "수직" 및/또는 "수평"은 오직 편의와 설명의 목적을 위한 것이며, 참조된 항목이 위치가 교체될 수 있으므로, 본 기술의 설명을 제한하는 것을 의미하지 않는다.
도 1a, 도 1b 및 도 1c는 각각 본 기술의 일 실시예에 따른 와이어 본딩된 구조체(100)의 개략적인 측면도, 개략적인 평면도, 및 개략적인 사시도이다. 와이어 본딩된 구조체(100)는, 그 위에 형성되는 본딩 패드(104) 및 본딩 패드(104)의 상부에 본딩된 연속된 길이의 와이어(110)를 포함하는 컴포넌트(102)를 포함한다.
컴포넌트(102)는 반도체 다이 또는 기판일 수 있다. 따라서, 본딩 패드(104)는 반도체 다이 상의 반도체 다이 본딩 패드 또는 기판 상의 컨택 패드일 수 있다. 본딩 패드(104)의 표면은 도 1a에 도시된 바와 같이 컴포넌트(102) 내로 리세스(recessed)될 수 있다. 또는, 본딩 패드(104)의 표면은 컴포넌트(102)의 표면과 실질적으로 동일 평면 상에 있을 수 있다. 기판은 인쇄 회로 기판(PCB), 리드프레임 및 TAB(Tape Automated Bonding) 테이프를 포함할 수 있다. 본딩 패드(104)는 금 또는 알루미늄 또는 금도금 알루미늄을 포함한다.
연속된 길이의 와이어(110)는 도 1a에 도시된 바와 같이 제1 부분(112), 제2 부분(114) 및 컨택 부분(116)으로 나눌 수 있다. 제1 부분(112)은 본딩 패드(104)를 제1 전기 컨택(도시되지 않음)에 연결하기 위해서 이용되고, 제2 부분(114)은 본딩 패드(104)를 제2 전기 컨택(도시되지 않음)에 연결하기 위해서 이용된다. 제1 전기 컨택 및 제2 전기 컨택은, 인접한 반도체 다이의 다이 본딩 패드, 기판의 컨택 패드, 또는 이전에 형성된 본드 구조체일 수 있다. 도 1a에 도시된 바와 같이, 와이어(110)의 제1 부분(112) 및 제2 부분(114)은 균일한 직경을 갖는 실질적인 원형 단면을 가질 수 있으며, 직경은 약 12.7㎛ 내지 약 38.1㎛ 범위 내일 수 있다. 예를 들면, 와이어(110)의 제1 부분(112) 및 제2 부분(114)의 직경은 약 12.7㎛, 약 15.2㎛, 약 17.8㎛, 약 20.3㎛, 약 22.9㎛, 약 25.4㎛, 약 27.9㎛, 약 30.5㎛, 약 33.0㎛, 약 35.6㎛, 또는 약 38.1㎛일 수 있다. 제1 부분(112)과 제2 부분(114) 사이의 와이어(110)의 컨택 부분(116)은 본딩 패드(104)와 상호 확산되어, 본딩 패드(104)의 상단에 본딩된다. 컨택 부분(116)은 제1 부분(112) 및 제2 부분(114)의 직경보다 작은 실질적으로 균일한 두께를 갖는 평면형이다. 그러나, 와이어(110)와 본딩 패드(104) 간의 본딩 강도를 향상시키기 위해서, 그리고 컨택 부분(116)과 제1 부분(112) 및 제2 부분(114) 간의 스트레스 집중에 의해서 발생되는 크래킹과 같은 결함의 리스크를 감소시키기 위해서, 와이어(110)의 컨택 부분(116)의 두께를 충분히 크게 유지시키는 것이 필요하다. 예를 들면, 와이어(110)의 컨택 부분(116)의 두께는 5 마이크론 이상이다. 컨택 부분(116)은, 본딩 패드(104)의 표면과 평행한 도 1a에 도시된 수평면인 기준면 A 상에서 실질적으로 원형일 수 있다. 기준면 A 상의 컨택 부분(116)의 직경은 본딩 패드(104)의 본딩 패드 개구부(bonding pad opening; BPO) 크기 및 컨택 부분(116)을 형성하기 위한 프로세스 파라미터를 따른다. 이 경우, 컨택 부분(116)의 직경은 제1 부분(112) 및 제2 부분(114)의 직경의 약 1.2-2배 범위 내이다. 또는, 컨택 부분(116)은 기준면 A 상에서 타원형과 같은 다른 형상일 수도 있다.
와이어(110)의 제1 부분(112)은 본딩 패드(104)에 평행한 기준면 A에 대해서 30° 내지 70°의 경사각 θ를 갖는다. 제2 부분(114)은 기준면 A에 대해서 45° 내지 90°의 경사각 φ를 갖는다. 이 경우, 와이어(110)는 도 1b에 도시된 바와 같이, 컨택 부분(116)과 제2 부분(114) 사이 뿐만 아니라 제1 부분(112)과 컨택 부분(116) 사이에서 각각 구부러진다. 와이어(110)의 제1 부분(112) 및 와이어(110)의 제2 부분(114)이 동일 방향으로 정렬되는 것으로도 볼 수 있는데, 즉, 기준면 A 상의 와이어(110)의 제1 부분(112)의 프로젝션 및 기준면 A 상의 와이어(110)의 제2 부분(114)의 프로젝션은 직선을 따른다. 또는, 와이어(110)의 제1 부분(112)과 와이어(110)의 제2 부분(114)은 다른 방향으로 정렬될 수 있다. 예를 들면, 기준면 A 상의 와이어(110)의 제2 부분(114)의 프로젝션은 기준면 A 상의 와이어(110)의 제1 부분(112)의 프로젝션에 대해서 45°이하의 경사각 α를 가질 수 있다.
와이어(110)는 금 와이어, 구리 와이어, 팔라듐 와이어, 팔라듐 도금된 구리 와이어 또는 은 기반 합금 와이어일 수 있다. 와이어(110)와 본딩 패드(104) 간의 본드 강도가 증가될 수 있도록, 와이어(110)는 바람직하게는 본딩 패드의 본딩 표면에 대한 재료와 동일한 재료를 포함한다. 예를 들면, 와이어(110)가 금 와이어인 경우, 본딩 패드(104)는 바람직하게는 금 또는 금 도금된 알루미늄이다. 와이어 본딩된 구조체(100)에 대한 추가 사항들이 이하 설명된 워터폴 와이어 본딩 프로세스를 참조하여 논의될 것이다.
도 2a-2e는 본 기술의 일 실시예에 따라 도 1a에 도시된 와이어 본딩된 구조체(100)를 형성하기 위한 워터폴 와이어 본딩 프로세스를 도시한 개략적인 측면도이다. 도 2a는 워터폴 와이어 본딩 프로세스에서 이용되는 캐필러리(120)로 알려진 와이어 본딩 디바이스를 도시하고 있다. 캐필러리(120)는 침상형이며 예를 들면 원형 단면 형상인 프로파일드 니들 헤드(122), 및 연속된 길이의 와이어(110)를 공급하기 위한 중앙 캐비티(124)를 포함한다. 연속된 길이의 와이어(110)는 워터폴 와이어 본딩 프로세스 동안 캐필러리(120)를 관통한다. 캐필러리(120)는 전류와 초음파 에너지를 가하기 위해서 변환기(도시되지 않음)도 포함할 수 있다.
도 2b에 도시된 바와 같이, 본딩 패드(104)는 컴포넌트(102) 상에 배치된다. 이는 다음과 같이 수행될 수 있다. 컴포넌트(102)의 표면은 본딩 패드(104)의 위치를 정의하는 리세스를 형성하기 위해서 마스킹되고 에칭된다. 그러면 금 또는 알루미늄과 같은 전도성 재료가 코팅 프로세스에 의해 리세스 내에 퇴적되어, 컴포넌트(102)의 표면보다 낮거나 컴포넌트(102)의 표면과 실질적으로 동일 면인 상단 면을 갖는 본딩 패드(104)를 형성한다.
다음으로, 도 2c에 도시된 바와 같이, 연속된 길이의 와이어(110)를 지닌 캐필러리(120)는, 와이어가 본딩 패드 상에 배치된 전기 범프 상에 본딩되는 와이어 본딩 프로세스에 비해서 기준면 A에 대해 비교적 큰 각도로 본딩 패드(104)의 표면에 접근한다. 따라서, 캐필러리(120)에 의해서 변형되지 않는 이전의 제1 전기 컨택(도시되지 않음)에 연결되는 와이어(110)의 제1 부분(112)은, 본딩 패드(104)에 평행한 기준면 A에 대해 비교적 큰 각도 θ를 갖는다. 본딩 패드(104)의 표면이 컴포넌트(102)의 표면보다 낮은 경우, 이러한 큰 접근 각은 본딩 패드(104)를 형성하기 위한 리세스의 위쪽 코너에서 와이어(110)와 컴포넌트(102) 간의 접촉을 방지할 수 있다. 본딩 패드(104)에 대한 제1 부분(112)의 각도 θ는 바람직하게는 약 30° 내지 70°이다.
도 2d에 도시된 바와 같이, 그 후 캐필러리(120)는 더욱 낮아지고, 높은 온도에서 힘과 초음파 에너지를 가함으로써 프로파일드 니들 헤드(122)로 와이어(110)를 본딩 패드(104)의 상단면으로 누른다.
와이어 본딩 프로세스의 온도는 바람직하게는 약 140℃-175℃의 범위 내이고, 더욱 바람직하게는 약 160℃이다. 이러한 낮은 프로세싱 온도 때문에, 모두 1000℃가 넘는 용융점을 갖는 금 와이어, 구리 와이어, 팔라듐 와이어, 팔라듐 도금된 구리 와이어 또는 은 기반 합금과 같은 와이어(110)는 워터폴 와이어 본딩 프로세스 동안 용융되지 않는다. 오히려 힘, 열 및 초음파 에너지의 조합이 와이어(110)를 변형시키며, 이 조합은 와이어(110)의 컨택 부분(116)과 본딩 패드(104)의 표면에서의 재료들의 상호 확산에 의해 전기 및 물리 본드를 형성한다. 따라서, 컨택 부분(116)은, 와이어(110)의 제1 부분(112) 및 제2 부분(114)의 직경보다 작은 본딩 패드(104)에 수직인 실질적으로 균일한 두께를 갖는다.
본딩 패드(104)에 대한 와이어(110)의 비교적 큰 접근 각 때문에, 캐필러리(120)의 프로파일드 니들 헤드(122)에 의해서 가해지는 힘은 본딩 패드(104)에 수직한 방향의 기본 분력(primary component)을 갖는다. 이 경우, 본딩을 촉진시키기 위한 유효력이 증가될 수 있으며, 따라서 워터폴 와이어 본딩 프로세스에 대하여 더 작은 전체 힘이 이용될 수 있으며, 이는 결과적으로 본딩 패드(104)에의 잠재적인 손상을 방지할 수 있고, 본딩 패드(104) 위에 작용하는 과도한 힘에 의해서 발생되는 본딩 패드(104) 상의 크레이터링 또는 크래킹과 같은 결함의 리스크를 감소시킬 수 있다. 위의 문제는 워터폴 본딩 프로세스 동안 본딩 패드(104) 상에 배치되는 도전성 범프 없이 와이어(110)가 본딩 패드(104) 상에 직접 본딩되기 때문에 다른 점에서도 중요할 수 있다. 힘은 바람직하게는 약 15-35 그램힘(gram-force)의 범위 내이며, 더욱 바람직하게는 약 20 그램힘이다. 비교해 보면, 기존의 본딩 프로세스 동안 가해지는 힘은 40 그램힘을 초과할 수 있다. 또한, 큰 접근각 때문에, 캐필러리(120)의 니들 헤드(122)의 단면 형상에 대응하는 기준면 A 상에서 실질적으로 원형인 컨택 부분(116)이 생성될 수 있으며, 캐필러리(120)에 의해서 기인되는 스트레스가 본딩 패드(104)의 본딩 표면 전역에 더욱 균일하게 분배될 수 있다. 기준면 A 상의 컨택 부분(116)의 직경은 본딩 패드(104)의 본딩 패드 개구부(bonding pad opening; BPO) 크기 및 컨택 부분(116)을 형성하기 위한 힘, 초음파 에너지 등과 같은 프로세스 파라미터를 따른다. 이 경우, 컨택 부분(116)의 직경은 와이어(110)의 직경의 약 1.2-2배 범위 내이다.
또한, 스티치 본드 프로세스와 달리, 캐필러리(120)의 니들 헤드(122)는 본딩 패드(104)의 표면에 접촉되지 않는다. 따라서, 와이어(110)는 전체 워터폴 와이어 본딩 프로세스에서 연속성을 유지하며, 즉, 와이어(110)는 본딩 프로세스 동안 캐필러리(120)에 의해 가해지는 힘에 의해서 파손되거나 완전히 절단되지 않고 연속된 형태를 유지한다.
캐필러리(120)의 변환기(도시되지 않음)에 의해서 가해지는 초음파 에너지는 바람직하게는 60-100mW의 범위 내, 더욱 바람직하게는 약 80mW이다. 초음파 에너지는 와이어(110)와 본딩 패드(104) 내의 재료들의 이동성을 향상시키기 위해서 가해지며, 그에 의해 워터폴 와이어 본딩 프로세스에서 작은 본딩력과 도전성 범프의 부재에도 안정적인 본딩 강도가 달성될 수 있다.
워터폴 본딩 프로세스 동안, 캐필러리(120)는 기존의 볼 본딩 또는 스티치 본딩 프로세스에 비해서 약간 느리게 이동하는 것으로 생각된다. 예를 들면, 캐필러리(120)는 기존의 볼 본딩 또는 스티치 본딩 프로세스에서 이용되는 속도에 대해 0.8 내지 1의 속도로 이동할 수 있다. 와이어 본딩 프로세스의 처리량과 안정성의 균형을 맞추기 위해 각각의 와이어 본딩된 구조체(100)를 형성하기 위해서, 본딩 프로세스는 약 80-200밀리세컨드, 바람직하게는 약 100밀리세컨드가 소요될 수 있다.
도 2e에 도시된 바와 같이, 와이어 본딩된 구조체(100)가 형성된 후에, 캐필러리(120)는 본딩 패드(104)의 표면으로부터 비교적 큰 각도로 멀리 이동하여, 위에서 설명한 바와 같이 본딩 패드(104)를 위해서 와이어(110)가 컴포넌트(102) 내의 리세스의 코너와 접촉하는 것을 다시 방지한다. 이 경우, 역시 캐필러리에 의해서 변형되지 않는, 제2 전기 컨택(도시되지 않음)과 연결되는 와이어(110)의 제2 부분(114)은, 본딩 패드(104)와 평행한 기준면 A에 대해 바람직하게는 약 45°-90°의 각도 φ를 갖는다.
위에 설명한 바와 같은 본 기술에 따른 와이어 본딩된 구조체 및 워터폴 와이어 본딩 프로세스는 반도체 디바이스 내의 상이한 컴포넌트들을 전기 결합하기 위해 다양한 반도체 디바이스에 적용될 수 있다. 이는 이하 예시들로 더 설명될 것이다.
도 3은 본 기술에 따른 워터폴 와이어 본딩 프로세스로 전기 결합된 두 개의 반도체 다이 및 기판을 포함하는 반도체 디바이스(200)를 도시한 사시도이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 반도체 디바이스(200)는 제1 반도체 다이(210) 및 제2 반도체 다이(220) 및 기판(230)을 포함한다. 제1 반도체 다이(210)는 복수의 제1 다이 본딩 패드(214)를 포함하고, 제2 반도체 다이(220)는 복수의 제2 다이 본딩 패드(224)를 포함하고, 기판(230)은 복수의 컨택 패드(234)를 포함한다. 제1 반도체 다이(210), 제2 반도체 다이(220) 및 기판(230)은, 제1 반도체 다이(210)의 제1 다이 본딩 패드(214), 제2 반도체 다이(220)의 제2 다이 본딩 패드(224) 및 기판(230)의 컨택 패드(234)가 노출되도록 오프셋 구성으로 순차적으로 적층된다. 제2 반도체 다이(220)는 본 기술에 따른 워터폴 와이어 본딩 프로세스에 의해서 제1 반도체 다이(210)와 기판(230)에 전기 결합된다. 도 1a 내지 도 1c에 도시된 와이어 본딩된 구조체는 각각의 제2 다이 본딩 패드(224) 상에 형성되어, 연속된 길이의 와이어(240)는 마치 폭포처럼 제1 반도체 다이(210)로부터 아래로 떨어질 수 있고, 본딩 패드(224)와 상호 확산되어 대응하는 제1 다이 본딩 패드(214), 제2 다이 본딩 패드(224) 및 컨택 패드(234)를 연결한다. 따라서, 본딩 프로세스는 "워터폴 와이어 본딩"으로 명명된다. 도 3에 도시된 것보다 더 많은 본딩 패드(214, 224), 컨택 패드(234) 및 본드 와이어(240)들이 있을 수 있는 것으로 생각된다.
반도체 디바이스(200)에 대한 추가 사항들이 도 4a-4e에 도시된 반도체 디바이스(200)를 전기 결합하기 위한 워터폴 와이어 본딩 프로세스를 참조하여 논의될 것이다.
우선, 금 와이어, 구리 와이어, 팔라듐 와이어, 팔라듐 도금된 구리 와이어 또는 은 기반 합금 와이어와 같은 본딩 와이어의 재료로 만들어진 볼이, 도 4a에 도시된 바와 같이, 와이어 본딩 장치의 기준 위치에 배치된 캐필러리(120) 팁에서 형성된다.
다음에, 도 4b에 도시된 바와 같이, 캐필러리(120)는 제1 반도체 다이(210)의 제1 다이 본딩 패드(214) 위로 이동하여 볼 본드를 수행한다. 특히, 캐필러리(120)가 하강하여 볼을 제1 다이 본딩 패드(214)로 누르는 한편, 캐필러리(120)의 변환기에 의해서 초음파 에너지가 가해진다. 제1 다이 본딩 패드(214)도 본딩을 촉진시키기 위해서 가열된다. 열, 압력, 및 초음파 에너지 결합은 볼과 제1 다이 본딩 패드(214)를 본딩한다. 그러면 캐필러리(120)는 제1 다이 본딩 패드(214)로부터 뽑혀서 떨어져 나가고, 와이어(240)가 캐필러리(120)를 통과하여 나온다.
도 4c에 도시된 바와 같이, 캐필러리(120)는 제2 다이 본딩 패드(224) 위로 이동하고 앞에서 설명한 워터폴 와이어 본딩 프로세스를 수행한다. 워터폴 와이어 본딩 프로세스의 큰 접근각 때문에, 와이어(240)의 루프 높이 H, 즉, 본딩 패드(224)와 구부러진 와이어(240)의 가장 높은 지점과의 수직 거리는, 1-6 마이크론인 반도체 다이의 두께를 고려하면, 75 마이크론 이상이다. 와이어(240)가 다이(210)에 접촉하는 리스크를 감소시키기 위해서, 구부러진 와이어(240)는 적어도, 반도체 다이(210)로부터 와이어(240)의 직경보다 큰 간격을 갖는 것이 필요하다.
다음으로, 도 4d에 도시된 바와 같이, 캐필러리(120)는 계속하여 와이어(240)를 배출하고 기판의(230)의 컨택 패드(234) 위로 이동한다. 그 다음에, 캐필러리(120)는 도 4e에 도시된 바와 같은 스티치 본드의 방법으로, 와이어(240)를 컨택 패드(234) 상에 직접 본딩한다.
위에서 설명한 워터폴 와이어 본딩에 의해서 다이 본딩 패드와 컨택 패드가 연속적으로 전기 결합된 후에, 캐필러리(120)는, 상부 반도체 다이(210)로부터 기판(230)까지 아래로 떨어지는 것과 동일한 방법으로, 인접 행에서의 다이 본딩 패드와 컨택 패드에 대한 워터폴 본딩을 수행할 수 있다. 전술한 워터폴 와이어 본딩 프로세스는, 도 3의 사시도에 도시된 바와 같은 반도체 디바이스(200) 내의 기판(230)의 컨택 패드 및 반도체 다이(210, 220)의 다이 본딩 패드들 전부에 대하여 반복될 수 있다.
또는, 캐필러리(120)는 하부 기판(230)으로부터 상부 반도체 다이(210)까지 반대 방향으로 인접 행에서의 다이 본딩 패드와 컨택 패드에 대한 워터폴 본딩을 수행할 수 있다. 또한, 본 기술에 따른 워터폴 와이어 본딩 프로세스는, 모든 컨택 패드 및 다이 본딩 패드들에 대하여 아래의 기판으로부터 위쪽의 반도체 다이까지 순차적으로 와이어 본드를 형성하기 위해서 반대로도 적용될 수 있을 것으로 생각된다. 반도체 다이들의 본딩 패드들의 인접한 행들의 본딩 시퀀스는 특정 구성에 따라서도 조정될 수 있다. 연속적으로 다이 본딩 패드와 컨택 패드를 전기 결합하는 동안, 와이어(240)가 본딩 시퀀스 내에서 기판 상의 컨택 패드 또는 상부 반도체 다이 상의 다이 본딩 패드와 같은 최종 컴포넌트를 본딩할 때까지 와이어(240)는 절단되지 않는 것으로 보여진다.
도 3에 도시된 반도체 디바이스(200) 내의 와이어(240)가 전술한 워터폴 와이어 본딩 프로세스 동안 직선을 따르지만, 와이어는 워터폴 와이어 본딩 동안 하나의 본딩 구조체로부터 다른 본딩 구조체로 방향을 변경할 수도 있다. 도 5는 본 기술에 따른 워터폴 와이어 본딩 프로세스로 전기 결합된 두 개의 반도체 다이(310, 320) 및 기판(330)을 포함하는 반도체 디바이스(300)를 도시한 사시도이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 연속된 길이의 와이어(340)는 제1 반도체 다이(310)의 왼쪽에서 첫번째 본딩 패드(314)를 제2 반도체 다이(320)의 왼쪽에서 첫번째 본딩 패드(324)에 연결하고, 그 다음에 상기 제2 반도체 다이(320)의 왼쪽에서 첫번째 본딩 패드(324)를 기판(330)의 왼쪽에서 두번째 접촉 패드(334)에 연결하여 방향을 변경한다. 워터폴 본딩 프로세스 동안의 방향 변경 기능은 와이어 레이아웃 디자인에 있어서의 유연성을 제공할 수 있다.
전술한 워터폴 와이어 본딩 프로세스는 세 개 이상의 반도체 다이를 포함하는 반도체 디바이스에도 적용될 수 있다. 예를 들면, 도 6은 본 기술에 따른 워터폴 와이어 본딩 프로세스로 전기 결합된 세 개의 반도체 다이(410, 420, 430) 및 기판(440)을 갖는 반도체 디바이스(400)를 도시한 사시도이다. 도 6에 도시된 바와 같이, 연속된 와이어(450)들은 제2 반도체 다이(420)의 제2 다이 본딩 패드(424) 및 제3 반도체 다이(430)의 제3 본딩 패드(434)에 각각 본딩된다. 반도체 디바이스는 다른 수의 반도체 다이를 포함할 수 있을 것으로 생각된다.
본 기술에 따른 워터폴 와이어 본드를 이용하여 반도체 디바이스와 복수의 반도체 다이를 전기 결합하는 것은 기존의 볼 본드 및 스티치 본드를 이용하는 와이어 본딩 프로세스에 비해서 적은 단계와 적은 제조 시간을 필요로 한다. 예를 들면, 볼 본드 또는 스티치 본드를 이용하는 기존의 와이어 본딩 프로세스에서는, 와이어 본딩을 수행한 후마다 캐필러리가 와이어를 절단하고 기준점으로 되돌아간다. 대조적으로, 워터폴 와이어 본드에서는, 와이어를 절단하지 않고, 또한 캐필러리를 와이어 본딩 장치의 기준 위치에서 왔다갔다 이동시키지 않고, 캐필러리가 연속된 길이의 와이어를 이용하여 계속해서 연속 와이어 본드를 만든다. 따라서, 캐필러리 이동을 줄임으로써 제조 시간을 절약한다. 또한, 워터폴 와이어 본딩 동안, 본딩 패드 상에 배치되는 도전성 범프가 없으므로, 비용과 제조 시간이 절약된다. 예를 들면, 2-다이 스택, 4-다이 스택, 8-다이 스택, 및 16-다이 스택을 갖는 반도체 디바이스에 대해서 UPH(시간당 유닛)가 각각 22%-40%, 40%-55%, 52%-61%, 및 59%-64% 향상될 수 있다.
위에서 설명한 실시예들에서, 와이어 본드는 각각의 반도체 다이들 상의 대응하는 다이 본딩 패드들 사이에서 만들어진다. 본 명세서에서 이용되는 바와 같이, 상이한 반도체 다이들 상의 "대응하는" 다이 본딩 패드들은, 다이 본딩 패드들을 포함하는 다이들의 에지를 따라 서로에 대해 정렬된 상이한 반도체 다이들 상의 다이 본딩 패드들을 칭한다. 따라서, 도 6의 사시도로부터, 각각의 다이들(410, 420, 430) 상의 첫번째(가장 왼쪽) 다이 패드는 서로 대응하고 함께 와이어 본딩되어 있으며, 각각의 반도체 다이들(410, 420, 430) 상의 왼쪽에서 두번째 다이 패드 등은 서로 대응하고 함께 와이어 본딩되어 있는 등이다. 그러나, 추가 실시예들에서, 상술한 워터폴 와이어 본드 단계는 각각의 다이 상의 대각선 방향 다이 본딩 패드들 사이에서 수행될 수 있다. 예를 들면, 도 6에서, 다이(410)의 가장 왼쪽 다이 본딩 패드는 위의 단계를 따라 다이(420) 상의 왼쪽에서 두번째 다이 패드에 와이어 본딩될 수 있다. 또한, 본딩 와이어는 워터폴 와이어 본딩 프로세스 동안 반드시 동일한 방향을 따라야 하는 것이 아니라, 지그재그 코스를 따르는 것과 같이 방향을 변경할 수 있다.
또한, 위에서 설명한 실시예들이 인접한 다이들 간의 와이어 본딩을 나타내고 있지만, 서로 인접하지 않은 다이 상의 다이 본딩 패드들 사이에서 와이어 본드를 형성하기 위해 본 기술이 이용될 수 있는 것으로 생각된다. 이러한 와이어 본드들은 비인접 다이들 상의 대응하는 다이 본딩 패드들 사이, 또는 비인접 다이들 상의 대각선 다이 본딩 패드들 사이에서 형성될 수 있다.
일 양태에서, 본 기술은 반도체 디바이스에 대한 와이어 본딩된 구조체에 관한 것이다. 와이어 본딩된 구조체는 본딩 패드, 및 본딩 패드와 상호 확산된 연속된 길이의 와이어를 포함하며, 와이어는 제1 전기 컨택 및 제1 전기 컨택과 상이한 제2 전기 컨택과 본딩 패드를 전기 결합한다.
실시예들에서, 연속된 길이의 와이어는 본딩 패드와 제1 전기 컨택을 전기 결합하기 위한 제1 부분, 본딩 패드와 접촉하고 본딩 패드와 상호 확산된 컨택 부분, 및 본딩 패드와 제2 전기 컨택을 전기 결합하기 위한 제2 부분을 갖는다. 와이어의 컨택 부분은 실질적으로 균일한 두께를 갖는 평면형이며, 와이어의 제1 부분 및 제2 부분은 컨택 부분의 두께보다 큰 직경을 갖는 선형이다.
실시예들에서, 와이어의 제1 부분 및 제2 부분의 직경은 약 12.7㎛ 내지 약 38.1㎛의 범위 내이다. 와이어의 컨택 부분의 두께는 5 마이크론 이상이다. 와이어의 제1 부분은 본딩 패드에 평행한 기준면에 대해서 약 30° 내지 70°의 각도를 가지며, 와이어의 제2 부분은 기준면에 대해서 약 45° 내지 90°의 각도를 갖는다. 기준면 상의 와이어의 제1 부분의 프로젝션 및 기준면 상의 와이어의 제2 부분의 프로젝션은 직선을 따르지 않는다. 와이어의 컨택 부분은 기준면에서 실질적으로 원형인 단면 형상을 갖는다.
실시예들에서, 본딩 패드는 금 또는 알루미늄을 포함한다. 와이어는 금 와이어, 구리 와이어, 팔라듐 와이어, 팔라듐 도금된 구리 와이어 또는 은 기반 합금 와이어를 포함한다. 제1 전기 컨택 및 제2 전기 컨택은 다이 본딩 패드, 컨택 패드, 도전성 범프 또는 본딩 와이어를 포함한다.
다른 양태에서, 본 기술은 반도체 디바이스에 관한 것이다. 디바이스는 제1 다이 본딩 패드를 포함하는 제1 반도체 다이; 제2 다이 본딩 패드를 포함하는 제2 반도체 다이 - 제2 반도체 다이는 제1 반도체 다이에 부착됨 -; 전기 컨택을 포함하는 컴포넌트 - 제2 반도체 다이는 컴포넌트에 부착됨 -; 및 제2 다이 본딩 패드와 상호 확산되는 연속된 길이의 와이어를 포함하며, 와이어는 제1 반도체 다이의 제1 다이 본딩 패드 및 컴포넌트의 전기 컨택과 제2 반도체 다이의 제2 다이 본딩 패드를 전기 결합한다.
실시예들에서, 컴포넌트는 기판일 수 있으며 전기 컨택은 컨택 패드이다. 기판은 인쇄 회로 기판(PCB), 리드프레임 및 TAB(Tape Automated Bonding) 테이프를 포함한다. 또는, 컴포넌트는 제3 반도체 다이일 수 있으며 전기 컨택은 제3 다이 본딩 패드이다. 연속된 길이의 와이어는 제3 다이 본딩 패드와 상호 확산된다. 연속된 길이의 와이어는 제2 본딩 패드와 제1 본딩 패드를 전기 결합하기 위한 제1 부분, 제2 다이 본딩 패드와 접촉하고 제2 다이 본딩 패드와 상호 확산되는 컨택 부분, 및 제2 다이 본딩 패드와 전기 컨택을 전기 결합하기 위한 제2 부분을 갖는다. 와이어의 컨택 부분은 실질적으로 균일한 두께를 갖는 평면형이며, 와이어의 제1 부분 및 제2 부분은 컨택 부분의 두께보다 큰 직경을 갖는 선형이다.
실시예들에서, 와이어의 제1 부분 및 제2 부분의 직경은 약 12.7㎛ 내지 약 38.1㎛의 범위 내이다. 와이어의 컨택 부분의 두께는 5 마이크론 이상이다. 와이어의 제1 부분은 제2 본딩 패드에 평행한 기준면에 대해서 약 30° 내지 70°의 각도를 가지며, 와이어의 제2 부분은 기준면에 대해서 약 45° 내지 90°의 각도를 갖는다. 기준면 상의 와이어의 제1 부분의 프로젝션 및 기준면 상의 와이어의 제2 부분의 프로젝션은 직선을 따르지 않는다. 와이어의 컨택 부분은 기준면에서 실질적으로 원형인 단면 형상을 갖는다.
또 다른 양태에서, 본 기술은 반도체 디바이스의 본딩 패드 상의 와이어 본딩된 구조체를 형성하는 방법에 관한 것이다. 방법은, 와이어를 공급하는 중앙 캐비티를 포함하는 와이어 본딩 디바이스에 의해서 가해지는 힘으로 연속된 길이의 와이어를 본딩 패드의 상단면으로 누르는 단계; 및 연속된 길이의 와이어와 본딩 패드의 상단면을 높은 온도에서 상호 확산시키고 이에 의해서 제1 전기 컨택 및 제1 전기 컨택과 상이한 제2 전기 컨택과 본딩 패드를 전기 결합하는 단계를 포함한다.
실시예들에서, 힘은 약 15-35 그램힘이다. 온도는 약 140-175℃이다. 상기 연속된 길이의 와이어와 본딩 패드의 상단면을 상호 확산시키는 단계 동안, 약 60-100mW의 파워(power)를 갖는 초음파 에너지가 가해진다. 상기 연속된 길이의 와이어와 본딩 패드의 상단면을 상호 확산시키는 단계는 약 80-200밀리세컨드가 소요된다. 상기 연속된 길이의 와이어를 본딩 패드의 상단면으로 누르는 단계 동안, 와이어 본딩 디바이스는 본딩 패드의 상단면에 접촉되지 않는다.
또 다른 양태에서, 본 기술은 반도체 디바이스를 제조하는 방법에 관한 것이다. 방법은, 반도체 다이 그룹을 기판에 부착시키는 단계 - 반도체 다이 그룹은 상부 반도체 다이, 및 상부 반도체 다이와 기판 사이의 하나 이상의 중간 반도체 다이를 포함하고, 반도체 다이 그룹의 각각의 반도체 다이는 다이 본딩 패드를 포함하고, 기판은 컨택 패드를 포함함 -; 및 연속된 길이의 와이어를, 와이어를 공급하는 중앙 캐비티를 포함하는 와이어 본딩 디바이스에 의해서 가해지는 힘으로 하나 이상의 중간 반도체 다이의 본딩 패드들의 상단면으로 누름으로써, 상부 반도체 다이의 다이 본딩 패드를 하나 이상의 중간 반도체 다이의 다이 본딩 패드들의 상단면 및 기판의 컨택 패드와 전기 결합하고, 높은 온도에서 순차적으로 다이 본딩 패드의 상단면 상의 연속된 길이의 와이어를 상호 확산시키는 단계를 포함한다.
앞서 말한 본 발명의 상세한 설명은 예시와 설명의 목적으로 제시되었다. 본 발명을 철저하게 하거나 정확하게 개시된 형태로 제한하고자 하는 것이 아니다. 위의 가르침에 비추어 많은 수정 및 변형이 가능하다. 설명한 실시예들은 본 발명의 원리 및 그것의 실제 응용을 가장 잘 설명하도록 선택되었으며, 이에 의해 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자들은, 본 발명을 다양한 실시예들로 그리고 예상되는 특정 용법에 적합한 다양한 변형예들로 가장 잘 활용할 수 있을 것이다. 본 발명의 범위는 여기에 첨부된 청구범위에 의해서 정의되는 것으로 의도되었다.

Claims (10)

  1. 와이어 본딩된 구조체로서,
    와이어를 공급하는 중앙 캐비티를 포함하는 와이어 본딩 디바이스에 의해서 가해지는 힘으로 연속된 길이의 상기 와이어를 본딩 패드의 상단면으로 누르는 단계; 및
    상기 연속된 길이의 와이어와 상기 본딩 패드의 상단면을 높은 온도에서 상호 확산시키고 이에 의해서 상기 본딩 패드를 제1 전기 컨택 및 상기 제1 전기 컨택과 상이한 제2 전기 컨택과 전기 결합하는 단계
    를 포함하는 공정에 의해 형성되고,
    상기 연속된 길이의 와이어와 상기 본딩 패드의 상단면을 상호 확산시키는 단계 동안, 60-100mW의 파워(power)를 갖는 초음파 에너지가 가해지며, 상기 연속된 길이의 와이어와 상기 본딩 패드의 상단면을 상호 확산시키는 단계는 80-200 밀리세컨드가 소요되고, 상기 높은 온도는 140-175℃인, 와이어 본딩된 구조체.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 연속된 길이의 와이어는, 상기 본딩 패드와 상기 제1 전기 컨택을 전기 결합하기 위한 제1 부분, 상기 본딩 패드에 접촉하고 상기 본딩 패드와 상호 확산되는 컨택 부분, 및 상기 본딩 패드와 상기 제2 전기 컨택을 전기 결합하기 위한 제2 부분을 갖고,
    상기 와이어의 컨택 부분은 균일한 두께를 갖는 평면형이며, 상기 와이어의 제1 부분 및 제2 부분은 상기 컨택 부분의 두께보다 큰 직경을 갖는 선형인, 와이어 본딩된 구조체.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 와이어의 제1 부분 및 제2 부분의 직경은 12.7㎛ 내지 38.1㎛의 범위 내인, 와이어 본딩된 구조체.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 와이어의 컨택 부분의 두께는 5 마이크론 이상인, 와이어 본딩된 구조체.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 와이어의 제1 부분은 상기 본딩 패드에 평행한 기준면에 대해서 30° 내지 70°의 각도를 가지며, 상기 와이어의 제2 부분은 상기 기준면에 대해서 45° 내지 90°의 각도를 갖는, 와이어 본딩된 구조체.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 기준면 상에 상기 와이어의 제1 부분의 프로젝션(projection) 및 상기 기준면 상에 상기 와이어의 제2 부분의 프로젝션은 직선을 따르지 않고 다른 방향으로 정렬되는, 와이어 본딩된 구조체.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 와이어의 컨택 부분은 상기 기준면에서 원형인, 와이어 본딩된 구조체.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 본딩 패드는 금 또는 알루미늄을 포함하는, 와이어 본딩된 구조체.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 와이어는 금 와이어, 구리 와이어, 팔라듐 와이어, 팔라듐 도금된 구리 와이어, 또는 은 기반 합금 와이어를 포함하는, 와이어 본딩된 구조체.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전기 컨택 및 상기 제2 전기 컨택은 다이 본딩 패드, 컨택 패드, 도전성 범프 또는 본딩 와이어를 포함하는, 와이어 본딩된 구조체.
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