[发明专利]具有改良的接合和腐蚀特性的铜制接合线或超细线

说明书

技术领域

本发明涉及一种将铜制接合线或超细线接合到半导体硅芯片上的球-楔接合方法、适用于半导体电连接的铜制超细线和接合线及其制造方法以及在半导体中的应用。

背景技术

按照G.G.Harman所著的“微电子器件中的线接合”(“Wire Bondingin Microelectronics”，McGraw-Hill 1997，pp.1-10，pp.67 ff and pp.203ff)，在球-楔接合方法中，利用火焰球(又称为无空气球(Free-Air-Ball，FAB))将接合线或超细线接合到芯片上。

接合线是与诸如集成电路处理器或传感器等电子半导体元件进行连接的连接线。半导体元件具有所谓的接触垫(也可称为焊接片)。优选地，接合线在其一端具有球型加宽部，通过该加宽部将接合线或超细线压在接触垫上，并且在挤压的状态中，通常借助超声波(US)与接触垫焊接在一起。在通过超声波(US)进行压力安装之后，接合线或超细线的另一端优选地修平成楔形。由此获得的接合连接部称为针形或楔形接合部。

尽管金与铜和银相比具有较差的电气和机械特性，但是接合和超细线通常还是由金构成。其原因在于铜的锈蚀(氧化)特性使铜在短时间内丧失接合能力。为了避免锈蚀，可以在保护气体中存放铜制接合线。银与半导体工业中的很多操作过程和应用相干涉，因此避免使用银。

为了相对于金线节省成本，US2003/0113574A1描述了具有金外层的银或钯线。铜-金合金的特征在于其硬度与两种金属相比大大提高。然而，这种硬度对于接合线来说是不合适的，因为可能会在将接合线或超细线压在半导体焊接片上时损坏半导体。在将铜线压在焊接片上的过程中，铜线上的金-铜合金可能导致在硅芯片中产生裂纹。

根据本发明，已经认识到，铜制接合线的表面上仅仅几个原子厚的金层可以确保良好的抗腐蚀性，而且不会使接合线或超细线的硬度增加并因此对其与硅芯片的接合产生负面影响。

发明内容

本发明的一个目的是，进一步改善将铜制接合线或超细线接合到半导体硅芯片上的球-楔接合方法。

本发明的另一个目的是制备特别适合的接合线或超细线。

根据本发明，通过将金溶解在铜线表面中来达到上述目的。可以认为在金和铜之间发生了相互扩散。

通过在表面包含有少量金的铜制接合线或超细线来达到本发明的目的，一方面，金的含量足以使接合线或超细线在存放时稳定，另一方面，线还足够软，使得在压向焊接片时不会破坏芯片。

此外，本发明提供了一种球-楔接合方法，借助此方法可以将铜制接合线或超细线接合到半导体硅芯片上，其中，在接合线或超细线的表面中具有金。

这里，无空气球不应该太硬，以免在将无空气球(FAB)压向芯片的过程中损坏芯片。

特别地，表面富含金的铜制接合线或超细线的火焰球具有低于95的硬度(HV0.002)，优选地，低于0.85。

使硬的无空气球(FAB)的生成降至最低或抑制或阻止，以消除在压向焊接片时对芯片的破坏。如下的超细铜线适于该目的，即：在其表面中含有非常少的金，呈铜色并可利用球-楔接合方法进行接合。所述接合线可具有非常薄的金外层，但却完全能保证在超细线的表面除铜外还含有金。

与带外层的线相反，所述接合线不再存在内部相界。为了制造表面中的金浓度由内向外逐渐增加的铜线，在铜线表面涂敷金或铜-金合金的外层，并且外层溶解在铜线中。对此，合适的加工步骤是退火和拉拔，特别合适的是，两种加工步骤相互交替地执行多次。这样，使得两相的涂层系统转变为表面中具有浓度梯度的单相系统。

这些可辨认出铜颜色的超细线，特别是如下超细线：铜的色调比金的色调更强烈，或者，具有最大10nm厚的金外层，或者，在表面中包含铜-金合金，或者，其表面的金含量少于在接合线或超细线上形成小于50nm(特别地，小于20nm)层厚的金涂层时的金含量，都表现出足够小的硬度增加量，该硬度增加量是在结合线挤压向焊接片时可以承受的。

另一方面，用几乎不能感知的金量对线表面进行处理，可以使接合线或超细线具有存放稳定性。多种涂敷方法可以用于施加线表面的金涂层。