Aluminium-Scandium as bondpad chipmetallisation for copper wire bonding
Coating and Surface Technology
Mechanical Properties of Metallic Materials and their Microstructural Origins
Metallurgical, Thermal and Thermomechanical Treatment of Materials
Final Report Abstract
Im Verlauf des Projektes konnten AlSc-Schichten als Chipmetallisierungen abgeschieden und mit 25 µm Cu-Draht im Ball/Wedge-Verfahren gebondet werden. Es wurde ein Target bestehend aus einer AlSc0,3 Legierung hergestellt. Die Schichtabscheidung metallisch glänzender Oberflächen erfordert einen Startdruck von 3*10^-7 mbar, und einen Prozessdruck von 5*10^-3 mbar. Die Dicke der abgeschiedenen AlSc-Schichten verhält sich entsprechend dem für Al bekannten Verlauf (für die Leybold-Anlage). Alle hergestellten Schichten (500 nm bis 3000 nm) sind charakterisiert durch feinkristalline, kolumnar gewachsene Kristallite mit Korngrößen << 1 µm und eine charakteristische Oberflächentopografie. Im Initialzustand der abgeschiedenen Schichten können an den Korngrenzen AlSc- Teilchen mit Ausdehnungen von ca. 50 nm nachgewiesen werden. Im Korninneren der säulenförmigen Kristalle gelang es kohärente AlSc-Teilchen mit Ausdehnungen von ca. 10 nm durch HRTEM sichtbar zu machen. Durch Bondparameteroptimierung an Schichten ohne Auslagerung konnte das Splashing, das aus der Entfestigung der Schicht unter Ultraschalleinwirkung beim Bonden resultiert auf Werte < 3 µm reduziert werden. Dem Gegenüber stehen Splashing- Werte von 7-12 µm von Cu-Ballbonds auf konventionellen AlSiCu-Legierungen. Durch thermische Auslagerung zur Ausscheidungshärtung der AlSc-Schichten und anschließendes Drahtbonden kann das Splashing optimierter Bonds sogar auf Werte < 2 µm reduziert werden. Die plastische Deformation der Schicht, die für die Ultraschalldeformation im Bondprozess erforderlich ist, wird durch die Ausscheidungshärtung jedoch in der Weise beeinträchtigt, das Risse unterhalb des Bondkontaktes in der Schicht auftreten, so dass derartig ausgelagerte Schichten hinsichtlich Ihrer Zuverlässigkeit ungeeignet erscheinen. Die Restschichtdicke unter dem Cu-Ball optimierter Bonds liegt über 80%. Das bestätigt ebenfalls, dass die AlSc-Schichten beim Cu-Ball/Wedge-Bonden weniger entfestigen als bisher verwendete Al-Schichten (ohne Over Pad Metallisierungen). Dies resultiert aus AlSc-Teilchen, bereits nach dem Sputterprozess in den Schichten nachweisbar waren. Bei einer Verwendung von AlSc als Chipmetallisierung im Cu-Ball/Wedge-Prozess würden zusätzliche OVP-Metallisierungen, z. B. aus Ni/Pd/Au (über Al), nicht mehr erforderlich sein. Aluminium-Dickdrahtbondkontakte im Wedge/Wedge-Verfahren, wie sie in der Leistungselektronik üblich sind, konnten auch auf den 3 µm AlSc-Schichten gebondet werden. Die Bondkontakte zeigten im Schertest Durchscherungen bzw. Schersockelflächen > 50%.
Publications
- Aluminium-Scandium: A material for semiconductor packaging. Journal of Electronic Materials, TMS, 2016
Ute Geissler, Sven Thomas, Martin Schneider-Ramelow, Biswajit Mukopadhi and Klaus-Dieter Lang
(See online at https://doi.org/10.1007/s11664-016-4756-2)
