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Halbleiteranordnung
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mit einer höckerförmigen Anschlußelektrode Die Erfindung bezieht
sich auf eine Halbleiteranordnung mit metallischen Anschlußelektroden, an die metallische
Anschlußleitungen gebondet werden.
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Zur Herstellung einer elektrischen Verbindung von Anschlußleitungen
mit metallischen Anschlußelektroden an einer Halbleiteranordnung sind bereits verschiedene
neue Verfahren anstelle des herkömmlichen Drahtbondens vorgeschlagen
worden.
Eine kürzlich für die LSI-Anwendung vorgeschlagene Technik ist das sogenannte Serienbonden
(gang bonding), bei der die Anschlußleitungen als Streifen einer Metallfolie auf
einem Kunststoffband bereitgestellt werden und ihre Endabschnitte so dünn ausgebildet
sind, daß sie direkt und gleichzeitig an die metallischen Vorsprünge bsw. Iontaktfl.oko
(iiöcker)/an den Anschlußelektroden der integrierten Schaltkreise gebondet werden
können. Ein derartiges Serienbonden wird z.B. in der US-PS 3 763 404 vorgeschlagen.
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Bei der herkömmlichen Halbleitertechnologie für das Serienbonden
sind die Zwischenverbindungen und Anschlußelektroden aus Aluminium, während die
Höcker aus Gold sind.
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Die Ausbildung der Goldhöcker direkt auf den Aluminiumanschlußelektroden
hat jedoch eine schlechte Adhäsion und eine anfällige metallische Verbindung zwischen
den beiden Metallen zur Folge, die als Purpurpest (purple plague) bezeichnet wird.
Ss wird daher allgemein zwischen das Aluminium und das Gold ein feuerfestes oder
wärmebeständiges metall gelegt, um diese Probleme zu lösen. Bei dieser verbesserten
Struktur tritt jedoch immer noch ein Aufbrechen der metallischen Verbindung, die
Furpurpest auf: die dazwischenliegende feuerfeste Metallschicht bricht an einigen
Stellen aufgrund des durch das Bonden ausgeübten Druckes auf, der auf das weiche
darunterliegende Aluminium ausgeübt wird. Um diesen Nachteil zu vermeiden, wurde
bereits vorgeschlagen, die Goldhöcker
auf verlängerten Außenleitern
aus festem Metall auszubilden, anstatt auf den Aluminiumanschlußelektroden. Dabei
hat sich eine Kombination aus Ti-Pt-Au als geeignetes Metall für die verlängerten
Außenleiter erwiesen, um eine verbesserte mechanische Festigkeit und eine gute Leitfähigkeit
zu erhalten.
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Aufgrund der Goldhöckerstruktur für das Serienbonden werden bereits
in großem Umfange Anschlußleitungen hergestellt, die zinnplattiertes Kupfer verwenden.
Die Auswahl dieses Materials ist darauf zurückzuführen, daß das Gold-Zinn-Eutektikum
bei einem niedrigen Bonddruck bei einer relativ niedrigen Temperatur erhalten werden
kann. Damit kann ein ausreichendes mechanisches Bonden ohne Bruchstellen erzielt
werden, wenn die oben beschriebene Goldhöckerstruktur und die zinnplattierten Kupferleitungen
verwendet werden. Bei bestimmten Betriebsbedingungen tritt jedoch bei derartigen
Leitungen oft eine Oxydation, eine Korrosion sowie eine Haarbildung (whisker formation)
auf. Dabei stellt die Haarbildung des Zinnes, die bei einem großen elektrischen
Stromfluß und bei hohen Temperaturbedingungen induziert wird, das ernathafteate
Problem dar. Dabei können einzelne kristalline Zinnhaare getrennte leitfähige Bereiche
überbrücken, was zu einem elektrischen Kurzschluß führen kann. Es wurde bereits
horausgefunden, daß die Zugabe einer kleinen Menge Blei (Pb) zu dem Zinn und einige
andere Verfahren das Auftreten der
Haare vermindern, aber nicht
vollständig ausschließen können.
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Demnach sind zinnplattierte Kupferleitungen hinsichtlich ihrer elektrochemischen
Qualität mangelhaft und müssen durch andere stabile Naterialien ersetzt werden.
In dieser Hinsicht bieten sich vor allem goldplattierte Kupferleitungen an, da sie
keine chemische Degradation oder Haarbildung zeigen. Es wurde jedoch festgestellt,
daß die goldplattierten Kupferleitungen im Vergleich zu den zinnplattierten Kupferleitungen
einen größeren Bonddruck benötigen, um eine ausreichende mechanische Verbindung
mit den Goldhöckern herstellen zu können. Die Unterschiede beim Bonden scheinen
dadurch bedingt zu sein, daß das Bonden von Gold mit Gold auf der plastischen Verformung
des metalles basiert, während das Bonden von Zinn mit Gold auf einer eutektischen
Legierungsbildung basiert. Aufgrund des höheren Bonddruckes, der für die Gold-Gold-Verbindung
benötigt wird, z.B. etwa 1200 kg/cm2 oder mehr bei beispielsweise einer Temperatur
von 3O00C, treten im Siliciumsubstrat unterhalb der Golohöcker oft mechanische Risse
auf. Darüber hinaus kann im Falle eines Serienbondens bei einer LSI-Struktur, die
üblicherweise einige Zig Bondstellen aufweist, der Bonddruck nicht gleichmäßig auf
alle Stellen ausgeübt werden, und zwar aufgrund der unterschiedlichen Dicke der
Goldhöcker und der goldplattierten Leitungen. Folglich kann ein größerer Druck als
der Durchschnittswert auf einige Bondstellen ausgeübt werden und damit das Siliciumsubstrat
unterhalb dieser Höcker deutlich zer-
stören. Demnach besteht eine
erste Forderung für ein zuverlässiges Gold-Gold-Serienbonden in einer vollständigen
Eliminierung der Siliciumrisse.
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weiterhin ist bei dem Serienbondverfahren zusätzlich zum Bonden zwischen
den Anschlußleitungen und den Anschlußelektroden (inneres Leitungsbonden) normalerweise
ein weiteres Bonden nötig, um die Anschlußleitungen an Außenleitungen an einem äußeren
Gehäuse oder einem keramischen Substrat anzubonden (äußeres Leitungsbonden). Vor
diesem äußeren Leitungsbonden müssen die Anschlußleitungen abgeschnitten, gebogen
und mit einem Plastüberzug versehen werden. Es muß daher die Festigkeit aufgrund
des inneren Leitungsbondens groß genug sein, um den oben erwähnten mechanischen
Beanspruchungen ( 2 20 g) widerstehen zu können.
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Die dritte Forderung für ein zuverlässiges bonden ist die vollständige
Elimination der möglichen Siliciuinrisse, die bei der thermischen beanspruchung
bei einigen i3etriebsbedingungen selbst dann auftreten, wenn das innere l.eitungsbonden
die erste und zweite Forderung erfüllt. Diese Art von Rissen kann durch die absichtliche
Zerstörung der Verbindung durch eine Abreißbeanspruchung festgestellt werden. Bei
diesem einfachen Test kann die Verbindung an vier verschiedenen Stellen getrennt
werden: an der Anschlußleitung, an der Schnittstelle Leitung-Höcker, an der Schnittstelle
Höcker
Substrat und am Siliciumsubstrat. Vergleicht man diese vier
Brucharten, so zeigt die erste eine ausreichend gute Verbindung, die zweite und
dritte Art jedoch eine schlechte Verbindung des Höckers mit der Leitung bzw. eine
schlechte Adhäsion des Höckers mit dem Substrat. Die vierte Bruch-oder Schädigungsart,
d.h. das Auftreten der Siliciumrisse als Ergebnis der absichtlichen Abreißbeanspruchung
von mehr als 20 g, entspricht einem möglichen Siliciumriß oder -bruch.
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Demgegenüber erfüllt die Erfindung die oben genannten drei Forderungen
im ausreichenden Maße.
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Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Halbleiteranordnung
zu schaffen, bei der die Höckeranschlußelektroden eine für das Serienbonden erforderliche
verbesserte mechanische Festigkeit aufweisen.
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Die erfindungsgemäße Halbleiteranordnung mit einer höckerförmigen
Anschlußelektrode, die ein Halbleitersubstrat mit mindestens einem Schaltungselement
und einer Hauptfläche, einen auf der Hauptfläche ausgebildeten Isolierfilm und einen
auf dem Isolierfilm ausgebildeten Höckeranschluß aufweist, der über eine leitfähige
Schicht mit dem Schaltungselement verbunden ist, ist dadurch gekennzeichnet, daß
die Iiöckeranschlußelektrode eine erste, eine zweite und eine aus dem gleichen Material
wie die zweite bestehende dritte Metallscliicht aufweist, wobei die erste Metallschicht
auf dem
Isolierfilm ausgebildet und mit der leitfähigen Schichtelektrode
verbunden ist, die zweite Hetallschicht direkt auf der Oberfläche der ersten etallschicht
angeordnet ist, sie sich nicht über diese hinaus erstreckt und ihre Fläche kleiner
ist als die der ersten Metallschicht, und wobei die dritte Metallschicht direkt
auf der Oberfläche der zweiten Metallschicht angeordnet und ihre Fläche kleiner
ist als die der zweiten Metallschicht.
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Demzufolge sieht die Erfindung eine Anschlußelektrode für eine Halbleiteranordnung
mit einer Höckeranschlußelektrode vor, die eine erste, zweite und dritte Iwletallschicht
aufweist und dadurch ein stufenartiges Profil bildet. Die Höckeranschlußelektrode
weist für das Serienbonden eine verbesserte mechanische Festigkeit auf.
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Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der Zeichnungen näher
beschrieben. Es zeigen: Fig. 1 einen Querschnitt durch eine Halbleiteranordnung
mit einer Höckerelektrode, die mit einer Anschlußleitung verbunden ist; Fig. 2A
eine vergrößerte Draufsicht auf eine nerkömmliche Höckerstruktur;
Fig.
2D einen Querschnitt entlang der Linie B-B nach Fig. 2A; Fig. 3 ein Schaubild, in
dem die Ergebnisse eines Abreißtestes einer Leitung dargestellt sind, die an die
herkömmliche Höckerstruktur nach den Fig. 2A und 2B angebondet ist; Fig. 4A, 4B
und 4C schematische Schnittansichten von einer herkömmlichen Höckerstruktur und
zwei Höckerstrukturen, in denen die Spannung verteilt wird; Fig. 5 eine Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Höckerstruktur, wobei Fig. 5A eine Draufsicht und Fig. SB
einen Querschnitt entlang der Linie B-B nach Fig. 5A darstellen; Fig. Ü ein Schaubild,
in dem die Ergebnisse des Abreil3-testes einer Leitung dargestellt sind, die an
die in Fig. 5 dargestellte, erfindungsgemäße Höckerstruktur angebondet ist; Fig.
7A eine Draufsicht auf eine veränderte Ausführungsform einer Höckerstruktur; Fig.
7B einen Querschnitt entlang der Linie B-B nach Fig. 7A und
Fig.
8 ein Schaubild, in dem die Ergebnisse des Abreißtestes einer Leitung dargestellt
sind, die an die Höckerstruktur nach Fig. 7 angebondet ist.
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Die in Fig. 1 dargestellte integrierte Halbleiteranordnung mit einer
Höckeranschlußelektrode weist einen Hauptabschnitt einer Kupferanschlußleitung 1,
einen Oberflächenbelag 2 aus einer plattierten Goldschicht auf der Kupferanschlußleitung,
einen herkömmlichen Goldhöcker 3, Au-, Pt- und Ti-Schichten 4, 5 und 6 für die verlängerten
Außenleiter, eine SiO2-Schicht 7 zur Isolation der verschiedenen Metallschichten,
Aluminiumzwischenschichten 9, eine SiO2-Schicht 10 zur Oberflächenpassivierung,
ein Störstellen-Diffusionsgebiet 11 sowie ein Si-Substrat 12 auf, das wiederum Schaltungselemente,
wie etwa einen Transistor oder Widerstand aufweist. Ein die Iöckeranschlußelektrode
der Anordnung nach Fig. 1 einschließender Teil 20 ist in den Fig. 2A und 2B dargestellt.
Dabei ist eine Hauptfläche des Substrates 12 mit der Siü2-Schicht 10 bedeckt, die
vorzugsweise durch ein therneisches Aufwachsverfahren, gefolgt von einem chemischen
Daiiipfablagerungsverfahren, gebildet wird. Bei der höckerbildung werden zuerst
eine Ti-Schicht 6 und eine Ut-Schicht 5 aufgesprüht und in die Form der verlängerten
Außenleiter gebracht. Dann wird eine dünnere Goldschicht 4 (etwa 2 µ) aufgebracht,
um die elektrische Leitfähigkeit der verlängerten Außenleiter zu erhöhen. Schließlich
wird ein Goldhöcker 3 durch Aufbringen
einer dicken Goldschicht
(etwa 15 ) gebildet. Damit erhält man die in Fig. 2 dargestellte Goldhöckerelektrode,
wobei die Ti-Schicht 6, die Pt-Schicht 5 und die Goldschicht 4 mehrschichtig übereinander
angeordnet sind und ihre Umfangsränder miteinander fluchten.
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Im nächsten Verfahrensschritt wird eine goldplattierte Kupferleitung
1 an dem Goldhöcker 3 angebracht und dann eine Thermokompression (1200 kg/cm2 bei
3000C) über die Anschlußleitung 1 auf den Höcker 3 ausgeübt.
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Die Festigkeit der Verbindung wird durch einen Spannungsmesser gemessen,
indem die Leitung 1 so lange nach oben gezogen wird, bis die Verbindung getrennt
wird. Das Testergebnis ist in Fig. 3 dargestellt, wobei auf der x-Achse die Zugfestigkeit,
bei der die Trennung auftritt, und auf der y-Achse die Zahl der Trennungen aufgetragen
ist. Dabei sind mit 36 die Zahl der Trennungen aufgrund von Siliciumrissen und mit
37 die Zahl der anderen Trennungsarten bezeichnet.
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Daraus ist ersichtlich, daß die meisten Verbindungen durch Siliciumrisse
getrennt werden. Aus dem Schaubild ist auch ein weiterer Nachteil ersichtlich, nämlich
daß viele Verbindungen eine geringere Festigkeit als 20 g aufweisen.
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Daraus muß geschlossen werden, daß der herkömmliche Goldhöcker nur
sehr mangelhaft an die goldplattierte Leitung angebondet werden kann und daß eine
derartige Höckeran-
schlußelektrode nicht für das Serienbonden
verwendet werden kann.
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Zum besseren Verständnis dieses Bruchverhaltens wird nun das Bonden
und die Spannungskonzentration näher betrachtet.
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Es ist offensichtlich, daß ein beim Bonden auf die Oberfläche der
goldplattierten Leitung ausgeübter Durchschnittsdruck (üblicherweise 1200 kg/cm2
bei einer Temperatur von 3000C) nicht die Druckfestigkeit des Siliciums (ungefähr
3500 kg/cm2) übersteigt. Es scheint jedoch, daß die am Höckerrand auf das Siliciumsubstrat
ausgeübte konzentrierte Spannung in einigen Fällen die Druckfestigkeit des Siliciums
überschreitet, was auf die Verformung der Höckerstruktur beim Bonden zurückzuführen
ist. Unter diesen Umständen kann das Siliciumkristall eine Zerstörung (Risse) erfahren.
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Eine der einfachsten methoden zur Reduzierung der oben beschriebenen
konzentrierten Spannung besteht darin, die Höckeroberfläche größer als die Bondfläche
mit der Anschlußleitung zu gestalten. Dies bedeutet eine Verminderung der Leitungsbreite
relativ zur Höckergröße. Eine maximale Höcker größe wird normalerweise von den wirtschaftlichen
Gesichtspunkten bei der LSI-Herstellung bestimmt. Gegenwärtig liegt die maximale
Höckergröße üblicherweise bei 100 P x 100 und der zukünftige Trend bewegt sich in
Richtung auf eine Reduktion dieser maximalen Höckergröße. Die Anmelderin hat
mit
einer Goldhöckergröße von 100 P x 100 P Versuche durchgeführt und dabei festgestellt,
daß die Breite der Anschlußleitung bis auf unter 40 P vermindert werden muß, um
vollständig die Siliciumrisse zu eliminieren. Um beim Bonden ein mögliches Fehlausrichten
einer Anschlußleitung bezüglich der Höckeroberfläche in Rechnung zu stellen, sollte
dieser Wert für eine geeignete maximale Leitungsbreite noch weiter vermindert werden.
Eine Anschlußleitung mit einer derart geringen Breite wird jedoch mechanisch gesehen
sehr schwach.
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Daraus kann geschlossen werden, daß dieses Verfahren ungeeignet ist.
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Lin weiterer Versuch zur Spannungsverteilung kann darin bestehen,
daß die herkömmliche Höckerstruktur so verändert wird, daß die konzentrierte Spannung
minimisiert wird. Dies wird durch die erfindungsgemäße Höckerstruktur erreicht.
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enn ein Höcker mit einer flachen Oberfläche aul einer flachen ebene
gebildet wird und er einem gleichmäßigen Druck über die gesamte Oberfläche ausgesetzt
wird, so wird im allgemeinen die sich ergebende Spannungskonzentration unter dem
Höckerrand bestimmt durch die Gestalt und das Material des Höckers. Bezüglich der
Spannungskonzentration kann hier gesagt werden, daß bei fester Oberfläche, Bodenschnittstelle
und Höckerhöhe die maximale Spannung yrnax die auf die darunterliegende ebene einwirkt,
mit Zunahme des Krümmungs-
radius der Seitenfläche g abnimmt. So
ergibt sich für die in den Fig. 4A, 4B und 4C dargestellten Höcker, nämlich den
herkömmlichen Höcker 41 und die verbesserten Höcker 42 und 43 bei einer jeweiligen
Krümmung der Seitenfläche « b bzw.
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wobei γb < γc', auf den entsprechenden Substraten 44,
45 und 46 die folgende Beziehung: a max > #bmax > #cmax wobei a max' # b max
und #c max die maximale Spannung kennzeichnen, die jeweils auf das Substrat 44,
45 bzw. 46 einwirkt.
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Mit einer Reihe von Höckern 41, 42 und 43 wurden auf einem gleichen
Siliciumsubstrat 44, 45 und 446 auf der basis des oben erwähnten Prinzips Versuche
gemacht, ura eine spannungsverminderte Struktur herauszufinden, die mit der herkömralichen
Technologie kompatibel ist.
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Eine bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Höckerelektrodenanordnung
ist in den Fig. 5A und 5B dargestellt, wobei die Zusammensetzung des metallischen
materials die gleiche ist wie in Fig. 2. Die geometrische Struktur der Höckerelektrodenanordnung
ist in vertikaler Richtung jedoch
dadurch gekennzeichnet, daß sie
zwei Stufen aufweist, die eine Annäherung an die in der Fig. 4 dargestellte Kurvenform
darstellt.
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Anhand der Fig. 5 wird nun ein bevorzugtes Herstellungsverfahren
einer erfindungsgemäßen Höckerstruktur beschrieben.
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Auf die auf dem Siliciumsubstrat 51 ausgebildete Si3N4-Schicht 52
wird zuerst eine 1000 i dicke Titaniumschicht 53 und danach eine 1500 i dicke Platinschicht
54 aufgesprüht.
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Diese auf dem Elektrodenbereich aufgebrachte doppelte Metallschicht
wird dann in eine 100 P x 100 p Quadratform gebracht.
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Danach wird eine dünne Goldschicht 55 mit einer Dicke von 2 bis 3
p örtlich elektroplattiert, um einen verlängerten Außenleiteranschluß in der Form
eines Quadrates von 80 P x 80 P zu bilden. Schließlich wird die 10 bis 15 P dicke
Goldschicht örtlich aufgebracht und bildet den Goldhöcker 56 in der Form eines quadrates
von 60 P x 60 Nach der Herstellung dieser doppelten Stufenstruktur wurde der bereits
oben beschriebene Abreißtest bei einer goldplattierten Kupferleitung durchgeführt,
die an den Höcker 55 angebondet wurde. Das Ergebnis dieser Versuche ist in Schaubild
6 dargestellt. Daraus ist ersichtlich, daß bei keinem der getesteten Höcker ein
Siliciumriß auftrat. Fast alle Trennungen traten aufgrund eines Leitungsbruches
auf und die Zugfestigkeit betrug jeweils mehr als 30 g. Dieses
Ergebnis
zeigt deutlich eine wesentliche Verbesserung der Festigkeit und Zuverlässigkeit
der Verbindung im Vergleich zu der in den Fig. 2A und 213 dargestellten herkömmlichen
Struktur.
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Als eine weitere Annäherung an die in den Fig. 4 dargestellte Kurvenform
mit gekrümmter Seitenfläche wurde eine in Fig. 7 dargestellte Höckerstruktur mit
einer einzelnen Stufe hergestellt. In diesem Beispiel wurden die unteren Schichten,
nämlich die Ti-Schicht 73, die Pt-Schicht 74 und die Au-Schicht 75 in die Form eines
Quadrates von 150 x x 150 und die darüberliegende Höckerstruktur 76 in die dorlaa
eines Quadrates von 80 P x 80 P gebracht. Das ergebnis des Abreif3-testes einer
Leitung, die an die in Fig. 7 dargestellte Höckerstruktur angebondet wurde, ist
in Fig. J dargestellt.
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Daraus ist ersichtlich, daß die einstufige Struktur wohl die Zuverlässigkeit
des Gold-Gold-bondens verbessert, sie aber nicht die Si-Kisse eliminieren kann,
selbst wenn der Stufen rand größer als 35 P auf jeder Seite gewählt wird. Daraus
kann geschlossen werden, daß eine stufenartige Höckerstruktur mit nicht weniger
als zwei Stufen ausreichend ist.
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Hinsichtlich der Höckerstruktur mit zwei Stufen wurde herausgefunden,
daß ein minimaler Stufenrand von 5 P bei jeder Stufe erforderlich ist, um eine günstige
wirkung der Abstufung sicherzustellen. Bin maximaler Stufenrand von etwa
25
P ist günstig sowohl im Hinblick auf eine bei einer LI-Struktur erträgliche Höckerniaxinialgröße
als auch auf eine benötigte minimale Höckergröße für eine ausreichende mechanische
Festigkeit. Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung beträgt die Dicke
der Titanschicht 53 500 bis 1500 i, die der Flatinschicht 54 1000 bis 3000 i, die
der Goldschicht 55 1 bis 3 µ und die des Goldhöckers 56 5 bis 30 Wie oben beschrieben
wurde, ist die erfindungsgemäße Höckerstruktur in der Lage einer hohen Spannung
zu widerstehen. Damit wurde das Bonden einer Goldleitung an einen Goldhöcker realisiert,
ohne daß die Halbleiteranordnung verschlechtert wurde. Durch das Austauschen der
früher verwendeten zinnplattierten Anschlußleitung durch die goldplattierte Leitung
wurde eine Verbesserung der Zuverlässigkeit erreicht, die auf die Elimination der
Haarbildung und der Korrosion zurückgeführt wird. Damit ermöglicht die erfindungsgemäße
Höckerstruktur ein zuverlässiges Bonden der LSI-Anschlußelektroden an die Anschlußleitungen.
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Änderungen und Ausgestaltungen der beschriebenen Ausführungsformen
sind für den Fachmann ohne weiteres möglich und fallen in den Rahmen der Erfindung.
So kann das Prinzip des doppelstufigen Höckers auch auf andere Metalle wie etwa
einen Kupferhöcker angewendet werden, ebenso wie auf andere
Halbleiteranordnungen,
wie etwa einen einzelnen Transistor, eine einzelne Diode und eine integrierte Halbleiteranordnung.