JP2017139333A - 半導体装置及び半導体装置の製造方法 - Google Patents

半導体装置及び半導体装置の製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】信頼性を向上させること。【解決手段】第1ピラー22を備える半導体素子20と、第1ピラー22に第2ピラー32が接合されて、半導体素子20にフリップチップ実装された半導体素子30と、第1ピラー22及び第2ピラー32の少なくとも一方に設けられたバリア層44と、第1ピラー22と第2ピラー32とを接合する接合部材46と、を備え、接合部材46は、第1ピラー22及び第2ピラー32の少なくとも一方とバリア層44とに接していて第1ピラー22及び第2ピラー32のうちの接合部材46が接するピラーを構成する金属元素と半田を構成する金属元素との金属間化合物からなる、半導体装置。【選択図】図2

Description

本発明は、半導体装置及び半導体装置の製造方法に関する。
半導体素子と基板や他の半導体素子などの実装部とをフリップチップ接続した半導体装置が知られている。このような半導体装置において、半導体素子と実装部との接合の信頼性を向上させる方法が提案されている。例えば、電極本体上に電極本体よりも小さいバリア層を設けることで、接合の信頼性を向上させることが知られている(例えば、特許文献1)。柱状部上に柱状部の端から端に渡って延在する突部を設けた電極構成とすることで、接合の信頼性を向上させることが知られている(例えば、特許文献2)。
特開2010−56191号公報 特開2014−17454号公報
しかしながら、従来の方法では、半導体素子と実装部との接合の信頼性の点で改善の余地が残されていた。本半導体装置及び本半導体装置の製造方法は、信頼性を向上させることを目的とする。
本半導体装置は、第1ピラーを備える実装部と、前記第1ピラーに第2ピラーが接合されて、前記実装部にフリップチップ実装された半導体素子と、前記第1ピラー及び前記第2ピラーの少なくとも一方に設けられたバリア層と、前記第1ピラーと前記第2ピラーとを接合する接合部材と、を備え、前記接合部材は、前記第1ピラー及び前記第2ピラーの少なくとも一方と前記バリア層とに接していて、前記第1ピラー及び前記第2ピラーのうちの前記接合部材が接するピラーを構成する金属元素と半田を構成する金属元素との金属間化合物からなる。
本半導体装置の製造方法は、第1ピラーを備える実装部を準備する工程と、第2ピラーを備える半導体素子を準備する工程と、前記第1ピラー及び前記第2ピラーの少なくとも一方にバリア層を形成する工程と、前記バリア層上に半田を形成する工程と、前記実装部と前記半導体素子を対向させ、前記第1ピラーと前記第2ピラーとを前記半田で接合する工程と、前記接合する工程の後、前記第1ピラー及び前記第2ピラーのうちの前記半田が接するピラーを構成する金属元素と前記半田を構成する金属元素とを合金化させて、前記半田の全てを金属間化合物にする工程と、を備える。
本明細書に記載の半導体装置及び半導体装置の製造方法によれば、信頼性を向上させることができる。
図1は、実施例1に係る半導体装置の断面図である。 図2は、実施例1に係る半導体装置におけるマイクロバンプ近傍を示す断面図である。 図3(a)から図3(d)は、実施例1に係る半導体装置の第1の製造方法を示す断面図である。 図4(a)から図4(d)は、実施例1に係る半導体装置の第2の製造方法を示す断面図である。 図5(a)から図5(c)は、比較例1に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。 図6(a)から図6(c)は、比較例2に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。 図7は、実施例2に係る半導体装置におけるマイクロバンプ近傍を示す断面図である。 図8(a)から図8(d)は、実施例2に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。 図9は、実施例2の変形例1に係る半導体装置におけるマイクロバンプ近傍を示す断面図である。 図10は、実施例3に係る半導体装置におけるマイクロバンプ近傍を示す断面図である。 図11(a)から図11(d)は、実施例3に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。 図12(a)から図12(d)は、シミュレーション結果を示す断面図である。 図13は、実施例3の変形例1に係る半導体装置におけるマイクロバンプ近傍を示す断面図である。 図14は、実施例3の変形例2に係る半導体装置におけるマイクロバンプ近傍を示す断面図である。
以下、図面を参照して、本発明の実施例について説明する。
図1は、実施例1に係る半導体装置の断面図である。図1のように、実施例1の半導体装置100は、配線が形成されたパッケージ基板10と、シリコン貫通電極(TSV:Through-Silicon Via)が形成された中間の半導体素子20と、上側の半導体素子30と、を備える。半導体素子20は、バンプ40によって、パッケージ基板10に実装されている。半導体素子30は、マイクロバンプ42によって、半導体素子20にフリップチップ実装されている。半導体素子30は、半導体素子20を介して、パッケージ基板10に電気的に接続されている。バンプ40のピッチは、例えば180μm程度であり、マイクロバンプ42のピッチは、例えば45μm程度である。半導体素子20と半導体素子30とが積層されることで、高集積化が可能となる。また、半導体素子20によって、マイクロバンプ42からなる高密度な電極アレイが、より低密度なバンプ40からなる電極アレイに変換される。
図2は、実施例1に係る半導体装置におけるマイクロバンプ近傍を示す断面図である。図2のように、半導体素子20は、半導体素子30に対向する面に第1ピラー22を備える。第1ピラー22は、半導体素子20に形成されたシリコン貫通電極を介してバンプ40に電気的に接続されている。半導体素子30は、半導体素子20に対向する面に第2ピラー32を備える。第2ピラー32は、半導体素子30に形成されたトランジスタなどの機能部と配線を介して電気的に接続されている。第1ピラー22の第2ピラー32に対向する対向面24の大きさ(面積)は、第2ピラー32の第1ピラー22に対向する対向面34よりも小さい。第1ピラー22及び第2ピラー32は、例えば銅(Cu)ピラーである。
第2ピラー32の対向面34に、バリア層44が設けられている。バリア層44は、例えば第2ピラー32の対向面34の全面に設けられている。バリア層44は、第2ピラー32に比べて半田と反応し難い材料からなり、半田と第2ピラー32とが反応することを抑制する役割を担う。バリア層44は、例えばニッケル(Ni)を主成分とする層であり、Ni層、ニッケルリン(NiP)層、ニッケルバナジウム(NiV)層、又はニッケルホウ素(NiB)層などを用いることができる。なお、密着性向上のために、第2ピラー32とバリア層44との間にシード層が設けられていてもよい。
第1ピラー22と第2ピラー32は、接合部材46によって接合されている。これにより、半導体素子30は半導体素子20にフリップチップ実装される。接合部材46は、バリア層44と第1ピラー22の対向面24及び側面26とに接している。接合部材46は、半田を構成する主な金属元素(例えばSn)と第1ピラー22を構成する金属元素(例えばCu)との金属間化合物(例えばCuSn及びCuSn)からなる。
次に、実施例1の半導体装置100の製造方法について説明する。なお、ここでは、半導体素子30を半導体素子20に実装する工程を説明し、その他の工程については説明を省略する。図3(a)から図3(d)は、実施例1に係る半導体装置の第1の製造方法を示す断面図である。
図3(a)のように、第1ピラー22を備える半導体素子20と第2ピラー32を備える半導体素子30を準備する。第2ピラー32上にバリア層44を形成する。バリア層44上に、例えば錫−銀(SnAg)からなる半田48を形成する。第1ピラー22、第2ピラー32、バリア層44、及び半田48は、例えば電解めっき法などを用いた一般的な方法によって形成することができる。
図3(b)のように、半導体素子20の第1ピラー22と半導体素子30の第2ピラー32とを対向させる。図3(c)のように、半田48を融点以上の温度に加熱し且つ半導体素子30を半導体素子20側に所定時間押圧して(例えば300℃で10秒間)、第1ピラー22と第2ピラー32を接合させる。
図3(d)のように、還元雰囲気又は不活性雰囲気で、半田48に対して半田48の融点以上の温度で熱処理を行う。半田48は第1ピラー22に接することから、当該熱処理により、半田48を構成する金属元素(Sn)と第1ピラー22を構成する金属元素(Cu)とを合金化させることができる。当該熱処理は、半田48の全てが半田48を構成する金属元素(Sn)と第1ピラー22を構成する金属元素(Cu)との金属間化合物(CuSn及びCuSn)からなる接合部材46に変化するまで行う。例えば、熱処理は、240℃、1分間の条件で行う。なお、還元ガスとして、例えば蟻酸又は水素を用いることができ、不活性ガスとして、例えば窒素又はアルゴンを用いることができる。
図4(a)から図4(d)は、実施例1に係る半導体装置の第2の製造方法を示す断面図である。図4(a)のように、第1ピラー22を備える半導体素子20と第2ピラー32を備える半導体素子30を準備する。第2ピラー32上にバリア層44を形成する。バリア層44上に半田48を形成すると共に、第1ピラー22上に半田48を直接形成する。図4(b)から図4(d)は、図3(b)から図3(d)と同様であるため説明を省略する。第2の製造方法のように第1ピラー22及び第2ピラー32の両方に半田48を設けることで、第1の製造方法のように第2ピラー32にのみ半田48を設ける場合に比べて、1つのピラーに設ける半田の量の調整が容易となる。
ここで、実施例1の半導体装置100の効果を説明するにあたり、比較例に係る半導体装置について説明する。図5(a)から図5(c)は、比較例1に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。図5(a)のように、第1ピラー22を備える半導体素子20と第2ピラー32を備える半導体素子30を準備する。第1ピラー22上及び第2ピラー32上に半田48を直接形成する。すなわち、半田48は、第1ピラー22又は第2ピラー32に接している。
図5(b)のように、半導体素子20の第1ピラー22と半導体素子30の第2ピラー32とを対向させる。その後、半田48を融点以上の温度に加熱して第1ピラー22と第2ピラー32を接合させるのだが、半田48が薄い場合や接合前に半田48に高温の熱が加わると、図5(c)のように、接合前に半田48の金属元素と第1ピラー22及び第2ピラー32の金属元素とが合金化して金属間化合物層50が形成されてしまう。例えば、半田48がSnAg半田からなり、第1ピラー22及び第2ピラー32がCuピラーからなる場合、150℃程度の温度が加わることで、CuSn及びCuSnの金属間化合物層50が形成される。CuSnの融点は675℃、CuSnの融点は435℃と高い。このため、第1ピラー22と第2ピラー32との接合前に半田48が金属間化合物層50に変化してしまうと、第1ピラー22と第2ピラー32の接合不良が生じてしまう。
図6(a)から図6(c)は、比較例2に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。図6(a)のように、第1ピラー22を備える半導体素子20と第2ピラー32を備える半導体素子30を準備する。第1ピラー22上及び第2ピラー32上にバリア層44を形成する。バリア層44上に半田48を形成する。
図6(b)のように、半導体素子20の第1ピラー22と半導体素子30の第2ピラー32とを対向させる。図6(c)のように、半田48を融点以上の温度に加熱し且つ半導体素子30を半導体素子20側に押圧して、第1ピラー22と第2ピラー32を接合させる。
比較例2では、第1ピラー22と半田48との間、及び、第2ピラー32と半田48との間に、バリア層44が設けられている。バリア層44は、上述したように、半田と反応し難い材料からなることから、半田48が金属間化合物に変化することが抑制される。したがって、比較例1のような接合不良が生じることは抑制される。
しかしながら、図6(c)のように、第1ピラー22と第2ピラー32が接合した後にも半田48が残存することになる。半田48は融点が低いことから(例えばSnAg半田の融点は220℃)、エレクトロマイグレーションが発生し易くなる。また、融点の低い半田48が残存していると、ピラーを流れる電流による発熱に対する信頼性や耐電流特性なども低下してしまう。
一方、実施例1によれば、図2のように、第1ピラー22と第2ピラー32を接合する接合部材46は、第1ピラー22の金属元素(Cu)と半田の金属元素(Sn)との金属間化合物(CuSn及びCuSn)からなる。上述したように金属間化合物(CuSn及びCuSn)は融点が高いことから、比較例2のようなエレクトロマイグレーションや、ピラーでの発熱による信頼性、耐電流特性などの低下を抑制できる。また、第2ピラー32にバリア層44が設けられているため、図3(a)及び図4(a)のように、第2ピラー32上にバリア層44を介して半田48を形成することができる。このため、第1ピラー22と第2ピラー32との接合前に半田48が金属間化合物に変化することによる接合不良を抑制できる。したがって、実施例1によれば、信頼性を向上させることができる。なお、図4(a)では、第1ピラー22上に形成された半田48は金属間化合物に変化する恐れがあるが、第2ピラー32上にバリア層44を介して形成された半田48は金属間化合物への変化が抑制されるため、接合不良を抑制できる。
また、実施例1によれば、図2のように、接合部材46は、バリア層44が設けられていない第1ピラー22の対向面24と側面26に接している。これにより、図3(c)及び図4(c)のように半田48と第1ピラー22の接触面積が大きくなるため、半田48の金属元素と第1ピラー22の金属元素との合金化が進み易くなり、金属間化合物からなる接合部材46が形成され易くなる。
また、実施例1によれば、半田48の金属元素と第1ピラー22の金属元素を合金化させて、半田48の全てを金属間化合物に変化させることを、還元雰囲気又は不活性雰囲気での熱処理によって行う。半田48の表面が酸化してしまうと半田48の合金化が進まなくなるが、還元雰囲気又は不活性雰囲気で熱処理を行うことで、半田48の酸化を抑制することができる。
また、実施例1によれば、第1ピラー22及び第2ピラー32はCuピラーからなり、接合部材46はCuSn及びCuSnの少なくとも一方からなる。CuSnの合金化速度は速いため、短時間で金属間化合物からなる接合部材46を形成することができる。また、上述したように、接合部材46がCuSn及びCuSnの少なくとも一方の金属間化合物からなることで、接合部材46の融点が高くなり、信頼性を向上させることができる。
なお、実施例1では、バリア層44が第2ピラー32に設けられ、第1ピラー22には設けられていない場合を例に示したが、バリア層44が第1ピラー22に設けられ、第2ピラー32には設けられていない場合でもよい。この場合、第2ピラー32の対向面34の大きさを第1ピラー22の対向面24よりも小さくすることが好ましい。このように、バリア層44は、第1ピラー22及び第2ピラー32のいずれか一方のピラーにのみ設けられ、他方のピラーには設けられていなくてもよい。
なお、実施例1では、半田48はSnAgからなる場合を例に示したが、Sn、SnAgCu、SnAgZn、SnZn、SnBiIn、SnIn、SnAu、SnCu、又はSnZnInなどからなる場合でもよい。バリア層44は、Niを主成分とすることが好ましいが、タンタル(Ta)やチタン(Ti)を主成分とする場合でもよい。第1ピラー22及び第2ピラー32は、Cuからなる場合に限られず、例えば金(Au)からなる場合でもよい。第1ピラー22及び第2ピラー32は、半田の金属元素とピラーの金属元素との金属間化合物からなる接合部材46の融点が半田よりも高くなるような材料であることが好ましい。
なお、実施例1では、バリア層44が設けられていない第1ピラー22の対向面24が、バリア層44が設けられた第2ピラー32の対向面34よりも小さい場合を例に示したが、略同じ大きさであってもよい。この場合、接合部材46は第1ピラー22の対向面24にのみ接し、側面26には接していない場合でもよい。
図7は、実施例2に係る半導体装置におけるマイクロバンプ近傍を示す断面図である。図7のように、第1ピラー22の対向面24と第2ピラー32の対向面34とは略同じ大きさになっている。第1ピラー22及び第2ピラー32の両方にバリア層44aが設けられている。バリア層44aは、第1ピラー22の対向面24及び第2ピラー32の対向面34よりも小さい。接合部材46は、バリア層44aを接しながら覆って、第1ピラー22の対向面24と第2ピラー32の対向面34とに接している。その他の構成は、実施例1と同じであるため説明を省略する。
図8(a)から図8(d)は、実施例2に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。なお、ここでは、半導体素子30を半導体素子20に実装する工程を説明し、その他の工程については説明を省略する。
図8(a)のように、第1ピラー22を備える半導体素子20と第2ピラー32を備える半導体素子30を準備する。第1ピラー22上に、第1ピラー22よりも幅が小さいバリア層44aを形成する。同様に、第2ピラー32上に、第2ピラー32よりも幅が小さいバリア層44aを形成する。第1ピラー22及び第2ピラー32において、バリア層44a上に半田48を形成する。第1ピラー22、第2ピラー32、バリア層44a、及び半田48は、例えば電解めっき法などを用いた一般的な方法によって形成することができる。
図8(b)のように、半導体素子20の第1ピラー22と半導体素子30の第2ピラー32とを対向させる。図8(c)のように、半田48を融点以上の温度に加熱し且つ半導体素子30を半導体素子20側に所定時間押圧して、第1ピラー22と第2ピラー32を接合させる。
図8(d)のように、還元雰囲気又は不活性雰囲気で、半田48に対して熱処理を行う。当該熱処理により、半田48の金属元素(Sn)と第1ピラー22及び第2ピラー32の金属元素(Cu)とを合金化させることができる。当該熱処理は、半田48の全てが半田48の金属元素と第1ピラー22及び第2ピラー32の金属元素との金属間化合物からなる接合部材46に変化するまで行う。
実施例2によれば、図7のように、バリア層44aは、第1ピラー22及び第2ピラー32よりも幅が小さい。接合部材46は、バリア層44aを覆って、第1ピラー22の対向面24及び第2ピラー32の対向面34に接している。これにより、バリア層44aと接合部材46の界面が外部に露出されないため、接合強度を向上させることができる。
また、実施例2によれば、図8(a)のように、バリア層44aが第1ピラー22及び第2ピラー32よりも幅が小さいことから、バリア層44a上に形成する半田48も小さくなる。このため、図7のように、接合部材46が第1ピラー22及び/又は第2ピラー32の側面に形成されることを抑制できる。これにより、隣接するバンプ間が短絡することを抑制できる。
図9は、実施例2の変形例1に係る半導体装置におけるマイクロバンプ近傍を示す断面図である。図9のように、バリア層44aが、第2ピラー32にのみ設けられていて、第1ピラー22には設けられていない。その他の構成は、実施例2と同じであるため説明を省略する。
実施例2の変形例1のように、バリア層44aが、第1ピラー22及び第2ピラー32のいずれか一方のピラーにのみ設けられ、他方のピラーには設けられていない場合でもよい。
図10は、実施例3に係る半導体装置におけるマイクロバンプ近傍を示す断面図である。図10のように、第1ピラー22は、第1柱状部22aと、第1柱状部22aよりも幅が小さい第2柱状部22bと、を有する。同様に、第2ピラー32は、第1柱状部32aと、第1柱状部32aよりも幅が小さい第2柱状部32bと、を有する。バリア層44bは、第2柱状部22b、32bの互いの対向面24a、34aの全面に設けられている。接合部材46は、バリア層44bを接しながら覆って、第2柱状部22b、32bの側面26a、36aと第1柱状部22a、32aの互いの対向面24b、34bとに接している。その他の構成は、実施例1と同じであるため説明を省略する。
図11(a)から図11(d)は、実施例3に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。なお、ここでは、半導体素子30を半導体素子20に実装する工程を説明し、その他の工程については説明を省略する。
図11(a)のように、第1柱状部22aと第2柱状部22bを有する第1ピラー22を備える半導体素子20と、第1柱状部32aと第2柱状部32bを有する第2ピラー32を備える半導体素子30を準備する。第2柱状部22b、32b上に、バリア層44bを形成する。バリア層44b上に、半田48を形成する。第1ピラー22、第2ピラー32、バリア層44b、及び半田48は、例えば電解めっき法などを用いた一般的な方法によって形成することができる。
図11(b)のように、半導体素子20の第1ピラー22の第2柱状部22bと半導体素子30の第2ピラー32の第2柱状部32bとを対向させる。図11(c)のように、半田48を融点以上の温度に加熱し且つ半導体素子30を半導体素子20側に押圧して、第1ピラー22と第2ピラー32を接合させる。
図12(d)のように、還元雰囲気又は不活性雰囲気で、半田48に対して熱処理を行う。当該熱処理により、半田48の金属元素(Sn)と第1ピラー22及び第2ピラー32の金属元素(Cu)とを合金化させることができる。当該熱処理は、半田48の全てが半田48の金属元素と第1ピラー22及び第2ピラー32の金属元素との金属間化合物からなる接合部材46に変化するまで行う。
実施例3によれば、図10のように、第1ピラー22及び第2ピラー32は、第1柱状部22a、32aと、第1柱状部22a、32aよりも幅が小さい第2柱状部22b、32bと、を有する。バリア層44bは第2柱状部22b、32bの互いに対向面24a、34aに設けられている。接合部材46は、バリア層44bを覆って、第2柱状部22b、32bの側面26a、36aと第1柱状部22a、32aの互いの対向面24b、34bとに接している。これにより、半田とピラーの接触面積が大きくなるため、半田の金属元素とピラーの金属元素との合金化が進み易くなり、金属間化合物からなる接合部材46が形成され易くなる。また、バリア層44bが設けられた第2柱状部22b、32bよりも幅が大きい第1柱状部22a、32aが設けられていることで、接合部材46(半田48)が第1ピラー22及び第2ピラー32からこぼれることを抑制できる。
ここで、発明者が行った実験について説明する。実験では、第1柱状部22a、32aを直径が30μmのCuピラーとし、第2柱状部22b、32bを直径が20μmで高さが5μmのCuピラーとし、バリア層44bを厚さ1μmのNi層とした。このような構造において、図11(a)に示す半田48をSnAg半田としてその量を異ならせることで、第1ピラー22と第2ピラー32の接合後の状態がどのように変化するかを調べた。
図12(a)から図12(d)は、シミュレーション結果を示す断面図である。図12(a)は半田48の厚さを7.5μm、図12(b)は半田48の厚さを11.25μm、図12(c)は半田48の厚さを15μm、図12(d)は半田48の厚さを3.75μmとした場合のシミュレーション結果である。第1柱状部22a、32aと第2柱状部22b、32bによって形成される段差部分の体積に対する半田48の体積を半田48の比体積とすると、半田48の厚さが7.5μmの場合では半田48の比体積は100%である。半田48の厚さが11.25μmの場合では半田48の比体積は150%である。半田48の厚さが15μmの場合では半田48の比体積は200%である。半田48の厚さが3.75μmの場合では半田48の比体積は50%である。
図12(a)のように、半田48の厚さが7.5μm(すなわち、半田48の比体積が100%)では、多くのバンプでバリア層44b間の接合部材46の厚さは0μmではないが非常に薄くなった。図12(b)のように、半田48の厚さが11.25μm(すなわち、半田48の比体積が150%)では、バリア層44b間の接合部材46の厚さtは3.3μm程度となった。図12(c)のように、半田48の厚さが15μm(すなわち、半田48の比体積が200%)では、バリア層44b間の接合部材46の厚さtは6.6μm程度となった。図12(d)のように、半田48の厚さが3.75μm(すなわち、半田48の比体積が50%)では、全てのバンプでバリア層44b間の接合部材46の厚さは0μmではないが非常に薄くなった。また、第1柱状部22a、32aと第2柱状部22b、32bによって形成される段差部分での接合部材46の形状が、高さ方向で中央部が薄くなるように湾曲した形状となった。
図12(a)から図12(c)のように、半田48を厚くするほど(すなわち、半田48の比体積を大きくするほど)、バリア層44b間の接合部材46が厚くなる。バリア層44b間の接合部材46が厚くなるほど電気抵抗が大きくなる。また、バリア層44b間の接合部材46が厚くなると、バリア層44b間に合金化されない半田48が残存する恐れがある。これらのことから、半田48の比体積は200%以下であることが好ましく、175%以下であることがより好ましく、150%以下であることがさらに好ましい。一方、図12(d)のように、半田48が薄くなりすぎると(すなわち、半田48の比体積が小さくなりすぎると)、第1柱状部と第2柱状部による段差部分において、接合部材46が薄くなる箇所が生じ、接合不良となる恐れがある。したがって、半田48の比体積は100%以上であることが好ましく、125%以上であることがより好ましく、150%以上であることがさらに好ましい。
図13は、実施例3の変形例1に係る半導体装置におけるマイクロバンプ近傍を示す断面図である。図13のように、バリア層44bが、第2ピラー32の第2柱状部32bにのみ設けられていて、第1ピラー22の第2柱状部22bには設けられていない。その他の構成は、実施例3と同じであるため説明を省略する。
実施例3の変形例1のように、バリア層44bが、第1ピラー22の第2柱状部22b及び第2ピラー32の第2柱状部32bの少なくとも一方に設けられ、他方には設けられていない場合でもよい。
図14は、実施例3の変形例2に係る半導体装置におけるマイクロバンプ近傍を示す断面図である。図14のように、第2ピラー32は、第1柱状部32aと第1柱状部32aよりも幅が小さい第2柱状部32bとを有する。一方、第1ピラー22は、第2ピラー32の第1柱状部32aと略同じ且つ一定の幅の柱状部のみで形成されている。その他の構成は、実施例3と同じであるため説明を省略する。
実施例3の変形例2のように、第1ピラー22及び第2ピラー32の少なくとも一方が、第1柱状部と第1柱状部よりも幅が小さい第2柱状部とを有する場合でもよい。
なお、実施例1から実施例3では、半導体素子30は、実装部としての半導体素子20にフリップチップ実装されている場合を例に示したが、配線基板などにフリップチップ実装されていてもよい。半導体素子同士を接続するマイクロバンプには大きな電流が流れることから、このようなマイクロバンプにおいて、接合部材を金属間化合物からなるようにして耐電流性を向上させることが好ましい。
以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明はかかる特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
なお、以上の説明に関して更に以下の付記を開示する。
(付記1)第1ピラーを備える実装部と、前記第1ピラーに第2ピラーが接合されて、前記実装部にフリップチップ実装された半導体素子と、前記第1ピラー及び前記第2ピラーの少なくとも一方に設けられたバリア層と、前記第1ピラーと前記第2ピラーとを接合する接合部材と、を備え、前記接合部材は、前記第1ピラー及び前記第2ピラーの少なくとも一方と前記バリア層とに接していて、前記第1ピラー及び前記第2ピラーのうちの前記接合部材が接するピラーを構成する金属元素と半田を構成する金属元素との金属間化合物からなる、半導体装置。
(付記2)前記バリア層は、前記第1ピラー及び前記第2ピラーよりも幅が小さく、前記接合部材は、前記バリア層を覆って設けられ、前記第1ピラー及び前記第2ピラーの互いの対向面に接している、付記1記載の半導体装置。
(付記3)前記第1ピラー及び前記第2ピラーの少なくとも一方は、第1柱状部と前記第1柱状部よりも幅が小さい第2柱状部とを有し、前記バリア層は、前記第2柱状部であって前記第1ピラーと前記第2ピラーとが対向する面に設けられていて、前記接合部材は、前記バリア層を覆って設けられ、前記第2柱状部の側面と、前記第1ピラー及び前記第2ピラーの互いの対向面と、に接している、付記1または2記載の半導体装置。
(付記4)前記バリア層は、前記第1ピラー及び前記第2ピラーのうちの一方のピラーにのみ設けられ、他方のピラーには設けられてなく、前記接合部材は、前記他方のピラーの前記一方のピラーに対向する面と前記他方のピラーの側面とに接している、付記1から3のいずれか一項記載の半導体装置。
(付記5)前記他方のピラーは、前記一方のピラーよりも幅が小さい、付記4記載の半導体装置。
(付記6)前記第1ピラー及び前記第2ピラーはCuからなり、前記接合部材はCuSn及びCuSnの少なくとも一方からなる、付記1から5のいずれか一項記載の半導体装置。
(付記7)第1ピラーを備える実装部を準備する工程と、第2ピラーを備える半導体素子を準備する工程と、前記第1ピラー及び前記第2ピラーの少なくとも一方にバリア層を形成する工程と、前記バリア層上に半田を形成する工程と、前記実装部と前記半導体素子を対向させ、前記第1ピラーと前記第2ピラーとを前記半田で接合する工程と、前記接合する工程の後、前記第1ピラー及び前記第2ピラーのうちの前記半田が接するピラーを構成する金属元素と前記半田を構成する金属元素とを合金化させて、前記半田の全てを金属間化合物にする工程と、を備える、半導体装置の製造方法。
(付記8)前記金属間化合物にする工程は、還元雰囲気又は不活性雰囲気で前記半田に熱処理を行う、付記7記載の半導体装置の製造方法。
(付記9)前記半田は錫を含み、前記第1ピラー及び前記第2ピラーは銅からなる、付記7または8記載の半導体装置の製造方法。
10 パッケージ基板
20 半導体素子
22 第1ピラー
22a 第1柱状部
22b 第2柱状部
24 第1ピラーの対向面
24a 第2柱状部の対向面
24b 第1柱状部の対向面
26 第1ピラーの側面
26a 第2柱状部の側面
30 半導体素子
32 第2ピラー
32a 第1柱状部
32b 第2柱状部
34 第2ピラーの対向面
34a 第2柱状部の対向面
34b 第1柱状部の対向面
36a 第2柱状部の側面
40 バンプ
42 マイクロバンプ
44、44a、44b バリア層
46 接合部材
48 半田

Claims (7)

  1. 第1ピラーを備える実装部と、
    前記第1ピラーに第2ピラーが接合されて、前記実装部にフリップチップ実装された半導体素子と、
    前記第1ピラー及び前記第2ピラーの少なくとも一方に設けられたバリア層と、
    前記第1ピラーと前記第2ピラーとを接合する接合部材と、を備え、
    前記接合部材は、前記第1ピラー及び前記第2ピラーの少なくとも一方と前記バリア層とに接していて、前記第1ピラー及び前記第2ピラーのうちの前記接合部材が接するピラーを構成する金属元素と半田を構成する金属元素との金属間化合物からなる、半導体装置。
  2. 前記バリア層は、前記第1ピラー及び前記第2ピラーよりも幅が小さく、
    前記接合部材は、前記バリア層を覆って設けられ、前記第1ピラー及び前記第2ピラーの互いの対向面に接している、請求項1記載の半導体装置。
  3. 前記第1ピラー及び前記第2ピラーの少なくとも一方は、第1柱状部と前記第1柱状部よりも幅が小さい第2柱状部とを有し、
    前記バリア層は、前記第2柱状部であって前記第1ピラーと前記第2ピラーとが対向する面に設けられていて、
    前記接合部材は、前記バリア層を覆って設けられ、前記第2柱状部の側面と、前記第1ピラー及び前記第2ピラーの互いの対向面と、に接している、請求項1または2記載の半導体装置。
  4. 前記バリア層は、前記第1ピラー及び前記第2ピラーのうちの一方のピラーにのみ設けられ、他方のピラーには設けられてなく、
    前記接合部材は、前記他方のピラーの前記一方のピラーに対向する面と前記他方のピラーの側面とに接している、請求項1から3のいずれか記載の半導体装置。
  5. 前記第1ピラー及び前記第2ピラーはCuからなり、
    前記接合部材はCuSn及びCuSnの少なくとも一方からなる、請求項1から4のいずれか一項記載の半導体装置。
  6. 第1ピラーを備える実装部を準備する工程と、
    第2ピラーを備える半導体素子を準備する工程と、
    前記第1ピラー及び前記第2ピラーの少なくとも一方にバリア層を形成する工程と、
    前記バリア層上に半田を形成する工程と、
    前記実装部と前記半導体素子を対向させ、前記第1ピラーと前記第2ピラーとを前記半田で接合する工程と、
    前記接合する工程の後、前記第1ピラー及び前記第2ピラーのうちの前記半田が接するピラーを構成する金属元素と前記半田を構成する金属元素とを合金化させて、前記半田の全てを金属間化合物にする工程と、を備える、半導体装置の製造方法。
  7. 前記金属間化合物にする工程は、還元雰囲気又は不活性雰囲気で前記半田に熱処理を行う、請求項6記載の半導体装置の製造方法。
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