JP6520656B2 - Semiconductor device and method of manufacturing semiconductor device - Google Patents

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Description

本発明は、半導体装置および半導体装置の製造方法に関する。   The present invention relates to a semiconductor device and a method of manufacturing the semiconductor device.

発熱部を半田(はんだ)により放熱部材に接合して、冷却する技術が知られている(例えば、特許文献1〜2参照)。この技術では、放熱部材と半田の密着性が重要である。   There is known a technique in which a heat generating portion is joined to a heat dissipation member by solder (solder) and cooled (see, for example, Patent Documents 1 and 2). In this technology, the adhesion between the heat dissipation member and the solder is important.

この技術に関し、放熱部材の表面にNi−P合金層を設けることが提案されている。Ni−P合金層を介在させることで、放熱部材と半田の密着性が向上し、放熱効率が向上する(例えば、特許文献1〜2参照)。更に、Ni−P合金層の上にNi−B合金層を設けることで、半田濡れ性が改善することが知られている(例えば、特許文献2参照)。   Regarding this technology, it has been proposed to provide a Ni-P alloy layer on the surface of the heat dissipation member. By interposing the Ni-P alloy layer, the adhesion between the heat dissipation member and the solder is improved, and the heat dissipation efficiency is improved (see, for example, Patent Documents 1 and 2). Furthermore, it is known that solder wettability is improved by providing a Ni-B alloy layer on the Ni-P alloy layer (see, for example, Patent Document 2).

特公昭61−20988号公報Japanese Patent Publication No. 61-20988 特開2003−152141号公報Unexamined-Japanese-Patent No. 2003-152141

上述した技術では、発熱部のうち半田に接する部分は半田との密着性がよいCu(銅)である。例えば発熱部は、表面側に半導体チップが搭載され、裏面にCu板が設けられた回路基板である(例えば、特許文献2参照)。   In the technique described above, the portion of the heat generating portion in contact with the solder is Cu (copper) having good adhesion to the solder. For example, the heat generating portion is a circuit board on which a semiconductor chip is mounted on the front surface side and a Cu plate is provided on the back surface (see, for example, Patent Document 2).

ところで、高性能CPU(Central Processing Unit)等の発熱量の大きな半導体チップは、In(インジウム)半田を含む熱界面材料(TIM, Thermal Interface Material)により直接、放熱部材に接合される。この構造によれば、半導体チップが発生する大量の熱を、効率的に放出することができる。   A semiconductor chip having a large amount of heat generation, such as a high-performance CPU (Central Processing Unit), is directly bonded to the heat dissipation member by a thermal interface material (TIM, Thermal Interface Material) containing In (indium) solder. According to this structure, a large amount of heat generated by the semiconductor chip can be efficiently released.

しかしInは、Cuを含む放熱部材には容易に融着するが、半導体チップには融着しない。そこで、半導体に密着するTi層を半導体チップの裏面に設け更に、InとTiの両方に接着するNi層をTi層の上に設けることで、CPU等の半導体チップ(発熱部)と放熱部材とをIn半田により接合する。すなわち、CPU等の発熱量の大きな半導体チップと放熱部材を、Ti層とNi層とIn層(すなわち、In半田)とを有する熱界面材料により接合する。   However, In is easily fused to the heat dissipating member containing Cu, but not fused to the semiconductor chip. Therefore, a Ti layer adhering to the semiconductor is provided on the back surface of the semiconductor chip, and a Ni layer adhering to both In and Ti is further provided on the Ti layer, whereby a semiconductor chip (heat generation portion) such as CPU and a heat dissipation member Is bonded with In solder. That is, a semiconductor chip having a large amount of heat generation such as a CPU and a heat radiating member are joined by a thermal interface material having a Ti layer, a Ni layer and an In layer (that is, In solder).

しかしTiの熱伝導率は、NiやInの熱伝導率に比べ格段に小さい。従って、Inを含む熱界面材料を有する半導体装置には、Ti層により熱伝導が抑制されるので、放熱の効率化に限界があるという問題がある。そこで本発明は、このような問題を解決することを課題とする。   However, the thermal conductivity of Ti is much smaller than that of Ni and In. Therefore, in the semiconductor device having the thermal interface material containing In, heat conduction is suppressed by the Ti layer, and there is a problem that there is a limit to the efficiency of heat dissipation. Then, this invention makes it a subject to solve such a problem.

上記の問題を解決するために、本装置の一観点によれば、表面側に配置された集積回路と裏面側に配置されホウ素を含む半導体とを有する半導体チップと、前記集積回路が発生する熱を放出する放熱部材と、前記半導体に接すると共に少なくとも前記半導体に接する領域がニッケルとホウ素とを含むバリア層および前記バリア層と前記放熱部材とを接合している接合部を含む熱界面部材とを有する半導体装置が提供される。   In order to solve the above problems, according to one aspect of the present invention, a semiconductor chip having an integrated circuit disposed on the front side and a semiconductor disposed on the back side and containing boron, and heat generated by the integrated circuit A thermal interface member including: a heat radiating member for emitting the heat; a barrier layer in contact with the semiconductor and at least a region in contact with the semiconductor includes nickel and boron; and a junction joining the barrier layer and the heat radiating member. A semiconductor device having the same is provided.

開示の半導体装置によれば、低融点金属(例えば、In)を含む熱界面材料により半導体チップと放熱部材とを接合した半導体装置の放熱効率を向上させることができる。   According to the disclosed semiconductor device, the heat dissipation efficiency of the semiconductor device in which the semiconductor chip and the heat dissipation member are joined can be improved by the thermal interface material containing the low melting point metal (for example, In).

図1は、実施の形態1の半導体装置18を説明する平面図の一例である。FIG. 1 is an example of a plan view for explaining the semiconductor device 18 according to the first embodiment. 図2は、図1のII−II線に沿った断面を矢印の方向から見た図である。FIG. 2 is a view of a cross section taken along the line II-II in FIG. 1 as viewed from the direction of the arrow. 図3は、図2中の領域Aの構造を説明する図である。FIG. 3 is a diagram for explaining the structure of the area A in FIG. 図4は、実施の形態1の半導体装置18の製造方法を説明するフローチャートである。FIG. 4 is a flowchart for explaining a method of manufacturing the semiconductor device 18 of the first embodiment. 図5は、半導体装置18の製造方法を説明する断面図です。FIG. 5 is a cross-sectional view for explaining the method of manufacturing the semiconductor device 18. 図6は、半導体装置18の製造方法を説明する断面図です。FIG. 6 is a cross-sectional view for explaining the method of manufacturing the semiconductor device 18. 図7は、発明者等が従来から製造している半導体装置118を説明する断面図である。FIG. 7 is a cross-sectional view for explaining a semiconductor device 118 conventionally manufactured by the inventors. 図8は、Ni−B層の密着性と半田濡れ性とを示す表である。FIG. 8 is a table showing the adhesion and solderability of the Ni-B layer. 図9は、Si基板50とNi−B層52の界面46の近傍の原子レベルの構造を説明する図である。FIG. 9 is a view for explaining the atomic level structure near the interface 46 between the Si substrate 50 and the Ni-B layer 52. As shown in FIG. 図10は、Ni−B層の成長を説明する図である。FIG. 10 is a diagram for explaining the growth of the Ni-B layer. 図11は、Ni−B層の剥離を説明する図である。FIG. 11 is a view for explaining the peeling of the Ni-B layer. 図12は、純粋なNi層の半田バリア性を説明する図である。FIG. 12 is a diagram for explaining the solder barrier property of a pure Ni layer. 図13は、純粋なNi層の半田バリア性を説明する図である。FIG. 13 is a diagram for explaining the solder barrier property of a pure Ni layer. 図14は、図12(a)中の領域Bの原子レベルの構造を説明する図である。FIG. 14 is a diagram for explaining the atomic level structure of the region B in FIG. 12 (a). 図15は、図13(a)中の領域Cの原子レベルの構造を説明する図である。FIG. 15 is a view for explaining the atomic level structure of the region C in FIG. 13 (a). 図16は、Ni―B層の半田バリア性を説明する図である。FIG. 16 is a diagram for explaining the solder barrier property of the Ni-B layer. 図17は、Ni―B層の半田バリア性を説明する図である。FIG. 17 is a diagram for explaining the solder barrier property of the Ni-B layer. 図18は、実施の形態1の変形例318を説明する図である。FIG. 18 is a diagram for explaining a modification 318 of the first embodiment. 図19は、実施の形態2の半導体装置218を説明する断面図である。FIG. 19 is a cross-sectional view for explaining the semiconductor device 218 of the second embodiment. 図20は、実施の形態2の半導体装置218の製造方法を説明するフローチャートである。FIG. 20 is a flowchart for explaining a method of manufacturing the semiconductor device 218 of the second embodiment. 図21は、半導体装置218の製造方法を説明する断面図です。FIG. 21 is a cross-sectional view for explaining the method of manufacturing the semiconductor device 218.

以下、図面にしたがって本発明の実施の形態について説明する。但し、本発明の技術的範囲はこれらの実施の形態に限定されず、特許請求の範囲に記載された事項とその均等物まで及ぶものである。図面が異なっても同じ構造を有する部分等には同一の符号を付し、その説明を省略する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. However, the technical scope of the present invention is not limited to these embodiments, but extends to the matters described in the claims and the equivalents thereof. The parts having the same structure are denoted by the same reference numerals even if the drawings are different, and the description thereof is omitted.

(実施の形態1)
(1)構造
図1は、実施の形態1の半導体装置18を説明する平面図の一例である。図2は、図1のII−II線に沿った断面を矢印の方向を見た図である。図3は、図2中の領域Aの構造を説明する図である。図1〜2には半導体装置18と共に、ヒートシンク22が示されている。図2には更に、回路基板20(例えば、システムボード)が示されている。ヒートシンク22は例えば、フィン(図示せず)を有する放熱部材である。
Embodiment 1
(1) Structure FIG. 1 is an example of a plan view for explaining the semiconductor device 18 according to the first embodiment. FIG. 2 is a view of a cross section taken along line II-II in FIG. 1 as viewed in the direction of the arrow. FIG. 3 is a diagram for explaining the structure of the area A in FIG. The heat sink 22 is shown with the semiconductor device 18 by FIGS. Also shown in FIG. 2 is a circuit board 20 (eg, a system board). The heat sink 22 is, for example, a heat dissipating member having fins (not shown).

図1〜2に示す例では半導体装置18は、半田バンプ24(図2参照)を介して回路基板20に電気的に接続されている。図1〜2に示す例では更に、半導体装置18は例えばAg粒子を含むサーマルグリース28を介して、ヒートシンク22に接続されている。ヒートシンク22は、例えば支持体26により回路基板20に固定されている。   In the example shown in FIGS. 1 and 2, the semiconductor device 18 is electrically connected to the circuit board 20 via the solder bumps 24 (see FIG. 2). Further, in the example shown in FIGS. 1 and 2, the semiconductor device 18 is connected to the heat sink 22 via a thermal grease 28 containing, for example, Ag particles. The heat sink 22 is fixed to the circuit board 20 by, for example, a support 26.

ヒートシンク22は、半導体装置18が発生する熱を放出する放熱部材である。サーマルグリース28は、半導体装置18とヒートシンク22の間の界面熱抵抗(接触熱抵抗)を低減する熱界面材料(TIM)である。   The heat sink 22 is a heat dissipating member that releases the heat generated by the semiconductor device 18. The thermal grease 28 is a thermal interface material (TIM) that reduces the interface thermal resistance (contact thermal resistance) between the semiconductor device 18 and the heat sink 22.

実施の形態1の半導体装置18は、図3に示すように、半導体チップ6と放熱部材8と熱界面部材14とを有する。半導体装置18は、パッケージ基板30(図2参照)を有してもよい。半導体チップ6は例えば、半田バンプ124によりパッケージ基板30に電気的に接続される。   As shown in FIG. 3, the semiconductor device 18 according to the first embodiment has a semiconductor chip 6, a heat dissipation member 8 and a thermal interface member 14. The semiconductor device 18 may have a package substrate 30 (see FIG. 2). The semiconductor chip 6 is electrically connected to the package substrate 30 by, for example, solder bumps 124.

―半導体チップ―
実施の形態1の半導体チップ6は、表面側に配置された集積回路2(図3参照)と、裏面側に配置されホウ素(B)を含む半導体4(例えば、シリコン)とを有する半導体素子である。具体的には半導体4は、例えばBがドーピングされたp型Si基板である。Bの濃度は、例えば1013〜1017atoms/cm3である。集積回路2は例えば、p型Si基板の表面側に形成されたCPUである。
-Semiconductor chip-
The semiconductor chip 6 of the first embodiment is a semiconductor element having an integrated circuit 2 (see FIG. 3) disposed on the front side and a semiconductor 4 (eg, silicon) disposed on the back side and containing boron (B). is there. Specifically, the semiconductor 4 is, for example, a p-type Si substrate doped with B. The concentration of B is, for example, 10 13 to 10 17 atoms / cm 3 . The integrated circuit 2 is, for example, a CPU formed on the surface side of a p-type Si substrate.

―放熱部材―
実施の形態1の放熱部材8は、集積回路2が発生する熱を放出する部材である。放熱部材8は例えば、CuまたはAlで形成されたリッドである。
-Heat dissipation member-
The heat dissipation member 8 of the first embodiment is a member that releases the heat generated by the integrated circuit 2. The heat dissipation member 8 is, for example, a lid formed of Cu or Al.

―熱界面部材―
実施の形態1の熱界面部材14は、半導体チップ6と放熱部材8との間の界面熱抵抗を低減する部材である。熱界面部材14は、バリア層10と接合部12とを有する。熱界面部材14は、半導体チップ6と放熱部材8とを接合している。
-Thermal interface member-
The thermal interface member 14 of the first embodiment is a member that reduces the interface thermal resistance between the semiconductor chip 6 and the heat dissipation member 8. The thermal interface member 14 has a barrier layer 10 and a junction 12. The thermal interface member 14 joins the semiconductor chip 6 and the heat dissipation member 8.

バリア層10は、半導体4に接しBを含むNi(ニッケル)の層である。すなわち、バリア層10は、BとNiを含む層である。Bを含むニNiの層を以下、Ni−B層と呼ぶ。バリア層10の厚さは、例えば100nm以上400nm以下(例えば、200nm)である。   The barrier layer 10 is a layer of Ni (nickel) in contact with the semiconductor 4 and containing B. That is, the barrier layer 10 is a layer containing B and Ni. Hereinafter, the layer of Ni containing B is called a Ni-B layer. The thickness of the barrier layer 10 is, for example, 100 nm or more and 400 nm or less (for example, 200 nm).

Ni−B層は、Niより高い半田バリア性を有する金属層である(「(4−4)半田バリア性」参照)。従って、実施の形態1のバリア層10は、バリア層として好適である。   The Ni-B layer is a metal layer having a solder barrier property higher than Ni (see “(4-4) solder barrier property”). Therefore, the barrier layer 10 of Embodiment 1 is suitable as a barrier layer.

接合部12は例えば、バリア層10と放熱部材8とを接合する金属層である。具体的には例えば接合部12は、放熱部材8とバリア層10の間に配置され、放熱部材8とバリア層10の両方に融着したIn(インジウム)を含む金属層である。   The bonding portion 12 is, for example, a metal layer for bonding the barrier layer 10 and the heat dissipation member 8. Specifically, for example, the bonding portion 12 is a metal layer including In (indium) disposed between the heat dissipation member 8 and the barrier layer 10 and fused to both the heat dissipation member 8 and the barrier layer 10.

集積回路2で発生した熱は主に、主に熱界面部材14を介して放熱部材8に伝搬する。放熱部材8に到達した熱の一部は、サーマルグリース28を介してヒートシンク22に伝搬し、残りの熱は主に放熱部材8から大気中に放出される。ヒートシンク22に到達した熱は、主に大気中に放出される。   The heat generated by the integrated circuit 2 mainly propagates to the heat dissipation member 8 mainly through the thermal interface member 14. Part of the heat that has reached the heat dissipation member 8 is transmitted to the heat sink 22 via the thermal grease 28, and the remaining heat is mainly released from the heat dissipation member 8 to the atmosphere. The heat that has reached the heat sink 22 is mainly released to the atmosphere.

後述するように、Ni−B層は、Bがドーピングされた半導体に密着する(「(4−1)密着性」参照)。従って、半導体4とバリア層10の間に、熱抵抗の高いTi層(すなわち、熱伝導率の低いTiの層)を配置しなくても、熱界面部材14と半導体チップ6は密着(堅い接着)する。   As described later, the Ni-B layer adheres to the B-doped semiconductor (see “(4-1) Adhesion”). Therefore, the thermal interface member 14 and the semiconductor chip 6 are in close contact (stiff adhesion) even if a high thermal resistance Ti layer (that is, a layer of low thermal conductivity Ti) is not disposed between the semiconductor 4 and the barrier layer 10 ).

このため実施の形態1によれば、In等の低融点金属を含む熱界面材料により半導体チップ6と放熱部材8とを接合した半導体装置18の放熱効率を向上させることができる(「(4−2)熱抵抗」参照)。なお熱界面部材14は、半導体チップ6と放熱部材8とを接合した熱界面材料である(「(2)製造方法」参照)。   Therefore, according to the first embodiment, the heat dissipation efficiency of the semiconductor device 18 in which the semiconductor chip 6 and the heat dissipation member 8 are joined can be improved by the thermal interface material containing a low melting point metal such as In (( 2) Thermal resistance "). The thermal interface member 14 is a thermal interface material in which the semiconductor chip 6 and the heat dissipation member 8 are joined (see “(2) Manufacturing method”).

(2)製造方法
図4は、実施の形態1の半導体装置18の製造方法を説明するフローチャートである。図5〜6は、半導体装置18の製造方法を説明する断面図です。
(2) Manufacturing Method FIG. 4 is a flowchart for explaining a method of manufacturing the semiconductor device 18 according to the first embodiment. 5 to 6 are cross-sectional views for explaining the method of manufacturing the semiconductor device 18.

(2−1)バリア層の形成(図5(a)参照)
表面側に集積回路2が形成され裏面側にホウ素を含む半導体4が配置された基板32を用意する。基板32は例えば、Bがドーピングされ、表面側に集積回路2が形成されたp型シリコン・ウエハである。すなわち半導体4は例えば、Bがドーピングされたp型シリコン・ウエハである。
(2-1) Formation of barrier layer (see FIG. 5A)
A substrate 32 is prepared in which the integrated circuit 2 is formed on the front side and the semiconductor 4 containing boron is disposed on the back side. The substrate 32 is, for example, a p-type silicon wafer doped with B and having the integrated circuit 2 formed on the surface side. That is, the semiconductor 4 is, for example, a p-type silicon wafer doped with B.

基板32は裏面側がバックグラインドされ、500μm程度に薄層化されている。この基板32の裏面に、図5(a)に示すように無電解メッキにより、半導体4に接するバリア層110を形成する(S2)。   The back side of the substrate 32 is back ground and thinned to about 500 μm. As shown in FIG. 5A, the barrier layer 110 in contact with the semiconductor 4 is formed on the back surface of the substrate 32 by electroless plating (S2).

バリア層110のメッキ時間は、例えば1800秒程度である。バリア層110は例えば、0.5重量%(0.5重量パーセント)のBを含むNiの層である。   The plating time of the barrier layer 110 is, for example, about 1800 seconds. The barrier layer 110 is, for example, a layer of Ni containing 0.5% by weight (0.5% by weight) of B.

(2−2)パッケージ基板への搭載
次に、例えばダイシングにより基板32を個片化して、半導体チップ6を形成する。この半導体チップ6を、半田バンプ124を介してパッケージ基板30(図2参照)に搭載する(S4)。
(2-2) Mounting on Package Substrate Next, the substrate 32 is singulated by dicing, for example, to form the semiconductor chip 6. The semiconductor chip 6 is mounted on the package substrate 30 (see FIG. 2) via the solder bumps 124 (S4).

(2−3)回路基板への搭載
半導体チップ6を搭載したパッケージ基板30を、回路基板20(図2参照)に搭載する(S6)。
(2-3) Mounting on Circuit Board The package board 30 on which the semiconductor chip 6 is mounted is mounted on the circuit board 20 (see FIG. 2) (S6).

(2−4)接合材の配置(図5(b)参照)
図5(b)に示すように、バリア層110上に接合材34を配置する(S8)。接合材34は例えば、厚さ100μmのIn箔(すなわち、In半田)である。なお図5(b)では、回路基板20は省略されている(図6(a)〜6(b)についても同様)。
(2-4) Arrangement of bonding material (refer to FIG. 5 (b))
As shown in FIG. 5B, the bonding material 34 is disposed on the barrier layer 110 (S8). The bonding material 34 is, for example, a 100 μm thick In foil (ie, In solder). In FIG. 5B, the circuit board 20 is omitted (the same applies to FIGS. 6A to 6B).

後述するように、Ni−B層の半田濡れ性は良好である(「(4−3)半田濡れ性」参照)。従って、Ni−B層であるバリア層110(図6参照)を、Au層等の酸化抑制層で覆われなくてよい。   As described later, the solder wettability of the Ni-B layer is good (see “(4-3) solder wettability”). Therefore, the barrier layer 110 (see FIG. 6), which is a Ni-B layer, may not be covered with an oxidation suppression layer such as an Au layer.

(2−5)接合(図6(a)〜(b)参照)
最後に接合材34により、放熱部材8をバリア層110に接合する(S10)。放熱部材8は例えば、Cuで形成されたリッドである。以上により、半導体装置18が完成する。
(2-5) Bonding (see FIGS. 6 (a) and 6 (b))
Finally, the heat dissipation member 8 is bonded to the barrier layer 110 by the bonding material 34 (S10). The heat dissipation member 8 is, for example, a lid formed of Cu. Thus, the semiconductor device 18 is completed.

具体的には先ず、半導体チップ6(図6(a)参照)を覆うように、放熱部材8を接合材34の上に載置する。その後リフローにより接合材34を溶融して、放熱部材8と接合材34を接合する。リフロー温度は例えば、180℃である。リフロー時間は例えば、60秒である。リフロー雰囲気は、窒素である。リフロー温度は、160℃〜220℃であってもよい。リフロー時間は、30秒〜120秒であってもよい。   Specifically, first, the heat dissipation member 8 is placed on the bonding material 34 so as to cover the semiconductor chip 6 (see FIG. 6A). Thereafter, the bonding material 34 is melted by reflow, and the heat dissipation member 8 and the bonding material 34 are bonded. The reflow temperature is, for example, 180.degree. The reflow time is, for example, 60 seconds. The reflow atmosphere is nitrogen. The reflow temperature may be 160 ° C to 220 ° C. The reflow time may be 30 seconds to 120 seconds.

接合材34はリフローにより溶融され、放熱部材8とバリア層110の間の隙間を埋める。隙間を埋めずに余ったInは、放熱部材8の自重により放熱部材8とバリア層110の間から押し出される。   The bonding material 34 is melted by reflow and fills the gap between the heat dissipation member 8 and the barrier layer 110. In remaining without filling the gap is pushed out from between the heat dissipation member 8 and the barrier layer 110 by the weight of the heat dissipation member 8.

半導体チップ6の裏面には、多数の凹凸が存在している。この凹凸がバリア層110に反映され、バリア層110の表面にも多数の凹凸が発生する。同様に、放熱部材8の表面にも、多数の凹凸が存在する。従って、バリア層110を放熱部材8に接触させても、バリア層110のうち実際に接触する部分は僅かである。このためバリア層110の大部分の領域は、隙間を隔てて放熱部材8に対向する。接合部12はこのような隙間を埋めて、半導体チップ6と放熱部材8の界面熱抵抗を低減させる。   A large number of asperities exist on the back surface of the semiconductor chip 6. This unevenness is reflected on the barrier layer 110, and a large number of unevenness is also generated on the surface of the barrier layer 110. Similarly, the surface of the heat dissipation member 8 also has a large number of irregularities. Therefore, even if the barrier layer 110 is in contact with the heat dissipation member 8, the portion of the barrier layer 110 actually contacting is small. Therefore, most of the area of the barrier layer 110 faces the heat dissipation member 8 with a gap. The bonding portion 12 fills such a gap to reduce the interface thermal resistance between the semiconductor chip 6 and the heat dissipation member 8.

―接合プロセス―
接合材34は溶融するとバリア層110と反応して、接合材34(図6(b)参照)とバリア層110との間に、金属間化合物(Intermetallic Compound)36を生成する。金属間化合物36は例えば、InとNiの合金である。接合材34と放熱部材8の間にも、金属間化合物136が形成される。金属間化合物136は例えば、Cu(放熱部材8の構成元素)とNiの合金である。金属間化合物36,136の形成により、放熱部材8がバリア層110に接合される。
-Bonding process-
When the bonding material 34 melts, it reacts with the barrier layer 110 to form an Intermetallic Compound 36 between the bonding material 34 (see FIG. 6B) and the barrier layer 110. The intermetallic compound 36 is, for example, an alloy of In and Ni. An intermetallic compound 136 is also formed between the bonding material 34 and the heat dissipation member 8. The intermetallic compound 136 is, for example, an alloy of Cu (a constituent element of the heat dissipation member 8) and Ni. The heat dissipating member 8 is bonded to the barrier layer 110 by the formation of the intermetallic compounds 36 and 136.

半導体装置18の接合部12(図3参照)は、金属間化合物36,136と未反応の接合材34とを有する部材である。図3を参照して説明した半導体装置18のバリア層10は、無電解メッキで形成したバリア層110のうちの未反応の部分である。   The bonding portion 12 (see FIG. 3) of the semiconductor device 18 is a member having the intermetallic compounds 36 and 136 and the unreacted bonding material 34. The barrier layer 10 of the semiconductor device 18 described with reference to FIG. 3 is an unreacted portion of the barrier layer 110 formed by electroless plating.

(3)Ti/Ni/Au/In熱界面材料
図7は、発明者等が従来から製造している半導体装置118を説明する断面図である。図7には、熱界面材料156により放熱部材8と半導体チップ6とを接合する前の状態が示されている。
(3) Ti / Ni / Au / In Thermal Interface Material FIG. 7 is a cross-sectional view for explaining a semiconductor device 118 conventionally manufactured by the inventors. FIG. 7 shows a state before the heat dissipation member 8 and the semiconductor chip 6 are joined by the thermal interface material 156.

熱界面材料156は、Ti層38とNi層40とAu層42とIn層44とがこの順番で積層された積層膜(以下、Ti/Ni/Au/In積層膜と呼ぶ)である。Ti層38とNi層40とAu層42は、スパッタリングにより半導体チップ6の裏面に形成される。In層44は、Au層42上に載置されたIn箔である。Ti層38の厚さは、例えば100nmである。Ni層40の厚さは、例えば300nmである。   The thermal interface material 156 is a laminated film (hereinafter referred to as a Ti / Ni / Au / In laminated film) in which a Ti layer 38, an Ni layer 40, an Au layer 42, and an In layer 44 are laminated in this order. The Ti layer 38, the Ni layer 40 and the Au layer 42 are formed on the back surface of the semiconductor chip 6 by sputtering. The In layer 44 is an In foil placed on the Au layer 42. The thickness of the Ti layer 38 is, for example, 100 nm. The thickness of the Ni layer 40 is, for example, 300 nm.

熱界面材料156(Ti/Ni/Au/In積層膜)の形成後、熱界面材料156上に放熱部材8を載置する。放熱部材8は、例えばCuで形成されたリッドである。放熱部材8の載置後リフローにより、Ni層40とIn層44を接合すると共に放熱部材8とIn層44を接合する。   After formation of the thermal interface material 156 (Ti / Ni / Au / In laminated film), the heat dissipation member 8 is placed on the thermal interface material 156. The heat dissipation member 8 is a lid formed of, for example, Cu. After the heat dissipation member 8 is placed, the Ni layer 40 and the In layer 44 are joined and the heat dissipation member 8 and the In layer 44 are joined by reflow.

Inはリフローにより溶融すると放熱部材8の構成元素(例えば、Cu)と反応して、金属間化合物を生成する。この金属間化合物により、Inと放熱部材8は接着(すなわち、融着)する。しかしInは、シリコン等の半導体とは融着しない。そこで、半導体チップ6とIn層44との間にTi層38とNi層40とAu層42の積層膜(以下、Ti/Ni/Au積層膜と呼ぶ)を設け、Ti層38とNi層40とを介して、半導体チップ6とIn層44を接着する。   When In is melted by reflow, it reacts with a constituent element (for example, Cu) of the heat dissipation member 8 to form an intermetallic compound. By this intermetallic compound, In and the heat dissipation member 8 are bonded (ie, fused). However, In does not fuse with semiconductors such as silicon. Therefore, a laminated film of Ti layer 38, Ni layer 40 and Au layer 42 (hereinafter referred to as Ti / Ni / Au laminated film) is provided between semiconductor chip 6 and In layer 44, and Ti layer 38 and Ni layer 40 are formed. And the semiconductor chip 6 and the In layer 44 are bonded to each other.

InとNiは、良く融着する。しかし、Ni層40の表面が酸化していると、Ni層40とIn層44は融着しない。そこで、Ni層40の上にAu層42を配置して、Ni層40の酸化を抑制する。リフロー等によりIn層44が溶融すると、Au層42はIn層44に吸収されて消失する。従ってAu層42を配置しても、In層44とNi層40の反応は妨げられない。   In and Ni fuse well. However, when the surface of the Ni layer 40 is oxidized, the Ni layer 40 and the In layer 44 do not fuse. Therefore, the Au layer 42 is disposed on the Ni layer 40 to suppress the oxidation of the Ni layer 40. When the In layer 44 is melted by reflow or the like, the Au layer 42 is absorbed by the In layer 44 and disappears. Therefore, even if the Au layer 42 is disposed, the reaction between the In layer 44 and the Ni layer 40 is not hindered.

ところで、TiとInは融着しない。従って半導体チップ6の裏面にTi層38だけを設けても、半導体チップ6と放熱部材8を接合することはできない。一方Niは、TiとInの両方と接着する。そこで、Ti層38の上にNi層40を設けて、Ni層40とIn層44を融着する。   By the way, Ti and In do not fuse. Therefore, even if only the Ti layer 38 is provided on the back surface of the semiconductor chip 6, the semiconductor chip 6 and the heat dissipation member 8 can not be joined. On the other hand, Ni adheres to both Ti and In. Therefore, the Ni layer 40 is provided on the Ti layer 38, and the Ni layer 40 and the In layer 44 are fused.

しかしTiの熱伝導率は、NiやInの熱伝導率より格段に小さい。例えば、Tiの熱伝導率は、17W/m・Kである。Niの熱伝導率は、90W/m・Kである。従って、Ti層を有する図7の半導体装置118には、Ti層38により熱伝導が抑制されるため、集積回路2が発生した熱の放出の効率化に限界あるという問題がある。   However, the thermal conductivity of Ti is much smaller than the thermal conductivity of Ni and In. For example, the thermal conductivity of Ti is 17 W / m · K. The thermal conductivity of Ni is 90 W / m · K. Therefore, in the semiconductor device 118 of FIG. 7 having a Ti layer, the heat conduction is suppressed by the Ti layer 38, and therefore, there is a problem that the efficiency of the heat generated by the integrated circuit 2 is limited.

上述したように、Ti/Ni/Au積層膜は、スパッタリングにより形成する。スパッタリングは、数十分かけて排気したスパッタリング装置を用いて行われる。従って、Ti/Ni/Au積層膜の形成時間は、短くとも1時間程度である。一方、実施の形態1のバリア層110は、メッキ形成が困難なTi層を含まない。このため、実施の形態1のバリア層110は比較的短時間のメッキ(例えば、1800秒)で形成可能である。従って、実施の形態1によれば、In半田等を含む熱界面材料56により半導体チップ6と放熱部材8とを接合した半導体装置18の製造時間を短縮できる。   As described above, the Ti / Ni / Au laminated film is formed by sputtering. Sputtering is performed using a sputtering apparatus evacuated for several minutes. Therefore, the formation time of the Ti / Ni / Au laminated film is about 1 hour at the shortest. On the other hand, the barrier layer 110 of the first embodiment does not include a Ti layer which is difficult to form a plating. Therefore, the barrier layer 110 of the first embodiment can be formed by plating for a relatively short time (for example, 1800 seconds). Therefore, according to the first embodiment, the manufacturing time of the semiconductor device 18 in which the semiconductor chip 6 and the heat dissipation member 8 are joined can be shortened by the thermal interface material 56 containing In solder or the like.

(4)バリア層の特性
図8は、Ni−B層の密着性と半田濡れ性とを示す表(以下、表1と呼ぶ)である。表1の第2列目には、Bを含まない純粋なNiの層(以下、純粋なNi層と呼ぶ)の特性が示されている。
(4) Characteristics of Barrier Layer FIG. 8 is a table (hereinafter referred to as Table 1) showing the adhesion of the Ni-B layer and the solder wettability. The second column of Table 1 shows the characteristics of a pure Ni layer not containing B (hereinafter referred to as a pure Ni layer).

表1の第3列目には、0.3重量%のBを含むNi―B層の特性が示されている。表1の第4列目には、1.0重量%のBを含むNi―B層の特性が示されている。表1の第5列目には、3.0重量%のBを含むNi―B層の特性が示されている。表1の第6列目には、7.0重量%のP(燐)を含むNiの層(以下、Ni−P層と呼ぶ)の特性が示されている。   The third column of Table 1 shows the characteristics of the Ni-B layer containing 0.3 wt% B. The fourth column of Table 1 shows the characteristics of the Ni-B layer containing 1.0 wt% B. The fifth column of Table 1 shows the characteristics of the Ni-B layer containing 3.0 wt% B. The sixth column of Table 1 shows the characteristics of a layer of Ni containing 7.0% by weight of P (phosphorus) (hereinafter referred to as the Ni-P layer).

B及びPの濃度は、ICP−AES(Inductively Coupled Plasma AugerElectron Spectroscopy)により測定した。各列のNi系金属層(純粋なNi層、Ni−B層、Ni−P層)は、Bがドーピングされたシリコン基板(以下、BドープSi基板と呼ぶ)上に無電解メッキにより成長した厚さ3μmの金属層である。Si基板のB濃度は、1013〜1017cm−3である。この範囲内であれば各Ni系金属層の評価結果(表1の特性)は、Si基板のB濃度に依存しなかった。 The concentrations of B and P were measured by ICP-AES (Inductively Coupled Plasma Auger Electron Spectroscopy). The Ni-based metal layer (pure Ni layer, Ni-B layer, Ni-P layer) of each row was grown by electroless plating on a silicon substrate doped with B (hereinafter referred to as B-doped Si substrate) It is a 3 μm thick metal layer. The B concentration of the Si substrate is 10 13 to 10 17 cm −3 . If it is in this range, the evaluation result (characteristics of Table 1) of each Ni-based metal layer did not depend on the B concentration of the Si substrate.

表1の2行目には、BドープSi基板とNi系金属層の密着性が示されている。「×」は、成長したNi系金属層がBドープSi基板から剥離したことを示している。「○」は、成長したNi系金属層がBドープSi基板から剥離しなかったことを示している。「△」は、成長したNi系金属層が剥離する場合と剥離しない場合の両方があったことを示している。   The second row of Table 1 shows the adhesion between the B-doped Si substrate and the Ni-based metal layer. “X” indicates that the grown Ni-based metal layer was peeled off from the B-doped Si substrate. “○” indicates that the grown Ni-based metal layer did not peel from the B-doped Si substrate. "(Triangle | delta)" has shown that the case where the grown Ni type metal layer exfoliated, and the case where it did not exfoliate were both.

表1の3行目には、Ni系金属層の半田濡れ性が示されている。「×」は、溶融したInがNi系金属層に弾かれて、Ni系金属層の一部または全面を覆わないことを示している。「○」は、溶融したInがNi系金属層の略全面を覆うことを示している。Inを溶融する条件は、「(2)製造方法」で説明したリフローの条件(180℃、60秒)と同じである。   The third row of Table 1 shows the solder wettability of the Ni-based metal layer. “×” indicates that molten In is repelled by the Ni-based metal layer and does not cover a part or the entire surface of the Ni-based metal layer. "(Circle)" has shown that fuse | melted In covers substantially the whole surface of Ni-type metal layer. The conditions for melting In are the same as the conditions for reflow (180 ° C., 60 seconds) described in “(2) Manufacturing method”.

1.0重量%または3.0重量%のBを含むNi−B層の半田濡れ性の評価には、BドープSi基板上に0.3重量%のNi−B層を介して成長したメッキ層(例えば、1.0重量%のNi−B層)を用いた。純粋なNi層およびNi−P層の半田濡れ性の評価には、Si基板上にTi層を介して成長したメッキ層(例えば、純粋なNi層)を用いた。   To evaluate the solderability of Ni-B layers containing 1.0 wt% or 3.0 wt% B, plating grown on B-doped Si substrate via 0.3 wt% Ni-B layers A layer (e.g., a 1.0 wt% Ni-B layer) was used. The plated layer (for example, pure Ni layer) grown through the Ti layer on the Si substrate was used to evaluate the solder wettability of the pure Ni layer and the Ni-P layer.

(4−1)密着性
表1の2列目2行に示すように、純粋なNi層はBドープSi基板に密着しない。表1には示していないが、純粋なNi層は、Bドープ以外のSi基板(例えば、PドープSi基板やノンドープSi基板)にも密着しない。
(4-1) Adhesion As shown in the second column and the second row of Table 1, a pure Ni layer does not adhere to a B-doped Si substrate. Although not shown in Table 1, the pure Ni layer does not adhere to Si substrates other than B-doped (for example, P-doped Si substrates and non-doped Si substrates).

表1の3〜4列目の2行目に示すように、B濃度が0.3重量%以上の場合、Ni―B層はBドープSi基板に密着する。すなわち、Ni−B層とBドープSi基板の密着性は良好である。   As shown in the second row of the third to fourth columns of Table 1, when the B concentration is 0.3% by weight or more, the Ni-B layer adheres to the B-doped Si substrate. That is, the adhesion between the Ni-B layer and the B-doped Si substrate is good.

ただし、B濃度が1.0重量%を超えると、Ni―B層はBドープSi基板に密着し難くなる(表1の5列目の2行目参照)。従って、バリア層10の好ましいB濃度の範囲は、0.3重量%以上1.0重量%以下である。更に好ましいB濃度の範囲は、0.4重量%以上0.9重量%以下である。最も好ましいB濃度の範囲は、0.5重量%以上0.8重量%以下である。   However, when the B concentration exceeds 1.0% by weight, the Ni--B layer hardly adheres to the B-doped Si substrate (see the second row of the fifth column in Table 1). Therefore, the preferable B concentration range of the barrier layer 10 is 0.3% by weight or more and 1.0% by weight or less. A further preferable B concentration range is 0.4% by weight or more and 0.9% by weight or less. The most preferable range of B concentration is 0.5% by weight or more and 0.8% by weight or less.

図9は、Si基板50とNi−B層52の界面46の近傍の原子レベルの構造を説明する図である。図9中の元素記号(例えば、「Si」)は、当該元素記号に対応する元素の原子(例えば、Si原子)を表している。図10等についても、同様である。元素記号間の線分48は、線分48の両端に接する原子同士が結合していることを示している。   FIG. 9 is a view for explaining the atomic level structure near the interface 46 between the Si substrate 50 and the Ni-B layer 52. As shown in FIG. The elemental symbol (for example, "Si") in FIG. 9 represents an atom (for example, a Si atom) of the element corresponding to the elemental symbol. The same applies to FIG. A line segment 48 between elemental symbols indicates that atoms in contact with both ends of the line segment 48 are bonded to each other.

図9に示すように、Ni原子とSi原子は結合しない。従って、純粋なNi層とSi基板は密着しない。一方Ni原子は、B原子とは結合する。従ってSi基板50がB原子を含む場合、Si基板50中のB原子54(図9参照)とNi−B層52中のB原子154とが結合する。この結合により、Si基板50とNi−B層52が堅く接着する(すなわち、密着)する。   As shown in FIG. 9, Ni atoms and Si atoms do not bond. Therefore, the pure Ni layer and the Si substrate do not adhere to each other. On the other hand, Ni atoms bond to B atoms. Therefore, when the Si substrate 50 contains B atoms, B atoms 54 (see FIG. 9) in the Si substrate 50 and B atoms 154 in the Ni—B layer 52 are bonded. By this bonding, the Si substrate 50 and the Ni-B layer 52 adhere tightly (that is, adhere).

表1(図8参照)には、Ni−P層の密着性も示されている。表1に示されているように、Ni−P層はBドープSi基板に密着しない。表1には示されていないが、Ni−P層はBドープ以外のSi基板にも密着しない。   Table 1 (see FIG. 8) also shows the adhesion of the Ni-P layer. As shown in Table 1, the Ni-P layer does not adhere to the B-doped Si substrate. Although not shown in Table 1, the Ni-P layer does not adhere to Si substrates other than B-doped.

なお、表1のNi−P層のP濃度は7.0重量%である。これは、3.0重量%以下のNi−P層を、無電解メッキにより形成することが困難なためである。   In addition, P density | concentration of Ni-P layer of Table 1 is 7.0 weight%. This is because it is difficult to form an Ni-P layer of 3.0% by weight or less by electroless plating.

―Ni―B層の成長―
図10は、Ni−B層の成長を説明する図である。
-Growth of Ni-B layer-
FIG. 10 is a diagram for explaining the growth of the Ni-B layer.

無電解メッキ液58(以下、メッキ液と呼ぶ)にSi基板50の裏面が接触すると、Si基板50裏面に露出したB原子54にメッキ液58中のB原子(またはBイオン、以下同様)254が結合する。このB原子254にメッキ液中のNi原子(またはNiイオン、以下同様)60が順次結合して、Ni−B層が成長する。このため、Si基板50の裏面に結合したB原子254を核として、Ni−B層が成長する。   When the back surface of the Si substrate 50 comes in contact with the electroless plating solution 58 (hereinafter referred to as a plating solution), B atoms 54 exposed on the back surface of the Si substrate 50 are B atoms (or B ions in the plating solution 58) 254 Joins. A Ni atom (or Ni ion, hereinafter the same) 60 in the plating solution is sequentially bonded to the B atom 254 to grow a Ni-B layer. Therefore, the Ni—B layer grows with the B atom 254 bonded to the back surface of the Si substrate 50 as a nucleus.

B原子245はSi基板50の裏面全体に、一つずつ均一に結合する。すると、Si基板50の裏面全体に、大きさの揃った核が均一に形成される。これらの核から、下地から剥離し難い均一でムラのないNi−B層が成長し、Si基板50に密着する。   The B atoms 245 are uniformly bonded to the entire back surface of the Si substrate 50 one by one. Then, nuclei of uniform size are uniformly formed on the entire back surface of the Si substrate 50. From these nuclei, a uniform, non-uniform Ni-B layer that hardly peels off from the base grows and adheres to the Si substrate 50.

B濃度が1.0重量%以下のNi−B膜(表1参照)は、このようなメカニズムにより、Si基板50から剥離せずに密着すると考えられる。   It is thought that a Ni-B film (see Table 1) having a B concentration of 1.0 wt% or less adheres to the Si substrate 50 without peeling from the Si substrate 50 by such a mechanism.

―Ni―B層の剥離―
図11は、Ni−B層の剥離を説明する図である。メッキ液58の水素イオン濃度が低下すると、メッキ液58中からB原子が析出し易くなる。すると、Si基板50に結合したB原子254に別のB原子354が更に結合して、B原子254,354の塊64(図11参照)が発生する。このB原子の塊64を核として、B濃度が高いNi−B層が成長する。
-Peeling of Ni-B layer-
FIG. 11 is a view for explaining the peeling of the Ni-B layer. When the concentration of hydrogen ions in the plating solution 58 decreases, B atoms are likely to precipitate out of the plating solution 58. Then, another B atom 354 is further bonded to the B atom 254 bonded to the Si substrate 50 to generate a mass 64 of B atoms 254 and 354 (see FIG. 11). A Ni-B layer having a high B concentration grows with the B atom clusters 64 as nuclei.

塊64に含まれるB原子の数は、一定ではなく変動する。その結果、Si基板50の裏面には、大きさの不揃いな核が多数生成する。これらの核からは、下地から剥離し易い不均一でムラの有るNi−B層が成長する。   The number of B atoms contained in the mass 64 is not constant but fluctuates. As a result, a large number of irregular nuclei of size are generated on the back surface of the Si substrate 50. From these nuclei, a non-uniform and uneven Ni-B layer which easily peels off from the substrate grows.

B濃度の増加は更に、Ni−B層の内部応力を増大させる。従って、B濃度が高いNi−B層は、Si基板50から更に剥離し易くなる。   Increasing the B concentration further increases the internal stress of the Ni-B layer. Therefore, the Ni-B layer having a high B concentration is further easily peeled off from the Si substrate 50.

従って、Ni−B層52(図9参照)のB濃度が増加するほど、Ni−B層52をSi基板50から剥離しようとする力が増大する。最終的に、Ni−B層を剥離しようとする力がSi基板50とNi−B層52を密着させているB原子54,154同士の結合力を上回ると、Si基板50からNi−B層52が剥離する。   Therefore, as the B concentration in the Ni-B layer 52 (see FIG. 9) increases, the force to peel the Ni-B layer 52 from the Si substrate 50 increases. Finally, when the force to peel off the Ni-B layer exceeds the bonding force between B atoms 54 and 154 which make the Si substrate 50 and the Ni-B layer 52 adhere, the Si substrate 50 to the Ni-B layer 52 peels off.

B濃度が1.0重量%より大きいNi−B層(表1参照)は、このようなメカニズムによりSi基板50から剥離すると考えられる。   A Ni-B layer (see Table 1) having a B concentration of greater than 1.0 wt% is considered to be peeled off from the Si substrate 50 by such a mechanism.

ところで、基板としてPドープSi基板を用いると、PドープSi基板のP原子とNi−P層のP原子が結合して、PドープSi基板とNi−P層が密着するようにも思われる。   By the way, when a P-doped Si substrate is used as a substrate, P atoms of the P-doped Si substrate and P atoms of the Ni-P layer are bonded to each other, and it seems that the P-doped Si substrate and the Ni-P layer are in close contact.

しかしNi−P層は、PドープSi基板に密着しない。これは、P濃度が3.0重量%以下のNi−P層の形成が困難なためと考えられる。   However, the Ni-P layer does not adhere to the P-doped Si substrate. This is considered to be because formation of a Ni-P layer whose P concentration is 3.0% by weight or less is difficult.

P濃度が3.0重量%を超えるNi−P層は、不均一で内部応力が大きいと考えられる。このようなNi−P層は、PドープSi基板から剥離し易く、PドープSi基板に密着しない。   A Ni-P layer having a P concentration of more than 3.0% by weight is considered to be nonuniform and to have a large internal stress. Such a Ni-P layer is easily peeled off from the P-doped Si substrate and does not adhere to the P-doped Si substrate.

(4−2)熱抵抗
「(4−1)密着性」で説明したように、Ni―B層は、BドープSi基板に密着する。このため、Ni−B層であるバリア層10(図3参照)と、半導体チップ6の裏面側のBがドーピングされた半導体4とは密着する。このため実施の形態1では、バリア層10と半導体チップ6の間に、Ti層は設けられない。
(4-2) Thermal Resistance As described in “(4-1) Adhesion”, the Ni—B layer adheres to the B-doped Si substrate. Therefore, the barrier layer 10 (see FIG. 3), which is a Ni—B layer, adheres closely to the semiconductor 4 doped with B on the back surface side of the semiconductor chip 6. Therefore, in the first embodiment, the Ti layer is not provided between the barrier layer 10 and the semiconductor chip 6.

Tiの熱伝導率(17W/m・K)は、NiおよびNi―Bの熱伝導率(90W/m・K)の約1/4である。このため実施の形態1の熱界面部材14の熱抵抗は、Ti層38(図7参照)を有する熱界面材料156の熱抵抗より小さい。従って、実施の形態1によれば、低融点金属(例えば、In)を含む熱界面材料により半導体チップ6と放熱部材8とを接合する半導体装置の放熱効率を改善することができる。   The thermal conductivity (17 W / m · K) of Ti is about 1⁄4 of the thermal conductivity (90 W / m · K) of Ni and Ni-B. Therefore, the thermal resistance of the thermal interface member 14 of the first embodiment is smaller than the thermal resistance of the thermal interface material 156 having the Ti layer 38 (see FIG. 7). Therefore, according to the first embodiment, the heat dissipation efficiency of the semiconductor device in which the semiconductor chip 6 and the heat dissipation member 8 are joined can be improved by the thermal interface material containing the low melting point metal (for example, In).

今、熱界面材料156(図7参照)のTi層38およびNi層40の厚さを夫々、100nmおよび200nmとする。この場合、熱界面材料156の下地部分(Ti層38とNi層40の積層膜)の熱抵抗は、8.1×10−9・K/W(=100×10−9/17+200×10−9/90)である。 Now, the thicknesses of the Ti layer 38 and the Ni layer 40 of the thermal interface material 156 (see FIG. 7) are set to 100 nm and 200 nm, respectively. In this case, the thermal resistance of the base portion of the thermal interface material 156 (the laminated film of the Ti layer 38 and the Ni layer 40) is 8.1 × 10 −9 m 2 · K / W (= 100 × 10 −9 / 17 + 200 × 10 −9 / 90).

一方、実施の形態1の熱界面部材14の下地部分(バリア層10)の熱抵抗は、バリア層10の厚さが200nmの場合、2.2×10−9・K/W(=200×10−9/90)である。この例では、実施の形態1の熱界面部材14の下地部分の熱抵抗は、Ti層38を有する熱界面材料156の下地部分の熱抵抗の約1/4である。このように、実施の形態1によれば、半導体チップ6と放熱部材8とを低融点金属(例えば、In)を含む熱界面材料で接合する半導体装置の放熱効率を改善することができる。 On the other hand, when the thickness of the barrier layer 10 is 200 nm, the thermal resistance of the base portion (barrier layer 10) of the thermal interface member 14 of the first embodiment is 2.2 × 10 −9 m 2 · K / W (= 200 × 10 −9 / 90). In this example, the thermal resistance of the base portion of the thermal interface member 14 of Embodiment 1 is about 1⁄4 of the thermal resistance of the base portion of the thermal interface material 156 having the Ti layer 38. As described above, according to the first embodiment, it is possible to improve the heat dissipation efficiency of a semiconductor device in which the semiconductor chip 6 and the heat dissipation member 8 are joined by a thermal interface material containing a low melting point metal (for example, In).

ところで、Ti層38(図7参照)を薄くすれば、熱界面材料156の熱抵抗は小さくなる。しかし、Ti層38を薄くし過ぎると、Ni層40と半導体チップ6が密着し難くなる。具体的には、Ti層38が100nm未満の場合、Ni層40と半導体チップ6は密着し難くなる。   By the way, if the Ti layer 38 (see FIG. 7) is thinned, the thermal resistance of the thermal interface material 156 is reduced. However, if the Ti layer 38 is made too thin, it will be difficult for the Ni layer 40 and the semiconductor chip 6 to be in close contact. Specifically, when the Ti layer 38 is less than 100 nm, the Ni layer 40 and the semiconductor chip 6 do not easily adhere to each other.

(4−3)半田濡れ性
表1の2列目の3行目に示すように、純粋なNi層の半田濡れ性は低い。純粋なNiは酸化され易く、表面は酸化膜で覆われている。この酸化膜が溶融したInを弾くため、Ni層は溶融したInに濡れない。
(4-3) Solder wettability As shown in the third row of the second column of Table 1, the solder wettability of a pure Ni layer is low. Pure Ni is easily oxidized, and the surface is covered with an oxide film. Since the oxide film repels molten In, the Ni layer does not get wet with the molten In.

一方、Ni−B層の半田濡れ性は、表1の3〜5列目の3行目に示すように、良好である。従って、Ni−B層であるバリア層110(図6参照)は、Au層で覆われなくても、Inと融着する。ただし、バリア層110に接合材34を確実に融着するため、バリア層110をAu層で覆ってもよい。   On the other hand, the solder wettability of the Ni-B layer is good as shown in the third row of the third to fifth columns of Table 1. Therefore, the barrier layer 110 (see FIG. 6), which is a Ni-B layer, fuses with In even if it is not covered with the Au layer. However, in order to ensure that the bonding material 34 is fused to the barrier layer 110, the barrier layer 110 may be covered with an Au layer.

但しNi―B層のB濃度が高すぎる場合(例えば、B濃度が10%の場合)には、Ni―B層はInに濡れない。実施の形態1では、Ni―B層であるバリア層110のB濃度は例えば0.5重量%である。B濃度がこの程度であれば、Ni―B層の半田濡れ性は十分に確保される。   However, when the B concentration of the Ni-B layer is too high (for example, when the B concentration is 10%), the Ni-B layer does not get wet with In. In the first embodiment, the B concentration of the barrier layer 110 which is a Ni-B layer is, for example, 0.5% by weight. If the B concentration is this level, the solder wettability of the Ni-B layer is sufficiently ensured.

表1の6列目の3行目には、Ni−Pの半田濡れ性も示されている。表1に示すように、Ni−Pの半田濡れ性は、純粋なNiと同様低い。   The third row of the sixth column in Table 1 also shows the solder wettability of Ni-P. As shown in Table 1, the solder wettability of Ni-P is as low as pure Ni.

(4−4)半田バリア性
低融点金属(例えば、In)は、バリア層と反応して金属間化合物を生成して、バリア層に接着する。しかし、金属間化合物が過度に生成されると、バリア層が全て低融点金属と反応し、金属間化合物と半導体チップ(または、Ti層)が直接接触する。すると金属間化合物は、半導体チップから剥離してしまう。従って、金属間化合物と半導体チップの接触を抑制する能力(以下、半田バリア性と呼ぶ)は、バリア層にとって重要である。
(4-4) Solder barrier property The low melting point metal (for example, In) reacts with the barrier layer to form an intermetallic compound and adheres to the barrier layer. However, when the intermetallic compound is excessively formed, all the barrier layers react with the low melting point metal, and the intermetallic compound and the semiconductor chip (or Ti layer) are in direct contact. Then, the intermetallic compound peels off from the semiconductor chip. Therefore, the ability to suppress the contact between the intermetallic compound and the semiconductor chip (hereinafter referred to as solder barrier property) is important for the barrier layer.

バリア層としてNi―B層を用いると、金属間化合物が生成される際、BがNi−B層に掃出(析出)される。金属間化合物の生成が途中で止まらずにNi−B層が全て金属間化合物に変化すると、大量のBが金属間化合物と半導体チップの間に掃出されて、Bの偏析層が形成される。   When an Ni—B layer is used as a barrier layer, B is swept out (deposited) on the Ni—B layer when an intermetallic compound is formed. When the formation of the intermetallic compound does not stop midway and all the Ni-B layer changes to an intermetallic compound, a large amount of B is swept out between the intermetallic compound and the semiconductor chip to form a B segregation layer. .

すると金属間化合物は、Bの偏析層に阻まれて半導体チップには接触できない。従ってNi−B層が略全て低融点金属と反応しても、低位融点金属とNi−B層の金属間化合物は、半導体チップから剥離しない。このような偏析層の形成は、EPMA(Electron Probe MicroAnalyser)により確認されている。   Then, the intermetallic compound is blocked by the segregation layer of B and can not contact the semiconductor chip. Therefore, even if the Ni-B layer reacts almost all with the low melting point metal, the intermetallic compounds of the low melting point metal and the Ni-B layer do not peel off from the semiconductor chip. The formation of such a segregation layer is confirmed by EPMA (Electron Probe MicroAnalyzer).

一方、バリア層として純粋なNi層を用いると、金属間化合物が半導体チップ(正確には、半導体チップの裏面に設けたTi層)に接触して、半導体チップから剥離してしまう。   On the other hand, when a pure Ni layer is used as the barrier layer, the intermetallic compound comes in contact with the semiconductor chip (precisely, the Ti layer provided on the back surface of the semiconductor chip) and peels off from the semiconductor chip.

このため、バリア層としてNi−B層を設ける実施の形態1によれば、Ti/Ni/Au/In熱界面材料(TIM)を用いる場合より、リフローやその後の経時変化による熱界面材料の剥離は起き難い。以下、図面を参照して、純粋なNi層の半田バリア性とNi−B層の半田バリア性を詳しく説明する。   For this reason, according to Embodiment 1 in which the Ni-B layer is provided as the barrier layer, peeling of the thermal interface material due to reflow or subsequent time-dependent change is more than in the case of using the Ti / Ni / Au / In thermal interface material (TIM). It is hard to happen. The solder barrier property of the pure Ni layer and the solder barrier property of the Ni-B layer will be described in detail below with reference to the drawings.

―純粋なNi層の半田バリア性―
図12〜14は、純粋なNi層の半田バリア性を説明する図である。
-Solder barrier property of pure Ni layer-
12-14 is a figure explaining the solder barrier property of a pure Ni layer.

今、図12(a)に示すように半導体チップ6の裏面に、Ti層38を有する熱界面材料156を形成した場合を考える。熱界面材料156は、Ti/Ni/Au/In積層膜である(「(3)Ti/Ni/Au/In熱界面材料」参照)。   Now, consider the case where a thermal interface material 156 having a Ti layer 38 is formed on the back surface of the semiconductor chip 6 as shown in FIG. 12 (a). The thermal interface material 156 is a Ti / Ni / Au / In laminated film (see “(3) Ti / Ni / Au / In thermal interface material”).

熱界面材料156上に放熱部材(図示せず)を載置し、リフロー等によりIn層44を溶融すると、InとNiが反応してIn層44とNi層40の間にInとNiの金属間化合物236(図12(b)参照)が生成される。この金属間化合物236により、In層44とNi層40とが接着する。同様に、放熱部材の構成元素(例えば、Cu)とInとが反応して金属間化合物(図示せず)が生成され、放熱部材とIn層44が接着する。   When a heat dissipation member (not shown) is placed on the thermal interface material 156 and the In layer 44 is melted by reflow or the like, In and Ni react to form a metal of In and Ni between the In layer 44 and the Ni layer 40. An intermediate compound 236 (see FIG. 12 (b)) is produced. By this intermetallic compound 236, the In layer 44 and the Ni layer 40 adhere to each other. Similarly, a constituent element (for example, Cu) of the heat dissipation member reacts with In to generate an intermetallic compound (not shown), and the heat dissipation member and the In layer 44 adhere to each other.

半導体装置の完成後、半導体チップ6の集積回路2を動作させると、熱界面材料156は集積回路2が発生する熱に曝される。すると、InとNiの金属間化合物236は徐々に成長して、Ni層40を浸食する。半導体チップ6を長期間使用し続けると、最終的には金属間化合物236がTi層38に到達する(図13(a)参照)。すると、熱界面材料156のうちTi層38以外の部分が、半導体チップ6から剥離する(図13(b)参照)。   When the integrated circuit 2 of the semiconductor chip 6 is operated after completion of the semiconductor device, the thermal interface material 156 is exposed to the heat generated by the integrated circuit 2. Then, the intermetallic compound 236 of In and Ni gradually grows to erode the Ni layer 40. When the semiconductor chip 6 is used for a long time, the intermetallic compound 236 finally reaches the Ti layer 38 (see FIG. 13A). Then, portions of the thermal interface material 156 other than the Ti layer 38 are peeled off from the semiconductor chip 6 (see FIG. 13B).

図14は、図12(a)中の領域Bの原子レベルの構造を説明する図である。リフロー前の熱界面材料156では、Ni層40(図14参照)中のNi原子とTi層38中のTi原子と間に、界面146を跨ぐ結合が生成されている。この結合により、Ni層40とTi層38が接着する。   FIG. 14 is a diagram for explaining the atomic level structure of the region B in FIG. 12 (a). In the thermal interface material 156 before reflow, a bond is formed across the interface 146 between the Ni atoms in the Ni layer 40 (see FIG. 14) and the Ti atoms in the Ti layer 38. This bonding causes the Ni layer 40 and the Ti layer 38 to adhere.

図15は、図13(a)中の領域Cの原子レベルの構造を説明する図である。図15に示すように、剥離直前の熱界面材料156(図13(a)参照)では、金属間化合物236の構成元素としてのIn原子がTi層38に到達して、Ti原子と結合していたNi原子と置き換わる。In原子はTi原子とは結合しないので、界面246を跨ぐ結合が減少して、熱界面材料156がTi層38から剥離し易くなる。その結果、図13(b)に示すように、熱界面材料156のうちTi層38以外の部分が、半導体チップ6から剥離する。すなわち、Ni層のバリア性は完全ではない。   FIG. 15 is a view for explaining the atomic level structure of the region C in FIG. 13 (a). As shown in FIG. 15, in the thermal interface material 156 (see FIG. 13A) immediately before peeling, In atoms as constituent elements of the intermetallic compound 236 reach the Ti layer 38 and are bonded to the Ti atoms. Replace the Ni atom. Since the In atoms do not bond to the Ti atoms, the bonds across the interface 246 are reduced, and the thermal interface material 156 is easily peeled off from the Ti layer 38. As a result, as shown in FIG. 13B, the portion of the thermal interface material 156 other than the Ti layer 38 is peeled off from the semiconductor chip 6. That is, the barrier properties of the Ni layer are not perfect.

―Ni―B層の半田バリア性―
図16〜17は、Ni―B層の半田バリア性を説明する図である。今、図16(a)に示すように、熱界面材料56を半導体チップ6の裏面に形成した場合を考える。熱界面材料56は、Ni−B層52とIn層44の積層膜である。
-Solder barrier property of Ni-B layer-
16 to 17 illustrate the solder barrier properties of the Ni-B layer. Now, consider the case where the thermal interface material 56 is formed on the back surface of the semiconductor chip 6 as shown in FIG. The thermal interface material 56 is a laminated film of the Ni-B layer 52 and the In layer 44.

熱界面材料56上に放熱部材(図示せず)を載置し、リフロー等によりIn層44を溶融すると、InとNiが反応してIn層44とNi―B層52の間にInとNiの金属間化合物236(図16(b)参照)が生成される。この金属間化合物236により、In層44とNi―B層52とが接着する。Ni−B層52に含まれるB原子は、金属間化合物236には取り込まれず、Ni−B層52に掃出される。同様に、放熱部材の構成元素(例えば、Cu)とInとが反応して金属間化合物(図示せず)が生成され、放熱部材とIn層44が接着する。   When a heat dissipation member (not shown) is placed on the thermal interface material 56 and the In layer 44 is melted by reflow or the like, the In and Ni react to form In and Ni between the In layer 44 and the Ni-B layer 52. The intermetallic compound 236 (see FIG. 16 (b)) is formed. By this intermetallic compound 236, the In layer 44 and the Ni-B layer 52 adhere to each other. The B atoms contained in the Ni-B layer 52 are not taken into the intermetallic compound 236 and are swept out to the Ni-B layer 52. Similarly, a constituent element (for example, Cu) of the heat dissipation member reacts with In to generate an intermetallic compound (not shown), and the heat dissipation member and the In layer 44 adhere to each other.

半導体装置18の完成後、半導体チップ6の集積回路2を動作させると、熱界面材料56は集積回路2が発生する熱に曝される。すると、InとNiの金属間化合物236が徐々に成長して、Ni−B層52を浸食する。半導体チップ6を長期間使用し続けると、最終的にはNi−B層52は略全て金属間化合物236に変化する(図17参照)。更に、金属間化合物236から掃出されたB原子が金属間化合物236と半導体4の間に蓄積して、Bが偏析した層(以下、偏析層66と呼ぶ)が生成される。InはBとは反応しないので、In原子は偏析層66に進行を阻まれて、半導体チップ6には接触できない。従って半導体チップ6を長期間使用し続けても、金属間化合物236は半導体チップ6から殆ど剥離しない。従って、Ni−B層のバリア性は、純粋なNi層より高い。偏析層66は例えば、NiB等を含むB濃度が高い層である。 When the integrated circuit 2 of the semiconductor chip 6 is operated after completion of the semiconductor device 18, the thermal interface material 56 is exposed to the heat generated by the integrated circuit 2. Then, the intermetallic compound 236 of In and Ni gradually grows to erode the Ni-B layer 52. When the semiconductor chip 6 is used for a long time, finally, the Ni-B layer 52 almost completely changes to the intermetallic compound 236 (see FIG. 17). Furthermore, the B atoms swept out of the intermetallic compound 236 accumulate between the intermetallic compound 236 and the semiconductor 4 to form a layer in which B is segregated (hereinafter referred to as a segregated layer 66). Since In does not react with B, In atoms can not be advanced by the segregation layer 66 and can not contact the semiconductor chip 6. Therefore, even if the semiconductor chip 6 is used for a long time, the intermetallic compound 236 hardly peels off the semiconductor chip 6. Thus, the barrier properties of Ni-B layers are higher than pure Ni layers. The segregation layer 66 is a layer having a high B concentration containing, for example, Ni 2 B and the like.

実施の形態1のバリア層10は、半田バリア性が純粋なNi層より高いNi−B層である。従って、実施の形態1のバリア層10は、Ti/Ni/Au/In熱界面材料156(図7参照)のNi層40(バリア層)より薄くてもよい。従って、実施の形態1によれば、バリア層の薄層化が可能である。バリア層を薄層化することで、実施の形態1の熱界面部材14の熱抵抗は更に低くなる。   The barrier layer 10 of the first embodiment is a Ni-B layer higher in solder barrier property than a pure Ni layer. Therefore, the barrier layer 10 of the first embodiment may be thinner than the Ni layer 40 (barrier layer) of the Ti / Ni / Au / In thermal interface material 156 (see FIG. 7). Therefore, according to the first embodiment, thinning of the barrier layer is possible. By thinning the barrier layer, the thermal resistance of the thermal interface member 14 of the first embodiment is further reduced.

(5)変形例
図18は、実施の形態1の変形例318を説明する図である。
(5) Modification FIG. 18 is a view for explaining a modification 318 of the first embodiment.

図3を参照して説明した例ではバリア層10全体が、B濃度が一定のNi−B層である。しかし、バリア層10のうち半導体4に接する第1領域68a(図18参照)がBとNiを含み、第1領域68a上の第2領域68bは例えばNiだけを含む領域(すなわち、純粋なNi層)であってもよい。   In the example described with reference to FIG. 3, the entire barrier layer 10 is a Ni—B layer having a constant B concentration. However, in the barrier layer 10, the first region 68a (see FIG. 18) in contact with the semiconductor 4 includes B and Ni, and the second region 68b on the first region 68a includes, for example, only Ni (ie, pure Ni Layer).

このような場合でも、半導体4に接する第1領域68aがBを含むのでバリア層10は半導体4に密着する。従ってこの場合も、Ti層38を設けずに、熱界面部材14の熱抵抗を小さくすることができる。   Even in such a case, the barrier layer 10 adheres to the semiconductor 4 because the first region 68 a in contact with the semiconductor 4 contains B. Therefore, also in this case, the thermal resistance of the thermal interface member 14 can be reduced without providing the Ti layer 38.

変形例318のバリア層310は、半導体4に接する第1領域68aが、BとNiを含む層である。第1領域68a上の第2領域68bは、接合材34と接合する領域であれば、第1領域68aと組成が異なる領域であってもよい。   In the barrier layer 310 of the modification 318, the first region 68a in contact with the semiconductor 4 is a layer including B and Ni. The second region 68 b on the first region 68 a may be a region different in composition from the first region 68 a as long as it is a region to be joined to the bonding material 34.

第2領域68bは例えば、純粋なNiの領域であってもよい。第2領域68bは、第1領域68aより低濃度のBを含むNi−Bの領域であってもよい。第2領域68bは、Cuの領域であってもよい。変形例318は、図5を参照して説明したバリア層110の代わりに、半導体4に接する領域68aがNiとBとを含むバリア層310を形成することで製造できる。   The second region 68 b may be, for example, a pure Ni region. The second region 68b may be a region of Ni-B containing B at a lower concentration than the first region 68a. The second region 68 b may be a Cu region. The modification 318 can be manufactured by forming the barrier layer 310 in which the region 68a in contact with the semiconductor 4 includes Ni and B, instead of the barrier layer 110 described with reference to FIG.

第1領域68aの好ましいB濃度は、図3を参照して説明したバリア層110の好ましいB濃度と同じある。すなわち、第1領域68aの好ましいB濃度の範囲は、0.3重量%以上1.0重量%以下である。更に好ましいB濃度の範囲は、0.4重量%以上0.9重量%以下である。最も好ましいB濃度の範囲は、0.5重量%以上0.8重量%以下である。   The preferred B concentration of the first region 68a is the same as the preferred B concentration of the barrier layer 110 described with reference to FIG. That is, the preferable B concentration range of the first region 68a is 0.3% by weight or more and 1.0% by weight or less. A further preferable B concentration range is 0.4% by weight or more and 0.9% by weight or less. The most preferable range of B concentration is 0.5% by weight or more and 0.8% by weight or less.

(6)応用例
実施の形態1の半導体装置18は好ましくは、発熱量が大きい半導体チップ6を有する。具体的には半導体チップ6は、CPU、グラフィックカードおよびメモリ等の集積回路2を有する半導体素子である。半導体装置18は例えば、サーバやスーパー・コンピュータの回路基板(例えば、システムボード)に搭載される。
(6) Application Example The semiconductor device 18 of the first embodiment preferably includes the semiconductor chip 6 having a large amount of heat generation. Specifically, the semiconductor chip 6 is a semiconductor element having an integrated circuit 2 such as a CPU, a graphic card, and a memory. The semiconductor device 18 is mounted on, for example, a circuit board (for example, a system board) of a server or a super computer.

以上の例では、接合材34(半田)はInである。しかし接合材34は、In以外の低融点金属であってもよい。接合材34は例えば、InとAgを含む合金(すなわち、In−Ag合金)であってもよい。Agの濃度は例えば、1重量%以上10重量%以下である。   In the above example, the bonding material 34 (solder) is In. However, the bonding material 34 may be a low melting point metal other than In. The bonding material 34 may be, for example, an alloy containing In and Ag (i.e., an In-Ag alloy). The concentration of Ag is, for example, 1% by weight or more and 10% by weight or less.

接合材34はSnや、SnとAgの合金であってもよい。これらの接合材(半田)に対してもNi−B層は、高い半田バリア性と高い半田濡れ性とを有する。   The bonding material 34 may be Sn or an alloy of Sn and Ag. The Ni-B layer also has high solder barrier properties and high solder wettability with respect to these bonding materials (solder).

以上のように、実施の形態1のバリア層10,310は半導体4に接すると共に、少なくとも半導体4に接する領域がNiとBを含むバリア層である。このNiとBを含む領域により、バリア層10は半導体4に密着する。従って、バリア層10と半導体チップ6の間に、Ti層は設けられない。故に実施の形態1によれば、低融点金属(例えば、In)を含む熱界面材料により半導体チップと放熱部材とを接合した半導体装置の放熱効率を向上させることができる。   As described above, the barrier layers 10 and 310 of the first embodiment are in contact with the semiconductor 4 and at least a region in contact with the semiconductor 4 is a barrier layer containing Ni and B. The barrier layer 10 adheres to the semiconductor 4 by the region containing Ni and B. Therefore, no Ti layer is provided between the barrier layer 10 and the semiconductor chip 6. Therefore, according to the first embodiment, the heat dissipation efficiency of the semiconductor device in which the semiconductor chip and the heat dissipation member are joined can be improved by the thermal interface material containing the low melting point metal (for example, In).

また、Ni−B層はNi層より半田バリア性が高いので、実施の形態1によれば、リフローや経時変化による熱界面部材14(図3参照)の剥離を抑制できる。   In addition, since the Ni-B layer has a higher solder barrier property than the Ni layer, according to the first embodiment, it is possible to suppress peeling of the thermal interface member 14 (see FIG. 3) due to reflow or aging.

(実施の形態2)
実施の形態2は、バリア層が表面側の領域で高いB濃度を有する点で実施の形態1と相違する。その他の点では、実施の形態2は実施の形態1と略同じである。従って、実施の形態1と同じ部分については、説明を省略または簡単にする。
Second Embodiment
The second embodiment is different from the first embodiment in that the barrier layer has a high B concentration in the region on the surface side. In the other points, the second embodiment is substantially the same as the first embodiment. Therefore, the description of the same parts as the first embodiment will be omitted or simplified.

(1)構造
図19は、実施の形態2の半導体装置218を説明する断面図である。図19には、半導体チップ6と放熱部材8の間の構造が示されている。実施の形態2のバリア層210は、図19に示すように、下部バリア領域16と上部バリア領域116とを有する。図19中の「○」はB原子の濃度を表している。B濃度の高い領域では「○」の密度を高くし、B濃度の低い領域では「○」の密度は低くした。図21においても、同様である。
(1) Structure FIG. 19 is a cross-sectional view for explaining the semiconductor device 218 of the second embodiment. The structure between the semiconductor chip 6 and the heat dissipation member 8 is shown in FIG. The barrier layer 210 of the second embodiment has a lower barrier region 16 and an upper barrier region 116 as shown in FIG. “○” in FIG. 19 represents the concentration of B atoms. The density of "o" was increased in the region of high B concentration, and the density of "o" was decreased in the region of low B concentration. The same applies to FIG.

下部バリア領域16は、半導体4に接するNi−B層である。上部バリア領域116は、下部バリア領域16と接合部12の間に配置され下部バリア領域16より高いB濃度を有するNi−B層である。下部バリア領域16のB濃度(第1濃度)は例えば、0.3重量%である。上部バリア領域116のB濃度(第2濃度)は、例えば2.0重量%である。以上の点を除き、半導体装置218の構造は、実施の形態1の半導体装置18(図3参照)の構造と略同じである。   The lower barrier region 16 is a Ni-B layer in contact with the semiconductor 4. The upper barrier region 116 is a Ni—B layer disposed between the lower barrier region 16 and the junction 12 and having a higher B concentration than the lower barrier region 16. The B concentration (first concentration) of the lower barrier region 16 is, for example, 0.3% by weight. The B concentration (second concentration) of the upper barrier region 116 is, for example, 2.0% by weight. Except for the above points, the structure of the semiconductor device 218 is substantially the same as the structure of the semiconductor device 18 (see FIG. 3) of the first embodiment.

実施の形態1で説明したように、たとえ接合部12(例えば、In半田)に浸食されてNi−B層であるバリア層10(図3参照)が消滅しても、金属間化合物236(図17参照)はBの偏析層66に妨げられて、半導体チップ6には接触しない。従って半導体装置18(図3参照)を長期間使用し続けても、熱界面部材14は殆ど剥離しない。このようなNi−B層のバリア性は、Bの偏析層66が厚くなるほど高くなる。   As described in the first embodiment, even if the barrier layer 10 (see FIG. 3), which is a Ni-B layer, is eroded by the bonding portion 12 (for example, In solder) and disappears, the intermetallic compound 236 (see FIG. 17) is blocked by the segregation layer 66 of B and does not contact the semiconductor chip 6. Therefore, even if the semiconductor device 18 (see FIG. 3) is used for a long time, the thermal interface member 14 hardly peels off. The barrier properties of such a Ni-B layer become higher as the segregation layer 66 of B becomes thicker.

Ni−B層から掃出されるBが増加するほど、偏析層66は厚くなる。従ってNi−B層のB濃度が高くなるほど、Ni−B層の半田バリア性は高くなる。一方、B濃度が高くなり過ぎると、Ni−B層の半導体チップ6への密着性は低くなる(実施の形態1の「(4−1)密着性」参照)。   The segregation layer 66 becomes thicker as the amount of B swept out from the Ni-B layer increases. Therefore, the higher the B concentration in the Ni-B layer, the higher the solder barrier property of the Ni-B layer. On the other hand, when the B concentration becomes too high, the adhesion of the Ni-B layer to the semiconductor chip 6 becomes low (see “(4-1) Adhesion” in the first embodiment).

実施の形態2によれば、B濃度が低い下部バリア領域16によりバリア層210の密着性を確保しつつ、B濃度が高い上部バリア領域116により偏析層66に大量のBを供給して、バリア層210の半田バリア性を高めることができる。   According to the second embodiment, a large amount of B is supplied to the segregation layer 66 by the upper barrier region 116 having a high B concentration while securing the adhesiveness of the barrier layer 210 by the lower barrier region 16 having a low B concentration. The solder barrier properties of layer 210 can be enhanced.

或いは、B濃度が高い上部バリア領域116をある程度薄くしても、半田バリア性の確保に十分な量のBを偏析層66に供給できる。上部バリア領域116を薄くすると、バリア層210全体も薄くなる。すると、バリア層210の熱抵抗が低下し、半導体装置218の放熱特性は向上する。従って実施の形態2によれば、バリア層210の半田バリア性を確保しつつ、半導体装置218の放熱特性を実施の形態1の半導体装置18より向上させることができる。   Alternatively, even if the upper barrier region 116 having a high B concentration is thinned to some extent, a sufficient amount of B can be supplied to the segregation layer 66 to secure the solder barrier property. When the upper barrier region 116 is thinned, the entire barrier layer 210 is also thinned. Then, the thermal resistance of the barrier layer 210 is reduced, and the heat dissipation characteristics of the semiconductor device 218 are improved. Therefore, according to the second embodiment, the heat dissipation characteristic of the semiconductor device 218 can be improved more than the semiconductor device 18 of the first embodiment while securing the solder barrier property of the barrier layer 210.

例えば、上部バリア領域116のB濃度が2.0重量%の場合、上部バリア領域116の厚さを100nmにしても、実施の形態1のバリア層10と同程度の半田バリア性を確保できる。更に、下部バリア領域16のBが0.3重量%の場合、下部バリア領域16の厚さが約50nmあれば、バリア層210の密着性を確保できる。   For example, when the B concentration of the upper barrier region 116 is 2.0% by weight, even if the thickness of the upper barrier region 116 is 100 nm, it is possible to secure the solder barrier property similar to that of the barrier layer 10 of the first embodiment. Furthermore, when B in the lower barrier region 16 is 0.3% by weight, the adhesion of the barrier layer 210 can be secured if the thickness of the lower barrier region 16 is about 50 nm.

従ってバリア層210の厚さを、例えば150nmにすることができる。この厚さは、実施の形態1で例示したバリア層10の厚さ200nmより薄い。このように実施の形態2によれば、バリア層210を薄くできるので、半導体装置218の放熱特性を実施の形態1の半導体装置18より向上させることができる。   Therefore, the thickness of the barrier layer 210 can be, for example, 150 nm. This thickness is thinner than the thickness 200 nm of the barrier layer 10 exemplified in the first embodiment. As described above, according to the second embodiment, since the barrier layer 210 can be thinned, the heat dissipation characteristics of the semiconductor device 218 can be improved as compared to the semiconductor device 18 of the first embodiment.

下部バリア領域16および上部バリア領域116の好ましいB濃度の範囲は、表1から導出できる。下部バリア領域16のB濃度(第1濃度)は好ましくは、Ni−B層が半導体4に密着する0.3重量%以上1.0重量%以下である。上部バリア領域116のB濃度(第2濃度)は好ましくは、Ni−B層の半導体4への密着が困難になる1.0重量%より大きい濃度である。   The preferred B concentration range of lower barrier region 16 and upper barrier region 116 can be derived from Table 1. The B concentration (first concentration) of the lower barrier region 16 is preferably 0.3% by weight or more and 1.0% by weight or less at which the Ni—B layer adheres to the semiconductor 4. The B concentration (second concentration) of the upper barrier region 116 is preferably a concentration greater than 1.0 wt% at which adhesion of the Ni-B layer to the semiconductor 4 becomes difficult.

更に好ましくは、下部バリア領域16のB濃度は0.4重量%以上0.9重量%以下であり、上部バリア領域116のB濃度は1.5重量%より大きい濃度である。最も好ましくは、下部バリア領域16のB濃度は0.5重量%以上0.8重量%以下であり、上部バリア領域116のB濃度は2.5重量%以上より大きい濃度である。但し上部バリア領域116のB濃度は、バリア性が確認されている3.0重量%以下が好ましい。   More preferably, the B concentration in the lower barrier region 16 is 0.4 wt% or more and 0.9 wt% or less, and the B concentration in the upper barrier region 116 is a concentration greater than 1.5 wt%. Most preferably, the B concentration in the lower barrier region 16 is 0.5 wt% or more and 0.8 wt% or less, and the B concentration in the upper barrier region 116 is a concentration greater than 2.5 wt% or more. However, the B concentration of the upper barrier region 116 is preferably 3.0% by weight or less at which barrier properties are confirmed.

下部バリア領域16の厚さは好ましくは、25nm以上75nm以下である。上部バリア領域116の厚さは好ましくは、50nm以上150nm以下である。   The thickness of the lower barrier region 16 is preferably 25 nm or more and 75 nm or less. The thickness of the upper barrier region 116 is preferably 50 nm or more and 150 nm or less.

(2)製造方法
図20は、実施の形態2の半導体装置218の製造方法を説明するフローチャートである。図21は、半導体装置218の製造方法を説明する断面図です。
(2) Manufacturing Method FIG. 20 is a flowchart for explaining a method of manufacturing the semiconductor device 218 of the second embodiment. FIG. 21 is a cross-sectional view for explaining the method of manufacturing the semiconductor device 218.

実施の形態2の製造方法は、実施の形態1の「バリア層の形成」(図4のS2参照)の代わりに、「下部バリア領域の形成」(図20のS2)と「上部バリア領域の形成」(図20のS4)とが行われることで実施の形態1の製造方法と相違する。この点を除き、実施の形態1の製造方法と実施の形態2の製造方法は略同じである。従って、実施の形態1と同じ部分(S6〜S12)の説明は省略する。   In the manufacturing method of the second embodiment, “formation of lower barrier region” (S2 in FIG. 20) and “upper barrier region” are used instead of “formation of barrier layer” (see S2 in FIG. 4) in the first embodiment. It is different from the manufacturing method of the first embodiment in that “formation” (S4 in FIG. 20) is performed. Except for this point, the manufacturing method of the first embodiment and the manufacturing method of the second embodiment are substantially the same. Therefore, the description of the same portions (S6 to S12) as in the first embodiment is omitted.

(2−1)下部バリア領域の形成(図21(a)参照)
Bがドーピングされ表面側に集積回路2(図21(a)参照)が形成された半導体基板70(例えば、Si基板)を、裏面からバックグラインドして例えば厚さ300μm程度まで薄くする。この工程により、表面側に集積回路2が形成され裏面側にホウ素を含む半導体4が配置された基板132が形成される。
(2-1) Formation of lower barrier region (see FIG. 21 (a))
A semiconductor substrate 70 (for example, a Si substrate) on which B is doped and the integrated circuit 2 (see FIG. 21A) is formed on the front surface side is back ground from the back surface to reduce the thickness to, for example, about 300 μm. By this process, the integrated circuit 2 is formed on the front surface side, and the substrate 132 on which the semiconductor 4 containing boron is disposed on the back surface side is formed.

この基板132の裏面に、無電解メッキにより例えば厚さ50nmの下部バリア領域16(図21(a)参照)を形成する(S2)。   The lower barrier region 16 (see FIG. 21A) having a thickness of, for example, 50 nm is formed on the back surface of the substrate 132 by electroless plating (S2).

下部バリア領域16のメッキ時間は、例えば450秒である。下部バリア領域16のB濃度は、例えば0.3重量%である。   The plating time of the lower barrier region 16 is, for example, 450 seconds. The B concentration in the lower barrier region 16 is, for example, 0.3% by weight.

(2−2)上部バリア領域の形成(図21(b)参照)
下部バリア領域16の上に、無電解メッキにより例えば厚さ100nmの上部バリア領域116(図21(b)参照)を形成する(S4)。
(2-2) Formation of upper barrier region (see FIG. 21 (b))
An upper barrier region 116 (see FIG. 21B) having a thickness of, for example, 100 nm is formed on the lower barrier region 16 by electroless plating (S4).

上部バリア領域116のメッキ時間は、例えば900秒である。上部バリア領域116のB濃度は、例えば2.0重量%である。上部バリア領域116は例えば、下部バリア領域16の形成に用いた無電解メッキ液にアンモニア水を加えて、pH値を増加させた無電解メッキ液により形成可能である。   The plating time of the upper barrier region 116 is, for example, 900 seconds. The B concentration of the upper barrier region 116 is, for example, 2.0% by weight. The upper barrier region 116 can be formed, for example, by adding an ammonia water to the electroless plating solution used to form the lower barrier region 16 to increase the pH value.

以上の工程により、下部バリア領域16と上部バリア領域116とを有するバリア層210が形成される。バリア層210の密着性、半田濡れ性および半田バリア性は良好である。   Through the above steps, the barrier layer 210 having the lower barrier region 16 and the upper barrier region 116 is formed. The adhesion, the solder wettability and the solder barrier property of the barrier layer 210 are good.

図19に示す例では、B濃度は半導体チップ6から接合部12に向かってステップ状に増加する。しかしB濃度は、ステップ状以外の形態で増加してもよい。例えば、B濃度はスロープ状に増加してもよい。   In the example shown in FIG. 19, the B concentration increases stepwise from the semiconductor chip 6 toward the junction 12. However, the B concentration may be increased in forms other than stepwise. For example, the B concentration may increase like a slope.

実施の形態2によれば、B濃度の低い下部バリア領域16によりバリア層210の密着性を確保しつつ、B濃度の高い上部バリア領域116によりバリア層210の半田バリア性を高めることができる。   According to the second embodiment, the lower barrier region 16 having a low B concentration can ensure the adhesion of the barrier layer 210, while the upper barrier region 116 having a high B concentration can enhance the solder barrier property of the barrier layer 210.

以上、本発明の実施形態について説明したが、実施の形態1〜2は、例示であって制限的なものではない。例えば実施の形態1〜2では、バリア層が接する半導体4は、BがドーピングされたSiである。しかし半導体4は、Si以外の半導体であってもよい。半導体4は例えば、BがドープされたGeやSiCであってもよい。   As mentioned above, although embodiment of this invention was described, Embodiment 1-2 is an illustration and it is not restrictive. For example, in the first and second embodiments, the semiconductor 4 in contact with the barrier layer is Si doped with B. However, the semiconductor 4 may be a semiconductor other than Si. The semiconductor 4 may be, for example, Ge or SiC doped with B.

また実施の形態1〜2では、半導体4は半導体基板である。しかし半導体4は、半導体基板でなくてもよい。例えば半導体4は、SOI(Silicon on Insulator)基板の裏面側のSi層であってもよい。   In the first and second embodiments, the semiconductor 4 is a semiconductor substrate. However, the semiconductor 4 may not be a semiconductor substrate. For example, the semiconductor 4 may be a Si layer on the back surface side of an SOI (Silicon on Insulator) substrate.

また実施の形態1〜2では、放熱部材8はリッドである。しかし、放熱部材8はリッド以外の部材であってもよい。例えば放熱部材8は、フィンを有するヒートシンクであってもよい。   In the first and second embodiments, the heat dissipation member 8 is a lid. However, the heat dissipation member 8 may be a member other than the lid. For example, the heat dissipation member 8 may be a heat sink having fins.

以上の実施の形態1〜2に関し、更に以下の付記を開示する。   The following appendices will be further disclosed regarding the above-described first and second embodiments.

(付記1)
表面側に配置された集積回路と裏面側に配置されホウ素を含む半導体とを有する半導体チップと、
前記集積回路が発生する熱を放出する放熱部材と、
前記半導体に接すると共に少なくとも前記半導体に接する領域がニッケルとホウ素とを含むバリア層と、前記バリア層と前記放熱部材とを接合している接合部とを含む熱界面部材とを、有する
半導体装置。
(Supplementary Note 1)
A semiconductor chip having an integrated circuit disposed on the front side and a semiconductor disposed on the back side and containing boron;
A heat dissipation member for releasing the heat generated by the integrated circuit;
A semiconductor device comprising: a thermal interface member including a barrier layer in contact with the semiconductor and at least a region in contact with the semiconductor, the barrier layer including nickel and boron, and a bonding portion bonding the barrier layer and the heat dissipation member.

(付記2)
前記半導体は、シリコンであることを
特徴とする付記1に記載の半導体装置。
(Supplementary Note 2)
The semiconductor device according to claim 1, wherein the semiconductor is silicon.

(付記3)
前記バリア層のうち少なくとも前記半導体に接する前記領域は、0.3重量パーセント以上1.0重量パーセント以下のホウ素を有することを
特徴とする付記1又は2に記載の半導体装置。
(Supplementary Note 3)
The semiconductor device according to claim 1 or 2, wherein at least the region of the barrier layer in contact with the semiconductor includes 0.3 weight percent or more and 1.0 weight percent or less of boron.

(付記4)
前記バリア層は、前記半導体に接しホウ素の濃度が第1濃度である下部バリア領域と、前記下部バリア領域と前記接合部の間に配置されホウ素の濃度が前記第1濃度より高い第2濃度である上部バリア領域とを有することを
特徴とする付記1又は2に記載の半導体装置。
(Supplementary Note 4)
The barrier layer is disposed between the lower barrier region in contact with the semiconductor and having a first concentration of boron, the lower barrier region and the junction, and a second concentration having a concentration of boron higher than the first concentration. The semiconductor device according to claim 1 or 2, further comprising a certain upper barrier region.

(付記5)
前記第1濃度は、0.3重量パーセント以上1.0重量パーセント以下であり、
前記第2濃度は、1.0重量パーセントより大きいことを
特徴とする付記4に記載の半導体装置。
(Supplementary Note 5)
The first concentration is 0.3 weight percent or more and 1.0 weight percent or less,
The semiconductor device according to claim 4, wherein the second concentration is greater than 1.0 weight percent.

(付記6)
表面側に集積回路が形成され裏面側にホウ素を含む半導体が配置された基板の裏面に、前記半導体に接すると共に少なくとも前記半導体に接する領域がニッケルとホウ素とを含むバリア層を形成する工程と、
前記バリア層上に、接合材を配置する工程と、
前記集積回路が発生する熱を放出する放熱部材を前記接合材により、前記バリア層に接合する工程とを有する
半導体装置の製造方法。
(Supplementary Note 6)
Forming a barrier layer in contact with the semiconductor and at least a region in contact with the semiconductor includes nickel and boron on the back side of the substrate on which the integrated circuit is formed on the front side and the semiconductor containing boron is disposed on the back side;
Placing a bonding material on the barrier layer;
Bonding a heat dissipation member that releases heat generated by the integrated circuit to the barrier layer with the bonding material.

2…集積回路
4…半導体
6…半導体チップ
8…放熱部材
10,110…バリア層
12…接合部
14…熱界面部材
16…下部バリア領域 116…上部バリア領域
32…基板
DESCRIPTION OF SYMBOLS 2 ... Integrated circuit 4 ... Semiconductor 6 ... Semiconductor chip 8 ... Heat dissipation member 10, 110 ... Barrier layer 12 ... Bonding part 14 ... Thermal interface member 16 ... Lower barrier region 116 ... Upper barrier region 32 ... Substrate

Claims (5)

表面側に配置された集積回路と裏面側に配置されホウ素を含む半導体とを有する半導体チップと、
前記集積回路が発生する熱を放出する放熱部材と、
前記半導体に接すると共に少なくとも前記半導体に接する領域がニッケルとホウ素とを含むバリア層と、前記バリア層と前記放熱部材とを接合している接合部とを含む熱界面部材とを、有する
半導体装置。
A semiconductor chip having an integrated circuit disposed on the front side and a semiconductor disposed on the back side and containing boron;
A heat dissipation member for releasing the heat generated by the integrated circuit;
A semiconductor device comprising: a thermal interface member including a barrier layer in contact with the semiconductor and at least a region in contact with the semiconductor, the barrier layer including nickel and boron, and a bonding portion bonding the barrier layer and the heat dissipation member.
前記バリア層のうち少なくとも前記半導体に接する前記領域は、0.3重量パーセント以上1.0重量パーセント以下のホウ素を有することを
特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
2. The semiconductor device according to claim 1, wherein at least the region of the barrier layer in contact with the semiconductor contains 0.3 weight percent or more and 1.0 weight percent or less of boron.
前記バリア層は、前記半導体に接しホウ素の濃度が第1濃度である下部バリア領域と、前記下部バリア領域と前記接合部の間に配置されホウ素の濃度が前記第1濃度より高い第2濃度である上部バリア領域とを有することを
特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
The barrier layer is disposed between the lower barrier region in contact with the semiconductor and having a first concentration of boron, the lower barrier region and the junction, and a second concentration having a concentration of boron higher than the first concentration. The semiconductor device according to claim 1, comprising a certain upper barrier region.
前記第1濃度は、0.3重量パーセント以上1.0重量パーセント以下であり、
前記第2濃度は、1.0重量パーセントより大きいことを
特徴とする請求項3に記載の半導体装置。
The first concentration is 0.3 weight percent or more and 1.0 weight percent or less,
The semiconductor device according to claim 3, wherein the second concentration is greater than 1.0 weight percent.
表面側に集積回路が形成され裏面側にホウ素を含む半導体が配置された基板の裏面に、前記半導体に接すると共に少なくとも前記半導体に接する領域がニッケルとホウ素とを含むバリア層を形成する工程と、
前記バリア層上に、接合材を配置する工程と、
前記集積回路が発生する熱を放出する放熱部材を前記接合材により、前記バリア層に接合する工程とを有する
半導体装置の製造方法。
Forming a barrier layer in contact with the semiconductor and at least a region in contact with the semiconductor includes nickel and boron on the back side of the substrate on which the integrated circuit is formed on the front side and the semiconductor containing boron is disposed on the back side;
Placing a bonding material on the barrier layer;
Bonding a heat dissipation member that releases heat generated by the integrated circuit to the barrier layer with the bonding material.
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