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JP6593208B2 - Semiconductor device and manufacturing method of semiconductor device - Google Patents
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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。   The present invention relates to a semiconductor device and a method for manufacturing the semiconductor device.

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)。   2. Description of the Related Art A semiconductor device is known in which a semiconductor element and a mounting portion such as a substrate or another semiconductor element are flip-chip connected. In such a semiconductor device, a method for improving the reliability of bonding between a semiconductor element and a mounting portion has been proposed. For example, it is known to improve the reliability of bonding by providing a barrier layer smaller than the electrode body on the electrode body (for example, Patent Document 1). It is known that the reliability of bonding is improved by providing an electrode configuration in which a protrusion extending from one end of the columnar portion to the other end is provided on the columnar portion (for example, Patent Document 2).

特開2010−56191号公報JP 2010-56191 A 特開2014−17454号公報JP 2014-17454 A

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。   However, the conventional method leaves room for improvement in terms of the reliability of bonding between the semiconductor element and the mounting portion. An object of the present semiconductor device and the method for manufacturing the semiconductor device is to improve reliability.

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柱状部よりも幅が狭い第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、前記バリア層に接し且つ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。 The semiconductor device includes a mounting portion including a first pillar, a semiconductor element in which a second pillar is bonded to the first pillar, and is flip-chip mounted on the mounting portion, and the first pillar and the second pillar. A barrier layer provided on at least one of the first pillar and the second pillar; and at least one of the first pillar and the second pillar includes the first columnar portion and the second pillar. A second columnar portion that is narrower than the first columnar portion, and the barrier layer is provided on a surface of the second columnar portion where the first pillar and the second pillar face each other, The joining member is provided in contact with the barrier layer and covering the barrier layer, and is in contact with a side surface of the second columnar portion and the opposing surfaces of the first pillar and the second pillar, and 1 pillar and 2nd pillar The composed of an intermetallic compound of a metal element joining member constituting the pillars in contact with the metal elements constituting the solder.

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、前記実装部を準備する工程及び前記半導体素子を準備する工程の少なくとも一方は、第1柱状部と前記第1柱状部よりも幅が狭い第2柱状部とを有する前記第1ピラー及び前記第2ピラーを準備し、前記バリア層を形成する工程は、前記第2柱状部であって前記実装部と前記半導体素子を対向させたときに前記第1ピラーと前記第2ピラーとが対向する面に前記バリア層を形成し、前記金属間化合物にする工程は、前記バリア層に接し且つ前記バリア層を覆い、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する前記金属間化合物を形成する。 The manufacturing method of the semiconductor device includes a step of preparing a mounting portion including a first pillar, a step of preparing a semiconductor element including a second pillar, and a barrier layer on at least one of the first pillar and the second pillar. A step of forming, a step of forming solder on the barrier layer, a step of causing the mounting portion and the semiconductor element to face each other, and bonding the first pillar and the second pillar with the solder, and the bonding After the step, the metal element constituting the pillar in contact with the solder of the first pillar and the second pillar is alloyed with the metal element constituting the solder, and all of the solder is converted into an intermetallic compound. And at least one of the step of preparing the mounting portion and the step of preparing the semiconductor element includes a first columnar portion and a second columnar portion that is narrower than the first columnar portion. First The step of preparing the pillar and the second pillar and forming the barrier layer includes the step of forming the first pillar and the second pillar when the mounting portion and the semiconductor element are opposed to each other in the second columnar portion. Forming the barrier layer on the surface facing each other and forming the intermetallic compound is in contact with the barrier layer and covering the barrier layer, the side surface of the second columnar portion, the first pillar, and the second pillar. The intermetallic compound in contact with the mutually opposing surfaces is formed.

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。   According to the semiconductor device and the method for manufacturing the semiconductor device described in this specification, reliability can be improved.

図1は、実施例1に係る半導体装置の断面図である。FIG. 1 is a cross-sectional view of the semiconductor device according to the first embodiment. 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。FIG. 2 is a cross-sectional view illustrating the vicinity of the microbump in the semiconductor device according to the first embodiment. 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。FIG. 3A to FIG. 3D are cross-sectional views illustrating a first method for manufacturing a semiconductor device according to the first embodiment. 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。FIG. 4A to FIG. 4D are cross-sectional views illustrating a second manufacturing method of the semiconductor device according to the first embodiment. 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。5A to 5C are cross-sectional views illustrating a method for manufacturing a semiconductor device according to Comparative Example 1. FIG. 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。6A to 6C are cross-sectional views illustrating a method for manufacturing a semiconductor device according to Comparative Example 2. 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。FIG. 7 is a cross-sectional view illustrating the vicinity of a microbump in the semiconductor device according to the second embodiment. 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。FIG. 8A to FIG. 8D are cross-sectional views illustrating the method for manufacturing the semiconductor device according to the second embodiment. 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。FIG. 9 is a cross-sectional view illustrating the vicinity of a microbump in the semiconductor device according to the first modification of the second embodiment. 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。FIG. 10 is a cross-sectional view illustrating the vicinity of the microbump in the semiconductor device according to the third embodiment. 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。FIG. 11A to FIG. 11D are cross-sectional views illustrating the method for manufacturing the semiconductor device according to the third embodiment. 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。FIG. 12A to FIG. 12D are cross-sectional views showing simulation results. 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。FIG. 13 is a cross-sectional view illustrating the vicinity of the microbump in the semiconductor device according to the first modification of the third embodiment. 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。FIG. 14 is a cross-sectional view illustrating the vicinity of the microbump in the semiconductor device according to the second modification of the third embodiment.

以下、図面を参照して、本発明の実施例について説明する。   Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.

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。   FIG. 1 is a cross-sectional view of the semiconductor device according to the first embodiment. As shown in FIG. 1, the semiconductor device 100 according to the first embodiment includes a package substrate 10 on which wiring is formed, an intermediate semiconductor element 20 on which a through-silicon via (TSV) is formed, and an upper semiconductor. And an element 30. The semiconductor element 20 is mounted on the package substrate 10 by bumps 40. The semiconductor element 30 is flip-chip mounted on the semiconductor element 20 by micro bumps 42. The semiconductor element 30 is electrically connected to the package substrate 10 via the semiconductor element 20. The pitch of the bumps 40 is about 180 μm, for example, and the pitch of the micro bumps 42 is about 45 μm, for example. High integration can be achieved by stacking the semiconductor element 20 and the semiconductor element 30. Further, the semiconductor element 20 converts the high-density electrode array made of the micro bumps 42 into the electrode array made of the lower density bumps 40.

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。   FIG. 2 is a cross-sectional view illustrating the vicinity of the microbump in the semiconductor device according to the first embodiment. As shown in FIG. 2, the semiconductor element 20 includes a first pillar 22 on a surface facing the semiconductor element 30. The first pillar 22 is electrically connected to the bump 40 via a silicon through electrode formed in the semiconductor element 20. The semiconductor element 30 includes a second pillar 32 on the surface facing the semiconductor element 20. The second pillar 32 is electrically connected to a functional unit such as a transistor formed in the semiconductor element 30 through a wiring. The size (area) of the facing surface 24 facing the second pillar 32 of the first pillar 22 is smaller than the facing surface 34 facing the first pillar 22 of the second pillar 32. The first pillar 22 and the second pillar 32 are, for example, copper (Cu) pillars.

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。   A barrier layer 44 is provided on the facing surface 34 of the second pillar 32. The barrier layer 44 is provided, for example, on the entire facing surface 34 of the second pillar 32. The barrier layer 44 is made of a material that hardly reacts with the solder as compared with the second pillar 32, and plays a role of suppressing the reaction between the solder and the second pillar 32. The barrier layer 44 is a layer containing, for example, nickel (Ni) as a main component, and a Ni layer, a nickel phosphorus (NiP) layer, a nickel vanadium (NiV) layer, a nickel boron (NiB) layer, or the like can be used. Note that a seed layer may be provided between the second pillar 32 and the barrier layer 44 in order to improve adhesion.

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。 The first pillar 22 and the second pillar 32 are joined by a joining member 46. As a result, the semiconductor element 30 is flip-chip mounted on the semiconductor element 20. The bonding member 46 is in contact with the barrier layer 44 and the facing surface 24 and the side surface 26 of the first pillar 22. The joining member 46 is made of an intermetallic compound (for example, Cu 3 Sn and Cu 6 Sn 5 ) of a main metal element (for example, Sn) constituting solder and a metal element (for example, Cu) constituting the first pillar 22.

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。   Next, a method for manufacturing the semiconductor device 100 according to the first embodiment will be described. Here, the process of mounting the semiconductor element 30 on the semiconductor element 20 will be described, and the description of the other processes will be omitted. FIG. 3A to FIG. 3D are cross-sectional views illustrating a first method for manufacturing a semiconductor device according to the first embodiment.

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。   As shown in FIG. 3A, the semiconductor element 20 including the first pillar 22 and the semiconductor element 30 including the second pillar 32 are prepared. A barrier layer 44 is formed on the second pillar 32. A solder 48 made of, for example, tin-silver (SnAg) is formed on the barrier layer 44. The first pillar 22, the second pillar 32, the barrier layer 44, and the solder 48 can be formed by a general method using, for example, an electrolytic plating method.

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。   As shown in FIG. 3B, the first pillar 22 of the semiconductor element 20 and the second pillar 32 of the semiconductor element 30 are opposed to each other. As shown in FIG. 3C, the solder 48 is heated to a temperature equal to or higher than the melting point, and the semiconductor element 30 is pressed against the semiconductor element 20 for a predetermined time (for example, at 300 ° C. for 10 seconds). The pillar 32 is joined.

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。 As shown in FIG. 3D, heat treatment is performed on the solder 48 at a temperature equal to or higher than the melting point of the solder 48 in a reducing atmosphere or an inert atmosphere. Since the solder 48 contacts the first pillar 22, the metal element (Sn) constituting the solder 48 and the metal element (Cu) constituting the first pillar 22 can be alloyed by the heat treatment. In the heat treatment, all of the solders 48 are made of an intermetallic compound (Cu 3 Sn and Cu 6 Sn 5 ) of a metal element (Sn) constituting the solder 48 and a metal element (Cu) constituting the first pillar 22. This is repeated until the member 46 is changed. For example, the heat treatment is performed at 240 ° C. for 1 minute. For example, formic acid or hydrogen can be used as the reducing gas, and nitrogen or argon can be used as the inert gas, for example.

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。   FIG. 4A to FIG. 4D are cross-sectional views illustrating a second manufacturing method of the semiconductor device according to the first embodiment. As shown in FIG. 4A, the semiconductor element 20 including the first pillar 22 and the semiconductor element 30 including the second pillar 32 are prepared. A barrier layer 44 is formed on the second pillar 32. The solder 48 is formed on the barrier layer 44 and the solder 48 is directly formed on the first pillar 22. Since FIG. 4B to FIG. 4D are the same as FIG. 3B to FIG. By providing the solder 48 on both the first pillar 22 and the second pillar 32 as in the second manufacturing method, compared to the case where the solder 48 is provided only on the second pillar 32 as in the first manufacturing method, It becomes easy to adjust the amount of solder provided in one pillar.

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。   Here, in describing the effect of the semiconductor device 100 of the first embodiment, a semiconductor device according to a comparative example will be described. 5A to 5C are cross-sectional views illustrating a method for manufacturing a semiconductor device according to Comparative Example 1. FIG. As shown in FIG. 5A, the semiconductor element 20 including the first pillar 22 and the semiconductor element 30 including the second pillar 32 are prepared. The solder 48 is directly formed on the first pillar 22 and the second pillar 32. That is, the solder 48 is in contact with the first pillar 22 or the second pillar 32.

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。 As shown in FIG. 5B, the first pillar 22 of the semiconductor element 20 and the second pillar 32 of the semiconductor element 30 are opposed to each other. Thereafter, the solder 48 is heated to a temperature equal to or higher than the melting point to join the first pillar 22 and the second pillar 32. When the solder 48 is thin or when high-temperature heat is applied to the solder 48 before joining, FIG. As shown in c), the metal element of the solder 48 and the metal elements of the first pillar 22 and the second pillar 32 are alloyed before bonding, and the intermetallic compound layer 50 is formed. For example, when the solder 48 is made of SnAg solder and the first pillar 22 and the second pillar 32 are made of Cu pillar, an intermetallic compound layer 50 of Cu 3 Sn and Cu 6 Sn 5 is applied by applying a temperature of about 150 ° C. Is formed. The melting point of Cu 3 Sn is as high as 675 ° C., and the melting point of Cu 6 Sn 5 is as high as 435 ° C. For this reason, if the solder 48 is changed to the intermetallic compound layer 50 before the first pillar 22 and the second pillar 32 are joined, a joint failure between the first pillar 22 and the second pillar 32 occurs.

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。   6A to 6C are cross-sectional views illustrating a method for manufacturing a semiconductor device according to Comparative Example 2. As shown in FIG. 6A, the semiconductor element 20 including the first pillar 22 and the semiconductor element 30 including the second pillar 32 are prepared. A barrier layer 44 is formed on the first pillar 22 and the second pillar 32. A solder 48 is formed on the barrier layer 44.

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。   As shown in FIG. 6B, the first pillar 22 of the semiconductor element 20 and the second pillar 32 of the semiconductor element 30 are opposed to each other. As shown in FIG. 6C, the solder 48 is heated to a temperature equal to or higher than the melting point, and the semiconductor element 30 is pressed toward the semiconductor element 20 to join the first pillar 22 and the second pillar 32.

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。   In Comparative Example 2, a barrier layer 44 is provided between the first pillar 22 and the solder 48 and between the second pillar 32 and the solder 48. As described above, since the barrier layer 44 is made of a material that does not easily react with solder, the solder 48 is suppressed from being changed to an intermetallic compound. Therefore, it is suppressed that the joining failure like the comparative example 1 arises.

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。   However, as shown in FIG. 6C, the solder 48 remains even after the first pillar 22 and the second pillar 32 are joined. Since the solder 48 has a low melting point (for example, SnAg solder has a melting point of 220 ° C.), electromigration is likely to occur. In addition, if the solder 48 having a low melting point remains, reliability against heat generation due to current flowing through the pillar, current resistance characteristics, and the like also deteriorate.

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。 On the other hand, according to the first embodiment, as shown in FIG. 2, the joining member 46 that joins the first pillar 22 and the second pillar 32 includes the metal element (Cu) of the first pillar 22 and the metal element (Sn) of solder. And an intermetallic compound (Cu 3 Sn and Cu 6 Sn 5 ). As described above, the intermetallic compounds (Cu 3 Sn and Cu 6 Sn 5 ) have a high melting point, so that the degradation of reliability, withstand current characteristics, etc. due to electromigration as in Comparative Example 2 and heat generation in the pillar is suppressed. it can. Further, since the barrier layer 44 is provided on the second pillar 32, the solder 48 is formed on the second pillar 32 via the barrier layer 44 as shown in FIGS. 3 (a) and 4 (a). Can do. For this reason, it is possible to suppress poor bonding due to the solder 48 changing to an intermetallic compound before the first pillar 22 and the second pillar 32 are joined. Therefore, according to the first embodiment, the reliability can be improved. In FIG. 4A, the solder 48 formed on the first pillar 22 may be changed to an intermetallic compound, but the solder 48 formed on the second pillar 32 via the barrier layer 44 is Since the change to the intermetallic compound is suppressed, bonding failure can be suppressed.

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。   Further, according to the first embodiment, as illustrated in FIG. 2, the bonding member 46 is in contact with the opposing surface 24 and the side surface 26 of the first pillar 22 where the barrier layer 44 is not provided. As a result, the contact area between the solder 48 and the first pillar 22 increases as shown in FIGS. 3C and 4C, so that the metal element of the solder 48 and the metal element of the first pillar 22 are alloyed. It becomes easy to proceed and the joining member 46 made of an intermetallic compound is easily formed.

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。   In addition, according to the first embodiment, the metal element of the solder 48 and the metal element of the first pillar 22 are alloyed to change all of the solder 48 into an intermetallic compound in a reducing atmosphere or an inert atmosphere. Performed by heat treatment. If the surface of the solder 48 is oxidized, the alloying of the solder 48 does not proceed. However, the oxidation of the solder 48 can be suppressed by performing a heat treatment in a reducing atmosphere or an inert atmosphere.

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。 Furthermore, according to the first embodiment, the first pillar 22 and the second pillar 32 is composed of Cu pillar, the bonding member 46 is made of at least one of Cu 3 Sn and Cu 6 Sn 5. Since the alloying speed of CuSn is fast, the joining member 46 made of an intermetallic compound can be formed in a short time. Further, as described above, since the joining member 46 is made of at least one intermetallic compound of Cu 3 Sn and Cu 6 Sn 5 , the melting point of the joining member 46 is increased, and the reliability can be improved.

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。   In the first embodiment, the barrier layer 44 is provided on the second pillar 32 and not provided on the first pillar 22, but the barrier layer 44 is provided on the first pillar 22 and the first pillar 22 is provided. The two pillars 32 may not be provided. In this case, it is preferable to make the size of the facing surface 34 of the second pillar 32 smaller than the facing surface 24 of the first pillar 22. As described above, the barrier layer 44 is provided only on one of the first pillars 22 and the second pillar 32 and may not be provided on the other pillar.

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。   In the first embodiment, the solder 48 is made of SnAg. However, the solder 48 may be made of Sn, SnAgCu, SnAgZn, SnZn, SnBiIn, SnIn, SnAu, SnCu, or SnZnIn. The barrier layer 44 is preferably composed mainly of Ni, but may be composed mainly of tantalum (Ta) or titanium (Ti). The first pillar 22 and the second pillar 32 are not limited to being made of Cu, and may be made of, for example, gold (Au). The first pillar 22 and the second pillar 32 are preferably made of a material in which the melting point of the joining member 46 made of an intermetallic compound of the solder metal element and the pillar metal element is higher than that of the solder.

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。   In the first embodiment, the case where the facing surface 24 of the first pillar 22 not provided with the barrier layer 44 is smaller than the facing surface 34 of the second pillar 32 provided with the barrier layer 44 is described as an example. The sizes may be approximately the same. In this case, the joining member 46 may be in contact with only the facing surface 24 of the first pillar 22 and not in contact with the side surface 26.

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。   FIG. 7 is a cross-sectional view illustrating the vicinity of a microbump in the semiconductor device according to the second embodiment. As shown in FIG. 7, the facing surface 24 of the first pillar 22 and the facing surface 34 of the second pillar 32 have substantially the same size. A barrier layer 44 a is provided on both the first pillar 22 and the second pillar 32. The barrier layer 44 a is smaller than the facing surface 24 of the first pillar 22 and the facing surface 34 of the second pillar 32. The bonding member 46 covers the barrier layer 44 a while being in contact with the opposing surface 24 of the first pillar 22 and the opposing surface 34 of the second pillar 32. Since other configurations are the same as those of the first embodiment, the description thereof is omitted.

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。   FIG. 8A to FIG. 8D are cross-sectional views illustrating the method for manufacturing the semiconductor device according to the second embodiment. Here, the process of mounting the semiconductor element 30 on the semiconductor element 20 will be described, and the description of the other processes will be omitted.

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。   As shown in FIG. 8A, the semiconductor element 20 including the first pillar 22 and the semiconductor element 30 including the second pillar 32 are prepared. A barrier layer 44 a having a smaller width than the first pillar 22 is formed on the first pillar 22. Similarly, a barrier layer 44 a having a smaller width than the second pillar 32 is formed on the second pillar 32. In the first pillar 22 and the second pillar 32, the solder 48 is formed on the barrier layer 44a. The first pillar 22, the second pillar 32, the barrier layer 44a, and the solder 48 can be formed by a general method using, for example, an electrolytic plating method.

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。   As shown in FIG. 8B, the first pillar 22 of the semiconductor element 20 and the second pillar 32 of the semiconductor element 30 are opposed to each other. As shown in FIG. 8C, the first pillar 22 and the second pillar 32 are joined by heating the solder 48 to a temperature equal to or higher than the melting point and pressing the semiconductor element 30 against the semiconductor element 20 for a predetermined time.

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。   As shown in FIG. 8D, heat treatment is performed on the solder 48 in a reducing atmosphere or an inert atmosphere. By the heat treatment, the metal element (Sn) of the solder 48 and the metal element (Cu) of the first pillar 22 and the second pillar 32 can be alloyed. The heat treatment is performed until all of the solder 48 changes to the joining member 46 made of an intermetallic compound of the metal element of the solder 48 and the metal elements of the first pillar 22 and the second pillar 32.

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。   According to the second embodiment, as illustrated in FIG. 7, the barrier layer 44 a has a smaller width than the first pillar 22 and the second pillar 32. The joining member 46 covers the barrier layer 44 a and is in contact with the facing surface 24 of the first pillar 22 and the facing surface 34 of the second pillar 32. Thereby, since the interface between the barrier layer 44a and the bonding member 46 is not exposed to the outside, the bonding strength can be improved.

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。   Further, according to the second embodiment, as shown in FIG. 8A, since the barrier layer 44a is smaller in width than the first pillar 22 and the second pillar 32, the solder 48 formed on the barrier layer 44a is also small. Become. For this reason, it can suppress that the joining member 46 is formed in the side surface of the 1st pillar 22 and / or the 2nd pillar 32 like FIG. Thereby, it can suppress that adjacent bumps short-circuit.

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。   FIG. 9 is a cross-sectional view illustrating the vicinity of a microbump in the semiconductor device according to the first modification of the second embodiment. As shown in FIG. 9, the barrier layer 44 a is provided only on the second pillar 32 and is not provided on the first pillar 22. Since other configurations are the same as those of the second embodiment, the description thereof is omitted.

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。   As in the first modification of the second embodiment, the barrier layer 44a may be provided only on one of the first pillars 22 and the second pillar 32 and may not be provided on the other pillar.

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。   FIG. 10 is a cross-sectional view illustrating the vicinity of the microbump in the semiconductor device according to the third embodiment. As shown in FIG. 10, the first pillar 22 includes a first columnar portion 22a and a second columnar portion 22b having a smaller width than the first columnar portion 22a. Similarly, the second pillar 32 includes a first columnar portion 32a and a second columnar portion 32b having a smaller width than the first columnar portion 32a. The barrier layer 44b is provided on the entire surface of the opposing surfaces 24a and 34a of the second columnar portions 22b and 32b. The bonding member 46 is in contact with the side surfaces 26a and 36a of the second columnar portions 22b and 32b and the opposing surfaces 24b and 34b of the first columnar portions 22a and 32a while covering the barrier layer 44b. Since other configurations are the same as those of the first embodiment, the description thereof is omitted.

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。   FIG. 11A to FIG. 11D are cross-sectional views illustrating the method for manufacturing the semiconductor device according to the third embodiment. Here, the process of mounting the semiconductor element 30 on the semiconductor element 20 will be described, and the description of the other processes will be omitted.

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。   As shown in FIG. 11A, the semiconductor element 20 including the first pillar 22 having the first columnar portion 22a and the second columnar portion 22b, and the second pillar 32 having the first columnar portion 32a and the second columnar portion 32b. The semiconductor element 30 provided with is prepared. A barrier layer 44b is formed on the second columnar portions 22b and 32b. Solder 48 is formed on the barrier layer 44b. The first pillar 22, the second pillar 32, the barrier layer 44b, and the solder 48 can be formed by a general method using, for example, an electrolytic plating method.

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。   As shown in FIG. 11B, the second columnar portion 22 b of the first pillar 22 of the semiconductor element 20 and the second columnar portion 32 b of the second pillar 32 of the semiconductor element 30 are opposed to each other. As shown in FIG. 11C, the first pillar 22 and the second pillar 32 are joined by heating the solder 48 to a temperature equal to or higher than the melting point and pressing the semiconductor element 30 toward the semiconductor element 20.

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。   As shown in FIG. 12D, heat treatment is performed on the solder 48 in a reducing atmosphere or an inert atmosphere. By the heat treatment, the metal element (Sn) of the solder 48 and the metal element (Cu) of the first pillar 22 and the second pillar 32 can be alloyed. The heat treatment is performed until all of the solder 48 changes to the joining member 46 made of an intermetallic compound of the metal element of the solder 48 and the metal elements of the first pillar 22 and the second pillar 32.

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。   According to the third embodiment, as shown in FIG. 10, the first pillar 22 and the second pillar 32 include the first columnar portions 22a and 32a and the second columnar portion 22b having a smaller width than the first columnar portions 22a and 32a. , 32b. The barrier layer 44b is provided on the opposing surfaces 24a and 34a of the second columnar portions 22b and 32b. The bonding member 46 covers the barrier layer 44b and is in contact with the side surfaces 26a and 36a of the second columnar portions 22b and 32b and the opposing surfaces 24b and 34b of the first columnar portions 22a and 32a. As a result, the contact area between the solder and the pillar is increased, so that the alloying of the metal element of the solder and the metal element of the pillar easily proceeds, and the joining member 46 made of an intermetallic compound is easily formed. Further, since the first columnar portions 22a and 32a having a larger width than the second columnar portions 22b and 32b provided with the barrier layer 44b are provided, the joining member 46 (solder 48) is connected to the first pillar 22 and the second pillar 22b. Spilling from the two pillars 32 can be suppressed.

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。   Here, an experiment conducted by the inventor will be described. In the experiment, the first columnar portions 22a and 32a are Cu pillars having a diameter of 30 μm, the second columnar portions 22b and 32b are Cu pillars having a diameter of 20 μm and a height of 5 μm, and the barrier layer 44b is a Ni layer having a thickness of 1 μm. It was. In this structure, the solder 48 shown in FIG. 11A is used as SnAg solder, and the amount of the solder 48 is varied to examine how the state after joining the first pillar 22 and the second pillar 32 changes. It was.

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。   FIG. 12A to FIG. 12D are cross-sectional views showing simulation results. 12A shows a thickness of the solder 48 of 7.5 μm, FIG. 12B shows a thickness of the solder 48 of 11.25 μm, FIG. 12C shows a thickness of the solder 48 of 15 μm, and FIG. ) Is a simulation result when the thickness of the solder 48 is 3.75 μm. When the volume of the solder 48 with respect to the volume of the stepped portion formed by the first columnar portions 22a and 32a and the second columnar portions 22b and 32b is a specific volume of the solder 48, the solder 48 has a thickness of 7.5 μm. The specific volume of 48 is 100%. When the thickness of the solder 48 is 11.25 μm, the specific volume of the solder 48 is 150%. When the thickness of the solder 48 is 15 μm, the specific volume of the solder 48 is 200%. When the thickness of the solder 48 is 3.75 μm, the specific volume of the solder 48 is 50%.

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。   As shown in FIG. 12A, when the thickness of the solder 48 is 7.5 μm (that is, the specific volume of the solder 48 is 100%), the thickness of the bonding member 46 between the barrier layers 44b in many bumps is 0 μm. Not very thin. As shown in FIG. 12B, when the thickness of the solder 48 is 11.25 μm (that is, the specific volume of the solder 48 is 150%), the thickness t of the bonding member 46 between the barrier layers 44b is about 3.3 μm. became. As shown in FIG. 12C, when the thickness of the solder 48 is 15 μm (that is, the specific volume of the solder 48 is 200%), the thickness t of the bonding member 46 between the barrier layers 44b is about 6.6 μm. . As shown in FIG. 12D, when the thickness of the solder 48 is 3.75 μm (that is, the specific volume of the solder 48 is 50%), the thickness of the bonding member 46 between the barrier layers 44b is 0 μm for all the bumps. Not very thin. In addition, the shape of the bonding member 46 at the step portion formed by the first columnar portions 22a and 32a and the second columnar portions 22b and 32b is curved so that the central portion is thin in the height direction.

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。   As shown in FIGS. 12A to 12C, the joining member 46 between the barrier layers 44b becomes thicker as the solder 48 becomes thicker (that is, the specific volume of the solder 48 becomes larger). The thicker the joining member 46 between the barrier layers 44b, the greater the electrical resistance. Further, when the joining member 46 between the barrier layers 44b becomes thick, there is a possibility that the solder 48 that is not alloyed remains between the barrier layers 44b. Therefore, the specific volume of the solder 48 is preferably 200% or less, more preferably 175% or less, and further preferably 150% or less. On the other hand, as shown in FIG. 12D, when the solder 48 becomes too thin (that is, when the specific volume of the solder 48 becomes too small), the joining member 46 is formed at the step portion formed by the first columnar portion and the second columnar portion. There is a possibility that a thinned portion will be formed, resulting in poor bonding. Therefore, the specific volume of the solder 48 is preferably 100% or more, more preferably 125% or more, and further preferably 150% or more.

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。   FIG. 13 is a cross-sectional view illustrating the vicinity of the microbump in the semiconductor device according to the first modification of the third embodiment. As shown in FIG. 13, the barrier layer 44 b is provided only on the second columnar portion 32 b of the second pillar 32, and is not provided on the second columnar portion 22 b of the first pillar 22. Since other configurations are the same as those of the third embodiment, the description thereof is omitted.

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。   As in the first modification of the third embodiment, the barrier layer 44b is provided on at least one of the second columnar portion 22b of the first pillar 22 and the second columnar portion 32b of the second pillar 32, and is provided on the other. There may be no case.

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。   FIG. 14 is a cross-sectional view illustrating the vicinity of the microbump in the semiconductor device according to the second modification of the third embodiment. As shown in FIG. 14, the second pillar 32 includes a first columnar portion 32a and a second columnar portion 32b having a smaller width than the first columnar portion 32a. On the other hand, the first pillar 22 is formed by only a columnar portion having the same and constant width as the first columnar portion 32 a of the second pillar 32. Since other configurations are the same as those of the third embodiment, the description thereof is omitted.

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。   As in Modification 2 of Example 3, at least one of the first pillar 22 and the second pillar 32 may include a first columnar part and a second columnar part having a smaller width than the first columnar part.

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。   In the first to third embodiments, the semiconductor element 30 is flip-chip mounted on the semiconductor element 20 as a mounting portion. However, the semiconductor element 30 may be flip-chip mounted on a wiring board or the like. . Since a large current flows through the microbumps connecting the semiconductor elements, it is preferable to improve the current resistance by forming the bonding member of an intermetallic compound in such a microbump.

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。   Although the embodiments of the present invention have been described in detail above, the present invention is not limited to such specific embodiments, and various modifications and changes can be made within the scope of the gist of the present invention described in the claims. It can be changed.

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。
In addition, the following additional notes are disclosed regarding the above description.
(Appendix 1) A mounting portion including a first pillar, a semiconductor element in which a second pillar is bonded to the first pillar, and flip-chip mounted on the mounting portion, and at least one of the first pillar and the second pillar A barrier layer provided on one side, and a joining member that joins the first pillar and the second pillar, wherein the joining member includes at least one of the first pillar and the second pillar and the barrier layer. A semiconductor device made of an intermetallic compound of a metal element constituting the pillar that is in contact with the joining member of the first pillar and the second pillar and a metal element constituting the solder.
(Supplementary Note 2) The barrier layer is smaller in width than the first pillar and the second pillar, and the joining member is provided so as to cover the barrier layer, and the first pillar and the second pillar are mutually connected. The semiconductor device according to appendix 1, in contact with the opposing surface.
(Supplementary Note 3) At least one of the first pillar and the second pillar has a first columnar portion and a second columnar portion having a width smaller than that of the first columnar portion, and the barrier layer includes the second pillar A columnar portion provided on a surface of the first pillar and the second pillar facing each other; the joining member is provided to cover the barrier layer; and a side surface of the second columnar portion; The semiconductor device according to appendix 1 or 2, which is in contact with the opposing surfaces of the first pillar and the second pillar.
(Additional remark 4) The said barrier layer is provided only in one pillar of the said 1st pillar and the said 2nd pillar, and is not provided in the other pillar, The said joining member is the said pillar of the said other pillar. 4. The semiconductor device according to claim 1, wherein the semiconductor device is in contact with a surface facing one pillar and a side surface of the other pillar.
(Supplementary note 5) The semiconductor device according to supplementary note 4, wherein the other pillar has a smaller width than the one pillar.
(Supplementary note 6) The semiconductor device according to any one of supplementary notes 1 to 5, wherein the first pillar and the second pillar are made of Cu, and the joining member is made of at least one of Cu 3 Sn and Cu 6 Sn 5 .
(Additional remark 7) The process of preparing the mounting part provided with a 1st pillar, The process of preparing a semiconductor element provided with a 2nd pillar, The process of forming a barrier layer in at least one of the said 1st pillar and the said 2nd pillar, After the step of forming solder on the barrier layer, the step of facing the mounting part and the semiconductor element, and joining the first pillar and the second pillar with the solder, and the step of joining, A step of alloying a metal element constituting the pillar of the first pillar and the second pillar with which the solder is in contact with a metal element constituting the solder to make all of the solder an intermetallic compound; A method for manufacturing a semiconductor device.
(Supplementary note 8) The method of manufacturing a semiconductor device according to supplementary note 7, wherein the step of forming the intermetallic compound includes performing heat treatment on the solder in a reducing atmosphere or an inert atmosphere.
(Supplementary note 9) The method for manufacturing a semiconductor device according to supplementary note 7 or 8, wherein the solder includes tin, and the first pillar and the second pillar are made of copper.

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
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Package substrate 20 Semiconductor element 22 1st pillar 22a 1st columnar part 22b 2nd columnar part 24 Opposite surface of 1st pillar 24a Opposite surface of 2nd columnar part 24b Opposite surface of 1st columnar part 26 Side surface of 1st pillar 26a Side surface of second columnar portion 30 Semiconductor element 32 Second pillar 32a First columnar portion 32b Second columnar portion 34 Opposing surface of second pillar 34a Opposing surface of second columnar portion 34b Opposing surface of first columnar portion 36a Second columnar shape Side surface 40 Bump 42 Micro bump 44, 44a, 44b Barrier layer 46 Joining member 48 Solder

Claims (5)

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柱状部よりも幅が狭い第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、前記バリア層に接し且つ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。
A mounting section comprising a first pillar;
A semiconductor element in which a second pillar is bonded to the first pillar and is flip-chip mounted on the mounting portion;
A barrier layer provided on at least one of the first pillar and the second pillar;
A joining member that joins the first pillar and the second pillar,
At least one of the first pillar and the second pillar has a first columnar portion and a second columnar portion that is narrower than the first columnar portion,
The barrier layer is provided on a surface of the second columnar portion where the first pillar and the second pillar are opposed to each other,
The joining member is provided in contact with the barrier layer and covering the barrier layer, and is in contact with a side surface of the second columnar portion and the opposing surfaces of the first pillar and the second pillar, and The semiconductor device which consists of an intermetallic compound of the metal element which comprises the pillar which the said joining member contacts among the 1 pillar and the said 2nd pillar, and the metal element which comprises solder.
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、請求項記載の半導体装置。
The barrier layer is provided only on one of the first pillar and the second pillar, and is not provided on the other pillar.
The joining member is in contact with the surface facing the one of the pillars of the other pillar and the side surface of the other pillars, the semiconductor device according to claim 1, wherein.
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または2記載の半導体装置。
The first pillar and the second pillar are made of Cu,
The joining member is made of at least one of Cu 3 Sn and Cu 6 Sn 5, the semiconductor device according to claim 1 or 2 wherein.
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、
前記実装部を準備する工程及び前記半導体素子を準備する工程の少なくとも一方は、第1柱状部と前記第1柱状部よりも幅が狭い第2柱状部とを有する前記第1ピラー及び前記第2ピラーを準備し、
前記バリア層を形成する工程は、前記第2柱状部であって前記実装部と前記半導体素子を対向させたときに前記第1ピラーと前記第2ピラーとが対向する面に前記バリア層を形成し、
前記金属間化合物にする工程は、前記バリア層に接し且つ前記バリア層を覆い、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する前記金属間化合物を形成する、半導体装置の製造方法。
Preparing a mounting portion including a first pillar;
Preparing a semiconductor element including a second pillar;
Forming a barrier layer on at least one of the first pillar and the second pillar;
Forming solder on the barrier layer;
The mounting portion and the semiconductor element are opposed to each other, and the first pillar and the second pillar are joined with the solder;
After the joining step, the metal element that constitutes the pillar that contacts the solder of the first pillar and the second pillar is alloyed with the metal element that constitutes the solder, and all of the solder is made of metal. A step of making an intermetallic compound,
At least one of the step of preparing the mounting portion and the step of preparing the semiconductor element includes the first pillar and the second pillar having a first columnar portion and a second columnar portion that is narrower than the first columnar portion. Prepare the pillar,
The step of forming the barrier layer includes forming the barrier layer on a surface of the second columnar portion where the first pillar and the second pillar face each other when the mounting portion and the semiconductor element are opposed to each other. And
The step of forming the intermetallic compound includes contacting the barrier layer and covering the barrier layer, and contacting the side surface of the second columnar portion and the opposing surfaces of the first pillar and the second pillar. A method of manufacturing a semiconductor device.
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、請求項記載の半導体装置の製造方法。 The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 4 , wherein the step of forming the intermetallic compound includes performing heat treatment on the solder in a reducing atmosphere or an inert atmosphere.
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