CN104821357B - 半导体元件和具有其的半导体装置以及半导体元件的制造方法 - Google Patents

半导体元件和具有其的半导体装置以及半导体元件的制造方法 Download PDF

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Abstract

为了提供可获得氧化物等的基板与金属膜的高密合性的半导体元件，该半导体元件具备氧化物的基板、在上述基板的上表面设置的半导体元件结构和在上述基板的下表面设置的金属膜，上述金属膜包含氧化物的纳米粒子。

Description

半导体元件和具有其的半导体装置以及半导体元件的制造 方法
技术领域
本发明涉及半导体元件和具有该半导体元件的半导体装置以及半导体元件的制造方法。
背景技术
以往，在蓝宝石等氧化物等的基板的里面形成了包含银等金属的反射层的半导体发光元件中，进行了关于基板与反射层的密合性的研究(参照例如专利文献1、2)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2001-332762号公报
专利文献2：日本特开2001-284942号公报
发明内容
发明要解决的课题
但是，目前，氧化物等的基板与金属膜的密合性上有改善的余地。
因此，本发明鉴于该实际情况而完成，目的在于提供可获得氧化物等的基板与金属膜的高密合性的半导体元件和/或具有该半导体元件的半导体装置、和/或半导体元件的制造方法。
用于解决课题的手段
为了解决上述课题，本发明的半导体元件，其特征在于，具有氧化物的基板、在上述基板的上表面设置的半导体元件结构和在上述基板的下表面设置的金属膜，上述金属膜包含氧化物的纳米粒子。
本发明另外的半导体元件的特征在于，具有氮化物的基板、在上述基板的上表面设置的半导体元件结构和在上述基板的下表面设置的金属膜，上述金属膜包含氮化物的纳米粒子。
本发明另外的半导体元件的特征在于，具有碳化物的基板、在上述基板的上表面设置的半导体元件结构和在上述基板的下表面设置的金属膜，上述金属膜包含碳化物的纳米粒子。
本发明的半导体装置的特征在于，具备基体和本发明的半导体元件，上述半导体元件的下表面侧与上述基体相接合。
本发明的半导体元件的制造方法，是在氧化物的基板的上表面具有半导体元件结构的半导体元件的制造方法，其特征在于，包括下述工序：在上述基板的下表面通过金属和氧化物的同时溅射或同时蒸镀而形成含有上述氧化物的纳米粒子的上述金属的膜。
本发明另外的半导体元件的制造方法，是在氧化物的基板的上表面具有半导体元件结构的半导体元件的制造方法，其特征在于，包括下述工序：在上述基板的下表面通过溅射或蒸镀使氧化物的纳米粒子分散地附着后，将该纳米粒子覆盖而形成金属的膜。
本发明另外的半导体元件的制造方法，是在氮化物的基板的上表面具有半导体元件结构的半导体元件的制造方法，其特征在于，包括下述工序：在上述基板的下表面通过金属和氮化物的同时溅射或同时蒸镀而形成含有上述氮化物的纳米粒子的上述金属的膜。
本发明另外的半导体元件的制造方法，是在氮化物的基板的上表面具有半导体元件结构的半导体元件的制造方法，其特征在于，包括下述工序：在上述基板的下表面通过溅射或蒸镀使氮化物的纳米粒子分散地附着后，将该纳米粒子覆盖而形成金属的膜。
本发明另外的半导体元件的制造方法，是在碳化物的基板的上表面具有半导体元件结构的半导体元件的制造方法，其特征在于，包括下述工序：在上述基板的下表面通过金属和碳化物的同时溅射或同时蒸镀而形成含有上述碳化物的纳米粒子的上述金属的膜。
本发明另外的半导体元件的制造方法，是在碳化物的基板的上表面具有半导体元件结构的半导体元件的制造方法，其特征在于，包括下述工序：在上述基板的下表面通过溅射或蒸镀使碳化物的纳米粒子分散地附着后，将该纳米粒子覆盖而形成金属的膜。
发明的效果
根据本发明，可得到具有与氧化物、氮化物或碳化物的基板的密合性优异的金属膜的半导体元件。
附图说明
图1是本发明的一实施方式涉及的半导体装置的简要上表面图(a)和其A-A断面的简要断面图(b)。
图2是图1中所示的半导体装置中安装的半导体元件的简要上表面图(a)和其B-B断面的简要断面图(b)。
图3是用于对基材与薄膜的接合进行说明的示意图(a)以及用于对本发明的一实施方式涉及的基板与金属膜的接合进行说明的示意图(b)和(c)。
图4是用于说明本发明的一实施方式涉及的半导体元件及其制造方法的一例的示意图(a)和(b)。
图5是表示银膜的金添加量与反射率的关系的图。
图6是表示本发明的实施例和比较例涉及的金属膜的接合强度的图。
图7是在本发明的一实施例涉及的金属膜的一断面中通过扫描透射电子显微镜观察的像。
图8是表示本发明的实施例和比较例涉及的金属膜的接合强度的图。
图9是表示本发明的实施例和比较例涉及的金属膜的接合强度的图。
图10是表示本发明的实施例涉及的金属膜的X射线衍射测定结果的图(a)和(b)。
图11是表示金属膜中的纳米粒子的含量的溅射装置中的设定值和采用电感耦合等离子体发光分光分析装置的实测值的关系的图。
附图标记的说明
10：基板
20：半导体元件结构
30：金属膜(31：晶粒、31a：金属原料、35：纳米粒子、35a：纳米粒子的原料)
100：半导体元件
110：基体
120：接合部件
130：密封部件
200：半导体装置
具体实施方式
以下对发明的实施方式适当参照附图进行说明。不过，以下说明的半导体元件及其制造方法以及半导体装置用于将本发明的技术思想具体化，只要无特定的记载，并不将本发明限定于以下的内容。此外，对于各附图表示的部件的大小、位置关系等而言，为了使说明明确，有时夸张。此外，一实施方式、实施例中说明的内容也可适用于其他的实施方式、实施例。
<实施方式1>
图1(a)是实施方式1涉及的半导体装置的简要上表面图，图1(b)是表示图1(a)中的A-A断面的简要断面图。图2(a)是图1中所示的半导体装置中安装的半导体元件的简要上表面图，图2(b)是表示图2(a)中的B-B断面的简要断面图(b)。
如图1中所示，实施方式1涉及的半导体装置200具有半导体元件100和基体110。半导体元件100的下表面侧与基体110相接合。
更详细地说，半导体装置200为表面安装型LED。半导体装置200具有：作为LED元件的半导体元件100、设置有容纳半导体元件100的凹部的基体110、在凹部的内侧以覆盖半导体元件100的方式设置的密封部件130。基体110是具有正负一对的引线电极、将该引线电极一体地保持的树脂的成型体的封装体。基体110的凹部的底面的一部分由引线电极的表面构成。半导体元件100利用接合部件120被接合到基体110的凹部的底面(更具体地，一方的引线电极)，利用金属丝与引线电极连接。再有，密封部件130可包含荧光体、填充剂。
如图2中所示，实施方式1涉及的半导体元件100具有氧化物的基板10、在基板10的上表面设置的半导体元件结构20、在基板10的下表面设置的金属膜30。而且，金属膜30包含氧化物的纳米粒子35。
这样，通过在金属膜30中存在纳米粒子35，能够提高金属膜30的与基板10的密合性，可得到可靠性高的半导体元件。此外，金属膜30，与使氧化物膜(层)等存在于基板10与金属膜30之间相比，可价格低地获得这样的效果，同时能够使基板10与金属膜30之间的层构成简单。因此，抑制存在于其间的膜引起的光损失，可得到光取出效率优异的发光元件、受光效率优异的受光元件。此外，可得到放热性优异的半导体元件。
此外，通过在金属膜30中存在纳米粒子35，从而使填塞效应显现，能够抑制成为金属膜30的主成分的金属(元素)的晶粒31(以下简写为“晶粒31”)的生长。由此，抑制半导体装置的装配工序的热经历引起的晶粒31的生长，能够维持金属膜30的表面的平滑性，抑制金属膜30内的空隙(孔隙)的产生。因此，金属膜30容易维持高的反射率、放热性。
图3(a)是用于对基材与薄膜的接合进行说明的示意图。此外，图3(b)和(c)是用于对实施方式1涉及的基板与金属膜的接合进行说明的示意图。如图3(a)中所示，一般地，在基材上形成了薄膜的情况下，通过在其界面附近形成化合物生成产生的反应区域、原子扩散产生的扩散区域，从而提高基材与薄膜的密合性。例如，在氧化物的基材上形成了容易氧化的金属的薄膜的情况下，由于在其界面附近容易形成生成了薄膜成分的金属的氧化物的反应区域，因此容易获得密合性。另一方面，在氧化物的基材上形成了难以氧化的金属的薄膜的情况下，由于这样的反应区域不易形成，因此不易获得密合性。
因此，如图3(b)中所示，考虑使金属膜30中含有氧化物的纳米粒子35。由此，在基板10与金属膜30的界面附近，能够模拟地形成上述反应区域，能够推测可提高金属膜30的氧化物的与基板10的密合性。
从提高金属膜30的与基板10的密合性的观点出发，纳米粒子35优选至少存在于基板10与金属膜30的界面附近。如果如图3(b)中所示，纳米粒子35在金属膜30的整个区域中分散，则容易在金属膜30的整个区域抑制结晶生长。另一方面，如图3(c)中所示，如果纳米粒子35在金属膜30中大量存在于上方即基板10侧，则能够高效率地利用纳米粒子35来提高基板10与金属膜30的密合性。此外，特别地，如果纳米粒子35在金属膜30中在基板10与金属膜30的界面附近偏在或局部存在，则能够提高基板10与金属膜30的密合性，同时抑制金属膜30的反射率的降低、电阻的上升。
图4(a)和(b)是用于说明实施方式1涉及的半导体元件及其制造方法的一例的示意图。如图4(a)中所示，实施方式1涉及的半导体元件100的制造方法的一例是在氧化物的基板10的上表面具有半导体元件结构的半导体元件的制造方法，包括下述的工序：在基板10的下表面通过金属和氧化物的同时溅射或同时蒸镀而形成含有氧化物的纳米粒子35的金属的膜。通过向基板10的下表面同时供给金属的原料31a和纳米粒子的原料35a，从而能够使纳米粒子35在金属膜30中的整个区域分散。这种情况下，纳米粒子35除了附着于基板10的下表面的粒子以外，还包含在金属的晶粒31中以及金属的晶粒间界存在的粒子。
如图4(b)中所示，实施方式1涉及的半导体元件100的制造方法的另外的一例是在氧化物的基板10的上表面具有半导体元件结构的半导体元件的制造方法，包括下述的工序：在基板10的下表面通过溅射或蒸镀使氧化物的纳米粒子35分散地附着后，将该纳米粒子35覆盖而形成金属的膜。通过在基板10的下表面，分别各自地先供给纳米粒子的原料35a，后供给金属的原料31a，从而能够形成使金属膜30中的纳米粒子35在基板10的下表面分散地附着的粒子。这是如上所述金属膜30中的纳米粒子35在与基板10的界面附近局部存在的形态的一例。此时，要使纳米粒子35分散地附着于基板10的下表面，通过成膜为例如不到10nm、优选地不到5nm的厚度，从而能够不是将基板下表面整个区域覆盖的膜状(层状)，而是分散地形成纳米粒子35，即形成为多个粒状。
以下对金属膜30的优选的形态进行说明。
如图2中所示，纳米粒子35优选至少存在于金属膜30的晶粒间界。通过纳米粒子35存在于金属膜30的晶粒间界，利用填塞效应，容易抑制粒界移动，能够有效地抑制晶粒31的生长。此外，能够抑制铜等其他金属原子在金属膜30的晶粒间界扩散。此外，能够抑制空气中的氧浸入金属膜30中而在晶粒间界扩散。因此，对于金属膜30而言，即使经过半导体装置的装配工序、连续驱动，也能够维持高的反射率，且抑制从基板10的剥离，可得到可靠性优异的光反射膜。此外，金属膜30，与另外形成阻隔层相比，可低价地获得这样的效果，同时能够使金属膜30之下的层构成简单。
纳米粒子35优选是从氧化硅、氧化铝、氧化锆、氧化钛、氧化锌、氧化镁、氧化镓、氧化钽、氧化铌、氧化铋、氧化钇、氧化铱、氧化铟、氧化锡、氧化镍、ITO、IZ0、AZO、GZO、FTO中选择的至少1种物质。也优选氧化铪。此外，纳米粒子35也优选是从第4族元素、第10族元素、第12族元素、第13族元素、第14族元素中选择的至少一种元素的氧化物。其中，氧化硅、氧化铝、氧化锆、氧化钛容易获得，价格比较低。
金属膜30中的纳米粒子35的含量，从与基板10的密合性的观点出发，比0wt％大即可，对上限值没有限定，例如为0.2wt％以上，优选为0.5wt％以上，更优选为1wt％以上。此外，金属膜30中的纳米粒子35的含量，从金属膜30的反射率(初期反射率)的观点出发，例如为5wt％以下，优选为4wt％以下，更优选为2.5wt％以下。
对纳米粒子35的平均粒径并无特别限定，优选为0.1nm以上100nm以下，还可以为0.1nm以上且不到10nm。这样，纳米粒子35以少量的添加就能够使大量的粒子分散于金属膜30，容易抑制晶粒31的生长。再有，纳米粒子35的平均粒径能够由D50定义。此外，纳米粒子35的平均粒径，能够采用激光衍射-散射法、图像解析法(扫描型电子显微镜(SEM)、透射型电子显微镜(TEM))、动态光散射法、X射线小角散射法等测定，其中优选图像解析法。图像解析法例如按照JIS Z 8827-1：2008。
纳米粒子35的形状并无特别限定，可列举球状、不定形破碎状、针状、柱状、板状(包含鳞片状)、纤维状、或树枝状等。其中，通过纳米粒子35为球状，即使光进入与可见光干涉的水平比较大的纳米粒子35中，也能够抑制全反射，迅速地取出光，容易得到反射率优异的金属膜30。
通过基板10具有透光性，能够使金属膜30作为光反射膜发挥功能。进而，优选纳米粒子35具有透光性。作为热经历引起的金属膜的结晶生长的抑制手段，也可考虑着眼于溶质拖曳效应而添加异种金属，但异种金属的光吸收性比较高，产生考虑半导体装置内的光散射时不能忽视的光损失。但是，如果纳米粒子35具有透光性，则能够将这样的光损失控制得小。
通过基板10具有导电性，能够使半导体元件100成为上下电极(对向电极)结构，此外，容易向半导体元件结构20面内均匀地给电，容易提高电力效率。此外，如果纳米粒子35具有导电性，能够抑制金属膜30的电阻的上升。
金属膜30的形成方法并无特别限定，可列举溅射、蒸镀等。金属膜30的厚度，能够任意地选择，例如为0.03μm以上5.0μm以下，优选为0.05μm以上3.0μm以下，更优选为0.1μm以上1.0μm以下。
成为金属膜30的主成分的金属(元素)并无特别限定，如上所述，从难以获得与氧化物的基板10的密合性的观点出发，优选难以氧化的金属。具体地，可列举银、金、铂、钯、铑、铱、钌、锇、铜、锡等。其中，银和金特别难以获得与氧化物的基板10的密合性。银的光反射性优异，尤其是可见波长范围的反射率在金属中最大，而且在热导率、电阻上也具有金属中最高的性能。因此，金属膜30优选为以银作为主成分的膜。
银不仅与异种金属的杂质形成固溶体、金属间化合物，而且也与硒、硫等非金属的杂质形成化合物。这些杂质促进被称为填塞效应、溶质拖曳效应的结晶生长抑制现象，成为降低银膜的反射率的要因。特别地，具有荧光体等光扩散成分的发光装置，由于因光扩散而使银膜的凹凸、光吸收的影响增加，因此产生不能忽视的光损失。因此，为了获得与纯银同水准的反射率，优选在某种程度上维持高的银的纯度。例如，铝是容易获得与氧化物基板的密合性，具有仅次于银的高反射率的金属。因此，杂质在银膜中的添加量的最大值(上限)能够为以银膜(由于杂质的添加，称为以银作为主成分的膜)的反射率变得与铝相等的添加量。换言之，银的纯度优选为以银作为主成分的膜能够维持铝的反射率以上的反射率的纯度。此外，即使是相同的添加量，由于杂质的化学种的不同，光吸收产生的损失也不同，金能够与银形成全率固溶体，能够形成无金属间化合物等的偏析、均一的金属组织，在反射率上不易产生波动，是能够大量添加的杂质。通过以金为例，能够定义在实质上的银膜中的杂质添加量的最大值。图5是表示银膜的金添加量与反射率的关系的图。更详细地说，图5是加热处理前后表示通过溅射形成的银膜的金添加量与反射率(波长450nm)的关系。加热处理的条件为大气中250℃、2小时。从图5可知，直至金添加量9wt％，维持约96％的高反射率，银的纯度优选为91％以上。进而，为了获得与纯银同等的反射率，银的纯度更优选为99％以上。再有，银的纯度是指将与银合金化或反应而形成化合物的杂质去除的银的比例。此外，纳米粒子35不包含在该杂质中。
银为多晶体，随着晶粒立体上生长，表面粗糙，扩散反射增加，通过目视能看到是否白化的情形。即使是高纯度的银，由于光吸收少量地存在，因此由于扩散反射引起的光吸收的增加，反射率降低。为了使银膜的表面成为镜面或光泽度1.5以上，可通过使银的平均粒径减小到几乎不存在与可见光相干涉的程度而实现。具体地，可通过使其成为大大低于作为可见光的最短波长的380nm的1/4的平均粒径不到50nm而实现。但是，例如，电镀的情况下，为了使平均粒径变小，必须提高银膜中的杂质浓度，抑制结晶性。如果提高杂质浓度则光吸收增加，因此即使使平均粒径变小，获得镜面即高光泽度，反射率也会降低。进而，对于溅射，只能在与电镀相比经济性低的条件下实现。由于这些，银的平均粒径优选为50nm以上1.0μm以下，更优选为50nm以上0.5μm以下。
<实施方式2>
实施方式2涉及的半导体元件及其制造方法是将实施方式1涉及的半导体元件及其制造方法中的基板10和纳米粒子35变为氮化物。这样的实施方式2涉及的半导体元件及其制造方法也能够发挥与实施方式1同样的作用、效果。
实施方式2中的纳米粒子35优选为从氮化硅、氮化铝、氮化锆、氮化钛、氮化锌、氮化镁、氮化镓、氮化钽、氮化铌、氮化铋、氮化钇、氮化铱、氮化铟、氮化锡、氮化镍、氮化铪中选择的至少1种物质。此外，纳米粒子35也优选是从第4族元素、第10族元素、第12族元素、第13族元素、第14族元素中选择的至少一种元素的氮化物。
<实施方式3>
实施方式3涉及的半导体元件及其制造方法是将实施方式1涉及的半导体元件及其制造方法中的基板10和纳米粒子35变为碳化物。这样的实施方式3涉及的半导体元件及其制造方法也能够发挥与实施方式1同样的作用、效果。
实施方式3中的纳米粒子35优选为从碳化硅、碳化锆、碳化钛、碳化钽、碳化铌、碳化钇、碳化铪中选择的至少1种物质。
以下对本发明的半导体元件和半导体装置的各构成要素进行说明。
(半导体元件100)
半导体元件至少具有基板和半导体元件结构。半导体元件除了发光元件以外，可以是受光元件，可以是电子元件。作为发光元件，可列举发光二极管(LED)、半导体激光器(LD)等。作为受光元件，可列举光电二极管、太阳能电池等。作为电子元件，可列举晶体管、IC、LSI等。半导体元件的俯视形状优选为四方形、特别是正方形或一方向上长的矩形，但也可为其他的形状。半导体元件(特别是基板)的侧面相对于上表面，可以大致垂直，也可向内侧或外侧倾斜。半导体元件可以是在同一面侧具有p、n两电极的结构，也可以是p电极和n电极分别设置在元件的上表面和下表面的对向电极(上下电极)结构。在同一面侧具有p、n两电极的结构的半导体元件用金属丝将各电极与引线电极、配线连接(面朝上安装)。对向电极结构的半导体元件用导电性的接合部件将下表面电极与引线电极、配线接合，用金属丝将上表面电极与引线电极、配线连接。搭载于1个半导体装置的半导体元件的个数可以是1个，也可以是多个。多个半导体元件能够串联或并联地连接。
(基板10)
对于基板而言，能够使构成半导体元件结构的半导体的结晶生长的结晶生长用基板简便而优选，但也可以是与从结晶生长用基板分离的半导体元件结构接合的接合用基板。作为氧化物的基板的材料，可列举氧化铝(蓝宝石)、氧化铝镁(尖晶石)、氧化镁、氧化锌、氧化镓、氧化钛、钛酸锶、镓酸钕、镓酸锂、铝酸镧、铝酸锂、氧化硅等。作为氮化物的基板的材料，可列举AlxGa1-xN(0≤x≤1)等。作为碳化物的基板的材料，可列举碳化硅等。基板的厚度例如为20μm以上1000μm以下，从基板的强度、半导体装置的厚度的观点出发，优选为50μm以上500μm以下。
(半导体元件结构20)
半导体元件结构可成为发光元件结构、或受光元件结构、或电子元件结构。半导体元件结构优选包含半导体层的层叠体，即，至少包含n型半导体层和p型半导体层，而且在其间存在活性层。此外，半导体元件结构可包含电极、保护膜。电极能够由金、银、锡、铂、铑、钛、铝、钨、钯、镍或它们的合金构成。保护膜能够由从由硅、钛、锆、铌、钽、铝组成的组中选择的至少一种元素的氧化物或氮化物构成。半导体元件为发光元件或受光元件的情况下，半导体元件结构的发光波长或受光波长能够根据半导体材料、其混晶比，从紫外范围到红外范围选择。作为半导体材料，是能够发出能够高效率地激发荧光体的短波长的光的、而且能够实现高频和高温动作的电子器件的、进而能够实现高效率的太阳能电池的材料。优选使用氮化物半导体(主要由通式InxAlyGa1-x-yN(0≤x、0≤y、x+y≤1)表示)。此外，也能够使用InAlGaAs系半导体、InAlGaP系半导体、硫化锌、硒化锌、碳化硅等。
(接合膜)
在基板10的下表面侧，在金属膜30之下，可进一步设置接合膜。作为接合膜的材料，能够使用金、银、锡、铑、钨、镍、钼、铂、钯、钛或它们的合金。接合膜可以是单层膜，也可以是多层膜。接合膜的形成方法并无特别限定，可列举溅射、蒸镀等。再有，该接合膜也可省略。
(半导体装置200)
半导体装置至少具有基体和半导体元件，将半导体元件的下表面侧与基体接合。半导体装置可以是表面安装型，也可以是引线插入型。表面安装型的半导体装置由于回流焊接等的热经历比较严格，容易发生金属膜的结晶生长，因此本实施方式的构成尤其发挥效果。此外，半导体装置可具有齐纳二极管等静电保护元件。
(基体110)
基体主要可列举包含母体和配线的配线基板的形式、包含引线框和成型体的封装体的形式。基体能够使用平板状的基体、具有凹部(杯部)的基体等。平板状的基体容易安装半导体元件，具有凹部的基体容易提高光的取出效率。此外，基体也能够通过将成型体成型后通过镀金等设置配线、将预先设置了配线的薄板层叠而制作。
(引线电极)
作为引线电极的材料，能够使用与半导体元件连接、能够导电的金属。具体地，可列举铜、铝、金、银、钨、铁、镍、钴、钼、或它们的合金、磷青铜、含铁的铜等。引线电极可以由这些金属的层叠体构成，但由单层构成简便、好。特别地，优选以铜作为主成分的铜合金。此外，可在其表面设置银、铝、铑、金、铜、或这些的合金等的镀金、光反射膜，其中优选光反射性优异的银。引线电极例如将引线框通过切割-成型单片化为各个半导体装置的一部分。引线框在对由上述材料形成的金属板实施了压制、蚀刻、轧制等各种加工的产物成为母体。引线电极的厚度能够任意地选择，例如为0.1mm以上1mm以下，优选为0.2mm以上0.4mm以下。
(成型体)
成型体与引线电极一体地形成，构成封装体。成型体的母材可列举环氧树脂、有机硅树脂、或这些的改性树脂、混合树脂等热固化性树脂、或者脂肪族聚酰胺树脂、半芳香族聚酰胺树脂、聚环己烷对苯二甲酸酯等热塑性树脂。此外，成型体在这些的母材中可含有作为填充剂或着色颜料的玻璃、硅酸钙、钛酸钾、氧化钛、炭黑等的粒子或纤维。
(配线基板)
配线基板的母材具有电绝缘性为宜，即使具有导电性，也能够通过介由绝缘膜等而与配线电绝缘。作为配线基板的母体的材料，可列举包含氧化铝、氮化铝或它们的混合物的陶瓷，包含铜、铁、镍、铬、铝、银、金、钛或它们的合金的金属，环氧树脂、BT树脂、聚酰亚胺树脂等树脂或这些的纤维增强树脂(增强材料为玻璃等)。配线基板根据母体的材质、厚度，能够成为刚性基板、或可挠性基板(柔性基板)。此外，配线基板不限于平板状的形态，也能够成为具有与上述封装体同样的凹部的形态。
配线在母体的至少上表面形成，也可在母体的内部、下表面、侧面形成。此外，配线可以具有将半导体元件接合的凸台(压料垫)部、外部连接用的端子部、将它们连接的引出配线部等。作为配线的材料，可列举铜、镍、钯、铑、钨、铬、钛、铝、银、金或它们的合金。特别地，从放热性的观点出发，优选铜或铜合金。此外，在其表层可设置银、铝、铑、金、铜或它们的合金等的镀金、光反射膜，其中优选光反射性优异的银。这些配线能够采用电镀、化学镀、溅射、蒸镀、印刷、涂布、共烧成法、后烧成法等形成。
(密封部件130)
密封部件是将半导体元件、金属丝、配线、引线框的一部分等密封而保护免受灰尘、外力等的影响的部件。密封部件优选具有电绝缘性。此外，密封部件优选为能够使从半导体元件结构射出的光或从装置外部应接受的光透过(优选地，透射率70％以上)。此外，半导体元件为电子元件的情况下，可将密封部件与上述的成型体一体地设置。作为密封部件的具体的母材，可列举有机硅树脂、环氧树脂、酚醛树脂、聚碳酸酯树脂、丙烯酸系树脂、TPX树脂、聚降冰片烯树脂、或这些的改性树脂、含有这些树脂的1种以上的混合树脂。也可以是玻璃。其中，有机硅树脂或其改性树脂，由于耐热性、耐光性优异，固化后的体积收缩小，因此优选。特别地，密封部件的母材优选以苯基有机硅树脂作为主成分。苯基有机硅树脂的气体阻隔性也优异，容易控制腐蚀性气体引起的配线、引线框的劣化。此外，密封部件中所含的填充剂可列举氧化硅(二氧化硅)。
(荧光体)
荧光体将从半导体元件结构射出的一次光的至少一部分吸收，射出与一次光不同的波长的二次光。具体地，可列举铈活化的钇-铝-石榴石、铕和/或铬活化的含氮的铝硅酸钙、铕活化的赛隆、铕活化的硅酸盐、锰活化的氟化硅酸钾等。
(金属丝)
金属丝是将半导体元件的电极与引线电极、配线连接的导线。具体地，能够使用金、铜、银、铂、铝或它们的合金的金属线。特别地，优选难以产生来自密封部件的应力产生的断裂，热阻等优异的金线。此外，为了提高光反射性，可以是至少表面由银构成。
(接合部件120)
接合部件120是将半导体元件与引线电极、配线接合的部件。电绝缘性的接合部件能够使用环氧树脂、有机硅树脂、或它们的改性树脂、混合树脂等。此外，为了传热性的提高等，可使这些树脂中含有金属、金属氧化物或金属氮化物等填充剂。作为导电性的接合部件，能够使用含有银、金、铜、铂、铝、钯等的金属粉末和树脂粘结剂的金属糊，锡-铋系、锡-铜系、锡-银系、金-锡系等的焊料，低熔点金属等的蜡材。此外，作为导电性的接合部件，能够使用包含银粒子和/或氧化银粒子、和低级醇等有机溶剂的银粒子烧结型糊(参照例如国际公开公报WO2009/090915)。该银粒子烧结型糊能够基本上不含树脂地构成。此外，也能够将设置在半导体元件的下表面的金属膜与设置在基板侧的金属膜直接接合(参照例如国际公开公报WO2010/0847746)。
对于半导体元件而言，例如，通过将接合部件涂布于基体，在其上载置半导体元件后，进行加热(根据需要加压)，从而能够与基体接合。此时，接合部件按半导体元件的下表面侧的全面润湿的量设置，容易提高半导体元件与基体的接合的抗热冲击性而优选。加热温度(烧成温度)优选150℃以上320℃以下，更优选160℃以上280℃以下。此外，接合优选在真空中或者氩、氮等非活性气体气氛中进行，但可在大气气氛中进行。特别地，接合部件是上述银粒子烧结型糊的情形下，优选在大气气氛中或氧气氛中进行接合。
实施例
以下对本发明涉及的实施例进行详述。再有，当然本发明并不只限定于以下所示的实施例。
<实施例1>
实施例1的半导体装置具有图1中所示的实例的半导体装置200的结构。是具有纵5.0mm、横6.5mm、厚1.35mm的基体的、上表面发光(顶视)式的表面安装型LED。基体通过在对表面实施了银的镀金的铜合金型的正负一对的引线电极将含有氧化钛的白色颜料和二氧化硅的填充剂的环氧树脂制的成型体一体成型而构成。在基体的大致中央通过成型体以直径4.3mm、深0.85mm的俯视圆形状形成了2段式的凹部。对于引线电极，其表面的一部分构成凹部底面的一部分，并且延伸到成型体的外侧。这样的基体通过在模具内设置引线框，注入成型体的构成材料并使其固化而制作。
在基体的凹部底面，将6个半导体元件用作为金-锡系焊料的接合部件(熔点约280℃、厚约3.5μm)在负极侧的引线电极上接合，该各电极通过金的金属丝与正负两极的引线电极分别连接。该半导体元件是可发出蓝色(中心波长约455nm)光的、纵460μm、横460μm、厚120μm的LED元件。半导体元件具有在氧化铝(蓝宝石)的基板的上表面依次层叠有氮化物半导体的n型层、活性层、p型层的发光元件结构。此外，半导体元件具有与氧化铝的基板的下表面相接地形成的、含有4wt％的氧化锆的纳米粒子、以银作为主成分的金属膜。该金属膜采用溅射(即，银与氧化锆的同时溅射)形成，为膜厚120nm。氧化锆的纳米粒子的粒径为1～3nm左右。银的纯度为99.99％，银的晶粒径为约100nm。此外，在金属膜之下形成了将镍(膜厚100nm)、铑(膜厚200nm)、金(膜厚500nm)层叠的接合膜。再有，溅射装置使用CANONANELVA社制SPF-530H(以下的实施例也同样)。
而且，密封部件在基体的凹部的内侧以将半导体元件被覆而设置。该密封部件以折射率1.53的苯基有机硅树脂作为母材、在其中分散有YAG的荧光体。此外，填充密封部件以将基体的凹部充满，将上表面大致平坦地形成。这样的密封部件通过在具有流动性的状态下从分配器滴下，通过加热使其固化而形成。
<实施例2>
实施例2的半导体装置，是在实施例1的半导体装置中将金属膜中的氧化锆的纳米粒子的含量变为2wt％。
<实施例3>
实施例3的半导体装置，是在实施例1的半导体装置中将金属膜中的氧化锆的纳米粒子的含量变为1wt％。
<实施例4>
实施例4的半导体装置，是在实施例1的半导体装置中将金属膜中的氧化锆的纳米粒子的含量变为0.5wt％。
<比较例1>
比较例1的半导体装置，是在实施例1的半导体装置中在金属膜中没有添加纳米粒子而制作的。
(评价1)
对于实施例1～4和比较例1的各半导体装置，在密封前的状态下，测定半导体元件的接合强度(剪切强度)。再有，接合强度的测定是对半导体装置实施加热处理(峰温度260℃、10秒以下的回流通过试验)前(0次)、实施了1次后、实施了2次后、实施了3次后的各个产物进行。在图6中示出其测定结果。
图6为表示实施例1～4和比较例1涉及的金属膜的接合强度的图。如图6中所示，实施例1～4的金属膜与比较例1的金属膜相比，接合强度升高，而且随着金属膜中的氧化锆的纳米粒子的含量的增加，也看到接合强度的上升。由此可知，由于氧化锆的纳米粒子的存在，金属膜的与基板的密合性提高了。再有，比较例1的半导体装置中，大量地观测到在基板与金属膜的界面处的断裂，而实施例1～4的半导体装置中，大量地观测到在接合部件部分处的断裂。
如上所述，基板为氧化铝、纳米粒子为氧化锆是优选的实例之一。
<实施例5>
作为实施例5，在作为ASONE社制滑动玻璃(切放型)1-9645-01的试验用基板的上表面，通过溅射，将钛膜形成为100nm的厚度，在其上，作为金属膜的样品，将包含4.1wt％的氧化铝的纳米粒子、以银作为主成分的膜形成为500nm的厚度。
处理条件如下所述。处理前的到达压力为5.0e-4Pa。成膜前，通过RF250W、1分钟、0.5Pa、Ar：50sccm的条件的反溅射，将试验用基板的上表面清洁。钛膜通过使用φ4英寸的钛靶，在RF500W、18分35秒、0.5Pa、Ar：50sccm的条件下成膜。金属膜的样品是通过对于φ4英寸的氧化铝靶RF100W、对于φ4英寸的银靶RF60W、120分钟、0.5Pa、Ar：50sccm的条件的同时溅射成膜。再有，成膜时试验用基板的支架以6rpm旋转，冷却到常温左右。
图7是在实施例5涉及的金属膜的一断面中采用扫描透射电子显微镜(日本电子社制JEM-ARM200F(Cold-FEG))观察的像。如图7中所示，在本实施例5的金属膜中，在银的晶粒间界存在氧化铝的纳米粒子(图7中黑色的斑点部)。此外，氧化铝的纳米粒子也存在于金属膜中的银的晶粒间界以外的区域。氧化铝的纳米粒子的粒径为1.0～3.0nm左右。
<实施例6>
实施例6的样品，是在实施例5的样品中将金属膜中的氧化铝的纳米粒子的含量变为2.5wt％。
<比较例2>
比较例2的样品，是在实施例5的样品中没有添加纳米粒子而制作的。
(评价2)
对于实施例5、6和比较例2的各样品，测定加热处理(条件：大气中、250℃、2小时)前后的金属膜的反射率。测定波长为450nm。将其测定结果示于表1中。
[表1]
如表1中所示，实施例5、6的金属膜在加热处理前后几乎无反射率的变化，由于氧化铝的纳米粒子的存在，金属膜的热经历引起的结晶生长得到了抑制。此外可知，通过使金属膜中的纳米粒子的含量为例如4wt％以下，容易获得高的初期反射率，而且容易维持该反射率。
<实施例7>
实施例7的样品，是在实施例5的样品中将纳米粒子变为氧化锆。实施例7的金属膜，加热处理(条件：同上)前的反射率为92.6％，加热处理后的反射率为89.8％，反射率维持率为97.0％。实施例7的金属膜与比较例2相比，加热处理前后的反射率的降低得到了抑制，由于氧化锆的纳米粒子的存在，金属膜的热经历引起的结晶生长得到了抑制。
以下对于含有氧化锆以外的纳米粒子的金属膜，评价与基板的密合性。
<实施例8>
实施例8的半导体装置，是在实施例1的半导体装置中将金属膜中的纳米粒子变为氧化锌。
<实施例9>
实施例9的半导体装置，是在实施例1的半导体装置中将金属膜中的纳米粒子变为氧化镍。
<实施例10>
实施例10的半导体装置，是在实施例1的半导体装置中将金属膜中的纳米粒子变为氧化铪。
<比较例3>
比较例3的半导体装置，是在实施例8的半导体装置中在金属膜中没有添加纳米粒子而制作的。
<实施例11>
实施例11的半导体装置，是在实施例1的半导体装置中将金属膜中的纳米粒子变为氧化锡。
<实施例12>
实施例12的半导体装置，是在实施例1的半导体装置中限定为使金属膜中的氧化锆的纳米粒子分散地附着于基板的下表面的粒子。该金属膜通过采用溅射极薄地(以几nm左右的厚度)形成氧化锆而使氧化锆的纳米粒子在基板的下表面分散地附着后，在其上通过溅射形成银膜而形成。
<比较例4>
比较例4的半导体装置，是在实施例11的半导体装置中在金属膜中没有添加纳米粒子而制作的。
(评价3)
对于实施例8～12和比较例3、4的各半导体装置，在密封前的状态下测定半导体元件的接合强度(剪切强度)。再有，接合强度的测定是对半导体装置实施加热处理(峰温度260℃、10秒以下的回流通过试验)前(0次)、实施了1次后、实施了2次后、实施了3次后的各个产物进行。在图8、9中示出其测定结果。
图8为表示实施例8～10和比较例3涉及的金属膜的接合强度的图。图9为表示实施例11、12和比较例4涉及的金属膜的接合强度的图。如图8、9中所示，实施例8～12的金属膜与比较例3、4的金属膜相比，接合强度升高。由此可知，含有氧化锌、氧化镍、氧化铪、氧化锡的纳米粒子的金属膜中与基板的密合性也提高了。此外可知，含有在基板的下表面分散地附着的氧化锆的纳米粒子的金属膜，与基板的密合性也提高了。
<实施例13>
作为实施例13，与实施例5同样地，在滑动玻璃的上表面，通过溅射，将钛膜形成为50nm的厚度，在其上，作为金属膜的样品，通过同时溅射，将包含4wt％的氧化锆的纳米粒子、以银作为主成分的膜形成为500nm的厚度。
<实施例14>
实施例14是将实施例13中的金属膜中的纳米粒子变为氧化铪。
(评价4)
图10(a)、(b)分别为表示实施例13、14涉及的金属膜的X射线衍射(XRD)测定结果的图。如图10(a)、(b)中所示，在实施例13、14的金属膜中在43°附近观测到特有的峰。由此推测，实施例13的金属膜中存在银-锆或银-氧-锆的化学键或复合氧化物，实施例14的金属膜中存在银-铪或银-氧-铪的化学键或复合氧化物，认为这是与基板的密合性提高的要因之一。
最后，图11是表示金属膜中的纳米粒子的含量的溅射装置中的设定值与采用电感耦合等离子体发光分光分析装置(ICP-AES装置)的实测值的关系的图。如图11中所示可知，金属膜中的纳米粒子的含量的实测值比溅射装置中的设定值小，没有得到通常的线形的关系。这是因为，为了微量地控制金属膜中的纳米粒子的含量，必须将溅射装置的RF功率设定得比较低。再有，该纳米粒子为氧化锆，但在其他的纳米粒子中也存在同样的倾向。而且，以上所示的实施方式和实施例中的金属膜中的纳米粒子的含量的数值全部为成膜装置中的设定值。因此，金属膜中的纳米粒子的含量，作为实测值，为例如1wt％以下，优选为0.5wt％以下。
产业上的利用可能性
本发明涉及的半导体装置，在半导体元件为发光元件或受光元件的情况下，能够利用于液晶显示器的背光光源、各种照明器具、大型显示器、广告、路线指引等的各种显示装置、投影装置、以及数码相机、传真机、复印机、扫描仪等中的图像读取装置、各种传感器等。此外，本发明涉及的半导体装置，在半导体元件为电子元件的情况下，能够利用于个人电脑等各种电子计算机、在这些中搭载的电路基板等。

Claims (18)

1.一种半导体元件，其具有氧化物的基板、在所述基板的上表面设置的半导体元件结构和在所述基板的下表面设置的金属膜，
所述金属膜包含氧化物的纳米粒子，
所述纳米粒子的平均粒径为0.1nm以上且小于100nm。
2.根据权利要求1所述的半导体元件，其中，所述基板是氧化铝。
3.根据权利要求1或2所述的半导体元件，其中，所述纳米粒子是从氧化硅、氧化铝、氧化锆、氧化钛、氧化锌、氧化镁、氧化镓、氧化钽、氧化铌、氧化铋、氧化钇、氧化铱、氧化铟、氧化锡、氧化镍、氧化铪、ITO、IZO、AZO、GZO、FTO中选择的至少1种物质。
4.根据权利要求1或2所述的半导体元件，其中，所述纳米粒子是从第4族元素、第10族元素、第12族元素、第13族元素、第14族元素中选择的至少一种元素的氧化物。
5.根据权利要求1或2所述的半导体元件，其中，所述纳米粒子附着于所述基板的下表面。
6.根据权利要求1或2所述的半导体元件，其中，所述纳米粒子至少存在于所述金属膜的晶粒间界。
7.根据权利要求1或2所述的半导体元件，其中，所述纳米粒子在所述金属膜中多存在于所述基板侧。
8.根据权利要求1或2所述的半导体元件，其中，所述金属膜中的所述纳米粒子的含量为1wt％以下。
9.根据权利要求1或2所述的半导体元件，其中，所述纳米粒子的平均粒径为0.1nm以上且小于10nm。
10.根据权利要求1或2所述的半导体元件，其中，所述基板具有透光性，所述纳米粒子具有透光性。
11.根据权利要求1或2所述的半导体元件，其中，所述基板具有导电性，所述纳米粒子具有导电性。
12.根据权利要求1或2所述的半导体元件，其中，所述金属膜是以银作为主成分的膜。
13.根据权利要求12所述的半导体元件，其中，所述银的纯度是所述以银作为主成分的膜能够维持铝的反射率以上的反射率的纯度。
14.根据权利要求12所述的半导体元件，其中，所述银的平均粒径为50nm以上1.0μm以下。
15.根据权利要求1或2所述的半导体元件，其中，所述半导体元件结构是发光元件结构。
16.一种半导体装置，其具备基体和权利要求1～15中任一项所述的半导体元件，所述半导体元件的下表面侧与所述基体相接合。
17.半导体元件的制造方法，其是在氧化物的基板的上表面具有半导体元件结构的半导体元件的制造方法，包括下述工序：
在所述基板的下表面通过金属和氧化物的同时溅射或同时蒸镀而形成含有所述氧化物的纳米粒子的所述金属的膜。
18.半导体元件的制造方法，其是在氧化物的基板的上表面具有半导体元件结构的半导体元件的制造方法，包括下述工序：
在所述基板的下表面通过溅射或蒸镀而使氧化物的纳米粒子分散地附着后，将该纳米粒子覆盖而形成金属的膜。
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