JP2007035748A - 半導体素子搭載用の支持体および半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 支持体に設けられた銀鍍金の劣化による信頼性低下を改善する。
【解決手段】 本発明は、基材に、銀を含む第一の金属と、Ｔｉ、Ｗ、Ｍｏ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｚｎ、Ｃｕから選択された少なくとも一種の金属を含む第二の金属と、が順に積層された金属層を備えていることを特徴とする半導体素子搭載用の支持体である。また、本発明は、基材に、銀を含む金属を鍍金して第一の金属層を形成した後、第一の金属層の表面に、Ｔｉ、Ｗ、Ｍｏ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｚｎ、Ｃｕから選択された少なくとも一種の金属を含む金属をスパッタリングあるいは蒸着して第二の金属層を形成することを特徴とする半導体素子搭載用支持体の製造方法である。
【選択図】 図１

Description

本発明は、半導体素子を搭載することができる支持体、特に、高出力な発光素子を搭載しても信頼性の高い支持体に関する。

例えば、特開２００４−２０７６７２号公報に開示される半導体装置について、発光素子を搭載する支持体は、その発光素子に電力を供給するための導体配線や、発光素子の光を発光観測方向に反射させるための反射壁を有している。それらの導体配線や反射壁は、例えば、セラミックスなどの基材に、タングステン、ニッケル、銀などを順に鍍金することにより金属層として形成されている。

特開２００４−２０７６７２号公報。

しかしながら、支持体に施された銀鍍金は、発光素子からの光や熱によって着色劣化する。そのため、発光素子からの光は、劣化した銀により吸収され、発光出力の低下を招くこととなる。

また、銀を含む金属層は、その最表面から内部に貫通された所謂ピンホールを形成し易く、そのピンホールから、銀より下層に配されたニッケルなどの金属が金属層の最表面に露出する。最表面に露出されたニッケルは、貴金属である銀よりも酸化されやすく、酸化ニッケルとなる。この酸化ニッケルは、金に対する濡れ性が銀より悪い。そのため、このようなピンホールが多く形成された金属層を導体配線の最表面とすると、金を材料とする導電性ワイヤやバンプのような導電性部材は、導体配線から剥離しやすくなる。

そこで、本発明は、導体配線や反射壁として配されている銀の劣化を抑制し、信頼性の高い支持体を提供することを目的とする。

以上の目的を達成するため、本発明の半導体素子搭載用の支持体は、基材に配置された銀を含む第一の金属の少なくとも一部に、Ｔｉ、Ｗ、Ｍｏ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｚｎ、Ｃｕから選択された少なくとも一種の金属を含む第二の金属が積層された金属層を備えていることを特徴とする。

上記基材は、半導体素子を配置する凹部を有し、上記金属層は、その凹部の底部と、上記凹部の内壁部と、に配されている。

本発明にかかる半導体装置は、上記支持体と、その支持体に搭載された半導体素子と、その半導体素子を上記金属層へ電気的に接続させる導電性部材と、を備え、上記導電性部材は、銅、銀、金から選択された少なくとも一種を含み、上記金属層から露出された第一の金属に配されている。

本発明にかかる半導体装置は、その支持体に搭載された半導体素子を被覆し上記第二の金属を介して上記支持体に配された透光性部材と、を備えている。

本発明の半導体素子搭載用支持体の製造方法は、基材に、銀を含む金属を鍍金して第一の金属層を形成した後、前記第一の金属層の表面に、Ｔｉ、Ｗ、Ｍｏ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｚｎ、Ｃｕから選択された少なくとも一種の金属を含む金属をスパッタリングあるいは蒸着して第二の金属層を形成することを特徴とする半導体素子搭載用支持体の製造方法である。

本発明により、支持体に配された銀鍍金の着色劣化が抑制され、信頼性の高い半導体装置とすることができる。

本発明を実施するための最良の形態を、以下に図面を参照しながら説明する。ただし、以下に示す形態は、本発明の技術思想を具体化するための支持体を例示するものであって、本発明は、支持体を以下に限定するものではない。

また、本明細書は、特許請求の範囲に示される部材を、実施の形態の部材に特定するものでは決してない。特に、実施の形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、特定的な記載がない限りは、本発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。なお、各図面が示す部材の大きさや位置関係等は、説明を明確にするため誇張していることがある。さらに以下の説明において、同一の名称、符号については同一もしくは同質の部材を示しており、詳細説明を適宜省略する。さらに、本発明を構成する各要素は、複数の要素を同一の部材で構成して一の部材で複数の要素を兼用する態様としてもよいし、逆に一の部材の機能を複数の部材で分担して実現することもできる。

銀を含む金属層を、導体配線や反射壁として有する半導体素子搭載用の支持体において、本発明者らは種々の検討を行い、支持体に配置された銀を含む第一の金属の少なくとも一部に、Ｔｉ、Ｗ、Ｍｏ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｚｎ、Ｃｕから選択された少なくとも一種の金属を含む第二の金属を配することにより、銀の劣化を抑制し、信頼性の高い半導体素子搭載用の支持体とするに至った。

図１は、本形態の半導体装置を示す模式的な断面図である。発光素子の光を反射させるために最も好適に利用される銀は、発光素子の熱や光により変色劣化しやすい。そこで、本発明は、基材に配置させた銀を含む第一の金属層１０１の最表面に、チタン（Ｔｉ）、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ハフニウム（Ｈｆ）、バナジウム（Ｖ）、ニオブ（Ｎｂ）、タンタル（Ｔａ）、クロム（Ｃｒ）、亜鉛（Ｚｎ）、銅（Ｃｕ）などの遷移金属元素を単体あるいはそれらを合金化させたものを、保護膜として形成させていることを特徴とする。ここで、上記遷移金属元素を含む第二の金属層１０２は、発光素子からの光吸収を最小限に抑えるため、０．１ｎｍから１００ｎｍ以下の膜厚とすることが好ましい。また、上記遷移金属元素は、複数種の金属を、それぞれ異なる複数の層に分けて含有させてもよいし、単一層に複数種の金属を含有させてもよい。また、本発明の金属層は、第一の金属と、第二の金属との界面が明瞭な金属層に限定されることはない。すなわち、本発明の効果が得られる程度に第二の金属の少なくとも一部が第一の金属の半導体素子搭載側に配置されていれば、第一の金属と、第二の金属とが一部混在する金属層としてもよい。

このように、第二の金属層の透光性を確保し、且つ、銀の劣化を抑制することにより、銀を含む金属層を反射面として利用した信頼性の高い支持体とすることができる。

銀を含む金属層に積層される第二の金属は、Ｔｉ、Ｗ、Ｍｏ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｚｎ、Ｃｕの遷移金属元素から選択された少なくとも一種の金属を含む層で構成することができる。上記遷移金属元素を含む金属層は、スパッタリング、真空蒸着、ＰＶＤ、イオンプレーティング、ＣＶＤなどの成膜方法や、電解鍍金、無電解鍍金、カップリング剤処理、電着塗装、上記上記遷移金属元素の微粒子を含む樹脂ペーストを付着させるなどの方法により形成させることができる。

例えば、蒸着にて銀を配置して第一の金属層とする場合、その銀のターゲットに上記遷移金属元素を含有させるか、別のターゲットで同時に蒸着させ、濃度傾斜を設けて上記遷移金属元素を含む層を形成しても良い。

あるいは、銀を含む層を銀鍍金にて形成する場合、上記遷移金属元素を鍍金液に含有させることにより、上記遷移金属元素を含む金属層とすることができる。

あるいは、第二の金属は、金属層を構成させる金属元素を含む酸化物などの化合物にて金属層を形成させた後、還元処理を行い、目的とする金属層としてもよい。

第二の金属を含む金属層を形成させる場合の原料として、例えば、金属元素、ハロゲン化物、硝酸塩、硫酸塩、アルコキシド、チタネート系カップリング剤など既存のものを挙げることができる。特に、電着塗装、樹脂ペーストにより金属層を形成させる場合、０．１ｎｍから１００ｎｍ以下の膜厚とするため、原料は、微粒子であることが好ましい。

なお、銀を含む金属層は、上述の第二の金属層と同様の方法でも形成することができるが、そのうち、特に、電解鍍金により好適に形成させることができる。電解鍍金により形成させた銀を含む金属層は、以下（１）から（４）のうち少なくとも一つの構成を有することが好ましい。これらの金属層は、例えば、銀鍍金の下地となる層を、貴金属を含む多層構造とすることにより形成させることができる。

（１）例えば、支持体の半導体素子を搭載する領域における銀の膜厚は、４μｍ以上２０μｍ以下とすることが好ましい。銀の膜厚が４μｍよりも薄いと銀が劣化しやすく、膜厚を２０μｍ以上にしようとすると、支持体の生産効率が低下するからである。

（２）銀の結晶性をＸ線回折装置（ＸＲＤ）で測定したとき、（１１１）面あるいは（２００）面に配向しており、その主ピーク強度が（２２０）面あるいは（３１１）面の強度の５倍以上であることが好ましい。このような結晶性の高い銀とすることにより、銀の劣化を抑制することができる。なお、本形態における銀の結晶性は、ブラッグの条件式；２ｄｓｉｎθ＝ｎλ（ｄ；格子定数、λ；Ｘ線の波長、ｎ；自然数）において、２０°＜２θ＜８０°の範囲で測定したものである。また、詳細な測定条件は、以下の通りである。

また、この条件で測定したときの主ピークの半値幅が０．２０以下である事が好ましい。結晶性の低い非晶質な層があると、この部分にて銀を含む層の劣化が進行し易くなるためである。
（３）銀を含む金属層の表面のピンホールは、存在しない状態がより好ましいが、１００μｍ^２あたり、１０個以下とすることにより、半導体装置の信頼性を十分に向上させることができる。なお、本形態のピンホールの数は、電子顕微鏡にて銀の表面を観察し、開口部の内径が０．５〜５μｍ程度のピンホールを数えたものである。ピンホールの数が少ない金属層とすることにより、ニッケル、タングステンなどの下層の金属あるいはそれらの金属の酸化物が金属層の表面へと拡散移動することが抑制され、銀の劣化や、ワイヤーボンディング不良をなくすることができる。なお、銀の層を鍍金するとき、開口部の内径が０．５μｍ以下のピンホールであっても、ピンホール内に鍍金液が残留し、熱の影響で鍍金表面に膨れや残留した鍍金液流出により変色の原因となるため、ピンホールは、できるだけ存在しないほうが好ましい。

（４）半導体素子を搭載する領域における銀の面粗さ（Ｒａ）は、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）にて１５０μｍ^２の範囲を測定して、１５０μｍから３５０μｍの範囲にあることが好ましい。表面が滑らかであると、光の影響を受ける面積が少なくてすみ、劣化することなく、化学的に安定な金属層とすることができるからである。その一方、表面が滑らかすぎると、半導体素子を接着する樹脂の濡れ性が低下するため、ある程度の粗さは必要とされる。

別の形態にかかる支持体は、半導体素子を配置する凹部を有し、上記第一の金属および第二の金属を有する金属層は、その凹部の底部に導体配線として、さらに、上記凹部の内壁部に反射壁として配する。このような凹部内に配置された発光素子から照射された光は、凹部の内壁面に反射させて所定の観測方位に取り出すことができる。しかし、凹部内に発光素子を搭載すると、発光素子からの光密度が高くなり、銀が劣化し易いが、第二の金属により、第一の金属の劣化を抑制し、信頼性の高い支持体とすることができる。

さらに、別の形態の半導体装置は、上記支持体と、その支持体に搭載された半導体素子と、その半導体素子に接続される導体配線を備える。導体配線は、上記金属層であり、導電性部材により、半導体素子と電気的に接続される。この導電性部材は、金や銀や銅を含み、上記金属層から露出された第一の金属に配されていることが好ましい。導電性部材として、銀を含む第一の金属との濡れ性が第二の金属より高い金や銀や銅を材料とする導電性ワイヤやバンプを選択することができる。これにより、導電性部材と導体配線との剥離がなくなり、信頼性の高い半導体装置とすることができる。なお、本発明にかかる支持体は、半導体素子を内部に配置する凹部を有する形態に限定されることなく、そのような凹部を有しない支持体とすることもできる。このような形態の支持体は、半導体素子に電力を供給する導体配線を反射層として利用することができる。つまり、本発明にかかる第二の金属を有する金属層を導体配線とすることにより、半導体素子からの光を導体配線にて外部に反射させ、光取り出し効率のよい、信頼性の高い半導体装置とすることができる。

本形態の半導体装置は、その支持体に搭載された半導体素子を被覆する透光性部材を有する。透光性部材は、例えば、透光性樹脂やガラスを材料とすることができ、この透光性部材は、上記第二の金属を介して銀を含む第一の金属に配されている。これにより、銀のピンホールから露出されたニッケルやタングステンなどから透光性部材を保護し、透光性部材への悪影響を低減することができる。なお、本形態の金属層により形成された導体配線に半導体素子を固定するための上記透光性部材への悪影響も低減することができる。

透光性部材の具体的な材料として、例えば、エポキシ樹脂やシリコーン樹脂、ホウケイ酸ガラスなどを選択することができる。さらに、透光性部材に蛍光物質やシリカ、アルミナ、酸化チタンなどの拡散材を含有させることもできる。

また、凹部を有する半導体装置とするとき、半導体素子を被覆する透光性部材は、その凹部の内壁面に配置された金属層に接触させることなく形成させることもできる。これにより、半導体装置の光利用効率を向上させることができる。以下、本形態の各構成について詳述する。

（基材）
本形態の基材とは、半導体素子を搭載し、反射壁や導体配線としての金属層を配置することができる部材である。したがって、本形態の基材は、導電性を有する材料として、アルミ、鉄入り銅を主な材料とするリードフレームや、絶縁性部材とすることができる。

本形態における絶縁性部材の材料は、ガラスエポキシ樹脂、セラミックスあるいはガラスを挙げることができる。特に、セラミックスを材料とすることにより、耐熱性の高い支持体とすることができる。

セラミックスは、アルミナ、窒化アルミニウム、ムライト、炭化ケイ素あるいは窒化ケイ素などが好ましい。酸化亜鉛などのバリスタ材料を用いることも出来る。特に、原料粉末の９０〜９６重量％がアルミナであり、焼結助剤として粘度、タルク、マグネシア、カルシア及びシリカ等が４〜１０重量％添加され１５００から１７００℃の温度範囲で焼結させたセラミックスや原料粉末の４０〜６０重量％がアルミナで焼結助剤として６０〜４０重量％の硼珪酸ガラス、コージュライト、フォルステライト、ムライトなどが添加され８００〜１２００℃の温度範囲で焼結させたセラミックス基板などが挙げられる。

セラミックスの粉体と、バインダー樹脂を混合して得られる材料をシート状に成型して得られるセラミックスグリーンシートを積層させて焼成することにより、板状の支持体とすることができる。あるいは、セラミックスグリーンシートに種々の大きさのスルーホールを形成して積層することにより、凹部を有する支持体とすることができる。このような支持体に配される第一の金属の下地層は、未焼成のセラミックスグリーンシートの段階で、タングステン、モリブデンのような高融点金属の微粒子を含む導体ペーストを所定のパターンに塗布したものを焼成することにより得ることができる。さらに、セラミックスグリーンシートを焼成した後、上記下地層に、ニッケル、金あるいは銀を順に鍍金することにより、最表面に銀を配する。

なお、セラミックスを材料とする基材は、上述のように、導体配線と絶縁部を一体的に形成する他、予め焼成されたセラミックスの板材に、導体配線を配置することにより形成することもできる。

（半導体素子）
本形態における半導体素子は、発光素子、受光素子、およびそれらの半導体素子を過電圧による破壊から守る保護素子（例えば、ツェナーダイオードやコンデンサー）、あるいはそれらを組み合わせたものとすることができる。ここでは、半導体素子の一例として、発光素子（ＬＥＤチップ）について説明する。ＬＥＤチップを構成する半導体発光素子としては、ＺｎＳｅやＧａＮなど種々の半導体を使用したものを挙げることができるが、蛍光物質を有する発光装置とする場合には、その蛍光物質を効率良く励起できる短波長が発光可能な窒化物半導体（Ｉｎ_ＸＡｌ_ＹＧａ_{１−Ｘ−Ｙ}Ｎ、０≦Ｘ、０≦Ｙ、Ｘ＋Ｙ≦１）が好適に挙げられる。半導体層の材料やその混晶度によって発光波長を種々選択することができる。例えば、光半導体素子は、可視光領域の光だけでなく、紫外線や赤外線を入出力する発光素子や受光素子とすることができる。

半導体素子は、その電極がバンプと呼ばれる導電性材料を介して支持体の導体配線に電気的および機械的に接続することができる他、サブマウントと呼ばれる補助部材を介して接続させることができる。

以下、本発明に係る実施例について詳述する。なお、本発明は以下に示す実施例のみに限定されないことは言うまでもない。

図１は、本実施例の半導体装置１００の模式的な断面図である。本実施例の支持体は、窒化アルミニウムの基材１０３に塗布されたダングステンのパターンに、Ｎｉ、Ａｇが第一の金属層１０１として順に鍍金され、さらに、第二の金属１０２であるＴｉの薄膜にてコーティングされた導体配線を有する。発光素子１０４は、導体配線の上にエポキシ樹脂にて接着され、発光素子１０４の電極は、金ワイヤ１０５にて導体配線に接続されている。

本実施例により、支持体に配された銀鍍金の着色劣化が抑制され、光取り出し効率を低下させることなく、信頼性の高い半導体装置とすることができる。また、本実施例の半導体装置は、発光素子の側面から出射する光を、凹部内側壁面の反射を利用することなく、直接外部に照射させることができ、光取り出し効率が向上する。

図２は、本実施例の半導体装置２００の模式的な断面図である。本実施例の支持体は、凹部を有する。凹部の内側壁は、発光素子からの光を発光観測方向に反射させる反射層２０１、２０２とされている。凹部の底部には、発光素子が配置され、その発光素子に電力を供給する導体配線１０１、１０２が施されている。導体配線や反射層とされる金属層は、実施例１と同様に形成される。凹部内に発光素子を配置させた半導体装置は、凹部内にて光密度が高くなるため、銀の劣化が促進されやすい。そこで、本実施例の金属層とすることにより、銀の劣化を抑制することができる。

図３は、本実施例の半導体装置３００の模式的な断面図である。本実施例の支持体は、実施例１と同様に形成させた導体配線を有し、さらに支持体に搭載された発光素子１０４を被覆する透光性樹脂１０６を有する。この透光性樹脂１０６は、導体配線を構成するＴｉ薄膜に配置されている。これにより、Ｔｉより下層に配置されているＡｇやＮｉが透光性樹脂に与える影響を低減させることができる。

図４は、本実施例の半導体装置４００の模式的な断面図である。本実施例の支持体は、実施例１と同様に形成させた導体配線を有し、金ワイヤ１０５は、導体配線を形成する金属層から露出された第一の金属１０１であるＡｇ鍍金の部分に接続されている。ここで、銀を含む金属層の表面のピンホールは、１００μｍ^２あたり、１０個以下である。これにより、金ワイヤ１０５は、導体配線から剥離することなく、発光素子と導体配線を電気的に接続することができる。

本発明は、半導体素子を搭載する支持体として利用可能である。

図１は、本発明の一実施例を示す模式的な断面図である。 図２は、本発明の一実施例を示す模式的な断面図である。 図３は、本発明の一実施例を示す模式的な断面図である。 図４は、本発明の一実施例を示す模式的な断面図である。

符号の説明

１００、２００、３００、４００・・・半導体装置
１０１、２０１・・・第一の金属
１０２、２０２・・・第二の金属
１０３・・・基材
１０４・・・発光素子
１０５・・・導電性部材
１０６・・・透光性部材

Claims (5)

1. 基材に配置された銀を含む第一の金属の少なくとも一部に、Ｔｉ、Ｗ、Ｍｏ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｚｎ、Ｃｕから選択された少なくとも一種の金属を含む第二の金属が積層された金属層を備えていることを特徴とする半導体素子搭載用の支持体。
2. 前記基材は、半導体素子を配置する凹部を有し、前記金属層は、前記凹部の底部と、内壁部と、に配されている請求項１に記載の支持体。
3. 請求項１または２に記載の支持体と、その支持体に搭載された半導体素子と、その半導体素子を前記金属層に接続させる導電性部材と、を備え、
   前記導電性部材は、銅、銀、金から選択された少なくとも一種を材料として含み、前記金属層から露出された第一の金属に配されている半導体装置。
4. 請求項１または２に記載の支持体と、その支持体に搭載された半導体素子を被覆し前記第二の金属を介して前記支持体に配された透光性部材と、を備えた半導体装置。
5. 基材に、銀を含む金属を鍍金して第一の金属層を形成した後、前記第一の金属層の表面に、Ｔｉ、Ｗ、Ｍｏ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｚｎ、Ｃｕから選択された少なくとも一種の金属を含む金属をスパッタリングあるいは蒸着して第二の金属層を形成することを特徴とする半導体素子搭載用支持体の製造方法。
   
   

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