JP6225453B2 - 半導体装置 - Google Patents

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Description

本発明は、半導体素子を配線基板に搭載した半導体装置に関する。
半導体素子を搭載するための配線基板は、例えばセラミックスを材料とする絶縁性基板の表面に、金属材料で配線を施して作製される。このような配線基板を作製するために、一般的に、コファイア工法（co-fire）やポストファイア工法（post-fire）が用いられている。コファイア工法は、セラミックスを焼成する前に配線を形成する方法である。ポストファイア工法は、セラミックスを焼成した後に配線を形成する方法である。
このようなセラミックスを材料とする配線基板を作製する際には、半導体装置の製造工程での組立性（アセンブリ性）を考慮して、１つの大判基板から多数個の半導体装置が取れるような集合基板とすることが多い。また、このような大判の配線基板を作製する際には、配線のパターニング精度が良いといった理由から、ポストファイア工法が用いられることが多い。
ポストファイア工法において、電極の形成方法は２通りある。第１の電極形成方法は、スパッタリング等の蒸着法を用いて電極のすべての構成を形成する方法である。例えば特許文献１に記載されたセラミック配線基板は、セラミック基板上に、チタン（Ｔｉ）からなる密着層と、チタン（Ｔｉ）とタングステン（Ｗ）との合金から成るバリア層と、銅（Ｃｕ）を主体とする主導電層と、を蒸着法により順次設けた配線層を具備している。このセラミック配線基板は、酸化防止の目的や、半田濡れ性やワイヤボンディング性を向上させることを目的として、金（Ａｕ），白金（Ｐｔ），パラジウム（Ｐｄ）等の貴金属層を設けることにより完成する。
一方、第２の電極形成方法は、電極の下地層を蒸着法で形成し、その上にめっきを用いて電極を形成する方法である。この第２の電極形成方法において、電極の下地層のうちセラミックスとの密着層にはチタン（Ｔｉ）が用いられることが多い。また、半導体素子で発生した熱を効率的に放熱させるために、めっき金属として銅（Ｃｕ）を用いることが多い。また、この種の配線基板は、電極となる部分に例えば銅めっきを成長させ、電極となる部分以外の余分の下地層を除去してセラミックスの表面および下地層の側面を露出させてから、ニッケル（Ｎｉ），銀（Ａｇ），金（Ａｕ）等のめっきを成長させて完成する。
特開平１−１１３９４号公報
しかしながら、ポストファイア工法における前記第２の電極形成方法においては、銅めっきを成長させてから露出させた下地層の側面において、セラミックスとの密着層はチタンなので、ニッケル，銀，金等のめっきが付着しない性質がある。たとえめっきが付着したとしても、チタンの露出部があったり、めっきがすぐに剥離したりする。つまり、密着層の側面に安定なめっきを付着させることができない。そのため、ニッケル，銀，金等のめっきとセラミック基板との間には隙間が生じてしまう。また、チタンは酸化し易い性質がある。
また、一般に、半導体素子を配線基板に搭載した半導体装置は、種々の環境条件で使用される。そのため、セラミック基板とめっきとの間に隙間が生じている配線基板に半導体素子を搭載した半導体装置が、特に高温高湿環境下で長時間使用されると、密着信頼性が低下する。つまり、高温高湿環境下では、セラミック基板とめっきとの隙間から水分が浸入し、チタン酸化膜が腐食し易くなる。そして、腐食が進むと、最終的には電極の下地層が剥離し、半導体装置の駆動電圧に異常が発生することになる。
本発明は、上述した問題に鑑みてなされたものであり、半導体装置の電気的接続の信頼性を向上させることのできる半導体装置を提供することを課題とする。
前記課題を解決するために、本発明の第１の観点に係る半導体装置は、半導体素子と、前記半導体素子を搭載する配線基板と、を備えた半導体装置であって、前記配線基板は、絶縁性基板と、前記絶縁性基板に形成され前記半導体素子に電気的に接続された導電配線と、を有し、前記導電配線は、前記絶縁性基板上に形成された下地層と、前記下地層の上に形成された主導電層と、前記下地層の側面と前記主導電層の側面および上面とを被覆する電極層と、を備え、前記下地層は、前記絶縁性基板に接する、Ｔｉを含むＷまたはＭｏの合金の密着層を備えることを特徴とする。
また、本発明の第２の観点に係る半導体装置は、半導体素子と、前記半導体素子を搭載する配線基板と、を備えた半導体装置であって、前記配線基板は、絶縁性基板と、前記絶縁性基板の一方の面に形成され前記半導体素子に電気的に接続された上面導電配線と、前記絶縁性基板の他方の面に形成された背面導電配線と、前記絶縁性基板の内部に設けられ前記上面導電配線と前記背面導電配線とを電気的に接続する上下導通配線と、を有し、前記上面導電配線および前記背面導電配線は、それぞれ、前記絶縁性基板上に形成された下地層と、前記下地層の上に形成された第１導電金属からなる主導電層と、前記絶縁性基板の表面から前記主導電層の上面にかけて形成され前記下地層の側面と前記主導電層の側面および上面とを被覆する電極層と、を備え、前記下地層は、前記絶縁性基板に接触して設けられＴｉＷからなる密着層と、前記主導電層に接触して設けられ前記第１導電金属からなる副導電層と、を備えることを特徴とする。
本発明によれば、半導体装置の電気的接続の信頼性を向上させることができる。
本発明の実施形態に係る半導体装置の上面側を模式的に示す斜視図である。 本発明の実施形態に係る半導体装置の背面側を模式的に示す斜視図である。 本発明の実施形態に係る半導体装置の背面側を模式的に示す図であって、（ａ）は底面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線矢視における背面側の部分断面図である。 半導体装置の部分断面図であって、（ａ）は本発明の実施形態、（ｂ）は比較例を示している。 比較例の半導体装置の部分断面図であって、（ａ）〜（ｄ）は導電配線が剥がれる過程を示している。 本発明の実施形態に係る半導体装置のＡ−Ａ線矢視における部分断面図であって、（ａ）〜（ｅ）は配線基板の製造工程の流れを示している。 本発明の実施形態に係る半導体装置のＡ−Ａ線矢視における部分断面図であって、（ａ）〜（ｄ）は配線基板の製造工程の流れを示している。
以下、本発明に係る半導体装置を実施するための形態を、いくつかの具体例を示した図面と共に詳細に説明する。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、原則として同一もしくは同質の部材を示しており、詳細な説明を適宜省略する。
（第１実施形態）
［半導体装置の構成の概要］
図１〜図３を参照して、本発明の第１実施形態に係る半導体装置１の構成の概要について説明する。図１は、半導体装置１の上面側の斜視図、図２は背面側の斜視図である。また、図３（ａ）は、半導体装置１の背面を示す模式的な平面図であり、図３（ｂ）は、図３（ａ）のＡ−Ａ線矢視における背面側の部分断面図である。
半導体装置１は、図１に示すように、半導体素子２と、半導体素子２を搭載するための配線基板３と、を備える。
半導体素子２は、例えば、ＬＥＤチップのような半導体発光素子等から構成される。
配線基板３は、半導体素子２に電気的に接続する導電配線や、外部の電極に接続するための電極端子が絶縁性基板４に配置され、半導体素子２を配置する搭載部を有する部材である。配線基板３は、絶縁性基板４と、絶縁性基板４の上面側の導電配線５（以下、上面導電配線５という）と、背面側の導電配線６（図２、図３（ａ）にてドットで示す領域：以下、背面導電配線６という）と、を主として有する。なお、配線基板３は、図３（ｂ）に示すように、上下導通配線７を備えている。
上面導電配線５は、絶縁性基板４の上面に形成され、半導体素子２を搭載するための導電配線である。図１の例では、フェースダウン（ＦＤ）実装される半導体発光素子の一対の電極に対応して一対の上面導電配線５が間を絶縁されてそれぞれ形成されている。一対の上面導電配線５は、一対の上下導通配線７を介して一対の背面導電配線６と電気的に接続されている。上下導通配線７は、絶縁性基板４の内部に設けられ上面導電配線５と背面導電配線６とを電気的に接続する。なお、上下導通配線７の材料としては、例えばタングステン（Ｗ）やモリブデン（Ｍｏ）等の高融点金属を用いることが好ましい。上面導電配線５の上には、少なくとも半導体素子２を被覆するように封止部材８が設けられている。
背面導電配線６は、絶縁性基板４の背面に形成され、外部の電極端子と接続させるための導電配線である。図１の例では、１個の半導体素子２の一対の電極に対応して一対の背面導電配線６が間を絶縁されてそれぞれ形成されている。背面導電配線６は、上下導通配線７を介して上面導電配線５に電気的に接続されている。背面導電配線６と上面導電配線５とは、同様な積層構造なので、以下では、一例として背面導電配線６の積層構造について説明する。背面導電配線６は、図３（ｂ）に示すように、下地層１０と、主導電層２０と、電極層３０と、を備える。
下地層１０は、厚膜の主導電層２０のための下地として絶縁性基板４上に形成されている。下地層１０は、絶縁性基板４上で上下導通配線７を含む領域の上に形成されている。下地層１０は、基板の焼成後に、スパッタリング等の蒸着法により形成される。なお、下地層１０の形成方法は、後記する配線基板３の製造工程にて説明する。
下地層１０は、図３（ｂ）に示すように、密着層１１と、副導電層１２と、を備える。
密着層１１は、絶縁性基板４の上に直接接触して設けられている。
前記課題を解決するために、本願発明者らは、半導体装置の配線基板を作製するポストファイア工法における前記第２の電極形成方法において種々検討を行った。その結果、絶縁性基板に対する電極の密着層の材料として、Ｔｉを含むＷまたはＭｏの合金を用いることで、電極材料のめっきが密着層の側面に安定に付着することを見出した。
そこで、密着層１１は、Ｔｉを含むＷまたはＭｏの合金からなるものとした。チタンタングステン（ＴｉＷ）やチタンモリブデン（ＴｉＭｏ）は、チタン系材料であって、チタン（Ｔｉ）と同様にセラミックスに対する密着性がよい。ＴｉＷやＴｉＭｏは、Ｔｉと異なり、耐酸化性が強く、腐食にも強い。
本実施形態では、一例として、密着層１１がＴｉＷからなるものとして説明する。
密着層１１を構成するＴｉＷにおいて、タングステン（Ｗ）とチタン（Ｔｉ）との組成比は、例えばスパッタリング用のＴｉＷターゲットにおける一般的な組成比と同様なものである。具体的には、ＴｉＷターゲットとしてＴｉ含有量が例えば１０ｗｔ％のものが市販されている。ただし、密着層１１を構成するＴｉＷは、タングステン（Ｗ）を主要成分としつつ、チタン（Ｔｉ）を密着性能が低減しない程度に含有していれば、組成比が上記数値に限定されるものではない。組成比としては、ＴｉＷにおいてＴｉの含有量が例えば１〜３０ｗｔ％であると、耐酸化性を向上できるといった理由から好ましい。なお、１〜３０ｗｔ％の間のどの割合でチタンを含有させるかは、絶縁性基板４の材料と主導電層２０の材料との間の密着性に応じて使い分けることができる。
副導電層１２は、密着層１１の上側に積層されている。副導電層１２は、主導電層２０に直接接触するように主導電層２０の下地として設けられている。副導電層１２は、例えば主導電層２０の材料と同じ金属（以下、第１導電金属という）からなることが好ましい。このようにすることで、スパッタリング等の蒸着法により副導電層１２を形成した後で、第１導電金属からなる副導電層１２の上に同じ材料のめっきを成長させることができ、めっき層として安定な主導電層２０を形成することができる。
主導電層２０は、前記第１導電金属からなり、図３（ｂ）に示すように、下地層１０の上に形成されている。第１導電金属としては、例えば銅（Ｃｕ）、ニッケル（Ｎｉ）、亜鉛（Ｚｎ）、クロム（Ｃｒ）等を挙げることができる。本実施形態では、第１導電金属として、放熱性の良い銅（Ｃｕ）を用いることとした。つまり、本実施形態では、主導電層２０は、銅（Ｃｕ）からなる。以下、本実施形態では副導電層１２と主導電層２０とは共にＣｕで構成されているものとして説明する。
主導電層２０は、下地層１０で被覆されている部分の上にめっき法により形成されている。主導電層２０は、下地層１０を介して上下導通配線７に接続する位置に形成されている。本実施形態では副導電層１２と主導電層２０とは共に銅で構成されているが、それぞれの形成方法が異なるため、それぞれの膜厚も大きく異なる。副導電層１２がスパッタリング膜であれば例えば０．１〜３μｍの膜厚となるのに対し、めっき層である主導電層２０は例えば２０〜８０μｍの膜厚となる。なお、主導電層２０の形成方法は、後記する配線基板３の製造工程にて説明する。
電極層３０は、絶縁性基板４上において下地層１０および主導電層２０の表面全体を被覆するものである。電極層３０は、図３（ｂ）に示すように、絶縁性基板４の表面から主導電層２０の上面にかけて形成され、下地層１０の側面と主導電層２０の側面および上面とを被覆している。
電極層３０には、酸化防止の目的や、半田濡れ性やワイヤボンディング性を向上させることを目的とした材料を用いることができる。このような材料としては、例えば、金（Ａｕ），銀（Ａｇ），ニッケル（Ｎｉ），白金（Ｐｔ），パラジウム（Ｐｄ）等を挙げることができる。本実施形態では、電極層３０は、一例としてニッケル（Ｎｉ）および金（Ａｕ）を含むこととした。すなわち、図３（ｂ）に示すように、電極層３０は、ニッケルめっき層３１と、このニッケルめっき層３１の上に形成された金めっき層３２とを備える。なお、電極層３０の形成方法は、後記する配線基板３の製造工程にて説明する。
［半導体装置の構成部材の詳細］
以下、半導体装置１における各構成部材について詳述する。
＜半導体素子＞
半導体素子２は、半導体発光素子である場合、図１に例示したフェースダウン（ＦＤ）型の半導体発光素子の他、対向電極構造（両面電極構造）の半導体発光素子であってもよい。対向電極構造（両面電極構造）の半導体発光素子の場合、素子基板の裏面に形成されたｎ電極およびｐ電極の一方が上面導電配線５に接続され、ｎ電極およびｐ電極の他方はワイヤにより他の上面導電配線５に接続される。
半導体素子２は、半導体発光素子とともに搭載する、受光素子や保護素子であってもよい。半導体素子２が保護素子の場合、例えば、半導体発光素子を過電圧から保護するための、抵抗、トランジスタまたはコンデンサ等から構成される。
半導体素子２の個数は、１つでもよいし、複数でもよい。複数の半導体素子２を設ける場合、各半導体素子２の一対の電極に対応して一対の上面導電配線５を共有することができる。
半導体装置１が蛍光体を備える場合、半導体発光素子は、その蛍光体を励起可能な波長を発光できる活性層を有する。このような半導体発光素子を構成する材料として、例えば、窒化ガリウムの半導体を挙げることができる。特に、蛍光体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（ＩｎXＡｌYＧａ1−X−YＮ、０≦Ｘ、０≦Ｙ、Ｘ＋Ｙ≦１）が好適に挙げられる。この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。
図１に例示した半導体素子２は、ＬＥＤチップであって、同一面側に正負一対の電極が形成されている。このＬＥＤチップの各電極は、正負一対の上面導電配線５に向かい合うようにして配置され、金や半田等の導電性材料により、上面導電配線５の上に電気的および機械的に接合されている。この場合、予め、半導体素子２の電極側に、金や半田のバンプをめっき法または蒸着法により形成しておくことができきる。また、半導体素子２の電極側の代わりに、配線基板３の上面導電配線５の側にバンプを形成しておくこともできる。
＜配線基板＞
半導体素子２が例えば半導体発光素子の場合、配線基板３の上面導電配線５が設けられた領域は、半導体素子２が搭載された領域（搭載部）よりも大きな外形を有する領域である。これにより、上面導電配線５において、搭載部を除いた部位、すなわち、搭載部に配置させた半導体発光素子の外側に配置された導電配線の領域に、二酸化チタンのような白色系のフィラーを電気泳動沈着法により配置させることができる。なお、半導体発光素子の表面に蛍光体を配置する場合、フィラーは蛍光体の配置領域を除く位置に配置させる。また、上面導電配線５を半導体発光素子の外形面積よりも広い領域に配置させると、半導体発光素子からの熱を広範囲に拡散できるので、背面導電配線６への熱の伝達を良好に行うことができる。そのため、半導体発光素子からの放熱を向上させることができる。
なお、配線基板３に設けられた導電配線および電極端子の形状および位置は、基板に配置される半導体素子２の大きさ、形状、バンプの配置のし易さ、および導電性ワイヤの張り易さ等を考慮して適宜調整される。
絶縁性基板４の材料として、例えば、エポキシ樹脂にガラス成分が含有されてなるガラスエポキシ樹脂や、セラミックスを挙げることができる。特に、半導体装置１の高耐熱性、高耐光性が望まれる場合、絶縁性基板４の材料をセラミックスとすることが好ましい。
セラミックスは、主材料を、アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、ムライト（Mullite）等から選択することが好ましい。これらの主材料に焼結助剤等を加え、焼結することで、絶縁性基板４としてセラミックスの基板が得られる。
絶縁性基板４として、例えば、原料粉末の９０〜９６重量％がアルミナであり、焼結助剤として、粘土、タルク（talc）、マグネシア（ＭｇＯ）、カルシア（ＣａＯ）及びシリカ（silica）等が４〜１０重量％添加され、１５００〜１７００度の温度範囲で焼結させたセラミックスを用いることができる。
また、絶縁性基板４として、例えば、原料粉末の４０〜６０重量％がアルミナであり、焼結助剤として、６０〜４０重量％の硼珪酸ガラス（borosilicate glass）、コージュライト（cordierite）、フォルステライト（forsterite）、ムライト（Mullite）等が添加され、８００〜１２００度の温度範囲で焼結させたセラミックス等を用いることができる。
このようなセラミックス基板は、焼成前のグリーンシート段階で種々の形状をとることができる。また、焼成前のグリーンシートの段階で種々のパターン形状の導電配線（または、その下地層）を施すことができる。
セラミックスの材料を焼成した後、導電配線の下地層に、金、銀、銅あるいはアルミニウムを材料として、めっき法やスパッタリングにより金属材料が配置される。なお、導電配線の最表面は、半導体発光素子からの光に対して高い反射率を有する金属材料にて被覆されていることが好ましい。このような金属材料として、例えば、銀やアルミニウムを挙げることができる。
主導電層２０の膜厚は特に限定されないが、主導電層２０を構成する銅の膜厚が２０μｍ以上８０μｍ以下であると、半導体装置１の放熱性を向上させることができるので、このように構成することが好ましい。
なお、背面導電配線６において、下地層１０および主導電層２０の両方に銅を含むこととしたが、放熱性を良好にするためには、下地層１０または主導電層２０の少なくとも一方に、銅を含めればよい。つまり、副導電層１２または主導電層２０がＣｕで構成されるようにしてもよい。
＜封止部材＞
封止部材８は、少なくとも半導体素子２を被覆するように配線基板３に設けられ、例えば、半導体発光素子からの光を透過させることができる透光性の部材である。配線基板３への封止部材８の形成方法として、圧縮成型、射出成型またはトランスファーモールド等種々の公知の成型技術を利用することができる。
封止部材８の材料は、特に限定されず、例えば、シリコーン樹脂、エポキシ樹脂、ユリア樹脂、フッ素樹脂、および、それらの樹脂が少なくとも一種以上含有されたハイブリッド樹脂等、耐候性に優れた透光性樹脂を用いることができる。
封止部材８を所望の形状にすることによって種々のレンズ機能を持たせることができる。具体的には、凸レンズ形状、凹レンズ形状、さらには、発光観測面から見て楕円形状やそれらを複数組み合わせた形状にすることができる。なお、図１には、ＬＥＤからなる半導体素子２と、上面導電配線５上に配置されたフィラーとを被覆するように凸レンズ形状に成型された封止部材８を仮想線で示した。
＜蛍光体＞
半導体装置１には、半導体発光素子の表面または上面導電配線５の表面に蛍光体を配置させることができる。これらの蛍光体は、樹脂のような他の材料に蛍光体を混合して配線基板３の表面（上面）に印刷する方法の他、電気泳動沈着により配線基板３の上面導電配線５の表面や半導体発光素子の表面に形成させることもできる。
［半導体装置の電気的接続の信頼性］
従来、ポストファイア工法において電極の下地層を蒸着法で形成し、その上にめっきを用いて電極を形成する方法（前記第２の電極形成方法）では、電極の下地層の密着層にチタン（Ｔｉ）が用いられることが多い。一方、本発明の実施形態に係る半導体装置１は、背面導電配線６および上面導電配線５において、下地層１０の密着層１１がチタンタングステン（ＴｉＷ）からなるため、従来よりも電気的接続の信頼性が向上する。
以下では、説明の都合上、本発明の実施形態に係る半導体装置１において密着層１１の材料であるＴｉＷをＴｉに置き換えた半導体装置（比較例の半導体装置）を想定し、この比較例の半導体装置と対比させながら半導体装置１を説明する。
半導体装置１の部分断面図を図４（ａ）に示し、比較例の半導体装置の部分断面図を図４（ｂ）に示す。比較例の半導体装置において、半導体装置１と同じ構成には同じ符号を付して説明を省略する。図４（ｂ）に示す比較例の半導体装置は、下地層１０において、絶縁性基板４に密着する密着層の材料が異なる。この比較例の密着層のことをＴｉ膜１９と表記する。また、密着層の上に積層された副導電層１２のことを以下ではＣｕ膜１２と表記する。
図４（ｂ）に示す比較例の半導体装置のように下地層１０が、Ｔｉ膜１９とＣｕ膜１２との積層構造であるものを製造する場合、主導電層２０として銅めっきを成長させた後、電極層３０として成長させるニッケルめっきや金めっきは、下地層１０のＣｕ膜１２の側面には付着するものの、Ｔｉ膜１９の側面には、安定に付着することができない。そのため、比較例の半導体装置は、図４（ｂ）に示すように、絶縁性基板４と、ニッケル／金のめっきとの間に隙間４０が生じる。また、比較例の半導体装置を大量生産したときには、装置毎に、Ｔｉ膜１９の厚みがばらついたり、めっき状態がばらついたりするので、隙間４０の長さｔが変化することになる。
主導電層２０のような銅めっき層は、図５（ａ）に模式的に示すように、めっき成長時に、銅めっきの粒界５１に酸素５２を含んでしまうことが確認されている。そして、このような状態で、半導体装置は様々な状況で加熱の負荷を受ける。例えば次の３つの場面が想定される。第１に半導体装置がその製造中に加熱される。第２に半導体装置を部品として外部の実装基板に実装するときに、リフロー実装等により半導体装置が加熱される。第３に半導体装置を部品として含む製品が使用されるときに半導体装置が加熱される。このうち製品使用時には、外部環境の大気の熱と、電流が流れることによる発熱とが含まれる。
そして、めっきの下地層の材質によっては、銅めっき層の加熱の負荷により、次の現象が起こることが確認された。すなわち、比較例の半導体装置のように下地層１０が、Ｔｉ膜１９とＣｕ膜１２との積層構造である場合、銅めっき層の加熱の負荷によって、図５（ｂ）に示すように、酸素５２が粒界５１を伝って下地層１０の側に移動する。そして、下地層１０の側に移動した酸素５２は、Ｃｕ膜１２とＴｉ膜１９との界面において、チタン（Ｔｉ）と結び付き酸化チタンとなる。そして、図５（ｃ）に示すように、チタン酸化膜５３が生じる。なお、チタンは酸化し易く、酸化物である酸化チタンは安定な化合物である。
一般に、半導体装置を部品として実装した実装基板は種々の環境条件で使用される。特に、高温高湿環境下では、図５（ｃ）に示すように、絶縁性基板４とめっきとの隙間４０から水分５４が浸入し易いため、チタン酸化膜５３が腐食し易くなる。この浸入する水分が酸性の場合、腐食がいっそう進む。例えば、半導体装置のリフロー実装時に用いる半田付け用のフラックスには強酸性のものがあるので、リフロー実装時に、絶縁性基板４とめっきとの隙間４０から酸性の水分５４が浸入する場合がある。そして、腐食がＴｉ膜１９とＣｕ膜１２との界面に達すると、図５（ｄ）に示すように、Ｔｉ膜１９とＣｕ膜１２とが界面で剥離する。最終的には、比較例の半導体装置は電気的な導通がとれなくなる。
加えて、比較例の半導体装置を大量生産したときには、装置毎に、隙間４０の長さｔ（図４（ｂ）参照）が変化してしまう。よって、特に、高温高湿環境下では、比較例の半導体装置毎に、絶縁性基板４とめっきとの隙間４０からの水分５４の浸入し易さが変化する。つまり、比較例の半導体装置毎に、チタン酸化膜５３の腐食速度にも大きなばらつきを有するようになる。その結果、比較例の半導体装置毎に、Ｔｉ膜１９とＣｕ膜１２とが界面で剥離するまでの時間にも大きなばらつきを有することになる。
一方、図４（ａ）に示す本発明の実施形態に係る半導体装置１では、めっきの下地層の材質が比較例とは異なり、下地層１０は、ＴｉＷからなる密着層１１とＣｕ膜１２との積層構造である。ここで、ＴｉＷはＴｉに比べて酸化しにくいので、半導体装置１では、銅めっき層の加熱の負荷によって、酸素５２が粒界５１を伝って下地層１０の側に移動したとしても、チタン酸化膜の発生を抑制できる（図５（ｂ）参照）。
また、密着層１１は、ＴｉＷからなるので、電極層３０の形成時に、密着層１１の側面に、ニッケル／金のめっきが付着する。そのため、図４（ａ）に示すように、半導体装置１は絶縁性基板４と、ニッケル／金のめっきとの隙間が無い。よって、高温高湿環境下であっても、下地層１０に水分５４が浸入しないため、下地層１０の腐食を抑制できる（図５（ｃ）参照）。よって、ＴｉＷからなる密着層１１とＣｕ膜１２との界面での剥離が起こりにくくなる。その結果、半導体装置１は、比較例のような電気的な導通がとれなくなるような事態を極力避けることができる（図５（ｄ）参照）。
また、半導体装置１を大量生産したときには、各装置において、絶縁性基板４とめっきとの隙間がないので、下地層１０の腐食速度のばらつきが低減される。このように、半導体装置１によれば、従来よりも導電配線の電気的接続の信頼性が向上する。
［半導体装置の製造方法］
本発明に係る半導体装置１の配線基板３を製造する方法について図６および図７を参照（適宜図１〜図３参照）して説明する。図６および図７は、半導体装置１の配線基板３を製造する工程を示す模式的な断面図である。なお、各半導体装置１に個片化する前の製造工程において、各半導体装置１の構成要素と同質の材料には同様の符号を付して説明する。
配線基板３を製造するためには、焼成された基板（大判の基板）を用意しておく。この焼成された基板は、従来公知の方法で概略、例えば次のようにして形成される。まず、絶縁性基板４として、焼成前のセラミックスグリーンシートを準備する。図６（ａ）に、グリーンシート（絶縁性基板４）の一例を示す。なお、ここでは、１枚のグリーンシートを例示したが、複数のグリーンシートを貼り合わせたものを用いてもよい。
準備した焼成前のセラミックスグリーンシートには、適宜必要なビアと共にスルーホールを穿設し、その主面にタングステン（Ｗ）やモリブデン（Ｍｏ）等の高融点金属ペーストを印刷し、スルーホール内面に真空引き等により印刷（塗布）する。そして、グリーンシートを焼成する。こうして、図６（ｂ）に示すように、上下導通配線７を備えた配線基板を用意しておく。
焼成後、図６（ｃ）に示すように、配線基板の上面および背面に、スパッタリング、真空蒸着、イオンプレーティング等の物理蒸着法により、例えば膜厚０．１μｍのＴｉＷ膜（密着層１１）を被着、形成する。次に、図６（ｄ）に示すように、配線基板の上面および背面に、スパッタリング、真空蒸着、イオンプレーティング等の物理蒸着法により、例えば膜厚０．１μｍのＣｕ膜（副導電層１２）を被着、形成する。このようにして下地層１０が形成される。
次に、配線基板の上面および背面に形成されたこれら下地層１０に、銅めっきを行う準備として、めっきを形成しない領域を保護するためのレジストを従来公知の手法で概略、例えば次のようにして形成する。
まず、配線基板の上面および背面に、シート状で感光層を有するＤＦＲ（Dry Film photo Resist）を貼り付ける。そして、ＤＦＲの上に、回路パターンが描かれたフォトマスクを載せて露光させ、露光済みの感光層をアルカリ溶液で現像して、露光していない部分の感光層を除去する。感光層において露光により硬化した部分が、図６（ｅ）に示すレジスト７０として機能する。このレジスト７０は、切断線となる箇所や、一対の電極となる部分を分離する箇所等をマスクする。
次に、このような配線基板の下地層１０に、従来公知の方法で銅めっきを行う。めっき法を用いる場合、電解めっき、無電解めっきのいずれの方法でも用いることができる。例えばＣｕめっきを電解めっき法で形成することで、図７（ａ）に示すように、レジスト７０が形成されていない部分に例えば２０〜８０μｍの膜厚の主導電層２０が形成される。
続いて、レジスト７０を従来公知の剥離方法で図７（ｂ）に示すように剥離する。例えば、ウェットプロセスの場合、レジスト７０は、水酸化ナトリウム等の強アルカリ溶液によって洗浄して除去することができる。また、ドライプロセスの場合、専用のレジスト剥離装置（アッシング装置）で除去することができる。
続いて、レジスト７０を剥離することで露出した下地層１０を従来公知の方法でエッチングして、図７（ｃ）に示すように除去する。例えば、主導電層２０にレジストマスクを形成し、ＲＩＥ（Reactive Ion Etching反応性イオンエッチング）により、露出した下地層１０をレジストマスクでドライエッチングする。その後、レジストマスクを除去する。
続いて、主導電層２０の上に、図７（ｄ）に示すように、ニッケルと金の電極層３０をめっきする。例えば膜厚１．０μｍのニッケルめっき層３１と、例えば膜厚１．０μｍの金めっき層３２とを積層して電極層３０とすることができる。なお、配線基板の上面にも、背面と同様に、下地層１０の上に、銅めっきと、ニッケルめっきおよび金めっきを形成する。
次に、図７（ｄ）に示す仮想線の位置で、切断線に沿って大判の配線基板を切断する（切断工程）。これにより、個々の配線基板３（図１参照）とする。次に、素子接合工程にて、半導体素子２を配線基板３に接合する。次に、封止工程にて、半導体素子２を封止部材８にて封止する。これにより、半導体装置１を完成させる。なお、導電性ワイヤを用いる場合には、素子接合工程にて続いてワイヤボンディングする工程も行う。なおまた、前記切断工程の実行順序を、素子接合工程や封止工程の後に変更してもよい。
半導体装置１によれば、上面導電配線５および背面導電配線６の電極層３０が、密着層１１の側面と、副導電層１２の側面と、主導電層２０の側面および上面とを被覆しているので、絶縁性基板４と電極層３０との間に隙間が生じず、電極層３０は密着層１１の側面の保護膜として機能する。また、半導体装置に対する熱負荷により主導電層２０の内部の酸素５２が密着層１１に移動したとしても、密着層１１を形成するＴｉＷは、耐酸化性が強く腐食しにくい。したがって、半導体装置１は、たとえ高温高湿環境下で長時間使用されたとしても、導電配線の電気的接続の信頼性を向上させることができる。さらに、半導体装置１は、ポストファイア工法で製造できるので、大判の配線基板から多数の半導体装置１を製造することで、配線のパターニング精度を良好にすることができる。
以上説明した前記実施形態は、本発明の技術思想を具体化するための半導体装置を例示したものであって、本発明はこれらに限定されるものではない。また、本明細書は特許請求の範囲に示される部材を、各実施形態の部材に特定するものでは決してない。各実施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、特に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。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。
例えば、前記実施形態では、主導電層２０がＣｕからなり、下地層１０は、ＴｉＷからなる密着層１１と、Ｃｕからなる副導電層１２と、を備えることとして説明したが、主導電層２０が例えばＮｉからなり、下地層１０は、ＴｉＷからなる密着層１１と、Ｎｉからなる副導電層１２とを備えることとしてもよい。
また、下地層１０の副導電層１２は、１層に限らず２層以上であってもよい。
また、下地層１０の密着層１１と副導電層１２との間に、他の材料からなる層を介在させてもよい。例えばパラジウム（Ｐｄ）やＴｉＰｄ等からなる層を介在させてもよい。
また、図３（ｂ）において、電極層３０が絶縁性基板４に接触する位置を、上下導通配線７の位置から離間させて示したが、電極層３０が上下導通配線７に接続するように形成してもよい。
また、電極層３０は一例としてＮｉおよびＡｕを含むこととしたが、ＮｉまたはＡｕを含むこととしてもよい。
また、密着層１１はＴｉＷからなることとしたが、ＴｉＭｏからなることとしてもよい。この場合も、同様の効果を奏することができる。
以上説明したように、本発明の第１の観点に係る半導体装置は、半導体素子と、前記半導体素子を搭載する配線基板と、を備えた半導体装置であって、前記配線基板は、絶縁性基板と、導電配線と、を有し、前記導電配線は、下地層と、主導電層と、電極層と、を備え、前記下地層は、前記絶縁性基板に接する、Ｔｉを含むＷまたはＭｏの合金の密着層を備えている。
本発明の第１の観点に係る半導体装置は、前記下地層が、前記主導電層に接する副導電層を備えることが好ましい。
かかる構成によれば、半導体装置は、絶縁性基板の上下それぞれの面において、上面側の導電配線および背面側の導電配線の電極層が、主導電層および下地層の表面全体を被覆している。つまり、電極層は、密着層の側面と、副導電層の側面と、主導電層の側面と、主導電層の上面とを被覆している。なお、上面側の導電配線と背面側の導電配線とは、絶縁性基板の内部に設けられる上下導通配線によって電気的に接続される。
ここで、密着層と副導電層とは、絶縁性基板の焼成後に、スパッタリング等の蒸着法により形成され、主導電層および電極層は、めっき法により形成される。その際に、主導電層は下地層を介して上下導通配線の上に形成される。また、主導電層は、１個の半導体装置に対して一対形成され、一対の主導電層の間は絶縁される。そのため、主導電層の形成時には、絶縁領域となる部分には、めっきが成長しないようにマスクが形成される。さらに、主導電層の形成およびマスク除去後に、絶縁領域となる部分に位置する不要な下地層が除去されると、密着層の側面、副導電層の側面および絶縁性基板が露出される。このように絶縁性基板が露出される部分は、例えば一対の主導電層の間の絶縁領域や、半導体装置の個片化の際の切断領域となる。
仮に密着層をチタンで形成した場合、半導体装置に対する熱負荷により主導電層の内部の酸素が密着層に移動し、チタンと結び付き酸化チタンとなる。一方、本発明の第１の観点に係る半導体装置は、密着層がＴｉを含むＷまたはＭｏの合金からなるので、耐酸化性が強い。
また、仮に密着層をチタンで形成した場合、チタンは酸化被膜を形成しやすく、表面を活性化しにくいためめっきが付着しにくい。したがって、電極層の形成時には、チタンからなる密着層の側面には、電極層の材料のめっきを安定に付着させることができない。つまり、絶縁性基板と電極層との間に隙間が生じる。この隙間から水分が浸入すると上記酸化チタンが腐食し、下地層の剥離の原因となる。
一方、本発明の第１の観点に係る半導体装置は、密着層がＴｉを含むＷまたはＭｏの合金からなる。このＴｉを含むＷまたはＭｏの合金は酸化に強く、酸化被膜を形成しにくいのでめっきが付着する。そのため、本発明の第１の観点に係る半導体装置は、電極層の形成時には、密着層の側面に、電極層の材料のめっきが付着する。よって、絶縁性基板と電極層との間に隙間が生じず、電極層は密着層の側面の保護膜として機能する。したがって、本発明の第１の観点に係る半導体装置は、たとえ高温高湿環境下で長時間使用されたとしても、従来よりも導電配線の電気的接続の信頼性を向上させることができる。
また、本発明の第１の観点に係る半導体装置において、前記主導電層がＣｕからなることが好ましい。また、本発明の第１の観点に係る半導体装置において、下地層に密着層と副導電層とを備える形態の場合、前記主導電層および前記副導電層の少なくとも一方がＣｕからなることが好ましい。かかる構成によれば、半導体装置は、導電配線にＣｕを含むため放熱性を向上させることができる。
また、本発明の第１の観点に係る半導体装置において、前記主導電層の膜厚は、前記副導電層の膜厚よりも大きいことが好ましい。この場合、主導電層の膜厚は、２０〜８０μｍであることが好ましく、前記副導電層の膜厚は、０．１〜３μｍであることが好ましい。
また、本発明の第１の観点に係る半導体装置において、前記電極層は、ＮｉまたはＡｕを含むことが好ましい。
また、本発明の第１の観点に係る半導体装置において、前記密着層がＴｉを含むＷの合金で形成されている場合、Ｔｉの含有量が１〜３０ｗｔ％であることが好ましい。
また、本発明の第２の観点に係る半導体装置は、前記したように前記密着層がＴｉＷからなるので、前記第１の観点に係る半導体装置と同様に、電極層の形成時には、密着層の側面に電極層の材料のめっきが付着する。したがって、本発明の第２の観点に係る半導体装置は、導電配線の電気的接続の信頼性を向上させることができる。
また、本発明第２の観点に係る半導体装置において、前記第１導電金属がＣｕであることが好ましい。かかる構成によれば、半導体装置は、導電配線にＣｕを含むため放熱性を向上させることができる。
また、本発明第２の観点に係る半導体装置において、前記電極層は、ＮｉおよびＡｕを含むことが好ましい。
また、本発明第２の観点に係る半導体装置において、前記密着層を形成するＴｉＷは、Ｔｉの含有量が１〜３０ｗｔ％であることが好ましい。
本発明の半導体装置は、半導体発光素子を搭載する、種々の装置、具体的には、ファクシミリ、コピー機、ハンドスキャナ等における画像読取装置に利用される照明装置のみならず、懐中電灯、照明用光源、ＬＥＤディスプレイ、携帯電話機等のバックライト光源、信号機、照明式スイッチ、車載用ストップランプ、各種センサおよび各種インジケータ等の種々の照明装置に利用することができる。
１ 半導体装置
２ 半導体素子
３ 配線基板
４ 絶縁性基板
５ 上面導電配線
６ 背面導電配線
７ 内部導電配線
８ 封止部材
１０ 下地層
１１ 密着層
１２ 副導電層
１９ Ｔｉ膜
２０ 主導電層
３０ 電極層
４０ 隙間

Claims (13)

  1. 半導体素子と、前記半導体素子を搭載する配線基板と、を備えた半導体装置であって、
    前記配線基板は、絶縁性基板と、前記絶縁性基板に形成され前記半導体素子に電気的に接続された導電配線と、を有し、
    前記導電配線は、前記絶縁性基板上に形成された下地層と、前記下地層の上に形成された主導電層と、前記下地層の側面と前記主導電層の側面および上面とを連続して直接被覆するめっき層である電極層と、を備え、
    前記下地層は、前記絶縁性基板に接する、Ｔｉを含むＷまたはＭｏの合金の密着層を備えることを特徴とする半導体装置。
  2. 前記下地層は、前記主導電層に接する副導電層を備えることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
  3. 前記主導電層および前記副導電層の少なくとも一方が、Ｃｕからなることを特徴とする請求項２に記載の半導体装置。
  4. 前記主導電層の膜厚は、前記副導電層の膜厚よりも大きいことを特徴とする請求項２または請求項３に記載の半導体装置。
  5. 前記主導電層の膜厚は、２０〜８０μｍであることを特徴とする請求項４に記載の半導体装置。
  6. 前記副導電層の膜厚は、０．１〜３μｍであることを特徴とする請求項４または請求項５に記載の半導体装置。
  7. 前記主導電層がＣｕからなることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
  8. 前記電極層は、ＮｉまたはＡｕを含むことを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか一項に記載の半導体装置。
  9. 前記密着層は、Ｔｉを含むＷの合金で形成され、Ｔｉの含有量が１〜３０ｗｔ％であることを特徴とする請求項１から請求項８のいずれか一項に記載の半導体装置。
  10. 半導体素子と、前記半導体素子を搭載する配線基板と、を備えた半導体装置であって、
    前記配線基板は、
    絶縁性基板と、
    前記絶縁性基板の一方の面に形成され前記半導体素子に電気的に接続された上面導電配線と、
    前記絶縁性基板の他方の面に形成された背面導電配線と、
    前記絶縁性基板の内部に設けられ前記上面導電配線と前記背面導電配線とを電気的に接続する上下導通配線と、を有し、
    前記上面導電配線および前記背面導電配線は、それぞれ、
    前記絶縁性基板上に形成された下地層と、
    前記下地層の上に形成された第１導電金属からなる主導電層と、
    前記絶縁性基板の表面から前記主導電層の上面にかけて形成され前記下地層の側面と前記主導電層の側面および上面とを連続して直接被覆するめっき層である電極層と、を備え、
    前記下地層は、
    前記絶縁性基板に接触して設けられＴｉＷからなる密着層と、
    前記主導電層に接触して設けられ前記第１導電金属からなる副導電層と、を備えることを特徴とする半導体装置。
  11. 前記第１導電金属がＣｕであることを特徴とする請求項１０に記載の半導体装置。
  12. 前記電極層は、ＮｉおよびＡｕを含むことを特徴とする請求項１０または請求項１１に記載の半導体装置。
  13. 前記密着層を形成するＴｉＷは、Ｔｉの含有量が１〜３０ｗｔ％であることを特徴とする請求項１０から請求項１２のいずれか一項に記載の半導体装置。
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