專利名稱：半導體元件及其制造方法
技術領域：
本發(fā)明關于一種半導體封裝,特別的是,關于使用娃穿孔(Through silicon Via,TSV)技術的三維(3D)半導體封裝。
背景技術：
已知堆迭式半導體元件的制造方法中，導電孔道(Conductive Vias)先形成于一半導體晶圓內(nèi)。接著，該導電孔道顯露于該半導體晶圓的上下二表面。然后，一介電層及一金屬層依序形成于該半導體晶圓的上表面或下表面。然而，如果該介電層及該金屬層已經(jīng)形成于該半導體晶圓上，此方法則不適用。

發(fā)明內(nèi)容
本揭露的一方面關于一種半導體元件。在一實施例中，該半導體元件包括一基板，其內(nèi)具有至少一導電孔道，該至少一導電孔道包含一互連金屬及一絕緣層，該絕緣層環(huán)繞該互連金屬；一介電層，位于該基板的一第一表面，且覆蓋該絕緣層的一上表面的至少一部份；及一金屬層，鄰近于該介電層，且電性連接至互連金屬。在一實施例中，該互連金屬貫穿該介電層以電性連接該金屬層，且該絕緣層未貫穿該介電層。該絕緣層可以完全被該介電層所覆蓋。在其他實施例中，該互連金屬為杯狀，其中，該互連金屬包含一水平部，該水平部實質上平行該第一表面，該水平部與該第一表面的距離小于該水平部與該基板的一第二表面的距離，該第二表面相對該第一表面。該杯狀互連金屬定義出一內(nèi)部，該內(nèi)部的內(nèi)具有一絕緣材料。在其他實施例中，該互連金屬為一金屬柱。在一實施例中，該介電層具有一凹部，該凹部的深度小于該介電層的厚度，該絕緣層部分地延伸至該介電層中。在一實施例中，該介電層具有一開口，其中部分該金屬層位于該介電層的開口中以連接該互連金屬。本揭露的另一方面關于一種制造方法。在一實施例中，一種半導體兀件的制造方法包括以下步驟:蝕刻一基板以形成一圓柱狀腔體；沉積一互連金屬于該圓柱狀腔體中；蝕刻該基板以形成一圓柱狀孔洞，其中該互連金屬位于該圓柱狀孔洞之內(nèi)；及沉積一絕緣層于該圓柱狀孔洞內(nèi)以，其中該絕緣層具有一上表面，且該上表面接觸一介電層，該介電層位于該基板上?；ミB金屬形成于該圓柱狀腔體的一側壁上，以形成杯狀且定義出一內(nèi)部；一圓形絕緣層形成于該圓柱狀孔洞中，且一中心絕緣材料形成于該內(nèi)部。在一實施例中，該金屬層更位于該介電層的開口中；且該圓柱狀腔體顯露部分該金屬層。


圖1顯示本發(fā)明的一實施例的具有導電孔道的半導體元件的剖視示意圖；圖2至圖5顯示圖1的本發(fā)明的半導體元件的制造方法的一實施例示意圖；圖6至圖9顯示圖1的本發(fā)明的半導體元件的制造方法的另一實施例示意圖；圖10顯示圖1的本發(fā)明的半導體元件的制造方法的另一實施例示意圖；圖11顯示本發(fā)明的另一實施例的具有導電孔道的半導體元件的剖視示意圖12至圖13顯示圖11的本發(fā)明的半導體元件的制造方法的一實施例示意圖；圖14顯示本發(fā)明的另一實施例的具有導電孔道的半導體元件的剖視示意圖；圖15顯示本發(fā)明的另一實施例的具有導電孔道的半導體元件的剖視示意圖；圖16顯示圖15的本發(fā)明的半導體元件的制造方法的一實施例示意圖；圖17顯示圖15的本發(fā)明的半導體元件的制造方法的另一實施例示意圖；圖18顯示本發(fā)明的一實施例的具有導電孔道的半導體元件的剖視示意圖；圖19顯示圖18的本發(fā)明的半導體元件的制造方法的一實施例示意圖；及圖20顯示本發(fā)明的另一實施例的具有導電孔道的半導體元件的剖視示意圖。
具體實施例方式參考圖1，顯示本發(fā)明的一實施例的半導體元件I的剖視示意圖。該半導體元件I包括一晶圓10及一導電孔道26。該導電孔道26形成于該晶圓10內(nèi)。該晶圓10包含一基板11、一介電層12及一金屬層13。在本實施例中，該基板11的材質為半導體材質，例如娃或鍺。然而，在其他實施例中，該基板11的材質可以是玻璃。該基板11具有一第一表面
111、一第二表面112及一通孔114。如圖1所不,該介電層12位于該基板11的第一表面111，且具有一開口 121以顯露該金屬層13的一部分。該開口 121的位置對應該導電孔道26的位置。在本實施例中，該介電層12包含高分子聚合物，例如聚亞酰胺(PI)或聚丙烯(PP)。然而，在其他實施例中，該介電層12可以是氧化硅或氮化硅。該金屬層13位于該介電層12上。在本實施例中，該金屬層13的材質為銅。如圖1所示，該導電孔道26包含一絕緣層22、一互連金屬24及一中心絕緣材料25。該互連金屬24位于該基板11的通孔114內(nèi)，且接觸該金屬層13以確保電性連接。在本實施例中，該互連金屬24延伸穿過該介電層12的開口 121以接觸該金屬層13。該互連金屬24為杯狀且定義出一內(nèi)部241，且該中心絕緣材料25位于該內(nèi)部241內(nèi)。在本實施例中，該絕緣層22位于該互連金屬24及該通孔114的一側壁之間，且環(huán)繞該互連金屬24。該絕緣層22的材質可以是高分子聚合物，其和該中心絕緣材料25可相同。該絕緣層22延伸至該介電層12，亦即，該絕緣層22具有一上表面，該上表面接觸該介電層12，且該絕緣層22并未延伸至該介電層12內(nèi)。以該基板11垂直方向量測(從該第一表面111至該第二表面112)，該絕緣層22的長度小于該互連金屬24的長度。參考圖2至圖5，顯示本發(fā)明該半導體元件I的制造方法的一實施例的示意圖。參考圖2，提供該晶圓10。該晶圓10包含該基板11、該介電層12及該金屬層13。在本實施例中，該基板11的材質為半導體材質，例如硅或鍺。然而，在其他實施例中，該基板11的材質可以是玻璃。該基板11具有一第一表面111及一第二表面112。該介電層12位于該基板11的第一表面111。在本實施例中，該介電層12包含高分子聚合物，例如聚亞酰胺(PD或聚丙烯(PP)。然而，在其他實施例中，該介電層12可以是二氧化硅(Si02)。該金屬層13位于該介電層12上。在本實施例中，該金屬層13的材質為銅。如圖2所示，以蝕刻方式從該基材11的第二表面112形成一圓柱狀孔洞21。該圓柱狀孔洞21貫穿該基材11以顯露部分該介電層12，且環(huán)繞該基材11的一中心部113。該圓柱狀孔洞21的外側壁定義出該基板11的通孔114。
參考圖3，形成(例如:沉積)一絕緣層22于該圓柱狀孔洞21內(nèi)。在本實施例中，該絕緣層22的材質為高分子聚合物。參考圖4，以蝕刻方式移除該基材11之中心部113以形成一圓柱狀腔體23。在本實施例中，對應該基材11之中心部113的部分該介電層12更被移除，以形成一開口 121，因此，該圓柱狀腔體23顯露部分該金屬層13。參考圖5，該互連金屬24形成于該圓柱狀腔體23的內(nèi)表面上，且接觸該金屬層
13。在本實施例中，該互連金屬24形成于該圓柱狀腔體23的側壁上且于該金屬層13的一表面上，以形成杯狀且定義出該內(nèi)部241。該互連金屬24的水平部接觸該金屬層13，且該內(nèi)部241開口于該基材11的第二表面112。接著，一中心絕緣材料25形成于該內(nèi)部241 (如圖1所示)中，以完成該導電孔道26，且制得該半導體元件I。在本實施例中，由于該晶圓10在一開始即具有形成于該基板11的第一表面111的該介電層12及該金屬層13，因此該互連金屬24從該基材11的第二表面112形成。因此，該金屬層13可以經(jīng)由該互連金屬24電性連接至該基材11的第二表面112。參考圖6至圖9，顯示本發(fā)明該半導體元件I的制造方法的另一實施例的示意圖。參考圖6，提供該晶圓10。該晶圓10與圖2的晶圓10相同。接著，從該基材11的第二表面112移除該基材11的一部份以形成一圓柱狀腔體23，該圓柱狀腔體23貫穿該基材11。在本實施例中，對應該圓柱狀腔體23的部分該介電層12更被移除，以在該介電層12形成該開口 121，因此，該圓柱狀腔體23顯露部分該金屬層13。參考圖7，該互連金屬24以金屬沉積方式形成于該圓柱狀腔體23內(nèi)，且接觸該金屬層13。在本實施例中，該互連金屬24形成于該圓柱狀腔體23的側壁上。因此，該互連金屬24為杯狀且定義出一內(nèi)部241。該互連金屬24的水平部接觸該金屬層13，且該內(nèi)部241具有一開口位于該基材11的第二表面112。參考圖8，該中心絕緣材料25形成于該內(nèi)部241中。參考圖9，從該基材11的第二表面112形成該圓柱狀孔洞21。該圓柱狀孔洞21貫穿該基材11以顯露部分該介電層12，且環(huán)繞該互連金屬24。此時，該圓柱狀孔洞21的外側壁定義出該基板11的通孔114。接著，一絕緣材料沉積于該圓柱狀孔洞21內(nèi)以形成一圓形絕緣層22，且制得該半導體元件I。參考圖10，顯示本發(fā)明該半導體元件I的制造方法的另一實施例的示意圖。本實施例的方法與圖6至圖9的方法大致相同，其不同處如下所述。參考圖10，當該互連金屬24形成于該圓柱狀腔體23的側壁時，該中心絕緣材料25并不隨著形成于該內(nèi)部241中(如上一個實施例的圖8所示)。反之,在本實施例中,接著，從該基材11的第二表面112形成該圓柱狀孔洞21。該圓柱狀孔洞21貫穿該基材11以顯露部分該介電層12，且環(huán)繞該互連金屬24。接著，一絕緣材料實質上于相同時間點施加于該內(nèi)部241及該圓柱狀孔洞21內(nèi)，其中位于該內(nèi)部241的絕緣材料定義為該中心絕緣材料25，且位于該圓柱狀孔洞21的絕緣材料定義為該圓形絕緣層22，如圖1所示。參考圖11，顯示本發(fā)明的另一實施例的半導體元件2的剖視示意圖。本實施例的半導體元件2與圖1所示的半導體元件I大致相同，其中相同元件賦予相同的編號。本實施例的半導體元件2與圖1所示的半導體元件I的不同處在于該介電層12更具有一凹部122。該凹部122的深度小于該介電層12的厚度，亦即，該凹部122并未貫穿該介電層12。該凹部122的位置對應該圓形絕緣層22，且該圓形絕緣層22延伸至該凹部122內(nèi)。參考圖12至圖13，顯示本發(fā)明該半導體元件2的制造方法的一實施例的示意圖。本實施例的方法與圖2至圖5的方法大致相同，其不同處如下所述。參考圖12，提供該晶圓10。該晶圓10與圖2的晶圓10相同。接著，從該基材11的第二表面112形成一圓柱狀孔洞21。該圓柱狀孔洞21貫穿該基材11以顯露部分該介電層12，且環(huán)繞該基材11的一中心部113。在本實施例中，部分該介電層12更被移除。因此，該圓柱狀孔洞21延伸至該介電層12內(nèi)，以形成一凹部122。該凹部122的深度小于該介電層12的厚度。因此，該凹部122并未貫穿該介電層12。參考圖13，該圓形絕緣層22形成于該圓柱狀孔洞21內(nèi)。在本實施例中，該圓形絕緣層22更形成于該凹部122內(nèi)。本實施例的接續(xù)步驟與圖4及圖5的步驟相同，以制得該半導體元件2。參考圖14，顯示本發(fā)明的另一實施例的半導體元件3的剖視示意圖。本實施例的半導體元件3與圖1所示的半導體元件I大致相同，其中相同元件賦予相同的編號。本實施例的半導體元件3與圖1所示的半導體元件I的不同處在于該導電孔道26的結構。在本實施例中，當該互連金屬24形成于該圓柱狀腔體23時，其填滿該圓柱狀腔體23以形成一實心柱(Solid Pillar)結構。可以理解的是，該半導體元件2的該導電孔道26的該互連金屬24(圖11)也可以是一實心柱。參考圖15，顯示本發(fā)明的另一實施例的半導體元件4的剖視示意圖。本實施例的半導體元件4與圖1所示的半導體元件I大致相同，其中相同元件賦予相同的編號。本實施例的半導體元件4與圖1所示的半導體元件I的不同處在于該金屬層13的結構及該互連金屬24的長度。在本實施例中，該介電層12具有一開口 121a,且該金屬層13位于該介電層12的開口 121a中以連接該該導電孔道26。該導電孔道26并未延伸至該開口 121a中。以該基板11垂直方向量測(從該第一表面111至該第二表面112)，該絕緣層22的長度等于該互連金屬24的長度。參考圖16，顯示本發(fā)明該半導體元件4的制造方法的另一實施例的示意圖。本實施例的方法與圖2至圖5的方法大致相同，其不同處如下所述。參考圖16，提供該晶圓10。該晶圓10具有該基板11、該介電層12及該金屬層13。該基板11與圖2的該基板11相同。該介電層12位于該基板11的第一表面111，且具有一開口 121a。該金屬層13位于該介電層12上且位于其開口 121a內(nèi)。接著，從該基材11的第二表面112形成一圓柱狀孔洞21。該圓柱狀孔洞21貫穿該基材11以顯露部分該金屬層13及部分該介電層12，且環(huán)繞該基材11的一中心部113。本實施例的接續(xù)步驟與圖3至圖5的步驟相同，以制得該半導體元件4。參考圖17，顯示本發(fā)明該半導體元件4的制造方法的另一實施例的示意圖。本實施例的方法與圖6至圖9的方法大致相同，其不同處如下所述。參考圖17，提供該晶圓10。該晶圓10具有該基板11、該介電層12及該金屬層13。該基板11與圖16的該基板11相同。該介電層12位于該基板11的第一表面111，且具有一開口 121a。該金屬層13位于該介電層12上且位于其開口 121a內(nèi)。接著，從該基材11的第二表面112移除該基材11的一部份以形成一圓柱狀腔體23，該圓柱狀腔體23貫穿該基材11。在本實施例中，該圓柱狀腔體23顯露部分該金屬層13。本實施例的接續(xù)步驟與圖7至圖9的步驟相同，以制得該半導體元件4。參考圖18，顯示本發(fā)明的另一實施例的半導體元件5的剖視示意圖。本實施例的半導體元件5與圖15所示的半導體元件4大致相同，其中相同元件賦予相同的編號。本實施例的半導體元件5與圖15所示的半導體元件4的不同處在于該介電層12更具有一凹部122a。該凹部122a的深度小于該介電層12的厚度。因此，該凹部122a并未貫穿該介電層12。參考圖19，顯示本發(fā)明該半導體元件5的制造方法的另一實施例的示意圖。本實施例的方法與圖16的方法大致相同，其不同處如下所述。參考圖19，提供該晶圓10。該晶圓10與圖16的晶圓10相同。接著，從該基材11的第二表面112形成一圓柱狀孔洞21。在本實施例中，部分該介電層12更被移除。因此，該圓柱狀孔洞21更延伸至該介電層12內(nèi)，以形成該凹部122a。該圓柱狀孔洞21貫穿該基材11以顯露部分該金屬層13及部分該介電層12，本實施例的接續(xù)步驟與圖3至圖5的步驟相同，以制得該半導體元件5。參考圖20，顯示本發(fā)明的另一實施例的半導體元件6的剖視示意圖。本實施例的半導體元件6與圖18所示的半導體元件5大致相同，其中相同元件賦予相同的編號。本實施例的半導體元件6與該半導體元件5的不同處在于該導電孔道26的結構。在本實施例中，該導電孔道26的該互連金屬24為一實心柱(Solid Pillar)。可以理解的是,該半導體元件4的該導電孔道26的該互連金屬24 (圖15)也可以是一實心柱。惟上述實施例僅為說明本發(fā)明的原理及其功效，而非用以限制本發(fā)明。因此，習于此技術的人士對上述實施例進行修改及變化仍不脫本發(fā)明的精神。本發(fā)明的權利范圍應如權利要求書所列。
權利要求
1.一種半導體兀件,包括 一基板，其內(nèi)具有至少一導電孔道，該至少一導電孔道包含一互連金屬及一絕緣層，該絕緣層環(huán)繞該互連金屬； 一介電層，位于該基板的一第一表面，且覆蓋該絕緣層的一上表面的至少一部份；及 一金屬層，鄰近于該介電層，且電性連接至該互連金屬。
2.如權利要求1的半導體元件，其中該互連金屬貫穿該介電層以電性連接該金屬層。
3.如權利要求1的半導體元件，其中該互連金屬貫穿該介電層以電性連接該金屬層，且該絕緣層未貫穿該介電層。
4.如權利要求1的半導體元件，其中該絕緣層的該上表面完全被該介電層所覆蓋。
5.如權利要求1的半導體元件，其中該絕緣層的該上表面完全被該介電層及該金屬層所覆蓋。
6.如權利要求1的半導體元件，其中該互連金屬為杯狀。
7.如權利要求6的半導體元件，其中該杯狀互連金屬包含一側部及一水平部，該側部鄰近該絕緣層，且該水平部位于該金屬層上。
8.如權利要求6的半導體元件，其中該杯狀互連金屬定義出一內(nèi)部，該內(nèi)部之內(nèi)具有一絕緣材料。
9.如權利要求1的半導體元件，其中該互連金屬為一金屬柱。
10.如權利要求1的半導體元件，其中該介電層具有一凹部，該凹部的深度小于該介電層的厚度，該絕緣層部分地延伸至該介電層中。
11.如權利要求1的半導體元件，其中該介電層具有一開口，其中部分該金屬層位于該介電層的開口中以連接該互連金屬。
12.如權利要求1的半導體元件,其中該基板的材質包含硅。
13.如權利要求1的半導體元件,其中該基板的材質包含玻璃。
14.一種半導體元件，包括 一基板，其內(nèi)具有至少一導電孔道，該至少一導電孔道包含一通孔，該通孔形成于該基板中，該通孔包含一絕緣層，該絕緣層位于該通孔的一側壁上且環(huán)繞一杯狀互連金屬； 一介電層，位于該基板的一第一表面 '及 一金屬層，鄰近于該介電層； 其中該互連金屬貫穿該介電層以電性連接該金屬層，且該絕緣層未貫穿該介電層。
15.如權利要求14的半導體元件，其中該絕緣層的一上表面完全被該介電層所覆蓋。
16.如權利要求14的半導體元件，其中該絕緣層的一上表面完全被該介電層及該金屬層所覆蓋。
17.如權利要求14的半導體元件，其中該互連金屬定義出一內(nèi)部，該內(nèi)部的內(nèi)具有一絕緣材料。
18.一種半導體元件的制造方法，包括以下步驟: 蝕刻一基板以形成一圓柱狀腔體； 沉積一互連金屬于該圓柱狀腔體中； 蝕刻該基板以形成一圓柱狀孔洞，其中該互連金屬位于該圓柱狀孔洞的內(nèi)；及 沉積一絕緣層于該圓柱狀孔洞內(nèi)，其中該絕緣層具有一上表面，且該上表面接觸一介電層，該介電層位于該基板上。
19.如權利要求18的方法,其中該介電層具有一開口，一金屬層更位于該介電層的開口中；且該圓柱狀腔體顯露部分該金屬層。
20.如權利要求18的方法，其中該互連金屬形成于該圓柱狀腔體的一側壁上，以形成杯狀且定義出一內(nèi)部；一圓形絕緣層形成于該圓柱狀孔洞中，且一中心絕緣材料形成于該內(nèi)部 中。
全文摘要
本發(fā)明關于一種半導體元件及其制造方法。該半導體元件包括一基板、一介電層、一金屬層、一互連金屬及一圓形絕緣層。該基板具有至少一通孔。該介電層鄰近于該基板。該金屬層鄰近于該介電層。該互連金屬位于該至少一通孔。一圓形絕緣層環(huán)繞該互連金屬，其中該絕緣層具有一上表面，且該上表面接觸該介電層。藉此，該金屬層可經(jīng)由該互連金屬電性連接至該基板的另一表面。
文檔編號H01L23/528GK103137601SQ20121021746
公開日2013年6月5日 申請日期2012年6月28日 優(yōu)先權日2011年11月28日
發(fā)明者許芝菁, 歐英德 申請人:日月光半導體制造股份有限公司