CN106206502A - 半导体元件及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明关于一种半导体元件及其制造方法。该半导体元件包括一基板、一介电层、一金属层、一互连金属及一圆形绝缘层。该基板具有至少一通孔。该介电层邻近于该基板。该金属层邻近于该介电层。该互连金属位于该至少一通孔。一圆形绝缘层环绕该互连金属，其中该绝缘层具有一上表面，且该上表面接触该介电层。藉此，该金属层可经由该互连金属电性连接至该基板的另一表面。

Description

半导体元件及其制造方法

本申请是申请人于2012年6月28日提交的、申请号为“201210217467.2”的、发明名称为“半导体元件及其制造方法”的发明专利申请的分案申请。

技术领域

本发明关于一种半导体封装，特别的是，关于使用硅穿孔(Through silicon Via,TSV)技术的三维(3D)半导体封装。

背景技术

已知堆迭式半导体元件的制造方法中，导电孔道(Conductive Vias)先形成于一半导体晶圆内。接着，该导电孔道显露于该半导体晶圆的上下二表面。然后，一介电层及一金属层依序形成于该半导体晶圆的上表面或下表面。然而，如果该介电层及该金属层已经形成于该半导体晶圆上，此方法则不适用。

发明内容

本揭露的一方面关于一种半导体元件。在一实施例中，该半导体元件包括一基板，其内具有至少一导电孔道，该至少一导电孔道包含一互连金属及一绝缘层，该绝缘层环绕该互连金属；一介电层，位于该基板的一第一表面，且覆盖该绝缘层的一上表面的至少一部份；及一金属层，邻近于该介电层，且电性连接至互连金属。在一实施例中，该互连金属贯穿该介电层以电性连接该金属层，且该绝缘层未贯穿该介电层。该绝缘层可以完全被该介电层所覆盖。在其他实施例中，该互连金属为杯状，其中，该互连金属包含一水平部，该水平部实质上平行该第一表面，该水平部与该第一表面的距离小于该水平部与该基板的一第二表面的距离，该第二表面相对该第一表面。该杯状互连金属定义出一内部，该内部的内具有一绝缘材料。在其他实施例中，该互连金属为一金属柱。在一实施例中，该介电层具有一凹部，该凹部的深度小于该介电层的厚度，该绝缘层部分地延伸至该介电层中。在一实施例中，该介电层具有一开口，其中部分该金属层位于该介电层的开口中以连接该互连金属。

本揭露的另一方面关于一种制造方法。在一实施例中，一种半导体元件的制造方法包括以下步骤：蚀刻一基板以形成一圆柱状腔体；沉积一互连金属于该圆柱状腔体中；蚀刻该基板以形成一圆柱状孔洞，其中该互连金属位于该圆柱状孔洞之内；及沉积一绝缘层于该圆柱状孔洞内以，其中该绝缘层具有一上表面，且该上表面接触一介电层，该介电层位于该基板上。互连金属形成于该圆柱状腔体的一侧壁上，以形成杯状且定义出一内部；一圆形绝缘层形成于该圆柱状孔洞中，且一中心绝缘材料形成于该内部。在一实施例中，该金属层更位于该介电层的开口中；且该圆柱状腔体显露部分该金属层。

附图说明

图1显示本发明的一实施例的具有导电孔道的半导体元件的剖视示意图；

图2至图5显示图1的本发明的半导体元件的制造方法的一实施例示意图；

图6至图9显示图1的本发明的半导体元件的制造方法的另一实施例示意图；

图10显示图1的本发明的半导体元件的制造方法的另一实施例示意图；

图11显示本发明的另一实施例的具有导电孔道的半导体元件的剖视示意图；

图12至图13显示图11的本发明的半导体元件的制造方法的一实施例示意图；

图14显示本发明的另一实施例的具有导电孔道的半导体元件的剖视示意图；

图15显示本发明的另一实施例的具有导电孔道的半导体元件的剖视示意图；

图16显示图15的本发明的半导体元件的制造方法的一实施例示意图；

图17显示图15的本发明的半导体元件的制造方法的另一实施例示意图；

图18显示本发明的一实施例的具有导电孔道的半导体元件的剖视示意图；

图19显示图18的本发明的半导体元件的制造方法的一实施例示意图；及

图20显示本发明的另一实施例的具有导电孔道的半导体元件的剖视示意图。

具体实施方式

参考图1，显示本发明的一实施例的半导体元件1的剖视示意图。该半导体元件1包括一晶圆10及一导电孔道26。该导电孔道26形成于该晶圆10内。该晶圆10包含一基板11、一介电层12及一金属层13。在本实施例中，该基板11的材质为半导体材质，例如硅或锗。然而，在其他实施例中，该基板11的材质可以是玻璃。该基板11具有一第一表面111、一第二表面112及一通孔114。

如图1所示，该介电层12位于该基板11的第一表面111，且具有一开口121以显露该金属层13的一部分。该开口121的位置对应该导电孔道26的位置。在本实施例中，该介电层12包含高分子聚合物，例如聚亚酰胺(PI)或聚丙烯(PP)。然而，在其他实施例中，该介电层12可以是氧化硅或氮化硅。该金属层13位于该介电层12上。亦即，该介电层12夹设于该基板11及该金属层13之间。在本实施例中，该金属层13的材质为铜。

如图1所示，该导电孔道26包含一绝缘层22、一互连金属24及一中心绝缘材料25。该互连金属24位于该基板11的通孔114内，且接触该金属层13以确保电性连接。在本实施例中，该互连金属24延伸穿过该介电层12的开口121以接触该金属层13。该互连金属24为杯状且定义出一内部241，且该中心绝缘材料25位于该内部241内。

在本实施例中，该绝缘层22位于该互连金属24及该通孔114的一侧壁之间，且环绕该互连金属24。该绝缘层22的材质可以是高分子聚合物，其和该中心绝缘材料25可相同。该绝缘层22延伸至该介电层12，亦即，该绝缘层22具有一上表面，该上表面接触该介电层12，且该绝缘层22并未延伸至该介电层12内。以该基板11垂直方向量测(从该第一表面111至该第二表面112)，该绝缘层22的长度小于该互连金属24的长度。

参考图2至图5，显示本发明该半导体元件1的制造方法的一实施例的示意图。

参考图2，提供该晶圆10。该晶圆10包含该基板11、该介电层12及该金属层13。在本实施例中，该基板11的材质为半导体材质，例如硅或锗。然而，在其他实施例中，该基板11的材质可以是玻璃。该基板11具有一第一表面111及一第二表面112。该介电层12位于该基板11的第一表面111。亦即，该介电层12夹设于该基板11及该金属层13之间。在本实施例中，该介电层12包含高分子聚合物，例如聚亚酰胺(PI)或聚丙烯(PP)。然而，在其他实施例中，该介电层12可以是二氧化硅(SiO₂)。该金属层13位于该介电层12上。在本实施例中，该金属层13的材质为铜。

如图2所示，以蚀刻方式从该基材11的第二表面112形成一圆柱状孔洞21。该圆柱状孔洞21贯穿该基材11以显露部分该介电层12，且环绕该基材11的一中心部113。该圆柱状孔洞21的外侧壁定义出该基板11的通孔114。

参考图3，形成(例如：沉积)一绝缘层22于该圆柱状孔洞21内。在本实施例中，该绝缘层22的材质为高分子聚合物。

参考图4，以蚀刻方式移除该基材11之中心部113以形成一圆柱状腔体23。在本实施例中，对应该基材11之中心部113的部分该介电层12更被移除，以形成一开口121，因此，该圆柱状腔体23显露部分该金属层13。

参考图5，该互连金属24形成于该圆柱状腔体23的内表面上，且接触该金属层13。在本实施例中，该互连金属24形成于该圆柱状腔体23的侧壁上且于该金属层13的一表面上，以形成杯状且定义出该内部241。该互连金属24的水平部接触该金属层13，且该内部241开口于该基材11的第二表面112。接着，一中心绝缘材料25形成于该内部241(如图1所示)中，以完成该导电孔道26，且制得该半导体元件1。

在本实施例中，由于该晶圆10在一开始即具有形成于该基板11的第一表面111的该介电层12及该金属层13，因此该互连金属24从该基材11的第二表面112形成。因此，该金属层13可以经由该互连金属24电性连接至该基材11的第二表面112。

参考图6至图9，显示本发明该半导体元件1的制造方法的另一实施例的示意图。

参考图6，提供该晶圆10。该晶圆10与图2的晶圆10相同。接着，从该基材11的第二表面112移除该基材11的一部份以形成一圆柱状腔体23，该圆柱状腔体23贯穿该基材11。在本实施例中，对应该圆柱状腔体23的部分该介电层12更被移除，以在该介电层12形成该开口121，因此，该圆柱状腔体23显露部分该金属层13。

参考图7，该互连金属24以金属沉积方式形成于该圆柱状腔体23内，且接触该金属层13。在本实施例中，该互连金属24形成于该圆柱状腔体23的侧壁上。因此，该互连金属24为杯状且定义出一内部241。该互连金属24的水平部接触该金属层13，且该内部241具有一开口位于该基材11的第二表面112。

参考图8，该中心绝缘材料25形成于该内部241中。

参考图9，从该基材11的第二表面112形成该圆柱状孔洞21。该圆柱状孔洞21贯穿该基材11以显露部分该介电层12，且环绕该互连金属24。此时，该圆柱状孔洞21的外侧壁定义出该基板11的通孔114。接着，一绝缘材料沉积于该圆柱状孔洞21内以形成一圆形绝缘层22，且制得该半导体元件1。

参考图10，显示本发明该半导体元件1的制造方法的另一实施例的示意图。本实施例的方法与图6至图9的方法大致相同，其不同处如下所述。

参考图10，当该互连金属24形成于该圆柱状腔体23的侧壁时，该中心绝缘材料25并不随着形成于该内部241中(如上一个实施例的图8所示)。反之，在本实施例中，接着，从该基材11的第二表面112形成该圆柱状孔洞21。该圆柱状孔洞21贯穿该基材11以显露部分该介电层12，且环绕该互连金属24。接着，一绝缘材料实质上于相同时间点施加于该内部241及该圆柱状孔洞21内，其中位于该内部241的绝缘材料定义为该中心绝缘材料25，且位于该圆柱状孔洞21的绝缘材料定义为该圆形绝缘层22，如图1所示。

参考图11，显示本发明的另一实施例的半导体元件2的剖视示意图。本实施例的半导体元件2与图1所示的半导体元件1大致相同，其中相同元件赋予相同的编号。本实施例的半导体元件2与图1所示的半导体元件1的不同处在于该介电层12更具有一凹部122。该凹部122的深度小于该介电层12的厚度，亦即，该凹部122并未贯穿该介电层12。该凹部122的位置对应该圆形绝缘层22，且该圆形绝缘层22延伸至该凹部122内。

参考图12至图13，显示本发明该半导体元件2的制造方法的一实施例的示意图。本实施例的方法与图2至图5的方法大致相同，其不同处如下所述。

参考图12，提供该晶圆10。该晶圆10与图2的晶圆10相同。接着，从该基材11的第二表面112形成一圆柱状孔洞21。该圆柱状孔洞21贯穿该基材11以显露部分该介电层12，且环绕该基材11的一中心部113。在本实施例中，部分该介电层12更被移除。因此，该圆柱状孔洞21延伸至该介电层12内，以形成一凹部122。该凹部122的深度小于该介电层12的厚度。因此，该凹部122并未贯穿该介电层12。

参考图13，该圆形绝缘层22形成于该圆柱状孔洞21内。在本实施例中，该圆形绝缘层22更形成于该凹部122内。本实施例的接续步骤与图4及图5的步骤相同，以制得该半导体元件2。

参考图14，显示本发明的另一实施例的半导体元件3的剖视示意图。本实施例的半导体元件3与图1所示的半导体元件1大致相同，其中相同元件赋予相同的编号。本实施例的半导体元件3与图1所示的半导体元件1的不同处在于该导电孔道26的结构。在本实施例中，当该互连金属24形成于该圆柱状腔体23时，其填满该圆柱状腔体23以形成一实心柱(SolidPillar)结构。可以理解的是，该半导体元件2的该导电孔道26的该互连金属24(图11)也可以是一实心柱。

参考图15，显示本发明的另一实施例的半导体元件4的剖视示意图。本实施例的半导体元件4与图1所示的半导体元件1大致相同，其中相同元件赋予相同的编号。本实施例的半导体元件4与图1所示的半导体元件1的不同处在于该金属层13的结构及该互连金属24的长度。在本实施例中，该介电层12具有一开口121a，且该金属层13位于该介电层12的开口121a中以连接该该导电孔道26。该导电孔道26并未延伸至该开口121a中。以该基板11垂直方向量测(从该第一表面111至该第二表面112)，该绝缘层22的长度等于该互连金属24的长度。

参考图16，显示本发明该半导体元件4的制造方法的另一实施例的示意图。本实施例的方法与图2至图5的方法大致相同，其不同处如下所述。

参考图16，提供该晶圆10。该晶圆10具有该基板11、该介电层12及该金属层13。该基板11与图2的该基板11相同。该介电层12位于该基板11的第一表面111，且具有一开口121a。该金属层13位于该介电层12上且位于其开口121a内。接着，从该基材11的第二表面112形成一圆柱状孔洞21。该圆柱状孔洞21贯穿该基材11以显露部分该金属层13及部分该介电层12，且环绕该基材11的一中心部113。本实施例的接续步骤与图3至图5的步骤相同，以制得该半导体元件4。

参考图17，显示本发明该半导体元件4的制造方法的另一实施例的示意图。本实施例的方法与图6至图9的方法大致相同，其不同处如下所述。

参考图17，提供该晶圆10。该晶圆10具有该基板11、该介电层12及该金属层13。该基板11与图16的该基板11相同。该介电层12位于该基板11的第一表面111，且具有一开口121a。该金属层13位于该介电层12上且位于其开口121a内。接着，从该基材11的第二表面112移除该基材11的一部份以形成一圆柱状腔体23，该圆柱状腔体23贯穿该基材11。在本实施例中，该圆柱状腔体23显露部分该金属层13。本实施例的接续步骤与图7至图9的步骤相同，以制得该半导体元件4。

参考图18，显示本发明的另一实施例的半导体元件5的剖视示意图。本实施例的半导体元件5与图15所示的半导体元件4大致相同，其中相同元件赋予相同的编号。本实施例的半导体元件5与图15所示的半导体元件4的不同处在于该介电层12更具有一凹部122a。该凹部122a的深度小于该介电层12的厚度。因此，该凹部122a并未贯穿该介电层12。

参考图19，显示本发明该半导体元件5的制造方法的另一实施例的示意图。本实施例的方法与图16的方法大致相同，其不同处如下所述。

参考图19，提供该晶圆10。该晶圆10与图16的晶圆10相同。接着，从该基材11的第二表面112形成一圆柱状孔洞21。在本实施例中，部分该介电层12更被移除。因此，该圆柱状孔洞21更延伸至该介电层12内，以形成该凹部122a。该圆柱状孔洞21贯穿该基材11以显露部分该金属层13及部分该介电层12，本实施例的接续步骤与图3至图5的步骤相同，以制得该半导体元件5。

参考图20，显示本发明的另一实施例的半导体元件6的剖视示意图。本实施例的半导体元件6与图18所示的半导体元件5大致相同，其中相同元件赋予相同的编号。本实施例的半导体元件6与该半导体元件5的不同处在于该导电孔道26的结构。在本实施例中，该导电孔道26的该互连金属24为一实心柱(Solid Pillar)。可以理解的是，该半导体元件4的该导电孔道26的该互连金属24(图15)也可以是一实心柱。

惟上述实施例仅为说明本发明的原理及其功效，而非用以限制本发明。因此，习于此技术的人士对上述实施例进行修改及变化仍不脱本发明的精神。本发明的权利范围应如权利要求书所列。

Claims (10)

1.一种半导体元件，其特征在于，包括

一基板，其内具有至少一导电孔道，该至少一导电孔道包含一互连金属及一绝缘层，该绝缘层环绕该互连金属，以该基板垂直方向量测，该绝缘层的长度小于该互连金属的长度；

一介电层，位于该基板的一第一表面；及

一金属层，邻近于该介电层，且电性连接至该互连金属，

其中该绝缘层部分地延伸至该介电层中且接触该介电层。

2.如权利要求1的半导体元件，其特征在于，该绝缘层具有一上表面，该上表面接触该介电层。

3.如权利要求1的半导体元件，其特征在于，该互连金属贯穿该介电层以电性连接该金属层，且该绝缘层未贯穿该介电层。

4.如权利要求1的半导体元件，其特征在于，该互连金属定义出一内部，该内部之内具有一绝缘材料。

5.如权利要求1的半导体元件，其特征在于，该介电层具有一开口以显露该金属层的一部分，其中该互连金属延伸穿过该介电层的开口以接触该金属层。

6.一种半导体元件，其特征在于，包括

一基板，其内具有至少一通孔及至少一导电孔道，该至少一导电孔道包含一互连金属及一绝缘层，该互连金属位于该通孔内，该绝缘层位于该互连金属及该通孔的一侧壁之间，且环绕该互连金属，其中以该基板垂直方向量测，该绝缘层的长度小于该互连金属的长度；及

一金属层，形成于该基板上，接触至该互连金属。

7.如权利要求6的半导体元件，其特征在于，该互连金属定义出一内部，一绝缘材料位于该内部中。

8.如权利要求6的半导体元件，其特征在于，该基板具有一第一表面及一第二表面，该第一表面邻近于该金属层，且该第二表面相对该第一表面，该互连金属包含一水平部，该水平部接触该金属层，且该水平部实质上平行该第一表面，该水平部与该第一表面的距离小于该水平部与该基板的一第二表面的距离。

9.如权利要求6的半导体元件，其特征在于，该互连金属为杯状，且该互连金属包含一侧部，该侧部邻近该绝缘层。

10.如权利要求6的半导体元件，其特征在于，该互连金属为一金属柱。