专利名称：具有屏蔽导通柱的半导体元件及其制造方法
技术领域：
本发明关于ー种半导体封装，详言之，关于三维(3D)半导体封装。
背景技术：
已知形成硅穿孔的方法如下。首先，于ー硅基板的一第一表面上形成数个第一开 ロ。接着，利用化学气相沉积法(Chemical Vapor Deposition, CVD)形成一绝缘层于这些第一开ロ的侧壁，且形成数个容置空间。该绝缘层所使用的材质通常为ニ氧化硅。接着，填入ー导电金属(通常为铜)于这些容置空间内。最后，研磨或蚀刻该基板的该第一表面及一第二表面，以显露该导电金属，而形成数个导通柱。该已知方法的显著缺点为，在传递信号时，当信号通过这些导通柱时会有较高的能量耗损，使得传递品质变差。
发明内容
本揭露的一方面关于ー种半导体元件。在一实施例中，该半导体元件包括一基板， 该基板具有ー导通柱，该导通柱包含一内金属层及ー屏蔽层，该内金属层环绕该基板的一贯穿孔的一中心轴，该屏蔽层环绕该内金属层。ー绝缘材料位于该内金属层及该屏蔽层之间。在本实施例中，该内金属层及该屏蔽层为环状结构，其大致上与该中心轴同轴，且该屏蔽层位于该贯穿孔的一外侧壁。该内金属层环绕一中心部，该中心部为该基板本身的一部分或是位于基板内的不同材料(例如金属)。此外，一第一金属层位于该基板的一第一表面，且接触该屏蔽层。在一实施例中，该基板更具有一中心槽、一外围第一开ロ及ー隔离材料，其中该中心槽由该内金属层所定义，该外围第一开ロ围绕该屏蔽层，且该隔离材料位于该中心槽内及该外围第一开口内。该半导体元件更包括一第一钝化层，其位于该第一金属层上，且该第一钝化层具有一第一开ロ以显露该内金属层；及一第一重布层，位于该第一钝化层的第一开ロ内以接触该内金属层。一第一保护层位于该第一重布层及该第一钝化层上，且具有一第一开ロ以显露部分该第一重布层；一第一球下金属层(UBM)位于该第一保护层的第一开口内 '及一第一凸块位于该第一球下金属层上。在一实施例中，该半导体元件更包括一第二金属层，其位于该基板的一第二表面， 且接触该屏蔽层；一第二钝化层，其位于该第二金属层上，且该第二钝化层具有一第二开ロ 以显露该内金属层；一第二重布层，位于该第二钝化层的第二开口内以接触该内金属层； 一第二保护层位于该第二重布层及该第二钝化层上，且具有一第二开ロ以显露部分该第二重布层；一第二球下金属层(UBM)位于该第二保护层的第二开口内；及一第二凸块位于该第二球下金属层上。本揭露的另一方面关于ー种半导体兀件，其包括一基板；一第一导通柱，包含ー屏蔽层、一第一内金属层及ー绝缘材料，该屏蔽层环绕该第一内金属层，该第一内金属层环绕该基板的一第一贯穿孔的一中心轴，且该绝缘材料位于该屏蔽层及该第一内金属层之间； 一第二导通柱，包含一第二内金属层，该第二内金属层位于该基板的一第二贯穿孔的ー侧壁；及一金属层，位于该基板的一表面，该金属层覆盖该第二导通柱且接触该第一导通柱的该屏蔽层及该第二导通柱的该第二内金属层。该半导体元件更包括一钝化层，位于该金属层上，且具有一第一开ロ及一第二开 ロ，该第一开ロ显露该第一内金属层，且该第二开ロ显露部分该金属层；及一重布层，包含一第一重布层部份及一第二重布层部份，该第一重布层部份位于该钝化层的该第一开ロ以接触该第一内金属层，且该第二重布层部份位于该钝化层的该第二开口内以接触该金属层。本揭露的另一方面关于制造方法。在一实施例中，该制造方法包括提供一基板， 该基板具有一第一表面及一第二表面；形成一第一开ロ于该基板的第一表面，该第一开ロ 围绕ー中心部，且具有一内环壁、一外环壁及一底面；形成一内连结金属层于该内环壁及该外环壁，以分别形成一内金属层及ー屏蔽层；形成ー绝缘材料于该内连结金属层上；形成一第一金属层于该基板的第一表面，其中该第一金属层接触该屏蔽层；及从该基板的第二表面薄化该基板，以移除部份该基板，俾显露该内金属层及该屏蔽层。
图I显示本发明具有屏蔽层的半导体元件的一实施例的剖视示意图；图2至图14显示本发明具有屏蔽层的半导体元件的制造方法的一实施例的示意图；图15至图16显示本发明具有屏蔽层的半导体元件的制造方法的另ー实施例的示意图；图17至图19显示本发明具有屏蔽层的半导体元件的制造方法的另ー实施例的示意图；及图20至图22显示本发明具有屏蔽层的半导体元件的制造方法的另ー实施例的示意图。
具体实施例方式參考图I，显示本发明的半导体元件I的一实施例的剖视示意图。该半导体元件I 包括一基板11、一第一导通柱10、一第二导通柱40、一第一金属层16、一第一钝化层17、一第一重布层18、一第一保护层19、一第一球下金属层(UBM) 20、一第一凸块21、一第二球下金属层20a及一第二凸块21a。在本实施例中，该基板11为ー娃基板或一晶圆，其具有一第一表面111及一第二表面112。该第一导通柱10包含一第一贯穿孔118、一内金属层131、一屏蔽层132及ー绝缘材料14。该第一贯穿孔118贯穿该基板11。该内金属层131位于该第一贯穿孔118内， 且显露于该基板11的第一表面111及第ニ表面112。该内金属层131为环状结构(Ring Structure)且环绕该第一贯穿孔118的一中心轴。该屏蔽层132位于该第一贯穿孔118内，且显露于该基板11的第一表面111及第二表面112。该屏蔽层132为ー环绕该内金属层131的环状结构且与该内金属层131同轴。可以理解的是，除了为环状结构，该内金属层131及该屏蔽层132也可以具有圆环状 (Annular)或圆柱(Cylindrical)特征。该屏蔽层132为ー屏蔽结构(Shielding Structure),可藉以调整信号阻抗,而优化电性特性。在传递信号吋，当信号通过该第一导通柱10时会有较低的能量耗损，而有效提闻传递品质。在本实施例中，该第一贯穿孔118为环状，亦即，该基板11更具有一中心部115，该中心部115为该基板11的一部份且位于该第一贯穿孔118之中央内。该第一贯穿孔118围绕该中心部115，且具有一内环壁1131及一外环壁1132，该内环壁1131位于该中心部115 的外周面。该内金属层131位于该内环壁1131上，且该屏蔽层132位于该外环壁1132上。该绝缘材料14位于该内金属层131及该屏蔽层132之间。在本实施例中，该绝缘材料14为聚合物(Polymer)。因此，该最终结构包含位于该内环壁1131的该内金属层131， 位于该外环壁1132的该屏蔽层132，及位于该内金属层131及该屏蔽层132之间的该绝缘材料14。然而，可以理解的是，该绝缘材料14也可以是空气。在该方面中，该最终结构则会包含位于该内环壁1131的该内金属层131，位于该外环壁1132的该屏蔽层132，而位于该内金属层131及该屏蔽层132之间的区域则仅充满了空气。该第二导通柱40包括一第二贯穿孔119、ー侧壁金属134及该绝缘材料14。该第 ニ贯穿孔119贯穿该基板11，且具有一侧壁1141。该侧壁金属134位于侧壁1141上，且显露于该基板11的第一表面111及第ニ表面112,且定义出一容置空间。该绝缘材料14位于该容置空间内。如图I所不,该第一金属层16位于该基板11的第一表面111。该第一金属层16 接触该第一导通柱10的屏蔽层132，且不接触该第一导通柱10的内金属层131。在本实施例中，该第一金属层16更覆盖该第二导通柱40，且接触该侧壁金属134。该第一金属层16 为ー接地面或ー电源面，其直接接触该屏蔽层132。藉此，可有助于维持较佳的信号品质，且对于布线也比已知设计较有弾性。在本发明中，由于该接地面(该第一金属层16)位于该基板11内，所有需要接地的迹线(Trace)皆可连接至该接地面。如此的优点为，只需要一个外部焊垫即可连接该接地面(该第一金属层16)及一有机基板的接地层。如图I所示，该第一钝化层17位于该第一金属层16上，且具有一第一开ロ 171及一第二开ロ 172。该第一开ロ 171相对第一导通柱10,且显露该内金属层131。该第二开 ロ 172相对第二导通柱40，且显露部份该第一金属层16。该第一钝化层17的材质可为聚亚酰胺(PD或聚丙烯(PP)等。该第一重布层18包括一第一部份181及一第二部份182，该第一部份181位于该第一钝化层17的第一开ロ 171,以接触该内金属层131。该第二部份182位于该第一钝化层17的第二开ロ 172内，以接触该第一金属层16。该第一部份181及该第二部份182不电性连接。该第一重布层18的第一部份181及第二部份182更延伸至该第一钝化层17上方。如图I所示，该第一保护层19位于该第一重布层18及该第一钝化层17上，且具有一第一开ロ 191及一第二开ロ 192。该第一开ロ 191显露该第一重布层18的第一部份 181,且该第二开ロ 192显露该第一重布层18的第二部份182。该第一保护层19的材质与该第一钝化层17的材质相同或不同。该第一球下金属层(UBM) 20位于该第一保护层19的第一开ロ 191内，且该第二球下金属层(UBM) 20a位于该第一保护层19的第二开ロ 192内。 该第一凸块21位于该第一球下金属层20上,且该第二凸块21a位于该第二球下金属层20a 上。该第一凸块21用以传递信号，且该第二凸块21a接地或接电源。參考图2至图14，显示本发明半导体元件的制造方法的一实施例的示意图。參考图2,提供一基板11,该基板11具有一第一表面111及一第二表面112。该基板11可为ー娃基板或一晶圆。接着，形成一第一光阻层12于该基板11的第一表面111，且于该第一光阻层12上形成一第一光阻层开ロ 121及一第二光阻层开ロ 122,其中该第一光阻层开ロ 121为ー圆环状开ロ。參考图3A，接着，根据该第一光阻层开ロ 121及该第二光阻层开ロ 122以蚀刻方式分别于该基板11的第一表面111上形成一第一开ロ 113及至少ー第二开ロ 114。该第一开 ロ 113为圆环状，其围绕该中心部115 (该中心部115为该基板11的一部分)，且具有一内环壁1131、该外环壁1132及一底面1133。该内环壁1131为该中心部115的一外周面。该第二开ロ 114为中空，且具有一侧壁1141及一底面1142。參考图3B，其显示图3A的俯视图。该第一开ロ 113具有该内环壁1131、该外环壁 1132及该底面1133，其中该内环壁1131及该该外环壁1132大致上为圆形。该第二开ロ 114为中空，且具有该侧壁1141及该底面1142，其中该侧壁1141大致上为圆形。參考图4A，移除该第一光阻层12。參考图4B,其显不图4A的俯视图。该基板11的第一表面111被显露。该第一开 ロ 113围绕该中心部115，且该内环壁1131为该中心部115的一外周面。參考图5A,利用电镀方式形成一内连结金属层13于该基板11的第一表面111、该第一开ロ 113及该第二开ロ 114。此时，在该第一开ロ 113中，该内连结金属层13于该内环壁1131、该外环壁1132及该底面1133分别形成一内金属层131、一屏蔽层132及一底面金属133 ;在该第二开ロ 114中，该内连结金属层13于该侧壁1141及该底面1142分别形成该侧壁金属134及一底面金属135。在本实施例中，该内连结金属层13的材质为铜。參考图5B，其显示图5A的俯视图。该内连结金属层13覆盖该基板11的第一表面 111，且更位于该第一开ロ 113及该第二开ロ 114内。该内连结金属层13并未填满该第一开ロ 113及该第二开ロ 114。由于被该内连结金属层13所覆盖，该内环壁1131、该外环壁 1132及该中心部115以虚线表示。參考图6A，移除位于该基板11第一表面111上的内连结金属层13，而保留该内金属层131、该屏蔽层132、该底面金属133、该侧壁金属134及一底面金属135。參考图6B,其显不图6A的俯视图。该基板11的第一表面111显露，且该内金属层 131、该屏蔽层132及该侧壁金属134为环状。參考图7A，形成ー绝缘材料14于该内连结金属层13 (參考图5)上，且填满该第一开ロ 113及该第二开ロ 114。在本实施例中，该绝缘材料14为ー聚合物(Polymer)。參考图7B，其显示图7A的俯视图。该内金属层131的最大外径为(I1，且该屏蔽层 132的最大外径为d2，Cl2Zd1的比值的选择根据特性阻抗设计需求及介电材料性质而定。參考图8,形成一第二光阻层15于该基板11的第一表面111。參考图9，移除部份该第二光阻层15，使得剰余的该第二光阻层15覆盖该内金属层132及部份该绝缘材料14。
參考图10,形成该第一金属层16于该基板11的第一表面111。该第一金属层16 接触该屏蔽层132及该侧壁金属134。之后，完全移除该第二光阻层15，以显露该内金属层 132及部份该绝缘材料14。參考图11，形成该第一钝化层(Passivation Layer) 17于该第一金属层16上,且具有该第一开ロ 171及该第二开ロ 172。该第一开ロ 171显露该内金属层131 ;该第二开ロ 172显露部份该第一金属层16。參考图12,形成该第一重布层18于该第一钝化层17上。该第一重布层18包括该第一部份181及该第二部份182，该第一部份181位于该第一钝化层17的第一开ロ 171，以接触该内金属层131。该第二部份182位于该第一钝化层17的第二开ロ 172内，以接触该第一金属层16。该第一部份181及该第二部份182不电性连接。该第一重布层18的该第一部份181及该第二部份182更延伸至该第一钝化层17上方。參考图13，形成该第一保护层19于该第一重布层18及该第一钝化层17上。接着，于该第一保护层19上形成该第一开ロ 191及该第二开ロ 192。该第一开ロ 191显露该第一重布层18的第一部份181,且该第二开ロ 192显露该第一重布层18的第二部份182。 该第一保护层19的材质与该第一钝化层17的材质相同或不同。如图13所示，形成该第一球下金属层(UBM) 20于该第一保护层19的第一开ロ 191 内；且形成该第二球下金属层(UBM) 20a于该第一保护层19的第二开ロ 192内。接着，形成该第一凸块21于该第一球下金属层20上,且形成该第二凸块21a于该第二球下金属层20a 上。參考图14，提供ー载体22。接着，利用ー黏胶23将该基板11贴附于该载体22上， 其中该基板11的第一表面111面对该载体22。接着，以研磨或蚀刻方式，从该基板11的第 ニ表面112薄化该基板11。这些底面金属133，135及部份该基板11被移除，俾显露该内金属层131、该屏蔽层132、该绝缘材料14及该侧壁金属134。该内金属层131与该屏蔽层 132不电性连接。接着，移除该载体22，且将该基板11翻转180度即制得图I所示的半导体元件I。參考图15至图16，显示本发明的半导体元件的制造方法的另ー实施例的示意图。在本实施例中，”前半段”エ艺与图2至图14的制造方法中相同。本实施例的制造方法接续图14的步骤，且于该基板11的第二表面112形成与第一表面111上结构相同的结构。如图15所不,形成一第二金属层24于该基板11的第二表面112。该第二金属层 24接触该屏蔽层132，但不接触该内金属层131。接着，形成一第二钝化层25于该第二金属层24上，且该第二钝化层25具有一第一开ロ 251及一第二开ロ 252。该第一开ロ 251显露该内金属层131 ;该第二开ロ 252显露部份该第二金属层24。接着,形成一第二重布层26 于该第二钝化层25上。该第二重布层26包括一第一部份261及一第二部份262,该第一部份261位于该第二钝化层25的第一开ロ 251，以接触该内金属层131。该第二部份262位于该第二钝化层25的第二开ロ 252内，以接触该第二金属层24。该第一部份261及该第二部份262不电性连接。如图15所示，接着，形成一第二保护层27于该第二重布层26及该第二钝化层25 上，且于该第二保护层27上形成一第一开ロ 271及一第二开ロ 272。该第一开ロ 271显露该第二重布层26的第一部份261,该第二开ロ 272显露该第二重布层26的第二部份262。 接着，形成一第一球下金属层(UBM) 28于该第二保护层27的第一开ロ 271内；且形成一第 ニ球下金属层(UBM) 28a于该第二保护层27的第二开ロ 272内。接着，形成一第一凸块29 于该第一球下金属层28上,且形成一第二凸块29a于该第二球下金属层28a上。參考图16，移除该载体22，且将该基板11翻转180度以制得本实施例的半导体元件2。该半导体元件2与图I所示的半导体元件I大致相同，其不同处在于，该半导体元件 2更包括该第二金属层24、该第二钝化层25、该第一重布层26、该第二保护层27、该第一球下金属层(UBM) 28、该第二球下金属层(UBM) 28a、该第一凸块29及该第二凸块29a。如图16所示，该第二金属层24位于该基板11的第二表面112。该第二金属层24 接触该屏蔽层132，但不接触该内金属层131。在本实施例中，该第二金属层24更覆盖且接触该侧壁金属134。该第二金属层24为ー接地面或ー电源面。该第二钝化层25位于该第 ニ金属层24上,且具有一第一开ロ 251及一第二开ロ 252。该第一开ロ 251显露该内金属层131。该第二开ロ 252显露部份该第二金属层24。如图16所不,该第二重布层26包括一第一部份261及一第二部份262,该第一部份261位于该第二钝化层25的第一开ロ 251，以接触该内金属层131。该第二部份262位于该第二钝化层25的第二开ロ 252内，以接触该第二金属层24。该第一部份261及该第二部份262不电性连接。如图16所示，该第二保护层27位于该第二重布层26及该第二钝化层25上，且具有一第一开ロ 271及一第二开ロ 272。该第一开ロ 271显露该第二重布层26的第一部份 261，该第二开ロ 272显露该第二重布层26的第二部份262。该第一球下金属层(UBM) 28位于该第二保护层27的第一开ロ 271内；该第二球下金属层(UBM) 28a位于该第二保护层27 的第二开ロ 272内。该第一凸块29位于该第一球下金属层28上；该第二凸块29a位于该第二球下金属层28a上。參考图17至图19，显示本发明的半导体元件的制造方法的另ー实施例的示意图。 本实施例的制造方法与图15至图16的制造方法大致相同，其不同处如下。參考图17，(在图11的步骤后)移除该中心部115以形成一中心槽116。參考图18，以ー中心材料30填满该中心槽116。可以理解的是，该中心材料30可以是ー绝缘材料或一金属材料。參考图19，本实施例的接续エ艺皆与图15至图16的制造方法中相同，以制得本实施例的半导体元件4。该半导体元件4与图16所示的半导体元件2大致相同，其不同处在于，在该半导体元件4中，该基板11更具有该中心槽116及该中心材料30。该中心槽116 由该内金属层131所定义，该中心材料30填满该中心槽116，且该内金属层131位于该中心材料30的一外周面上。较佳地，该中心材料30、该内金属层131及该屏蔽层132的材质相同。參考图20至图22，显示本发明的半导体元件的制造方法的另ー实施例的示意图。 本实施例的制造方法与图15至图16的制造方法大致相同，其不同处如下。參考图20，在图7A的步骤后移除该中心部115及该屏蔽层132外围的基板以分别形成该中心槽116及一外围第一开ロ 117,该外围第一开ロ 117围绕该屏蔽层132。參考图21，形成ー隔离材料31于该中心槽116内及该外围第一开ロ 117内。较佳地，该隔离材料31及该绝缘材料14的材质相同。參考图22，本实施例的接续エ艺皆与图15至图16的制造方法中相同，以制得本实施例的半导体元件5。该半导体元件5与图16所示的半导体元件2大致相同，其不同处在于，在该半导体兀件5中，该基板11更具有一中心槽116、该外围第一开ロ 117及该隔离材料31，该中心槽116由该内金属层131所定义，该外围第一开ロ 117围绕该屏蔽层132，且该隔离材料31位于该中心槽116内及该外围第一开ロ 117内。在一实施例中，该第一金属层16具有数个开ロ，而形成一网格状外观，以增加该第一金属层16与该第一钝化层17间的附着力。在使用该第二金属层的实施例中，该第二金属层24可以具有数个开ロ，而形成一网格状外观，以增加该第二金属层24与该第二钝化层25间的附着力。在上述情况下，较佳地，每ー开ロ为矩形。然而，可以理解的是，每ー开 ロ也可以是圆形或是其他几何图案。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。
权利要求
1.ー种半导体兀件,包括一基板,该基板具有ー导通柱，该导通柱包含一内金属层及ー 屏蔽层，该内金属层环绕该基板的ー贯穿孔的一中心轴，该屏蔽层环绕该内金属层。
2.如权利要求I的半导体元件，更包括一绝缘材料，位于该内金属层及该屏蔽层之间。
3.如权利要求I的半导体元件，更包括一第一金属层，位于该基板的一第一表面，该第一金属层接触该屏蔽层。
4.如权利要求I的半导体元件,其中该内金属层环绕一中心部。
5.如权利要求4的半导体元件，其中该内金属层位于该中心部的一外周面上。
6.如权利要求I的半导体元件，其中该屏蔽层位于该贯穿孔的一外側壁。
7.如权利要求I的半导体元件，其中该基板更具有一中心槽、一外围第一开ロ及ー隔离材料，该中心槽由该内金属层所定义，该外围第一开ロ围绕该屏蔽层，且该隔离材料位于该中心槽内及该外围第一开口内。
8.如权利要求3的半导体元件，其中该第一金属层为ー接地面或ー电源面。
9.如权利要求3的半导体元件，更包括一第一钝化层，位于该第一金属层上，且该第一钝化层具有一第一开ロ以显露该内金属层；及一第一重布层，位于该第一钝化层的第一开口内以接触该内金属层。
10.一种半导体元件，包括一基板；一第一导通柱，包含一屏蔽层、一第一内金属层及ー绝缘材料，该屏蔽层环绕该第一内金属层，该第一内金属层环绕该基板的一第一贯穿孔的一中心轴，且该绝缘材料位于该屏蔽层及该第一内金属层之间；一第二导通柱，包含一第二内金属层，该第二内金属层位于该基板的一第二贯穿孔的 ー侧壁；及一金属层，位于该基板的一表面，该金属层覆盖该第二导通柱且接触该第一导通柱的该屏蔽层及该第二导通柱的该第二内金属层。
11.一种半导体元件的制造方法，包括(a)提供一基板，该基板具有一第一表面及一第二表面；(b)形成一第一开ロ于该基板的第一表面，该第一开ロ围绕ー中心部，且具有ー内环壁、一外环壁及一底面；(C)形成一内连结金属层于该内环壁及该外环壁，以分别形成一内金属层及ー屏蔽层；(d)形成ー绝缘材料于该内连结金属层上；(e)形成一第一金属层于该基板的第一表面，其中该第一金属层接触该屏蔽层；及(f)从该基板的第二表面薄化该基板，以移除部份该基板，以显露该内金属层及该屏蔽层。
12.如权利要求11的方法，其中该步骤(b)包括(bl)形成一第一光阻层于该基板的第一表面；(b2)于该第一光阻层上形成一环状开ロ '及(b3)根据该环状开ロ于该基板上形成该第一开ロ。
全文摘要
本发明关于一种具有屏蔽层的半导体元件及其制造方法。该半导体元件包括一基板、一内金属层、一屏蔽层、一绝缘材料、一金属层、一钝化层及一重布层。该内金属层位于该基板的一贯穿孔内。该屏蔽层环绕该内环金属。该绝缘材料位于该内金属层及该屏蔽层之间。该金属层位于该基板的一表面，且接触该屏蔽层，而不接触该内金属层。该重布层位于该钝化层的一开口以接触该内金属层。
文档编号H01L23/48GK102610582SQ20121010452
公开日2012年7月25日 申请日期2012年4月11日 优先权日2011年11月29日
发明者吴志伟, 林子智, 洪常瀛, 郑宏祥 申请人:日月光半导体制造股份有限公司