专利名称：半导体元件及其制造方法与封装构造的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种半导体元件，特别是有关于一种半导体元件及其制造方法与封装构造。
背景技术：
在现有的半导体封装制造工艺中，依产品需求而定，晶圆、芯片或是中介层(interposer)的娃基板内部会穿设有导电柱(又称穿娃导通孔或是直通娃晶穿孔，through silicon via),所述导电柱会凸出于娃基板的非电路层的一第一表面，以与其他半导体构造(例如上层芯片)电性连接。所述硅基板的第一表面会设有钝化层以提供保护，前述导电柱凸出部分的裸露顶面则会设置底金属层，以连接导电柱与焊锡金属。在现有技术中，可通过化学气相沉积工艺沈积二氧化硅或者是涂布非导电型有机高分子材料来形成上述钝化层。然而，以化学气相沉积工艺沈积二氧化硅的方式需要耗费较高的成本，且需要另外的处理工序来清除导电柱上的二氧化硅，若清除不全也将会增加导电柱因此的开路风险。以非导电型有机高分子材料(例如聚亚酰胺，Polyimide)来形成上述钝化层的方式也可能会因为清除不全而有残留高分子材料在导电柱上，进而增加导电柱的开路风险，再者，有机高分子材料与硅基板之间的热膨胀系数不匹配，将会导致两者在温度改变时产生应力拉扯，因而产生半导体元件翘曲的问题。故，有必要提供一种半导体元件及其制造方法与封装构造，以解决现有技术所存在的问题。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种半导体元件，其半导体基材表面裸露的导电柱顶面设置有金属层，而半导体基材表面设置有钝化层，所述钝化层由所述金属层的阳极氧化物构成，具有制作成本较低且不易导致半导体元件翘曲问题发生的优点。为达成前述目的，本发明一实施例提供一种半导体元件，所述半导体元件包含:一半导体基材、一电路层、一金属层与一钝化层，其中所述半导体基材具有一第一表面、一第二表面及数个导电柱，所述第二表面相对所述第一表面，所述导电柱贯穿所述半导体基材且部分凸出所述第二表面而具有一外露的顶面；所述电路层设于所述半导体基材的第一表面，并电性连接所述导电柱；所述金属层成形于所述导电柱的外露顶面上；所述钝化层成形于所述半导体基材的第二表面，所述钝化层为所述金属层的阳极氧化物。本发明的另一目的在于提供一种半导体元件制造方法，所述半导体元件制造方法包含步骤:提供一半导体基材，其中所述具有一第一表面、一第二表面及数个导电柱，所述第二表面相对所述第一表面，所述导电柱贯穿所述半导体基材；对所述半导体基材的第二表面进行薄化处理，使所述第二表面裸露所述导电柱的一顶面；对所述半导体基材的第二表面进行蚀刻，使所述导电柱部分凸出于所述第二表面；成形一金属层于所述半导体基材的第二表面及所述导电柱的裸露顶面；对所述半导体基材的第二表面上的金属层进行阳极氧化工艺，以做为一钝化层；以及形成一包覆所述导电柱凸出所述第二表面的部份的凸块
下金属层。本发明的另一目的在于提供一种半导体元件封装构造，一封装基板、一半导体元件、一芯片与封装胶材，其中所述半导体元件的电路层电性连接所述封装基板的一表面上；所述芯片电性连接凸出所述半导体元件的第二表面的所述导电柱；所述封装胶材设于所述封装基板的表面上而包覆所述芯片与所述半导体元件。由于本发明是一次性于导电柱裸露一侧的半导体基材表面以及导电柱顶面成形金属层，再通过阳极氧化工艺将半导体基材表面的金属层氧化成钝化层(即同一金属的氧化层)，而导电柱顶面的金属层维持不变，相较于现有的氧化硅沉积工艺，可减少移除导电柱顶面的氧化硅的步骤，制作成本较低且不易导致半导体元件翘曲问题发生。
图1是本发明一实施例的半导体元件的剖面示意图。图2是本发明一实施例的半导体元件封装构造的剖面示意图。图3A 3E是制作图1实施例的半导体元件的结构示意图。
具体实施例方式为让本发明上述目的、特征及优点更明显易懂，下文特举本发明较佳实施例，并配合附图，作详细说明如下。再者，本发明所提到的方向用语，例如「上」、「下」、「前」、「后」、「左」、「右」、「内」、「外」、「侧面」等，仅是参考附加图式的方向。因此，使用的方向用语是用以说明及理解本发明，而非用以限制本发明。请参照图1所示，图1是本发明一实施例的半导体元件的结构平面示意图。本发明所揭示的半导体元件包含一半导体基材10、一电路层20、一金属层16及一钝化层18。所述半导体基材10的材质可以是硅、砷化镓、蓝宝石基材或其他半导体材料。所述半导体基材10具有一第一表面(图1中的下表面)、一第二表面(图1中的上表面)及数个导电柱12。所述第二表面相对所述第一表面。在一实施例中，所述半导体基材10的第一表面(图1中的下表面)可设有至少一有源元件(active component)(例如晶体管)。所述导电柱12可以是通过穿硅导通孔制作工艺所形成，其贯穿所述半导体基材10且部分凸出所述第二表面而具有一外露的顶面。在一实施例中，所述导电柱12可为例如铜、镍，所述导电柱12的侧壁受一绝缘层14包覆，所述绝缘层14可为例如二氧化硅。在一实施例中，所述导电柱12凸出所述第二表面的部份还包覆有一凸块下金属层19，所述凸块下金属层19可为镍/金复合层及/或焊锡材料。所述电路层20设于所述半导体基材10的第一表面，并电性连接所述导电柱12。当所述半导体基材10未设置有源元件时，所述电路层20是一重布线层(redistributionlayer)。当所述半导体基材10设置有源元件时，所述电路层20电性连接所述导电柱12与有源元件。所述金属层16成形于所述导电柱12的外露顶面上。在一实施例中，所述金属层16可以是例如钽或铝，其厚度可以是介于50纳米 600纳米之间。所述钝化层18成形于所述半导体基材10的第二表面，所述钝化层18为所述金属层16的同一金属材质的阳极氧化物，故所述钝化层18的厚度可以是等于或稍大于所述金属层16的厚度。在一实施例中，当前述金属层为钽(Ta)时，所述金属层16为五氧化二钽(Ta2O5)。进一步参考图2所示，图2是本发明一实施例的半导体元件封装构造的剖面示意图。所述半导体元件封装构造除了包含上述的半导体元件之外，还包含一封装基板40、一芯片30与封装胶材34。所述封装基板40可以是例如可由玻璃纤维及环氧树脂先构成其绝缘层，再由绝缘层与电路层交替堆叠而成。所述封装基板40的上表面设有数个电性连接部22，例如铜凸块，其下表面则设有锡球。所述半导体元件的电路层20电性连接所述封装基板40的上表面的数个电性连接部22。所述芯片30则电性连接所述半导体元件的导电柱12，例如通过设置在芯片30底面的金属凸块32连接至所述导电柱12上的凸块下金属层19，构成电性连接。所述封装胶材34可以是例如环氧树脂，其设于所述封装基板40的表面上而包覆所述芯片30与所述半导体元件。请参照图3A 3E所示，其分别概要揭示制作图1实施例的半导体元件的结构示意图。请参照图3A所示，首先提供一半导体基材(例如晶圆)10A，厚度例如介于150微米 250微米之间，所述半导体晶圆IOA的第一表面设有所述电路层20，以及所述导电柱12。接着，请参照图3B，对所述半导体基材10的第二表面进行薄化处理，例如通过研磨工艺，进而移除所述半导体基材10的一部分与所述导电柱12及绝缘层14的一部分，使得所述半导体基材10的第二表面得以裸露所述导电柱12的一顶面以及一环状的绝缘层14表面。所述半导体基材10薄化后的厚度例如介于80微米 120微米之间，例如为100微米;随后,请参照图3C,使用等离子体(plasma)对所述半导体基材10的第二表面进一步进行干蚀刻，以再进一步薄化所述半导体基材10，使得所述导电柱部分(包含绝缘层14)凸出于所述半导体基材10的第二表面；然后，请参照图3D，成形一金属层16于所述半导体基材10的第二表面及所述导电柱12的裸露顶面，例如通过溅镀(sputtering)工艺以垂直于所述第二表面的一入射角将金属粒子沉积在所述半导体基材10的第二表面及所述导电柱12的裸露顶面，值得注意的是，由于是以垂直于所述第二表面的一入射角进行溅镀工艺，与金属粒子入射方向平行的所述导电柱12侧壁上的绝缘层14将不会同步生成所述金属层16，进而将所述导电柱12顶面上的金属层16与所述半导体基材10的第二表面上的金属层16隔绝开；之后，请参照图3E，使所述半导体基材10的第二表面上的金属层16放置于一电解水气形成氢气与氧气的环境中，并使所述金属层16连接一电极，以对所述金属层16进行阳极氧化工艺，使所述半导体基材10的第二表面上的金属层16氧化，进而做为一钝化层18 ；最后，请参照图1，再形成包覆所述导电柱12凸出所述第二表面的部份的凸块下金属层19(UBM)，即制作完成本发明的半导体元件。以五氧化二钽(Ta2O5)为例，所述钝化层18与半导体基材10另一侧(即第一表面)的电路层20(如重布线层或有源电路层)所包含的二氧化硅基材的热膨胀系数较为接近，因此相较于涂布有机高分子材料作为钝化层的现有技术来说，本发明的半导体元件在整体上较不易发生翘曲问题。再者，由于垂直溅镀的关系，使得所述导电柱12顶面上的金属层16与所述半导体基材10的第二表面上的金属层16被绝缘层14隔绝开，因此在选择性对所述半导体基材10的第二表面上的金属层16进行阳极氧化处理时，所述导电柱12顶面上的金属层16不致于同步氧化，也因此，本发明相较于现有技术不必多出一道进行清除导电柱顶面的绝缘材料的步骤，有助于简化制作工艺及减少制作工艺的成本，以相对提高制作效率。再者，以溅镀方式配合阳极氧化处理的方式也较能精确控制钝化层的厚度。综上所述，相较于现有具有导电柱的半导体元件及其制作工艺的诸多缺失，本发明于导电柱裸露一侧的半导体基材表面和导电柱顶面一次性成形金属层，再通过阳极氧化工艺选择性将半导体基材表面的金属层氧化成为钝化层，而导电柱顶面的金属层维持不变，可相对减少移除导电柱顶面的绝缘材料的步骤，制作成本较低且不易导致翘曲问题发生。本发明已由上述相关实施例加以描述，然而上述实施例仅为实施本发明的范例。必需指出的是，已公开的实施例并未限制本发明的范围。相反地，包含于权利要求书的精神及范围的修改及均等设置均包括于本发明的范围内。
权利要求
1.一种半导体元件，其特征在于:其包含: 一半导体基材，具有一第一表面、一第二表面及数个导电柱，所述第二表面相对所述第一表面，所述导电柱贯穿所述半导体基材且部分凸出所述第二表面而具有一外露的顶面；一电路层，设于所述半导体基材的第一表面，并电性连接所述导电柱； 一金属层，成形于所述导电柱的外露顶面上；以及 一钝化层，成形于所述半导体基材的第二表面，所述钝化层为所述金属层的阳极氧化物。
2.如权利要求1所述的半导体元件，其特征在于:所述半导体基材为一硅基材，所述电路层为一重布线层。
3.如权利要求1所述的半导体元件，其特征在于:所述半导体基材设有至少一有源元件。
4.如权利要求1所述的半导体元件，其特征在于:所述金属层为钽，所述钝化层为五氧化二钽。
5.如权利要求1所述的半导体元件，其特征在于:所述导电柱的侧壁受一绝缘层包覆。
6.如权利要求1所述的半导体元件，其特征在于:所述导电柱凸出所述第二表面的部份包覆有一凸块下金属层。
7.一种半导体元件制造方法，其特征在于:其包含下列步骤: 提供一半导体晶圆，其中所述半导体晶圆包含一半导体基材及数个导电柱，所述半导体基材具有一第一表面、一第二表面，所述第二表面相对所述第一表面，所述导电柱贯穿所述半导体基材； 对所述半导体基材的第二表面进行薄化处理，使所述第二表面裸露所述导电柱的一顶面； 对所述半导体基材的第二表面进行蚀刻，使所述导电柱部分凸出于所述第二表面； 成形一金属层于所述半导体基材的第二表面及所述导电柱的裸露顶面； 对所述半导体基材的第二表面上的金属层进行阳极氧化工艺，以做为一钝化层；以及 形成一包覆所述导电柱凸出所述第二表面的部份的凸块下金属层。
8.如权利要求7所述的半导体元件制造方法，其特征在于:所述金属层是通过溅镀工艺以垂直于所述第二表面的一入射角将金属粒子沉积在所述半导体基材的第二表面及所述导电柱的裸露顶面。
9.如权利要求7所述的半导体元件制造方法，其特征在于:所述半导体基材的第一表面设有一电路层，所述电路层电性连接所述导电柱；所述导电柱的侧壁受一绝缘层包覆；所述金属层为钽，所述钝化层为五氧化二钽。
10.一种半导体元件封装构造，其特征在于:其包含: 一封装基板； 一如权利要求1至6任一项所述的半导体元件，所述半导体元件的电路层电性连接所述封装基板的一表面上； 一芯片，电性连接凸出所述半导体元件的第二表面的所述导电柱；以及 一封装胶材，设于所述封装基板的表面上而包覆所述芯片与所述半导体元件。
全文摘要
一种半导体元件及其制造方法与封装构造。所述半导体元件包含一半导体基材，具有一第一表面、一第二表面及数个导电柱，所述第二表面相对所述第一表面，所述导电柱贯穿所述半导体基材且凸出所述第二表面；一电路层，设于所述半导体基材的第一表面，并电性连接所述导电柱；一金属层，成形于所述导电柱裸露的一顶面上；以及一钝化层，成形于所述半导体基材的第二表面上，所述钝化层为所述金属层的阳极氧化物。所述钝化层厚度薄，制作成本较低且不易发生半导体元件翘曲问题。
文档编号H01L21/56GK103165543SQ20131005028
公开日2013年6月19日 申请日期2013年2月8日 优先权日2013年2月8日
发明者王盟仁 申请人:日月光半导体制造股份有限公司