TWI822387B - 半導體元件、半導體封裝件及其製造方法 - Google Patents
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Abstract
本發明提供一種半導體元件及其製造方法，包含：（a）提供一晶圓，包含：一主動面及一背面；一半導體元件區域及一切割道區域，該切割道區域具有數個導電柱設置於其中，且該些導電柱電性連接至該半導體元件區域中的半導體元件，其中該些導電柱未貫穿至該晶圓的該背面；（b）使用一刀具對該晶圓進行切割，以切除該切割道區域中的部分該晶圓及部分的該些導電柱，其中該刀具的寬度小於該切割道區域的寬度；（c）對該晶圓的該背面進行研磨以暴露出該些導電柱；及（d）將該晶圓經由該切割道區域中被切除的該晶圓部分分離成數個半導體晶片。
Description
本發明係關於半導體元件及其製造方法，特別是關於一種應用在三維堆疊封裝的半導體元件及其製造方法。
目前矽穿孔（through silicon via, TSV）製程主要應用在 動態隨機存取記憶（DRAM）和互補式金氧半場效電晶體（CMOS）的堆疊封裝，可使封裝體積縮小。其製程主要分成前段（FEOL）、後段（BEOL）、封裝（OSAT），前段負責在在矽晶圓蝕刻通孔並進行鍍銅，以形成矽穿孔，後段則是進行研磨並鍍上錫球，而封裝則負責測試及焊錫封裝。
然而，現在應用端需求的積體電路（IC）尺寸設計已到3奈米，並準備突破到2奈米。因此，對於可用的面積要求也要提升。
因此，有必要提供一種高積集化的半導體元件及其製造方法，以解決習用技術所存在的問題。
本發明之一目的在於提供一種高積集化的半導體元件及其製造方法，其可以節省面積進而方便封裝又或者是增加電晶體設計加快運算速度皆可實現。
本發明又一目的在於提供一種高積集化的半導體元件及其製造方法，其可以增加電晶體設計的數量，進而加快運算速度。
為達上述之目的，本發明提供一種半導體元件的製造方法，包含以下步驟：（a）提供一晶圓，該晶圓包含：一主動面及一背面，該背面相對於該主動面設置；一半導體元件區域及一切割道區域，該切割道區域具有數個導電柱設置於其中，且該些導電柱電性連接至該半導體元件區域中的數個半導體元件，其中該些導電柱未貫穿至該晶圓的該背面；（b）使用一刀具對該晶圓進行切割，以切除該切割道區域中的部分該晶圓及部分的該些導電柱，使得切割後的該些導電柱的側面暴露，其中該刀具的寬度小於該切割道區域的寬度；（c）對該晶圓的該背面進行研磨以暴露出該些導電柱；及（d）將該晶圓經由該切割道區域中被切除的該晶圓部分分離成數個半導體晶片。
在本發明一實施例中，其中該些導電柱整體設置在該切割道區域中而未設置在該半導體元件區域。
在本發明一實施例中，其中步驟（a）還包含：對該晶圓進行雷射鑽孔，以移除部分的該晶圓的材料，以形成數個通孔，其中該些通孔未貫穿至該晶圓的該背面；及將一導電材料填充至該些通孔中，以形成該些導電柱。
在本發明一實施例中，其中該半導體元件區域具有一金屬層延伸至該切割道區域，其中當對該晶圓進行雷射鑽孔時，雷射同時移除部分的該金屬層，使得當該導電材料填充至該些通孔中時，該些導電柱與該金屬層形成電性連接。
在本發明一實施例中，其中步驟（a）還包含：將數個第一導電元件設置於該些導電柱上。
在本發明一實施例中，其中步驟（a）後還包含：設置一保護膜於該晶圓上並包覆該些第一導電元件。
在本發明一實施例中，其中步驟（c）還包含：將數個第二導電元件設置於經由研磨從該晶圓的該背面暴露出的該些導電柱上。
在本發明一實施例中，其中步驟（d）還包含：移除該保護膜，使得該晶圓經由該切割道區域中被切除的該晶圓部分分離成該些半導體晶片。
在本發明一實施例中，其中該切割道區域的寬度為40微米至60微米，該刀具的寬度為20微米至40微米。
本發明還提供一種用於如上所述的半導體元件的製造方法的晶圓，其中該晶圓包含：一主動面及一背面，該背面相對於該主動面設置；一半導體元件區域及一切割道區域，該切割道區域具有數個導電柱設置於其中，且該些導電柱電性連接至該半導體元件區域中的半導體元件，其中該些導電柱未貫穿至該晶圓的該背面。
本發明又提供一種半導體封裝件，包含：一基板，其中該基板設置有一控制器晶片及至少一個被動元件，且該基板具有數個連接墊；通過如上所述的半導體元件的製造方法製造的一第一半導體晶片堆疊於該基板上，其中該第一半導體晶片通過位於該第一半導體晶片側面的該些導電柱電性連接至該些連接墊；及通過如上所述的半導體元件的製造方法製造的一第二半導體晶片堆疊於該第一半導體晶片上，其中該第二半導體晶片通過位於該第二半導體晶片側面的該些導電柱電性連接至位於該第一半導體晶片側面的該些導電柱。
為了讓本發明之上述及其他目的、特徵、優點能更明顯易懂，下文將特舉本發明較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。再者，本發明所提到的方向用語，例如上、下、頂、底、前、後、左、右、內、外、側面、周圍、中央、水平、橫向、垂直、縱向、軸向、徑向、最上層或最下層等，僅是參考附加圖式的方向。因此，使用的方向用語是用以說明及理解本發明，而非用以限制本發明。
如本文所用的，提及變量的數值範圍旨在表示變量等於該範圍內的任意值。因此，對於本身不連續的變量，該變量等於該數值範圍內的任意整數值，包括該範圍的端點。類似地，對於本身連續的變量，該變量等於該數值範圍內的任意實值，包括該範圍的端點。作為一個示例，而不是限制，如果變量本身是不連續的，描述為具有0-2之間的值的變量取0、1或2的值；而如果變量本身是連續的，則取0.0、0.1、0.01、0.001的值或≥0且≤2的其他任何實值。
請參照圖1，圖1示出了本發明實施例的半導體元件的製造方法的流程示意圖。該半導體元件的製造方法（S100）包含以下步驟：（S101）提供一晶圓，該晶圓包含：一主動面及一背面，該背面相對於該主動面設置；一半導體元件區域及一切割道區域，該切割道區域具有數個導電柱設置於其中，且該些導電柱電性連接至該半導體元件區域中的數個半導體元件，其中該些導電柱未貫穿至該晶圓的該背面；（S102）使用一刀具對該晶圓進行切割，以切除該切割道區域中的部分該晶圓及部分的該些導電柱，使得切割後的該些導電柱的側面暴露，其中該刀具的寬度小於該切割道區域的寬度；（S103）對該晶圓的該背面進行研磨以暴露出該些導電柱；及（S104）將該晶圓經由該切割道區域中被切除的該晶圓部分分離成數個半導體晶片。
請參照圖2至圖10，示出了本發明實施例的半導體元件的製造方法的結構示意圖。首先，請參考圖2所示，一晶圓100包含：一主動面101、一背面102、一半導體元件區域103及一切割道區域104。該背面102相對於該主動面101設置。可選地，該晶圓為矽晶圓。該晶圓100包含一基板106，該基板上設置有數個半導體元件105，該些半導體元件105連接至一金屬層107以使該些半導體元件與外界相連通。該些半導體元件105及該金屬層107上覆蓋有一絕緣層108，以保護該些半導體元件105及該金屬層107。
首先，請參考圖3及圖4所示，該切割道區域104具有數個導電柱110設置於其中，且該些導電柱110電性連接至該半導體元件區域103中的數個半導體元件105，其中該些導電柱110未貫穿至該晶圓100的該背面102。值得注意的是，該些導電柱110整體設置在該切割道區域104中而未設置在該半導體元件區域103。另外，該些導電柱110的形成方法可以為通過對該晶圓100進行雷射鑽孔，以移除部分的該晶圓100的材料，以形成數個通孔109。應該注意的是，該些通孔109未貫穿至該晶圓100的該背面102。接著，將一導電材料填充至該些通孔109中，以形成該些導電柱110。該些導電柱110未貫穿至該晶圓100的該背面102。
在本實施例中，該半導體元件區域103具有一金屬層107延伸至該切割道區域104，其中當對該晶圓100進行雷射鑽孔時，雷射同時移除部分的該金屬層107，使得當該導電材料填充至該些通孔109中時，該些導電柱110與該金屬層107形成電性連接。
接著，如圖5所示，使用一刀具120對該晶圓100進行切割，以切除該切割道區域104中的部分的該晶圓100及部分的該些導電柱110，使得切割後的該些導電柱110的側面暴露，其中該刀具120的寬度W1小於該切割道區域的寬度W2。
可選地，如圖6所示，本實施例中還包含：將數個第一導電元件130設置於該些導電柱110上。另外，如圖7所示，設置一保護膜140於該晶圓100上並包覆該些第一導電元件130上。需要注意的是，圖6所示的將該些第一導電元件130設置於該些導電柱110上的步驟可以在圖5的步驟之前或在圖5的步驟之後執行。
接著，如圖8所示，對該晶圓100的該背面102進行研磨以暴露出該些導電柱110。
可選地，如圖9所示，將數個第二導電元件150設置於經由研磨從該晶圓100的該背面102暴露出的該些導電柱110上。
最後，如圖10所示，移除該保護膜140，使得該晶圓100經由該切割道區域104中被切除的該晶圓100的部分分離成數個半導體晶片200。
在本發明一實施例中，該切割道區域的寬度為40微米至60微米，及該刀具的寬度為20微米至40微米。
如圖11所示，圖11示出了根據本發明的半導體元件的製造方法的製造的半導體晶片200的俯視結構示意圖。該半導體晶片200包含：一半導體元件區域203及一切割道殘留區域204。該切割道殘留區域204具有數個導電柱210設置於該半導體晶片200的邊緣。需要注意的是，該些導電柱210因為經過切割呈現非完整的圓柱型（例如，半圓柱型）。
需要注意的是，一般而言，在積集化的要求下，在晶片上設計10微米孔徑的矽穿孔對於DRAM來說是非常大，如果需要設計的I/O數量多時更是極占空間，此次設計為在切割道設計孔徑，可縮小晶片尺寸節省空間，且在後段就可以完成。本發明通過在切割道為40至60微米的情況下，在切割道的兩端可以各設置直徑例如為約10微米的矽穿孔結構，兩端總和的孔徑共約20微米。除矽穿孔外，還保留有20至40微米的空間可供切割使用，對於切割來說仍保留有足夠的空間進行切割。本發明將矽穿孔結構的位置移到切割道上可以節省面積，進而便於封裝，又或者可以增加電晶體的設計數量，進而加快電子裝置的運算速度。舉例來說，以I/O為100個為例，其所佔面積約為0.1 mm
2，以5奈米的台積電製程來說，本發明的設計的可以使得電晶體的數量多增加15,000,000個電晶體，或是可以降低晶片的尺寸。
如上所述，本發明還提供一種用於如上所述的半導體元件的製造方法的晶圓100。如圖4所示，該晶圓100包含：一主動面101及一背面102，該背面102相對於該主動面101設置；一半導體元件區域103及一切割道區域104，該切割道區域104具有數個導電柱110設置於其中，且該些導電柱110電性連接至該半導體元件區域103中的半導體元件105，其中該些導電柱110未貫穿至該晶圓100的該背面102。
本發明又提供一種半導體封裝件，包含：一基板，其中該基板設置有一控制器晶片及至少一個被動元件，且該基板具有數個連接墊；通過如上所述的半導體元件的製造方法製造的一第一半導體晶片堆疊於該基板上，其中該第一半導體晶片通過位於該第一半導體晶片側面的該些導電柱電性連接至該些連接墊；及通過如上所述的半導體元件的製造方法製造的一第二半導體晶片堆疊於該第一半導體晶片上，其中該第二半導體晶片通過位於該第二半導體晶片側面的該些導電柱電性連接至位於該第一半導體晶片側面的該些導電柱。
請參照圖12，圖12示出了本發明第一實施例的半導體封裝件的前視結構示意圖。一半導體封裝件30，包含：一基板310，其中該基板310設置有一控制器晶片311及至少一個被動元件312，且該基板310具有數個連接墊313。
在一個實施例中，該控制器晶片311為一微控制器（MCU）。可選地，該些被動元件312可以為電阻或電容，並與該控制器晶片311電性相連接。
可選地，該控制器晶片311係通過覆晶連接的方式連接至基板310表面的焊墊。該些被動元件312係通過表面黏著技術與該基板310表面的線路相連接。
該基板310上堆疊有一第一半導體晶片320，該第一半導體晶片320係通過如上所述的半導體元件的製造方法製造。該第一半導體晶片320堆疊於該基板310的一表面上，其中該第一半導體晶片320通過位於該第一半導體晶片320側面的該些第一導電柱321電性連接至該些連接墊313。可選地，該第一半導體晶片320通過數個第一導電凸塊322將該第一半導體晶片320的該些第一導電柱321與該些連接墊313相導通。
可選地，該第一半導體晶片320可以為一快閃記憶體晶片。該第一半導體晶片320可以通過該控制器晶片311進行控制。
值得注意的是，該第一半導體晶片320具有如圖11所是的相似結構，即該些第一導電柱321因為經過切割呈現非完整的圓柱型（例如，半圓柱型）。
該第一半導體晶片320上堆疊有一第二半導體晶片330，該第二半導體晶片330係通過如上所述的半導體元件的製造方法製造。
該第二半導體晶片330堆疊於該第一半導體晶片320的一表面上，其中該第二半導體晶片330係通過位於該第二半導體晶片330側面的該些第二導電柱331電性連接至該第一半導體晶片320。
可選地，該第二半導體晶片330通過數個第二導電凸塊332將該第二半導體晶片330的該些第二導電柱331與該第一半導體晶片320的該些第一導電柱321相導通。該第二半導體晶片330可以通過該控制器晶片311進行控制。
值得注意的是，該第二半導體晶片330同樣具有如圖11所是的相似結構，即該些第二導電柱331因為經過切割呈現非完整的圓柱型（例如，半圓柱型）。
另外，在本發明的一些實施例中，該些連接墊313上設置有數個第三導電柱341，例如銅柱（copper pillar），該第一半導體晶片320通過該些第一導電凸塊322將該第一半導體晶片320的該些第一導電柱321與該些第三導電柱341相導通。
值得注意的是，該些第三導電柱341不同於該些第一導電柱321及該些第二導電柱331，即該些第三導電柱341並未經過切割，而呈現完整的圓柱型。
請參照圖13，圖13示出了本發明第二實施例的半導體封裝件的前視結構示意圖。圖13所示的本發明第二實施例的半導體封裝件與圖12所示的本發明第一實施例的半導體封裝件大致上相同，其差別在於該基板310與該第一半導體晶片320通過第二基板450及第三基板460進行電性導通。下文將參照圖13對本發明第二實施例的半導體封裝件進行詳盡的描述。
一半導體封裝件40，包含：一第一基板410，其中該第一基板410設置有一控制器晶片411及至少一個被動元件412，且該第一基板410具有數個第一連接墊413。
在一個實施例中，該控制器晶片411為一微控制器（MCU）。可選地，該些被動元件412可以為電阻或電容，並與該控制器晶片411電性相連接。
可選地，該控制器晶片411係通過覆晶連接的方式連接至第一基板410表面的焊墊。該些被動元件412係通過表面黏著技術與該第一基板410表面的線路相連接。
該第一基板410上堆疊有一第二基板450。可選地，該第二基板450通過數個導通件（例如，錫球、導電凸塊、銅柱等）與該第一基板410進行電性連接。
該第二基板450中具有一鏤空的區域（例如，由上而下俯視呈現口字形）用於設置該控制器晶片411及該至少一個被動元件412。可選地，該第二基板450內具有數個線路層。
該第二基板450上堆疊有一第三基板460。該第三基板460可具有數個線路層，及數個第二連接墊463設置於該第三基板460的一表面上。可選地，該第三基板460通過數個導通件（例如，錫球、導電凸塊、銅柱等）與該第二基板450進行電性連接。
替代地，第一基板410、該第二基板450及該第三基板460可以通過共晶接合的方式彼此電性相連接。
該第三基板460上堆疊有一第一半導體晶片420，該第一半導體晶片420係通過如上所述的半導體元件的製造方法製造。該第一半導體晶片420堆疊於該第三基板460的一表面上，其中該第一半導體晶片420通過位於該第一半導體晶片420側面的該些第一導電柱421電性連接至該第三基板460上的該些第二連接墊463。
可選地，該第一半導體晶片420通過數個第一導電件422（例如，錫球、導電凸塊、銅柱等）將該第一半導體晶片420的該些第一導電柱421與該些第二連接墊463相導通。
可選地，該第一半導體晶片420可以為一快閃記憶體晶片。該第一半導體晶片420可以通過該控制器晶片411進行控制。
值得注意的是，該第一半導體晶片420具有如圖11所是的相似結構，即該些第一導電柱421因為經過切割呈現非完整的圓柱型（例如，半圓柱型）。
該第一半導體晶片420上堆疊有一第二半導體晶片430，該第二半導體晶片430係通過如上所述的半導體元件的製造方法製造。
該第二半導體晶片430堆疊於該第一半導體晶片420的一表面上，其中該第二半導體晶片430係通過位於該第二半導體晶片430側面的該些第二導電柱431電性連接至該第一半導體晶片420。
可選地，該第二半導體晶片430通過數個第二導電件432（例如，錫球、導電凸塊、銅柱等）將該第二半導體晶片430的該些第二導電柱431與該第一半導體晶片420的該些第一導電柱421相導通，使得該第二半導體晶片430可以通過該控制器晶片411進行控制。
值得注意的是，該第二半導體晶片430同樣具有如圖11所是的相似結構，即該些第二導電柱431因為經過切割呈現非完整的圓柱型（例如，半圓柱型）。
雖然本發明已以較佳實施例揭露，然其並非用以限制本發明，任何熟習此項技藝之人士，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種更動與修飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
S100:半導體元件的製造方法
S101～S104:步驟
100:晶圓
101:主動面
102:背面
103:半導體元件區域
104:切割道區域
105:半導體元件
106:基板
107:金屬層
108:絕緣層
109:通孔
110:導電柱
120:刀具
130:第一導電元件
140:保護膜
150:第二導電元件
200:半導體晶片
203:半導體元件區域
204:切割道殘留區域
210:導電柱
30:半導體封裝件
310:基板
311:控制器晶片
312:被動元件
313:連接墊
320:第一半導體晶片
321:第一導電柱
322:第一導電凸塊
330:第二半導體晶片
331:第二導電柱
332:第二導電凸塊
341:第三導電柱
40:半導體封裝件
410:第一基板
411:控制器晶片
412:被動元件
413:第一連接墊
420:第一半導體晶片
421:第一導電柱
422:第一導電件
430:第二半導體晶片
431:第二導電柱
432:第二導電件
441:第三導電柱
450:第二基板
460:第三基板
463:第二連接墊
W1:刀具寬度
W2:切割道區域寬度
[圖1]：本發明實施例的半導體元件的製造方法的流程示意圖。
[圖2]至[圖10]：本發明實施例的半導體元件的製造方法的結構示意圖。
[圖11]：本發明實施例的半導體元件的製造方法的製造的半導體晶片的俯視結構示意圖。
[圖12]：本發明第一實施例的半導體封裝件的前視結構示意圖。
[圖13]：本發明第二實施例的半導體封裝件的前視結構示意圖。
S100:半導體元件的製造方法
S101~S104:步驟
Claims (8)
- 一種半導體元件的製造方法，包含以下步驟：(a)提供一晶圓，該晶圓包含：一主動面及一背面，該背面相對於該主動面設置；一半導體元件區域及一切割道區域，該切割道區域具有數個導電柱設置於其中，且該些導電柱電性連接至該半導體元件區域中的數個半導體元件，其中該些導電柱未貫穿至該晶圓的該背面，及對該晶圓進行雷射鑽孔，以移除部分的該晶圓的材料，以形成數個通孔，其中該些通孔未貫穿至該晶圓的該背面；及將一導電材料填充至該些通孔中，以形成該些導電柱；(b)使用一刀具對該晶圓進行切割，以切除該切割道區域中的部分該晶圓及部分的該些導電柱，使得切割後的該些導電柱的側面暴露，其中該刀具的寬度小於該切割道區域的寬度；(c)對該晶圓的該背面進行研磨以暴露出該些導電柱；及(d)將該晶圓經由該切割道區域中被切除的該晶圓部分分離成數個半導體晶片，其中該半導體元件區域具有一金屬層延伸至該切割道區域，其中當對該晶圓進行雷射鑽孔時，雷射同時移除部分的該金屬層，使得當該導電材料填充至該些通孔中時，該些導電柱與該金屬層形成電性連接。
- 如請求項1所述的半導體元件的製造方法，其中該些導電柱整體設置在該切割道區域中而未設置在該半導體元件區域。
- 如請求項1所述的半導體元件的製造方法，其中步驟(a)還包含：將數個第一導電元件設置於該些導電柱上。
- 如請求項3所述的半導體元件的製造方法，其中步驟(a)後還包含：設置一保護膜於該晶圓上並包覆該些第一導電元件。
- 如請求項4所述的半導體元件的製造方法，其中步驟(c)還包含：將數個第二導電元件設置於經由研磨從該晶圓的該背面暴露出的該些導電柱上。
- 如請求項5所述的半導體元件的製造方法，其中步驟(d)還包含：移除該保護膜，使得該晶圓經由該切割道區域中被切除的該晶圓部分分離成該些半導體晶片。
- 如請求項1所述的半導體元件的製造方法，其中該切割道區域的寬度為40微米至60微米，該刀具的寬度為20微米至40微米。
- 一種半導體封裝件，包含：一基板，其中該基板設置有一控制器晶片及至少一個被動元件，且該基板具有數個連接墊；通過如請求項1至7之任一項所述的半導體元件的製造方法製造的一第一半導體晶片堆疊於該基板上，其中該第一半導體晶片通過位於該第一半導體晶片側面的該些導電柱電性連接至該些連接墊；及通過如請求項1至7之任一項所述的半導體元件的製造方法製造的一第二半導體晶片堆疊於該第一半導體晶片上，其中該第二半導體晶片通過位於該第二半導體晶片側面的該些導電柱電性連接至位於該第一半導體晶片側面的該些導電柱。
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