TWI509761B - 矽基基板及其製作方法 - Google Patents

Description

矽基基板及其製作方法

本發明是有關於一種矽基基板，且特別是有關於一種具有非對稱結構之矽基基板及其製作方法。

目前，習知矽基基板(silicon based substrate)通常是遵循傳統線路基板之對稱設計準則進行設計製作，因而為對稱(symmetric)結構。也就是說，習知矽基基板之矽基材之相對兩側之堆曡線路結構與介電層材料是大致相同的。

一般在矽基基板應用於電子產品的實際使用過程中，矽基材一側之堆曡線路結構係用於與電子元件電性連接，另一側之堆曡線路結構係用於封裝時與電路板電性連接。隨著電子產品功能日趨多樣化，矽基基板之佈線密度亦趨向高密度化發展。如果按照傳統線路基板之對稱設計準則，不僅矽基材一側用於與電子元件電性連接之堆曡線路結構需要高密度製作，矽基材另一測用於封裝時與電路板電性連接之堆曡線路結構亦需要高密度製作。但是，實際上矽基材另一測用於封裝時與電路板電性連接之堆曡線路結構並不需要如此高的佈線密度，因此，容易造成資源浪費，導致生產成本增加。此外，實際生產中，矽基基材另一測用於封裝時與電路板電性連接之堆曡線路結構，是由封裝廠來製作完成，而目前許多封裝廠的設備和製程尚無法完成過高佈線密度之製作。

有鑑於此，本發明提供一種矽基基板，以實現非對稱(asymmetric)結構，滿足實際使用需求，從而節約成本。

本發明另提供一種矽基基板之製作方法，以實現非對稱結構，滿足實際使用需求，從而節約製作成本。

為達上述優點，本發明提出一種矽基基板，包括矽晶圓、第一線路基板以及第二線路基板。矽晶圓具有第一表面以及與第一表面相對之第二表面，並具有至少一矽穿孔貫通第一表面與第二表面。第一線路基板設置於矽晶圓之第一表面，並由多層第一介電層以及多層第一導電線路層交替疊合而成。第二線路基板設置於矽晶圓之第二表面，並由多層第二介電層以及多層第二導電線路層交替疊合而成。其中，至少一矽穿孔分別電性連接第一線路基板中位於最下層之第一導電線路層與第二線路基板中位於最上層之第二導電線路層，且第一導電線路層之佈線密度大於第二導電線路層之佈線密度。

在本發明之一實施例中，上述之第一線路基板採用晶圓級半導體製程製作完成。

在本發明之一實施例中，上述之矽基基板更包括第一保護層覆蓋第一線路基板，及第二保護層覆蓋第二線路基板。

在本發明之一實施例中，上述之第一線路基板更包括凸塊金屬層(under bump metallization，UBM)形成於第一線路基板之第一開口中，電性連接於第一導電線路層。

在本發明之一實施例中，上述之第一線路基板更包括複數被動元件與第一導電線路層電連接。

為達上述優點，本發明提出一種矽基基板，包括矽晶圓、第一線路基板以及第二線路基板。矽晶圓具有第一表面以及與第一表面相對之第二表面，並具有至少一矽穿孔貫通第一表面與第二表面。第一線路基板設置於矽晶圓之第一表面，並由多層第一介電層以及多層第一導電線路層交替疊合而成。第二線路基板設置於矽晶圓之第二表面，並由多層第二介電層以及多層第二導電線路層交替疊合而成。其中，至少一矽穿孔分別電性連接第一線路基板中位於最下層之第一導電線路層與第二線路基板中位於最上層之第二導電線路層。且這些第一導介電層包括無機材料，這些第二介電層包括有機材料。

在本發明之一實施例中，上述之無機材料包括矽氧化物、矽氮化物或矽基材料。

在本發明之一實施例中，上述之有機材料包括聚亞醯胺或苯環丁烯。

為達上述優點，本發明提出一種矽基基板之製作方法，其首先提供矽晶圓，此矽晶圓具有第一表面以及與第一表面相對之第二表面。然後，採用晶圓級半導體製程於矽晶圓之第一表面形成多層第一介電層以及多層第一導電線路層，這些第一介電層與第一導電線路層交替疊合形成第一線路基板。接著，於矽晶圓中形成至少一矽穿孔貫通第一表面與第二表面，矽穿孔電性連接至第一線路基板中位於最下層之第一導電線路層。之後，於矽晶圓之第二表面形成多層第二介電層以及多層第二導電線路層，這些第二介電層與第二導電線路層交替疊合形成第二線路基板，且第二線路基板中位於最上層之第二導電線路層電性連接於矽穿孔。其中這些第一導電線路層之佈線密度大於這些第二導電線路層之佈線密度。

在本發明之一實施例中，上述之矽基基板之製作方法於形成至少一矽穿孔之前，更包括進行晶圓薄化製程。晶圓薄化製程係首先研磨矽晶圓之第二表面，形成研磨表面，然後蝕刻研磨表面。

在本發明之一實施例中，上述之形成至少一矽穿孔貫通第一表面與第二表面，係首先形成至少一通孔貫通矽晶圓之第一表面與第二表面，且暴露出第一線路基板之部分第一導電線路層。然後，形成絕緣層，以覆蓋矽晶圓之第二表面以及通孔之側壁。之後，形成導電層於絕緣層上及通孔中，以形成多個電連接第一線路基板及第二線路基板之導電通路。

在本發明之一實施例中，上述之第一介電層包括無機材料，且第二介電層包括有機材料。

在本發明之一實施例中，上述之矽基基板之製作方法更包括形成第一保護層，覆蓋第一線路基板。

在本發明之一實施例中，上述之矽基基板之製作方法更包括：形成第一開口於第一線路基板中，以暴露出部分第一導電線路層，以及形成凸塊金屬層於第一開口中，電性連接於第一導電線路層。

在本發明之一實施例中，上述之矽基基板之製作方法更包括形成第二保護層，覆蓋第二線路基板。

在本發明之一實施例中，上述之矽基基板之製作方法更包括形成複數被動元件於第一線路基板中。

本發明之矽基基板及其製作方法，由於位於矽晶圓相對兩側之第一線路基板與第二線路基板之導電線路層之佈線密度不同，或者位於矽晶圓相對兩側之第一線路基板與第二線路基板之介電層材料不同，而具有非對稱結構。此矽基基板可以根據實際使用需求合理安排佈線，使得用於與電子元件電性連接之第一線路基板之第一導電線路層採用晶圓級半導體製程製作，可比用於與電路板電性連接之第二線路基板之第二導電線路層具有較高之佈線密度，並還有助於節約製作成本。此外，第一線路基板採用無機材料製作第一介電層以及第二線路基板採用有機材料製作第二介電層，不僅可以滿足製作不同佈線密度之第一導電線路層與第二導電線路層之需要。

為讓本發明之上述和其他目的、特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。

請參閱圖1A至圖1L，圖1A至圖1L是本發明第一實施例之矽基基板10之製作方法的流程剖面示意圖。

請參閱圖1A，首先，提供矽晶圓100。矽晶圓100具有第一表面102以及與第一表面102相對之第二表面104。

請參閱圖1B，然後，採用晶圓級半導體製程於矽晶圓100之第一表面102形成多層第一介電層112以及多層第一導電線路層114。第一介電層112與第一導電線路層114交替疊合形成第一線路基板110。由於採用晶圓級半導體製程，第一導電線路層114之佈線密度可以達到毫微米級(奈米級)。第一導介電層112包括無機材料。無機材料包括矽氧化物、矽氮化物或矽基材料等，但並不以此為限。

此外，在製作第一線路基板110之過程中，更包括形成複數被動元件(圖未示)於第一線路基板110中。

請參照圖1C，之後，形成第一保護層120，覆蓋第一線路基板110。為了實現第一線路基板110與其他電子元件例如積體電路之凸塊(bump)電性連接，於第一保護層120形成之後，更可包括形成凸塊金屬層(under bump metallization，UBM)115之步驟。在本實施例中，首先，如圖1C所示，形成第一開口122於第一線路基板110中，例如移除部分第一保護層120以及對應之第一介電層112中，以暴露出部分第一導電線路層114。形成第一開口122之方法可採用黃光或蝕刻製程，在此不予詳述。然後，如圖1D所示，在第一開口122中形成凸塊金屬層115，使得凸塊金屬層115位於第一開口122之側壁以及從第一開口122暴露出的部分第一導電線路層114上，並延伸到第一線路基板110外，從而實現與第一導電線路層114之電性連接。凸塊金屬層115之材質可為鈦(Ti)、銅(Cu)、鎳(Ni)、金(Au)或其組合。值得注意的是，形成第一保護層120以及凸塊金屬層115之步驟亦可在後續第二線路基板130製作完成後進行。

接著，於矽晶圓100之第二表面104可選擇性地進行晶圓薄化製程，以將矽晶圓100縮減至適當的厚度。請配合參照圖1D與圖1E，在晶圓薄化製程中，首先，研磨矽晶圓100之第二表面104，以形成研磨表面(圖未示)。研磨矽晶圓100的方法，例如是利用銑削(milling)、磨削(grinding)或研磨(polishing)等方法。然後，蝕刻矽晶圓100之研磨表面，從而獲得經薄化之矽晶圓100’。經薄化之矽晶圓100’具有與第一表面102相對之第二表面104’。

請參照圖1F至圖1I，之後，於矽晶圓100中形成至少一矽穿孔20貫通第一表面102與第二表面104。本實施例中，由於選擇進行了晶圓薄化製程，因此係於薄化之矽晶圓100’中形成矽穿孔20貫通第一表面102與經薄化之第二表面104’。

具體地，形成矽穿孔20貫通第一表面102與第二表面104’之方法，請先參照圖1F，形成通孔22貫通矽晶圓之第一表面102與經薄化之矽晶圓100’之第二表面104’，且暴露出第一線路基板110中位於最下層之部分第一導電線路層114。然後，於矽晶圓100’之第二表面104’形成絕緣層24，以覆蓋經薄化之矽晶圓100’之第二表面104’以及通孔22之側壁。本實施例中，係以先沈積後蝕刻之方式形成絕緣層24，請參照圖1G，先於矽晶圓100’之第二表面104’順應性地化學氣相沈積絕緣材料，覆蓋經薄化之矽晶圓100’之第二表面104’、部分第一導電線路層114以及通孔22之側壁。之後，請參照圖1H，蝕刻移除位於部分第一導電線路層114上的絕緣材料，從而形成絕緣層24。本實施例中，絕緣材料為二氧化矽(SiO₂ )。請參照圖1I，絕緣層24形成之後，再將導電材料填入通孔22中，形成矽穿孔(through silicon via，TSV)20，以使矽穿孔20電性連接至第一線路基板110中位於最下層之第一導電線路層114。本實施例中，為簡化製程，可形成導電層26於絕緣層24上並填入通孔22中，導電層26可作為後續第二線路基板130之第二導電線路層134之一，並可採用電鍍的方法形成，在此不予詳述。在其他實施例中，亦可先形成電鍍種子層(未圖示)於通孔22中，電鍍種子層的材料例如是鈦或銅，再採用電鍍法將導電材料填入通孔中，形成矽穿孔20。

繼之，請參照圖1J，於絕緣層24上形成多層第二介電層132以及多層第二導電線路層134，第二介電層132與第二導電線路層134交替疊合形成第二線路基板130。且第二線路基板130中位於最上層之第二導電線路層134(導電層26)電性連接於矽穿孔20。其中，第二線路基板130之第二導電線路層134之佈線密度為微米級，例如銅線路線距可為3微米，鎳線路線距可為1微米。第二線路基板130之第二導電線路層134之佈線密度小於第一導電線路層114之佈線密度，因此可採用一般的線路製程於封裝階段製作完成。第二介電層132包括無機材料。無機材料包括矽氧化物、矽氮化物或矽基材料等，但並不以此為限。

接著，請參照圖1K，形成第二保護層140，覆蓋第二線路基板120，以保護暴露於第二線路基板130外的第二導電線路層134。第二保護層140例如為綠漆或者防焊漆。之後，在本實施例中，如圖1K所示，形成第二開口142於第二保護層140中，例如移除部分第二保護層140以暴露出部分第二導電線路層134，從而使得第二導電線路層134可實現與電路板的電性連接。形成第二開口142之方法可採用黃光或蝕刻製程，在此不予詳述。此外，為了使第二導電線路層134與電路板有更好的連接，請參照圖1L，還可形成導電層150於第二保護層140上，並填入第二開口142中，以使導電層150電連接於位於最下層之第二導電線路層134。導電層150可採用電鍍或沈積的方法形成，在此不予詳述。導電層150係用以與電路板電性連接。請繼續參照圖1L，即為由上述方法製作完成矽基基板10。具體地，矽基基板10包括矽晶圓100’、第一線路基板110以及第二線路基板130。矽晶圓100’具有貫通第一表面102與第二表面104’之矽穿孔20。第一線路基板110設置於矽晶圓100’之第一表面102，並由多層第一介電層112以及多層第一導電線路層114交替疊合而成。第二線路基板130設置於矽晶圓100’之第二表面104’，並由多層第二介電層132以及多層第二導電線路層134交替疊合而成。矽穿孔20分別電性連接第一線路基板110中位於最下層之第一導電線路層114與第二線路基板130中位於最上層之第二導電線路層134。且第一導電線路層114之佈線密度大於第二導電線路層134之佈線密度。此外，第一介電層112與第二介電層132包括無機材料。

請參照圖2，繪示本發明第二實施例之矽基基板10a。矽基基板10a與矽基基板10結構基本上相似，區別在於第一介電層112包括無機材料，而第二介電層132a包括有機材料。無機材料包括矽氧化物、矽氮化物或矽基材料，有機材料包括聚亞醯胺或苯環丁烯，但並不以此為限。第一導電線路層114之佈線密度與第二導電線路層134之佈線密度可根據介電層之材質需求合理佈設。例如第一導電線路層114之佈線密度可大於或等於第二導電線路層134之佈線密度。

綜上所述，本發明之矽基基板及其製作方法至少具有以下優點：

1.由於位於矽晶圓相對兩側之第一線路基板與第二線路基板之導電線路層之佈線密度不同，或者位於矽晶圓相對兩側之第一線路基板與第二線路基板之介電層材料不同，而具有非對稱結構。

2.矽基基板可以根據實際使用需求合理安排佈線，使得用於與電子元件電性連接之第一線路基板之第一導電線路層採用晶圓級半導體製程製作，可比用於與電路板電性連接之第二線路基板之第二導電線路層具有較高之佈線密度，並還有助於節約製作成本。

3.第一線路基板採用無機材料製作第一介電層以及第二線路基板採用有機材料製作第二介電層，可以滿足製作不同佈線密度之第一導電線路層與第二導電線路層之需要。

雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，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。

10、10a．．．矽基基板

100、100’．．．矽晶圓

102．．．第一表面

104、104’．．．第二表面

110．．．第一線路基板

112．．．第一介電層

114．．．第一導電線路層

115．．．凸塊金屬層

120．．．第一保護層

122．．．第一開口

130．．．第二線路基板

132、132a．．．第二介電層

134．．．第二導電線路層

140．．．第二保護層

142．．．第二開口

150．．．導電層

20．．．矽穿孔

22．．．通孔

24．．．絕緣層

26．．．導電層

圖1A至圖1L繪示為本發明第一實施例之矽基基板之製作方法的流程剖面示意圖

圖2繪示為本發明第二實施例之矽基基板剖面示意圖。

10．．．矽基基板

100’．．．矽晶圓

102．．．第一表面

104’．．．第二表面

110．．．第一線路基板

112．．．第一介電層

114．．．第一導電線路層

115．．．凸塊金屬層

120．．．第一保護層

122．．．第一開口

130．．．第二線路基板

132．．．第二介電層

134．．．第二導電線路層

140．．．第二保護層

150．．．導電層

20．．．矽穿孔

24．．．絕緣層

Claims (13)

1. 一種矽基基板，包括：一矽晶圓，具有一第一表面以及與該第一表面相對之一第二表面，並具有至少一矽穿孔貫通該第一表面與該第二表面；一第一線路基板，設置於該矽晶圓之該第一表面，該第一線路基板包括多層第一介電層以及多層第一導電線路層交替疊合而成；以及一第二線路基板，設置於該矽晶圓之該第二表面，該第二線路基板包括多層第二介電層以及多層第二導電線路層交替疊合而成；其中，該至少一矽穿孔分別電性連接該第一線路基板中位於最下層之該第一導電線路層與該第二線路基板中位於最上層之該第二導電線路層，且該些第一導介電層包括無機材料，該些第二介電層包括有機材料。
2. 如申請專利範圍第1項所述之矽基基板，其中該無機材料包括矽氧化物、矽氮化物或矽基材料。
3. 如申請專利範圍第1項所述之矽基基板，其中該有機材料包括聚亞醯胺或苯環丁烯。
4. 如申請專利範圍第1項所述之矽基基板，其中更包括一第一保護層，覆蓋該第一線路基板，及一第二保護層，覆蓋該第二線路基板。
5. 如申請專利範圍第4項所述之矽基基板，其中該第一線路基板更包括一凸塊金屬層形成於該第一線路基板之一第一開口中，電性連接於該些第一導電線路層。
6. 如申請專利範圍第1項所述之矽基基板，其中該第一線路基板中更包括複數被動元件與該些第一導電線路層電連接。
7. 一種矽基基板之製作方法，包括：提供一矽晶圓，該矽晶圓具有一第一表面以及與該第一表面相對之一第二表面；採用晶圓級半導體製程於該矽晶圓之該第一表面形成多層第一介電層以及多層第一導電線路層，該些第一介電層與該些第一導電線路層交替疊合形成一第一線路基板；於該矽晶圓中形成至少一矽穿孔貫通該第一表面與經薄化之該第二表面，該至少一矽穿孔電性連接至該第一線路基板中位於最下層之該第一導電線路層；以及於該矽晶圓之該第二表面形成多層第二介電層以及多層第二導電線路層，該些第二介電層與該些第二導電線路層交替疊合形成一第二線路基板，該第二線路基板中位於最上層之該第二導電線路層電性連接於該至少一矽穿孔，其中該些第一導電線路層之佈線密度大於該些第二導電線路層之佈線密度，該些第一介電層包括無機材料，且該些第二介電層包括有機材料。
8. 如申請專利範圍第7項所述之矽基基板之製作方法，其中在形成至少一矽穿孔之前，更包括一矽晶圓薄化製程，包括：研磨該矽晶圓之該第二表面，以形成一研磨表面；以及蝕刻該研磨表面。
9. 如申請專利範圍第7項所述之矽基基板之製作方法，其中形成至少一矽穿孔包括： 形成至少一通孔貫通該矽晶圓之該第一表面與該第二表面，且暴露出該第一線路基板之部分該第一導電線路層；形成一絕緣層，以覆蓋該矽晶圓之該第二表面以及該些通孔之側壁；以及形成一導電層於該絕緣層上及該些通孔中，以形成多個電連接該第一線路基板及該第二線路基板之導電通路。
10. 如申請專利範圍第7項所述之矽基基板之製作方法，更包括形成一第一保護層，覆蓋該第一線路基板。
11. 如申請專利範圍第10項所述之矽基基板之製作方法，更包括：形成一第一開口於該第一線路基板中，以暴露出部分該第一導電線路層；以及形成一凸塊金屬層於該第一開口中，電性連接於該第一導電線路層。
12. 如申請專利範圍第7項所述之矽基基板之製作方法，更包括形成一第二保護層，覆蓋該第二線路基板。
13. 如申請專利範圍第7項所述之矽基基板之製作方法，更包括形成複數被動元件於該第一線路基板中。