CN101223633A - 穿过晶片的互连 - Google Patents

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CN101223633A CNA2006800257832A CN200680025783A CN101223633A CN 101223633 A CN101223633 A CN 101223633A CN A2006800257832 A CNA2006800257832 A CN A2006800257832A CN 200680025783 A CN200680025783 A CN 200680025783A CN 101223633 A CN101223633 A CN 101223633A
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Abstract

公开了穿过晶片的互连及其制造方法。该方法以导电晶片(300)开始以通过去除该导电晶片的材料来形成图案化沟槽。图案化沟槽在深度上从晶片的正面延伸到背面，并具有将导电晶片大致分成内部和外部的环形开口，由此导电晶片的内部与外部绝缘并用作穿过晶片的导体(310)。形成介电材料(320)或将其添加到图案化沟槽以机械上支承并电绝缘穿过晶片的导体。可将多个导体形成一阵列。

Description

穿过晶片的互连
本申请要求2005年5月18日提交的第60/682,619号美国临时申请的优先权，其内容通过引用整体结合于此。
本申请还通过引用结合了以下申请的全部内容：
由共同的申请人在与本申请相同的日期提交的名为METHODS FORFABRICATING MICRO-ELECTRO-MECHANICAL DEVICES(代理机构案号03004.02)的国际申请(PCT)；
由共同的申请人在与本申请相同的日期提交的名为MICRO-ELECTRO-MECHANICAL TRANSDUCERS(代理机构案号03004.03)的国际申请(PCT)；
由共同的申请人在与本申请相同的日期提交的名为MICRO-ELECTRO-MECHANICAL TRANSDUCERS(代理机构案号03004.04)的国际申请(PCT)。
技术领域
本发明涉及微电子制造，尤其涉及微电子制造中的穿过晶片的互连。
背景技术
穿过晶片的互连是一种将晶片的正面上的器件(例如，集成电路和诸如传感器、成像器和换能器之类的电子器件)电连接到晶片的背面的结构。与需要芯片外的接线以将正面的器件连接到背面的常规的接合焊盘互连结构不同，穿过晶片的互连利用直接延伸穿过晶片的导体。
高密度阵列的器件非常期望穿过晶片的互连，以节省晶片表面上的空间。十分需要小型化诸如IC之类的电子组件、传感器阵列、换能器阵列和光成像阵列中使用的微电子器件以及像蜂窝电话和PDA的便携设备中使用的模块。小型化不仅导致印刷电路板上组件的覆盖区减小，它还可对器件性能产生积极影响。在将组件封装成芯片尺寸封装(CSP)时可达到最终的小型化。实现芯片尺寸封装的常规的方法包括将IC的接合焊盘布线到球栅阵列构造。对于诸如具有垂直分立组件和层叠平面管芯的某些装置，单独的重布线是不能胜任的。需要不同的技术来实现寻址背面，使得这些装置可被封装成CSP。在这点上，已证明穿过晶片的互连是有效的技术。此外，穿过晶片的互连允许晶片级处理，这导致了同时制造大量封装。该优点限制了可由高度复杂的技术引起的附加的封装成本。它还避免了在晶片表面中或跨越晶片表面延伸的长导线，由此减小不期望的寄生电容和高的互连电阻。
大多数穿过晶片的互连是利用以导电材料填充的穿过晶片的通孔或孔来形成。图1中示出了现有技术的穿过晶片的互连。穿过晶片的互连通过首先形成孔12，然后在孔12的表面上形成种子层14，随后在种子层14上形成金属层16(例如，利用电镀法)来在穿过衬底10的通孔中实现。金属层16用作穿过晶片的导体以将衬底的一侧上的器件或连接器(未示出)连接到另一侧上的器件或连接器。在典型的应用中，器件在衬底10的顶侧。穿过晶片的导体(金属层16)将器件连接到背面的连接器(诸如连接焊盘或连接球)。
以上示出的穿过晶片的互连的制造工艺通常复杂且需要相当先进的技术。该制造工艺还缺少优化设计的自由度。例如，如图1所示的金属层的厚度固有地被现有的电镀技术限制。所得的穿过晶片的互连还缺少物理灵活性。因此，期望引入新的穿过晶片的互连的设计以改进制造工艺以及穿过晶片的互连的性能。
发明内容
本发明公开了一种穿过晶片的互连及其制造方法。与通过在晶片中形成通孔并将导电材料引入通孔(例如，通过电镀、薄膜沉积等)来形成穿过晶片的互连的现有的方法不同，本发明的方法通过以导电晶片(例如，高掺杂硅晶片)开始来采用相反的方法，以由导电晶片的本体材料形成穿过晶片的导体。
本发明的一个方面是一种用于制造微电子结构中的穿过晶片的互连的方法。该方法包括以下步骤：(1)提供具有正面和背面的导电晶片；(2)通过去除导电晶片的材料来形成图案化沟槽，其中图案化沟槽具有环形圆周开口，该开口将导电晶片沿开口大致分成内部和外部，由此导电晶片的内部与外部绝缘并用作穿过晶片的导体。将介电材料添加到或形成于图案化沟槽中以在机械上将各导体和周围的结构连接在一起。
各种形状适用于图案化沟槽。例如，图案化沟槽可在晶片的不同深度的两部分处具有不同的横截面尺寸(诸如直径)。在一个实施例中，穿过晶片的导体具有由图案化沟槽的底部围绕并限定的底部和由所述图案化沟槽的顶部围绕并限定的顶部。穿过晶片的导体的底部的横截面尺寸小于穿过晶片的导体的顶部的横截面尺寸。
穿过晶片的导体可形成于具有两个连续部分的导电层中或具有作为接合在一起的两个单独层的顶层和底层的一个导电晶片中。在另一个实施例中，导电晶片是具有顶部部分和底部部分的掺杂硅晶片，这两部分具有不同的掺杂水平。在较佳的实施例中，图案化沟槽的底部的沟槽开口比顶部宽，由此由图案化沟槽的底部围绕并限定的穿过晶片的导体的底部的横截面尺寸小于由图案化沟槽的顶部围绕并限定的穿过晶片的导体的顶部的横截面尺寸。
在一个实施例中，该方法还具有从正面或背面之一形成所述图案化沟槽的第一部分以及从另一面形成图案化沟槽的第二部分的步骤。可氧化所述图案化沟槽的第一部分以在其上形成停止层，以限定用于形成图案化沟槽的第二部分的停止位置。在图案化沟槽的第一和第二部分中的至少一个中添加或形成介电材料。
在另一个实施例中，在沟槽开口内使所述图案化沟槽的至少一部分进一步精细图案化，具有与未去除的导电晶片材料的线隔行的开口通道。可氧化未去除的导电晶片材料的线以实现添加介电材料的效果。选择地或另外地，可在氧化的未去除的导电晶片材料的线之间添加填充材料。在另一个实施例中，将第一介电材料添加到图案化沟槽的顶部，并将第二介电材料添加到图案化沟槽的底部。
可使未去除的导电晶片材料的线图案化以在导电晶片的内部和外部之间形成构架以连接并支承这两部分。在一个实施例中，完全氧化未去除的导电晶片材料的线的至少一部分，使得所述构架在导电晶片的内部和外部之间是电绝缘的。在另一个实施例中，将填充材料添加到沟槽，然后将未去除的导电晶片材料的线的至少一部分蚀刻掉使得框架在导电晶片的内部和外部之间电绝缘。
该方法可用于形成类似特征的多个图案化沟槽。多个图案化沟槽可并排排列成一阵列，并且相邻的图案化沟槽共享共用沟槽侧，或相邻的图案化沟槽由介于其间的间隔分离。介于其间的间隔可由导电材料占据用于去耦相邻的导体。介于其间的间隔中的导电材料可以是导电晶片的未去除的导电材料。
在所述制造方法的一个实施例中，导电晶片是导电硅晶片，并且所述图案化沟槽可利用半导体制造方法来形成。一种示例性制造方法包括以下步骤：(1)通过从导电硅晶片的正面进行蚀刻来形成图案化沟槽的顶部；(2)在图案化沟槽的顶部的表面上形成氧化物层；(3)去除图案化沟槽的顶部的底部上的氧化物层的至少一部分；(4)通过各向同性硅蚀刻在所述图案化沟槽的顶部的底部处形成扩大的空腔；通过氧化所述扩大空腔的底面来形成用于背面硅蚀刻的停止层；以及(5)通过从导电硅晶片背面蚀刻到停止层来形成图案化沟槽的底部。
本发明的另一方面是一种通过将两导电晶片接合在一起来制造微电子结构中的穿过晶片的互连的方法。该方法包括以下步骤：(1)接合第一导电晶片和第二导电晶片，使得第一导电晶片的底侧接触第二导电晶片的顶侧；(2)通过去除第一导电晶片的材料形成穿过第二导电晶片的顶侧的图案化沟槽的顶部；(3)形成穿过第一导电晶片的背面的图案化沟槽的底部以与顶部连接。图案化沟槽的第一部分和第二部分均具有环形圆周开口，所述开口将所述相应的导电晶片大致分成内部和外部，所述相应的导电晶片的内部与所述相应的导电晶片的外部绝缘，并且将所述第一导电晶片的内部和所述第二导电晶片的内部电连接以用作穿过晶片的导体。
在一个实施例中，在接合第二导电晶片之前，在第一导电晶片的顶侧形成空腔，至少将空腔的底面氧化以在其上形成蚀刻停止层。然后通过蚀刻穿过第一导电晶片的背面至蚀刻停止层来形成图案化沟槽的底部。
第二导电晶片可以是预制造的以包含微电子器件的至少一部分，或允许在将其接合到第一导电晶片后制造微电子器件。对于后者，在接合第二导电晶片后，可在第二导电晶片上制造微电子器件的至少一部分。然后可将金属层沉积在第二导电晶片的顶部并图案化。
在一较佳的实施例中，为了最小化寄生电容，图案化沟槽的底部具有比图案化沟槽的顶部的开口大的沟槽开口，由此由图案化沟槽的底部围绕并限定的穿过晶片的导体的底部的横截面尺寸小于由图案化沟槽的顶部围绕并限定的穿过晶片的导体的顶部。
在另一个较佳的实施例中，在沟槽开口内使所述图案化沟槽的底部进一步精细图案化，具有与未去除的导电晶片材料的线隔行的开口通道。可使未去除的导电晶片材料的线图案化以在导电晶片的内部和外部之间形成构架，以连接和支承这两部分。可在将另一种介电材料添加到沟槽之后完全氧化或蚀刻掉未去除导电晶片材料的线的至少一部分。
本发明的另一个方面是一种穿过晶片的互连，它提供了微电子结构中的晶片的正面和背面上的电触点之间的导电互连。该穿过晶片的互连包括：(1)穿过晶片的正面到达晶片的背面的穿过晶片的导体；(2)至少围绕导体的主体部分的绝缘体；以及(3)围绕穿过晶片的导体和绝缘体的框架。穿过晶片的导体的至少一部分和框架的相应的围绕部分各自具有晶片的本体材料。在一个实施例中，导体的至少一部分和框架的相应的围绕部分具有共用的晶片本体材料。晶片较佳的是导电晶片。
绝缘体可以是添加到通过去除晶片的本体材料在晶片中形成的环形沟槽的介电材料。例如，可在环形沟槽中图案化的所述晶片的未去除的本体材料的线上形成氧化物。选择地或另外，可将填充材料填充到在环形沟槽中图案化的所述晶片的未去除的本体材料的线之间。
在穿过晶片的互连的一个实施例中，框架具有可通过拉伸或压缩具有柔性的锯齿形壁。
本发明的另一个方面是一种穿过晶片的互连组件，具有：(1)排列成阵列的多个导体，每一个导体穿过导电晶片的正面至导电晶片的背面；(2)围绕每一个导体的绝缘体；以及(3)支承多个导体和绝缘体的框架。每一个导体的至少一部分和框架的一部分各自具有导电晶片的本体材料。在一个实施例中，绝缘体布置在各自围绕相应导体的多个环形沟槽中。环形沟槽通过去除导电晶片的本体材料来形成。在一个实施例中，框架具有外部的外围壁和多个导体间的壁；外部的外围壁器件限定了布置多个导体和绝缘体的一个总区域，而多个导体间的壁将总区域分成各自包含一导体以及围绕该导体的绝缘体的相应的部分的多个子区域。框架的所述导体间的壁包括导电材料以用作多个导体之间的去耦导体。
本发明的独特设计允许利用具有可通过拉伸或压缩具有柔性的锯齿形的壁的框架的柔性穿过晶片的互连。
本发明避免了将导体引入晶片来形成穿过晶片的互连的常规的方法。取而代之的是，本发明允许利用导电晶片的本体导电材料来形成穿过晶片的导体。该导体利用可由标准的半导体制造工艺形成的绝缘体来与晶片的其余部分绝缘。该方法对于设计导体的形状以使寄生电容最小化、绝缘体的形状和性质以及整个穿过晶片的互连的形状和机械性质引入了较大的技术自由。当在硅晶片上使用时，例如，该方法可利用半导体制造和微加工来形成各种形状和结构。相反，常规的方法受限于通孔的尺寸和形状以及通过诸如薄膜沉积、氧化或电镀之类的工艺形成的薄膜的厚度。
根据本发明的方法和穿过晶片的互连在较宽的技术范围内适用。这尤其适用于组装和封装微电子器件，诸如在数码照相机中使用的微电子成像器和具有图像能力的无线设备、微加工超声换能器、用于光通信的微镜阵列、光学显示器等。
从以下参考附图详细描述的几个实施例将更清楚上述和其它的特征和优点。
附图说明
图1示出了现有技术的穿过晶片的互连。
图2示出了根据本发明的穿过晶片的互连的示意性横截面图。
图3示出了根据本发明的另一个穿过晶片的互连的的示意性横截面图。
图4A-4C示出了具有多个导体的穿过晶片的互连设计的示意图。
图4D是图4C的变体。
图5A-5C示出了具有多个导体的另一个穿过晶片的互连设计的示意图。
图5D示出图5A-5C中的穿过晶片的互连结构的变型的横截面图。
图6示出根据本发明的柔性穿过晶片的互连结构的仰视图。
图7示出根据本发明的围绕穿过晶片的互连导体的绝缘体的例子。
图8示出根据本发明的经修改的导体的例子。
图9示出根据本发明的经修改的去耦导体的例子。
图10.1-10.5示出第一示例性制造方法的工艺流程。
图10.4A示出第一示例性制造方法的工艺中的选择性步骤。
图10.3B示出在图10.3中所示的步骤处的穿过晶片的互连结构中的示例性沟槽图案设计的仰视图。
图10.3C示出在图10.3中所示的步骤处的穿过晶片的互连结构中的另一个示例性沟槽图案设计的仰视图。
图11.1-11.2示出具有完全被氧化的部分的示例性细硅线。
图12.1-12.7示出第二示例性制造方法的工艺流程。
图13.1-13.8示出第三示例性制造方法的工艺流程。
图14.1-14.6示出第四示例性制造方法的工艺流程。
图14.2A示出第一示例性制造方法的工艺中的选择性步骤。
图14.4B示出在图14.4中所示的步骤处穿过晶片的互连结构的仰视图。
图15.1A-15.8示出第五示例性制造方法的工艺流程。
图15.1B、15.2B和15.3B分别示出在图15.1A、图15.2A和图15.3A中所示的步骤处的穿过晶片的互连的俯视图。
具体实施方式
将连同各附图详细描述根据本发明的穿过晶片的互连，其中相似的部分用相似的附图标记来表示。
在本文中，词“圆形的”和“环形的”仅在最广泛的意义下表示形状具有圈的形式、接近圈的弯曲的形状或基本上类似于环状的布置，而不暗示特定的圆形或任何其它形状，也不暗示圈或环是完全完整的或不断开的。
图2是根据本发明的穿过晶片的互连的示意性横截面图。穿过晶片的互连构建在晶片200中。穿过晶片的互连包括穿过晶片200的正面(顶部)至晶片的背面(底部)的导体210。导体210由绝缘体220围绕，而导体210和绝缘体220都由框架230围绕。根据本发明的穿过晶片的互连的特征在于导体210的一部分和框架230的相应的围绕部分均由晶片200的本体材料构成。正如将在本文所述的制造方法的上下文中更清楚示出的，这意味着如果晶片200由导电材料制成则导体210可直接由晶片200制造。
在本文中，将导电材料定义为具有小于1×104Ω-cm的电阻率的材料。正如在制造方法的描述中所示的，一种用于制造本发明的穿过晶片的互连的特别有用的导电材料是掺杂硅晶片。
因为导体210可从晶片200的正面(顶部)和背面(底部)导电接入，所以利用适当的连接器(未示出)根据本发明的穿过晶片的互连提供在晶片200正面和背面的电触点之间的导电互连。这在较宽的技术范围内具有很多应用。这尤其适用于组装和封装微电子器件，诸如在数码照相机中使用的微电子成像器和具有图像能力的无线设备、微加工超声换能器、用于光通信的微镜阵列、光学显示器等。
例如，可将微电子器件(未示出)直接置于或制造在晶片200的正面(顶部)上，并将其连接到位于晶片200的正面的集成电路(未示出)。然后将集成电路通过电触点(未示出)连接到导体210。导体210自身可连接到晶片200的背面上的另一个电触点(未示出)。原则上，需要或可受益于穿过晶片的互连的任何器件可采用根据本发明的穿过晶片的互连。
与现有技术的穿过晶片的互连的概念不同，在本发明的穿过晶片的互连中的导体210可由导电晶片200的本体材料制成，而不是由引入到晶片中的孔或通孔的外部导电材料制成。绝缘体220可由添加到由晶片200形成的通孔间隔的一种或多种绝缘材料(诸如介电材料)制成。因为其独特的设计，本发明在导体210、绝缘体220和框架230的形状、尺寸、电和机械性能的设计和制造方面给予了高级别的自由度。例如，导体210的尺寸不再限于如现有技术的穿过晶片的互连设计的薄膜沉积或电镀技术。如果需要导体210的总导电率较高，则例如可通过增加导体210的横截面尺寸(厚度)可满足该要求。
正如以下进一步示出的，本发明的上述的基本概念可应用于大量的变体。
图3示出根据本发明的另一个穿过晶片的互连的示意性横截面图。这是图2所示的一般概念的更具体的实施例。现在，导体310具有顶部310A和底部310B。底部310B的横截面尺寸比顶部310A小，因而在背面上的电接触面积较小，由此减小了寄生电容。绝缘体320具有围绕导体310的顶部310A的第一部分320A和围绕导体310的底部310B的第二部分320B。类似地，穿过晶片的互连具有围绕导体310(310A和310B)和绝缘体(320A和320B)的框架330。
应意识到，导体的顶部310A或导体的底部310B中的任一个或顶部310A和底部310B两者可具有晶片300的本体导电材料。相应地，框架330的相应围绕部分也可具有晶片300的相同的本体导电材料。还应意识到，晶片300可以是单一的晶片，或包括在深度上对应于导体的顶部310A的顶部部分300A以及对应于导体的底部310B的底部部分300B。顶部部分300A和底部部分300B可刚好是单个连续晶片(晶片300)的两个不同部分。例如，晶片300可以是掺杂的导电硅晶片，同时顶部部分300A和底部部分300B具有不同的掺杂水平。或者，顶部部分300A和底部部分300B可以是接合起来的两个单独的层以形成组合晶片300。晶片300的两个单独的层(300A和300B)可不利用插入层直接接合起来或利用插入层间接接合。在其中两单独层300A和300B利用夹在它们之间的插入层间接接合起来的构造中，关键是从导体的顶部310A至底部300B的导电性没有断开。
根据本发明的穿过晶片的互连的基本设计可用于制造更复杂的穿过晶片的互连结构。
图4A-4C示出具有多个导体的穿过晶片的互连设计的示意图。图4A示出该设计的俯视图，图4B示出该设计的仰视图，而图4C示出该设计的穿过图4A和4B中的虚线的横截面图。
穿过晶片的互连结构构造在导电晶片400中，并具有各自穿过导电晶片400的正面(顶部)至导电晶片400的背面(底部)的四个导体410、412、414和416的阵列。穿过晶片的互连结构还具有图案化绝缘体，该绝缘体具有顶部420A和底部420B。绝缘体(420A和420B)穿过导电晶片400的正面至导电晶片400的背面。绝缘体围绕每一个导体410、412、414和416。框架430支承导体410、412、414和416以及绝缘体(420A和420B)。类似于图2-3所示的穿过晶片的互连，图4A-4C中的穿过晶片的互连结构的特征在于每一个导体410、412、414和416中的至少一部分以及框架430的至少一部分各自包括导电晶片400的本体材料，使得导体410、412、414和416以及框架430的至少一部分能由导电晶片400直接制造。
导体410、412、414和416用于从晶片400的背面(底部)接入晶片400的正面(顶部)上的器件(未示出)。
仍参考图4A-4C，示出的是导体410、412、414和416各自具有顶部(分别是410A、412A、414A和416A)和底部(分别是410B、412B、414B和416B)。底部410B、412B、414B和416B各自的横截面尺寸小于相应的顶部410A、412A、414A和416A。导体410、412、414和416的顶部(410A、412A、414A和416A)对应于导电晶片400的顶部部分400A中的绝缘体的顶部420A。导体410、412、414和416的底部(410B、412B、414B和416B)对应于导电晶片400的底部部分400B中的绝缘体的底部420B。因此，底部420B的横截面尺寸大于相应的顶部420A。
在图4C中，示出的是两个部分400A和400B属于同一连续的单一晶片400。两部分400A和400B可以是相同的材料，但也可以是具有不同掺杂水平的同一晶片材料。
在图4D中示出了替代的构造，其中顶部410A、412A、414A和416A和底部410B、412B、414B和416B属于接合起来的两个单独的层，即，顶层401A和底层401B，以形成组合晶片400。应意识到，两单独层401A和401B可如图4D所示直接接合起来或通过插入材料(未示出)间接接合。
在晶片400由顶层401A和底层401B制成的情况下，导体的顶部和绝缘体的顶部可在顶层401A中形成，而导体的底部和绝缘体的底部可在底层401B中形成。除在横截面尺寸上的差别外，导体的顶部和导体的底部还可由不同的材料制成。同样绝缘体的顶部和绝缘体的底部也可由不同的材料制成。应意识到可基于本文所示的基本设计进行很多改变和修改。唯一的要求是维持沿晶片400的顶侧和底侧之间的导体410、412、414和416的导电路径。
在图4A-4D和以下的其它附图中，将四个相同的导体的阵列用于说明互连设计。然而，应意识到穿过晶片的互连设计可用于任何数量的器件，器件的任何阵列、穿过晶片的导体的任何阵列或具有不同数量的器件和导体的多个阵列以及可能需要或可受益于穿过晶片的互连的任何其它构造。此外，尽管在所示的例子中导体、绝缘体和框架的横截面为正方形形状，但应意识到这些部件可以是任何几何形状，只要其布置提供了根据本发明的期望的穿过晶片的互连即可。
图5A-5C示出具有多个导体的另一个穿过晶片的互连设计的示意图。图5A示出该设计的俯视图，图5B示出该设计的仰视图，而图5C示出该设计的穿过图5A和图5B中的虚线的横截面图
图5A-5C中的穿过晶片的互连结构类似于图4A-4C中的穿过晶片的互连结构。穿过晶片的互连结构构造在导电晶片500中，并具有各自穿过导电晶片500的正面(顶部)至导电晶片500的背面(底部)的四个导体510、512、514和516的阵列。穿过晶片的互连结构还具有图案化绝缘体组件和框架530，该绝缘体组件具有各自围绕对应的导体510、512、514和516的绝缘体520、522、524和526，而框架530机械地支承导体510、512、514和516以及绝缘体组件(绝缘体520、522、524和526)。类似于图2-3和图4A-4C所示的穿过晶片的互连，图5A-5C中的穿过晶片的互连结构的特征在于每一个导体510、512、514和516中的至少一部分以及框架530的至少一部分各自包括导电晶片500的本体材料，使得导体510、512、514和516以及框架530的至少一部分能由导电晶片500直接制造。
图5A-5C中同样示出的是导体510、512、514和516各自具有顶部(分别是510A、512A、514A和516A)和底部(分别是510B、512B、514B和516B)。底部510B、512B、514B和516B各自的横截面尺寸小于相应的顶部510A、512A、514A和516A。这允许通过穿过晶片的导体的顶部510A、512A、514A和516A的较大的互连接触面积，而不会导致过大的穿过晶片的导体，以免引起诸如高寄生电容之类的不期望的效应。
应意识到，顶部510A、512A、514A和516A和底部510B、512B、514B和516B可属于同一连续单一晶片500的不同部分，或属于接合起来的两个单独的层，以形成组合晶片500。两单独层可直接接合起来或通过插入材料(未示出)间接接合。
与图4A-4C中的穿过晶片的互连结构不同，图5A-5C的穿过晶片的互连，具有略微复杂的框架530。框架530具有外部的外围壁530a和多个导体间的壁530b。外部的外围壁530a限定了布置导体510、512、514和516以及绝缘体520、522、524和526的绝缘体组件的一般区域，而多个导体间的壁530b进一步将该一般区域分成各自包含导体510、512、514和516之一以及围绕导体的绝缘体组件(在该例子中，分别是绝缘体520、522、524和526)的相应的围绕部分的多个子区域。
框架530的导体间的壁530b还可具有导电材料以用作多个导体510、512、514和516之间的去耦导体。导电材料也可以是导电晶片500的本体材料，因此允许由导电晶片500制造去耦导体(框架530的导体间的壁530b)和穿过晶片的导体510、512、514和516。去耦导体可连接到某一电压源(DC或AC)。去耦设计在本文所示的穿过晶片的互连设计中是有用的，因为AC电信号可通过绝缘材料耦合在导体之间。将诸如去耦导体530b之类的导电层或壁置于导体510、512、514和516之间有助于屏蔽这些导体之间的电耦合。
图5D示出图5A-5C中的穿过晶片的互连结构的变体的横截面图。在图5D中，导体间的壁531b低于外部的外围壁530a，并仅跨越晶片500的下部延伸。
对于某些特殊的应用，换能器可能需要连接到柔性的穿过晶片的连接。柔性穿过晶片的连接可通过减薄连接的厚度来实现。然而，以本发明的穿过晶片的互连独特设计，沿穿过晶片的连接的部件(导体、绝缘体和框架)可设计为借助于其形状而不仅仅其厚度的柔性结构。
图6示出了根据本发明的柔性穿过晶片的互连结构的仰视图。图6中的穿过晶片的互连结构类似于图5A-5C。如果从指示的虚线截取横截面图，则它可类似于图5C中所示的横截面图。框架630具有外部外围壁630-1、630-2、630-3和630-4，这些外部外围壁限定了布置导体610、612、614和616(所示的底部610B、612B、614B和616B)和绝缘体620、622、624和626的绝缘体组件的一般区域。框架630具有导体间的壁630-5和630-6，它们进一步将该一般区域分成各自包含导体610、612、614和616之一的多个子区域以及围绕导体的绝缘体组件(在该例子中，分别是绝缘体620、622、624和626)的相应部分。
与图5A-5C中的穿过晶片的互连结构不同，框架630的壁630-2、630-4和630-6由较薄的部分形成，并具有锯齿形状。这些薄且锯齿形状的壁通过拉伸和压缩提供一定程度的柔性。这一柔性在穿过晶片的互连结构用于制造和封装具有可移动部件或受到弯曲的部件的微电子装置时特别有用。
正如在制造方法的描述中将更清楚示出的，以上图4A-4C、图5A-5C和图6中所示的穿过晶片的互连中的一个或多个绝缘体布置在各自围绕一相应导体的环形沟槽中。环形沟槽通过去除导电晶片的本体材料来形成。绝缘体可包括添加到环形沟槽的介电材料。
图7示出根据本发明的围绕穿过晶片的互连导体的绝缘体的例子。绝缘体720布置在形成于晶片上的环形沟槽(未示出)中，并构成与间隔745隔行的晶片的未去除本体材料的线740。在诸如图案化蚀刻法(在以下的制造方法的描述中详细示出)之类的利用图案化材料去除方法形成环形沟槽时形成未去除的本体材料的线740。未去除的本体材料的线740可形成导体(例如，图4A-4C中的导体410和412)之间的支承框架和其围绕框架(例如，图4A-4C中的框架430)。为了保证借助绝缘体720的电绝缘，可将未去除的晶片本体材料的线740氧化。为了进一步保证电绝缘，可完全氧化未去除本体材料的线740的至少一部分，使得由线740形成的支承框架在导体和框架(也可以是导电晶片的一部分，因此是导电的)之间是充分绝缘的。选择地或另外，可添加介电填充材料以填充未去除的本体材料的线740之间的间隔745。
图8示出根据本发明的修改的导体的例子。尽管最初由晶片的本体材料形成，但可将导体进一步修改成部分地与晶片的原始本体材料不同。正如图8中所示，导体810具有顶部810A和底部810B。将底部810B中的原始晶片的本体材料部分从底端810C去除以在未去除的本体材料的线840之间形成间隔845。然后将新材料引入该部分挖空的结构以修改导体810的物理性质。例如，可将线840氧化以形成氧化物，或用新的材料覆盖。另外或选择地，可用另一种材料填充间隔850。
还可对去耦导体(例如，图5A-5C中的530b)进行类似于图8所示的关于穿过晶片的导体的修改。图9示出根据本发明的修改的去耦导体的例子。示例性去耦导体930具有顶部930A和底部930B。将底部910B中的原始晶片的本体材料部分从底端930C去除以在未去除的本体材料的线940之间形成间隔945。然后将新材料引入该部分挖空的结构以修改去耦导体930的物理性质。例如，可将线940氧化以形成氧化物，或用新的材料覆盖。选择地，可用另一种材料填充间隔945。
本文所述的导体可由任何导电材料形成。一个良好的选择是利用半导体晶片(例如，硅、GaAs等)来形成导体。重掺杂半导体晶片可用于提高导电率。正如图4A-4D、图5A-5D以及图6-9中所讨论的，穿过晶片的导体可由两部分形成。顶部用于连接晶片正面上的器件。每一个导体的顶部的形状通常由连接到穿过晶片的互连的器件的尺寸和形状确定。例如，导体的顶部可用作电容式微加工超声换能器(cMUT)的电极之一。导体的底部被设计成在互连的电容和电感之间折衷。电容随着导体的周边的长度增加。较大横截面尺寸(即，较厚)的穿过晶片的导体意味着较大的寄生电容。另一方面，电阻随导体的横截面尺寸减小。找到一种平衡来优化性能。
绝缘体的顶部和绝缘体的底部可由相同或不同的材料制成，并两者都可由任何种类的介质或材料制成，包括但不限于真空、空气、硅、氧化物、氮化物、SOG、TEOS、聚酰亚胺、聚合物、橡胶、PDMS、PMMA、环氧树脂、凝胶以及用于超声换能器的任何填充材料或其组合。然而，为了保证良好的绝缘，有用的组合应得到作为一个整体不导电的绝缘体。当将不同材料的组合用于绝缘体的部分中时，较佳的是至少一种材料是绝缘材料。此外，绝缘的构造应期望地向晶片提供机械强度，使得晶片或器件可在器件制造过程和器件组装和封装期间保存下来。
正如本文所述的制造方法中所示的，可在某一制造步骤中利用处理晶片的研磨或抛光控制穿过晶片的连接至期望的厚度。通常，较厚的穿过晶片的连接对于较简单且更可靠的制造过程或封装处理是较佳的，但通常需要较薄的穿过晶片的连接以改进器件性能。通常需要找到一个折衷。然而，可通过精心设计的制造工艺来至少部分地避免该冲突。例如，可在穿过晶片的连接的制造之前、之后或期间进行晶片减薄。如果晶片的厚度太薄以至于不能在工艺期间处理，则可利用适当的晶片接合技术或适当的粘接层将具有穿过晶片的连接的薄晶片接合或粘接到另一晶片。利用该技术，所得的接合晶片作为一个整体可足够结实以进行处理。
除电性能外，还可考虑穿过晶片的连接的设计中的其它参数以满足连接到穿过晶片的连接的特定器件的特殊需要。例如，对于IR传感器，热导和热容是重要的参数。对于惯性传感器，可将穿过晶片的互连设计成对来自环境的振动耦合不敏感。对于超声换能器，穿过晶片的互连的材料选择和结构构造应用于实现某些超声性能。例如，互连应提供cMUT元件之间的声学去耦，并吸收从换能器泄漏到衬底的声能。本发明的穿过晶片的互连提供可选择很多不同的材料并设计具有不同形状和构造的导体、绝缘体、和去耦导体的灵活性，以实现期望的性能。
穿过晶片的互连的制造方法
各种制造方法可用于形成根据本发明的穿过晶片的连接。穿过晶片的互连的制造可在器件的制造工艺之前或之后进行。此外，穿过晶片的互连的制造可与器件制造集成。
制造方法的选择取决于器件制造和穿过晶片的互连制造两者的材料兼容性和工艺兼容性(例如，工艺过程的热积存、蚀刻选择率、晶片表面的形貌和晶片硬度等)。所使用的工艺方法和材料应在每一个制造步骤中仔细评价，同时考虑诸如处理温度之类的因素以保证兼容性。这在器件和互连的制造被集成时尤其重要。
以下描述的是用于本发明的穿过晶片的互连的某些示例性制造方法。为了说明的目的在这些例子中使用硅晶片。然而，制造方法，包括材料和工艺的选择不限于所示的例子。
所采取的各个步骤应在其预期的目的的上下文中来广泛地解释。例如，短语“添加材料”不表示所添加的材料必需是外部材料。应意识到该材料可由诸如氧化之类的形成新材料的工艺替代地或另外地添加。此外，在以下的工艺流程的例子中未示出减薄工艺。应意识到晶片减薄工艺可在制造工艺之前和或期间进行。
以下描述的某些制造方法示出器件制造和穿过晶片的互连制造的一定程度的集成。然而，应意识到互连制造方法可或可不与器件制造集成。
此外，穿过晶片的互连可通过结合某些步骤或改变本文所述的不同的制造方法的步骤顺序来制造。
(1)制造方法I：
图10.1-10.5示出第一示例性制造方法的工艺流程，图10.4A示出工艺中的选择性步骤。图10.3B示出在图10.3中所示的步骤后的穿过晶片的互连结构的仰视图。在以下的步骤中概述了该工艺流程。
在步骤1(图10.1)，通过硅蚀刻在硅晶片1000上形成图案化顶部沟槽1010以形成穿过晶片的导体的顶部1020和导体间框架1025的顶部。导体间框架1025的例子在图5A-5D中示为导体间的壁530b。然而，应意识到类似的过程可用于制造不具有导体间框架1025的穿过晶片的互连(诸如图4A-4D所示)。
从硅片1000的顶部看，图案化顶部沟槽1010将示出类似于俯视图图4A和图5A所示的环形圆周开口。在本文中，术语“环形”表示开口一般类似于环形，但不暗示任何具体的环形形状，也不暗示该环是完全完整的或不断开的。
正如诸如图4A和图5A之类的示例性俯视图中所示的，环形顶部沟槽1010一般沿该沟槽将硅晶片1000分为内部部分和外部部分，而硅晶片的内部部分将用作正在制造的穿过晶片的互连的穿过晶片的导体。
在步骤2(图10.2)，在顶部沟槽1010上生长热氧化物1030(或LTO、氮化物等)以形成用于下一步骤中的背面硅蚀刻的蚀刻停止层1040。另外或选择地，可将填充材料(未示出)根据需要添加到沟槽1010。填充材料可以是外部材料或通过沟槽1010中的未去除的本体材料的氧化形成。背面硅蚀刻将限定导体的底部的形状。
在步骤3(图10.3)，进行背面硅蚀刻以形成底部沟槽1060。底部沟槽1060的全部的图案限定了穿过晶片的导体1050的底部。在所示的特定的例子中，底部沟槽1060并非完全没有晶片材料。相反，每一个底部沟槽1060在具有与未去除的导电晶片材料的细硅线1065隔行的开口通道(间隙或间隔)1045的沟槽开口内被精细图案化。底部沟槽1060内的精细图案形状、尺寸和间隔不限于任何特定的模型，只要它是空沟槽的性质的有意义的修改或对下以步骤的适当准备。
在步骤4(图10.4)，将细硅线1065的精细图案氧化。任选地(图10.4A)，在细硅线1065之间的开口通道1045可用填充材料1055来填充而不氧化硅线1065。填充材料1055可以是氧化物、PDMS、SOG或用于实现期望的电或机械性质的另一种材料。
在步骤5(图10.5)，如果在以上的步骤4中氧化细硅线1065，任选地，仍可用填充材料1055填充细硅线1065之间的开口通道1045，该填充材料1055可以是氧化物、PDMS、SOG或用于实现期望的电或机械性质的另一种材料。
较佳的是，设计细硅线1065使得细线1065可被氧化，间隔(开口通道1045)可被填充，并且由氧化引起的应力最小化。
在图10.3B和10.3C中示出了图案化细硅线1065的示例性设计，图10.3B和10.3C中示出了在步骤3(图10.3)结束后硅晶片1000的仰视图。图10.3B所示的图案将继续图10.4和10.5所示的步骤。图10.3C中所示的图案将继续图10.4A中所示的步骤。可采用很多其它可能的图案和各种不同厚度的硅线。在制造和封装过程中图案应期望地为晶片提供足够的机械强度。例如，未去除的导电晶片材料的线可在导电晶片内部部分(导体1050)和外部部分(框架1005)之间形成框架以连接并支承这两部分。
较佳地，细硅线1065的至少一部分和精细图案中的细硅线1065中的某些的一部分足够细使得它可被完全氧化以形成导体之间的绝缘。图11.1-11.2示出了具有能被完全氧化部分的示例性细硅线。图11.1示出氧化前的细硅线1100。图11.2示出氧化后的细硅线1100，其中部分1110和1120被完全氧化。
此外，可将图案设计成使氧化过程中形成的应力最小化，并且根据需要易于由具有期望性能的所选材料(例如，LTO、SOG、TEOS、氮化物、聚酰亚胺、聚合物、橡胶、PDMS、PMMA、环氧树脂、凝胶等)填充。最后，可将图案自身设计成具有期望的性质，特别是关于由穿过晶片的互连支承的器件。例如，可将图案设计成实现某些声阻抗，穿过晶片的互连用于支承微加工超声换能器。此外，可将图案化结构设计成在期望的方向是柔性的。
可在氧化步骤(步骤3)之后开始器件制造(例如，cMUT制造)。在该例子中示出的穿过晶片的连接可在器件制造之前或期间执行。
此外，在步骤2(图10.2)之后，可将填充材料(较佳的是绝缘的)添加到顶部沟槽1010。以此过程，顶部沟槽1010内的绝缘材料自身可提供足够的强度以在工艺期间将导体(或晶片)保持得足够坚固。在这种情况下，沟槽1060形状和内部图案不需要被设计成形成框架以支承并连接导体。在图10.3C中示出了一个例子。因此，导体之间的电绝缘可通过简单地将绝缘填充材料添加到沟槽来实现，而不是利用图案化沟槽中的精细图案的氧化。
此外，本例子中的穿过晶片的互连制造方法可通过首先形成底部沟槽1060，然后以顶部沟槽制造1010和介电材料填充(未示出)结束来以相反的顺序进行。
(2)制造方法II：
图12.1-12.7示出第二示例性制造方法的工艺流程。在以下的步骤中概述该工艺流程。
在步骤1(图12.1)，在硅晶片1200上蚀刻顶部沟槽1210。在空腔1210上生长氧化物1220。将氧化物1220图案化使得仅顶部沟槽1210中的氧化物被保持作为后续步骤中的背面硅蚀刻的蚀刻停止层1225。
在步骤2(图12.2)，将第二晶片1230在顶部沟槽1210的顶部接合到硅晶片1200。将晶片1230研磨到期望的厚度用于形成导体的顶部。还可从SOI晶片的硅层取得层1230。
在步骤3(图12.3)，在第二晶片1230上或上方制造器件1235(例如，cMUT)，到达如果稍后需要氧化的话所制造的器件仍允许高温处理的阶段。器件1235由简单的框来表示而没有示出细节和精确的位置。如果没有随后的高温处理步骤，则器件1235的制造可在该步骤中完成。第二晶片1230可用作器件1235的电触点，诸如底电极。
在步骤4(图12.4)，利用背面蚀刻形成图案化底部沟槽1240以限定导体的底部1250。图案化的底部沟槽1240具有与间隙或间隔1245隔行或相互间隔的硅晶片1200的未去除的本体材料的图案化线1265。应意识到诸如图10.3B或10.3C所示的线1265和间隔1245的任何图案可被设计或使用，这取决于期望的工艺和性质。
在步骤5(图12.5)，图案化底部沟槽1240被氧化以形成导体1250之间的绝缘。较佳地，在前面的硅蚀刻步骤(步骤4)中限定的硅线1265的至少一部分被完全氧化。更佳的是，所有的硅线1265均完全被氧化。氧化还可形成于穿过晶片的导体的底部1250上的氧化层1270中以及外部框架1205和导体间的框架1255的底部上。
在步骤4(图12.4)，如果层1230和器件1235可提供足够的强度以使导体(或晶片)能够经受得住工艺，则沟槽1240的形状和图案不必设计成用于这一目的。例如，沟槽1240可被设计成切穿晶片以直接实现导体和框架之间的电绝缘(诸如图10.3C中所示的图案)。因此，形成导体之间的绝缘的氧化步骤(步骤5，图12.5)可能不是必须的。然而，仍可将填充材料根据需要添加到沟槽中的空隙中以完成该工艺。
在步骤6(图12.6)，利用具有期望性质的材料1260填充图案化底部沟槽1240中的间隙或间隔1245。在穿过晶片的导体的底部1250的底面上的氧化物1270上开出通孔以接入导体。此后，沉积并图案化具有期望性质的金属层1280。如果导体之间的空隙此后不会被重新填充，则硬掩模可用于在穿过晶片的互连的背面上形成金属图案。
在步骤7(图12.7)，完成了正面上的器件1235的制造。导体的顶部1252进一步由硅蚀刻来限定。
应意识到，在本方法以及本文所述的其它方法中，某些步骤(诸如氧化和添加填充材料)是可选的。这不限于在描述中特别指出作为可选的步骤。
(3)制造方法III：
图13.1-13.8示出第三示例性制造方法的工艺流程。除使用不同的技术来限定用于背面硅蚀刻(限定导体的底部)的蚀刻停止层外，该工艺类似于以上的第二方法。在以下的步骤中概述工艺流程。
在步骤1(图13.1)，在硅晶片1300上蚀刻顶部沟槽1310。在顶部沟槽1310上生长氧化物1320。然后去除顶部沟槽1310的底部1322处的氧化物。
在步骤2(图13.2)，进行各向同性硅蚀刻以形成空腔1324。将由各向同性硅蚀刻形成的空腔1324的表面氧化以形成用于背面硅蚀刻的停止层1325。在该步骤中，沟槽1310可根据需要用填充材料(未示出)来填充。
在步骤3(图13.3)，在晶片1300上或上方制造器件1330(例如，cMUT)，到达如果稍后需要氧化的话所制造的器件仍允许高温处理的阶段。如果没有随后的高温处理步骤，则器件1330的制造可在该步骤中完成。
从步骤4至步骤8的过程(图13.4-13.8)类似于在制造方法II中描述的从步骤4(图12.4)至步骤7(图12.7)的过程。在这些附图中，图案化底部沟槽1340、硅晶片1300的未去除的本体材料的图案化线1365、间隔1345、穿过晶片的导体的底部1350、导体间框架1355、填充材料1360、氧化层1370、金属层1380以及导体的顶部1352类似于在制造方法II中其等价物。
再次意识到，在本方法以及本文所述的其它方法中，某些步骤是可选的。
(4)制造方法IV：
图14.1-14.7示出了第四示例性制造方法的工艺流程。在以下的步骤中概述该工艺流程。
在步骤1(图14.1)，首先在硅晶片1400上进行与以上图12.1、图12.2和图12.3所示的制造方法II的第一至第三步骤中所述的相同的工艺。在这些步骤中形成顶部沟槽1420和背面蚀刻停止层1425。在此阶段还可完成器件1490的制造过程。
在步骤2(图14.2)，利用背面蚀刻来形成图案化底部沟槽1440以限定穿过晶片的导体的底部1450。图案化底部沟槽1440具有与间隙或间隔1445隔行或互相间隔的硅晶片1400的未去除本体材料的图案化线1465。应意识到，可取决于期望的工艺和性能设计并使用线1465和间隔1445的任何图案。在此步骤中，还可根据需要形成用作去耦导体的导体间的框架1455。
此外，在步骤2中，还可在框架1405、导体间框架1455以及穿过晶片的导体的底部1450上进行背面蚀刻，以进一步修改导体的结构和性质。该技术可用于实现对于利用穿过晶片的互连技术制造和封装的特定类型的器件的某些期望的效果。例如，可蚀刻特殊的图案，可添加材料并在蚀刻的图案中进行氧化，以便在器件是微加工超声换能器(MUT)时实现特殊的声学性质。
所示的额外的背面蚀刻和晶片修改的例子在图14.2A中示出，图14.2A是步骤2中的图14.2的横截面图的替换，但具有附加的蚀刻。应意识到该额外的制造步骤可以类型的方式结合到其它制造方法中。
在步骤3(图14.3)，利用具有期望性质的材料1460填充图案化底部沟槽1440中的间隙或空间1445。
在步骤4(图14.4)，将底部沟槽1440中硅图案的全部或部分蚀刻，以形成导体1450和导电框架(1405和1455)之间的隔离。例如，先前未去除的硅线1465的至少一部分现在可被去除以形成空隙(间隔)1466。正如在步骤2中所讨论的，如果在前面的步骤中(例如，步骤2)还没有进行以下的蚀刻，则在此步骤中，还可将穿过晶片的导体的底部1450和导电框架(外部框架1405和导体间框架1455)蚀刻成期望的图案。
图14.4B是在步骤4后的仰视图。
在步骤5(图14.5)，利用具有期望性质的一种或多种材料1467填充在步骤4由硅蚀刻形成的空隙1466。该步骤是可选的。然后在穿过晶片的导体和导电框架的底面上沉积并图案化金属层1480。
在步骤6(图14.6)，在晶片表面上完成器件制造，并且穿过晶片的导体的顶部1452进一步由从晶片的顶侧开始的蚀刻限定。
与方法1-3相比，制造方法4不使用用于在导体和导电框架之间形成绝缘的热氧化的高温工艺。取而代之的是，导体间的硅图案的全部或部分被蚀刻，以获得它们之间的绝缘(参见步骤4)。由于该原因，具有期望性质的至少一种材料应用于填充由背面硅蚀刻形成的硅图案内的间隙或空间，该背面硅蚀刻还限定了穿过晶片的导体的底部。相反，在制造方法1-3中填充氧化物图案内的间隙的步骤是完全可选的。
以上的制造方法iV还可与制造方法I-III结合，使得除顶部沟槽1420和背面蚀刻停止层1425不同地形成外，所得的方法基本上与制造方法IV相类似。
正如本文所述的其它制造方法，可根据需要进行晶片减薄。如果导体间的空隙未被填充，则硬掩模可用于在穿过晶片的互连的背面上形成金属图案。
(5)制造方法V：
图15.1-15.8示出第五示例性制造方法的工艺流程。图15.1B、15.2B和15.3B示出在相应的步骤中穿过晶片的互连的俯视图。在以下的步骤中概述了工艺流程。
在步骤1(图15.1A和图15.1B)，从晶片1500的正面的进行深硅蚀刻至期望的厚度以形成具有硅图案1512的深沟1511，它可被氧化以形成导体间的绝缘。蚀刻可根据需要穿过整个晶片1500。可根据需要首先蚀刻硅表面上的凹槽1513。图15.1A是该结构的横截面图，而图15.1B是其俯视图。这里所示的示例性硅图案被设计成使结构中的氧化物体积和热应力效应最小化。可采用其它图案，只要它们可被氧化并在完成制造后形成导体间的绝缘即可。
在步骤2(图15.2A和图15.2B)，将在前面的步骤中形成的硅图案1512氧化以形成氧化物结构1514。图15.2A是该结构的横截面图，而图15.2B是其俯视图。
在步骤3(图15.3A和图15.3B)，形成图案化环形深沟槽1541。图15.3A是该结构的横截面图，而图15.3B是其俯视图。环形深沟槽1541具有未去除的硅线1543和空的间隔(空隙)1542，它们一起形成框架1505和导体1550之间的构架。环形深沟槽1541将绝缘导体并限定导体的底部。可生长薄的氧化物以形成用于后面的工艺的停止层。
在步骤4(图15.4)，将最初的晶片1551在凹槽1513上接合到图案化晶片1500，并将其研磨和抛光至期望的厚度。层1551还可通过与SOI晶片接合来获得。
在步骤5(图15.5)，图案化并蚀刻最初的晶片1551以形成导体的顶部1552。步骤5是可选的。
在步骤6(图15.6)，制造器件1535。可进行蚀刻过程以限定导体的顶部。
在步骤7(图15.7)，将晶片1500研磨(或者根据需要抛光)或蚀刻以从晶片的背面到达环形深沟槽1541的底部。如果在前面的步骤中蚀刻停止层形成于环形深沟槽1541的底部，则背面蚀刻在蚀刻停止层处停止。
在步骤8(图15.8)，可根据需要用期望的材料1560填充硅图案中的空隙1545。然后在晶片的背面沉积并图案化金属层1580。
如果穿过晶片的互连用于cMUT，则穿过晶片的导体的顶部1552可用作cMUT的衬底以及底电极。如果导体间的空隙未被重新填充，则硬掩模可用于在穿过晶片的互连的背面上形成金属图案。
本发明的穿过晶片的互连具有广泛的应用范围。一般而言，它可用于诸如IC、传感器阵列、换能器阵列以及光成像器阵列中使用的微电子器件、以及在类似于蜂窝电话和PDA的便携设备中使用的模块之类的电子组件的最小化。本发明的应用有助于避免在晶片表面中或横跨晶片表面连接的长导线，由此减小所不期望的寄生电容和高的互连电阻。本发明因此促进了达到组件的芯片尺寸封装(CSP)的最终的最小化的实现。这可潜在地导致更有效的制造工艺、印刷电路板上组件的覆盖区减小、较大的填充因数，并且还可提高器件性能。具体地，本发明的设计可用于具有垂直分立组件和层叠的平面管芯的器件，对于这些器件常规的改线方法是不能胜任的。本发明的穿过晶片的互连制造方法允许晶片级处理，这导致大量封装的同时制造。
穿过晶片的互连的一种示例性构想应用是在微机械智能传感器和执行器系统中，包括但不限于数码相机和蜂窝电话中使用的光成像器、微加工超声换能器(诸如cMUT、pMUT和mMUT之类的MUTs)以及微镜阵列。这些系统通常被实现为多晶片器件，其中机械功能分布在不同的晶片上并且晶片之一专用于包含读出电路。各个处理的晶片可利用晶片-晶片接合来组装并可利用本发明的穿过晶片的互连结合成一个单个功能机电单元，只要涉及的工艺遵守由有源电气和微机械系统的适当操作施加的限制即可。
具体地，根据本发明的穿过晶片的互连技术可用于制造和封装在名为“METHODS FOR FABRICATING MICRO-ELECTRO-MECHANICAL DEVICES”代理机构案号为03004.02；名为“MICRO-ELECTRO-MECHANICALTRANSDUCERS”代理机构案号为03004.03以及名为“MICRO-ELECTRO-MECHANICAL TRANSDUCERS”代理机构案号为03004.04的国际专利申请(PCT)中公开的新颖MUT(尤其是cMUT)，这些专利申请都由共同的申请人在同一日期提交。这些专利申请通过引用整体结合于此。
在以上的说明中，参考其特定的实施例描述了本发明公开的内容，但本领域的技术人员将意识到本发明公开的内容不限于此。上述发明内容中的各个特征和方面可单独或结合地使用。此外，本发明内容可在除本文描述以外的很多种环境和应用中使用，而不背离说明书的较宽的精神和范围。我们要求专利保护落入所附权利要求的范围和精神内的所有这样的修改和变化。因此，应将说明书和附图视为说明性的而不是限制性的。应意识到如本文所使用的术语“包括”、“包含”和“具有”明确地确定为开放式技术术语。

Claims (64)

1.一种用于制造微电子结构中的穿过晶片的互连的方法，所述方法包括以下步骤：
提供具有正面和背面的导电晶片；
通过去除所述导电晶片的材料来在所述导电晶片中形成图案化沟槽，其中所述图案化沟槽具有环形圆周开口，所述开口将所述导电晶片沿所述开口大致分成内部和外部，由此所述导电晶片的内部与所述外部绝缘并用作穿过晶片的导体；以及
向所述图案化沟槽添加填充材料。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述填充材料被添加到所述图案化沟槽以用作所述内部和所述外部之间的机械支承。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述填充材料是用于将所述内部与所述外部电绝缘的介电材料。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述图案化沟槽包括具有第一横截面尺寸的第一沟槽部分和具有与所述第一横截面尺寸不同的第二横截面尺寸的第二沟槽部分。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述穿过晶片的导体具有由所述图案化沟槽的第一部分围绕并限定的第一部分和由所述图案化沟槽的第二部分围绕并限定的第二部分，所述穿过晶片的导体的第二部分的横截面尺寸小于所述穿过晶片的导体的第一部分的横截面尺寸。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述导电晶片具有顶层和底层，所述顶层和底层是接合在一起的两个单独的层。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述导电晶片的所述两单独的层在没有插入的材料层的情况下直接接合在一起。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述导电晶片是掺杂硅晶片。
9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述导电晶片是具有顶部部分和底部部分的掺杂硅晶片，所述两部分具有不同的掺杂水平。
10.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述形成所述图案化沟槽的步骤包括以下步骤：
从所述正面和所述背面之一形成所述图案化沟槽的第一部分；以及
从另一面形成所述图案化沟槽的第二部分。
11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述形成所述图案化沟槽的步骤还包括氧化所述图案化沟槽的第一部分以在所述第一部分的底部上形成停止层以限定一停止位置，并且其中所述形成所述图案化沟槽的第二部分的步骤在所述图案化沟槽的第二部分到达所述停止位置时停止。
12.如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述形成所述图案化沟槽的步骤还包括在所述图案化沟槽的第一和第二部分中的至少一个中添加介电材料。
13.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在沟槽开口内使所述图案化沟槽的至少一部分进一步精细图案化，所述沟槽开口具有与未去除的导电晶片材料的线隔行的开口通道。
14.如权利要求13所述的方法，其特征在于，还包括在所述未去除的导电晶片材料的线之间添加填充材料。
15.如权利要求13所述的方法，其特征在于，还包括氧化所述未去除的导电晶片材料的线。
16.如权利要求15所述的方法，其特征在于，还包括在所述氧化的未去除的导电晶片材料的线之间添加填充材料。
17.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述形成所述图案化沟槽的步骤包括形成类似特性的多个图案化沟槽。
18.如权利要求17所述的方法，其特征在于，将所述多个图案化沟槽并排排列成一阵列，并且相邻的图案化沟槽共享共用沟槽侧。
19.如权利要求17所述的方法，其特征在于，将所述多个图案化沟槽并排排列成一阵列，并且相邻的图案化沟槽由介于其间的间隔分离。
20.如权利要求19所述的方法，其特征在于，所述介于其间的间隔由导电材料占据用于对相邻的导体去耦。
21.如权利要求20所述的方法，其特征在于，所述介于其间的间隔中的导电材料包括所述导电晶片的未去除的导电材料。
22.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述导电晶片是导电硅晶片，并且形成图案化沟槽的步骤包括：
通过从所述导电硅晶片的正面和背面之一进行蚀刻来形成所述图案化沟槽的第一部分；
在所述图案化沟槽的第一部分的表面上形成氧化物层；
去除所述图案化沟槽的第一部分的底部上的所述氧化物层的至少一部分；
通过各向同性硅蚀刻在所述图案化沟槽的第一部分的底部处形成扩大的空腔；
通过氧化所述扩大空腔的底部表面来形成停止层；以及
通过从所述导电硅晶片的另一侧进行蚀刻以到达所述停止层来形成所述图案化沟槽的第二部分。
23.一种用于制造微电子结构中的穿过晶片的互连的方法，所述方法包括以下步骤：
提供具有正面和背面的导电晶片；
通过去除所述导电晶片的材料来在所述导电晶片中形成图案化沟槽，
其中
(a)所述图案化沟槽具有环形圆周开口，所述开口将所述导电晶片沿所述开口大致分成内部和外部，由此所述导电晶片的内部与所述外部绝缘并用作穿过晶片的导体；
(b)在沟槽开口内使所述图案化沟槽的至少一部分进一步精细图案化，所述沟槽开口具有与未去除的导电晶片材料的线隔行的开口通道。
24.如权利要求23所述的方法，其特征在于，所述未去除的导电晶片材料的线构成所述导电晶片的所述内部和所述外部之间的构架，以连接和支承所述两部分。
25.如权利要求24所述的方法，其特征在于，还包括完全氧化所述未去除的导电晶片材料的线的至少一部分，使得所述构架在所述导电晶片的所述内部和所述外部之间是电绝缘的。
26.如权利要求23所述的方法，其特征在于，还包括氧化所述未去除的导电晶片材料的线。
27.如权利要求26所述的方法，其特征在于，还包括在所述氧化的未去除的导电晶片材料的线之间添加填充材料。
28.如权利要求23所述的方法，其特征在于，还包括在所述未去除的导电晶片材料的线之间添加填充材料。
29.如权利要求28所述的方法，其特征在于，还包括蚀刻所述未去除的导电晶片材料的线的至少一部分。
30.如权利要求29所述的方法，其特征在于，还包括在通过去除未去除的晶片材料的线形成的空隙内添加另一种填充材料。
31.如权利要求23所述的方法，其特征在于，还包括以下步骤：
将第一介电材料添加到所述图案化沟槽的顶部；以及
将第二介电材料添加到所述图案化沟槽的底部。
32.如权利要求23所述的方法，其特征在于，所述形成图案化沟槽的步骤包括以下步骤：
从正面形成蚀刻停止层；
通过从所述背面蚀刻至所述蚀刻停止层来形成所述图案化沟槽。
33.如权利要求23所述的方法，其特征在于，所述形成图案化沟槽的步骤包括通过从所述导电晶片的正面进行深硅蚀刻来形成所述图案化沟槽。
34.如权利要求23所述的方法，其特征在于，还包括以下步骤：
将顶部导电晶片接合到所述导电晶片的正面；以及
通过去除所述顶部导电晶片的材料来在所述顶部导电晶片中形成顶部图案化沟槽，
其中
(a)所述顶部图案化沟槽具有环形圆周开口，所述开口将所述顶部导电晶片沿所述开口大致分成内部和外部，由此所述导电晶片的内部与所述外部绝缘并用作顶部穿过晶片的导体；
(b)将所述顶部穿过晶片的导体和所述穿过晶片的导体电连接以形成组合的穿过晶片的导体。
35.如权利要求34所述的方法，其特征在于，所述顶部穿过晶片的导体的横截面尺寸显著大于所述穿过晶片的导体的横截面尺寸。
36.如权利要求34所述的方法，其特征在于，还包括以下步骤：
在形成所述顶部图案化沟槽之前，在所述顶部导电晶片上或上面至少部分地形成一器件。
37.一种用于制造微电子结构中的穿过晶片的互连的方法，所述方法包括以下步骤：
接合第一导电晶片和第二导电晶片，使得所述第一导电晶片的底侧接触所述第二导电晶片的顶侧；
形成穿过所述第一导电晶片的顶侧的图案化沟槽的第一部分；以及
形成穿过所述第二导电晶片的背面的所述图案化沟槽的第二部分，
其中所述图案化沟槽的第一部分和第二部分具有环形圆周开口，所述开口将所述相应的导电晶片大致分成内部和外部，所述相应的导电晶片的内部与所述相应的导电晶片的外部绝缘，并且将所述第一导电晶片的内部和所述第二导电晶片的内部电连接以用作穿过晶片的导体。
38.如权利要求37所述的方法，其特征在于，所述第一导电晶片和所述第二导电晶片在其间没有插入层的情况下直接接合在一起。
39.如权利要求37所述的方法，其特征在于，还包括以下步骤：
在接合所述第一和第二导电晶片之前，在所述第二导电晶片的顶侧上形成空腔，并至少氧化所述空腔的底面以在其上形成一蚀刻停止层，其中形成所述图案化沟槽的底部的步骤包括蚀刻穿过第二导电晶片的背面至所述蚀刻停止层。
40.如权利要求37所述的方法，其特征在于，还包括以下步骤：
在接合所述第一和所述第二导电晶片后，在所述第一和第二导电晶片之一上制造微电子器件的至少一部分。
41.如权利要求37所述的方法，其特征在于，所述图案化沟槽的第二部分具有比所述图案化沟槽的第一部分的开口大的沟槽开口，由此所述穿过晶片的导体中由所述图案化沟槽的第二部分围绕并限定的第二部分的横截面尺寸小于所述穿过晶片的导体中由所述图案化沟槽的第二部分围绕并限定的第一部分的横截面尺寸。
42.如权利要求37所述的方法，其特征在于，所述第一和第二导电晶片中的至少一个或者被预制造为包含微电子器件的至少一部分，或者允许在将其接合到另一个导电晶片后在其上制造微电子器件。
43.如权利要求37所述的方法，其特征在于，在沟槽开口内使所述图案化沟槽的第二部分进一步精细图案化，所述沟槽开口具有与未去除的导电晶片材料的线隔行的开口通道。
44.如权利要求43所述的方法，其特征在于，所述未去除的导电晶片材料的线构成所述导电晶片的所述内部和所述外部之间的构架，以连接和支承所述两部分。
45.如权利要求44所述的方法，其特征在于，还包括以下步骤：
完全氧化所述未去除的导电晶片材料的线的至少一部分，使得所述构架在所述导电晶片的所述内部和所述外部之间是电绝缘的。
46.一种穿过晶片的互连，它提供了微电子结构中的晶片的正面和背面上的电触点之间的导电互连，所述穿过晶片的互连包括：
穿过所述晶片的正面到达所述晶片的背面的穿过晶片的导体；
至少围绕所述导体的主体部分的绝缘体；以及
围绕所述穿过晶片的导体和所述绝缘体的框架，
其中所述穿过晶片的导体的至少一部分和所述框架的相应的围绕部分包括所述晶片的本体材料。
47.如权利要求46所述的穿过晶片的互连，其特征在于，所述晶片是导电晶片。
48.如权利要求46所述的穿过晶片的互连，其特征在于，所述穿过晶片的导体包括顶部和底部，所述顶部和所述底部在横截面尺寸和材料性质的至少一方面彼此不同。
49.如权利要求46所述的穿过晶片的互连，其特征在于，所述绝缘体包括顶部和底部，所述顶部和所述底部在横截面尺寸和材料性质的至少一方面彼此不同。
50.如权利要求46所述的穿过晶片的互连，其特征在于，所述晶片包括接合在一起的顶层和底层。
51.如权利要求46所述的穿过晶片的互连，其特征在于，所述绝缘体包括添加到通过去除所述晶片的本体材料在所述晶片中形成的环形沟槽的介电材料。
52.如权利要求46所述的穿过晶片的互连，其特征在于，所述绝缘体包括在环形沟槽中图案化的所述晶片的未去除的本体材料的线。
53.如权利要求52所述的穿过晶片的互连，其特征在于，所述晶片的未去除的本体材料的线形成所述导体和所述框架之间的支承构架。
54.如权利要求52所述的穿过晶片的互连，其特征在于，还包括填充在所述环形沟槽中图案化的所述晶片的未去除的本体材料的线之间的填充材料。
55.如权利要求52所述的穿过晶片的互连，其特征在于，所述未去除的本体材料的线的至少一部分被氧化。
56.如权利要求52所述的穿过晶片的互连，其特征在于，所述晶片的未去除的本体材料的线的至少一部分被完全氧化。
57.如权利要求46所述的穿过晶片的互连，其特征在于，所述绝缘体包括填充在沟槽中的填充材料。
58.如权利要求46所述的穿过晶片的互连，其特征在于，所述框架包括可通过拉伸或压缩具有柔性的锯齿形壁。
59.一种穿过晶片的互连组件，包括：
排列成阵列的多个导体，每一个导体穿过导电晶片的正面至晶片的背面；
围绕每一个导体的绝缘体；以及
支承所述多个导体和所述绝缘体的框架，其中每一个导体的至少一部分和所述框架的一部分均包括所述晶片的本体材料。
60.如权利要求59所述的穿过晶片的互连，其特征在于，所述绝缘体布置在各自围绕相应导体的多个环形沟槽中，所述环形沟槽通过去除所述晶片的本体材料来形成。
61.如权利要求59所述的穿过晶片的互连，其特征在于，所述框架具有外部的外围壁和多个导体间的壁，所述外部的外围壁限定了布置有所述多个导体和所述绝缘体的一个总区域，而所述多个导体间的壁将所述总区域分成各自包含所述导体之一以及围绕所述导体的所述绝缘体的相应的部分的多个子区域。
62.如权利要求61所述的穿过晶片的互连，其特征在于，所述框架的所述导体间的壁包括导电材料以用作所述多个导体之间的去耦导体。
63.如权利要求62所述的穿过晶片的互连，其特征在于，所述导电材料是所述层的本体材料。
64.如权利要求59所述的穿过晶片的互连，其特征在于，所述框架包括可通过拉伸或压缩具有柔性的锯齿形壁。
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