CN101253624A - 电屏蔽的穿通晶片互连 - Google Patents

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Abstract

一种穿通晶片互连，其允许为检测器芯片使用有成本效率的衬底。根据本发明的示范性实施例，可以提供应用在检验设备中的检测元件，包括具有灵敏区的晶片和同轴的穿通晶片互连结构。这样可以通过提供有效屏蔽来降低互连的敏感度。

Description

电屏蔽的穿通晶片互连
本发明涉及半导体物理学领域。具体而言，本发明涉及电屏蔽的穿通晶片互连，涉及应用在检验设备中的检测元件，涉及检验设备，并涉及制造电屏蔽的穿通晶片互连的方法。
对于大检测器而言，计算机X线断层摄影应用(CT应用)的当今的趋势，仅仅可能通过提供了沿各个方向平铺设置(tile)许多检测器芯片的可能性的技术来实现。为了允许例如互补金属氧化物半导体(CMOS)等的有成本效益的衬底的使用，可以用过孔将信号从晶片的一侧传送到另一侧。不过，如果例如用于计算机X线断层摄影应用的检测器芯片等的芯片包括许多必须连接到外界的低噪声高灵敏度输入/输出，那么连接信号常常易受噪声干扰。此外，高频输入/输出易受外部干扰和寄生现象的影响。
希望能有改善的穿过晶片的信号传送。
根据本发明的示范性实施例，可以提供一种电屏蔽的穿通晶片互连(TWI)，包括：晶片；第一穿通晶片互连结构以及第二穿通晶片互连结构，其中所述第二穿通晶片互连结构围绕所述第一穿通晶片互连结构同轴设置。
于是，根据本发明的该示范性实施例，通过以同轴连接形式设置第二穿通晶片互连结构形式的屏蔽结构，可以减小第一穿通晶片互连结构对外部部件和/或内部部件的敏感度。
穿通晶片互连(TWI)技术可以利用从CMOS前侧(或其他工艺)到后侧上的凸块球的互连来允许芯片(尤其是CMOS芯片/CMOS成像器)的3D互连。这种选择避免在芯片的侧上设置连接焊盘，这种连接焊盘妨碍这些芯片在所有侧面彼此直接相邻地(例如对成像器而言以相同的像素节距)设置，而这种设置在例如计算机X线断层摄影中对于大面积检测器而言非常重要。使用这种TWI技术还允许对不同芯片进行3D模块设计，这使得该技术对所有半导体应用而言都有吸引力。
TWI的可能实施方式是在原始CMOS晶片上从上侧蚀刻特定几何结构的沟槽。可以用掺杂多晶硅或任何其他的导电材料填充这些沟槽。在顶部上实施CMOS工艺。一旦完成，通过减薄从背侧打开TWI。最后一步是背侧金属化和触点(即凸块)的设置。其他TWI方法也可以受益于本发明。
根据本发明的另一示范性实施例，所述晶片包括具有第一金属区的互补金属氧化物半导体结构，其中所述第一穿通晶片互连结构连接到所述互补金属氧化物半导体结构(CMOS结构)的所述第一金属区。
因此，所述第一穿通晶片互连结构可以适用于穿过晶片从或向CMOS的金属区传送信号，而同时被第二穿通晶片互连结构电屏蔽。
根据本发明另一示范性实施例，所述第二穿通晶片互连结构连接到所述CMOS结构的第二金属区，其中所述第一穿通晶片互连结构具有第一深度，而其中所述第二穿通晶片互连结构具有小于所述第一深度的第二深度。
因此，第二穿通晶片互连结构可以不穿通整个晶片，而可以仅达到特定深度。因此，第二穿通晶片互连结构可以掩埋在晶片内部，而第一穿通晶片互连结构可以穿过晶片达到晶片的背侧。
根据本发明的另一示范性实施例，第二穿通晶片互连结构为封闭结构。
通过封闭同轴地围绕第一互连结构的用于屏蔽的第二互连结构，可以提供对外部干扰的改善的防护。
根据本发明的另一示范性实施例，该穿通晶片互连还包括围绕所述第一穿通晶片互连结构同轴设置的第三穿通晶片互连结构，其中所述第二穿通晶片互连结构和第三穿通晶片互连结构中的一个连接到第一电位，该第一电位可以是地电位。
根据本发明的另一示范性实施例，所述第二穿通晶片互连结构和所述第三穿通晶片互连结构中的另一个连接到第二电位。
因此，根据本发明的该示范性实施例，可以提供基于TWI的三轴结构，其中中间环可以作为防护环工作并且可以连接到特定电位。则外环可以连接到地，反之亦然。这样可以实现对敏感信号到外界的屏蔽传送。
应当指出，甚至可以根据本发明的示范性实施例提供四轴或其他多轴结构，其中将特定选择的屏蔽环连接到相应的电位。
根据本发明另一示范性实施例，所述穿通晶片互连还可以包括用于将所述第二穿通晶片互连结构连接到所述第一电位的凸块或重新布线层(re-routing layer)。
根据本发明的另一示范性实施例，可以提供一种应用在检验设备中的检测元件，所述检测元件包括：具有灵敏区的晶片，该灵敏区适合于检测辐射或高能粒子，所检测到的辐射或粒子生成检测信号；以及第一穿通晶片互连结构，其适合于将所述检测信号从所述灵敏区穿过所述晶片传送到第一接口；以及第二穿通晶片互连结构，其适合于在穿过所述晶片传送检测信号期间屏蔽所述检测信号。所述第二穿通晶片互连结构围绕所述第一穿通晶片互连结构同轴设置。
因此，通过提供同轴的外部穿通晶片互连结构形式的屏蔽结构，可以减小内部互连对外部部件和/或内部部件的敏感度。
根据本发明的另一示范性实施例，所述检测元件为大面积平铺检测器(tile detector)的部分。
根据本发明的另一示范性实施例，可以提供一种用于检验感兴趣的对象的检验设备，所述检验设备具有检测元件，根据上述的检测元件，该检测元件包括晶片、第一穿通晶片互连结构和第二穿通晶片互连结构。
此外，根据本发明的另一示范性实施例，可以将该检验设备用作行李检查设备、医学应用设备、材料测试设备或材料科学分析设备。本发明的应用领域可以是行李检查。
根据本发明的另一示范性实施例，该检验设备可以从由如下系统构成的组中选择：计算机X线断层摄影(CT)成像系统、相干散射计算机X线断层摄影(CSCT)成像系统、正电子发射X线断层摄影(PET)成像系统和单光子发射计算机X线断层摄影(SPECT)成像系统。因此，可以提供用于不同诊断的诊断工具。
此外，根据本发明的另一示范性实施例，可以提供一种制造电屏蔽的穿通晶片互连的方法，所述方法包括如下步骤：提供晶片；制造第一穿通晶片互连结构；以及制造第二穿通晶片互连结构，其中所述第二穿通晶片互连结构围绕所述第一穿通晶片互连结构同轴设置。
可以将本发明的示范性实施例的发明点看作：通过提供同轴、三轴或其他多轴连接形式的屏蔽结构，可以减小穿过晶片的互连的敏感度。这样可以提供例如高精度模拟信号或高频信号(模拟的和数字的)的经改善的信号传送。此外，该屏蔽几何结构可以抑制漏电流，因为在信号和衬底之间有一些“隔离边界”。
通过参考下文所述的实施例，本发明的这些和其他方面将变得显而易见并得到说明。
在下文中将参考以下附图描述本发明的示范性实施例。
图1示出了根据本发明的CT扫描器的实施例的简化示意图；
图2示出了基本的TWI结构；
图3示出了根据本发明的示范性实施例的基于TWI的同轴结构；
图4示出了根据本发明的示范性实施例的基于TWI的同轴结构，该TWI具有在CMOS工艺侧连接的外环；
图5示出了根据本发明的示范性实施例的基于TWI的同轴结构，该TWI具有在CMOS工艺侧连接且深度受限的外环；
图6示出了根据本发明的示范性实施例的基于TWI的三轴结构。
图中的例示为示意性的。在不同的附图中，类似的或相同的元件具有相同的附图标记。
图1示出了根据本发明的示范性实施例的CT扫描器系统的示范性实施例。参考该示范性实施例，将针对行李检查中的应用描述本发明，行李检查用于检测行李物品中例如炸药等的危险材料。不过，应当注意，本发明不限于此应用，而是还可以应用于医学成像领域或例如材料测试等的其他工业应用中。
图1所示的计算机X线断层摄影设备100为锥形束CT扫描器。不过，还可以用扇形束几何形状或利用其他扫描系统，例如CSCT、PET、SPEC或MR成像系统来实施本发明。图1所示的CT扫描器包括机架101，机架可以绕转动轴102旋转。机架101由马达103驱动。附图标记104表示例如X射线源等的辐射源，根据本发明的一方面该辐射源发射多色辐射。
附图标记105表示孔径系统，孔径系统将辐射源所发射的辐射束形成为锥形辐射束106。这样引导锥形束106，使其穿透设置在机架101的中央，即CT扫描器的检查区中的感兴趣的对象107，并且照射到检测器108上。如图1所示，检测器108与辐射源104相对地设置在机架101上，使得检测器108的表面被锥形束106覆盖。图1所示的检测器108包括多个检测器元件123，检测器元件123包括：具有灵敏区的晶片，该灵敏区适合于检测辐射或高能粒子，所检测到的辐射或粒子产生检测信号；第一穿通晶片互连结构，适合于将来自灵敏区的检测信号穿过晶片传送到第一界面；以及第二穿通晶片互连结构，适合于在穿过晶片传送检测信号期间屏蔽检测信号。因此，第二穿通晶片互连结构绕着第一穿通晶片互连结构同轴设置。
在扫描感兴趣的对象107期间，辐射源104、孔径系统105和检测器108在箭头116所示的方向上沿着机架101旋转。为了使带有辐射源104、孔径系统105和检测器108的机架101旋转，将马达103连接到马达控制单元117，马达控制单元117被连接到计算或判定单元118。
在图1中，感兴趣的对象107为放置在传送带119上的一件行李(或一位患者)。在扫描感兴趣的对象107期间，在机架101绕这件行李107旋转的同时，传送带119沿着平行于机架101的转动轴102的方向移动感兴趣的对象107。由此沿着螺旋扫描路径扫描感兴趣的对象107。在扫描期间也可以停止传送带119，从而测量单一的片层。除了提供传送带119之外，在例如感兴趣的对象107为病人的医学应用中，可以使用活动工作台。不过，应当注意，在所有上述情况下，也可以进行圆形扫描，在圆形扫描中，在平行于转动轴102的方向上不移动，而仅仅是机架101绕转动轴102旋转。
此外，应当强调的是，作为图1所示的锥形束配置的替代，可以由扇形束配置来实现本发明。为了生成基本的扇形束，可以将孔径系统105配置成狭缝准直器。
可以将检测器108连接到判定单元118。判定单元118可以接收检测结果，即来自检测器108的检测器元件123的读出，并且可以基于该读出判断扫描结果。此外，判定单元118与马达控制单元117通信，以便利用马达103和120使机架101与传送带119之间的运动协调。
判定单元118可以适用于从检测器108的读出构建图像。可以将计算单元118生成的重建图像经由接口122输出到显示器(图1未示出)。
可以由数据处理器实现判定单元118，以处理来自检测器108的检测器元件123的读出。
此外，如图1中可以看出的那样，可以将判定单元118连接到扬声器121，例如，用于在该件行李物品107中检测到可疑物品时自动发出警报。
计算机X线断层摄影设备100包括适合于向感兴趣的对象107发射X射线的X射线源104。设置在电磁辐射源104和检测元件123之间的准直器105适合于校准从电磁辐射源104发射的电磁辐射束，以形成锥形束。或者，可以使用狭缝准直器(图1中未示出)代替准直器105来产生扇形束。检测元件123形成多片检测器阵列108。将计算机X线断层摄影设备100配置为行李检查设备。
检测器108可以改造成具有多个检测元件123的大面积平铺检测器。可以沿不同方向平铺设置检测器芯片123。为了使用例如CMOS技术等的高成本效率的衬底，可以将穿通晶片互连用于将信号从检测元件的灵敏区传送到晶片的背侧。
根据本发明的示范性实施例，可以利用TWI技术中实施的同轴或三轴结构来屏蔽外界干扰对TWI的输入和输出的影响。该工艺不仅适用于医学或材料测试系统，还适用于许多半导体应用。
图2示出了芯片200的基本TWI结构，可以将其用作计算机X线断层摄影应用的检测器。在这里，低噪声的输入/输出204必须要连接至外界。将非常容易受噪声干扰的信号连接到外部部件是一个棘手的问题。将来自CMOS结构202的金属区204的信号连接到外界可以通过过孔203或穿通晶片互连203实现，其可以采用有机硅聚合物TWI的形式。TWI 203贯穿衬底201并连接到晶片背侧上的凸块205，从而允许平铺设置大量检测器元件以实现大面积检测器。
如从图2所看出的，在CMOS前侧处理期间，前侧预处理的TWI与(任何层的)前侧金属204接触。然后，从背侧减薄晶片使得TWI保持开放。然后，背侧处理和凸块设置205使得芯片能够接触任何衬底(或其他界面)。
应当注意，从顶部或底部看，这种TWI的截面形状可以是圆形的、矩形的或任何其他形状。甚至可以具有开放结构的形状，例如半圆形。
此外，应当注意，接触材料可以位于沟槽上，而不在沟槽之间作为导体。这可以提供良好的电接触，因为使用了额外的导电材料而不是衬底。
不过，为了进一步减小外部影响对信号质量的影响，根据本发明的示范性实施例可以将TWI 203屏蔽起来。
这种屏蔽可以通过在输入和输出节点处实施集成的同轴、三轴或多轴结构来实现。这可以提高对外部干扰的屏蔽能力并且还可以确保低得多的泄漏(或更好的泄漏路径)。此外，可以防止不同输入和输出之间的芯片间干扰。同轴和三轴结构还可以防止特定的输出/输入干扰芯片的任何其他部分，因为将不会有泄漏达到衬底。
图3所示的同轴结构203、206基于TWI。在这里，图2的穿通线互连结构203被第二穿通线互连结构206包围。该外层结构206可以连接到如地电位208所示的任何的固定电位(地或电源)，或者连接到任何其他信号。
这种外层结构206的用途是多方面的。不过主要的好处可能是如下好处：一旦内部TWI 203泄漏，外环206可以防止对相邻TWI/芯片-节点造成任何干扰。它还可以防止来自其他TWI/芯片-节点的任何干扰影响内部结构203。例如，外环可以采用完全围绕内部TWI的封闭结构的形式。
为了将外环206连接到地电位208(或其他任何电位)，可以通过设置额外的凸块(例如凸块205，但图中未示出)或通过在背侧中设置重新布线层(图中未示出)来接触外环209的背侧。
图4中示出了根据本发明另一示范性实施例的另一种实施方式，其中外环206电连接在CMOS工艺侧。不是从背侧接触外环206，而是用CMOS工艺提供固定电位208到外环206的接触。换言之，第二穿通晶片互连结构206连接到CMOS结构202的第二金属区207。应当注意，第一金属区和第二金属区可以位于相同的金属层或不同的金属层中。
有时可能无需使外环206完全穿通晶片。该示范性实施例在图5中示出，其中外环206在CMOS工艺侧连接且在深度上受限。换言之，外环206掩埋在衬底201中。这种结构的制造可能易于控制，因为TWI的深度还取决于其宽度。因此，通过相对于内部互连203减小外部互连206的宽度，外部TWI 206就可以不达到内部TWI 203的深度。
图6示出了根据本发明的示范性实施例的三轴结构的实施方式。如图6所示，三轴结构包括内部TWI 203、中间TWI 206和外部TWI210。外部TWI 210穿过整个衬底201延伸并连接到地电位208。中间TWI 206未达到衬底209的背侧，并且可以通过图5所示的TWI206的方式连接到电位。中间TWI环206可以连接至特定电位以作为保护环工作，而外部TWI环210可以连接到地208，反之亦然。这可以提供最大的屏蔽。
应当注意，虽然本发明应用于计算机X线断层摄影领域，尤其是作为大面积平铺检测器应用于其中，它还可以用于行李检查或半导体工艺和半导体应用领域中的不同应用。
应当注意，术语“包括”不排除其他元件或步骤，而“一”或“一个”不排除多个，并且单个处理器或系统可以实现权利要求所列举的若干装置或单元的功能。而且，可以组合结合不同实施例描述的元件。
还应注意，权利要求中的任何附图标记不应被理解为对权利要求的范围的限制。

Claims (15)

1、一种电屏蔽的穿通晶片互连，包括：
晶片(200)；
第一穿通晶片互连结构(203)；
第二穿通晶片互连结构(206)；
其中所述第二穿通晶片互连结构(206)围绕所述第一穿通晶片互连结构(203)同轴设置。
2、根据权利要求1所述的穿通晶片互连，
其中所述晶片(200)包括具有第一金属区(204)的互补金属氧化物半导体结构(202)；并且
其中所述第一穿通晶片互连结构(203)连接到所述互补金属氧化物半导体结构(202)的所述第一金属区(204)。
3、根据权利要求2所述的穿通晶片互连，
其中所述第二穿通晶片互连结构(206)连接到所述互补金属氧化物半导体结构(202)的第二金属区(207)；
其中所述第一穿通晶片互连结构(203)具有第一深度；并且
其中所述第二穿通晶片互连结构(206)具有小于所述第一深度的第二深度。
4、根据权利要求1所述的穿通晶片互连，
其中所述第二穿通晶片互连结构(206)为封闭结构。
5、根据权利要求1所述的穿通晶片互连，
还包括第三穿通晶片互连结构(210)，其围绕所述第一穿通晶片互连结构(203)同轴设置；
其中所述第二穿通晶片互连结构(206)和所述第三穿通晶片互连结构(210)中的一个连接到第一电位；并且
其中所述第一电位为地电位。
6、根据权利要求5所述的穿通晶片互连，
其中所述第二穿通晶片互连结构(206)和所述第三穿通晶片互连结构(210)中的另一个连接到第二电位。
7、根据权利要求5所述的穿通晶片互连，
还包括用于将所述第二穿通晶片互连结构(206)连接到所述第一电位的凸块或重新布线层。
8、一种应用在检验设备(100)中的检测元件，所述检测元件(123)包括：
具有灵敏区(202)的晶片(200)，该灵敏区(202)适合于检测辐射或高能粒子，所检测到的辐射或粒子生成检测信号；
第一穿通晶片互连结构(203)，适合于将所述检测信号从所述灵敏区(202)穿过所述晶片(200)传送到第一接口；
第二穿通晶片互连结构(206)，适合于在穿过所述晶片(200)传送所述检测信号期间屏蔽所述检测信号；
其中所述第二穿通晶片互连结构(206)围绕所述第一穿通晶片互连结构(203)同轴设置。
9、根据权利要求8所述的检测元件，
其中所述检测元件为大面积平铺检测器的一部分。
10、一种用于检验感兴趣的对象(107)的检验设备(100)，所述检验设备(100)具有检测元件(123)，所述检测元件(123)包括：
具有灵敏区(202)的晶片(200)，该灵敏区(202)适合于检测辐射或高能粒子，所检测到的辐射或粒子生成检测信号；
第一穿通晶片互连结构(203)，适合于将所述检测信号从所述灵敏区(202)穿过所述晶片(200)传送到第一接口；
第二穿通晶片互连结构(206)，适合于在穿过所述晶片(200)传送期间屏蔽所述检测信号；
其中所述第二穿通晶片互连结构(206)围绕所述第一穿通晶片互连结构(203)同轴设置。
11、根据权利要求10所述的检验设备(100)，其被配置为以下设备构成的组中的一种：行李检查设备、医学应用设备、材料测试设备和材料科学分析设备。
12、根据权利要求10所述的检验设备(100)，其被配置为由如下系统构成的组中的一种：CT成像系统、CSCT成像系统、PET成像系统、SPECT成像系统和MR成像系统。
13、一种制造电屏蔽的穿通晶片互连的方法，所述方法包括如下步骤：
提供晶片(200)；
制造第一穿通晶片互连结构(203)；
制造第二穿通晶片互连结构(206)；
其中所述第二穿通晶片互连结构(206)围绕所述第一穿通晶片互连结构(203)同轴设置。
14、根据权利要求13所述的方法，
其中所述晶片(200)包括具有第一金属区(204)的互补金属氧化物半导体结构(202)；并且
其中所述方法还包括如下步骤：
将所述第一穿通晶片互连结构(203)连接到所述互补金属氧化物半导体结构(202)的所述第一金属区(204)。
15、根据权利要求14所述的方法，还包括如下步骤：
将所述第二穿通晶片互连结构(206)连接到所述互补金属氧化物半导体结构(202)的第二金属区(207)；
其中所述第一穿通晶片互连结构(203)具有第一深度；并且
其中所述第二穿通晶片互连结构(206)具有小于所述第一深度的第二深度。
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