電屏蔽的穿通晶片互連的制作方法

專利名稱：電屏蔽的穿通晶片互連的制作方法
電屏蔽的穿通晶片互連本發明涉及半導體物理學領域。具體而言，本發明涉及電屏蔽 的穿通晶片互連，涉及應用在檢驗設備中的檢測元件，涉及檢驗設 各，并涉及制造電屏蔽的穿通晶片互連的方法。對于大檢測器而言，計算機X線斷層攝影應用(CT應用)的當 今的趨勢，僅僅可能通過提供了沿各個方向平鋪設置(tile)許多檢 測器芯片的可能性的技術來實現。為了允許例如互補金屬氧化物半 導體(CMOS)等的有成本效益的襯底的使用，可以用過孔將信號 從晶片的一側傳送到另一側。不過，如果例如用于計算機X線斷層 攝影應用的檢測器芯片等的芯片包括許多必須連接到外界的低噪聲 高靈敏度輸入/輸出，那么連接信號常常易受噪聲千擾。此外，高頻 輸入/輸出易受外部干擾和寄生現象的影響。希望能有改善的穿過晶片的信號傳送。根據本發明的示范性實施例，可以提供一種電屏蔽的穿通晶片 互連(TWI)，包括晶片；第一穿通晶片互連結構以及第二穿通晶 片互連結構，其中所述第二穿通晶片互連結構圍繞所述第一穿通晶 片互連結構同軸設置。于是，根據本發明的該示范性實施例，通過以同軸連接形式設 置第二穿通晶片互連結構形式的屏蔽結構，可以減小第一穿通晶片 互連結構對外部部件和/或內部部件的敏感度。穿通晶片互連(TWI)技術可以利用從CMOS前側(或其他工 藝)到后側上的凸塊球的互連來允許芯片(尤其是CMOS芯片/CMOS 成像器)的3D互連。這種選擇避免在芯片的側上設置連接焊盤，這 種連接焊盤妨礙這些芯片在所有側面彼此直接相鄰地(例如對成像 器而言以相同的像素節距)設置，而這種設置在例如計算機X線斷層攝影中對于大面積檢測器而言非常重要。使用這種TWI技術還允 許對不同芯片進行3D模塊設計，這使得該技術對所有半導休應用而 言都有吸引力。TWI的可能實施方式是在原始CMOS晶片上從上側蝕刻特定幾 何結構的溝槽。可以用摻雜多晶硅或任何其他的導電材料填充這些 溝槽。在頂部上實施CMOS工藝。 一旦完成，通過減薄從背側打開 TWI。最后一步是背側金屬化和觸點(即凸塊)的設置。其他TW1 方法也可以受益于本發明。根據本發明的另一示范性實施例，所述晶片包括具有第一金屬 區的互補金屬氧化物半導體結構，其中所述第一穿通晶片互連結構 連接到所述互補金屬氧化物半導體結構(CMOS結構)的所述第一 金屬區。因此，所述第一穿通晶片互連結構可以適用于穿過晶片從或向 CMOS的金屬區傳送信號，而同吋被第二穿迎晶片互連結構電屏蔽。根據本發明另一示范性實施例，所述第二穿通晶片互連結構連 接到所述CMOS結構的第二金屬區，其中所述第一穿通晶片互連結 構具有第一深度，而其中所述第二穿通晶片互連結構具有小于所述第一深度的第二深度。因此，第二穿通晶片互連結構可以不穿通整個晶片，而可以僅 達到特定深度。因此，第二穿通晶片互連結構可以掩埋在晶片內部， 而第一穿通晶片互連結構可以穿過晶片達到晶片的背側。根據本發明的另一示范性實施例，第二穿通晶片互連結構為封 閉結構。通過封閉同軸地圍繞第一互連結構的用于屏蔽的第二互連結 構，可以提供對外部干擾的改善的防護。根據本發明的另一示范性實施例，該穿通晶片互連還包括圍繞 所述第一穿通晶片互連結構同軸設置的第三穿通晶片互連結構，其 中所述第二穿通晶片互連結構和第三穿通晶片互連結構中的一個連 接到第一電位，該第一電位可以是地電位。根據本發明的另一示范性實施例，所述第二穿通晶片互連結構和所述第三穿通晶片互連結構中的另一個連接到第二電位。因此，根據本發明的該示范性實施例，可以提供基于TWI的三 軸結構，其中中間環可以作為防護環工作并且可以連接到特定電位。 則外環可以連接到地，反之亦然。這樣可以實現對敏感信號到外界 的屏蔽傳送。應當指出，甚至可以根據本發明的示范性實施例提供四軸或其 他多軸結構，其中將特定選擇的屏蔽環連接到相應的電位。根據本發明另一示范性實施例，所述穿通晶片互連還可以包括 用于將所述第二穿通晶片互連結構連接到所述第一電位的凸塊或重 新布線層(re-routing layer)。根據本發明的另一示范性實施例，可以提供一種應用在檢驗設 各中的檢測元件，所述檢測元件包括具有靈敏區的晶片，該靈敏 區適合于檢測輻射或高能粒子，所檢測到的輻射或粒子生成檢測信 號以及第一穿通晶片互連結構，其適合于將所述檢測信號從所述 靈敏區穿過所述晶片傳送到第一接口；以及第二穿通晶片互連結構， 其適合于在穿過所述晶片傳送檢測信號期間屏蔽所述檢測信號。所 述第二穿通晶片互連結構圍繞所述第一穿逝晶片互連結構同軸設 置。因此，通過提供同軸的外部穿通晶片互連結構形式的屏蔽結構， 可以減小內部互連對外部部件和/或內部部件的敏感度。根據本發明的另一示范性實施例，所述檢測元件為大面積平鋪 檢測器(tile detector)的部分。根據本發明的另一示范性實施例，可以提供一種用于檢驗感興 趣的對象的檢驗設各，所述檢驗設備具有檢測元件，根據上述的檢 測元件，該檢測元件包括晶片、第一穿通晶片互連結構和第二穿通 晶片互連結構。此外，根據本發明的另一示范性實施例，可以將該檢驗設備用 作行李檢查設備、醫學應用設備、材料測試設備或材料科學分析設 備。本發明的應用領域可以是行李檢査。根據本發明的另一示范性實施例，該檢驗設備可以從由如下系統構成的組中選擇計算機X線斷層攝影(CT)成像系統、相干散 射計算機X線斷層攝影(CSCT)成像系統、正電子發射X線斷層 攝影(PET)成像系統和單光子發射計算機X線斷層攝影(SPECT) 成像系統。因此，可以提供用于不同診斷的診斷工具。此外，根據本發明的另一示范性實施例，可以提供一種制造電 屏蔽的穿通晶片互連的方法，所述方法包括如下步驟提供晶片； 制造第一穿通晶片互連結構；以及制造第二穿通晶片互連結構，其 中所述第二穿通晶片互連結構圍繞所述第一穿通晶片互連結構同軸、 可以將本發明的示范性實施例的發明點看作通過提供同軸、 三軸或其他多軸連接形式的屏蔽結構，可以減小穿過晶片的互連的 敏感度。這樣可以提供例如高精度模擬信號或高頻信號(模擬的和 數字的)的經改善的信號傳送。此外，該屏蔽幾何結構可以抑制漏 電流，因為在信號和襯底之間有一些"隔離邊界"。通過參考下文所述的實施例，本發明的這些和其他方面將變得 顯而易見并得到說明。在下文中將參考以下附圖描述本發明的示范性實施例。

圖1示出了根據本發明的CT掃描器的實施例的簡化示意圖； 圖2示出了基本的TWI結構；圖3示出了根據本發明的示范性實施例的基于TWI的同軸結構；圖4示出了根據本發明的示范性實施例的基于TWI的同軸結 構，該TWI具有在CMOS工藝側連接的外環；圖5示出了根據本發明的示范性實施例的基于TWI的同軸結 構，該TWI具有在CMOS工藝側連接且深度受限的外環；圖6示出了根據本發明的示范性實施例的基于TWI的三軸結構。圖中的例示為示意性的。在不同的附圖中，類似的或相同的元9件具有相同的附圖標記。圖1示出了根據本發明的示范性實施例的CT掃描器系統的示 范性實施例。參考該示范性實施例，將針對行李檢査中的應用描述 本發明，行李檢查用于檢測行李物品中例如炸藥等的危險材料。不 過，應當注意，本發明不限于此應用，而是還可以應用于醫學成像 領域或例如材料測試等的其他工業應用中。圖1所示的計算機X線斷層攝影設各100為錐形朿CT掃描器。 不過，還可以用扇形束幾何形狀或利用其他掃描系統，例如CSCT、 PET、 SPEC或MR成像系統來實施本發明。圖所示的CT掃描器 包括機架101，機架可以繞轉動軸102旋轉。機架101由馬達103 驅動。附圖標記104表示例如X射線源等的輻射源，根據本發明的 一方而該輻射源發射多色輻射。附圖標記105表示孔徑系統，孔徑系統將輻射源所發射的輻射 束形成為錐形輻射朿106。這樣引導錐形朿106，使其穿透設置在機 架IOI的中央，即CT掃描器的檢査區中的感興趣的對象107，并且 照射到檢測器108上。如圖1所示，檢測器108與輻射源104相對 地設置在機架101上，使得檢測器108的表面被錐形束06覆蓋。 圖1所示的檢測器108包括多個檢測器元件123，檢測器元件123 包括具有靈敏區的晶片，該靈敏區適合于檢測輻射或高能粒子， 所檢測到的輻射或粒子產生檢測信號第一穿通晶片互連結構，適 合于將來自靈敏區的檢測信號穿過晶片傳送到第一界面；以及第二 穿通晶片互連結構，適合于在穿過晶片傳送檢測信號期間屏蔽檢測 信號。因此，第二穿通晶片互連結構繞著第一穿通晶片互連結構同 軸設置。在掃描感興趣的對象107期間，輻射源104、孔徑系統105和檢 測器108在箭頭116所示的方向上沿著機架101旋轉。為了使帶有 輻射源104、孔徑系統105和檢測器108的機架101旋轉，將馬達 103連接到馬達控制單元117，馬達控制單元117被連接到計算或判 定單元118。在圖1中，感興趣的對象107為放置在傳送帶119上的一件行李(或一位患者)。在掃描感興趣的對象107期間，在機架101繞這 件行李107旋轉的同時，傳送帶119沿著平行于機架101的轉動軸 102的方向移動感興趣的對象107。由此沿著螺旋掃描路徑掃描感興 趣的對象107。在掃描期間也可以停止傳送帶119，從而測量單一的 片層。除了提供傳送帶119之外，在例如感興趣的對象107為病人 的醫學應用中，可以使用活動工作臺。不過，應當注意，在所有上 述情況下，也可以進行圓形掃描，在圓形掃描中，在平行于轉動軸 102的方向上不移動，而僅僅是機架101繞轉動軸102旋轉。
此外，應當強調的是，作為圖1所示的錐形束配置的替代，可 以由扇形束配置來實現本發明。為了生成基本的扇形束，可以將孔 徑系統105配置成狹縫準直器。
可以將檢測器108連接到判定單元118。判定單元118可以接收 檢測結果，即來自檢測器108的檢測器元件123的讀出，并且可以 基于該讀出判斷掃描結果。此外，判定單元118與馬達控制單元117 通信，以便利用馬達103和120使機架101與傳送帶119之間的運 動協調。
判定單元118可以適用于從檢測器108的讀出構建圖像。可以 將計算單元118生成的重建圖像經由接口 122輸出到顯示器(圖1 未示出)。
可以由數據處理器實現判定單元118,以處理來自檢測器108 的檢測器元件123的讀出。
此外，如圖1中可以看出的那樣，可以將判定單元118連接到 揚聲器121，例如，用于在該件行李物品107中檢測到可疑物品時自 動發出警報。
計算機X線斷層攝影設備100包括適合于向感興趣的對象107 發射X射線的X射線源104。設置在電磁輻射源104和檢測元件123 之間的準直器105適合于校準從電磁輻射源104發射的電磁輻射束， 以形成錐形束。或者，可以使用狹縫準直器(圖1中未示出)代替 準直器105來產生扇形束。檢測元件123形成多片檢測器陣列108。 將計算機X線斷層攝影設備100配置為行李檢査設備。檢測器108可以改造成具有多個檢測元件123的大面積平鋪檢 測器。可以沿不同方向平鋪設置檢測器芯片123。為了使用例如 CMOS技術等的高成本效率的襯底，可以將穿通晶片互連用于將信 號從檢測元件的靈敏區傳送到晶片的背側。
根據本發明的示范性實施例，可以利用TWI技術中實施的同軸 或三軸結構來屏蔽外界干擾對TWI的輸入和輸出的影響。該工藝不 僅適用于醫學或材料測試系統，還適用于許多半導體應用。
圖2示出了芯片200的基本TWI結構，可以將其用作計算機X 線斷層攝影應用的檢測器。在這里，低噪聲的輸入/輸出204必須要 連接至外界。將非常容易受噪聲干擾的信號連接到外部部件是一個 棘手的問題。將來自CMOS結構202的金屬區204的信號連接到外 界可以通過過孔203或穿通晶片互連203實現，其可以采用有機硅 聚合物TWI的形式。TWI 203貫穿襯底201并連接到晶片背側上的 凸塊205，從而允許平鋪設置大量檢測器元件以實現大面積檢測器。
如從圖2所看出的，在CMOS前側處理期間，前側預處理的TWI 與(任何層的)前側金屬204接觸。然后，從背側減薄晶片使得TWI 保持開放。然后，背側處理和凸塊設置205使得芯片能夠接觸任何 襯底(或其他界面)。
應當注意，從頂部或底部看，這種TWI的截面形狀可以是圓形 的、矩形的或任何其他形狀。甚至可以具有開放結構的形狀，例如 半圓形。
此外，應當注意，接觸材料可以位于溝槽上，而不在溝槽之間 作為導體。這可以提供良好的電接觸，因為使用了額外的導電材料 而不是襯底。
不過，為了進一步減小外部影響對信號質量的影響，根據本發 明的示范性實施例可以將TWI203屏蔽起來。
這種屏蔽可以通過在輸入和輸出節點處實施集成的同軸、三軸 或多軸結構來實現。這可以提高對外部干擾的屏蔽能力并且還可以 確保低得多的泄漏(或更好的泄漏路徑)。此外，可以防止不同輸入 和輸出之間的芯片間干擾。同軸和三軸結構還可以防止特定的輸出/輸入干擾芯片的任何其他部分，因為將不會有泄漏達到襯底。
圖3所示的同軸結構203、 206基于TWI。在這里，圖2的穿通 線互連結構203被第二穿通線互連結構206包圍。該外層結構206 可以連接到如地電位208所示的任何的固定電位(地或電源)，或者 連接到任何其他信號。
這種外層結構206的用途是多方面的。不過主要的好處可能是 如下好處 一旦內部TWI 203泄漏，外環206可以防止對相鄰TWI/ 芯片-節點造成任何干擾。它還可以防止來自其他TWI/芯片-節點的 任何干擾影響內部結構203 。例如，外環可以采用完全圍繞內部TWT 的封閉結構的形式。
為了將外環206連接到地電位208 (或其他任何電位)，可以通 過設置額外的凸塊(例如凸塊205，但圖中未示出)或通過在背側中 設置重新布線層(圖中未示出)來接觸外環209的背側。
圖4中示出了根據本發明另一示范性實施例的另一種實施方式， 其中外環206電連接在CMOS工藝側。不是從背側接觸外環206， 而是用CMOS工藝提供固定電位208到外環206的接觸。換言之， 第二穿通晶片互連結構206連接到CMOS結構202的第二金屬區 207。應當注意，第一金屬區和第二金屬區可以位于相同的金屬層或 不同的金屬層中。
有吋可能無需使外環206完全穿通晶片。該示范性實施例在圖5 中示出，其中外環206在CMOS工藝側連接且在深度上受限。換言 之，外環206掩埋在襯底201中。這種結構的制造可能易于控制， 因為TWI的深度還取決于其寬度。因此，通過相對于內部互連203 減小外部互連206的寬度，外部TWI 206就可以不達到內部TWI203 的深度。
圖6示出了根據本發明的示范性實施例的三軸結構的實施方式。 如圖6所示，三軸結構包括內部TWI203、中間TWI206和外部TWI 210。外部TWI210穿過整個襯底201延伸并連接到地電位208。中 間TWI206未達到襯底209的背側，并且可以通過圖5所示的TWI 206的方式連接到電位。中間TWI環206可以連接至特定電位以作為保護環工作，而外部TWI環210可以連接到地208,反之亦然。 這可以提供最大的屏蔽。應當注意，雖然本發明應用于計算機X線斷層攝影領域，尤其 是作為大面積平鋪檢測器應用于其中，它還可以用于行李檢查或半 導體工藝和半導體應用領域中的不同應用。應當注意，術語"包括"不排除其他元件或步驟，而"一"或 "一個"不排除多個，并且單個處理器或系統可以實現權利要求所 列舉的若干裝置或單元的功能。而且，可以組合結合不同實施例描 述的元件。還應注意，權利要求中的任何附圖標記不應被理解為對權利要 求的范圍的限制。
權利要求
1、一種電屏蔽的穿通晶片互連，包括晶片(200)；第一穿通晶片互連結構(203)；第二穿通晶片互連結構(206)；其中所述第二穿通晶片互連結構(206)圍繞所述第一穿通晶片互連結構(203)同軸設置。
2、 根據權利要求1所述的穿通晶片互連，其中所述晶片(200)包括具有第一金屬區(204)的互補金屬 氧化物半導體結構(202);并且其中所述第一穿通晶片互連結構(203)連接到所述互補金屬氧 化物半導體結構(202)的所述第一金屬區(204)。
3、 根據權利要求2所述的穿通晶片互連， 其中所述第二穿通晶片互連結構(206)連接到所述互補金屬氧化物半導體結構(202)的第二金屬區(207);其中所述第一穿通晶片互連結構(203)具有第一深度；并且 其中所述第二穿通晶片互連結構(206)具有小于所述第一深度的第二深度。
4、 根據權利要求1所述的穿通晶片互連， 其中所述第二穿通晶片互連結構(206)為封閉結構。
5、 根據權利要求1所述的穿通晶片互連， 還包括第三穿通晶片互連結構(210)，其圍繞所述第一穿通晶片互連結構(203)同軸設置其中所述第二穿通晶片互連結構(206)和所述第三穿通晶片互 連結構(210)中的一個連接到第一電位；并且其中所述第一電位為地電位。
6、 根據權利要求5所述的穿通晶片互連， 其中所述第二穿通晶片互連結構(206)和所述第三穿通晶片互連結構(210)中的另一個連接到第二電位。
7、 根據權利要求5所述的穿通晶片互連， 還包括用于將所述第二穿通晶片互連結構(206)連接到所述第一電位的凸塊或重新布線層。
8、 一種應用在檢驗設備(100)中的檢測元件，所述檢測元件 (23)包括具有靈敏區(202)的晶片(200),該靈敏區(202)適合于檢 測輻射或高能粒子，所檢測到的輻射或粒子生成檢測信號第一穿通晶片互連結構(203)，適合于將所述檢測信號從所述 靈敏區(202)穿過所述晶片(200)傳送到第一接口第二穿通晶片互連結構(206)，適合于在穿過所述晶片(200) 傳送所述檢測信號期間屏蔽所述檢測信號；其中所述第二穿通晶片互連結構(206)圍繞所述第一穿通晶片 互連結構(203)同軸設置。
9、 根據權利要求8所述的檢測元件， 其中所述檢測元件為大面積平鋪檢測器的一部分。
10、 一種用于檢驗感興趣的對象(107)的檢驗設備(100)，所 述檢驗設各(100)具有檢測元件(123)，所述檢測元件(123)包 括具有靈敏區(202)的晶片(200)，該靈敏區(202)適合于檢 測輻射或高能粒子，所檢測到的輻射或粒子生成檢測信號；第一穿通晶片互連結構(203)，適合于將所述檢測信號從所述靈敏區(202)穿過所述晶片(200)傳送到第一接口;第二穿通晶片互連結構(206)，適合于在穿過所述晶片(200) 傳送期間屏蔽所述檢測信號；其中所述第二穿通晶片互連結構(206)圍繞所述第一穿通晶片 互連結構(203)同軸設置。
11、 根據權利要求10所述的檢驗設備(100)，其被配置為以下 設備構成的組中的一種行李檢查設備、醫學應用設備、材料測試 設備和材料科學分析設備。
12、 根據權利要求10所述的檢驗設備(100),其被配置為由如 下系統構成的組中的一種CT成像系統、CSCT成像系統、PET成 像系統、SPECT成像系統和MR成像系統。
13、 一種制造電屏蔽的穿通晶片互連的方法，所述方法包括如 下步驟提供晶片(200);制造第一穿通晶片互連結構(203); 制造第二穿通晶片互連結構(206):其中所述第二穿通晶片互連結構(206)圍繞所述第一穿通晶片 互連結構(203)同軸設置。
14、 根據權利要求13所述的方法，其中所述晶片(200)包括具有第一金屬區(204)的互補金屬 氧化物半導體結構(202);并且 其中所述方法還包括如下步驟將所述第一穿通晶片互連結構(203)連接到所述互補金屬氧化 物半導體結構(202)的所述第一金屬區(204)。
15、 根據權利要求14所述的方法，還包括如下步驟將所述第二穿通晶片互連結構(206)連接到所述互補金屬氧化物半導體結構(202)的第二金屬區(207);其中所述第一穿通晶片互連結構(203)具有第一深度；并且 其中所述第二穿通晶片互連結構(206)具有小于所述第一深度的第二深度。
全文摘要
一種穿通晶片互連，其允許為檢測器芯片使用有成本效率的襯底。根據本發明的示范性實施例，可以提供應用在檢驗設備中的檢測元件，包括具有靈敏區的晶片和同軸的穿通晶片互連結構。這樣可以通過提供有效屏蔽來降低互連的敏感度。
文檔編號H01L23/48GK101253624SQ200680031273
公開日2008年8月27日 申請日期2006年8月15日 優先權日2005年8月26日
發明者G·福格特米爾, R·多沙伊德, R·斯特德曼 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司