用金屬46填充來形成，如附圖1OE中所示并與附圖1OB中的描述類似；或者通過將通孔51用導(dǎo)電材料52作襯里并用電介質(zhì)53填充來形成，如附圖1OF中所示并與附圖1OC中的描述類似。附圖1OE和附圖1OF中的通孔51被顯示連接到接觸結(jié)構(gòu)12上的金屬97部分。替代地，通孔51可以連接到接觸17或者接觸結(jié)構(gòu)12和17兩者上的金屬97的部分。
[0100]附圖10A-10F的結(jié)構(gòu)適合于后續(xù)處理，所述后續(xù)處理包括但不限于基于光刻的互連布線或者凸點下金屬化層(under bump metallizat1n)，以支持引線鍵合(wirebonding)或者倒裝片封裝。該處理一般包括在暴露的減薄襯底側(cè)21上形成電絕緣材料，以為互連布線或者凸點下金屬化提供電隔離。
[0101]附圖11中所示例子具有在CMP之后被形成于管芯14-16上的絕緣材料96，諸如被沉積或旋涂的氧化物或聚合物，以及形成于材料96上與金屬結(jié)構(gòu)100相接觸的互連布線或凸點下金屬化層95?？梢栽谛纬刹牧?6之前在管芯14-16之間使用另一填料材料，如附圖3B中所示。金屬化層可以包括由絕緣層分離開的若干層(此處未顯示)，以容許高通孔密度和/或高布線復(fù)雜度。替代地，如果拋光步驟不移除保形電介質(zhì)膜70，那么保形電介質(zhì)膜就保留下來并可以為金屬化層結(jié)構(gòu)提供足夠的電隔離。
[0102]根據(jù)本發(fā)明所述方法的第二實施方案如附圖12中所示。硬掩模101被形成于管芯14-16上而沒有任何居間電介質(zhì)層。硬掩模101厚度的一般范圍是0.1到1.0微米。硬掩模101優(yōu)選地由對后續(xù)的被用于將通孔蝕刻穿過減薄襯底21和器件區(qū)18和11到達(dá)接觸結(jié)構(gòu)12的一個或多個蝕刻工藝具有高蝕刻選擇性的材料組成。硬掩模的實例為鋁、鎢、鉑、鎳、或鉬，蝕刻工藝的實例是基于SFfJ^反應(yīng)離子蝕刻以蝕刻出穿過減薄硅襯底的通孔，以及基于0匕的反應(yīng)離子蝕刻以蝕刻出穿過器件區(qū)18和11到接觸結(jié)構(gòu)12的后續(xù)通孔。開口 102被形成于掩模101中并且如第一實施方案中那樣處理該結(jié)構(gòu)以蝕刻穿過管芯襯底和器件區(qū)來暴露出結(jié)構(gòu)12和17，同時優(yōu)選地保留結(jié)構(gòu)17的頂面以形成凸緣(諸如附圖8A和SB中所示的27)。如附圖7-9中所示使用掩模103進(jìn)行金屬化以形成金屬接觸104，以產(chǎn)生如附圖13中所示的結(jié)構(gòu)。在CMP之后(附圖14)，金屬105被平整化，該結(jié)構(gòu)適合于后續(xù)處理，其包括但不限于基于光刻的互連布線或者凸點下金屬化層，以支持引線鍵合或者倒裝片封裝，類似于附圖11中所示的金屬化層結(jié)構(gòu)。該處理可以包括在管芯14-16的暴露側(cè)上形成電絕緣材料，為布線在管芯14-16的暴露側(cè)上方的所述互連布線或者凸點下金屬化層提供電隔離。為了進(jìn)一步幫助互連布線或凸點下金屬化層，可以形成如第一實施方案中所述的平整化金屬，例如電介質(zhì)或金屬；或者替代地，聚酰亞胺或苯并環(huán)丁烯材料以平整該結(jié)構(gòu)的表面，例如通過在CMP處理之前或之后填充管芯間的任何間隔、開口或溝槽。
[0103]本發(fā)明也可以使用其它結(jié)構(gòu)。例如，不需要一對接觸17，而是管芯或晶片中的單個接觸可以被連接到它所鍵合的襯底中的接觸。這如附圖15中所示，其中對種子層90的金屬接觸107將接觸結(jié)構(gòu)12和108互連起來而結(jié)構(gòu)108是與結(jié)構(gòu)12隔離開的。金屬接觸107的一部分(左側(cè))從襯底部分109的上部表面直接延伸到結(jié)構(gòu)108上的種子層90，而金屬接觸107的另一部分(右側(cè))從襯底部分109的上部表面直接延伸到結(jié)構(gòu)12上的種子層90。
[0104]本發(fā)明提供很多優(yōu)點。單個掩模被用于蝕刻穿過被鍵合到襯底的管芯或晶片的背偵U，以將管芯或晶片與襯底互連起來。不需要在通孔中使用光刻，這種光刻一般是復(fù)雜的、成問題的、并對按比例縮放有限制。蝕刻穿過了鍵合界面。此外，能暴露出要被互連的接觸的頂面，增加接觸的表面積并減少接觸的電阻值。不同技術(shù)的器件可以被互連，優(yōu)化器件性能并避免跟試圖用單一工藝路線(process sequence)制造不同技術(shù)產(chǎn)品有關(guān)的問題。
[0105]附圖16A、16B和17中所示為第三實施方案。襯底110具有帶有接觸結(jié)構(gòu)112的器件區(qū)111。管芯114-116，其每一個都具有器件區(qū)118、襯底部分121和接觸結(jié)構(gòu)117，被鍵合到表面113上的襯底110，如附圖16A中所示。在該實施方案中，沒有材料覆蓋著接觸結(jié)構(gòu)112。在所述用于第一或第二實施方案的單個掩模工藝之后，產(chǎn)生了如附圖16B和17中所示的結(jié)構(gòu)。通孔50被蝕刻穿過襯底部分121和器件區(qū)118，暴露出接觸結(jié)構(gòu)117的背表面上的凸緣26。繼續(xù)蝕刻，形成通孔60并暴露出接觸結(jié)構(gòu)112的頂表面。接觸120被形成于具有或者沒有種子層90的通孔中，將接觸結(jié)構(gòu)112和117連接起來。填料材料可以被用于平整化器件，如以上參考附圖3B中所述那樣。接觸120也可以被用附圖10C-10F中所示方式來形成。并且，膜70可以如附圖8C-8K所示那樣形成。
[0106]附圖18-19中所示為第四實施方案。在該實施方案中沒有覆蓋著接觸結(jié)構(gòu)122或123的材料。管芯114-116中由導(dǎo)電材料例如金屬所組成的接觸結(jié)構(gòu)123可以在管芯114-116表面上方延伸，而由導(dǎo)電材料例如金屬所組成的接觸結(jié)構(gòu)122可以在表面113上方延伸。接觸結(jié)構(gòu)123和接觸結(jié)構(gòu)122可以包括不同金屬。例如，接觸結(jié)構(gòu)123可以包括銅、鎢、鎳、或金中的一種，而接觸結(jié)構(gòu)122可以包括銅、鎢、鎳、或金中的另一種。接觸結(jié)構(gòu)123或接觸結(jié)構(gòu)122還可以包括不同金屬，例如，鎳、鈀和金的組合。接觸結(jié)構(gòu)123和接觸結(jié)構(gòu)122還可以包括銅、鎢、鎳、或金的合金，或者其它合金例如氧化銦錫。這些金屬可以通過各種技術(shù)其包括PVD、熱、電子束、和電鍍來形成。
[0107]管芯114-116的不包含接觸結(jié)構(gòu)123的表面部分以及表面113的不包括接觸結(jié)構(gòu)122的部分優(yōu)選地為非導(dǎo)電材料，例如氧化硅、氮化硅、氧氮化硅、或者適合于半導(dǎo)體集成電路制造的替代隔離材料。用足以將管芯114-116表面中暴露的接觸結(jié)構(gòu)123的一部分對準(zhǔn)表面113中暴露的接觸結(jié)構(gòu)122的一部分以及將管芯114-116表面的非導(dǎo)電材料部分對準(zhǔn)表面113的非導(dǎo)電材料部分的對準(zhǔn)精度，將具有暴露的接觸結(jié)構(gòu)123的管芯114-116鍵合到具有暴露的接觸結(jié)構(gòu)122的表面113，如申請?zhí)枮?0/359,608的申請中所述。管芯114-116表面的非導(dǎo)電材料部分與表面113的非導(dǎo)電材料部分之間的鍵合優(yōu)選地為如申請?zhí)枮?0/359，608的申請中所述的直接鍵合。也可以使用替代類型的直接鍵合，例如如申請?zhí)枮?0/440，099的申請中所述。直接鍵合的鍵合能量一一優(yōu)選地大于lj/m2—一產(chǎn)生接觸結(jié)構(gòu)122對接觸結(jié)構(gòu)123的內(nèi)部壓力，導(dǎo)致接觸結(jié)構(gòu)122和123之間的電連接。因而優(yōu)選地使用在低溫下產(chǎn)生更高鍵合能量的直接鍵合，例如上述那些，以產(chǎn)生最大內(nèi)部壓力；然而，在低溫下產(chǎn)生較低鍵合能量的、或者需要高溫來獲得更高鍵合能量的直接鍵合也可以適用于一些應(yīng)用。例如，也可以使用傳統(tǒng)的直接鍵合其需要中等溫度，例如小于400°C，或者中等壓力，例如小于10kg/cm3，以實現(xiàn)高鍵合能量，例如大于lj/m2。
[0108]更詳細(xì)地說，因為包括金屬焊墊(bonding pad)的晶片表面在室溫下接觸，所以對置的晶片表面的接觸著的非金屬部分開始在接觸點處形成鍵合，并且晶片之間的鍵合引力(attractive bonding force)隨著接觸化學(xué)鍵合面積的增加而增加。要是不存在金屬焊墊，晶片會在整個晶片表面上鍵合。根據(jù)本發(fā)明所述，金屬焊墊的存在，雖然打斷了對置晶片之間的鍵合接縫(bonding seam)，但是不妨礙晶片對晶片的化學(xué)鍵合。由于金屬焊墊的展性(malleability)和延性(ductility)，所以由化學(xué)的晶片對晶片鍵合在非金屬區(qū)所產(chǎn)生的壓力可以產(chǎn)生一個力，利用該力，金屬焊墊上不平整的和/或粗糙的區(qū)域可以變形而導(dǎo)致金屬焊墊的平整性和/或粗糙度得到改善并且讓金屬焊墊之間密切接觸。由化學(xué)鍵合所產(chǎn)生的壓力足以消除為了讓這些金屬焊墊彼此緊密接觸而對其施加外部壓力的需要。由于金屬原子在配合界面處(mating interface)的互擴(kuò)散或自擴(kuò)散，所以即使在室溫下，強(qiáng)的展性鍵合也可以被形成于緊密接觸的金屬焊墊之間。該擴(kuò)散是熱力學(xué)驅(qū)動的以減少表面自由能，并且對于一般具有高互擴(kuò)散和/或自擴(kuò)散系數(shù)的金屬被加強(qiáng)了。這些高擴(kuò)散系數(shù)是內(nèi)聚能的結(jié)果，所述內(nèi)聚能一般大多數(shù)是由在擴(kuò)散期間不受金屬離子運(yùn)動干擾的移動自由電子氣決定的。
[0109]替代地，管芯114-116中的接觸結(jié)構(gòu)123可以名義上與管芯114-116的表面共平面，并且接觸結(jié)構(gòu)122可以名義上與表面113共平面。這可以通過形成具有與金屬填充通孔(諸如W、N1、Au或Cu)共平面的表面的襯底來完成?？梢酝ㄟ^在厚度為大約0.5微米的金屬種子層、諸如Cu、Al、Al-Cu(2% )或Al-Si (2%)合金層或者形成于Al或Al合金上的Cu層上電鍍來形成金屬填充通孔。Pd可以被用作種子層并且也可以被形成于Al或Al合金的頂上。N1、W、Au或Cu柱(post)可以被形成于種子層上。在電鍍之后，使用柱或者由光刻限定的圖案作為掩模以及金屬蝕刻，將種子層從柱之間的表面上移除。然后在表面上形成氧化層。氧化層被執(zhí)行CMP以產(chǎn)生與氧化物和金屬區(qū)共平面的表面。
[0110]接觸結(jié)構(gòu)122和123的表面粗糙度可以大于管芯114-116的非金屬表面部分和表面113的非金屬部分。例如，管芯114-116的表面和表面113優(yōu)選地具有小于Inm的均方根(RMS)表面粗糙度，更優(yōu)選地小于0.5nm ;同時接觸結(jié)構(gòu)122和123的表面優(yōu)選地具有小于2nm的RMS表面粗糙度，更優(yōu)選地小于lnm。
[0111]接觸結(jié)構(gòu)122對接觸結(jié)構(gòu)123的內(nèi)部壓力——該壓力由管芯114-116表面的非接觸結(jié)構(gòu)123部分與表面113的非接觸結(jié)構(gòu)122部分之間的鍵合所產(chǎn)生一一可能不足以實現(xiàn)鍵合或者不足以導(dǎo)致具有優(yōu)選低電阻值的電連接，這是由于，例如，在管芯114-116或表面113的暴露的金屬表面上的自然氧化物或其它污染物例如烴造成的。通過移除接觸結(jié)構(gòu)123或122上的自然氧化物，可以實現(xiàn)接觸結(jié)構(gòu)123和122之間改善了的鍵合或者優(yōu)選的較低電阻值的電連接。例如，在將表面113與管芯表面114-116接觸之前可以使用稀釋的氫氟酸。此外，在移除自然氧化物之后直到將表面113與管芯表面114-116接觸為止，表面113和管芯114-116的表面可以暴露于惰性環(huán)境，例如氮?dú)饣驓鍤?。替代地，在將管?14-116表面的非接觸結(jié)構(gòu)123部分與表面113的非接觸結(jié)構(gòu)122部分鍵合之后，通過增加接觸結(jié)構(gòu)122和123的溫度例如加熱，可以實現(xiàn)接觸結(jié)構(gòu)123和122之間的改善了的鍵合或者優(yōu)選的較低電阻值的電連接。通過減少自然氧化物或其它污染物，或者通過增加接觸結(jié)構(gòu)123和122之間的內(nèi)部壓力，例如如果接觸結(jié)構(gòu)123或122相對于圍繞著接觸結(jié)構(gòu)123和122的非金屬材料具有更高的熱膨脹系數(shù)，或者通過減少自然氧化物或其它污染物并且增加內(nèi)部壓力，那么溫度增加可以導(dǎo)致優(yōu)選的低電阻值電連接。溫度增加也可以增加接觸結(jié)構(gòu)諸如122和123之間的互擴(kuò)散，以導(dǎo)致優(yōu)選的低電阻值的電連接。溫度增加可以因而增強(qiáng)接觸結(jié)構(gòu)123和122之間的金屬鍵合、金屬接觸、金屬互連或傳導(dǎo)。已經(jīng)實現(xiàn)了小于1hm/ μπι2的接觸電阻值。例如，對于兩個直徑大約為5到ΙΟμπι并且每個大約為Ιμπι厚的接觸結(jié)構(gòu)，已獲得了小于50mohms的電阻值。
[0112]如果在管芯114-116中或者表面113下面的層111中存在1C，例如硅制1C，那么溫度增加優(yōu)選地小于400°C達(dá)2小時，更優(yōu)選地小于350°C達(dá)2小時以避免損害1C、接觸結(jié)構(gòu)或者其它金屬結(jié)構(gòu)。如果接觸結(jié)構(gòu)是由易受熱膨脹、或內(nèi)部壓力、或可忽略的自然氧化物影響的導(dǎo)電材料例如金組成的話，那么導(dǎo)致增強(qiáng)接觸結(jié)構(gòu)123和122之間的金屬鍵合、金屬接觸、金屬互連或傳導(dǎo)的溫度增加可以非常低，例如，低如50°C達(dá)10分鐘。
[0113]優(yōu)選使用會導(dǎo)致在較低的鍵合后(post-bond)溫度下內(nèi)部壓力的較大增加而且在較低壓力下可變形的接觸結(jié)構(gòu)123和122，以使實現(xiàn)增強(qiáng)接觸結(jié)構(gòu)123和122之間的金屬鍵合、金屬接觸、金屬互連或傳導(dǎo)所需的鍵合后溫度增加最小化，如果需要的話。例如，由于鍵合后溫度增加而產(chǎn)生的內(nèi)部壓力依賴于構(gòu)成接觸結(jié)構(gòu)123和122的金屬。例如，具有高熱膨脹系數(shù)(CTE)值的金屬，例如銅、鎳、和金，導(dǎo)致在給定溫度下的更大膨脹。此外，具有更高剪切模量的金屬，例如鎢和鎳，對于給定膨脹會產(chǎn)生更多應(yīng)力。具有高CTE與剪切模量之積的金屬，例如銅、鎢和鎳，因此在用溫度增加產(chǎn)生內(nèi)部壓力增加上將是最有效的。此夕卜，優(yōu)選地為高純度、例如99.9%以上的、具有低屈服應(yīng)力的金屬，例如銅、鎳、和金在低應(yīng)力下被顯著地變形并因而能導(dǎo)致在低應(yīng)力下改善接觸結(jié)構(gòu)之間的金屬鍵合、金屬接觸、金屬互連或傳導(dǎo)。由具有高CTE和剪切模量乘積的金屬、或者具有高的被屈服應(yīng)力規(guī)格化的CTE與剪切模量之積的金屬、例如銅、鎳、和金所組成接觸結(jié)構(gòu)123和122，因而對于接觸結(jié)構(gòu)123和122而言是優(yōu)選的，其作為用鍵合后溫度增加產(chǎn)生內(nèi)部壓力的結(jié)果表現(xiàn)出接觸結(jié)構(gòu)之間的金屬鍵合、金屬接觸、金屬互連或傳導(dǎo)的改善。
[0114]替代地，接觸結(jié)構(gòu)123可以稍低于管芯114-116的表面或者接觸結(jié)構(gòu)122可以稍低于表面113。管芯114-116的表面和表面113之下的距離優(yōu)選小于20nm，更優(yōu)選小于1nm0隨后的鍵合然后溫度增加可以如上述那樣增加接觸結(jié)構(gòu)122和123之間的內(nèi)部壓力，并且導(dǎo)致接觸結(jié)構(gòu)123和122之間的金屬鍵合、金屬接觸、金屬互連、或傳導(dǎo)的改善。接觸結(jié)構(gòu)122低于表面113的微小距離和接觸結(jié)構(gòu)123低于管芯114-116表面的微小距離是接觸結(jié)構(gòu)范圍上的平均距離。接觸結(jié)構(gòu)的形貌(topography)將包括等于、大于、和小于平均距離的位置。接觸結(jié)構(gòu)的總高度變化，其由最大高度和最小高度之差得出，可以實質(zhì)上大于RMS變化。例如，具有Inm的RMS的接觸結(jié)構(gòu)可以具有1nm的總高度變化。因此，盡管如上述那樣接觸結(jié)構(gòu)123可稍低于管芯114-116表面并且接觸結(jié)構(gòu)122可稍低于表面113，但是接觸結(jié)構(gòu)122的一部分可以延伸于管芯114-116表面上方而接觸結(jié)構(gòu)123的一部分可以延伸于表面113上方，導(dǎo)致在將表面113的非金屬部分鍵合到管芯114-116的非金屬部分之后接觸結(jié)構(gòu)122和接觸結(jié)構(gòu)123之間的機(jī)械連接(mechanical connect1n)。由于不完全機(jī)械連接或者接觸結(jié)構(gòu)122或接觸結(jié)構(gòu)123上的自然氧化物或其它污染物，該機(jī)械連接可能不會導(dǎo)致接觸結(jié)構(gòu)122和接觸結(jié)構(gòu)123之間足夠的電連接。如上所述，后續(xù)的溫度增加可以改善接觸結(jié)構(gòu)123和122之間的金屬鍵合、金屬接觸、金屬互連、傳導(dǎo)。
[0115]替代地，如果接觸結(jié)構(gòu)123的最高部分低于管芯114-116的表面、或者接觸結(jié)構(gòu)122的最高部分低于表面113并且在鍵合之后接觸結(jié)構(gòu)123和122之間沒有機(jī)械接觸，那么溫度增加可以導(dǎo)致接觸結(jié)構(gòu)123和122之間的機(jī)械接觸和/或所需電互連。
[0116]替代地，接觸結(jié)構(gòu)123可以低于管芯114-116表面并且接觸結(jié)構(gòu)122可以高于表面113，或者接觸結(jié)構(gòu)123可以高于管芯114-116表面并且接觸結(jié)構(gòu)122可以低于表面113。接觸結(jié)構(gòu)122低于表面113的距離和接觸結(jié)構(gòu)123低于管芯114、115、或116的距離之差(或者反之亦然)可以是很小的正值，如申請?zhí)枮?0/359，608的申請中所述。替代地，觸結(jié)構(gòu)122低于表面113的距離和接觸結(jié)構(gòu)123低于管芯114、115、或116的距離之差(或者反之亦然)可以名義上是零或者很小的負(fù)值，并且如上所述鍵合后溫度增加可以改善接觸結(jié)構(gòu)123和122之間的金屬鍵合、金屬接觸、金屬互連、傳導(dǎo)。
[0117]接觸結(jié)構(gòu)123相對于管芯114-116表面的高度以及接觸結(jié)構(gòu)122相對于表面113高度的高度可以用形成管芯114-116表面或表面113的拋光工藝來控制，例如化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)。CMP工藝一般有很多工藝變量其包括但不限于拋光液的類型、拋光液添加速率(rate of slurry addit1n)、拋光墊(polishing pad)、拋光墊轉(zhuǎn)速、和拋光壓力。CMP工藝還依賴于:組成表面113和管芯114-116表面的特定非金屬和金屬材料；非金屬和金屬材料的相對拋光速率(優(yōu)選地為相似拋光速率，例如鎳和氧化硅)；接觸結(jié)構(gòu)122和123的尺寸、節(jié)距(pitch)和顆粒結(jié)構(gòu)；表面113或管芯114-116表面的不平整度(non-planarity)。這些工藝參數(shù)的優(yōu)化可以被用于控制接觸結(jié)構(gòu)123相對于管芯114-116表面的高度以及接觸結(jié)構(gòu)122相對于表面113高度的高度。也可以使用替代拋光技術(shù)，例如固結(jié)磨料拋光(slurry-less polishing)。
[0118]接觸結(jié)構(gòu)123相對于管芯114-116表面的高度以及接觸結(jié)構(gòu)122相對于表面113高度的高度也可以用對管芯114-116表面上圍繞接觸結(jié)構(gòu)123的材料或者表面113上圍繞接觸結(jié)構(gòu)122的材料的輕度干法蝕刻來控制，例如，對包括某些電介質(zhì)材料例如氧化硅、氮化硅或氧氮化硅的表面使用CFjP 02混合物的等離子體蝕刻或者反應(yīng)離子蝕刻，優(yōu)選地使得表面粗糙度增加，這將顯著減少所述表面之間的鍵合能量。替代地，接觸結(jié)構(gòu)123以及接觸結(jié)構(gòu)122的高度可以通過在接觸結(jié)構(gòu)123和122上形成非常薄的金屬層來控制。例如，一些金屬例如金的無電鍍，可以自限制為非常薄的層，例如大約5到50nm。該方法的額外優(yōu)點可以是用非常薄的非氧化金屬終止氧化金屬，例如鎳上的金，以便于形成電連接。
[0119]此外，接觸結(jié)構(gòu)122的橫向尺寸可以大于或小于接觸結(jié)構(gòu)123的橫向尺寸，使得在鍵合后，接觸結(jié)構(gòu)123的周界(perimeter)被包含于接觸結(jié)構(gòu)122內(nèi)或者接觸結(jié)構(gòu)122的周界被包含于接觸結(jié)構(gòu)123的周界內(nèi)。更大