(57)【要約】  貫通ウェーハ相互接続および同相互接続を製造する方法が開示される。本方法は、導電ウェーハの材料を除去することによって、パターン形成したトレンチを形成するために導電ウェーハから出発する。パターン形成したトレンチは、深さがウェーハの前面から裏面に達し、全体的に導電ウェーハを内部分と外部分とに分割する環状開口部を有し、それによって導電ウェーハの内部分は、外部分から絶縁されて貫通ウェーハ導体としての役目をする。誘電材料が、パターン形成したトレンチの中へ形成または追加され、貫通ウェーハ導体を機械的に支持しおよび電気絶縁する。多導体を、アレイとして形成することもできる。
2008541473.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
超小型電子構造の中に貫通ウェーハ相互接続を製造する方法であって、
前面および裏面を有する導電ウェーハを備えるステップと、
前記導電ウェーハの材料を除去することによって、前記導電ウェーハの中にパターン形成したトレンチを形成するステップであって、前記パターン形成したトレンチは、環状周囲開口部であって、前記開口部に沿って全体的に前記導電ウェーハを内部分と外部分とに分割する環状周囲開口部を有し、前記導電ウェーハの前記内部分は、前記外部分から絶縁されて貫通ウェーハ導体としての役目をすることと、
充填剤材料を前記パターン形成したトレンチの中へ追加するステップと
を備えることを特徴とする方法。
【請求項２】
前記充填剤材料は、前記内部分と前記外部分との間の機械的支持体として機能するように前記パターン形成したトレンチの中へ追加されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記充填剤材料は、前記内部分を前記外部分から電気絶縁する誘電材料であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記パターン形成したトレンチは、第１の断面サイズを有する第１のトレンチ部分と、前記第１の断面サイズとは異なる第２の断面サイズを有する第２のトレンチ部分とを含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記貫通ウェーハ導体は、前記パターン形成したトレンチの第１の部分によって包囲されおよび画定された第１の部分と、前記パターン形成したトレンチの第２の部分によって包囲されおよび画定された第２の部分とを有し、前記貫通ウェーハ導体の前記第２の部分は前記貫通ウェーハ導体の前記第１の部分よりも小さい断面サイズを有することを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記導電ウェーハは、互いに接合された２つの別体の層である上部層および下部層を有することを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記導電ウェーハの前記２つの別体の層は、介在する材料層を備えることなく直接互いに接合されることを特徴とする請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記導電ウェーハは、ドープされたシリコンウェーハであることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記導電ウェーハは、異なるドーピング水準を有する上部区間および下部区間を有するドープされたシリコンウェーハであることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記パターン形成したトレンチを前記形成するステップは、
前記パターン形成したトレンチの第１の部分を前記前面および前記裏面の一方から形成するステップと、
前記パターン形成したトレンチの第２の部分を他方の面から形成するステップと
を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
前記パターン形成したトレンチを前記形成するステップは、ストップ位置を画定するために前記第１の部分の下部の上にストップ層を形成するように、前記パターン形成したトレンチの前記第１の部分を酸化するステップをさらに含み、前記パターン形成したトレンチの前記第２の部分が前記ストップ位置に達するとき、前記パターン形成したトレンチの前記第２の部分を前記形成するステップが止まることを特徴とする請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記パターン形成したトレンチを前記形成するステップは、前記パターン形成したトレンチの前記第１の部分および前記第２の部分の少なくとも一方の中に誘電材料を追加するステップを含むことを特徴とする請求項１０に記載の方法。
【請求項１３】
前記パターン形成したトレンチの少なくとも一部は、除去されなかった導電ウェーハ材料の線が介挿された開放通路を備えるように、トレンチ開口部の内部でさらに微細パターン形成されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１４】
除去されなかった導電ウェーハ材料の前記線の間に充填剤材料を追加するステップをさらに備えることを特徴とする請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
除去されなかった導電ウェーハ材料の前記線を酸化するステップをさらに備えることを特徴とする請求項１３に記載の方法。
【請求項１６】
除去されなかった導電ウェーハ材料の前記酸化された線の間に充填剤材料を追加するステップをさらに備えることを特徴とする請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
パターン形成したトレンチを前記形成するステップは、同じように特徴付けられた複数のパターン形成したトレンチを形成するステップを含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１８】
前記複数のパターン形成したトレンチはアレイとして横並びに配置され、隣接するパターン形成したトレンチは共通のトレンチ面を共有することを特徴とする請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記複数のパターン形成したトレンチはアレイとして横並びに配置され、隣接するパターン形成したトレンチは介在する空間によって分離されることを特徴とする請求項１７に記載の方法。
【請求項２０】
前記介在する空間は、隣接する導体をデカップリングするために導電材料によって占有されることを特徴とする請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
前記介在する空間の中の前記導電材料は、前記導電ウェーハの除去されなかった導電材料を含むことを特徴とする請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
前記導電ウェーハは導電シリコンウェーハであり、パターン形成したトレンチを前記形成するステップは、
前記導電シリコンウェーハの前記前面および前記裏面の一方からエッチングによって、前記パターン形成したトレンチの第１の部分を形成するステップと、
前記パターン形成したトレンチの前記第１の部分の表面を覆って酸化層を形成するステップと、
前記パターン形成したトレンチの前記第１の部分の下部の上の前記酸化層の少なくとも一部を除去するステップと、
前記パターン形成したトレンチの前記第１の部分の前記下部に、拡大した空洞を等方性シリコンエッチングによって形成するステップと、
前記拡大した空洞の下部表面を酸化することによってストップ層を形成するステップと、
前記ストップ層に達するために、前記導電シリコンウェーハの他方の面からエッチングすることによって、前記パターン形成したトレンチの第２の部分を形成するステップとを含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項２３】
超小型電子構造の中に貫通ウェーハ相互接続を形成する方法であって、
前面および裏面を有する導電ウェーハを備えるステップと、
前記導電ウェーハの材料を除去することによって、前記導電ウェーハの中にパターン形成したトレンチを形成するステップと、
を含み、
（ａ）  前記パターン形成したトレンチは、環状周囲開口部であって、前記開口部に沿って全体的に前記導電ウェーハを内部分と外部分とに分割する環状周囲開口部を有し、それによって前記導電ウェーハの前記内部分は、前記外部分から絶縁されて貫通ウェーハ導体としての役目をし、
（ｂ）  前記パターン形成したトレンチの少なくとも一部は、除去されなかった導電ウェーハ材料の線が介挿された開放通路を備えるように、トレンチ開口部の内部でさらに微細パターン形成されることを特徴とする方法。
【請求項２４】
除去されなかった導電ウェーハ材料の前記線は、前記２つの部分間に枠組を形成して、前記導電ウェーハの前記内部分および前記外部分を連結しおよび支持することを特徴とする請求項２３に記載の方法。
【請求項２５】
前記枠組が前記導電ウェーハの前記内部分と前記外部分との間を電気絶縁するように、除去されなかった導電ウェーハ材料の前記線の少なくとも一部を完全に酸化するステップをさらに含むことを特徴とする請求項２４に記載の方法。
【請求項２６】
除去されなかった導電ウェーハ材料の前記線を酸化するステップをさらに含むことを特徴とする請求項２３に記載の方法。
【請求項２７】
除去されなかった導電ウェーハ材料の前記酸化された線の間に充填剤材料を追加するステップをさらに含むことを特徴とする請求項２６に記載の方法。
【請求項２８】
除去されなかった導電ウェーハ材料の前記線の間に充填剤材料を追加するステップをさらに含むことを特徴とする請求項２３に記載の方法。
【請求項２９】
除去されなかった導電ウェーハ材料の前記線の少なくとも一部をエッチングするステップをさらに含むことを特徴とする請求項２８に記載の方法。
【請求項３０】
除去されなかったウェーハ材料の前記線を除去することによって形成された間隙の内部に別の充填剤材料を追加するステップをさらに含むことを特徴とする請求項２９に記載の方法。
【請求項３１】
前記パターン形成したトレンチの上部分の中へ第１の誘電材料を追加するステップと、
前記パターン形成したトレンチの下部分の中へ第２の誘電材料を追加するステップと
をさらに含むことを特徴とする請求項２３に記載の方法。
【請求項３２】
パターン形成したトレンチを前記形成するステップは、
前面からエッチングストップ層を形成するステップと、
前記裏面から前記エッチングストップ層までエッチングすることによって、前記パターン形成したトレンチを形成するステップと
を含むことを特徴とする請求項２３に記載の方法。
【請求項３３】
パターン形成したトレンチを前記形成するステップは、前記導電ウェーハの前記前面から深いシリコンエッチングによって、前記パターン形成したトレンチを形成するステップを含むことを特徴とする請求項２３に記載の方法。
【請求項３４】
前記導電ウェーハの前記前面の上に上部導電ウェーハを接合するステップと、
前記上部導電ウェーハの材料を除去することによって、前記上部導電ウェーハの中に上部パターン形成したトレンチを形成するステップと、をさらに含み、
（ａ）  前記上部パターン形成したトレンチは、環状周囲開口部であって、前記開口部に沿って全体的に前記上部導電ウェーハを内部分と外部分とに分割する環状周囲開口部を有し、それによって前記導電ウェーハの前記内部分は、前記外部分から絶縁されて上部貫通ウェーハ導体としての役目をし、
（ｂ）  前記上部貫通ウェーハ導体および前記貫通ウェーハ導体は、組み合わせられた貫通ウェーハ導体を形成するために導電的に接続されることを特徴とする請求項２３に記載の方法。
【請求項３５】
前記上部貫通ウェーハ導体は、前記貫通ウェーハ導体の断面サイズよりもかなり大きな断面サイズを有することを特徴とする請求項３４に記載の方法。
【請求項３６】
前記上部パターン形成したトレンチを形成する前に、デバイスを前記上部導電ウェーハの面上にまたは上方に少なくとも部分的に形成するステップをさらに含むことを特徴とする請求項３４に記載の方法。
【請求項３７】
超小型電子構造の中に貫通ウェーハ相互接続を製造する方法であって、
第１の導電ウェーハおよび第２の導電ウェーハであって、前記第１の導電ウェーハの下面が前記第２の導電ウェーハの上面に接触するように、第１の導電ウェーハおよび第２の導電ウェーハを接合するステップと、
パターン形成したトレンチの第１の部分を前記第１の導電ウェーハの上面を貫通して形成するステップと、
前記パターン形成したトレンチの第２の部分を前記第２の導電ウェーハの裏面を貫通して形成するステップと、
を含み、
パターン形成したトレンチの前記第１の部分および前記第２の部分は、それぞれが全体的に前記それぞれの導電ウェーハを内部分と外部分とに分割する環状周囲開口部を有し、前記それぞれの導電ウェーハの前記内部分は前記それぞれの導電ウェーハの前記外部分から絶縁され、前記第１の導電ウェーハの前記内部分および前記第２の導電ウェーハの前記内部分は、貫通ウェーハ導体としての役目をするように電気接続されることを特徴とする方法。
【請求項３８】
前記第１の導電ウェーハおよび前記第２の導電ウェーハは、これらの間に介在層を備えることなく、直接互いに接合されることを特徴とする請求項３７に記載の方法。
【請求項３９】
前記第１の導電ウェーハおよび前記第２の導電ウェーハを接合する前に、前記第２の導電ウェーハの前記上面側に空洞を形成するステップと、前記空洞の少なくとも下部表面の上にエッチングストップ層を形成するために、前記下部表面を酸化するステップと、をさらに含み、前記パターン形成したトレンチの下部分を前記形成するステップは、前記第２の導電ウェーハの前記裏面を貫通して前記エッチングストップ層までエッチングするステップを含むことを特徴とする請求項３７に記載の方法。
【請求項４０】
前記第１の導電ウェーハおよび前記第２の導電ウェーハを接合した後に、前記第１の導電ウェーハおよび前記第２の導電ウェーハの一方の上に超小型電子デバイスの少なくとも一部を製造するステップをさらに含むことを特徴とする請求項３７に記載の方法。
【請求項４１】
前記パターン形成したトレンチの前記第２の部分は、前記パターン形成したトレンチの前記第１の部分のトレンチ開口よりも広いトレンチ開口を有し、それによって前記パターン形成したトレンチの前記第２の部分によって包囲されおよび画定された前記貫通ウェーハ導体の第２の部分は、前記パターン形成したトレンチの前記第２の部分によって包囲されおよび画定された前記貫通ウェーハ導体の第１の部分よりも小さい断面サイズを有することを特徴とする請求項３７に記載の方法。
【請求項４２】
前記第１の導電ウェーハおよび前記第２の導電ウェーハの少なくとも一方は、超小型電子デバイスの少なくとも一部を収容するために予め製造されるか、または他方の導電ウェーハに接合された後に、前記少なくとも一方の導電ウェーハの上に超小型電子デバイスを製造することを可能にすることを特徴とする請求項３７に記載の方法。
【請求項４３】
前記パターン形成したトレンチの前記第２の部分は、除去されなかった導電ウェーハ材料の線が介挿された開放通路を備えるように、前記トレンチ開口部の内部でさらに微細パターン形成されることを特徴とする請求項３７に記載の方法。
【請求項４４】
除去されなかった導電ウェーハ材料の前記線は、前記２つの部分間に枠組を形成して、前記導電ウェーハの前記内部分および前記外部分を連結しおよび支持することを特徴とする請求項４３に記載の方法。
【請求項４５】
前記枠組が前記導電ウェーハの前記内部分と前記外部分との間を電気絶縁するように、除去されなかった導電ウェーハ材料の前記線の少なくとも一部を完全に酸化するステップをさらに含むことを特徴とする請求項４４に記載の方法。
【請求項４６】
超小型電子構造の中で、ウェーハの前面および裏面上の電気接点間に電気伝導性の相互接続を設ける貫通ウェーハ相互接続であって、
前記ウェーハの前記前面を通過して前記ウェーハの前記裏面に達する貫通ウェーハ導体と、
前記導体の少なくとも主要本体部分を包囲する絶縁体と、
前記貫通ウェーハ導体および前記絶縁体を包囲するフレームと、を備え、
前記貫通ウェーハ導体の少なくとも一部および前記フレームのそれぞれの包囲部分は、それぞれが前記ウェーハの固有材料を含むことを特徴とする貫通ウェーハ相互接続。
【請求項４７】
前記ウェーハは導電ウェーハであることを特徴とする請求項４６に記載の貫通ウェーハ相互接続。
【請求項４８】
前記貫通ウェーハ導体は、断面サイズおよび材料特性の少なくとも一方の態様が相互に異なる上部分および下部分を含むことを特徴とする請求項４６に記載の貫通ウェーハ相互接続。
【請求項４９】
前記絶縁体は、断面サイズおよび材料特性の少なくとも一方の態様が相互に異なる上部分および下部分を含むことを特徴とする請求項４６に記載の貫通ウェーハ相互接続。
【請求項５０】
前記ウェーハは、互いに接合された上部層および下部層を含むことを特徴とする請求項４６に記載の貫通ウェーハ相互接続。
【請求項５１】
前記絶縁体は、前記ウェーハの固有材料を除去することによって前記ウェーハの中に形成された環状トレンチに追加された誘電材料を含むことを特徴とする請求項４６に記載の貫通ウェーハ相互接続。
【請求項５２】
前記絶縁体は、環状トレンチの中にパターン形成された前記ウェーハの除去されなかった固有材料の線を含むことを特徴とする請求項４６に記載の貫通ウェーハ相互接続。
【請求項５３】
前記ウェーハの除去されなかった固有材料の前記線は、前記導体と前記フレームとの間に支持枠組を形成することを特徴とする請求項５２に記載の貫通ウェーハ相互接続。
【請求項５４】
前記環状トレンチの中にパターン形成された前記ウェーハの除去されなかった固有材料の前記線の間に充填された充填剤材料をさらに含むことを特徴とする請求項５２に記載の貫通ウェーハ相互接続。
【請求項５５】
除去されなかった固有材料の前記線の少なくとも一部が酸化されることを特徴とする請求項５２に記載の貫通ウェーハ相互接続。
【請求項５６】
前記ウェーハの除去されなかった固有材料の前記線の少なくとも一部が完全に酸化されることを特徴とする請求項５２に記載の貫通ウェーハ相互接続。
【請求項５７】
前記絶縁体は、トレンチの中に充填された充填剤材料を含むことを特徴とする請求項４６に記載の貫通ウェーハ相互接続。
【請求項５８】
前記フレームは、伸張または圧縮によって撓み得るジグザグ形状壁を含むことを特徴とする請求項４６に記載の貫通ウェーハ相互接続。
【請求項５９】
それぞれの導体が導電ウェーハの前面を通過してウェーハの裏面に達する、アレイとして配置された複数の導体と、
それぞれの導体を包囲する絶縁体と、
前記複数の導体および前記絶縁体を支持するフレームとを有し、それぞれの導体の少なくとも一部および前記フレームの一部は、それぞれが前記ウェーハの固有材料を含むことを特徴とする貫通ウェーハ相互接続部品。
【請求項６０】
前記絶縁体は、それぞれが導体のそれぞれを包囲する複数の環状トレンチの中に配置され、前記環状トレンチは、前記ウェーハの固有材料を除去することによって形成されることを特徴とする請求項５９に記載の貫通ウェーハ相互接続。
【請求項６１】
前記フレームは、外部周囲壁および複数の導体間壁を有し、前記外部周囲壁は、前記複数の導体および前記絶縁体が配置される全体領域を画定し、前記複数の導体間壁が、前記全体領域を、それぞれが前記導体の１つと前記導体を包囲する前記絶縁体のそれぞれの部分とを含む複数の小領域に分割することを特徴とする請求項５９に記載の貫通ウェーハ相互接続。
【請求項６２】
前記フレームの前記導体間壁は、前記複数の導体間でデカップリング導体として機能するために導電材料を含むことを特徴とする請求項６１に記載の貫通ウェーハ相互接続。
【請求項６３】
前記導電材料は、前記層の前記固有材料であることを特徴とする請求項６２に記載の貫通ウェーハ相互接続。
【請求項６４】
前記フレームは、伸張および圧縮により撓み得るジグザグ形状壁を含むことを特徴とする請求項５９に記載の貫通ウェーハ相互接続。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超小型電子技術製造に関し、より詳細には超小型電子技術製造における貫通ウェーハ相互接続に関する。
【背景技術】
【０００２】
貫通ウェーハ相互接続とは、デバイス（例えば、集積回路ならびにセンサ、イメージャ、および変換素子などの超小型電子デバイス）をウェーハの前面上から裏面まで電気接続する構造である。デバイスを前面上から裏面に接続するためにウェーハ外の配線を必要とする従来のボンドパッド相互接続構造とは異なり、貫通ウェーハ相互接続は、ウェーハを直接貫通して延びる導体を使用して電気接続を作製する。
【０００３】
貫通ウェーハ相互接続は、ウェーハ表面上の空間を節約するためにデバイスの高密度アレイにとって大いに望ましい。ＩＣ；センサアレイ、変換素子アレイ、およびフォトイメージャアレイで使用される超小型電子デバイス；ならびに携帯電話および携帯型情報端末（ＰＤＡ）のような携帯装置で使用されるモジュールなど、電子部品の小型化に対する大きな要望が存在する。小型化は、プリント基板上における部品の占有面積の低減をもたらすばかりでなく、それはデバイス性能にも積極的な効果を及ぼすことができる。究極の小型化は、部品がチップサイズパッケージの中へ実装されるときに到達される。チップサイズ実装を可能にする従来の方法は、ＩＣの接合パッドを、例えば、ボールグリッドアレイ構成の中へ配線することを含む。垂直の個別部品および積層平面ダイを有するものなど、幾つかのデバイスでは、再配線するだけでは不十分である。これらのデバイスがＣＳＰの中へ実装され得るように裏面の対処を可能にするために異なる方法が必要である。この点において、貫通ウェーハ相互接続は有力な技術であることがわかっている。さらには、貫通ウェーハ相互接続は、多数のパッケージの同時製造をもたらすウェーハレベルの処理を可能とする。この利点は、技術の高度な複雑さにより発生する恐れのある追加的な実装費用を抑える。それはまた、ウェーハ表面中にまたはウェーハを横切って延びる長い配線を回避し、したがって望ましくない寄生静電容量および高い相互接続抵抗を低減する。
【０００４】
ほとんどの貫通ウェーハ相互接続は、接続材料が充填される貫通ウェーハビアまたは穴を用いて実施される。従来技術の貫通ウェーハ相互接続が、図１に示されている。この貫通ウェーハ相互接続は、最初に穴１２を空け、次いでこの穴１２の表面上にシード層１４を形成し、引き続いて（例えば、電気メッキ法を使用して）シード層１４の上に金属層１６を形成することによって、基板１０を貫通するビアの中に構築される。金属層１６は、基板１０の一方の面上にあるデバイスまたはコネクタ（図示せず）を他方の面上のデバイスまたはコネクタに電気接続するための貫通ウェーハ導体としての役目をする。典型的な用途では、デバイスは基板１０の上面にある。貫通ウェーハ導体（金属層１６）は、デバイスを裏面上のコネクタ（接続パッドまたは接続ボールなど）に接続する。
【０００５】
本出願は、２００５年５月１８日に出願した米国特許仮出願第６０／６８２６１９号の優先権を主張するものであり、該出願はその全体が参照により本明細書に組み込まれる。
【０００６】
本出願はさらに、本出願人によって本出願と同日に出願した３つの国際出願（ＰＣＴ）（特許文献１、特許文献２および特許文献３）の全体を参照により本明細書に組み込むものである。
【０００７】
【特許文献１】国際出願（ＰＣＴ）（整理番号０３００４−０２）明細書‘METHODS FOR FABRICATING MICRO-ELECTRO-MECHANICAL DEVICES'
【特許文献２】国際出願（ＰＣＴ）（整理番号０３００４−０３）明細書‘MICRO-ELECTRO-MECHANICAL TRANSDUCERS'
【特許文献３】国際出願（ＰＣＴ）（整理番号０３００４−０４）明細書‘MICRO-ELECTRO-MECHANICAL TRANSDUCERS'
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上に示した貫通ウェーハ相互接続の製造プロセスは、通常複雑であり、かなり高度な技術を要する。この製造プロセスはまた、設計を最適化する自由度にも欠ける。例えば、図１に示した金属層１６の厚さは、既存の電気メッキ技術によって本来的に限定されている。得られる貫通ウェーハ相互接続も物理的な柔軟性に欠ける。したがって、貫通ウェーハ相互接続の製造プロセスおよび性能を向上させるために貫通ウェーハ相互接続の新規の設計を導入することが望ましい。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本出願は、貫通ウェーハ相互接続および同相互接続を製造する方法を開示する。ウェーハ中にビアを形成し、このビアの中へ（例えば、電気メッキ、薄膜堆積などによって）導電材料を導入することによって貫通ウェーハ相互接続を作製する既存の方法とは異なり、本発明の方法は、導電ウェーハの固有材料から貫通ウェーハ導体を形成するために、導電ウェーハ、例えば、高度にドープしたシリコンウェーハから出発することによって逆の手法を取る。
【００１０】
本発明の１つの態様は、超小型電子構造の中に貫通ウェーハ相互接続を製造する方法である。本方法は、（１）前面および裏面を有する導電ウェーハを備えるステップと、（２）導電ウェーハの材料を除去することによって、パターン形成したトレンチを形成するステップとを含む。パターン形成したトレンチは、環状周囲開口部であって、この開口部に沿って全体的に導電ウェーハを内部分と外部分とに分割する環状周囲開口部を有し、それによって導電ウェーハの内部分は、外部分から絶縁されて貫通ウェーハ導体としての役目をする。誘電材料が、導体と包囲構造とを互いに機械的に連結するために、パターン形成したトレンチの中へ追加されるかまたはその中に形成され得る。
【００１１】
様々な形状が、パターン形成したトレンチに適切である。例えば、パターン形成したトレンチは、ウェーハの異なる深さにある２つの部分で異なる断面サイズ（直径など）を有してもよい。１つの実施形態では、貫通ウェーハ導体は、パターン形成したトレンチの下部分によって包囲されおよび画定された下部分と、パターン形成したトレンチの上部分によって包囲されおよび画定された上部分とを有する。貫通ウェーハ導体の下部分は、貫通ウェーハ導体の上部分よりも小さい断面サイズを有する。
【００１２】
貫通ウェーハ導体は、２つの連続的な区間を有する導電層の中に形成されてもよいし、または互いに接合された２つの別体の層である上部層および下部層を有する導電ウェーハの中に形成されてもよい。別の実施形態では、導電ウェーハは、異なるドーピング水準を有する上部区間および下部区間を有するドープされたシリコンウェーハである。好ましい実施形態では、パターン形成したトレンチの下部分は、上部分のトレンチ開口部よりも広いトレンチ開口部を有し、それによってパターン形成したトレンチの下部分によって包囲されおよび画定された、貫通ウェーハ導体の下部分は、パターン形成したトレンチの上部分によって包囲されおよび画定された、貫通ウェーハ導体の上部分よりも小さい断面サイズを有する。
【００１３】
１つの実施形態では、本方法は、パターン形成したトレンチの第１の部分を前面または裏面の一方から形成するステップと、パターン形成したトレンチの第２の部分を他方の面から形成するステップとを追加的に有する。パターン形成したトレンチの第１の部分は、パターン形成したトレンチの第２の部分を形成するステップが止まるためのストップ位置を画定するために、この第１の部分の上にストップ層を形成するように酸化され得る。誘電材料が、パターン形成したトレンチの第１の部分および第２の部分の少なくとも一方の中へ追加されるか、またはその中に形成され得る。
【００１４】
別の実施形態では、パターン形成したトレンチの少なくとも一部が、除去されなかった導電ウェーハ材料の線が介挿された開放通路を備えるように、トレンチ開口部の内部でさらに微細パターン形成される。除去されなかった導電ウェーハ材料の線は、誘電材料を追加する効果を実現するために酸化され得る。別法としてまたは追加的に、充填剤材料が、除去されなかった導電ウェーハ材料の酸化された線の間に追加され得る。別の実施形態では、第１の誘電材料が、パターン形成したトレンチの上部分の中へ追加され、第２の誘電材料が、パターン形成したトレンチの下部分の中へ追加される。
【００１５】
除去されなかった導電ウェーハ材料の線は、導電ウェーハの内部分および外部分を連結しかつ支持するために、これらの２つの部分間に枠組を形成するようにパターン形成され得る。１つの実施形態では、除去されなかった導電ウェーハ材料の線の少なくとも一部は、枠組が導電ウェーハの内部分と外部分との間を電気絶縁するように、完全に酸化される。別の実施形態では、充填剤材料がトレンチの中へ追加され、次いで、除去されなかった導電ウェーハ材料の線の少なくとも一部は、枠組が導電ウェーハの内部分と外部分との間を電気絶縁するようにエッチングで除去される。
【００１６】
本方法は、同じように特徴付けられた複数のパターン形成したトレンチを形成するために用いられ得る。複数のパターン形成したトレンチはアレイとして横並びに配置可能であり、隣接するパターン形成したトレンチは共通のトレンチ面を共有するか、または隣接するパターン形成したトレンチが、介在する空間によって分離される。介在する空間は、隣接する導体をデカップリングするために導電材料によって占有され得る。介在する空間の中の導電材料は、導電ウェーハの除去されなかった固有導電材料であり得る。
【００１７】
製造方法の１つの実施形態では、導電ウェーハは導電シリコンウェーハであり、パターン形成したトレンチは、半導体製造方法を使用して形成され得る。例示的な製造方法は、（１）導電シリコンウェーハの前面からエッチングによって、パターン形成したトレンチの上部分を形成するステップと、（２）パターン形成したトレンチの上部分の表面を覆って酸化層を形成するステップと、（３）パターン形成したトレンチの上部分の下部の上の酸化層の少なくとも一部を除去するステップと、（４）パターン形成したトレンチの上部分の下部に、拡大した空洞を等方性シリコンエッチングによって形成し、この拡大した空洞の下部表面を酸化することによって裏面シリコンエッチング用のストップ層を形成するステップと、（５）導電シリコンウェーハの裏面からストップ層までエッチングすることによって、パターン形成したトレンチの下部分を形成するステップと、を含む。
【００１８】
本発明の別の態様は、２つの導電ウェーハを互いに接合することによって、超小型電子構造の中に貫通ウェーハ相互接続を製造する方法である。本方法は、（１）第１の導電ウェーハおよび第２の導電ウェーハであって、この第１の導電ウェーハの下面が第２の導電ウェーハの上面に接触するように、第１の導電ウェーハおよび第２の導電ウェーハを接合するステップと、（２）第１の導電ウェーハの材料を除去することによって、パターン形成したトレンチの上部分を第２の導電ウェーハの上面を貫通して形成するステップと、（３）上部分と接続するために、パターン形成したトレンチの下部分を第１の導電ウェーハの裏面を貫通して形成するステップとを含む。パターン形成したトレンチの第１の部分および第２の部分は、それぞれが全体的にそれぞれの導電ウェーハを内部分と外部分とに分割する環状周囲開口部を有する。それぞれの導電ウェーハの内部分は、それぞれの導電ウェーハの外部分から絶縁され、第１の導電ウェーハの内部分および第２の導電ウェーハの内部分は、貫通ウェーハ導体としての役目をするように電気接続される。
【００１９】
１つの実施形態では、第２の導電ウェーハを接合する前に、空洞が第１の導電ウェーハの上面側に形成され、この空洞の少なくとも下部表面の上にエッチングストップ層を形成するために、この下部表面が酸化される。次いで、パターン形成したトレンチの下部分は、第１の導電ウェーハの裏面を貫通してエッチングストップ層までエッチングすることによって形成される。
【００２０】
第２の導電ウェーハは、超小型電子デバイスの少なくとも一部を収容するために予め製造可能であるか、または第１の導電ウェーハに接合した後に、超小型電子デバイスを製造することを可能にする。後者の場合には、第２の導電ウェーハを接合した後に、超小型電子デバイスの少なくとも一部が、第２の導電ウェーハの上に製造され得る。次いで、金属層が、第２の導電ウェーハの上に堆積され、およびパターン形成され得る。
【００２１】
好ましい実施形態では、寄生静電容量を最小化するために、パターン形成したトレンチの下部分が、パターン形成したトレンチの上部分のトレンチ開口部よりも広いトレンチ開口部を有し、それによって、パターン形成したトレンチの下部分によって包囲されおよび画定された貫通ウェーハ導体の下部分が、パターン形成したトレンチの上部分によって包囲されおよび画定された貫通ウェーハ導体の上部分よりも小さい断面サイズを有する。
【００２２】
別の好ましい実施形態では、パターン形成したトレンチの下部分が、除去されなかった導電ウェーハ材料の線が介挿された開放通路を備えるように、トレンチ開口部の内部でさらに微細パターン形成される。除去されなかった導電ウェーハ材料の線は、導電ウェーハの内部分および外部分を連結しおよび支持するために、これらの２つの部分間に枠組を形成するようにパターン形成され得る。除去されなかった導電ウェーハ材料の線の少なくとも一部は、別の誘電材料がトレンチの中へ追加された後に、完全に酸化されるかまたはエッチングによって除去され得る。
【００２３】
本発明の別の態様は、超小型電子構造の中で、ウェーハの前面および裏面上の電気接点間に電気伝導性の相互接続を設ける貫通ウェーハ相互接続である。貫通ウェーハ相互接続は、（１）ウェーハの前面を通過してウェーハの裏面に達する貫通ウェーハ導体と、（２）導体の少なくとも主要本体部分を包囲する絶縁体と、（３）貫通ウェーハ導体および絶縁体を包囲するフレームとを備える。貫通ウェーハ導体の少なくとも一部およびフレームのそれぞれの包囲部分は、それぞれがウェーハの固有材料を含む。１つの実施形態では、導体の少なくとも一部およびフレームのそれぞれの包囲部分はウェーハの共通固有材料を含む。ウェーハは、導電ウェーハであることが好ましい。
【００２４】
絶縁体は、ウェーハの固有材料を除去することによってウェーハの中に形成された環状トレンチに追加された誘電材料であり得る。例えば、酸化物が、環状トレンチの中にパターン形成されたウェーハの除去されなかった固有材料の線の上に形成され得る。別法としてまたは追加的に、充填剤材料が、環状トレンチの中にパターン形成されたウェーハの除去されなかった固有材料の線の間に充填されてもよい。
【００２５】
貫通ウェーハ相互接続の１つの実施形態では、フレームが、伸張または圧縮によって撓み得るジグザグ形状壁を有する。
【００２６】
本発明の別の態様は、（１）それぞれの導体が導電ウェーハの前面を通過して導電ウェーハの裏面に達する、アレイとして配置された複数の導体と、（２）それぞれの導体を包囲する絶縁体と、（３）複数の導体および絶縁体を支持するフレームと、を有する貫通ウェーハ相互接続部品である。それぞれの導体の少なくとも一部およびフレームの一部は、それぞれが導電ウェーハの固有材料を含む。１つの実施形態では、絶縁体は、それぞれがそれぞれの導体を包囲する複数の環状トレンチの中に配置される。環状トレンチは、導電ウェーハの固有材料を除去することによって形成される。１つの実施形態では、フレームは、外部周囲壁および複数の導体間壁を有し、外部周囲壁デバイスは、複数の導体および絶縁体が配置される全体領域を画定し、複数の導体間壁が、この全体領域を、それぞれが導体とこの導体を包囲する絶縁体のそれぞれの部分とを含む複数の小領域に分割する。フレームの導体間壁は、複数の導体間のデカップリング導体として機能するために導電材料を含み得る。
【００２７】
本発明の独特な設計は、伸張または圧縮によって撓み得るジグザグ形状壁を有するフレームを備えるフレキシブル貫通ウェーハ相互接続を可能にする。
【００２８】
本発明は、貫通ウェーハ相互接続を作製するために導体をウェーハに導入する従来の手順を回避する。その代わりに、本発明は、貫通ウェーハ導体を形成するために導電ウェーハの固有の導電材料を使用することを可能にする。導体は、標準的な半導体製造プロセスを用いて形成され得る絶縁体を使用して、ウェーハの他の部分から絶縁される。本方法は、寄生静電容量を最小化するための導体の形状、絶縁体の形状および特性ならびに貫通ウェーハ相互接続全体の形状および機械的特性の設計に関して、より大きな工学的自由を導入する。本方法は、例えば、シリコンウェーハ上で用いられるとき、様々な形状および構造を創出するために半導体製造および微細機械加工を利用することができる。対照的に、従来の方法は、ビア穴の寸法および形状ならびに薄膜堆積、酸化もしくは電気メッキなどのプロセスによって形成された薄膜の厚さによって限定される。
【００２９】
本発明に係る本方法および貫通ウェーハ相互接続は、より広範な技術領域に用途を有する。それは、デジタルカメラおよび画像能力を有する無線装置で使用される超小型電子イメージャ；微細機械加工された超音波変換素子；光学通信、光学表示器等用の微小ミラーアレイなどの超小型電子デバイスを組み立ておよび実装するのに特に有用である。
【００３０】
以上のおよび他の特徴ならびに利点は、添付図を参照しながら行われる、幾つかの実施形態に関する以下の詳細な説明からより明白になるだろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
本発明に係る貫通ウェーハ相互接続が図と一緒に詳細に説明される。これらの図では、同じ部品が同じ参照数字または文字で示されている。
【００３２】
本明細書では、「円形の」および「環状の」という言葉は、形状が輪状の形態、ほぼ輪状の湾曲形状、または概ね円環状に形作られる配置を有するという最も広い意味において示唆するに過ぎず、丸い形状または他のいかなる形状を特に示唆するものでもなく、それは必ずしも全体的に完全なもしくは切れ目のない輪または円環を示唆するものでもない。
【００３３】
図２は、本発明に係る貫通ウェーハ相互接続の模式的な断面図である。この貫通ウェーハ相互接続は、ウェーハ２００の中に構築される。この貫通ウェーハ相互接続は、ウェーハ２００の前面（上部）を貫通してウェーハの裏面（下部）に達する導体２１０を含む。導体２１０は絶縁体２２０によって包囲されており、導体２１０および絶縁体２２０は共にフレーム２３０によって包囲されている。本発明に係る貫通ウェーハ相互接続は、導体２１０の少なくとも一部およびフレーム２３０のそれぞれの包囲部分が、それぞれにウェーハ２００の固有材料を含むことを特徴とする。これは、本明細書に説明される製造方法の文脈でより明確に示されるように、ウェーハ２００が導電材料から作製される場合、導体２１０がウェーハ２００から直接製造され得ることを意味する。
【００３４】
本明細書においては、導電材料は、１×１０４Ω−ｃｍ未満の抵抗率を有するものとして定義される。本製造方法の説明で示されるように、本発明の貫通ウェーハ相互接続を製造するために特に有用な１つの導電材料は、ドープしたシリコンウェーハである。
【００３５】
導体２１０はウェーハ２００の前面（上部）および裏面（下部）の両方から導電的にアクセス可能であるので、適切なコネクタ（図示せず）が備わっていれば、本発明に係る貫通ウェーハ相互接続は、ウェーハ２００の前面および裏面上の電気的接点間に電気的に伝導性の相互接続を設ける。これはより広い技術領域で多くの用途を有する。それは、デジタルカメラおよび画像機能を有する無線装置で使用される超小型電子イメージャ；微細機械加工された超音波変換素子；光通信、光表示器等のための微小ミラーアレイなど、超小型電子デバイスの組立および実装に特に有用である。
【００３６】
例えば、超小型電子デバイス（図示せず）は、ウェーハ２００の前面（上部）上に直接配置または製造されて、ウェーハ２００の前面上に配置される集積回路（図示せず）に接続可能である。次いで、この集積回路は、電気接点（図示せず）を介して導体２１０に接続される。導体２１０自体は、ウェーハ２００の裏面上にある別の電気接点（図示せず）に接続可能である。原理上は、貫通ウェーハ相互接続を必要とし、またはそれによって利益を受け得る任意のデバイスが、本発明に係る貫通ウェーハ相互接続を使用することができる。
【００３７】
貫通ウェーハ相互接続の従来技術の構想とは異なり、本発明の貫通ウェーハ相互接続における導体２１０は、ウェーハ中の穴またはビアに導入される外部導電材料から作製されるのではなく、導電ウェーハ２００の固有材料から作製され得る。絶縁体２２０は、ウェーハ２００から形成された間隙空間に追加された１つまたは複数の絶縁材料（誘電材料など）から作製されてもよい。本発明は、その独特の設計の故に、導体２１０、絶縁体２２０、ならびにフレーム２３０の形状、サイズ、電気的および機械的特性を設計しおよび製造する上で、高い水準の自由度を与える。例えば、導体２１０の寸法は、従来技術の貫通ウェーハ相互接続設計における薄膜堆積または電気メッキ技術によってもはや限定されることがない。例えば、導体２１０の導電率全体がより高いことが必要であれば、その要件を、導体２１０の断面サイズ（厚さ）を増大させることによって満たすことができる。
【００３８】
以下でさらに示されるように、本発明の上述の基本的な構想は、多数の変型において応用可能である。
【００３９】
図３は、本発明に係る別の貫通ウェーハ相互接続の模式的な断面図である。これは図２で図示した一般的な構想よりも特定的な実施形態である。導体３１０は、ここでは上部分３１０Ａおよび下部分３１０Ｂを有する。下部分３１０Ｂは上部分３１０Ａよりも小さい断面サイズを有し、裏面上により小さい電気接点領域をもたらし、よって寄生静電容量を低減する。絶縁体３２０は、導体３１０の上部分３１０Ａを包囲する第１の部分３２０Ａと、導体３１０の下部分３１０Ｂを包囲する第２の部分３２０Ｂとを有する。同様に、貫通ウェーハ相互接続は、導体３１０（３１０Ａおよび３１０Ｂ）と絶縁体（３２０Ａおよび３２０Ｂ）とを包囲するフレーム３３０を有する。
【００４０】
導体の上部分３１０Ａまたは導体の下部分３１０Ｂのどちらか一方、または上部分３１０Ａおよび下部分３１０Ｂの両方は、ウェーハ３００の固有導電材料を含んでもよいことが理解される。それに対応して、フレーム３３０のそれぞれの包囲部分もウェーハ３３０の同じ固有導電材料を含んでもよい。ウェーハ３００は、モノリシックウェーハであってもよいし、または導体の上部分３１０Ａまでの深さに対応する上部区間３００Ａと、導体の下部分３１０Ｂに対応する下部区間３００Ｂとを含んでもよいことがさらに理解される。上部区間３００Ａおよび下部区間３００Ｂは、単一の連続ウェーハ（ウェーハ３００）の単に２つの異なる区間であってもよい。例えば、ウェーハ３００はドープした導電シリコンウェーハであってもよく、上部区間３００Ａおよび下部区間３００Ｂが異なるドーピング水準を有する。別法として、上部区間３００Ａおよび下部区間３００Ｂが、複合ウェーハ３００を形成するように互いに接合された２つの別体の層であってもよい。ウェーハ３００の２つの別体の層（３００Ａおよび３００Ｂ）は、介在層を有することなく互いに直接接合されてもよいし、または介在層を備えて間接的に接合されてもよい。２つの別体の層３００Ａおよび３００Ｂが、これらの間にサンドイッチ状に挟まれた介在層を備えて互いに間接的に接合される構成では、導体の上部分３１０Ａから下部分３００Ｂへの導電性が中断されないことが不可欠である。
【００４１】
本発明に係る貫通ウェーハ相互接続の基本的な設計を、より複雑化された貫通ウェーハ相互接続構造を製造するために使用することができる。
【００４２】
図４Ａ〜図４Ｃは、多導体を有する貫通ウェーハ相互接続設計の模式図を示す。図４Ａは、本設計の上面図を示し、図４Ｂは本設計の下面図を示し、ならびに図４Ｃは、図４Ａおよび図４Ｂにおける破線を通る本設計の断面図を示す。
【００４３】
この貫通ウェーハ相互接続構造は、導電ウェーハ４００の中に構築されて４つの導体４１０、４１２、４１４および４１６のアレイを有し、それぞれが導電ウェーハ４００の前面（上部）を通過して導電ウェーハ４００の裏面（下部）に達する。この貫通ウェーハ相互接続構造は、上部分４２０Ａおよび下部分４２０Ｂを有するパターン形成した絶縁体をさらに有する。絶縁体（４２０Ａおよび４２０Ｂ）は、導電ウェーハ４００の前面を通過して導電ウェーハ４００の裏面に達する。この絶縁体は導体４１０、４１２、４１４および４１６のそれぞれを包囲する。フレーム４３０が、導体４１０、４１２、４１４および４１６と絶縁体（４２０Ａおよび４２０Ｂ）とを支持する。図２〜図３に示した貫通ウェーハ相互接続と同様に、図４Ａ〜図４Ｃにおける貫通ウェーハ相互接続構造は、それぞれの導体４１０、４１２、４１４および４１６の少なくとも一部と、フレーム４３０の少なくとも一部とが、それぞれに導電ウェーハ４００の固有材料を含み、導体４１０、４１２、４１４および４１６と、フレーム４３０の少なくとも一部とが、導電ウェーハ４００から直接製造されることを可能とすることを特徴とする。
【００４４】
導体４１０、４１２、４１４および４１６は、ウェーハ４００の裏面（下部）からウェーハ４００の前面（上部）上のデバイス（図示せず）にアクセスするために使用される。
【００４５】
さらに図４Ａ〜図４Ｃを参照すると、導体４１０、４１２、４１４および４１６は、それぞれが上部分（４１０Ａ、４１２Ａ、４１４Ａおよび４１６Ａのそれぞれ）と、下部分（４１０Ｂ、４１２Ｂ、４１４Ｂおよび４１６Ｂのそれぞれ）とを有することが示されている。下部分４１０Ｂ、４１２Ｂ、４１４Ｂおよび４１６Ｂはそれぞれが、上部分４１０Ａ、４１２Ａ、４１４Ａおよび４１６Ａのそれぞれよりも小さい断面サイズを有する。導体４１０、４１２、４１４および４１６の上部分（４１０Ａ、４１２Ａ、４１４Ａおよび４１６Ａ）は、導電ウェーハ４００の上部区間４００Ａの中にある絶縁体の上部分４２０Ａに対応する。導体４１０、４１２、４１４および４１６の下部分（４１０Ｂ、４１２ＢＡ、４１４Ｂおよび４１６Ｂ）は、導電ウェーハ４００の下部区間４００Ｂの中にある絶縁体の下部分４２０Ｂに対応する。したがって、下部分４２０Ｂは、それぞれの上部分４２０Ａよりも大きい断面サイズを有する。
【００４６】
図４Ｃでは、２つの区間４００Ａおよび４００Ｂが、同じ連続的なモノリシックの単一ウェーハ４００に属することが示されている。２つの区間４００Ａおよび４００Ｂは同一の材料であってもよいが、異なるドーピング水準を有する同じウェーハでもあり得る。
【００４７】
図４Dには、別の構成が示されているが、そこでは上部分４１０Ａ、４１２Ａ、４１４Ａおよび４１６Ａと、下部分４１０Ｂ、４１２Ｂ、４１４Ｂおよび４１６Ｂとが、２つの別体の層、すなわち、互いに接合されて複合ウェーハ４００を形成する上部層４０１Ａと下部層４０１Ｂとに属する。２つの別体の層４０１Ａおよび４０１Ｂは、図４Ｄに示したように直接互いに接合されてもよいし、または介在材料（図示せず）を介して間接的に接合されてもよいことが理解される。
【００４８】
ウェーハ４００が上部層４１０Ａおよび下部層４０１Ｂから作製される場合は、導体の上部分および絶縁体の上部分は上部層４０１Ａの中に形成されてもよく、他方で導体の下部分および絶縁体の下部分は下部層４０１Ｂの中に形成されてもよい。断面サイズの差異に加えて、導体の上部分および導体の下部分はまた、異なる材料から作製可能である。同様に絶縁体の上部分および絶縁体の下部分も異なる材料から作製可能である。本明細書に例示された基本設計に基づいて、多くの変型または変更が実施可能であることが理解される。唯一の要件は、ウェーハ４００の上面と下面との間の導体４１０、４１２、４１４および４１６に沿って、導電性経路が維持されることである。
【００４９】
図４Ａ〜図４Ｄおよび以下の他の図では、４つの同一の導体アレイを使用する相互接続設計を示す。しかし、貫通ウェーハ相互接続設計は、任意の数のデバイス、デバイスの任意のアレイ、貫通ウェーハ導体の任意のアレイ、または異なる数のデバイスおよび導体を有する多連アレイ、ならびに貫通ウェーハ相互接続を必要とし得るかまたはそれから利益を受け得る他の任意の構成に使用可能であることが理解される。さらには、図示の実施例では、導体、絶縁体、およびフレームの断面が正方形を有するが、これらの部分は、その配置が本発明に従って所望の貫通ウェーハ相互接続を設ける限り、任意の幾何学形状であり得ることが理解される。
【００５０】
図５Ａ〜図５Ｃは、多導体を有する別の貫通ウェーハ相互接続設計の模式図を示す。図５Ａは本設計の上面図を示し、図５Ｂは本設計の下面図を示し、ならびに図５Ｃは図５Ａおよび５Ｂにおける破線を通る本設計の断面図を示す。
【００５１】
図５Ａ〜図５Ｃにおける貫通ウェーハ相互接続構造は、図４Ａ〜図４Ｃにおけるものと同様である。貫通ウェーハ相互接続構造は導電ウェーハ５００の中に構築されて４つの導体５１０、５１２、５１４および５１６のアレイを有し、それぞれが導電ウェーハ５００の前面（上部）を通過して導電ウェーハ５００の裏面（下部）に達する。貫通ウェーハ相互接続構造は、それぞれが対応する導体５１０、５１２、５１４および５１６を包囲する絶縁体５２０、５２２、５２４および５２６を有するパターン形成した絶縁体アセンブリと、導体５１０、５１２、５１４および５１６と絶縁体アセンブリ（絶縁体５２０、５２２、５２４および５２６）とを機械的に支持するフレーム５３０とをさらに有する。図２〜図３および図４Ａ〜図４Ｃに示した貫通ウェーハ相互接続と同様に、図５Ａ〜図５Ｃにおける貫通ウェーハ相互接続構造は、それぞれの導体５１０、５１２、５１４および５１６の少なくとも一部とフレーム５３０の少なくとも一部とが、それぞれに導電ウェーハ５００の固有材料を含み、導体５１０、５１２、５１４および５１６とフレーム５３０の少なくとも一部とが、導電ウェーハ５００から直接製造されることを可能にすることを特徴とする。
【００５２】
図５Ａ〜図５Ｃでは、導体５１０、５１２、５１４および５１６は、それぞれが上部分（５１０Ａ、５１２Ａ、５１４Ａおよび５１６Ａのそれぞれ）と下部分（５１０Ｂ、５１２Ｂ、５１４Ｂおよび５１６Ｂのそれぞれ）とを有することも示されている。下部分５１０Ｂ、５１２Ｂ、５１４Ｂおよび５１６Ｂは、それぞれが上部分５１０Ａ、５１２Ａ、５１４Ａおよび５１６Ａのそれぞれよりも小さい断面サイズを有する。これは、過剰に大きな貫通ウェーハ導体をもたらすことで、高い寄生静電容量などの望ましくない効果を引き起こす必要もなく、貫通ウェーハ導体の上部分５１０Ａ、５１２Ａ、５１４Ａおよび５１６Ａを貫通する大きな相互接続接点領域の実現を可能とする。
【００５３】
上部分５１０Ａ、５１２Ａ、５１４Ａおよび５１６Ａと下部分５１０Ｂ、５１２Ｂ、５１４Ｂおよび５１６Ｂとが、同じ連続的な単一ウェーハ５００の異なる区間に属してもよいし、または複合ウェーハ５００を形成するために互いに接合された２つの別体の層に属してもよいことが理解される。２つの別体の層は、直接互いに接合されてもよいし、または介在材料（図示せず）を介して間接的に接合されてもよい。
【００５４】
図４Ａ〜図４Ｃにおける貫通ウェーハ相互接続構造とは異なり、図５Ａ〜図５Ｃの貫通ウェーハ相互接続は、わずかにより精緻なフレーム５３０を有する。フレーム５３０は、外部周囲壁５３０ａおよび複数の導体間壁５３０ｂを有する。外部周囲壁５３０ａは、導体５１０、５１２、５１４および５１６と絶縁体５２０、５２２、５２４および５２６の絶縁体アセンブリとが配置される全体領域を画定し、他方で複数の導体間壁５３０ｂは全体領域を複数の小領域にさらに分割し、それぞれが導体５１０、５１２、５１４および５１６の１つと、導体を包囲する絶縁体アセンブリ（本実施例では、それぞれ絶縁体５２０、５２２、５２４および５２６）のそれぞれの包囲部分とを含む。
【００５５】
フレーム５３０の導体間壁５３０ｂはまた、複数の導体５１０、５１２、５１４および５１６間のデカップリング導体として機能する導電材料を有することができる。この導電材料も導電ウェーハ５００の固有材料であってもよく、よってデカップリング導体（フレーム５３０の導体間壁５３０ｂ）が、貫通ウェーハ導体５１０、５１２、５１４および５１６と一緒に導電ウェーハ５００から製造されることを可能にする。デカップリング導体は、ある一定の電圧源（ＤＣまたはＡＣ）に接続可能である。このデカップリング設計は、電気ＡＣ信号が絶縁材料を介して導体間を結合できるので、本明細書に示された貫通ウェーハ相互接続設計に有用である。導体５１０、５１２、５１４および５１６間にデカップリング導体５３０ｂなどの導電性の層または壁を配置することは、これらの導体間の電気的結合を遮断する助けになる。
【００５６】
図５Ｄは、図５Ａ〜図５Ｃにおける貫通ウェーハ相互接続構造の変型の断面図を示す。図５Ｄでは、導体間壁５３１ｂが外部周囲壁５３０ａよりも低く、ウェーハ５００の下方部分のみを横切って延びる。
【００５７】
幾つかの特殊な用途では、変換素子が、フレキシブル貫通ウェーハ接続に接続される必要があり得る。フレキシブル貫通ウェーハ接続は、接続の厚さを薄くすることによって実現可能である。しかし、本発明の貫通ウェーハ相互接続の独特な設計では、貫通ウェーハ接続に沿った部分（導体、絶縁体およびフレーム）が、ただその薄さだけではなく、その形状によってもフレキシブル構造として設計され得る。
【００５８】
図６は、本発明に係るフレキシブル貫通ウェーハ相互接続構造の下面図を示す。図６の貫通ウェーハ相互接続構造は、図５Ａ〜図５Ｃにおけるものと同様である。示された破線から断面図が取られると、それは図５Ｃに示してある断面図と同様に見える。フレーム６３０は、導体６１０、６１２、６１４および６１６（図示の下部分６１０Ｂ、６１２Ｂ、６１４Ｂおよび６１６Ｂ）と、絶縁体６２０、６２２、６２４および６２６の絶縁体アセンブリとが配置される全体領域を画定する外部周囲壁６３０−１、６３０−２、６３０−３および６３０−４を有する。フレーム６３０はまた、それぞれが導体６１０、６１２、６１４および６１６の１つと、導体を包囲する絶縁体アセンブリのそれぞれの部分（本実施例では、絶縁体６２０、６２２、６２４および６２６のそれぞれ）とを含む小領域に、全体領域をさらに分割する導体間壁６３０−５および６３０−６も有する。
【００５９】
図５Ａ〜図５Ｃにおける貫通ウェーハ相互接続構造とは異なり、フレーム６３０の壁６３０−２、６３０−４および６３０−６は、薄いセグメントから作製されてジグザグ形状を有する。これらの薄いジグザグ形状壁は、伸張または圧縮によってある一定程度の柔軟性を与える。このような柔軟性は、貫通ウェーハ相互接続構造が、可動部分を有するか、または曲げを蒙る部分を有する超小型電子デバイスを製造および実装するために使用されるときに特に有用であり得る。
【００６０】
製造方法の説明でより明確に説明されるように、図４Ａ〜図４Ｃ、図５Ａ〜図５Ｄおよび図６で上に示した貫通ウェーハ相互接続中の１つまたは複数の絶縁体は、環状トレンチの中に配置されてそれぞれが各導体を包囲する。環状トレンチは、導電ウェーハの固有材料を除去することによって形成される。絶縁体は、環状トレンチに追加された誘電材料を含んでもよい。
【００６１】
図７は、本発明に係る貫通ウェーハ相互接続導体を包囲する絶縁体の実施例である。絶縁体７２０は、ウェーハ（図示せず）上に形成された環状トレンチの中に配置されて、空間７４５が介挿された、ウェーハの除去されなかった固有材料の線７４０を構成する。除去されなかった固有材料の線７４０は、パターン形成エッチング法（詳細が製造方法の説明の中で以下に本明細書で示される）などのパターン形成材料除去方法を使用して環状トレンチを形成するときに形成される。除去されなかった固有材料の線７４０は、導体（例えば、図４Ａ〜図４Ｃにおける導体４１０および４１２）とそれらの包囲フレーム（例えば、図４Ａ〜図４Ｃにおけるフレーム４３０）との間に支持枠組を形成することができる。絶縁体７２０による電気絶縁を保証するために、ウェーハの除去されなかった固有材料の線７４０が酸化され得る。電気絶縁をさらに保証するために、除去されなかった固有材料の線７４０の少なくとも一部は、線７４０によって形成された支持枠組が導体とフレーム（これも導電ウェーハの一部であり、したがって導電性である）との間で十分に絶縁性があるように完全に酸化され得る。別法としてまたは追加的に、除去されなかった固有材料の線７４０間の空間７４５を充填するために誘電充填剤材料が追加されてもよい。
【００６２】
図８は、本発明に従って変更された導体の実施例を示す。この導体は、最初にウェーハの固有材料から作製されたが、ウェーハの元の固有材料とは一部が異なるようにさらに変更され得る。図８に示されているように、導体８１０は、上部分８１０Ａおよび下部分８１０Ｂを有する。下部分８１０Ｂにおける元のウェーハ固有材料の一部が、下部端８１０Ｃから除去されて、除去されなかった固有材料の線８４０間に空間８４５を形成する。次いで、新たな材料が、この一部が中空になった構造に導入され、導体８１０の物理的特性を変更することができる。例えば、線８４０は、酸化を形成するために酸化されてもよいし、または新たな材料によって被覆されてもよい。追加的にまたは別法として、空間８５０に別の材料が充填されてもよい。
【００６３】
貫通ウェーハ導体に関して図８に示したものと同様の変更が、デカップリング導体（図５Ａ〜図５Ｃにおける５３０ｂ）にも実施され得る。図９は、本発明に従って変更されたデカップリング導体の実施例を示す。例示的なデカップリング導体９３０は上部分９３０Ａおよび下部分９３０Ｂを有する。下部分９３０Ｂ中における元のウェーハ固有材料の一部が、下部端９３０Ｃから除去されて、除去されなかった固有材料の線９４０間に空間９４５を形成する。次いで、新たな材料が、この一部が中空にされた構造に導入され、デカップリング導体９３０の物理的特性を変更することができる。例えば、線９４０は、酸化を形成するために酸化されてもよいし、または新たな材料によって被覆されてもよい。別法として、空間９４５に別の材料が充填されてもよい。
【００６４】
本明細書に説明された導体は任意の導電材料から作製可能である。１つの適切な選択は、半導体ウェーハ（例えば、シリコン、ＧａＡ等）を使用して導体を形成することである。多量にドープされた半導体ウェーハは、導電率を向上させるために使用され得る。図４Ａ〜図４Ｄ、図５Ａ〜図５Ｄおよび図６〜図９で論じられたように、貫通ウェーハ導体は２つの部分から作製され得る。上部分が、ウェーハの前表面上のデバイスを接続するために使用される。それぞれの導体における上部分の形状は、通常、貫通ウェーハ相互接続に接続するデバイスの寸法および形状によって決定される。例えば、導体の上部分は、容量性の微細機械加工された超音波変換素子（ｃＭＵＴ）の電極の１つとしての役目を果たし得る。導体の下部分は、相互接続の静電容量と抵抗との間の兼ね合いを図って設計される。静電容量は導体の直径の長さと伴に増大する。より大きな断面サイズの（すなわち、より厚い）貫通ウェーハ導体は、より大きな寄生静電容量を意味する。他方で、抵抗は導体の断面サイズと伴に減少する。これらの性能を最適化するために平衡が取られる。
【００６５】
絶縁体の上部分および絶縁体の下部分は、同じ材料から作製されてもよいし、または異なる材料から作製されても良い。限定するものではないが、両方が真空、空気、シリコン、酸化物、窒化物、シリコンオングラス（SOG）、テトラエトキシシラン（TEOS）、ポリイミド、重合体、ゴム、ポリジメチルシロキサン（PDMS）、ポリメタクリル酸メチル（PMMA）、エポキシ、ゲル、および超音波変換素子用の任意の充填材料、またはこれらの組合せを含めて、任意の種類の媒体または材料から作製され得る。しかし、適切な絶縁を保証するために、有用な組合せによって、全体として非導電性である絶縁体が得られるべきである。異なる材料の組合せが絶縁体の一部（上部分または下部分）に使用されるとき、少なくとも１つの材料が絶縁材料であることが好ましい。さらには、絶縁体の構成は、ウェーハまたはデバイスがデバイス製造プロセス時にならびにデバイス組立および実装時に耐え得るように、機械的な強さをウェーハに与えるべきであることが望ましい。
【００６６】
本明細書に説明された製造方法に示されているように、貫通ウェーハ接続は、ある一定の製造工程において、処理されたウェーハの研削および研磨を使用して所望の厚さに制御され得る。より容易でかつより信頼性のある製造プロセスおよび実装処理のためには、通常、より厚い貫通ウェーハ接続が好ましいが、デバイス性能を向上させるためにはより薄い貫通ウェーハ接続が通常は望ましい。しばしば均衡が取られる必要がある。しかし、このような矛盾は、慎重に設計された製造プロセスによって少なくとも一部が回避される。例えば、ウェーハを薄くすることは、貫通ウェーハ接続の製造の前、後または最中に実施可能である。ウェーハの厚さが薄すぎてプロセス時に処理できない場合には、貫通ウェーハ接続を有する薄いウェーハは、適切なウェーハ接合技術または適切な静摩擦層を使用して別のウェーハに接合または粘着されてもよい。この技術を使用すると、得られる接合ウェーハは、全体として、処理されるのに十分に堅牢になり得る。
【００６７】
電気的特性の他に、貫通ウェーハ接続に接続する特定のデバイスの特殊な必要性を満たすために、貫通ウェーハ接続の設計上の他のパラメータも考慮され得る。例えば、ＩＲセンサでは、熱伝導性および熱キャパシタンスが重要なパラメータである。例えば、慣性センサでは、貫通ウェーハ相互接続が、環境からの振動結合に非感受性であるように設計され得る。超音波変換素子では、貫通ウェーハ相互接続の材料選択および構造構成は、幾つかの音響特性を実現するために使用されるべきである。例えば、相互接続は、ｃＭＵＴ要素間を音響的にデカップリングし、変換素子から基板の中へ漏れる音響エネルギーを吸収するべきである。本発明における貫通ウェーハ相互接続は、所望の性能を実現するために、多くの様々な材料を選択し、さらに様々な形状および構成を有する導体、絶縁体ならびにデカップリング導体を設計するための融通性を与える。
【００６８】
貫通ウェーハ相互接続の製造方法
多様な製造方法を用いて本発明に係る貫通ウェーハ相互接続を作製することができる。貫通ウェーハ相互接続の製造は、デバイス製造プロセスの前または後に実施可能である。さらには、貫通ウェーハ相互接続の製造がデバイスの製造と統合されてもよい。
【００６９】
製造方法の選択は、デバイス製造および貫通ウェーハ相互接続製造の材料互換性およびプロセス互換性（例えば、プロセス熱予算、エッチング選択性、ウェーハ表面微細構成、およびウェーハ剛性等）に応じる。プロセス方法および使用材料は、互換性を保証するために、プロセス温度などの要素に配慮して、それぞれの製造工程で慎重に評価されるべきである。これは、デバイスおよび相互接続の製造が統合されるときに特に重要である。
【００７０】
以下に、本発明の貫通ウェーハ相互接続に関する幾つかの例示的な製造方法が説明される。シリコンウェーハが、例示目的のためのこれらの実施例で使用される。しかし、材料およびプロセス選択を含めて、これらの例示的な実施例によって製造方法が限定されることはない。
【００７１】
採用された個々の工程は、その所期の目的の文脈で広く解釈されるべきである。例えば、「材料を追加する」という語句は、追加される材料が外部材料でなければならないことを意味するものではない。材料は、別法としてまたは追加的に、酸化などの新たな材料を形成するプロセスによって追加されてもよいことが理解される。さらには、薄くするプロセスは、下のプロセスの流れの実施例には示されていない。ウェーハを薄くするプロセスは、製造プロセスの前および／または最中に実施可能であることが理解される。
【００７２】
下で説明される幾つかの製造方法は、デバイス製造と貫通ウェーハ相互接続製造との統合の程度を示す。しかし、相互接続の製造方法は、デバイス製造と統合されてもまたは統合されなくてもよいことが理解される。
【００７３】
さらには、貫通ウェーハ相互接続は、本明細書に説明された様々な製造方法の幾つかの工程を組み合わせることによって、または工程の順番を変更することによって製造されてもよい。
【００７４】
（１）製造方法Ｉ
図１０−１〜図１０−５は、第１の例示的な製造方法の工程の流れを示す。図１０−４Bは、プロセス中の別法の工程を示す。図１０−３Ｂは、図１０−３Ａに示した工程後の貫通ウェーハ相互接続構造の下面図である。プロセスの流れが以下のステップで概説される。
【００７５】
ステップ１（図１０−１）では、パターン形成した上部トレンチ１０１０が、貫通ウェーハ導体の上部分１０２０と導体間フレーム１０２５の上部分とを画定するためにシリコンエッチングによってシリコンウェーハ１０００の上に形成される。導体間フレーム１０２５の実施例が、図５Ａ〜５Ｄで導体間壁５３０ｂとして例示されている。しかし、導体間フレーム１０２５を備えない貫通ウェーハ相互接続（図４Ａ〜図４Ｄに示したものなど）を製造するために、同様のプロセスを使用してもよいことが理解される。
【００７６】
シリコンウェーハ１０００の上部から眺めると、パターン形成した上部トレンチ１０１０は、上面図である図４Ａおよび図５Ａに例示したものと同様の環状円周開口部を示す。本明細書では、「環状の」という用語は、開口部が概ね円環状に形作られていることを意味するが、円環の任意特定の形状を示唆するものでもなければ、それは円環が全体的に完全であるかまたは切れ目がないことを示唆するものでもない。
【００７７】
図４Ａおよび図５Ａなどの例示的な上面図に示したように、環状上部トレンチ１０１０は、シリコンウェーハ１０００をトレンチ開口部に沿って全体的に内部分と外部分とに分割し、それによってシリコンウェーハの内部分が、作製されている貫通ウェーハ相互接続の貫通ウェーハ導体としての役目をすることになる。
【００７８】
ステップ２（図１０−２）では、熱酸化１０３０（または低温酸化物（LTO）、窒化物等）が、次のステップにおける裏面シリコンエッチングのためにエッチングストップ層１０４０を形成するために上部トレンチ１０１０を覆って成長させられる。追加的にまたは別法として、必要であれば、充填材料（図示せず）がトレンチ１０１０の中へ追加されてもよい。充填材料は、外部材料でもよいし、またはトレンチ１０１０中の除去されなかった固有材料を酸化することによって形成されてもよい。裏面シリコンエッチングは、導体の下部分の形状を画定することになる。
【００７９】
ステップ３（図１０−３Ａ）では、裏面シリコンエッチングが下部トレンチ１０６０を形成するために実施される。下部トレンチ１０６０のパターン全体が、貫通ウェーハ導体１０５０の下部分を画定する。例示した特定の実施例では、下部トレンチ１０６０にウェーハ材料が全く存在しないわけではない。そうではなく、それぞれの下部トレンチ１０６０が、除去されなかった導電ウェーハ材料の薄いシリコン線１０６５が介挿された開放通路（間隙または空間）１０４５を備えるように、トレンチ開口部の内部で微細パターン形成される。下部トレンチ１０６０内部の微細パターンの形状、サイズ、および空間は、それが空虚なトレンチの特性の有意味な変更または次のステップの適正な準備を行う限り、特定のモデルのいずれにも限定されない。
【００８０】
ステップ４（図１０−４Ａ）では、薄いシリコン線１０６５の微細パターンが酸化される。随意選択的には（図１０−４Ｂ）、薄いシリコン線１０６５間の開放通路１０４５が、シリコン線１０６５を酸化することなく、充填材料１０５５で充填されてもよい。充填材料１０５５は、酸化物、ポリジメチルシロキサン、シリコンオングラス（ＳＯＧ）、または所望の電気的もしくは機械的特性を実現するための別の材料でもよい。
【００８１】
ステップ５（図１０−５）では、薄いシリコン線１０６５が上のステップ４で酸化される場合には、随意選択的に、薄いシリコン線１０６５間の開放通路１０４５が充填材料１０５５で依然として充填され得るが、この充填材料は、酸化物、ポリジメチルシロキサン、シリコンオングラス、または所望の電気的もしくは機械的特性を実現するための別の材料でよい。
【００８２】
薄いシリコン線１０６５は、これらの薄い線１０６５が酸化され得るように、空間（開放通路１０４５）が充填され得るように、かつ酸化により誘発される応力が最小化されるように設計されることが好ましい。
【００８３】
パターン形成した薄いシリコン線１０６５の２つの例示的な設計が、ステップ３（図１０−３Ａ）の終了時におけるシリコンウェーハ１０００の下面図を示す図１０−３Ｂおよび１０−３Ｃに例示されている。図１０−３Ｂに示したパターンは、図１０−４Ａおよび図１０−５に示したステップに続く。図１０−３Ｃに示したパターンは、図１０−４Ｂに示したステップに続く。シリコン線の他の多くの可能なパターンおよび多様な異なる厚さが使用可能である。パターンは、望ましくは製造および実装プロセス時にウェーハに十分な機械的強度を与えるべきである。例えば、除去されなかった導電ウェーハ材料の線は、導電ウェーハの内部分（導体１０５０）および外部分（フレーム１００５）を連結しかつ支持するために、これらの２つの部分間に枠組を形成することができる。
【００８４】
微細パターン中の薄いシリコン線１０６５の少なくとも一部または薄いシリコン線１０６５の幾つかのセグメントは、それが導体間に絶縁を形成するために完全に酸化され得るように、十分に薄いことが好ましい。図１１−１〜図１１−２は、完全に酸化され得るセグメントを有する例示的な薄いシリコン線を示す。図１１−１は酸化前の薄いシリコン線１１００を示す。図１１−２は、セグメント１１１０および１１２０が完全に酸化されている、酸化後の薄いシリコン線１１００を示す。
【００８５】
さらには、パターンは、酸化プロセス時に蓄積される応力を最小化するように、かつ、必要であれば、所望の特性を有する選択材料（例えば、低温酸化物、シリコンオングラス、テトラエトキシシラン、窒化物、ポリイミド、重合体、ゴム、ポリジメチルシロキサン、メタクリル酸メチル、エポキシ、ゲル等）によって容易に充填されるように設計可能である。最後に、パターン自体は、貫通ウェーハ相互接続によって支持されるデバイスに特に関連する所望の特性を有するように設計可能である。例えば、パターンは、貫通ウェーハ相互接続が微細機械加工された超音波変換素子を支持するために使用されるとき、ある一定の音響インピーダンスを実現するように設計される。さらには、必要であれば、パターン形成した構造は、所望の方向へ撓み得るように設計可能である。
【００８６】
デバイス製造（例えば、ｃＭＵＴの製造）は、酸化ステップ（ステップ３）の後で開始されてもよい。本実施例で示した貫通ウェーハ接続は、デバイス製造の前または最中に実施可能である。
【００８７】
さらには、ステップ２（図１０−２）の後で、（好ましくは絶縁性の）充填材料が上部トレンチ１０１０の中へ追加されてもよい。この手順によって、上部トレンチ１０１０自体の内部の絶縁材料が、プロセス時に導体（またはウェーハ）を十分に堅牢に保持する程に十分な強度を与えることが可能である。この場合には、トレンチ１０６０の形状および内部パターンは、導体を支持しかつそれを接続するための枠組を形成するように設計せずに済ますことができる。図１０−３Ｃに実施例が示されている。したがって、導体間の電気絶縁は、パターン形成したトレンチ中の微細パターンの酸化を利用するのではなく、単に絶縁充填剤材料をトレンチの中へ追加することによって実現されてもよい。
【００８８】
さらには、本実施例における貫通ウェーハ相互接続の製造方法は、最初に下部トレンチ１０６０を形成し、次いで上部トレンチ形成１０１０および誘電材料の充填（図示せず）を完了することによって、逆の順序で実施可能である。
【００８９】
（２）製造方法ＩＩ
図１２−１〜図１２−７は、第２の例示的な製造方法のプロセスの流れを示す。このプロセスの流れは、以下のステップにより説明される。
【００９０】
ステップ１（図１２−１）では、上部トレンチ１２１０が、シリコンウェーハ１２００の上にエッチングされる。酸化物１２２０が空洞１２１０を覆って成長させられる。酸化物１２２０は、上部トレンチ１２１０中の酸化物のみが、引き続くステップにおいて裏面シリコンエッチングのエッチングストップ１２２５として維持されるようにパターン形成される。
【００９１】
ステップ２（図１２−２）では、第２のウェーハ１２３０が、上部トレンチ１２１０の上部の上方でシリコンウェーハ１２００に接合される。ウェーハ１２３０は、導体の上部分を形成するために所望の厚さに研削される。層１２３０もシリコンオンインシュレータ（ＳＯＩ）ウェーハ中のシリコン層から取られてもよい。
【００９２】
ステップ３（図１２−３）では、デバイス１２３５（例えば、ｃＭＵＴ）が、後段で酸化が必要な場合に、この製造されたデバイスが依然として高温プロセスを許容する段階まで第２のウェーハ１２３０の面上にまたは上方に製造される。デバイス１２３５は、細部または厳密な位置を示すことなく単純な箱によって表されている。デバイス１２３５の製造は、さらなる後続の高温プロセスステップがなければ、このステップで終了してもよい。第２のウェーハ１２３０は、デバイス１２３５の下部電極などの電気接点としての役目をする。
【００９３】
ステップ４（１２−４）では、パターン形成した下部トレンチ１２４０が、導体の下部分１２５０を画定するために裏面エッチングを用いて形成される。パターン形成した下部トレンチ１２４０は、間隙もしくは空間１２４５が介挿されるかまたはそれによって相互から離間される、シリコンウェーハ１２００の除去されなかった固有材料のパターン形成した線１２６５を有する。図１０−３Ｂまたは図１０−３Ｃに示されたものなど、線１２６５および空間１２４５の任意のパターンが、所望のプロセスおよび特性に応じて設計されかつ使用されてもよいことが理解される。
【００９４】
ステップ５（図１２−５）では、パターン形成した下部トレンチ１２４０が、導体１２５０間に絶縁を形成するために酸化される。好ましくは、先のシリコンエッチングステップ（ステップ４）で画定されたシリコン線１２６５の少なくとも一部が完全に酸化される。より好ましくは、シリコン線１２６５のすべてが完全に酸化される。この酸化はまた、貫通ウェーハ相互接続の下部分１２５０ばかりでなく、外部フレーム１２０５および導体間フレーム１２５５の下部分を覆う酸化物層１２７０を形成する。
【００９５】
ステップ４（図１２−４）で、層１２３０およびデバイス１２３５が、プロセスに耐えるために導体（またはウェーハ）を保持する程に十分な強度を与え得る場合には、トレンチ１２４０の形状およびパターンは、このような目的を果たすように設計されずに済ますことができる。例えば、トレンチ１２４０は、導体とフレームとの間の電気絶縁を直接実現するために（図１０−３Ｃに示したパターンなど）、ウェーハを切り通すように設計されてもよい。したがって、酸化ステップ（ステップ５、図１２−５）は、導体間に絶縁を形成する必要がない。しかし、プロセスを終了するために必要であれば、依然として充填材料がトレンチ内部の空洞の中へ追加されてもよい。
【００９６】
ステップ６（図１２−６）では、パターン形成した下部トレンチ１２４０中の間隙または空間１２４５が、所望の特性を有する材料１２６０を使用して充填される。導体にアクセスするために、ビアが、貫通ウェーハ導体の下部分１２５０の下部表面上の酸化物１２７０の上に空けられる。その後に、所望の特性を有する金属層１２８０が堆積されかつパターン形成される。その後で導体間の間隙が充填されることになっていなければ、ハードマスクを使用して貫通ウェーハ相互接続の裏面上に金属パターンを形成してもよい。
【００９７】
ステップ７（図１２−７）では、前部表面上へのデバイス１２３５の製造が完了され、導体の上部分１２５２がシリコンエッチングによってさらに画定される。
【００９８】
本方法では、本明細書に説明された他の方法と同様に、幾つかのステップ（酸化および充填材料の追加など）が随意選択的であることが理解される。これは、本明細書で随意選択的であると特に指摘されたものだけに限定されるものではない。
【００９９】
（３）製造方法ＩＩＩ
図１３−１〜図１３−８は、第３の例示的な製造方法のプロセスの流れを示す。本方法は、導体の下部分を画定する裏面シリコンエッチングのためのエッチングストップを画定するために異なる技術を使用する以外は、上の第２の方法と同様である。プロセスの流れが、以下のステップで説明される。
【０１００】
ステップ１（図１３−１）では、上部トレンチ１３１０がシリコンウェーハ１３００の上にエッチングされる。酸化物１３２０が、上部トレンチ１３１０を覆って成長させられる。次いで、上部トレンチ１３１０の下部１３２２にある酸化物が除去される。
【０１０１】
ステップ２（図１３−２）では、等方性シリコンエッチングが空洞１３２４を形成するために実行される。等方性シリコンエッチングによって創出された空洞１３２４の表面は、裏面シリコンエッチングのためのストップ層１３２５を形成するために酸化される。所望であれば、トレンチ１３１０には、このステップにおいて充填剤材料（図示せず）が充填され得る。
【０１０２】
ステップ３（図１３−３）では、デバイス１３３０（例えば、ｃＭＵＴ）が、後段で酸化が必要な場合に、この製造されたデバイスが依然として高温プロセスを許容する段階までウェーハ１３００の面上にまたは上方に製造される。デバイス１３３０の製造は、さらなる後続の高温プロセスステップがなければ、このステップで終了されてもよい。
【０１０３】
ステップ４からステップ８までのプロセス（図１３−４〜図１３−８）は、製造方法ＩＩにおけるステップ４（図１２−４）からステップ７（図１２−７）までに説明されたプロセスと同様である。これらの図では、パターン形成された下部トレンチ１３４０、シリコンウェーハ１３００の除去されなかった固有材料のパターン形成した線１３６５、空間１３４５、貫通ウェーハ導体の下部分１３５０、導体間フレーム１３５５、充填剤材料１３６０、酸化物層１３７０、金属層１３８０、および導体の上部分１３５２は、製造方法ＩＩにおけるその均等物と同様である。
【０１０４】
本方法では、本明細書に説明された他の方法と同様に、幾つかのステップが随意選択的であることが再び理解される。
【０１０５】
（４）製造方法ＩＶ
図１４−１〜図１４−６は、第４の例示的な製造方法のプロセスの流れを示す。プロセスの流れが以下のステップで概説される。
【０１０６】
ステップ１（図１４−１）では、図１２−１、図１２−２および図１２−３に示された上記製造方法ＩＩの最初の３ステップで説明された同じステップが、シリコンウェーハ１４００上で最初に実行される。上部トレンチ１４２０および裏面エッチングストップ層１４２５が、これらのステップで形成される。デバイス１４９０の製造方法は、この段階で完了されてもよい。
【０１０７】
ステップ２（図１４−２Ａ）では、パターン形成された下部トレンチ１４４０が、貫通ウェーハ導体の下部分１４５０を画定するために裏面エッチングを用いて形成される。パターン形成した下部トレンチ１４４０は、間隙または空間１４４５が介挿されるかまたはそれによって相互から離間される、シリコンウェーハ１４００の除去されなかった固有材料のパターン形成した線１４６５を有する。線１４６５および空間１４４５の任意のパターンが、所望のプロセスおよび特性に応じて設計されかつ使用されてよいことが理解される。このステップでは、デカップリング導体としての役目を果たし得る導体間フレーム１４５５が、所望であれば形成されてもよい。
【０１０８】
さらには、ステップ２では、導体の構造および特性をさらに変更するために、裏面エッチングが、貫通ウェーハ導体のフレーム１４０５、導体間フレーム１４５５、および下部分１４５０の上にも実行されてもよい。この技術を用いて、貫通ウェーハ相互接続技術を使用して製造されかつ実装されている特定種類のデバイスのために、幾つかの所望の効果を実現することができる。例えば、デバイスが、微細機械加工された超音波変換素子（ＭＵＴ）である場合に特殊な音響特性を実現するために、特殊なパターンがエッチング可能であり、材料が追加可能であり、およびエッチングされたパターンの中に酸化が実行可能である。
【０１０９】
図１４−２Ｂに、この余分の図示された裏面エッチングおよびウェーハ変更の実施例が例示されており、それは、ステップ２における断面図１４−２Ａの別法であるが、追加的なエッチングを伴う。この余分の製造ステップは同様の方式で他の製造方法に組み込まれ得ることが理解される。
【０１１０】
ステップ３（図１４−３）では、パターン形成した下部トレンチ１４４０中の間隙または空間１４４５が、所望の特性を有する材料１４６０を使用して充填される。
【０１１１】
ステップ４（図１４−４Ａ）では、下部トレンチ１４４０中のシリコンパターンの全部または一部が、導体１４５０と導電性フレーム（１４０５および１４５５）との間を絶縁するためにエッチングされる。例えば、ここでは、先に除去されなかったシリコン線１４６５の少なくとも一部が、間隙（空間）１４６６を形成するために除去されてもよい。ステップ２で論じられたように、このようなエッチングが先のステップ（例えば、ステップ２）で実行済みでない場合には、貫通ウェーハ導体の下部分１４５０および導電性フレーム（外部フレーム１４０５および導体間フレーム１４５５）もこのステップにおいて所望のパターンにエッチングされ得る。
【０１１２】
図１４−４Ｂは、ステップ４の後の下面図である。
【０１１３】
ステップ５（図１４−５）では、ステップ４におけるシリコンエッチングから創出された間隙１４６６が、所望の特性を有する１つまたは複数の材料１４６７を使用して充填される。このステップは随意選択的である。次いで、金属層１４８０が、貫通ウェーハ導体および導電性フレームの下部表面上に堆積されかつパターン形成される。
【０１１４】
ステップ６（図１４−６）では、デバイス製造がウェーハ表面上で完了され、貫通ウェーハ導体の上部分１４５２が、ウェーハの上面からのエッチングによってさらに画定される。
【０１１５】
製造方法１〜３と比べて、製造方法４は、導体と導電性フレームとの間を絶縁するために熱酸化の高温プロセスを使用しない。その代わりに、導体間のシリコンパターンの全部または一部が、これらの間の絶縁を実現するためにエッチングされる（ステップ４参照）。この理由のために、所望の特性を有する少なくとも１つの材料が、貫通ウェーハ導体の下部分も画定する裏面シリコンエッチングによって創出されたシリコンパターン内部の間隙または空間を充填するために使用されるべきである。対照的に、製造方法１〜３では、酸化物パターン内部の間隙を充填するステップは完全に随意選択的である。
【０１１６】
上の製造方法ＩＶも、得られる方法が、上部トレンチ１４２０および裏面エッチングストップ層１４２５が異なるように形成されることを除いて、実質的に製造方法ＩＶと同様であるように製造方法Ｉ〜ＩＩＩと組み合わせられてもよい。
【０１１７】
本明細書に説明された他の製造法におけるように、必要であれば、ウェーハを薄くすることが実行され得る。導体間の間隙が充填されることがない場合には、ハードマスクを使用して貫通ウェーハ相互接続の裏面上に金属パターンを形成してもよい。
【０１１８】
（５）製造方法Ｖ
図１５−１〜図１５−８は、第５の例示的な製造方法のプロセスの流れを示す。図１５−１Ｂ、図１５−２Ｂおよび図１５−３Ｂは、それぞれのステップにおける貫通ウェーハ相互接続の上面図を示す。プロセスの流れが以下のステップで概説される。
【０１１９】
ステップ１（図１５−１Ａおよび図１５−１Ｂ）では、導体間の絶縁を形成するために酸化され得るシリコンパターン１５１２有する深いトレンチ１５１１を形成するように、深いシリコンエッチングが、ウェーハ１５００の前面から所望の厚さまで実行される。所望であれば、エッチングはウェーハ１５００全体を貫通してもよい。シリコン表面上の凹所１５１３が、必要であれば最初にエッチングされ得る。図１５−１Ａは、この形成体の断面図であり、他方で図１５−１Ｂは同形成体の上面図である。本図に示された例示的なシリコンパターンは、この構造中の酸化物容積および熱応力効果を最小化するように設計されている。他のパターンも、それらが酸化され、かつ製造完了後に導体間に絶縁を形成できる限り使用されてもよい。
【０１２０】
ステップ２（図１５−２Ａおよび図１５−２Ｂ）では、先のステップで形成されたシリコンパターン１５１２が、酸化物形成体１５１４を形成するために酸化される。図１５−２Ａはこの形成体の断面図であり、他方で図１５−２Ｂは同形成体の上面図である。
【０１２１】
ステップ３（図１５−３Ａおよび図１５−３Ｂ）では、パターン形成した環状の深いトレンチ１５４１が形成される。図１５−３Ａは、この形成体の断面図であり、他方で図１５−３Ｂは同形成体の上面図である。環状の深いトレンチ１５４１は、フレーム１５０５と導体１５５０との間で一緒に枠組を形成する、除去されなかったシリコン線１５４３と空虚な空間（間隙）１５４２とを有する。環状の深いトレンチ１５４１は、導体を絶縁し、かつ導体の下部分を画定することになる。薄い酸化物が、後段のプロセス用のストップ層を形成するために成長させられてもよい。
【０１２２】
ステップ４（図１５−４）では、プライムウェーハ１５５１が凹所１５１３の上方でパターン形成したウェーハ１５００に接合され、所望の厚さに研削および研磨される。層１５５１はまた、シリコンオンインシュレータのウェーハとの接合によって獲得されてもよい。
【０１２３】
ステップ５（図１５−５）では、プライムウェーハ１５５１が、導体の上部分１５５２を形成するためにパターン形成されかつエッチングされる。ステップ５は随意選択的である。
【０１２４】
ステップ６（図１５−６）では、デバイス１５３５が製造される。エッチングプロセスが、導体の上部分を画定するために実行され得る。
【０１２５】
ステップ７（図１５−７）では、ウェーハ１５００が、このウェーハの裏面から環状の深いトレンチ１５４１の下部に到達するように研削（および必要に応じて研磨）されるか、またはエッチングされる。エッチングストップ層が先のステップで環状の深いトレンチ１５４１の下部に形成された場合には、裏面エッチングは各エッチングストップ層で止まる。
【０１２６】
ステップ８（図１５−８）では、シリコンパターン中の間隙１５４５には、必要であれば所望の材料１５６０が充填される。次いで、金属層１５８０がウェーハの裏面上に堆積されかつパターン形成される。
【０１２７】
貫通ウェーハ相互接続がｃＭＵＴ用に使用される場合には、貫通ウェーハ導体の上部分１５５２が、ｃＭＵＴの下部電極としてばかりでなく、基板としての役目も果たし得る。導体間の間隙が再充填されることがない場合には、ハードマスクを使用して貫通ウェーハ相互接続の裏面上に金属パターンを形成してもよい。
【０１２８】
本発明の貫通ウェーハ相互接続のより広い応用領域が存在する。一般に、それは、ＩＣ；センサアレイ、変換素子アレイ、およびフォトイメージャアレイで使用される超小型電子デバイス；ならびに携帯電話および携帯型情報端末のような携帯式装置で使用されるモジュールなどの電子部品を小型化するために使用され得る。本発明を応用すると、ウェーハ表面中またはそれを横切って延びる長い配線を回避し、よって望ましくない寄生静電容量および高い相互接続抵抗を低減する助けとなる。したがって、本発明は部品のチップサイズ実装（ＣＳＰ）に到達する際に、究極の小型化の実現を促進する。これは、可能性としてより効率的な製造プロセス、プリント基板上における部品の占有面積の低減、より大きなフィルファクタ（fill factor）をもたらし、ならびにデバイス性能も向上させることができる。特に、本発明の設計は、従来の再配線方法では不十分である垂直の個別部品および積層平面ダイを有するデバイス用に使用可能である。本発明の貫通ウェーハ相互接続の製造方法は、多数のパッケージの同時製造をもたらすウェーハレベルの処理を可能にする。
【０１２９】
貫通ウェーハ相互接続の１つの例示的な構想された用途は、限定するものではないが、デジタルカメラおよび携帯電話に使用されるフォトイメージャ、微細機械加工された超音波変換素子（ｃＭＵＴ、圧電性の超音波変換素子（ｐＭＵＴ）、および磁気的な超音波変換素子（ｍＭＵＴ）などのＭＵＴ）、ならびに超微小ミラーアレイを含めた、微小機械的なスマートセンサおよびアクチュエータシステムに存在する。このようなシステムは、機械的機能が異なるウェーハにわたって分布され、これらのウェーハの１つが読出し回路を内蔵するために専用である多ウェーハデバイスとしてしばしば実現される。個々に処理されたウェーハは、関連するプロセスが能動的な電気および微小機械システムの適切な動作によって課せられた制約条件と適合すれば、ウェーハツーウェーハ接合を使用して組立可能であり、本発明の貫通ウェーハ相互接続を使用して単一の機能的な電子機械ユニットに組合せ可能である。
【０１３０】
特に、本発明に係る貫通ウェーハ相互接続技術は、すべてが本出願人によって本特許出願と同日に出願された国際特許出願（ＰＣＴ）（例えば、特許文献１、特許文献２および特許文献３参照）に開示された、新規のＭＵＴ（特に、ｃＭＵＴ）の製造および実装で使用可能である。これらの特許出願は、ここで参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。
【０１３１】
以上の明細書では、本開示がその特定の実施形態を参照して説明されるが、本開示はそれらに限定されないことを当業者は認識されよう。以上に説明された開示の様々な特徴および態様は、個々にまたは併せて使用可能である。さらには、本開示は、本明細書のより広い趣旨および範囲から逸脱することなく、本開示で説明されたものを超える任意の数の環境および用途で活用可能である。本出願人は、以下の特許請求の範囲および趣旨の中に入るこのような変更および変型のすべてを請求するものである。したがって、本明細書および図面は、限定ではなく例示として考えられるべきである。本明細書で使用されたように、「備える」、「含む」および「有する」という用語は、技術の範囲が設定されない用語として読まれるべく特に企図されたものであることが理解されよう。
【図面の簡単な説明】
【０１３２】
【図１】従来技術の貫通ウェーハ相互接続を示す図である。
【図２】本発明に係る貫通ウェーハ相互接続の模式的な断面図である。
【図３】本発明に係る別の貫通ウェーハ相互接続の模式的な断面図である。
【図４Ａ】多導体を有する貫通ウェーハ相互接続設計の模式図である。
【図４Ｂ】多導体を有する貫通ウェーハ相互接続設計の模式図である。
【図４Ｃ】多導体を有する貫通ウェーハ相互接続設計の模式図である。
【図４Ｄ】図４Ｃの変型を示す図である。
【図５Ａ】多導体を有する別の貫通ウェーハ相互接続設計の模式図である。
【図５Ｂ】多導体を有する別の貫通ウェーハ相互接続設計の模式図である。
【図５Ｃ】多導体を有する別の貫通ウェーハ相互接続設計の模式図である。
【図５Ｄ】図５Ａ〜図５Ｃの貫通ウェーハ相互接続構造の変型を示す断面図である。
【図６】本発明に係るフレキシブル貫通ウェーハ相互接続構造を示す下面図である。
【図７】本発明に係る貫通ウェーハ相互接続導体を包囲する絶縁体の実施例を示す図である。
【図８】本発明に係る変更された導体の実施例を示す図である。
【図９】本発明に係る変更されたデカップリング導体の実施例を示す図である。
【図１０−１】第１の例示的な製造方法のプロセスの流れを示す図である。
【図１０−２】第１の例示的な製造方法のプロセスの流れを示す図である。
【図１０−３Ａ】第１の例示的な製造方法のプロセスの流れを示す図である。
【図１０−３Ｂ】図１０−３Ａに示したステップで、貫通ウェーハ相互接続構造における例示的なトレンチパターン設計を示す下面図である。
【図１０−３Ｃ】図１０−３Ａに示したステップで、貫通ウェーハ相互接続構造における別の例示的なトレンチパターン設計を示す下面図である。
【図１０−４Ａ】第１の例示的な製造方法のプロセスの流れを示す図である。
【図１０−４Ｂ】第１の例示的な製造方法のプロセスにおける別法のステップを示す図である。
【図１０−５】第１の例示的な製造方法のプロセスの流れを示す図である。
【図１１−１】完全に酸化されるセグメントを有する例示的な薄いシリコン線を示す図である。
【図１１−２】完全に酸化されるセグメントを有する例示的な薄いシリコン線を示す図である。
【図１２−１】第２の例示的な製造方法のプロセスのステップ１を示す図である。
【図１２−２】第２の例示的な製造方法のプロセスのステップ２を示す図である。
【図１２−３】第２の例示的な製造方法のプロセスのステップ３を示す図である。
【図１２−４】第２の例示的な製造方法のプロセスのステップ４を示す図である。
【図１２−５】第２の例示的な製造方法のプロセスのステップ５を示す図である。
【図１２−６】第２の例示的な製造方法のプロセスのステップ６を示す図である。
【図１２−７】第２の例示的な製造方法のプロセスのステップ７を示す図である。
【図１３−１】第３の例示的な製造方法のプロセスのステップ１を示す図である。
【図１３−２】第３の例示的な製造方法のプロセスのステップ２を示す図である。
【図１３−３】第３の例示的な製造方法のプロセスのステップ３を示す図である。
【図１３−４】第３の例示的な製造方法のプロセスのステップ４を示す図である。
【図１３−５】第３の例示的な製造方法のプロセスのステップ５を示す図である。
【図１３−６】第３の例示的な製造方法のプロセスのステップ６を示す図である。
【図１３−７】第３の例示的な製造方法のプロセスのステップ７を示す図である。
【図１３−８】第３の例示的な製造方法のプロセスのステップ８を示す図である。
【図１４−１】第４の例示的な製造方法のプロセスのステップ１を示す図である。
【図１４−２Ａ】第４の例示的な製造方法のプロセスのステップ２を示す図である。
【図１４−２Ｂ】第４の例示的な製造方法のプロセスにおける別法のステップを示す図である。
【図１４−３】第４の例示的な製造方法のプロセスのステップ３を示す図である。
【図１４−４Ａ】第４の例示的な製造方法のプロセスのステップ４を示す図である。
【図１４−４Ｂ】図１４−４Ａに示したステップにおける貫通ウェーハ相互接続構造を示す下面図である。
【図１４−５】第４の例示的な製造方法のプロセスのステップ５を示す図である。
【図１４−６】第４の例示的な製造方法のプロセスのステップ６を示す図である。
【図１５−１Ａ】第５の例示的な製造方法のプロセスのステップ１を示す図である。
【図１５−１Ｂ】図１５−１Ａに示した工程における貫通ウェーハ相互接続の上面図である。
【図１５−２Ａ】第５の例示的な製造方法のプロセスのステップ２を示す図である。
【図１５−２Ｂ】図１５−２Ａに示した工程における貫通ウェーハ相互接続の上面図である。
【図１５−３Ａ】第５の例示的な製造方法のプロセスのステップ３を示す図である。
【図１５−３Ｂ】図１５−３Ａに示した工程における貫通ウェーハ相互接続の上面図である。
【図１５−４】第５の例示的な製造方法のプロセスのステップ４を示す図である。
【図１５−５】第５の例示的な製造方法のプロセスのステップ５を示す図である。
【図１５−６】第５の例示的な製造方法のプロセスのステップ６を示す図である。
【図１５−７】第５の例示的な製造方法のプロセスのステップ７を示す図である。
【図１５−８】第５の例示的な製造方法のプロセスのステップ８を示す図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図４Ｄ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図５Ｄ】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０−１】
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【図１０−２】
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【図１０−３Ａ】
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【図１０−３Ｂ】
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【図１０−３Ｃ】
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【図１０−４Ａ】
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【図１０−４Ｂ】
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【図１０−５】
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【図１１−１】
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【図１１−２】
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【図１２−１】
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【図１２−２】
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【図１２−３】
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【図１２−４】
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【図１２−５】
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【図１２−６】
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【図１２−７】
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【図１３−１】
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【図１３−２】
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【図１３−３】
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【図１３−４】
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【図１３−５】
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【図１３−６】
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【図１３−７】
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【図１３−８】
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【図１４−１】
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【図１４−２Ａ】
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【図１４−２Ｂ】
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【図１４−３】
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【図１４−４Ａ】
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【図１４−４Ｂ】
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【図１４−５】
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【図１４−６】
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【図１５−１Ａ】
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【図１５−１Ｂ】
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【図１５−２Ａ】
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【図１５−２Ｂ】
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【図１５−３Ａ】
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【図１５−３Ｂ】
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【図１５−４】
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【図１５−５】
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【図１５−６】
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【図１５−７】
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【図１５−８】
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2008541473.tif 000062
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【国際調査報告】
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