接合结构及其形成方法与流程

1.本发明涉及半导体技术领域，更具体的，涉及一种接合结构。


背景技术：

2.当利用混合接合(hybrid bonding)进行管芯与晶圆(dtw)或者晶圆与晶圆(wtw)接合时，会将例如铜与铜的金属接合界面设计成凹凸结构，用以解决因接合移位(bonding shift)而导致电性连接效果变差的问题，。凹凸结构设计可减缓接合移位是因为：当有微量接合移位产生时，凸部会因接触到凹部的侧壁而顺应滑入凹部的底部，因此可以降低接合移位产生的机率。
3.但是，如果利用cmp研磨单侧金属(例如铜)表面来产生dish(凹部)，其成本较高(需消耗研磨液)，且研磨后的凹部深度不易控制。


技术实现要素：

4.针对相关技术中的上述问题，本发明提出一种接合结构，可以减缓使用习知cmp研磨金属的表面所产生的高成本与凹部深度不易控制的问题。
5.根据本发明的实施例，提供了一种接合结构，包括：第一线路层；第一接合金属层，设置在第一线路层上，并且具有第一接合表面；第一介电材料，覆盖第一接合金属层的部分上表面且暴露出第一接合表面，其中，第一介电材料提供第二接合表面，第二接合表面高于第一接合表面以与第一接合表面形成阶梯差。
6.在上述接合结构中，第一接合金属层具有锥形形状。
7.在上述接合结构中，第一接合金属层具有最大宽度和小于最大宽度的最小宽度，最大宽度靠近第一线路层，最小宽度远离第一线路层。
8.在上述接合结构中，第一介电材料具有连接在第一接合表面和第二接合表面之间的侧表面，侧表面与第一接合金属层的上表面形成夹角，夹角的范围在大于等于20度至小于90度的范围内。
9.在上述接合结构中，还包括：第二线路层；第二介电材料，覆盖第二线路层且暴露出部分的第二线路层；第二接合金属层，设置在暴露出的第二线路层上且突出于第二介电材料。
10.在上述接合结构中，第二接合金属层连接于第一接合金属层且由第一介电材料围绕。
11.在上述接合结构中，第二线路层为纳米孪晶铜材料。
12.在上述接合结构中，第二线路层具有水平晶像。
13.在上述接合结构中，还包括：第三线路层，设置在第二线路层上，第三线路层包括负热膨胀(nte)材料。
14.根据本发明的实施例，还提供了一种接合结构，包括：第二线路层；第二接合金属层，设置在第二线路层上，其中，第二接合金属层包括第一材料和第二材料，第二材料位于
第一材料与第二线路层之间；以及第二介电材料，第一材料位于第二介电材料的下表面。
15.在上述接合结构中，第二材料为纳米孪晶铜材料。
16.在上述接合结构中，第二材料具有水平晶像。
17.在上述接合结构中，第二线路层包括负热膨胀(nte)材料。
18.在上述接合结构中，第二材料连接第二线路层与第一材料。
19.在上述接合结构中，还包括：第一接合金属层；第一介电材料，覆盖第一接合金属层的部分上表面且围绕第一材料。
20.根据本发明的实施例，还提供了一种形成接合结构的方法，包括：在第一介电材料中形成第一开口；将第一接合金属材料形成在第一开口内并在第一接合金属材料的第一表面上方形成第一线路层；在第一接合金属材料的与第一表面相对的第二表面上形成由第一介电材料限定的凹部；将具有突出的第一材料的第二接合金属材料与第一接合金属材料接合，其中，突出的第一材料位于凹部中。
21.在上述方法中，还包括：在第二介电材料中形成第二开口，并在第二开口中形成第二接合金属材料的第二材料；在第二接合金属材料的第一表面上形成第二线路层；在第二接合金属材料的与第一表面相对的第二表面上形成突出于第二介电材料的第一材料。
22.在上述方法中，第二材料为纳米孪晶铜材料。
23.在上述方法中，第二材料具有水平晶像。
24.在上述方法中，第二线路层包括负热膨胀(nte)材料。
附图说明
25.当结合附图进行阅读时，从以下详细描述可最佳理解本发明的各个方面。应该强调，根据工业中的标准实践，各个部件未按比例绘制并且仅用于说明的目的。实际上，为了清楚的讨论，各个部件的尺寸可以任意地增大或减小。
26.图1是根据本发明实施例的接合结构在接合之前的示意图。
27.图2a是根据本发明实施例的接合结构在接合之后的示意图。
28.图2b是图2a的接合结构的局部放大示意图。
29.图3a至图3p是根据本发明实施例的形成接合结构的方法的各个阶段的示意图。
具体实施方式
30.下列公开提供了许多用于实现所提供主题的不同特征的不同实施例或实例。下面将描述元件和布置的特定实例以简化本发明。当然这些仅仅是实例并不旨在限定本发明。例如，在以下描述中，在第二部件上方或上形成第一部件可以包括第一部件和第二部件直接接触的实施例，也可以包括在第一部件和第二部件之间形成额外的部件使得第一部件和第二部件可以不直接接触的实施例。而且，本发明在各个实例中可重复参考数字和/或字母。这种重复仅是为了简明和清楚，其自身并不表示所论述的各个实施例和/或配置之间的关系。
31.根据本发明的实施例，提供了一种接合结构，包括：第一线路层；第一接合金属层，设置在第一线路层上，并且具有第一接合表面；第一介电材料，覆盖第一接合金属层的部分上表面且暴露出第一接合表面，其中，第一介电材料提供第二接合表面，第二接合表面高于
第一接合表面以与第一接合表面形成阶梯差。
32.图1是根据本发明实施例的接合结构在接合之前的示意图。如图1所示，第一接合金属层112设置在第一线路层114上。并且，具有第一接合金属层112第一接合表面115。在一些实施例中，第一接合金属层112的材料例如为铜。第一线路层114位于第一介电材料120中。第一介电材料120覆盖第一接合金属层112的部分上表面且暴露出第一接合表面115。第一接合表面115用于与另一金属层(如第二接合金属层142)接合。第一介电材料120提供第二接合表面116。第二接合表面116用于与另一介电材料(如第二介电材料)接合。第二接合表面116高于第一接合表面115以与第一接合表面115形成阶梯差。这样，在第一接合金属层112的上表面上由第一介电材料120限定一凹部119。从而，避免为了解决接合移位而利用cmp研磨金属表面来产生由金属限定的凹部，因此与习知制程相比，可以降低成本，并且由第一介电材料120限定的凹部119的深度更易于控制。
33.继续参考图1所示，第一介电材料120具有连接在第一接合表面115和第二接合表面116之间的侧表面117，侧表面117与第一接合金属层112的上表面形成一夹角α，以使得在从第一接合金属层112的上表面到第一介电材料120的上表面的方向上，凹部119的宽度逐渐增加。夹角α的范围在大于等于20度至小于90度的范围内。在其他实施例中，夹角α的范围可以是任何其他适当的角度值。
34.第一接合金属层112可以具有锥形形状。具体来说，第一接合金属层112具有最大宽度和小于最大宽度的最小宽度，最大宽度靠近第一线路层114。第一接合金属层112可以在最大宽度处与第一线路层114接触。第一接合金属层112的最小宽度远离第一线路层114。第一接合金属层112可以在其上表面处具有最小宽度。
35.此外，如图1所示，第二接合金属层142设置在第二线路层144的表面处。所述第二线路层144位于所述第二介电材料140中。第二介电材料140可以与第一介电材料120相同。第二介电材料140也可以与第一介电材料120不同。第二接合金属层142设置在第二线路层144的表面处。第二接合金属层142在朝向第一接合金属层112的方向上突出于第二介电材料140，以通过凹部119与第一接合金属层112接合。
36.第二接合金属层142可以包括第一材料1411和第二材料1412。第二材料1412位于第一材料1411与第二线路层144之间。第一材料1411位于第二介电材料140的朝向第一介电材料120的表面下方，即，第二接合金属层142的第一材料1411凸出于第二介电材料140。在一些实施例中，第一材料1411可以是铜。在一些实施例中，第二材料1412可以是纳米孪晶铜材料。纳米孪晶铜材料可以具有水平晶像。
37.此外，第二线路层144可以包括负热膨胀(nte)材料1441。nte材料1441也可以称为第三线路层。第二材料1412连接第二线路层144和第一材料1411。
38.图2a是根据本发明实施例的接合结构在接合之后的示意图。图2b是图2a的接合结构的局部放大示意图。如图2a所示，当第一接合金属层112与第二接合金属层142接合之后，第二接合金属层142连接于第一接合金属层112，且第二接合金属层142凸出于第二介电材料140的部分由第一介电材料120围绕。在一些实施例中，当第一接合金属层112与第二接合金属层142接合之后，第二接合金属层142可以填充由第一介电材料120限定的凹部。在一些实施例中，如图2b所示，在加热时，nte材料1441会收缩，第一材料1411和第二材料1412的铜会膨胀，收缩和膨胀的方向如图2b中的箭头所示，因此可以得到如图2b所示的结构。
39.根据本发明的实施例，还提供了一种形成接合结构的方法。图3a至图3p是根据本发明实施例的形成接合结构的方法的各个阶段的示意图。
40.如图3a所示，提供第一载体101，并且在第一载体101的表面上覆盖金属层131。在一些实施例中，金属层131的材料可以例如是铜。然后，如图3b所示，在金属层131上形成第一介电材料120，并且在第一介电材料120中形成第一开口134。第一开口134暴露下方的金属层131的部分表面。
41.如图3c所示，在第一开口134中形成第一接合金属层112的材料，第一接合金属层112有材料可以例如为铜。如图3d所示，在第一介电材料120和第一接合金属层112上方形成与第一接合金属层112接合的第一线路层114。第一线路层114可以由与第一介电材料120相同或不同的介电材料包覆。然后去除第一载体，并且将得到的结构倒置，从而得到如图3e所示的结构。在去除第一载体之后，第一接合金属的表面由第一介电材料120暴露。
42.如图3f所示，在第一介电材料120和第一接合金属层112的表面上形成另外的第一介电材料120，从而使第一介电材料120的表面高出并覆盖第一接合金属层112的表面。然后，去除第一介电材料120的覆盖第一接合金属的部分第一介电材料120。这样，在第一介电材料120中形成暴露第一接合金属的表面的凹部119。
43.另一方面，如图3g所示，提供第二载体102，并且在第二载体102的表面上覆盖金属层151。金属层151的材料可以例如是铜。然后，如图3h所示，在金属层151上形成第二介电材料140，并且在第二介电材料140中形成第二开口154。第二开口154暴露下方的金属层151的部分表面。
44.如图3i所示，在第二开口154中形成金属材料1412(即，上述第二材料1412)。该金属材料1412可以例如为纳米孪晶铜材料。然后，如图3j所示，在第二介电材料140上方形成图案化的光刻胶层150。图案化的光刻胶层150中具有暴露第二介电材料140中的金属材料1412的第三开口155。
45.如图3k所示，在图案化的光刻胶层150上和第三开口155内共形地覆盖例如为nte材料1441。如图3l所示，去除覆盖在图案化的光刻胶层150上方和侧壁上的nte材料1441，而在金属材料1412的至少部分表面上保留nte材料1441。
46.如图3m所示，在第二介电材料140上方形成第二线路层144。第二线路层144可以由与第二介电材料140相同或不同的介电材料包覆。然后去除第二载体102，并且将得到的结构倒置，从而得到如图3n所示的结构。
47.然后，如图3o所示，形成图案化的光刻胶层图案162。图案化的光刻胶图案162位于金属材料1412上方的金属层151上方。如图3p所示，可以通过蚀刻工艺去除未被光刻胶图案162覆盖的金属层151的部分。然后，去除图案化的光刻胶图案162，而在金属材料1412上方形成凸出于第二介电材料140的金属层151(即，上述第一材料1411)。凸出于第二介电材料140的金属层151和金属材料1412可以统称为第二接合金属层142。
48.随后，可以将第二接合金属层142与图3f中的第一接合金属层112接合。当有微量接合移位产生时，凸出于第二介电材料140的金属层11可以因接触到凹部119的侧壁而顺应滑入凹部119的底部，因此可以降低接合移位产生的机率。并且，由于凹部119的形成过程不使用cmp工艺，因此与习知制程相比，可以降低成本，并且由第一介电材料120限定的凹部119的深度更易于控制。
49.上述内容概括了几个实施例的特征使得本领域技术人员可更好地理解本公开的各个方面。本领域技术人员应该理解，可以很容易地使用本发明作为基础来设计或更改其他的处理和结构以用于达到与本发明所介绍实施例相同的目的和/或实现相同优点。本领域技术人员也应该意识到，这些等效结构并不背离本发明的精神和范围，并且在不背离本发明的精神和范围的情况下，可以进行多种变化、替换以及改变。