半导体装置的制作方法

本发明实施例涉及一种半导体装置。

背景技术：

半导体装置用于例如(举例来说)个人计算机、手机、数码相机及其他电子设备等各种电子应用中。通常通过以下步骤来制作半导体装置：在半导体衬底之上依序沉积绝缘材料层或介电材料层、导电材料层及半导体材料层；以及利用光刻工艺及刻蚀工艺将各种材料层图案化以在所述材料层上形成电路组件及元件。

半导体行业通过不断缩小最小特征尺寸来不断地提高各种电子组件(例如，晶体管、二极管、电阻器、电容器等)的集成密度，以使得更多的组件能够被集成到给定区域中。然而，随着最小特征尺寸的减小，会在所使用的每一工艺中引起附加问题，且应解决这些附加问题。

技术实现要素：

根据本发明的一些实施例，一种半导体装置包括第一管芯以及第二管芯。第一管芯包括位于第一衬底之上的第一钝化层以及位于第一钝化层中的第一接合垫。第二管芯包括第二钝化层及位于第二钝化层中的第二接合垫，所述第二钝化层接合到第一钝化层，所述第二接合垫接合到第一接合垫。所述第二接合垫包括内接合垫及外接合垫，所述外接合垫的直径大于内接合垫的直径。

根据本发明的另一些实施例，一种半导体装置包括第一介电层、位于第一介电层中的第一金属垫、位于第一介电层之上的第二介电层以及位于第二介电层中第一金属垫之上的第二金属垫。第一金属垫中的每一者具有第一直径d1，且第一金属垫与第一介电层具有共面的顶表面。第二介电层接合到第一介电层，且第二金属垫接合到第一金属垫。第二金属垫包括内组(innerset)及外组(outerset)。内组具有第一最大直径。围绕内组形成同心环的外组具有第二最大直径，所述第二最大直径大于第一直径及第一最大直径。

根据本发明的一些实施例，一种形成半导体装置的方法包括形成第一管芯，所述形成第一管芯包括：在第一衬底的前侧之上形成第一内连结构；在第一内连结构之上形成第一介电层；将第一介电层图案化以在第一介电层中形成第一沟槽；以及在第一沟槽中形成第一金属垫。第一金属垫包括内金属垫及外金属垫，使得内金属垫具有第一直径，且外金属垫具有比第一直径大的直径。形成第一管芯的方法还包括：将第一介电层及第一金属垫平坦化。形成半导体装置的方法还包括：提供第二管芯，所述第二管芯包括位于第二衬底之上的第二介电层及位于第二介电层中的第二金属垫。第二金属垫具有第二直径，且第二直径小于或等于第一直径。形成半导体装置的方法还包括：将第一介电层的上表面及第一金属垫的上表面激活；将第二介电层的上表面及第二金属垫的上表面激活；以及将第一管芯接合到第二管芯，使得第一介电层接合到第二介电层，且第一金属垫接合到第二金属垫。

附图说明

结合附图阅读以下详细说明，会最好地理解本公开的各个方面。应注意，根据本行业中的标准惯例，各种特征并非按比例绘制。事实上，为论述清晰起见，可任意增大或减小各种特征的尺寸。

图1示出根据一些实施例的第一半导体装置的侧视图。

图2示出根据一些实施例的第一半导体装置的俯视图。

图3示出根据一些实施例的第二半导体装置的俯视图。

图4示出根据一些实施例的接合到第二半导体装置的第一半导体装置的侧视图。

图5示出根据一些实施例的接合到第二半导体装置的第一半导体装置的俯视图。

图6a示出根据一些实施例的接合到第二半导体装置的第一半导体装置的俯视图。

图6b到图6e示出根据一些实施例的第一半导体装置上的金属垫的俯视图。

图7a示出根据一些实施例的接合到第二半导体装置的第一半导体装置的俯视图。

图7b到图7e示出根据一些实施例的第一半导体装置上的金属垫的俯视图。

图8a到图8d示出第一半导体装置及第二半导体装置中的每一者上的对准标记的示意图。

图9a到图9b示出第一半导体装置及第二半导体装置中的每一者上的对准标记的示意图，其中第一半导体装置具有各种不同的尺寸。

具体实施方式

以下公开内容提供用于实施本发明的不同特征的许多不同的实施例或实例。以下阐述组件及排列形式的具体实例以简化本公开。当然，这些仅为实例而不旨在进行限制。例如，以下说明中将第一特征形成在第二特征“之上”或第二特征“上”可包括其中第一特征及第二特征被形成为直接接触的实施例，且也可包括其中第一特征与第二特征之间可形成有附加特征、进而使得所述第一特征与所述第二特征可不直接接触的实施例。另外，本公开可能在各种实例中重复使用参考编号和/或字母。这种重复使用是出于简洁及清晰的目的，而不是自身表示所论述的各种实施例和/或配置之间的关系。

此外，为易于说明，本文中可能使用例如“位于...之下(beneath)”、“位于...下方(below)”、“下部的(lower)”、“位于...上方(above)”、“上部的(upper)”等空间相对性用语来阐述图中所示的一个元件或特征与另一(其他)元件或特征的关系。所述空间相对性用语旨在除图中所绘示的定向外还囊括装置在使用或操作中的不同定向。设备可被另外定向(旋转90度或处于其他定向)，且本文中所用的空间相对性描述语可同样相应地进行解释。

图1示出包括衬底101的第一半导体装置100的侧视图。第一半导体装置100可为管芯或封装组件。衬底101可为块状硅衬底，但也可使用其他半导体材料，包括iii族元素、iv族元素及v族元素。可在衬底101中和/或衬底101上形成有源装置103(例如晶体管)。

在衬底101之上形成有内连结构105。在一些实施例中，内连结构105可包括由k值例如低于约4.0的低介电常数介电材料形成的至少一个介电层。在一些实施例中，内连结构105的介电层可由例如氧化硅、sicoh或其类似物制成。内连结构105还可包括形成在介电层中的金属线及通孔(即，连接结构)。举例来说，内连结构105可包括经由通孔进行内连的多个金属层。金属线及通孔可由铜或铜合金形成，且金属线及通孔也可由其他金属形成。可通过以下方式来形成金属线及通孔：在介电层中刻蚀出开口，以导电材料来填充开口，以及执行平坦化(例如化学机械研磨(chemicalmechanicalpolishing,cmp))以使金属线的顶表面及通孔的顶表面与介电层的顶表面齐平。

在内连结构105之上形成有顶部金属层111。顶部金属层111包括第一介电层109及导电特征107。通过以下工艺来形成顶部金属层111：在内连结构105的顶表面之上沉积第一介电层109。可通过化学气相沉积(chemicalvapordeposition，cvd)、物理气相沉积(physicalvapordeposition，pvd)或类似工艺来沉积第一介电层109。第一介电层109可包含与内连结构105的介电层的材料相同的材料。举例来说，在一些实施例中，第一介电层109可由氧化硅、sicoh或其类似物制成。

接着可对第一介电层109进行刻蚀，以形成暴露出内连结构105的顶表面的开口。可通过例如镀覆工艺在开口中沉积导电特征107。接着可通过例如cmp等工艺将导电特征107平坦化。导电特征107可由铜或铜合金制成。也可使用例如铝、铝合金等其他材料来形成导电特征107。如图1所示，导电特征107可为分立(discrete)的特征。举例来说，导电特征107可通过第一介电层109彼此分隔以及彼此电隔离。根据其他实施例，导电特征107可为连续金属特征的部分。

在顶部金属层111之上形成有钝化层113。在实施例中，钝化层113可为聚苯并恶唑(polybenzoxazole，pbo)，但作为另外一种选择也可利用例如苯并环丁烯(benzocyclobutene，bcb)、聚酰亚胺(polyimide)或聚酰亚胺衍生物等任何合适的材料。可利用例如旋转涂布工艺来放置钝化层113，但作为另外一种选择也可利用任何合适的方法。

可在钝化层113中形成重布线通孔115。举例来说，可将钝化层113图案化以形成开口，导电特征107中的一者经由所述开口被暴露出。可利用光刻技术来执行钝化层113的图案化。接着可在钝化层113中的开口中形成重布线通孔115。重布线通孔115可由铝、铝合金、铜或铜合金制成，但也可使用其他金属材料。

在钝化层113之上形成有第二介电层(或称为钝化层)117。在一些实施例中，第二介电层117可由k值例如低于约4.0的低介电常数介电材料形成。可通过cvd、pvd等来沉积第二介电层117。第二介电层117可包含与内连结构105的介电层或第一介电层109的材料相同的材料。举例来说，在一些实施例中，第二介电层117可由氧化硅、sicoh或其类似物制成。

在第二介电层117中形成有第一金属垫121。在实施例中，第一金属垫121可包括一组多于一个的金属垫，其中每一金属垫具有相同或不同的尺寸及形状。举例来说，可将第二介电层117图案化以形成部分地穿过第二介电层117的沟槽或完全穿过第二介电层117的开口，从而暴露出钝化层113和/或重布线通孔115的一部分。可利用光刻技术来执行第二介电层117的图案化。接着可在第二介电层117中的开口中形成第一金属垫121。第一金属垫121可由铝、铜、镍、钨或其类似物或其合金或者其他合适的材料制成。接着可将第一金属垫121及第二介电层117平坦化(例如cmp)以使第一金属垫121的顶表面及第二介电层117的顶表面齐平。第一金属垫121的顶表面与第二介电层117的顶表面可实质上相对于彼此齐平和/或处于同一平面内。

在第二介电层117中还形成有第二金属垫122。在实施例中，第二金属垫122可包括一组多于一个的金属垫，其中每一金属垫具有相同或不同的尺寸及形状。举例来说，可将第二介电层117图案化以形成部分地穿过第二介电层117的沟槽或完全穿过第二介电层117的开口，从而暴露出钝化层113和/或重布线通孔115的一部分。第二金属垫122可与第一金属垫121同时形成。第二金属垫122可由与第一金属垫121的材料相同或不同的材料形成，所述材料包括以上针对第一金属垫121所列出的材料中的任一种。

在实施例中，可在第二介电层117中还形成第三金属垫123。在实施例中，第三金属垫123可包括一组多于一个的金属垫，其中每一金属垫具有相同或不同的尺寸及形状。举例来说，可将第二介电层117图案化以形成部分地穿过第二介电层117的沟槽或完全穿过第二介电层117的开口，从而暴露出钝化层113和/或重布线通孔115的一部分。第三金属垫123可与第一金属垫121和/或第二金属垫122同时形成。第三金属垫123可由与第一金属垫121和/或第二金属垫122的材料相同或不同的材料形成，所述材料包括以上针对第一金属垫121所列出的材料中的任一种。

在再一实施例中，可在距第二介电层117的最内区(innermostregion)甚至更大的距离处形成任何数目的附加金属垫或多组金属垫。在此实施例中，附加金属垫可围绕其他金属垫中的任一者形成同心环，可由与其他金属垫中的任一者的材料相同或不同的材料形成，且可与其他金属垫中的任一者同时形成，所述材料包括以上针对第一金属垫121所列出的材料中的任一种。

在形成第一金属垫121、第二金属垫122、第三金属垫123中的每一者或所有所述金属垫之后，可将金属垫与第二介电层117一起平坦化(例如通过cmp)。金属垫和/或第二介电层117的所得厚度可为约0.15μm至3.4μm。

图2示出第一半导体装置100的俯视图。如图2所示，图1示出在a-a线处的剖视图。第二介电层117可包括最内区201。最内区201可包括位于第二介电层117中的最中心的点203。

第一金属垫121设置在第二介电层117的最内区201中或接近第二介电层117的最内区201。在另一实施例中，第一金属垫121可形成最中心的点203。在第一金属垫121是一组金属垫的实施例中，第一金属垫121可形成围绕最内区201及最中心的点203的环。因此，第一金属垫121可距离最中心的点203为约0μm至7μm。第二金属垫122可围绕第一金属垫121、最内区201及最中心的点203形成同心环。第三金属垫123及任何其他组金属垫也可围绕第一金属垫121、第二金属垫122、最内区201及最中心的点203形成同心环。

第一金属垫121(或所述一组中的每一第一金属垫121)可具有圆形形状、类似椭圆形的形状、椭圆形形状、矩形形状或类似形状。第一金属垫121具有宽度w1。宽度w1可为约0.5μm至4.5μm。

第二金属垫122距第二介电层117的最内区201的距离大于第一金属垫121距第二介电层117的最内区201的距离。如上所述，当第二金属垫122包括一组多于一个的金属垫时，第二金属垫122可包括一组金属垫，所述一组金属垫围绕第一金属垫121形成同心环，第二金属垫122距第二介电层117的最内区201及最中心的点203的距离大于第一金属垫121距第二介电层117的最内区201及最中心的点203的距离。因此，第二金属垫122可距最中心的点203约1μm至14μm。

第二金属垫122(或所述一组中的每一第二金属垫122)可具有圆形形状、类似椭圆形的形状、椭圆形形状、矩形形状或类似形状。第二金属垫122的形状可为与第一金属垫121相同类型的形状，或可为与第一金属垫121不同类型的形状。第二金属垫122具有宽度w2。宽度w2可大于或等于宽度w1。宽度w2的范围可为约0.7μm至4.0μm。

第三金属垫123距第二介电层117的最内区201的距离大于第一金属垫121及第二金属垫122距第二介电层117的最内区201的距离。如上所述，当第三金属垫123包括一组多于一个的金属垫时，第三金属垫123可包括一组金属垫，所述一组金属垫围绕第二金属垫122和/或第三金属垫123形成同心环，第三金属垫123距第二介电层117的最内区201及最中心的点203的距离大于第二金属垫122距第二介电层117的最内区201及最中心的点203的距离。因此，第三金属垫123可距最中心的点203约2μm至21μm。

第三金属垫123(或所述一组中的每一第三金属垫123)可具有圆形形状、类似椭圆形的形状、椭圆形形状、矩形形状或类似形状。第三金属垫123的形状可为与第一金属垫121和/或第二金属垫122相同的一般类型的形状，或可为与第一金属垫121和/或第二金属垫122不同类型的形状。第三金属垫123具有宽度w3。宽度w3可为约1.0μm至4.5μm。宽度w3可大于或等于宽度w2和/或大于或等于宽度w1。

在形成第一半导体装置100的金属垫(例如，第一金属垫121、第二金属垫122、第三金属垫123等)之后，可执行背侧平坦化工艺，以从第一半导体装置100移除一部分衬底101材料，从而产生薄化的衬底101(图中未示出)。背侧平坦化工艺可包括例如化学机械研磨(chemicalmechanicalpolish,cmp)。cmp工艺可利用可施加到衬底101的背侧表面的刻蚀剂及磨料(abrasive)。利用压板(platen)对衬底101的背侧表面的材料进行研磨以平坦化并移除衬底101的背侧材料。所属领域中的技术人员应理解，本文所述的cmp工艺旨在为说明性的，而并不旨在限制实施例。更确切来说，可作为另外一种选择或结合利用例如物理研磨工艺或一系列一种或多种刻蚀等任何合适的平坦化工艺。

在代表性实施例中，在材料的平坦化移除之前衬底101可具有约500μm至1000μm或约750μm的厚度，而在材料的平坦化移除之后薄化的衬底101可具有约50μm至300μm或约100μm的厚度。然后，可沿切割道(scribeline)从晶圆(wafer)将第一半导体装置100单体化。所属领域中的技术人员应理解，利用锯片(sawblade)将晶圆单体化仅为一个说明性实施例，而并不旨在进行限制。可作为另外一种选择或结合利用将晶圆单体化的替代方法(例如一种或多种刻蚀、激光切割等)。

如图2所示，第一半导体装置100上的第一示例性金属垫125可为第一金属垫121、第二金属垫122、第三金属垫123或其他金属垫中的任一者。在单体化及管芯薄化之后且在接合第一半导体装置100之前，第一示例性金属垫125位于距最中心的点203有距离d1的位置处。距离d1是从第一示例性金属垫125的中心测量的。距离d1可因第一半导体装置100经历膨胀(此将在随后详细论述)而大于在形成第一示例性金属垫125时距最中心的点203的距离。

图3示出第二半导体装置300的俯视图。第二半导体装置300可为管芯或封装组件，如随后详细论述，第一半导体装置100将接合到第二半导体装置300。第二半导体装置300可与第一半导体装置100相似，例如具有衬底319(未示于图3中，但示于图4中)。如图3所示，第二半导体装置300包括形成在第三介电层(或称为钝化层)317中的第四金属垫301。每一第四金属垫301可具有圆形形状、类似椭圆形的形状、椭圆形形状、矩形形状或类似形状。每一第四金属垫301可为与第一金属垫121、第二金属垫122和/或第三金属垫123的形状相同或不同的形状。第四金属垫301中的一者或多者与第一半导体装置100的金属垫对应，所述第一半导体装置100的金属垫无论是第一金属垫121、第二金属垫122、第三金属垫123或其他金属垫。每一第四金属垫301可具有宽度w4。宽度w4可为约0.5μm至4.5μm。宽度w4可相同于或小于宽度w1。

如图3所示，第二半导体装置300上的第二示例性金属垫325位于距中心点303有距离d2的位置处。中心点303与第一半导体装置100上的最中心的点203对应。因此，中心点303可为或可不为第三介电层317上的最中心的点。距离d2是从第二示例性金属垫325的中心测量的。举例来说，距离d2可基于距中心点303的“x”距离及“y”距离使用以下方程式来计算：

第二示例性金属垫325可具有与任意第四金属垫301的宽度相同的宽度。因此，第二示例性金属垫325也可具有宽度w4。

第一半导体装置100上的第一示例性金属垫125与第二半导体装置300上的第二示例性金属垫325对应。如上所述，第一示例性金属垫125位于距最中心的点203有距离d1的位置处，而第二示例性金属垫325位于距中心点303有距离d2的位置处。距离d1可与距离d2相同或不同。举例来说，距离d1可基于距最中心的点203的“x”距离及“y”距离使用以下方程式来计算：

在第一半导体装置100的第二介电层117中形成第一金属垫121、第二金属垫122等之后，第一半导体装置100可在接合到第二半导体装置300之前经历如上所述的附加工艺步骤。这些工艺步骤可能导致第一半导体装置100翘曲，造成沿着图2所示的平面膨胀(expansion)。具体来说，第一半导体装置100的介电部分(包括第二介电层117)可能膨胀。所述膨胀可从最中心的点203向外发生。因此，第一半导体装置100的金属垫(例如，第一金属垫121、第二金属垫122、第三金属垫123等)可从最中心的点203向外移动，最靠近最中心的点203的金属垫受到的影响最小，而距最中心的点203最远的金属垫受到的影响最大。

由于所述膨胀，第一示例性金属垫125可具有距最中心的点203的距离d1，距离d1可大于距离d2。第一半导体装置100的金属垫可被形成为具有为考虑到在距最中心的点203的增大的距离处增大的膨胀而选择的宽度。因此，第一示例性金属垫125可形成有比宽度w4大的宽度we。即，距离d1可大于距离d2，宽度we可大于宽度w4或者可满足两者(距离d1大于距离d2且宽度we大于宽度w4)。也可距离d1小于距离d2而宽度we大于宽度w4或反之(距离d1大于距离d2，而宽度we小于宽度w4)也是可能的。举例来说，宽度we可通过膨胀系数ec与距离d1成比例。膨胀系数ec是基于若干参数所估计的膨胀程度，所述参数包括：晶圆的尺寸及形状、晶圆的厚度、第一半导体装置100的尺寸及形状、晶圆及构成晶圆的层的材料组成、第一半导体装置100的厚度、第一半导体装置100中的介电层的数目及厚度，以及在形成金属垫之后且在与第二半导体装置300接合之前对第一半导体装置100所执行的附加工艺步骤。此外，膨胀系数ec可从膜的杨氏模数(young’smodulus)e推导出。可通过将拉伸应力(tensilestress)σ(ε)除以物理应力-应变曲线(physicalstress-straincurve)的弹性部分中的工程伸展应变(engineeringextensionalstrain)ε利用以下方程式来计算杨氏模数e：

其中e为杨氏模数(弹性模数)，f为在拉伸时施加在物体上的力，a为实际横截面积(其等于与所施加的力垂直的横截面的面积)，δl为物体的长度变化的量(δl在材料伸展时为正的而在材料被压缩时为负的)，且l0为物体的原始长度。因此，膨胀系数ec可被解释为δl/l0。

举例来说，膨胀系数ec可与在将第一半导体装置100单体化之前晶圆的翘曲程度成比例。在实施例中，膨胀系数ec表示在线性方向上膨胀的单位数。由于膨胀的小的尺度以及小的预期水平，膨胀系数ec可以“百万分之一(partspermillion,ppm)”为单位来表示，且膨胀系数ec可为约15ppm至100ppm或约5ppm至300ppm。在一些情况下，膨胀系数ec可为0ppm或约0ppm。

可对第一示例性金属垫125的宽度we进行选择以考虑到第一半导体装置100在第一示例性金属垫125的位置附近的膨胀。具体来说，在第一半导体装置100膨胀之前第一半导体装置100上的与第二示例性金属垫325的中心对应的点将在第一半导体装置100膨胀之后，远离最中心的点203移动达约膨胀系数ec与第二示例性金属垫325的距离d2的乘积。因此，第一示例性金属垫125的宽度we可因所述膨胀而增大，且因此通过以下方程式来计算：

we＝w4+(ec*d2)。

第一示例性金属垫125的所计算宽度we因此将包括因所述膨胀而造成的移动。即，第一示例性金属垫125的宽度we可被计算为比第二示例性金属垫325的宽度w4大第一示例性金属垫125的位置周围的预期膨胀量。此方程式可分别应用于第一半导体装置100上的每一金属垫。在另一实施例中，所述方程式可应用于所述一组第一金属垫121中的一个代表性金属垫、所述一组第二金属垫122中的一个代表性金属垫和/或所述一组第三金属垫123中的一个代表性金属垫。对于任何给定的组，代表性金属垫可为所述组中最靠近最中心的点203的金属垫、所述组中距最中心的点203最远的金属垫或其他金属垫。在另一实施例中，所述方程式可应用于多组金属垫中的一个代表性金属垫。可使用将所述方程式应用于个别金属垫以及代表性金属垫的变型的任何组合来选择第一半导体装置100中的金属垫的宽度。

也可计算出第一示例性金属垫125的位置。可对第一示例性金属垫125的位置进行选择，以使得第一示例性金属垫125的最靠近第一半导体装置100上的最内区201和/或最中心的点203的位置的点将与对应的第二示例性金属垫325上的最靠近第二半导体装置300上的中心点303的点对准。因此，在距最中心的点203为距离d1处的第一示例性金属垫125的中心的位置可通过以下方程式来计算：

作为另外一种选择，距离d1可基于第一示例性金属垫125的宽度we以及对应的第二示例性金属垫325的宽度w4通过以下方程式来计算：

应注意，可对第一半导体装置100上的每一金属垫(例如，第一金属垫121、第二金属垫122、第三金属垫123等)中的一些或全部重复此过程。

如图4所示，在一些实施例中，第一半导体装置100通过例如混合接合(hybridbonding)，以接合到第二半导体装置300。在将第一半导体装置100的顶表面及第二半导体装置300的顶表面平坦化之后，可将第一半导体装置100的顶表面及第二半导体装置300的顶表面激活(activate)。作为实例，将第一半导体装置100的顶表面及第二半导体装置300的顶表面激活可包括干式处理、湿式处理、等离子体(plasma)处理、暴露于h2、暴露于n2、暴露于o2或其组合。在利用湿式处理的实施例中，例如可利用rca清洗。在另一实施例中，激活工艺可包括其他类型的处理。激活工艺有助于第一半导体装置100与第二半导体装置300的混合接合，有利地允许在后续混合接合工艺中使用更低压力及温度。

在激活工艺之后，可利用化学冲洗剂来清洗第一半导体装置100及第二半导体装置300。接着使晶圆总成(assembly)经受热处理及接触压力以将第一半导体装置100混合接合到第二半导体装置300。可使第一半导体装置100及第二半导体装置300经受约200kpa或小于200kpa的压力以及约200℃至约400℃的温度，以将第二介电层117及第三介电层317熔融。接着可使第一半导体装置100及第二半导体装置300经受处于或高于第一半导体装置100的第一接合垫121、第二接合垫122及第三接合垫123与第二半导体装置300的第四接合垫301的材料的低共熔点(eutecticpoint)的温度(例如，约150℃至约650℃)，以将金属接合垫熔融。以此种方式，第一半导体装置100及第二半导体装置300的熔融会形成混合接合的装置。在一些实施例中，对接合的管芯进行烘烤、退火、按压或以其他方式进行处理以加强或完成所述接合。

在其他实施例中，可通过直接表面接合、金属对金属接合或另一接合工艺来将第一半导体装置100接合到第二半导体装置300。直接表面接合工艺通过清洗和/或表面激活工艺，然后对接合的表面施加压力、热量和/或其它接合工艺步骤，以形成氧化物对氧化物接合或衬底对衬底接合。在一些实施例中，第一半导体装置100与第二半导体装置300通过金属对金属接合(metal-to-metalbonding)而接合，所述金属对金属接合通过将导电元件熔融来实现。举例来说，第一半导体装置100的金属垫通过金属对金属接合而接合到第二半导体装置300的对应的金属垫。

图5示出位于接合的界面处的第一半导体装置100及第二半导体装置300的俯视图。如图5所示，图4示出在b-b线处的剖视图。第一半导体装置100的表面积可小于第二半导体装置300的表面积。因此，第二半导体装置300的金属垫中的一些可不具有与之对应的第一半导体装置100的金属垫。另外，第一半导体装置100的金属垫(例如，第一金属垫121、第二金属垫122、第三金属垫123等)中的一些或全部金属垫的宽度大于或等于第二半导体装置300的对应的金属垫(例如，第四金属垫301)的宽度，且因此第一半导体装置100的金属垫(例如，第一金属垫121、第二金属垫122、第三金属垫123等)中的一些或全部金属垫的面积大于或等于第二半导体装置300的对应的金属垫(例如，第四金属垫301)的面积。在实施例中，第二半导体装置300的每一接合的金属垫的整个表面接触第一半导体装置100的对应的金属垫的一部分。在一些情况下，第二半导体装置300的接合的金属垫中的一些或全部金属垫的仅部分表面接触第一半导体装置100的对应的金属垫的一部分。因此，第一半导体装置100的金属垫的仅部分表面接触第二半导体装置300的对应的金属垫。此外，第一半导体装置100的金属垫的中心可不与第二半导体装置300的对应的金属垫的中心对准。实际上，第一半导体装置100的金属垫的中心距最中心的点203或中心点303的距离可大于第二半导体装置300的对应的金属垫的中心距最中心的点203或中心点303的距离。在一些实施例中，第一半导体装置100的金属垫的中心与第二半导体装置300的对应的金属垫的中心对准。

如上所述，相对于第二半导体装置300上的对应的金属垫的宽度及(因此)面积增大第一半导体装置100上的金属垫的宽度以及(因此)面积会增加对应的金属垫之间的接触面积。原因在于，增大的宽度会考虑到并补偿第一半导体装置100在管芯薄化工艺步骤及其他工艺步骤期间的膨胀，所述管芯薄化工艺步骤及其他工艺步骤是在形成第一半导体装置100上的金属垫(例如，第一金属垫121、第二金属垫122、第三金属垫123等)之后且在接合到第二半导体装置300之前进行。第一半导体装置100上的金属垫的所选择的更大宽度和/或特定位置会确保第二半导体装置300上的对应的金属垫的整个(或接近于整个)暴露的表面接触第一半导体装置100上的金属垫且与第二介电层117相对。因此，所述实施例通过将第一半导体装置100上的金属垫与第二半导体装置300上的对应的金属垫的接合(例如，混合接合)的表面积以及电耦合的表面积最大化来改善电子装置的性能。

如图6a所示，第一金属垫121、第二金属垫122、第三金属垫123或第四金属垫301中的一些或全部可具有椭圆形或类似椭圆形的形状。如图6b所示，椭圆形或类似椭圆形的形状可由两个半圆及一个矩形组成。这些椭圆形或类似椭圆形形状的金属垫中的一些或全部可被定向成使得其最长直径指向最内区201和/或最中心的点203。第一示例性金属垫125具有宽度we和垂直于宽度we测量的切向直径(tangentialdiameter)tde。在此实施例中，可对第一示例性金属垫125的宽度we进行选择，以考虑到第一半导体装置100在第一示例性金属垫125的位置附近的预期膨胀。具体来说，在第一半导体装置100膨胀之前第一半导体装置100上的与第二示例性金属垫325的中心对应的点将在第一半导体装置100膨胀之后，远离最中心的点203移动达约膨胀系数ec与第二示例性金属垫325的距离d2的乘积。因此，第一示例性金属垫125的宽度we可被选择成考虑到所述膨胀，且因此通过以下方程式来计算：

we＝w4+(ec*d2)。

第一示例性金属垫125的所计算宽度we因此将包括因所述膨胀而造成的移动。第一示例性金属垫125的矩形部分通过膨胀系数ec考虑到预期膨胀。即，第一示例性金属垫125的宽度we可被计算为比第二示例性金属垫325的宽度w4大第一示例性金属垫125的位置周围的预期膨胀量。此方程式可分别应用于第一半导体装置100上的每一金属垫。在另一实施例中，所述方程式可应用于一组第一金属垫121中的一个代表性金属垫、一组第二金属垫122中的一个代表性金属垫和/或一组第三金属垫123中的一个代表性金属垫。对于任何给定的组，代表性金属垫可为所述组中最靠近最中心的点203的金属垫、所述组中距最中心的点203最远的金属垫或其他金属垫。在另一实施例中，所述方程式可应用于多组金属垫中的一个代表性金属垫。可使用将所述方程式应用于个别金属垫以及代表性金属垫的变型的任何组合来选择第一半导体装置100中的金属垫的宽度。

可计算出第一示例性金属垫125的位置。可对第一示例性金属垫125的位置进行选择，以使得第一示例性金属垫125的位置的最靠近第一半导体装置100上的最内区201，和/或最中心的点203的点将与对应的第二示例性金属垫325上的最靠近第二半导体装置300上的中心点303的点对准。因此，第一示例性金属垫125的中心在距最中心的点203为距离d1处的位置可通过以下方程式来计算：

作为另外一种选择，距离d1可基于第一示例性金属垫125的宽度we以及对应的第二示例性金属垫325的宽度w4通过以下方程式来计算：

如图6c所示，第一金属垫121具有宽度w1，所述宽度w1从第一金属垫121上的最接近第二介电层117的最内区201或最中心的点203的点到第一金属垫121上的距第二介电层117的最内区201或最中心的点203最远的点测量。第一金属垫121具有垂直于宽度w1测量的第一切向直径(tangentialdiameter)td1。第一切向直径td1可为约0.1μm至10μm或为约10μm至50μm。宽度w1可大于或等于第一切向直径td1。

如图6d所示，第二金属垫122具有从第二金属垫122上的最接近第二介电层117的最内区201或最中心的点203的点到第二金属垫122上的距第二介电层117的最内区201或最中心的点203最远的点测量的宽度w2。第二金属垫122具有垂直于宽度w2测量的第二切向直径td2。宽度w2可大于或等于宽度w1。第二切向直径td2可为约0.1μm至10μm或为约10μm至50μm。宽度w2可大于或等于第二切向直径td2。

如图6e所示，第三金属垫123具有从第三金属垫123上的最接近第二介电层117的最内区201或最中心的点203的点到第三金属垫123上的距第二介电层117的最内区201或最中心的点203最远的点测量的宽度w3。第三金属垫123具有垂直于宽度w3测量的第三切向直径td3。宽度w3可大于或等于宽度w2和/或宽度w1。第三切向直径td3可为约0.1μm至10μm或约10μm至50μm。宽度w3可大于或等于第三切向直径td3。

如图7a所示，第一金属垫121、第二金属垫122、第三金属垫123或第四金属垫301中的一些或全部可具有正方形或矩形形状。这些矩形金属垫中的一些或全部可被定向成使得其从边到边的最长直径指向最内区201和/或最中心的点203。如图7b所示，第一示例性金属垫125可如图所示形成。在此实施例中，可对第一示例性金属垫125的宽度we进行选择以考虑到第一半导体装置100在第一示例性金属垫125的位置附近的预期膨胀。具体来说，在第一半导体装置100膨胀之前第一半导体装置100上的与第二示例性金属垫325的中心对应的点将在第一半导体装置100膨胀之后，远离最中心的点203移动达约膨胀系数ec与第二示例性金属垫325的距离d2的乘积。因此，第一示例性金属垫125的宽度we可被选择成考虑到所述膨胀，且因此通过以下方程式来计算：

we＝w4+(ec*d2)。

第一示例性金属垫125的所计算宽度we因此将包括因所述膨胀而造成的移动。即，第一示例性金属垫125的宽度we可被计算为比第二示例性金属垫325的宽度w4大第一示例性金属垫125的位置周围的预期膨胀量。此方程式可分别应用于第一半导体装置100上的每一金属垫。在另一实施例中，所述方程式可应用于一组第一金属垫121中的一个代表性金属垫、一组第二金属垫122中的一个代表性金属垫和/或一组第三金属垫123中的一个代表性金属垫。对于任何给定的组，代表性金属垫可为所述组中最靠近最中心的点203的金属垫、所述组中距最中心的点203最远的金属垫或其他金属垫。在另一实施例中，所述方程式可应用于多组金属垫中的一个代表性金属垫。可使用将所述方程式应用于个别金属垫以及代表性金属垫的变型的任何组合来选择第一半导体装置100中的金属垫的宽度。

可计算出第一示例性金属垫125的位置。可对第一示例性金属垫125的位置进行选择，以使得第一示例性金属垫125的位置的最靠近第一半导体装置100上的最内区201，和/或最中心的点203的点将与对应的第二示例性金属垫325上的最靠近第二半导体装置300上的中心点303的点对准。因此，第一示例性金属垫125的中心在距最中心的点203为距离d1处的位置可通过以下方程式来计算：

作为另外一种选择，距离d1可基于第一示例性金属垫125的宽度we以及对应的第二示例性金属垫325的宽度w4通过以下方程式来计算：

如图7c所示，第一金属垫121具有从第一金属垫121上的最接近第二介电层117的最内区201或最中心的点203的点或边到第一金属垫121上的距第二介电层117的最内区201或最中心的点203最远的点或边测量的宽度w1。第一金属垫121具有垂直于宽度w1测量的第一切向直径td1。第一切向直径td1可为约0.2μm至5μm或约5μm至20μm。宽度w1可大于或等于第一切向直径td1。

如图7d所示，第二金属垫122具有从第二金属垫122上的最接近第二介电层117的最内区201或最中心的点203的点或边到第二金属垫122上的距第二介电层117的最内区201或最中心的点203最远的点或边测量的宽度w2。第二金属垫122具有垂直于宽度w2测量的第二切向直径td2。宽度w2可大于或等于宽度w1。第二切向直径td2可为约0.2μm至5μm或约5μm至20μm。宽度w2可大于或等于第二切向直径td2。

如图7e所示，第三金属垫123具有从第三金属垫123上的最接近第二介电层117的最内区201或最中心的点203的点或边到第三金属垫123上的距第二介电层117的最内区201或最中心的点203最远的点或边测量的宽度w3。第三金属垫123具有垂直于宽度w3测量的第三切向直径td3。宽度w3可大于或等于宽度w2和/或宽度w1。第三切向直径td3可为约0.2μm至5μm或约5μm至30μm。宽度w3可大于或等于第三切向直径td3。

在另一实施例中，第一金属垫121、第二金属垫122及第三金属垫123中的一些或全部可以与上述不同的方式对准。举例来说，第一示例性金属垫125上的距第一半导体装置的最内区201和/或最中心的点203最远的点或边可与第二示例性金属垫325上的距第二半导体装置上的中心点303最远的点或边对准。因此，第一示例性金属垫125的宽度we可如上所述来计算，然而第一示例性金属垫125距最中心的点203的距离d1可通过以下方程式来计算：

在另一实施例中，第一金属垫121、第二金属垫122及第三金属垫123中的一些或全部可以与上述不同的方式对准。举例来说，第一半导体装置100的第一示例性金属垫125的中心可与第二半导体装置300的第二示例性金属垫325的中心对准。因此，第一示例性金属垫125的宽度we可如上所述来计算，然而第一示例性金属垫125距最中心的点203的距离d1可相同于第二示例性金属垫325距中心点303的距离d2。

如上所述，第一半导体装置100的金属垫(例如，第一金属垫121、第二金属垫122、第三金属垫123等，包括第一示例性金属垫125)形成在第二介电层117中。第一示例性金属垫125是在上述膨胀起作用之前形成。因此，第一示例性金属垫125可不形成在距最中心的点203为距离d1处，而是可形成在距最中心的点203为距离d3处，距离d3可短于距离d1。在实施例中，距离d3将等于距离d2。然而，在另一实施例中，距离d3可小于距离d2。且在另一实施例中，距离d3可大于距离d2。

如图8a到图8d所示，第一半导体装置100与第二半导体装置300是在接合步骤之前和/或期间使用对准标记来对准。然而，当将第一半导体装置100与第二半导体装置300对准时，所述膨胀还可能造成额外的重叠(overlay)问题。举例来说，取决于第一半导体装置100及第二半导体装置300中的一者或是二者经历了上述膨胀，所述装置的对准标记可彼此不完全对准。对准误差(alignmenterror)可能在第一半导体装置100与第二半导体装置300之间的接合界面处造成高电阻或开路(opencircuit)。

图8a示出第一半导体装置100上的第一对准标记801可如何相对于第二半导体装置300上的第二对准标记803向外移动。图8b到图8d为用于示出这些对准标记预期如何在理想(即，非膨胀)情况下对准的从各种视角的示意图。

图9a到图9b示出每一装置上的对准标记可相对于彼此移动的程度的示意图。图9a示出第一半导体装置为5mm×5mm的管芯。图9b示出第一半导体装置为30mm×20mm的管芯。第一对准标记801可因如上所述的第一半导体装置100的移位、旋转和/或膨胀而相对于第二半导体装置300上的第二对准标记803(共同标记在图9a及图9b中)移动。具体来说，与当第一半导体装置100具有更小尺寸(例如5mm×5mm)时相比，第一对准标记801可在第一半导体装置100具有更大尺寸(例如30mm×20mm)时相对于第二对准标记803移动的程度更大。

第一对准标记801与第二对准标记803的对准取决于由对准工具及上述膨胀造成的重叠误差。对准工具可因第一半导体装置100相对于第二半导体装置300的移位误差ovlshift和/或旋转误差ovlrotation而引起对准重叠(alignmentoverlay，ovl)误差ovl。旋转误差ovlrotation还可与第一半导体装置100的尺寸和/或第二半导体装置300的尺寸有关，且因此随着更小管芯(例如第一半导体装置100)的尺寸增大而趋于更大。另外，由上述膨胀造成的膨胀误差ovlexpansion也会引起对准误差ovl。因此，可基于以下方程式来预期总的潜在对准重叠误差ovl：

ovl＝ovlshift+ovlrotation+ovlexpansion。

就5mm×5mm的管芯而言，预期膨胀误差ovlexpansion可为约0.2μm。与用于所述尺寸的管芯的对准工具的移位误差ovlshift及旋转误差ovlexpansion相结合，总的潜在对准重叠误差ovl可为约0.9μm。就30mm×20mm的管芯而言，预期膨胀误差ovlexpansion可为约0.9μm。与用于所述尺寸的管芯的对准工具的移位误差ovlshift及旋转误差ovlexpansion相结合，总的潜在对准重叠误差ovl可为约1.9μm。因此，应注意在这两种情况下，当第一半导体装置100的金属垫(例如，第一金属垫121、第二金属垫122、第三金属垫123等)各自具有大于或等于约2.5μm的宽度时，膨胀效应一般不会造成超过所述金属垫的容差(tolerance)的未对准。

各实施例可具有多个优点。举例来说，薄化的管芯的金属垫的宽度的增加以及对金属垫距薄化的管芯上的最中心的点的距离的修改将管芯的膨胀考虑在内，管芯的膨胀常常是由对晶圆或单体化的管芯执行的工艺(例如管芯或晶圆薄化)造成的翘曲引起。换句话说，薄化的管芯的金属垫的宽度的增大以及对所述金属垫距薄化的管芯上的最中心的点的距离的修改有助于改善薄化的管芯上的金属垫与薄化的管芯将接合的半导体装置上的对应的金属垫的对准。改善的对准会确保在混合接合工艺期间，金属可接合到金属且介电材料可接合到介电材料。所述改善的对准及接合有助于通过提高薄化的管芯与其他装置之间的接合及电连接的强度来提高所得装置的性能。

根据实施例，一种半导体装置包括第一管芯以及第二管芯。第一管芯包括位于第一衬底之上的第一钝化层以及位于第一钝化层中的第一接合垫。第二管芯包括第二钝化层及位于第二钝化层中的第二接合垫，所述第二钝化层接合到第一钝化层，所述第二接合垫接合到第一接合垫。所述第二接合垫包括内接合垫及外接合垫，所述外接合垫的直径大于内接合垫的直径。

在上述半导体装置中，还包括设置在第二钝化层中的第三接合垫，其中第三接合垫比外接合垫更靠近第二钝化层的外边缘，且其中第三接合垫的直径大于外接合垫的直径。

在上述半导体装置中，第一接合垫中的一者的中心位于距第一钝化层的中心有第一距离处，第一接合垫中的一者具有第一直径；第二接合垫中的一者的中心位于距第二钝化层的中心有第二距离处，第二接合垫中的一者接合至第一接合垫中的一者，第二接合垫中的一者具有第二直径；以及第二距离大于第一距离。

在上述半导体装置中，第二直径大于第一直径。

在上述半导体装置中，第一接合垫中的一者的第一边缘与第二接合垫中的一者的第二边缘对准。

在上述半导体装置中，第一边缘最接近第一钝化层的中心区，且其中第二边缘在侧向上最接近第一钝化层的中心区。

在上述半导体装置中，第一接合垫中的每一者的整个第一表面接触第二接合垫中的对应一者的第二表面。

根据另一实施例，一种半导体装置包括第一介电层、位于第一介电层中的第一金属垫、位于第一介电层之上的第二介电层以及位于第二介电层中第一金属垫之上的第二金属垫。第一金属垫中的每一者具有第一直径d1，且第一金属垫与第一介电层具有共面的顶表面。第二介电层接合到第一介电层，且第二金属垫接合到第一金属垫。第二金属垫包括内组(innerset)及外组(outerset)。内组具有第一最大直径。围绕内组形成同心环的外组具有第二最大直径，所述第二最大直径大于第一直径及第一最大直径。

在上述半导体装置中，还包括：最中心的点，位于第二介电层上；中心点，对应于最中心的点位于第一介电层上；第一距离d1，是从中心点到第一金属垫中的一者测量而得；第二距离d2，是从最中心的点到第二金属垫中的一者测量而得，第二金属垫中的一者与第一金属垫中的一者对应；第二介电层的膨胀系数ec；第二金属垫中的一者的第二直径d2；以及其中第二直径d2遵循以下方程式：d2≥d1+(ec*d1)。

在上述半导体装置中，第二距离d2遵循以下方程式：

在上述半导体装置中，第二距离d2遵循以下方程式：

在上述半导体装置中，第二距离d2相同于第一距离d1。

在上述半导体装置中，第一最大直径大于第一直径。

在上述半导体装置中，还包括：第一管芯，包括第一介电层及第一金属垫；以及第二管芯，包括第二介电层及第二金属垫。

根据再一实施例，一种形成半导体装置的方法包括形成第一管芯，所述形成第一管芯包括：在第一衬底的前侧之上形成第一内连结构；在第一内连结构之上形成第一介电层；将第一介电层图案化以在第一介电层中形成第一沟槽；以及在第一沟槽中形成第一金属垫。第一金属垫包括内金属垫及外金属垫，使得内金属垫具有第一直径，且外金属垫具有比第一直径大的直径。形成第一管芯的方法还包括：将第一介电层及第一金属垫平坦化。形成半导体装置的方法还包括：提供第二管芯，所述第二管芯包括位于第二衬底之上的第二介电层及位于第二介电层中的第二金属垫。第二金属垫具有第二直径，且第二直径小于或等于第一直径。形成半导体装置的方法还包括：将第一介电层的上表面及第一金属垫的上表面激活；将第二介电层的上表面及第二金属垫的上表面激活；以及将第一管芯接合到第二管芯，使得第一介电层接合到第二介电层，且第一金属垫接合到第二金属垫。

在上述形成半导体装置的方法中，将第一管芯接合到第二管芯还包括：使第一金属垫的一个或多个中心与第二金属垫的对应的中心偏移。

在上述形成半导体装置的方法中，将第一管芯接合到第二管芯还包括：将第一金属垫中的一者的第一圆形边缘与第二金属垫中的一者的第二圆形边缘对准。

在上述形成半导体装置的方法中，在形成第一金属垫之后，第一圆形边缘位于第一金属垫中的一者上的第一点处，第一点最接近第一介电层中的最中心的点。

在上述形成半导体装置的方法中，在将第一管芯接合到第二管芯之后，第二圆形边缘位于第二金属垫中的一者上的第二点处，第二点最接近第一介电层中的最中心的点。

在上述形成半导体装置的方法中，还包括：将第一介电层的上表面及第一金属垫的上表面激活；以及将第二介电层的上表面及第二金属垫的上表面激活。

以上概述了若干实施例的特征，以使所属领域中的技术人员可更好地理解本公开的各个方面。所属领域中的技术人员应理解，其可容易地使用本公开作为设计或修改其他工艺及结构的基础来施行与本文中所介绍的实施例相同的目的和/或实现与本文中所介绍的实施例相同的优点。所属领域中的技术人员还应认识到，这些等效构造并不背离本公开的精神及范围，而且他们可在不背离本公开的精神及范围的条件下对其作出各种改变、代替及变更。