半导体封装方法及半导体结构与流程

1.本技术涉及半导体及其封装技术领域，尤其涉及一种半导体封装方法及半导体结构。


背景技术：

2.利用混合粘合技术键合晶片和晶片时，金属焊盘具有比接合的晶片表面处的介电层更高的热膨胀系数，这导致金属焊盘附件的介电层存在粘合问题。


技术实现要素：

3.本技术提出一种半导体封装方法，所述半导体封装方法能够使间隙的形成工艺具备更佳的可控性，减少基底之间的金属焊盘在接合过程中因为热膨胀造成周围结构的损害，实现更优的封装效果。
4.根据本技术的一个方面，提供一种半导体封装方法，包括：提供基底；在所述基底上形成金属焊盘，其中所述金属焊盘的侧壁与所述基底之间存在间隙；将多个所述基底上的所述金属焊盘相连。
5.可选的，所述间隙的形成方法包括：在所述基底上形成凹槽；在所述凹槽的侧壁形成牺牲材料层；在所述凹槽中形成所述金属焊盘；去除至少部分所述牺牲材料层形成所述间隙。
6.可选的，所述牺牲材料层靠近所述基底表面位置的厚度大于远离所述基底表面位置的厚度。
7.可选的，所述牺牲材料层包括采用pecvd方式形成的氧化硅，氮化硅，氮氧化硅和碳氧化硅中的任一种；所述pecvd的条件包括：温度为100℃～200℃，压力为10torr～30torr。
8.可选的，所述牺牲材料层包括采用pvd方式形成的金属材料层；所述pvd的条件包括：温度为50℃～350℃，惰性气体的流速为100sccm～450sccm，惰性气体的压力为0.1torr～10torr。
9.可选的，所述牺牲层材料层的厚度为所述金属焊盘沿垂直所述凹槽侧壁方向上尺寸的千分之一至千分之十。
10.可选的，所述去除至少部分所述牺牲材料层形成所述间隙的步骤，包括：利用干法刻蚀或湿法刻蚀或cmp去除至少部分所述牺牲材料层。
11.可选的，所述凹槽包括第一凹槽和第二凹槽，所述第二凹槽位于所述第一凹槽的下方，且所述第二凹槽的开口尺寸小于所述第一凹槽的底部尺寸。
12.可选的，所述在所述凹槽的侧壁形成牺牲材料层的步骤包括：在所述第二凹槽内填充第一牺牲层；在所述基底表面、所述第一凹槽的侧壁、所述第一凹槽的底部和所述第一牺牲层的表面形成第二牺牲层；去除所述基底表面、所述第一凹槽的底部和所述第一牺牲层的表面的部分所述第二牺牲层，所述第一凹槽的侧壁保留的所述第二牺牲层形成所述牺
牲材料层。
13.可选的，所述间隙的形成在所述凹槽的侧壁形成牺牲材料层的步骤包括：在所述基底表面、所述第一凹槽的底部和侧壁以及所述第二凹槽的底部和侧壁形成金属层；去除所述基底表面、所述第一凹槽的底部和所述第二凹槽的底部的金属层，所述第一凹槽的侧壁和所述第二凹槽的侧壁保留的所述金属层形成所述牺牲材料层。
14.可选的，所述金属焊盘的材料包括铜，所述金属层的材料包括镍、锌、铝、银或者金；和/或，所述间隙沿所述第一凹槽的侧壁方向上的长度和所述第一凹槽侧壁长度的比值为0.1～0.5。
15.可选的，所述去除至少部分所述牺牲材料层形成所述间隙的步骤包括：在所述基底表面、所述第一凹槽的底部和侧壁以及所述第二凹槽的底部和侧壁形成金属层；在所述凹槽中形成所述金属焊盘；利用cmp去除所述基底表面、所述第一凹槽的侧壁的部分所述金属层形成所述间隙。其中，所述金属层与所述金属焊盘的热膨胀率不同。
16.可选的，所述金属焊盘的材料包括铜，所述金属层的材料包括镁、锌、银、铝或者金；和/或，所述间隙沿所述第一凹槽的侧壁方向上的长度和所述第一凹槽侧壁长度的比值为0.01～0.1。
17.根据本技术的另一个方面，提供一种半导体结构，包括：具有凹槽的基底；金属焊垫位于所述凹槽中；间隙，至少部分位于所述凹槽的侧壁处并将所述金属焊垫与所述基底至少部分隔开。
18.可选的，所述间隙的上部宽度大于所述间隙的下部宽度。
19.可选的，所述凹槽沿所述基底表面方向上的截面轮廓呈锯齿状。
20.可选的，所述凹槽包括第一凹槽和第二凹槽，所述第二凹槽位于所述第一凹槽的底部，且所述第二凹槽的开口尺寸小于所述第一凹槽的底部尺寸。
21.可选的，所述间隙至少部分位于所述第一凹槽的侧壁上方。
22.本技术提出的半导体封装方法，在基底的凹槽的侧壁形成牺牲材料层，并在形成金属焊盘后，去除牺牲材料层的至少一部分而形成金属焊盘和基底之间的间隙。通过上述设计，本技术提出的半导体封装方法能够使间隙的形成工艺具备更佳的可控性，能够减少不同基底之间的金属焊盘在接合过程中因为热膨胀造成周围结构的损害，从而实现更优的封装效果。
附图说明
23.通过结合附图考虑以下对本技术的优选实施方式的详细说明，本技术的各种目标、特征和优点将变得更加显而易见。附图仅为本技术的示范性图解，并非一定是按比例绘制。在附图中，同样的附图标记始终表示相同或类似的部件。其中：
24.图1至图9分别是根据一示例性实施方式示出的半导体封装方法的多个步骤中的半导体结构的结构示意图；
25.图10是图6的俯视图；
26.图11至图18分别是根据另一示例性实施方式示出的半导体封装方法的多个步骤中的半导体结构的结构示意图；
27.图19是图15的俯视图；
28.图20至图27分别是根据又一示例性实施方式示出的半导体封装方法的多个步骤中的半导体结构的结构示意图；
29.图28是图24的俯视图；
30.图29至图31分别是根据三个示例性实施方式示出的半导体封装方法形成的半导体结构的结构示意图；
31.图32是又一示例性实施方式示出的半导体封装方法中形成的牺牲材料层的结构示意图；
32.图33是又一示例性实施方式示出的半导体封装方法中形成的牺牲材料层的结构示意图。
具体实施方式
33.体现本技术特征与优点的典型实施例将在以下的说明中详细叙述。应理解的是本技术能够在不同的实施例上具有各种的变化，其皆不脱离本技术的范围，且其中的说明及附图在本质上是作说明之用，而非用以限制本技术。
34.在对本技术的不同示例性实施方式的下面描述中，参照附图进行，所述附图形成本技术的一部分，并且其中以示例方式显示了可实现本技术的多个方面的不同示例性结构、系统和步骤。应理解的是，可以使用部件、结构、示例性装置、系统和步骤的其他特定方案，并且可在不偏离本技术范围的情况下进行结构和功能性修改。而且，虽然本说明书中可使用术语“之上”、“之间”、“之内”等来描述本技术的不同示例性特征和元件，但是这些术语用于本文中仅出于方便，例如根据附图中所述的示例的方向。本说明书中的任何内容都不应理解为需要结构的特定三维方向才落入本技术的范围内。
35.实施方式一
36.参阅图1至图10，其分别示例性地示出了本技术提出的半导体封装方法的多个步骤中的半导体结构的结构示意图。
37.如图1至图10所示，在本实施方式中，本技术提出的半导体封装方法包括：
38.提供基底100；基底可以为形成有半导体器件的晶圆或待封装的半导体芯片等。所述晶圆可以为硅晶圆，碳化硅晶圆，soi晶圆，砷化镓，碳化镓或氮化镓晶圆等，所述晶圆上形成有半导体器件可以为dram器件，nand器件等存储器件，也可以为cup等逻辑器件。
39.在基底100上形成金属焊盘400，其中金属焊盘400的侧壁与基底100之间存在间隙510；在一示例中，金属焊盘400可用于不同晶圆之间的键合，金属焊盘400的材质可以为导电的金属材料，如铜，铝，金，银等。
40.将多个基底上的金属焊盘400相连。在一示例中，通过将不同基底上的金属焊盘400相连可以将不同晶圆键合在一起，增加封装密度。
41.通过在金属焊盘的侧壁与基底之间形成间隙，能够减少不同基底之间的金属焊盘在接合过程中因为热膨胀造成周围结构的损害，实现更优的封装效果。
42.可选的，间隙510的形成方法包括：在基底100上形成凹槽110；在凹槽110的侧壁形成牺牲材料层300；在凹槽110中形成金属焊盘400；去除至少部分牺牲材料层100形成间隙510。
43.可选地，如图1所示，凹槽110可以包括第一凹槽111和第二凹槽112。其中，第二凹
槽112位于第一凹槽111的下方，且第二凹槽112的开口尺寸小于第一凹槽111的底部尺寸。具体的，第一凹槽111可以为利用大马士革工艺中的互连线凹槽，第二凹槽112可以为大马士革工艺中的互连孔凹槽；互连孔凹槽位于互连线凹槽下方且于互连线凹槽相连。在垂直互连线延伸方向上，互连孔凹槽的开口尺寸小于互连线凹槽的底部尺寸。所述开口尺寸可以为顶部尺寸。
44.可选的，如图2至图4所示，在凹槽110的侧壁形成牺牲材料层300的步骤可以包括：
45.在第二凹槽112内填充第一牺牲层311；具体的，可以利用化学气相沉积或旋涂工艺在第二凹槽112内形成第一牺牲层311，第一牺牲层311的材质可以为氧化硅，氮化硅，无定形碳，旋涂有机介质层或无机介质层等材料。示例的，形成的第一牺牲层311至少全部填充第二凹槽112，使得第二凹槽112的侧壁全部被覆盖，保证后续形成的牺牲材料层300不会存在于第二凹槽112的侧壁上。保证第二凹槽112中形成的互连孔的体积，防止接触电阻增大。
46.在基底100表面、第一凹槽111的侧壁、第一凹槽111的底部和第一牺牲层311的表面形成第二牺牲层312；具体的，第二牺牲层312可以利用化学气相沉积或原子层沉积工艺形成的不同于第一牺牲层311的材料层，第二牺牲层312的材质可以为氧化硅，氮化硅，氮氧化硅或碳氧化硅等材料。
47.去除基底100表面、第一凹槽111的底部和第一牺牲层311的表面的第二牺牲层312，第一凹槽111的侧壁保留的第二牺牲层312形成牺牲材料层300。具体的，可以利用干法刻蚀工艺去除基底100表面、第一凹槽111的底部和第一牺牲层311的表面的第二牺牲层312，保留第一凹槽111侧壁的第二牺牲层。
48.通过这种方式可以使得形成的牺牲材料层的厚度可控，进而控制后续形成的间隙的特性，如大小，位置，形状等。使得根据接合工艺条件或金属焊盘的材质，大小等形成相应特性的间隙成为可能，从而充分减少基底之间的金属焊盘在接合过程中因为热膨胀造成周围结构的损害，又能保证金属焊盘和基底的结合程度，实现更优的封装效果。
49.可选的，牺牲材料层300的厚度为金属焊盘400沿垂直所述凹槽侧壁方向上尺寸的千分之一至千分之十。具体的，牺牲材料层300的厚度为牺牲材料层沿垂直所述凹槽侧壁方向上的尺寸，不同基底间的金属焊盘400接合温度为300℃左右时，利用上述厚度的牺牲材料层300形成的间隙大小可以最大程度的补偿金属焊盘400因为热膨胀带来的尺寸变化。
50.可选的，牺牲材料层靠近基底表面位置的厚度大于远离基底表面位置的厚度。如图32所示，第二牺牲材料层312的厚度在靠近基底100表面位置312a的厚度大于远离基底100表面位置312b的厚度。应当理解的是，所述靠近和远离是相对而言的，并不是对具体位置的限定。利用上述形貌的牺牲材料层形成的间隙可以很好的和金属焊盘400接合时的实际变化相吻合，在金属焊盘400接合时，不同金属焊盘400接触面的位置附近需要更大的空间来容纳膨胀的部分。具体的，牺牲材料层包括采用pecvd方式形成的氧化硅，氮化硅，氮氧化硅和碳氧化硅中的任一种；所述pecvd的条件包括：温度为100℃～200℃，压力为10torr～30torr。在此条件下形成的牺牲材料层的形貌可以很好的满足需求。
51.可选的，在形成所述第一牺牲层311和所述第二牺牲层312之前，还包括：在所述第一凹槽111和所述第二凹槽112的侧壁和底部形成阻挡层200。如图1所示，利用ald或其他沉积工艺自第一凹槽111和第二凹槽112的底部和侧壁形成阻挡层200，阻挡层200的材质可以
包括氮化钛(tin)。在其他实施方式中，阻挡层200的材质亦可包括钛(ti)、钽(ta)、氮化钽(tan)、钌(ru)、铼(re)或者导电金属氮化物等，并不以本实施方式为限。
52.可选的，所述去除至少部分所述牺牲材料层形成所述间隙的步骤，包括：利用干法刻蚀或湿法刻蚀或cmp去除至少部分所述牺牲材料层。具体的，可以利用金属焊盘和牺牲材料层的刻蚀选择比，利用干法刻蚀或湿法刻蚀工艺去除牺牲材料层，利用时间控制或刻蚀终止点(end-point)控制刻蚀的程度进而控制形成的间隙的大小。在一示例中，如图10所示，图10为图6的俯视图，间隙510环绕金属焊盘400，将金属焊盘400靠近基底100表面的上部和基底隔离开。在此示例中，凹槽110沿基底100表面方向上的截面轮廓呈方形；在其他示例中，凹槽110沿基底100表面方向上的截面轮廓呈锯齿状，使得形成的间隙510沿基底100表面方向上的截面轮廓也呈锯齿状，可以达到释放应力的效果，减少金属焊盘400对周围结构的损坏。
53.可选地，如图7至图9所示，两个形成有间隙以及金属焊盘400的基底600接合可以包括以下步骤：
54.将形成有间隙以及金属焊盘400的基底600对准；
55.对基底600的金属焊盘400进行预键合，如融合键合(fusion bond)等；
56.对键合的金属焊盘400进行退火处理(anneal)，使金属焊盘400膨胀而将间隙510填充。
57.可选的，在形成凹槽110的步骤中，可以将凹槽110的纵向截面设置为大致呈梯形，键合后的半导体结构大致如图29所示。通过上述设计，能够进一步增大金属焊盘400的接合面积，减少接触电阻。
58.实施方式二
59.基于上述对本技术提出的半导体封装方法的一个示例性实施方式的详细说明，以下将结合图11至图19，对本技术提出的半导体封装方法的另一个示例性实施方式进行说明。其中，本实施方式中与上述第一实施方式中的相关工艺大致相同的部分在此不予赘述。
60.可选地，如图12和图13所示，在本实施方式中，在凹槽110的侧壁形成牺牲材料层300的步骤可以包括：
61.在基底100表面、第一凹槽的底部和侧壁以及第二凹槽的底部和侧壁形成金属层320；
62.去除基底100表面、第一凹槽的底部和第二凹槽的底部的金属层320，第一凹槽的侧壁和第二凹槽的侧壁保留的金属层320形成牺牲材料层300。
63.利用上述方法形成的牺牲材层300简化了制作工艺，同时又不增加第二凹槽中形成的互连孔的接触电阻。
64.可选的，利用pvd工艺形成所述金属层320，所述pvd的条件包括：温度为50℃～350℃，惰性气体的流速为100sccm～450sccm，惰性气体的压力为0.1torr～10torr。如图33所示，利用上述工艺形成的金属层320的厚度在靠近基底100表面位置320a的厚度大于远离基底100表面位置320b的厚度。应当理解的是，所述靠近和远离是相对而言的，并不是对具体位置的限定。
65.可选的，金属焊盘400的材料包括铜，金属层320的材料包括镍、锌、铝、银或者金。
66.可选的，间隙520沿第一凹槽的侧壁方向上的长度和第一凹槽侧壁长度的比值为
0.1～0.5，例如0.1、0.3、0.4、0.5等。如图15所示，图15中示出了半导体结构的基底100、凹槽110、阻挡层200、牺牲材料层300、金属焊盘400和间隙520。其中，间隙520通过将牺牲材料层300部分去除而形成，即，间隙520是由金属焊盘400侧壁、凹槽110侧壁与剩余的牺牲材料层300之间的沟道形成。配合参阅图19，其示例性地示出了图15的俯视图。其中，可见间隙520环绕于金属焊盘400。
67.图16至图18所示，其分别示例性地示出了“将两个基底600键合”的几个步骤中的结构示意图，其中，本实施方式中的将两个基地600键合的工艺与上述第一实施方式中的相关工艺大致相同，在此不予赘述。
68.另外，基于图11至图19示出的实施方式的上述设计，在另一实施方式中，在形成凹槽的步骤中，可以将凹槽的纵向截面设置为大致呈梯形，键合后的半导体结构大致如图30所示。通过上述设计，能够进一步增大金属焊盘400的接合面积，减少接触电阻。
69.实施方式三
70.基于上述对本技术提出的半导体封装方法的两个示例性实施方式的详细说明，以下将结合图20至图28，对本技术提出的半导体封装方法的再一个示例性实施方式进行说明。其中，本实施方式中与上述第一实施方式和/或第二实施例中的相关工艺大致相同的部分在此不予赘述。
71.可选地，如图21和图24所示，去除至少部分牺牲材料层300形成所述间隙530的步骤包括：
72.在基底100表面、第一凹槽的底部和侧壁以及第二凹槽的底部和侧壁形成金属层330；去除基底100表面、第一凹槽的底部和第二凹槽的底部的部分金属层330，保留的第一凹槽的侧壁的金属层300为牺牲材料层300。
73.在凹槽110中形成金属焊盘400；
74.利用cmp去除基底100表面、第一凹槽的侧壁的部分牺牲材料层300形成间隙530。其中，牺牲材料层300与金属焊盘400的热膨胀率不同，以保证在金属焊盘的接合工艺中，第一凹槽的侧壁剩余的牺牲材料层因为热膨胀而破坏周围结构。作为示例，牺牲材料层300的热膨胀系数小于金属焊盘400的热膨胀系数。进一步地，基于上述形成牺牲材料层300的工艺设计，在本实施方式中，当接触焊盘400的材料包括铜(cu)时，牺牲材料层300的材质可以包括镁(mg)。在其他实施方式中，牺牲材料层300亦可包括其他材料，例如锌(zn)、银(ag)、铝(al)、金(au)等，并不以本实施方式为限。由于本实施方式中，通过调整化学机械研磨工艺条件，如研磨液的种类等，选择性增大牺牲材料层300的研磨速率以形成间隙530。配合参阅图28，其示例性地示出了图24的俯视图。其中，可见间隙530环绕于金属焊盘400。
75.可选地，间隙530沿第一凹槽的侧壁方向上的长度和第一凹槽侧壁长度的比值为0.01～0.1。例如，在本实施方式中，通过化学机械研磨形成的间隙530的深度，与第一凹槽的槽深的比值可以为0.01～0.1，例如0.01、0.04、0.07、0.1等。基于本实施方式的上述工艺设计，在其他实施方式中，比值亦可小于0.01，或可大于0.1，例如0.008、0.11等，并不以本实施方式为限。
76.如图25至图27所示，其分别示例性地示出了半导体结构在“将两个基底600键合”的几个步骤中的结构示意图，其中，本实施方式中的将两个基底600键合的工艺与上述第一实施方式和第二实施方式中的相关工艺大致相同，在此不予赘述。
77.另外，基于图20至图28示出的实施方式的上述设计，在另一实施方式中，在形成凹槽110的步骤中，可以将凹槽110的纵向截面设置为大致呈梯形，键合后的半导体结构大致如图31所示。通过上述设计，能够进一步增大金属焊盘400的接合面积，减少接触电阻。
78.在此应注意，附图中示出而且在本说明书中描述的半导体封装方法仅仅是能够采用本技术原理的许多种封装方法中的几个示例。应当清楚地理解，本技术的原理绝非仅限于附图中示出或本说明书中描述的半导体封装方法的任何细节或任何工艺。
79.基于上述对本技术提出的半导体封装方法的多个示例性实施方式的详细说明，对本技术提出的半导体结构的一个示例性实施方式进行说明，本实施例中半导体结构可以通过上述本技术提出的并在上述实施方式中详细说明的半导体封装方法制成。
80.如图1至图6所示，本技术提出的半导体结构，包括：具有凹槽110的基底100；金属焊垫400位于凹槽110中；间隙510，至少部分位于凹槽110的侧壁处并将金属焊垫400与基底100至少部分隔开。
81.可选的，间隙510的上部宽度大于所述间隙的下部宽度。
82.可选的，凹槽110沿基底100表面方向上的截面轮廓呈锯齿状。
83.可选的，凹槽110包括第一凹槽111和第二凹槽112，第二凹槽112位于第一凹槽111的底部，且第二凹槽112的开口尺寸小于第一凹槽111的底部尺寸。
84.可选的，间隙510至少部分位于第一凹槽111的侧壁上方。
85.在此应注意，附图中示出而且在本说明书中描述的半导体结构仅仅是能够采用本技术原理的许多种半导体结构中的几个示例。应当清楚地理解，本技术的原理绝非仅限于附图中示出或本说明书中描述的半导体结构的任何细节或任何结构。
86.综上所述，本技术提出的半导体封装方法，在基底的凹槽的侧壁形成牺牲材料层，并在填充导电层后，去除牺牲材料层的至少一部分而形成环绕导电层的沟槽。通过上述设计，本技术提出的半导体封装方法能够使沟槽的形成工艺具备更佳的可控性，能够减少导电层形成的金属焊盘在后续制程的膨胀过程中对周围结构施加的应力，从而实现更优的封装效果。
87.以上详细地描述和/或图示了本技术提出的半导体封装方法及半导体结构的示例性实施方式。但本技术的实施方式不限于这里所描述的特定实施方式，相反，每个实施方式的组成部分和/或步骤可与这里所描述的其它组成部分和/或步骤独立和分开使用。一个实施方式的每个组成部分和/或每个步骤也可与其它实施方式的其它组成部分和/或步骤结合使用。在介绍这里所描述和/或图示的要素/组成部分/等时，用语“一个”、“一”和“上述”等用以表示存在一个或多个要素/组成部分/等。术语“包括”和“具有”用以表示开放式的包括在内的意思并且是指除了列出的要素/组成部分/等之外还可存在另外的要素/组成部分/等。此外，权利要求书及说明书中的术语“第一”和“第二”等仅作为标记使用，不是对其对象的数字限制。
88.虽然已根据不同的特定实施例对本技术提出的半导体封装方法及半导体结构进行了描述，但本领域技术人员将会认识到可在权利要求的精神和范围内对本技术的实施进行改动。