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技術 半導体構造同士を直接結合する方法、およびこの方法を使用して形成された結合された半導体構造

出願人 ソイテック
発明者 マリアムサダカ
出願日 2011年11月29日 (8年11ヶ月経過) 出願番号 2011-260461
公開日 2012年7月5日 (8年4ヶ月経過) 公開番号 2012-129521
状態 特許登録済
技術分野 ボンディング 半導体または固体装置の組立体 半導体集積回路装置の内部配線
主要キーワード 非金属要素 熱圧着結合 伝導トレース 能動表面 シリコン貫通 貫通バイア 還元気体 受動構成要素
関連する未来課題
重要な関連分野

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図面 (20)

課題

半導体構造同士を直接結合する方法を提供すること。

解決手段

本発明の実施形態は、半導体構造同士を直接結合する方法を含む。いくつかの実施形態では、半導体構造の直接結合された金属フィーチャ間の境界面に、キャップ層を提供することができる。いくつかの実施形態では、半導体構造の直接結合された金属フィーチャ内に、不純物が提供される。そのような方法を使用して、結合された半導体構造が形成される。

概要

背景

2つ以上の半導体構造を3次元(3D)で統合すると、マイクロエレクトロニクスの適用分野に複数の利益をもたらすことができる。たとえば、マイクロエレクトロニクス構成要素を3Dで統合すると、デバイス実装面積を低減させながら電気性能および電力消費を改善することができる。たとえば、非特許文献1を参照されたい。

半導体構造の3D統合は、半導体ダイを1つまたは複数の追加の半導体ダイに取り付けることによって(すなわち、ダイ対ダイ(D2D))、半導体ダイを1つまたは複数の半導体ウェーハに取り付けることによって(すなわち、ダイ対ウェーハ(D2W))、ならびに半導体ウェーハを1つまたは複数の追加の半導体ウェーハに取り付けることによって(すなわち、ウェーハ対ウェーハ(W2W))、またはこれらの組合せによって行うことができる。

ある半導体構造を別の半導体構造に結合する際に使用される結合技法は、様々な方法で分類することができ、1つは、2つの半導体構造同士を結合するためにこれらの半導体構造間に中間の材料層が提供されるかどうかであり、第2は、結合境界面が電子(すなわち、電流)に境界面を通過させるかどうかである。いわゆる「直接結合法」とは、2つの半導体構造同士を結合するためにこれらの半導体構造間で中間の結合材料を使用しないで、2つの半導体構造同士を結合するためにこれらの半導体構造間に固体対固体の直接化学結合確立される方法である。第1の半導体構造の表面にある金属材料を第2の半導体構造の表面にある金属材料へ結合する金属対金属の直接結合法が開発されてきた。

金属対金属の直接結合法はまた、それぞれが実施される温度範囲によって分類することができる。たとえば、一部の金属対金属の直接結合法は、比較的高い温度で実施され、その結果、結合境界面で金属材料が少なくとも部分的に溶融する。そのような直接結合プロセスは、温度が比較的高いことで、それ以前に形成されたデバイス構造に悪影響を及ぼすことがあるため、1つまたは複数のデバイス構造を含む処理済みの半導体構造を結合する際に使用するには望ましくないことがある。

熱圧着結合」法とは、摂氏200度(200℃)から摂氏約500度(500℃)、しばしば摂氏約300度(300℃)から摂氏約400度(400℃)の高温結合表面間に圧力がかけられる直接結合法である。

摂氏200度(200℃)以下の温度で実施できる追加の直接結合法も開発されてきた。摂氏200度(200℃)以下の温度で実施されるそのような直接結合プロセスを、本明細書では「超低温」直接結合法と呼ぶ。超低温直接結合法は、表面の不純物および表面の化合物(たとえば、自然酸化物)を注意深く除去することによって、そして2つの表面間の密着面積原子スケールで増大させることによって、実施することができる。2つの表面間の密着面積は通常、結合表面を研磨して表面粗さを原子スケールに近い値まで低減させることによって、結合表面間に圧力をかけ、その結果プラスチックを変形させることによって、または結合表面を研磨し、かつ圧力をかけてそのようなプラスチックの変形を得ることによって、実現される。

一部の超低温直接結合法は、結合境界面にある結合表面間に圧力をかけないで実施することができるが、他の超低温直接結合法では、結合境界面で適切な結合強度を実現するために、結合境界面にある結合表面間に圧力をかけることができる。結合表面間に圧力がかけられる超低温直接結合法は、当技術分野では、「表面支援結合」法または「SAB」法と呼ばれることが多い。したがって、本明細書では、「表面支援結合」および「SAB」という用語は、摂氏200度(200℃)以下の温度で第1の材料を第2の材料に当接させて結合境界面にある結合表面間に圧力をかけることによって第1の材料が第2の材料へ直接結合されるあらゆる直接結合プロセスを意味および包含する。

半導体構造内の能動伝導フィーチャ間の金属対金属の直接結合は、半導体構造の伝導フィーチャ間で許容できる金属対金属の直接結合を最初は確立できる場合でも、場合によっては、しばらくすると機械故障または電気的故障を受けやすいことがある。完全に理解されたわけではないが、そのような故障は、少なくとも部分的に、3つの関連する機構の1つまたは複数によって引き起こされることがあると考えられる。3つの関連する機構とは、大きい粒子によって促進されることがある歪みの局所化、変形に関連する粒子の成長、および結合境界面での質量の移行である。結合境界面でのそのような質量の移行は、少なくとも部分的に、エレクトロマイグレーション相分離などに起因することがある。

エレクトロマイグレーションとは、電流のために伝導材料内で金属原子が移動することである。相互接続エレクトロマイグレーション寿命を改善する様々な方法については、当技術分野で論じられてきた。たとえば、銅の相互接続の電磁寿命を改善する方法については、非特許文献2で論じられている。

概要

半導体構造同士を直接結合する方法を提供すること。本発明の実施形態は、半導体構造同士を直接結合する方法を含む。いくつかの実施形態では、半導体構造の直接結合された金属フィーチャ間の境界面に、キャップ層を提供することができる。いくつかの実施形態では、半導体構造の直接結合された金属フィーチャ内に、不純物が提供される。そのような方法を使用して、結合された半導体構造が形成される。G

目的

エレクトロマイグレーションとは、電流のために伝導材料内で金属原子が移動することである

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
1件

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請求項1

第1の半導体構造を第2の半導体構造へ直接結合する方法であって、前記第1の半導体構造上の第1の金属フィーチャの表面に、金属およびケイ素を含むキャップ層を形成するステップであり、前記キャップ層の表面は、前記第1の金属フィーチャの第1の結合表面画定する、ステップと、前記第2の半導体構造上の第2の金属フィーチャの第2の結合表面を前記第1の半導体構造上の前記第1の金属フィーチャの前記第1の結合表面へ直接結合するステップとを含むことを特徴とする方法。

請求項2

銅を含むように前記第1の金属フィーチャを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1に記載の方法。

請求項3

金属およびケイ素を含む前記キャップ層を形成するステップは、金属ケイ化物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4

金属およびケイ素を含む前記キャップ層を形成するステップは、金属およびケイ素および窒素を含むキャップ層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5

第1の寸法を有するように前記第1の結合表面を形成するステップと、前記第1の結合表面の前記第1の寸法とは異なる第2の寸法を有するように前記第2の結合表面を形成するステップとをさらに含むことを特徴とする請求項1に記載の方法。

請求項6

第1の形状を有するように前記第1の結合表面を形成するステップと、前記第1の結合表面の前記第1の形状とは異なる第2の形状を有するように前記第2の結合表面を形成するステップとをさらに含むことを特徴とする請求項1に記載の方法。

請求項7

前記第2の結合表面を前記第1の結合表面へ直接結合するステップは、超低温直接結合プロセスを含むことを特徴とする請求項1に記載の方法。

請求項8

前記第2の結合表面を前記第1の結合表面へ直接結合するステップは、約摂氏200度(200℃)未満の温度の環境で、前記第1の結合表面を前記第2の結合表面に直接当接させ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9

約摂氏200度(200℃)未満の温度の環境で、前記第1の結合表面と前記第2の結合表面の間に圧力をかけるステップをさらに含むことを特徴とする請求項8に記載の方法。

請求項10

約摂氏200度(200℃)未満の温度の環境で、前記第1の結合表面と前記第2の結合表面の間に圧力をかけるステップは、約摂氏100度(100℃)未満の温度の環境で、前記第1の結合表面と前記第2の結合表面の間に圧力をかけるステップを含むことを特徴とする請求項9に記載の方法。

請求項11

約摂氏100度(100℃)未満の温度の環境で、前記第1の結合表面と前記第2の結合表面の間に圧力をかけるステップは、ほぼ室温の環境で、前記第1の結合表面と前記第2の結合表面の間に圧力をかけ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12

前記第2の結合表面を前記第1の結合表面へ直接結合する前に、前記第1の半導体構造上の前記第1の金属フィーチャを不純物でドープするステップをさらに含むことを特徴とする請求項1に記載の方法。

請求項13

前記第2の結合表面を前記第1の結合表面へ直接結合する前に、前記第2の半導体構造上の前記第2の金属フィーチャの表面に金属およびケイ素を含むキャップ層を形成するステップであって、前記第2の金属フィーチャの前記表面にある前記キャップ層の表面は、前記第2の金属フィーチャの前記第2の結合表面を画定する、ステップをさらに含むことを特徴とする請求項1に記載の方法。

請求項14

CoWPを含むように前記金属キャップ層を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1に記載の方法。

請求項15

約10ナノメートル(10nm)以下の平均厚さを有するように前記金属キャップ層を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1に記載の方法。

請求項16

アルミニウム、銀、およびマンガンの少なくとも1つを含むように前記不純物を選択するステップをさらに含むことを特徴とする請求項14に記載の方法。

請求項17

前記第1の金属フィーチャをドープするステップは、前記不純物を含む金属シード層を形成するステップと、前記シード層を覆って前記第1の金属フィーチャを形成し、前記不純物を前記シード層から前記第1の金属フィーチャ内へ拡散させるステップとを含むことを特徴とする請求項14に記載の方法。

請求項18

第1の主表面を含む第1の金属フィーチャを含む第1の半導体構造と、誘電体材料によって少なくとも部分的に取り囲まれた第2の金属フィーチャを含む第2の半導体構造であって、前記第2の半導体構造の前記第2の金属フィーチャは、前記第1の半導体構造の前記第1の金属フィーチャの前記第1の主表面の一部分へ直接結合された第2の主表面を有する、第2の半導体構造と、前記誘電体材料の表面と前記第1の半導体構造の前記第1の金属フィーチャの前記第1の主表面の別の部分の間に直接配置されたキャップ材料とを含むことを特徴とする結合された半導体構造。

請求項19

前記キャップ材料は誘電体材料を含むことを特徴とする請求項18に記載の結合された半導体構造。

請求項20

前記キャップ材料は、CuSiN、SiC、およびSiNの少なくとも1つを含むことを特徴とする請求項19に記載の結合された半導体構造。

請求項21

前記キャップ材料は伝導材料を含むことを特徴とする請求項18に記載の結合された半導体構造。

請求項22

前記キャップ材料はCoWPを含むことを特徴とする請求項21に記載の結合された半導体構造。

請求項23

前記第1の金属フィーチャおよび前記第2の金属フィーチャの少なくとも1つは銅を含むことを特徴とする請求項18に記載の結合された半導体構造。

請求項24

前記第1の金属フィーチャは、前記第1の金属フィーチャと前記第2の金属フィーチャの間の結合境界面に対して平行な平面で第1の断面積を有し、前記第2の金属フィーチャは、前記第1の金属フィーチャと前記第2の金属フィーチャの間の前記結合境界面に対して平行な平面で第2の断面積を有し、前記第2の断面積は、前記第1の断面積とは異なることを特徴とする請求項18に記載の結合された半導体構造。

請求項25

前記第1の金属フィーチャは、前記第1の金属フィーチャと前記第2の金属フィーチャの間の結合境界面に対して平行な平面で第1の断面形状を有し、前記第2の金属フィーチャは、前記第1の金属フィーチャと前記第2の金属フィーチャの間の前記結合境界面に対して平行な平面で第2の断面形状を有し、前記第2の断面形状は、前記第1の断面形状とは異なることを特徴とする請求項18に記載の結合された半導体構造。

技術分野

0001

本発明は、半導体構造同士を直接結合する方法、およびそのような方法を使用して形成された結合された半導体構造に関する。

背景技術

0002

2つ以上の半導体構造を3次元(3D)で統合すると、マイクロエレクトロニクスの適用分野に複数の利益をもたらすことができる。たとえば、マイクロエレクトロニクス構成要素を3Dで統合すると、デバイス実装面積を低減させながら電気性能および電力消費を改善することができる。たとえば、非特許文献1を参照されたい。

0003

半導体構造の3D統合は、半導体ダイを1つまたは複数の追加の半導体ダイに取り付けることによって(すなわち、ダイ対ダイ(D2D))、半導体ダイを1つまたは複数の半導体ウェーハに取り付けることによって(すなわち、ダイ対ウェーハ(D2W))、ならびに半導体ウェーハを1つまたは複数の追加の半導体ウェーハに取り付けることによって(すなわち、ウェーハ対ウェーハ(W2W))、またはこれらの組合せによって行うことができる。

0004

ある半導体構造を別の半導体構造に結合する際に使用される結合技法は、様々な方法で分類することができ、1つは、2つの半導体構造同士を結合するためにこれらの半導体構造間に中間の材料層が提供されるかどうかであり、第2は、結合境界面が電子(すなわち、電流)に境界面を通過させるかどうかである。いわゆる「直接結合法」とは、2つの半導体構造同士を結合するためにこれらの半導体構造間で中間の結合材料を使用しないで、2つの半導体構造同士を結合するためにこれらの半導体構造間に固体対固体の直接化学結合確立される方法である。第1の半導体構造の表面にある金属材料を第2の半導体構造の表面にある金属材料へ結合する金属対金属の直接結合法が開発されてきた。

0005

金属対金属の直接結合法はまた、それぞれが実施される温度範囲によって分類することができる。たとえば、一部の金属対金属の直接結合法は、比較的高い温度で実施され、その結果、結合境界面で金属材料が少なくとも部分的に溶融する。そのような直接結合プロセスは、温度が比較的高いことで、それ以前に形成されたデバイス構造に悪影響を及ぼすことがあるため、1つまたは複数のデバイス構造を含む処理済みの半導体構造を結合する際に使用するには望ましくないことがある。

0006

熱圧着結合」法とは、摂氏200度(200℃)から摂氏約500度(500℃)、しばしば摂氏約300度(300℃)から摂氏約400度(400℃)の高温結合表面間に圧力がかけられる直接結合法である。

0007

摂氏200度(200℃)以下の温度で実施できる追加の直接結合法も開発されてきた。摂氏200度(200℃)以下の温度で実施されるそのような直接結合プロセスを、本明細書では「超低温」直接結合法と呼ぶ。超低温直接結合法は、表面の不純物および表面の化合物(たとえば、自然酸化物)を注意深く除去することによって、そして2つの表面間の密着面積原子スケールで増大させることによって、実施することができる。2つの表面間の密着面積は通常、結合表面を研磨して表面粗さを原子スケールに近い値まで低減させることによって、結合表面間に圧力をかけ、その結果プラスチックを変形させることによって、または結合表面を研磨し、かつ圧力をかけてそのようなプラスチックの変形を得ることによって、実現される。

0008

一部の超低温直接結合法は、結合境界面にある結合表面間に圧力をかけないで実施することができるが、他の超低温直接結合法では、結合境界面で適切な結合強度を実現するために、結合境界面にある結合表面間に圧力をかけることができる。結合表面間に圧力がかけられる超低温直接結合法は、当技術分野では、「表面支援結合」法または「SAB」法と呼ばれることが多い。したがって、本明細書では、「表面支援結合」および「SAB」という用語は、摂氏200度(200℃)以下の温度で第1の材料を第2の材料に当接させて結合境界面にある結合表面間に圧力をかけることによって第1の材料が第2の材料へ直接結合されるあらゆる直接結合プロセスを意味および包含する。

0009

半導体構造内の能動伝導フィーチャ間の金属対金属の直接結合は、半導体構造の伝導フィーチャ間で許容できる金属対金属の直接結合を最初は確立できる場合でも、場合によっては、しばらくすると機械故障または電気的故障を受けやすいことがある。完全に理解されたわけではないが、そのような故障は、少なくとも部分的に、3つの関連する機構の1つまたは複数によって引き起こされることがあると考えられる。3つの関連する機構とは、大きい粒子によって促進されることがある歪みの局所化、変形に関連する粒子の成長、および結合境界面での質量の移行である。結合境界面でのそのような質量の移行は、少なくとも部分的に、エレクトロマイグレーション相分離などに起因することがある。

0010

エレクトロマイグレーションとは、電流のために伝導材料内で金属原子が移動することである。相互接続エレクトロマイグレーション寿命を改善する様々な方法については、当技術分野で論じられてきた。たとえば、銅の相互接続の電磁寿命を改善する方法については、非特許文献2で論じられている。

0011

米国特許出願公開第2008/0213997号明細書

先行技術

0012

P. Garrou, et al. “The Handbook of 3D Integration,” Wiley-VCH (2008)
J. Gambino et al., “Copper Interconnect Technology for the 32 nm Node and Beyond,”IEEE 2009 Custom IntegratedCircuits Conference (CICC), pages 141-148
Chattopadhyay et al., In Situ Formation of a Copper Silicide Cap forTDDBand Electromigration Improvement, IEEE 06CH37728, 44th Annual International Reliability Physics Symposium, San Jose, 2006
L. G. Gosset et al., Advanced Metallization Conference, 2003
S. Chhun et al., Microelectronic Engineering 76, 2004, pp. 106
Gambino et al., Yield and Reliability of Cu Capped with CoWP using a Self Activated Process, IEEE Interconnect Technology Conference, 2006 International, 5-7 June 2006, pp. 30-32
Yokogawa et al., Tradeoff Characteristics Between Resistivity and Reliability for Scaled-Down Cu-Based Interconnects, IEEE Transactions On Electron Devices, Vol. 55, No. 1, pp. 350-57 (January 2008)
Yokogawa et al., Analysis of Al DopingEffects on Resistivity and Electromigration of Copper Interconnects, IEEE Transactions on Device and Materials Reliability, Volume 8, Issue 1, pp. 216-21 (March 2008)

課題を解決するための手段

0013

概要は、一通りの概念を簡略化した形で導入するために提供される。これらの概念については、本発明のいくつかの例示的な実施形態に関する以下の詳細な説明でさらに説明する。本概要は、請求される主題の主要な特徴または本質的な特徴を特定しようとするものでも、請求される主題の範囲を限定するために使用されるものでもない。

0014

いくつかの実施形態では、本発明は、第1の半導体構造を第2の半導体構造へ直接結合する方法を含む。第1の半導体構造上の第1の金属フィーチャの表面に、金属およびケイ素を含むキャップ層を形成することができる。キャップ層の表面は、第1の金属フィーチャの第1の結合表面を画定することができる。第2の半導体構造上の第2の金属フィーチャの第2の結合表面は、第1の半導体構造上の第1の金属フィーチャの第1の結合表面へ直接結合することができる。

0015

追加の実施形態では、本発明は、第1の半導体構造を第2の半導体構造へ直接結合するさらなる方法を含む。第1の半導体構造上の第1の金属フィーチャの表面に、金属キャップ層を形成することができる。金属キャップ層の表面は、第1の金属フィーチャの第1の結合表面を画定する。第2の半導体構造上の第2の金属フィーチャの第2の結合表面は、第1の半導体構造上の第1の金属フィーチャの第1の結合表面へ直接結合することができる。

0016

本発明の方法のさらなる実施形態では、第1の半導体構造上の第1の金属フィーチャが不純物でドープされ、第2の半導体構造上の第2の金属フィーチャが第1の半導体構造上の第1の金属フィーチャへ直接結合される方法を使用して、第1の半導体構造を第2の半導体構造へ直接結合することができる。

0017

追加の実施形態では、本発明は、本明細書に記載の方法を使用して形成できる結合された半導体構造を含む。たとえば、結合された半導体構造は、第1の金属フィーチャを含む第1の半導体構造と、第2の金属フィーチャを含む第2の半導体構造とを含むことができる。第2の半導体構造の第2の金属フィーチャは、第1の半導体構造の第1の金属フィーチャへ直接結合することができる。第1の金属フィーチャと第2の金属フィーチャの間の結合境界面には、不純物が存在することがある。

0018

さらなる実施形態では、結合された半導体構造は、第1の主表面を有する第1の金属フィーチャを含む第1の半導体構造と、誘電体材料によって少なくとも部分的に取り囲まれた第2の金属フィーチャを含む第2の半導体構造とを含むことができる。第2の半導体構造の第2の金属フィーチャは、第1の半導体構造の第1の金属フィーチャの第1の主表面の一部分へ直接結合された第2の主表面を有することができる。誘電体材料の表面と第1の半導体構造の第1の金属フィーチャの第1の主表面の別の部分の間に、キャップ材料を直接配置することができる。

0019

本発明は、添付の図に示す本発明の例示的な実施形態についての以下の詳細な説明を参照することによって、より完全に理解することができる。

図面の簡単な説明

0020

本発明の結合された半導体構造を形成する方法の例示的な実施形態を示す簡略化された横断面図である。
本発明の結合された半導体構造を形成する方法の例示的な実施形態を示す簡略化された横断面図である。
本発明の結合された半導体構造を形成する方法の例示的な実施形態を示す簡略化された横断面図である。
本発明の結合された半導体構造を形成する方法の例示的な実施形態を示す簡略化された横断面図である。
本発明の結合された半導体構造を形成する方法の例示的な実施形態を示す簡略化された横断面図である。
本発明の結合された半導体構造を形成する方法の例示的な実施形態を示す簡略化された横断面図である。
本発明の結合された半導体構造を形成する方法の例示的な実施形態を示す簡略化された横断面図である。
本発明の結合された半導体構造を形成する方法の追加の例示的な実施形態を示す簡略化された横断面図である。
本発明の結合された半導体構造を形成する方法の追加の例示的な実施形態を示す簡略化された横断面図である。
本発明の結合された半導体構造を形成する方法の追加の例示的な実施形態を示す簡略化された横断面図である。
本発明の結合された半導体構造を形成する方法の追加の例示的な実施形態を示す簡略化された横断面図である。
本発明の結合された半導体構造を形成する方法の追加の例示的な実施形態を示す簡略化された横断面図である。
本発明の結合された半導体構造を形成する方法の追加の例示的な実施形態を示す簡略化された横断面図である。
本発明の結合された半導体構造を形成する方法の追加の例示的な実施形態を示す簡略化された横断面図である。
本発明の結合された半導体構造を形成する方法の追加の例示的な実施形態を示す簡略化された横断面図である。
本発明の結合された半導体構造を形成する方法の追加の例示的な実施形態を示す簡略化された横断面図である。
本発明の結合された半導体構造を形成する方法の追加の例示的な実施形態を示す簡略化された横断面図である。
本発明の結合された半導体構造を形成する方法の追加の例示的な実施形態を示す簡略化された横断面図である。
本発明の結合された半導体構造を形成する方法の追加の例示的な実施形態を示す簡略化された横断面図である。
本発明の結合された半導体構造を形成する方法の追加の例示的な実施形態を示す簡略化された横断面図である。

実施例

0021

本明細書に提示する図は、特定の材料、デバイス、システム、または方法の実際の外観を意味するものではなく、本発明の実施形態について説明するために使用される単に概念化された図である。

0022

本明細書で使用されるあらゆる見出しは、以下の特許請求の範囲およびその法的な等価物によって定義される本発明の実施形態の範囲を限定すると見なされるべきではない。特有の見出しに記載される概念は通常、本明細書全体を通して、他の部分でも適用することができる。

0023

本明細書では複数の参照が引用され、それらの開示全体を、あらゆる目的で参照によって全体として本明細書に組み込む。さらに、引用される参照はいずれも、本明細書でどのように特徴づけられるかにかかわらず、本明細書で請求される主題の本発明に関連して従来技術として認められない。

0024

本明細書では、「半導体構造」という用語は、半導体デバイスの形成で使用される任意の構造を意味および包含する。半導体構造は、たとえば、ダイおよびウェーハ(たとえば、キャリア基板およびデバイス基板)、ならびに互いに3次元に組み込まれた2つ以上のダイおよび/またはウェーハを含むアセンブリまたは複合構造を含む。半導体構造はまた、完全に製作された半導体デバイス、ならびに半導体デバイスの製作中に形成される中間構造を含む。

0025

本明細書では、「処理済みの半導体構造」という用語は、1つまたは複数の少なくとも部分的に形成されたデバイス構造を含む任意の半導体構造を意味および包含する。処理済みの半導体構造は、半導体構造の部分集合であり、すべての処理済みの半導体構造は、半導体構造である。

0026

本明細書では、「結合された半導体構造」という用語は、相互に接着された2つ以上の半導体構造を含む任意の構造を意味および包含する。結合された半導体構造は、半導体構造の部分集合であり、すべての結合された半導体構造は、半導体構造である。さらに、1つまたは複数の処理済みの半導体構造を含む結合された半導体構造もまた、処理済みの半導体構造である。

0027

本明細書では、「デバイス構造」という用語は、処理済みの半導体構造のうち、半導体構造上または半導体構造内に形成すべき半導体デバイスの能動または受動構成要素の少なくとも一部分であり、一部分を含み、または一部分を画定するあらゆる部分を意味および包含する。たとえば、デバイス構造は、トランジスタ変換器キャパシタ抵抗器伝導線、伝導バイア、および伝導接触パッドなどの集積回路の能動および受動構成要素を含む。

0028

本明細書では、「ウェーハ貫通相互接続」または「TWI」という用語は、第1の半導体構造の少なくとも一部分を貫通し、第1の半導体構造と第2の半導体構造の間の境界面の両側で第1の半導体構造と第2の半導体構造の間に構造的および/または電気的相互接続を提供するために使用される任意の伝導バイアを意味および包含する。ウェーハ貫通相互接続は、当技術分野では、「シリコン貫通バイア」、「基板貫通バイア」、「ウェーハ貫通バイア」、または「TSV」もしくは「TWV」など、そのような用語の短縮形など、他の用語でも呼ばれる。TWIは通常、半導体構造の概ね平坦な主表面に対して概ね垂直の方向(すなわち、「Z」軸に対して平行の方向)に半導体構造を貫通する。

0029

本明細書では、「能動表面」という用語は、処理済みの半導体構造に関連して使用されるとき、処理済みの半導体構造の露出された主表面内および/または主表面上に1つまたは複数のデバイス構造を形成するように処理された、または処理される、処理済みの半導体構造の露出された主表面を意味および包含する。

0030

本明細書では、「裏面」という用語は、処理済みの半導体構造に関連して使用されるとき、処理済みの半導体構造のうち半導体構造の能動表面とは反対側の処理済みの半導体構造の露出された主表面を意味および包含する。

0031

いくつかの実施形態では、本発明は、第1の半導体構造を第2の半導体構造へ直接結合して結合された半導体構造を形成する改善された方法を含む。具体的には、本発明の実施形態は、第1の半導体構造の金属フィーチャと第2の半導体構造の金属フィーチャの間に金属対金属の直接結合を形成する方法を含むことができ、したがって結合された金属フィーチャのエレクトロマイグレーション寿命を、従来知られている方法に対して長くする。

0032

いくつかの実施形態では、本発明の金属対金属の直接結合法は、非熱圧着結合法を含むことができる。

0033

本発明の第1の組の例示的な実施形態について、図1Aから1Gを参照して以下に説明する。図1Aを参照すると、第1の半導体構造100を形成することができる。第1の半導体構造100は、たとえば複数のトランジスタ102(図では概略的に表す)、複数の垂直に延びる伝導バイア104、複数の水平に延びる伝導トレース106、および複数の結合パッド108の1つまたは複数などの1つまたは複数の能動デバイスフィーチャを含むことができる。1つまたは複数の伝導バイア104、伝導トレース106、および/または結合パッド108は、第1の半導体構造100の能動表面110で露出させることができる。これらの能動デバイスフィーチャは、非伝導性の誘電体材料112によって取り囲まれた導電材料および/または半導体材料を含むことができる。例として、限定的ではないが、伝導バイア104、伝導トレース106、および結合パッド108の1つまたは複数は、たとえば銅、アルミニウム、またはこれらの合金もしくは混合物などの伝導性の金属または金属合金を含むことができる。

0034

本発明のいくつかの実施形態によれば、以下にさらに詳細に説明するように、第1の半導体構造100の少なくとも1つの金属フィーチャの表面に、金属およびケイ素(たとえば、金属ケイ化物)を含むキャップ層を形成してから、その金属フィーチャを第2の半導体構造の少なくとも1つの金属フィーチャへ直接結合することができる。

0035

非限定的な例として、1つまたは複数の結合パッド108は、第1の半導体構造100の能動表面110で露出させることができる。結合パッド108を形成する際、結合パッド108の露出された主表面に(たとえば、主表面上または主表面内に)、酸化物材料114を配置することができる。例として、限定的ではないが、結合パッド108は、銅または銅合金を含むことができ、酸化物材料114は、酸化銅(たとえば、CuxO)を含むことができる。酸化物材料114は、結合パッド108の露出表面の意図的なまたは意図しない酸化から生じることがあり、また結合パッド108の製作中に実行される化学的機械研磨(CMP)法など、1つまたは複数の事前に実行されたプロセスから生じることがある。酸化物材料114はまた単に、結合パッド108が酸素を含む気体(たとえば、空気)へ露出されることから生じることがある。

0036

図1Bを参照すると、酸化物材料114を結合パッド108から除去することができる。例として、限定的ではないが、湿式化学エッチングプロセスまたは乾式プラズマエッチングプロセスを使用して、酸化物材料114を結合パッド108から除去することができる。たとえば、乾式アルゴンプラズマエッチングプロセスを使用して、酸化物材料114をエッチングすることができる。追加の例として、湿式化学エッチングプロセスで、塩酸および/または硝酸などの無機酸、ならびにクエン酸および/または酢酸などの有機酸を使用して、酸化物材料114を除去することができる。

0037

結合パッド108の表面に存在しうるあらゆる酸化物材料114を除去した後、図1Cに示すように、結合パッド108の露出された主表面に(たとえば、主表面上または主表面内に)、ケイ素を含むキャップ層116を形成することができる。非限定的な例として、結合パッド108が銅または銅合金を含む実施形態では、ケイ素を含むキャップ層116は、ケイ化銅(たとえば、CuSix)を含むことができる。ケイ化銅は、たとえば結合パッド108の露出表面115を、SiH4を含む気体へ露出させることによって、銅または銅合金を含む結合パッド108の表面に形成することができる。

0038

例として、限定的ではないが、キャップ層116は、たとえば、非特許文献3、非特許文献4、および非特許文献5に開示されているプラズマ強化化学気相成長(PECVD)を使用して形成される当技術分野で自己整合障壁(SAB)と呼ばれるものを含むことができる(SABは、当技術分野でPSABと呼ばれることが多い)。これらの文献をそれぞれ、参照により全体として本明細書に組み込む。PSABプロセスは、高い選択性、低い実装コスト、および相互接続の信頼性に対する利益を有する。PSABプロセスの高い選択性は、CVDプロセス中の気体成分と銅および誘電体表面との反応性および反応生成物固有の差によってもたらすことができる。SiベースのPSABの場合、SiH4は、銅との熱的に活性化された反応を呈するが、誘電体表面上で反応する結果、誘電体材料112上に絶縁膜が形成される。言い換えれば、PSABプロセスは、結合パッド108上にケイ化銅のキャップ層116を形成することに加えて、誘電体材料112の露出された主表面上にSiC層(図示せず)を形成することができる。銅の結合パッド108の表面上にケイ化銅が存在することで、銅が酸化するのを保護する。

0039

いくつかの実施形態では、キャップ層116は、約40ナノメートル(40nm)以下、約20ナノメートル(20nm)以下、またはさらには約10ナノメートル(10nm)以下の最初の平均厚さを有するように形成することができる(すなわち、結合および/または他の後の処理の前)。

0040

いくつかの実施形態では、ケイ素を含むキャップ層116をさらに処理して、キャップ層116の組成を変更することができる。例として、限定的ではないが、ケイ素を含むキャップ層116を、窒素(NH3)を含む気体またはプラズマに露出させて、ケイ素原子窒素原子の両方を含むキャップ層118を形成することができる。非限定的な例として、キャップ層116がケイ化銅(たとえば、CuSix)を含む実施形態では、ケイ化銅をNH3プラズマに露出させて、銅窒化ケイ素(CuSiN)を形成することができる。例として、限定的ではないが、銅窒化ケイ素のキャップ層116は、Leeらの名で2008年9月4日公開の特許文献1に開示されているように形成することができる。同文献の開示全体を、参照により全体として本明細書に組み込む。たとえば、結合パッド108を、ヘリウムから作られた第1のプラズマに露出させることができ、その後結合パッド108を、還元気体から作られた第2のプラズマに露出させて、銅表面から酸化銅を除去することができる。次いで結合パッドをシランに露出させることができ、シランは、結合パッド108の銅表面と反応して、ケイ化銅を選択的に形成する。結合パッド108の表面上にケイ化銅を形成した後、結合パッド108を、アンモニアおよび窒素分子から作られた第3のプラズマに露出させて、結合パッド108の表面上に銅窒化ケイ素を形成することができる。

0041

金属、ケイ素、および窒素の原子(たとえば、CuSiN)を含むキャップ層118を形成した後、結合パッド108を第2の半導体構造の金属フィーチャへ直接結合することができる。図1Eを参照すると、第1の半導体構造100の結合パッド108が第2の半導体構造200の伝導性の金属結合パッド208と整合されるように、第1の半導体構造100を第2の半導体構造200と整合させることができる。図1Eに示すように、第2の半導体構造200は、たとえば垂直に延びる伝導バイア204、横方向に延びる伝導トレース206などの追加の能動デバイス構造を含むことができる。図示しないが、第2の半導体構造200はまた、トランジスタを含むことができる。

0042

結合パッド108上のキャップ層118の表面は、結合パッド108の1つまたは複数の結合表面120を画定することができ、結合パッド208の外部露出表面は、第2の半導体構造200の結合パッド208の結合表面220を画定することができる。

0043

図1Fを参照すると、第1の半導体構造100の結合パッド108が第2の半導体構造200の伝導性の金属結合パッド208と整合されるように、第1の半導体構造100を第2の半導体構造200と整合させた後、第1の半導体構造100の結合パッド108の結合表面120が第2の半導体構造200の結合パッド208の結合表面220に直接当接するように、第1の半導体構造100を第2の半導体構造200に当接させることができる。

0044

図1Gを参照すると、次いで、第1の半導体構造100の結合パッド108の結合表面120を第2の半導体構造200の結合パッド208の結合表面220へ直接結合して、結合された半導体構造300を形成することができる。たとえば、いくつかの実施形態では摂氏400度(400℃)以下の温度で実施できる金属対金属(たとえば、銅対銅)の直接非熱圧着結合プロセスで、第2の半導体構造200の結合パッド208の結合表面220を第1の半導体構造100の結合パッド108の結合表面120へ直接結合することができる。追加の実施形態では、非熱圧着結合プロセスは、摂氏200度(200℃)以下の温度で実施される超低温直接結合プロセスを含むことができる。

0045

図1Gに示すように、いくつかの実施形態では、第1の半導体構造100の結合パッド108を第2の半導体構造200の結合パッド208へ直接結合する際、結合パッド108と結合パッド208の間の境界面にあるキャップ層118の1つまたは複数の要素が、結合パッド108および/または結合パッド208内へ拡散することがあり、したがってキャップ層118は、結合パッド108と結合パッド208の間の結合境界面で別個の相として存在しなくなる。図1Gに示すように、キャップ層118の少なくとも一部分は、結合パッド108の少なくとも一部分を覆ったまま残すことができる。以下にさらに詳細に論じる理由のため、結合プロセス後にキャップ層118の少なくとも一部分が結合パッド108を覆っていることは有益であろう。

0046

第1の半導体構造100を第2の半導体構造200へ結合する前に、第1の半導体構造100および第2の半導体構造200は、表面の不純物および望ましくない表面の化合物を除去するように処理することができ、また結合パッド108の結合表面120と結合パッド208の結合表面220の間の密着面積を原子スケールで増大させるように平坦化することができる。結合表面120と結合表面220の間の密着面積は、結合表面120および結合表面220を研磨して、結合表面120および結合表面220の表面粗さを原子スケールに近い値まで低減させることによって、結合表面120と結合表面220の間に圧力をかけ、その結果プラスチックを変形させることによって、または結合表面120、220を研磨し、かつ第1の半導体構造100と第2の半導体構造200の間に圧力をかけてそのようなプラスチックの変形を得ることによって、実現することができる。

0047

いくつかの実施形態では、結合表面120、220間の結合境界面にある結合表面120、220間に圧力をかけないで、第1の半導体構造100を第2の半導体構造200へ直接結合することができるが、一部の超低温直接結合法では、結合境界面で適切な結合強度を実現するために、結合境界面にある結合表面120、220間に圧力をかけることができる。言い換えれば、本発明のいくつかの実施形態では、第1の半導体構造100の結合パッド108を第2の半導体構造200の結合パッド208へ結合するために使用される直接結合法は、表面支援結合(SAB)結合法を含むことができる。

0048

いくつかの実施形態では、結合パッド108と結合パッド208は、寸法および形状の少なくとも1つにおいて異なってもよい。より具体的には、結合パッド108は、結合パッド108と結合パッド208の間の結合境界面に対して平行な平面で第1の断面積を有することができ、結合パッド208は、結合パッド108と結合パッド208の間の結合境界面に対して平行な平面で第2の断面積を有することができ、第2の断面積は、結合パッド108の第1の断面積とは異なる。結合パッド108は、結合パッド108と結合パッド208の間の結合境界面に対して平行な平面で第1の断面形状を有することができ、結合パッド208は、結合パッド108と結合パッド208の間の結合境界面に対して平行な平面で第2の断面形状を有することができ、第2の断面形状は、結合パッド108の第1の断面形状とは異なる。結合パッド108と結合パッド208が形状の点で異なる実施形態では、結合パッド108と結合パッド208の寸法は、同じであっても、異なってもよい。

0049

追加の実施形態では、結合パッド108と結合パッド208は、結合パッド108と結合パッド208の間の結合境界面で、少なくとも実質上同じ断面寸法および形状を有することができる。しかし、そのような実施形態では、結合パッド108と結合パッド208は、意図的に、または意図せずに、互いにずらすことができる。

0050

結合パッド108と結合パッド208が寸法および形状の少なくとも1つの点で異なり、かつ/または互いにずらされるそのような実施形態では、結合パッド108の1つまたは複数の上のキャップ層118の少なくとも一部分は、結合パッド208のいかなる部分にも当接しないことがあり、また直接結合されないことがある。キャップ層118のそのような部分は、たとえば、結合パッド212を取り囲む誘電体材料212に当接することができる。キャップ層118のこれらの部分は、当接する誘電体材料212へ結合されても結合されなくてもよく、結合パッド108を結合パッド208へ結合する際、結合パッド108内へ完全に溶解しないことがある。そのような実施形態では、結合プロセス後にキャップ層118の少なくとも一部分が結合パッド108と誘電体材料212の間の境界面に存在することで、隣接する結合パッド108および結合パッド208によって形成された伝導構造使用可能な寿命および/または性能を改善することができる。たとえば、結合パッド108と誘電体材料212の間の境界面にキャップ層118が存在することで、結合パッド108と誘電体材料212の間の境界面で、たとえばエレクトロマイグレーションのために発生しうる質量の移行を妨害または防止することができる。キャップ層118の存在はまた、たとえば後の処理および/または動作中に構造が受けうる温度の変動に起因しうる微細構造の望ましくない変化など、望ましくない熱機械的現象の発生を抑制することができる。

0051

追加の実施形態では、第1の半導体構造の結合パッド108に関連して上記で論じたように、結合パッド208の露出表面など、第2の半導体構造200の1つまたは複数の能動フィーチャの露出表面を処理することができ、したがって結合パッド108の結合表面220は、(キャップ層116および/またはキャップ層118のような)キャップ層を含み、このキャップ層は、ケイ素と窒素の一方または両方を含む化合物または混合物(たとえば、固溶体)(たとえば、CuSixまたはCuSiN)を含むことができる。

0052

図1A〜1Gに関連して上述した実施形態では、キャップ層116、118は本質的に金属ではなく(すなわち、原子間の原子結合は実質上金属結合ではなく、本質的にイオンおよび/または共有結合である)、誘電体材料であるが、(ケイ素および/または窒素などの非金属要素に加えて)銅などの金属原子を含む。本発明の追加の実施形態は、図1A〜1Gに関連して上述した方法に類似の方法を含むが、キャップ層は金属キャップ層を含む。そのような実施形態の例について、図2A〜2Fを参照して以下に説明する。

0053

図2Aは、図1Aの第1の半導体構造100と実質上同一であり、トランジスタ102、垂直に延びる伝導バイア104、水平に延びる伝導トレース106、および結合パッド108を含む能動デバイスを含む第1の半導体構造400を示す。これらの能動デバイスの少なくともいくつかは、誘電体材料112によって取り囲むことができる。第1の半導体構造400は、図1Aの半導体構造100に関連して前記で論じたように、形成されると、結合パッド108の露出表面に酸化物材料114を含むことができる。たとえば、結合パッド108は、金属または金属合金(たとえば、銅、銅合金、CoSnP、Pdなど)を含むことができ、酸化物材料114は、その金属の酸化物(たとえば、酸化銅)を含むことができる。図2Bに示すように、酸化物材料114は、たとえば図1Bを参照して前述した湿式化学エッチングプロセスまたは乾式プラズマエッチングプロセスを使用して、結合パッド108から除去することができる。

0054

図2Cを参照すると、酸化物材料(図2A)を結合パッド108の表面から除去した後、結合パッド108の露出表面115上および/または露出表面115内に、金属キャップ層416を形成することができる。金属キャップ層416は、結合パッド108の組成とは異なる組成を有することができ、また、後の結合プロセス中に形成される結合境界面で発生しうる望ましくない原子の拡散および/または熱機械的現象を妨害または防止するように選択された組成を有することができる。非限定的な例として、金属キャップ層は、コバルトタングステン、およびリンの原子(CoWP)を含む金属合金を含むことができる。CoWPを含む金属キャップ層は、当技術分野では周知のように、ジメチルアミンボランDMAB)還元剤による無電解めっきプロセスを使用して形成することができる。さらなる詳細は、たとえば非特許文献6および非特許文献7を参照されたい。同文献を、参照により全体として本明細書に組み込む。

0055

いくつかの実施形態では、金属キャップ層416は、結合プロセス前に、約40ナノメートル(40nm)以下、約20ナノメートル(20nm)以下、またはさらには約10ナノメートル(10nm)以下の平均厚さを有することができる。

0056

金属キャップ層416は、たとえば無電解めっきプロセス、電解めっきプロセス、物理堆積プロセス物理気相成長PVD)プロセス、および化学気相成長プロセス(CVD)の1つまたは複数を使用して、露出表面115上および/または露出表面115内(図2B)に形成することができる。

0057

金属キャップ層416を形成した後、結合パッド108を第2の半導体構造の金属フィーチャへ直接結合することができる。

0058

図2Dを参照すると、第1の半導体構造400を第2の半導体構造200と整合させることができる。図1Eを参照して前述したように、第2の半導体構造200は、たとえば結合パッド208、垂直に延びる伝導バイア204、および水平に延びる伝導トレース206の1つまたは複数を含むことができる複数の能動デバイスフィーチャを含むことができる。第2の半導体構造200の能動デバイスフィーチャは、誘電体材料212によって取り囲むことができる。第1の半導体構造400の結合パッド108が第2の半導体構造200の伝導性の金属結合パッド208と整合されるように、第1の半導体構造400を第2の半導体構造200と整合させることができる。

0059

結合パッド108上の金属キャップ層416の表面は、結合パッド108の1つまたは複数の結合表面420を画定することができ、結合パッド208の外部露出表面は、第2の半導体構造200の結合パッド208の結合表面220を画定することができる。

0060

図2Eを参照すると、第1の半導体構造400の結合パッド108が第2の半導体構造200の伝導性の金属結合パッド208と整合されるように、第1の半導体構造400と第2の半導体構造200を整合させた後、第1の半導体構造400の結合パッド108の結合表面420が第2の半導体構造200の結合パッド208の結合表面220に直接当接するように、第1の半導体構造400を第2の半導体構造200に当接させることができる。

0061

図2Fを参照すると、次いで、第1の半導体構造400の結合パッド108の結合表面420を第2の半導体構造200の結合パッド208の結合表面220へ直接結合して、図2Fに示す結合された半導体構造500を形成することができる。第2の半導体構造200の結合パッド208の結合表面220は、図1Fおよび1Gを参照して第1の半導体構造100および第2の半導体構造200に関連して前述したように、第1の半導体構造400の結合パッド108の結合表面420へ直接結合することができる。

0062

図2Fに示すように、いくつかの実施形態では、第1の半導体構造400の結合パッド108を第2の半導体構造200の結合パッド208へ直接結合する際、結合パッド108と結合パッド208の間の境界面にある金属キャップ層416の1つまたは複数の要素が、結合パッド108および/または結合パッド208内へ拡散することがあり、したがって金属キャップ層418は、結合パッド108と結合パッド208の間の結合境界面で別個の相として存在しなくなる。図2Fに示すように、金属キャップ層416の少なくとも一部分は、結合パッド108の少なくとも一部分を覆ったまま残すことができる。図1Gを参照して本明細書ですでに論じた理由のため、結合プロセス後に金属キャップ層416の少なくとも一部分が結合パッド108を覆っていることは有益であろう。

0063

上記の実施形態では、直接結合された金属フィーチャの特性を改善するために、金属および/または非金属キャップ層が使用されている。本発明の追加の実施形態では、エレクトロマイグレーションを低減させ、または直接結合された金属フィーチャの性能および/もしくは動作寿命を他の方法で改善するために、金属フィーチャを1つまたは複数のドーパント要素で選択的にドープすることができる。そのような実施形態の例について、図3A〜3Gを参照して以下に説明する。

0064

図3Aは、トランジスタ102、垂直に延びる伝導バイア104、および水平に延びる伝導トレース106を含むという点で図1Aの第1の半導体構造100に概ね類似している第1の半導体構造600を示す。図3Aの第1の半導体構造600は、ドープされた結合パッド608をその上に形成する前の状態を示す。ドープされた結合パッド608は、図3Cに示す。いくつかの実施形態では、結合パッド608(図3C)は、図3A〜3Cを参照して説明するように、結合パッド608の製作中にドープすることができる。しかし、他の実施形態では、結合パッド608を形成した後に結合パッド608をドープすることができる。

0065

図3Aに示すように、第1の半導体構造600内で、結合パッド608(図3C)を形成するのが望ましい位置に、凹部630を形成することができる。たとえば、標準的なマスキングおよびエッチングプロセスを使用して、第1の半導体構造600内にそのような凹部630を形成することができる。少なくとも凹部630内で半導体構造600の露出表面を覆って(たとえば、露出表面上に)、ライナ材料632を提供することができるが、ライナ材料632は、図3Aに示すように、少なくとも実質上第1の半導体構造600の能動表面610全体を覆って、共形堆積させることもできる。ライナ材料632は、たとえば、ライナ材料632を通って1つまたは複数の原子種が拡散するのを妨害または防止するように選択された組成を有する障壁材料を含むことができる。例として、限定的ではないが、ライナ材料632は、たとえばTaNまたはTiNなどの材料を含むことができる。ライナ材料632は、たとえば化学気相成長(CVD)プロセス、物理的堆積プロセス(たとえば、スパッタリング)、物理気相成長(PVD)プロセス、原子層堆積(ALD)プロセス、および無電解めっきプロセスの1つまたは複数を使用して、半導体構造600上に提供することができる。

0066

図3Aを引き続き参照すると、ライナ材料632を覆って、ドープされた金属シード材料634を堆積させることができる。ドープされた金属シード材料634を使用すると、図3Bを参照して以下でさらに詳細に論じるように、ドープされた金属シード材料634上に追加のバルク金属材料を容易に堆積させることができる。例として、限定的ではないが、ドープされた金属シード材料634は実質上、金属または金属合金から構成することができる。非限定的な一例として、ドープされた金属シード材料634は実質上、銅または銅合金から構成することができる。ドープされた金属シード材料634は、1つまたは複数のドーパント要素をさらに含むことができる。非限定的な例として、ドーパント要素は、アルミニウム、銀、およびマンガンの1つまたは複数を含むことができる。ドーパント要素は、ライナ材料632上に金属シード材料634を堆積させる間に金属シード材料634内へ導入することができ、またはドーパント要素は、ライナ材料632上に金属シード材料634を形成した後に金属シード材料634内へ導入することができる。ドープされた金属シード材料634は、たとえば化学気相成長(CVD)プロセス、物理的堆積プロセス(たとえば、スパッタリング)、物理気相成長(PVD)プロセス、原子層堆積(ALD)プロセス、および無電解めっきプロセスの1つまたは複数を使用して、半導体構造600上に提供することができる。

0067

図3Bを参照すると、ライナ材料632を覆ってドープされた金属シード材料634を形成した後、金属シード材料634を使用して、たとえば電解めっきプロセスで、金属シード材料634上にバルク金属材料636を容易に堆積させることができる。たとえば、ドープされた金属シード材料634は実質上、ドープされた銅またはドープされた銅合金から構成することができ、バルク金属材料636は、電解めっきプロセスを使用してドープされた金属シード材料634上に堆積できるバルク銅金属を含むことができる。

0068

ドープされた金属シード材料634上へバルク金属材料636を堆積させた後、第1の半導体構造600を焼なましプロセスにかけて、ドーパント要素(たとえば、Al、Ag、Mnなど)をバルク金属材料636内へ拡散させることができる。以下でさらに詳細に論じる理由のため、バルク金属材料636内にドーパント要素が存在することは有益であろう。バルク金属材料636内のドーパント要素の濃度は、非特許文献8に開示されているように、ライナ材料632を覆ってドープされた金属シード材料634を堆積させる厚さを選択的に制御することによって、選択的に制御することができる。同文献を、参照により全体として本明細書に組み込む。

0069

本発明の追加の実施形態では、電解プロセス以外の1つまたは複数のプロセスを使用して、バルク金属材料636をライナ材料632上に堆積させることができる。たとえば、バルク金属材料636は、化学気相成長(CVD)プロセス、物理的堆積プロセス(たとえば、スパッタリング)、物理気相成長(PVD)プロセス、原子層堆積(ALD)プロセス、および無電解めっきプロセスの1つまたは複数を使用して堆積させることができ、堆積されるときにドーパント要素でドープすることができる。

0070

いくつかの実施形態では、バルク金属材料636は、凹部630(図3A)を少なくとも実質上充填するのに十分な平均厚さに堆積させることができ、第1の半導体構造600の能動表面610を覆って、余分なバルク金属材料636が存在することがある。したがって、図3Cを参照すると、バルク金属材料636を堆積させた後、たとえばエッチングプロセス、研磨プロセス、または化学的機械研磨(CMP)プロセスを使用して、余分なバルク金属材料636を除去することができる。非限定的な例として、第1の半導体構造600の能動表面610を化学的機械研磨プロセスにかけて、余分なバルク金属材料636を能動表面610から除去できるが、凹部(630)内にバルク金属材料636を残し、それによって能動表面610内に導電結合パッド608を画定することができる。導電結合パッド608は、凹部630(図3A)内に配置された大量のドープされたバルク金属材料636を含む。

0071

図3Dに示すように、少なくとも結合パッド608の露出表面を覆って、キャップ層618を堆積させることができ、また少なくとも実質上第1の半導体構造600の能動表面を完全に覆って堆積させることができる。例として、限定的ではないが、キャップ層618は、炭化物(たとえば、炭化ケイ素)、窒化物(たとえば、窒化ケイ素)、酸化物(たとえば、酸化ケイ素)などの材料層を含むことができる。追加の実施形態では、キャップ層618は、キャップ層116、キャップ層118、またはキャップ層418に関連して本明細書で前述したような材料を含むことができ、キャップ層116、キャップ層118、またはキャップ層418に関連して前述したように形成することができる。例として、限定的ではないが、キャップ層116は、約40ナノメートル(40nm)以下、約20ナノメートル(20nm)以下、またはさらには約10ナノメートル(10nm)以下の最初の平均厚さを有するように形成することができる(すなわち、結合および/または他の後の処理の前)。キャップ層618は、たとえば物理気相成長(PVD)プロセス、化学気相成長プロセス(CVD)、原子層堆積(ALD)プロセスなどの1つまたは複数を使用して形成することができる。キャップ層618を形成した後、結合パッド608を第2の半導体構造の金属フィーチャへ直接結合することができる。

0072

図3Eを参照すると、第1の半導体構造600を第2の半導体構造200と整合させることができる。図1Eを参照して前述したように、第2の半導体構造200は、たとえば結合パッド208、垂直に延びる伝導バイア204、および水平に延びる伝導トレース206の1つまたは複数を含むことができる複数の能動デバイスフィーチャを含むことができる。第2の半導体構造200の能動デバイスフィーチャは、誘電体材料212によって取り囲むことができる。第1の半導体構造600の結合パッド608が第2の半導体構造200の伝導性の金属結合パッド208と整合されるように、第1の半導体構造600を第2の半導体構造200と整合させることができる。

0073

結合パッド608上のキャップ層618の表面は、結合パッド608の1つまたは複数の結合表面640を画定することができ、結合パッド208の外部露出表面は、第2の半導体構造200の結合パッド208の結合表面220を画定することができる。

0074

図3Fを参照すると、第1の半導体構造600の結合パッド608が第2の半導体構造200の伝導性の金属結合パッド208と整合されるように、第1の半導体構造600と第2の半導体構造200を整合させた後、第1の半導体構造600の結合パッド608の結合表面640(図3E)が第2の半導体構造200の結合パッド208の結合表面220(図3E)に直接当接するように、第1の半導体構造600を第2の半導体構造200に当接させることができる。

0075

図3Gを参照すると、次いで、第1の半導体構造600の結合パッド608の結合表面640(図3E)を第2の半導体構造200の結合パッド208の結合表面220(図3E)へ直接結合して、図3Gに示す結合された半導体構造700を形成することができる。図1Fおよび1Gを参照して第1の半導体構造100および第2の半導体構造200に関連して前述したように、第2の半導体構造200の結合パッド208の結合表面220(図3E)は、第1の半導体構造600の結合パッド608の結合表面640(図3E)へ直接結合することができる。

0076

図3Gに示すように、いくつかの実施形態では、第1の半導体構造600の結合パッド608を第2の半導体構造200の結合パッド208へ直接結合する際、結合パッド608と結合パッド208の間の境界面にあるキャップ層618の1つまたは複数の要素が、結合パッド608および/または結合パッド208内へ拡散することがあり、したがってキャップ層618は、結合パッド608と結合パッド208の間の結合境界面で別個の相として存在しなくなる。図3Gに示すように、キャップ層618の少なくとも一部分は、結合パッド608の少なくとも一部分を覆ったまま残すことができる。図1Gを参照して本明細書ですでに論じた理由のため、結合プロセス後にキャップ層618の少なくとも一部分が結合パッド608を覆っていることは有益であろう。

0077

前述したように、少なくとも一態様では、結合パッド608内にドーパント要素が存在することは有益であろう。たとえば、ドーパント要素は、結合パッド608とキャップ層618の間の境界面を含む粒子境界および境界面で分離することができる。分離されたドーパント要素は、金属原子(たとえば、銅)の拡散を妨害することができ、したがって、隣接する第1の半導体構造600の結合パッド608と第2の半導体構造200の結合パッド208によって画定された伝導構造のエレクトロマイグレーション寿命を改善することができる。

0078

そのようなドーパント要素が結合パッド608内に存在することで、結合パッド608の抵抗率を増大させることができる。したがって、結合パッド608内のドーパントの濃度は、抵抗率は許容できるレベルのまま維持されるが、エレクトロマイグレーションによる金属原子の拡散は低減されるように選択することができる。

0079

本発明の実施形態について上記では、キャップ層をその上に提供することによって、および/または結合パッドを選択されたドーパント要素でドープすることによって、第1の半導体構造の結合パッドを処理することを参照して説明したが、1つまたは複数の伝導バイア104および/または伝導トレース106などの第1の半導体構造の他の金属フィーチャを能動表面で露出でき、結合パッドに関連して上記で論じたように処理でき、また結合パッドに関連して説明した方法と類似の方法で第2の半導体構造の金属フィーチャへ直接結合できることが企図される。追加として、第1の半導体構造の伝導フィーチャを処理してから第2の半導体構造の1つまたは複数の伝導フィーチャを第1の半導体の1つまたは複数の伝導フィーチャへ直接結合することに加えて、またはその代替手段として、第1の半導体構造の結合パッドに関連して本明細書で説明したように、キャップ層をその上に提供することによって、および/または結合パッドを選択されたドーパント要素でドープすることによって、結合パッド208、伝導バイア204、および伝導トレース206の1つまたは複数などの第2の半導体構造の伝導フィーチャを処理できることが企図される。

0080

本発明の追加の非限定的な例示的な実施形態について、以下に説明する。

0081

実施形態1:第1の半導体構造を第2の半導体構造へ直接結合する方法であって、第1の半導体構造上の第1の金属フィーチャの表面に、金属およびケイ素を含むキャップ層を形成するステップであり、キャップ層の表面は、第1の金属フィーチャの第1の結合表面を画定する、ステップと、第2の半導体構造上の第2の金属フィーチャの第2の結合表面を第1の半導体構造上の第1の金属フィーチャの第1の結合表面へ直接結合するステップとを含む方法。

0082

実施形態2:銅を含むように第1の金属フィーチャを形成するステップをさらに含む、実施形態1に記載の方法。

0083

実施形態3:金属およびケイ素を含むキャップ層を形成するステップは、第1の金属フィーチャの表面にケイ素を含む銅化合物を形成するステップを含む、実施形態1または実施形態2に記載の方法。

0084

実施形態4:金属およびケイ素を含むキャップ層を形成するステップは、金属ケイ化物を形成するステップを含む、実施形態1から3のいずれか1つに記載の方法。

0085

実施形態5:金属およびケイ素を含むキャップ層を形成するステップは、金属およびケイ素および窒素を含むキャップ層を形成するステップを含む、実施形態1から3のいずれか1つに記載の方法。

0086

実施形態6:第1の寸法を有するように第1の結合表面を形成するステップと、第1の結合表面の第1の寸法とは異なる第2の寸法を有するように第2の結合表面を形成するステップとをさらに含む、実施形態1から5のいずれか1つに記載の方法。

0087

実施形態7:第1の形状を有するように第1の結合表面を形成するステップと、第1の結合表面の第1の形状とは異なる第2の形状を有するように第2の結合表面を形成するステップとをさらに含む、実施形態1から6のいずれか1つに記載の方法。

0088

実施形態8:第2の結合表面を第1の結合表面へ直接結合するステップは、超低温直接結合プロセスを含む、実施形態1から7のいずれか1つに記載の方法。

0089

実施形態9:第2の結合表面を第1の結合表面へ直接結合するステップは、表面支援結合プロセスを含む、実施形態1から8のいずれか1つに記載の方法。

0090

実施形態10:第2の結合表面を第1の結合表面へ直接結合するステップは、約摂氏400度(400℃)未満の温度の環境で、第1の結合表面を第2の結合表面に直接当接させるステップを含む、実施形態1から9のいずれか1つに記載の方法。

0091

実施形態11:約摂氏200度(200℃)未満の温度の環境で、第1の結合表面と第2の結合表面の間に圧力をかけるステップをさらに含む、実施形態10に記載の方法。

0092

実施形態12:約摂氏200度(200℃)未満の温度の環境で、第1の結合表面と第2の結合表面の間に圧力をかけるステップは、約摂氏100度(100℃)未満の温度の環境で、第1の結合表面と第2の結合表面の間に圧力をかけるステップを含む、実施形態11に記載の方法。

0093

実施形態13:約摂氏100度(100℃)未満の温度の環境で、第1の結合表面と第2の結合表面の間に圧力をかけるステップは、ほぼ室温の環境で、第1の結合表面と第2の結合表面の間に圧力をかけるステップを含む、実施形態12に記載の方法。

0094

実施形態14:第1の半導体構造上の第1の金属フィーチャを不純物でドープしてから、第2の結合表面を第1の結合表面へ直接結合するステップをさらに含む、実施形態1から13のいずれか1つに記載の方法。

0095

実施形態15:第2の半導体構造上の第2の金属フィーチャの表面に金属およびケイ素を含むキャップ層を形成してから、第2の結合表面を第1の結合表面へ直接結合するステップであって、第2の金属フィーチャの表面にあるキャップ層の表面は、第2の金属フィーチャの第2の結合表面を画定する、ステップをさらに含む、実施形態1から14のいずれか1つに記載の方法。

0096

実施形態16:第1の半導体構造を第2の半導体構造へ直接結合する方法であって、第1の半導体構造上の第1の金属フィーチャの表面に金属キャップ層を形成するステップであり、金属キャップ層の表面は、第1の金属フィーチャの第1の結合表面を画定する、ステップと、第2の半導体構造上の第2の金属フィーチャの第2の結合表面を第1の半導体構造上の第1の金属フィーチャの第1の結合表面へ直接結合するステップとを含む、方法。

0097

実施形態17:金属合金を含むように金属キャップ層を形成するステップをさらに含む、実施形態16に記載の方法。

0098

実施形態18:銅を含むように第1の金属フィーチャを形成するステップをさらに含む、実施形態16または実施形態17に記載の方法。

0099

実施形態19:CoWPを含むように金属キャップ層を形成するステップをさらに含む、実施形態16から18のいずれか1つに記載の方法。

0100

実施形態20:約10ナノメートル(10nm)以下の平均厚さを有するように金属キャップ層を形成するステップをさらに含む、実施形態16から19のいずれか1つに記載の方法。

0101

実施形態21:第1の寸法を有するように第1の結合表面を形成するステップと、第1の結合表面の第1の寸法とは異なる第2の寸法を有するように第2の結合表面を形成するステップとをさらに含む、実施形態16から20のいずれか1つに記載の方法。

0102

実施形態22:第1の形状を有するように第1の結合表面を形成するステップと、第1の結合表面の第1の形状とは異なる第2の形状を有するように第2の結合表面を形成するステップとをさらに含む、実施形態16から21のいずれか1つに記載の方法。

0103

実施形態23:第2の結合表面を第1の結合表面へ直接結合するステップは、超低温直接結合プロセスを含む、実施形態16から22のいずれか1つに記載の方法。

0104

実施形態24:第2の結合表面を第1の結合表面へ直接結合するステップは、表面支援結合プロセスを含む、実施形態16から23のいずれか1つに記載の方法。

0105

実施形態25:第2の結合表面を第1の結合表面へ直接結合するステップは、約摂氏200度(200℃)未満の温度の環境で、第1の結合表面を第2の結合表面に直接当接させるステップを含む、実施形態16から24のいずれか1つに記載の方法。

0106

実施形態26:約摂氏200度(200℃)未満の温度の環境で、第1の結合表面と第2の結合表面の間に圧力をかけるステップをさらに含む、実施形態25に記載の方法。

0107

実施形態27:約摂氏200度(200℃)未満の温度の環境で、第1の結合表面と第2の結合表面の間に圧力をかけるステップは、約摂氏100度(100℃)未満の温度の環境で、第1の結合表面と第2の結合表面の間に圧力をかけるステップを含む、実施形態26に記載の方法。

0108

実施形態28:約摂氏100度(100℃)未満の温度の環境で、第1の結合表面と第2の結合表面の間に圧力をかけるステップは、ほぼ室温の環境で、第1の結合表面と第2の結合表面の間に圧力をかけるステップを含む、実施形態27に記載の方法。

0109

実施形態29:第1の半導体構造上の第1の金属フィーチャを不純物でドープしてから、第2の結合表面を第1の結合表面へ直接結合するステップをさらに含む、実施形態16から28のいずれか1つに記載の方法。

0110

実施形態30:第2の半導体構造上の第2の金属フィーチャの表面に別の金属キャップ層を形成してから、第2の結合表面を第1の結合表面へ直接結合するステップであって、第2の金属フィーチャの表面にある別の金属キャップ層の表面は、第2の金属フィーチャの第2の結合表面を画定する、ステップをさらに含む、実施形態16から29のいずれか1つに記載の方法。

0111

実施形態31:第1の半導体構造を第2の半導体構造へ直接結合する方法であって、第1の半導体構造上の第1の金属フィーチャを不純物でドープするステップと、第2の半導体構造上の第2の金属フィーチャを第1の半導体構造上の第1の金属フィーチャへ直接結合するステップとを含む、方法。

0112

実施形態32:アルミニウム、銀、およびマンガンの少なくとも1つを含むように不純物を選択するステップをさらに含む、実施形態31に記載の方法。

0113

実施形態33:第1の金属フィーチャをドープするステップは、不純物を含む金属シード層を形成するステップと、シード層を覆って第1の金属フィーチャを形成し、不純物をシード層から第1の金属フィーチャ内へ拡散させるステップとを含む、実施形態31または実施形態32に記載の方法。

0114

実施形態34:銅を含むように第1の金属フィーチャを形成するステップをさらに含む、実施形態31から33のいずれか1つに記載の方法。

0115

実施形態35:第1の寸法を有するように第1の結合表面を形成するステップと、第1の結合表面の第1の寸法とは異なる第2の寸法を有するように第2の結合表面を形成するステップとをさらに含む、実施形態31から34のいずれか1つに記載の方法。

0116

実施形態36:第1の形状を有するように第1の結合表面を形成するステップと、第1の結合表面の第1の形状とは異なる第2の形状を有するように第2の結合表面を形成するステップとをさらに含む、実施形態31から35のいずれか1つに記載の方法。

0117

実施形態37:第2の結合表面を第1の結合表面へ直接結合するステップは、超低温直接結合プロセスを含む、実施形態31から36のいずれか1つに記載の方法。

0118

実施形態38:第2の結合表面を第1の結合表面へ直接結合するステップは、表面支援結合プロセスを含む、実施形態31から37のいずれか1つに記載の方法。

0119

実施形態39:第2の結合表面を第1の結合表面へ直接結合するステップは、約摂氏200度(200℃)未満の温度の環境で、第1の結合表面を第2の結合表面に直接当接させるステップを含む、実施形態31から38のいずれか1つに記載の方法。

0120

実施形態40:約摂氏200度(200℃)未満の温度の環境で、第1の結合表面と第2の結合表面の間に圧力をかけるステップをさらに含む、実施形態39に記載の方法。

0121

実施形態41:第1の金属フィーチャを含む第1の半導体構造と、第2の金属フィーチャを含む第2の半導体構造であって、第2の半導体構造の第2の金属フィーチャは、第1の半導体構造の第1の金属フィーチャへ直接結合される、第2の半導体構造と、第1の金属フィーチャと第2の金属フィーチャの間の結合境界面にある不純物とを含む、結合された半導体構造。

0122

実施形態42:不純物は、アルミニウム、銀、およびマンガンの少なくとも1つを含む、実施形態41の結合された半導体構造。

0123

実施形態43:不純物は、ケイ素および窒素の少なくとも1つを含む、実施形態41または実施形態42の結合された半導体構造。

0124

実施形態44:不純物は、コバルト、タングステン、およびリンの少なくとも1つを含む、実施形態41から43のいずれか1つに記載の結合された半導体構造。

0125

実施形態45:第1の金属フィーチャおよび第2の金属フィーチャの少なくとも1つは銅を含む、実施形態41から44のいずれか1つに記載の結合された半導体構造。

0126

実施形態46:第1の金属フィーチャは、第1の金属フィーチャと第2の金属フィーチャの間の結合境界面に対して平行な平面で第1の断面積を有し、第2の金属フィーチャは、第1の金属フィーチャと第2の金属フィーチャの間の結合境界面に対して平行な平面で第2の断面積を有し、第2の断面積は、第1の断面積とは異なる、実施形態41から45のいずれか1つに記載の結合された半導体構造。

0127

実施形態47:第1の金属フィーチャは、第1の金属フィーチャと第2の金属フィーチャの間の結合境界面に対して平行な平面で第1の断面形状を有し、第2の金属フィーチャは、第1の金属フィーチャと第2の金属フィーチャの間の結合境界面に対して平行な平面で第2の断面形状を有し、第2の断面形状は、第1の断面形状とは異なる、実施形態41から46のいずれか1つに記載の結合された半導体構造。

0128

実施形態48:第1の主表面を含む第1の金属フィーチャを含む第1の半導体構造と、誘電体材料によって少なくとも部分的に取り囲まれた第2の金属フィーチャを含む第2の半導体構造であって、第2の半導体構造の第2の金属フィーチャは、第1の半導体構造の第1の金属フィーチャの第1の主表面の一部分へ直接結合された第2の主表面を有する、第2の半導体構造と、誘電体材料の表面と第1の半導体構造の第1の金属フィーチャの第1の主表面の別の部分の間に直接配置されたキャップ材料とを含む、結合された半導体構造。

0129

実施形態49:キャップ材料は誘電体材料を含む、実施形態48に記載の結合された半導体構造。

0130

実施形態50:キャップ材料は、CuSiN、SiC、およびSiNの少なくとも1つを含む、実施形態49に記載の結合された半導体構造。

0131

実施形態51:キャップ材料は伝導材料を含む、実施形態48に記載の結合された半導体構造。

0132

実施形態52:キャップ材料はCoWPを含む、実施形態51に記載の結合された半導体構造。

0133

実施形態53:第1の金属フィーチャおよび第2の金属フィーチャの少なくとも1つは銅を含む、実施形態48から52のいずれか1つに記載の結合された半導体構造。

0134

実施形態54:第1の金属フィーチャは、第1の金属フィーチャと第2の金属フィーチャの間の結合境界面に対して平行な平面で第1の断面積を有し、第2の金属フィーチャは、第1の金属フィーチャと第2の金属フィーチャの間の結合境界面に対して平行な平面で第2の断面積を有し、第2の断面積は、第1の断面積とは異なる、実施形態48から53のいずれか1つに記載の結合された半導体構造。

0135

実施形態55:第1の金属フィーチャは、第1の金属フィーチャと第2の金属フィーチャの間の結合境界面に対して平行な平面で第1の断面形状を有し、第2の金属フィーチャは、第1の金属フィーチャと第2の金属フィーチャの間の結合境界面に対して平行な平面で第2の断面形状を有し、第2の断面形状は、第1の断面形状とは異なる、実施形態48から54のいずれか1つに記載の結合された半導体構造。

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