(57)【特許請求の範囲】
【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の金属パッドの表面に、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、前記キャップ層の表面は、前記第１の金属パッドの第１の結合表面を画定する、ステップと、
前記第２の半導体構造上の第２の金属パッドの第２の結合表面と前記第１の結合表面の一部分との境界面にある一部のキャップ層を前記第１の金属パッド及び前記第２の金属パッドに拡散することにより前記一部のキャップ層が存在しなくなるように、前記第２の半導体構造上の前記第２の金属パッドの前記第２の結合表面を前記第１の結合表面の一部分に直接結合するステップと
を含み、
前記第２の金属パッドは、誘電体材料によって少なくとも部分的に取り囲まれ、前記一部のキャップ層の他の部分のキャップ層は、前記第２の金属パッドと当接せず、前記誘電体材料と当接する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の金属パッド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、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の面積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の面積とは異なる第２の面積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、摂氏２００度（２００℃）未満の温度の環境で実施される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、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】
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】
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、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】
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、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の金属パッド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の金属パッド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の金属パッドの前記表面にある前記キャップ層の表面は、前記第２の金属パッドの前記第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】
１０ナノメートル（１０ｎｍ）以下の平均厚さを有するように前記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の金属パッド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の金属パッドを形成し、前記不純物を前記シード層から前記第１の金属パッド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の金属パッドを含む第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の金属パッドを含む第２の半導体構造であって、前記第２の金属パッドは、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の主表面との間に直接配置されたキャップ材料と
を含み、
前記第２の主表面は、前記第２の主表面と前記第１の主表面の一部分との境界面にある一部のキャップ層を前記第１の金属パッド及び前記第２の金属パッドに拡散するように前記第１の主表面の一部分に直接結合され、
前記一部のキャップ層の他の部分のキャップ層は、前記第２の金属パッドと当接せず、前記誘電体材料と当接する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の金属パッドおよび前記第２の金属パッドの少なくとも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の金属パッドは、前記第１の金属パッドと前記第２の金属パッド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の金属パッドは、前記第１の金属パッドと前記第２の金属パッド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の金属パッドは、前記第１の金属パッドと前記第２の金属パッド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の金属パッドは、前記第１の金属パッドと前記第２の金属パッド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。
【発明の詳細な説明】
【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、デバイスの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が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℃）の高温で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を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的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。相互接続の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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】米国特許出願公開第２００８／０２１３９９７号明細書
【非特許文献】
【００１２】
【非特許文献１】P. Garrou, et al. “The Handbook of 3D Integration,” Wiley-VCH (2008)
【非特許文献２】J. Gambino et al., “Copper Interconnect Technology for the 32 nm Node and Beyond,” IEEE 2009 Custom Integrated Circuits Conference (CICC), pages 141-148
【非特許文献３】Chattopadhyay et al., In Situ Formation of a Copper Silicide Cap for TDDB and Electromigration Improvement, IEEE 06CH37728, 44th Annual International Reliability Physics Symposium, San Jose, 2006
【非特許文献４】L. G. Gosset et al., Advanced Metallization Conference, 2003
【非特許文献５】S. Chhun et al., Microelectronic Engineering 76, 2004, pp. 106
【非特許文献６】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
【非特許文献７】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)
【非特許文献８】Yokogawa et al., Analysis of Al Doping Effects on Resistivity and Electromigration of Copper Interconnects, IEEE Transactions on Device and Materials Reliability, Volume 8, Issue 1, pp. 216-21 (March 2008)
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本概要は、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】
【図１Ａ】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。
【図１Ｂ】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。
【図１Ｃ】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。
【図１Ｄ】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。
【図１Ｅ】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。
【図１Ｆ】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。
【図１Ｇ】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。
【図２Ａ】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。
【図２Ｂ】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。
【図２Ｃ】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。
【図２Ｄ】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。
【図２Ｅ】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。
【図２Ｆ】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。
【図３Ａ】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。
【図３Ｂ】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。
【図３Ｃ】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。
【図３Ｄ】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。
【図３Ｅ】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。
【図３Ｆ】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。
【図３Ｇ】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。
【発明を実施するための形態】
【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の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、ケイ素原子と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の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、物理的堆積プロセス、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、共形に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。
【図１Ａ】
0005555218.tif 000002
【図１Ｂ】
0005555218.tif 000003
【図１Ｃ】
0005555218.tif 000004
【図１Ｄ】
0005555218.tif 000005
【図１Ｅ】
0005555218.tif 000006
【図１Ｆ】
0005555218.tif 000007
【図１Ｇ】
0005555218.tif 000008
【図２Ａ】
0005555218.tif 000009
【図２Ｂ】
0005555218.tif 000010
【図２Ｃ】
0005555218.tif 000011
【図２Ｄ】
0005555218.tif 000012
【図２Ｅ】
0005555218.tif 000013
【図２Ｆ】
0005555218.tif 000014
【図３Ａ】
0005555218.tif 000015
【図３Ｂ】
0005555218.tif 000016
【図３Ｃ】
0005555218.tif 000017
【図３Ｄ】
0005555218.tif 000018
【図３Ｅ】
0005555218.tif 000019
【図３Ｆ】
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【図３Ｇ】
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