特表 2024-543728 ダイレクトボンディングのための導電性フィーチャを有する構造及びその形成方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】

(43)【公表日】2024-11-22

(54)【発明の名称】ダイレクトボンディングのための導電性フィーチャを有する構造及びその形成方法

(51)【国際特許分類】

   H01L 25/07 20060101AFI20241115BHJP

【ＦＩ】

H01L25/08 Y

【審査請求】未請求

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2024535512

(86)(22)【出願日】2022-12-14

(85)【翻訳文提出日】2024-06-13

(86)【国際出願番号】 US2022081601

(87)【国際公開番号】W WO2023114878

(87)【国際公開日】2023-06-22

(31)【優先権主張番号】63/291,285

(32)【優先日】2021-12-17

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【識別番号】518065991

【氏名又は名称】アデイア セミコンダクター ボンディング テクノロジーズ インコーポレイテッド

(74)【代理人】

【識別番号】100103610

【弁理士】

【氏名又は名称】▲吉▼田 和彦

(74)【代理人】

【識別番号】100109070

【弁理士】

【氏名又は名称】須田 洋之

(74)【代理人】

【識別番号】100119013

【弁理士】

【氏名又は名称】山崎 一夫

(74)【代理人】

【識別番号】100130937

【弁理士】

【氏名又は名称】山本 泰史

(74)【代理人】

【識別番号】100144451

【弁理士】

【氏名又は名称】鈴木 博子

(74)【代理人】

【識別番号】100168871

【弁理士】

【氏名又は名称】岩上 健

(72)【発明者】

【氏名】ファウンテン ガイウス ギルマン ジュニア

(72)【発明者】

【氏名】ハドソン ジョージ カールトン

(72)【発明者】

【氏名】ムロジェク パウエル

(72)【発明者】

【氏名】ウゾー シプリアン エメカ

(72)【発明者】

【氏名】タイル ジェレミー アルフレッド

(72)【発明者】

【氏名】ガオ ギリアン

(57)【要約】

ダイレクトボンディングのための構造及び方法を開示する。結合構造が、第１の素子及び第２の素子を含むことができる。第１の素子は、非導電性結合面を有する第１の非導電性構造と、非導電性結合面から非導電性構造の厚みを少なくとも部分的に貫通するキャビティと、キャビティ内に配置された第１の導電材料及びその上の第２の導電材料を有する第１の導電性フィーチャとを含むことができる。第２の導電材料の直線横寸法での最大粒径は、導電性フィーチャの直線横寸法の２０％よりも小さいことができる。第２の導電材料の結晶粒界には、２０パーツパーミリオン（ｐｐｍ）未満の不純物が存在することができる。
【選択図】 図４Ｆ

【特許請求の範囲】

【請求項1】

素子の形成方法であって、
非導電性構造を準備することと、
前記非導電性構造に、前記非導電性構造の表面から前記非導電性構造の厚みを少なくとも部分的に貫通するキャビティを形成することと、
第１の導電材料と、前記第１の導電材料上の第２の導電材料とを前記キャビティ内に含む導電性フィーチャを提供することであって、前記第２の導電材料は前記素子の結合面に配置され、前記第２の導電材料の直線横寸法での最大粒径は、前記導電性フィーチャの直線横寸法の２０％よりも小さい、ことと、
前記素子の前記結合面をダイレクトボンディングのために調製することと、
を含む方法。

【請求項2】

前記第２の導電材料の結晶粒界に２０パーツパーミリオン（ｐｐｍ）未満の不純物が存在する、
請求項１に記載の方法。

【請求項3】

前記第２の導電材料の平均粒径は、前記第１の導電材料の平均粒径よりも小さい、
請求項１に記載の方法。

【請求項4】

前記導電性フィーチャを提供することは、前記第１の導電材料及び前記第２の導電材料を別々に提供することを含む、
請求項１に記載の方法。

【請求項5】

前記第１の導電材料を提供することは、前記キャビティを部分的に満たすことを含む、
請求項４に記載の方法。

【請求項6】

前記第１の導電材料を提供することは、前記キャビティを前記第１の導電材料で満たし、前記第１の導電材料の一部を除去することを含む、
請求項４に記載の方法。

【請求項7】

前記第２の導電材料を提供する前に前記第１の導電材料をアニール処理することをさらに含む、
請求項４に記載の方法。

【請求項8】

前記導電材料を提供することは、前記第２の導電材料をプラズマ蒸着（ＰＶＤ）によって前記第１の導電材料上に提供することを含む、
請求項４に記載の方法。

【請求項9】

前記第２の導電材料は、前記第１の導電材料を提供する第１の堆積プロセスよりも高い電流密度でのめっきによって提供される、
請求項４に記載の方法。

【請求項10】

前記結合面を調製することは、前記非導電材料及び前記第２の導電材料の表面を研磨することを含む、
請求項１に記載の方法。

【請求項11】

前記第２の導電材料の前記最大粒径は、前記導電性フィーチャの前記直線横寸法の１０％よりも小さい、
請求項１に記載の方法。

【請求項12】

前記第２の導電材料の前記最大粒径は、前記導電性フィーチャの前記直線横寸法の５％よりも小さい、
請求項１１に記載の方法。

【請求項13】

前記第２の導電材料の前記最大粒径は、前記導電性フィーチャの前記直線横寸法の２％よりも小さい、
請求項１２に記載の方法。

【請求項14】

前記結合面における前記導電性フィーチャの面積は７μｍ²よりも小さい、
請求項１に記載の方法。

【請求項15】

前記結合面における前記第２の導電材料の断面図での最大結晶粒側面積は２０００ｎｍ²よりも小さい、
請求項１に記載の方法。

【請求項16】

前記結合面における前記第２の導電材料の最大直線横方向粒径は２００ｎｍよりも小さい、
請求項１に記載の方法。

【請求項17】

前記第１の導電材料及び前記第２の導電材料は銅を含む、
請求項１に記載の方法。

【請求項18】

前記第１の導電材料と前記第２の導電材料との間に介在層を設けることをさらに含む、
請求項１に記載の方法。

【請求項19】

前記第２の導電材料の厚みは、前記導電性フィーチャの厚みの５０％未満である、
請求項１に記載の方法。

【請求項20】

前記第２の導電材料の厚みは、前記導電性フィーチャの厚みの３０％未満である、
請求項１９に記載の方法。

【請求項21】

結合構造の形成方法であって、
非導電性結合面を有する第１の非導電性構造と、
前記非導電性結合面から前記非導電性構造の厚みを少なくとも部分的に貫通するキャビティと、
前記キャビティ内に配置された第１の導電材料と、前記第１の導電材料上の第２の導電材料とを有する第１の導電性フィーチャと、
を含む第１の素子を準備することであって、前記第２の導電材料は、前記素子の結合面において少なくとも部分的に露出しており、前記第２の導電材料の平均粒径は、前記第１の導電材料の平均粒径よりも小さい、ことと、
第２の非導電性構造と、
第２の導電性フィーチャと、
を含む第２の素子を準備することと、
前記第２の導電材料にアニールプロセスを行うことなく、前記第１の素子の前記結合面と前記第２の素子の結合面とを接触させることと、
前記接触後に前記第１の素子と前記第２の素子とを直接結合することと、
を含む方法。

【請求項22】

前記第２の導電材料の結晶粒界に２０パーツパーミリオン（ｐｐｍ）未満の不純物が存在する、
請求項２１に記載の方法。

【請求項23】

前記第１の素子と前記第２の素子とを直接結合することは、介在接着剤を使用せずに前記第１の非導電性構造と前記第２の非導電性構造とを直接結合し、介在接着剤を使用せずに前記第１の導電性フィーチャと前記第２の導電性フィーチャとを直接結合することを含む、
請求項２１に記載の方法。

【請求項24】

前記第１の素子を準備することは、
前記第１の非導電性構造を準備することと、
前記第１の非導電性構造にキャビティを形成することと、
第１の導電材料を提供することと、
前記第１の導電材料を提供した後に第２の導電材料を提供することと、
を含む、請求項２１に記載の方法。

【請求項25】

前記第２の導電材料を提供する前に前記第１の導電材料をアニール処理することをさらに含む、
請求項２４に記載の方法。

【請求項26】

前記結合された第１及び第２の素子をアニール処理することをさらに含む、
請求項２１に記載の方法。

【請求項27】

前記素子の前記結合面をダイレクトボンディングのために調製することをさらに含む、
請求項２１に記載の方法。

【請求項28】

前記結合面を調製することは、前記非導電材料及び前記第２の導電材料の表面を研磨することを含む、
請求項２７に記載の方法。

【請求項29】

前記第１の素子と前記第２の素子とを直接結合する前の前記第２の導電材料の直線横寸法での最大粒径は、前記導電性フィーチャの直線横寸法の２０％よりも小さい、
請求項２１に記載の方法。

【請求項30】

前記第１の素子と前記第２の素子とを直接結合する前の前記第２の導電材料の最大粒径は、前記導電性フィーチャの直線横寸法の１０％よりも小さい、
請求項２９に記載の方法。

【請求項31】

前記第１の素子と前記第２の素子とを直接結合する前の前記第２の導電材料の最大粒径は、前記導電性フィーチャの直線横寸法の５％よりも小さい、
請求項３０に記載の方法。

【請求項32】

前記導電性フィーチャの前記露出した面積全体は７μｍ²よりも小さい、
請求項２１に記載の方法。

【請求項33】

前記第１の素子と前記第２の素子とを直接結合する前の前記第２の導電材料の最大結晶粒側面積は２０００ｎｍ²よりも小さい、
請求項２１に記載の方法。

【請求項34】

前記第１の素子と前記第２の素子とを直接結合する前の前記第２の導電材料の最大直線横方向粒径は２００ｎｍよりも小さい、
請求項２１に記載の方法。

【請求項35】

前記第１の素子と前記第２の素子とを直接結合した後の前記第２の導電材料の直線横寸法での最大粒径は、前記導電性フィーチャの直線横寸法の３０％よりも小さい、
請求項２１に記載の方法。

【請求項36】

前記第１の素子と前記第２の素子とを直接結合した後の前記第２の導電材料の最大粒径は、前記導電性フィーチャの直線横寸法の２０％よりも小さい、
請求項３５に記載の方法。

【請求項37】

前記第１の素子と前記第２の素子とを直接結合した後の前記第２の導電材料の最大粒径は、前記導電性フィーチャの直線横寸法の１５％よりも小さい、
請求項３６に記載の方法。

【請求項38】

前記第１の素子と前記第２の素子とを直接結合した後の前記結合面における前記第２の導電材料の最大結晶粒側面積は７１０００ｎｍ²よりも小さい、
請求項２１に記載の方法。

【請求項39】

前記第１の素子と前記第２の素子とを直接結合した後の前記結合面における前記第２の導電材料の最大直線横方向粒径は２μｍよりも小さい、
請求項２１に記載の方法。

【請求項40】

前記第１の導電材料及び前記第２の導電材料は銅を含む、
請求項２１に記載の方法。

【請求項41】

前記第１の導電材料と前記第２の導電材料との間に介在層を設けることをさらに含む、
請求項２１に記載の方法。

【請求項42】

非導電性構造と、
前記非導電性構造内のキャビティと、
導電性フィーチャと、
を備えた素子であって、
前記キャビティは、前記非導電性構造の表面から前記非導電性構造の厚みを少なくとも部分的に貫通し、
前記導電性フィーチャは、第１の導電材料と、前記第１の導電材料上の第２の導電材料とを前記キャビティ内に含み、前記第２の導電材料は前記素子の結合面に配置され、前記第２の導電材料の直線横寸法での最大粒径は、前記導電性フィーチャの直線横寸法の２０％よりも小さい、
素子。

【請求項43】

前記第２の導電材料の結晶粒界に２０パーツパーミリオン（ｐｐｍ）未満の不純物が存在する、
請求項４２に記載の素子。

【請求項44】

前記第２の導電材料の前記直線横寸法での平均粒径は、前記第１の導電材料の直線横寸法での平均粒径よりも小さい、
請求項４２に記載の素子。

【請求項45】

前記第２の導電材料の厚みは、前記導電性フィーチャの厚みの５０％未満である、
請求項４２に記載の素子。

【請求項46】

前記第２の導電材料の厚みは、前記導電性フィーチャの厚みの３０％未満である、
請求項４５に記載の素子。

【請求項47】

前記素子の前記結合面は、ダイレクトボンディングのために調製される、
請求項４２に記載の素子。

【請求項48】

前記結合面は、２ｎｍ未満の二乗平均平方根（ｒｍｓ）表面粗さを有する、
請求項４７に記載の素子。

【請求項49】

前記第２の導電材料の前記最大粒径は、前記導電性フィーチャの前記直線横寸法の１０％よりも小さい、
請求項４２に記載の素子。

【請求項50】

前記第２の導電材料の前記最大粒径は、前記導電性フィーチャの前記直線横寸法の５％よりも小さい、
請求項４９に記載の素子。

【請求項51】

前記第２の導電材料の前記最大粒径は、前記導電性フィーチャの前記直線横寸法の２％よりも小さい、
請求項５０に記載の素子。

【請求項52】

前記結合面における前記導電性フィーチャの前記直線横寸法は７μｍ²よりも小さい、
請求項４２に記載の素子。

【請求項53】

前記結合面における前記第２の導電材料の最大結晶粒側面積は２０００ｎｍ²よりも小さい、
請求項４２に記載の素子。

【請求項54】

前記結合面における前記第２の導電材料の前記最大粒径は２００ｎｍよりも小さい、
請求項４２に記載の素子。

【請求項55】

前記第１の導電材料及び前記第２の導電材料は銅を含む、
請求項４２に記載の素子。

【請求項56】

前記第１の導電材料と前記第２の導電材料との間に介在層をさらに備える、
請求項４２に記載の素子。

【請求項57】

第１の素子と、
第２の素子と、
を備えた結合構造であって、前記第１の素子は、
非導電性結合面を有する第１の非導電性構造と、
前記非導電性結合面から前記非導電性構造の厚みを少なくとも部分的に貫通するキャビティと、
前記キャビティ内に配置された第１の導電材料と、前記第１の導電材料上の第２の導電材料とを有する第１の導電性フィーチャと、
を含み、前記第２の導電材料の平均粒径は、前記第１の導電材料の平均粒径よりも小さく、前記第２の導電材料の結晶粒界に２０パーツパーミリオン（ｐｐｍ）未満の不純物が存在し、前記第２の素子は、
第２の非導電性構造と、
第２の導電性フィーチャと、
を含み、前記第１の素子及び前記第２の素子は、前記第１の非導電性構造と前記第２の非導電性構造とが介在接着剤を使用せずに互いに直接結合され、前記第２の導電材料と前記第２の導電性フィーチャとが介在接着剤を使用せずに互いに直接結合されるように互いに結合される、
結合構造。

【請求項58】

前記第２の導電材料の厚みは、前記導電性フィーチャの厚みの５０％未満である、
請求項５７に記載の結合構造。

【請求項59】

前記第２の導電材料の厚みは、前記導電性フィーチャの厚みの３０％未満である、
請求項５８に記載の結合構造。

【請求項60】

前記第１の導電材料及び前記第２の導電材料は銅を含む、
請求項５７に記載の結合構造。

【請求項61】

前記第１の導電材料と前記第２の導電材料との間に介在層をさらに備える、
請求項５７に記載の結合構造。

【請求項62】

前記第１の素子と前記第２の素子とを直接結合した後の前記第２の導電材料の直線横寸法での最大粒径は、前記導電性フィーチャの直線横寸法の３０％よりも小さい、
請求項５７に記載の結合構造。

【請求項63】

前記第１の素子と前記第２の素子とを直接結合した後の前記第２の導電材料の最大粒径は、前記導電性フィーチャの直線横寸法の２０％よりも小さい、
請求項６２に記載の結合構造。

【請求項64】

前記第１の素子と前記第２の素子とを直接結合した後の前記第２の導電材料の最大粒径は、前記導電性フィーチャの直線横寸法の１５％よりも小さい、
請求項６３に記載の結合構造。

【請求項65】

前記第１の素子と前記第２の素子とを直接結合した後の結合面における前記第２の導電材料の最大結晶粒側面積は７１０００ｎｍ²よりも小さい、
請求項５７に記載の結合構造。

【請求項66】

前記第１の素子と前記第２の素子とを直接結合した後の前記第２の導電材料の最大直線横方向粒径は２μｍよりも小さい、
請求項５７に記載の結合構造。

【請求項67】

素子の形成方法であって、
非導電性構造を準備することと、
前記非導電性構造にキャビティを形成することと、
第１の導電材料と、前記第１の導電材料上の第２の導電材料とを前記キャビティ内に含む導電性フィーチャを、前記第２の導電材料が前記素子の結合面において少なくとも部分的に露出し、前記第２の導電材料の結晶粒界に２０パーツパーミリオン（ｐｐｍ）未満の不純物が存在し、前記第２の導電材料の直線横寸法での最大粒径が前記導電性フィーチャの直線横寸法の２０％よりも小さくなるように提供することと、
を含む方法。

【請求項68】

前記導電性フィーチャを提供することは、前記第１の導電材料及び前記第２の導電材料を別々に提供することを含む、
請求項６７に記載の方法。

【請求項69】

前記第１の導電材料を提供することは、前記キャビティを部分的に満たすことを含む、
請求項６８に記載の方法。

【請求項70】

前記第１の導電材料を提供することは、前記キャビティを前記第１の導電材料で満たし、前記第１の導電材料の一部を除去することを含む、
請求項６８に記載の方法。

【請求項71】

前記第２の導電材料を提供する前に前記第１の導電材料をアニール処理することをさらに含む、
請求項６８に記載の方法。

【請求項72】

前記導電材料を提供することは、蒸着によって前記第１の導電材料上に前記第２の導電材料を提供することを含む、
請求項６８に記載の方法。

【請求項73】

前記蒸着は物理蒸着又は化学蒸着である、
請求項７２に記載の方法。

【請求項74】

前記第２の導電材料は、前記第１の導電材料を提供する第１の堆積プロセスよりも高い電流密度でのめっきによって提供される、
請求項６８に記載の方法。

【請求項75】

前記素子の前記結合面をダイレクトボンディングのために調製することをさらに含む、
請求項６７に記載の方法。

【請求項76】

前記結合面を調製することは、前記非導電材料及び前記第２の導電材料の表面を研磨することを含む、
請求項７５に記載の方法。

【請求項77】

前記第２の導電材料の前記最大粒径は、前記導電性フィーチャの前記直線横寸法の５％よりも小さい、
請求項６７に記載の方法。

【請求項78】

前記第２の導電材料の前記最大粒径は、前記導電性フィーチャの前記直線横寸法の２％よりも小さい、
請求項７７に記載の方法。

【請求項79】

前記導電性フィーチャの前記露出した面積全体は７μｍ²よりも小さい、
請求項６７に記載の方法。

【請求項80】

前記結合面における前記第２の導電材料の最大結晶粒側面積は２０００ｎｍ²よりも小さい、
請求項６７に記載の方法。

【請求項81】

前記第２の導電材料の最大粒径は２００ｎｍよりも小さい、
請求項６７に記載の方法。

【請求項82】

前記第１の導電材料及び前記第２の導電材料は銅を含む、
請求項６７に記載の方法。

【請求項83】

前記第１の導電材料と前記第２の導電材料との間に介在層を設けることをさらに含む、
請求項６７に記載の方法。

【請求項84】

前記第２の導電材料の厚みは、前記導電性フィーチャの厚みの５０％未満である、
請求項６７に記載の方法。

【請求項85】

前記第２の導電材料の厚みは、前記導電性フィーチャの厚みの３０％未満である、
請求項８４に記載の方法。

【請求項86】

結合構造の形成方法であって、
非導電性結合面を有する第１の非導電性構造と、
前記非導電性構造内のキャビティと、
前記キャビティ内に配置された第１の導電材料と、前記第１の導電材料上の第２の導電材料とを有する第１の導電性フィーチャと、
を含む第１の素子を準備することであって、前記第２の導電材料は、前記素子の結合面において少なくとも部分的に露出しており、前記第２の導電材料の結晶粒界に２０パーツパーミリオン（ｐｐｍ）未満の不純物が存在し、前記第２の導電材料の直線横寸法での最大粒径が前記導電性フィーチャの直線横寸法の２０％よりも小さい、ことと、
第２の非導電性構造と、
第２の導電性フィーチャと、
を含む第２の素子を準備することと、
前記第２の導電材料にアニールプロセスを行うことなく、前記第１の素子の前記結合面と前記第２の素子の結合面とを接触させることと、
前記接触後に前記第１の素子と前記第２の素子とを直接結合することと、
を含む方法。

【請求項87】

前記第１の素子と前記第２の素子とを直接結合することは、介在接着剤を使用せずに前記第１の非導電性構造と前記第２の非導電性構造とを直接結合し、介在接着剤を使用せずに前記第１の導電性フィーチャと前記第２の導電性フィーチャとを直接結合することを含む、
請求項８６に記載の方法。

【請求項88】

前記第１の素子を準備することは、
前記第１の非導電性構造を準備することと、
前記第１の非導電性構造にキャビティを形成することと、
第１の導電材料を提供することと、
前記第１の導電材料を提供した後に第２の導電材料を提供することと、
を含む、請求項８６に記載の方法。

【請求項89】

前記第２の導電材料を提供する前に前記第１の導電材料をアニール処理することをさらに含む、
請求項８８に記載の方法。

【請求項90】

前記結合された第１及び第２の素子をアニール処理することをさらに含む、
請求項８６に記載の方法。

【請求項91】

前記素子の前記結合面をダイレクトボンディングのために調製することをさらに含む、
請求項８６に記載の方法。

【請求項92】

前記結合面を調製することは、前記非導電材料及び前記第２の導電材料の表面を研磨することを含む、
請求項９１に記載の方法。

【請求項93】

前記第１の素子と前記第２の素子とを直接結合する前の前記第２の導電材料の最大粒径は、前記導電性フィーチャの直線横寸法の５％よりも小さい、
請求項８６に記載の方法。

【請求項94】

前記第１の素子と前記第２の素子とを直接結合する前の前記第２の導電材料の最大粒径は、前記導電性フィーチャの前記直線横寸法の２％よりも小さい、
請求項９３に記載の方法。

【請求項95】

前記導電性フィーチャの前記露出した面積全体は７μｍ²よりも小さい、
請求項８６に記載の方法。

【請求項96】

前記第１の素子と前記第２の素子とを直接結合する前の前記結合面における前記第２の導電材料の最大結晶粒側面積は２０００ｎｍ²よりも小さい、
請求項８６に記載の方法。

【請求項97】

前記第１の素子と前記第２の素子とを直接結合する前の前記第２の導電材料の最大粒径は２００ｎｍよりも小さい、
請求項８６に記載の方法。

【請求項98】

前記第１の素子と前記第２の素子とを直接結合した後の前記第２の導電材料の最大粒径は、前記導電性フィーチャの直線横寸法の３０％よりも小さい、
請求項８６に記載の方法。

【請求項99】

前記第１の素子と前記第２の素子とを直接結合した後の前記第２の導電材料の最大粒径は、前記導電性フィーチャの直線横寸法の２０％よりも小さい、
請求項９８に記載の方法。

【請求項100】

前記第１の素子と前記第２の素子とを直接結合した後の前記第２の導電材料の最大粒径は、前記導電性フィーチャの直線横寸法の１５％よりも小さい、
請求項９９に記載の方法。

【請求項101】

前記第１の素子と前記第２の素子とを直接結合した後の前記結合面における前記第２の導電材料の最大結晶粒側面積は７１０００ｎｍ²よりも小さい、
請求項８６に記載の方法。

【請求項102】

前記第１の素子と前記第２の素子とを直接結合した後の前記第２の導電材料の前記最大粒径は２μｍよりも小さい、
請求項８６に記載の方法。

【請求項103】

前記第１の導電材料及び前記第２の導電材料は銅を含む、
請求項８６に記載の方法。

【請求項104】

前記第１の導電材料と前記第２の導電材料との間に介在層を設けることをさらに含む、
請求項８６に記載の方法。

【請求項105】

非導電性構造と、
前記非導電性構造内のキャビティと、
導電性フィーチャと、
を備えた素子であって、
前記キャビティは、前記非導電性構造の表面から前記非導電性構造の厚みを少なくとも部分的に貫通し、
前記導電性フィーチャは、第１の導電材料と、前記第１の導電材料上の第２の導電材料とを前記キャビティ内に含み、前記第２の導電材料は前記素子の結合面に配置され、前記第２の導電材料の直線横寸法での最大粒径は、前記導電性フィーチャの直線横寸法の２０％よりも小さく、前記第２の導電材料の結晶粒界に２０パーツパーミリオン（ｐｐｍ）未満の不純物が存在する、
素子。

【請求項106】

前記第２の導電材料の厚みは、前記導電性フィーチャの厚みの５０％未満である、
請求項１０５に記載の素子。

【請求項107】

前記第２の導電材料の厚みは、前記導電性フィーチャの厚みの３０％未満である、
請求項１０６に記載の素子。

【請求項108】

前記素子の前記結合面は、ダイレクトボンディングのために調製される、
請求項１０５に記載の素子。

【請求項109】

前記結合面は、２ｎｍ未満の二乗平均平方根（ｒｍｓ）表面粗さを有する、
請求項１０８に記載の素子。

【請求項110】

前記第２の導電材料の前記最大粒径は、前記導電性フィーチャの前記直線横寸法の５％よりも小さい、
請求項１０５に記載の素子。

【請求項111】

前記第２の導電材料の前記最大粒径は、前記導電性フィーチャの前記直線横寸法の２％よりも小さい、
請求項１１０に記載の素子。

【請求項112】

前記結合面における前記導電性フィーチャの面積は７μｍ²よりも小さい、
請求項１０５に記載の素子。

【請求項113】

前記結合面における前記第２の導電材料の最大結晶粒側面積は２０００ｎｍ²よりも小さい、
請求項１０５に記載の素子。

【請求項114】

前記結合面における前記第２の導電材料の前記最大粒径は２００ｎｍよりも小さい、
請求項１０５に記載の素子。

【請求項115】

前記第１の導電材料及び前記第２の導電材料は銅を含む、
請求項１０５に記載の素子。

【請求項116】

前記第１の導電材料と前記第２の導電材料との間に介在層をさらに備える、
請求項１０５に記載の素子。

【請求項117】

第１の素子と、
第２の素子と、
を備えた結合構造であって、前記第１の素子は、
非導電性結合面を有する第１の非導電性構造と、
前記非導電性結合面から前記非導電性構造の厚みを少なくとも部分的に貫通するキャビティと、
前記キャビティ内に配置された第１の導電材料と、前記第１の導電材料上の第２の導電材料とを有する第１の導電性フィーチャと、
を含み、前記第２の素子は、
第２の非導電性構造と、
第２の導電性フィーチャと、
を含み、前記第１の素子及び前記第２の素子は、前記第１の非導電性構造と前記第２の非導電性構造とが介在接着剤を使用せずに互いに直接結合され、前記第２の導電材料と前記第２の導電性フィーチャとが介在接着剤を使用せずに互いに直接結合されるように互いに結合され、
前記第１の素子と前記第２の素子とを直接結合した後の前記第２の導電材料の直線横寸法での最大粒径は、前記導電性フィーチャの直線横寸法の３０％よりも小さい、
結合構造。

【請求項118】

前記第２の導電材料の結晶粒界に２０パーツパーミリオン（ｐｐｍ）未満の不純物が存在する、
請求項１１７に記載の結合構造。

【請求項119】

前記第２の導電材料の厚みは、前記導電性フィーチャの厚みの５０％未満である、
請求項１１７に記載の結合構造。

【請求項120】

前記第２の導電材料の厚みは、前記導電性フィーチャの厚みの３０％未満である、
請求項１１８に記載の結合構造。

【請求項121】

前記第１の導電材料及び前記第２の導電材料は銅を含む、
請求項１１７に記載の結合構造。

【請求項122】

前記第１の導電材料と前記第２の導電材料との間に介在層をさらに備える、
請求項１１７に記載の結合構造。

【請求項123】

前記第１の素子と前記第２の素子とを直接結合した後の前記第２の導電材料の最大粒径は、前記導電性フィーチャの直線横寸法の２０％よりも小さい、
請求項１１７に記載の結合構造。

【請求項124】

前記第１の素子と前記第２の素子とを直接結合した後の前記第２の導電材料の最大粒径は、前記導電性フィーチャの直線横寸法の１５％よりも小さい、
請求項１２３に記載の結合構造。

【請求項125】

前記第１の素子と前記第２の素子とを直接結合した後の前記結合面における前記第２の導電材料の最大結晶粒側面積は７１０００ｎｍ²よりも小さい、
請求項１１７に記載の結合構造。

【請求項126】

前記第１の素子と前記第２の素子とを直接結合した後の前記第２の導電材料の前記最大粒径は２μｍよりも小さい、
請求項１１７に記載の結合構造。

【請求項127】

前記導電性フィーチャの前記露出した面積全体は７μｍ²よりも小さい、
請求項１１７に記載の結合構造。

【請求項128】

ダイレクトハイブリッドボンディングのための導電性フィーチャを基板内に形成する方法であって、
第１の平均粒径を形成するための条件下で、めっきを含む第１の堆積プロセスによって第１の導電材料を堆積させることと、
前記第１の堆積プロセスとは異なる、前記第１の堆積プロセスよりも小さな第２の平均粒径を形成する第２の堆積プロセスによって、前記第１の堆積プロセスに対して不純物レベルを高めることなく第２の導電材料を堆積させることと、
前記第２の導電材料及び非導電性表面を含む結合面をダイレクトハイブリッドボンディングのために調製することと、
を含む方法。

【請求項129】

前記第１の導電材料の不純物レベルは、前記第２の導電材料以上である、
請求項１２８に記載の方法。

【請求項130】

前記第２の堆積プロセスは、前記第２の導電材料の結晶粒界に２０パーツパーミリオン（ｐｐｍ）未満の不純物を導入することなく結晶粒成長を抑制するプロセスである、
請求項１２８に記載の方法。

【請求項131】

前記第１の堆積プロセスはめっきプロセスを含み、前記第２の堆積プロセスは蒸着プロセスを含む、
請求項１２８に記載の方法。

【請求項132】

前記めっきプロセスは、２ａｍｐ／ｄｍ²を上回る電流密度を使用する、
請求項１３１に記載の方法。

【請求項133】

前記第１の堆積プロセスは、第１の電流密度を用いためっきを含み、前記第２の堆積プロセスは、前記第１の電流密度よりも高い第２の電流密度を用いためっきを含む、
請求項１２８に記載の方法。

【請求項134】

前記第１の堆積プロセスはめっきを含み、前記第２の堆積プロセスは蒸着を含む、
請求項１２８に記載の方法。

【請求項135】

前記第１の導電材料及び前記第２の導電材料は主に銅を含む、
請求項１２８に記載の方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

〔関連出願との相互参照〕
本出願は、２０２１年１２月１７日に出願された「ダイレクトボンディングのための導電性フィーチャを有する構造及びその形成方法（ＳＴＲＵＣＴＵＲＥ ＷＩＴＨ ＣＯＮＤＵＣＴＩＶＥ ＦＥＡＴＵＲＥ ＦＯＲ ＤＩＲＥＣＴ ＢＯＮＤＩＮＧ ＡＮＤ ＭＥＴＨＯＤ ＯＦ ＦＯＲＭＩＮＧ ＳＡＭＥ）」という名称の米国仮特許出願第６３／２９１，２８５号に対する優先権を主張するものであり、この文献の内容はその全体が引用により本明細書に組み入れられる。

【0002】

本分野は、ダイレクトボンディングのための構造及び方法に関し、具体的には導電性フィーチャ及び非導電性フィーチャの両方のハイブリッドダイレクトボンディングに関する。

【背景技術】

【0003】

集積デバイスダイ又はチップなどの半導体素子は、他の素子上に実装又は積層することができる。例えば、半導体素子は、インターポーザ、再構成ウェハ又は素子などのキャリアに実装することができる。別の例として、半導体素子を別の半導体素子上に積層することもでき、例えば第１の集積デバイスダイを第２の集積デバイスダイ上に積層することができる。各半導体素子は、半導体素子を互いに機械的及び電気的に結合するための導電パッドを有することができる。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

はんだなどの介在接着剤を使用せずに素子を互いに直接結合することには多くの利点がある。しかしながら、導電性領域及び非導電性領域の両方のダイレクトハイブリッドボンディングは困難である。従って、ダイレクトボンディングにおいて使用される導電パッドなどの導電性フィーチャを形成するための改善された方法が継続的に必要とされている。

【課題を解決するための手段】

【0005】

以下、限定ではなく一例として示す下記図面を参照しながら具体的な実装について説明する。

【図面の簡単な説明】

【0006】

【図1A】ダイレクトハイブリッドボンディング前の２つの素子の概略的断面側面図である。

【図1B】図１Ａに示す２つの素子のダイレクトハイブリッドボンディング後の概略的断面側面図である。

【図2A】互いに結合された２つの比較的小型の結晶粒の導電性フィーチャの断面走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）画像である。

【図2B】互いに結合された導電性フィーチャセット及び互いに結合されていない導電性フィーチャセットの断面ＳＥＭ画像である。

【図2C】小領域のみで結合した大量の不純物を含む２つの微細銅パッドの断面ＳＥＭ画像である。

【図3A】ある実施形態による結合構造の製造工程のステップを示す図である。

【図3B】ある実施形態による結合構造の製造工程のステップを示す図である。

【図3C】ある実施形態による結合構造の製造工程のステップを示す図である。

【図3D】ある実施形態による結合構造の製造工程のステップを示す図である。

【図3E】ある実施形態による結合構造の製造工程のステップを示す図である。

【図4A】別の実施形態による結合構造の製造工程のステップを示す図である。

【図4B】別の実施形態による結合構造の製造工程のステップを示す図である。

【図4C】別の実施形態による結合構造の製造工程のステップを示す図である。

【図4D】別の実施形態による結合構造の製造工程のステップを示す図である。

【図4E】別の実施形態による結合構造の製造工程のステップを示す図である。

【図4F】別の実施形態による結合構造の製造工程のステップを示す図である。

【図5】ある実施形態による、第１の導電材料３６及び第２の導電材料３８を含む導電性フィーチャ４２を概略的に示すために生成した画像である。

【図6】別の実施形態による、第１の導電材料３６及び第２の導電材料３８を含む導電性フィーチャ６２を概略的に示すために生成した画像である。

【発明を実施するための形態】

【0007】

本開示では、結合面又はその付近に小型の結晶粒（ｇｒａｉｎｓ）を有し、小型の結晶粒の下に大型の結晶粒を有する導電性フィーチャの形成方法について説明する。異なるサイズの結晶粒を有するこのような導電性フィーチャは、ダイレクトハイブリッドボンディングなどの直接金属結合に有利であることができる。例えば、２又は３以上の（集積デバイスダイ、ウェハなどの）半導体素子を互いに積層又は結合して結合構造を形成することができる。１つの素子の導電性コンタクトパッドは、別の素子の対応する導電性コンタクトパッドに電気的に接続することができる。結合構造では、いずれかの好適な数の素子を積層することができる。本明細書で説明する方法及びボンドパッド構造は、他の文脈でも同様に有用であることができる。

【0008】

本明細書に開示する様々な実施形態は、介在接着剤を使用せずに２又は３以上の素子を互いに直接結合できる直接結合構造に関する。図１Ａ及び図１Ｂに、いくつかの実施形態による、介在接着剤を使用せずに直接的にハイブリッド結合された構造を形成するプロセスを概略的に示す。図１Ａ及び図１Ｂでは、結合構造１００が、介在接着剤を使用せずに結合界面１１８において互いに直接結合できる２つの素子１０２及び１０４を含む。結合構造１００を形成するには、２又は３以上の（例えば、集積デバイスダイ、ウェハ、受動デバイス、電力スイッチなどの個々の能動デバイスなどを含む半導体素子などの）マイクロ電子素子１０２及び１０４を互いに積層又は結合することができる。第１の素子１０２の導電性フィーチャ１０６ａ（例えば、コンタクトパッド、ビア（例えば、ＴＳＶ）の露出端、又は基板貫通電極）は、第２の素子１０４の対応する導電性フィーチャ１０６ｂに電気的に接続することができる。結合構造１００では、いずれかの好適な数の素子を積層することができる。例えば、第２の素子１０４上に第３の素子（図示せず）を積層し、第３の素子上に第４の素子（図示せず）を積層することなどができる。これに加えて又は代えて、第１の素子１０２に沿って１又は２以上のさらなる素子（図示せず）を互いに横方向に隣接して積層することもできる。いくつかの実施形態では、横方向に積層されるさらなる素子が第２の素子よりも小さいことができる。いくつかの実施形態では、横方向に積層されるさらなる素子が第２の素子よりも２倍小さいことができる。

【0009】

いくつかの実施形態では、素子１０２及び１０４が、接着剤を使用せずに互いに直接結合される。様々な実施形態では、非導電材料又は誘電材料を含む非導電場領域が第１の素子１０２の第１の結合層１０８ａとして機能することができ、この第１の結合層１０８ａを、第２の素子１０４の第２の結合層１０８ｂとして機能する非導電材料又は誘電材料を含む対応する非導電場領域に、接着剤を使用せずに直接結合することができる。非導電性結合層１０８ａ及び１０８ｂは、素子１０２、１０３の半導体（例えば、シリコン）部分などのデバイス部分１１０ａ及び１１０ｂのそれぞれの表側１１４ａ及び１１４ｂに配置することができる。能動デバイス及び／又は回路は、デバイス部分１１０ａ及び１１０ｂ内又はデバイス部分１１０ａ及び１１０ｂ上にパターン化し、及び／又は別様に配置することができる。能動デバイス及び／又は回路は、デバイス部分１１０ａ、１１０ｂの表側１１４ａ、１１４ｂ又はその付近、及び／又はデバイス部分１１０ａ、１１０ｂの反対の裏側１１６ａ、１１６ｂ又はその付近に配置することができる。結合層は、素子の表側及び／又は裏側に施すことができる。非導電材料は、第１の素子１０２の非導電性結合領域又は結合層１０８ａと呼ぶことができる。いくつかの実施形態では、誘電体－誘電体ボンディング技術を使用して、第１の素子１０２の非導電性結合層１０８ａを第２の素子１０４の対応する非導電性結合層１０８ｂに直接結合することができる。例えば、少なくとも米国特許第９、５６４，４１４号、第９、３９１，１４３号及び第１０，４３４，７４９号に開示されているダイレクトボンディング技術を使用して、接着剤を使用せずに非導電性結合又は誘電体－誘電体結合を形成することができる。なお、様々な実施形態では、結合層１０８ａ及び／又は１０８ｂが、酸化シリコンなどの誘電材料又はアンドープ型シリコンなどのアンドープ型半導体材料などの非導電材料を含むことができると理解されたい。ダイレクトボンディングのための好適な誘電結合面又は材料としては、以下に限定するわけではないが、酸化シリコン、窒化シリコン、又は酸窒化シリコンなどの無機誘電体、或いは炭化シリコン、酸窒化シリコン、低Ｋ誘電材料、ＳｉＣＯＨ誘電体、炭窒化シリコン、又はダイヤモンド状炭素などの炭素、或いはダイヤモンド表面を含む材料を挙げることができる。このような炭素含有セラミック材料は、炭素を含んでいるにもかかわらず無機物とみなすことができる。いくつかの実施形態では、誘電材料が、エポキシ、樹脂又は成形材料などのポリマー材料を含まない。

【0010】

いくつかの実施形態では、デバイス部分１１０ａ及び１１０ｂが、異種構造を定める有意に異なる熱膨張係数（ｔｈｅｒｍａｌ ｅｘｐａｎｓｉｏｎ：ＣＴＥ）を有することができる。デバイス部分１１０ａ及び１１０ｂ間の、とりわけ典型的にはデバイス部分１１０ａ、１１０ｂの単結晶部分であるバルク半導体間のＣＴＥ差は、５ｐｐｍ又は１０ｐｐｍよりも大きいことができる。例えば、デバイス部分１１０ａ及び１１０ｂ間のＣＴＥ差は、５ｐｐｍ～１００ｐｐｍ、５ｐｐｍ～４０ｐｐｍ、１０ｐｐｍ～１００ｐｐｍ、又は１０ｐｐｍ～４０ｐｐｍの範囲内であることができる。いくつかの実施形態では、デバイス部分１１０ａ及び１１０ｂの一方が、光圧電用途又は焦電用途に有用なペロブスカイト材料（ｐｅｒｏｖｓｋｉｔｅ ｍａｔｅｒｉａｌｓ）を含む光電子単結晶材料を含み、デバイス部分１１０ａ、１１０ｂの他方が、より従来の基板材料を含むことができる。例えば、デバイス部分１１０ａ、１１０ｂの一方は、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ₃）又はニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ₃）を含み、デバイス部分１１０ａ、１１０ｂの他方は、シリコン（Ｓｉ）、石英、石英ガラス、サファイア、又はガラスを含む。他の実施形態では、デバイス部分１１０ａ、１１０ｂの一方が、ガリウムヒ素（ＧａＡｓ）又は窒化ガリウム（ＧａＮ）などのＩＩＩ－Ｖ族単一半導体材料を含み、デバイス部分１１０ａ、１１０ｂの他方が、シリコン（Ｓｉ）などの非ＩＩＩ－Ｖ族半導体材料、或いは石英、石英ガラス、サファイア又はガラスなどの、同様のＣＴＥを有する他の材料を含むことができる。

【0011】

様々な実施形態では、介在接着剤を使用せずにダイレクトハイブリッドボンドを形成することができる。例えば、非導電性結合面１１２ａ及び１１２ｂを高度に滑らかに研磨することができる。結合面１１２ａ及び１１２ｂを洗浄し、プラズマ及び／又はエッチャントに曝して表面１１２ａ及び１１２ｂを活性化することができる。いくつかの実施形態では、活性化後又は活性化中（例えば、プラズマ及び／又はエッチングプロセス中）に表面１１２ａ及び１１２ｂを化学種で終端させることができる。理論によって制限されるわけではないが、いくつかの実施形態では、結合面１１２ａ及び１１２ｂにおける化学結合を切断するために活性化プロセスを実行することができ、終端プロセスは、ダイレクトボンディング中の結合エネルギーを高めるさらなる化学種を結合面１１２ａ及び１１２ｂにおいて提供することができる。いくつかの実施形態では、活性化及び終端化が、例えばプラズマで表面１１２ａ及び１１２ｂを活性化して終端化することなどの同じステップで行われる。他の実施形態では、ダイレクトボンディングのためのさらなる化学種をもたらすように結合面１１２ａ及び１１２ｂを別の処理で終端させることもできる。様々な実施形態では、終端化化学種（ｔｅｒｍｉｎａｔｉｎｇ ｓｐｅｃｉｅｓ）が窒素を含むことができる。例えば、いくつかの実施形態では、（単複の）結合面１１２ａ、１１２ｂを窒素含有プラズマに曝すことができる。さらに、いくつかの実施形態では、結合面１１２ａ、１１２ｂをフッ素に曝すことができる。例えば、第１及び第２の素子１０２、１０４間の結合界面１１８又はその付近には、１又は２以上のフッ素ピークが存在することができる。従って、ダイレクトボンディング構造１００では、２つの非導電材料（例えば、結合層１０８ａ及び１０８ｂ）間の結合界面１１８が、結合界面１１８における窒素含有量及び／又はフッ素ピークが高い非常に滑らかな界面を含むことができる。活性化処理及び／又は終端化処理のさらなる例は、米国特許第９，５６４，４１４号、第９，３９１，１４３号、及び第１０，４３４，７４９号に記載されており、これらの各文献の内容はその全体が全ての目的で引用により本明細書に組み入れられる。

【0012】

様々な実施形態では、第１の素子１０２の導電性フィーチャ１０６ａを、第２の素子１０４の対応する導電性フィーチャ１０６ｂに直接結合することもできる。例えば、ダイレクトハイブリッドボンディング技術を使用して、上述したように調製された共有結合的に直接結合された非導電体－非導電体（例えば、誘電体－誘電体）表面を含む結合界面１１８に沿って導体－導体ダイレクトボンディングを提供することができる。様々な実施形態では、導体－導体（例えば、導電性フィーチャ１０６ａ－導電性フィーチャ１０６ｂ）ダイレクトボンド及び誘電体－誘電体ハイブリッドボンドを、少なくとも米国特許第９，７１６，０３３号及び第９，８５２，９８８号に開示されているダイレクトボンディング技術を使用して形成することができ、これらの各文献の内容はその全体が全ての目的で引用により本明細書に組み入れられる。本明細書で説明するダイレクトハイブリッドボンディングの実施形態では、導電性フィーチャが非導電結合層内に設けられ、導電性フィーチャ及び非導電性フィーチャの両方が上述した平坦化処理、活性化処理及び／又は終端化処理などによってダイレクトボンディングのために調製される。従って、ダイレクトボンディングのために調製される結合面は、導電性フィーチャ及び非導電性フィーチャの両方を含む。

【0013】

例えば、非導電性（例えば、誘電性）結合面１１２ａ、１１２ｂ（例えば、無機誘電体表面）は、上述したように調製して、介在接着剤を使用せずに互いに直接結合することができる。導電性接触フィーチャ（例えば、結合層１０８ａ、１０８ｂ内の非導電性誘電場領域によって少なくとも部分的に取り囲むことができる導電性フィーチャ１０６ａ、１０６ｂ）も、介在接着剤を使用せずに互いに直接結合することができる。様々な実施形態では、導電性フィーチャ１０６ａ、１０６ｂが、非導電場領域に少なくとも部分的に埋め込まれた離散パッド又はトレースを含むことができる。いくつかの実施形態では、導電性接触フィーチャが、基板貫通ビア（例えば、シリコン貫通ビア（ＴＳＶ））の露出した接触面を含むことができる。いくつかの実施形態では、それぞれの導電性フィーチャ１０６ａ及び１０６ｂを、誘電場領域又は非導電性結合層１０８ａ及び１０８ｂの外面（例えば、上面）（非導電性結合面１１２ａ及び１１２ｂ）から下方に、例えば３０ｎｍ未満、２０ｎｍ未満、１５ｎｍ未満、又は１０ｎｍ未満だけ、例えば２ｎｍ～２０ｎｍの範囲内、又は４ｎｍ～１０ｎｍの範囲内で凹ませることができる。様々な実施形態では、ダイレクトボンディングの前に、対向する素子の凹部を、対向するコンタクトパッド間の総間隙が１５ｎｍ未満又は１０ｎｍ未満になるようにサイズ決めすることができる。いくつかの実施形態では、非導電性結合層１０８ａ及び１０８ｂを室温で接着剤を使用せずに互いに直接結合し、その後に結合構造１００をアニール処理することができる。導電性フィーチャ１０６ａ及び１０６ｂは、アニール処理すると膨張して互いに接触し、金属－金属ダイレクトボンディングを形成することができる。カリフォルニア州サンノゼのＡｄｅｉａ社から市販されているＤｉｒｅｃｔ Ｂｏｎｄ Ｉｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔ又はＤＢＩ（登録商標）技術を使用することで、ダイレクトボンド界面１１８を横切る高密度の導電性フィーチャ１０６ａ及び１０６ｂの接続（例えば、規則的アレイのための小さな又は微細なピッチ）を有利に可能にすることができる。いくつかの実施形態では、結合された素子の一方の結合面に埋め込まれた導電性トレースなどの導電性フィーチャ１０６ａ及び１０６ｂのピッチが、１００ミクロン未満、又は１０ミクロン未満、或いは２ミクロン未満であることができる。いくつかの用途では、ボンディングパッドの寸法のうちの１つ（例えば、直径）に対する導電性フィーチャ１０６ａ及び１０６ｂのピッチの比率が２０未満、又は１０未満、又は５未満、又は３未満であり、場合によっては２未満であることが望ましい。他の用途では、結合された素子のうちの１つの素子の結合面に埋め込まれた導電性トレースの幅が、例えば０．３～３ミクロンなど、０．３～２０ミクロンに及ぶことができる。様々な実施形態では、導電性フィーチャ１０６ａ及び１０６ｂ及び／又はトレースが銅又は銅合金を含むことができるが、他の金属が適することもある。例えば、導電性フィーチャ１０６ａ及び１０６ｂなどの本明細書に開示する導電性フィーチャは、微細粒金属（ｆｉｎｅ－ｇｒａｉｎ ｍｅｔａｌ）（例えば、微細粒銅）を含むことができる。

【0014】

このように、ダイレクトボンディングプロセスでは、介在接着剤を使用せずに第１の素子１０２を第２の素子１０４に直接結合することができる。いくつかの構成では、第１の素子１０２が、シンギュレートされた集積デバイスダイなどのシンギュレートされた素子を含むことができる。他の構成では、第１の素子１０２が、シンギュレーション時に複数の集積デバイスダイを形成する複数（例えば、数十、数百、又はそれよりも多く）の素子領域を含むキャリア又は基板（例えば、ウェハ）を含むことができる。同様に、第２の素子１０４も、シンギュレートされた集積デバイスダイなどのシンギュレートされた素子を含むことができる。他の構成では、第２の素子１０４がキャリア又は基板（例えば、ウェハ）を含むことができる。従って、本明細書に開示する実施形態は、ウェハ－ウェハ（Ｗ２Ｗ）、ダイ－ダイ（Ｄ２Ｄ）、又はダイ－ウェハ（Ｄ２Ｗ）ボンディングプロセスに適用することができる。ウェハ－ウェハ（Ｗ２Ｗ）プロセスでは、２又は３以上のウェハを互いに直接結合（例えば、ダイレクトハイブリッドボンディング）し、好適なシンギュレーションプロセスを使用してシンギュレートすることができる。シンギュレーション後には、シンギュレートされた構造の側縁部（例えば、２つの結合された素子の側縁部）が実質的に同一平面上に存在し、結合構造の共通シンギュレーションプロセスを示すマーキング（例えば、鋸シンギュレーションプロセス（ｓａｗ ｓｉｎｇｕｌａｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓ）が使用される場合には鋸マーキング）を含むことができる。

【0015】

本明細書で説明したように、第１及び第２の素子１０２、１０４は接着剤を使用せずに互いに直接結合することができ、これは堆積プロセスとは異なり、堆積と比べて構造的に異なる界面をもたらす。１つの用途では、結合構造における第１の素子１０２の幅が第２の素子１０４の幅と同様である。他のいくつかの実施形態では、結合構造１００における第１の素子１０２の幅が第２の素子１０４の幅と異なる。同様に、結合構造における大きい方の素子の幅又は面積は、小さい方の素子の幅又は面積よりも少なくとも１０％大きいことができる。従って、第１及び第２の素子１０２及び１０４は非堆積素子を含むことができる。さらに、直接結合構造１００は、堆積層とは異なり、ナノメートルスケールの空隙（ナノボイド）が存在する欠陥領域を結合界面１１８に沿って含むことがある。ナノボイドは、結合面１１２ａ及び１１２ｂの活性化（例えば、プラズマへの曝露）に起因して形成されることがある。上述したように、結合界面１１８は、活性化及び／又は最後の化学処理プロセスからの材料の濃度を含むことができる。例えば、活性化に窒素プラズマを利用する実施形態では、結合界面１１８に窒素ピークが形成されることがある。窒素ピークは、二次イオン質量分析（ＳＩＭＳ）技術を使用して検出することができる。様々な実施形態では、例えば（例えば、結合面を窒素含有プラズマに曝す）窒素終端化処理が、加水分解（ＯＨ終端）面のＯＨ基をＮＨ₂分子に置換して窒素終端面をもたらすことができる。活性化に酸素プラズマを利用する実施形態では、結合界面１１８に酸素ピークが形成されることがある。いくつかの実施形態では、結合界面１１８が酸窒化シリコン、酸炭窒化シリコン、又は炭窒化シリコンを含むことができる。本明細書で説明するように、直接結合は、ファンデルワールス結合（ｖａｎ Ｄｅｒ Ｗａａｌｓ ｂｏｎｄｓ）よりも強い共有結合を含むことができる。結合層１０８ａ及び１０８ｂは、高度に滑らかに平坦化された研磨表面を含むこともできる。

【0016】

様々な実施形態では、導電性フィーチャ１０６ａ及び１０６ｂ間の金属－金属結合を、金属粒が結合界面１１８を横切って互いに成長するように接合することができる。いくつかの実施形態では、金属が銅であり又は銅を含み、結合界面１１８を横切る銅の拡散を向上させるように大部分が１１１結晶面に沿って配向された結晶粒を有することができる。いくつかの実施形態では、導電性フィーチャ１０６ａ及び１０６ｂが、アニール処理中に導電性フィーチャの融合を支援できるナノ双晶銅粒構造（ｎａｎｏｔｗｉｎｎｅｄ ｃｏｐｐｅｒ ｇｒａｉｎ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）を含むことができる。結合界面１１８は、結合された導電性フィーチャ１０６ａ及び１０６ｂ又はその付近の非導電性結合層１０８ａ及び１０８ｂ間に実質的に間隙が存在しないように、結合された導電性フィーチャ１０６ａ及び１０６ｂの少なくとも一部まで実質的に完全に延びることができる。いくつかの実施形態では、導電性フィーチャ１０６ａ及び１０６ｂの下方に、及び／又はこれらを横方向に取り囲む（例えば、銅を含むことができる）バリア層を施すことができる。しかしながら、他の実施形態では、例えば米国特許第１１，１９５，７４８号に記載されるように、導電性フィーチャ１０６ａ及び１０６ｂの下方にバリア層が存在しないこともでき、この文献はその全体が全ての目的で引用により本明細書に組み入れられる。

【0017】

本明細書で説明するハイブリッドボンディング技術の使用は、隣接する導電性フィーチャ１０６ａ及び１０６ｂ間の極めて微細なピッチ、及び／又は小さなパッドサイズを可能にできるという利点を有する。例えば、様々な実施形態では、隣接する導電性フィーチャ１０６ａ（又は１０６ｂ）間のピッチｐ（すなわち、図１Ａに示すような端部間又は中心間距離）が、０．５ミクロン～５０ミクロン、０．７５ミクロン～２５ミクロン、１ミクロン～２５ミクロン、１ミクロン～１０ミクロン、又は１ミクロン～５ミクロンの範囲内であることができる。さらに、主要横寸法（例えば、パッド直径）も、例えば０．２５ミクロン～３０ミクロン、０．２５ミクロン～５ミクロン、又は０．５ミクロン～５ミクロンの範囲内のように小さくすることができる。

【0018】

上述したように、非導電性結合層１０８ａ、１０８ｂは、接着剤を使用せずに互いに直接結合することができ、その後に結合構造１００をアニール処理することができる。導電性フィーチャ１０６ａ、１０６ｂは、アニール処理すると膨張して互いに接触し、金属－金属ダイレクトボンディングを形成することができる。いくつかの実施形態では、導電性フィーチャ１０６ａ、１０６ｂの材料がアニールプロセス中に相互拡散（ｉｎｔｅｒｄｉｆｆｕｓｅ）することができる。

【0019】

導電性フィーチャの粒径は、導電性フィーチャと別の導電性フィーチャ（例えば、導電性フィーチャ１０６ａ、１０６ｂ）との間の結合強度に影響を与えることができる。いくつかの実施形態では、導電性フィーチャが、銅コンタクトパッド又はラインなどの金属フィーチャを含むことができる。比較的小型の結晶粒を有する導電性フィーチャはエネルギー的に不安定な場合があり、結晶粒は時間と共に平衡に向かうことができる。従って、比較的小型の粒径を有する導電性フィーチャは、最低限の熱の付与でも比較的高い結合強度で互いに結合することができ、比較的小型の粒径との直接結合ではより低いアニール温度を達成することができる。所与のアニール温度では、このような比較的小型の粒径を有する導電性フィーチャ間の結合強度が、単結晶粒又は大型結晶粒の導電性フィーチャ間の結合強度よりも大きい。実際には、図２Ｂの右側のフィーチャに示すように、金属フィーチャの表面を横切る単結晶粒が完全に結合を防ぐ場合がある。いくつかの実施形態では、結合される導電性フィーチャが、いずれも比較的小型の結晶粒の導電性フィーチャを含むことができる。他のいくつかの実施形態では、導電性フィーチャの一方が比較的小型の結晶粒の導電性フィーチャを含み、導電性フィーチャの他方が、結合面に複数の結晶粒界（ｇｒａｉｎ ｂｏｕｎｄａｒｉｅｓ）を有する大型の結晶粒の導電性フィーチャを有することができる。相互拡散による小型結晶粒の導電性フィーチャ間の結合は、十分に信頼できる金属－金属結合をもたらすことができるのに対し、所与のアニール温度での相互拡散による単結晶粒又は大型結晶粒の導電性フィーチャ間の結合は、信頼できる導体－導体（例えば、金属－金属）結合をもたらさないことがある。結晶粒界における不純物は、結晶粒の移動及び結合を抑制又は阻害することがある。従って、結合界面付近では最低限の不純物が好ましいと考えられる。例えば、本明細書に開示する様々な実施形態では、結合界面又はその付近における導電材料の結晶粒界が、１ｐｐｍ又は３ｐｐｍの不純物などの２０パーツパーミリオン（ｐｐｍ）未満の不純物を有することができる。いくつかの実施形態では、結合界面又はその付近における導電材料の結晶粒界が、１ｐｐｍ～２０ｐｐｍ、５ｐｐｍ～２０ｐｐｍ、１ｐｐｍ～１５ｐｐｍ、又は５ｐｐｍ～１５ｐｐｍの不純物を有することができる。不純物は、例えば二次イオン質量分析（ＳＩＭＳ）スキャニング技術を使用して測定することができる。例えば、飛行時間型ＳＩＭＳ（ＴＯＦ－ＳＩＭＳ）を使用して、様々な元素の濃度を、境界を含む結晶粒構造に対してマッピングすることができる。導電材料の結晶方位は、例えば電子後方散乱回折（ＥＢＳＤ）法を使用して決定することができる。導電材料の結晶粒界構造は、例えば高分解能透過型電子顕微鏡（ＨＲＴＥＭ）法などの電子顕微鏡（ＥＭ）法を使用して決定することができる。決定された導電材料の構造に基づいて、特定の不純物を含むサイト数を推定することができる。

【0020】

一般に、結合界面付近の粒径は、（結合前の）導電性フィーチャの表面又は導電性フィーチャの断面図で観察することができる。１つの目的は、対向する素子上の導電性フィーチャの結晶粒界が互いに交わることを可能にして、可動性、従ってダイレクトボンディングを促すことであるため、粒径は、結合すべき導電性フィーチャの横方向サイズに関して測定することができる。従来通りに処理された基板では、ピッチ及び導電性フィーチャ（例えば、ボンディングパッド、ビア、トレース、又はＴＳＶ）の横寸法が代々の集積回路（ＩＣ）において小さくなるにつれて、フィーチャの割合としての粒径が（例えば、竹粒構造（ｂａｍｂｏｏ ｇｒａｉｎ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ）のように）大きくなり、ハイブリッドダイレクトボンディング時に粒界が互いに交わる可能性が低くなる。小型の結晶粒は、従来の処理、及び／又は直接結合界面における複数の結晶粒又は亜結晶粒で構成された導電性フィーチャの横寸法と比較して、導電性フィーチャのダイレクトボンディングを促す移動度にとって有利となり得る。結合界面に複数の結晶粒を提示することで、たとえ今日のＩＣで採用される比較的小型の導電性フィーチャサイズ、及びさらに小型になると予想される将来の導電性フィーチャサイズであっても、対向する素子からの結晶粒界が交わる見込み又は確率が高まる。従って、結合界面に小型の結晶粒を有することで、結合界面に存在する結晶粒の数が多くなり、結合界面にもたらす結晶粒界の数が少ない（例えば、単結晶粒）大型の結晶粒を結合界面に有する場合と比べて結合を形成する見込み又は確率が高まる。本明細書で説明する実施形態のボンディングパッド、ビア（例えば、ＴＳＶ）、トレース又は貫通基板電極などの導電性フィーチャは、約０．０１μｍ～１５μｍ、約０．１μｍ～１０μｍ、約０．５μｍ～８μｍ、約２μｍ～５μｍ、約１μｍ～３μｍ、又は約０．０１μｍ～１μｍの範囲内の最大横寸法を有することができる。比較的小型の高ピッチボンドパッドの例は、例えば約７μｍ²よりも狭い結合界面に導電性フィーチャの露出面積全体を有することができる。

【0021】

結合前のハイブリッドダイレクトボンド界面の一部を形成する導電性フィーチャの上面における粒径について説明する。従って、ハイブリッドダイレクトボンド界面の一部を形成する導電性フィーチャの上面における粒径は、結合前に別の素子の対応する接触面に接触するように構成される導電性フィーチャの接触面の２０％未満、１０％未満、５％未満、又は２％未満であることができる。これらの割合は、平均粒径又は最大粒径を導電性フィーチャサイズで除算することによって計算することができ、粒径及びフィーチャサイズは、いずれも例えば垂直断面などの横（例えば、ｘ又はｙ）寸法（直線横寸法（ｌｉｎｅａｒ ｌａｔｅｒａｌ ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ））において直線的に測定される。面積に関して言えば、結合前の（結合界面において横方向に測定される）界面結晶粒は、２０００ｎｍ²未満、１０００ｎｍ²未満、５００ｎｍ²未満、３００ｎｍ²未満、又は１８０ｎｍ²未満であることができる。このような比較的小型の結晶粒によってもたらされる導電性フィーチャは、結合面において３～２０個、３～１５個、又は４～８個の結晶粒を露出させ、２つの直接結合された導電性フィーチャ間の結合界面において結晶粒界が交わる可能性を最大化することができる。結合界面における結晶粒の結合前の最大横寸法は、２００ｎｍ未満、１００ｎｍ未満、５０ｎｍ未満、２５ｎｍ未満、２０ｎｍ未満、又は１５ｎｍ未満であることができる。

【0022】

結合後のハイブリッドダイレクトボンド界面の一部を形成する導電性フィーチャの上面における粒径について説明する。界面粒径は、結合後の導電性フィーチャの接触面の３０％未満、２０％未満、又は１５％未満であることができ、この割合は導電性フィーチャを拡大して接触させるアニールを含むことができ、結合前の粒径と比べると粒径を増大させる傾向にあるが、後述するように従来の大量製造によって生じるアニール後の粒径と比べると小さなままである。結合前の比較と同様に、これらの割合は、平均粒径又は最大粒径を導電性フィーチャサイズで除算することによって計算することができ、粒径及びフィーチャサイズは、いずれも例えば垂直断面などの横（例えば、ｘ又はｙ）寸法において直線的に測定される。（垂直断面図で横方向に測定される）界面粒径は、例えば結晶粒のサイズが結合後に７１０００ｎｍ²未満、５００００ｎｍ²未満、２００００ｎｍ²未満、１００００ｎｍ²未満、又は８０００ｎｍ²未満であることを意味することができる。

【0023】

従来の大量製造プロセス（例えば、ボトムアップめっき）を使用して製造された導電性フィーチャの粒径は比較的大きくなり得る。導電性フィーチャの大部分がこのような大型の粒径を有することは、このような粒径が小型の粒径よりも安定しており、より良好な導電度及び信号速度を示すことができ、電子移動が少ないため有利となり得る。しかしながら、上述したように、このような大型の結晶粒はダイレクトボンド界面では不利な場合がある。小型の結晶粒界を達成する１つの方法は、めっきプロセス中に結晶粒成長を抑制する不純物を採用することである。しかしながら、このようなプロセスは、とりわけ結晶粒界に高濃度の不純物を取り込んでしまい、結合界面における導電材料の移動度に別の障害が生じる恐れがある。このような従来のプロセスを使用して、不純物を含まない比較的小型の粒径の導電性フィーチャを形成することは困難である。また、小型の結晶粒のみを含む比較的大型の導電性フィーチャを形成するには時間がかかり、経済的に非効率的であり、安定性及び導電性に悪影響を及ぼす恐れもある。さらに、小型の結晶粒のみを含む比較的大型の導電性フィーチャを形成すると、導電性フィーチャ内に望ましくない空隙が形成される恐れもある。

【0024】

一般に、めっきされた導電材料（例えば、銅）内の不純物は、例えば炭素、酸素、窒素、硫黄を含むことができる。不純物は、例えば、コンタクトパッドの導電材料（例えば、銅）と共に合金を形成しない非合金不純物を含むことができる。他の例では、不純物が酸化シリコン粒子又は炭化シリコンを含むことができる。

【0025】

図２Ａは、互いに結合された２つの導電性フィーチャ（第１の導電性フィーチャ１０及び第２の導電性フィーチャ１２）の断面画像である。図２Ａの画像における第１及び第２の導電性フィーチャ１０、１２は、結合界面に複数の重なり合った結晶粒界を有する微細粒銅（Ｃｕ）を含む。微細粒金属は、１５ｎｍ未満、２０ｎｍ未満、５０ｎｍ未満、１００ｎｍ未満、２００ｎｍ未満、３００ｎｍ未満、又は５００ｎｍ未満の平均粒幅を有する金属として定義することができる。例えば、微細粒金属中の結晶粒の最大幅は、１０ｎｍ～５００ｎｍ、１０ｎｍ～３００ｎｍ、１５ｎｍ～５００ｎｍ、１５ｎｍ～３００ｎｍ、１５ｎｍ～１００ｎｍ、１５ｎｍ～５０ｎｍ、５０ｎｍ～５００ｎｍ、５０ｎｍ～３００ｎｍ、又は１００ｎｍ～３００ｎｍの範囲内であることができる。いくつかの実施形態では、微細粒金属中のほとんどの結晶粒が、１０ｎｍ～５００ｎｍ、１０ｎｍ～３００ｎｍ、１５ｎｍ～５００ｎｍ、１５ｎｍ～３００ｎｍ、１５ｎｍ～１００ｎｍ、１５ｎｍ～５０ｎｍ、５０ｎｍ～５００ｎｍ、５０ｎｍ～３００ｎｍ、又は１００ｎｍ～３００ｎｍの範囲の幅を有することができる。あるプロセス例では、微細粒銅が、毎分約０．２８μｍのめっき速度でめっきしたものである。図２Ａには、第１及び第２の導電性フィーチャ１０、１２の数多くの結晶粒が第１及び第２の導電性フィーチャ１０、１２間の結合界面と交わっていることを示しており、このことは、第１及び第２の導電性フィーチャ１０、１２間の信頼できるダイレクトボンディングの提供に寄与することができる。

【0026】

図２Ｂは、互いに結合された導電性フィーチャ１４ａ、１６ａ、及び互いに結合されていない導電性フィーチャ１４ｂ、１６ｂの断面画像である。導電性フィーチャ１４ａ、１４ｂ、１６ａ、１６ｂの結晶粒は、全体的なフィーチャサイズに比べて比較的大型である（例えば、フィーチャの表面における結晶粒界の数が限られている）。図２Ｂには、導電性フィーチャ１４ｂ、１６ｂが互いに結合するように調製されていたことを示す。しかしながら、導電性フィーチャ１４ｂ、１６ｂは互いに結合しなかった。図２Ｂに示す構造は、導電性フィーチャ１４ｂの結合界面のほぼ全体にわたって延びる又は広がる導電性フィーチャ１４ｂの結晶粒が金属－金属結合の形成を妨げていることを示すことができる。従って、導電性フィーチャ１４ｂ、１６ｂ間には、結合するのに十分な結晶粒界の重なりが存在しない。このことは、導電性フィーチャのフィーチャサイズ又は結合界面に比べて粒径が大きなフィーチャでは、金属フィーチャが結合しない確率が高くなり得ることを示す。従って、比較的多くの数の結合フィーチャのアレイではこれらのうちのいくつかが結合せず、従って歩留まりが低下する。

【0027】

図２Ｃは、狭い点領域のみにおいて互いに結合された大量の不純物を含む微細銅パッド１８、２０の断面画像である。本明細書で説明したように、比較的小型の結晶粒（例えば、微細粒）をもたらす１つの方法は、めっきプロセス中に結晶粒の成長を抑制する不純物を導入することである。図２Ｃは、図２Ａの第１及び第２の導電性フィーチャ１０、１２よりも微細な銅パッド１８、２０間の結合の信頼度が低いことを示す。

【0028】

本明細書に開示する様々な実施形態は、過度の不純物又は空隙を伴わずに結合面又はその付近に比較的小型の結晶粒を含む導電性フィーチャを形成する方法に関する。様々な実施形態によれば、導電性フィーチャは、２又は３以上の異なるプロセスを使用して形成することができる。１つの例では、めっきプロセス及び蒸着プロセスを使用して導電性フィーチャを形成することができる。別の例では、第１の速度での第１のめっきプロセス、及び（例えば、より高い電流密度を使用する）第２の速度での第２のめっきプロセスを使用して導電性フィーチャを形成することができる。さらに別の例では、第１の導体形成プロセスによって導電性フィーチャの大部分がもたらされ、アニール処理によってさらに大型で安定した結晶粒が形成され、第２の導体形成プロセスによって導電性フィーチャの表面がもたらされ、形成プロセスと結合プロセスとの間にアニール処理は行われない。本明細書で教示する方法は、結合界面付近に小型の結晶粒を形成し、界面からさらに離れた場所に大型の結晶粒を形成することができるが、界面付近の結晶粒界に過剰な添加剤を伴わない。

【0029】

比較的小型の結晶粒は時間と共に成長し得るので、導電性フィーチャ（第１の導電性フィーチャ）を他の導電性フィーチャ（第２の導電性フィーチャ）に比較的素早く結合することが有利となり得る。例えば、第１の導電性フィーチャ及び第２の導電性フィーチャを形成してから１～２週間以内に第１の導電性フィーチャ及び第２の導電性フィーチャを結合すれば、金属－金属ダイレクトボンドの成功可能性を最大化することができる。製造後のチップ又はウェハを長期（例えば、６ヶ月又は１年）にわたって保存すると、恐らくは大型の粒径のクリープ速度が低下し、又は導電性フィーチャにおいて交わる結晶粒界が減少することに起因して、大型の結晶粒が成長して大型の粒径が金属－金属結合を阻害する傾向にある。

【0030】

図３Ａ～図３Ｅに、ある実施形態による結合構造３０を製造する製造工程の様々なステップを示す。図３Ａにおいて、非導電性構造３４にキャビティ３２を形成することができる。いくつかの実施形態では、非導電性構造３４をデバイス部分３５上に配置することができる。図３Ｂにおいて、第１の堆積プロセスを使用してキャビティ３２を第１の導電材料３６で少なくとも部分的に満たすことができる。第１の導電材料３６は銅を含むことができる。いくつかの実施形態では、第１の導電材料３６を、（例えば、１ｃｍ²当たり３０ｍＡ未満の、さらに詳細には１ｃｍ²当たり１５ｍＡ未満の）比較的低い電流密度及び比較的低い堆積速度を使用するボトムアップ充填プロセスによってキャビティ３２内にめっきすることができる。キャビティ３２の側壁３２は、第１の導電材料３６によって完全に覆うことができる。いくつかの実施形態では、第２の導電材料３８の堆積前に第１の導電材料３６をアニール処理して、第１の導電材料３６の結晶粒を成長させて安定化することができる。図示のように、キャビティ３２を完全に満たす前に第１の堆積プロセスを停止することにより、キャビティ３２に開口部４０を残すことができる。

【0031】

図３Ｃにおいて、第２の堆積プロセスを使用して、キャビティ３２内の第１の導電材料３６上の開口部４０に第２の導電材料３８を提供することができる。第２の導電材料３８は銅を含むことができる。いくつかの実施形態では、第２の導電材料３８を、比較的低い添加剤濃度を使用して第１の堆積プロセスよりも高い堆積速度（高い電流密度）でめっきすることによって提供することができる。例えば、平方デシメートル（ＡＳＤ）当たり約２アンペア又はａｍｐｓ／ｄｍ²以上などの比較的高い電流密度を採用して比較的微細な結晶粒を形成することができる。しかしながら、粗い又は多孔質の金属被覆を最小化するために、７ＡＳＤ又はめっき浴の物質移動限界（ｍａｓｓ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｌｉｍｉｔ）よりも高いような非常に高い電流密度は避けるべきである。いくつかの実施形態では、第１の堆積プロセスがめっきを含み、第２の堆積プロセスが化学蒸着（ＣＶＤ）又は物理蒸着（ＰＶＤ）などの蒸着を含む。異なるめっきプロセス又は蒸着プロセスのどちらによって形成されるかにかかわらず、第２の導電材料３８の粒径は平均的に第１の導電材料３６の粒径よりも観察可能なほど小さく、及び／又は第２の導電材料３８では、結晶粒制御のためのめっき添加剤から存在するような不純物が第１の導電材料３６と比べて観察可能なほど少ない。いくつかの実施形態では、第１の導電材料３６が第２の導電材料３８よりも多くの不純物を含むことができる。

【0032】

非導電性構造３４の少なくとも一部及び第２の導電材料３８の少なくとも一部を含む表面を研磨し、表面を処理して（例えば、活性化及び終端化して）素子（例えば、第１の素子３０ａ）の結合面を定めることができる。いくつかの実施形態では、第２の導電材料３８の表面が、非導電性構造３４の表面と同一平面又は概ね同一平面であることができる。他のいくつかの実施形態では、上述したように、第２の導電材料３８の表面を非導電性構造３４の表面に対して凹ませることができる。第２の導電材料３８の厚みは、導電性フィーチャ４２（第１の導電材料３６と第２の導電材料３８との組み合わせ）の厚みの７０％未満、３０％未満、又は２０％未満であることができる。いくつかの実施形態では、第２の導電材料３８の厚みが３０ｎｍ～６００ｎｍであることができ、第１の導電材料３６の厚みが４００ｎｍ～５０００ｎｍであることができる。

【0033】

図３Ｄにおいて、図３Ｃで形成された素子（第１の素子３０ａ）を別の素子（第２の素子３０ｂ）に接触させることができる。第２の素子３０ｂは、第１の素子３０ａと同一又は概ね同様の構造を有することができる。第１の導電材料３６は、第２の導電材料３８の形成前にアニール処理することができるが、第２の導電材料３８は、結合前にアニール処理せず、或いは上述したような結合面に大型の結晶粒を有する第１の導電材料のアニール処理と比べて低い温度で及び／又は短い期間にわたってアニール処理することができる。第１の素子３０ａを室温で第２の素子３０ｂに接触させると、第１の素子３０ａの非導電性構造３４及び第２の素子３０ｂの非導電性構造４４が結合界面４７に沿って互いに結合することができる。いくつかの実施形態では、非導電性構造４４をデバイス部分４５上に配置することができる。いくつかの実施形態では、第１の素子３０ａを室温で第２の素子３０ｂに接触させると、第１の素子３０ａの第２の導電材料３８及び第２の素子３０ｂの（第３の導電材料４６及び第４の導電材料４８を含むことができる）導電性フィーチャ５２が結合界面４７に沿って互いに結合することができる。図３Ｅにおいて、非導電性フィーチャ４２、５２の最初の室温での結合後に、接触した第１及び第２の素子３０ａ、３０ｂをアニール処理することができ、このような結合後のアニール処理によって導電性フィーチャが互いに膨張してハイブリッドボンディングが完了し、結合構造３０を形成することができる。いくつかの実施形態では、結合構造３０における第２の導電材料３８の粒径が、第１の導電材料３６の粒径よりも小さいままであることができる。

【0034】

図４Ａ～図４Ｆに、ある実施形態による、結合構造６０を製造する製造工程の様々なステップを示す。図４Ａにおいて、非導電性構造３４にキャビティ３２を形成することができる。図４Ｂにおいて、第１の堆積プロセスを使用してキャビティ３２を第１の導電材料３６で満たすことができる。第１の導電材料３６は銅を含むことができる。いくつかの実施形態では、第１の導電材料３６を、（例えば、２アンペア／平方デシメートル（ＡＳＤ）未満の、さらに詳細には０．５ＡＳＤ未満又は３０ｍＡ／ｃｍ²未満の、さらに詳細には１５ｍＡ／ｃｍ²未満の）比較的低い電流密度及び比較的低い堆積速度を使用するボトムアップ充填プロセスによってキャビティ３２内にめっきすることができる。いくつかの実施形態では、キャビティ３２を完全に第１の導電材料３６で満たすことができる。通常は、キャビティ３２を過度に満たし、ＣＭＰプロセスを採用して非導電材料３４上から過度な導電材料を除去し、その後に過度な導電材料を除去又は平坦化して図４Ｂに示す構造を形成する。いくつかの実施形態では、第２の導電材料３８の堆積前に第１の導電材料３６の結晶粒を成長させて安定化させるために、第１の導電材料３６をアニール処理することができる。

【0035】

図４Ｃにおいて、第１の導電材料３６の少なくとも一部を除去して開口部６４を定めることができる。いくつかの実施形態では、エッチング（例えば、ウェットエッチング）によって第１の導電材料３６を選択的に除去して、図２Ｃに示す第１の導電性フィーチャ３６に凹部又は開口部６４を形成することができる。いくつかの実施形態では、キャビティ３２の表面上に少なくとも部分的にバリア層（図示せず）を設けることができる。バリア層の形成後に第１の導電材料３６を提供して、キャビティ３２の表面と第１の導電材料３６との間にバリア層を介在させることができる。いくつかの実施形態では、バリア層を除去せずに第１の導電材料３６の一部を選択的に除去することができる。非導電材料３４のキャビティ３２内に配置された第１の導電材料３６の一部を除去することにより、凹部又は開口部６４を形成することができる。凹部を有する第１の導電材料３６は、結晶粒を拡大又は安定化させるためにアニール処理することができる。

【0036】

図４Ｄにおいて、第２の堆積プロセスを使用して、キャビティ３２内の第１の導電材料３６上に第２の導電材料３８を提供することができる。第２の導電材料３８は銅を含むことができる。いくつかの実施形態では、第２の導電材料３８を、低い添加剤濃度を使用して第１の堆積プロセスよりも高い堆積速度（高い電流密度）でめっきすることによって提供することができる。例えば、約２ＡＳＤ以上などの比較的高い電流密度を採用して比較的微細な結晶粒を形成することができる。しかしながら、非常に高い電流密度での堆積は材料を粗く又は多孔質にする恐れがあるため、７ＡＳＤ又は１０ＡＳＤを上回るような非常に高い電流密度は好ましくない場合がある。いくつかの実施形態では、第１の堆積プロセスがめっきを含み、第２の堆積プロセスが化学蒸着（ＣＶＤ）又は物理蒸着（ＰＶＤ）などの蒸着を含む。異なるめっきプロセス又は蒸着プロセスのどちらによって形成されるかにかかわらず、第２の導電材料３８の粒径は平均的に第１の導電材料３６の粒径よりも観察可能なほど小さく、また第２の導電材料３８では、結晶粒制御のためのめっき添加剤から存在するような不純物が第１の導電材料３６と比べて観察可能なほど少ない。

【0037】

非導電性構造３４の少なくとも一部及び第２の導電材料３８の少なくとも一部を含む表面を研磨し、処理して（例えば、活性化及び終端化して）素子（例えば、第１の素子６０Ａ）の結合面を定めることができる。いくつかの実施形態では、第２の導電材料３８の表面が、非導電性構造３４の表面と同一平面又は概ね同一平面であることができる。他のいくつかの実施形態では、上述したように、第２の導電材料３８の表面を非導電性構造３４の表面に対して凹ませることができる。

【0038】

いくつかの実施形態では、この予備結合用の凹部が、非導電性結合面の下方７５ｎｍ未満の、５０ｎｍ未満の、好ましくは２０ｎｍ未満の深さを有することができる。第２の導電材料３８の厚みは、導電性フィーチャ６２（第１の導電材料３６と第２の導電材料３８との組み合わせ）の厚みの７０％未満、５０％未満、３０％未満、又は２０％未満であることができる。いくつかの実施形態では、第２の導電材料３８の厚みが３０ｎｍ～６００ｎｍであることができ、第１の導電材料３６の厚みが４００ｎｍ～５０００ｎｍであることができる。いくつかの実施形態では、第２の導電材料３８の厚みが５０ｎｍを上回ることができる。

【0039】

図２Ｅにおいて、図２Ｄで形成された素子（第１の素子６０ａ）を別の素子（第２の素子６０ｂ）に接触させることができる。第１の導電材料３６は、第２の導電材料３８の形成前にアニール処理することができるが、第２の導電材料３８は、結合前にアニール処理せず、或いは上述したように第２の導電材料３８の結晶粒が小さいままであるように、第１の導電材料のアニール処理と比べて低温及び／又は低時間でアニール処理することができる。第２の素子６０ｂは、第１の素子６０ａと同一又は概ね同様の構造を有することができる。第１の素子６０ａを室温で第２の素子６０ｂに接触させると、第１の素子６０ａの非導電性構造３４及び第２の素子６０ｂの非導電性構造４４が結合界面４７に沿って互いに結合することができる。いくつかの実施形態では、第１の素子６０ａを室温で第２の素子６０ｂに接触させると、第１の素子６０ａの第２の導電材料３８及び第２の素子６０ｂの（第３の導電材料４６及び第４の導電材料４８を含むことができる）導電性フィーチャ７２が結合界面４７に沿って互いに結合することができる。図２Ｆにおいて、非導電性フィーチャ３４、４４の最初の室温での結合後に、接触した第１及び第２の素子６０ａ、６０ｂをアニール処理することができ、このような結合後のアニール処理によって導電性フィーチャ６２、７２が互いに膨張してハイブリッドボンディングが完了し、結合構造６０を形成することができる。結合構造６０では、第２の導電材料３８の粒径が、第１の導電材料３６の粒径よりも平均的に小さいままであることができる。

【0040】

図３Ａ～図３Ｅ及び図４Ａ～図４Ｆのコンポーネントは、例えば図１Ａ及び図１Ｂのコンポーネントなどの本明細書に開示する同様のコンポーネントと同一又は概ね同様であることができる。例えば、非導電性フィーチャ４２、５２は、非導電性結合層１０８ａ、１０８ｂと同一又は概ね同様であることができ、デバイス部分３５、４５は、デバイス部分１１０ａ、１１０ｂと同一又は概ね同様であることができる。

【0041】

図３Ａ～図３Ｅに示す実施形態及び図４Ａ～図４Ｆに示す実施形態では、いずれも第２の導電材料３８が小型の又は微細な結晶粒を含むことができる。第２の導電材料３８の（垂直断面における横寸法で測定される）結合前の最大粒径は、導電性フィーチャ６２の接触面の最大横寸法の２０％未満、１０％未満、５％未満、又は２％未満であることができる。結合界面における占有面積に関して言えば、結合前の結晶粒は、２０００ｎｍ²未満、１０００ｎｍ²未満、５００ｎｍ²未満、３００ｎｍ²未満、又は１８０ｎｍ²未満であることができる。横寸法において直線的に測定される第２の導電材料３８の結合前の最大粒径は、５００ｎｍ未満、２００ｎｍ未満、１００ｎｍ未満、５０ｎｍ未満、２５ｎｍ未満、２０ｎｍ未満、又は１５ｎｍ未満であることができる。例えば、第２の導電材料３８における結晶粒の最大幅は、１０ｎｍ～５００ｎｍ、１０ｎｍ～３００ｎｍ、１５ｎｍ～５００ｎｍ、１５ｎｍ～３００ｎｍ、１５ｎｍ～１００ｎｍ、１５ｎｍ～５０ｎｍ、５０ｎｍ～５００ｎｍ、５０ｎｍ～３００ｎｍ、又は１００ｎｍ～３００ｎｍの範囲内であることができる。

【0042】

対照的に、下側の第１の導電材料３６は、より大型の結晶粒を有することができる。例えば、側面積に関して言えば、第１の導電材料の結合前の結晶粒は、２０００ｎｍ²超、４０００ｎｍ²超、７０００ｎｍ²超、又は１００００ｎｍ²超であることができる。横寸法において直線的に測定される第１の導電材料の結合前の最大粒径は、５０ｎｍ超、１００ｎｍ超、３００ｎｍ超、又は５００ｎｍ超であることができる。結合前の第１の導電材料の平均サイズは、第２の導電材料の平均サイズよりも大きい。いくつかの実施形態では、第１の導電材料の平均サイズが、結合前及び結合後の両方において第２の導電材料の平均サイズよりも１０％～２００％大きいことができる。

【0043】

上述したように、最初の結合後にアニール処理を行うことで、対向する素子３０ａ、３０ｂ、６０ａ、６０ｂの導電性フィーチャ４２、５２、６２、７２を互いにさらに成長させてハイブリッドボンディングを完了することができる。このアニール処理は、第２の導電材料３８の粒径も増大させるが、第２の導電材料３８の第２の導電材料平均粒径は、下にある第１の導電材料３６の平均導電材料粒径よりも小さいままである。第１及び第２の導電材料３６、３８は、いずれも大部分が同じ金属又は金属合金（例えば、銅）を含むことができるが、これらは、観察可能なほどに異なる平均及び最大粒径によって、またいくつかの実施形態では、第１の導電材料３６における添加剤不純物が第２の導電材料３８と比べて著しく多いことによって区別することができる。第２の導電材料３８の粒径の結合前の最大横寸法は、２００ｎｍ未満、１５０ｎｍ未満、１００ｎｍ未満、５０ｎｍ未満、又は２０ｎｍ未満であることができる。第２の導電材料３８の結合前の最大側断面積は、２０００ｎｍ²未満、１０００ｎｍ²未満、５００ｎｍ²未満、３００ｎｍ²未満、又は１８０ｎｍ²未満であることができる。第２の導電材料３８の粒径の結合後の最大横寸法は、アニール処理中の結晶粒成長に起因して２μｍ未満、１μｍ未満、５００ｎｍ未満、又は３００ｎｍ未満であることができる。第２の導電材料３８の結合後の最大側断面積は、４μｍ²未満、１μｍ²未満、２５０，０００ｎｍ²未満であることができる。

【0044】

結晶粒はアニール処理中に成長するが、第２の導電材料３８の結晶粒は導電性フィーチャ４２、６２に対して相対的に小さいままである。横寸法で直線的に測定される第２の導電材料３８の最大粒径は、結合後の導電性フィーチャ４２、６２の幅の３０％未満、２０％未満、又は１５％未満であることができ、ここでの粒径及びフィーチャサイズはいずれも横寸法で直線的に測定したものである。第２の導電材料３８の小型の結晶粒は、結合界面４７からの上位１～２０の結晶粒層、さらに詳細には上位２～５の結晶粒層を表すことができるのに対し、結合界面４７からさらに離れた結晶粒はより大型であり、より高い不純物濃度を含むことができる。結合後には、結合後の高温アニール処理の、例えば２００℃以下の温度及び６０分の結合時間という温度プロファイルに少なくとも部分的に依存して、第１の導電材料３６の平均サイズが第２の導電材料３８の平均サイズよりも大きいままであることができる。いくつかの実施形態では、結合後の第１の導電材料３６の平均サイズが、第２の導電材料３８の平均サイズよりも２～４倍大きいことができる。

【0045】

図５は、第１の導電材料３６及び第２の導電材料３８を含む導電性フィーチャ４２がどのように見えるかを示すために生成した画像である。図６は、第１の導電材料３６及び第２の導電材料３８を含む導電性フィーチャ６２がどのように見えるかを示すために生成した画像である。図５及び図６は、第１及び第２の導電材料３６、３８の粒径が目に見えて異なることを示す。当業者であれば、導電性フィーチャ４２、６２は、それぞれ大型の結晶粒を含む部分（例えば、第１の導電材料３６）と、小型の結晶粒を含む目に見えて顕著な部分（例えば、第２の導電材料３８）とを含むことが分かるであろう。

【0046】

１つの態様では、素子の形成方法を開示する。方法は、非導電性構造を準備することと、非導電性構造にキャビティを形成することと、を含むことができる。キャビティは、非導電性構造の表面から非導電性構造の厚みを少なくとも部分的に貫通する。方法は、第１の導電材料と、第１の導電材料上の第２の導電材料とをキャビティ内に含む導電性フィーチャを提供することを含むことができる。第２の導電材料は素子の結合面に配置される。第２の導電材料の直線横寸法での最大粒径は、導電性フィーチャの直線横寸法の２０％よりも小さい。方法は、素子の結合面をダイレクトボンディングのために調製することを含むことができる。

【0047】

１つの実施形態では、第２の導電材料の結晶粒界に２０パーツパーミリオン（ｐｐｍ）未満の不純物が存在する。

【0048】

１つの実施形態では、第２の導電材料の平均粒径が第１の導電材料の平均粒径よりも小さい。

【0049】

１つの実施形態では、導電性のフィーチャを提供することが、第１の導電材料及び第２の導電材料を別々に提供することを含む。第１の導電材料を提供することは、キャビティを部分的に満たすことを含むことができる。第１の導電材料を提供することは、キャビティを第１の導電材料で満たし、第１の導電材料の一部を除去することを含むことができる。方法は、第２の導電材料を提供する前に第１の導電材料をアニール処理することをさらに含むことができる。導電材料を提供することは、第２の導電材料をプラズマ蒸着（ＰＶＤ）によって第１の導電材料上に提供することを含むことができる。第２の導電材料は、第１の導電材料を提供する第１の堆積プロセスよりも高い電流密度でのめっきによって提供することができる。結合面を調製することは、非導電材料及び第２の導電材料の表面を研磨することを含むことができる。

【0050】

１つの実施形態では、第２の導電材料の最大粒径が、導電性フィーチャの直線横寸法の１０％よりも小さい。第２の導電材料の最大粒径は、導電性フィーチャの直線横寸法の５％よりも小さいことができる。第２の導電材料の最大粒径は、導電性フィーチャの直線横寸法の２％よりも小さいことができる。

【0051】

１つの実施形態では、結合面における導電性フィーチャの面積が７μｍ²よりも小さい。

【0052】

１つの実施形態では、結合面における第２の導電材料の断面図での最大結晶粒側面積が２０００ｎｍ²よりも小さい。

【0053】

つの実施形態では、結合面における第２の導電材料の最大直線横方向粒径が２００ｎｍよりも小さい。

【0054】

１つの実施形態では、第１の導電材料及び第２の導電材料が銅を含む。

【0055】

１つの実施形態では、方法が、第１の導電材料と第２の導電材料との間に介在層を設けることをさらに含む。

【0056】

１つの実施形態では、第２の導電材料の厚みが導電性フィーチャの厚みの５０％未満である。第２の導電材料の厚みは、導電性フィーチャの厚みの３０％未満であることができる。

【0057】

１つの態様では、結合構造の形成方法を開示する。方法は、非導電性結合面を有する第１の非導電性構造と、非導電性結合面から非導電性構造の厚みを少なくとも部分的に貫通するキャビティと、キャビティ内に配置された第１の導電材料及び第１の導電材料上の第２の導電材料を有する第１の導電性フィーチャとを含む第１の素子を準備することを含むことができる。第２の導電材料は、素子の結合面において少なくとも部分的に露出する。第２の導電材料の平均粒径は、第１の導電材料の平均粒径よりも小さい。方法は、第２の非導電性構造と第２の導電性フィーチャとを含む第２の素子を準備することを含むことができる。方法は、第２の導電材料にアニールプロセスを行うことなく、第１の素子の結合面と第２の素子の結合面とを接触させることと、接触後に第１の素子と第２の素子とを直接結合することと、を含むことができる。

【0058】

１つの実施形態では、第２の導電材料の結晶粒界に２０パーツパーミリオン（ｐｐｍ）未満の不純物が存在する。

【0059】

１つの実施形態では、第１の素子と第２の素子とを直接結合することが、介在接着剤を使用せずに第１の非導電性構造と第２の非導電性構造とを直接結合し、介在接着剤を使用せずに第１の導電性フィーチャと第２の導電性フィーチャとを直接結合することを含む。

【0060】

１つの実施形態では、第１の素子を準備することが、第１の非導電性構造を準備することと、第１の非導電性構造にキャビティを形成することと、第１の導電材料を提供することと、第１の導電材料を提供した後に第２の導電材料を提供することと、を含む。方法は、第２の導電材料を提供する前に第１の導電材料をアニール処理することをさらに含むことができる。

【0061】

１つの実施形態では、方法が、結合された第１及び第２の素子をアニール処理することをさらに含む。

【0062】

１つの実施形態では、方法が、素子の結合面をダイレクトボンディングのために調製することをさらに含む。結合面を調製することは、非導電材料及び第２の導電材料の表面を研磨することを含むことができる。

【0063】

１つの実施形態では、第１の素子と第２の素子とを直接結合する前の第２の導電材料の直線横寸法での最大粒径が、導電性フィーチャの直線横寸法の２０％よりも小さい。第１の素子と第２の素子とを直接結合する前の第２の導電材料の最大粒径は、導電性フィーチャの直線横寸法の１０％よりも小さいことができる。第１の素子と第２の素子とを直接結合する前の第２の導電材料の最大粒径は、導電性フィーチャの直線横寸法の５％よりも小さいことができる。

【0064】

１つの実施形態では、導電性フィーチャの露出した面積全体が７μｍ²よりも小さい。

【0065】

１つの実施形態では、第１の素子と第２の素子とを直接結合する前の第２の導電材料の最大結晶粒側面積が２０００ｎｍ²よりも小さい。

【0066】

１つの実施形態では、第１の素子と第２の素子とを直接結合する前の第２の導電材料の最大線横方向粒径が２００ｎｍよりも小さい。

【0067】

１つの実施形態では、第１の素子と第２の素子とを直接結合した後の第２の導電材料の直線横寸法での最大粒径が、導電性フィーチャの直線横寸法の３０％よりも小さい。第１の素子と第２の素子とを直接結合した後の第２の導電材料の最大粒径は、導電性フィーチャの直線横寸法の２０％よりも小さいことができる。第１の素子と第２の素子とを直接結合した後の第２の導電材料の最大粒径は、導電性フィーチャの直線横寸法の１５％よりも小さいことができる。

【0068】

１つの実施形態では、第１の素子と第２の素子とを直接結合した後の結合面における第２の導電材料の最大結晶粒側面積が７１０００ｎｍ²よりも小さい。

【0069】

１つの実施形態では、第１の素子と第２の素子とを直接結合した後の結合面における第２の導電材料の最大直線横方向粒径が２μｍよりも小さい。

【0070】

１つの実施形態では、第１の導電材料及び第２の導電材料が銅を含む。

【0071】

１つの実施形態では、方法が、第１の導電材料と第２の導電材料との間に介在層を設けることをさらに含む。

【0072】

１つの態様では、素子を開示する。素子は、非導電性構造と、非導電性構造内のキャビティとを含むことができる。キャビティは、非導電性構造の表面から非導電性構造の厚みを少なくとも部分的に貫通する。素子は、第１の導電材料と、第１の導電材料上の第２の導電材料とを含む導電性フィーチャをキャビティ内に含むことができる。第２の導電材料は素子の結合面に配置される。第２の導電材料の直線横寸法での最大粒径は、導電性フィーチャの直線横寸法の２０％よりも小さい。

【0073】

１つの実施形態では、第２の導電材料の結晶粒界に２０パーツパーミリオン（ｐｐｍ）未満の不純物が存在する。

【0074】

１つの実施形態では、第２の導電材料の直線横寸法での平均粒径は、第１の導電材料の直線横寸法での平均粒径よりも小さい。

【0075】

１つの実施形態では、第２の導電材料の厚みが導電性フィーチャの厚みの５０％未満である。第２の導電材料の厚みは、導電性フィーチャの厚みの３０％未満であることができる。

【0076】

１つの実施形態では、素子の結合面がダイレクトボンディングのために調製される。結合面は、２ｎｍ未満の二乗平均平方根（ｒｍｓ）表面粗さを有することができる。

【0077】

１つの実施形態では、第２の導電材料の最大粒径が、導電性フィーチャの直線横寸法の１０％よりも小さい。第２の導電材料の最大粒径は、導電性フィーチャの直線横寸法の５％よりも小さいことができる。第２の導電材料の最大粒径は、導電性フィーチャの直線横寸法の２％よりも小さいことができる。

【0078】

１つの実施形態では、結合面における導電性フィーチャの直線横寸法が７μｍ²よりも小さい。

【0079】

１つの実施形態では、結合面における第２の導電材料の最大結晶粒側面積が２０００ｎｍ²よりも小さい。

【0080】

１つの実施形態では、結合面における第２の導電材料の最大粒径が２００ｎｍよりも小さい。

【0081】

１つの実施形態では、第１の導電材料及び第２の導電材料が銅を含む。

【0082】

１つの実施形態では、素子が、第１の導電材料と第２の導電材料との間に介在層をさらに含む。

【0083】

１つの態様では、結合構造を開示する。結合構造は、非導電性結合面を有する第１の非導電性構造と、非導電性結合面から非導電性構造の厚みを少なくとも部分的に貫通するキャビティと、キャビティ内に配置された第１の導電材料及び第１の導電材料上の第２の導電材料を有する第１の導電性フィーチャとを含む第１の素子を含むことができる。第２の導電材料の平均粒径は、第１の導電材料の平均粒径よりも小さい。第２の導電材料の結晶粒界に２０パーツパーミリオン（ｐｐｍ）未満の不純物が存在する。結合構造は、第２の非導電性構造と第２の導電性フィーチャとを含む第２の素子を含むことができる。第１の素子及び第２の素子は、第１の非導電性構造と第２の非導電性構造とが介在接着剤を使用せずに直接結合されるように互いに結合される。第２の導電材料及び第２の導電性フィーチャは、介在接着剤を使用せずに互いに直接結合される。

【0084】

１つの実施形態では、第２の導電材料の厚みが導電性フィーチャの厚みの５０％未満である。第２の導電材料の厚みは、導電性フィーチャの厚みの３０％未満である。

【0085】

１つの実施形態では、第１の導電材料及び第２の導電材料が銅を含む。

【0086】

１つの実施形態では、結合構造が、第１の導電材料と第２の導電材料との間に介在層をさらに含む。

【0087】

１つの実施形態では、第１の素子と第２の素子とを直接結合した後の第２の導電材料の直線横寸法での最大粒径が、導電性フィーチャの直線横寸法の３０％よりも小さい。第１の素子と第２の素子とを直接結合した後の第２の導電材料の最大粒径は、導電性フィーチャの直線横寸法の２０％よりも小さいことができる。第１の素子と第２の素子とを直接結合した後の第２の導電材料の最大粒径は、導電性フィーチャの直線横寸法の１５％よりも小さいことができる。

【0088】

１つの実施形態では、第１の素子と第２の素子とを直接結合した後の結合面における第２の導電材料の最大結晶粒側面積が７１０００ｎｍ²よりも小さい。

【0089】

１つの実施形態では、第１の素子と第２の素子とを直接結合した後の第２の導電材料の最大直線横方向粒径が２μｍよりも小さい。

【0090】

１つの態様では、素子の形成方法を開示する。方法は、非導電性構造を提供することと、非導電性構造にキャビティを形成することと、第１の導電材料及び第１の導電材料上の第２の導電材料をキャビティ内に含む導電性フィーチャを、第２の導電材料が素子の結合面において少なくとも部分的に露出するように提供することと、を含むことができる。第２の導電材料の結晶粒界には２０パーツパーミリオン（ｐｐｍ）未満の不純物が存在し、第２の導電材料の直線横寸法での最大粒径は、導電性フィーチャの直線横寸法の２０％よりも小さい。

【0091】

１つの実施形態では、導電性フィーチャを提供することが、第１の導電材料及び第２の導電材料を別々に提供することを含む。第１の導電材料を提供することは、キャビティを部分的に満たすことを含むことができる。第１の導電材料を提供することは、キャビティを第１の導電材料で満たし、第１の導電材料の一部を除去することを含むことができる。方法は、第２の導電材料を提供する前に第１の導電材料をアニール処理することをさらに含むことができる。導電材料を提供することは、蒸着によって第１の導電材料上に第２の導電材料を提供することを含むことができる。蒸着は、物理蒸着又は化学蒸着であることができる。第２の導電材料は、第１の導電材料を提供する第１の堆積プロセスよりも高い電流密度でのめっきによって提供することができる。

【0092】

１つの実施形態では、方法が、素子の結合面をダイレクトボンディングのために調製することをさらに含む。結合面を調製することは、非導電材料及び第２の導電材料の表面を研磨することを含むことができる。第２の導電材料の最大粒径は、導電性フィーチャの直線横寸法の５％よりも小さいことができる。第２の導電材料の最大粒径は、導電性フィーチャの直線横寸法の２％よりも小さいことができる。

【0093】

１つの実施形態では、導電性フィーチャの露出した面積全体が７μｍ²よりも小さい。

【0094】

１つの実施形態では、結合面における第２の導電材料の最大結晶粒側面積が２０００ｎｍ²よりも小さい。

【0095】

１つの実施形態では、第２の導電材料の最大粒径が２００ｎｍよりも小さい。

【0096】

１つの実施形態では、第１の導電材料及び第２の導電材料が銅を含む。

【0097】

１つの実施形態では、方法が、第１の導電材料と第２の導電材料との間に介在層を設けることをさらに含む。

【0098】

１つの実施形態では、第２の導電材料の厚みが、導電性フィーチャの厚みの５０％未満である。第２の導電材料の厚みは、導電性フィーチャの厚みの３０％未満である。

【0099】

１つの態様では、結合構造の形成方法を開示する。方法は、非導電性結合面を有する第１の非導電性構造と、非導電性構造内のキャビティと、キャビティ内に配置された第１の導電材料及び第１の導電材料上の第２の導電材料を有する第１の導電性フィーチャとを含む第１の素子を準備することを含むことができる。第２の導電材料は、素子の結合面において少なくとも部分的に露出する。第２の導電材料の結晶粒界には２０パーツパーミリオン（ｐｐｍ）未満の不純物が存在する。第２の導電材料の直線横寸法での最大粒径は、導電性フィーチャの直線横寸法の２０％よりも小さい。方法は、第２の非導電性構造と第２の導電性フィーチャとを含む第２の素子を準備することを含むことができる。方法は、第２の導電材料にアニールプロセスを行うことなく第１の素子の結合面と第２の素子の結合面とを接触させ、接触後に第１の素子と第２の素子とを直接結合することを含むことができる。

【0100】

１つの実施形態では、第１の素子と第２の素子とを直接結合することが、介在接着剤を使用せずに第１の非導電性構造と第２の非導電性構造とを直接結合し、介在接着剤を使用せずに第１の導電性フィーチャと第２の導電性フィーチャとを直接結合することを含む。

【0101】

１つの実施形態では、第１の素子を準備することが、第１の非導電性構造を準備することと、第１の非導電性構造にキャビティを形成することと、第１の導電材料を提供することと、第１の導電材料を提供した後に第２の導電材料を提供することと、を含む。方法は、第２の導電材料を提供する前に第１の導電材料をアニール処理することをさらに含むことができる。

【0102】

１つの実施形態では、方法が、結合された第１及び第２の素子をアニール処理することをさらに含む。

【0103】

１つの実施形態では、方法は、素子の結合面をダイレクトボンディングのために調製することをさらに含む。結合面を調製することは、非導電材料及び第２の導電材料の表面を研磨することを含むことができる。

【0104】

１つの実施形態では、第１の素子と第２の素子とを直接結合する前の第２の導電材料の最大粒径が、導電性フィーチャの直線横寸法の５％よりも小さい。第１の素子と第２の素子とを直接結合する前の第２の導電材料の最大粒径は、導電性フィーチャの直線横寸法の２％よりも小さいことができる。

【0105】

１つの実施形態では、導電性フィーチャの露出した面積全体が７μｍ²よりも小さい。

【0106】

１つの実施形態では、第１の素子と第２の素子とを直接結合する前の結合面における第２の導電材料の最大結晶粒側面積が２０００ｎｍ²よりも小さい。

【0107】

１つの実施形態では、第１の素子と第２の素子とを直接結合する前の第２の導電材料の最大粒径が２００ｎｍよりも小さい。

【0108】

１つの実施形態では、第１の素子と第２の素子とを直接結合した後の第２の導電材料の最大粒径が、導電性フィーチャの直線横寸法の３０％よりも小さい。第１の素子と第２の素子とを直接結合した後の第２の導電材料の最大粒径は、導電性フィーチャの直線横寸法の２０％よりも小さいことができる。第１の素子と第２の素子とを直接結合した後の第２の導電材料の最大粒径は、導電性フィーチャの直線横寸法の１５％よりも小さいことができる。

【0109】

１つの実施形態では、第１の素子と第２の素子とを直接結合した後の結合面における第２の導電材料の最大結晶粒側面積が７１０００ｎｍ²よりも小さい。

【0110】

１つの実施形態では、第１の素子と第２の素子とを直接結合した後の第２の導電材料の最大粒径が２μｍよりも小さい。

【0111】

１つの実施形態では、第１の導電材料及び第２の導電材料が銅を含む。

【0112】

１つの実施形態では、方法が、第１の導電材料と第２の導電材料との間に介在層を設けることをさらに含む。

【0113】

１つの態様では、素子を開示する。素子は、非導電性構造と、非導電性構造内のキャビティとを含むことができる。キャビティは、非導電性構造の表面から非導電性構造の厚みを少なくとも部分的に貫通する。素子は、第１の導電材料と、第１の導電材料上の第２の導電材料とをキャビティ内に含む導電性フィーチャを含むことができる。第２の導電材料は、素子の結合面に配置される。第２の導電材料の直線横寸法での最大粒径は、導電性フィーチャの直線横寸法の２０％よりも小さい。第２の導電材料の結晶粒界には２０パーツパーミリオン（ｐｐｍ）未満の不純物が存在する。

【0114】

１つの実施形態では、第２の導電材料の厚みが、導電性フィーチャの厚みの５０％未満である。第２の導電材料の厚みは、導電性フィーチャの厚みの３０％未満であることができる。

【0115】

１つの実施形態では、素子の結合面がダイレクトボンディングのために調製される。結合面は、２ｎｍ未満の二乗平均平方根（ｒｍｓ）表面粗さを有することができる。

【0116】

１つの実施形態では、第２の導電材料の最大粒径が、導電性フィーチャの直線横寸法の５％よりも小さい。第２の導電材料の最大粒径は、導電性フィーチャの直線横寸法の２％よりも小さいことができる。

【0117】

１つの実施形態では、結合面における導電性フィーチャの面積が７μｍ²よりも小さい。

【0118】

１つの実施形態では、結合面における第２の導電材料の最大結晶粒側面積が２０００ｎｍ²よりも小さい。

【0119】

１つの実施形態では、第２の導電材料の最大粒径が２００ｎｍよりも小さい。

【0120】

１つの実施形態では、第１の導電材料及び第２の導電材料が銅を含む。

【0121】

１つの実施形態では、素子が、第１の導電材料と第２の導電材料との間に介在層をさらに含む。

【0122】

１つの態様では、結合構造を開示する。結合構造は、非導電性結合面を有する第１の非導電性構造と、非導電性結合面から非導電性構造の厚みを少なくとも部分的に貫通するキャビティと、キャビティ内に配置された第１の導電材料及び第１の導電材料上の第２の導電材料を有する第１の導電性フィーチャとを含む第１の素子を含むことができる。結合構造は、第２の非導電性構造と第２の導電性フィーチャとを含む第２の素子を含むことができる。第１の素子及び第２の素子は、第１の非導電性構造と第２の非導電性構造とが介在接着剤を使用せずに互いに直接結合され、第２の導電材料と第２の導電性フィーチャとが介在接着剤を使用せずに互いに直接結合されるように互いに結合される。第１の素子と第２の素子とを直接結合した後の第２の導電材料の直線横寸法での最大粒径は、導電性フィーチャの直線横寸法の３０％よりも小さい。

【0123】

１つの実施形態では、第２の導電材料の結晶粒界に２０パーツパーミリオン（ｐｐｍ）未満の不純物が存在する。

【0124】

１つの実施形態では、第２の導電材料の厚みが、導電性フィーチャの厚みの５０％未満である。第２の導電材料の厚みは、導電性フィーチャの厚みの３０％未満である。

【0125】

１つの実施形態では、第１の導電材料及び第２の導電材料が銅を含む。

【0126】

１つの実施形態では、結合構造が、第１の導電材料と第２の導電材料との間に介在層をさらに含む。

【0127】

１つの実施形態では、第１の素子と第２の素子とを直接結合した後の第２の導電材料の最大粒径が、導電性フィーチャの直線横寸法の２０％よりも小さい。第１の素子と第２の素子とを直接結合した後の第２の導電材料の最大粒径は、導電性フィーチャの直線横寸法の１５％よりも小さいことができる。

【0128】

１つの実施形態では、第１の素子と第２の素子とを直接結合した後の結合面における第２の導電材料の最大結晶粒側面積が７１０００ｎｍ²よりも小さい。

【0129】

１つの実施形態では、第１の素子と第２の素子とを直接結合した後の第２の導電材料の最大粒径が２μｍよりも小さい。

【0130】

１つの実施形態では、導電性フィーチャの露出した面積全体が７μｍ²よりも小さい。

【0131】

１つの態様では、ダイレクトハイブリッドボンディングのための導電性フィーチャを基板内に形成する方法を開示する。方法は、第１の平均粒径を形成するための条件下で、めっきを含む第１の堆積プロセスによって第１の導電材料を堆積させることを含むことができる。方法は、第１の堆積プロセスとは異なる第２の堆積プロセスによって、第１の堆積プロセスに対して不純物レベルを高めることなく第２の導電材料を堆積させることを含むことができる。第２の堆積プロセスは、第１の堆積プロセスよりも小さな第２の平均粒径を形成する。方法は、第２の導電材料及び非導電性表面を含む結合面をダイレクトハイブリッドボンディングのために調製することを含むことができる。

【0132】

１つの実施形態では、第１の導電材料の不純物レベルが、第２の導電材料以上である。

【0133】

１つの実施形態では、第２の堆積プロセスが、第２の導電材料の結晶粒界に２０パーツパーミリオン（ｐｐｍ）未満の不純物を導入することなく結晶粒成長を抑制するプロセスである。

【0134】

１つの実施形態では、第１の堆積プロセスがめっきプロセスを含み、第２の堆積プロセスが蒸着プロセスを含む。めっきプロセスは、２ａｍｐ／ｄｍ²を上回る電流密度を使用することができる。

【0135】

１つの実施形態では、第１の堆積プロセスが、第１の電流密度を用いためっきを含み、第２の堆積プロセスが、第１の電流密度よりも高い第２の電流密度を用いためっきを含む。

【0136】

１つの実施形態では、第１の堆積プロセスがめっきを含み、第２の堆積プロセスが蒸着を含む。

【0137】

１つの実施形態では、第１の導電材料及び第２の導電材料が主に銅を含む。

【0138】

文脈において別途明確に必要としていない限り、本明細書及び特許請求の範囲全体を通じて、「含む、備える（ｃｏｍｐｒｉｓｅ、ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ、ｉｎｃｌｕｄｅ、ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」などの単語は、排他的又は網羅的な意味ではなく包含的な意味で、すなわち「含むけれどもそれに限定されない（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ，ｂｕｔ ｎｏｔ ｌｉｍｉｔｅｄ ｔｏ）」という意味で解釈すべきである。本明細書で一般的に使用される「結合された（ｃｏｕｐｌｅｄ）」という単語は、直接、或いは１又は２以上の中間要素を介して接続できる２又は３以上の要素を意味する。同様に、本明細書で一般的に使用される「接続された（ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ）」という単語も、直接、或いは１又は２以上の中間要素を介して接続できる２又は３以上の要素を意味する。また、本出願において、「本明細書で（ｈｅｒｅｉｎ）」「上記で（ａｂｏｖｅ）」「下記で（ｂｅｌｏｗ）」及び同様の趣旨の単語を使用している場合、これらの単語は本出願全体を示すものであり、本出願のいずれか特定の部分を示すものではない。さらに、本明細書において、第１の要素を第２の要素「上に（ｏｎ）」又は第２の要素を「覆って（ｏｖｅｒ）」存在するものとして説明する場合、第１の要素は、第１及び第２の要素が直接接触するように第２の要素上に又は第２の要素を覆って直接存在することも、或いは第１及び第２の要素間に１又は２以上の要素が介在するように第２の要素上に又は第２の要素を覆って間接的に存在することもできる。上記の詳細な説明における単数又は複数を用いた単語は、文脈上可能な場合にはそれぞれ複数又は単数を含むこともできる。２又は３以上の項目のリストを参照する際の「又は（ｏｒ）」という単語は、リスト内の項目のいずれか、リスト内の項目全て、及びリスト内の項目のいずれかの組み合わせ、といった単語の解釈を全て網羅する。

【0139】

さらに、本明細書で使用する、とりわけ「～できる（ｃａｎ、ｃｏｕｌｄ、ｍｉｇｈｔ、ｍａｙ）」、及び「例えば（ｅ．ｇ．、ｆｏｒ ｅｘａｍｐｌｅ、ｓｕｃｈ ａｓ）」などの条件語は、別途明確に言及していない限り、又は使用する文脈内で別様に理解されない限り、一般に特定の特徴、要素及び／又は状態を含む実施形態もあれば、それらを含まない実施形態もあることを伝えるように意図される。従って、このような条件語は、一般に特徴、要素及び／又は状態が１又は２以上の実施形態に何としても必要であることを意味するように意図するものではない。

【0140】

いくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は一例として提示したものにすぎず、本開示の範囲を限定するように意図するものではない。実際に、本明細書で説明した新規の装置、方法及びシステムは他の様々な形態で具現化することもでき、さらに、本開示の趣旨から逸脱することなく、本明細書で説明した方法及びシステムの形態の様々な省略、置換及び変更を行うこともできる。例えば、ブロックについては所与の配置で示しているが、別の実施形態は、異なるコンポーネント及び／又は回路トポロジーを使用して同様の機能を実行することもでき、いくつかのブロックを削除、移動、追加、細分化、結合及び／又は変更することもできる。これらのブロックの各々は、様々な異なる方法で実装することができる。上述した様々な実施形態の要素及び行為のいずれかの好適な組み合わせを組み合わせてさらなる実施形態を提供することもできる。添付の特許請求の範囲及びその同等物は、本開示の範囲及び趣旨に含まれるような形態又は修正も対象とするように意図される。

【図1A】

【図1B】

【図2A】

【図2B】

【図2C】

【図3A】

【図3B】

【図3C】

【図3D】

【図3E】

【図4A】

【図4B】

【図4C】

【図4D】

【図4E】

【図4F】

【図5】

【図6】

【国際調査報告】