特表 2025-501114 結合のための結晶粒成長の制御、及び結晶粒成長を制御した結合構造

(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】2025-01-17

(54)【発明の名称】結合のための結晶粒成長の制御、及び結晶粒成長を制御した結合構造

(51)【国際特許分類】

   H01L 21/3205 20060101AFI20250109BHJP

   H10D 88/00 20250101ALI20250109BHJP

【ＦＩ】

H01L21/88 Q

H01L21/88 T

H01L21/88 J

H01L27/00 301C

【審査請求】未請求

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2024537976

(86)(22)【出願日】2022-12-21

(85)【翻訳文提出日】2024-08-20

(86)【国際出願番号】 US2022082186

(87)【国際公開番号】W WO2023122697

(87)【国際公開日】2023-06-29

(31)【優先権主張番号】63/293,300

(32)【優先日】2021-12-23

(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】100123630

【弁理士】

【氏名又は名称】渡邊 誠

(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】ウゾー シプリアン エメカ

(72)【発明者】

【氏名】ガオ ギリアン

【テーマコード（参考）】

5F033

【Ｆターム（参考）】

5F033HH11

5F033HH13

5F033HH14

5F033HH32

5F033HH33

5F033LL02

5F033LL06

5F033MM01

5F033MM13

5F033PP15

5F033PP27

5F033PP28

5F033QQ09

5F033QQ48

5F033QQ73

5F033RR04

5F033RR06

5F033RR08

5F033VV07

5F033WW01

5F033WW03

5F033WW04

5F033XX12

(57)【要約】

素子であって、素子の接触面における導電性特徴と、接触面における、導電性特徴が少なくとも部分的に埋め込まれた非導電性領域とを含む素子を開示する。接触特徴は、導電材料と、導電材料の結晶粒界における一定量の不純物とを含む。不純物は、結合温度で導電材料と共に合金を形成しない非合金材料を有する。
【選択図】図４Ｅ

【特許請求の範囲】

【請求項1】

素子であって、
前記素子の接触面における導電性特徴と、
前記接触面における、前記導電性特徴が少なくとも部分的に埋め込まれた非導電性領域と、
を含み、前記導電性特徴は、導電材料と、前記導電材料の結晶粒界における一定量の不純物とを含み、前記不純物は、結合温度で前記導電材料と共に合金を形成しない非合金材料を有する、
ことを特徴とする素子。

【請求項2】

前記不純物は金属化合物を含む、
請求項１に記載の素子。

【請求項3】

前記不純物は金属酸化物を含む、
請求項２に記載の素子。

【請求項4】

前記不純物は非金属化合物を含む、
請求項１に記載の元素。

【請求項5】

前記不純物は非金属酸化物を含む、
請求項４に記載の元素。

【請求項6】

前記不純物は化学的化合物を含む、
請求項１に記載の元素。

【請求項7】

前記導電材料は銅を含む、
請求項１に記載の素子。

【請求項8】

前記不純物は耐熱材料を含む、
請求項７に記載の素子。

【請求項9】

前記不純物はタンタルを含む、
請求項７に記載の素子。

【請求項10】

前記不純物はジルコニウムを含む、
請求項７に記載の元素。

【請求項11】

前記不純物はモリブデンを含む、
請求項７に記載の元素。

【請求項12】

前記導電性特徴は、前記導電材料の結晶粒が前記不純物を含まない導電材料よりも室温で遅く成長するように構成される、
請求項１に記載の素子。

【請求項13】

前記不純物は、前記導電材料の結晶粒界の５％～７５％を覆うように配置される、
請求項１に記載の素子。

【請求項14】

前記不純物は、前記導電材料の結晶粒界の５％～４０％を覆うように配置される、
請求項１に記載の素子。

【請求項15】

前記導電性特徴は、２０パーツパーミリオン（ｐｐｍ）～５０００ｐｐｍの前記不純物を含む、
請求項１に記載の素子。

【請求項16】

前記導電性特徴は、２００パーツパーミリオン（ｐｐｍ）～１０００ｐｐｍの前記不純物を含む、
請求項１に記載の素子。

【請求項17】

前記不純物の量は、室温で前記導電材料のポテンシャルエネルギーが維持されるように構成される、
請求項１に記載の素子。

【請求項18】

前記導電性特徴は、前記接触面付近に２０パーツパーミリオン（ｐｐｍ）～５０００ｐｐｍの前記不純物を含む、
請求項１に記載の素子。

【請求項19】

前記導電性特徴は、前記接触面付近に２００パーツパーミリオン（ｐｐｍ）～１０００ｐｐｍの前記不純物を含む、
請求項１に記載の素子。

【請求項20】

前記導電性特徴はコンタクトパッドを含む、
請求項１に記載の素子。

【請求項21】

前記導電性特徴は基板貫通ビア（ＴＳＶ）を含む、
請求項１に記載の素子。

【請求項22】

前記結合温度は１００℃～２５０℃の範囲内である、
請求項１に記載の素子。

【請求項23】

結合構造であって、
第１の素子と、
第２の素子と、
を含み、
前記第１の素子は、第１の導電性特徴と、前記第１の素子の第１の接触面における第１の非導電性領域とを含み、
前記第２の素子は、前記第１の導電性特徴に直接結合されて結合導電性特徴を定める第２の導電性特徴と、前記第１の非導電性領域に直接結合された第２の非導電性領域とを含み、
前記結合導電性特徴は、導電材料及び一定濃度の不純物を含み、前記不純物は、前記導電材料と共に合金を形成しない非合金材料を有する、
ことを特徴とする結合構造。

【請求項24】

前記不純物は、前記導電材料の結晶粒界に存在する、
請求項２３に記載の結合構造。

【請求項25】

前記不純物は金属化合物を含む、
請求項２３に記載の結合構造。

【請求項26】

前記不純物は金属酸化物を含む、
請求項２４に記載の結合構造。

【請求項27】

前記不純物は非金属化合物を含む、
請求項２３に記載の結合構造。

【請求項28】

前記不純物は非金属酸化物を含む、
請求項２７に記載の結合構造。

【請求項29】

前記不純物は化学的化合物を含む、
請求項２３に記載の結合構造。

【請求項30】

前記導電材料は銅を含む、
請求項２３に記載の結合構造。

【請求項31】

前記不純物は耐熱材料を含む、
請求項３０に記載の結合構造。

【請求項32】

前記不純物はタンタルを含む、
請求項３０記載の結合構造。

【請求項33】

前記不純物はジルコニウムを含む、
請求項３０記載の結合構造。

【請求項34】

前記不純物はモリブデンを含む、
請求項３０記載の結合構造。

【請求項35】

前記導電性特徴は、前記導電材料の結晶粒が前記不純物を含まない導電材料よりも室温で遅く成長するように構成される、
請求項２３に記載の結合構造。

【請求項36】

前記結合導電性特徴は、２０パーツパーミリオン（ｐｐｍ）～５０００ｐｐｍの前記不純物を含む、
請求項２３に記載の結合構造。

【請求項37】

前記結合導電性特徴は、２００パーツパーミリオン（ｐｐｍ）～１０００ｐｐｍの前記不純物を含む、
請求項２３に記載の結合構造。

【請求項38】

不純物の量は、室温で前記導電材料のポテンシャルエネルギーが維持されるように構成される、
請求項２３に記載の結合構造。

【請求項39】

素子の形成方法であって、
誘電材料に開口部を形成することと、
前記開口部内に導電材料を供給することと、
前記導電材料の結晶粒界に非合金不純物を供給することと、
前記誘電材料及び前記導電材料の表面を研磨することと、
を含むことを特徴とする方法。

【請求項40】

前記非合金不純物を供給することは、前記非合金不純物を含むシード層を設けることを含む、
請求項３９に記載の方法。

【請求項41】

前記非合金不純物を供給することは、前記非合金不純物を前記導電材料と共堆積させることを含む、
請求項３９に記載の方法。

【請求項42】

前記非合金不純物を供給することは、前記非合金不純物を前記導電材料と共スパッタリングすることを含む、
請求項３９に記載の方法。

【請求項43】

前記不純物は金属化合物を含む、
請求項３９に記載の方法。

【請求項44】

前記不純物は金属酸化物を含む、
請求項４３に記載の方法。

【請求項45】

前記不純物は非金属化合物を含む、
請求項３９に記載の方法。

【請求項46】

前記不純物は非金属酸化物を含む、
請求項４５に記載の方法。

【請求項47】

前記不純物は化学的化合物を含む、
請求項３９に記載の方法。

【請求項48】

前記導電材料は銅を含む、
請求項３９に記載の方法。

【請求項49】

前記不純物は耐熱材料を含む、
請求項４８に記載の方法。

【請求項50】

前記不純物はタンタルを含む、
請求項４８に記載の方法。

【請求項51】

前記不純物はジルコニウムを含む、
請求項４８に記載の方法。

【請求項52】

前記不純物はモリブデンを含む、
請求項４８に記載の方法。

【請求項53】

結合構造の形成方法であって、
第１の接触面に第１の導電性特徴及び第１の非導電性領域を有する第１の素子と、第２の接触面に第２の導電性特徴及び第２の非導電性領域を有する第２の素子とを準備することと、
仲介接着剤を使用せずに前記第１の非導電性領域を前記第２の非導電性領域に直接結合することと、
アニール処理によって前記第１の導電性特徴を前記第２の導電性特徴に接合して結合導電性特徴を形成することと、
を含み、
前記結合導電性特徴は、導電材料及び一定濃度の不純物を含み、前記不純物は、前記導電材料と共に合金を形成しない非合金材料を有する、
ことを特徴とする方法。

【請求項54】

前記不純物は金属化合物を含む、
請求項５３に記載の方法。

【請求項55】

前記不純物は金属酸化物を含む、
請求項５４に記載の方法。

【請求項56】

前記不純物は非金属化合物を含む、
請求項５３に記載の方法。

【請求項57】

前記不純物は非金属酸化物を含む、
請求項５６に記載の方法。

【請求項58】

前記不純物は化学的化合物を含む、
請求項５３に記載の方法。

【請求項59】

前記導電材料は銅を含む、
請求項５３に記載の方法。

【請求項60】

前記不純物は耐熱材料を含む、
請求項５９に記載の方法。

【請求項61】

前記不純物はタンタルを含む、
請求項５９に記載の方法。

【請求項62】

前記不純物はジルコニウムを含む、
請求項５９に記載の方法。

【請求項63】

前記不純物はモリブデンを含む、
請求項５９に記載の方法。

【請求項64】

前記導電性特徴は、前記導電材料の結晶粒が前記不純物を含まない導電材料よりも室温で遅く成長するように構成される、
請求項５３に記載の方法。

【請求項65】

前記結合導電性特徴は、２０パーツパーミリオン（ｐｐｍ）～１０００ｐｐｍの前記不純物を含む、
請求項５３に記載の方法。

【請求項66】

前記結合導電性特徴は、２００パーツパーミリオン（ｐｐｍ）～１０００ｐｐｍの前記不純物を含む、
請求項５３に記載の方法。

【請求項67】

結合構造であって、
第１の素子と、
第２の素子と、
を含み、
前記第１の素子は、第１の導電性特徴と、前記第１の素子の第１の接触面における第１の非導電性領域とを含み、
前記第２の素子は、前記第１の導電性特徴に直接結合されて結合導電性特徴を定める第２の導電性特徴と、前記第１の非導電性領域に直接結合された第２の非導電性領域とを含み、
前記第１の素子の結合表面積は前記第２の素子の結合表面積よりも小さく、前記第１の素子の材料と前記第２の素子の材料との間の熱膨張係数（ＣＴＥ）差は５ｐｐｍ／℃よりも大きい、
ことを特徴とする結合構造。

【請求項68】

前記第１の導電性特徴は不純物を含む、
請求項６７に記載の結合構造。

【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２３日に出願された「結合のための結晶粒成長の制御、及び結晶粒成長を制御した結合構造（ＣＯＮＴＲＯＬＬＥＤ ＧＲＡＩＮ ＧＲＯＷＴＨ ＦＯＲ ＢＯＮＤＩＮＧ ＡＮＤ ＢＯＮＤＥＤ ＳＴＲＵＣＴＵＲＥ ＷＩＴＨ ＣＯＮＴＲＯＬＬＥＤ ＧＲＡＩＮ ＧＲＯＷＴＨ）」という名称の米国仮特許出願第６３／２９３，３００号の米国特許法第１１９条に基づく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全ての目的で引用により本明細書に組み入れられる。

【0002】

本分野は、結晶粒成長を制御した導電性特徴に関する。

【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、パッケージ基板、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。信頼度の高い結合のために導電パッドの形成方法を改善することが継続的に必要とされている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】米国特許第９，５６４，４１４号明細書

【特許文献2】米国特許第９，３９１，１４３号明細書

【特許文献3】米国特許第１０，４３４，７４９号明細書

【特許文献4】米国特許第９，７１６，０３３号明細書

【特許文献5】米国特許第９，８５２，９８８号明細書

【発明の概要】

【課題を解決するための手段】

【0005】

添付図を参照しながら詳細な説明を行う。異なる図における同じ参照番号の使用は同様又は同一の項目を示す。

【0006】

本説明では、図に示すデバイス及びシステムを、複数のコンポーネントを有するものとして示す。本明細書で説明するデバイス及び／又はシステムの様々な実装は、より少ないコンポーネントを含みながら本開示の範囲から逸脱しないことができる。或いは、デバイス及び／又はシステムの他の実装は、さらなるコンポーネント、又は説明するコンポーネントの様々な組み合わせを含みながら本開示の範囲から逸脱しないことができる。

【0007】

以下の好ましい実施形態の説明、及び例示を意図するものであって本発明を限定することを意図するものではない添付図面から、これらの及びその他の態様が明らかになるであろう。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1A】１つの実施形態による、比較的低い又は最小の不純物濃度を有するめっき後の導電性特徴を表す金属（例えば、銅）結晶粒構造の、不純物を概略的に示す画像である。

【図1B】１つの実施形態による、アニール処理直前の図１Ａに示す結晶粒構造の表現である。

【図1C】１つの実施形態による、アニール処理後の図１Ａに示す結晶粒構造の表現である。

【図2A】１つの実施形態による、結晶粒成長を管理するように選択された不純物濃度を有するめっき後の導電性特徴を表す金属（例えば、銅）結晶粒構造の、不純物を概略的に示す画像である。

【図2B】１つの実施形態による、アニール処理直前の図２Ａに示す結晶粒構造の表現である。

【図2C】１つの実施形態による、アニール処理後の図２Ａに示す結晶粒構造の表現である。

【図3A】１つの実施形態による、比較的高い不純物濃度を有するめっき後の導電性特徴を表す金属（例えば、銅）結晶粒構造の、不純物を概略的に示す画像である。

【図3B】１つの実施形態による、アニール処理直前の図３Ａに示す結晶粒構造の表現である。

【図3C】１つの実施形態による、アニール処理後の図３Ａに示す結晶粒構造の表現である。

【図4A-4D】１つの実施形態による、素子を形成できる多段階方法を示す一連の概略的側面断面図である。

【図4E】１つの実施形態による、直接結合されるように調製された第１及び第２の素子の概略的側面断面図である。

【図4F】１つの実施形態による、直接結合された後の図４Ｅの第１及び第２の素子の概略的側面断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0009】

本開示では、マイクロエレクトロニクス素子などの素子における導電性特徴（例えば、導電パッド、基板貫通ビア（ＴＳＶ）など）の金属結晶粒成長を制御する方法について説明する。本明細書に開示する様々な実施形態は、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とって有利であることができる。例えば、図４Ｅ及び図４Ｆに概略的に示すように、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１０２、１５２を互いに積層又は結合して結合構造１００を形成することができる。１つの素子１０２の導電性特徴２０６を、別の素子（例えば、第２の素子１５６）の対応する導電性特徴１５６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。本明細書で説明する方法及び導電性特徴構造は、他の文脈でも同様に有用であることができる。

【0010】

いくつかの実施形態では、接着剤を使用せずに素子（例えば、第１の素子１０２及び第２の素子１５２）が互いに直接結合される。様々な実施形態では、接着剤を使用せずに第１の素子１０２の非導電性（例えば、半導体又は無機誘電体）領域１３０を第２の素子１５２の対応する非導電性（例えば、半導体又は無機誘電体）領域１６０に直接結合することができる。図示してはいないが、非導電層は、内部にデバイスが形成された半導体基板などのバルクデバイス上に設けることができる。様々な実施形態では、接着剤を使用せずに第１の素子１０２の導電性特徴２０６（例えば、金属パッド、コンタクトパッド、ＴＳＶなど）を第２の素子１５２の対応する導電性特徴１５６（例えば、金属パッド、コンタクトパッド、ＴＳＶなど）に直接結合することができる。非導電性領域１３０は、第１の素子１０２の非導電性結合領域又は結合層と呼ぶことができる。いくつかの実施形態では、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第１の素子１０２の非導電性領域１３０を第２の素子１５２の対応する非導電性領域１６０に直接結合することができ、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。他の応用では、結合構造１００において、第１の素子１０２の導電性特徴２０６が第２の素子１５２の非導電性領域１６０と密接に嵌合するように、第１の素子１０２の非導電性領域１３０を第２の素子１５２の導電性特徴１５６に直接結合することができる。

【0011】

様々な実施形態では、仲介接着剤を使用せずに直接結合を形成することができる。例えば、半導体又は誘電体結合面（例えば、第１の素子１０２の第１の非導電性領域１３０の非導電性表面１３６及び第２の素子１５２の第２の非導電性領域１６０の非導電性表面１４６）を高度に滑らかに研磨することができる。非導電性結合面（ｂｏｎｄｉｎｇ ｎｏｎｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ ｓｕｒｆａｃｅｓ）を洗浄し、プラズマに曝して表面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、プラズマ中）に非導電性結合面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、非導電性結合面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、直接結合中の結合エネルギーを高めるさらなる化学種を非導電性結合面に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、例えばプラズマ又はウェットエッチャントで非導電性表面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、直接結合のためのさらなる化学種をもたらすように非導電性結合面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。さらに、いくつかの実施形態では、非導電性結合面をフッ素に曝すことができる。例えば、層及び／又は非導電性結合界面の付近には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、直接結合構造では、２つの非導電性領域１３０、１６０間の結合界面が、結合界面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の導電性接触特徴２０６（例えば、コンタクトパッド、ＴＳＶなど）を、第２の素子１５２の対応する導電性特徴１５６（例えば、コンタクトパッド、ＴＳＶなど）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誘電体－誘電体表面（例えば、第１の素子１０２の第１の非導電性領域１３０の非導電性表面１３６及び第２の素子１５２の第２の非導電性領域１６０の非導電性表面１４６）を含む結合界面に沿って導体－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、少なくとも米国特許第９，７１６，０３３号及び第９，８５２，９８８号に開示されるダイレクトボンディング技術を使用して導体－導体（例えば、導電性特徴２０６－導電性特徴１５６）ダイレクトボンド（例えば、第１の素子１０２の第１の導電性特徴２０６の導電性表面１３８と第２の素子１５２の第２の導電性特徴１５６の導電性表面１４８との間の結合）及び誘電体－誘電体ハイブリッドボンドを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結合構造１００は、非導電性領域結合を伴わない直接金属結合、又はその他の結合技術にも有用である。

【0013】

いくつかの実施形態では、無機誘電体結合面（例えば、非導電性面１３６、１４６）を調製して、上述したように仲介接着剤を使用せずに互いに直接結合することができる。（第１及び第２の非導電性領域１３０、１６０などの非導電性誘電場領域によって取り囲むことができる）第１及び第２の導電性特徴２０６、１５６などの導電性接触パッドも、仲介接着剤を使用せずに互いに直接結合することができる。いくつかの実施形態では、コンタクトパッド（例えば、第１及び第２の導電性特徴２０６、１５６）のそれぞれの導電性表面１３８、１４８を、誘電場領域又は非導電性領域１３０、１６０の外部（例えば、上部）非導電性表面１３６、１４６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。いくつかの実施形態では、非導電性領域１３０、１６０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。（例えば、コンタクトパッド、ＴＳＶなどであることができる）導電性特徴２０６、１５６は、アニール処理すると非導電性領域１３０、１６０に対して膨張し、互いに接触して金属－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（ＤＢＩ（登録商標））などのハイブリッドボンディング技術を使用することで、ダイレクトボンド界面を横切って接続されたパッド（例えば、導電性特徴２０６、１５６）の高密度（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。様々な実施形態では、導電性特徴２０６、１５６が銅を含むことができるが、他の金属が適することもある。

【0014】

このように、ダイレクトボンディングプロセスでは、仲介接着剤を使用せずに第１の素子１０２を第２の素子１５２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１５２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。他の配置では、第２の素子１５２がキャリア又は基板（例えば、ウェハ）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、１５２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る。従って、第１及び第２の素子１０２、１５２は非堆積素子を含むことができる。さらに、直接結合構造（例えば、結合構造１００）は、堆積層とは異なり、ナノボイドが存在する欠陥領域を結合界面に沿って含むことがある。ナノボイドは、結合面の活性化（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、結合界面に窒素ピークが形成されることがある。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、直接結合前には、これらの元素のうちの少なくとも１つの元素の窒素終端を示すレベルの窒素が結合界面に存在する。いくつかの実施形態では、結合界面に窒素及び窒素関連部分（ｎｉｔｒｏｇｅｎ ｒｅｌａｔｅｄ ｍｏｉｅｔｉｅｓ）が存在しないこともある。本明細書で説明するように、ダイレクトボンドは、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、コンタクトパッド（例えば、導電性特徴２０６、１５６）間の金属－金属結合を、銅粒１１６が結合界面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、銅が、結合界面を横切る銅の拡散を向上させるように１１１結晶面に沿って垂直に配向された結晶粒１１６を有することができる。いくつかの実施形態では、導電材料における１１１結晶面の配向の配向差（ｍｉｓｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎ）が、導電材料の導電性表面（例えば、第１及び第２の素子１０２、１５２の導電性特徴２０６、１５６の導電性表面１３８、１４８）からの垂直方向に対して±３０°の範囲内であることができる。いくつかの実施形態では、結晶配向差が、垂直方向に対して±２０°の範囲内、又は±１５°の範囲内であることができる。結合界面は、結合されたコンタクトパッド（例えば、導電性特徴２０６、１５６）又はその付近の非導電性結合領域（例えば、非導電性領域１３０、１６０）間に実質的に間隙が存在しないように、結合されたコンタクトパッド（例えば、導電性特徴２０６、１５６）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、導電性特徴２０６、１５６の下方に（例えば、銅又は銅合金を含むことができる）バリア層を設けることができる。しかしながら、他の実施形態では、例えば米国特許出願第２０１９／００９６７４１号に記載されるように、導電性特徴２０６、１５６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】

金属－金属ダイレクトボンド（例えば、第１の素子１０２の第１の導電性特徴２０６の導電性表面１３８と第２の素子１５２の第２の導電性特徴１５６の導電性表面１４８との間の直接結合）を形成するための（本明細書では「結合温度」とも呼ぶ）アニール温度及びアニール時間は、アニール処理によるサーマルバジェット（ｔｈｅｒｍａｌ ｂｕｄｇｅｔ）の消費に影響を与えることができる。結合温度は、例えば１００℃～２５０℃、１００℃～２００℃、１５０℃～２００℃、又は１００℃～１５０℃の範囲内であることができる。サーマル（エネルギー）バジェットの消費を最小化するには、アニール温度及び／又はアニール時間を低減することが望ましいと考えられる。１１１結晶面（＜１１１＞）に沿った原子の表面拡散は、１００結晶面又は１１０結晶面に沿った拡散よりも３～４オーダー速いことができる。また、１１１結晶面に沿って結晶粒が配向された金属（例えば、Ｃｕ）は、従来のバックエンド（ｂａｃｋ ｅｎｄ ｏｆ ｌｉｎｅ：ＢＥＯＬ）銅に比べて高い表面移動度を有することができる。さらに、ナノテクスチャ表面のＣｕの１１１結晶面上のクリープによって（結合温度が２５０℃以下の時に発生する結合を含むことができる）低温の直接金属－金属結合が可能である。従って、ダイレクトボンディング（例えば、ダイレクトハイブリッドボンディング）のためのアニール時間を短縮し、及び／又はアニール温度を低減するためには、結合面（例えば、接触面１０４、１５４）上に１１１結晶面を有することが有利であることができる。いくつかの実施形態では、アニール温度が低下すると金属表面拡散（例えば、Ｃｕ表面拡散）も低速化するため、１１１結晶面を有する利点は特に低温で顕著であることができる。従って、本明細書に開示する様々な実施形態では、ダイレクトボンディング中の金属拡散（例えば、Ｃｕ拡散）を強化するために、結晶構造が、１１１結晶面に沿って垂直に配向された結晶粒を有することができる。

【0018】

金属層は、銅（Ｃｕ）を有するＣｕ層を１１１結晶方位にめっきするように選択されたプロセスを用いて形成することができる。例えば、Ｃｕ層は、ダイレクトハイブリッドボンディング中に発生する直接金属－金属結合を最適化するよりもむしろ基板内のボイド（例えば、ビア、トレンチ）の効率的充填を最適化するようにめっき化学（ｐｌａｔｉｎｇ ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ）を選択した非スーパーフィリング又はスーパーフィリング電気めっき浴（ｎｏｎ－ｓｕｐｅｒｆｉｌｌｉｎｇ ｏｒ ｓｕｐｅｒ－ｆｉｌｌｉｎｇ ｅｌｅｃｔｒｏｐｌａｔｉｎｇ ｂａｔｈ）から堆積させることができる。本明細書で後述する後続の金属処理は、その後の結合を容易にして、上述した充填などの他の検討事項を最適化するためにいずれかの望ましいめっき化学を採用できるようにすることができる。堆積又は被覆される金属層（例えば、導電性素子２０６、１５６）の微細構造（例えば、粒径）は、金属平坦化プロセス（例えば、化学機械研磨、又はＣＭＰ）の前に安定化させることができる。金属層（例えば、導電性素子２０６、１５６）の微細構造は、例えば後で行われるダイレクトハイブリッドボンディングのアニールステップとは別のアニールステップによって安定化させることができる。いくつかの実施形態では、結合面（例えば、接触面１０４、１５４）を形成するＣＭＰ動作の前にめっき金属を部分的に安定化させることができる。他のいくつかの実施形態では、ＣＭＰ動作の前にめっき金属を完全に安定化させることができる。

【0019】

上述したように、コンタクトパッド（例えば、導電性特徴２０６、１５６）は、非導電性結合領域（例えば、非導電性領域１３０、１６０）に対して膨張し、互いに接触して金属－金属ダイレクトボンディング（例えば、接触面１０４、１５４間の結合）を形成することができる。例えば、コンタクトパッド（例えば、導電性特徴２０６、１５６）の膨張は、主に非導電性結合領域（例えば、非導電性領域１３０、１６０）に対するコンタクトパッドの材料（例えば、銅）の熱膨張によって生じることができる。コンタクトパッド（例えば、導電性特徴２０６、１５６）の結晶粒成長は、少なくとも部分的にコンタクトパッドの膨張を引き起こすことができる。結晶粒成長は、コンタクトパッド（例えば、導電性特徴２０６、１５６）がアニール処理されて膨張し、例えば接触面１０４、１５４が結合することによってコンタクトパッドが互いに結合する際に発生することが有益であると考えられる。しかしながら、コンタクトパッド（例えば、導電性特徴２０６、１５６）の結晶粒成長は、結合又はアニール処理の前に発生することもある。例えば、銅などの材料では、銅の結晶粒１１６間の拡散によって室温で結晶粒成長が発生することがある。結晶粒１１６が室温で成長する場合には、さらなる結晶粒成長を引き起こすために、結晶粒１１６が室温で成長しない場合に必要になったはずのアニール温度よりも高いアニール温度が必要になることがある。この理由は、成長した結晶粒がより安定した状態になり得るからである。コンタクトパッド（例えば、導電性特徴２０６、１５６）の結晶粒成長及び／又は膨張は温度主導型（ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｄｒｉｖｅｎ）であることができる。コンタクトパッド（例えば、導電性特徴２０６、１５６）間の信頼できる結合のためには、結合又はアニール処理時に材料が十分に膨張するように、結合又はアニール処理前に結晶粒成長を最小化して結合又はアニール処理までコンタクトパッドの材料のポテンシャルエネルギーを保存しておくことが有益となり得る。換言すれば、ダイレクトハイブリッドボンディングは、アニール処理中にコンタクトパッド（例えば、導電性特徴２０６、１５６）を膨張させることによって実行することができ、この膨張は、部分的に結晶粒成長によって促進することができる。このアニールをサーマルバジェットに対する影響を抑える形で完了させる１つの方法は、室温で発生する結晶粒成長（及び対応するポテンシャルエネルギーの放出）を低減又は最小化することである。このように室温での結晶粒成長を低減することで、導電材料１０８のポテンシャルエネルギーが結合温度でのアニールまで維持される。このような構成では、結晶粒成長から放出されるポテンシャルエネルギーが、アニール前の周囲条件で放出され失われるのではなく、アニール中におけるコンタクトパッド（例えば、導電性特徴２０６、１５６）間の直接結合の促進に寄与することができる。

【0020】

上記の現象は、少なくとも部分的に以下の方程式によって表すことができ、

【数1】

ここで、Ｍは結晶粒界移動度（ｇｒａｉｎ ｂｏｕｎｄａｒｙ ｍｏｂｉｌｉｔｙ）であり、ｋＳはピンニング（ｐｉｎｎｉｎｇ）による抗力係数（ｄｒａｇ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ）であり、ｋＢはボルツマン定数であり、Ａは結晶粒界面積であり、Ｄは拡散係数であり、ｆｒは抗力であり、Ｔは温度であり、ｔは時間であり、ΔＥは抗力に打ち勝つのに必要な相互作用エネルギーであり、ｈ－ｂａｒは結晶粒界変位（ｇｒａｉｎ ｂｏｕｎｄａｒｙ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ）である。

【0021】

本明細書に開示する様々な実施形態は、導電パッド（例えば、接触面１０４）の導電材料１０８（例えば、銅）の結晶粒界１１８に不純物１２０が存在する直接結合面（例えば、接触面１０４）を有する導電パッド（例えば、導電性特徴２０６）を含む素子（例えば、素子１０２）を形成して、結合又はアニール前に導電材料１０８（例えば、銅）の結晶粒成長を防止又は最小化することに関する。不純物１２０は、コンタクトパッド（例えば、導電性特徴２０６）の導電材料１０８（例えば、銅）内の結晶粒界１１８に配置することができる。

【0022】

図１Ａ～図１Ｃに、めっき直後に結晶粒界１１８に比較的低い又は最低レベルの不純物１２０が存在する時の素子（例えば、半導体素子）の導電性特徴１０６の接触面の微細構造の形態進化を示す。図１Ａ～図１Ｃには、ダイレクトハイブリッドボンディング手順中に導電性特徴１０６が処理されるにつれて接触面の微細構造がどのように発展するかを示す。図１Ａには、めっき直後の導電性特徴１０６の接触面の微細構造（例えば、結晶粒１１６のサイズ及び形状）を示す。図１Ｂには、導電性特徴１０６の同じ接触面の微細構造ではあるが、部分的な室温結晶粒成長が生じた後のアニールプロセスの直前の微細構造を示す。また、図１Ｃには、結合温度でのアニールプロセス後の導電性特徴１０６の同じ接触面の微細構造を示す。結合温度は、例えば１００℃～２５０℃、１００℃～２００℃、１５０℃～２００℃、又は１００℃～１５０℃の範囲内であることができる。図１Ａの微細構造と図１Ｂの微細構造との間の差異は、少なくとも部分的にめっきとアニールとの間に導電性特徴１０６が周囲条件（例えば、室温）に曝された結果であると理解される。図１Ｂの微細構造と図１Ｃの微細構造との間の差異は、少なくとも部分的に導電性特徴１０６が結合温度でアニール処理された結果であると理解される。

【0023】

図１Ａ～図１Ｃでは、導電性特徴１０６が、導電材料１０８及び非合金材料１１０を含むことができる。非合金材料１１０は、結合温度において導電材料１０８と共に合金を形成しない。導電材料１０８は、銅、金、銀、又はこれらの合金を含むことができる。導電材料１０８は、結晶粒１１６を形成することができる。導電材料１０８の結晶粒１１６間の界面には、結晶粒界１１８が生じることができる。非合金材料１１０は、例えば本明細書でさらに説明するような金属化合物、金属酸化物、非金属化合物、非金属酸化物、化学的化合物、及び／又は耐熱材料を含むことができる。非合金材料１１０は、導電性特徴１０６の導電材料１０８内に不純物１２０を形成することができる。各不純物１２０は、導電材料１０８全体を通じて拡散又は移動することができ、結晶粒１１６内に又は結晶粒界１１８に沿って存在し、又は結晶粒界１１８の周囲に蓄積することができる。十分な量の不純物１２０が結晶粒界１１８に沿って蓄積すると、不純物１２０は結晶粒１１６を「ピンニング（ｐｉｎ）」して結晶粒成長を抑制することができる。さらなるエネルギー量を導入して、ピンニングされた結晶粒１１６の成長を引き起こすこともできる。例えば、この処理は、不純物１２０が蓄積した結晶粒１１６の微細構造を適切な時間にわたってアニール処理してさらなる高温に曝すことを含む。さらなる高温は、結晶粒１１６内の、特に結晶粒界１１８に沿った原子の移動度を高める。結晶粒界１１８の移動度が高まると、結晶粒１１６が成長してそのサイズが増加するようになる。「ピンニング」という単語は、ピンニングされた結晶粒界１１８が完全に動かないことを意味するものではなく、むしろ不純物１２０は、結晶粒界１１８の移動度を抑えることによって結晶粒成長を低速化できる力（例えば、抗力又はピンニング力）を及ぼすことができる。要するに、結晶粒界１１８沿いにより多くの不純物１２０が存在するほどピンニングが増加して結晶粒成長を低下させることができる。

【0024】

図１Ａ～図１Ｃでは、導電性特徴１０６が最小レベルの不純物１２０を含み、すなわち導電材料１０８の結晶粒１１６は最低限にピンニングされている。図１Ａには、めっき直後に見られる導電材料１０８の非常に微細な結晶粒１１６を示す。図１Ａには、導電材料１０８内の最低量の不純物１２０も示す。不純物１２０が最小レベルであることに部分的に起因して、導電性特徴１０６内の結晶粒１１６はピンニングされず、図１Ｂに示すようにアニール前の周囲条件（例えば、室温）でも成長することができる。この周囲温度で発生し得る結晶粒成長は「自然アニール」と呼ぶことができ、結合温度でのアニールとは異なる。図１Ｃには、結合温度でのアニール中に導電性特徴１０６内の結晶粒１１６が成長し続けられることを示す。

【0025】

図２Ａ～図２Ｃに、様々な実施形態による、結晶粒成長を管理するように選択された一定量の不純物１２０がめっき直後に結晶粒界１１８に存在する際の（図４Ｄに示す）素子１０２内の導電性特徴２０６の接触面１０４の微細構造の形態変化を示す。図２Ａに示す結晶粒界１１８における不純物１２０の量は、図１Ａに示す量よりも多い。図２Ａ～図２Ｃには、様々な実施形態による、導電性特徴２０６が処理されるにつれて（図４Ｄに示す）接触面１０４の微細構造がどのように発展できるかを示す。図２Ａには、様々な実施形態による、めっき直後の導電性特徴２０６の（図４Ｄに示す）接触面１０４の微細構造（例えば、結晶粒１１６のサイズ及び形状）を示す。図２Ｂには、様々な実施形態による、（図４Ｄに示す）同じ接触面１０４の微細構造ではあるが、アニール直前の微細構造を示す。また、図２Ｃには、様々な実施形態による、結合温度でのアニール後の（図４Ｄに示す）同じ接触面１０４の微細構造を示す。結合温度は、例えば１００℃～３５０℃、１００℃～２５０℃、１００℃～２００℃、１５０℃～２００℃、又は１００℃～１５０℃の範囲内であることができる。図２Ａの微細構造と図２Ｂの微細構造との間の差異は、少なくとも部分的にめっきとアニールとの間に導電性特徴２０６が周囲条件（例えば、室温）に曝された結果であると理解される。図２Ｂの微細構造と図２Ｃの微細構造との間の差異は、少なくとも部分的に導電性特徴２０６が結合温度でアニール処理された結果であると理解される。

【0026】

様々な実施形態によれば、図２Ａ～図２Ｃでは、導電性特徴２０６が導電材料１０８及び非合金材料１１０を含むことができる。非合金材料１１０は、結合温度において導電材料１０８と共に合金を形成しない。様々な実施形態によれば、導電材料１０８は、銅、金、銀、又はこれらの合金を含むことができる。導電材料１０８は、結晶粒１１６を形成することができる。導電材料１０８の結晶粒１１６間の界面には、結晶粒界１１８が生じることができる。様々な実施形態によれば、非合金材料１１０は、例えば本明細書でさらに説明するような金属化合物、金属酸化物、非金属化合物、非金属酸化物、化学的化合物、及び／又は耐熱材料を含むことができる。非合金材料１１０は、導電性特徴２０６の導電材料１０８内に不純物１２０を形成することができる。各不純物１２０は、導電材料１０８全体を通じて拡散又は移動することができ、典型的には結晶粒界１１８に沿って蓄積することができる。十分な量の不純物１２０が結晶粒界１１８に沿って又は結晶粒１１６の周囲に蓄積すると、不純物１２０は結晶粒１１６を「ピンニング」して様々な結晶粒１１６の成長を抑制することができる。さらなるエネルギー量を導入して、ピンニングされた結晶粒１１６の成長を引き起こすこともできる。結晶粒１１６のピンニングを解除する１つの方法例は、ピンニングされた微細構造を適切な時間にわたってさらなる高温に曝すことを含むことができる。さらなる高温は、結晶粒１１６内の、特に結晶粒界１１８に沿った原子の移動度を高める。結晶粒界１１８の移動度が高まると、ピンニングされた結晶粒のピンニングが解除され、従って結晶粒１１６が成長してそのサイズが増加するようになる。要するに、結晶粒界１１８沿いにより多くの不純物１２０が存在するほどピンニングが増加して結晶粒成長を低下させることができる。

【0027】

図２Ａ～図２Ｃでは、導電性特徴２０６が、結晶粒成長を管理するように選択された第１のレベルの不純物１２０を含み、すなわち様々な実施形態によれば、導電材料１０８の結晶粒１１６を選択的にピンニングすることができる。図２Ａには、めっき直後に見られる導電材料１０８の非常に微細な結晶粒１１６を示す。図２Ａには、結晶粒成長を管理するように選択された導電材料１０８内の一定量の不純物１２０も示す。不純物の量は、図２Ｂに示すような結合及びアニール処理前には（例えば、周囲条件では）結晶粒１１６が成長するのをピンニングするが、図２Ｃに示すような（例えば、１００℃～２５０℃の）結合温度でのアニール中には結晶粒成長を許容するように選択することができる。結晶粒成長を管理するように選択される不純物１２０のレベルに部分的に起因して、図２Ｂに示すようなアニール処理前の周囲条件（例えば、室温）では、導電性特徴２０６内の結晶粒１１６が結晶粒成長を防止又は最小化できるほど十分にピンニングされている。結晶粒成長を管理するように選択された一定量の不純物１２０の存在は、「自然アニール」を防止又は最小化することができる。図２Ｃには、結合温度でのアニール中に導電性特徴２０６内の結晶粒１１６が成長できることを示す。

【0028】

結晶粒成長を管理するように選択される結晶粒界１１８沿いの不純物１２０の量は、周囲条件（例えば、室温）では、結晶粒成長を低減又は最小化できるほどのピンニングを生じさせるのに十分な量の不純物１２０が結晶粒界１１８に沿って存在できるが、例えば１００℃～２５０℃、１００℃～２００℃、１５０℃～２００℃又は１００℃～１５０℃の範囲内であることができる結合温度では、結晶粒成長を防止又は最小化できるほど多くの不純物１２０が結晶粒界１１８に沿って存在しないようにバランスをとることができる。本明細書で説明するように、このような結晶粒成長を管理するように選択される量の不純物１２０は、導電材料１０８のポテンシャルエネルギーを周囲条件に維持した後に、（例えば、１００℃～２５０℃、１００℃～２００℃、１５０℃～２００℃、又は１００℃～１５０℃の範囲内の）結合温度では（図４Ｆに示す）２つの素子１０２、１５２の２つの導電性特徴２０６、１５６間に信頼性できる直接結合を形成するのに役立つことができる結晶粒成長を許容することによって、ダイレクトハイブリッドボンディングを容易にすることができる。

【0029】

図３Ａ～図３Ｃに、他の様々な実施形態による、めっき直後に結晶粒界１１８に高レベルの不純物１２０が存在する際の（図４Ｄに示す）素子１０２内の導電性特徴３０６の（図４Ｄに示す）接触面１０４の微細構造の形態変化を示す。図３Ａに示す結晶粒界１１８における不純物１２０の量は、図２Ａに示す量よりも多い。図３Ａ～図３Ｃには、様々な実施形態による、導電性特徴３０６が処理されるにつれて（図４Ｄに示す）接触面１０４の微細構造がどのように発展できるかを示す。図３Ａには、様々な実施形態による、めっき直後の導電性特徴３０６の（図４Ｄに示す）接触面１０４の微細構造（例えば、結晶粒１１６のサイズ及び形状）を示す。図３Ｂには、様々な実施形態による、導電性特徴３０６の（図４Ｄに示す）同じ接触面１０４の微細構造ではあるが、アニール直前の微細構造を示す。また、図３Ｃには、様々な実施形態による、結合温度でのアニール後の導電性特徴３０６の（図４Ｄに示す）同じ接触面１０４の微細構造を示す。結合温度は、例えば１００℃～４００℃、１００℃～２５０℃、１００℃～２００℃、１５０℃～２００℃、又は１００℃～１５０℃の範囲内であることができる。図３Ａの微細構造と図３Ｂの微細構造との間の差異は、少なくとも部分的にめっきとアニールとの間に導電性特徴３０６が周囲条件（例えば、室温）に曝された結果であると理解される。図３Ｂの微細構造と図３Ｃの微細構造との間の差異は、少なくとも部分的に導電性特徴３０６が結合温度でアニール処理された結果であると理解される。

【0030】

様々な実施形態によれば、図３Ａ～図３Ｃでは、導電性特徴３０６が、導電材料１０８及び非合金材料１１０を含むことができる。非合金材料１１０は、結合温度において導電材料１０８と共に合金を形成しない。様々な実施形態によれば、導電材料１０８は、銅、金、銀、又はこれらの合金を含むことができる。導電材料１０８は、結晶粒１１６を形成することができる。導電材料１０８の結晶粒１１６間の界面には、結晶粒界１１８が生じることができる。様々な実施形態によれば、非合金材料１１０は、例えば結合温度で導電材料１０８に溶解しない材料を含むことができ、本明細書でさらに説明するような金属化合物、金属酸化物、非金属化合物、非金属酸化物、化学的化合物、及び／又は耐熱材料を含むことができる。非合金材料１１０は、導電性特徴３０６の導電材料１０８内に不純物１２０を形成することができる。各不純物１２０は、導電材料１０８全体を通じて拡散又は移動することができ、結晶粒１１６内又は結晶粒界１１８に沿って存在することができる。十分な量の不純物１２０が結晶粒界１１８に沿って存在する場合には、不純物１２０が結晶粒１１６を「ピンニング」して結晶粒の成長を抑制することができる。要するに、結晶粒界１１８沿いにより多くの不純物１２０が存在するほどピンニングが増加して結晶粒成長を低下させる傾向にある。いくつかの実施形態では、非合金材料１１０が、結合温度での導電材料１０８への溶解度が制限された材料を含むことができる。例えば、導電材料１０８における非合金材料１１０の溶解度は、結合温度では２０％未満であることができ、室温では５％未満又は１％未満又は０．０５％未満であることができる。

【0031】

図３Ａ～図３Ｃでは、導電性特徴３０６が第２の高レベルの不純物１２０を含み、すなわち導電材料１０８の結晶粒１１６を実質的に完全にピンニングすることができる。図３Ａには、めっき直後に見られる導電材料１０８の非常に微細な結晶粒１１６を示す。図３Ａには、導電材料１０８内の比較的高い量の不純物１２０も示す。不純物１２０の量は、図３Ｂに示すような結合及びアニール処理前の周囲条件（例えば、室温）でも、図３Ｃに示すような（例えば、１００℃～４００℃、１００℃～２５０℃、１００℃～２００℃、１５０℃～２００℃、又は１００℃～１５０℃の範囲内の）結合温度でのアニール中にも、導電性特徴３０６内の結晶粒成長を防止又は最小化するのに十分なピンニングを生じさせるほど高くなるように選択することができる。導電性特徴３０６における高レベルの不純物１２０の存在は、「自然アニール」及び結合温度でのアニールの両方を低減又は最小化することができる。要するに、図３Ｂには、室温では結晶粒１１６のサイズが図３Ａに示すものと同様の状態を保つことができることを示し、図３Ｃには、結合温度でのアニール後であっても結晶粒１１６のサイズが図３Ａ及び図３Ｂに示すものと同様の状態を保つことができることを示す。従って、結晶粒の成長を望まない場合には、結晶粒の成長を防止できるほど十分に高い不純物含有量を導入することができる。

【0032】

図１Ａ～図３Ｃで使用される不純物１２０は、導電性特徴２０６の導電材料１０８（例えば、銅）と共に合金を形成しない非合金不純物１２０を含むことができる。非合金不純物１２０は、関心アニール温度（例えば、結合温度）で導電性特徴２０６の導電材料１０８（例えば、銅）と溶解しない材料を含むことができる。導電性特徴２０６の導電材料１０８として銅を利用するいくつかの実施形態では、非合金不純物１２０が金属化合物を含むことができる。いくつかの実施形態では、非合金不純物１２０が金属酸化物を含むことができる。いくつかの実施形態では、非合金不純物１２０が非金属化合物を含むことができる。いくつかの実施形態では、非合金化不純物１２０が非金属酸化物を含むことができる。いくつかの実施形態では、非合金不純物１２０がセラミック材料などの他の化合物、すなわち２又は３以上の結合化学元素を含むことができる。いくつかの実施形態では、非合金不純物１２０が耐熱材料を含むことができる。このような材料の非包括的リストは、窒化アルミニウム、タンタル粒子及びナノ粒子、窒化タンタル粒子及びナノ粒子、窒化チタン粒子及びナノ粒子、酸化アルミニウム、酸化ニッケル粒子及びナノ粒子、酸化マグネシウム粒子及びナノ粒子、酸化マンガン粒子及びナノ粒子、ガラス、セラミック又はガラスセラミック粒子及びナノ粒子、炭化シリコン（ＳｉＣ）、窒化シリコン（ＳｉＮ）、炭化シリコン－窒化シリコン（ＳｉＣＮ）、酸化シリコン、タンタル（Ｔａ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、モリブデン（Ｍｏ）、及びタングステン（Ｗ）を含むことができる。

【0033】

いくつかの実施形態では、図４Ｂのキャビティ１２２内に不純物１２０及び導電材料１０８を共堆積スパッタリング（ｃｏ－ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ ｓｐｕｔｔｅｒｉｎｇ）することによって不純物１２０を導入して図４Ｃの構造を形成することができる。いくつかの実施形態では、不純物１２０及び導電材料１０８を含むスパッタリングターゲットをキャビティ１２２内にスパッタリングして図４Ｃの構造を形成することができる。いくつかの実施形態では、不純物１２０を粒子状材料として電気めっき浴に導入し、めっきステップ中に導電材料１０８内に共堆積させて図４Ｃの導電材料１０８を形成することができる。いくつかの実施形態では、不純物１２０が、酸化シリコン（又は他の非金属酸化物）粒子又は炭化シリコン（又は他の非金属化合物）を含むことができる。いくつかの実施形態では、電気めっき浴内への非合金不純物１２０の非常に微細な粒子（例えば、２００ｎｍ未満、１００ｎｍ未満、５０ｎｍ未満又は２０ｎｍ未満の線形横寸法を有する粒子）として非合金材料を導電性特徴２０６の導電材料１０８に導入し、例えば定電流法又は定電位法、パルスめっき、又はこれらの様々な組み合わせによって不純物１２０を関心基板上の導電材料１０８と共堆積させることができる。

【0034】

図１Ａ～図１Ｃに示す導電性特徴１０６には、２パーツパーミリオン（ｐｐｍ）又は３ｐｐｍの不純物１２０などの２０ｐｐｍ未満の不純物１２０が存在することができる。例えば、図１Ａの導電性特徴１０６は、２ｐｐｍ～２０ｐｐｍの、５ｐｐｍ～２０ｐｐｍの、２ｐｐｍ～１５ｐｐｍの、又は５ｐｐｍ～１５ｐｐｍの不純物１２０を含むことができる。このような導電性特徴１０６では、導電性特徴１０６の導電材料１０８の結晶粒１１６が室温で成長することができる。図１Ａに示す微細結晶粒１１６と比べて低いポテンシャルエネルギーを有する図１Ｂに示す成長した結晶粒１１６は、互いに直接結合されている複数の素子の複数の導電性特徴１０６の緊密な嵌合のために比較的高い結合温度を必要とし得るような、比較的安定した状態にあることができる。いくつかの用途では、（図４Ｆに示す）結合された素子１０２、１５２の一方によって課される何らかの制限又は制約に起因して、比較的低い直接結合温度又はアニール温度（低サーマルバジェット）が好ましい場合がある。結合構造のサーマルバジェットを低下させる制限の一例は、熱膨張係数（ＣＴＥ）の差分が比較的大きな２つの素子の結合に比較的高いアニール温度（例えば、２５０℃よりも高い温度）が使用される場合である。このような２つの素子間の熱膨張不一致は、結合構造の欠陥、応力に伴う亀裂、又はデバイスの劣化を引き起こす恐れがある。いくつかの実施形態では、第１及び第２の素子１０２、１５２の材料間のＣＴＥ差が２ｐｐｍ／℃又は５ｐｐｍ／℃よりも大きいことができ、他の用途では１０ｐｐｍ／℃よりも大きいことができる。（例えば、図２Ａ～図２Ｃに示すような）結晶粒成長を管理するように選択された不純物量を有する導電性特徴２０６を使用することで、上述したように通常は熱関連損傷を受けやすい素子である２ｐｐｍ／℃、５ｐｐｍ／℃、又は１０ｐｐｍ／℃よりも大きなＣＴＥ差を有する素子（例えば、第１及び第２の素子１０２、１５２）の使用を容易にすることができる。この理由は、このような導電性特徴２０６を使用することで、例えばアニールの結合温度、結合時間又はこれらの両方が減少することによって結合プロセスの熱的影響が抑えられるからであると考えられる。いくつかの実施形態では、小型のダイを大型のダイに結合することができ、従って第１の素子１０２の結合表面積（図示せず）が第２の素子１５２の結合表面積（図示せず）よりも小さいことができる。

【0035】

図２Ａ～図２Ｃの導電性特徴２０６では、第１の量の不純物１２０が、例えば比較的高い原子空孔を有する比較的小さな結晶粒１１６に起因する導電材料１０８の蓄積されたポテンシャルエネルギーが導電性特徴２０６を別の導電性特徴（例えば、図４Ｅに示す第２の素子１５２の導電性特徴１５６）に結合するアニールプロセスまで維持されるように導電性特徴２０６の導電材料１０８の結晶粒成長を遅らせることができる十分な量の不純物１２０であることができる。結晶粒成長の遅延は、抗力係数（上記方程式のｋｓ）の増加に起因することができる。いくつかの実施形態では、第１の量の不純物１２０が、導電性特徴２０６の導電材料１０８が室温で結晶粒成長を防止又は最小化することを可能にすることができる。

【0036】

図３Ａ～図３Ｃの導電性特徴３０６では、第２の量の不純物１２０が、導電材料１０８の蓄積されたポテンシャルエネルギーが導電性特徴３０６を別の導電性特徴（例えば、図４Ｅに示す第２の素子１５２の導電性特徴１５６）に結合するアニールプロセスまで維持されるように導電性特徴３０６の導電材料１０８の結晶粒成長を遅らせることができる十分な量の不純物１２０であることができる。不純物１２０の第２の量（すなわち、図３Ａ～図３Ｃにおける不純物１２０の量）は第１の量（すなわち、図２Ａ～図２Ｃの不純物１２０の量）よりも多い。いくつかの実施形態では、第２の量の不純物１２０を有する導電材料１０８が、第１の量の不純物１２０を有する導電材料１０８よりも長い時間にわたって導電材料１０８の結晶粒成長を遅らせることができる。いくつかの実施形態では、第２の量の不純物１２０が、導電性特徴３０６の導電材料１０８が室温で結晶粒成長を防止又は最小化するのを可能にすることができる。

【0037】

本明細書に開示する導電性特徴（例えば、第１の素子１０２の第１の導電性特徴２０６及び第２の素子１５２の第２の導電性特徴１５６）は、いずれかの好適な導電性特徴又は構造に置き換えることもできる。導電性特徴２０６は、対向する素子上の別の導電性特徴１５６に直接結合するように構成されたコンタクトパッドを含むことができる。導電性特徴２０６は、下層の回路又はトレースに接続されるコンタクトパッド、少なくとも部分的に基板を貫通する基板貫通ビア（ＴＳＶ）、又は対向する導電性特徴１５６に直接結合して接触するように構成された他のいずれかの導電材料を含むことができる。

【0038】

図４Ａ～図４Ｆは、第１の素子１０２を製造した後に結合構造１００を製造するプロセスの様々なステップを示す概略断面側面図である。図４Ａでは、非導電性領域１３０を提供することができる。非導電性領域１３０は、酸化シリコン、窒化シリコン、酸窒化シリコン、又は他の同様の材料などの非導電材料（例えば、誘電材料１３２）を含むことができる。図４Ｂでは、非導電性領域１３０の非導電性表面１３６に開口部１２２を形成することができる。開口部１２２は、コンタクトパッド、或いは貫通基板ビア（ＴＳＶ）又は貫通基板溝（ＴＳＧ）などのビアなどの（図４Ｄに示す）導電性特徴２０６を形成するように（図４Ｃに示す）導電材料１０８を受け取るためのいずれかの好適な形状及びサイズを有することができる。非導電性表面１３６は、いくつかの実施形態では図４Ｅ及び図４Ｆに示すように第２の素子１５２の非導電性表面１４８に結合できる接触表面を含むことができる。

【0039】

図４Ｃでは、開口部１２２内及び誘電材料１３２の表面上に、バリア層１２６、シード層（図示せず）及び導電材料１０８を設けることができる。バリア層１２６は、窒化チタン（ＴｉＮ）又は窒化タンタル（ＴａＮ）などの窒化物を含むことができる。また、シード層（図示せず）は、バリア層１２６上に堆積して開口部１２２を導電材料１０８で満たす電気めっきプロセスのためのシードとして使用される金属（例えば、銅）シードであることができる。図４Ｃでは、導電性特徴２０６の導電材料１０８内に不純物１２０（図示せず）を提供することができる。いくつかの実施形態では、不純物１２０（図示せず）をシード層（図示せず）として提供することができ、例えば開口部１２２内にスパッタリングすることができる。他のいくつかの実施形態では、不純物１２０を物理的気相成長（ＰＶＤ）プロセス又はスパッタリングによって提供することができる。例えば、不純物１２０は、ドープされた導電材料ターゲット又は共スパッタリングを使用して一定の濃度の不純物１２０を導電材料１０８と共に共堆積させる方法、或いは不純物１２０を１又は複数の無電解又は電解めっき浴からの導電材料１０８と共めっきする方法を通じて提供することができる。誘電材料１３２の開口部１２２を満たすために、複数タイプのめっき浴を適用することができる。シード層コーティングステップ後に、スーパーフィリング（ｓｕｐｅｒｆｉｌｌｉｎｇ）を含む第１の浴を使用して、開口部１２２の大部分に導電材料１０８（例えば、ボイドを含まない又は概ねボイドを含まない導電材料）を形成することができる。例えば、第１の浴を使用して開口部１２２の深さの９０％未満（図示せず）を充填することができる。誘電材料１３２の開口部１２２を充填及び過充填するために、第２のコーティング工程を適用することができる。第２のコーティングは、サイズ変調粒子（ｓｉｚｅ ｍｏｄｕｌａｔｅｄ ｐａｒｔｉｃｌｅｓ）を含むことができる。いくつかの実施形態では、不純物１２０（図示せず）がナノ粒子を含むことができる。いくつかの実施形態では、原子層堆積（ａｔｏｍｉｃ ｌａｙｅｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＡＬＤ）法によって不純物１２０を供給することができる。不純物１２０の量は、アニールプロセス前に周囲条件（例えば、室温）で導電材料１０８の蓄積ポテンシャルエネルギーを維持するように選択することができる。導電性特徴２０６は、導電材料１０８の結晶粒１１６（図示せず）が不純物１２０（図示せず）を含まない導電材料１０８よりも室温で遅く成長するように構成される。

【0040】

図４Ｄでは、素子１０２を形成することができる。図４Ｄでは、導電材料１０８の少なくとも一部を除去することができる。導電材料１０８の一部は、化学機械研磨（ｃｈｅｍｉｃａｌ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ：ＣＭＰ）によって除去することができる。いくつかの実施形態では、ＣＭＰプロセスによって誘電材料１３２の非導電性表面１３６のごく一部を除去して接触面１０４を形成することもできる。誘電材料１３２の非導電性表面１３６を研磨すると、誘電材料１３２の（図４Ｂに示す）開口部１２２内のバリア層１２６又は導電材料１０８に隣接する接触面１０４の領域に誘電体の丸み（ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ ｒｏｕｎｄｉｎｇ）が存在し得るようになる。不純物１２０（図示せず）の存在は、開口部１２２の導電性特徴２０６内の導電材料１０８の結晶粒１１６のサイズ（図示せず）を減少させることができる。小さな結晶粒は大きな結晶粒よりも機械的に硬い傾向にあり、従って導電材料１０８における不純物の存在は、導電材料１０８を研磨する研磨速度を低下させることができる。粒の小さな導電材料１０８の研磨速度が低下することで、偶然にも誘電体の丸みを最小化することができる。図４Ａ～図４Ｄには示していないが、図示の誘電材料１３２（例えば、非導電性領域１３０）及び（不純物１２０（図示せず）が埋め込まれた導電材料１０８を含むことができる）導電性特徴２０６は、シリコン領域又は層などのさらに広い半導体デバイス領域（図示せず）上に形成することができると理解されたい。各素子１０２は、接触面１０４内に形成された複数の導電性特徴２０６を含むことができる。

【0041】

図４Ｅに、互いに結合されて（図４Ｆに示す）結合構造１００を形成する前の素子１０２（第１の素子１０２）及び別の素子（第２の素子１５２）を示す。いくつかの実施形態では、第２の素子１５２が第１の素子１０２と同様の構造を有することができる。いくつかの実施形態では、上述したように、第１及び第２の素子１０２、１５２の各々が、非導電性領域１３０、１６０に少なくとも部分的に埋め込まれた導電性特徴２０６、１５６を含むことができる。上述したように、導電性特徴２０６、１５６は、（例えば、図２Ａ～図２Ｃに示す）導電材料１０８及び（例えば、図２Ａ～図２Ｃに示す）不純物１２０を含むことができる。導電材料１０８は、（例えば、図２Ａ～図２Ｃに示す）結晶粒１１６及び（例えば、図２Ａ～図２Ｃに示す）結晶粒界１１８を含み、導電性特徴２０６、１５６内の結晶粒１１６に又は結晶粒界１１８に沿って（例えば、図２Ａ～図２Ｃに示す）不純物１２０を埋め込むことができる。いくつかの実施形態では、素子１０２及び１５２の各々が、各素子の導電性特徴２０６、１５６と誘電材料１３２、１３２ａとの間に配置されたシード層（図示せず）及び／又はバリア層１２６、１２６ａを含むことができる。

【0042】

（図４Ｆに示す）結合構造１００は、第１の素子１０２の接触面１０４を第２の素子１５６の接触面１５４に結合することによって形成することができる。各素子１０２、１５２の接触面１０４、１５４は、非導電性部分（例えば、非導電性領域１３０、１６０の表面であることができる非導電性表面１３６、１４６）及び導電性部分（例えば、導電性特徴２０６、１５６の表面であることができる導電性表面１３８、１４８）を含むことができる。導電性表面１３８、１４８は、非導電性表面１３６、１４６から下方に、例えば３０ｎｍ未満だけ凹むことができる。図にはこれらの凹部を示していない。

【0043】

図４Ｆに、図４Ｅに示す第１及び第２の素子１０２、１５２が接触面１０４、１５４に沿って互いに直接結合した結合構造１００を示す。この直接結合プロセス中には、（図４Ｆに示す）素子１０２、１５２をまとめ上げて、隣接する非導電性領域１３０、１６０間に直接結合を形成することができ、導電性特徴２０６、１５６をアニール処理して膨張を与え、対向する導電性特徴２０６、１５６間に電気接点を形成することができる。結合前には、導電材料の結晶粒界１１８に移動する（例えば、図２Ａ～図２Ｃに示す）非合金不純物１２０を供給することによって導電性特徴２０６、１５６の導電材料（例えば、銅）のポテンシャルエネルギーを有利に維持することができる。ポテンシャルエネルギーが維持されると、対向する導電性特徴２０６、１５６間に金属接点を形成するために素子１０２、１５２をアニール処理する温度が低下することにより、直接結合プロセスのサーマルバジェットを有利に低下させることができる。

【0044】

第１の素子１０２の非導電性領域１３０の非導電性（例えば、誘電性）材料１３２は、第２の素子１５２の非導電性領域１６０の非導電性（例えば、誘電性）材料１３２ａに結合することができる。第１の素子１０２の誘電材料１３２は、仲介接着剤を使用せずに第２の素子１５２の誘電材料１３２ａに直接結合することができる。導電性表面１３８、１４８は、それぞれ接触表面１０４、１５４の下方に凹むことができるので、いくつかの実施形態では、第１の素子１０２の非導電性表面１３６が第２の素子１５２の非導電性表面１４６に直接結合されると、第１及び第２の導電性特徴２０６、１５６がその間に依然として若干の分離を有することができる。第１及び第２の素子１０２、１５２の非導電性領域１３０、１６０が互いに結合した後には、結合された素子１０２、１５２をアニール処理して結合構造１００を形成することができる。導電性特徴２０６、１５６は、アニール中に膨張して互いに直接結合することができる。第１及び第２の導電性特徴２０６、１５６は、互いに直接結合すると、単一のコンポーネントである結合導電性特徴１６２を形成することができる。

【0045】

いくつかの実施形態では、結合された素子１０２、１５２を比較的低い温度でアニール処理することができる。例えば、結合された素子は、２５０℃未満の結合温度、又は１００℃～２５０℃、１００℃～２００℃、１５０℃～２００℃、又は１００℃～１５０℃の範囲内の温度でアニール処理することができる。本明細書で説明したように、（例えば、図２Ａ～図２Ｃに示す）不純物１２０は、結合温度で導電材料１０８と共に合金を形成しない非合金材料を含むことができる。

【0046】

いくつかの実施形態では、（例えば、図２Ａ～図２Ｃに示す）不純物１２０を、例えば（例えば、図２Ａ～図２Ｃに示す）導電材料１０８の（例えば、図２Ａ～図２Ｃに示す）結晶粒界１１８の５％～７５％、５％～４０％、５％～３０％、１５％～７５％、１５％～４０％、又は１５％～３０％を覆うように供給することができる。いくつかの実施形態では、導電性特徴２０６が、例えば２０パーツパーミリオン（ｐｐｍ）～５０００ｐｐｍ、２０ｐｐｍ～１０００ｐｐｍ、５０ｐｐｍ～１０００ｐｐｍ、１００ｐｐｍ～５０００ｐｐｍ、２００ｐｐｍ～２０００ｐｐｍ、５０ｐｐｍ～５００ｐｐｍ、１００ｐｐｍ～５００ｐｐｍ、２００ｐｐｍ～１０００ｐｐｍ、又は２００ｐｐｍ～５００ｐｐｍの非合金不純物１２０を含むことができる。いくつかの実施形態では、導電性特徴２０６を通じた不純物１２０の濃度又は量が均一ではない。例えば、いくつかの実施形態では、バルク内よりも結合面（例えば、図４Ｅに示す接触面１０４）付近の方が不純物１２０の濃度又は量が高いことができる。不純物１２０の濃度又は量は、二次イオン質量分析法（ｓｅｃｏｎｄａｒｙ ｉｏｎ ｍａｓｓ ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ：ＳＩＭＳ）、及び／又は高分解能ＴＥＭ（ｈｉｇｈ ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ ＴＥＭ：ＨＲＴＥＭ）などの透過型電子顕微鏡法（ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ：ＴＥＭ）によって測定することができる。不純物１２０は、アニールプロセスの前後両方において、導電性特徴２０６の導電材料１０８の結晶粒界１１８及び（例えば、図２Ａ～図２Ｃに示す）結晶粒内１１６の両方に存在することができる。

【0047】

概要
１つの実施形態では、素子が、素子の接触面における導電性特徴と、接触面における、導電性特徴が少なくとも部分的に埋め込まれた非導電性領域とを含み、導電性特徴は、導電材料と、導電材料の結晶粒界における一定量の不純物とを含み、不純物は、結合温度で導電材料と共に合金を形成しない非合金材料を有する。

【0048】

いくつかの実施形態では、不純物が金属化合物を含むことができる。いくつかの実施形態では、不純物が金属酸化物を含むことができる。いくつかの実施形態では、不純物が非金属化合物を含むことができる。いくつかの実施形態では、不純物が非金属酸化物を含むことができる。いくつかの実施形態では、不純物が化学的化合物を含むことができる。いくつかの実施形態では、導電材料が銅を含むことができる。いくつかの実施形態では、不純物が耐熱材料を含むことができる。いくつかの実施形態では、不純物がタンタルを含むことができる。いくつかの実施形態では、不純物がジルコニウムを含むことができる。いくつかの実施形態では、不純物がモリブデンを含むことができる。いくつかの実施形態では、導電性特徴を、導電材料の結晶粒が不純物を含まない導電材料よりも室温で遅く成長するように構成することができる。いくつかの実施形態では、不純物を、導電材料の結晶粒界の５％～７５％を覆うように配置することができる。いくつかの実施形態では、不純物を、導電材料の結晶粒界の５％～４０％を覆うように配置することができる。いくつかの実施形態では、導電性特徴が、２０パーツパーミリオン（ｐｐｍ）～５０００ｐｐｍの不純物を含むことができる。いくつかの実施形態では、導電性特徴が、２００パーツパーミリオン（ｐｐｍ）～１０００ｐｐｍの不純物を含むことができる。いくつかの実施形態では、不純物の量を、室温で導電材料のポテンシャルエネルギーが維持されるように構成することができる。いくつかの実施形態では、導電性特徴が、接触面付近に２０パーツパーミリオン（ｐｐｍ）～５０００ｐｐｍの不純物を含むことができる。いくつかの実施形態では、導電性特徴が、接触面付近に２００パーツパーミリオン（ｐｐｍ）～１０００ｐｐｍの不純物を含むことができる。いくつかの実施形態では、導電性特徴がコンタクトパッドを含むことができる。いくつかの実施形態では、導電性特徴が基板貫通ビア（ＴＳＶ）を含むことができる。いくつかの実施形態では、結合温度が１００℃～２５０℃の範囲内であることができる。

【0049】

別の実施形態では、結合構造が、第１の導電性特徴と、第１の素子の第１の接触面における第１の非導電性領域とを含む第１の素子を含むことができる。結合構造は、第１の導電性特徴に直接結合されて結合導電性特徴を定める第２の導電性特徴と、第１の非導電性領域に直接結合された第２の非導電性領域とを含む第２の素子を含むこともできる。いくつかの実施形態では、結合導電性特徴が、導電材料及び一定濃度の不純物を含むことができ、不純物は、導電材料と共に合金を形成しない非合金材料を有する。

【0050】

いくつかの実施形態では、不純物が金属化合物を含むことができる。いくつかの実施形態では、不純物が金属酸化物を含むことができる。いくつかの実施形態では、不純物が非金属化合物を含むことができる。いくつかの実施形態では、不純物が非金属酸化物を含むことができる。いくつかの実施形態では、不純物が化学的化合物を含むことができる。いくつかの実施形態では、導電材料が銅を含むことができる。いくつかの実施形態では、不純物が耐熱材料を含むことができる。いくつかの実施形態では、不純物がタンタルを含むことができる。いくつかの実施形態では、不純物がジルコニウムを含むことができる。いくつかの実施形態では、不純物がモリブデンを含むことができる。いくつかの実施形態では、導電性特徴を、導電材料の結晶粒が不純物を含まない導電材料よりも室温で遅く成長するように構成することができる。いくつかの実施形態では、導電性特徴が、２０パーツパーミリオン（ｐｐｍ）～５０００ｐｐｍの不純物を含むことができる。いくつかの実施形態では、導電性特徴が、２００パーツパーミリオン（ｐｐｍ）～１０００ｐｐｍの不純物を含むことができる。いくつかの実施形態では、不純物の量を、室温で導電材料のポテンシャルエネルギーが維持されるように構成することができる。

【0051】

別の実施形態では、誘電材料に開口部を形成し、開口部内に導電材料を供給し、導電材料の結晶粒界に非合金不純物を供給し、誘電材料及び導電材料の表面を研磨することによって素子を形成することができる。

【0052】

いくつかの実施形態では、非合金不純物を供給することが、非合金不純物を含むシード層を設けることを含むことができる。いくつかの実施形態では、非合金不純物を供給することが、非合金不純物を導電材料と共堆積させることを含むことができる。いくつかの実施形態では、非合金不純物を供給することが、非合金不純物を導電材料と共スパッタリングすることを含むことができる。いくつかの実施形態では、不純物が金属化合物を含むことができる。いくつかの実施形態では、不純物が金属酸化物を含むことができる。いくつかの実施形態では、不純物が非金属化合物を含むことができる。いくつかの実施形態では、不純物が非金属酸化物を含むことができる。いくつかの実施形態では、不純物が化学的化合物を含むことができる。いくつかの実施形態では、導電材料が銅を含むことができる。いくつかの実施形態では、不純物が耐熱材料を含むことができる。いくつかの実施形態では、不純物がタンタルを含むことができる。いくつかの実施形態では、不純物がジルコニウムを含むことができる。いくつかの実施形態では、不純物がモリブデンを含むことができる。

【0053】

別の実施形態では第１の接触面に第１の導電性特徴及び第１の非導電性領域を有する第１の素子と、第２の接触面に第２の導電性特徴及び第２の非導電性領域を有する第２の素子とを準備し、仲介接着剤を使用せずに第１の非導電性領域を第２の非導電性領域に直接結合し、アニール処理によって第１の導電性特徴を第２の導電性特徴に接合して結合導電性特徴を形成することによって結合構造を形成することができる。いくつかの実施形態では、結合導電性特徴が、導電材料及び一定濃度の不純物を含み、不純物が、導電材料と共に合金を形成しない非合金材料を有することができる。

【0054】

いくつかの実施形態では、不純物が金属化合物を含むことができる。いくつかの実施形態では、不純物が金属酸化物を含むことができる。いくつかの実施形態では、不純物が非金属化合物を含むことができる。いくつかの実施形態では、不純物が非金属酸化物を含むことができる。いくつかの実施形態では、不純物が化学的化合物を含むことができる。いくつかの実施形態では、導電材料が銅を含むことができる。いくつかの実施形態では、不純物が耐熱材料を含むことができる。いくつかの実施形態では、不純物がタンタルを含むことができる。いくつかの実施形態では、不純物がジルコニウムを含むことができる。いくつかの実施形態では、不純物がモリブデンを含むことができる。いくつかの実施形態では、導電性特徴を、導電材料の結晶粒が不純物を含まない導電材料よりも室温で遅く成長するように構成することができる。いくつかの実施形態では、結合導電性特徴が、２０パーツパーミリオン（ｐｐｍ）～１０００ｐｐｍの不純物を含むことができる。いくつかの実施形態では、結合導電性特徴が、２００パーツパーミリオン（ｐｐｍ）～１０００ｐｐｍの不純物ことができる。

【0055】

別の実施形態では、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、第１の素子は、第１の導電性特徴と、第１の素子の第１の接触面における第１の非導電性領域とを含み、第２の素子は、第１の導電性特徴に直接結合されて結合導電性特徴を定める第２の導電性特徴と、第１の非導電性領域に直接結合された第２の非導電性領域とを含む。いくつかの実施形態では、第１の素子の結合表面積が第２の素子の結合表面積よりも小さいことができ、第１の素子の材料と第２の素子の材料との間の熱膨張係数（ＣＴＥ）差が５ｐｐｍ／℃よりも大きいことができる。

【0056】

いくつかの実施形態では、第１の導電性特徴が不純物を含むことができる。

【0057】

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。

【0058】

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。

【0059】

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。

【符号の説明】

【0060】

１０２ 第１の半導体素子
１０４ 接触面
１２６ バリア層
１２６ａ バリア層
１３０ 非導電性領域
１３２ 誘電材料
１３２ａ 誘電材料
１３６ 非導電性表面
１３８ 導電性表面
１４６ 非導電性表面
１４８ 導電性表面
１５２ 第２の半導体素子
１５４ 接触面
１５６ 導電性特徴
２０６ 導電性特徴

【図1A】

【図1B】

【図1C】

【図2A】

【図2B】

【図2C】

【図3A】

【図3B】

【図3C】

【図4A-4D】

【図4E-4F】

【国際調査報告】