TWI471951B - 包含退火程序之半導體結構接合方法，經接合的半導體結構及使用該方法所形成的中間結構 - Google Patents

Description

包含退火程序之半導體結構接合方法，經接合的半導體結構及使用該方法所形成的中間結構

本揭示內容之實施例係關於將半導體結構接合至一起之方法及使用該等方法形成之經接合的半導體結構及中間結構。

兩個或更多個半導體結構之三維(3D)整合可對微電子應用產生若干個益處。舉例而言，微電子組件之3D整合可產生改良之電效能及電力消耗同時減小裝置佔用面積。例如參見P.Garrou等人，「The Handbook of 3D Integration」，Wiley-VCH(2008)。

半導體結構之3D整合可藉由半導體晶粒至一或多個其他半導體晶粒(亦即，晶粒至晶粒(D2D))、半導體晶粒至一或多個半導體晶圓(亦即，晶粒至晶圓(D2W))以及半導體晶圓至一或多個其他半導體晶圓(亦即，晶圓至晶圓(W2W))之附接或其組合而發生。

在將一個半導體結構接合至另一半導體結構中使用之接合技術可以不同方式進行分類，一種係在兩個半導體結構之間是否提供有中間材料層以將其接合至一起，且第二種係接合界面是否允許電子(亦即，電流)通過該界面。所謂的「直接接合方法」係如下方法：其中在兩個半導體結構之間建立直接固體至固體化學接合以將其接合至一起而不在該等兩個半導體結構之間使用中間接合材料來將其接合至一起。直接金屬至金屬接合方法已經研發而用於將第一 半導體結構之表面處之金屬材料接合至第二半導體結構之表面處之金屬材料。

直接金屬至金屬接合方法亦可按實施每一方法所處之溫度範圍來分類。舉例而言，一些直接金屬至金屬接合方法係在相對高溫下實施，從而導致接合界面處之金屬材料之至少部分熔化。該等直接接合程序可能不期望供在接合包含一或多個裝置結構之經處理半導體結構中使用，此乃因相對高溫可不利地影響較早形成之裝置結構。

「熱壓縮接合」方法係如下接合方法：其中在介於200攝氏度(200℃)與約500攝氏度(500℃)之間(且通常介於約300攝氏度(300℃)與約400攝氏度(400℃)之間)之高溫下在接合表面之間施加壓力。

已研發可在200攝氏度(200℃)或小於200攝氏度之溫度下實施之其他直接接合方法。在200攝氏度(200℃)或小於200攝氏度之溫度下實施之該等直接接合程序在本文中稱為「超低溫」直接接合方法。可藉由仔細去除表面雜質及表面化合物(例如，自然氧化物)及藉由以原子標度增加兩個表面之間之緊密接觸區而實施超低溫直接接合方法。通常藉由以下方式實現兩個表面之間之緊密接觸區：對接合表面進行拋光以將表面粗糙度減小至接近原子標度之值；在接合表面之間施加壓力從而引起塑膠變形；或對接合表面進行拋光並施加壓力以獲得該塑膠變形。

一些超低溫直接接合方法可在不在接合界面處之接合表面之間施加壓力之情形下實施，但在其他超低溫直接接合 方法中可在接合界面處之接合表面之間施加壓力以達成接合界面處之適宜接合強度。在接合表面之間施加壓力之超低溫直接接合方法在業內通常稱為「表面輔助接合」或「SAB」方法。因此，本文所用之術語「表面輔助接合」及「SAB」意指且包含如下任一直接接合程序：藉由在200攝氏度(200℃)或小於200攝氏度之溫度下抵靠第二材料鄰接第一材料且在接合界面處之接合表面之間施加壓力而將該第一材料直接接合至該第二材料。

在一些情形下，半導體結構中主動導電特徵之間之直接金屬至金屬接合可易於在一定時間之後發生機械故障或電故障，即使最初可在半導體結構之導電特徵之間建立可接受之直接金屬至金屬接合。儘管並未完全理解，但據信，該故障可至少部分地由三種相關機制中之一或多者引起。該等三種相關機制係應變局部化(可由較大晶粒促進)、變形相關性晶粒生長及接合界面處之質量傳遞。接合界面處之該質量傳遞可至少部分地歸因於電遷移、相分離等。

電遷移係導電材料中由電流引起之金屬原子遷移。業內已論述改良互連件之電遷移壽命之各種方法。舉例而言，改良銅互連件之電磁壽命之方法論述於J.Gambino等人，「Copper Interconnect Technology for the 32 nm Node and Beyond」，IEEE 2009 Custom Integrated Circuits Conference (CICC)，第141-148頁中。

提供本發明內容以按簡化形式介紹概念之選擇，在下文 本揭示內容之一些實例性實施例之詳細說明中進一步闡述該等概念。本發明內容既不意欲鑑別所主張標的物之關鍵特徵或基本特徵，亦不意欲用以限制所主張標的物之範圍。

在一些實施例中，本揭示內容包含將第一半導體結構直接接合至第二半導體結構之方法。根據該等方法，可將金屬沈積於第一半導體結構上。可去除沈積於第一半導體結構上之金屬之一部分，且可使沈積於第一半導體結構上之金屬之剩餘部分經受第一熱預算以將該沈積於第一半導體結構上之金屬之剩餘部分退火。可將第一半導體結構之至少一個金屬特徵(包括沈積於第一半導體結構上之金屬之剩餘部分)直接接合至第二半導體結構之至少一個金屬特徵以形成經接合的金屬結構，該經接合的金屬結構包含第一半導體結構之至少一個金屬特徵及第二半導體結構之至少一個金屬特徵。可使經接合的金屬結構經受第二熱預算以將該經接合的金屬結構退火。經接合的金屬結構所經受之第二熱預算可小於第一熱預算。

在將第一半導體結構直接接合至第二半導體結構之方法之其他實施例中，可將金屬沈積於第一半導體結構上，然後可去除沈積於第一半導體結構上之金屬之一部分。可使沈積於第一半導體結構上之金屬之剩餘部分經受第一熱預算以將該沈積於第一半導體結構上之金屬之剩餘部分退火。在將沈積於第一半導體結構上之金屬之剩餘部分退火之後，可去除沈積於第一半導體結構上之金屬之其他部 分。可將第一半導體結構之至少一個金屬特徵(包括沈積於第一半導體結構上之金屬之剩餘部分)直接接合至第二半導體結構之至少一個金屬特徵以形成經接合的金屬結構，該經接合的金屬結構包含第一半導體結構之至少一個金屬特徵及第二半導體結構之至少一個金屬特徵。可使經接合的金屬結構經受第二熱預算以將該經接合的金屬結構退火。第二熱預算可小於第一熱預算。

在將第一半導體結構直接接合至第二半導體結構之方法之其他實施例中，直接接合程序可在大於或等於約20℃之溫度(例如室溫)下實施。可使第一半導體結構之至少一個金屬特徵(包括沈積於第一半導體結構上之金屬之剩餘部分)經受介於約20℃與400℃之間之接合溫度。

在將第一半導體結構直接接合至第二半導體結構之方法之其他實施例中，可將金屬沈積於第一半導體結構上且可在金屬中形成至少一個空隙。可將第一半導體結構之至少一個金屬特徵(包括金屬之一部分)直接接合至第二半導體結構之至少一個金屬特徵以形成經接合的金屬結構，該經接合的金屬結構包含第一半導體結構之至少一個金屬特徵及第二半導體結構之至少一個金屬特徵。可藉由使經接合的金屬結構經受後接合熱預算來將該經接合的金屬結構退火，且可使第一半導體結構之至少一個金屬特徵之金屬擴展至先前由金屬中之空隙佔據的空間中。

本揭示內容之其他實施例包含根據本文所述方法製得之經接合的半導體結構及根據本文所述方法形成之中間結 構。

舉例而言，在其他實施例中，本揭示內容包含經接合的半導體結構，其包括第一半導體結構(具有至少一個金屬特徵)及第二半導體結構(包括至少一個直接接合至第一半導體結構之至少一個金屬特徵之金屬特徵)。第一半導體結構之至少一個金屬特徵具有至少一個界定該第一半導體結構之至少一個金屬特徵內之空隙的內表面。

在其他實施例中，本揭示內容包含在製造經接合的半導體結構期間形成之中間結構。中間結構包括第一半導體結構(具有至少一個金屬特徵及接合表面)及第二半導體結構(包括至少一個具有接合表面之金屬特徵，該接合表面直接鄰接第一半導體結構之至少一個金屬特徵之接合表面)。舉例而言且並不加以限制，金屬可包括金屬或金屬合金，例如銅、鋁、鎳、鎢、鈦或其合金或混合物。在一些實施例中，金屬可經選擇以包括銅或銅合金。

可藉由參照本揭示內容之實例性實施例之下列詳細說明來更全面地理解本揭示內容之實施例，該等實施例係以附圖形式繪示。

本文中所呈現之闡釋並非意欲作為任一特定材料、裝置、系統或方法之實際視圖，而僅係用以闡述本揭示內容之實施例之理想化表示。

本文中所使用之任何標題皆不應視為限制由以下申請專利範圍及其合法等效物界定之本發明實施例之範圍。在整 個說明書通篇中，在任一特定標題中闡述之概念通常適用於其他部分中。

本文所用之術語「半導體結構」意指且包含在形成半導體裝置中使用之任一結構。半導體結構包含(例如)晶粒及晶圓(例如，載體基板及裝置基板)以及包含彼此三維地整合至一起之兩個或更多個晶粒及/或晶圓之總成或複合結構。半導體結構亦包含經完全製造之半導體裝置以及在製造半導體裝置期間形成之中間結構。

本文所用之術語「經處理半導體結構」意指且包含含有一或多個至少部分地形成之裝置結構之任一半導體結構。經處理半導體結構係半導體結構之子組，且所有經處理半導體結構皆係半導體結構。

本文所用之術語「經接合的半導體結構」意指且包含含有附接至一起之兩個或更多個半導體結構之任一結構。經接合的半導體結構係半導體結構之子組，且所有經接合的半導體結構皆係半導體結構。另外，包含一或多個經處理半導體結構之經接合的半導體結構亦係經處理半導體結構。

本文所用之術語「裝置結構」意指且包含經處理半導體結構之任一部分，亦即，包含或界定將在半導體結構上或在其中形成之半導體裝置之主動或被動組件之至少一部分。舉例而言，裝置結構包含積體電路之主動及被動組件，例如電晶體、轉換器、電容器、電阻器、傳導線、傳導通孔及傳導接觸墊。

本文所用之術語「穿晶圓互連件」或「TWI」意指且包含延伸穿過第一半導體結構之至少一部分之任一傳導通孔，該傳導通孔用以跨越該第一半導體結構與第二半導體結構之間之界面提供該第一半導體結構與該第二半導體結構之間的結構及/或電互連件。穿晶圓互連件亦在業內提及為其他術語，例如「穿矽通孔」、「穿基板通孔」、「穿晶圓通孔」或該等術語之縮寫(例如「TSV」或「TWV」)。TWI通常沿大體垂直於半導體結構之大體平坦主表面之方向(亦即，沿平行於「Z」軸之方向)延伸穿過該半導體結構。

本文所用之術語「作用表面」在結合經處理半導體結構使用時意指且包含該經處理半導體結構之經暴露主表面，該經暴露主表面已經處理或將經處理以在該經處理半導體結構之該經暴露主表面中及/或在其上形成一或多個裝置結構。

本文所用之術語「背表面」在結合經處理半導體結構使用時意指且包含該經處理半導體結構之經暴露主表面，該經暴露主表面位於該經處理半導體結構之與該半導體結構之作用表面相對之一側上。

本文所用之術語「熱預算」在結合退火程序使用時係指描繪退火程序溫度隨實施退火程序之時間而變化之直線或曲線下面積。在於單一溫度下實施之退火程序(亦即，等溫退火程序)中，退火程序之熱預算僅僅為實施退火程序之溫度與實施退火程序之時間長度的乘積。

在一些實施例中，本揭示內容包括將第一半導體結構直接接合至第二半導體結構以形成經接合的半導體結構之改良方法。特定而言，本揭示內容之實施例可包括在第一半導體結構之金屬特徵與第二半導體結構之金屬特徵之間形成直接金屬至金屬接合的方法，從而直接金屬至金屬接合之強度、穩定性及/或操作壽命相對於先前已知方法有所改良。

在一些實施例中，本揭示內容之直接金屬至金屬接合方法可包括在約20℃與400℃間之溫度下實施之非熱壓縮接合方法以補償經接合的金屬特徵的碟形凹陷。

本揭示內容之方法實施例之程序流程繪示於圖1中，且可根據此一程序流程形成之有關結構繪示於圖2A-2G中。該等方法涉及將第一半導體結構直接接合至第二半導體結構。

參照圖1，在動作10中，可將金屬沈積於第一半導體結構上。如圖2A中所展示，可形成第一半導體結構100。第一半導體結構100可包括經處理半導體結構，且可包含一或多個主動裝置特徵，例如以下中之一或多者：複數個電晶體102(其在圖中示意性示出)、複數個垂直延伸之導電通孔104及複數個水平延伸之導電跡線106。主動裝置特徵可包括由非導電塊體材料112(例如，未摻雜塊體半導體材料(例如矽/鍺等)或介電材料(例如氧化物))環繞之導電材料及/或半導體材料。舉例而言且並不加以限制，導電通孔104及導電跡線106中之一或多者可包括一或多種導電金屬 或金屬合金，例如，銅、鋁或其合金或混合物。

第一半導體結構100亦可包括複數個凹陷130，在該等凹陷中期望形成複數個接合墊108(圖2C)。為形成接合墊108，可將金屬132沈積於第一半導體結構100之作用表面110上方(例如，上面)，從而金屬132至少完全填充凹陷130，如圖2A中所展示。可將過量金屬132沈積於第一半導體結構100上，從而凹陷130完全經金屬132填充，且從而將其他金屬132佈置(例如，覆蓋)於第一半導體結構100之作用表面110上。舉例而言且並不加以限制，金屬132可包括金屬或金屬合金，例如銅、鋁、鎳、鎢、鈦或其合金或混合物。在一些實施例中，可選擇金屬132包括銅或銅合金。

可使用(例如)以下程序中之一或多者將金屬132沈積於第一半導體結構100上：無電電鍍程序、電解電鍍程序、濺鍍程序、化學氣相沈積(CVD)程序、物理氣相沈積(PVD)程序及原子層沈積(ALD)程序。根據一非限制性實例，可使用化學氣相沈積(CVD)程序沈積銅晶種層，然後可使用電化學沈積(ECD)電鍍程序以相對較快速率將額外銅沈積於該銅晶種層上。

再次參照圖1，在動作14中，可自第一半導體結構100去除沈積金屬132之一部分(圖2A)以形成接合墊108，該等接合墊包括佈置於凹陷130中之沈積金屬132之剩餘部分，如圖2C中所展示。可根據動作14(圖1)使用(例如)蝕刻程序(例如，濕式化學蝕刻程序、乾式反應性離子蝕刻程序 等)、拋光或研磨程序或其組合(例如化學-機械拋光(CMP)程序)去除沈積金屬132之一部分。舉例而言，可使第一半導體結構100之作用表面110經受CMP程序以去除沈積金屬132(圖2A)上覆於凹陷130外側之塊體材料112區之部分，從而僅保留沈積金屬132在凹陷130內之區域(該等區域界定且包括接合墊108)，且從而塊體材料112在橫向毗鄰凹陷130內之沈積金屬132區域之區中之作用表面110處暴露。因此，接合墊108中之一或多者可在第一半導體結構100之作用表面110處暴露。

如圖2C中所展示，用於自第一半導體結構100去除過量金屬132之程序(例如，CMP程序)可得到接合墊108相對於作用表面110處之暴露塊體材料112凹陷之暴露表面。暴露表面可具有弓形凹入形狀，如圖2C中所展示。此現象在業內通常稱為「碟形凹陷」。相對於具有較小暴露主表面之接合墊108，在具有較大暴露主表面之接合墊108中碟形凹陷現象可能相對更為明顯。

再次參照圖1，在動作16中，可藉由使第一半導體結構100及由此包括沈積金屬132之剩餘部分之接合墊108經受第一熱預算來將接合墊108(其包括沈積金屬132之剩餘部分)退火。換言之，可使沈積金屬132中界定接合墊108之剩餘部分經受第一熱預算以將金屬132之剩餘部分退火。舉例而言且並不加以限制，可藉由使沈積金屬132之剩餘部分經受約兩小時或更短(例如，介於約三十分鐘(30分鐘)與約一小時(1小時)之間)退火時間段之退火溫度或低於約 400℃之溫度來將沈積金屬132之剩餘部分退火。

在一些實施例中，如上所述，可在第一半導體結構100之作用表面110中選擇性實施動作16之退火程序以補償由動作14之去除程序所引起接合墊108的任一碟形凹陷。在該等實施例中，動作16之退火程序可包括單一晶圓處理方法，例如雷射退火程序。在雷射退火程序中，可使用雷射來選擇性僅退火具有「碟形」凹入接合表面109之接合墊108。動作16之選擇性退火程序之另一實例係使用具有可個別地及單獨地控制之加熱元件之熱板或加熱晶圓夾盤。

已觀察到，藉由電鍍程序(例如彼等在上文提及者)沈積之銅膜可在沈積之後發生微結構變化。該微結構變化可包含重結晶及/或晶粒生長。重結晶程序可使晶粒發生空間定向變化。該微結構變化可使經沈積銅膜之電性質(例如，電阻)及/或物理性質(硬度)發生變化。發生該等微結構變化之速率可具有溫度依賴性，且可隨著銅膜溫度之增加而增加。

因金屬132所經受之隨後程序之參數、以及電性能及自金屬132最終形成之裝置結構之結構完整性可至少部分地取決於金屬132之電性質及/或物理性質，可將在動作10中沈積於第一半導體結構100上之金屬132在動作16中退火(圖1)以誘導及/或促進在沈積金屬132中發生微結構變化，該等微結構變化原本可在足夠時間及室溫下、或在隨後處理中將沈積金屬132暴露於高溫後發生於沈積金屬132中。如下所述，在使第一半導體結構100經受隨後處理之前， 經由動作16之退火程序，可誘導沈積金屬132中之微結構變化以穩定沈積金屬132之微結構(及由此沈積金屬132之電性質及/或物理性質)。

因此，在一些實施例中，動作16之退火程序可包括使金屬132內之至少一些晶粒發生重結晶。金屬132內晶粒之重結晶可使得金屬132內之晶粒定向發生變化。因此，根據一些實施例，如下所述，可選擇(例如，優化)動作16之退火程序中熱循環之各種參數(例如，退火溫度之斜升、退火溫度之斜降、退火時間段等)以使得在接合程序之前在金屬132中形成穩定微結構。

另外，金屬132內晶粒之重結晶可進一步使得金屬132之電性質及金屬132之物理性質中之至少一者有所改變。舉例而言，動作16之退火程序可使得金屬132電阻在第一半導體結構100之作用表面110之至少一個橫向方向(例如圖2D之透視圖之垂直方向)上有所降低。根據另一實例，動作16之退火程序可使得金屬132之硬度有所降低。

如圖2D中所展示，在使沈積金屬132之剩餘部分經受第一熱預算以將金屬132退火並誘導其中之微結構變化時，可使得沈積金屬132發生體積膨脹(在局部藉由(例如)晶粒重定向及/或晶粒生長，或在整體上藉由(例如)相變化)並改變接合墊108中界定接合墊108之接合表面109之暴露表面之形貌。

參照圖1，在動作18中，可使接合墊108之接合表面109準備用於接合。動作18可包括(例如)修補CMP程序(touch- up CMP process)、化學處理程序及清洗程序中之一或多者。舉例而言且並不加以限制，可藉由首先將第一半導體結構100浸泡於去離子水中來清洗接合墊108之接合表面109。此外，可利用氫氧化銨(NH₄ OH)作為CMP後清洗方法。為防止過度銅粗糙化，可將氫氧化氨(NH₄ OH)清洗劑與銅腐蝕抑制劑(例如，苯并三唑(BTA))組合使用或使用其不含溶解氨(NH₃ )氣體之形式(例如，四甲基氫氧化銨(TMAH))。

繼續參照圖1，在動作20中，接合墊108可直接接合至第二半導體結構之金屬特徵。下文參照圖2E至2G來闡述可用於將接合墊108直接接合至第二半導體結構之金屬特徵之直接接合程序之實例。

參照圖2E，可將第一半導體結構100與第二半導體結構200對準從而將第一半導體結構100之接合墊108與第二半導體結構200之導電金屬接合墊208對準。如圖2E中所展示，第二半導體結構200亦可包括經處理半導體結構，且可包含其他主動裝置結構，例如，垂直延伸之導電通孔204及橫向延伸之導電跡線206。儘管並未展示於圖中，但第二半導體結構200亦可包括電晶體。

接合墊108之暴露表面可界定接合墊108之一或多個接合表面120，且接合墊208之外部暴露表面可界定第二半導體結構200之接合墊208之接合表面220。

參照圖2F，在將第一半導體結構100與第二半導體結構200對準從而第一半導體結構100之接合墊108與第二半導 體結構200之導電金屬接合墊208對準之後，第一半導體結構100可鄰接第二半導體結構200，從而第一半導體結構100之接合墊108之接合表面120直接鄰接第二半導體結構200之接合墊208之接合表面220且其間沒有任何中間接合材料(例如，黏著劑)。

參照圖2G，然後可將第一半導體結構100之接合墊108之接合表面120直接接合至第二半導體結構200之接合墊208之接合表面220(圖2F)以形成經接合的半導體結構300。接合程序使得形成包含已接合至一起之接合墊108及接合墊208之經接合的金屬結構。在直接金屬至金屬(例如，銅至銅)非熱壓縮接合程序中，可將第二半導體結構200之接合墊208之接合表面220直接接合至第一半導體結構100之接合墊108之接合表面120。在一些實施例中，非熱壓縮接合程序可包括在以下環境中實施之超低溫直接接合程序：在約400攝氏度(400℃)或更低之一或多個溫度下之環境中，或甚至在約200攝氏度(200℃)或更低之一或多個溫度下之環境中。在一些實施例中，非熱壓縮接合程序可在以下溫度下實施：在介於約20攝氏度(20℃)與約400攝氏度(400℃)之間之一或多個溫度下，或甚至在介於約200攝氏度(200℃)與約350攝氏度(350℃)之間之一或多個溫度下。在其他實施例中，可在約室溫下之環境中(亦即，並未施加任何除由周圍環境所提供熱量外之熱量)實施非熱壓縮接合程序。

在將第一半導體結構100接合至第二半導體結構200之 前，可處理第一半導體結構100及第二半導體結構200以去除表面雜質及不期望表面化合物，且可實施平坦化以增加接合墊108之接合表面120與接合墊208之接合表面220之間原子標度的緊密接觸區。可藉由以下方式來達成接合表面120與接合表面220之間之緊密接觸區：藉由將接合表面120及接合表面220拋光以將其表面粗糙度減小至接近原子標度之值，藉由在接合表面120與接合表面220之間施加壓力以得到塑膠變形，或藉由將接合表面120、220拋光及在第一半導體結構100與第二半導體結構200之間施加壓力以獲得該塑膠變形二者。

在一些實施例中，可將第一半導體結構100直接接合至第二半導體結構200且並不在其間之接合界面處之接合表面120、220之間施加壓力，但可在一些超低溫直接接合方法中在接合界面處之接合表面120、220之間施加壓力，以在接合界面處達成適宜接合強度。換言之，在本揭示內容之一些實施例中，用於將第一半導體結構100之接合墊108接合至第二半導體結構200之接合墊208之直接接合方法可包括表面輔助接合(SAB)方法。

在一些實施例中，接合墊108及接合墊208之尺寸及形狀中之至少一者可不同。更特定而言，接合墊108在平行於接合墊108與接合墊208之間之經接合界面之平面中可具有第一橫截面面積，且接合墊208在平行於接合墊108與接合墊208之間之經接合界面之平面中可具有第二橫截面面積，該第二橫截面面積與接合墊108之第一橫截面面積不 同。在該等實施例中，接合墊108之接合表面120可具有第一尺寸，且接合墊208之接合表面220可具有與第一尺寸不同之第二尺寸。接合墊108在平行於接合墊108與接合墊208之間之經接合界面之平面中可具有第一橫截面形狀，且接合墊208在平行於接合墊108與接合墊208之間之經接合界面之平面中可具有第二橫截面形狀，該第二橫截面形狀與接合墊108之第一橫截面形狀不同。在該等實施例中，接合墊108之接合表面120可具有第一形狀，且接合墊208之接合表面220可具有與第一形狀不同之第二形狀。在接合墊108之接合表面120與接合墊208之接合表面220具有不同形狀之實施例中，其可具有相同或不同尺寸(亦即，相同或不同面積)。

在其他實施例中，接合墊108之接合表面120與接合墊208之接合表面220可具有至少實質上相同之尺寸及形狀。在該等實施例中，在一些情況下，接合墊108與接合墊208可有意或無意地彼此橫向未對準。

在接合墊具有不同尺寸及/或未對準之實施例中，應注意銅/氧化物表面。可在後接合退火之前接合銅/氧化物表面。此外，氧化物可經一材料(例如電介質)覆蓋/包覆以確保可抑制銅之熱機械行為之適當鈍化，此對於低介電常數(低K)氧化物尤其可為一項顧慮。減小銅熱機械行為之方法之非限制性實例係確保在與其他銅墊不重疊(亦即，墊未對準)之區中將銅接合至介電表面(例如，具有矽氮化物Si_x N_y )。在該等實施例中，可在退火之前接合銅/矽氮化物 表面以獲得矽氮化物鈍化，從而抑制熱機械行為。對於其他資訊而言，例如參見「Effect of passivation on stress relaxation in electroplated copper films」Dongwen Gan及Paul S.Ho、Yaoyu Pang及Rui Huanga、Jihperng Leu、Jose Maiz及Tracey Scherban，J.Mater.Res.，第21卷，第6期，2006年6月© 2006 Materials Research Society。

再次參照圖1，在動作22中，可藉由將經接合的半導體結構300(及由此經接合的金屬結構)暴露於第二熱預算來將包括接合墊108及接合墊208之經接合的金屬結構退火。在一些實施例中，動作22之第二熱預算可小於動作16之第一熱預算。換言之，可使經接合的金屬結構經受小於第一熱預算之第二熱預算以將經接合的金屬結構退火。舉例而言且並不加以限制，可藉由以下方式將經接合的金屬結構退火：使接合墊108及接合墊208在約2小時或更短(例如，介於約三十分鐘(30分鐘)與約一小時(1小時)之間)之退火時間段內經受低於約400℃之一或多個退火溫度。

在一些實施例中，動作22之退火程序可在室或亦實施動作20之接合程序之其他殼體中原位實施。在該等實施例中，動作22之退火程序可包括在室或其他殼體中使第一半導體結構100經受連續熱循環之後續區段或部分。

如前文所述，動作16之退火程序之第一熱預算可大於動作22之退火程序之第二熱預算。因熱預算隨退火時間段及退火溫度而變化，故動作16中退火程序之第一熱預算大於動作22中退火程序之第二熱預算之方式可包含如下：在動 作16之退火程序與動作22之退火程序之間改變退火溫度、改變退火時間段或改變退火溫度及退火時間段二者。

在一些實施例中，動作22之退火程序之一或多個退火溫度可至少與動作16之退火程序之一或多個退火溫度實質上相同。在該等實施例中，動作22之退火程序之退火時間段可短於該動作16之退火程序之退火時間段。

在其他實施例中，動作22之退火程序之退火時間段可至少與動作16之退火程序之退火時間段實質上相同。在該等實施例中，動作22之退火程序之平均退火溫度可低於動作16之退火程序之平均退火溫度。

在其他實施例中，動作22之退火程序之退火時間段可短於動作16之退火程序之退火時間段，且動作22之退火程序之平均退火溫度可低於動作16之退火程序之平均退火溫度。

參照圖1，在一些實施例中，在根據動作20將第一半導體結構100之金屬特徵直接接合至第二半導體結構200之金屬特徵之前，可使第一半導體結構100經受兩個或更多個單獨退火程序。換言之，在動作20之接合程序之前，可使第一半導體結構100經受一或多個除動作16外之退火程序。舉例而言，如圖1中所展示，在根據動作10將金屬132沈積於第一半導體結構100上之後且在根據動作14去除沈積金屬132之一部分之前，可使第一半導體結構100在動作12中經受其他退火程序。根據第二實例，如圖1中所展示，在第一半導體結構100與第二半導體結構200之間之接 合接觸之前，可使第一半導體結構100在動作20中經受其他退火程序。

圖2B繪示在根據動作10將金屬132沈積於第一半導體結構100上(圖1)之後且在根據動作12使圖2A中所展示第一半導體結構100經受退火程序(圖1)之後之第一半導體結構100。

如圖2B中所展示，根據動作12使沈積金屬132經受熱預算以將金屬132退火可誘導其中之微結構變化，如前文結合圖2D所論述，且可使得沈積金屬132發生體積膨脹(在局部藉由(例如)晶粒重定向及/或晶粒生長，或在整體上藉由(例如)相變化)並改變沈積金屬132之暴露表面134之形貌。

在一些實施例中，動作12之退火程序可在室或亦實施動作10之沈積程序之其他殼體中原位實施。在該等實施例中，可在動作10之沈積程序之後但在自室或其他殼體取出第一半導體結構100之前，在室或其他殼體中實施動作12之退火程序。

根據使第一半導體結構100在動作20之接合程序之前經受兩個或更多個單獨退火程序之一些實施例，如上所述，動作16之第一熱預算可大於動作22之第二熱預算。然而，根據其他該等實施例，動作16之第一熱預算可小於動作22之第二熱預算，但動作12及16之退火程序之組合熱預算可大於動作22之第二熱預算。

在其他實施例中，根據本文參照圖1及2A至2G結合接合墊108之形成及退火所述之方法，可形成第二半導體結構 200之一或多個主動特徵(例如接合墊208)並退火。

藉由如上所述使前接合退火熱預算等於或大於後接合退火熱預算，擬在直接接合程序中接合之金屬特徵之膨脹(由其微結構之成熟引起)可至少在直接接合程序之前實質上完成，此可改良半導體結構之間之接合。

根據本揭示內容之其他實施例，在根據圖1之動作20將第一半導體結構100之至少一個金屬特徵直接接合至第二半導體結構之至少一個金屬特徵之前，包括與接合擬金屬特徵不同之材料之帽蓋層可形成或以其他方式提供於第一半導體結構100之至少一個金屬特徵的表面上，如下文參照圖3A至3F進一步詳細所述。

根據一非限制性實例，在根據圖1之動作10、動作14及動作16(及視需要動作12)形成接合墊108'後，可將氧化物材料114佈置於第一半導體結構100'之接合墊108'之暴露主表面處(例如，其上或其中)，如圖3A中所展示。舉例而言且並不加以限制，接合墊108'之金屬132可包括銅或銅合金，且氧化物材料114可包括銅氧化物(例如，Cu_x O)。氧化物材料114可源自接合墊108'之暴露表面之有意或無意氧化，且可源自一或多種先前實施之程序，例如在圖1之動作14期間實施之化學-機械拋光(CMP)方法。氧化物材料114亦可簡單地源自接合墊108'暴露於包括氧之氣體(例如，空氣)。

參照圖3B，可自接合墊108'去除氧化物材料114。舉例而言且並不加以限制，可使用濕式化學蝕刻程序或乾式電 漿蝕刻程序自接合墊108'去除氧化物材料114。在去除可存在於接合墊108'之表面處之任一氧化物材料114之後，包括與金屬132不同之材料之帽蓋層116可形成於接合墊108'之暴露主表面處(例如，其上或其中)，如圖3C中所展示。帽蓋層116可包括具有如下組成之材料：其經選擇以阻止或防止可發生於在動作20之接合程序期間(圖1)形成之接合界面處之不期望原子擴散及/或熱機械現象。在一些實施例中，帽蓋層116可包括矽。舉例而言，帽蓋層116可包括金屬矽化物。根據一非限制性實例，在接合墊108'包括銅或銅合金之實施例中，帽蓋層116可包括銅矽化物(例如，CuSi_x )。可藉由(例如)以下方式在包括銅或銅合金之接合墊108'之表面處形成銅矽化物：將接合墊108'之暴露表面115(圖3B)暴露於包括SiH₄ 之氣體中。在其他實施例中，帽蓋層116可包括可藉由將銅矽化物暴露於含有氮之氣體或電漿(例如，包括NH₃ 之氣體或電漿)中形成之銅矽氮化物(CuSiN)，然而，此可有助於增加接觸電阻。在其他實施例中，帽蓋層116可包括金屬或金屬合金，例如包含鈷、鎢及磷原子之金屬合金(CoWP)。位於Cu頂部之選擇性及無電沈積之金屬帽(CoWP)可進一步減小界面擴散。改良界面擴散之另一方法可為使用通常引入Cu晶種層中之雜質(例如Al、Ag或Mn)來摻雜Cu。在退火之後，雜質在晶粒邊界及界面(包含臨界接合界面)處分離。雜質在界面處之存在減小了Cu擴散但可增加Cu電阻率。

在一些實施例中，所形成之帽蓋層116可具有約10奈米 (10 nm)或更小之初始平均厚度(亦即，在接合及/或其他隨後處理之前)。

在形成帽蓋層116之後，可根據圖1之動作20將接合墊108'直接接合至第二半導體結構200之金屬特徵。可如前文參照圖2E至2G所述來實施接合程序。

參照圖3D，可將第一半導體結構100'與第二半導體結構200對準從而將第一半導體結構100'之接合墊108'與第二半導體結構200之導電金屬接合墊208對準。如圖3D中所展示，第二半導體結構200可包含其他主動裝置結構，例如，垂直延伸之導電通孔204及橫向延伸之導電跡線206。儘管並未展示於圖中，但第二半導體結構200亦可包括電晶體。

接合墊108'之帽蓋層116之表面可界定接合墊108'之一或多個接合表面120，且接合墊208之外部暴露表面可界定第二半導體結構200之接合墊208之接合表面220。

參照圖3E，在將第一半導體結構100'與第二半導體結構200對準從而第一半導體結構100'之接合墊108'與第二半導體結構200之導電金屬接合墊208對準之後，第一半導體結構100'可鄰接第二半導體結構200，從而第一半導體結構100'之接合墊108'之接合表面120直接鄰接第二半導體結構200之接合墊208之接合表面220。

參照圖3F，然後可將第一半導體結構100'之接合墊108'之接合表面120(圖3E)直接接合至第二半導體結構200之接合墊208之接合表面220(圖3E)以形成經接合的半導體結構 300'。舉例而言，在直接金屬至金屬(例如，銅至銅)非熱壓縮接合程序中，可將第二半導體結構200之接合墊208之接合表面220直接接合至第一半導體結構100'之接合墊108'之接合表面120。在一些實施例中，非熱壓縮接合程序可包括在以下環境中實施之超低溫直接接合程序：在約400攝氏度(400℃)或更低之一或多個溫度下之環境中，或甚至在約200攝氏度(200℃)或更低之一或多個溫度下之環境中。在一些實施例中，非熱壓縮接合程序可在以下溫度下實施：在介於約20攝氏度(20℃)與約400攝氏度(400℃)之間之一或多個溫度下，或甚至在介於約200攝氏度(200℃)與約350攝氏度(350℃)之間之一或多個溫度下。在其他實施例中，可在約室溫下之環境中(亦即，並未施加任何除由周圍環境所提供熱量外之熱量)實施非熱壓縮接合程序。

如圖3F中所展示，在一些實施例中，在將第一半導體結構100'之接合墊108'直接接合至第二半導體結構200之接合墊208後，接合墊108'與接合墊208間之界面處帽蓋層116之一或多種元素可擴散至接合墊108'及/或接合墊208中，從而帽蓋層116不再以單獨相形式存在於接合墊108'與接合墊208間之經接合界面處。帽蓋層116之至少一部分可保留於接合墊108'之至少一部分中，如圖3F中所展示。在接合程序後帽蓋層116之至少一部分存在於接合墊108'上可較為有益，其原因進一步詳細論述於下文中。

在接合墊108'及接合墊208在尺寸及形狀中之至少一者 中有所不同及/或彼此未對準之實施例中，位於接合墊108'中之一或多者上之帽蓋層116之至少一部分可能並不鄰接接合墊208之任一部分，且可能並不直接接合至接合墊208之任一部分。舉例而言，帽蓋層116之該等部分可鄰接環繞接合墊208之塊體材料212。帽蓋層116之該等部分可或可不接合至鄰接塊體材料212，且在將接合墊108'接合至接合墊208後可能並不完全溶解至接合墊108'中。在該等實施例中，在接合程序之後在接合墊108'與塊體材料212間之界面處存在帽蓋層116之至少一部分可改良藉由鄰近接合墊108'及接合墊208所形成導電結構之可用壽命及/或改良其性能。舉例而言，在接合墊108'與塊體材料212間之界面處存在帽蓋層116可阻止或防止在接合墊108'與塊體材料212間之界面處之質量傳遞，該質量傳遞可因(例如)電遷移而發生。帽蓋層116之存在亦可抑制不期望熱機械現象之發生，例如，可源自在隨後處理及/或操作期間結構可經受之溫度波動之微結構中之不期望變化。

在其他實施例中，可如上文結合第一半導體結構100'之接合墊108'所述來處理第二半導體結構200之一或多個主動特徵之暴露表面(例如接合墊208之暴露表面)，從而接合墊208之接合表面220包括帽蓋層(例如帽蓋層116)。

在將第一半導體結構100'接合至第二半導體結構200以形成圖3F之經接合的半導體結構300'之後，可根據圖1之動作22藉由將經接合的金屬結構暴露於第二熱預算來將包括接合墊108'及接合墊208之經接合的金屬結構退火，如前 文參照圖2A至2G之實施例所述。

圖4繪示本揭示內容之方法之其他實施例之程序流程，且圖5結合圖2A至2G使用以繪示根據圖4之程序流程來製造經接合的半導體結構。如圖4中所展示，其中繪示之程序流程包含根據動作14將金屬132沈積於第一半導體結構100上，根據動作16自第一半導體結構100去除沈積金屬132之一部分，及根據動作16藉由使金屬132之剩餘部分經受第一熱預算來將金屬132之剩餘部分退火。圖4之程序流程亦可包含根據動作12沈積金屬132之其他可選退火。該等動作10、12、14及16可如前文參照圖2A至2D所述進行以形成圖2D中所展示之第一半導體結構100。

如圖2D中所展示，動作16之退火程序可使得沈積金屬132發生體積膨脹(在局部藉由(例如)晶粒重定向及/或晶粒生長，或在整體上藉由(例如)相變化)並改變接合墊108之暴露表面(界定接合墊108之接合表面109)之形貌。因此，接合墊108之接合表面109可垂直延伸(自圖2D之透視圖)至超過作用表面110上環繞塊體材料112之暴露表面，及/或可增加接合表面109之表面粗糙度。

再次參照圖4，根據本揭示內容之一些實施例，在動作16之退火程序之後，可根據動作17在其他去除程序中去除接合墊108之經沈積及退火金屬132之其他部分。動作17之去除程序可包括(例如)平坦化程序，該平坦化程序會改良半導體結構100之作用表面110之平坦性(並降低其總體平均表面粗糙度)，及/或降低接合墊108之接合表面109之表 面粗糙度。因此，圖5繪示表面粗糙度相對於圖2D有所降低之接合墊108之接合表面109，且繪示與作用表面110處環繞塊體材料112之暴露表面共面之接合表面109。

在動作17中，可使用(例如)蝕刻程序(例如，濕式化學蝕刻程序、乾式反應性離子蝕刻程序等)、拋光或研磨程序或其組合(例如化學-機械拋光(CMP)程序)去除經沈積及退火金屬132之其他部分。舉例而言，可使第一半導體結構100之作用表面110經受CMP程序以去除接合墊108之其他經沈積及退火金屬132。

再次參照圖4，在根據動作17去除接合墊108之經沈積及退火金屬132之其他部分以形成如圖5中所展示之第一半導體結構100之後，可根據動作20將第一半導體結構100之接合墊108直接接合至第二半導體結構200之接合墊208，如前文參照圖1及圖2E至2G所述。在動作20之直接接合程序之後，包括第一半導體結構100之接合墊108及第二半導體結構200之接合墊208之經接合的金屬特徵可藉由以下方式進行退火：使該等經接合的金屬特徵經受低於第一熱預算之第二熱預算，如前文參照圖1及圖2G所述。儘管並未展示於圖4中，但可根據動作18(圖1)藉由使第一半導體結構100之作用表面110經受清洗程序來製備接合墊108之接合表面109以用於接合，如前文參照圖1所述。

在其他實施例中，可在第一半導體結構100之至少一個金屬特徵之表面處形成或以其他方式提供帽蓋層116，然後根據圖4之動作20將該金屬特徵直接接合至第二半導體 結構之至少一個金屬特徵，如前文參照圖3A至3F所述。

圖6繪示本揭示內容之方法之其他實施例之程序流程，且圖7A至7E繪示根據圖6之程序流程來製造經接合的半導體結構。

參照圖6，在動作50中，可將金屬432沈積於第一半導體結構上。如圖7A中所展示，可形成第一半導體結構400。第一半導體結構400可實質上類似於前文結合圖2A所述之第一半導體結構100，且可包括經處理半導體結構，該經處理半導體結構包含一或多個主動裝置特徵，例如以下中之一或多者：複數個電晶體402(其在圖中示意性示出)、複數個垂直延伸之導電通孔404及複數個水平延伸之導電跡線406。主動裝置特徵可包括由非導電塊體材料412環繞之導電材料及/或半導體材料。舉例而言且並不加以限制，導電通孔404及導電跡線406中之一或多者可包括一或多種導電金屬或金屬合金，例如，銅、鋁或其合金或混合物。

第一半導體結構400亦可包括複數個凹陷430，在該等凹陷中期望形成複數個接合墊408(圖7C)。為形成接合墊408，可將金屬432沈積於第一半導體結構400之作用表面410上方(例如，其上)，從而金屬432至少完全填充凹陷430，如圖7A中所展示。可將過量金屬432沈積於第一半導體結構400上，從而凹陷430完全經金屬432填充，且從而將其他金屬432佈置(例如，覆蓋)於第一半導體結構400之作用表面410上。舉例而言且並不加以限制，金屬432可包括 金屬或金屬合金，例如銅、鋁或其合金或混合物。在一些實施例中，可選擇金屬432包括銅或銅合金。

如圖7A中所展示，可將金屬432沈積於第一半導體結構400上從而在凹陷430內之沈積金屬432部分中形成空隙436。換言之，所形成之金屬432可包含至少一個界定凹陷430內之沈積金屬432部分中之空隙436的內表面。可(例如)在電沈積程序期間藉由增加線及通孔之垂直側上之金屬生長速度來產生空隙。在該等條件下，空隙在通孔或線中自發產生。產生該等空隙之其他方法可藉由非保形沈積擴散障壁(或金屬晶種層)來達成。藉由增加通孔/線中障壁/晶種層之側面厚度，可在障壁沈積程序之同時或在金屬沈積階段之早期階段直接產生空隙。可使用(例如)以下程序中之一或多者將金屬432沈積於第一半導體結構400上：無電電鍍程序、電解電鍍程序、化學氣相沈積(CVD)程序及物理氣相沈積(PVD)程序。根據一非限制性實例，可使用無電電鍍程序沈積銅晶種層，然後可使用電解電鍍程序以相對較快速率將額外銅沈積於該銅晶種層上。可使用(例如)以下程序中之一或多者將金屬432沈積於第一半導體結構400上：無電電鍍程序、電解電鍍程序、化學氣相沈積(CVD)程序及物理氣相沈積(PVD)程序。根據一非限制性實例，可使用無電電鍍程序沈積銅晶種層，然後可使用電解電鍍程序以相對較快速率將額外銅沈積於該銅晶種層上。

再次參照圖6，在動作54中，可自第一半導體結構400去 除沈積金屬432之一部分(圖7A)以形成接合墊408，該等接合墊包括佈置於凹陷430中之沈積金屬432之剩餘部分，如圖7C中所展示。可根據動作14(圖6)使用(例如)蝕刻程序(例如，濕式化學蝕刻程序、乾式反應性離子蝕刻程序等)、拋光或研磨程序或其組合(例如化學-機械拋光(CMP)程序)去除沈積金屬432之一部分。舉例而言，可使第一半導體結構400之作用表面410經受CMP程序以去除沈積金屬432(圖7A)上覆於凹陷430外側之塊體材料412區之部分，從而僅保留沈積金屬432在凹陷430內之區域(該等區域界定且包括接合墊408)，且從而塊體材料412在橫向毗鄰凹陷430內之沈積金屬432區域之區中之作用表面410處暴露。因此，接合墊408中之一或多者可在第一半導體結構400之作用表面410處暴露。

如圖7C中所展示，在一些實施例中，用於自第一半導體結構400去除過量金屬432之程序(例如，CMP程序)可使得接合墊408之暴露表面發生碟形凹陷。另外，在一些實施例中，在根據動作54去除沈積金屬432之一部分之後，接合墊408之暴露表面可相對於作用表面410處環繞塊體材料412之暴露主表面輕微凹陷。

再次參照圖6，在動作60中，接合墊408可直接接合至第二半導體結構之金屬特徵。下文參照圖7D及7E來闡述可用於將接合墊408直接接合至第二半導體結構之金屬特徵之直接接合程序之實例。

參照圖7D，可將第一半導體結構400與第二半導體結構 500對準從而將第一半導體結構400之接合墊408與第二半導體結構500之導電金屬接合墊508對準。如圖7D中所展示，第二半導體結構500可實質上類似於前文參照圖2E至2G所述之第二半導體結構200，且亦可包括含有其他主動裝置結構之經處理半導體結構，例如，垂直延伸之導電通孔504及橫向延伸之導電跡線506。儘管並未展示於圖中，但第二半導體結構500亦可包括電晶體。如圖7D中所展示，在一些實施例中，第二半導體結構500之接合墊508可至少與第一半導體結構400之接合墊408實質上相同，且可包含位於接合墊508之導電金屬中之空隙536，例如第一半導體結構400之接合墊408之金屬432中之空隙436。在其他實施例中，接合墊508中可能並不包含該等空隙536。

接合墊408之暴露表面可界定接合墊408之一或多個接合表面420，且接合墊508之外部暴露表面可界定第二半導體結構500之接合墊508之接合表面520。

繼續參照圖7D，在將第一半導體結構400與第二半導體結構500對準從而第一半導體結構400之接合墊408與第二半導體結構500之導電金屬接合墊508對準之後，第一半導體結構400可鄰接第二半導體結構500，從而第一半導體結構400之接合墊408之接合表面420直接鄰接第二半導體結構500之接合墊508之接合表面520且其間沒有任何中間接合材料(例如，黏著劑)。

然後可將第一半導體結構400之接合墊408之接合表面420直接接合至第二半導體結構500之接合墊508之接合表 面520以形成經接合的半導體結構600。接合程序導致形成包含已接合至一起之接合墊408及接合墊508之經接合的金屬結構。在直接金屬至金屬(例如，銅至銅)非熱壓縮接合程序中，可將第二半導體結構500之接合墊508之接合表面520直接接合至第一半導體結構400之接合墊408之接合表面420。在一些實施例中，非熱壓縮接合程序可包括在以下環境中實施之超低溫直接接合程序：在約400攝氏度(400℃)或更低之一或多個溫度下之環境中，或甚至在約200攝氏度(200℃)或更低之一或多個溫度下之環境中。在一些實施例中，非熱壓縮接合程序可在以下溫度下實施：在介於約20攝氏度(20℃)與約400攝氏度(400℃)之間之一或多個溫度下，或甚至在介於約200攝氏度(200℃)與約350攝氏度(350℃)之間之一或多個溫度下。在其他實施例中，可在約室溫下之環境中(亦即，並未施加任何除由周圍環境所提供熱量外之熱量)實施非熱壓縮接合程序。

在將第一半導體結構400接合至第二半導體結構500之前，可處理第一半導體結構400及第二半導體結構500以去除表面雜質及不期望表面化合物，且可實施平坦化以增加接合墊408之接合表面420與接合墊508之接合表面520之間原子標度的緊密接觸區。可藉由以下方式來達成接合表面420與接合表面520之間之緊密接觸區：藉由將接合表面420及接合表面520拋光以將其表面粗糙度減小至接近原子標度之值，藉由在接合表面420與接合表面520之間施加壓力以得到塑膠變形，或藉由將接合表面420、520拋光及在 第一半導體結構400與第二半導體結構500之間施加壓力以獲得該塑膠變形二者。

在一些實施例中，可將第一半導體結構400直接接合至第二半導體結構500且並不在其間之接合界面處之接合表面420、520之間施加壓力，但可在一些超低溫直接接合方法中在接合界面處之接合表面420、520之間施加壓力以在接合界面處達成適宜接合強度。換言之，在本揭示內容之一些實施例中，用於將第一半導體結構400之接合墊408接合至第二半導體結構500之接合墊508之直接接合方法可包括表面輔助接合(SAB)方法。

如圖7D中所展示，在將第一半導體結構400之接合墊408接合至第二半導體結構500之接合墊508後，接合界面可保持在放大下觀察時相對地可鑑別其微結構。另外，空隙436可保留於接合墊408內，且空隙536亦可保留於接合墊508內。

再次參照圖6，在動作62中，可藉由將經接合的半導體結構600(及由此經接合的金屬結構)暴露於熱預算來將包括接合墊408及接合墊508之經接合的金屬特徵退火。舉例而言且並不加以限制，可藉由以下方式將經接合的金屬結構退火：使接合墊408及接合墊508在約2小時或更短(例如，介於約三十分鐘(30分鐘)與約一小時(1小時)之間)之退火時間段內經受低於約400℃之一或多個退火溫度。

在一些實施例中，動作62之退火程序可在室或亦實施動作60之接合程序之其他殼體中原位實施。在該等實施例 中，動作62之退火程序可包括在室或其他殼體中使半導體結構400經受連續熱循環之後續區段或部分。

動作62之退火程序可誘導接合墊408及接合墊508中之微結構變化，且可使得接合墊408及508之金屬發生體積膨脹(在局部藉由(例如)晶粒重定向及/或晶粒生長，或在整體上藉由(例如)相變化)。接合墊408中空隙436及接合墊508中空隙536之存在可提供金屬432可因該體積膨脹而擴展之空間。因此，在動作62之退火程序之後，分別在接合墊408及508內之空隙436及536可佔據較小體積(亦即，具有較小平均橫截面尺寸)。在一些實施例中，在動作62之退火程序之後，空隙436、536可能不再存在於接合墊408、508內。另外，在一些實施例中，在動作62之退火程序之後，在放大下觀察時在接合墊408與接合墊508之間之微結構中可能沒有任何離散可鑑別接合界面。

如圖6中所展示，在一些實施例中，在動作60之接合程序之前，可使金屬432之至少一部分(圖7A)經受一或多個退火程序。

舉例而言，在一些實施例中，在根據動作50如前文參照圖7A所述將金屬432沈積於第一半導體結構400上之後，且在根據動作54如前文參照圖7C所述去除金屬432之一部分之前，可使沈積金屬432經受熱預算以將金屬432退火。圖7B繪示在根據動作50將金屬432沈積於第一半導體結構400上(圖6)之後且在根據動作52使如圖7A中所展示之半導體結構400經受退火程序(圖6)之後的第一半導體結構400。

如圖7B中所展示，根據動作52使沈積金屬432經受熱預算以將金屬432退火可誘導其中之微結構變化，如前文結合圖2D所論述，且可使得沈積金屬432發生體積膨脹(在局部藉由(例如)晶粒重定向及/或晶粒生長，或在整體上藉由(例如)相變化)並改變沈積金屬432之暴露表面434之形貌。

在一些實施例中，動作52之退火程序可在室或亦實施動作50之沈積程序之其他殼體中原位實施。在該等實施例中，可在沈積程序之後但在自室或其他殼體取出第一半導體結構400之前，在室或其他殼體中實施動作52之退火程序。

在根據動作52將沈積金屬432退火之實施例中，動作52之退火程序之熱預算可大於動作62之退火程序之熱預算。在一些實施例中，動作62之退火程序之一或多個退火溫度可至少與動作52之退火程序之一或多個退火溫度實質上相同。在該等實施例中，動作62之退火程序之退火時間段可短於動作52之退火程序之退火時間段。在其他實施例中，動作62之退火程序之退火時間段可至少與動作52之退火程序之退火時間段實質上相同。在該等實施例中，動作62之退火程序之平均退火溫度可低於動作52之退火程序之平均退火溫度。在其他實施例中，動作62之退火程序之退火時間段可短於動作52之退火程序之退火時間段，且動作62之退火程序之平均退火溫度可低於動作52之退火程序之平均退火溫度。

再次參照圖6，在一些實施例中，在根據動作54如前文 參照圖7C所述去除沈積金屬432之一部分之後，且在動作60之接合程序之前，可使沈積金屬432之剩餘部分經受熱預算以將金屬432之剩餘部分退火。此一退火程序可至少與如前文參照圖2D所述圖1之動作16之退火程序實質上相同。在該等實施例中，動作54之退火程序之熱預算可大於動作62之退火程序之熱預算。在一些實施例中，動作62之退火程序之一或多個退火溫度可至少與動作54之退火程序之一或多個退火溫度實質上相同。在該等實施例中，動作62之退火程序之退火時間段可短於動作54之退火程序之退火時間段。在其他實施例中，動作62之退火程序之退火時間段可至少與動作54之退火程序之退火時間段實質上相同。在該等實施例中，動作62之退火程序之平均退火溫度可低於動作54之退火程序之平均退火溫度。在其他實施例中，動作62之退火程序之退火時間段可短於動作54之退火程序之退火時間段，且動作62之退火程序之平均退火溫度可低於動作54之退火程序之平均退火溫度。

在一些實施例中，圖6之程序流程可包含動作52之退火程序及動作56之退火程序二者。根據一些該等實施例，動作52之熱預算可大於動作62之熱預算，且動作56之熱預算可小於、等於或大於動作52之退火程序之熱預算。根據其他該等實施例，動作56之熱預算可大於動作62之熱預算，且動作52之熱預算可小於、等於或大於動作56之退火程序之熱預算。在其他該等實施例中，動作52之熱預算可小於動作62之熱預算，且動作56之熱預算可小於動作62之熱預 算，但動作52及動作56之退火程序之組合熱預算可大於動作62之熱預算。

在其他實施例中，根據本文參照圖6及7A至7E結合接合墊408之形成及退火所述之方法，可形成第二半導體結構500之一或多個主動特徵(例如接合墊508)並退火。

另外，在其他實施例中，可在第一半導體結構400之至少一個金屬特徵之表面處形成或以其他方式提供帽蓋層116，然後根據圖6之動作60將該金屬特徵直接接合至第二半導體結構之至少一個金屬特徵，如前文參照圖3A至3F所述。

儘管上文參照將第一半導體結構之接合墊直接接合至第二半導體結構之接合墊來闡述本揭示內容之實施例，但涵蓋可處理除第一及第二半導體結構之接合墊外之金屬特徵並如本文所述直接接合。舉例而言，該等其他金屬特徵可包括導電通孔、穿晶圓互連件、導電跡線或暴露於表面半導體結構處之任一其他金屬特徵。另外，本文涵蓋，可形成第二半導體結構之導電特徵(例如接合墊、導電通孔及導電跡線中之一或多者)，且如本文中結合第一半導體結構之接合墊(與第一半導體結構之導電特徵之處理一起或作為替代方式)所述進行處理(例如，退火)，然後將第一半導體結構之一或多個導電特徵與第二半導體結構之一或多個導電特徵直接接合至一起。

本揭示內容之其他非限制性實例性實施例闡述如下：

實施例1：一種將第一半導體結構直接接合至第二半導 體結構之方法，其包括：將金屬沈積於第一半導體結構上；去除沈積於第一半導體結構上之金屬之一部分；使沈積於第一半導體結構上之金屬之剩餘部分經受第一熱預算，且將沈積於第一半導體結構上之金屬之剩餘部分退火；將第一半導體結構之至少一個金屬特徵(包括沈積於第一半導體結構上之金屬之剩餘部分)直接接合至第二半導體結構之至少一個金屬特徵以形成經接合的金屬結構，該經接合的金屬結構包括第一半導體結構之至少一個金屬特徵及第二半導體結構之至少一個金屬特徵；及使經接合的金屬結構經受第二熱預算並將經接合的金屬結構退火，第二熱預算小於或等於第一熱預算。

實施例2：如實施例1之方法，其中使沈積於第一半導體結構上之金屬之剩餘部分經受第一熱預算並將沈積於第一半導體結構上之金屬之剩餘部分退火包括：使金屬之剩餘部分在第一退火時間段內經受第一平均退火溫度，且其中使經接合的金屬結構經受第二熱預算並將經接合的金屬結構退火包括：使經接合的金屬結構在第二退火時間段內經受第二平均退火溫度。

實施例3：如實施例2之方法，其中第一平均退火溫度高於或等於第二平均退火溫度。

實施例4：如實施例2之方法，其中第一退火時間段長於或等於第二退火時間段。

實施例5：如實施例2之方法，其中第一平均退火溫度高於或等於第二平均退火溫度，且其中第一退火時間段長於 或等於第二退火時間段。

實施例6：如實施例1至5中任一項之方法，其進一步包括在去除沈積於第一半導體結構上之金屬部分之前，將沈積於第一半導體結構上之金屬退火。

實施例7：如實施例1至6中任一項之方法，其中去除沈積於第一半導體結構上之金屬部分包括使第一半導體結構經受化學-機械拋光程序。

實施例8：如實施例1至7中任一項之方法，其進一步包括選擇沈積於第一半導體結構上之金屬包括銅或銅合金。

實施例9：如實施例1至8中任一項之方法，其進一步包括在將第一半導體結構之至少一個金屬特徵直接接合至第二半導體結構之至少一個金屬特徵之前，在第一半導體結構之至少一個金屬特徵之表面處形成帽蓋層。

實施例10：如實施例9之方法，其中形成帽蓋層包括形成包括金屬矽化物之帽蓋層。

實施例11：如實施例9之方法，其中形成帽蓋層包括形成包括金屬、矽及氮之帽蓋層。

實施例12：如實施例9之方法，其中形成帽蓋層包括形成包括金屬合金之帽蓋層。

實施例13：如實施例12之方法，其進一步包括形成包括CoWP之帽蓋層。

實施例14：如實施例9至13中任一項之方法，其進一步包括形成平均厚度為約10奈米(10 nm)或更小之帽蓋層。

實施例15：如實施例1至14中任一項之方法，其中將第 一半導體結構之至少一個金屬特徵直接接合至第二半導體結構之至少一個金屬特徵包括在介於20℃與400℃間之溫度下且並不施加壓力下進行接合。

實施例16：如實施例1至15中任一項之方法，其中將第一半導體結構之至少一個金屬特徵直接接合至第二半導體結構之至少一個金屬特徵包括表面輔助接合程序。

實施例17：如實施例1至16中任一項之方法，其中將第一半導體結構之至少一個金屬特徵直接接合至第二半導體結構之至少一個金屬特徵包括：在溫度小於約400攝氏度(400℃)之環境中，使第一半導體結構之至少一個金屬特徵之第一接合表面直接鄰接第二半導體結構之至少一個金屬特徵之第二接合表面。

實施例18：如實施例17之方法，其進一步包括在溫度小於約400攝氏度(400℃)之環境中，在第一接合表面與第二接合表面之間施加壓力。

實施例19：如實施例18之方法，其中在溫度小於約400攝氏度(400℃)之環境中在第一接合表面與第二接合表面之間施加壓力包括：在溫度小於約200攝氏度(200℃)之環境中在第一接合表面與第二接合表面之間施加壓力。

實施例20：如實施例19之方法，其中在溫度小於約200攝氏度(200℃)之環境中在第一接合表面與第二接合表面之間施加壓力包括在約室溫環境中在第一接合表面與第二接合表面之間施加壓力。

實施例21：一種將第一半導體結構接合至第二半導體結 構之方法，其包括：將金屬沈積於第一半導體結構上；去除沈積於第一半導體結構上之金屬之一部分；使沈積於第一半導體結構上之金屬之剩餘部分經受第一熱預算，且將沈積於第一半導體結構上之金屬之剩餘部分退火；在將沈積於第一半導體結構上之金屬之剩餘部分退火之後，去除沈積於第一半導體結構上之金屬之其他部分；將第一半導體結構之至少一個金屬特徵(包括沈積於第一半導體結構上之金屬之剩餘部分)直接接合至第二半導體結構之至少一個金屬特徵以形成經接合的金屬結構，該經接合的金屬結構包括第一半導體結構之至少一個金屬特徵及第二半導體結構之至少一個金屬特徵；及使經接合的金屬結構經受第二熱預算並將經接合的金屬結構退火，第二熱預算小於或等於第一熱預算。

實施例22：如實施例21之方法，其中使沈積於第一半導體結構上之金屬之剩餘部分經受第一熱預算並將沈積於第一半導體結構上之金屬之剩餘部分退火包括：使金屬之剩餘部分在第一退火時間段內經受第一平均退火溫度，且其中使經接合的金屬結構經受第二熱預算並將經接合的金屬結構退火包括：使經接合的金屬結構在第二退火時間段內經受第二平均退火溫度。

實施例23：如實施例22之方法，其中第一平均退火溫度高於或等於第二平均退火溫度。

實施例24：如實施例22之方法，其中第一退火時間段長於或等於第二退火時間段。

實施例25：如實施例22之方法，其中第一平均退火溫度高於第二平均退火溫度，且其中第一退火時間段長於或等於第二退火時間段。

實施例26：如實施例21至25中任一項之方法，其進一步包括在去除沈積於第一半導體結構上之金屬部分之前，將沈積於第一半導體結構上之金屬退火。

實施例27：如實施例21至26中任一項之方法，其中去除沈積於第一半導體結構上之金屬部分包括使第一半導體結構經受化學-機械拋光程序。

實施例28：如實施例21至27中任一項之方法，其中去除沈積於第一半導體結構上之金屬之其他部分包括使第一半導體結構經受化學-機械拋光程序。

實施例29：如實施例21至28中任一項之方法，其中將第一半導體結構之至少一個金屬特徵直接接合至第二半導體結構之至少一個金屬特徵包括超低溫接合程序。

實施例30：如實施例21至29中任一項之方法，其中將第一半導體結構之至少一個金屬特徵直接接合至第二半導體結構之至少一個金屬特徵包括表面輔助接合程序。

實施例31：如實施例21至30中任一項之方法，其中將第一半導體結構之至少一個金屬特徵直接接合至第二半導體結構之至少一個金屬特徵包括：在溫度小於約400攝氏度(400℃)之環境中，使第一半導體結構之至少一個金屬特徵之第一接合表面直接鄰接第二半導體結構之至少一個金屬特徵之第二接合表面。

實施例32：如實施例31之方法，其進一步包括在溫度小於約400攝氏度(400℃)之環境中，在第一接合表面與第二接合表面之間施加壓力。

實施例33：一種將第一半導體結構接合至第二半導體結構之方法，其包括：將金屬沈積於第一半導體結構上並在金屬中形成至少一個空隙；將第一半導體結構之至少一個金屬特徵(包括金屬之一部分)直接接合第二半導體結構之至少一個金屬特徵以形成經接合的金屬結構，該經接合的金屬結構包括第一半導體結構之至少一個金屬特徵及第二半導體結構之至少一個金屬特徵；及藉由以下方式將經接合的金屬結構退火：使經接合的金屬結構經受後接合熱預算並使第一半導體結構之至少一個金屬特徵之金屬擴展至先前由金屬中之空隙所佔據的空間中。

實施例34：如實施例33之方法，其進一步包括去除沈積於第一半導體結構上之金屬之一部分，第一半導體結構之至少一個金屬特徵包括第一半導體結構上之金屬之剩餘部分。

實施例35：如實施例33或實施例34之方法，其進一步包括藉由以下方式將至少一個金屬特徵之金屬退火：使至少一個金屬特徵之金屬經受前接合熱預算，然後將第一半導體結構之至少一個金屬特徵直接接合至第二半導體結構之至少一個金屬特徵。

實施例36：如實施例35之方法，其進一步包括使前接合熱預算等於或高於後接合熱預算。

實施例37：如實施例35或實施例36之方法，其中藉由使至少一個金屬特徵之金屬經受前接合熱預算來將至少一個金屬特徵之金屬退火包括：將沈積於第一半導體結構上之金屬退火，然後去除沈積於第一半導體結構上之金屬部分。

實施例38：如實施例37之方法，其中藉由使至少一個金屬特徵之金屬經受前接合熱預算來將至少一個金屬特徵之金屬退火進一步包括：在去除沈積於第一半導體結構上之金屬部分之後，將第一半導體結構上之金屬之剩餘部分退火。

實施例39：如實施例35或實施例36之方法，其中藉由使至少一個金屬特徵之金屬經受前接合熱預算來將至少一個金屬特徵之金屬退火包括：在去除沈積於第一半導體結構上之金屬部分之後，將第一半導體結構上之金屬之剩餘部分退火。

實施例40：如實施例33至39中任一項之方法，其中使第一半導體結構之至少一個金屬特徵之金屬擴展至先前由金屬中之空隙所佔據的空間中包括減小空隙體積。

實施例41：如實施例40之方法，其中減小空隙體積包括消除空隙。

實施例42：一種經接合的半導體結構，其係根據實施例1至41中任一項所述之方法形成。

實施例43：一種經接合的半導體結構，其包括：第一半導體結構，其包括至少一個金屬特徵，該第一半導體結構 之至少一個金屬特徵具有至少一個界定該第一半導體結構之至少一個金屬特徵內之空隙的內表面；及第二半導體結構，其包括至少一個直接接合至第一半導體結構之至少一個金屬特徵之金屬特徵。

實施例44：如實施例43之經接合的半導體結構，其中第二半導體結構之至少一個金屬特徵具有至少一個界定第二半導體結構之至少一個金屬特徵內之空隙的內表面。

本揭示內容之上述實例性實施例並不限制本發明範圍，此乃因該等實施例僅係本發明實施例之實例，本發明範圍係由申請專利範圍之範圍及其合法等效物界定。任何等效實施例皆意欲涵蓋於本發明範圍內。實際上，除彼等展示及闡述於本文中者(例如所述要素之替代性有用組合)外，彼等熟習此項技術者自本說明將明瞭本揭示內容之各種修改。換言之，本文所述一實例性實施例之一或多個特徵可與本文所述另一實例性實施例之一或多個特徵進行組合以提供本揭示內容之其他實施例。該等修改及實施例亦意欲涵蓋於隨附申請專利範圍之範圍內。

100‧‧‧第一半導體結構

100'‧‧‧第一半導體結構

102‧‧‧電晶體

104‧‧‧導電通孔

106‧‧‧導電跡線

108‧‧‧接合墊

108'‧‧‧接合墊

109‧‧‧接合表面

110‧‧‧作用表面

112‧‧‧塊體材料

115‧‧‧暴露表面

116‧‧‧帽蓋層

130‧‧‧凹陷

132‧‧‧金屬

134‧‧‧暴露表面

200‧‧‧第二半導體結構

204‧‧‧導電通孔

206‧‧‧導電跡線

208‧‧‧導電金屬接合墊

212‧‧‧塊體材料

220‧‧‧接合表面

300‧‧‧經接合的半導體結構

300'‧‧‧經接合的半導體結構

400‧‧‧第一半導體結構

402‧‧‧電晶體

404‧‧‧導電通孔

406‧‧‧導電跡線

408‧‧‧接合墊

410‧‧‧作用表面

412‧‧‧非導電塊體材料

420‧‧‧接合表面

430‧‧‧凹陷

432‧‧‧金屬

434‧‧‧暴露表面

436‧‧‧空隙

500‧‧‧第二半導體結構

504‧‧‧導電通孔

506‧‧‧導電跡線

508‧‧‧導電金屬接合墊

520‧‧‧接合表面

536‧‧‧空隙

600‧‧‧經接合的半導體結構

圖1係繪示形成本揭示內容中經接合的半導體結構之方法之實例性實施例之程序流程的流程圖；圖2A至2G繪示根據圖1中所繪示方法之一實施例來形成經接合的半導體結構；圖3A至3F繪示根據圖1中所繪示方法之另一實施例來形成經接合的半導體結構； 圖4係繪示形成本揭示內容中經接合的半導體結構之方法之其他實例性實施例之程序流程的流程圖；圖5繪示可在根據圖4中所繪示方法之實施例形成本揭示內容之經接合的半導體結構中製得之半導體結構；圖6係繪示形成本揭示內容中經接合的半導體結構之方法之其他實例性實施例之程序流程的流程圖；且圖7A至7E繪示根據圖6中所繪示方法之一實施例來形成經接合的半導體結構。

Claims (20)

1. 一種將第一半導體結構直接接合至第二半導體結構之方法，其包括：將金屬沈積於第一半導體結構上；去除沈積於該第一半導體結構上之該金屬之一部分；使沈積於該第一半導體結構上之該金屬之剩餘部分經受第一熱預算並將沈積於該第一半導體結構上之該金屬之該剩餘部分退火；將包括沈積於該第一半導體結構上之該金屬之該剩餘部分的該第一半導體結構的至少一個金屬特徵直接接合至第二半導體結構的至少一個金屬特徵以形成經接合的金屬結構，該經接合的金屬結構包括該第一半導體結構之該至少一個金屬特徵及該第二半導體結構之該至少一個金屬特徵；及使該經接合的金屬結構經受第二熱預算並將該經接合的金屬結構退火，該第二熱預算係小於或等於該第一熱預算。
2. 如請求項1之方法，其中使沈積於該第一半導體結構上之該金屬之該剩餘部分經受該第一熱預算並將沈積於該第一半導體結構上之該金屬之該剩餘部分退火包括使該金屬之該剩餘部分在第一退火時間段內經受第一平均退火溫度，且其中使該經接合的金屬結構經受第二熱預算並將該經接合的金屬結構退火包括使該經接合的金屬結構在第二退火時間段內經受第二平均退火溫度。
3. 如請求項2之方法，其中該第一平均退火溫度係等於或高於該第二平均退火溫度。
4. 如請求項2之方法，其中該第一退火時間段係長於或等於該第二退火時間段。
5. 如請求項2之方法，其中該第一平均退火溫度係高於或等於該第二平均退火溫度，且其中該第一退火時間段係長於或等於該第二退火時間段。
6. 如請求項1之方法，其進一步包括在去除沈積於該第一半導體結構上之該金屬部分之前將沈積於該第一半導體結構上之該金屬退火。
7. 如請求項1之方法，其中去除沈積於該第一半導體結構上之該金屬部分包括使該第一半導體結構經受化學-機械拋光程序。
8. 如請求項1之方法，其進一步包括選擇沈積於該第一半導體結構上之該金屬以包括銅或銅合金。
9. 如請求項1之方法，其進一步包括在將該第一半導體結構之該至少一個金屬特徵直接接合至該第二半導體結構之該至少一個金屬特徵之前，在該第一半導體結構之該至少一個金屬特徵之表面處形成帽蓋層。
10. 如請求項9之方法，其中形成該帽蓋層包括形成該帽蓋層以包括金屬矽化物。
11. 如請求項9之方法，其中形成該帽蓋層包括形成該帽蓋層以包括金屬、矽及氮。
12. 如請求項9之方法，其中形成該帽蓋層包括形成該帽蓋 層以包括金屬合金。
13. 如請求項12之方法，其進一步包括形成該帽蓋層以包括CoWP。
14. 如請求項9之方法，其進一步包括形成該帽蓋層以具有約10奈米(10 nm)或更小之平均厚度。
15. 如請求項1之方法，其中將該第一半導體結構之該至少一個金屬特徵直接接合至該第二半導體結構之該至少一個金屬特徵包括超低溫直接接合程序。
16. 如請求項1之方法，其中將該第一半導體結構之該至少一個金屬特徵直接接合至該第二半導體結構之該至少一個金屬特徵包括表面輔助接合程序。
17. 如請求項1之方法，其中將該第一半導體結構之該至少一個金屬特徵直接接合至該第二半導體結構之該至少一個金屬特徵包括在溫度小於約400攝氏度(400℃)之環境中，使該第一半導體結構之該至少一個金屬特徵之第一接合表面直接抵靠該第二半導體結構之該至少一個金屬特徵之第二接合表面鄰接。
18. 如請求項17之方法，其進一步包括在溫度小於約400攝氏度(400℃)之環境中在該第一接合表面與該第二接合表面之間施加壓力。
19. 如請求項18之方法，其中在溫度小於約400攝氏度(400℃)之環境中在該第一接合表面與該第二接合表面之間施加壓力包括在溫度小於約200攝氏度(200℃)之環境中，在該第一接合表面與該第二接合表面之間施加壓 力。
20. 如請求項19之方法，其中在溫度小於約200攝氏度(200℃)之環境中在該第一接合表面與該第二接合表面之間施加壓力包括在約室溫之環境中在該第一接合表面與該第二接合表面之間施加壓力。