氧化二氧化硅层是利用衬底上自身的Si原子与0原子发生反应 而形成的，采用不用的工艺参数形成的热氧化二氧化硅层的厚度有所不同，而不同厚度的 热氧化二氧化硅层的化学键浓度有所不同。本发明中，步骤4形成的超薄热氧化二氧化硅 层比步骤3形成的一般热氧化二氧化硅层要薄，即反应时间很短，超薄热氧化二氧化硅层 表面的Si未被充分氧化，所以未饱和成键的Si多，化学键浓度也较高，当反应时间加长时， 表面的Si原子逐渐被完全氧化，厚度也相应增加。在本发明中，所述步骤3和步骤4采用 热氧化的方法形成热氧化二氧化硅层。热氧化有干氧氧化和湿氧氧化，干氧氧化为硅暴露 在高纯氧的高温气氛围里完成均匀氧化层的生长，反应速率会随着温度增加而增快；湿氧 氧化是用携带水蒸气的氧气代替干氧作为氧化气体，氧化反应速率较快。步骤3中，可以采 用纯氧或含水蒸气的氧气与所述第二晶圆下衬底反应形成所述热氧化二氧化硅层，采用湿 氧氧化时，水蒸气的含量为〇 %~100 %，反应温度为750~1100°C，反应压力为正常大气 压，反应时间根据形成的热氧化二氧化硅层的厚度要求而定，可以为10~150分钟。步骤 4中，采用纯氧或含水蒸气的氧气与所述第二晶圆下衬底反应形成所述超薄热氧化二氧化 硅层，采用湿氧氧化时，水蒸气的含量为0%~100%，反应温度为750~1100°C，反应压力 为正常大气压，反应时间根据形成的超薄热氧化二氧化硅层的厚度要求而定，可以为10~ 150分钟。
[0032] 在形成所述超薄热氧化二氧化硅层后，需要对所述第一晶圆和第二晶圆进行清 洗，以去除所述上衬底和所述下衬底上附着的沾污物；并在所述四乙基硅氧化层或高密度 等离子体二氧化硅层上形成亲水性活性表面，在所述超薄热氧化二氧化硅层上形成亲水性 活性表面。
[0033] 步骤5,将所述上衬底和所述下衬底对准，且所述上衬底四乙基硅氧化层或高密 度等离子体二氧化硅层与所述下衬底超薄热氧化二氧化硅层紧密贴合后进行退火，所述四 乙基硅氧化层或高密度等离子体二氧化硅层与所述热氧化二氧化硅层发生键合反应，键合 面之间形成化学键，使所述第一晶圆和所述第二晶圆键合在一起，如图4g所示。本发明采 用炉管进行退火，将第一晶圆和第二晶圆加热到一定温度，并保持一段时间，再逐渐进行降 温，即可使晶圆在键合过程中形成的化学键充分反应，达到最佳的键合强度。本发明退火过 程采用的退火温度为300~400°C，具体的退火时间根据退火温度进行设置，直到两晶圆键 合面形成最佳的键合强度，在上述退火温度下，所述退火时间为100~150min，优选的，采 用退火温度为350°C时，退火时间为120min。
[0034] 本发明采用TE0S薄膜层或HDP层作为第一晶圆和第二晶圆键合过程中的一个键 合面，超薄thermal oxide层作为键合过程中的另一个键合面，通过对两个键合面的表面 进行活化处理，在晶圆键合的过程中，两键合面之间发生键合反应，实现两片晶圆键合在一 起。本发明可以在晶圆键合过程中形成更多的硅羟基（Si-〇H)，增加晶圆键合界面处单位 面积的化学键浓度，使晶圆键合强度由传统工艺的0. 85J/m2提高到2. 00J/m2,消除了新型 WLCSP封装过程中晶圆键合界面存在裂缝的现象，显著提高晶圆键合强度，满足新型WLCSP 封装工艺所需的晶圆键合强度要求，从而提高了半导体器件的有效性和稳定性，降低了半 导体器件的生产成本。
[0035] 以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和 原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1. 一种增强键合强度的超薄热氧化晶圆键合工艺，包括以下步骤： 步骤1，提供第一晶圆和第二晶圆，所述第一晶圆具有待键合的上衬底，所述第二晶圆 具有待键合的下衬底，所述第一晶圆的上衬底上已形成有电路结构； 步骤2,在所述第一晶圆上衬底的下表面形成四乙基硅氧化层或高密度等离子体二氧 化硅层，并对所述四乙基硅氧化层或高密度等离子体二氧化硅层进行平坦化处理； 步骤3,在所述第二晶圆下衬底的上表面形成热氧化二氧化硅层并对所述热氧化二氧 化硅层和所述第二晶圆下衬底进行刻蚀形成用于键合对准的凹槽形对准标记； 步骤4,去除所述第二晶圆下衬底上的热氧化二氧化硅层，直至露出所述下衬底；并 在所述第二晶圆下衬底的上表面和所述凹槽形对准标记的底部形成超薄热氧化二氧化硅 层； 步骤5,将所述上衬底和所述下衬底对准，且所述上衬底四乙基硅氧化层或高密度等离 子体二氧化硅层与所述下衬底超薄热氧化二氧化硅层紧密贴合后进行退火，所述四乙基硅 氧化层或高密度等离子体二氧化硅层与所述超薄热氧化二氧化硅层发生键合反应，键合面 之间形成化学键，使所述第一晶圆和所述第二晶圆键合在一起。2. 根据权利要求1所述的晶圆键合工艺，其特征在于：步骤3中，所述凹槽形对准标记 的深度比所述热氧化二氧化硅层的厚度大300~500 Λ。3. 根据权利要求2所述的晶圆键合工艺，其特征在于：步骤3中，所述热氧化二氧化硅 层的厚度为300~500人；所述凹槽形对准标记的深度为700~1000 Α。4. 根据权利要求1所述的晶圆键合工艺，其特征在于：步骤4中，所述超薄热氧化二氧 化硅层的厚度为15~50人。_5. 根据权利要求1所述的晶圆键合工艺，其特征在于：所述步骤4和步骤5之间还包 括清洗步骤，具体为：对所述第一晶圆和第二晶圆进行清洗，去除所述上衬底和所述下衬底 上附着的沾污物；并在所述四乙基硅氧化层或高密度等离子体二氧化硅层上形成亲水性活 性表面，在所述超薄热氧化二氧化硅层上形成亲水性活性表面。6. 根据权利要求1~5任一所述的晶圆键合工艺，其特征在于：所述步骤5中，采用退 火温度300~400°C进行退火，退火时间为100~150min。7. 根据权利要求6所述的晶圆键合工艺，其特征在于：步骤3中，采用纯氧或含水 蒸气的氧气与所述第二晶圆下衬底反应形成所述热氧化二氧化硅层，反应温度为750~ 1100°C，反应压力为正常大气压，反应时间为10~150分钟；所述含水蒸气的氧气中，水蒸 气的含量为〇%~100%。8. 根据权利要求6所述的晶圆键合工艺，其特征在于：步骤4中，采用纯氧或含水蒸 气的氧气与所述第二晶圆下衬底反应形成所述超薄热氧化二氧化硅层，反应温度为750~ 1100°C，反应压力为正常大气压，反应时间为10~150分钟；所述含水蒸气的氧气中，水蒸 气的含量为〇%~100%。9. 根据权利要求6所述的晶圆键合工艺，其特征在于：步骤3中，所述热氧化二氧化硅 层的厚度为10. 根据权利要求6所述的晶圆键合工艺，其特征在于：步骤4中，所述超薄热氧化二 氧化硅层的厚度为20人。
【专利摘要】本发明涉及一种增强键合强度的超薄热氧化晶圆键合工艺。本发明在第一晶圆上衬底的下表面形成四乙基硅氧化层或高密度等离子体二氧化硅层，在第二晶圆下衬底的上表面和凹槽形对准标记的底部形成超薄热氧化二氧化硅层，通过在晶圆键合过程中所述四乙基硅氧化层或高密度等离子体二氧化硅层和超薄热氧化二氧化硅层发生反应形成更多的硅羟基(Si-OH)，从而增加晶圆键合界面处单位面积的化学键浓度，使晶圆键合强度由传统工艺的0.85J/m2提高到2.00J/m2，消除了新型WLCSP封装过程中晶圆键合界面存在裂缝的现象，显著提高晶圆键合强度，满足新型WLCSP封装工艺所需的晶圆键合强度要求，从而提高了半导体器件的有效性和稳定性，降低了半导体器件的生产成本。
【IPC分类】H01L21/60
【公开号】CN105185720
【申请号】CN201510480926
【发明人】王前文, 胡胜, 孙鹏
【申请人】武汉新芯集成电路制造有限公司
【公开日】2015年12月23日
【申请日】2015年8月3日