CN217426717U - 一种柔性单晶硅薄膜半导体器件及柔性单晶硅薄膜 - Google Patents
一种柔性单晶硅薄膜半导体器件及柔性单晶硅薄膜 Download PDFInfo
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Abstract
本实用新型公开了一种柔性单晶硅薄膜半导体器件及柔性单晶硅薄膜，柔性单晶硅薄膜半导体器件包括应力缓冲膜、单晶硅片、聚合物膜和半导体芯片，单晶硅片位于应力缓冲膜上且厚度为0.2μm～80μm，半导体芯片位于单晶硅片内或凸出单晶硅片设置，并与单晶硅片电性连接，聚合物膜覆盖于半导体芯片和单晶硅片上并对半导体芯片进行密封。柔性单晶硅薄膜包括应力缓冲膜、单晶硅片和聚合物膜，单晶硅片位于应力缓冲膜上且厚度为0.2μm～80μm，聚合物膜覆盖于单晶硅片上。既保持了硅单晶特点，又兼容半导体芯片高温制备工艺，具有高性能，提高了信息处理速度、单晶硅片的利用效率和器件电路设计的灵活性，且生产效率和良品率高，移取方便。
Description
技术领域
本实用新型属于半导体技术领域，具体涉及一种柔性单晶硅薄膜半导体器件及柔性单晶硅薄膜。
背景技术
随着技术水平和人们生活水平的提高，电子产品的柔性化、可穿戴以及可折叠等成为新的发展需求，柔性电子产品被广泛应用到电子通信、医疗等领域。传统的柔性电子器件是采用表面贴装技术将传统硬质封装芯片贴装于柔性电路板上，硬质封装芯片区域的线路板在表面贴装之后仍旧是刚性，极大限制了电子产品的整体柔性化变形能力。因此，柔性半导体芯片是电子产品整体柔性化的关键。
目前，多数柔性芯片是将半导体芯片器件通过转印或无源器件的直接图形化方法制作于有机聚合物材料衬底上，如聚酰亚胺、聚对二甲苯、硅树脂等。然而，这类柔性芯片信息处理速度慢；有机半导体材料熔点低，不适用于传统的高性能半导体芯片器件的制备；一些高温材料也不能直接在这些衬底上沉积，影响一些高性能传感器件的制备和利用，从而导致获得的半导体芯片器件的性能较低。而硅的体材料虽然通常被认为是硬、脆的材料，但减薄至微米以至纳米量级的硅，由于弯曲变形引起的表面应力可以大幅减小，从而能够轻易的实现机械变形而无断裂现象的发生，而且这样的薄膜仍保有单晶硅的特性，从而为得到高性能柔性电子器件、电路提供极有吸引力的柔性平台。
但现有技术中，张沧海等人(Chinese Physics Letters，Vol.30(8)，2013，pp.086201)利用背面干法刻蚀绝缘体上硅(SOI∶Silicon on Insulator)晶圆片得到了柔性衬底。申请号为201910927391.4的中国专利提出了在绝缘体上硅SOI上采用湿法HF刻蚀的方式获得硅纳米膜层，进而通过转移技术将硅纳米薄膜转移到PET衬底上，键合后获得柔性硅衬底的方法。S.Mack等人(Applied Physics Letters，88，2006，pp.213101)在硅(111)片的正面刻蚀出沟槽后用各向异性腐蚀硅的方法得到了柔性的硅带，但这些与传统的硅(100)片相比，成本较高。Sally M Ahmed等人(IEEE 27th International Conference onMicro Electro Mechanical Systems，2014，pp.548-551)利用硅(100)片在正面先深硅刻蚀形成刻蚀孔阵列后，再通过各向异性干法刻蚀得到了柔性硅膜。
背面干法刻蚀SOI晶圆片技术，由于缺乏支撑层，在刻蚀减薄过程中圆晶片易碎裂，且刻蚀完成后存在捞取困难的问题，成品率低。湿法HF刻蚀SOI获得柔性硅衬底的技术所需时间很长，通常大于8小时，且过程中大量使用腐蚀性化学原料(HF溶液)，危险性很大，极易造成环境污染。在硅片的正面刻蚀出沟槽后用各向异性腐蚀硅得到柔性硅膜的方案成本较高，且需事先在硅片上先做出刻蚀孔，占用了硅片的面积，影响了硅片表面的利用效率，阻碍了器件电路在硅片上的设计灵活性。更为重要的，以上直接获得的柔性硅膜很薄，需要键合到额外的柔性有机支撑层才能使用，而有机支撑层的材料熔点低，限制了一些高温材料在衬底上沉积，进而影响了半导体芯片的性能。
实用新型内容
本实用新型的目的在于针对上述问题，提出一种柔性单晶硅薄膜半导体器件及柔性单晶硅薄膜，既保持了硅单晶的特点，又兼容半导体芯片高温制备工艺，具有更好的性能，可大大提高信息处理速度、单晶硅片的利用效率和器件电路在其上设计的灵活性，且生产效率和良品率高，移取方便。
为实现上述目的，本实用新型所采取的技术方案为：
本实用新型提出的一种柔性单晶硅薄膜半导体器件，包括应力缓冲膜、单晶硅片、聚合物膜和半导体芯片，单晶硅片位于应力缓冲膜上，且厚度为0.2μm～80μm，半导体芯片位于单晶硅片内或凸出单晶硅片设置，并与单晶硅片电性连接，聚合物膜覆盖于半导体芯片和单晶硅片上并对半导体芯片进行密封。
优选地，半导体芯片为MOS晶体管或存储器或由MOS晶体管和存储器组成的存算一体单元。
优选地，存储器为DRAM、Flash、PCM、MRAM、ReRAM、FeFET、FeRAM其中一种。
优选地，应力缓冲膜的厚度为10nm～1500nm。
优选地，聚合物膜的厚度为1μm～100μm。
优选地，应力缓冲膜的材质为SiO2、Al2O3和HfO2中的一种或多种组成的复合层，聚合物膜的材质为硅树脂、聚酰亚胺、聚对二甲苯和SU-8胶其中一种。
一种柔性单晶硅薄膜，包括应力缓冲膜、单晶硅片和聚合物膜，单晶硅片位于应力缓冲膜上，且厚度为0.2μm～80μm，聚合物膜覆盖于单晶硅片上。
优选地，应力缓冲膜的厚度为10nm～1500nm。
优选地，聚合物膜的厚度为1μm～100μm。
优选地，应力缓冲膜的材质为SiO2、Al2O3和HfO2中的一种或多种组成的复合层，聚合物膜的材质为硅树脂、聚酰亚胺、聚对二甲苯和SU-8胶其中一种。
与现有技术相比，本实用新型的有益效果为：
本申请获得的柔性单晶硅薄膜半导体器件及柔性单晶硅薄膜以柔性单晶硅片作为衬底，并通过应力缓冲膜既在柔性单晶硅薄膜半导体器件及柔性单晶硅薄膜制备过程中起到应力缓冲作用，又在制备完成后对单晶硅片隔绝水氧起到保护作用，通过聚合物膜对单晶硅片既起保护作用以避免其上制备的半导体芯片受到外界环境的腐蚀，又可以作为柔性支撑，避免损伤。相对于现有技术既保持了硅单晶的特点，又兼容半导体芯片高温制备工艺，获得更高性能的柔性单晶硅薄膜半导体器件及柔性单晶硅薄膜，从而大大提高信息处理速度、单晶硅片的利用效率和器件电路在其上设计的灵活性，且生产效率和良品率高，移取方便。
附图说明
图1为本实用新型柔性单晶硅薄膜半导体器件的剖视图；
图2为本实用新型柔性单晶硅薄膜的剖视图。
附图标记说明：1、应力缓冲膜；2、单晶硅片；3、聚合物膜；4、半导体芯片。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
需要说明的是，当组件被称为与另一个组件“连接”时，它可以直接与另一个组件连接或者也可以存在居中的组件。除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是在于限制本申请。
实施例1：
如图1所示，一种柔性单晶硅薄膜半导体器件，包括应力缓冲膜1、单晶硅片2、聚合物膜3和半导体芯片4，单晶硅片2位于应力缓冲膜1上，且厚度为0.2μm～80μm，半导体芯片4位于单晶硅片2内或凸出单晶硅片2设置，并与单晶硅片2电性连接，聚合物膜3覆盖于半导体芯片4和单晶硅片2上并对半导体芯片4进行密封。
其中，单晶硅片2用于作为支撑衬底，厚度在0.2μm～80μm具有较好的弯曲变形能力，从而能够轻易的实现机械变形而无断裂现象的发生，而且仍保有单晶硅的特性，单晶硅片的利用效率高。单晶硅片1的减薄可采用化学机械抛光、ICP干法刻蚀、碱性溶液湿法腐蚀、H离子注入轰击剥离等加工工艺实现。在制备前对单晶硅片1进行预处理，预处理如为依次进行清洗、烘干工艺，可采用现有技术中的标准工艺，以提高表面洁净度，避免影响半导体器件的性能。柔性单晶硅薄膜半导体器件的外形可根据实际需求确定，如为方形、圆形等。
该柔性单晶硅薄膜半导体器件以柔性单晶硅片作为衬底，并通过应力缓冲膜既在柔性单晶硅薄膜半导体器件制备过程中起到应力缓冲作用，如键合时应力的缓冲，又在制备完成后对单晶硅片起到隔绝水氧保护作用，通过聚合物膜对单晶硅片既起保护作用以避免其上制备的半导体芯片受到外界环境的腐蚀，又可以作为柔性支撑，避免损伤。相对于现有技术，该柔性单晶硅薄膜半导体器件既保持了硅单晶的特点，又兼容半导体芯片高温制备工艺(如通过承受更高的制备温度获得更好的膜层结晶性能)，具有更高的性能，大大提高信息处理速度、单晶硅片的利用效率和器件电路在其上设计的灵活性，且生产效率和良品率高，移取方便。
在一实施例中，半导体芯片4为MOS晶体管或存储器或由MOS晶体管和存储器组成的存算一体单元。
在一实施例中，存储器为DRAM、Flash、PCM、MRAM、ReRAM、FeFET、FeRAM其中一种。
其中，存储器还可为现有技术中的其他存储器，存算一体单元中MOS晶体管和存储器的数量可根据实际需求确定，且多个MOS晶体管或存储器还可为相同或不同类型。半导体芯片4为本领域技术人员熟知的现有技术，可采用标准半导体工艺制备，如在单晶硅片2上通过图形化、掺杂、介质层沉积、金属化及一系列热处理工艺，完成电子器件制备，在此不再赘述。
在一实施例中，应力缓冲膜1的厚度为10nm～1500nm。应力缓冲膜1既可在柔性单晶硅薄膜半导体器件制备过程中起到应力缓冲作用，又可在柔性单晶硅薄膜半导体器件制备完成后对单晶硅片2起到隔绝水氧保护作用。应力缓冲膜1的厚度小于10nm时应力缓冲效果不佳，而在大于1500nm后表面粗糙度增大，不利于后期其他膜层的沉积及制备，如在柔性单晶硅薄膜半导体器件的制备过程中，当在应力缓冲膜1上制备牺牲层并对牺牲层进行键合时，大的表面粗糙度会使键合过程中应力大幅增加，如该应力缓冲膜1在键合压力为0.01～10kg，键合温度为100～600℃可保证较好的键合效果，有较强的键合强度，气孔率也低。
在一实施例中，聚合物膜3的厚度为1μm～100μm。既可对单晶硅片起保护作用，又可避免其上制备的半导体芯片4受到外界环境的腐蚀，还可作为柔性支撑，提高柔性单晶硅薄膜半导体器件的使用寿命。
在一实施例中，应力缓冲膜1的材质为SiO2、Al2O3和HfO2中的一种或多种组成的复合层，聚合物膜3的材质为硅树脂、聚酰亚胺、聚对二甲苯和SU-8胶其中一种。其中，应力缓冲膜1的材质可为SiO2、Al2O3和HfO2中的一种，或由SiO2、Al2O3和HfO2中的多种组成的复合层，加工工艺为原子力沉积或热氧化，或还可采用现有技术中的其他材质或加工工艺形成。聚合物膜3的材质为硅树脂、聚酰亚胺、聚对二甲苯或SU-8胶，或还可采用现有技术中的其他材质。
实施例2：
如图2所示，一种柔性单晶硅薄膜，包括应力缓冲膜1、单晶硅片2和聚合物膜3，所述单晶硅片2位于所述应力缓冲膜1上，且厚度为0.2μm～80μm，所述聚合物膜3覆盖于所述单晶硅片2上。
其中，单晶硅片2用于作为支撑衬底，厚度在0.2μm～80μm具有较好的弯曲变形能力，从而能够轻易的实现机械变形而无断裂现象的发生，而且仍保有单晶硅的特性，单晶硅片的利用效率高。单晶硅片1的减薄可采用化学机械抛光、ICP干法刻蚀、碱性溶液湿法腐蚀、H离子注入轰击剥离等加工工艺实现。在制备前对单晶硅片1进行预处理，预处理如为依次进行清洗、烘干工艺，可采用现有技术中的标准工艺，以提高表面洁净度，避免影响半导体器件的性能。柔性单晶硅薄膜的外形可根据实际需求确定，如为方形、圆形等。
该柔性单晶硅薄膜以柔性单晶硅片作为衬底，并通过应力缓冲膜既在柔性单晶硅薄膜制备过程中起到应力缓冲作用，如键合时应力的缓冲，又在制备完成后对单晶硅片起到隔绝水氧保护作用，通过聚合物膜对单晶硅片既起保护作用又可以作为柔性支撑，避免损伤。相对于现有技术，该柔性单晶硅薄膜既保持了硅单晶的特点，又可兼容半导体芯片高温制备工艺(如通过承受更高的制备温度获得更好的膜层结晶性能)，具有更高的性能，从而大大提高信息处理速度、单晶硅片的利用效率和器件电路在其上设计的灵活性，且生产效率和良品率高，移取方便。
在一实施例中，应力缓冲膜1的厚度为10nm～1500nm。应力缓冲膜1既可在柔性单晶硅薄膜制备过程中起到应力缓冲作用，又可在柔性单晶硅薄膜制备完成后对单晶硅片2起到隔绝水氧保护作用。应力缓冲膜1的厚度小于10nm时应力缓冲效果不佳，而在大于1500nm后表面粗糙度增大，不利于后期其他膜层的沉积及制备，如在柔性单晶硅薄膜的制备过程中，当在应力缓冲膜1上制备牺牲层并对牺牲层进行键合时，大的表面粗糙度会使键合过程中应力大幅增加，如该应力缓冲膜1在键合压力为0.01～10kg，键合温度为100～600℃可保证较好的键合效果，有较强的键合强度，气孔率也低。
在一实施例中，聚合物膜3的厚度为1μm～100μm。可对单晶硅片起保护作用，还可作为柔性支撑，提高柔性单晶硅薄膜的使用寿命。
在一实施例中，应力缓冲膜1的材质为SiO2、Al2O3和HfO2中的一种或多种组成的复合层，聚合物膜3的材质为硅树脂、聚酰亚胺、聚对二甲苯和SU-8胶其中一种。其中，应力缓冲膜1的材质可为SiO2、Al2O3和HfO2中的一种，或由SiO2、Al2O3和HfO2中的多种组成的复合层，加工工艺为原子力沉积或热氧化，或还可采用现有技术中的其他材质或加工工艺形成。聚合物膜3的材质为硅树脂、聚酰亚胺、聚对二甲苯或SU-8胶，或还可采用现有技术中的其他材质。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请描述较为具体和详细的实施例，但并不能因此而理解为对本申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种柔性单晶硅薄膜半导体器件，其特征在于：所述柔性单晶硅薄膜半导体器件包括应力缓冲膜(1)、单晶硅片(2)、聚合物膜(3)和半导体芯片(4)，所述单晶硅片(2)位于所述应力缓冲膜(1)上，且厚度为0.2μm～80μm，所述半导体芯片(4)位于所述单晶硅片(2)内或凸出所述单晶硅片(2)设置，并与所述单晶硅片(2)电性连接，所述聚合物膜(3)覆盖于所述半导体芯片(4)和单晶硅片(2)上并对所述半导体芯片(4)进行密封。
2.如权利要求1所述的柔性单晶硅薄膜半导体器件，其特征在于：所述半导体芯片(4)为MOS晶体管或存储器或由MOS晶体管和存储器组成的存算一体单元。
3.如权利要求2所述的柔性单晶硅薄膜半导体器件，其特征在于：所述存储器为DRAM、Flash、PCM、MRAM、ReRAM、FeFET、FeRAM其中一种。
4.如权利要求1所述的柔性单晶硅薄膜半导体器件，其特征在于：所述应力缓冲膜(1)的厚度为10nm～1500nm。
5.如权利要求1所述的柔性单晶硅薄膜半导体器件，其特征在于：所述聚合物膜(3)的厚度为1μm～100μm。
6.如权利要求1所述的柔性单晶硅薄膜半导体器件，其特征在于：所述应力缓冲膜(1)的材质为SiO2、Al2O3和HfO2中的一种或多种组成的复合层，所述聚合物膜(3)的材质为硅树脂、聚酰亚胺、聚对二甲苯和SU-8胶其中一种。
7.一种柔性单晶硅薄膜，其特征在于：所述柔性单晶硅薄膜包括应力缓冲膜(1)、单晶硅片(2)和聚合物膜(3)，所述单晶硅片(2)位于所述应力缓冲膜(1)上，且厚度为0.2μm～80μm，所述聚合物膜(3)覆盖于所述单晶硅片(2)上。
8.如权利要求7所述的柔性单晶硅薄膜，其特征在于：所述应力缓冲膜(1)的厚度为10nm～1500nm。
9.如权利要求7所述的柔性单晶硅薄膜，其特征在于：所述聚合物膜(3)的厚度为1μm～100μm。
10.如权利要求7所述的柔性单晶硅薄膜，其特征在于：所述应力缓冲膜(1)的材质为SiO2、Al2O3和HfO2中的一种或多种组成的复合层，所述聚合物膜(3)的材质为硅树脂、聚酰亚胺、聚对二甲苯和SU-8胶其中一种。
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