[发明专利]制备柔性单晶硅薄膜半导体器件及柔性单晶硅薄膜的方法

说明书

本发明公开了一种制备柔性单晶硅薄膜半导体器件及柔性单晶硅薄膜的方法，以单晶硅片为基础，通过应力缓冲膜沉积、牺牲层沉积、牺牲层键合、单晶硅片减薄、保护膜沉积、半导体芯片高温制备、聚合物涂覆、水溶性湿法刻蚀工艺形成柔性单晶硅薄膜半导体器件，以及通过应力缓冲膜沉积、牺牲层沉积、牺牲层键合、单晶硅片减薄、聚合物涂覆、水溶性湿法刻蚀工艺形成柔性单晶硅薄膜。采用水溶性GeO基无机化合物作为牺牲层，绿色环保、刻蚀速度快，并兼容半导体芯片高温制备工艺，大大提高半导体器件性能，生产效率高、良品率高、成本低。

技术领域

本发明属于半导体技术领域，具体涉及一种制备柔性单晶硅薄膜半导体器件及柔性单晶硅薄膜的方法。

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，从而影响一些高性能传感器件的制备和利用。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。

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。

其中，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。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法成本较高，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。且更为重要的，以上方法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，进而影响了高性能半导体芯片的制备。

发明内容

本发明的目的在于针对上述问题，提出一种制备柔性单晶硅薄膜半导体器件及柔性单晶硅薄膜的方法，采用水溶性GeO基无机化合物作为牺牲层，绿色环保、刻蚀速度快，并兼容半导体芯片高温制备工艺，获得高性能半导体器件，生产效率高、良品率高、成本低。

为实现上述目的，本发明所采取的技术方案为：

本发明提出的一种制备柔性单晶硅薄膜半导体器件的方法，包括如下步骤：