[发明专利]薄型半导体装置的制备方法和薄型半导体装置

说明书

本发明公开了一种薄型半导体装置及其制备方法，主要包括：在临时衬底的表面制备接触电极和第一无机材料键合层；在目标晶圆的器件材料层的表面制备第二无机材料键合层；将第一无机材料键合层与第二无机材料键合层进行非对准键合形成无机键合层；去除目标晶圆的晶圆衬底，并对器件材料层和无机键合层进行第一图形化刻蚀形成半导体器件；将半导体器件与接触电极进行电气连接；去除临时衬底。本发明中，在键合后进行半导体器件的制备，不需要针对半导体器件进行对准转移，制造难度和成本更低，并且集成的密度和牢固可靠性高；无机键合层有助于降低薄型半导体装置易于破损的风险，并使得薄型半导体装置所兼容的使用环境不再受到有机材料的影响。

技术领域

本发明涉及半导体制造技术领域，特别涉及一种薄型半导体装置的制备方法和薄型半导体装置。

背景技术

在传统半导体体系中，实现功能器件或装置与控制它们的驱动电路常分开在不同晶圆或基板上，或者分布在同一晶圆或基板的不同区域位置，依靠相关接线实现电气功能相关连接。例如将化合物半导体器件完成制备后封装到PCB电路或者TFT驱动上，此类集成方法无法做到更小的器件尺寸和更高的器件密度，而集成电路常用的晶圆级封装如扇进、扇出方案，对准要求精度高，器件成本受限。

公开号为US10297585B1的美国专利公开了一种多分辨率复合微器件，其中提及了该种器件的结构和制备方法。

该公开文献中所提及的方法主要包括以下过程：

步骤i、在硅片衬底上，沉积氮化硅并图形化作为掩膜层，在TMAH(四甲基氢氧化铵)高温药液中对硅片衬底进行腐蚀，得到倒金字塔形状的凹坑结构，然后去除氮化硅掩膜层；

步骤ii、在完成步骤i后的硅片衬底上进行金属镀膜并图形化，保留倒金字塔凹坑结构区域的金属；

步骤iii、在完成步骤ii的硅片衬底上利用PECVD(Plasma Enhanced ChemicalVapor Deposition，等离子体增强化学的气相沉积)方法沉积氮化硅薄膜，并在氮化硅薄膜上涂覆一层陶氏化学的聚合物树脂，并将聚合物树脂及氮化硅薄膜图形化，露出步骤ii中镀膜的金属，之后，通过巨量转移的方式，将不同的微型器件对准目标区域，放置在聚合物树脂上，微型器件例如红、绿、蓝三种发光二极管，通过高温固化的方式，将微型器件固定在聚合物树脂上；

步骤iv、采用扇出的方式进行器件电气互联，将器件的电气导通连接到步骤iii中图形化所露出的倒金字塔型的金属结构上；

步骤v、采用PECVD方法进行整面氮化硅薄膜沉积，并图形化露出下方的硅片衬底；

步骤vi、使用TMAH高温药液，将包括微型器件、倒金字塔型的金属结构在内的整体器件下方的硅片衬底材料进行腐蚀掏空处理，使得器件悬空；

步骤vii、对悬空的器件进行巨量转移的抓取和转移，其中，巨量转移涉及到芯片固定的部分需要使用有机材料，如有机硅等。

其中，在步骤vi中的腐蚀掏空过程中，利用有机材料固定器件，完成悬空后的制程，并利用步骤iii中制备的氮化硅薄膜作为机械支撑结构来支撑和保护上方的微型器件。

该方案中，作为机械支撑结构的氮化硅薄膜本身存在机械强度不足的问题，因此在器件尺寸较大时仍然容易遭受破损，并且氮化硅在电气能力(电传输、热传输)能力表现较差，会影响到器件的性能释放。该方案需要采用巨量转移的方式将目标器件转移至制程结构上，进而需要非常高的转移对准精度，并且多个器件集成时，转移过程需较大的器件间距，影响器件的集成密度和最终尺寸。在进行巨量转移时需要有机材料黏合层(如聚合物树脂)将微型器件进行固定，而有机材料会限制器件的使用环境。另外，该方案在进行电气连接时，对器件不够友好，对于光电器件而言，电气连接金属大量阻挡出光面，导致出光效率偏低，对于电力电气和功率器件而言，该方案的电气连接极易产生寄生电容，影响器件性能。

发明内容