华为半导体为什么没有晶圆厂(华为新专利解密晶圆减薄制造技术)(1)

对于自建晶圆厂的传闻,华为一直三缄其口,既不承认,也不否认。但背后的技术储备,华为从未缓步研发。

华为半导体为什么没有晶圆厂(华为新专利解密晶圆减薄制造技术)(2)

前言

今年,在全球都遭受疫情的困扰下,在看新闻的时候,经常会看到“全球芯片大缺货,晶圆产能不足”、“芯片缺货”等报道。

那么,什么是晶圆?

简单说,晶圆是制作硅半导体电路所用的硅晶片,其原始材料是硅。造芯片,就少不了这玩意儿。

现阶段,传统硅基晶圆是市场主流。主要工艺是将高纯度的多晶硅溶解后掺入硅晶体晶种,然后慢慢拉出,形成圆柱形的单晶硅。硅晶棒在经过研磨,抛光,切片后,形成硅晶圆片,也就是晶圆。

在制作芯片的过程中,对晶片的尺寸精度、几何精度、表面洁净度以及表面微晶格结构有着极高的要求。在几百道工艺流程中,只能采用一定厚度的晶片在工艺过程中传递、流片。通常在集成电路封装前,需要对晶片背面多余的基体材料去除一定的厚度。这一工艺过程称之为晶片背面减薄工艺。

晶圆减薄后,能够改善芯片散热效果,同时有利于后期封装工艺。全球只有那么几家企业能成熟掌控相关技术。

现有技术面临的问题

但随着工艺制程的不断微缩,摩尔定律即将面临物理极限,传统单晶硅工艺已很难有所突破。

华为半导体为什么没有晶圆厂(华为新专利解密晶圆减薄制造技术)(3)

所以,各大企业以及科研团队开始从材料方面下功夫。碳基晶圆,被业界认为是下一代主流芯片原料,而碳化硅(SiC)则属于第三代半导体材料的典型代表。

由于碳化硅(SiC)材料具有禁带宽度宽、临界击穿场强高、热导率大等优越的物理特性,使得SiC功率器件具有耐高压、耐高温、开关速度快、开关损耗小等特点,在航天航空、智能电网、轨道交通、新能源发电、电动汽车、工业电源等领域有广泛的用途。

为了降低SiC功率器件的导通电阻,以提升器件性能。通常情况下,在SiC功率器件的膜层结构制备完成后,需要对SiC衬底进行减薄处理。但是,这样一来,存在两个问题:

1.在减薄工艺中,大量(例如近200~300um)的SiC纯粹被研磨浪费

2.磨损严重,失败率高。由于SiC材料硬度几乎达到金刚石水平,传统机械减薄速率小、磨头损伤大,且SiC衬底破裂风险极大。这导致了SiC功率器件制备成本和销售价格居高不下,严重限制SiC功率器件在各领域的推广应用。

华为在本专利提出的解决方案

在现有技术方案,有一种SiC同质外延层的减薄方法,如下图所示。

华为半导体为什么没有晶圆厂(华为新专利解密晶圆减薄制造技术)(4)

其将单晶SiC具有透过性的激光光线照射SiC晶锭,并聚焦于内部一层,从而形成改质层。在应力作用下沿改质层切断,从单晶SiC晶锭生成SiC晶片。

通过上述SiC同质外延层的减薄方法,可以有效降低SiC晶锭的切割损耗,提高SiC晶锭的切割效率,从而降低SiC衬底的成本。

然而,上述SiC同质外延层的减薄方法,主要聚焦于降低SiC晶锭的切割损耗和提高切割效率,不涉及SiC晶片的剥离和重复利用,不能解决SiC衬底减薄导致的衬底浪费问题。

还有一种SiC同质外延层的减薄方法,如下图所示。

华为半导体为什么没有晶圆厂(华为新专利解密晶圆减薄制造技术)(5)

其通过离子注入的方法在SiC衬底表面附近制造缺陷层;通过退火处理修复SiC衬底表面因离子注入造成的缺陷;在SiC衬底表面同质外延生长外延层后,激光照射SiC衬底,将激光聚焦到缺陷层下方,使SiC衬底从缺陷层处分离,以对SiC衬底进行减薄。

通过上述同质外延层的减薄方法,被剥离下来的剩余SiC衬底通过抛光后,可再次用来生长SiC外延层,可有效提高SiC衬底的利用率,降低外延的生产成本。

然而,上述SiC同质外延层的减薄方法,由于在激光剥离前,SiC衬底经历了外延生长,使得离子注入诱生的缺陷层在外延高温生长过程中得到退火和修复。那么,在后续激光照射时,仅残留的缺陷层很难实现激光吸收,致使SiC衬底从缺陷层处分离的成功率非常低。因此,上述SiC同质外延层的减薄方法无法与高温工艺兼容。

为了解决上述问题,在11月23日,华为数字能源技术有限公司公开的这篇专利(公开号CN 113690183 A)《晶圆的减薄方法》中,华为提供一种晶圆的减薄方法,通过该晶圆的减薄方法,可解决上述对SiC衬底进行圆减薄工艺中,机械减薄速率小、磨头损伤大,且SiC衬底破裂风险极大的问题,还可以解决无法与高温工艺兼容的问题。

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