Niskotemperaturowa folia diamentowa poprawia rozpraszanie ciepła półprzewodników

Wraz z szybkim rozwojem-wydajnych obliczeń, urządzeń elektronicznych o dużej-mocy i zaawansowanych technologii pakowania, rozpraszanie ciepła w chipach stało się kluczowym wąskim gardłem ograniczającym wydajność i niezawodność systemu. Diament jest uważany za bardzo obiecujący materiał rozpraszający ciepło dla następnej generacji układów scalonych i opakowań ze względu na jego wyjątkowo wysoką przewodność cieplną i doskonałą wytrzymałość dielektryczną.

 

W procesie produkcji-zaplecza (BEOL) temperatura osadzania materiału zwykle musi być kontrolowana na poziomie 450 stopni C lub poniżej, aby uniknąć uszkodzenia istniejących metalowych struktur wzajemnych i wydajności urządzenia. Jednakże przygotowanie folii diamentowych charakteryzujących się ciągłością, niską gęstością defektów i wysoką przewodnością cieplną w tak niskich temperaturach zawsze było wyzwaniem zarówno dla przemysłu, jak i środowiska akademickiego.

 

Niedawno zespół profesora Zeng Yonghua z Instytutu Mikroelektroniki na Narodowym Uniwersytecie Cheng Kung na Tajwanie współpracował z badaczami z TSMC i innymi, aby zaproponować technikę wytwarzania warstwy diamentowej metodą chemicznego osadzania z fazy gazowej w plazmie plazmowej (MPCVD), odpowiednią do niskich temperatur (450 stopni), o przewodności cieplnej przekraczającej 300 W/m·K. Wyniki badań zatytułowano „Cienkie warstwy diamentowe MPCVD jako rozpraszacze ciepła dla chipu krzemowego tylnego końca linii (BEOL) fabrykacja” i została opublikowana w czasopiśmie Diamond&Related Materials.

 

W odpowiedzi na problem małych rozmiarów ziaren i gęstych granic ziaren prowadzących do spadku przewodności cieplnej podczas przygotowywania warstw diamentowych w warunkach niskiej temperatury, zespołowi badawczemu udało się skonstruować ciągłe i gęste warstwy diamentowe na podłożach krzemowych poprzez wprowadzenie równomiernie rozmieszczonych 3 nm ziaren diamentu. Doświadczenia wykazały, że dodanie odpowiedniej ilości zawiesiny grafitu może sprzyjać wzrostowi ziaren nasion diamentu i zapobiegać wytrawianiu nasion w plazmie, poprawiając w ten sposób jakość i przewodność cieplną folii.

 

W zakresie optymalizacji procesu zespół badawczy dostosował grubość i wielkość ziaren folii diamentowych, kontrolując ilość dodawanej zawiesiny grafitowej. Wyniki eksperymentów pokazują, że dodanie niewielkiej ilości zawiesiny grafitowej w początkowej fazie wzrostu może znacząco przyspieszyć szybki wzrost ziaren diamentu, uzyskując jednolitą grubość warstwy 50-100 nm i utrzymując wysoką przewodność cieplną (około 300 W/m·K). Wraz z wydłużeniem czasu wzrostu wielkość ziaren folii diamentowych ulega dalszemu zwiększeniu, a także odpowiednio wzrasta przewodność cieplna.

Test wydajności cieplnej przeprowadzono przy użyciu metody odbicia termicznego w dziedzinie czasu (TDTR), a wyniki wykazały, że przewodność cieplna warstwy diamentu wzrasta wraz ze wzrostem wielkości ziaren, ostatecznie osiągając grubość 200-300 nm, a przewodność cieplną można utrzymać na poziomie około 300 W/m · K. W porównaniu z tradycyjnymi niskotemperaturowymi foliami diamentowymi, technologia zespołu badawczego z powodzeniem poprawiła przewodność cieplną folii w niskich temperaturach.

Technologia ta nie tylko spełnia-wymagania niskotemperaturowe procesu BEOL, ale także zapewnia wydajne rozwiązanie w zakresie przygotowania powłoki diamentowej o szerokich perspektywach zastosowań. Folia diamentowa, jako idealny materiał rozpraszający ciepło, zapewni silne wsparcie techniczne dla przyszłego przemysłu półprzewodników w zakresie zarządzania ciepłem w-wydajnych obliczeniach, układach scalonych 3D i urządzeniach półprzewodnikowych dużej-mocy.