Lavtemperatur diamantfilm forbedrer halvledervarmespredning

Med den raske utviklingen av høy-databehandling, høy-elektroniske enheter og avansert emballasjeteknologi, har varmespredning av brikker blitt en nøkkelflaskehals som begrenser systemets ytelse og pålitelighet. Diamant regnes som et svært lovende varmeavledningsmateriale for neste generasjon integrerte kretser og emballasje på grunn av sin ekstremt høye termiske ledningsevne og utmerkede dielektriske styrke.

 

Ved produksjon av-backend prosess (BEOL) må materialavsetningstemperaturen vanligvis kontrolleres til 450 grader C eller lavere for å unngå skade på eksisterende metallstrukturer og enhetsytelse. Imidlertid har å lage diamantfilmer med både kontinuitet, lav defekttetthet og høy termisk ledningsevne ved så lave temperaturforhold alltid vært en utfordring for både industri og akademia.

 

Nylig samarbeidet professor Zeng Yonghuas team fra Institute of Microelectronics ved National Cheng Kung University i Taiwan med forskere fra TSMC og andre for å foreslå en mikrobølgeplasma kjemisk dampavsetning (MPCVD) diamantfilmfremstillingsteknikk egnet for lave temperaturer (450 grader), med en termisk ledningsevne på over 300 W/m. spredere for bakenden av linjen (BEOL) silisiumbrikkefremstilling" og har blitt publisert i Diamond&Related Materials.

 

Som svar på problemet med liten kornstørrelse og tette korngrenser som fører til en reduksjon i termisk ledningsevne ved fremstilling av diamantfilmer under lave temperaturforhold, konstruerte forskerteamet med suksess kontinuerlige og tette diamantfilmer på silisiumsubstrater ved å introdusere jevnt fordelte 3 nm diamantfrø. Eksperimenter har vist at tilsetning av en passende mengde grafittslurry kan fremme veksten av diamantfrøkorn og forhindre at frøene blir etset i plasma, og derved forbedre kvaliteten og varmeledningsevnen til filmen.

 

Når det gjelder prosessoptimalisering, justerte forskerteamet tykkelsen og kornstørrelsen på diamantfilmer ved å kontrollere mengden grafittslurry som ble tilsatt. De eksperimentelle resultatene viser at tilsetning av en liten mengde grafittslurry under det innledende vekststadiet kan øke den raske veksten av diamantkorn betydelig, noe som resulterer i en jevn tykkelse på 50-100 nm for filmen og opprettholder en høy varmeledningsevne (ca. 300 W/m · K). Med utvidelse av veksttiden øker kornstørrelsen til diamantfilmer ytterligere, og den termiske ledningsevnen øker også tilsvarende.

Den termiske ytelsestesten ble utført ved bruk av Time Domain Thermal Reflection (TDTR)-metoden, og resultatene viste at den termiske ledningsevnen til diamantfilmen økte med økningen av kornstørrelsen, og nådde til slutt en tykkelse på 200-300 nm, og den termiske ledningsevnen kunne opprettholdes på rundt 300 K-diameter-filmer med lav temperatur sammenlignet med tradisjonell forskning. teamets teknologi har forbedret den termiske ledningsevnen til filmene ved lave temperaturer.

Denne teknologien oppfyller ikke bare lave-temperaturkravene til BEOL-prosessen, men gir også en effektiv løsning for klargjøring av diamantfilm med brede bruksmuligheter. Diamantfilm, som et ideelt varmeavledningsmateriale, vil gi sterk teknisk støtte til fremtidens halvlederindustri i termisk styring av høy-databehandling, 3D-integrerte kretser og høy-halvlederenheter.