Filmul de diamant la temperatură scăzută îmbunătățește disiparea căldurii semiconductoare

Odată cu dezvoltarea rapidă a calculatoarelor de înaltă{0}}performanță, a dispozitivelor electronice de-putere mare și a tehnologiei avansate de ambalare, disiparea căldurii cipurilor a devenit un blocaj cheie care limitează performanța și fiabilitatea sistemului. Diamantul este considerat un material foarte promițător de disipare a căldurii pentru următoarea generație de circuite integrate și ambalaje datorită conductivității sale termice extrem de ridicate și rezistenței dielectrice excelente.

 

În procesul de producție-back-end (BEOL), temperatura de depunere a materialului trebuie de obicei controlată la 450 de grade C sau mai jos pentru a evita deteriorarea structurilor de interconectare metalice existente și a performanței dispozitivului. Cu toate acestea, pregătirea foliilor de diamant cu continuitate, densitate scăzută a defectelor și conductivitate termică ridicată în astfel de condiții de temperatură scăzută a fost întotdeauna o provocare cu care se confruntă atât industria, cât și mediul academic.

 

Recent, echipa profesorului Zeng Yonghua de la Institutul de Microelectronică de la Universitatea Națională Cheng Kung din Taiwan a colaborat cu cercetători de la TSMC și alții pentru a propune o tehnică de preparare a filmului de diamant cu depunere chimică în plasmă cu microunde (MPCVD), potrivită pentru temperaturi scăzute (450 grade), cu o conductivitate termică de peste 300 W/m. filme ca distribuitoare de căldură pentru fabricarea chipurilor de siliciu de la capătul liniei (BEOL)” și a fost publicată în Diamond&Related Materials.

 

Ca răspuns la problema dimensiunii mici a granulelor și a limitelor dense ale granulelor care conduc la o scădere a conductibilității termice la prepararea filmelor de diamant în condiții de temperatură scăzută, echipa de cercetare a construit cu succes filme de diamant continue și dense pe substraturi de siliciu prin introducerea de semințe de diamant de 3 nm distribuite uniform. Experimentele au arătat că adăugarea unei cantități adecvate de suspensie de grafit poate promova creșterea boabelor de semințe de diamant și poate împiedica semințele să fie gravate în plasmă, îmbunătățind astfel calitatea și conductibilitatea termică a filmului.

 

În ceea ce privește optimizarea procesului, echipa de cercetare a ajustat grosimea și dimensiunea granulației filmelor de diamant controlând cantitatea de suspensie de grafit adăugată. Rezultatele experimentale arată că adăugarea unei cantități mici de suspensie de grafit în timpul etapei inițiale de creștere poate îmbunătăți semnificativ creșterea rapidă a boabelor de diamant, rezultând o grosime uniformă de 50-100 nm pentru film și menținând o conductivitate termică ridicată (aproximativ 300 W/m · K). Odată cu prelungirea timpului de creștere, dimensiunea granulelor filmelor de diamant crește și mai mult, iar conductivitatea termică crește în consecință.

Testul de performanță termică a fost efectuat folosind metoda Time Domain Thermal Reflection (TDTR), iar rezultatele au arătat că conductivitatea termică a peliculei de diamant a crescut odată cu creșterea mărimii granulației, ajungând în cele din urmă la o grosime de 200{3}}300 nm, iar conductivitatea termică a putut fi menținută la aproximativ 300 W/m · K cu o temperatură joasă de echipă de cercetare tradițională. tehnologia a îmbunătățit cu succes conductivitatea termică a filmelor la temperaturi scăzute.

Această tehnologie nu numai că îndeplinește cerințele-de temperatură scăzută ale procesului BEOL, dar oferă și o soluție eficientă de preparare a peliculei de diamant cu perspective largi de aplicare. Filmul de diamant, ca material ideal de disipare a căldurii, va oferi un sprijin tehnic puternic pentru viitoarea industrie a semiconductoarelor în gestionarea termică a calculatoarelor de înaltă-performanță, a circuitelor integrate 3D și a dispozitivelor semiconductoare de-putere mare.