La pel·lícula de diamants a baixa temperatura millora la dissipació de calor dels semiconductors

Amb el ràpid desenvolupament de la informàtica d'alt rendiment-, els dispositius electrònics d'alta-potència i la tecnologia d'embalatge avançada, la dissipació de calor dels xips s'ha convertit en un coll d'ampolla clau que restringeix el rendiment i la fiabilitat del sistema. El diamant es considera un material de dissipació de calor molt prometedor per a la propera generació de circuits integrats i embalatges a causa de la seva conductivitat tèrmica extremadament alta i la seva excel·lent resistència dielèctrica.

 

En la fabricació del procés de final-back-end (BEOL), la temperatura de deposició del material normalment s'ha de controlar a 450 graus C o menys per evitar danys a les estructures d'interconnexió metàl·liques existents i al rendiment del dispositiu. Tanmateix, preparar pel·lícules de diamant amb continuïtat, baixa densitat de defectes i alta conductivitat tèrmica en condicions tan baixes de temperatura sempre ha estat un repte al qual s'enfronten tant la indústria com l'acadèmia.

 

Recentment, l'equip del professor Zeng Yonghua de l'Institut de Microelectrònica de la Universitat Nacional Cheng Kung de Taiwan va col·laborar amb investigadors de TSMC i d'altres per proposar una tècnica de preparació de pel·lícules de diamant de deposició química de vapor de plasma de microones (MPCVD) adequada per a baixes temperatures (450 graus), amb una conductivitat tèrmica de més de 300 W/m. pel·lícules com a dispersors de calor per a la fabricació de xips de silici de la línia posterior (BEOL)" i s'ha publicat a Diamond & Related Materials.

 

En resposta al problema de la mida de gra petita i els límits densos del gra que condueixen a una disminució de la conductivitat tèrmica en la preparació de pel·lícules de diamant en condicions de baixa temperatura, l'equip d'investigació va construir amb èxit pel·lícules de diamant contínues i denses sobre substrats de silici mitjançant la introducció de llavors de diamant de 3 nm distribuïdes uniformement. Els experiments han demostrat que l'addició d'una quantitat adequada de purín de grafit pot afavorir el creixement de grans de llavors de diamant i evitar que les llavors siguin gravades al plasma, millorant així la qualitat i la conductivitat tèrmica de la pel·lícula.

 

Pel que fa a l'optimització del procés, l'equip d'investigació va ajustar el gruix i la mida del gra de les pel·lícules de diamant controlant la quantitat de purín de grafit afegit. Els resultats experimentals mostren que afegir una petita quantitat de purín de grafit durant l'etapa de creixement inicial pot millorar significativament el ràpid creixement dels grans de diamant, donant lloc a un gruix uniforme de 50-100 nm per a la pel·lícula i mantenint una alta conductivitat tèrmica (uns 300 W/m · K). Amb l'extensió del temps de creixement, la mida del gra de les pel·lícules de diamant augmenta encara més i la conductivitat tèrmica també augmenta en conseqüència.

La prova de rendiment tèrmic es va dur a terme mitjançant el mètode Time Domain Thermal Reflection (TDTR), i els resultats van mostrar que la conductivitat tèrmica de la pel·lícula de diamant augmentava amb l'augment de la mida del gra, arribant finalment a un gruix de 200{3}}300 nm, i la conductivitat tèrmica es podia mantenir al voltant de 300 W/m · K amb la temperatura de l'equip d'investigació de baixes temperatures tradicionals. La tecnologia ha millorat amb èxit la conductivitat tèrmica de les pel·lícules a baixes temperatures.

Aquesta tecnologia no només compleix els requisits de baixa-temperatura del procés BEOL, sinó que també ofereix una solució eficient de preparació de pel·lícules de diamant amb àmplies perspectives d'aplicació. La pel·lícula de diamant, com a material de dissipació de calor ideal, proporcionarà un suport tècnic sòlid per a la futura indústria dels semiconductors en la gestió tèrmica de la informàtica d'alt rendiment-, els circuits integrats 3D i els dispositius semiconductors d'alta-potència.