Le film de diamant à basse température améliore la dissipation thermique des semi-conducteurs

Avec le développement rapide du calcul haute-performance, des-appareils électroniques haute puissance et des technologies de packaging avancées, la dissipation thermique des puces est devenue un goulot d'étranglement majeur limitant les performances et la fiabilité du système. Le diamant est considéré comme un matériau de dissipation thermique très prometteur pour la prochaine génération de circuits intégrés et de boîtiers en raison de sa conductivité thermique extrêmement élevée et de son excellente rigidité diélectrique.

 

Dans la fabrication par processus back-end (BEOL), la température de dépôt des matériaux doit généralement être contrôlée à 450 degrés C ou moins pour éviter d'endommager les structures d'interconnexion métalliques existantes et les performances des appareils. Cependant, la préparation de films de diamant présentant à la fois une continuité, une faible densité de défauts et une conductivité thermique élevée dans des conditions de température aussi basses a toujours été un défi auquel sont confrontés tant l'industrie que le monde universitaire.

 

Récemment, l'équipe du professeur Zeng Yonghua de l'Institut de microélectronique de l'Université nationale Cheng Kung de Taiwan a collaboré avec des chercheurs de TSMC et d'autres pour proposer une technique de préparation de film de diamant par dépôt chimique en phase vapeur par plasma micro-ondes (MPCVD) adaptée aux basses températures (450 degrés), avec une conductivité thermique supérieure à 300 W/m·K. dans le diamant et les matériaux connexes.

 

En réponse au problème de la petite taille des grains et des joints de grains denses entraînant une diminution de la conductivité thermique lors de la préparation de films de diamant dans des conditions de basse température, l'équipe de recherche a réussi à construire des films de diamant continus et denses sur des substrats de silicium en introduisant des germes de diamant de 3 nm uniformément répartis. Des expériences ont montré que l'ajout d'une quantité appropriée de suspension de graphite peut favoriser la croissance des grains de diamant et empêcher les grains d'être gravés dans le plasma, améliorant ainsi la qualité et la conductivité thermique du film.

 

En termes d'optimisation du processus, l'équipe de recherche a ajusté l'épaisseur et la granulométrie des films de diamant en contrôlant la quantité de suspension de graphite ajoutée. Les résultats expérimentaux montrent que l'ajout d'une petite quantité de suspension de graphite pendant la phase de croissance initiale peut améliorer considérablement la croissance rapide des grains de diamant, ce qui donne une épaisseur uniforme de 50 à 100 nm pour le film et maintient une conductivité thermique élevée (environ 300 W/m · K). Avec l'allongement du temps de croissance, la taille des grains des films de diamant augmente encore et la conductivité thermique augmente également en conséquence.

Le test de performance thermique a été réalisé à l'aide de la méthode TDTR (Time Domain Thermal Reflection), et les résultats ont montré que la conductivité thermique du film de diamant augmentait avec l'augmentation de la taille des grains, atteignant finalement une épaisseur de 200-300 nm, et que la conductivité thermique pouvait être maintenue à environ 300 W/m · K. Par rapport aux films de diamant traditionnels à basse température, la technologie de l'équipe de recherche a réussi à améliorer la conductivité thermique des films à basse température.

Cette technologie répond non seulement aux exigences de basse-température du procédé BEOL, mais fournit également une solution efficace de préparation de film diamanté avec de larges perspectives d'application. Le film de diamant, en tant que matériau de dissipation thermique idéal, fournira un support technique solide à la future industrie des semi-conducteurs dans la gestion thermique du calcul haute-performance, des circuits intégrés 3D et des dispositifs semi-conducteurs-haute puissance.