Een team Chinese onderzoekers stelt een methode voor om dunne diamantfilms onder 400°C op een siliciumwafel te laten groeien. Dat is een kritische grens in de chipproductie – tijdens de zogeheten back-end-of-line (BEOL)-fase mogen processen niet warmer zijn dan ongeveer 400°C om eerdere nanostructuren niet te beschadigen. Volgens de publicatie op arxiv.org halen de beste laagjes een warmtegeleiding van 86 W/m·K. Dat is meer dan het dubbele van siliciumdioxide (SiO₂), dat ongeveer 1,4 W/m·K haalt.
Temperatuurgevoelig productieproces
Bij de fabricage van geavanceerde chips wordt een siliciumsubstraat eerst voorzien van transistors – de front-end-of-line (FEOL). Daarna volgt de BEOL, waarin de metaalbanen en dielectrics worden aangebracht die de transistors met elkaar verbinden. In deze anysilicon.com mogen processen niet warmer worden dan een kleine 400°C, anders tasten ze al aangebrachte structuren aan. De standaard isolatiematerialen, zoals siliciumdioxide of low-k diëlektrica, geleiden warmte slecht en kunnen de hitte van steeds dichtere chips niet meer aan.
Diamantgroeimethode en metingen
Cheng Zhe en collega’s van de universiteiten van Dalian en Shanghai hebben polykristallijne diamantlagen gegroeid op een siliciumsubstraat. Volgens de siliconvlsi.com maken deze lagen deel uit van de BEOL die vrijwel elke chipfabrikant gebruikt. De onderzoekers testen twee diamantfilms: een van gemiddeld 760 nanometer dik en een van 1000 nanometer. Met Raman-spectroscopie zagen ze een scherpe piek die op pure diamant wijst, voorzien minimale sporen. Met scanningelektronen microscopie (SEM) was de zijkclimatisering groei van korrelgraan te zien, wat datas op een isotrope structuur.
De warmtegeleiding meetten ze met tijdrimoot temperatuurvenreflectiemethode (TDTR). Omdat de diamantlaagjes nanokristallien zijn, rekenden ze met een isotroop model. Het effectieve warmte-geleidingsvermogen bedraagt 73 W/m·K bij de dunste film en 86 W/m·K via het dikkere laagje, ter vergelinrentie siliciumdioxide hooguit 1,4 W/m·K haalt.
Concurrerend met lage-temperatuur CVD
De gemeten warmtegeleiding van 73–86 W/m·K is nog verrekend onder die van puur diamant dat tot 2000 W/m·K idd kan. Maar CVD-diamant moet doorgaans ver boven 700°C worden aangekoekt, wat ongeschikt is voor BEOL. lovechip.com legt uit dat de BEOL-stap juist de fijnste metaallijnen omvert, waardoor die frict plaats moet onder 400°C blijven. Het team deed verder optimalisatie van de kiemlaag en van de groeitijd om de thermisch avont te vergroten.
Potentie voor chips van de toekomst
De onderzoekers benadrukken dat deze diamant dielectrics in de BEOL-omgeving de warmtehuishouding van 3D- en hybride chips kunnen verbeteren. De hete spits in compacte schakelingen wordt daardoor beter afgevoerd. Hoewel de resultaten nog achterblijven bij de maximaal haalbare diamantwarmtegeleiding, noemen ze die stap een vooruitgang. Verdere in de kieming en groei het volgde om de korrelstructuur te verkleinen en daardoor de thermische prestatie te verschuiven.
De resultaten op arXiv geven aan dat deze laagjes kunnen worden geïntegreerd in bestaande BEOL-stappen, mits de productie binnen de 400°C-grens blijft. De auteurs spreken van BEOL-compatuele diamantfilms die het koelcrimen van aparte kip-deels kunnen verbeteren in ultra-hogedensiteit 3D-IC.