來源 | Carbontech

隨著半導(dǎo)體芯片的系統(tǒng)集成向更高密度、更多功能、更大功率和智能化的方向發(fā)展，芯片內(nèi)部高性能高功率處理區(qū)域中單位面積的發(fā)熱量也不斷增加。通常，將芯片內(nèi)的高性能高功率處理區(qū)域稱為熱點(diǎn)區(qū)域。熱點(diǎn)區(qū)域作為芯片內(nèi)的主要熱源，若熱點(diǎn)區(qū)域的溫度較高，會(huì)導(dǎo)致芯片總體性能較差。

金剛石以其低介電常數(shù)、高導(dǎo)熱率以及良好的機(jī)械性能等優(yōu)勢(shì)，被廣泛用于散熱材料。金剛石在半導(dǎo)體器件中的應(yīng)用形式可包括封裝級(jí)金剛石焊接、晶圓級(jí)金剛石鍵合以及異質(zhì)材料金剛石鍍膜。以異質(zhì)材料金剛石鍍膜為例，雖然金剛石導(dǎo)熱效率高，但由于異質(zhì)材料與金剛石之間難以形成穩(wěn)定的化學(xué)鍵，金剛石散熱層與異質(zhì)材料之間的界面結(jié)合力欠佳，無法實(shí)現(xiàn)良好的界面結(jié)合，使得金剛石散熱層容易脫落。

并且，在金剛石散熱層的制作過程中，金剛石鍍膜形核過程中的氫等離子體可能對(duì)異質(zhì)材料表面造成刻蝕損傷，導(dǎo)致金剛石生成后會(huì)在界面形成空洞，同樣也會(huì)降低生長(zhǎng)界面的結(jié)合力。此外，生長(zhǎng)后的金剛石表面還需要研磨拋光，以形成期望的金剛石散熱層，而界面結(jié)合力較弱易導(dǎo)致金剛石在研磨拋光后脫落并失效。

基于此，12月3日，華為技術(shù)有限公司公布一項(xiàng)名為“一種半導(dǎo)體器件及其制作方法、集成電路、電子設(shè)備”的專利。據(jù)了解，該專利提供了一種半導(dǎo)體器件及其制作方法、集成電路、電子設(shè)備，增加金剛石散熱層與鈍化層的接觸面積，改善金剛石散熱層與鈍化層之間的結(jié)合力，并且通過減小金剛石散熱層與柵極之間的熱擴(kuò)散距離，提高半導(dǎo)體器件的散熱效率。

10-半導(dǎo)體器件、11-第一外延層、12-鈍化層、13-金剛石散熱層、14-柵極、15-源極、16-漏極、121-凹槽

專利顯示，半導(dǎo)體器件可以包括第一外延層、鈍化層和金剛石散熱層。其中，鈍化層位于第一外延層和金剛石散熱層之間。第一外延層背離鈍化層的一側(cè)設(shè)置有柵極。鈍化層朝向金剛石散熱層的一側(cè)表面設(shè)置有凹槽。沿半導(dǎo)體器件的厚度方向，凹槽在第一外延層上的投影覆蓋柵極的至少部分。金剛石散熱層可覆蓋鈍化層并且填充凹槽。

在該專利的半導(dǎo)體器件中，鈍化層的凹槽結(jié)構(gòu)可以增加金剛石散熱層與鈍化層之間的接觸面積，從而增加金剛石散熱層與鈍化層之間的結(jié)合力。隨著半導(dǎo)體器件的工作時(shí)間越長(zhǎng)，半導(dǎo)體器件會(huì)不斷發(fā)熱，其中，柵極區(qū)域產(chǎn)生的熱量較多。凹槽可以減小柵極與金剛石散熱層之間沿半導(dǎo)體器件的厚度方向的距離，從而可以減小柵極與金剛石散熱層之間的熱擴(kuò)散距離，并且金剛石散熱層在凹槽內(nèi)的傳熱面積較大，可減小金剛石散熱層的熱阻，進(jìn)而可提高半導(dǎo)體器件的散熱效率。

近年來，華為在金剛石散熱領(lǐng)域不斷取得重要進(jìn)展。2023年3月，華為用于芯片散熱的兩項(xiàng)復(fù)合導(dǎo)熱材料專利公布。專利說明書顯示，兩項(xiàng)專利以不同的技術(shù)方案獲取芯片散熱的復(fù)合導(dǎo)熱材料，其中一個(gè)技術(shù)方案以鐵磁性顆粒材料作為導(dǎo)熱填料；另一個(gè)技術(shù)方案則以金剛石顆粒材料為主要散熱材料。兩個(gè)技術(shù)方案經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，較傳統(tǒng)硅脂等界面導(dǎo)熱材料的導(dǎo)熱性能，有大幅度的提升。可廣泛適用于，手機(jī)、電腦、服務(wù)器等電子設(shè)備中。

2023年11月，華為和哈爾濱工業(yè)大學(xué)聯(lián)合申請(qǐng)的“一種基于硅和金剛石的三維集成芯片的混合鍵合方法”專利公開。這項(xiàng)專利涉及一種將鉆石材料與石墨烯相結(jié)合的方法，以實(shí)現(xiàn)三維異質(zhì)集成。這種方法可以快速導(dǎo)出芯片產(chǎn)生的熱量，并減少熱阻，從而提高芯片的散熱效率。

2024年2月，華為技術(shù)團(tuán)隊(duì)與廈門大學(xué)于大全、鐘毅老師團(tuán)隊(duì)、廈門云天團(tuán)隊(duì)合作，在先進(jìn)封裝玻璃轉(zhuǎn)接板集成芯片-金剛石散熱技術(shù)領(lǐng)域取得突破性進(jìn)展。這項(xiàng)研究將金剛石低溫鍵合與玻璃轉(zhuǎn)接板技術(shù)相結(jié)合，首次實(shí)現(xiàn)了將多晶金剛石襯底集成到玻璃轉(zhuǎn)接板封裝芯片的背面。該技術(shù)路線符合電子設(shè)備尺寸小型化、重量輕量化的發(fā)展趨勢(shì)，同時(shí)與現(xiàn)有散熱方案有效兼容，成為當(dāng)前實(shí)現(xiàn)芯片高效散熱的重要突破路徑，并推動(dòng)了金剛石散熱襯底在先進(jìn)封裝芯片集成的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。

華為的這些專利技術(shù)充分展示了其在金剛石散熱技術(shù)方面的創(chuàng)新能力，隨著技術(shù)的進(jìn)一步成熟和應(yīng)用，相信金剛石將在半導(dǎo)體散熱領(lǐng)域發(fā)揮越來越重要的作用，為手機(jī)、電腦等產(chǎn)品的散熱問題提供更為高效的解決方案。

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