[논문 리뷰] Interfacial reaction boosts thermal conductance of room-temperature integrated semiconductor interfaces stable up to 1100 C

Zhe Cheng, Xiaoyang Ji외 8명|arXiv (Cornell University)|2024. 04. 14.

Thermal properties of materialsMaterials Science인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 3C-SiC 박막을 다이아몬드 기판에 실온에서 표면 활성화 접합할 때의 계면 반응이 열경계 열화도를 최대 300% 향상시켜 1100 °C에서 소성 처리 후 기록적인 150 MW/m²·K에 도달함을 입증한다. 향상 효과는 펩세컨드 초음파 및 균일한 대면적 열반사도 측정을 통해 확인된 바와 같이 계면에서 비정질 실리콘에서 SiC로의 전환에 기인한다.

ABSTRACT

Overheating has emerged as a primary challenge constraining the reliability and performance of next-generation high-performance electronics, such as chiplets and (ultra)wide bandgap electronics. Advanced heterogeneous integration not only constitutes a pivotal technique for fabricating these electronics but also offers potential solutions for thermal management. This study presents the integration of high thermal conductivity semiconductors, specifically, 3C-SiC thin films and diamond substrates, through a room-temperature surface-activated bonding technique. Notably, the thermal conductivity of the 3C-SiC films is among the highest for all semiconductor films which can be integrated near room temperature with similar thicknesses. Furthermore, following annealing, the interfaces between 3C-SiC and diamond demonstrate a remarkable enhancement in thermal boundary conductance (TBC), reaching up to approximately 300%, surpassing all other grown and bonded heterointerfaces. This enhancement is attributed to interfacial reactions, specifically the transformation of amorphous silicon into SiC upon interaction with diamond, which is further corroborated by picosecond ultrasonics measurements. Subsequent to annealing at 1100 C, the achieved TBC (150 MW/m2-K) is record-high among all bonded diamond interfaces. Additionally, the visualization of large-area TBC, facilitated by femtosecond laser-based time-domain thermoreflectance measurements, shows the uniformity of the interfaces which are capable of withstanding temperatures as high as 1100 C. Our research marks a significant advancement in the realm of thermally conductive heterogeneous integration, which is promising for enhanced cooling of next-generation electronics.

연구 동기 및 목표

• 칩렛 및 (초)광역간극 장치와 같은 차세대 고전력 및 고주파 전자기기의 열관리 과제를 해결하기 위해.
• 처리 손상 최소화로 인한 반도체 간 고열화도 접합을 가능하게 하는 异질 통합 기법을 개발하기 위해.
• 최대 1100 °C의 극한 온도에 견딜 수 있는 안정적이고 고성능의 열접합을 달성하기 위해.
• 계면 반응을 이해하고 활용하여 실온에서 접합된 반도체 시스템의 열경계 열화도를 향상시키기 위해.

제안 방법

• 고온 공정 없이 3C-SiC 박막을 다이아몬드 기판에 실온에서 표면 활성화 접합을 이용해 통합하였다.
• 접합 후 1100 °C에서 소성 처리하여 비정질 실리콘과 다이아몬드 사이의 계면 반응을 유도하고 추가적인 SiC를 형성하였다.
• 계면 반응 및 열전도에 미치는 영향을 직접 탐측하고 확인하기 위해 펩세컨드 초음파를 활용하였다.
• 고공간 해상도로 대면적 계면의 열경계 열화도를 맵핑하기 위해 펌프-프로브 레이저 기반의 시간영역 열반사도를 적용하였다.
• 계면 열전도 성능 평가를 위해 열경계 열화도(TBC)를 정량적으로 측정하였다.
• 소성 처리 후 계면에서의 구조적 및 화학적 변화 분석을 위해 X선 회절 및 라만 스펙트로스코피를 사용하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 실온에서의 접합 동안 계면 반응이 반도체 이종접합의 열경계 열화도를 크게 향상시킬 수 있는가?
• RQ2 고온 소성 처리 후 접합된 3C-SiC/다이아몬드 계면에서 도달 가능한 최대 열경계 열화도는 얼마인가?
• RQ3 계면에서 SiC의 형성이 이러한 시스템의 열전도 특성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 최대 1100 °C의 극한 열조건 하에서 열접합의 안정성과 균일성은 어느 정도인가?
• RQ5 대면적, 공간 해상도가 높은 열화도 맵핑을 통해 계면 접합의 균일성과 내구성을 확인할 수 있는가?

주요 결과

• 1100 °C에서 소성 처리 후 3C-SiC/다이아몬드 계면의 열경계 열화도(TBC)가 최대 300% 향상되어 150 MW/m²·K에 도달하였다.
• TBC 향상 효과는 펩세컨드 초음파로 확인된 바와 같이 비정질 실리콘에서 SiC로의 계면 반응에 기인한다.
• 1100 °C에서의 소성 처리 후에도 계면은 안정적으로 유지되고 기능을 상실하지 않아 뛰어난 열적 내구성을 보였다.
• 펌프-프로브 레이저 기반의 시간영역 열반사도 측정을 통해 대면적에서 균일한 열화도가 관측되어 고품질의 결함 없는 계면 접합을 나타냈다.
• 150 MW/m²·K의 TBC 값은 현재까지 보고된 바 있는 어떤도의 다이아몬드 기반 접합에서도 가장 높은 수치이다.
• 3C-SiC 박막은 유사 두께의 근접 실온에서 통합된 반도체 박막 중에서 가장 높은 열전도도를 보였다.