DE10043512A1

DE10043512A1 - Wärmeleitschicht aus Diamant bei mikroelektronischen Bauteilen sowie Verfahren zur Herstellung einer Wärmeleitschicht aus Diamant bei mikroelektronischen Bauteilen

Info

Publication number: DE10043512A1
Application number: DE2000143512
Authority: DE
Inventors: Martin Fenker; Herbert Guettler
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2000-09-01
Filing date: 2000-09-01
Publication date: 2002-03-28

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Wärmeleitschicht aus Diamant bei mikroelektronischen Bauteilen sowie Verfahren zur Herstellung der Wärmeleitschicht mittels einem bekannten CVD-Verfahren. Die Wärmeleitschicht wird aus einer polykristallinen Diamantschicht abgeschieden, wobei der Diamant im Bereich der bereits existierenden oder nachträglich aufgebrachten bzw. aufzubringenden Bauteiloberfläche zunächst mit einer mittleren Korngröße abgeschieden wird, die maximal der Erstreckung der kleinsten Struktur des Bauteils entspricht. Mit zunehmendem Abstand von der Bauteiloberfläche wird die mittlere Korngröße der Diamantschicht dann vergrößert.

Description

Die Erfindung betrifft eine Wärmeleitschicht aus Diamant bei mikroelektronischen Bauteilen sowie ein Verfahren zur Herstel lung einer Wärmeleitschicht aus Diamant bei mikroelektronischen Bauteilen sowie eine Wärmeleitschicht aus Diamant, wie beides aus der gattungsbildend zugrundegelegten DE 197 18 618 C2 als bekannt hervorgeht.

Aus der DE 197 18 618 C2 ist eine Kompositstruktur bekannt, de ren auf einem Wachstumssubstrat aus monokristallinem Silizium aufgebrachten mikroelektronischen Bauteilen wie Transisitoren, Dioden, Widerstände, Kapazitäten, Induktivitäten usw., oder Schaltungen aus diesen wie bspw. Verstärker, Sensoren, Emissi onskathoden für Elektronen etc. mit einer Wärmeleitschicht aus Diamant versehen sind. Die Wärmeleitschicht ist u. a. anderem deshalb aus Diamant, da dieses Material trotz einer elektri schen Isolation auch eine gute Wärmeleitfähigkeit aufweist, weshalb eine derartige Wärmeleitschicht für ein thermisches Ma nagement von mikroelektronischen Bauteilen hervorragend geeig net ist.

Die Abscheidung der Diamantschicht auf den Bauteilen muß aller dings bei für eine Epitaxie tiefen Temperaturen erfolgen, damit die Bauteile nicht beeinträchtigt oder sogar zerstört werden. Ferner muß die Diamantschicht trotz gegenüber den beschichteten Materialien unterschiedlicher Wärmeausdehnung eine gute Haftung auf der beschichteten Oberfläche aufweisen. Durch diese Rahmenbedingungen muß die Epitaxie der vorbekannten Wärmeleitschicht aus Diamant sehr sorgfältig vorgenommenen werden.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Wärmeleitschicht zu entwic keln, die auf einfache Weise aufzubringen ist, wobei sie zumin dest weitgehend die bereits bekannten Vorteile einer Wärmeleit schicht aus Diamant aufweist.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einer Wärmeleitschicht mit den Merkmalen des Anspruchs 1 bzw. mit einem Verfahren mit den Verfahrensschritten des Anspruchs 3 gelöst. Durch die gezielte Änderung der mittleren Korngröße, also des mittleren Durchmes sers der monokristallinen Diamantkörner innerhalb der abge schiedenen polykristallinen Diamantschicht, in dem beanspruch ten Rahmen, ist der thermische Grenzflächenwiderstand bei genü gender Wärmeleitfähigkeit der Diamantschicht im Grenzflächenbe reich gering. Durch den anschließend zunehmenden mittlere Korn größe wird die Wärmeleitfähigkeit verbessert. Diese Verbesse rung der Wärmeleitung mit zunehmender Korngröße findet trotz der gleichfalls mit der bei zunehmender Korngröße einhergehen und der Wärmeleitfähigkeit gegensätzlich wirkenden Bildung von Hohlräumen in ausreichendem Umfang statt.

Wird die erfindungsgemäße Wärmeleitschicht auf die Bauteile ab geschieden genügt es i. a. die Abscheidung der Diamantschicht mit großer Korngröße aufzuhören. Ist hingegen die Wärmeleit schicht zuerst auf einem Wachstumssubstrat bspw. aus Si, AlN oder sonst einem der gebräuchlichen Materialien abgeschieden und soll die Wärmeleitschicht anschließend mit den Bauteilen beaufschlagt werden, ist es für einen günstigen Wärmeabfluß aus den Bauteil sinnvoll, die mittlere Korngröße im Bereich der beiden Grenzflächen in dem beanspruchten Rahmen möglichst klein zu halten und dazwischen die mittlere Korngröße zu erhöhen. Ferner kann durch diesen Aufbau insbesondere auch noch eine Korngrenzdiffussion zumindest vermindert werden.

Weitere zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind den ent sprechenden Unteransprüchen entnehmbar. Im übrigen wird die Er findung anhand von in den Figuren dargestellten Ausführungsbei spielen erläutert. Dabei zeigt

Fig. 1 eine Vergrößerung einer Bruchkante eines mit einer er findungsgemäßen Wärmeleitschicht aus Diamant versehenen Wachstumssubstrat,

Fig. 2 eine Vergrößerung der Aufsicht auf die Wärmeleitschicht gemäß Fig. 1,

Fig. 3 eine Vergrößerung einer Bruchkante eines weiteren Wachstumssubstrats, das ebenfalls mit einer erfindungs gemäßen Wärmeleitschicht aus Diamant versehen ist,

Fig. 4 eine Vergrößerung der Aufsicht auf die Wärmeleitschicht gemäß Fig. 3,

Fig. 5 eine Vergrößerung eines Wachstumssubstrat, das eine Leiterbahn und eine darauf angeordnete Wärmeleitschicht aufweist,

Fig. 6 eine Vergrößerung einer Induktivität auf einem diamant beschichteten Si-Wachstumssubstrat und

Fig. 7 eine Vergrößerung einer ohmschen Widerstandes auf einem diamantbeschichteten AlN-Wachstumssubstrat.

In Fig. 1 ist eine 1 : 20.000-fache Vergrößerung einer Bruchkan te eines Si-Wachstumssubtrats dargestellt, das mit einer erfin dungsgemäßen Wärmeleitschicht aus polykristallinem Diamant ver sehenen ist. Ddie Diamantschicht weist im Bereich des Wachtums substrat eine mittlere Korngröße auf, die größer ist als die mittlere Korngröße im Bereich der freien Oberfläche.

In Figur ist eine 1 : 10.000-fache Vergrößerung der Aufsicht auf die Wärmeleitschicht gemäß Fig. 1 dargestellt. In dieser Auf sicht ist der polykristalline Aufbau der Wärmeleitschicht sehr gut zu erkennen.

Zur Herstellung der Diamantschicht wurde bei einem bekannten BIAS unterstützen Plasma-CVD-Verfahren als erstes 120 min Ethen (C2H4) und anschließend 30 min. Die Verwendung von Methan (CH4) führt bei identischer Substrattemperatur zu einer hohen Wachs tumerate von feinkristallinem Diamant, während die Verwendung von Ethen (C2H4) zu einem grobkörnigen Diamant hoher Qualität bei befriedigender Wachstsumsrate führt.

Durch die genannte Vorgehensweise ist eine gezielte Steuerung der Schichteigenschaften der Wärmeleitschicht ohne Inkooperati on von Fremdatomen (bspw. Stickstoff) und die Vermeidung von temperaturinduzierten Schichtspannungen möglich.

In Fig. 3 ist eine 1 : 20.000-fache Vergrößerung einer Bruchkan te eines Si-Wachstumssubtrats dargestellt, das mit einer erfin dungsgemäßen Wärmeleitschicht aus polykristallinem Diamant ver sehenen ist. Hierbei weist die Diamantschicht im Bereich des Si-Wachtumssubstrat eine mittlere Korngröße auf, die kleiner ist als die mittlere Korngröße im Bereich der freien Oberflä che.

In Fig. 4 ist eine 1 : 10.000-fache Vergrößerung der Aufsicht auf die Wärmeleitschicht gemäß Fig. 1 dargestellt. In dieser Aufsicht ist der polykristalline Aufbau der Wärmeleitschicht sehr gut zu erkennen.

Zur Herstellung dieser Diamantschicht wurde im Gegensatz zu der Diamantschicht nach den Fig. 1 und 2 als erstes 30 min CH4 und anschließend 120 min. C2H4 eingeleitet. Wie schon erwähnt, führt die Verwendung von C2H4 gegenüber der Verwendung von CH4 zu einer kleineren mittleren Korngröße.

In der nachfolgenden Tabelle sind die verbleibenden Prozeßpara meter bei der Herstellung bzw. Epitaxie der Wärmeleitschichten nach den obigen Figuren aufgelistet.

In Fig. 5 ist eine ca. 6000-fache Vergrößerung eines Wachs tumssubstrat dargestellt, das mit einer Leiterbahn versehen ist. Auf den freien Bereichen des Wachstumssubstrats und auf der Leiterbahn ist die erfindungsgemäße Wärmeleitschicht aus polykristallinem Diamant angeordnet. Durch diese konstruktive Maßnahme wird die Wärme aus der Leiterbahn, aber auch aus den Wachstumssubstrat abgeleitet.

Fig. 6 zeigt eine Vergrößerung einer Induktivität auf einem mit einer erfindungsgemäßen Wärmeleitschicht aus polykristalli nem Diamant versehenen Si-Wachstumssubstrat im Maßstab 1 : 200. Eine Messung der Induktivität erbrachte die erwarteten Ergeb nisse.

Fig. 7 zeigt eine Vergrößerung eines ohmschen Widerstandes auf einem mit einer erfindungsgemäßen Wärmeleitschicht aus polykri stallinem Diamant versehenen AlN-Wachstumssubstrat im Maßstab 1 : 200. Eine entsprechende Messung ergab ebenfalls die erwarte ten Resultate.

Claims

1. Wärmeleitschicht aus Diamant bei mikroelektronischen Bautei len, dadurch gekennzeichnet,
daß die Wärmeleitschicht eine polykristalline Diamantschicht ist,
daß die Wärmeleitschicht zumindest im Bereich der bereits existierenden oder nachträglich aufzubringenden bzw. aufge brachten Bauteiloberfläche eine mittlere Korngröße aufweist, die maximal der Erstreckung der kleinsten Struktur des Bau teils entspricht und
daß mit zunehmendem Abstand von der Bauteiloberfläche die mittlere Korngröße der Diamantschicht zunimmt.

2. Wärmeleitschicht nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, nach der Zunahme der mittleren Korngröße die mittlere Korngröße wieder kleiner ist.

3. Verfahren zur Herstellung einer Wärmeleitschicht aus Diamant bei mikroelektronischen Bauteilen mittels einem bekannten CVD- Verfahren, dadurch gekennzeichnet,
daß als Wärmeleitschicht eine polykristalline Diamantschicht abgeschieden wird,
daß die polykristalline Diamantschicht im Bereich der be reits existierenden oder nachträglich aufgebrachten bzw. aufzubringenden Bauteiloberfläche zunächst mit einer mittle ren Korngröße abgeschieden wird, die maximal der Erstreckung der kleinsten Struktur des Bauteils entspricht und
daß mit zunehmendem Abstand von der Bauteiloberfläche die mittlere Korngröße der Diamantschicht vergrößert wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zu Beginn der Abscheidung der Diamantschicht das Substrat auf eine gegenüber der Abscheidetemperatur geringere Anfang stemperatur temperiert wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zu Beginn der Abscheidung der Diamantschicht ein hoher Methan-Anteil in den Reaktor eingeleitet wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zu Beginn der Abscheidung der Diamantschicht ein hoher Stickstoffanteil in den Reaktor eingeleitet wird.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß gegen Ende der Abscheidung der Diamantschicht deren mittle re Korngröße wieder verringert wird.