創新材料與關鍵挑戰解決方案

隨著薄型三維積體電路 (Thin 3D IC ) 技術將晶片層間厚度縮減至次微米尺度，垂直整合密度大幅提升，但也使堆疊結構內部的散熱成為重要挑戰。由於傳統 SiO₂等介電材料具有較低的熱導率，運作時產生的熱量容易累積於金屬繞線與元件區域。因此，本研究提出將氮化鋁熱擴散層與Dummy Through-Layer Vias (TLVs) 整合至 Thin 3D IC 結構中，建立由內部熱源通往頂部冷卻界面的垂直散熱網路，如Fig. 1 所示。

為提升超薄氮化鋁薄膜的垂直熱傳能力，本研究透過PVD沉積條件與功率調整控制薄膜特性，並利用氨氣電漿處理降低氧相關缺陷，再沉積超薄氮化矽保護層抑制表面再氧化。由於氮化鋁對 532 nm 雷射的吸收有限，因此利用鎢薄膜作為雷射吸收層與熱轉換層，進行局部雷射退火，如 Fig. 2 所示。熱模擬結果顯示，雖然雷射退火時氮化鋁層的局部溫度達約 860°C，但下方電路溫度仍維持在 400°C 以下，符合元件熱預算，如 Fig. 3 所示。經氨氣電漿處理與雷射退火後，氮化鋁的晶體結構進一步改善，7.5 kW 氮化鋁薄膜的垂直方向熱導率最終提升至 45.5 W/m·K，而雷射退火前後的 XRD 變化如 Fig. 4 所示。

本研究進一步透過 Dummy TLVs 建立三維垂直熱傳路徑，並使用 COMSOL Multiphysics 評估不同散熱架構。結果顯示，未加入專用散熱結構時平均溫度為 101.61°C；加入氮化鋁熱擴散層後降至 83.15°C；進一步整合氮化鋁與 Dummy TLVs 的完整三維散熱網路後，平均溫度可降至 73.13°C，如 Fig. 5 所示。此外，TLV 密度增加可進一步降低平均溫度，其設計最佳化結果如 Fig. 6 所示。透過氮化鋁與三維垂直散熱路徑的共同設計，本研究為高密度 Thin 3D IC 提供一套可整合於堆疊結構內的散熱管理方案。