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Modélisation multi échelle de la croissance ALD doxydes à fortes permittivités: cas de HfO 2. Séminaire groupe de modélisation Vendredi 17 février 2005,

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1 Modélisation multi échelle de la croissance ALD doxydes à fortes permittivités: cas de HfO 2. Séminaire groupe de modélisation Vendredi 17 février 2005, LAAS-CNRS G. Mazaleyrat 1, L. Jeloaica 1, A. Estève 1, M. Djafari-Rouhani 1,2 1 – Laboratoire dAnalyse et dArchitecture des Systèmes, LAAS-CNRS, Toulouse 2 – Laboratoire de Physique des Solides, Université Paul Sabatier, Toulouse Projet européen PCRD5 « HIKE »

2 Plan Le projet Hike Pourquoi des oxydes à fortes permittivités ? Atomic Layer Deposition Stratégie multi échelle Calculs DFT: mécanismes élémentaires Implémentation kMC: événements, dynamique temporelle, modèle de réseau cristallin, paramètres du procédé Validation: couverture, cristallinité, auto calibration Conclusion

3 NMRC/Tyndall Irlande (S. Elliott): DFT/mécanismes (Al 2 O 3 ) Motorola/Freescale (J. Schmidt): DFT/mécanismes, MD- kMC, équations cinétiques University College London (A. Schluger, J. Gavartin): interface, défauts Infineon (A. Kersch): simulations à léchelle du dispositif et du réacteur LAAS-CNRS (G. Mazaleyrat, A. Estève, M. Djafari- Rouhani, L. Jeloaica): DFT/mécanismes, LB-kMC, cinétique de croissance Le projet Hike : nouveaux outils de simulation pour la croissance doxydes « High-κ » (HfO 2, ZrO 2, Al 2 O 3 )

4 Pourquoi des oxydes à fortes permittivités ? Transistor à effet de champ MOS: évolution Année Finesse de gravure Epaisseur de loxyde de grille nm4 – 5 nm nm3 – 4 nm nm2 – 3 nm nm2 – 3 nm nm< 1.5 nm nm< 0.9 nm nm< 0.7 nm Source: ITRS 2004 Source: Intel Corp.

5 Problème: fort courant de fuite à travers la grille. Solution: utiliser un oxyde de grille ayant une permittivité plus grande que celle de SiO 2. Oxyde Permittivité relative SiO 2 3,9 Al 2 O 3 ~ 9,8 ZrO 2 ~25 HfO 2 ~35 Pourquoi des oxydes à fortes permittivités ? Transistor à effet de champ MOS: évolution Source: Intel Corp.

6 « Atomic Layer Deposition » Dépôt de monocouches atomiques Phase 1 : dépôt précurseur Phase 2 : purge précurseur Phase 3 : hydrolyse Phase 4 : purge eau

7 Phase 1 : dépôt précurseur Phase 2 : purge précurseur Phase 3 : hydrolyse Phase 4 : purge eau « Atomic Layer Deposition » Dépôt de monocouches atomiques

8 Stratégie multi-échelle Microscopique – Mésoscopique - Macroscopique ab initio / DFT / DM Monte-Carlo Cinétique Dizaines datomes Échelle de temps: picoseconde Plusieurs millions datomes Échelle de temps: seconde Caractérisation, Technologie… Expérimentation

9 DFT : mécanismes élémentaires Adsorption, chimisorption, contamination par HCl

10 Densification, contamination par Si-Cl E a =0.7 eV ΔE=-2 eV (Si-Cl desorption=5 eV) DFT : mécanismes élémentaires

11 Hydrolyse, effet de solvatation nE a (eV)ΔE (eV)Profil Non-0.79 Si-O-Hf(Cl2)-O-Si Si-O-Hf(OH)Cl-O-Si n H 2 O DFT : mécanismes élémentaires

12 Événement = Mécanisme élémentaire + Site cristallin Calcul des temps doccurrence des événements Changement de la configuration du système Filtrage des événements Événement de temps doccurrence minimum kMC: Implémentation Evénements (point de vue Monte-Carlo Cinétique)

13 où Z est un nombre aléatoire entre 0 et 1 Pour les mécanismes darrivée (1-précurseur et 2-eau): kMC: Dynamique temporelle Calcul des temps doccurrences des événements Temps doccurrence de lévénement « mécanisme m sur le site (i,j,k) » : Pour tous les autres mécanismes:

14 kMC: Dynamique temporelle Paramètres procédé ALD Phase 1 : dépôt précurseur -durée T1 -température Th1 -pression P1 Phase 2 : purge précurseur -durée T2 -température Th2 Phase 3 : hydrolyse -durée T3 -température Th3 -pression P3 Phase 4 : purge de leau -durée T4 -température Th4 Parallèlement au cycle MCC, les paramètres changent selon le cycle ALD.

15 États cristallins, états non cristallins Groupement HfCl 3 (non cristallin) lié au substrat par un oxygène kMC: Modèle de réseau cristallin Cellule cfc conventionnelle de HfO 2 sur substrat Si/SiO 2 (100)

16 Coordonnées discrètes et voisinage Cellule cfc conventionnelle de HfO 2 sur substrat Si/SiO 2 (100) Modèle de coordonnées discrètes kMC: Modèle de réseau cristallin Cellule 2D

17 Connexion du modèle avec le substrat Si/SiO 2 (100) kMC: Modèle de réseau cristallin

18 Quelques mécanismes RéversibleIrréversible Arrivée précurseur Production HCl Arrivée H 2 O Désorption HCl Hydrolyse Dépôt et hydrolyse

19 Densification : inter couche non-cryst/cryst Quelques mécanismes

20 Densification : intra couche non-cryst/non-cryst Quelques mécanismes

21 Densification : multi couche arbre/non-cryst Quelques mécanismes

22 Validation: couverture vs. %OH Coverage (%)

23 Critère: 90% OH => couverture 82% => faible cristallinité Résultat: énergie de premières densifications = 1.5 eV Validation: cristallinité Coverage (%)

24 Critère: 0,8s H2O => couverture 52% Résultat: énergie douverture pont siloxane = 1.3 eV Validation: prétraitement à leau Coverage (%) Activation energy (eV)

25 Validation: couverture vs. cycles Coverage (%) ALD cycle

26 Conclusion DFT => mécanismes élémentaires Dépôt, hydrolyse & effet de solvatation, densifications, plusieurs causes de contamination par le chlore Lattice based kMC But: outil prédictif pour le technologue événements, basé sur réseau => peu coûteux en temps de calcul => échelles procédé (temps et espace) Premiers résultats de validation : couverture en accord avec lexpérience auto calibration cinétique de croissance: il manque des mécanisme

27 Perspectives… Recuit: cristallisation, migration ionique Recroissance SiO 2 interfacial : possibilité de jumeler ce code avec un code existant doxydation du silicium Problèmes de gravure des nouveaux oxydes Standardisation de la configuration atomistique


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