Modélisation multi échelle de la croissance ALD d’oxydes à fortes permittivités: cas de HfO2. G. Mazaleyrat1, L. Jeloaica1, A. Estève1, M. Djafari-Rouhani1,2 1 – Laboratoire d’Analyse et d’Architecture des Systèmes, LAAS-CNRS, Toulouse 2 – Laboratoire de Physique des Solides, Université Paul Sabatier, Toulouse Projet européen PCRD5 « HIKE » Séminaire groupe de modélisation Vendredi 17 février 2005, LAAS-CNRS

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

Le projet “Hike” : nouveaux outils de simulation pour la croissance d’oxydes « High-κ » (HfO2, ZrO2, Al2O3) NMRC/Tyndall Irlande (S. Elliott): DFT/mécanismes (Al2O3) Motorola/Freescale (J. Schmidt): DFT/mécanismes, MD-kMC, équations cinétiques University College London (A. Schluger, J. Gavartin): interface, défauts Infineon (A. Kersch): simulations à l’échelle du dispositif et du réacteur LAAS-CNRS (G. Mazaleyrat, A. Estève, M. Djafari-Rouhani, L. Jeloaica): DFT/mécanismes, LB-kMC, cinétique de croissance

Epaisseur de l’oxyde de grille Pourquoi des oxydes à fortes permittivités ? Transistor à effet de champ MOS: évolution Année Finesse de gravure Epaisseur de l’oxyde de grille 1997 250 nm 4 – 5 nm 1999 180 nm 3 – 4 nm 2001 150 nm 2 – 3 nm 2002 130 nm 2004 90 nm < 1.5 nm 2007 65 nm < 0.9 nm 2010 45 nm < 0.7 nm Source: Intel Corp. Source: ITRS 2004

Permittivité relative Pourquoi des oxydes à fortes permittivités ? Transistor à effet de champ MOS: évolution Problème: fort courant de fuite à travers la grille. Solution: utiliser un oxyde de grille ayant une permittivité plus grande que celle de SiO2. Oxyde Permittivité relative SiO2 3,9 Al2O3 ~ 9,8 ZrO2 ~25 HfO2 ~35 Source: Intel Corp.

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

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

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

DFT : mécanismes élémentaires Adsorption, chimisorption, contamination par HCl

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

DFT : mécanismes élémentaires Hydrolyse, effet de solvatation n H2O Si-O-Hf(Cl2)-O-Si Si-O-Hf(OH)Cl-O-Si n Ea (eV) ΔE (eV) Profil 3 +0.8 +0.71 5 +0.2 -0.13 6 Non -0.79

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

kMC: Dynamique temporelle Calcul des temps d’occurrences des événements Temps d’occurrence de l’événement « mécanisme m sur le site (i,j,k) » : où Z est un nombre aléatoire entre 0 et 1 Pour les mécanismes d’arrivée (1-précurseur et 2-eau): Pour tous les autres mécanismes:

kMC: Dynamique temporelle Paramètres procédé ALD Parallèlement au cycle MCC, les paramètres changent selon le cycle 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 l’eau -durée T4 -température Th4

kMC: Modèle de réseau cristallin États cristallins, états non cristallins Groupement HfCl3 (non cristallin) lié au substrat par un oxygène Cellule cfc conventionnelle de HfO2 sur substrat Si/SiO2(100)

kMC: Modèle de réseau cristallin Coordonnées discrètes et voisinage Cellule2D Cellule cfc conventionnelle de HfO2 sur substrat Si/SiO2(100) Modèle de coordonnées discrètes

kMC: Modèle de réseau cristallin Connexion du modèle avec le substrat Si/SiO2(100)

Quelques mécanismes Dépôt et hydrolyse Réversible Irréversible Arrivée précurseur Production HCl Arrivée H2O Désorption HCl Hydrolyse

Quelques mécanismes Densification : inter couche non-cryst/cryst

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

Quelques mécanismes Densification : multi couche arbre/non-cryst

Validation: couverture vs. %OH Coverage (%)

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

Validation: prétraitement à l’eau Critère: 0,8s H2O => couverture 52% Résultat: énergie d’ouverture pont siloxane = 1.3 eV Coverage (%) Activation energy (eV)

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

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 l’expérience auto calibration cinétique de croissance: il manque des mécanisme

Perspectives… Recuit: cristallisation, migration ionique Recroissance SiO2 interfacial : possibilité de jumeler ce code avec un code existant d’oxydation du silicium Problèmes de gravure des nouveaux oxydes Standardisation de la configuration atomistique