Modélisation multi échelle de la croissance ALD d’oxydes à
fortes permittivités: cas de HfO2.
Séminaire groupe de modélisation
Vendredi 17 février 2005, LAAS-CNRS
G. Mazaleyrat1, L. Jeloaica1, A. Estève1, M. Djafari-Rouhani1,2
1 – Laboratoire d’Analyse et d’Architecture des Systèmes, LAAS-CNRS, Toulouse2 – Laboratoire de Physique des Solides, Université Paul Sabatier, Toulouse
Projet européen PCRD5 « HIKE »
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
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
Le projet “Hike” :nouveaux outils de simulation pour la croissance d’oxydes « High-κ » (HfO2, ZrO2, Al2O3)
Pourquoi des oxydes à fortes permittivités ? Transistor à effet de champ MOS: évolution
AnnéeFinesse
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 2 – 3 nm
2004 90 nm < 1.5 nm
2007 65 nm < 0.9 nm
2010 45 nm < 0.7 nm
Source: ITRS 2004Source: Intel Corp.
Problème: fort courant de fuite à travers la grille.
Solution: utiliser un oxyde de grille ayant une permittivité plus grande que celle de SiO2.
OxydePermittivité
relative
SiO2 3,9
Al2O3 ~ 9,8
ZrO2 ~25
HfO2 ~35
Pourquoi des oxydes à fortes permittivités ? Transistor à effet de champ MOS: évolution
e
SC r 0
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
Phase 1 :dépôt précurseur
Phase 2 :purge précurseur
Phase 3 :hydrolyse
Phase 4 :purge eau
« Atomic Layer Deposition » Dépôt de monocouches atomiques
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
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 Ea (eV) ΔE (eV) Profil
3 +0.8 +0.71
5 +0.2 -0.13
6 Non -0.79
Si-O-Hf(Cl2)-O-Si Si-O-Hf(OH)Cl-O-Sin H2O
DFT : mécanismes élémentaires
Événement = Mécanisme élémentaire + Site cristallin
Calcul des temps d’occurrence
des événements
Changement de laconfigurationdu système
Filtrage desévénements
Événement de temps d’occurrence minimum
kMC: Implémentation Evénements (point de vue Monte-Carlo Cinétique)
m
m,k,j,i
ZlogT
où Z est un nombre aléatoire entre 0 et 1
Tk
Eexp.
B
mm
Pour les mécanismes d’arrivée(1-précurseur et 2-eau):
T.M
S.P.Cst
2,1
2,1
kMC: Dynamique temporelle Calcul des temps d’occurrences des événements
Temps d’occurrence de l’événement « mécanisme m sur le site (i,j,k) » :
Pour tous les autres mécanismes:
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 l’eau-durée T4-température Th4
Parallèlement au cycle MCC, les paramètres changent selon le cycle ALD.
États cristallins, états non cristallins
Groupement HfCl3 (non cristallin) lié au substrat par un oxygène
kMC: Modèle de réseau cristallin
Cellule cfc conventionnelle de HfO2 sur substrat Si/SiO2(100)
Coordonnées discrètes et voisinage
Cellule cfc conventionnelle de HfO2 sur substrat Si/SiO2(100)
Modèle de coordonnées discrètes
kMC: Modèle de réseau cristallin
Cellule2D
Connexion du modèle avec le substrat Si/SiO2(100)
kMC: Modèle de réseau cristallin
Quelques mécanismes
Réversible Irréversible
Arrivée précurseur
Production HCl
Arrivée H2O
Désorption HCl
Hydrolyse
Dépôt et hydrolyse
Densification : inter couche non-cryst/cryst
Quelques mécanismes
Densification : intra couche non-cryst/non-cryst
Quelques mécanismes
Densification : multi couche arbre/non-cryst
Quelques mécanismes
Validation: couverture vs. %OH
Cov
erag
e (%
)
Critère: 90% OH => couverture 82% => faible cristallinité Résultat: énergie de premières densifications = 1.5 eV
Validation: cristallinité
Cov
erag
e (%
)
Critère: 0,8s H2O => couverture 52% Résultat: énergie d’ouverture pont siloxane = 1.3 eV
Validation: prétraitement à l’eauC
over
age
(%)
Activation energy (eV)
Validation: couverture vs. cyclesC
over
age
(%)
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
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