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