Modélisation et simulation du dépôt des oxydes à forte permittivité par la technique du Monte-Carlo cinétique

Modelling and simulation of the deposition of high-k oxides’s by kinetic Monte Carlo

• Auteur / Autrice : Cédric Mastail
• Direction : Mehdi Djafari-Rouhani
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de la matière
• Date : Soutenance en 2009
• Etablissement(s) : Toulouse 3

Mots clés

Mots clés contrôlés

Monte-Carlo, Méthode de

Permittivité

Couches minces

Oxydes métalliques

Mots clés libres

High-k

HfO2

Ald

Simulation multi-échelle

Simulation procédé

Simulation Monte Carlo cinétique

Calculs ab initio

Densification

Résumé

Miniaturiser les composants impose des changements radicaux pour l'élaboration des dispositifs micro électroniques du futur. Dans ce cadre, les oxydes de grille MOS atteignent des épaisseurs limites qui les rendent perméables aux courants de fuite. Une solution est de remplacer le SiO2 par un matériau de permittivité plus élevée permettant l'utilisation de couches plus épaisses pour des performances comparables. Dans ce travail nous présentons une modélisation multi-échelle de la croissance par couche atomique (ALD) d'HfO2 sur Si permettant de relier la nano-structuration d'une interface au procédé d'élaboration. Nous montrons que la connaissance de processus chimiques élémentaires, via des calculs DFT, permet d'envisager une simulation procédé qui repose sur le développement d'un logiciel de type Monte Carlo Cinétique nommé ''HIKAD''. Au delà des mécanismes les plus évidents, adsorption, désorption, décomposition et hydrolyse des précurseurs sur la surface, nous introduirons la notion de mécanismes de densification des couches d'oxyde déposées. Ces mécanismes sont l'élément clé permettant de comprendre comment s'effectue la croissance de la couche en termes de couverture. Mais au delà de cet aspect ils nous permettent d'appréhender comment, à partir de réactions de type moléculaire le système évolue vers un matériau massif. Nous discuterons ces divers éléments à la lumière de résultats de caractérisations obtenus récemment sur le plan expérimental du dépôt d'oxydes d'hafnium.

Miniaturizing components requires radical changes in the development of future micro electronic devices. In this perspective, the gate dielectric of MOS devices can become so thin as to be made permeable to leakage currents. One solution is to replace SiO2 by a material with a higher permittivity which would allow the use of thicker layers with similar results. My work presents a multi-scale modelling of the growth of HfO2 on Si by atomic layer (ALD), which allows me to link the nano-structuration of an interface with the process of development. I demonstrate that knowing how basic chemical processes work, thanks to DFT calculations, allows considering a process simulation based on the development of a Kinetic Monte Carlo software named ''HIKAD. '' Going beyond rather obvious mechanisms, I introduce the notion of densification mechanisms of deposited oxide layers. These mechanisms are the key element to understand how the growth of the layer in terms of coverage works. But even beyond that aspect, they allow to study the system's evolution towards a massive material, starting from molecular reactions. I shall discuss all those points in the light of recent experimental characterisation results concerning the deposition of hafnium oxides.