Thèse soutenue

Procédé de siliciuration : modélisation du dépôt et de la diffusion du nickel à partir des interfaces siliciure/silicium par des calculs ab initio et une approche d'apprentissage automatique

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Auteur / Autrice : Cesar Andres Jara Donoso
Direction : Anne Hemeryck
Type : Thèse de doctorat
Discipline(s) : MicroNano Systèmes
Date : Soutenance le 17/07/2023
Etablissement(s) : Toulouse 3
Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Génie électrique, électronique, télécommunications et santé : du système au nanosystème (Toulouse)
Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'Analyse et d'Architecture des Systèmes (Toulouse ; 1968-....)
Jury : Président / Présidente : Guilhem Larrieu
Examinateurs / Examinatrices : Charlotte Becquart
Rapporteurs / Rapporteuses : Guy Tréglia, Émilie Gaudry

Résumé

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Alors que les couches minces de siliciures à base de nickel sont déjà présentes dans de nombreuses applications technologiques de la microélectronique, leurs mécanismes de formation sont encore loin d'être compris et maîtrisés, ce qui rend leur intégration industrielle difficile. Le procédé de siliciuration est piloté dès les toutes premières interactions Ni-Si lors du dépôt de nickel sur le substrat de silicium jusqu'à la phase d'activation thermique formant le siliciure final. Alors que l'étape de dépôt peut être étudiée par des méthodes ab initio, la phase d'activation nécessite de simuler la diffusion des atomes aux interfaces et un réarrangement atomique à grande échelle associé à des temps de simulation longs. Dans cette thèse, une stratégie de modélisation à plusieurs niveaux associant des calculs ab initio, des simulations de dynamique moléculaire et des méthodes d'apprentissage automatique est utilisée pour décrire quelques étapes clés du procédé de siliciuration. Dans un premier temps, les calculs ab initio sont utilisés pour élucider les premières étapes de la formation du siliciure de nickel. Notre travail démontre que lors du dépôt de nickel sur une surface de silicium, une couche alliée d'interface est formée même à température ambiante avant toute activation thermique. Cette couche interfaciale a une composition riche en nickel de type (011)Ni3Si qui est favorisée par la capacité des atomes de nickel à pénétrer les couches en surface du substrat de silicium. Ces calculs sont validés par des mesures expérimentales de réflectivité des rayons X et de microscopie électronique à transmission à balayage à haute résolution. Ensuite, les interfaces nickel-silicium/silicium susceptibles d'apparaître après la phase d'activation thermique du procédé de siliciuration sont étudiés à l'aide de calculs ab initio. Les propriétés structurales et les charges sont analysées. Notre travail met en évidence la présence de dislocations et de transferts de charge comme mécanismes de stabilisation en relation avec l'orientation et l'empilement. En particulier, nous constatons que les tentatives de rotation du siliciure pour minimiser les énergies élastiques produites par les désaccords de maille des deux matériaux sont liées à de grandes dislocations dans les régions d'interface. Ces interfaces sont ensuite utilisées pour la construction d'une base de données ab initio pour construire un potentiel interatomique. Enfin, le procédé de siliciuration du nickel après activation thermique est étudié grâce au développement d'un potentiel interatomique d'interaction de type Machine Learning fondé sur des méthodes de régression linéaire (Lassolars). A l'aide de ce potentiel, les dynamiques atomiques sont simulées aux interfaces nickel-siliciure/silicium pendant des temps de simulation Lassolars machine-learning en utilisant la dynamique moléculaire en utilisant différents bilans thermiques. Des analyses structurales et chimiques des structures de siliciure formées au cours de la simulation sont fournies.