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Évaluation thermodynamique des précurseurs ALD

Article de référence | Réf : RE259 v1

Simulation à l’échelle atomique en ALD des oxydes ultra-minces

Auteur(s) : Alain Estève, Mehdi Djafari Rouhani, Carole Rossi

Date de publication : 10 oct. 2016

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Réacteurs ALD

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RÉSUMÉ

La simulation à l’échelle atomique permet de prédire, quantifier et interroger avec force détails la chimie des interactions entre atomes et d’en déduire leur organisation à l’échelle des interfaces. Cet article a pour ambition de présenter une démarche de la simulation à l’échelle atomique qui combine calculs quantiques et simulations par Monte Carlo Cinétique respectivement pour prédire la chimie des processus élémentaires qui gouvernent le dépôt par ALD et pour bâtir une simulation à l’échelle du procédé technologique. Quelques exemples d’étude concernant le dépôt d’oxydes pour la microélectronique et la réalisation de couches barrières pour les matériaux énergétiques seront proposés.

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ABSTRACT

Atomic scale modelling of ALD and application to ultra-thin oxIdes

Atomic scale simulation enables us to predict, quantify and examine in great detail the chemistry of interactions between atoms, and deduce their arrangement across interfaces. This article describes an atomic scale modelling approach that combines quantum calculations and a kinetic Monte Carlo technique, respectively, to predict the chemistry of elementary mechanisms that govern ALD deposition and allow simulations at the scale of the process. This methodology is illustrated with practical examples: the deposition of high-k oxides for microelectronics and the generation of barrier layers for energy-rich materials.

Auteur(s)

Alain Estève : CNRS, LAAS, 7 avenue du Colonel Roche, F-31400 Toulouse, France - Université de Toulouse, LAAS, F-31400 Toulouse, France
Mehdi Djafari Rouhani : CNRS, LAAS, 7 avenue du Colonel Roche, F-31400 Toulouse, France - Université de Toulouse, LAAS, F-31400 Toulouse, France
Carole Rossi : CNRS, LAAS, 7 avenue du Colonel Roche, F-31400 Toulouse, France - Université de Toulouse, LAAS, F-31400 Toulouse, France

INTRODUCTION

Points clés

Domaine : Modélisation des procédés technologiques, nanotechnologies

Degré de diffusion de la technologie : en croissance

Technologies impliquées : ALD, CVD, MOCVD, dépôts par voie chimique …

Domaines d’application : microélectronique, énergie, biochimie, couches de protection

Principaux acteurs français :

Pôles de compétitivité :
Centres de compétence :
Industriels :

Autres acteurs dans le monde : C.B. Musgrave (Univ. Du Colorado, USA)

S. Elliott (Tyndall, Irlande)

Contact : [email protected]

Depuis le début des années 2000, la simulation à l’échelle atomique a épousé les contours applicatifs de l’ALD, tout d’abord pour la micro-électronique, puis pour le développement de nombreuses autres applications, énergie, couches barrières, électrochimie, biologie… L’objet de cet article est de situer les enjeux d’une simulation de l’ALD et de décrire les grands axes méthodologiques qui permettent d’y répondre. Pour illustration, nous nous appuyons sur des résultats obtenus dans le cadre d’études sur le dépôt d’oxydes à forte permittivité ainsi que sur le dépôt de couches barrières pour les matériaux énergétiques. Nous montrons comment les calculs quantiques permettent de comprendre des points clefs de la chimie des interactions molécules/surfaces. Nous présentons des mécanismes réactionnels qui sont d’intérêt générique pour la compréhension/réalisation de couches minces : phénomènes de coopérativité, densification, réduction des surfaces. Au plan méthodologique, nous montrons comment ces connaissances permettent d’établir une modélisation plus phénoménologique, toujours à l’échelle atomique, mais permettant une simulation à l’échelle du procédé (temps, température et pressions de gaz).

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MOTS-CLÉS

ALD | modélisation à l'échelle atomique | DFT | Monte Carlo cinétique

KEYWORDS

ALD | atomic scale modelling | DFT | kinetic Monte Carlo

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BIBLIOGRAPHIE

(1) - * - International Technology Roadmap for Semiconductors (ITRS), www.itrs.net.
(2) - WILK (G.D.), WALLACE (R.M.), ANTHONY(J.M) - High-k gate dielectrics : current status and materials properties considerations, - J. Appl. Phys., 89, 5243 (2001).
(3) - HALL (S.), BUIU (O.), MITROVIC (I.Z.), LU (Y.), DAVEY (W.M.) - Review and perspective of high-k dielectrics on silicon, - Journal of Telecommunication and information Technology, 33 (2007).
(4) - WIDJAJA (Y.), MUSGRAVE (C.B) - Quantum chemical study of the mechanism of aluminum oxide atomic layer deposition, - Appl. Phys. Lett. 80, 3304 (2002).
(5) - WIDJAJA (Y.), MUSGRAVE (C.B.) - Atomic layer deposition of hafnium oxide : A detailed reaction mechanism from first principles, - J. Chem. Phys. 117, 1931 (2002).
(6) - ESTÈVE (A.),...

DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES

Chimie des précurseurs pour le procédé ALD,
Évaluation thermodynamique des précurseurs ALD,
Atomic Layer Deposition (ALD). Principes généraux, matériaux et applications,
Réacteurs ALD,
ALD en -microélectronique. Applications, équipements et productivité,
ALD pour les piles à combustible à haute température,

ANNEXES

1 Sites Internet

1 Sites Internet

International Technology Road map for Semiconductors http://www.itrs.net

Materials genome Initiative http://www.mgi.gov

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Sommaire
Sommaire détaillé

INTRODUCTION

1 - CONTEXTE

2 - ENJEUX POUR UNE SIMULATION DE L’ALD

3 - MÉTHODOLOGIE MULTI-ÉCHELLE

3.1 - Monte Carlo cinétique : quelques notions de base
3.2 - Apport du calcul intensif

4 - EXEMPLES D’APPLICATIONS

4.1 - Réactions chimiques « modèles » de l’ALD
4.2 - Densification, un processus complexe au carrefour des méthodes DFT et Monte Carlo
4.3 - Modélisation de la croissance par Monte Carlo cinétique
4.4 - Des réactions chimiques plus complexes : phénomènes de coopérativité
4.5 - Nouvelle application : couches barrières dans les matériaux énergétiques