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Article

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

5 - CONCLUSIONS ET PERSPECTIVES

Article de référence | Réf : RE259 v1

Enjeux pour une simulation de l’ALD
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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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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KEYWORDS

ALD   |   atomic scale modelling   |   DFT   |   kinetic Monte Carlo

DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-re259


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2. Enjeux pour une simulation de l’ALD

Le procédé ALD repose fondamentalement sur une maîtrise de la chimie des interactions réduites à de plus simples expressions, donc plus contrôlables, comparativement aux techniques plus classiques de dépôt en phase vapeur « non pulsées ». En effet, l’ALD s’appuie sur des réactions auto--limitées d’un gaz mono-moléculaire avec un substrat dont la surface présente des terminaisons chimiques idoines. Ceci permet, en toute rigueur, de réaliser le dépôt d’une monocouche atomique à chaque cycle ALD. Ainsi, des réactions en phase gaz sont proscrites et les réactions de surfaces doivent en principe se limiter à quelques réactions type. De plus, des phases de purge entre les étapes de dépôt permettent de travailler dans des conditions optimales de propreté et d’éviter les interactions en phase gaz.

Une problématique essentielle des couches ultra-minces réside dans leur capacité à entretenir une interface optimale avec les couches voisines en contact. À ce titre, les toutes premières couches déposées par la technique ALD sont fondamentales. Il faut noter que les chimies d’interactions relatives au régime initial de croissance sont rigoureusement différentes de celles qui se produisent lors des cycles de croissance ultérieurs où les précurseurs de dépôt interagissent avec leurs homologues déposés dans les cycles précédents. A contrario, lors des tout premiers cycles de dépôt, les précurseurs vont interagir avec le substrat initial. En principe celui-ci peut être modifié et optimisé pour répondre aux exigences de réactivité du précurseur, par exemple en optimisant la densité de fonctions OH en surface pour permettre d’accroître le nombre de réactions de décomposition des précurseurs. Il est donc entendu que rien ne permet de dire que la réactivité, aux plans cinétique et thermodynamique, sera équivalente sur le substrat initial comparativement à la croissance ultérieure sur des couches déjà formées.

Simuler un procédé ALD, même si ce dernier est caractérisé par une chimie plus simple que les procédés CVD plus classiques, demeure une tâche complexe dans une large mesure parce que le système est régi par des processus multi-échelles. Les réactions chimiques, migrations d’atomes, peuvent être quasi spontanées, de la picoseconde--nanoseconde quand d’autres mécanismes seront caractérisés...

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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,

  • ...

1 Sites Internet

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

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

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