Bibliographie & annexes
Présentation
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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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)
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Alain Estève : CNRS, LAAS, 7 avenue du Colonel Roche, F-31400 Toulouse, France - Université de Toulouse, LAAS, F-31400 Toulouse, France
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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
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
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Conclusions et perspectives4. Exemples d’applications
Afin d’illustrer la démarche de modélisation multi niveaux précédemment exposée, nous allons nous appuyer sur des exemples concrets de calculs qui ont été effectués dans divers cadres au contact de développements expérimentaux essentiellement en microélectronique. Nous verrons tout d’abord comment la simulation à l’échelle atomique peut répondre à des questions fondamentales de la chimie de base des processus réactionnels. Ces données permettent ensuite la mise en œuvre de simulations par Monte Carlo cinétique pour la simulation de la croissance par ALD. Nous nous attacherons à décrire également des processus chimiques plus complexes et plus proches de certaines réalités expérimentales. Dans le cadre d’un nouvel axe applicatif de l’ALD pour les matériaux énergétiques nano-structurés, nous mettrons en évidence le caractère coopératif DFT/expérience et nous pourrons comparer les chimies types, mises en œuvre dans le cadre de l’ALD, comparativement à des techniques de dépôt par voie physique.
4.1 Réactions chimiques « modèles » de l’ALD
Les processus chimiques de base de l’ALD sont en général simples conceptuellement, et peuvent dans une grande majorité être formulés de cette façon :
Où MeL est un composé chimique organique ou inorganique constitué d’un atome métallique Me et d’un ligand L que l’on dépose sur une surface notée Surf. Surf – H indique que la surface possède des atomes d’hydrogène qui vont permettre d’accomplir les processus réactionnels de décomposition précurseur/surface. Au cours de la réaction, un complexe métallique se forme en surface avec libération d’un ligand (ou de plusieurs). Ce caractère conceptuel d’une vision idéale de l’ALD est très commode pour la simulation quantique qui, elle-même, n’est facile à mettre en œuvre que dans une forme abstraite de simplification d’une réalité chimique certainement plus complexe qu’on ne peut l’imaginer a priori. On va ainsi commencer par construire un substrat idéal, par exemple tiré de tables cristallographiques, sur lequel...
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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
-
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
International Technology Road map for Semiconductors http://www.itrs.net
Materials genome Initiative http://www.mgi.gov
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