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Nous décrivons ici la mise en œuvre d'une stratégie de modélisation multi-niveaux pour la simulation à l'échelle atomique des procédés en Micro et Nano-technologies.
Cette stratégie multi-niveaux combine des calculs quantiques de type fonctionnelle de la densité électronique DFT (Density Functional Theory) avec de la simulation mésoscopique au travers d'une technique de « Monte Carlo cinétique ».
Nous nous attachons plus particulièrement à détailler les étapes de construction d'un modèle de type « Monte Carlo cinétique » basé sur réseau et d'en souligner le caractère général pour la simulation procédé :
– gestion d'un espace décrit par un réseau de sites ;
– écriture des configurations ;
– liste des mécanismes élémentaires ;
– gestion du temps d'expérience.
Ces éléments généraux sont systématiquement étayés par un exemple d'application sur la croissance des oxydes de grille pour la microélectronique « ultime » : la croissance par couche atomique (ALD : Atomic Layer Deposition) de l'oxyde d'Hafnium sur silicium.
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Conclusion3. Application au dépôt ALD de l'oxyde d'Hafnium sur Silicium
L'application que nous visons est la croissance des oxydes ultraminces pour la microélectronique. Dans ce cadre, le silicium et son interface avec son oxyde, le SiO2, n'a souffert d'aucune concurrence dans le secteur des oxydes de grille pour la filière MOS sur presque quatre décennies. Cet état de fait est lié aux caractéristiques remarquables de l'interface : stabilité thermique, faible densité de défauts, qualité des propriétés électroniques...
Mais, la réduction des dimensions de cette interface à quelques monocouches atomiques (environ 2 nm et moins) entraîne aujourd'hui des courants de fuite inacceptables (courant tunnel, claquage) . Les limitations physiques et électriques de cette interface atteintes, on songe à son remplacement strict en même temps qu'à d'autres voies de travail plus radicales : changement d'architecture, alternatives issues des nanosciences. La voie « court terme », déjà en phase d'industrialisation, est le remplacement de l'interface Si/SiO2 par une interface Si/Oxyde à forte permittivité .
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L'introduction de matériaux à forte permittivité comme isolants de grille permet d'augmenter l'épaisseur des couches, ce qui a comme conséquence de limiter les courants de fuite par effet tunnel. Mais, ces changements doivent satisfaire un grand nombre de critères : qualité de l'interface, alignement de bande avec le silicium, bande interdite... Des matériaux de première génération ont largement été étudiés depuis le début des années 2000 : Al2O3, HfO2 et ZrO2.
Pour ce qui concerne les oxydes de grille des transistors MOS, l'intérêt s'est fixé sur l'oxyde d'Hafnium : avec une permittivité d'environ 25, une bande interdite de 5,68 eV, ainsi qu'une bonne stabilité thermodynamique avec le silicium .
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Parmi les différents moyens de dépôt de ces oxydes à forte permittivité (MOCVD, MBE...) nous retenons le dépôt par couche atomique, l'ALD (Atomic Layer Deposition) qui permet d'obtenir des couches ultraminces de qualité microélectronique ( et ). Ce procédé de croissance est fondé sur un « cyclage » auto-saturant d'interactions gaz réactifs/surface : les précurseurs gazeux sont envoyés alternativement dans le réacteur de dépôt, chaque exposition de la surface à un précurseur donné étant...
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