Modélisation multi échelles de la croissance des oxydes à fortes permittivités : simulation Monte-Carlo cinétique
Résumé
The calculated reduction of the dimensions of the fundamental active device in integrated circuits - in other terms the scaling of MOS transitors - is facing a great challenge: the silicon oxide based gate will soon become so thin that undesirable leakage currents will heavily compromise the transistor operational characteristics. Several high-k oxides are currently under consideration as potential replacements for SiO2 as gate dielectrics. This work presents an original kinetic Monte-Carlo algorithm, developed within a multi-scale strategy, from molecule to reactor scale. Ab initio studies helped us identify relevant elementary reactional mechanisms before their integration into the Monte-Carlo simulator that can handle up to millions of atoms during seconds long simulated time. Reaching these space and time scales allows a direct confrontation to experiments and macroscopic simulation techniques. After a round up of the scientific context and its methodological needs, this thesis explains the Monte-Carlo code development in interaction with other contributions from our partners in the Hike project (European Union Fifth Framework Package): substrate modeling, growth process (Atomic Layer Deposition) simulation, temporal dynamics, elementary reactional mechanisms& The software validation steps did not only encourage our approach: it has also provided interesting results concerning the substrate reactivity, growth mechanisms and growth kinetics for several high-k oxides, especially hafnium oxide.
La miniaturisation des composants électroniques et en particulier celle d'une des "briques élémentaires" de la microélectronique, le transistor MOS, nécessite l'emploi d'un nouvel oxyde de grille en remplacement du traditionnel oxyde de silicium. En effet, cette grille tend à devenir tellement fine que les courants de fuite à travers celle-ci deviennent trop importants pour garantir un fonctionnement satisfaisant. Plusieurs oxydes à fortes permittivités on été identifiés pour remplacer le SiO2. Notre étude repose sur le développement d'un simulateur Monte-Carlo cinétique original au sein d'une approche multi-échelles, allant de la molécule au réacteur de dépôt. Des études ab initio contribuent à identifier les mécanismes réactionnels élémentaires avant de les intégrer dans le simulateur. Celui-ci peut alors gérer jusqu'à plusieurs millions d'atomes, sur des durées de l'ordre de la seconde. Atteindre ces échelles d'espace et de temps permet une confrontation directe avec les résultats expérimentaux et les simulations de type macroscopique. Après un tour d'horizon du contexte de l'étude et du cadre méthodologique, cette thèse expose la conception du simulateur Monte-Carlo en interaction avec les différentes contributions du projet européen « Hike » (5ème PCRD de l'Union Européenne): modélisation du substrat, simulation du procédé de croissance par monocouches atomiques (Atomic Layer Deposition), dynamique temporelle, mécanismes réactionnels élémentaires... La validation du logiciel a non seulement conforté la démarche adoptée mais aussi donné de précieuses informations concernant la réactivité du substrat, les mécanismes et la cinétique de croissance de plusieurs oxydes à fortes permittivités, en particulier l'oxyde d'hafnium.
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