Моделирование роста пленки в процессе атомного осаждения слоев


Просмотр статьи
PDF, 667,3 КБ

Modelling growth of the film during the atomic layer deposition

The roughness of a hafnia film deposited by atomic layer deposition (ALD) is studied as a function of the deposition conditions using a kinetic lattice Monte Carlo (KLMC) model and quantum-chemical calculations of elementary surface reactions. The reduced chemical mechanism of HfO2 film growth for the KLMC model was obtained from the detailed kinetic mechanism of hafnia ALD proposed previously. The kinetic parameters of the diffusion processes on the hafnia surface that can affect the film roughness were determined on the basis of first-principles calculations. It is shown that proton hopping along oxygen rows on the hafnia surface is characterized by a small diffusion barrier of about 15 kcal/mol. Therefore, 2D diffusion on the hydroxylated HfO2 surface is fast. The adsorbed HfCl4 precursors are extremely mobile on the oxide surface, due to the small diffusion barrier (about 8 kcal/mol), while chemisorbed HfClx metal groups are virtually immobile at low temperatures, because the diffusion barrier is large ( > 35 kcal/mol). Based on these results the KLMC model of HfO2 film growth was extended to describe the film roughness at low temperatures T < 400°C. This model shows that the HfO2 film roughness weakly depends on temperature for T £ 400°C and depend on HfCl4 diffusion mechanism. A comparison of the film roughness for ALD and PVD deposition techniques is also discussed.

И М Искандарова, А А Книжник, Е А Рыкова, А А Багатурьянц, Станислав Яковлевич Уманский, Борис Васильевич Потапкин, M W Stoker

Том 4, 2006 год



Шероховатость плёнки диоксида гафния, выращенного методом атомного осаждения слоёв (Atomic Layer Deposition, ALD) была изучена в зависимости от условий осаждения с использованием метода кинетического решёточного Монте-Карло (KLMC) и квантово-химических расчётов элементарных поверхностных ре-акций. Из детального кинетического механизма, предложенного ранее, был получен редуцированный химический механизм роста плёнки HfO2 в рамках модели KLMC. На основе расчётов «из первых принципов» определены кинетические параметры диффузионных процессов на поверхности диоксида гафния, которые могут воздействовать на шероховатость плёнки. Показано, что миграция протона вдоль кислородных рядов на поверхности диоксида гафния характеризуется маленьким диффузионным барьером, около 15 ккал/моль. Следовательно, 2D–диффузия на гидроксилированной поверхности HfO2 является быстрой. Адсорбированные предшественники HfCl4 очень подвижны на оксидной поверхности, благодаря небольшому диффузионному барьеру (около 8 ккал/моль), в то время как химически адсорбированные группы HfClx практически неподвижны при низких температурах из-за большого диффузионного барьера (> 35 ккал/моль). На основе этих результатов модель KLMC роста плёнки HfO2 была расширена для описания шероховатости плёнки при низких температурах T < 400°C. Результаты моделирования показывают, что шероховатость плёнки HfO2 слабо зависит от температуры для T <= 400°C и зависит от механизма диффузии T <= 400°C. Также обсуждается сравнение шероховатости плёнки для методов осаждения ALD и PVD.

И М Искандарова, А А Книжник, Е А Рыкова, А А Багатурьянц, Станислав Яковлевич Уманский, Борис Васильевич Потапкин, M W Stoker

Том 4, 2006 год



1. Jonsson A.K., Niklasson G.A., Veszelei M. Electrical properties of ZrO2 thin films // Thin Solid Films. 2002. Т. 402. С. 242.
2. Family F. Scaling of rough surfaces: effects of surface diffusion // J. Phys. A. 1986. T. 19. С. L441.
3. Rong-Fu Xiao, Nai-Ben Ming Surface roughening and surface diffusion in kinetic thin-film deposition // Phys. Rev. E. 1994. T. 49. С. 4720.
4. Ozava S., Sasajima Y., Heermann D.W. Monte Carlo simulations of film growth// Thin Solid Films. 1996. T. 272. С. 172.
5. Hausmann D.M., Gordon R.G. Surface morphology and crystallinity control in the atomic layer deposition (ALD) of hafnium and zirconium oxide thin films// Journal of Crystal Growth. 2003. T. 249. С. 251.
6. Kim J.M., Kosterlits J.M. Growth in a restricted solid-on-solid model // Phys. Rev. Lett. 1989. T. 62. С. 2289.
7. Karder M., Parisi G., Zhang Yi-C. Dynamic Scaling of Growing Interfaces // Phys. Rev. Lett. 1986. T. 56. С. 889.
8. Family F., Vicsek T. Scaling of the active zone in the Eden process on percolation net-works and the ballistic deposition model // J. Phys. A. 1985. T. 18. С. L75.
9. Kalke M., Baxter D.V. A kinetic Monte Carlo simulation of chemical vapor deposition: non-monotonic variation of surface roughness with growth temperature// Surf. Sci. 2001. T. 477. С. 95.
10. Ritala M., Kukli K., Raisanen P.I. et al. Atomic Layer Deposition of Oxide Thin Films with Metal Alkoxides as Oxygen Sources // Science. 2000. T. 288. С. 319.
11. Ylilammi M. Monolayer thickness in atomic layer deposition// Thin Solid Films. 1996. T. 279. С. 124.
12. Aarik J., Aidla A., Mandar H., Sammelselg V., Uustare T.J. Texture development in nanocrystalline hafnium dioxide thin films grown by atomic layer deposition // J. Cryst. Growth. 2000. T. 220. С. 105.
13. Ritala M., Leskelа M. Zirconium dioxide thin films deposited by ALE using zirconium tetrachloride as precursor // Appl. Surf. Sci. 1994. T. 75. С. 333.
14. Copel M., Gribelyuk M., Gusev E. Structure and stability of ultrathin zirconium oxide layers on Si(001) // Appl. Phys. Lett. 2000. T. 76. С. 436.
15. Ritala M., Leskela M., Niinist L. et al. Development of crystallinity and morphology in hafnium dioxide thin films grown by atomic layer epitaxy// Thin Solid Films. 1994. T. 250. С. 72.
16. Kukli K., Forsgren K., Ritala M. et al. Dielectric Properties of Zirconium Oxide Grown by Atomic Layer Deposition from Iodide Precursor // J. Electrochem. Soc. 2001. T. 148. С. 227.
17. Kukli K., Forsgren K., Aarik J. et al. Atomic layer deposition of zirconium oxide from zirconium tetraiodide, water and hydrogen peroxide // J. Cryst. Growth. 2001. T. 231. С. 262.
18. Aarik J., Aidla A., Kiisler A.-A., Uustrate T., Sammelselg V. Influence of substrate tem-perature on atomic layer growth and properties of HfO2 thin films // Thin Solid Films. 1999. T. 340. С. 110.
19. Duenas S., Castan H., Garcia H. et al. The electrical-interface quality of as-grown atomic-layer-deposited disordered HfO2 on p- and n-type silicon // Semicond. Sci. Technol. 2004. T. 19. С. 1141.
20. Kukli K., Ritala M., Leskela M. et al. Atomic layer deposition of HfO2 thin films and nanolayered HfO2–Al2O3–Nb2O5 dielectrics // J. Mater. Sci.: Mater. in Electronics. 2003. T. 14. С. 361.
21. Aarik J., Mandar H., Kirm M., Pung L. Optical characterization of HfO2 thin films grown by atomic layer deposition // Thin Solid Films. 2004. T. 466. С. 41.
22. Kim H., McIntyre P.C., Saraswat K.C. Microstructural evolution of ZrO2–HfO2 nano-laminate structures grown by atomic layer deposition // J. Mater. Res. 2004. T. 19. С. 643.
23. Damlencourt J.-F., Renault O., Chabli A. et al. Surface treatment for high-quality Al2O3 and HfO2 layers deposited on HF-dipped surface by atomic layer deposition // J. of Mater. Sci: Mater. in Electronics. 2003. T. 14. С. 379.
24. Wiemer C., Ferrari S., Fanciulli M. et al. Combining grazing incidence X-ray diffraction and X-ray reflectivity for the evaluation of the structural evolution of HfO2 thin films with an-nealing// Thin Solid Films. 2004. T. 450. С. 134.
25. Aarik J., Aidla A., Kikas A. et al. Effects of precursors on nucleation in atomic layer deposition of HfO2// Appl. Surf. Sci. 2004. T. 230. С. 292.
26. Ferrari S., Dekadjevi D.T., Spiga S. et al. Structural and electrical characterization of ALCVD ZrO2 thin films on silicon // J. of Non-Crystalline Solids. 2002. T. 303. С. 29.
27. Kukli K., Ritala M., Uustare T. et al. Influence of thickness and growth temperature on the properties of zirconium oxide films grown by atomic layer deposition on silicon // Thin Solid Films. 2002. T. 410. С. 53.
28. Lee S.B., Amar J.G., Family F. Thin film growth of incompatible materials // Physica A. 1997. T. 245. С. 337.
29. Amar J.G., Family F. Characterization of surface morphology in epitaxial growth // Sur-facе Sci. 1996. T. 365. С. 177.
30. Aarik J., Aidla A., Mandar H., Uustrate T., Sammelselg V. Growth kinetics and structure formation of ZrO2 thin films in chloride-based atomic layer deposition process // Thin Solid Films. 2002. T. 408. С. 97.
31. Eyring H., Lin S.H., and Lin S.M. Basic Chemical Kinetics. NY: Wiley, 1980.
32. Deminsky M., Knizhnik A., Belov I. et al. Mechanism and kinetics of thin zirconium and hafnium oxide film growth in an ALD reactor // Surf. Sci. 2004. T. 549. С. 67.
33. Iskandarova I.M., Knizhnik A.A., Bagatur'yants A.A. et al. First principles calculations of interactions of ZrCl4 precursors with the bare and hydroxylated ZrO2 surfaces // Proceedings of SPIE Volume: 5401 “Micro- and Nanoelectronics 2003”.
34. Iskandarova I.M., Knizhnik A.A., Rykova E.A. et al. First-principles investigation of the hydroxylation of zirconia and hafnia surfaces // Microelectronic Engineering. 2003. T. 69. С. 587.
35. Amar J.G., Family F. Mound formation and instabilities in epitaxial growth // Surface Rev. and Lett. 1998. T. 5. С. 851.
36. Family F. Scaling, percolation and coarsening in epitaxial thin film growth // Physica A. 1999. T. 266. С. 173.
37. Kukli K., Aarik J., Uustare T. et al. Engineering structure and properties of hafnium oxide films by atomic layer deposition temperature // Thin Solid Films. 2005. T. 479. С. 1.
38. Kukli K., Ritala M., Pilvi T. et al. Atomic layer deposition rate, phase composition and performance of HfO2 films on noble metal and alkoxylated silicon substrates // Materials Science and Engineering B. 2005. T. 118. С. 112.
39. Белов И.В., Книжник А.А., Рыкова Е.А., Багатурьянц А.А., Уманский С.Я., Потапкин Б.В. // Хим. физика. 2005. Т. 24. С. 48.