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.
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.
