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Abstract

The current trend towards the silicon-based devices downscaling leads to the fabrication of thinner oxide layers. In order to carry on this miniaturization, the microscopic characterization of these layers at atomic scale, particularly the understanding of the Si/SiO2 interface, are now required. Accurate and predictive simulations at both atomic and microscopic scales can contribute to this characterization. This study attempts to determine the first steps of the thermal silicon oxidation using a multiscale approach. The use of ab initio calculations enables the identification of the elementary mechanisms local properties involving atomic and electronic structures, activation energies of the diffusion reactions... Then, the oxide growth process is reproduced by mixing up the basic elementary mechanisms with the development of a kinetic Monte Carlo simulator. Indeed, using a Monte Carlo method, we are able to reach large scales of time and size, sufficiently to compare the simulated oxide layer to the manufacturing process. We have performed ab initio calculations at atomic scale and developed a kinetic Monte Carlo software called Oxcad, in order to grasp, characterize and simulate the initial stages of the thermal silicon oxidation.

Résumé

La tendance permanente à la réduction des dimensions des composants de la microélectronique mène à la fabrication de couches d'oxydes de plus en plus fines. Afin de poursuivre cette miniaturisation, le recours à la caractérisation de ces couches, impliquant la connaissance parfaite de l'interface Si/SiO2, devient incontournable. Des simulations précises et prédictives des procédés aux échelles atomiques et microscopiques peuvent aider à cette caractérisation. Notre étude consiste en la détermination des premiers stades de l'oxydation thermique d'un substrat de silicium grâce à la mise en oeuvre d'une approche multi échelles. L'utilisation des calculs ab initio permet l'identification des propriétés locales des mécanismes élémentaires de l'oxydation à l'échelle atomique en termes de structures atomiques et électroniques, d'énergies d'activation de diffusions& La croissance d'oxyde selon les procédés de fabrication peut être reproduite par le développement d'un simulateur Monte Carlo cinétique à partir des mécanismes réactionnels identifiés. Le recours au Monte Carlo cinétique est nécessaire pour atteindre des échelles de temps et d'espace suffisantes pour simuler les procédés de fabrication. Nous avons réalisé des calculs ab initio à l'échelle atomique et développé un code Monte Carlo cinétique nommé Oxcad afin d'appréhender, de caractériser et de simuler les premières étapes de l'oxydation thermique d'une surface de silicium.

Mots-Clés / Keywords

Oxydation du silicium; Interface Si/SiO2; Simulation Ab Initio; Simulation Monte Carlo; Simulation des procédés; Silicon oxidation; Si/SiO2 interface; Ab initio simulation; Monte Carlo simulation; Processes simulation;

Abstract

The first steps of molecular oxygen adsorption and further incorporation on a Si(1 0 0)-p(2 × 2) surface are described here using density functional theory for the atomistic mechanisms. In this study, our aim is to combine this approach with kinetic Monte Carlo simulations to get an insight into the description of the oxide growth on silicon surface. We detail the reaction paths and corresponding energy barriers for the atomistic mechanisms: oxygen dissociation, adsorption and migration. We then explain how these data emanating from first principle calculations can be implemented in our kinetic Monte Carlo code OXCAD.

Mots-Clés / Keywords

Crystal growth; Modeling and simulation; Density functional theory; Monte Carlo simulations;