CN106029679B - 新环二硅氮烷衍生物、其制备方法以及使用其的含硅薄膜 - Google Patents

新环二硅氮烷衍生物、其制备方法以及使用其的含硅薄膜 Download PDF

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Abstract

提供了新的环二硅氮烷衍生物、用于制备其的方法、以及使用其的含硅薄膜，其中具有热稳定性、高挥发性和高反应性并且在室温下和压力下呈液态(易于处理)的所述环二硅氮烷衍生物可通过多种沉积方法形成具有优良物理和电学特性的高纯度含硅薄膜。

Description

新环二硅氮烷衍生物、其制备方法以及使用其的含硅薄膜
技术领域
本发明涉及到新环二硅氮烷衍生物、用于制备其的方法和使用其的含硅薄膜，并且更特别地涉及具有热稳定性和高挥发性并在室温和压力下呈液态(易于处理)的新环二硅氮烷衍生物、用于制备其的方法和使用其的含硅薄膜。
背景技术
通过半导体领域中的多种沉积方法，含硅薄膜被制成多种形状，如硅膜、二氧化硅膜、氮化硅膜、碳氮化硅膜、氮氧化硅膜等，并且被广泛应用于许多领域中。
特别地，二氧化硅膜和氮化硅膜可以在制造装置中起绝缘膜、防扩散膜、硬质掩模、蚀刻停止层、籽晶层、间隔物、沟槽隔离物、金属间介电材料和保护层的作用，归因于其显著优良的阻挡性和抗氧化性。
近期，多晶硅薄膜已经被用于薄膜晶体管(TFT)、太阳能电池等，并且因此，其应用领域得到了改变。
作为已知用于制造含硅薄膜的典型技术，存在通过使混合气体形式的硅前体与反应气体反应在基底表面上形成膜或者通过在表面上直接反应形成膜的金属有机化学气相沉积(MOCVD)；以及在基底表面上物理或化学吸附气体形式的硅前体，随后依次引入反应气体形成膜的原子层沉积(ALD)。另外，用于制造薄膜的多种技术，如低压化学气相沉积(LPCVD)、等离子体增强化学气相沉积(PECVD)、等离子体增强原子层沉积(PEALD)(使用能够在低温下沉积的等离子体)等被用于下一代半导体和显示装置制造工艺，由此被用于形成超精细图案和沉积在纳米尺寸的厚度下具有均匀和优良特性的超薄膜。
如韩国专利特许公开No.KR 2007-0055898中所述的用于形成含硅薄膜的前体的典型实例包括硅烷、硅烷氯化物、氨基硅烷和烷氧基硅烷，并且更具体地，包括硅烷氯化物如二氯硅烷(SiH2Cl2)和六氯二硅烷(Cl3SiSiCl3)；以及三甲硅烷基胺(N(SiH3)3)、双-二乙基氨基硅烷(H2Si(N(CH2CH3)2)2)和二异丙基氨基硅烷(H3SiN(i-C3H7)2)等，并且用于半导体和显示器的大规模生产。
然而，根据由装置的超高集成导致的装置微型化、纵横比的增加以及装置材料的多样化，需要形成具有均匀和薄的厚度以及在期望低温下具有优良电学特性的超精细薄膜的技术，并且因此，在使用现有硅前体时，600℃或更高的高温工艺、阶梯覆盖、蚀刻特性以及薄膜的物理和电学特性成为问题，并且因此，需要开发优良的新硅前体。
相关技术文献
(专利文献1)韩国专利特许公开第KR 2007-0055898号
(专利文献2)美国专利申请公开第2004-0096582A1号
发明内容
技术问题
本发明的一个目的是提供环二硅氮烷衍生物。
此外，本发明的另一个目的是提供新的环二硅氮烷衍生物，其为用于薄膜沉积的前体化合物。
另外，本发明的另一个目的提供用于制备环二硅氮烷衍生物的方法。
此外，本发明的另一个目的是提供用于沉积含硅薄膜的组合物，其包含本发明的环二硅氮烷衍生物；用于通过使用本发明的环二硅氮烷衍生物来制造含硅薄膜的方法；以及通过包含本发明的环二硅氮烷衍生物制造的含硅薄膜。
技术方案
在一个一般方面中，本发明提供了这样的新环二硅氮烷衍生物：其能够形成具有优良内聚性、高沉积速率和即使在低温下也具有优良的物理和电学特性的硅薄膜。
本发明的新环二硅氮烷衍生物由以下化学式1表示：
[化学式1]
在化学式1中，
R1至R3各自独立地为氢、卤素、(C1-C5)烷基或(C2-C5)烯基，并且
R4为氢、(C1-C3)烷基或(C2-C5)烯基。
本发明的环二硅氮烷衍生物在室温和大气压下为液态化合物以具有优异的挥发性，从而使薄膜能够容易地形成。此外，作为具有Si-N键的稳定方形环化合物，环二硅氮烷衍生物具有以下优点：根据取代基来控制化合物的对称性和非对称性从而能够控制反应性。此外，由于具有方形环的分子结构，本发明的环二硅氮烷衍生物具有高热稳定性和低活化能，从而具有优良的反应性并且不产生非挥发性副产物，从而能够容易地形成具有高纯度的含硅薄膜。
为了使根据本发明一个示例性实施方案的由化学式1表示的环二硅氮烷衍生物形成具有高的热稳定性和反应性以及高纯度的薄膜，优选的是，在化学式1中，R1至R3各自独立地为氢、卤素、(C1-C3)烷基或(C2-C3)烯基，并且R4为(C1-C3)烷基或(C2-C3)烯基，并且更优选的是，在化学式1中，R1至R3各自独立地为氢、卤素、甲基或乙烯基，并且R4为异丙基或异丙烯基。
根据本发明的一个示例性实施方案的由化学式1表示的环二硅氮烷衍生物可选自以下化合物，但本发明不限于此：
术语：本发明中所述的“烷基”包括直链型或支化型二者。
此外，本发明的由化学式1表示的环二硅氮烷衍生物可优选为用于沉积含硅薄膜的前体化合物。
另外，在另一个一般的方面中，本发明提供了用于制备由以下化学式1表示的环二硅氮烷衍生物的方法。
用于制备本发明的环二硅氮烷衍生物的方法包括：通过使由以下化学式2表示的硅烷衍生物与由以下化学式3表示的胺衍生物反应来制备由以下化学式4表示的二氨基硅烷衍生物；以及在(C1-C7)烷基锂的存在下，通过由以下化学式4表示的所述二氨基硅烷衍生物与由以下化学式5表示的硅烷衍生物的分子内环化反应来制备由以下化学式1表示的所述环二硅氮烷衍生物：
[化学式1]
[化学式2]
[化学式3]
H2N-R4
[化学式4]
[化学式5]
在化学式1至5中，
R1至R3各自独立地为氢、卤素、(C1-C5)烷基或(C2-C5)烯基，
R4为氢、(C1-C3)烷基或(C2-C5)烯基，并且X为卤素。
在本发明的一个示例性实施方案中，由化学式4表示的所述二氨基硅烷衍生物的制备可在由以下化学式10表示的碱或(C1-C7)烷基锂的存在下进行：
[化学式10]
N(R6)(R7)(R8)
在化学式10中，R6至R8各自独立地为(C1-C7)烷基。
在另一个一般的方面中，本发明提供了用于制备由以下化学式1-2表示的环二硅氮烷衍生物的方法，所述方法包括：通过使由以下化学式1-1表示的卤代环二硅氮烷衍生物与金属氢化物或由以下化学式8表示的碱金属衍生物反应来制备由以下化学式1-2表示的所述环二硅氮烷衍生物：
[化学式1-2]
[化学式1-1]
[化学式8]
M-R10
在化学式1-1、1-2和8中，
M为碱金属；
R10各自独立地为氢或(C1-C5)烷基；
R1至R3中的至少一者为卤素，并且余者为氢、卤素、(C1-C5)烷基或(C2-C5)烯基；
R4为氢、(C1-C3)烷基或(C2-C5)烯基；并且
R1a至R3a中的至少一者为氢，并且余者为氢、(C1-C5)烷基或(C2-C5)烯基，其中当R1为卤素时，R1a为氢，并且当R2为卤素时，R2a为氢，并且当R3为卤素时，R3a为氢。
在另一个一般的方面中，本发明提供了用于制备由以下化学式9表示的环二硅氮烷衍生物的方法，所述方法包括：通过使由以下化学式2表示的硅烷衍生物与由以下化学式3表示的胺衍生物反应来制备由以下化学式6表示的氨基硅烷衍生物；在(C1-C7)烷基锂的存在下，通过由以下化学式6表示的所述氨基硅烷衍生物的分子内环化反应来制备由以下化学式7表示的卤代环二硅氮烷衍生物；以及通过使由以下化学式7表示的所述卤代环二硅氮烷衍生物与金属氢化物或由以下化学式8表示的碱金属衍生物反应来制备由以下化学式9表示的所述环二硅氮烷衍生物：
[化学式2]
[化学式3]
H2N-R4
[化学式6]
[化学式7]
[化学式8]
M-R10
[化学式9]
在化学式2、3和6至9中，
R1为卤素；
R2为氢、卤素、(C1-C5)烷基或(C2-C5)烯基；
R4为氢、(C1-C3)烷基或(C2-C5)烯基；
X为卤素；
M为碱金属；
R10为氢或(C1-C5)烷基；
R1a为氢；
其中，当R2为氢或卤素时，R2a为氢，并且
当R2为(C1-C5)烷基或(C2-C5)烯基时，R2a为(C1-C5)烷基或(C2-C5)烯基。
在本发明的一个示例性实施方案中，由化学式6表示的氨基硅烷衍生物的制备可在由以下化学式10表示的碱或(C1-C7)烷基锂的存在下进行：
[化学式10]
N(R6)(R7)(R8)
在化学式10中，R6至R8各自独立地为(C1-C7)烷基。
根据本发明的一个示例性实施方案的(C1-C7)烷基锂为其中锂与(C1-C7)烷基键合的化合物，例如，甲基锂、正丁基锂等，并且优选正丁基锂。
根据本发明的一个示例性实施方案的金属氢化物可为选自LiH、NaH、KH和LiAlH4中的一者或者两者或更多者的混合物。
只要本发明的制备方法中使用的溶剂不与起始物质反应，则其在一般有机溶剂中不受限制，例如，所述溶剂可以是选自正己烷(n-己烷)、环己烷、正戊烷(n-戊烷)、二乙醚、甲苯、四氢呋喃(THF)、二氯甲烷(DCM)和三氯甲烷(氯仿)中的至少一种。
只要本发明的制备方法中的反应温度用于一般有机合成，则温度不受限制；然而，所述温度可以根据反应时间、反应物质和起始物质的量变化，其中反应需要在通过NMR、GC等确认起始物质完全消耗之后完成。当反应完成时，可以通过过滤，随后通过在减压下简单蒸馏除去溶剂，并且然后可以通过一般方法如分馏、减压下蒸馏等来分离和精炼期望的物质。
在另一个一般的方面中，本发明提供了包含如上所述的环二硅氮烷衍生物的用于沉积含硅薄膜的组合物。
本发明的用于沉积含硅薄膜的组合物可包含本发明的环二硅氮烷衍生物作为用于薄膜沉积的前体，并且所述组合物中的环二硅氮烷衍生物的含量可以在本领域技术人员考虑到成膜条件或者薄膜的厚度、特性等可确定的范围内。
在另一个一般的方面中，本发明提供了用于通过使用如上所述的环二硅氮烷制造含硅薄膜的方法。
在另一个一般的方面中，本发明提供了通过包含如上所述的环二硅氮烷制造的含硅薄膜。
本发明的含硅薄膜可通过一般的方法制造，例如，金属有机化学气相沉积(MOVCD)、原子层沉积(ALD)、低压化学气相沉积(LPVCD)、等离子体增强化学气相沉积(PECVD)、等离子体增强原子层沉积(PEALD)等。
本发明的环二硅氮烷衍生物具有低活化能和高反应性，并且使非挥发性副产物的产生最小化，使得通过使用所述环二硅氮烷衍生物作为前体制造的含硅薄膜可具有高纯度以及优良的物理和电学特性。
有益效果
本发明的环二硅氮烷衍生物具有优良的热稳定性和高反应性，使得通过使用所述环二硅氮烷衍生物作为前体制造的含硅薄膜可以具有高纯度和显著优良的物理和电学特性。
另外，本发明的环二硅氮烷衍生物可具有高含量的硅并且在室温和大气压下呈液态，由此容易储存和处理，并且可具有高挥发性和高反应性以迅速地和容易地沉积，并且可以沉积具有优良内聚性和较优的阶梯覆盖的薄膜。
附图说明
本发明的上述和其他目的、特征和优点将通过结合附图给出的优选实施方案的以下描述变得明显，其中：
图1示出了由通过实施例1制备的1,3-二异丙基-2,4-二甲基环二硅氮烷的热重分析获得的结果。
图2示出了由通过实施例1制备的1,3-二异丙基-2,4-二甲基环二硅氮烷的蒸气压测量获得的结果。
图3示出了由通过实施例6制备的1,3-二异丙基-4,4-二甲基环二硅氮烷的热重分析获得的结果。
图4示出了由通过实施例6制备的1,3-二异丙基-4,4-二甲基环二硅氮烷的蒸气压测量获得的结果。
图5示出了通过实施例7和比较例1实施的用于沉积含硅薄膜的方法。
图6示出了由使用透射电子显微镜对通过实施例7实施的含硅薄膜进行阶梯覆盖分析获得的结果。
图7示出了由通过实施例7和比较例1实施的含硅薄膜的红外光谱分析获得的结果。
图8示出了由通过实施例7实施的含硅薄膜的俄歇电子能谱分析获得的结果。
图9示出了由使用椭圆偏光仪对通过实施例7和比较例1实施的含硅薄膜进行蚀刻速率分析获得的结果。
图10是示出了通过实施例8实施的用于沉积含硅薄膜的方法的图。
图11示出了由通过实施例8实施的含硅薄膜的红外光谱分析获得的结果。
具体实施方式
下文中，将更详细地参考以下示例性实施方案对本发明进行描述。然而，以下示例性实施方案仅仅借助实施例描述本发明，但不限于此。
以下实施例的所有化合物在无水和惰性气氛下使用手套箱或Schlenk管进行操作，产品通过1H核磁共振(NMR，400MHz Ultrashield，Buruker)、热重分析(TGA，L81-II，LINSEIS)和气相色谱(GC，7890A，Agilent Technologies)分析，经沉积的薄膜的厚度通过椭圆偏光仪(M2000D，Woollam)测量，并且所述膜的组分通过红外光谱(IFS66V/S&Hyperion3000，Bruker Optiks)和俄歇电子光谱仪(Microlab 350，Thermo Electron)分析。
[实施例1]1,3-二异丙基-2,4-二甲基环二硅氮烷的合成
1)1,3-二异丙基-2,4-二氯二甲基环二硅氮烷的合成
将127g(0.86mol)三氯(甲基)硅烷(CH3SiCl3)和1200ml有机溶剂(正己烷)放入火焰干燥的2000ml Schlenk烧瓶中并在无水和惰性气氛下搅拌，向其中缓慢地添加101.7g(1.72mol)异丙胺(H2NCH(CH3)2)同时保持温度为-10℃。在完成添加之后，将反应溶液的温度缓慢地升至室温，并在室温下搅拌反应溶液3小时。在完成搅拌之后，过滤反应溶液，并将通过过滤获得的白色固体移除以获得滤液。向在减压下从滤液中移除溶剂之后回收的二氯(甲基)(异丙基氨基)硅烷(Cl2CH3SiNHCH(CH3)2)中放入200ml有机溶剂(正己烷)，并搅拌，然后向其中缓慢地添加367.0g(0.90mol)1.7M叔丁基锂(t-C4H9Li)己烷(C6H14)溶液同时保持温度为40℃。在完成添加之后，将反应溶液的温度缓慢地升至65℃，并搅拌反应溶液12小时。在完成搅拌之后，过滤反应溶液，并将通过过滤获得的白色固体移除以获得滤液，然后在减压下从滤液中移除溶剂，通过减压蒸馏以70％的产率获得81.4g(0.30mol)1,3-二异丙基-2,4-二氯二甲基环二硅氮烷((ClCH3SiNCH(CH3)2)2)。
1H NMR(C6D6中)δ0.50，0.53(s，6H，顺-NSi(CH3)Cl，反-NSi(CH3)Cl)，1.07(d，12H，Si(NCH(CH3)2)，3.27(m，2H，Si(NCH(CH3)2)；沸点197℃.
2)1，3-二异丙基-2，4-二甲基环二硅氮烷的合成
将100g(0.37mol)1，3-二异丙基-2，4-二氯二甲基环二硅氮烷(在以上1中合成的(ClCH3SiNCH(CH3)2)2)和200ml有机溶剂(THF)放入1000ml的火焰干燥的Schlenk烧瓶中并在无水和惰性气氛下搅拌，向其中缓慢地添加7.33g(0.92mol)氢化锂(LiH)同时保持温度为-15℃。在完成添加之后，将反应溶液的温度缓慢地升至65℃，并搅拌反应溶液12小时。在完成搅拌之后，过滤反应溶液，并将通过过滤获得的白色固体移除以获得滤液，然后在减压下从滤液中移除溶剂，通过减压蒸馏以80％的产率获得60g(0.3mol)1，3-二异丙基-2，4-二甲基环二硅氮烷((HCH3SiNCH(CH3)2)2)。
1H NMR(C6Ds中)δ0.33(m，6H，NSiH(CH3))，1.05(m，12H，Si(NCH(CH3)2)，3.20(m，2H，Si(NCH(CH3)2)，5.52(m，2H，NSiH(CH3))；沸点73～175℃.
[实施例2]1，3-二异丙基环二硅氮烷的合成
1)1，3-二异丙基-2，2，4，4-四氯环二硅氧烷的合成
将150g(0.89mol)四氯硅烷(SiCl4)和500ml有机溶剂(正己烷)放入火焰干燥的2000ml Schlenk烧瓶中并在无水和惰性气氛下搅拌，向其中缓慢地添加104.76g(1.77mol)异丙胺(H2NCH(CH3)2)同时保持温度为-10℃。在完成添加之后，将反应溶液的温度缓慢地升至室温，并在室温下搅拌反应溶液3小时。在完成搅拌之后，过滤反应溶液，并将通过过滤获得的白色固体移除以获得滤液。向在减压下从滤液中移除溶剂之后回收的三氯(异丙基氨基)硅烷(Cl3SiNHCH(CH3)2)中放入200ml有机溶剂(正己烷)，并搅拌，然后向其中缓慢地添加368.38g(0.90mol)1.7M的叔丁基锂(t-C4H9Li)己烷(C6H14)溶液同时保持温度为40℃。在完成添加之后，将反应溶液的温度缓慢地升至65℃，并搅拌反应溶液12小时。在完成搅拌之后，过滤反应溶液，并将通过过滤获得的白色固体移除以获得滤液，然后在减压下从滤液中移除溶剂，通过减压蒸馏以88％的产率获得121.7g(0.35mol)1，3-二异丙基-2，2，4，4-四氯环二硅氮烷((Cl2SiNCH(CH3)2)2)。
1H NMR(C6D6中)δ1.10(d，12H，Si(NCH(CH3)2)，3.34(m，2H，Si(NCH(CH3)2)；沸点216～217℃.
2)1，3-二异丙基环二硅氮烷的合成
将80g(0.26mol)1，3-二异丙基-2，2，4，4-四氯环二硅氮烷(以上1中合成的(Cl2SiNCH(CH3)2)2)和400ml有机溶剂(二乙醚)放入火焰干燥的2000ml Schlenk烧瓶中并在无水和惰性气氛下搅拌，向其中缓慢地添加12.35g(1.55mol)氢化铝锂(LiAlH4)同时保持温度为-15℃。在完成添加之后，将反应溶液的温度缓慢地升至60℃，并搅拌反应溶液12小时。在完成搅拌之后，过滤反应溶液，并将通过过滤获得的白色固体移除以获得滤液，然后在减压下从滤液中移除溶剂，通过减压蒸馏以60％的产率获得26.8g(0.16mol)1，3-二异丙基环二硅氮烷((H2SiNCH(CH3)2)2)。
1H NMR(C6D6中)δ1.11(d，12H，Si(NCH(CH3)2)，3.23(m，2H，Si(NCH(CH3)2)，4.48(s，2H，NSiH)；沸点155～160℃.
[实施例3]1，3-二异丙基-2-氯-4，4-二甲基环二硅氮烷的合成
将214g(1.66mol)二氯二甲基硅烷(Si(CH3)2Cl2)和1000ml有机溶剂(正己烷)放入火焰干燥的2000ml Schlenk烧瓶中并在无水和惰性气氛下搅拌，向其中缓慢地添加392.1g(6.63mol)异丙胺(H2NCH(CH3)2)同时保持温度为-10℃。在完成添加之后，将反应溶液的温度缓慢地升至室温，并在室温下搅拌反应溶液3小时。在完成搅拌之后，过滤反应溶液，并将通过过滤获得的白色固体移除以获得滤液。向在减压下从滤液中移除溶剂之后回收的二(异丙基氨基)二甲基硅烷((CH3)2Si(NHCH(CH3)2)2)中放入300ml有机溶剂(正己烷)，并搅拌，然后向其中缓慢地添加1005.3g(3.32mol)2.5M的正丁基锂(n-C4H9Li)己烷(C6H14)溶液同时保持温度为-15℃。在完成添加之后，将反应溶液的温度缓慢地升至25℃，并搅拌反应溶液12小时，然后，向其中缓慢地添加224.6g(1.66mol)三氯硅烷(SiHCl3)。在完成添加之后，将反应溶液的温度缓慢地升至65℃，并搅拌反应溶液12小时。在完成搅拌之后，过滤反应溶液，并将通过过滤获得的白色固体移除以获得滤液，然后在减压下从滤液中移除溶剂，通过减压蒸馏以65％的产率获得255.3g(1.08mol)1，3-二异丙基-2-氯-4，4-二甲基环二硅氮烷(((CH3)2SiNCH(CH3)2)(ClSiHNCH(CH3)2))。
1H NMR(C6D6中)δ0.19和0.21(s，6H，NSi(CH3)2)，1.03(d，12H，Si(NCH(CH3)2)，3.17(m，2H，Si(NCH(CH3)2)，5.99(s，1H，NSiHCl)；沸点190℃.
[实施例4]1，3-二异丙基-2-氯-4，4-二甲基环二硅氮烷的合成
将107g(0.83mol)二氯二甲基硅烷(Si(CH3)2Cl2)和400ml有机溶剂(正己烷)放入火焰干燥的1000ml Schlenk烧瓶中并在无水和惰性气氛下搅拌，向其中缓慢地添加167.7g(1.66mol)三乙基胺((C2H5)3N)同时保持温度为-10℃，然后向其中缓慢地添加98.0g(1.65mol)异丙胺(H2NCH(CH3)2)同时保持温度为-10℃。在完成添加之后，将反应溶液的温度缓慢地升至室温，并在室温下搅拌反应溶液3小时。在完成搅拌之后，过滤反应溶液，并将通过过滤获得的白色固体移除以获得滤液。向在减压下从滤液中移除溶剂之后回收的二(异丙基氨基)二甲基硅烷((CH3)2Si(NHCH(CH3)2)2)中放入200ml有机溶剂(正己烷)，并搅拌，然后向其中缓慢地添加351.8g(1.16mol)2.5M的正丁基锂(n-C4H9Li)己烷(C6H14)溶液同时保持温度为-10℃。在完成添加之后，将反应溶液的温度缓慢地升至室温，并搅拌反应溶液12小时，然后，向其中缓慢地添加224.6g(1.66mol)三氯硅烷(SiHCl3)。在完成添加之后，将反应溶液的温度缓慢地升至65℃，并搅拌反应溶液12小时。在完成搅拌之后，过滤反应溶液，并将通过过滤获得的白色固体移除以获得滤液，然后在减压下从滤液中移除溶剂，通过减压蒸馏以65％的产率获得255.3g(1.08mol)1，3-二异丙基-2-氯-4，4-二甲基环二硅氮烷(((CH3)2SiNCH(CH3)2)(ClSiHNCH(CH3)2))。
1H NMR(C6D6中)δ0.19和0.21(s，6H，NSi(CH3)2)，1.03(d，12H，Si(NCH(CH3)2)，3.17(m，2H，Si(NCH(CH3)2)，5.99(s，1H，NSiHCl)；沸点190℃.
[实施例5]1，3-二异丙基-2-氯-4，4-二甲基环二硅氮烷的合成
将98.0g(1.65mol)异丙胺(H2NCH(CH3)2)和400ml有机溶剂(正己烷)放入火焰干燥的1000ml Schlenk烧瓶中并在无水和惰性气氛下搅拌，向其中缓慢地添加500.4g(1.65mol)2.5M的正丁基锂(n-C4H9Li)己烷(C6H14)同时保持温度为-10℃。在完成添加之后，将反应溶液的温度缓慢地升至室温，并在室温下搅拌反应溶液3小时，然后向其中缓慢地添加107g(0.83mol)二氯二甲基硅烷((CH3)2SiCl2)同时保持温度为-10℃。在完成添加之后，将反应溶液的温度缓慢地升至室温，并且在室温下搅拌反应溶液3小时。在完成搅拌之后，过滤反应溶液，并将通过过滤获得的白色固体移除以获得滤液。向在减压下从滤液中移除溶剂之后回收的二(异丙基氨基)二甲基硅烷((CH3)2Si(NHCH(CH3)2)2)中放入200ml有机溶剂(正己烷)，并搅拌，然后向其中缓慢地添加351.8g(1.16mol)2.5M的正丁基锂(n-C4H9Li)己烷(C6H14)溶液同时保持温度为-10℃。在完成添加之后，将反应溶液的温度缓慢地升至室温，并搅拌反应溶液12小时，然后，向其中缓慢地添加224.6g(1.66mol)三氯硅烷(SiHCl3)。在完成添加之后，将反应溶液的温度缓慢地升至65℃，并搅拌反应溶液12小时。在完成搅拌之后，过滤反应溶液，并将通过过滤获得的白色固体移除以获得滤液，然后在减压下从滤液中移除溶剂，通过减压蒸馏以50％的产率获得196.4g(0.83mol)1，3-二异丙基-2-氯-4，4-二甲基环二硅氮烷(((CH3)2SiNCH(CH3)2)(ClSiHNCH(CH3)2))。
1H NMR(C6D6中)δ0.19和0.21(s，6H，NSi(CH3)2)，1.03(d，12H，Si(NCH(CH3)2)，3.17(m，2H，Si(NCH(CH3)2)，5.99(s，1H，NSiHCl)；沸点190℃.
[实施例6]1，3-二异丙基-4，4-二甲基环二硅氮烷的合成
将200g(0.84mol)以上实施例3中合成的1，3-二异丙基-2-氯-4，4-二甲基环二硅氮烷(((CH3)2SiNCH(CH3)2)(ClSiHNCH(CH3)2))和600ml有机溶剂(THF)放入火焰干燥的2000ml Schlenk烧瓶中并在无水和惰性气氛下搅拌，向其中缓慢地添加7.4g(0.93mol)氢化锂(LiH)同时保持温度为-15℃。在完成添加之后，将反应溶液的温度缓慢地升至65℃，并搅拌反应溶液12小时。在完成搅拌之后，过滤反应溶液，并将通过过滤获得的白色固体移除以获得滤液，然后在减压下从滤液中移除溶剂，通过减压蒸馏以50％的产率获得85.46g(0.42mol)1，3-二异丙基-4，4-二甲基环二硅氮烷(((CH3)2SiNCH(CH3)2)(SiH2NCH(CH3)2))。
1H NMR(C6D6中)δ0.26(s，6H，NSi(CH3)2)，1.06(d，12H，Si(NCH(CH3)2)，3.18(m，2H，Si(NCH(CH3)2)，5.51(s，1H，NSiH2)；沸点175℃.
[实施例7]使用环二硅氮烷衍生物通过等离子体增强原子层沉积(PEALD)来沉积二氧化硅膜
膜形成的评估通过如下进行：使用公知的PEALD法在一般等离子体增强原子层沉积(PEALD)设备中使用根据本发明的实施例1的1，3-二异丙基-2，4-二甲基环二硅氮烷和实施例6的1，3-二异丙基-4，4-二甲基环二硅氮烷作为用于形成二氧化硅膜的组合物。氧与等离子体一起用作反应气，作为惰性气体的氩用于清除。下文中，图5和表1具体地示出了用于沉积二氧化硅薄膜的方法。
表1
[表1]
二氧化硅薄膜的沉积条件
通过椭圆偏光仪测量沉积的薄膜的厚度，并且通过红外光谱和俄歇电子能谱分析SiO2薄膜的形成和薄膜的组分。在Si晶片上的50次循环中，1,3-二异丙基-2,4-二甲基环二硅氮烷(实施例1)的薄膜的厚度为并且1,3-二异丙基-4,4-二甲基环二硅氮烷(实施例6)的薄膜的厚度为 此外，在Si图案晶片上的273次循环中，通过包含1,3-二异丙基-2,4-二甲基环二硅氮烷(实施例1)制造的薄膜的厚度为并且在Si图案晶片上的406次循环中，通过包含1,3-二异丙基-4,4-二甲基环二硅氮烷(实施例6)制造的薄膜的厚度为另外，阶梯覆盖率为98.17％至101.89％。因此，确定了这些薄膜能够有效地用于需要高沉积速率和优良的阶梯覆盖(图6)的所有二氧化硅薄膜应用领域。
此外，如图7和图8中所示，所有沉积的薄膜均形成为二氧化硅膜，并且未观察到杂质的峰(如C-H、Si-OH)(图7)。通过使用1,3-二异丙基-2,4-二甲基环二硅氮烷(实施例1)形成的薄膜中氧与硅之比为2.07∶1，并且通过使用1,3-二异丙基-4,4-二甲基环二硅氮烷(实施例6)形成的薄膜中氧与硅之比为2.03∶1，并且碳和氮的含量为0％，因此，可以确定形成了高纯度二氧化硅薄膜(图8)。
此外，沉积的薄膜的蚀刻速率通过使用缓冲氧化物蚀刻剂(BOE)溶液(300∶1)来确定。通过使用1,3-二异丙基-2,4-二甲基环二硅氮烷(实施例1)而沉积的二氧化硅薄膜以/秒的速率被蚀刻，并且通过使用1,3-二异丙基-4,4-二甲基环二硅氮烷(实施例6)而沉积的二氧化硅薄膜以/秒的速率被蚀刻。作为通过在750℃下热处理每个样品30分钟并且确定蚀刻速率而获得的结果，1,3-二异丙基-2,4-二甲基环二硅氮烷的氧化物薄膜的蚀刻速率为/秒，并且1,3-二异丙基-4,4-二甲基环二硅氮烷的氧化物薄膜的蚀刻速率为/秒，这确定了蚀刻速率下降。确定了在1000℃下沉积的用作比较样品的热氧化物薄膜的蚀刻速率为 /秒(图9)。
换言之，确定了通过本发明制备的新的环二硅氮烷衍生物在通过等离子体增强原子层沉积(PEALD)形成具有高沉积速率、优良的阶梯覆盖和抗蚀刻性的高纯度二氧化硅薄膜方面具有高利用价值。
[比较例1]使用公知的氨基甲硅烷基胺化合物通过离子增强原子层沉积(PEALD)来沉积二氧化硅膜
比较例的膜形成的评估在与以上实施例7实施的相同沉积条件下通过公知的PEALD来进行，不同之处在于使用如下表2中所示的公知的氨基甲硅烷基胺化合物，然后，通过与以上实施例7实施的相同分析方法和条件来分析沉积的薄膜，并获得其分析结果。下文中，图5和表2具体地示出了用于沉积二氧化硅薄膜的方法。
表2
[表2]
二氧化硅薄膜沉积条件
通过椭圆偏光仪测量每个经沉积的薄膜的厚度，并通过红外光谱分析SiO2薄膜的形成。在Si晶片上的50次循环中，薄膜的厚度为(前体A)和(前体B)，这示出了与通过实施例7实施的环二硅氮烷衍生物相比较低的沉积速率，并且所有薄膜均形成为二氧化硅膜(图7)。
此外，沉积的薄膜的蚀刻速率通过使用缓冲氧化物蚀刻剂(BOE)溶液(300∶1)来确定。通过使用前体A而沉积的二氧化硅薄膜以/秒的速率被蚀刻，并且通过使用前体B而沉积的二氧化硅薄膜以/秒的速率被蚀刻。作为通过在750℃下热处理每个样品30分钟并确定蚀刻速率而获得的结果，前体A的氧化物薄膜的蚀刻速率为/秒，并且前体B的氧化物薄膜的蚀刻速率为/秒，这确定了蚀刻速率下降。确定了在1000℃下沉积的用作比较样品的热氧化物薄膜的蚀刻速率为/秒(图9)。
[实施例8]使用环二硅氮烷衍生物通过等离子体增强原子层沉积(PEALD)来沉积氮化硅膜
膜形成的评估通过如下进行：使用公知的PEALD法在一般等离子体增强原子层沉积(PEALD)设备中使用根据本发明的实施例1的1,3-二异丙基-2,4-二甲基环二硅氮烷作为用于形成氮化硅膜的组合物。氮与等离子体一起用作反应气，相同的氮气用于清除。下文中，图10和表3具体地示出了用于沉积氮化硅薄膜的方法。
表3
[表3]
氮化硅薄膜沉积条件
通过椭圆偏光仪测量沉积的薄膜的厚度，并通过红外光谱和俄歇电子能谱分析SiN薄膜的形成和薄膜的组分。在Si晶片上的500次循环中，薄膜的厚度为
此外，如图11中所示，观察到所有沉积的薄膜均形成为氮化硅膜，并且包含少量的键如N-H、Si-H。
此外，沉积的薄膜的蚀刻速率通过使用缓冲氧化物蚀刻剂(BOE)溶液(300∶1)来确定。沉积的氮化硅薄膜以/秒的速率被蚀刻，并且在1000℃下沉积的用作比较样品的热氧化物薄膜以/秒的速率被蚀刻，并且使用二氯硅烷通过在770℃下的低压化学气相沉积(LPCVD)而沉积的氮化硅薄膜以/秒的速率被蚀刻。
也就是说，确定了通过本发明制备的新的环二硅氮烷衍生物在通过等离子体增强原子层沉积(PEALD)形成具有高沉积速率和优良的抗蚀刻性的高纯度氮化硅薄膜方面具有高利用价值。
工业实用性
本发明的环二硅氮烷衍生物具有优良的热稳定性和高反应性，使得通过使用所述环二硅氮烷衍生物作为前体制造的含硅薄膜可具有高纯度以及显著优良的物理和电学特性。
此外，本发明的环二硅氮烷衍生物可具有高的硅含量并且在室温和大气压下以液态存在从而易于存储和处理，并且可具有高挥发性和高反应性以快速地并容易地沉积，并且可沉积具有优良的内聚力和优异的阶梯覆盖的薄膜。

Claims (10)

1.一种由以下化学式1表示的环二硅氮烷衍生物：
[化学式1]
在化学式1中，
R1至R3各自独立地为氢、卤素、C1-C5烷基或C2-C5烯基，并且
R4为C3烷基或C3烯基。
2.根据权利要求1所述的环二硅氮烷衍生物，其中所述环二硅氮烷衍生物选自以下化合物：
3.一种用于制备由以下化学式1表示的环二硅氮烷衍生物的方法，包括：
通过使由以下化学式2表示的硅烷衍生物与由以下化学式3表示的胺衍生物反应来制备由以下化学式4表示的二氨基硅烷衍生物；以及
在C1-C7烷基锂的存在下，通过由以下化学式4表示的所述二氨基硅烷衍生物与由以下化学式5表示的硅烷衍生物的环化反应来制备由以下化学式1表示的所述环二硅氮烷衍生物：
[化学式1]
[化学式2]
[化学式3]
H2N-R4
[化学式4]
[化学式5]
在化学式1至5中，
R1至R3各自独立地为氢、卤素、C1-C5烷基或C2-C5烯基，
R4为C3烷基或C3烯基，并且X为卤素。
4.根据权利要求3所述的方法，其中由化学式4表示的所述二氨基硅烷衍生物的制备在由以下化学式10表示的碱或C1-C7烷基锂的存在下进行：
[化学式10]
N(R6)(R7)(R8)
在化学式10中，R6至R8各自独立地为C1-C7烷基。
5.一种用于制备由以下化学式1-2表示的环二硅氮烷衍生物的方法，所述方法包括：
通过使由以下化学式1-1表示的卤代环二硅氮烷衍生物与金属氢化物或由以下化学式8表示的碱金属衍生物反应来制备由以下化学式1-2表示的所述环二硅氮烷衍生物：
[化学式1-2]
[化学式1-1]
[化学式8]
M-R10
在化学式1-1、1-2和8中，
M为碱金属；
R10各自独立地为氢或C1-C5烷基；
R1至R3中的至少一者为卤素，并且余者为氢、卤素、C1-C5烷基或C2-C5烯基；
R4为C3烷基或C3烯基；并且
R1a至R3a中的至少一者为氢，并且余者为氢、C1-C5烷基或C2-C5烯基，其中当R1为卤素时，R1a为氢，并且当R2为卤素时，R2a为氢，并且当R3为卤素时，R3a为氢。
6.一种用于制备由以下化学式9表示的环二硅氮烷衍生物的方法，所述方法包括：
通过使由以下化学式2表示的硅烷衍生物与由以下化学式3表示的胺衍生物反应来制备由以下化学式6表示的氨基硅烷衍生物；
在C1-C7烷基锂的存在下，通过由以下化学式6表示的所述氨基硅烷衍生物的分子内环化反应来制备由以下化学式7表示的卤代环二硅氮烷衍生物；以及
通过使由以下化学式7表示的所述卤代环二硅氮烷衍生物与金属氢化物或由以下化学式8表示的碱金属衍生物反应来制备由以下化学式9表示的所述环二硅氮烷衍生物：
[化学式2]
[化学式3]
H2N-R4
[化学式6]
[化学式7]
[化学式8]
M-R10
[化学式9]
在化学式2、3和6至9中，
R1为卤素；
R2为氢、卤素、C1-C5烷基或C2-C5烯基；
R4为C3烷基或C3烯基；
X为卤素；
M为碱金属；
R10为氢或C1-C5烷基；
R1a为氢；
其中，当R2为氢或卤素时，R2a为氢，并且
当R2为C1-C5烷基或C2-C5烯基时，R2a为C1-C5烷基或C2-C5烯基。
7.根据权利要求6所述的方法，其中由化学式6表示的所述氨基硅烷衍生物的制备在由以下化学式10表示的碱或C1-C7烷基锂的存在下进行：
[化学式10]
N(R6)(R7)(R8)
在化学式10中，R6至R8各自独立地为C1-C7烷基。
8.根据权利要求5或6所述的方法，其中所述金属氢化物为选自LiH、NaH、KH和LiAlH4中的一者或者两者或更多者的混合物。
9.一种用于沉积含硅薄膜的组合物，包含根据权利要求1或2所述的环二硅氮烷衍生物。
10.一种用于通过使用根据权利要求1或2所述的环二硅氮烷衍生物制造含硅薄膜的方法。
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