JP2003166058A - 化学気相成長用銅原料及びこれを用いた薄膜の製造方法 - Google Patents
化学気相成長用銅原料及びこれを用いた薄膜の製造方法Info
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Abstract
性を有し、低い成膜温度でも良好な電気的特性を与える
化学気相成長用銅原料及び該原料を用いた銅系薄膜の化
学気相成長法による製造方法を提供する。 【解決手段】 下記一般式(1)で表される銅(II)の
β−ジケトネート錯体を含有してなる化学気相成長用銅
原料。 【化1】
Description
下、CVDと記載する)法に用いられるCVD用銅原料
及び該原料を用いた銅系薄膜の製造方法に関し、詳しく
は、特定の構造を有する銅(II)のβ−ジケトネート錯
体を含有してなるCVD用銅原料及びこれを用いた銅系
薄膜の製造方法に関する。
銅系合金は、高い導電性、エレクトロマイグレーション
耐性からLSIの配線材料として応用されている。ま
た、銅を含む複合金属酸化物は、高温超電導体等の機能
性セラミックス材料として応用が期待されている。
属酸化物等の銅系薄膜の製造方法としては、スパッタリ
ング法、イオンプレーティング法、塗布熱分解法等が挙
げられるが、加工寸法が微細になるに従い、組成制御
性、段差被覆性、段差埋め込み性に優れること、LSI
プロセスとの適合性等からCVD法が最適な薄膜製造プ
ロセスとして検討されている。
て製造するための銅のCVD原料は、これまでに提案さ
れたものが必ずしも十分な特性を有しているものではな
かった。例えば、ジピバロイルメタナト銅に代表される
固体の銅(II)のβ−ジケトネート錯体は、固体ゆえ、
原料の気化工程において、昇華現象でガス化させるか、
あるいは、融点以上の高温に原料を保つ必要があり、揮
発量不足、経時変化等の原料ガス供給性やインラインで
の原料の輸送に問題があった。これに対し、固体原料を
有機溶剤に溶解させた溶液を用いる溶液CVD法が特開
平5−132776号公報、特開平8−186103公
報等で提案されているが、固体原料では、気化装置中で
の温度変化や溶剤の部分的揮発、濃度変化が原因の固体
析出を起こし、配管の詰まり等により供給量が経時的に
減少する傾向があるので、成膜速度や銅組成制御性につ
いて安定した薄膜製造が得られないという問題が残って
いる。
特開平10−195654号公報には、液体で、揮発性
の大きい原料である銅(I)のβ−ジケトネート錯体に
有機珪素化合物を付加させた銅化合物の使用が提案され
ているが、該化合物は、熱的、化学的に不安定な化合物
であり、低温で分解する、多成分系での使用に適さない
等の問題がある。
種類以上のβ−ジケトンの混合物を使用することで得た
液体のβ−ジケトネートを用いる方法が報告されている
が、混合物なので薄膜製造条件の安定性、固体析出に問
題が残る。
40号公報には、特定の構造を有する銅(II)のβ−ジ
ケトネート錯体を含有しなるCVD原料が報告されてい
る。しかし、この原料は、200℃以下の低い成膜温度
(基体温度)で成膜した場合に膜中に原料由来の不純物
が残留し、必要な電気的特性を得られない場合がある。
特にLSI銅配線に用いた場合、不純物の炭素及び酸素
により、充分な導電率を得られない問題があった。
適する充分な熱的安定性を有し、低い成膜温度でも良好
な電気的特性を与えるCVD用銅原料及び該原料を用い
た銅系薄膜のCVD法による製造方法を提供することに
ある。
ねた結果、特定の構造を有する銅(II)のβ−ジケトネ
ート錯体を見出し、該化合物を用いることにより、上記
課題を解決し得ることを知見した。
ので、下記一般式(1)で表される銅(II)のβ−ジケ
トネート錯体を含有してなる化学気相成長(CVD)用
銅原料及び該CVD用銅原料を用いた化学気相成長(C
VD)法による銅系薄膜の製造方法を提供するものであ
る。
料について、特に良好な性能を与える配位子化合物であ
る下記一般式(2)で表されるβ−ジケトン化合物を提
供するものである。
詳細に説明する。
錯体は、下記に示す化合物No.1〜4である。なお、
上記一般式(1)及び下記式では、便宜上β−ジケトン
配位子化合物の末端アルキル基(2−ヘプチル基と炭素
数1〜4の直鎖アルキル基)を区別した形で記載してい
るが、これは、金属原子と配位子であるβ−ジケトンと
の錯体化合物を表す方法の一つであり、これらの位置を
厳密に区別しているものではない。
物No.3が特に揮発性と熱的安定性バランスがよく好
ましい構造である。
ケトン化合物は、該当するケトンと有機酸エステル(低
級アルコールエステル、フェニルエステル)化合物、酸
ハライド等有機酸の反応性誘導体との縮合反応によって
得ることができる。
ルケトンと2−エチルヘキサン酸エステルとの縮合反応
により得ることができ、また、2−ヘプチルメチルケト
ンと炭素数2〜5の直鎖の有機酸から誘導されるエステ
ル化合物との縮合反応により得ることができる。また、
これらの縮合反応の縮合剤としては、塩基性化合物が用
いられる。該縮合剤としては、例えば、水素化ナトリウ
ム、水素化リチウム、ナトリウムアミド、リチウムアミ
ド、水酸化ナトリウム、水酸化リチウム、ナトリウム、
リチウム、ナトリウムメチラート、リチウムメチラート
等が挙げられる。
ケトン化合物としては、上記一般式(2)で表されるβ
−ジケトン化合物が好ましい。
錯体について、その製造方法は、何ら制限を受けず、β
−ジケトン化合物と銅塩との公知の反応によって得るこ
とができ、例えば、水酸化銅(II)と該当するβ−ジケ
トン化合物から合成される。
とは、上記の銅(II)のβ−ジケトネート錯体を含有し
てなるものであり、その形態は、使用されるCVD法の
輸送供給方法等の手法により適宜選択されるものであ
る。
用銅原料を原料容器中で加熱及び/又は減圧することに
より気化させ、必要に応じて用いられるアルゴン、窒
素、ヘリウム等のキャリアガスと共に堆積反応部へと導
入する気体輸送法、CVD用銅原料を液体又は溶液の状
態で気化室まで輸送し、気化室で加熱及び/又は減圧す
ることにより気化させて、堆積反応部へと導入する液体
輸送法がある。気体輸送法の場合は、上記の銅(II)の
β−ジケトネート錯体そのものがCVD用銅原料とな
り、液体輸送法の場合は、銅(II)のβ−ジケトネート
錯体そのもの又は該銅(II)のβ−ジケトネート錯体を
有機溶剤に溶かした銅(II)のβ−ジケトネート錯体溶
液がCVD用銅原料となる。
CVD法においては、CVD用原料を各成分独立で気
化、供給する方法(以下、シングルソース法と記載する
こともある)と、多成分原料を予め所望の組成で混合し
た混合原料を気化、供給する方法(以下、カクテルソー
ス法と記載することもある)がある。カクテルソース法
の場合、本発明に係る銅(II)のβ−ジケトネート錯体
と他の成分の金属供給源化合物との混合物或いは混合溶
液がCVD用原料である。
しては、特に制限を受けることはなく周知一般の有機溶
剤を用いることができる。該有機溶剤としては、例え
ば、メタノール、エタノール、2−プロパノール、n−
ブタノール等のアルコール類;酢酸エチル、酢酸ブチ
ル、酢酸メトキシエチル等の酢酸エステル類、エチレン
グリコールモノメチルエーテル、エチレングリコールモ
ノエチルエーテル、エチレングリコールモノブチルエー
テル、ジエチレングリコールモノメチルエーテル等のエ
ーテルアルコール類;テトラヒドロフラン、エチレング
リコールジメチルエーテル、ジエチレングリコールジメ
チルエーテル、トリエチレングリコールジメチルエーテ
ル、ジブチルエーテル等のエーテル類;メチルブチルケ
トン、メチルイソブチルケトン、エチルブチルケトン、
ジプロピルケトン、ジイソブチルケトン、メチルアミル
ケトン、シクロヘキサノン、メチルシクロヘキサノン等
のケトン類;ヘキサン、シクロヘキサン、メチルシクロ
ヘキサン、エチルシクロヘキサン、ヘプタン、オクタ
ン、トルエン、キシレン等の炭化水素類、1−シアノプ
ロパン、1−シアノブタン、1−シアノヘキサン、シア
ノシクロヘキサン、シアノベンゼン、1,3−ジシアノ
プロパン、1,4−ジシアノブタン、1,6−ジシアノ
ヘキサン、1,4−ジシアノシクロヘキサン、1,4−
ジシアノベンゼン等のシアノ基を有する炭化水素類、ピ
リジン、ルチジンが挙げられ、これらは、溶質の溶解
性、使用温度と沸点、引火点の関係等によって適宜選択
される。
は、特に制限を受けずCVD原料となる化合物を用いる
ことができる。本発明に係る銅系薄膜とは、その組成物
中に銅元素含有する薄膜のことであり、例えば、配線材
料としては、銅、銅−アルミニウム合金、銅−銀合金等
が挙げられ、高温超電導酸化物材料としては、YBa 2
Cu3O7-δ型酸化物(YBC系)超電導体やYBC系
超電導体のYサイトをランタノイド元素で置換したRE
BC系超電導体、Bi2Sr2Ca2Cu2O8、Bi2Sr
2Ca2Cu3O10等のBSCC系超電導体が挙げられ
る。従って、上記の他の金属供給源化合物としては、こ
れらの金属と、アルコール化合物、グリコール化合物、
β−ジケトン化合物及びシクロペンタジエン化合物等か
ら選ばれる一種類又は二種類以上の有機配位化合物との
化合物が挙げられる。
原料には、必要に応じて銅及び/又は他の金属供給源化
合物の安定性を付与するため求核性試薬を含有してもよ
い。該求核試薬としては、グライム、ジグライム、トリ
グライム、テトラグライム等のエチレングリコールエー
テル類、18−クラウン−6、ジシクロヘキシル−18
−クラウン−6、24−クラウン−8、ジシクロヘキシ
ル−24−クラウン−8、ジベンゾ−24−クラウン−
8等のクラウンエーテル類、エチレンジアミン、N,
N’−テトラメチルエチレンジアミン、ジエチレントリ
アミン、トリエチレンテトラミン、テトラエチレンペン
タミン、ペンタエチレンヘキサミン、1,1,4,7,
7−ペンタメチルジエチレントリアミン、1,1,4,
7,10,10−ヘキサメチルトリエチレンテトラミン
等のポリアミン類、サイクラム、サイクレン等の環状ポ
リアミン類、アセト酢酸メチル、アセト酢酸エチル、ア
セト酢酸−2−メトキシエチル等のβ−ケトエステル類
又はβ−ジケトン類が挙げられ、これら求核性試薬(安
定剤)の使用量は、金属化合物1モルに対して0.1〜
10モルの範囲で使用され、好ましくは1〜4モルの範
囲で使用される。
般式(1)で表される銅(II)のβ−ジケトネート錯体
を原料に用いた化学気相成長(CVD)法によるもので
ある。CVD法とは、気化させた原料と必要に応じて用
いられる反応性ガスを基体上に導入し、次いで、原料を
基体上で分解及び/又は反応させて薄膜を基体上に成
長、堆積させる方法を指す。本発明の製造方法は、原料
の輸送供給方法、堆積方法、製造条件、製造装置等につ
いては、特に制限を受けるものではない。
としては、例えば、酸素、オゾン、二酸化窒素、一酸化
窒素、水蒸気の酸化性ガス、水素等の還元性ガスが挙げ
られる。
した気体輸送法、液体輸送法、カクテルソース法、シン
グルソース法が挙げられる。
又は原料ガスと反応性ガスを熱のみにより反応させセラ
ミックスを堆積させる熱CVD、熱とプラズマを使用す
るプラズマCVD、水素原子源付プラズマCVD、熱と
光を使用する光CVD、熱、光及びプラズマを使用する
光プラズマCVD、CVDの堆積反応を素過程に分け、
分子レベルで段階的に堆積を行うAL(atomic
layer)−CVDが挙げられる。
(基体温度)、反応圧力、堆積速度等が挙げられる。基
体温度については、熱CVDの場合は原料である金属化
合物が充分に反応する温度である200℃以上が好まし
く、250〜800℃がより好ましい。また、プラズマ
を使用する場合は50〜350℃以上が好ましく、10
0〜300℃がより好ましい。反応圧力は、熱CVD、
光CVDの場合、大気圧〜10Paが好ましく、プラズ
マを使用する場合は、5〜1000Paが好ましい。ま
た、堆積速度は、原料の供給条件(気化温度、気化圧
力、溶液供給量)、反応温度、反応圧力によりコントロ
ールすることができる。堆積速度は、大きいと得られる
薄膜の電気的な特性が悪化する場合があり、小さいと生
産性に問題を生じる場合があるので、0.05〜100
0nm/分が好ましく、0.2〜500nm/分がより
好ましい。
は、薄膜堆積の後に、より良好な電気特性を得るために
不活性雰囲気、酸性雰囲気、還元性雰囲気又はこれらと
プラズマの併用での処理を行ってもよく、段差埋め込み
が必要な場合には、リフロー工程を設けてもよい。これ
らの処理温度は、100〜1200℃であり、150〜
1000℃が好ましい。
ン、窒化チタンや窒化タンタル等のバリア層を堆積した
シリコン、酸化ケイ素、絶縁ガラス、導電性金属等が挙
げられる。
詳細に説明する。しかしながら、本発明は以下の製造
例、実施例によって何ら制限を受けるものではない。
置換した3000ml反応用フラスコに、水分含量1p
pm以下のテトラヒドロフラン700g、ナトリウムア
ミド83.74gを仕込み、系内を5℃以下に冷却しな
がら2−エチルヘキサン酸フェニルを216g滴下し
た。これを5℃以下を保ちながら15分撹拌した後、エ
チルメチルケトンを139.3g滴下し、50℃で3時
間撹拌した。反応系を10℃以下に冷却し、有機相の1
/5の容量の水を加え、更に系内がpH2以下になるま
で希塩酸を加えてから油水分離して得た有機相を水、飽
和炭酸水素ナトリウム水溶液、水の順で洗浄し、無水硫
酸ナトリウムで乾燥した。得られた溶液を濃縮し、減圧
蒸留(条件;搭頂125〜130℃、25〜20tor
r)して得た液体を更にシリカゲル、酢酸エチル−ヘキ
サン溶媒にてカラム精製を行い、目的物である6−エチ
ルデカン−3,5−ジオンを52.7g(収率27.5
%)得た。また、これについて、1H−NMR、IR、
元素分析により構造を確認した。
プロトン数) (0.08〜0.86;m;6)(0.90〜0.9
5;t;3)(1.10〜1.29;m;4)(1.2
9〜1.43;m;2)(1.55〜1.67;m;
2)(1.87〜1.95;m;1)(1.95〜2.
05;q;2)(3.07;s;0.2)(5.25;
s;0.9)(16.45;br;0.8)・IR:
(cm-1) 2962、2933、2875、1725、1606、
1461、1378、1357、1259、1203、
1145、1110、1064、950、775 ・元素分析(質量%) 炭素;72.65(理論値72.68)、水素;11.
16(11.18)
ゴン置換した5000ml反応用フラスコに、水分含量
1ppm以下のテトラヒドロフラン1200g、ナトリ
ウムアミド118.0gを仕込み、系内を5℃以下に冷
却しながら2−エチルヘキサン酸フェニルを303.0
g滴下した。これを5℃以下を保ちながら15分撹拌し
た後、2−ペンタノンを234.6g滴下し、50℃で
5時間撹拌した。反応系を10℃以下に冷却し、トルエ
ン100g、有機相の1/5の容量の水を加え、更に系
内がpH2以下になるまで希塩酸を加えてから油水分離
して得た有機相を水、飽和炭酸水素ナトリウム水溶液、
水の順で洗浄し、無水硫酸ナトリウムで乾燥した。得ら
れた溶液を濃縮し、減圧蒸留(条件;搭頂125〜13
0℃、20〜18torr)して得た液体を更にシリカ
ゲル、酢酸エチル−ヘキサン溶媒にてカラム精製を行
い、目的物である7−エチルウンデカン−4,6−ジオ
ンを50.9g(収率17.6%)得た。また、これに
ついて、1H−NMR、IR、元素分析により構造を確
認した。
プロトン数) (0.73〜0.78;t;3)(0.08〜0.8
8;t+t;6)(1.15〜1.42;m+m+m;
6)(1.43〜1.54;m;2)(1.56〜1.
69;m;2)(1.89〜2.00;m+t;3)
(3.12;s;0.09)(5.24;s;1)(1
6.56;br;0.8)・IR:(cm-1) 2962、2933、2873、1725、1608、
1461、1380、1357、1259、1214、
1149、1091、1039、952、777 ・元素分析(質量%) 炭素;73.54(理論値73.54)、水素;11.
37(11.39)
水酸化銅(II)10.0g、トルエン200g、製造例
1で得られた6−エチルデカン−3,5−ジオン41.
0gを仕込み、生成する水を除きながら2時間還流し
た。反応液を冷却後、5Cの濾紙で濾過し、濾液を脱溶
媒し、暗緑色液体44.6g(収率95.0%)を得
た。得られた液体のIR吸収より、β−ジケトンに特徴
的な1606cm-1のピークが無いことを確認し、以下
に示す銅(II)のβ−ジケトナト錯体に特徴的な吸収波
数を確認した。2960cm-1、2931cm-1、28
73cm-1、1567cm-1、1519cm-1、142
5cm-1、472cm-1。また、ICPによる銅含有量
測定の結果は、理論値13.87質量%に対し13.8
3質量%でありよく一致した。
水酸化銅(II)10.0g、トルエン200g、製造例
2で得られた7−エチルウンデカン−4,6−ジオン4
3.6gを仕込み、生成する水を除きながら2時間還流
した。反応液を冷却後、5Cの濾紙で濾過し、濾液を脱
溶媒し、暗緑色液体47.9g(収率96.1%)を得
た。得られた液体のIR吸収より、β−ジケトンに特徴
的な1600cm-1のピークが無いことを確認し、以下
に示す銅(II)のβ−ジケトナト錯体に特徴的な吸収波
数を確認した。2960cm-1、2927cm-1、28
73cm-1、1571cm-1、1517cm-1、142
5cm-1、487cm-1。また、ICPによる銅含有量
測定の結果は、理論値13.07質量%に対し13.0
3質量%でありよく一致した。
マCVD装置を用いて、窒化チタンバリア層を施したシ
リコンウエハ上に、気化室温度200℃、原料流量;
0.1ml/min、キャリアガス;アルゴン50sc
cm、反応性ガス;水素70sccm、反応圧力;50
Pa、プラズマ出力20W、反応温度(基体温度);1
50℃で銅成膜を30分間行った。原料は、実施例1−
1及び実施例1−2として、化合物No.2及び化合物
No.3のそれぞれの0.15mol/リットル濃度オ
クタン溶液を使用し、比較例1−2及び比較例1−2と
して、上記化合物と類似構造である下記に示す比較化合
物1及び比較化合物2のそれぞれの0.15mol/リ
ットル濃度オクタン溶液用いた。
よる薄膜中の不純物である炭素含有量、酸素含有量の評
価、及び4探針法による表面抵抗の評価を行った。ま
た、これを連続して10回繰り返し、1回目と10回目
の膜厚を触針段差計で測定し、1回目と10回目の膜厚
の差により経時変化率(10回目の膜厚/1回目の膜
厚)の評価を行った。結果を表1に示す。
を用いて、窒化タンタルバリア層を施したシリコンウエ
ハ上に、原料温度130℃、キャリアガス;アルゴン4
0sccm、反応性ガス;水素50sccm、反応圧
力;600〜500Pa、反応温度(基体温度);40
0℃で銅成膜を20分間行った。原料は、化合物No.
1〜No.3を用いた。成膜後、アルゴン中で500
℃、10分間アニールを行い上記実施例1と同様に薄膜
の表面抵抗と経時変化率を評価した。結果を表2に示
す。
熱安定性を有し、低い成膜温度でも良好な電気的特性を
与えるCVD用銅原料及び該原料を用いた銅系薄膜のC
VD法による製造方法を提供できる。
れる溶液CVD装置の一例を示す概要図である。
れるCVD装置の他の例を示す概要図である。
Claims (4)
- 【請求項1】 下記一般式(1)で表される銅(II)の
β−ジケトネート錯体を含有してなる化学気相成長用銅
原料。 【化1】 - 【請求項2】 請求項1に記載の原料を用いた化学気相
成長法による銅系薄膜の製造方法。 - 【請求項3】 上記銅系薄膜が銅薄膜である請求項2に
記載の銅系薄膜の製造方法。 - 【請求項4】 下記一般式(2)で表されるβ−ジケト
ン化合物。 【化2】
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