JP2009046720A - Method for producing thin film containing metal ruthenium by chemical vapor deposition technique with the use of oxygen source - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、化学気相蒸着法(Chemical Vapor Deposition法;以下、CVD法と称する))による金属ルテニウム含有薄膜の製造法に関する。 The present invention relates to a method for producing a metal ruthenium-containing thin film by a chemical vapor deposition method (Chemical Vapor Deposition method; hereinafter referred to as a CVD method).
近年、DRAM等の半導体デバイスの薄膜電極材料として、例えば、金属ルテニウムの比抵抗値等の電気特性が優れていることを利用した、金属ルテニウムの使用が検討されている。これらのルテニウム含有薄膜の製造法としては、例えば、均一な薄膜を製造し易いCVD法による成膜が最も盛んに採用されており、それに適した原料化合物が求められている。 In recent years, as a thin film electrode material for semiconductor devices such as DRAMs, use of metal ruthenium has been studied, for example, utilizing the fact that electrical characteristics such as the specific resistance value of metal ruthenium are excellent. As a method for producing these ruthenium-containing thin films, for example, film formation by the CVD method, which is easy to produce a uniform thin film, is most frequently employed, and a raw material compound suitable for the film formation is required.
ところで、CVD法によるルテニウム原子を含有する薄膜製造用原料としては、例えば、β-ジケトナトやシクロペンタジエニル誘導体を配位子とするルテニウム錯体が幅広く使用されつつある。これらの配位子を有するルテニウム錯体は、安定性や昇華性に優れており、CVD法におけるルテニウム源としては有用である。 By the way, as a raw material for producing a thin film containing ruthenium atoms by a CVD method, for example, ruthenium complexes having β-diketonato or cyclopentadienyl derivatives as ligands are being widely used. A ruthenium complex having these ligands is excellent in stability and sublimation and is useful as a ruthenium source in a CVD method.
その中でも、特に、ジエン化合物を配位子として有するβ-ジケトナトルテニウム錯体と酸素ガスとを高温下で反応させて、CVD法により、金属ルテニウム薄膜と酸化ルテニウム薄膜の混合膜を得る方法が開示されている(例えば、特許文献1及び非特許文献1参照)。しかしながら、これらの方法では、高濃度の酸素ガスを使用することにより、抵抗値が金属ルテニウムに比べて極端に大きい酸化ルテニウムの混入が避けられない上に、成膜温度が高いため、ルテニウム薄膜中に炭素原子などの不純物原子の混入が起こることで、比抵抗値を悪化させている。更に、酸素濃度と金属ルテニウム膜の抵抗率の関係については示されていなかった。
本発明の課題は、即ち、上記問題点を解決し、酸化ルテニウムの混入がなく、酸素源を用いた化学気相蒸着法による低抵抗な金属ルテニウム含有薄膜の製造法を提供するものである。 The object of the present invention is to solve the above-mentioned problems and to provide a method for producing a low-resistance metal ruthenium-containing thin film by chemical vapor deposition using an oxygen source without ruthenium oxide contamination.
一般式(1) General formula (1)
(式中、X及びYは、直鎖又は分枝状のアルキル基(但し、XとYに含まれる炭素原子数の合計は2〜10である。)であり、Zは、水素原子又は炭素原子数1〜4のアルキル基を示す。Lは、少なくともふたつの二重結合をもつ不飽和炭化水素化合物を示す。)
β-ジケトナト及び少なくともふたつの二重結合をもつ不飽和炭化水素化合物を配位子とする有機ルテニウム錯体又はその溶媒溶液であるルテニウム供給源及び酸素源を用いることを特徴とする、化学気相蒸着法による金属ルテニウム含有薄膜の製造法によって解決される。
(In the formula, X and Y are linear or branched alkyl groups (however, the total number of carbon atoms contained in X and Y is 2 to 10), and Z is a hydrogen atom or carbon. An alkyl group having 1 to 4 atoms, L represents an unsaturated hydrocarbon compound having at least two double bonds;
Chemical vapor deposition characterized by using an organic ruthenium complex having a β-diketonato and an unsaturated hydrocarbon compound having at least two double bonds as a ligand, or a ruthenium source and an oxygen source thereof as a solvent solution. This is solved by a method for producing a metal-containing ruthenium-containing thin film.
本発明により、酸化ルテニウムの混入がなく、酸素源を用いた化学気相蒸着法による低抵抗な金属ルテニウム含有薄膜の製造法を提供することができる。 The present invention can provide a method for producing a low-resistance metal ruthenium-containing thin film by chemical vapor deposition using an oxygen source without containing ruthenium oxide.
本発明のβ-ジケトナト及び少なくともふたつの二重結合をもつ不飽和炭化水素化合物を配位子とする有機ルテニウム錯体は、前記の一般式(1)で示される。その一般式(1)において、X及びYは、直鎖又は分枝状のアルキル基であり、例えば、メチル基、エチル基、n-プロピル基、イソプロピル基、n-ブチル基、イソブチル基、t-ブチル基、ペンチル基、イソペンチル基、ネオペンチル基、n-ヘキシル基、イソヘキシル基等の炭素原子数1〜6の直鎖又は分枝状のアルキル基を示すが、XとYに含まれる炭素原子数の合計は2〜10である。又、Lは、少なくともふたつの二重結合をもつ不飽和炭化水素化合物を示し、例えば、1,5-ヘキサジエン、1,5-シクロオクタジエン、ノルボルナジエン、1,4-シクロヘキサジエン、2,5-ジメチル-2,4-ヘキサジエン、4-ビニル-1-シクロヘキセン、1,3-ペンタジエンが好適に使用される。 The organoruthenium complex having the β-diketonato of the present invention and an unsaturated hydrocarbon compound having at least two double bonds as a ligand is represented by the general formula (1). In the general formula (1), X and Y are linear or branched alkyl groups such as a methyl group, an ethyl group, an n-propyl group, an isopropyl group, an n-butyl group, an isobutyl group, t A straight or branched alkyl group having 1 to 6 carbon atoms such as butyl group, pentyl group, isopentyl group, neopentyl group, n-hexyl group, isohexyl group, etc., but carbon atoms contained in X and Y The total number is 2-10. L represents an unsaturated hydrocarbon compound having at least two double bonds, such as 1,5-hexadiene, 1,5-cyclooctadiene, norbornadiene, 1,4-cyclohexadiene, 2,5- Dimethyl-2,4-hexadiene, 4-vinyl-1-cyclohexene and 1,3-pentadiene are preferably used.
本発明の有機ルテニウム錯体の配位子であるβ-ジケトナトの元となるβ-ジケトンは、公知の方法により容易に合成が可能な化合物である。 The β-diketone which is the base of β-diketonato which is a ligand of the organoruthenium complex of the present invention is a compound that can be easily synthesized by a known method.
本発明のβ-ジケトナト及び少なくともふたつの二重結合をもつ不飽和炭化水素化合物を配位子とする有機ルテニウム錯体の具体例としては、例えば、式(2)から式(20)で示される。 Specific examples of the organoruthenium complex having β-diketonato and an unsaturated hydrocarbon compound having at least two double bonds as ligands are represented by, for example, formulas (2) to (20).
なお、CVD法においては、薄膜形成のために当該有機ルテニウム錯体を気化させる必要があるが、本発明の有機ルテニウム錯体を気化させる方法としては、例えば、有機ルテニウム錯体自体を気化室に充填又は搬送して気化させる方法だけでなく、有機ルテニウム錯体を適当な溶媒(例えば、ヘキサン、メチルシクロヘキサン、エチルシクロヘキサン、オクタン等の脂肪族炭化水素類;トルエン等の芳香族炭化水素類;テトラヒドロフラン、ジブチルエーテル等のエーテル類等が挙げられる。)に希釈した溶液を液体搬送用ポンプで気化室に導入して気化させる方法(溶液法)も使用出来る。 In the CVD method, it is necessary to vaporize the organic ruthenium complex in order to form a thin film. As a method for vaporizing the organic ruthenium complex of the present invention, for example, the organic ruthenium complex itself is filled or transported into the vaporization chamber. As well as organic ruthenium complexes in an appropriate solvent (for example, aliphatic hydrocarbons such as hexane, methylcyclohexane, ethylcyclohexane, and octane; aromatic hydrocarbons such as toluene; tetrahydrofuran, dibutyl ether, etc. A method (solution method) may be used in which the solution diluted in (1) is introduced into the vaporizing chamber with a liquid transfer pump and vaporized.
本発明において、当該有機ルテニウム錯体と酸素源を用いて基板上へ金属ルテニウム膜を蒸着させる際、反応系内の圧力は、好ましくは1Pa〜200kPa、更に好ましくは10Pa〜110kPaであり、成膜対象物の温度は、好ましくは100〜600℃、更に好ましくは150〜450℃である。又、酸素源による金属薄膜を蒸着させる際、その酸素源としては酸素ガス、更には不活性ガスで希釈された酸素ガスが好適に使用され、酸素ガスの全ガス量に対する含有割合は、好ましくは0.1〜10容量%である。 In the present invention, when a metal ruthenium film is deposited on a substrate using the organoruthenium complex and an oxygen source, the pressure in the reaction system is preferably 1 Pa to 200 kPa, more preferably 10 Pa to 110 kPa. The temperature of the product is preferably 100 to 600 ° C, more preferably 150 to 450 ° C. Further, when depositing a metal thin film with an oxygen source, oxygen gas is preferably used as the oxygen source, and oxygen gas diluted with an inert gas is preferably used, and the content ratio of oxygen gas to the total gas amount is preferably 0.1 to 10% by volume.
次に、実施例を挙げて本発明を具体的に説明するが、本発明の範囲はこれらに限定されるものではない。 Next, the present invention will be specifically described with reference to examples, but the scope of the present invention is not limited thereto.
参考例1(ビス(アセチルアセトナト)(1,5-ヘキサジエン)ルテニウム(II)(以下、[Ru(acac)2(hd)]と称する)の合成
攪拌装置、温度計及び滴下漏斗を備えた内容積100mlのフラスコに、三塩化ルテニウム三水和物8.87g(33.9mmol)、1,5-ヘキサジエン6.12g(74.5mmol)及びイソプロプロピルアルコール60mlを加え、攪拌しながら70℃で4時間反応させた後、アセチルアセトン10.6g(106mmol)及び水酸化ナトリウム4.22g(106mmol)を混合した水溶液を滴下し、攪拌しながら0.5時間反応させた。反応終了後、メチルシクロヘキサン60ml及び水30mlを加え、有機層を分液した後に、無水硫酸ナトリウムで乾燥させた。濾過後、濾液を濃縮した後、濃縮物を減圧下で蒸留(140℃、39Pa)し、黄褐色の粘性液体を得た。得られた液体をシリカゲルカラムクロマトグラフィーにより精製(展開溶媒;ヘキサン/酢酸エチル=9/1(容量比))し、黄褐色粘性液体として、ビス(アセチルアセトナト)(1,5-ヘキサジエン)ルテニウム(II)10.3gを得た(単離収率:80%)。
なお、ビス(アセチルアセトナト)(1,5-ヘキサジエン)ルテニウム(II)の物性値は以下の通りであった。
Synthesis of Reference Example 1 (bis (acetylacetonato) (1,5-hexadiene) ruthenium (II) (hereinafter referred to as [Ru (acac) 2 (hd)]) A stirrer, a thermometer and a dropping funnel were provided. To a 100 ml flask, add 8.87 g (33.9 mmol) of ruthenium trichloride trihydrate, 6.12 g (74.5 mmol) of 1,5-hexadiene and 60 ml of isopropyl alcohol, and react at 70 ° C. for 4 hours with stirring. After that, an aqueous solution obtained by mixing 10.6 g (106 mmol) of acetylacetone and 4.22 g (106 mmol) of sodium hydroxide was added dropwise and reacted for 0.5 hours with stirring. After filtration, the filtrate was concentrated and the concentrate was distilled under reduced pressure (140 ° C., 39 Pa) to obtain a tan viscous liquid. Purify the liquid by silica gel column chromatography (developing solvent) Hexane / ethyl acetate = 9/1 (volume ratio)) to obtain 10.3 g of bis (acetylacetonato) (1,5-hexadiene) ruthenium (II) as a tan viscous liquid (isolation yield: 80 %).
The physical properties of bis (acetylacetonato) (1,5-hexadiene) ruthenium (II) were as follows.
IR(neat(cm-1));3076、2923、1576、1517、1400、1268、1201、1022、933、767、620、432
(β-ジケトン特有のピーク(1622cm-1)が消失し、β-ジケトナト特有のピーク(1576cm-1)が観察された)
元素分析(C16H24O4Ru);炭素:50.2%、水素:6.45%、ルテニウム:26.3%
(理論値;炭素:50.4%、水素:6.34%、ルテニウム:26.5%)
MS(m/e);382、300、43
IR (neat (cm -1 )); 3076, 2923, 1576, 1517, 1400, 1268, 1201, 1022, 933, 767, 620, 432
(The peak specific to β-diketone (1622 cm -1 ) disappeared, and the peak specific to β-diketonato (1576 cm -1 ) was observed.)
Elemental analysis (C 16 H 24 O 4 Ru); carbon: 50.2%, hydrogen: 6.45%, ruthenium: 26.3%
(Theoretical value: Carbon: 50.4%, Hydrogen: 6.34%, Ruthenium: 26.5%)
MS (m / e); 382, 300, 43
実施例1〜5及び比較例1〜3(蒸着実験;酸素濃度を変化させた金属ルテニウム薄膜の抵抗値の評価)
参考例1で得られた有機ルテニウム錯体([Ru(acac)2(hd)])を用いて、CVD法による蒸着実験を行い、酸素濃度と金属ルテニウム膜の抵抗値の関係を評価した。
評価試験には、図1に示す装置を使用した。気化器5(ガラス製アンプル)にあるルテニウム錯体7は、ヒーター6で加熱されて気化し、マスフローコントローラー1Aを経て導入されたヘリウムガスに同伴し気化器6を出る。気化器6を出たガスは、マスフローコントローラー1B、ストップバルブ2を経て導入された酸素ガスとともに反応器11に導入される。また酸素ガス濃度は、マスフローコントローラー1C、ストップバルブ3を経て導入されたヘリウムガスにより、濃度調整される。また、反応系内圧力は真空ポンプ手前のバルブ14の開閉により、所定圧力にコントロールされ、圧力計12によってモニターされる。ガラス製反応器の中央部はヒーター10で加熱可能な構造となっている。反応器に導入されたルテニウム錯体は、反応器内中央部にセットされ、ヒータ10で所定の温度に加熱された被蒸着基板9の表面上で分解反応し、基板9上に金属ルテニウム薄膜が析出する。反応器11を出たガスは、トラップ13、真空ポンプを経て、大気中に排気される構造となっている。
Examples 1 to 5 and Comparative Examples 1 to 3 (deposition experiment; evaluation of resistance value of metal ruthenium thin film with varying oxygen concentration)
Using the organic ruthenium complex ([Ru (acac) 2 (hd)]) obtained in Reference Example 1, a vapor deposition experiment by a CVD method was performed to evaluate the relationship between the oxygen concentration and the resistance value of the metal ruthenium film.
The apparatus shown in FIG. 1 was used for the evaluation test. The ruthenium complex 7 in the vaporizer 5 (glass ampoule) is heated by the heater 6 to vaporize and exits the vaporizer 6 along with the helium gas introduced through the mass flow controller 1A. The gas exiting the vaporizer 6 is introduced into the reactor 11 together with the oxygen gas introduced through the mass flow controller 1B and the stop valve 2. The oxygen gas concentration is adjusted by helium gas introduced through the mass flow controller 1C and the
全ての実験における共通の蒸着条件は、以下の通りである。
有機ルテニウム錯体気化温度;80℃
ヘリウムキャリアーガス流量;40ml/min.
基板材料;SiO2/Si
基板温度;360℃
反応系内圧力;1729Pa
蒸着時間;10分
全ガス流量;200ml/min.
The common deposition conditions in all experiments are as follows.
Organic ruthenium complex vaporization temperature: 80 ℃
Helium carrier gas flow rate: 40ml / min.
Substrate material: SiO 2 / Si
Substrate temperature: 360 ° C
Reaction system pressure: 1729Pa
Deposition time: 10 minutes Total gas flow rate: 200 ml / min.
又、蒸着結果(膜特性)を表1に示す。なお、被蒸着基盤としては、6mm×20mmサイズの矩形のものを使用した。 The vapor deposition results (film characteristics) are shown in Table 1. Note that a 6 mm × 20 mm rectangular substrate was used as the deposition base.
以上の結果より、当該有機ルテニウム錯体([Ru(acac)2(hd)])が、酸素源、特に、酸素ガスの割合が、全ガス量に対して0.1〜10容量%で優れた金属ルテニウム成膜可能であることが分かる。 From the above results, the organoruthenium complex ([Ru (acac) 2 (hd)]) is an excellent metal ruthenium in which the oxygen source, in particular, the proportion of oxygen gas is 0.1 to 10% by volume with respect to the total gas amount. It can be seen that the film can be formed.
本発明により、酸化ルテニウムの混入がなく、酸素源を用いた化学気相蒸着法による低抵抗な金属ルテニウム含有薄膜の製造法を提供することができる。 The present invention can provide a method for producing a low-resistance metal ruthenium-containing thin film by chemical vapor deposition using an oxygen source without containing ruthenium oxide.
3 気化器
4 反応器
10B 気化器ヒータ
10C 反応器ヒータ
20 原料有機ルテニウム錯体融液
21 基板
3 Vaporizer 4 Reactor 10B Vaporizer heater 10C Reactor heater 20 Raw material organic ruthenium complex melt 21 Substrate
Claims (5)
β-ジケトナト及び少なくともふたつの二重結合をもつ不飽和炭化水素化合物を配位子とする有機ルテニウム錯体又はその溶媒溶液であるルテニウム供給源及び酸素源を用いることを特徴とする、化学気相蒸着法による金属ルテニウム含有薄膜の製造法。 General formula (1)
Chemical vapor deposition characterized by using an organic ruthenium complex having a β-diketonato and an unsaturated hydrocarbon compound having at least two double bonds as a ligand, or a ruthenium source and an oxygen source thereof as a solvent solution. A method for producing metal ruthenium-containing thin films.
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WO2013183703A1 (en) * | 2012-06-07 | 2013-12-12 | 田中貴金属工業株式会社 | Method for recycling organic ruthenium compound for chemical vapor deposition |
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