JP2010215982A - Method for producing ruthenium-containing film using ruthenium complex organic solvent solution, and ruthenium-containing film - Google Patents
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本発明は、化学気相蒸着法(Chemical Vapor Depsition;以下、CVD法とする)、原子層蒸着法(Atomic Layer Deposition;以下、ALD法とする)などによるルテニウム含有膜の形成に有用なルテニウム錯体溶液を用いたルテニウム含有膜製造方法、およびルテニウム含有膜に関する。 The present invention relates to a ruthenium complex useful for forming a ruthenium-containing film by a chemical vapor deposition method (hereinafter referred to as a CVD method), an atomic layer deposition method (hereinafter referred to as an ALD method), or the like. The present invention relates to a method for producing a ruthenium-containing film using a solution, and a ruthenium-containing film.
近年の集積回路は、そのさらなる高集積化、高密度化を可能にするため、比誘電率の大きい誘電体材料が盛んに検討されている。具体的にはキャパシタ材料としてTa2O5、あるいはBST((Ba,Sr)TiO3)等が検討されており、これらキャパシタの電極材料としてルテニウム、白金、イリジウム等の貴金属薄膜、またはこれらの貴金属の酸化物薄膜が必要となる。特にルテニウムおよびルテニウム酸化物は今後の電極材料の中心になると注目されている。ルテニウムおよびルテニウム酸化物薄膜の製造方法としては、スパッタリング法、CVD法、ALD法が用いられている。特に、CVD法、ALD法などの金属化合物の化学反応を伴う成膜法は均一な膜を製造しやすい上にステップカバレッジ(段差被覆能)に優れることから、近年の回路、電子部材に対するより一層の高密度化に対応できる為に今後の薄膜電極製造プロセスの主流になるものと考えられる。 In recent years, a dielectric material having a large relative dielectric constant has been actively studied in order to enable higher integration and higher density in recent integrated circuits. Specifically, Ta 2 O 5 or BST ((Ba, Sr) TiO 3 ) or the like has been studied as a capacitor material, and noble metal thin films such as ruthenium, platinum and iridium, or these noble metals are used as the electrode material of these capacitors. The oxide thin film is required. In particular, ruthenium and ruthenium oxide are attracting attention as the center of future electrode materials. As a method for producing ruthenium and a ruthenium oxide thin film, a sputtering method, a CVD method, or an ALD method is used. In particular, film forming methods involving chemical reactions of metal compounds such as CVD and ALD methods are easy to manufacture a uniform film and have excellent step coverage (step coverage), so that they can be applied to circuits and electronic members in recent years. It is considered that it will become the mainstream of the future thin film electrode manufacturing process because it can cope with higher density of the electrode.
このCVD法、ALD法を用いて薄膜を形成させるための原料物質としては金属化合物の中でも取り扱い性が容易である有機金属化合物が適していると考えられる。従来、金属ルテニウムまたはルテニウム酸化物などのルテニウム含有膜を製造する為の有機金属化合物としてはルテノセン誘導体あるいはトリス(ジピバロイルメタナート)ルテニウム誘導体が用いられていた。ルテノセン誘導体は、それぞれのシクロペンタジエン環を構成するのが炭素と水素のみであり、2つのシクロペンタジエン環の間にルテニウムが挟まれているサンドイッチ構造を有する。このルテノセンは大気中の安定性が高く、毒性も無いことからCVD、ALD原料としての適性を有するものの、基本的にサンドイッチ構造を有しており、この構造は安定性が極めて高いことから錯体の分解温度が高く、必然的に成膜時の基板温度を高くする必要があるという問題点を抱えていた。特許文献1ではルテノセン誘導体として、ビス(エチルシクロペンタジエニル)ルテニウムおよびビス(イソプロピルシクロペンタジエニル)ルテニウムに代表される、ビス(アルキルシクロペンタジエニル)ルテニウムが開示されている。また特許文献2ではアルキル置換ルテノセンをCVD材料として用いる事が開示されている。
As a raw material for forming a thin film by using this CVD method or ALD method, among metal compounds, an organometallic compound that is easy to handle is considered suitable. Conventionally, ruthenocene derivatives or tris (dipivaloylmethanato) ruthenium derivatives have been used as organometallic compounds for producing ruthenium-containing films such as metal ruthenium or ruthenium oxide. Ruthenocene derivatives have a sandwich structure in which each cyclopentadiene ring comprises only carbon and hydrogen, and ruthenium is sandwiched between two cyclopentadiene rings. Although this ruthenocene is highly stable in the atmosphere and has no toxicity, it is suitable as a raw material for CVD and ALD, but basically has a sandwich structure. Since this structure is extremely stable, The decomposition temperature is high, and the substrate temperature at the time of film formation must be increased.
一方、2つの配位子のうち、一方の配位子が直鎖ペンタジエニル基であるハーフサンドイッチ構造を有する錯体の合成例としては、非特許文献1に報告されている、(シクロペンタジエニル)(2,4−ジメチルペンタジエニル)ルテニウムがある。しかしながらこの錯体は融点が136〜137℃と非常に高く、CVD法やALD法の成膜装置の原料供給系がバブリング法であっても液体気化供給システム(ベーパライザー)であっても、ニートで使用する材料としては好ましくない。
On the other hand, a synthesis example of a complex having a half sandwich structure in which one of the two ligands is a linear pentadienyl group is reported in
特許文献3ではハーフサンドイッチ構造を有する錯体の融点を低下させる試みとしてシクロペンタジエニル基にアルキル基を結合させ、常温で液体のハーフサンドイッチ構造ルテニウム錯体が報告され、成膜特性における優位性が示されている。しかし、ハーフサンドイッチ構造ルテノセンの原料であるアルキル置換シクロペンタジエンは高価で工業的に不利であるだけでなく、アルキル基結合による分子量の増加により蒸気圧も低下して、結果として成膜速度が低下する問題点があった。
In
配位子として2つの直鎖ペンタジエニル基を有するビスオープン構造を有する錯体の合成例としては、非特許文献2に報告されているビス(2,4−ジメチルペンタジエニル)ルテニウムがある。しかしながらこの錯体も融点が78℃と高く、CVD法やALD法の成膜装置の原料供給系がバブリング法であっても液体気化供給システム(ベーパライザー)であってもニートで使用する材料としては好ましくない。
As a synthesis example of a complex having a bisopen structure having two linear pentadienyl groups as a ligand, there is bis (2,4-dimethylpentadienyl) ruthenium reported in
本発明の目的は、ALD法やCVD法による成膜特性において優位性を示すハーフオープン構造ルテノセンの中で、合成可能であり、分子量が最も小さく、かつ成膜速度が向上する(シクロペンタジエニル)(2,4−ジメチルペンタジエニル)ルテニウムを、また、ビスオープン構造ルテノセンの中で、合成可能であり、最も分子量が小さく、かつ成膜速度が向上する錯体であるビス(2,4−ジメチルペンタジエニル)ルテニウムを、それぞれ用いたルテニウム含有膜の製法を提供することにある。 The object of the present invention is to synthesize the half-open structure ruthenocene which is superior in film formation characteristics by the ALD method or the CVD method, has the smallest molecular weight, and improves the film formation speed (cyclopentadienyl). ) (2,4-dimethylpentadienyl) ruthenium can also be synthesized among bis-open structure ruthenocenes, and has the smallest molecular weight and bis (2,4- The object is to provide a method for producing a ruthenium-containing film using dimethylpentadienyl) ruthenium.
本発明者らは先の課題を解決すべく鋭意検討を重ねた結果、室温で固体の(シクロペンタジエニル)(2,4−ジメチルペンタジエニル)ルテニウムまたはビス(2,4−ジメチルペンタジエニル)ルテニウムを有機溶媒に溶解して有機溶媒溶液とすることにより液体気化供給システムに適応可能な形態と出来ることを見出し、更に作製した(シクロペンタジエニル)(2,4−ジメチルペンタジエニル)ルテニウム有機溶媒溶液またはビス(2,4−ジメチルペンタジエニル)ルテニウム有機溶媒溶液を用いて成膜することにより良質なルテニウム含有膜を形成できることを見出した。 As a result of intensive studies to solve the above-mentioned problems, the present inventors have found that (cyclopentadienyl) (2,4-dimethylpentadienyl) ruthenium or bis (2,4-dimethylpentadiene) that is solid at room temperature. (Ethyl) ruthenium was dissolved in an organic solvent to form an organic solvent solution, and it was found that the form could be adapted to a liquid vaporization and supply system, and further produced (cyclopentadienyl) (2,4-dimethylpentadienyl) It was found that a good quality ruthenium-containing film can be formed by forming a film using a ruthenium organic solvent solution or a bis (2,4-dimethylpentadienyl) ruthenium organic solvent solution.
(シクロペンタジエニル)(2,4−ジメチルペンタジエニル)ルテニウムまたはビス(2,4−ジメチルペンタジエニル)ルテニウムを溶解する有機溶媒として例えば、メタノール、エタノール、プロパノール、イソプロパノールなどのアルコール類、酢酸エチル、酢酸ブチル、酢酸イソアミルなどのエステル類、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メチルエーテル、エチレングリコールモノブチルエーテル等のグリコールエーテル類、ジエチルエーテル、ターシャリブチルメチルエーテル、グライム、ジグライム、トリグライム、テトラヒドロフラン等のエーテル類、ターシャリブチルメチルケトン、イソブチルメチルケトン、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、アセトン等のケトン類、ヘキサン、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、ベンゼン、トルエン、キシレン等の炭化水素類を挙げることが出来るが、特に限定するものではない。 Examples of organic solvents that dissolve (cyclopentadienyl) (2,4-dimethylpentadienyl) ruthenium or bis (2,4-dimethylpentadienyl) ruthenium include alcohols such as methanol, ethanol, propanol, and isopropanol, Esters such as ethyl acetate, butyl acetate, isoamyl acetate, glycol ethers such as ethylene glycol monoethyl ether, ethylene glycol monomethyl ether, ethylene glycol monobutyl ether, diethyl ether, tertiary butyl methyl ether, glyme, diglyme, triglyme, tetrahydrofuran Ethers such as tertiary butyl methyl ketone, isobutyl methyl ketone, ethyl butyl ketone, dipropyl ketone, diisobutyl ketone, methyl amyl Tons, cyclohexanone, ketones such as acetone, hexane, cyclohexane, ethylcyclohexane, heptane, octane, benzene, toluene, can be mentioned hydrocarbons such as xylene, it is not particularly limited.
希釈する濃度は用途によって選択可能であるが、濃度が低すぎると成膜速度の低下を招き、濃度が高すぎると使用条件によっては(シクロペンタジエニル)(2,4−ジメチルペンタジエニル)ルテニウムまたはビス(2,4−ジメチルペンタジエニル)ルテニウムが析出して成膜に影響を与える恐れがあるため、0.01mol/L乃至4mol/Lが好ましい。 The concentration to be diluted can be selected depending on the application. However, if the concentration is too low, the film forming rate is lowered. If the concentration is too high, (cyclopentadienyl) (2,4-dimethylpentadienyl) is used depending on the use conditions. Since ruthenium or bis (2,4-dimethylpentadienyl) ruthenium may precipitate and affect the film formation, 0.01 mol / L to 4 mol / L is preferable.
成膜方法としては特に限定はないが、ALD法またはCVD法などを挙げることができる。ALD法またはCVD法としては熱ALD法,熱CVD法,プラズマALD法,プラズマCVD法,光ALD法,光CVD法などをあげることができる。 Although there is no limitation in particular as a film-forming method, ALD method or CVD method etc. can be mentioned. Examples of the ALD method or the CVD method include a thermal ALD method, a thermal CVD method, a plasma ALD method, a plasma CVD method, a photo ALD method, and a photo CVD method.
ALD法またはCVD法により成膜する場合、成膜チャンバーへの原料の供給方法としてバブリングまたは液体気化供給システムなどがあげられ、特に限定されないが、溶液でのバブリングは(シクロペンタジエニル)(2,4−ジメチルペンタジエニル)ルテニウムまたはビス(2,4−ジメチルペンタジエニル)ルテニウムと溶媒との蒸気圧の違いから成膜速度を一定に保つことが困難な場合があるため、液体気化供給システムによる方法が好ましい。 In the case of forming a film by the ALD method or the CVD method, as a method for supplying the raw material to the film formation chamber, bubbling or a liquid vaporization supply system can be mentioned, and the bubbling in the solution is (cyclopentadienyl) (2 , 4-Dimethylpentadienyl) ruthenium or bis (2,4-dimethylpentadienyl) ruthenium and the vapor pressure of the solvent may make it difficult to keep the film formation rate constant. A system based method is preferred.
ALD法またはCVD法により成膜する際のキャリアガスとしては希ガスまたは窒素が好ましく、中でも経済的な理由から窒素、ヘリウム、ネオン、アルゴンが好ましい。 As a carrier gas when forming a film by the ALD method or the CVD method, a rare gas or nitrogen is preferable, and nitrogen, helium, neon, and argon are particularly preferable for economical reasons.
ALD法またはCVD法により成膜する際の反応ガスとしては水素、酸素、笑気ガス、アンモニア、塩化水素、硝酸ガス、蟻酸、酢酸等を挙げることが出来るが特に限定されるものではない。 Examples of the reaction gas when forming a film by the ALD method or the CVD method include hydrogen, oxygen, laughing gas, ammonia, hydrogen chloride, nitric acid gas, formic acid, and acetic acid, but are not particularly limited.
このようにして本発明の有機溶媒溶液を原料として用いることにより、金属ルテニウム膜、ルテニウム酸化物膜、Ruと他金属との複合膜などのルテニウム含有膜を製造することができる。 Thus, by using the organic solvent solution of the present invention as a raw material, a ruthenium-containing film such as a metal ruthenium film, a ruthenium oxide film, or a composite film of Ru and another metal can be produced.
本発明によれば、良好な成膜特性を示すハーフサンドイッチ構造ルテニウム錯体またはビスオープン構造ルテニウム錯体を成膜に供するに際し、固体の(シクロペンタジエニル)(2,4−ジメチルペンタジエニル)ルテニウム、ビス(2,4−ジメチルペンタジエニル)ルテニウムは原料供給方法としてこれまでは生産性に劣る昇華法のみであったが、本発明を実施することにより、有機溶媒溶液として安定して成膜装置に導入でき、工業プロセスにおける生産性を大きく向上させることが出来る。 According to the present invention, when a half sandwich structure ruthenium complex or a bis-open structure ruthenium complex exhibiting good film formation characteristics is used for film formation, solid (cyclopentadienyl) (2,4-dimethylpentadienyl) ruthenium is used. Bis (2,4-dimethylpentadienyl) ruthenium has been the only sublimation method that is inferior in productivity so far as a raw material supply method. However, by carrying out the present invention, a stable film formation as an organic solvent solution is possible. It can be introduced into the apparatus, and the productivity in the industrial process can be greatly improved.
以下、本発明を実施例によりさらに詳細に説明する。ただし、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。 Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples. However, the present invention is not limited to these examples.
実施例1 約0.1mol/Lの(シクロペンタジエニル)(2,4−ジメチルペンタジエニル)ルテニウムのオクタン溶液を原料としたCVD法によるルテニウム含有膜の製造
図1に示す装置を用い、基板(13)としては表面にSiO2膜が100nm形成されたSi基板を使用した。(シクロペンタジエニル)(2,4−ジメチルペンタジエニル)ルテニウム26.1gをオクタンで1Lにメスアップして約0.1mol/L溶液を調製し、これを原料(9)として原料容器(10)に充填した。キャリアガスのヘリウム(2)流量はマスフローコントローラー(5)で398sccmに設定し、液体気化供給システム(6)にて原料フィード量を1.0g/min、気化器温度を100℃に設定した。液体気化供給システム(6)から成膜チャンバー(11)への原料供給ラインをリボンヒーター(17)で120,140,160℃と段階的に加熱して原料の析出を防止した。反応ガスである酸素(1)のマスフローコントローラー(4)を2sccmとし、マスフローコントローラー(4)から成膜チャンバー(11)へのラインは予備加熱を目的にリボンヒーター(17)で160℃に加熱した。基板ヒーター(14)の設定温度は400℃とした。圧力調整バルブ(15)を調整してチャンバー内圧力を10Torrとし60分間成膜を行った。その結果、金属光沢のある金属ルテニウム膜が45nm成膜された。
Example 1 Production of Ruthenium-Containing Film by CVD Method Using Octane Solution of about 0.1 mol / L of (Cyclopentadienyl) (2,4-dimethylpentadienyl) ruthenium as a Raw Material Using the apparatus shown in FIG. As the substrate (13), a Si substrate having a SiO 2 film of 100 nm formed on the surface thereof was used. (Cyclopentadienyl) (2,4-dimethylpentadienyl) ruthenium 26.1 g was made up to 1 L with octane to prepare an approximately 0.1 mol / L solution. This was used as a raw material (9) as a raw material container ( 10). The flow rate of the carrier gas, helium (2), was set to 398 sccm by the mass flow controller (5), the raw material feed amount was set to 1.0 g / min, and the vaporizer temperature was set to 100 ° C. by the liquid vaporization supply system (6). The raw material supply line from the liquid vaporization supply system (6) to the film forming chamber (11) was heated stepwise by a ribbon heater (17) at 120, 140, and 160 ° C. to prevent the deposition of the raw material. The mass flow controller (4) of oxygen (1) as a reaction gas was set to 2 sccm, and the line from the mass flow controller (4) to the film formation chamber (11) was heated to 160 ° C. by a ribbon heater (17) for the purpose of preheating. . The set temperature of the substrate heater (14) was 400 ° C. Film formation was carried out for 60 minutes by adjusting the pressure adjusting valve (15) and adjusting the pressure in the chamber to 10 Torr. As a result, a metallic ruthenium film having a metallic luster was formed to 45 nm.
実施例2 約1mol/Lの(シクロペンタジエニル)(2,4−ジメチルペンタジエニル)ルテニウムのエチルシクロヘキサン溶液を原料としたCVD法によるルテニウム含有膜の製造
(シクロペンタジエニル)(2,4−ジメチルペンタジエニル)ルテニウム261gをエチルシクロヘキサンで1Lにメスアップして約1mol/Lの溶液を調製し原料とした以外は実施例1と同じ条件で成膜を実施し、金属光沢のある金属ルテニウム膜が280nm成膜された。
Example 2 Production of ruthenium-containing film by CVD method using ethylcyclohexane solution of about 1 mol / L of (cyclopentadienyl) (2,4-dimethylpentadienyl) ruthenium as a raw material (cyclopentadienyl) (2, The film was formed under the same conditions as in Example 1 except that 261 g of 4-dimethylpentadienyl) ruthenium was made up to 1 L with ethylcyclohexane to prepare a solution of about 1 mol / L and used as a raw material. A metal ruthenium film was formed at 280 nm.
実施例3 約0.1mol/Lのビス(2,4−ジメチルペンタジエニル)ルテニウムのオクタン溶液を原料としたCVD法によるルテニウム含有膜の製造
ビス(2,4−ジメチルペンタジエニル)ルテニウム29.1gをオクタンで1Lにメスアップして約0.1mol/Lの溶液を調製し原料とした以外は実施例1と同じ条件で成膜し、金属ルテニウム膜が60nm成膜された。
Example 3 Production of a ruthenium-containing film by CVD using an about 0.1 mol / L bis (2,4-dimethylpentadienyl) ruthenium octane solution as a raw material Bis (2,4-dimethylpentadienyl) ruthenium 29 .1 g was made up to 1 L with octane, and a film of about 0.1 mol / L was prepared and used as a raw material under the same conditions as in Example 1 to form a metal ruthenium film of 60 nm.
実施例4 約1mol/Lのビス(2,4−ジメチルペンタジエニル)ルテニウムのエチルシクロヘキサン溶液を原料としたCVD法によるルテニウム含有膜の製造
ビス(2,4−ジメチルペンタジエニル)ルテニウム291gをエチルシクロヘキサンで1Lにメスアップして約1mol/Lの溶液を調製し原料とした以外は実施例1と同じ条件で成膜し、金属ルテニウム膜が360nm成膜された。
Example 4 Production of ruthenium-containing film by CVD method using ethylcyclohexane solution of about 1 mol / L bis (2,4-dimethylpentadienyl) ruthenium as a raw material 291 g of bis (2,4-dimethylpentadienyl) ruthenium A metal ruthenium film was formed at 360 nm under the same conditions as in Example 1 except that the solution was made up to 1 L with ethylcyclohexane to prepare a solution of about 1 mol / L and used as a raw material.
本発明によるルテニウム錯体の有機溶媒溶液を用いて製造されたルテニウム含有膜は、集積回路のキャパシタ電極材料として使用しうる。 The ruthenium-containing film produced using the organic solvent solution of the ruthenium complex according to the present invention can be used as a capacitor electrode material of an integrated circuit.
1.酸素ガス
2.ヘリウムガス
3.ヘリウムガス
4.マスフローコントローラー
5.マスフローコントローラー
6.液体気化供給システム
7.ダイアフラムバルブ
8.ベローズシールバルブ
9.原料
10.原料容器
11.成膜チャンバー
12.シャワーヘッド
13.基板
14.基板ヒーター
15.圧力調整バルブ
16.真空ポンプ
17.リボンヒーター
1. 1. oxygen gas Helium gas3. Helium gas4. 4. Mass flow controller
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