JP2021517905A - 原子層蒸着用(ald)、化学気相蒸着用(cvd)前駆体化合物およびこれを用いたald/cvd蒸着法 - Google Patents

原子層蒸着用(ald)、化学気相蒸着用(cvd)前駆体化合物およびこれを用いたald/cvd蒸着法 Download PDF

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Abstract

本発明は、前駆体化合物に関し、より詳しくは、原子層蒸着法(Atomic Layer Deposition;ALD)または化学気相蒸着法(Chemical Vapor Deposition;CVD)により薄膜蒸着に利用可能な非発火性(Nonpyrophoric)の前駆体化合物およびこれを用いたALD/CVD蒸着法に関する。

Description

本発明は、新規な前駆体化合物に関し、より詳しくは、原子層蒸着法(Atomic Layer Deposition;ALD)および化学気相蒸着法(Chemical Vapor Deposition;CVD)により薄膜蒸着が可能な非発火性(Nonpyrophoric)前駆体化合物およびこれを用いたALD/CVD蒸着法に関する。
ALD/CVD工程を用いてAl薄膜を作製する方法は、有機電子装置の難題である湿気による金属物質の腐食防止および湿気遮断を解決する重要技術である。それだけでなく、中間絶縁体、太陽電池の不動態化(passivation)に適用可能な技術でもある。
Al薄膜工程過程では低い蒸着温度を要求し、室温より低い温度の蒸着技術が要求されるが、既存のALD/CVD工程を用いて、Al薄膜製造前駆体としてTMA[Al(CH]が多く商用化されており、TMAは理想的なALD薄膜蒸着率を有する。しかし、TMAは致命的な欠点である自然発火性を有している。そのため、産業スケールの大きい体積の製造において安全な前駆体に関する研究は継続している。
一方、13族の3価の遷移金属としてアルミニウム(Al)を含む非発火性前駆体化合物に係る研究として、文献[Plasma-enhanced and thermal atomic layer deposition of Al2O3 using dimethylaluminum isopropoxide, [Al(CH3)2(μ-OiPr)]2, as an alternative aluminum precursor (J. Vac. Sci. Technol. A, 2012, 30(2), 021505-1)に[Al(CH(μ−OiPr)](DMAI、iPr=isopropyl)の製造方法が開示されているが、ALD工程の後、Al薄膜の密度が低いという欠点がある。
したがって、非発火性(Nonpyrophoric)を有し、気化後に分解しない熱的安定性および多様な酸化剤、窒化剤、または還元剤と高い反応性を有する新規前駆体化合物の新たな構造設計により、構造的に安定して、ALD/CVD工程時、幅広い温度区間(ALD window)で薄膜を形成できる前駆体の開発の必要性が台頭している。
本発明は、原子層蒸着法(ALD)および化学気相蒸着法(CVD)に適用可能な新規前駆体化合物および上記前駆体化合物が蒸着された薄膜の製造方法を提供しようとする。
本発明の新規前駆体化合物は、12族および13族の遷移金属からなり、様々な置換基を有するヘテロレプティック(Heteroleptic)な新規前駆体化合物に係るものであって、既存の同一基を有するホモレプティック(Homoleptic)な前駆体化合物は自然発火的(Pyrophoric)性格を有するという欠点があり、本発明はこれに対する代替化合物になり得、気化時に分解しない熱的安定性および多様な酸化剤と高い反応性を有している。
また、本発明の前駆体化合物は、オゾン(O)または水(HO)と共に、原子層蒸着法(ALD)および化学気相蒸着法(CVD)によりアルミニウムオキシド(Al)を提供可能であり、広い工程温度区間(ALD window)を有し、高い純度の定量的金属酸化物(Metal oxide)薄膜を得ることができ、段差被覆性(Step coverage)に優れた効果を有する。
しかし、本発明が解決しようとする課題は上述した課題に制限されず、述べていない他の課題は以下の記載から当業者に明確に理解されるであろう。
本発明の一側面は、下記化学式1で表される化合物を提供する。
Figure 2021517905
上記化学式1において、
Mが周期表上の12族の2価の遷移金属の場合、nは1であり、
Mが周期表上の13族の3価の遷移金属の場合、nは2であり、
〜Rは水素、置換もしくは非置換の炭素数1〜4の線状または分枝状アルキル基、またはこれらの異性体である。
本発明の他の側面は、上記化学式1で表される化合物を含む前駆体を提供する。
本発明のさらに他の側面は、上記化学式1で表される化合物を含む前駆体が蒸着された薄膜を提供する。
本発明のさらに他の側面は、上記化学式1で表される化合物を含む前駆体を反応器に導入するステップを含む薄膜の製造方法を提供する。
本発明によれば、12族(Zn;亜鉛)または13族(Al;アルミニウム、Ga;ガリウム、In;インジウム)の遷移金属と、アルキル(Alkyl)基およびアルコキシアミド(Alkoxy amide)基からなるヘテロレプティック(Heteroleptic)な新規前駆体化合物を製造可能である。上記前駆体化合物は、既存のTMA(Trimethylaluminum)に匹敵する薄膜蒸着率を有し、大気中で自然発火的(Pyrophoric)性格を有するTMA(Trimethylaluminum)の代替物として使用可能であり、広い範囲の工程温度(ALD window)を有する。
また、上記前駆体化合物は、気化時に分解しない熱的安定性、多様な酸化剤と高い反応性および広い工程温度区間(ALD window)を有する。さらに、高い純度の定量的(Stoichiometric)金属酸化物(Metal oxide)薄膜を得ることができ、段差被覆性(Step coverage)に優れた効果を有する。
本発明の新規前駆体化合物の特性を比較した熱重量分析(Thermogravimetric analysis;TGA)グラフである。 製造例1により、比較例1の化合物と実施例1の化合物が酸化剤としてオゾン(O)を用いた原子層蒸着工程に関する、前駆体注入時間に応じた薄膜蒸着率の変化を示すグラフであって、一定の薄膜蒸着率を有する。 製造例1により、比較例1の化合物と実施例1の化合物が酸化剤としてオゾン(O)を用いた原子層蒸着工程に関する、工程温度に応じた薄膜蒸着率の変化に関するもので、本発明の実施例1は、温度に応じて安定した薄膜蒸着率を示し、よって、広い工程温度区間(ALD window)を有する。 製造例1により、比較例1の化合物と実施例1の化合物が酸化剤としてオゾン(O)を用いた原子層蒸着工程に関するもので、実施例1の化合物の原子層蒸着(ALD)工程後の結果物であるAl薄膜内の成分の含有量を示すグラフであって、X線光電子分光法(X−ray Photoelectron Spectroscopy;XPS)で測定した。 製造例2により、比較例1の化合物と実施例1の化合物が酸化剤として水(HO)を用いた原子層蒸着工程に関する、前駆体注入時間に応じた薄膜蒸着率の変化を示すグラフであって、一定の薄膜蒸着率を有する。 製造例2により、比較例1の化合物と実施例1の化合物が酸化剤として水(HO)を用いた原子層蒸着工程に関するもので、本発明の実施例1の化合物は、工程温度に応じて安定した薄膜蒸着率を示し、よって、広い範囲の工程温度区間(ALD window)を有する。 製造例2により、比較例1の化合物と実施例1の化合物が酸化剤として水(HO)を用いた原子層蒸着工程に関する、実施例1の化合物の原子層蒸着工程後の結果物であるAl薄膜内の成分の含有量を示すグラフであって、X線光電子分光法で測定した。 製造例2により、実施例1の化合物と酸化剤として水(HO)を用いた原子層蒸着工程に関するもので、蒸着工程回数(cycle)に応じたAl薄膜の厚さに関するグラフである。 製造例2により、実施例1の化合物と酸化剤として水(HO)を用いた原子層蒸着工程に関するもので、温度に応じたAl薄膜蒸着率および密度を示すグラフである。 製造例2により、実施例1の化合物と酸化剤として水(HO)を用いた原子層蒸着工程に関するもので、透過電子顕微鏡(Transmission electron microscopy;TEM)で観察した段差被覆性(Step coverage)イメージである。工程温度は150℃または300℃の時であり、ホール構造とトレンチ構造を観測した。ホール構造の縦横比(Aspect ratio、AR)は26:1であり、トレンチ構造の縦横比は40:1である。
以下、本発明の属する技術分野における通常の知識を有する者が容易に実施できるように本発明の実施例について詳しく説明する。しかし、本発明は種々の異なる形態で実現可能であり、ここで説明する実施例に限定されない。
本発明の一側面は、下記化学式1で表される化合物を提供する。
Figure 2021517905
上記化学式1において、
Mが周期表上の12族の2価の遷移金属の場合、nは1であり、
Mが周期表上の13族の3価の遷移金属の場合、nは2であり、
〜Rは水素、置換もしくは非置換の炭素数1〜4の線状または分枝状アルキル基、またはこれらの異性体である。
本発明の一実施形態において、上記化学式1のMはAl、Zn、InおよびGaからなる群より選択される1種を含むことができるが、これに限定されることはない。
本発明の一実施形態において、上記化学式1のR〜Rは水素、メチル基、エチル基、n−プロピル基、iso−プロピル基、n−ブチル基、iso−ブチル基、sec−ブチル基、tert−ブチル基、およびこれらの異性体からなる群より選択される1種を含むことができるが、これに限定されるものではない。
上記化合物のMおよびR〜Rは上記記載のこれらの組み合わせからなる群より選択される1種以上であってもよいが、これに限定されるものではない。
本発明の一実施形態において、上記化学式1の前駆体化合物は、常温で固体または液体であってよい。また、揮発性と熱的安定性が高く、多様な酸化剤と共に、高い反応性およびALD工程時に広い工程温度区間(ALD window)を有する。
本発明の一実施形態において、上記化学式1の化合物は、既存の商用化された化合物の欠点である発火性(Pyrophoric)を改善する代替物になり得る。既存の商用化された化合物は、遷移金属および同一基(Homoleptic)であるアルキル(Alkyl)基のみからなり、具体的には、AlMe、AlEt、ZnMe、ZnEt、GaMe、GaEt、InMe、InEt(Me:メチル、Et:エチル)がある。
薄膜蒸着法には、原子層蒸着法(Atomic Layer Deposition、ALD)と、化学気相蒸着法(Chemical Vapor Deposition、CVD)がある。
原子層蒸着法は、薄膜形成に必要な元素を交互に供給して自己制限的反応(Self−limiting reaction)によって薄膜を形成させる技術である。原子層蒸着法は、非常に薄い膜を蒸着することができ、望みの厚さと組成を精密に制御することができる。大面積の基板においても均一な厚さの膜を形成することができ、高い縦横比においても優れた段差被覆性(Step coverage)を示す。また、薄膜に不純物が少ないという利点がある。
化学気相蒸着法は、反応性のガス(gas)を反応器に注入して適当な活性および反応エネルギーを加えて基板の表面に所望の薄膜を形成する技術である。工程時、大量生産が可能で費用が少ないという利点があり、様々な種類の元素および化合物の蒸着が可能であり、工程条件の制御範囲が非常に広くて多様な特性の薄膜を容易に得ることができ、優れた段差被覆性(Step coverage)を得ることができる。
本発明の一実施形態において、上記原子層蒸着用(ALD)および化学気相蒸着用(CVD)前駆体組成物は、化学式1で表される化合物を含む。
Figure 2021517905
本発明の一実施形態において、上記化学式1のMは周期表上の12族および13族の遷移金属であってもよいし、好ましくは、MはAl、Zn、InおよびGaからなる群より選択される1種であってもよいが、これに限定されるものではない。
本発明の一実施形態において、上記化学式1のR〜Rは水素、メチル基、エチル基、n−プロピル基、iso−プロピル基、n−ブチル基、iso−ブチル基、sec−ブチル基、tert−ブチル基、およびこれらの異性体からなる群より選択される1種であってもよいし、好ましくは、Rはメチル基、R、Rは水素またはメチル基、Rはtert−ブチル基、Rはメチル基またはエチル基であることを特徴とする化合物であってもよいし、より好ましくは、Al(CH[CHOC(CHCHNtBu]、Al(CH[CHOCH(CH)CHNtBu]、Al(CH[CHOCHCHNtBu]、Zn(CH)[CHOCHCHNtBu]、Zn(CH)[CHOC(CHCHNtBu]、Zn(Et)[CHOC(CHCHNtBu]、In(CH[CHOCHCHNtBu]、Ga(CH[CHOCHCHNtBu](Et:エチル、tBu:tert−ブチル)からなる群より選択される1種であってもよいし、これに限定されるものではない。
本発明の他の側面は、上記化学式1で表される化合物を含む前駆体を提供する。
本発明の他の側面は、上記化学式1で表される化合物を含む前駆体が蒸着された薄膜を提供する。
本発明の他の側面は、上記化学式1で表される化合物を含む前駆体を反応器に導入するステップを含む薄膜の製造方法を提供する。また、本発明の薄膜の製造方法は、酸化剤、窒化剤、または還元剤を用いて酸化膜、窒化膜、または金属膜の製造方法を提供する。
本発明の一実施形態において、上記ALD工程温度は80℃〜400℃であってもよいが、これに限定されるものではなく、好ましい工程温度は130℃〜320℃である。
本発明の一実施形態において、上記前駆体化合物の注入時間は0.2秒〜10秒であってもよいが、これに限定されるものではなく、好ましい注入時間は、O工程条件では2〜10秒であり、HO工程条件では1〜5秒である。
本発明の一実施形態において、上記酸化剤はオゾン(O)、または水(HO)を含むもので、これに限定されるものではない。
以下、実施例を用いて本発明をより具体的に説明するが、本発明がこれに限定されるものではない。
本実施例の一般的な合成方法は下記式1の通りである。
Figure 2021517905
本実施例のM(遷移金属)がAl(アルミニウム)の場合の合成方法は下記式2の通りである。
Figure 2021517905
[実施例1]Al(CH[CHOC(CHCHNtBu]の製造
リガンドCHOC(CHCHNHtBu 1当量を2M Al(Me) 1当量が溶解された−78℃のヘキサンまたはヘプタンに添加し、徐々に常温に温度を上げた後、約16時間撹拌する。上記反応を完了し、真空下で溶媒を除去する。得られた化合物を減圧蒸留して、無色液体である前駆体Al(CH[CHOC(CHCHNtBu]を得る。H NMR(C):δ2.75(Al(CH[CHOC(CHCHNtBu],s,2H),2.63(Al(CH[CHOC(CHCHNtBu],s,3H),1.28Al(CH[CHOC(CHCHNtBu],s,9H),0.83(Al(CH[CHOC(CHCHNtBu],s,6H),−0.43(Al(CH[CHOC(CHCHNtBu],s,6H)。
[実施例2]Al(CH[CHOCH(CH)CHNtBu]の製造
リガンドCHOCH(CH)CHNHtBu 1当量を2M Al(Me) 1当量が溶解された−78℃のヘキサンまたはヘプタンに添加し、徐々に常温に温度を上げた後、約16時間撹拌する。上記反応を完了し、真空下で溶媒を除去する。得られた化合物を減圧蒸留して、無色液体である前駆体Al(CH[CHOCH(CH)CHNtBu]を得る。H NMR(C):δ3.40−3.32(Al(CH[CHOCH(CH)CHNtBu],m,1H),2.88(Al(CH[CHOCH(CH)CHNtBu],dd,J=11.1Hz,J=4.7Hz,1H),2.69−2.65(Al(CH[CHOCH(CH)CHNtBu],m,1H),2.66(Al(CH[CHOCH(CH)CHNtBu],s,3H),1.29(Al(CH[CHOCH(CH)CHNtBu],s,9H),0.68(Al(CH[CHOCH(CH)CHNtBu],d,J=5.8Hz,3H),−0.40(Al(CH[CHOCH(CH)CHNtBu],s,3H),−0.44(Al(CH[CHOCH(CH)CHNtBu],s,3H)。
[実施例3]Al(CH[CHOCHCHNtBu]の製造
リガンドCHOCHCHNHtBu 1当量を2M Al(Me) 1当量が溶解された−78℃のヘキサンまたはヘプタンに添加し、徐々に常温に温度を上げた後、約16時間撹拌する。上記反応を完了し、真空下で溶媒を除去する。得られた化合物を減圧蒸留して、無色液体である前駆体Al(CH[CHOCHCHNtBu]を得る。H NMR(C):δ3.09(Al(CH[CHOCHCHNtBu],t,J=6.9Hz,2H),2.79(Al(CH[CHOCHCHNtBu],t,J=6.9Hz,2H),2.62(Al(CH[CHOCHCHNtBu],s,3H),1.28(Al(CH[CHOCHCHNtBu],s,9H),−0.44(Al(CH[CHOCHCHNtBu],s,6H)。
本実施例のM(遷移金属)がZn(亜鉛)の場合の合成方法は下記式3の通りである。
Figure 2021517905
[実施例4]Zn(CH)[CHOCHCHNtBu]の製造
リガンドCHOCHCHNHtBu 1当量を1.2M Zn(Me) 1当量が溶解された−78℃のトルエンに添加し、徐々に常温に温度を上げた後、約16時間撹拌する。上記反応を完了し、真空下で溶媒を除去する。得られた化合物を減圧蒸留して、白色固体である前駆体Zn(CH)[CHOCHCHNtBu]を得る。H NMR(C):δ3.01−2.96(Zn(CH)[CHOCHCHNtBu],m,2H),2.99(Zn(CH)[CHOCHCHNtBu],s,3H),2.33−2.29(Zn(CH)[CHOCHCHNtBu],m,2H),0.91(Zn(CH)[CHOCHCHNtBu],s,9H),−0.39(Zn(CH)[CHOCHCHNtBu],s,3H)。
本実施例のM(遷移金属)がIn(インジウム)の場合の合成方法は下記式4の通りである。
Figure 2021517905
[実施例5]In(CH[CHOCHCHNtBu]の製造
リガンドCHOCHCHNHtBu 1当量を In(Me)・EtO 1当量 が溶解された−78℃の Toluene に添加し、徐々に常温に温度を上げた後、約16時間、110℃に加熱する。上記反応を完了し、真空下で溶媒を除去する。得られた化合物を減圧蒸留して、無色液体である前駆体In(CH[CHOCHCHNtBu]を得る。H NMR(C):δ3.21(In(CH[CHOCHCHNtBu],t,J=5.5Hz,2H),2.99(In(CH[CHOCHCHNtBu],s,3H),2.48−2.43(In(CH[CHOCHCHNtBu],m,2H),0.85(In(CH[CHOCHCHNtBu],s,9H),0.00(In(CH[CHOCHCHNtBu],s,6H)。
本実施例のM(遷移金属)がGa(ガリウム)の場合の合成方法は下記式5の通りである。
Figure 2021517905
[実施例6]Ga(CH[CHOCHCHNtBu]の製造
リガンドCHOCHCHNHtBu 1当量を Ga(Me)・EtO1当量 が溶解された−78℃の Toluene にゆっくり添加した後、徐々に温度を上げて、約16時間、110℃に加熱する。上記反応を完了し、真空下で溶媒を除去する。得られた化合物を減圧蒸留して、無色液体である前駆体Ga(CH[CHOCHCHNtBu]を得る。H NMR(C):δ3.21(Ga(CH[CHOCHCHNtBu],t,J=5.2Hz,2H),3.00(Ga(CH[CHOCHCHNtBu],s,3H),2.55−2.51(Ga(CH[CHOCHCHNtBu],m,2H),0.92(Ga(CH[CHOCHCHNtBu],s,9H),0.00(Ga(CH[CHOCHCHNtBu],s,6H)。
また、[実施例7]Zn(CH)[CHOC(CHCHNtBu]および[実施例8]Zn(Et)[CHOC(CHCHNtBu]は[式3]の反応式を用いて合成することができた。
上記合成された実施例および比較例の構造式は下記表1の通りである。
Figure 2021517905
[実験例1]前駆体化合物の物性の測定
上記実施例により製造されたAl(CH[CHOC(CHCHNtBu]、Al(CH[CHOCH(CH)CHNtBu]およびAl(CH[CHOCHCHNtBu]前駆体化合物の物性の測定を実施した。物性としては、室温時の状態、沸点および自然発火性について測定した。
上記物性の測定値は下記表2により確認可能である。
Figure 2021517905
上記表2を通して分かるように、本発明の実施例1〜6は、大気でいずれも非発火性(Nonpyrophoric)を有し、常温で固体または液体である。
[実験例2]前駆体化合物の熱重量分析(TG analysis)
上記実施例により製造された実施例1(Al(CH[CHOC(CHCHNtBu])、実施例2(Al(CH[CHOCH(CH)CHNtBu])および実施例3(Al(CH[CHOCHCHNtBu])の前駆体化合物の熱重量分析(TG analysis)を実施した。
熱重量分析(TGA)の分析時に用いられた機器はMettler Toledo社のTGA/DSC 1STAR Systemで、50μLの容量のアルミナるつぼ(Alumina crucible)を用いた。すべての試料の量は10mgを用い、30℃から400℃まで測定を実施した。熱重量分析に対する具体的な条件および測定値は下記表3および図1を通して確認可能である。
Figure 2021517905
上記表3のように、本発明の実施例1〜3の前駆体の半減期[T1/2(℃)]は132℃〜155℃である。また、300℃では残留量がほとんどなく、気化時に分解することなく熱的安定性を有する。
[製造例]前駆体化合物の原子層蒸着(ALD)工程による成膜評価
上記実施例により製造された実施例1(Al(CH[CHOC(CHCHNtBu])である前駆体化合物の原子層蒸着法(ALD)による成膜評価を進行させた。酸化剤としてはオゾン(O)および水(HO)を用い、不活性気体であるアルゴン(Ar)または窒素(N)などをパージの目的で用いた。前駆体、アルゴン、オゾンまたは水、そしてアルゴンを注入することを1サイクルとし、蒸着はSi(シリコン)ウエハ上で行った。
製造例1により製造された薄膜に対しては、成膜評価項目として上記実施例1(Al(CH[CHOC(CHCHNtBu])の前駆体化合物の工程時、酸化剤としてオゾン(O)を用いた場合の、前駆体注入時間に応じた薄膜蒸着率の変化、工程温度に応じた薄膜蒸着率の変化およびXPS(X−ray photoelectron spectroscopy)分析による蒸着した薄膜内のアルミニウム(Al)、酸素(O)、炭素(C)の含有量およびO/Alの比率を評価した。
製造例2により製造された薄膜に対しては、上記実施例1(Al(CH[CHOC(CHCHNtBu])の前駆体化合物の工程時、酸化剤として水(HO)を用いた場合の、前駆体注入時間に応じた薄膜蒸着率の変化、工程温度に応じた薄膜蒸着率の変化、XPS(X−ray photoelectron spectroscopy)分析による蒸着した薄膜内のアルミニウム(Al)、酸素(O)、炭素(C)の含有量およびO/Alの比率、蒸着工程回数(cycle)に応じた薄膜厚さの変化(Growth linearity)、温度に応じたAlの密度および段差被覆性(Step coverage)を観測した。
[製造例1]実施例1の前駆体と酸化剤としてオゾン(O)を用いた原子層蒸着工程による成膜評価
<前駆体注入時間に応じた薄膜蒸着率の変化(Saturation)>
実施例1(Al(CH[CHOC(CHCHNtBu])の前駆体とオゾン(O)の原子層蒸着(ALD)工程時、一定の薄膜蒸着率を示す前駆体化合物の注入時間を測定して自己制限的反応(Self−limiting reaction)を確認した。
図2をみると、比較例1(TMA)の前駆体の工程温度が300℃の時、工程注入時間は1秒後、実施例1の前駆体工程温度が260℃の時、工程注入時間4秒後に一定の薄膜蒸着率を示す。
Figure 2021517905
上記表4から分かるように、工程の過程は、実施例1の前駆体の時、前駆体(2〜10秒)−Ar(10秒)−O(3秒)−Ar(10秒)の順に供給し、前駆体のパージ(Purge)のためのアルゴン(Ar)の流量は100sccmとした。反応ガスであるオゾン(O)は144g/mの濃度で注入した。前駆体の温度は40℃であり、キャリアガス注入量は5sccmを流し、工程温度は260℃であり、工程回数は200cycleである。
また、比較例1の時、前駆体(0.2〜2秒)−Ar(10秒)−O(1.2秒)−Ar(10秒)の順に供給し、前駆体のパージのためのアルゴンの流量は500sccmであり、反応ガスであるオゾンは144g/mの濃度で注入した。比較例1の前駆体温度は5℃であり、キャリアガス注入量は10sccmを流し、工程温度は300℃であり、工程回数は200cycleである。
<工程温度に応じた薄膜蒸着率の変化(ALD window)>
実施例1(Al(CH[CHOC(CHCHNtBu])の前駆体とオゾン(O)の原子層蒸着(ALD)工程時、異なる温度による薄膜蒸着率を測定して工程温度区間(ALD window)を確認した。図3をみると、実施例1の前駆体は、150℃〜320℃まで一定の薄膜蒸着率を有する工程温度区間(ALD window)を有することが分かる。
Figure 2021517905
上記表5を通して、実施例1の前駆体の工程温度範囲(ALD window)が、既存の商用化された比較例1の前駆体(TMA)に匹敵する広い範囲の工程温度区間を有することが分かる。
<Al薄膜内の元素含有量、O/Alの比率(Ratio)>
実施例1(Al(CH[CHOC(CHCHNtBu])の前駆体とオゾン(O)の原子層蒸着(ALD)工程を進行させる時、工程温度に応じた元素含有量(Atomic%)および元素比率(Atomic ratio、O/Al)をXPS(X−ray photoelectron spectroscopy)分析により測定した。
図4をみると、工程温度範囲は80℃〜300℃であり、温度に応じた定量的Al薄膜の含有量を確認した。
Figure 2021517905
上記表6をみると、低温においてもC(炭素)の含有量は観測されておらず、温度が増加するほどAl(アルミニウム)の含有量は高くなり、O(酸素)の含有量は低下して、O/Alの比率が減少することが分かる。
[製造例2]実施例1の前駆体と酸化剤としてHOを用いた原子層蒸着工程による成膜評価
<前駆体注入時間に応じた薄膜蒸着率の変化(Saturation)>
実施例1(Al(CH[CHOC(CHCHNtBu])の前駆体と水(HO)の原子層蒸着(ALD)工程時、一定の薄膜蒸着率を示す前駆体化合物の注入時間を測定して自己制限的反応(Self−limiting reaction)を確認した。図5をみると、工程温度が150℃の時、比較例1の前駆体(TMA)の工程注入時間1秒後に一定の薄膜蒸着率を示す。
Figure 2021517905
上記表7から分かるように、工程の過程は、実施例1の時、前駆体(1〜5秒)−Ar(20秒)−HO(1.2秒)−Ar(20秒)の順に供給し、前駆体のパージ(Purge)のためのアルゴン(Ar)の流量は100sccmとした。実施例1の前駆体の温度は40℃であり、キャリアガス注入量は10sccmを流し、酸化剤である水の温度は10℃であり、工程温度は150℃であり、総工程回数は200cycleである。
また、比較例1の前駆体の時、前駆体(0.2〜2秒)−Ar(10秒)−HO(1.2秒)−Ar(10秒)の順に供給し、前駆体のパージ(Purge)のためのアルゴン(Ar)の流量は500sccmとした。比較例1の前駆体の温度は5℃であり、キャリアガス注入量は10sccmを流し、酸化剤である水の温度は10℃であり、工程温度は150℃であり、総工程回数は200cycleである。
<工程温度に応じた薄膜蒸着率の変化(ALD window)>
実施例1(Al(CH[CHOC(CHCHNtBu])の前駆体と水(HO)の原子層蒸着(ALD)工程時、異なる温度による薄膜蒸着率を測定して工程温度区間(ALD window)を確認した。図6をみると、実施例1の前駆体は、130℃〜320℃まで一定の薄膜蒸着率を示すが、比較例1の前駆体は、130℃〜200℃までは一定の薄膜蒸着率を示すのに対し、200℃〜320℃では薄膜蒸着率が低下する傾向を示した。表8および上述した説明により、比較例1の前駆体よりも、実施例1の前駆体がより広い工程温度区間(ALD window)を有することが分かる。
Figure 2021517905
上記表8および上述した説明により、実施例1の前駆体の工程温度範囲(ALD window)が、既存の商用化された比較例1の前駆体(TMA)より広い範囲の工程温度を有することが分かる。また、工程温度範囲の測定時、比較例1の前駆体のパージガス注入量が5倍多く、前駆体注入時間(sec)は5倍短く、パージガス注入時間も2倍短い。
<Al薄膜内の元素含有量、O/Alの比率(Ratio)>
実施例1(Al(CH[CHOC(CHCHNtBu])の前駆体と水(HO)の原子層蒸着(ALD)工程を進行させる時、工程温度に応じた元素含有量(Atomic%)および元素比率(Atomic ratio、O/Al ratio)をXPS(X−ray photoelectron spectroscopy)分析により測定した。
図7をみると、工程温度範囲は150℃〜300℃であり、温度に応じた定量的Al薄膜の含有量を確認した。
Figure 2021517905
上記表9をみると、150℃、300℃の温度条件でAl(アルミニウム)およびO(酸素)の含有量およびO/Alの比率が類似していることを確認することができる。
<工程回数に応じた薄膜厚さの変化(Growth linearity)>
実施例1(Al(CH[CHOC(CHCHNtBu])の前駆体と水(HO)の原子層蒸着(ALD)工程を進行させる時、蒸着工程回数(cycle)に応じた薄膜厚さの変化は150℃または300℃の温度条件で類似の傾向を有する。図8は、工程回数に応じた薄膜厚さの変化をグラフで示すものであり、温度条件150℃では0.91A/cycle、300℃では0.93A/cycleの薄膜蒸着率を有することが分かる。
<異なる温度によるAl薄膜の密度(Film density by XRR)>
実施例1(Al(CH[CHOC(CHCHNtBu])の前駆体と水(HO)の原子層蒸着(ALD)工程を進行させる時、工程温度に応じた薄膜の密度は、温度の増加に伴って密度も増加する傾向を示し、実施例1の前駆体が、比較例1の前駆体より優れた薄膜密度を有することが分かる。これは図9および表10を通して確認可能である。表10は、Al(Bulk)の時の密度および比較例1の前駆体(TMA)と水(HO)の原子層蒸着工程時、温度に応じた密度に関するものであって、文献Chem. Mater. 2004, 16, 639を参照した。
Figure 2021517905
<異なる温度によるAl薄膜の段差被覆性(Step coverage by TEM)>
実施例1(Al(CH[CHOC(CHCHNtBu])の前駆体と水(HO)の原子層蒸着(ALD)工程を進行させる時、温度に応じたホール(Hole)およびトレンチ(Trench)構造の段差被覆性に対してTEM(Transmission electron microscopy)測定により確認した。工程温度は150℃または300℃であり、ホール構造の時の縦横比は26:1であり、トレンチ構造の時の縦横比は40:1であった。
Figure 2021517905
上記表11から分かるように、ホール構造およびトレンチ構造の段差被覆性は、150℃、300℃の温度条件で98%以上の水準を有する。これによって、実施例1の前駆体は、広い温度区間で優れた段差被覆性を有することを確認することができる。
上述した本発明の説明は例示のためであり、本発明の属する技術分野における通常の知識を有する者は、本発明の技術的思想や必須の特徴を変更することなく他の具体的な形態に容易に変形可能であることを理解するであろう。そのため、上述した実施例はあらゆる面で例示的であり、限定的ではないことを理解しなければならない。
本発明の範囲は、上記の詳細な説明よりは後述する特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲の意味および範囲、そしてその均等概念から導出されるあらゆる変更または変形された形態が本発明の範囲に含まれると解釈されなければならない。

Claims (10)

  1. 下記化学式1で表される化合物:
    Figure 2021517905

    上記化学式1において、
    Mが周期表上の12族の2価の遷移金属の場合、nは1であり、
    Mが周期表上の13族の3価の遷移金属の場合、nは2であり、
    〜Rは水素、置換もしくは非置換の炭素数1〜4の線状または分枝状アルキル基、またはこれらの異性体である。
  2. 上記化学式1のMはAl、Zn、InおよびGaからなる群より選択される1種であることを特徴とする請求項1に記載の化合物。
  3. 上記化学式1のR〜Rは水素、メチル基、エチル基、n−プロピル基、iso−プロピル基、n−ブチル基、iso−ブチル基、sec−ブチル基、tert−ブチル基、およびこれらの異性体からなる群より選択される1種であることを特徴とする請求項1に記載の化合物。
  4. 上記Rはメチル基;
    上記RおよびRは水素またはメチル基;
    上記Rはtert−ブチル基、および
    上記Rはメチル基またはエチル基であることを特徴とする請求項1に記載の化合物。
  5. 上記化学式1はAl(CH[CHOC(CHCHNtBu]、Al(CH[CHOCH(CH)CHNtBu]、Al(CH[CHOCHCHNtBu]、Zn(CH)[CHOCHCHNtBu]、Zn(CH)[CHOC(CHCHNtBu]、Zn(Et)[CHOC(CHCHNtBu]、In(CH[CHOCHCHNtBu]、Ga(CH[CHOCHCHNtBu](ここで、Etはエチル、tBuはtert−ブチル基である)からなる群より選択される1種であることを特徴とする請求項1に記載の化合物。
  6. 請求項1〜5のいずれか1項に記載の化合物を含む前駆体。
  7. 請求項1〜5のいずれか1項に記載の化合物を含む前駆体を反応器に導入するステップを含む薄膜の製造方法。
  8. 上記製造方法は、原子層蒸着(ALD)または化学気相蒸着(CVD)を含むことを特徴とする請求項7に記載の薄膜の製造方法。
  9. 上記製造方法は、酸化剤、窒化剤、または還元剤からなる群のいずれか1種以上を用いるステップを含むことを特徴とする請求項7に記載の薄膜の製造方法。
  10. 上記薄膜は、酸化膜、窒化膜、または金属膜を含むことを特徴とする請求項7に記載の薄膜の製造方法。
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