JP4059662B2 - 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
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、化学気相成長（以下、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。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
銅及び銅系合金は、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。
【０００３】
これら銅、銅を含む合金、銅を含む複合金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。
【０００４】
しかしながら、銅系薄膜をＣＶＤ法によっ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。
【０００５】
また、特開平１０−１４０３５２号公報、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。
【０００６】
更に、米国特許５９８０９８３号には、二種類以上の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。
【０００７】
上記問題に対し、特開２００１−１８１８４０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。
【０００８】
従って、本発明の目的は、各種ＣＶＤ法に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。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明者等は、検討を重ねた結果、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。
【００１０】
本発明は、上記知見に基づいてなされたもので、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（ＣＶＤ）法による銅系薄膜の製造方法を提供するものである。
【化３】
【００１１】
また、本発明は、上記の銅のＣＶＤ用銅原料について、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。
【化４】
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について詳細に説明する。
【００１３】
本発明に係る銅（II）のβ−ジケトネート錯体は、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。
【００１４】
【化５】
【００１５】
上記の錯体の中でも化合物Ｎｏ．２と化合物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。
【００１６】
本発明に係る銅（II）錯体を与えるβ−ジケトン化合物は、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。
【００１７】
例えば、炭素数１〜４の直鎖アルキルメチルケトンと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。
【００１８】
本発明に係る銅（II）錯体を与えるβ−ジ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。
【００１９】
本発明に係る銅（II）のβ−ジケトネート錯体について、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。
【００２０】
本発明の化学気相成長（ＣＶＤ）用銅原料とは、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。
【００２１】
ＣＶＤ法の輸送供給方法としては、ＣＶＤ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。
【００２２】
また、多成分系薄膜を製造する多成分系の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。
【００２３】
上記のＣＶＤ用原料に使用する有機溶剤としては、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。
【００２４】
上記の他の成分の金属供給源化合物としては、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、ＹＢａ2Ｃｕ3Ｏ7-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ＲＥＢＣ系超電導体、Ｂｉ2Ｓｒ2Ｃａ2Ｃｕ2Ｏ8、Ｂｉ2Ｓｒ2Ｃａ2Ｃｕ3Ｏ10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。
【００２５】
また、本発明に用いられる上記のＣＶＤ用原料には、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。
【００２６】
本発明の銅系薄膜の製造方法とは、上記一般式（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。
【００２７】
上記の必要に応じて用いられる反応性ガスとしては、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。
【００２８】
また、上記の輸送供給方法としては、上述した気体輸送法、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。
【００２９】
また、上記の堆積方法としては、原料ガス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。
【００３０】
また、上記の製造条件としては、反応温度（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、１００〜３００℃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、０．０５〜１０００ｎｍ／分が好ましく、０．２〜５００ｎｍ／分がより好ましい。
【００３１】
また、本発明の薄膜の製造方法においては、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。
【００３２】
また、上記基体としては、例えば、シリコン、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。
【００３３】
【実施例】
以下、製造例、実施例をもって本発明を更に詳細に説明する。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。
【００３４】
［製造例１］
（６−エチルデカン−３，５−ジオンの合成）
アルゴン置換した３０００ｍｌ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℃、２５〜２０ｔｏｒｒ）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。
【００３５】
＜分析結果＞
・1Ｈ−ＮＭＲ分析：（ケミカルシフト；ピーク形状；プロトン数）
（０．０８〜０．８６；ｍ；６）（０．９０〜０．９５；ｔ；３）（１．１０〜１．２９；ｍ；４）（１．２９〜１．４３；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）
【００３６】
［製造例２］
（７−エチルウンデカン−４，６−ジオンの合成）
アルゴン置換した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３０３．０ｇ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１２５〜１３０℃、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。
【００３７】
＜分析結果＞
・1Ｈ−ＮＭＲ分析：（ケミカルシフト；ピーク形状；プロトン数）
（０．７３〜０．７８；ｔ；３）（０．０８〜０．８８；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）（１６．５６；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）
【００３８】
〔製造例３〕
（化合物Ｎｏ．２の合成）
５００ｍｌ四つ口フラスコに水酸化銅（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、２８７３ｃｍ-1、１５６７ｃｍ-1、１５１９ｃｍ-1、１４２５ｃｍ-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１３．８３質量％でありよく一致した。
【００３９】
［製造例４］
（化合物Ｎｏ．３の合成）
５００ｍｌ四つ口フラスコに水酸化銅（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４３．６ｇ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、２８７３ｃｍ-1、１５７１ｃｍ-1、１５１７ｃｍ-1、１４２５ｃｍ-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１３．０３質量％でありよく一致した。
【００４０】
［実施例１］
（溶液ＣＶＤ法による銅薄膜の製造）
図１に示すプラズマ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５０ｓｃｃｍ、反応性ガス；水素７０ｓｃｃｍ、反応圧力；５０Ｐａ、プラズマ出力２０Ｗ、反応温度（基体温度）；１５０℃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。
【００４１】
得られた銅薄膜について、ＳＩＭＳ測定に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。
【００４２】
【化６】
【００４３】
【表１】
【００４４】
［実施例２］
（ＣＶＤ法による銅薄膜の製造）
図２に示すＣＶＤ装置を用いて、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４０ｓｃｃｍ、反応性ガス；水素５０ｓｃｃｍ、反応圧力；６００〜５００Ｐａ、反応温度（基体温度）；４００℃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。
【００４５】
【表２】
【００４６】
【発明の効果】
本発明は、各種ＣＶＤ法に適する充分な熱安定性を有し、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ＣＶＤ法による製造方法を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明の銅系薄膜の製造方法に用いられる溶液ＣＶＤ装置の一例を示す概要図である。
【図２】図２は、本発明の銅系薄膜の製造方法に用いられるＣＶＤ装置の他の例を示す概要図である。
【発明の属する技術分野】
本発明は、化学気相成長（以下、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。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
銅及び銅系合金は、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。
【０００３】
これら銅、銅を含む合金、銅を含む複合金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。
【０００４】
しかしながら、銅系薄膜をＣＶＤ法によっ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。
【０００５】
また、特開平１０−１４０３５２号公報、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。
【０００６】
更に、米国特許５９８０９８３号には、二種類以上の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。
【０００７】
上記問題に対し、特開２００１−１８１８４０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。
【０００８】
従って、本発明の目的は、各種ＣＶＤ法に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。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明者等は、検討を重ねた結果、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。
【００１０】
本発明は、上記知見に基づいてなされたもので、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（ＣＶＤ）法による銅系薄膜の製造方法を提供するものである。
【化３】
また、本発明は、上記の銅のＣＶＤ用銅原料について、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。
【化４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について詳細に説明する。
【００１３】
本発明に係る銅（II）のβ−ジケトネート錯体は、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。
【００１４】
【化５】
上記の錯体の中でも化合物Ｎｏ．２と化合物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。
【００１６】
本発明に係る銅（II）錯体を与えるβ−ジケトン化合物は、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。
【００１７】
例えば、炭素数１〜４の直鎖アルキルメチルケトンと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。
【００１８】
本発明に係る銅（II）錯体を与えるβ−ジ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。
【００１９】
本発明に係る銅（II）のβ−ジケトネート錯体について、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。
【００２０】
本発明の化学気相成長（ＣＶＤ）用銅原料とは、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。
【００２１】
ＣＶＤ法の輸送供給方法としては、ＣＶＤ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。
【００２２】
また、多成分系薄膜を製造する多成分系の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。
【００２３】
上記のＣＶＤ用原料に使用する有機溶剤としては、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。
【００２４】
上記の他の成分の金属供給源化合物としては、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、ＹＢａ2Ｃｕ3Ｏ7-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ＲＥＢＣ系超電導体、Ｂｉ2Ｓｒ2Ｃａ2Ｃｕ2Ｏ8、Ｂｉ2Ｓｒ2Ｃａ2Ｃｕ3Ｏ10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。
【００２５】
また、本発明に用いられる上記のＣＶＤ用原料には、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。
【００２６】
本発明の銅系薄膜の製造方法とは、上記一般式（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。
【００２７】
上記の必要に応じて用いられる反応性ガスとしては、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。
【００２８】
また、上記の輸送供給方法としては、上述した気体輸送法、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。
【００２９】
また、上記の堆積方法としては、原料ガス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。
【００３０】
また、上記の製造条件としては、反応温度（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、１００〜３００℃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、０．０５〜１０００ｎｍ／分が好ましく、０．２〜５００ｎｍ／分がより好ましい。
【００３１】
また、本発明の薄膜の製造方法においては、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。
【００３２】
また、上記基体としては、例えば、シリコン、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。
【００３３】
【実施例】
以下、製造例、実施例をもって本発明を更に詳細に説明する。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。
【００３４】
［製造例１］
（６−エチルデカン−３，５−ジオンの合成）
アルゴン置換した３０００ｍｌ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℃、２５〜２０ｔｏｒｒ）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。
【００３５】
＜分析結果＞
・1Ｈ−ＮＭＲ分析：（ケミカルシフト；ピーク形状；プロトン数）
（０．０８〜０．８６；ｍ；６）（０．９０〜０．９５；ｔ；３）（１．１０〜１．２９；ｍ；４）（１．２９〜１．４３；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）
【００３６】
［製造例２］
（７−エチルウンデカン−４，６−ジオンの合成）
アルゴン置換した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３０３．０ｇ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１２５〜１３０℃、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。
【００３７】
＜分析結果＞
・1Ｈ−ＮＭＲ分析：（ケミカルシフト；ピーク形状；プロトン数）
（０．７３〜０．７８；ｔ；３）（０．０８〜０．８８；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）（１６．５６；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）
【００３８】
〔製造例３〕
（化合物Ｎｏ．２の合成）
５００ｍｌ四つ口フラスコに水酸化銅（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、２８７３ｃｍ-1、１５６７ｃｍ-1、１５１９ｃｍ-1、１４２５ｃｍ-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１３．８３質量％でありよく一致した。
【００３９】
［製造例４］
（化合物Ｎｏ．３の合成）
５００ｍｌ四つ口フラスコに水酸化銅（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４３．６ｇ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、２８７３ｃｍ-1、１５７１ｃｍ-1、１５１７ｃｍ-1、１４２５ｃｍ-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１３．０３質量％でありよく一致した。
【００４０】
［実施例１］
（溶液ＣＶＤ法による銅薄膜の製造）
図１に示すプラズマ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５０ｓｃｃｍ、反応性ガス；水素７０ｓｃｃｍ、反応圧力；５０Ｐａ、プラズマ出力２０Ｗ、反応温度（基体温度）；１５０℃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。
【００４１】
得られた銅薄膜について、ＳＩＭＳ測定に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。
【００４２】
【化６】
【表１】
［実施例２］
（ＣＶＤ法による銅薄膜の製造）
図２に示すＣＶＤ装置を用いて、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４０ｓｃｃｍ、反応性ガス；水素５０ｓｃｃｍ、反応圧力；６００〜５００Ｐａ、反応温度（基体温度）；４００℃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。
【００４５】
【表２】
【発明の効果】
本発明は、各種ＣＶＤ法に適する充分な熱安定性を有し、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ＣＶＤ法による製造方法を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明の銅系薄膜の製造方法に用いられる溶液ＣＶＤ装置の一例を示す概要図である。
【図２】図２は、本発明の銅系薄膜の製造方法に用いられるＣＶＤ装置の他の例を示す概要図である。
Claims (4)
- 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。
- 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。
- 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。
- 下記一般式（２）で表されるβ−ジケトン化合物。
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