JP4980679B2 - チタン錯体、それらの製造方法、チタン含有薄膜及びそれらの形成方法 - Google Patents

チタン錯体、それらの製造方法、チタン含有薄膜及びそれらの形成方法 Download PDF

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Description

本発明は、半導体素子の製造原料として有用なチタン錯体、それらの製造方法、チタン含有薄膜及びそれらの形成方法に関するものである。
現在の半導体素子製造において、配線用バリア、キャパシタ誘電体や電極の薄膜を形成する方法には、スパッタによる物理気相成長法(PVD法)が主に用いられている。しかし、次世代以降の半導体製造では、微細化した素子の複雑な3次元構造の表面に均一で薄い膜を形成することが求められるため、凹凸のある面に均一な膜を形成することが難しいPVD法は適切ではない。そのため最近では、原料気体を分解して膜を堆積させるCVD法又は基板表面に吸着させた原料を分解して膜を堆積させる原子層蒸着法(ALD法)による薄膜形成方法が検討されている。
CVD法又はALD法により薄膜を形成するための製造原料には、適度な蒸気圧と熱安定性を持ち、安定した供給量で気化させることが出来る原料が選択される。さらに複雑な3次元構造の表面に均一な膜厚で成膜出来ることも必要な条件のひとつである。さらに一定の供給量で安定に気化させるためには液体であるほうが好ましい。
次世代以降の半導体素子のバリア膜やキャパシタの電極膜の材料として、チタン、窒化チタン及びケイ素含有窒化チタンが候補に挙げられている。また、キャパシタ誘電体膜の材料としては、酸化チタン及びチタン含有酸化物が候補に挙げられている。
チタン、窒化チタン及びケイ素含有窒化チタンの薄膜をCVD法又はALD法によって生成する原料として、これまでにテトラキスアミド錯体Ti(NRR’)(R及びR’はメチル基又はエチル基)などが検討されてきた(例えば特許文献1参照)。しかし、Ti(NRR’)は、水に対して極度に反応性が高く、成膜に使用するキャリアガス、反応ガス中などに含まれる微量水分と反応し、形成された膜内に酸素が取り込まれやすいことが知られている。例えば、テトラキス(ジメチルアミド)チタンTi(NMeを原料としてリモートプラズマALD法で成膜した窒化チタン膜中には10atm%以上の酸素が含まれていることが報告されている(例えば非特許文献1参照)。酸素を含有した膜は比抵抗値が高いため、バリア層の要求特性を満たさない。すなわち、これらのテトラキスアミド錯体もバリア層形成用材料としては好ましくない。
一方、酸化チタン膜及びチタン含有酸化物膜をCVD法又はALD法によって形成するための原料として、テトライソプロポキソチタンTi(OPr)、(ジイソプロポキソ)(ビス(2,2,6,6−テトラメチルヘプタンジオナト))チタンTi(OPr)(THD)、テトラキス(2−メトキシ−1−メチル−1−プロポキソ)チタンTi(MMP)などが検討されてきた。
Ti(OPr)を原料に用いて膜の形成を試みる場合、Ti(OPr)は水に対して極度に不安定なため、装置内の配管におけるわずかな水蒸気の混入が管内に酸化チタンの微粉を形成し管を閉塞させる恐れがある。また、Ti(OPr)を基板に吹きかけ分解する際にはアルコールが発生し、そのアルコールはさらに水とアルケンに分解する。その水が未分解のTi(OPr)と反応し、酸化チタンの微粉が生成して成膜室や排出口に付着するため、生産性が低い。そのため、半導体素子に用いる薄膜形成用材料としては好ましくない(例えば特許文献2参照)。
Ti(OPr)(THD)、Ti(MMP)を用いて膜を形成した場合、特にチタン含有複合酸化物膜をCVD法により形成した場合には、他の金属供給源材料との揮発特性や分解性が大きく異なるために好ましい比率での薄膜の組成制御が困難となり生産性を低下させるという問題があった。
Journal of The Electrochemical Society、152巻、G29ページ(2005年) 開2006−93551号公報 特開2004−196618号公報
本発明の目的は、良好な気化特性及び優れた熱安定性を持ち、CVD法又はALD法などの手法によってチタン含有薄膜を形成するための原料となる新規なチタン錯体、それらの製造方法、それらを用いて形成したチタン含有薄膜及びその形成方法を提供することである。
本発明者らは上述の現状に鑑み、鋭意検討を重ねた結果、一般式(1)で表されるチタン錯体が上記課題を解決できる優れた化合物であることを見出し、本発明を完成するに至った。
すなわち本発明は、一般式(1)
Figure 0004980679
(式中、R及びRは各々独立にフッ素原子で置換されていても良い炭素数1から6のアルキル基を示す。R及びRは各々独立に水素原子、又はフッ素原子で置換されていても良い炭素数1から3のアルキル基を示す。R及びRは各々独立にフッ素原子で置換されていても良い炭素数1から4のアルキル基を示す。)で表されることを特徴とするチタン錯体である。
また本発明は、一般式(2)
Figure 0004980679
(RからRは、前記と同じ意味を示す。)で表されるジイミンと金属リチウム又は金属ナトリウムを反応させ、次いで、一般式(3)
Figure 0004980679
(式中、R及びRは前記と同じ意味を示す。)で表されるテトラキスアミド錯体を反応させることを特徴とする、一般式(1)で表されるチタン錯体の製造方法である。
さらに本発明は、前述のチタン錯体を原料として用いることを特徴とする、チタン含有薄膜の形成方法である。
さらに本発明は、前述の方法により形成されることを特徴とする、チタン含有薄膜である。以下に本発明を更に詳細に説明する。
一般式(1)で表される本発明のチタン錯体は、下記一般式(1a)
Figure 0004980679
(式中、R、R、R、R、R及びRは前記と同じ意味を示す。)で表される共鳴構造をとりうるものであり、実際には一般式(1)で表される化合物と一般式(1a)で表される化合物との共鳴混成体であるが、本発明においては、表記の簡略化のため両者を併せて一般式(1)で記載する。
本発明において、R及びRで表される炭素数1から6のアルキル基としては、メチル基、エチル基、プロピル基、イソプロピル基、シクロプロピル基、ブチル基、イソブチル基、sec−ブチル基、tert−ブチル基、ペンチル基、イソペンチル基、ネオペンチル基、tert−ペンチル基、1−メチルブチル基、2−メチルブチル基、1,2−ジメチルプロピル基、ヘキシル基、イソヘキシル基、1−メチルペンチル基、2−メチルペンチル基、3−メチルペンチル基、1,1−ジメチルブチル基、1,2−ジメチルブチル基、2,2−ジメチルブチル基、1,3−ジメチルブチル基、2,3−ジメチルブチル基、3,3−ジメチルブチル基、1−エチルブチル基、2−エチルブチル基、1,1,2−トリメチルプロピル基、1,2,2−トリメチルプロピル基、1−エチル−1−メチルプロピル基、1−エチル−2−メチルプロピル基、シクロプロピル基、シクロブチル基、シクロペンチル基、シクロヘキシル基、シクロプロピルメチル基、シクロプロピルエチル基及びシクロブチルメチル基などを例示することができる。
これらのアルキル基はフッ素原子で置換されていても良く、例えばトリフルオロメチル基、2,2,2−トリフルオロエチル基、ペルフルオロエチル基、ペルフルオロプロピル基、ペルフルオロイソプロピル基、ペルフルオロブチル基、ペルフルオロ−sec−ブチル基、ペルフルオロ−tert−ブチル基、ペルフルオロペンチル基又はペルフルオロヘキシル基等を例示することができる。
及びRで表される炭素数1から3のアルキル基としては、メチル基、エチル基、プロピル基、イソプロピル基又はシクロプロピル基を例示することができる。これらのアルキル基はフッ素原子で置換されていても良く、例えばトリフルオロメチル基、2,2,2−トリフルオロエチル基、ペルフルオロエチル基、ペルフルオロプロピル基又はペルフルオロイソプロピル基等を例示することができる。
及びRで表される炭素数1から4のアルキル基としては、メチル基、エチル基、プロピル基、イソプロピル基、ブチル基、イソブチル基、sec−ブチル基又はtert−ブチル基などを例示することができる。これらのアルキル基はフッ素原子で置換されていても良く、例えばトリフルオロメチル基、2,2,2−トリフルオロエチル基、ペルフルオロエチル基、ペルフルオロプロピル基、ペルフルオロイソプロピル基、ペルフルオロブチル基、ペルフルオロ−sec−ブチル基又はペルフルオロ−tert−ブチル基等を例示することができる。
良好な蒸気圧と優れた熱安定性を持つという点で、チタン錯体(1)におけるR及びRは各々独立に炭素数3から6の2級または3級アルキル基が好ましく、具体的にはイソプロピル基、sec−ブチル基、tert−ブチル基、tert−ペンチル基、1−メチルブチル基、1,2−ジメチルプロピル基、1−メチルペンチル基、1,1−ジメチルブチル基、1,2−ジメチルブチル基、1,3−ジメチルブチル基、1−エチルブチル基、1,1,2−トリメチルプロピル基、1,2,2−トリメチルプロピル基、1−エチル−1−メチルプロピル基、1−エチル−2−メチルプロピル基、シクロプロピル基、シクロブチル基、シクロペンチル基、シクロヘキシル基が好ましく、tert−ブチル基が更に好ましい。また、R及びRは水素原子が好ましい。また、R及びRは各々独立にメチル基又はエチル基が好ましく、メチル基が更に好ましい。
次に本発明の製造方法について説明する。まず有機溶媒中でジイミン(2)と2当量以上の金属リチウム又は金属ナトリウムを反応させると、一般式(4)
Figure 0004980679
(式中、Mはリチウム原子又はナトリウム原子を示し、R、R、R及びRは前記と同じ意味を示す。)で表されるリチウム−ジイミン錯体又はナトリウム−ジイミン錯体が生成することが知られている(Organometallics、17巻、4380ページ、(1998年))。
次に、生成したリチウム−ジイミン錯体又はナトリウム−ジイミン錯体にテトラキスアミド錯体(3)と反応させる際には、溶媒を用いなくても進行するが、収率が良い点で溶媒を用いることが好ましい。たとえば、ペンタン、ヘキサン、ヘプタン、オクタン、ベンゼン、トルエン、エチルベンゼン、キシレンなどの炭化水素類、ジエチルエーテル、ジイソプロピルエーテル、グライム、ジオキサン、テトラヒドロフランなどのエーテル類などを単独で又は混合して溶媒に用いることが出来る。収率が良好な点でテトラヒドロフラン、トルエン、ヘキサン又はヘプタンが好ましく、とりわけトルエン又はヘキサンが好ましい。
チタン錯体(1)の収率が良い点で、ジイミン(2)に2当量以上の金属リチウムを反応させ、次いでテトラキスアミド錯体(3)を反応させるのが好ましい。
リチウム−ジイミン錯体又はナトリウム−ジイミン錯体とテトラキスアミド錯体(3)を反応させる際の温度には限定は無いが、0℃から120℃の範囲内から適宜選択することにより収率良く目的物を得ることが出来る。反応時間にも限定はないが、1分から120時間の範囲内から適宜選択することにより反応を完結させることが出来る。収率よくチタン錯体(1)を得るためには、30℃から110℃の範囲で2時間から24時間反応させるのが好ましい。リチウム−ジイミン錯体を用いる場合には、40℃から70℃の範囲で2時間から12時間反応させるのが更に好ましい。ナトリウム−ジイミン錯体を用いる場合には、50℃から80℃の範囲で4時間から18時間反応させるのが更に好ましい。
チタン錯体(1)の回収・精製方法には特に限定はなく、通常の方法が使用できる。例えば反応終了後に、副生した不溶物を濾過して除去し、濾液を減圧濃縮して粗生成物を得て、これを蒸留または昇華等することによってチタン錯体(1)を得ることができる。
なお原料となるジイミン(2)は、既知の方法(例えばJournal of the American Chemical Society、120巻、12714ページ、(1998年))を参考にして合成することが出来る。テトラキスアミド錯体(3)は、既知の方法(例えばJournal of the Chemical Society、3857ページ、(1960年))を参考にして合成することが出来る。
本発明のチタン錯体(1)を原料に用いて、チタン含有薄膜を形成することが出来る。例えばCVD法又はALD法によりチタン含有薄膜を形成することができ、その場合、チタン錯体(1)をガス化して基板上に供給する。ガス化する方法としては、例えば加熱した恒温槽にチタン錯体(1)を入れ、ヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトン、キセノン若しくは窒素などのキャリアガスを吹き込みガス化する方法、又はチタン錯体(1)をそのまま又は溶液とし、これらを気化器に送って加熱して気化器内でガス化する方法などがある。溶液とする場合に用いる溶媒としては、1,2−ジメトキシエタン、ジグライム、トリグライム、ジオキサン、テトラヒドロフラン、シクロペンチルメチルエーテル等のエーテル類、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、ノナン、デカン、ベンゼン、トルエン、エチルベンゼン、キシレン等の炭化水素類を例示することが出来る。
ガスとして基板上に供給したチタン錯体(1)を分解することにより膜を形成することが出来る。分解は加熱だけでも可能であるが、プラズマや光などを併用しても良く、また、水、酸素、オゾン、水素、アンモニアなどの反応性ガスを共存させて分解させても良い。
本発明のチタン錯体(1)は、良好な気化特性及び優れた熱安定性を持ち、CVD法又はALD法などの手法によってチタン含有薄膜を形成することが可能である。
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。
(実施例1)Ti(BuNC(H)C(H)NBu)(NMeの合成
アルゴン雰囲気下で、N、N’−ジ(tert−ブチル)−1,4−ジアザ−1,3−ブタジエン1.68g(10.0mmol)をテトラヒドロフラン40mlに溶かした溶液にリチウム212mg(30.5mmol)を加え、室温で14時間撹拌した。残ったリチウムをろ別し、ろ液から溶媒を減圧留去した。残った黄色固体をヘキサン10mlに懸濁させ、テトラキス(ジメチルアミド)チタン1.98g(8.81mmol)をヘキサン20mlに溶かした溶液を加えた。50℃で4時間攪拌した後、室温まで冷却し、不溶物を濾別した。濾液から溶媒を減圧留去し、得られた残渣を減圧蒸留することにより濃赤色の液体2.37gを得た(収率88%)。
H NMR(500MHz、C、δ/ppm)
5.86(s、2H)、3.06(s、12H)、1.28(s、18H)
13C NMR(125MHz、C、δ/ppm)
102.0、58.7、43.6、31.6。
(試験例1)この濃赤色液体を、アルゴンを400ml/minにて流通させている雰囲気下、昇温速度10℃/minの条件で測定したTG(熱重量測定)の結果、及び密閉容器中で昇温速度10℃/minで測定したDSC(示差走査熱量測定)の結果を図1に示した。TGからCVD法又はALD法などの材料として適度な気化特性を有していることがわかり、DSCから熱安定性も良好であることが明らかである。
(実施例2)Ti(BuNC(H)C(H)NBu)(NMeの合成
アルゴン雰囲気下で、N、N’−ジ(tert−ブチル)−1,4−ジアザ−1,3−ブタジエン4.00g(23.8mmol)をテトラヒドロフラン25mlに溶かした溶液にナトリウム1.14g(49.6mmol)を加え、室温で14時間撹拌した。残ったナトリウムをろ別し、ろ液から溶媒を減圧留去した。残った赤色固体をトルエン10mlに懸濁させ、テトラキス(ジメチルアミド)チタン5.08g(22.7mmol)をトルエン20mlに溶かした溶液を加えた。80℃で6時間攪拌した後、室温まで冷却し、不溶物を濾別した。濾液から溶媒を減圧留去し、得られた残渣を減圧蒸留することにより濃赤色の液体3.05gを得た(収率42%)。この液体をCに溶かしてH NMR及び13C NMRスペクトルを測定したところ、実施例1で得たものと同じスペクトルが得られた。
(実施例3)Ti(BuNC(H)C(H)NBu)(NMeを用いたチタン含有薄膜の形成
Ti(BuNC(H)C(H)NBu)(NMeを原料とし、図2に示したCVD成膜装置を用いて、恒温槽(2)を40℃に保ち、キャリアガス(7)(Ar)流量30sccm、原料圧力200Torr、希釈ガス(6)(Ar)流量280sccm、反応ガス(5)(O)流量90sccm、(4)の基板温度400℃、(3)の反応槽内圧力4Torrで、CVD法によりSiO/Si基板上に1時間かけて成膜を行った。作製した膜を蛍光X線にて測定したところ、チタンの特性X線が検出され、チタン含有薄膜が堆積したことが確認された。
(実施例4)Ti(BuNC(H)C(H)NBu)(NMeを用いたチタン含有薄膜の形成
Ti(BuNC(H)C(H)NBu)(NMeを原料とし、図3の装置を用いて、恒温槽(14)を40℃に保ち、キャリアガス(16)(N)流量27sccm、原料圧力50Torr、プラズマ源ガス(15)(N)流量5sccm、(20)の基板温度300℃、(21)反応槽内圧力0.2Paで、PE−CVD法によりSi基板上に5時間かけて成膜した。プラズマは、共鳴磁束密度875gauss、マイクロ波波長2.45GHz、マイクロ波出力600Wの条件にて発生させた。作製した膜を蛍光X線にて測定したところ、チタンの特性X線が検出され、また、膜組成をX線光電子分光法で確認したところチタンを含有する導電性のある薄膜であった。膜厚をSEMにより確認したところ10nmであった。
(実施例5)Ti(BuNC(H)C(H)NBu)(NMeを用いたチタン含有薄膜の形成
Ti(BuNC(H)C(H)NBu)(NMeを原料とし、図3の装置を用いて、恒温槽(14)を40℃に保ち、キャリアガス(16)(Ar)流量41sccm、原料圧力50Torr、プラズマ源ガス(15)(Ar)流量10sccm、(20)の基板温度300℃、(21)の反応槽内圧力0.2Paで、PE−CVD法によりSi基板上に5時間かけて成膜した。プラズマは、共鳴磁束密度875gauss、マイクロ波波長2.45GHz、マイクロ波出力600Wの条件にて発生させた。作製した膜を蛍光X線にて測定したところ、チタンの特性X線が検出され、また、膜組成をX線光電子分光法で確認したところチタンを含有する導電性のある薄膜であった。膜厚をSEMにより確認したところ40nmであった。
試験例1のTG及びDSC測定結果を示す図である。 実施例3で用いたCVD成膜装置の概略図である。 実施例4及び5で用いたPE−CVD成膜装置の概略図である。
符号の説明
1.原料容器
2.恒温槽
3.反応槽
4.基板
5.反応ガス
6.希釈ガス
7.キャリアガス
8.マスフローコントローラー
9.マスフローコントローラー
10.マスフローコントローラー
11.真空ポンプ
12.排気
13.原料容器
14.恒温槽
15.プラズマ源ガス
16.キャリアガス
17.マスフローコントローラー
18.マスフローコントローラー
19.プラズマ発生装置
20.基板
21.反応槽
22.油拡散ポンプ
23.油回転式ポンプ
24.排気

Claims (8)

  1. 一般式(1)
    Figure 0004980679
    (式中、R及びRは各々独立にフッ素原子で置換されていても良い炭素数1から6のアルキル基を示す。R及びRは各々独立に水素原子、又はフッ素原子で置換されていても良い炭素数1から3のアルキル基を示す。R及びRは各々独立にフッ素原子で置換されていても良い炭素数1から4のアルキル基を示す。)で表されることを特徴とするチタン錯体。
  2. 及びRが各々独立に炭素数3から6の二級又は三級アルキル基であり、R及びRが水素原子であり、R及びRが各々独立にメチル基又はエチル基である請求項1に記載のチタン錯体。
  3. 及びRがtert−ブチル基であり、R及びRが水素原子であり、R及びRがメチル基である請求項1又は2に記載のチタン錯体。
  4. 一般式(2)
    Figure 0004980679
    (R及びRは各々独立にフッ素原子で置換されていても良い炭素数1から6のアルキル基を示す。R及びRは各々独立に水素原子、又はフッ素原子で置換されていても良い炭素数1から3のアルキル基を示す。)で表されるジイミンと金属リチウム又は金属ナトリウムを反応させ、次いで、一般式(3)
    Figure 0004980679
    (式中、R及びRは各々独立にフッ素原子で置換されていても良い炭素数1から4のアルキル基を示す。)で表されるテトラキスアミド錯体を反応させることを特徴とする、一般式(1)
    Figure 0004980679
    (式中、RからRは前記と同じ意味を示す。)で表されるチタン錯体の製造方法。
  5. 及びRが各々独立に炭素数3から6の二級又は三級アルキル基であり、R及びRが水素原子であり、R及びRが各々独立にメチル基又はエチル基である請求項4に記載の製造方法。
  6. 及びRがtert−ブチル基であり、R及びRが水素原子であり、R及びRがメチル基である請求項4又は5に記載の製造方法。
  7. 請求項1から3いずれかに記載のチタン錯体を原料として用いることを特徴とする、チタン含有薄膜の形成方法。
  8. 請求項7に記載の方法により形成されることを特徴とする、チタン含有薄膜。
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