JP5600351B2 - 高分子量アルキル−アリルコバルトトリカルボニル錯体及び誘電体薄膜を作製するためのそれらの使用 - Google Patents
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Description
この特許は、2009年8月7日出願の米国特許仮出願第61/232,219号及び2010年2月4日出願の米国特許仮出願第61/301,390号の利益を主張する。上に挙げた各米国特許仮出願の開示はその全体を参照により組み込む。
本発明は、高分子量アルキル−アリルコバルトトリカルボニル錯体及びそのような錯体を使用して化学蒸着(CVD)又は原子層堆積(ALD)により誘電体薄膜を作製する方法に関する。
Pankayatselvan R.及びNicholas、K.はコバルト錯体を報告している。J.Organomet.Chem. 384:361−380。
本明細書において使用する用語「高k誘電体」は、二酸化シリコン(約3.7の誘電率を有する)に比較したときに高い誘電率(k)を有する金属含有膜などの材料を指す。典型的には、高k誘電体膜は半導体製造工程において二酸化シリコンゲート誘電体を置き換えるために使用される。高k誘電体膜は、誘電体膜がゲート材料として使用され且つ少なくとも二酸化シリコンより高い誘電率を有するときに、「高kゲート性」を有するということができる。
本明細書において使用する、用語「前駆体」は、CVD又はALDなどの蒸着工程により基材上に堆積して又は送達されて薄膜を形成する有機金属分子、錯体及び/又は化合物を指す。
それ故、第1の実施形態において、アルキル置換アリルコバルトトリカルボニル有機金属前駆体が提供される。該有機金属前駆体は式Iの構造に対応する:
もう一つの特定の実施形態において、R1及びR2は、独立にC3〜C7アルキル、さらにより特定すればC4〜C7アルキルである。
他の実施形態において、R1及び/又はR2はブチルである。R1及び/又はR2は、n−ブチル、sec−ブチル、iso−ブチル又はtert−ブチルであり得る。特定の実施形態において、R1及び/又はR2はtert−ブチルである。
他の実施形態において、R1及び/又はR2はヘプチルである。
他の実施形態において、R1及び/又はR2はオクチルである。
一実施形態において、前駆体は、
R1がC1〜C8アルキルであり;
R2がC3〜C8アルキルであり;
xがゼロ、1又は2であり;及び
yが1である、式Iの構造に対応する。
R1がC3〜C8アルキルであり;
R2がC1〜C8アルキルであり;
xがゼロ、1又は2であり;及び
yが1である、式Iの構造に対応する。
他の特定の実施形態において、xは1である。
他の特定の実施形態において、xは2である。
他の特定の実施形態において、xは2である。
式Ia又はIbのそのような前駆体の例として、
(a)M2(CO)(2y)+Na/Kを、Me2O中において−25℃未満で組み合わせてM(CO)y −を得るステップ;
(b)溶液中で、M(CO)y −+R−アリルxRa(Ra=Cl−、Br−、F−又は他の適当なハライド)を、−25℃未満で組み合わせてR−アリルxM(CO)y−xを得るステップ;
(c)R−アリルxM(CO)y−xを溶液中で加熱して溶媒を除去するステップ;及び
(d)最終生成物のR−アリルxM(CO)y−xを留出させるステップ
を含む。
(a)Me2O中でCo2(CO)8+Na/Kを−25℃未満で組み合わせてCo(CO)4 −(Na+/K+)を得るステップ;
(b)Co(CO)4 −(Na+/K+)+R−アリルRa(Ra=Cl−、Br−、F−又は他の適当なハライド)を−25℃未満で組み合わせて、溶液中でR−アリルCo(CO)3を得るステップ;
(c)溶液中のR−アリルCo(CO)3を加熱して溶媒を除去するステップ;及び
(d)最終生成物のR−アリルCo(CO)3を留出するステップ
を含む。
Co2(CO)8+Na/K合金(THF中)→Co(CO)4 −(Na+/K+)+THF除去→<0℃で大量のEt2O添加+R−アリルRa→R−アリルCo(CO)3+K+Ra/Na+Ra+CO
などの非置換アリルコバルト前駆体を形成するために使用される多段階工程と区別される。対照的に、開示した本発明の方法は、溶媒量のよりよい制御が可能になる簡単なワンポット反応である。
他の実施形態において、蒸着工程は原子層堆積である。
本発明のALD及びCVDの方法は、従来の工程、液体噴射工程、光アシスト工程及びプラズマアシスト工程などの種々のタイプのALD及びCVD工程を包含するが、これらに限定されない。
液体噴射CVD成長条件の例として、
(1)基材温度:Si(100)上で100〜600℃
(2)蒸発器温度:100〜200℃
(3)反応器圧力:1〜100ミリバール
(4)溶媒:トルエン、又は上で言及した任意の溶媒
(5)溶液濃度:0.05〜0.2M
(6)噴射速度:10〜50cm3hr−1
(7)アルゴン流速:100〜300cm3min−1
(8)酸素流速:0〜200cm3min−1
(9)水素流速:0〜200cm3min−1
(10)実行時間:5〜30min
が挙げられるが、これらに限定されない。
さらなる実施形態において、本明細書で開示した式による少なくとも1種の前駆体を使用して金属含有薄膜を形成するために、従来のALDが使用される。従来の及び/又はパルス噴射ALD工程については、例えば、George S.M.,et.al. J.Phys.Chem. 1996. 100:13121−13131を参照されたい。
(1)基材温度:50〜300℃
(2)蒸発器温度:100〜200℃
(3)反応器圧力:1〜1005ミリバール
(4)溶媒:トルエン、又は上で言及した任意の溶媒
(5)溶液濃度:0.05〜0.2M
(6)噴射速度:約2.5μlパルス−1(4パルス・サイクル−1)
(7)不活性ガス流速:100〜300cm3min−1
(8)反応性ガス流速:0〜200cm3min−1
(9)パルス配列(sec.)(前駆体/パージ/反応性ガス/パージ):チェンバーサイズにより変える。
(10)サイクル数:所望の膜厚さにより変える。
が挙げられるが、これらに限定されない。
他の実施形態において、本明細書で開示した式による少なくとも1種の前駆体を使用して金属含有薄膜を形成するために、光アシストALDが使用される。光アシストALD工程については、例えば、米国特許第4,581,249号を参照されたい。
したがって、これらの方法において使用する本明細書で開示した式による有機金属前駆体は、液体、固体、又はガス状であってよい。特に、前駆体は、周囲温度で蒸気圧が高く、蒸気の工程チェンバーへの一貫した輸送が可能になる液体である。
他の実施形態において、酸化コバルト薄膜が形成される。
他の実施形態において、窒化コバルト薄膜が形成される。
他の実施形態において、「混合」金属薄膜が形成される。この方法は、少なくとも1種の「共前駆体」を使用して「混合」金属膜を形成することを含む。本明細書において使用する混合金属膜は、少なくとも2種の異なった金属を含む。
特定の実施形態において、コバルト−シリコン酸化物薄膜などの混合金属酸化物の薄膜が形成される。
誘電体膜は、本明細書で開示した式に対応する少なくとも1種の前駆体により、独立に又は共反応物との組合せで形成することもできる。そのような共反応物の例として、水素、水素プラズマ、酸素、空気、水、H2O2、アンモニア、ヒドラジン、アルキル置換ヒドラジン、ボラン、シラン、オゾン又はそれらの任意の組合せが挙げられるが、これらに限定されない。
以下の実施例は、単に例示的なものであり、決してこの開示を限定するものではない。
従来の合成工程では、Et2Oを溶媒として使用する。原料/中間体は、Et2Oに非常に溶けやすくはなく、したがって大量の溶媒が必要である。これらの材料がもっと溶けやすい代替溶媒、例えばTHF(テトラヒドロフラン)−Me2Oは、スケールアップ及び必要とされる化学薬品の体積の減少のために適している。
Na[Co(CO)4]/K[Co(CO)4]
Co2(CO)8(44.6g、0.142モル)のTHF(約600ml)中の溶液を、NaK(22/78の16ml)のTHF(約150ml)中の0℃に冷却した懸濁液に2時間かけて滴下した。該溶液を約1時間攪拌し、充填した少量のセライトを通して濾過し、溶媒を真空で除去した。単離した非常に淡い黄色の固体を、続いて終夜50℃で乾燥し、痕跡量のTHFも完全に除去した。
Co(η3−tert−ブチルアリル)(CO)3
ステップ1からのK[Co(CO)4](26.2g、0.125mol)を、−50℃の凝縮器を備えドライアイスで冷却したフラスコ中でMe2O(約175ml)に溶解した。臭化tert−ブチルアリル(2−ブロモメチル−3,3−ジメチルブタ−1−エン、22.1g、18.4ml、0.125モル)を反応混合物に加えた。ドライアイス冷却をとりはずして、反応混合物を終夜攪拌して温まるに任せた。暗赤色/褐色になった混合物には、可視の沈殿があった。Me2Oを沸騰するに任せて数時間かけて除き、油状残渣をペンタン(2×50ml)で抽出し、充填した少量のセライトを通して濾過して、セライトをペンタン(2×20ml)で洗浄した。
NMR(C6D6)1H;0.87(s、9H、tBu)、1.65(s、2H、Hanti)、2.74(s、2H、Hsyn)、13C{1H}30.3(s、tBu)、34.0(s、CtBu)、46.8(s、CH2)、113.8(s、C)、204.0(s、br、CO)
分析計算値:%C=50.0、%H=5.5、%Co=24.5
Co(η3−ネオペンチルアリル)(CO)3
ステップ1からのK[Co(CO)4](22.8g、0.109mol)を、−50℃の凝縮器を備えドライアイスで冷却したフラスコ中でMe2O(約100ml)に溶解した。臭化ネオペンチルアリル(2−ブロモメチル−4,4−ジメチルペンタ−1−エン)(23.5g、0.123モル)を、−78℃に冷却した反応混合物に滴下した。ドライアイス冷却をとりはずして、反応混合物を終夜攪拌して温まるに任せた。暗赤色/橙色になった混合物には、可視の沈殿があった。Me2Oを沸騰するに任せて数時間かけて除去し、生成物をペンタン(4×50ml)で抽出し、充填した少量のセライトを通して濾過し、大部分のペンタンを水流ポンプ(13mmHg)で除去した。該材料を、油浴を使用して3〜4mmHgで蒸留した。淡黄色の液体が50℃で留出し始め(約3ml、4.1g)、それから温度は72℃に上昇した。この材料を、暗橙色赤色の液体として(16.4g、59%)別に捕集した。
NMR(C6D6) 1H;0.76(s、9H、tBu)、1.70(s、2H、CH2)、1.87(s、2H、Hanti),2.77(s、2H、Hsyn)、 13C{1H}29.3(s、tBu)、32.1(s、CtBu)、54.1(s、CH2But)、54.2(s、CH2)、101.4(s、C)、203.8(s、br、CO) 分析計算値:%C=51.98、%H=5.95、%Co=23.19
実施例2 Co(η3−tert−ブチルアリル)(CO)3又はCo(η3−ネオペンチルアリル)(CO)3を調製するための単一ステップ工程
Co2(CO)8(22.3g、0.071モル)のTHF(約600ml)中の溶液を、NaK(22/78の8ml)の0℃に冷却したTHF(約150ml)中の懸濁液に2時間かけて滴下し、次に約1時間攪拌する。臭化tert−ブチルアリル(2−ブロモメチル−3,3−ジメチルブタ−1−エン、22.1g、18.4ml、0.125モル)を反応混合物に−30℃で加え、反応混合物をこの温度で終夜攪拌する。反応混合物を放置して温めた後、THFを真空で除去して、残渣をペンタン(4×50ml)で抽出する。濾過後ペンタンを真空で除去し、生成物を17mmHgで85〜87℃の蒸留により捕集する。
Co2(CO)8(22.3g、0.071モル)のMe2O(約600ml)中の溶液を、NaK(22/78の8ml)の−30℃に冷却したMe2O(約150ml)中の懸濁液に2時間かけて滴下し、次に約2時間攪拌する。臭化tert−ブチルアリル(2−ブロモメチル−3,3−ジメチルブタ−1−エン、22.1g、18.4ml、0.125モル)を反応混合物に−30℃で加え、全体をこの温度で終夜攪拌する。次に冷却を中止してMe2Oを沸騰するに任せて除去し、残渣をペンタン(4×50ml)で抽出する。濾過後、ペンタンを真空で除去して、生成物を17mmHgで85〜87℃の蒸留により捕集する。
Co2(CO)8(22.3g、0.071モル)のTHF(約600ml)中の溶液を、NaK(22/78の8ml)のTHF(約150ml)中の0℃に冷却した懸濁液に2時間かけて滴下し、次に約1時間攪拌する。臭化ネオペンチルアリル(2−ブロモメチル−4,4−ジメチルペンタ−1−エン、23.9g、0.125モル)を反応混合物に−30℃で加え、反応混合物をこの温度で終夜攪拌する。反応混合物を放置して温めてから、THFを除去真空で除去し、残渣をペンタン(4×50ml)で抽出する。濾過後、ペンタンを真空で除去し、生成物を3〜4mmHgで72℃の蒸留により捕集する。
Co2(CO)8(22.3g、0.071モル)のMe2O(約600ml)中の溶液を、NaK(22/78の8ml)の−30℃に冷却したMe2O(約150ml)中の懸濁液に2時間かけて滴下し、次に約2時間攪拌する。臭化ネオペンチルアリル(2−ブロモメチル−4,4−ジメチルペンタ−1−エン(23.9g、0.125モル)を、反応混合物に−30℃で加え、全体をこの温度で終夜攪拌する。次に冷却を中止して、Me2Oを沸騰するに任せて除去し、残渣をペンタン(4×50ml)で抽出する。濾過後、ペンタンを真空で除去し、生成物を3〜4mmHgで72℃の蒸留により捕集する。
図2は、(Np)アリルCo(CO)3についてのTGAデータを示す。
実施例3 CVDの検討
従来のパルスCVD実験を、バブリング/蒸気吸引式前駆体導入口系を備えた自家製の器具を使用して実施した。純金属を標的とするCVD実験中、窒素ガスを担体/パージガスとして使用した。膜は、各々下に図示した(1)(t−ブチル)アリルCo(CO)3又は(2)(Np)アリルCo(CO)3のいずれかの純粋な試料を使用して、水素終端シリコン又は熱酸化シリコン上に堆積した。
従来のALDの実験を、バブリング/蒸気吸引前駆体導入口系を備えた自家製の器具を使用して実行した。蒸気吸引式前駆体送達法を各前駆体のために使用した。ALDの実験は純金属を標的とし、窒素ガスを担体/パージガスとして使用し、交互のパルスサイクルで使用した。各前駆体は50℃で使用した。基材温度150℃でN,N−ジメチルヒドラジンを共試薬/反応物として実行した。膜は、各々下に示した、(1)(t−ブチル)アリルCo(CO)3又は(2)(Np)アリルCo(CO)3のいずれかの純粋試料を使用して、水素終端シリコン又は熱酸化シリコン上に堆積した。
新前駆体、(Np)アリルCo(CO)3及び(t−ブチル)アリルCo(CO)3は、非置換の(アリル)Co(CO)3より熱的安定性が高く、そのために(アリル)Co(CO)3では熱分解温度が低いことが理由で達成できないALD工程が可能になることを今や見出した。
「含む(comprise)」、「含む(comprises)」、及び「含む(comprising)」という語は、排除的よりは寧ろ総括的に解釈すべきである。
Claims (20)
- yが1であり、xが1である、請求項1に記載の方法。
- yが1であり、xが2である、請求項1に記載の方法。
- 蒸着工程が化学蒸着である、請求項1に記載の方法。
- 化学蒸着が液体噴射化学蒸着である、請求項7に記載の方法。
- 蒸着工程が原子層堆積である、請求項1に記載の方法。
- 原子層堆積が液体噴射原子層堆積またはパルス噴射原子層堆積である、請求項9に記載の方法。
- 少なくとも1種の前駆体が、H2O、O2及びオゾンからなる群から選択される酸素供給源のパルスとの交互のパルスで基材に送達されて金属酸化物膜を形成する、請求項1に記載の方法。
- Ta、Si、Fe、Ru、Ni、Mn、Rh、W及びIrからなる群から選択される金属を有する少なくとも1種の共前駆体を使用して、混合金属酸化物膜を形成することをさらに含む、請求項11に記載の方法。
- 混合金属酸化物膜がコバルト及びシリコンを含む、請求項12に記載の方法。
- 水素、水素プラズマ、酸素、空気、水、アンモニア、ヒドラジン、アルキル置換ヒドラジン、ボラン、シラン、オゾン及びそれらの組合せからなる群から選択される少なくとも1種の適当な共反応物を使用することをさらに含む、請求項1に記載の方法。
- 共反応物としてアルキル置換ヒドラジンを使用して、コバルト含有薄膜を形成することをさらに含む、請求項9に記載の方法。
- 形成された薄膜が窒化コバルト薄膜またはコバルト−シリコン薄膜を含む、請求項1に記載の方法。
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