KR100289947B1 - 고유전성박막증착용전구체착화합물및그를이용한박막증착방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 차세대 반도체 소자의 캐패시터(Capacitor) 등에 사용되는 고 유전율을 갖는 물질을 증착시키는데 사용되는 전구체 화합물의 제조와 이를 이용한 박막의 증착방법에 관한 것으로, 2,2,6,6-테트라메틸-3,5-헵탄디오네이트(이하 ″테트라메틸헵탄디오네이트″로 약칭함) 또는 이소프로폭사이드와 테트라메틸헵탄디오네이트의 혼합리간드를 리간드로 하는 금속염을 루이스염기와 반응시켜 하기의 화학식 1로 정의되는 박막 증착용 전구체 착화합물을 제공함으로서 달성될 수 있다.
〈화학식 1〉
M(C11H19O2)x(OCH(CH3)2)y:Ln
상기식에서 M은 주기율표상 2A족, 3A족, 4A족, 3B족, 4B족, 5B족, 8B족에 속하는 금속원소를 의미하고 x 및 y는 0 내지 4의 정수이며 x+y는 2 내지 4의 정수이고, L은 루이스 염기(Lewis base)로 비공유 전자쌍을 금속 M의 중심에 제공 할수 있는 아민계열 유기 화합물로서 이소프로필아민, 에틸렌디아민, 헤테로 사이클릭 아민 (heterocyclic amine)으로서 아지리딘(aziridine), 아제티딘(azetidine), 피롤리딘(pyrrolidine), 피페리딘(piperidine), 헥사메틸렌이민(hexamethyleneimine), 헵타메틸렌이민(heptamethyleneimine), 모폴린(morpoline), 피페라진(piperazine)중에서 선택되고 n은 1이상의 정수이다.

Description

고 유전성 박막 증착용 전구체 착화합물 및 그를 이용한 박막 증착 방법(The complex for the high dielectric film deposition and the method of deposition)
본 발명은 고(高)유전물질 박막 증착용 화합물 및 그를 이용한 증착방법에 관한 것으로, 특히 차세대 반도체 소자의 캐패시터(Capacitor)에 사용되는 고 유전율을 갖는 물질을 증착시키는데 사용되는 전구체 화합물의 제조와 이를 이용한 박막의 증착방법에 관한 것이다.
반도체 소자의 고집적화 및 미세화의 추세에 따라, 기억소자 즉, DRAM (Dynamic random access memory) 셀(Cell)의 면적이 급속히 감소하게 됨으로서, 적은 영역에서 충분한 축전용량(Capacitance)을 확보하는 것이 DRAM축전기의 중요한 문제로 대두되었다.
축전용량은 축전기에 사용되는 유전체의 유전율과 유전체 박막의 면적 증가에 비례하고, 박막의 두께 증가에 대하여 반비례하기 때문에 미세화되는 DRAM의 제한된 셀면적에서 충분한 축전용량을 얻기 위해서는 박막의 두께를 감소시키거나, 축전기의 구조를 변화시켜 유전체의 유효면적을 증가시킬 수 있고 또는 고 유전물질을 유전체로 사용함으로서 유전율 향상과 같은 세가지의 시도를 하여 볼 수가 있다.
첫째로 제한된 좁은 면적에서 축전기에 유전체 박막의 유효면적을 최대화하기 위해서는 축전기의 셀 구조를 3차원 입체구조로 제작하는 것으로 실제 4메가디램에서는 유효면적을 넓히기 위해 평면구조의 축전기에서 3차원 구조인 스택(Stack)이나 트랜치(Trench) 구조의 축전기가 채택되었으며, 16메가 또는 64메가디램에서는 보다 복잡한 핀실린더(Fin cylinder) 또는 크라운(Crown)과 같은 3차원 입체구조의 축전기를 사용하여 유전체 박막의 면적확보를 이루었다.
그러나, 상기와 같은 방법은 매우 복잡한 축전기 구조를 형성해야 하므로 256메가급 이상의 디램, 즉, 1기가 시대에는 공정의 난이도 증가와 높은 제조경비 때문에 축전기에서 3차원 입체구조의 적용은 한계가 있다.
두 번째로는 유전체 박막의 두께를 감소시켜서 축전용량을 확보하는 방법이 있으나, 유효면적의 최대화 측면에서 제시된 3차원 축전기 구조를 사용한다고 할 지라도 기존의 NO (Si3N4/SiOx) 복합 유전체를 그대로 사용할 경우, 셀당 최소의 축전 용량인 25 내지 30fF를 확보하기 위해서는 유전체 박막의 두께가 40Å 내지 45Å까지 낮아져야 한다.
그러나, 이와같은 두께의 감소는 터널링현상에 의한 누설전류의 증가나, α-입자에 의한 소프트에러의 증가를 유발시키기 때문에 소자의 신뢰도 감소 문제가 심각하게 대두된다.
세 번째 방법으로는 축전기에 현재 사용되고 있는 SiO2/Si3N4/SiOx의 ONO와 Si3N4/SiOx의 NO와 같은 저(低) 유전율 물질 대신에 고 유전율 물질을 유전체로 사용하는 것이다.
이상의 상황에서 256메가급 이상의 차세대 기억소자의 제조공정에서는 축전기의 안정적으로 충분한 축전용량을 확보하기 위한 방법의 일환으로, 축전기 유전체로 고 유전율 박막의 사용에 대한 연구가 여러기업 및 연구기관에서 집중적으로 수행되고 있다.
고 유전율 박막을 축전기의 유전체로 사용하게 되면, 앞서 두 방법에서 지적된 제조공정의 난이도, 축전기 구조의 복잡성, 소자의 신뢰도 감소 등의 단점을 완전히 해결할 수 있다.
현재 가장 각광을 받고 있는 고 유전율 박막으로 산화바륨(BaO), 산화스트론튬(SrO) 및 산화티탄(TiO2) 으로 이루어지는 (Ba, Sr)TiO3의 BST와 Pb1-XLaXZr1-yTiyO3의 PLZT 또는 Pb(Zr,Ti)O3의 PZT 등의 강 유전체들이 차세대 디램(DRAM)의 축전기용 유전막 재료로 손꼽히고 있다.
상유전성(Paraelectricity)의 특성을 나타내는 BST는 차세대 디램의 축전기용 유전체로, 강유전체인 P(L)ZT는 디램뿐만 아니라 강 유전체 특유의 자발분극 특성을 이용한 비휘발성 메모리 소자의 축전기용 유전체로 사용하기 위한 연구가 여러 반도체 관련기관 및 기업에서 활발히 진행되고 있다.
이와 같은 BST 및 P(L)ZT 박막의 제조는 졸-겔법이나, 스퍼터링(Sputtering) 또는 화학진공증착법(CVD : Chemical Vapor Deposition) 등에 의하여 제조할 수 있다.
이들 박막제조법중에서 특히 CVD법에 의한 박막의 제조는 선택적증착(Selective Deposition) 이나, 계단 피복성(Step coverage)과 같은 특성이 다른 증착법에 비하여 보다 우수하기 때문에, 셀의 면적이 좁아지므로 박막증착에의 우수한 계단 피복성의 특성이 요구되는 차세대 반도체 소자의 제조공정에 사용할 수 있는 가장 적절한 박막 형성방법이다.
화학증착법에 의한 BST 박막 형성은 전구체(PRECURSOR)라 불리우는 다음과 같은 유기금속화합물을 주로 사용하여 이루어지며, 바륨(Ba)화합물은 바륨(2,2,6,6-테트라메틸-3,5-헵탄디오네이트)2, 스트론튬(Sr)화합물로는 스트론튬(2,2,6,6-테트라메틸-3,5-헵탄디오네이트)2, 티탄(Ti)화합물로는 티탄(이소프로폭사이드)4, 또는 티탄(이소프로폭사이드)2(2,2,6,6,-테트라메틸-3,5-헵탄디오네이트)2와 같은 화합물들이 현재까지 알려진 다른 바륨,스트론튬,티탄 화합물들 보다 화학증착법에 적합한 특성을 가지고 있기 때문에 BST박막 증착용 전구체로 가장 널리 사용되고 있다.
BST 박막의 화학증착용 전구체로서 비교적 우수한 특성을 보이는 화합물 바륨(2,2,6,6-테트라메틸-3,5-헵탄디오네이트)2와 스트론튬(2,2,6,6-테트라메틸-3,5-헵탄디오네이트)2는 전구체로서의 단점도 또한 내포하고 있다.
이들 화합물은 증기압이 낮기 때문에 박막증착에 필요한 증기압을 얻기 위해서는 200℃ 이상의 고온으로 전구체를 가열하여 주어야 하나, 박막증착공정이 진행되면서 전구체의 고온 가열로 인하여 부분적으로 전구체의 열분해가 발생되므로 반도체 제조에 있어 가장 중요하게 생각하는 제조공정의 재현성에 치명적인 악영향을 일으키기도 하며, 이들 전구체는 고체상으로 존재하기 때문에 증착공정중 전구체 보관용기로 부터 박막증착 반응용기로 일정한 량의 전구체 전달에 대한 조절이 용이하지 않기 때문에 공정의 재현성 확보 측면에서 어려움을 부과하여 주고 있고, 화합물의 낮은 증기압으로 인하여 박막의 증착속도가 느려서 공정의 경제성 측면에서 효율성이 낮다.
이와같은 문제점들을 극복하기 위한 연구의 일환으로 알콕사이드 및 카르복실레이트 계열의 유기화합물을 리간드로 하는 바륨 또는 스트론튬 화합물 들이 BST 박막의 화학 증착용 전구체로 시도 되었으나, 이들역시 고체상의 화합물로서 낮은 증기압과 열적 불안정성 등의 단점을 나타내어 BST-CVD를 위한 전구체로서의 개선이 이루어지지는 못했다.
또다른 시도로서 최근에는 기존의 바륨(2,2,6,6-테트라메틸-3,5-헵탄디오네이트)2화합물과 스트론튬(2,2,6,6-테트라메틸-3,5-헵탄디오네이트)2화합물을 테트라 하이드로퓨란 용매로 용해시킨 용액을 전구체로 사용하기도 하였으며, 이들 전구체용액은 액체 전구체 전달장치인 직접액체주입기(Direct liquid injector)나, 액체전달기구(Liquid delivery system)를 사용하여 조정된 일정량의 전구체 용액을 전구체 보관용기로 부터 증발기(Vaporizer)에 공급하고 순간적인 증발을 유도하여 화합물의 열적 불안정성 측면과 균일한 전구체 전달 조절에 대한 문제점을 일부 해소하여 줌으로서 제조공정의 재현성 확보에 긍정적인 접근을 이루었다.
그러나, 화합물 바륨(2,2,6,6-테트라메틸-3,5-헵탄디오네이트)2또는 스트론튬(2,2,6,6-테트라메틸-3,5-헵탄디오네이트)2는 테트라하이드로퓨란에 대한 용해도가 낮기 때문에 한정된 농도의 묽은 용액만이 액체전구체 전달장치에 전구체로서 사용이 가능하게 되었고, 일반적으로 용액의 농도에 의존하는 박막의 증착속도는 전구체 용액의 묽은 농도로 인하여 아직은 차세대 기억소자의 축전기를 위한 BST박막 제조공정에 사용하기에는 충분한 증착속도를 얻지 못하고 있는 실정이며, 낮은 용해도 때문에 때때로 증발기의 내부에 잔존하는 일부 증발되지 못한 고체화합물을 증발기에 재 장입되는 용액중의 용매가 충분히 용해시켜주지 못하여 고체화합물의 축적으로 인한 증발기의 막힘현상이 발생하게 된다.
본발명에서 이루고자 하는 과제는 상기와 같은 선행기술에서 언급한 바륨, 스트론튬, 티탄으로 이루어지는 BST박막 증착용 전구체 용액의 문제점을 개선하고, 여러 유기금속화합물에 대한 전구체 용액의 선택범위를 확장하기 위하여 연구된 특정의 리간드를 사용한 전구체 착화합물 및 전구체 용액의 제공을 목적으로 한다.
도1은 본 발명의 전구체에 의하여 증착된 BST박막의 오거일렉트론스펙트로스코피의 측정결과
상기의 문제점을 해결하기 위한 본 발명은 2,2,6,6-테트라메틸-3,5-헵탄디오네이트(이하 ″테트라메틸헵탄디오네이트″로 약칭함) 또는 이소프로폭사이드와 테트라메틸헵탄디오네이트의 혼합리간드를 리간드로 하는 금속염을 루이스염기와 반응시켜 하기의 화학식 1로 정의되는 박막 증착용 전구체 착화합물을 제공함으로서 달성될 수 있다.
M(C11H19O2)x(OCH(CH3)2)y:Ln
상기식에서 M은 주기율표상 2A족, 3A족, 4A족, 3B족, 4B족, 5B족, 8B족에 속하는 금속원소를 의미하고 x 및 y는 0 내지 4의 정수이며 x+y는 2 내지 4의 정수이고, L은 루이스 염기(Lewis base)로 비공유 전자쌍을 금속 M의 중심에 제공 할수 있는 아민계열 유기 화합물로서 이소프로필아민, 에틸렌디아민, 하기의 화학식2 또는 화학식3의 구조를 갖는 헤테로 사이클릭 아민 (heterocyclic amine)으로서 아지리딘(aziridine), 아제티딘(azetidine), 피롤리딘(pyrrolidine), 피페리딘(piperidine), 헥사메틸렌이민(hexamethyleneimine), 헵타메틸렌이민(heptamethyleneimine), 모폴린(morpoline), 피페라진(piperazine)중에서 선택되고 n은 1이상의 정수이다.
상기 화학식2에서 R은 수소 또는 탄소수 1 내지 4의 알킬기이며, R1및 R2은 각각 같거나 다른 수소(H) 또는 탄소수 1 내지 2의 알킬기를 의미하고, m은 2 내지 8의 정수이다.
상기 화학식3에서 R은 상기 화학식 2와 동일하며, R21, R22, R23, R24는 각각 같거나 다른 수소(H) 또는 탄소수 1 내지 2의 알킬기를 의미하고, X는 산소이거나,수소 또는 탄소수 1 내지 4의 알킬기를 갖는 질소이고, k 및 ℓ은 1 내지 3의 정수이다.
또, 상기의 화학식 2의 화합물들 중에서 하기의 화학식 4로 표기되는 아지리딘(aziridine), 화학식 5로 표기되는 피롤리딘(pirrolidine), 화학식 6으로 표기되는 피페리딘(piperidine) 이 바람직하며, 상기 화학식 3의 화합물들 중에서는 하기의 화학식 7로 표기되는 모폴린(morpholine) 및 화학식 8로 표기되는 피페라진(piperazine) 중에서 선택되는 것이 바람직하다.
상기 화학식4에서 R 및 R2는 화학식 2에서 정의한 바와 같다.
상기 화학식 5에서 R은 화학식 2에서와 동일하고, R3내지 R10은 각각 같거나 다른 수소 또는 탄소수 1 내지 2의 알킬기를 의미한다.
상기 화학식 6에서 R은 화학식 2에서와 동일하고, R11내지 R20은 각각 같거나 다른 수소 또는 탄소수 1 내지 2의 알킬기를 의미한다.
상기 화학식 7에서 R은 화학식 2에서의 정의와 같으며, R25내지 R32는 각각 같거나 다른 수소 또는 탄소수 1 내지 2의 알킬기를 의미한다.
상기 화학식 8에서 R은 상기 화학식 2에서의 정의와 같으며, R33내지 R40은 각각 같거나 다른 수소 또는 탄소수 1 내지 2의 알킬기를 의미한다.
또, 상기 화학식 2의 화합물 중에서 루이스 염기가 피롤리딘으로 분류되며 하기의 화학식 9로 표기되는 알킬피롤리딘 화합물이 바람직하고, 화학식 9의 알킬피롤리딘 화합물중에서도 R 및 R3이 CH3이고,R4, R6, R7, R9및 R10이 수소인 화학식 10으로 표기되는 1,2-디메틸피롤리딘, R이 CH3이고, R3내지 R10이 수소인 화학식 11로 표기되는 1-메틸피롤리딘 및 R이 C4H9이고, R3내지 R10이 수소인 화학식 12로 표기되는 1-부틸피롤리딘이 특히 바람직하며, 루이스염기가 화학식 6으로 표기되는 피페리딘인 경우에는 R은 메틸 또는 에틸기이고, R11, R12 ,R14 ,R16, R18, R19, R20은 각각 독립적으로 수소 또는 메틸기인 화학식 13으로 표기되는 알킬피페리딘이 바람직하며, 화학식13의 알킬피페리딘 중에서도 R, R11, R12, R19,R20이 메틸기이고 R14,R16,R18이 수소인 화학식14로 표기되는 1,2,2,6,6-펜타메틸피페리딘, 화학식 15 및 화학식 16으로 표기되는 1-메틸피페리딘 및 1-에틸피페리딘이 특히 바람직하다.
상기의 화학식 9에서 R은 탄소수 1내지4의 알킬기이고, R3 ,R4, R6, R7, R9및 R10은 각각 독립적으로 수소 또는 메틸기를 의미한다.
또한, 상기의 화학식 3의 화합물 중에서는 루이스 염기가 상기의 화학식 7로 표기되는 모폴린으로 분류되고 하기의 화학식 17으로 표기되는 4-메틸모폴린과 화학식 18로 표기되는 4-에틸모폴린이 바람직하고, 화학식 8로 표기되는 피페라진 중에서는 화학식 19로 표기되는 1,4-디메틸피페라진을 디메틸알루미늄하이드라이드와 반응시켜 착화합물로서 화학증착법에 의한 알루미늄 박막증착공정의 전구체 화합물로 사용하는 것이 바람직하다.
또, 상기의 화학식 1의 화합물중에서 금속 M이 2A족에 속하는 금속원소인 스트론튬(Sr), 바륨(Ba), 4A족에 속하는 금속원소인 납(Pb), 3B족에 속하는 란탄(La), 4B족에 속하는 티탄(Ti), 지르코늄(Zr), 8B족에 속하는 백금(Pt)을 함유하는 화합물이 이소프로필아민, 에틸렌디아민, 피롤리딘 또는 피페리딘에 용해된 용액을 액체주입식 전구체 전달장치를 사용하는 박막 증착을 위한 전구체로 사용하는 것이 바람직하며, 특히 2A족의 스트론튬(Sr), 바륨(Ba)과 4B족의 납(Pb)을 함유하는 화합물 용액이 BST 박막이나, PZT 박막증착을 위한 전구체 용액으로 바람직하다.
상기 화학식 1을 갖는 화합물을 화학식1에서 정의한 루이스염기인 L을 용매로 사용하여 용해시킨 전구체 용액은 서로 다른 금속화합물 용액을 혼합하여 상온에서 장기간 보관하여도 침전 또는 분해가 발생되지 않으며, 또한 용해도가 크기 때문에 진한 농도의 전구체 용액의 제조가 가능하고, 높은 용해도와 용매 특유의 성질에 기인하여 바륨, 스트론튬 및 티탄등과 같은 여러화합물의 혼합물에 대한 혼합 용액의 제조가 가능하여 화학증착법을 사용하는 차세대 디램축전기의 고유전율 유전체박막 증착용으로 이상적인 전구체 용액이다.
그러므로, 본 발명자는 차세대 반도체 소자의 축전기용 유전체로 사용하고자 하는 BST나 PZT 박막 증착용 전구체 용액인 하기 화학식 20의 화합물과 화학식1에서 정의한 바 있는 루이스 염기로 작용하는 이소프로필 아민 또는 에틸렌디아민 으로 구성된 화합물 용액을 중심으로 하여 설명하고자 한다.
M(C11H19O2)2
상기 화학식 20에서 M은 칼슘(Ca), 바륨(Ba), 스트론튬(Sr) 또는 납(Pb)과 같은 2가의 금속을 의미한다.
본 발명에 의하여 개발된 전구체 용액을 액체 전구체 전달장치를 사용하는 화학증착법에 적용시 기대되는 유천체 박막 증착의 효과는 다음과 같다.
첫째, 루이스염기로 작용하는 아민화합물에 대한 상기 화학식 20의 화합물들의 용해도는 고농도의 용액으로 부터 저농도의 용액까지 넓은 범위의 농도를 갖는 전구체 용액의 제조를 가능하게 함으로서 BST 또는 PZT 박막증착시 박막의 조성에 따른 다양한 농도의 전구체 용액의 제조가 가능하다.
둘째, 화학식 20으로 표기되는 화합물의 아민화합물에 대한 높은 용해도는 간혹 액체 전구체 전달장치의 증발기 내부에 잔존하는 일부 증발되지 못한 고체용질을 재 장입되는 전구체 용액으로 용해시킨 후, 재 증발을 도와줌으로서, 고체용질의 축적에 의한 증발기의 막힘 현상을 방지할 수 있다.
셋째, 진한 농도의 전구체 용액의 사용이 가능함으로서 박막 증착속도의 향상을 기대할 수 있다.
넷째, 전구체 혼합용액 제조에 있어 일반적인 테트라 하이드로 퓨란과 같은기존의 용매를 사용하는 경우, 상기 화학식 20의 바륨과 스트론튬 및 티탄 이소프로폭사이드화합물의 용액을 혼합하면 용질화합물간의 용액 내에서의 반응성 및 낮은 용해도로 인하여 침전이 생성되나, 화학식 1에서 정의한 루이스염기를 용매로 사용하는 경우에 있어서는 용액화(Solvation) 영향으로 용질간 화학반응이 억제되며 또한 높은 용해도를 유지하여 침전이 생성되지 않는다
상기와 같은 장점을 지니는 혼합용액의 특성은 두가지 이상의 전구체 용액을 전구체 보관용기로 부터 증착반응기에 전달할 때 각각 다른 용기속에서 다른전달관을 사용함이 없이 하나의 용기속에서 혼합용액을 넣고 하나의 전달관 만을 사용하여 유전체 박막 증착을 가능하게 하여줌으로서 증착공정의 단순화를 도모하여 준다.
상기와 같은 본 발명의 테트라메틸헵탄디오네이트 또는 이소프로폭사이드와 테트라메틸헵탄디오네이트의 혼합리간드를 리간드로 하는 화학식 1의 금속염 화합물들이 루이스염기로 작용하는 아민화합물에 녹은 전구체 용액들은 다음과 같은 제조과정을 거쳐 제조될 수 있으며, 반응의 전과정은 공기와의 접촉을 배제하기 위하여 불활성기체인 질소(N2) 또는 아르곤(Ar)가스의 기류하에서 실시되어야 한다.
테트라메틸헵탄디오네이트 또는 이소프로폭사이드와 테트라메틸헵탄디오네이트의 혼합 리간드를 리간드로 하는 금속염 화합물에 수분이 없는 정제된 화학식1에서 정의한 루이스염기(L)를 첨가하여 용해시킴으로서 제조되는 전구체 화합물 용액은 하기의 반응식 1에 의하여 용이하게 제조될 수 있다.
M(C11H19O2)x(OCH(CH3)2)y+ nL→M(C11H19O2)x(OCH(CH3)2)y:Ln
상기 반응식 1에서 L, M, x 및 y는 상기의 화학식 1에서의 정의와 같으며, n은 임의의 수로서 용매분자들이 루이스 염기로서 용질의 금속원자에 전자쌍을 제공하고 이탈하는 과정을 계속하여 진행하는 가용매분해(Solvolysis)를 의미한다.
본 발명의 전구체 용액을 제조하는 방법에 대하여 하기의 실시예를 통하여 보다 상세하게 설명하기로 한다.
〈실시예 1〉
바륨테트라메틸헵탄디오네이트이소프로필아민 전구체의 제조
얼음물로 냉각된 용기에 담긴 바륨 41g(0.3몰)에 건조된 에탄올 300㏄를 질소기류하에서 서서히 첨가하면서 교반하여 백색의 바륨에톡사이드 부유물을 생성시키고, 수소가스의 발생이 더 이상 일어나지 않을 때까지 실온에서 약 3시간동안 계속하여 교반한다.
수소가스의 발생이 더 이상 없으면 상온에서 2,2,6,6-테트라메틸-3,5-헵탄디온 111g(0.6몰)과 수분이 제거된 헥산 100㏄를 바륨에톡사이드가 부유되어 있는 에탄올용액에 첨가하여 혼합물을 완전히 용해시킨 후, 약 3시간동안 교반하면 바륨테트라메틸헵탄디오네이트(Ba(C11H19O2)2)를 포함하는 혼합용액을 얻었다.
반응이 완료된 혼합물을 90℃에서 진공을 이용하여 휘발이 가능한 모든 물질을 제거하면 흰색의 고체 바륨테트라메틸헵탄디오네이트148g을 얻었다.
건조된 고체 바륨테트라메틸헵탄디오네이트를 230℃에서 10-2torr의 진공을 이용하여 승화시켜 드라이아이스로 냉각된 응결기에 흰색의 고체결정을 얻고, 1차 승화된 결정을 같은 방법으로 거듭하여 승화시켜 고순도의 흰색 결정인 바륨테트라메틸헵탄디오네이트 130g을 얻었다.
승화에 의하여 얻어진 결정 바륨테트라메틸헵탄디오네이트에 정제된 무색의 이소프로필 아민을 가하여 흰색결정을 용해시키면 엷은 노란색의 바륨테트라메틸헵탄디오네이트이소프로필아민 용액을 얻었다.
얻어진 용액을 다시 상온에서 진공을 이용하여 휘발이 가능한 모든 물질을 제거하면 엷은 노란색의 고체를 생성시켜 이 고체를 수소핵자기 공명 분석기를 이용하여 확인한 결과 하기의 표1과 같은 결과를 얻었으며,얻어진 화합물은 하기의 화학식 21과 같음을 알 수 있었다.
[H2NCH(CH3)2]nBa(C11H19O2)2
상기 화학식 21에서 n은 임의의 수이다.
이로서 이소프로필 아민 용매는 바륨테트라메틸헵탄디오네이트에 대하여 화합물의 녹는점 및 증발점에 주로 영향을 주는 물리적 성질 변화를 유도하는 착물 형성에 관여하는 것으로 판단된다.
상기의 실시예1을 반응식으로 표현하면 다음과 같은 경로로 설명될 수 있다.
Ba + 2CH3CH2OH → Ba(OCH2CH3)2+ H2↑
Ba(OCH2CH3)2+ 2(CH3)3CCOCH2COC(CH3)3→Ba((CH3)3CCOCHCOC(CH3)3)2+ 2C2H5OH
Ba((CH3)3CCOCHCOC(CH3)3)2+ nH2NCH(CH3)2→ [H2NCH(CH3)2]nBa((CH3)3CCOCHCOC(CH3)3)2
〈실시예 2〉
바륨테트라메틸헵탄디오네이트에틸렌디아민 전구체의 제조
상기의 실시예 1에서와 동일한 방법에 의하여 얻어진 바륨테트라메틸헵탄디오네이트 결정에 무색의 정제된 에틸렌디아민을 더하여 줌으로서 본 발명의 전구체 용액인 노란색의 바륨테트라메틸헵탄디오네이트에틸렌디아민 용액을 얻고, 진공을 이용하여 휘발이 가능한 모든 물질을 용액으로 부터 제거하면 엷은 노란색의 고체를 생성하고 수소핵자기공명 분석기에 의하여 분석한 결과, 바륨테트라메틸헵탄디오네이트는 에틸렌디아민과 착화합물을 형성하고 있음을 확인하였고 분석자료 및 물리적특성은 표1에 나타낸 바와 같다.
이로서 에틸렌디아민은 바륨테트라메틸헵탄디오네이트와 결합하여 화합물의 화학적성질의 변화보다는 녹는점 및 증발점에 영향을 주는 물리적 성질변화를 유도하는 착화합물의 형성에 관여함을 보여주고 있다.
〈실시예 3〉
스트론튬테트라메틸헵탄디오네이트이소프로필아민 전구체의 제조
스트론튬 26g(0.3몰)을 얼음물로 냉각된 용기에 넣고 건조된 에탄올 300㏄를 질소기류하에서 서서히 첨가하면서 교반하여 백색의 스트론튬에톡사이드 부유물을 생성시키고, 수소가스의 발생이 더 이상 일어나지 않을 때까지 실온에서 약 5시간동안 계속하여 교반한다.
수소가스의 발생이 더 이상 없으면 상온에서 2,2,6,6-테트라메틸-3,5-헵탄디온 111g(0.6몰)과 건조 정제된 헥산 200㏄를 스트론튬에톡사이드가 부유되어 있는 에탄올용액에 첨가하여 혼합물을 완전히 용해시킨 후, 약 3시간동안 교반하여 스트론튬테트라메틸헵탄디오네이트(Sr(C11H19O2)2)를 포함하는 혼합용액을 얻었다.
반응이 완료된 혼합물을 90℃에서 진공을 이용하여 휘발이 가능한 모든 물질을 제거하면 흰색의 고체 스트론튬테트라메틸헵탄디오네이트135g을 얻었다.
건조된 고체 스트론튬테트라메틸헵탄디오네이트를 230℃에서 10-2torr의 진공을 이용하여 승화시켜 드라이아이스로 냉각된 응결기에 흰색의 고체결정을 얻고, 1차 승화된 결정을 같은 방법으로 거듭하여 승화시켜 고순도의 흰색 결정인 스트론튬테트라메틸헵탄디오네이트 122g을 얻었다.
승화에 의하여 얻어진 스트론튬테트라메틸헵탄디오네이트에 정제된 무색의 이소프로필 아민을 가하여 흰색결정을 용해시키면 엷은 노란색의 스트론튬테트라메틸헵탄디오네이트이소프로필아민 용액을 얻었다.
얻어진 용액을 다시 상온에서 진공을 이용하여 휘발이 가능한 모든 물질을 제거하면 엷은 노란색의 고체를 생성시켜 이 고체를 수소핵자기 공명 분석기를 이용하여 확인한 결과 하기의 표1과 같은 결과를 얻었으며,얻어진 화합물은 하기의 화학식 22와 같이 착화합물을 이루고 있슴을 알 수 있었다.
(C11H19O2)2Sr[H2NCH(CH3)2]n
상기 화학식 22에서 n은 임의의 수이다
〈실시예 4〉
스트론튬테트라메틸헵탄디오네이트에틸렌디아민 전구체의 제조
상기 실시예 3과 동일한 양의 스트론튬을 사용하고, 실시예 3과 동일한 방법으로 하되 다만 루이스 염기로서 에틸렌디아민을 사용하여 엷은 노란색을 띄는 스트론튬테트라메틸헵탄디오네이트에틸렌디아민 용액을 제조하여 얻어진 용액을 진공증발하여 엷은 노란색 고체화합물을 얻어 수소핵자기공명 분석기를 사용 확인한 결과 스트론튬테트라메틸헵탄디오네이트에틸렌디아민 착화합물임을 확인하였으며, 분석자료 및 물리적특성은 표1에 나타내었다.
표1
화합물 상(18℃) 색 핵자기공명(용매:C6D6단위:ppm)
실시예1 (C11H19O2)2Ba[H2NCH(CH3)2]n 고체 엷은노랑 1H δ5.79(s)δ2.84(m)δ1.28(s)δ1.16(s)δ0.87(d)
실시예2 (C11H19O2)2Ba[H2N(CH2)2NH2]n 고체 엷은노랑 1H δ5.80(s)δ2.28(s)δ1.31(s)δ1.13(s)
실시예3 (C11H19O2)2Sr[H2NCH(CH3)2]n 고체 엷은노랑 1H δ5.86(s)δ2.87(m)δ1.31(s)δ1.16(s)δ0.91(d)
실시예4 (C11H19O2)2Sr[H2N(CH2)2NH2]n 고체 엷은노랑 1H δ5.75(s)δ2.32(s)δ1.30(s)δ1.11(s)
〈실시예 5〉
바륨테트라메틸헵탄디오네이트와 스트론튬테트라메틸헵탄디오네이트 혼합물의 이소프로필아민 착화합물의 제조
바륨 20g(0.15몰)과 스트론튬 13g(0.15몰)을 사용하여 실시예 1에서와 동일한 방법으로 각각 실시하여 바륨테트라메틸헵탄디오네이트와 스트론튬테트라메틸헵탄디오네이트를 얻어 혼합한 후 정제된 무색의 이소프로필아민에 용해하여 엷은노란색의 용액을 얻어 진공을 이용하여 휘발분을 제거하고 정제된 고체를 핵자기 공명에 의하여 분석을 한 결과 바륨테트라메틸헵탄디오네이트와 스트론튬테트라메틸헵탄디오네이트는 이소프로필 아민과 착화합물을 형성하고 있음을 알 수 있었으며, 이들의 결과로 볼 때, 이소프로필아민은 용질의 화학적변화 보다는 물리적 성질의 변화를 유도하는 착화합물 형성에만 관여하는 것으로 판단된다.
〈실시예 6〉
바륨테트라메틸헵탄디오네이트, 스트론튬테트라메틸헵탄디오네이트 및 이소프로폭시티탄테트라메틸헵탄디오네이트의 이소프로필아민 혼합 착화합물의 전구체용액 제조
바륨테트라메틸헵탄디오네이트 10g, 스트론튬테트라메틸헵탄디오네이트 4.5g 및 이소프로폭시티탄테트라메틸헵탄디오네이트 10g의 결정분말을 혼합한 후, 정제된 무색의 이소프로필아민 200㏄에 용해시켜 엷은 노란색의 바륨테트라메틸헵탄디오네이트, 스트론튬테트라메틸헵탄디오네이트 및 이소프로폭시티탄테트라메틸헵탄디오네이트의 이소프로필아민 혼합 착화합물을 함유하는 용액을 제조하고 장시간동안 방치하였으나 침전 또는 변색이 발생하지 않았다.
〈실험예〉
상기의 실시예 6에 의하여 제조된 엷은 노란색의 혼합용액 8㏄를 200℃로 가열하면서 1×10-2torr의 진공압력을 이용하여 기화시켜 900Å의 질화티탄(TiN)이 증착된 실리콘 기판을 300℃ 내지 330℃로 가열하여 화학증착을 실시하였다.
증착된 BST박막을 오거일렉트론스펙트로스코피(Auger electron spectroscopy)를 사용하여 측정한 결과, 바륨, 스트론튬, 티탄 및 산소의 성분이 박막을 구성하고 있음을 도1에 나타나 있는 바와 같이 확인할 수 있었다.
상기의 실시예 및 실험예에 의하여 확인되는 바와 같이 본 발명의 고 유전성 물질의 박막 증착용으로 사용되는 전구체 화합물 용액은 장기간 보관하여도 분해 또는 침전을 발생하지 않으며, 용해도가 우수하여 진한농도의 전구체 용액의 제조가 가능하며, 액체주입기 또는 액체전달기구 등의 증발기 막힘현상을 일으키지 않는 우수한 효과가 있는 것이다.

Claims (29)

  1. 테트라메틸헵탄디오네이트 또는 이소프로폭사이드와 테트라메틸헵탄디오네이트의 혼합리간드를 리간드로 하는 금속염과 루이스염기로 구성되는 하기의 화학식 1로 정의되는 것을 특징으로 하는 고 유전성 박막 증착용 전구체 착화합물.
    〈화학식 1〉
    M(C11H19O2)x(OCH(CH3)2)y:Ln
    상기식에서 M은 주기율표상 2A족, 3A족, 4A족, 3B족, 4B족, 5B족, 8B족에 속하는 금속원소를 의미하고 x 및 y는 0 내지 4의 정수이며, x+y는 2 내지 4의 정수이고, L은 루이스 염기(Lewis base)로 비공유 전자쌍을 금속 M의 중심에 제공 할수 있는 아민계열 유기 화합물로서 이소프로필아민, 에틸렌디아민, 하기의 화학식2 또는 화학식3의 구조를 갖는 헤테로 사이클릭 아민 (heterocyclic amine)으로서 아지리딘(aziridine), 아제티딘(azetidine), 피롤리딘(pyrrolidine), 피페리딘(piperidine), 헥사메틸렌이민(hexamethyleneimine), 헵타메틸렌이민(heptamethyleneimine), 모폴린(morpoline), 피페라진(piperazine)중에서 선택되고 n은 1이상의 정수이다.
    〈화학식 2〉
    상기 화학식2에서 R은 수소(H) 또는 탄소수 1 내지 4의 알킬기이며, R1및 R2은 각각 같거나 다른 수소(H) 또는 탄소수 1 내지 2의 알킬기를 의미하고, m은 2 내지 8의 정수이다.
    〈화학식 3〉
    상기 화학식3에서 R은 상기 화학식 2와 동일하며, R21, R22, R23, R24는 각각 같거나 다른 수소(H) 또는 탄소수 1 내지 2의 알킬기를 의미하고, X는 산소이거나, 수소(H) 또는 탄소수 1 내지 4의 알킬기를 갖는 질소이고, k 및 ℓ은 1 내지 3의 정수이다.
  2. 제1항에 있어서, M이 칼슘(Ca), 스트론튬(Sr), 바륨(Ba), 납(Pb), 란탄(La), 티타늄(Ti), 지르코늄(Zr), 백금(Pt)중에서 선택되는 것을 특징으로 하는 고 유전성 박막 증착용 전구체 착화합물.
  3. 제2항에 있어서, M이 칼슘(Ca), 스트론튬(Sr), 바륨(Ba), 납(Pb), 백금(Pt)중에서 선택되고, x가 2이고 y가 0인 것을 특징으로 하는 고 유전성 박막 증착용 전구체 착화합물.
  4. 제3항에 있어서, M이 스트론튬(Sr)인 것을 특징으로 하는 고 유전성 박막 증착용 전구체 착화합물.
  5. 제3항에 있어서, M이 바륨(Ba)인 것을 특징으로 하는 고 유전성 박막 증착용 전구체 착화합물.
  6. 제3항에 있어서, M이 납(Pb)인 것을 특징으로 하는 고 유전성 박막 증착용 전구체 착화합물.
  7. 제2항에 있어서, M이 란탄(La) 또는 티타늄(Ti)중에서 선택되며, x가 3이고 y가 0인 것을 특징으로 하는 고 유전성 박막 증착용 전구체 착화합물.
  8. 제2항에 있어서, M이 지르코늄(Zr)이며, x가 4이고 y가 0인 것을 특징으로 하는 고 유전성 박막 증착용 전구체 착화합물.
  9. 제2항에 있어서, M이 티타늄(Ti)이며, x가 0이고 y가 4인 것을 특징으로 하는 고 유전성 박막 증착용 전구체 착화합물.
  10. 제2항에 있어서, M이 티타늄(Ti)이며, x가 2이고 y가 2인 것을 특징으로 하는 고 유전성 박막 증착용 전구체 착화합물.
  11. 제1항 내지 제10항중 어느한항에 있어서, 루이스염기가 이소프로필아민인 것을 특징으로 하는 고 유전성 박막 증착용 전구체 착화합물.
  12. 제1항 내지 제10항중 어느 한항에 있어서, 루이스 염기가 에틸렌디아민인 것을 특징으로 하는 고 유전성 박막 증착용 전구체 착화합물.
  13. 제1항 내지 제10항중 어느 한항에 있어서, 루이스 염기가 하기 화학식 4의 아지리딘인 것을 특징으로 하는 고 유전성 박막 증착용 전구체 착화합물.
    〈화학식 4〉
    상기 화학식4에서 R 및 R2는 화학식 2에서 정의한 바와 같다.
  14. 제1항 내지 제10항중 어느 한항에 있어서, 루이스 염기가 하기의 화학식 5로 표기되는 피롤리딘인 것을 특징으로 하는 고 유전성 박막 증착용 전구체 착화합물.
    〈화학식 5〉
    상기 화학식 5에서 R은 화학식 2에서와 동일하고, R3내지 R10은 각각 같거나 다른 수소 또는 탄소수 1 내지 2의 알킬기를 의미한다.
  15. 제 14항에 있어서, 상기 화학식 5의 구조를 갖는 피롤리딘의 R 및 R3이 CH3이고,R4,R5, R6, R7,R8, R9및 R10이 수소인 하기 화학식 10의 1,2-디메틸피롤리딘인 것을 특징으로 하는 고 유전성 박막 증착용 전구체 착화합물.
    〈화학식 10〉
  16. 제 14항에 있어서, 상기 화학식 5의 구조를 갖는 피롤리딘의 R이 CH3이고 R3 ,R4, R5, R6, R7, R8, R9및 R10이 수소인 하기 화학식 11의 1-메틸피롤리딘인 것을 특징으로 하는 고 유전성 박막 증착용 전구체 착화합물.
    〈화학식 11〉
  17. 제 14항에 있어서, 상기 화학식 5의 구조를 갖는 피롤리딘의 R이 C4H9이고, R3 ,R4, R5, R6, R7, R8, R9및 R10이 수소인 하기 화학식 12의 1-부틸피롤리딘인 것을 특징으로 하는 고 유전성 박막 증착용 전구체 착화합물.
    〈화학식 12〉
  18. 제1항 내지 제10항중 어느 한항에 있어서, 루이스 염기가 하기의 화학식 6로 표기되는 피페리딘인 것을 특징으로 하는 고 유전성 박막 증착용 전구체 착화합물.
    〈화학식 6〉
    상기 화학식 6에서 R은 화학식 2에서와 동일하고, R11내지 R20은 각각 같거나 다른 수소 또는 탄소수 1 내지 2의 알킬기를 의미한다.
  19. 제 18항에 있어서, 상기 화학식 6의 R, R11, R12, R19,R20이 메틸기이고, R13, R14, R15, R16, R17, R18이 수소인 1,2,2,6,6-펜타메틸피페리딘인 하기의 화학식14의 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 고 유전성 박막 증착용 전구체 착화합물.
    〈화학식 14〉
  20. 제 18항에 있어서, 상기 화학식 6에서 R이 CH3이고 R11, R12,R13,R14, R15,R16, R17, R18, R19,R20은 각각 독립적으로 수소인 1-메틸피페리딘인 하기의 화학식 15인 것을 특징으로 하는 고 유전성 박막 증착용 전구체 착화합물.
    〈화학식 15〉
  21. 제 18항에 있어서, 상기 화학식 6에서 R이 C2H5이고 R11, R12,R13,R14, R15,R16, R17, R18, R19,R20은 각각 독립적으로 수소인 1-에틸피페리딘인 하기의 화학식 16인 것을 특징으로 하는 고 유전성 박막 증착용 전구체 착화합물.
    〈화학식 16〉
  22. 제1항 내지 제10항중 어느 한항에 있어서, 루이스 염기가 하기의 화학식 7로 표기되는 모폴린인 것을 특징으로 하는 고 유전성 박막 증착용 전구체 착화합물.
    〈화학식 7〉
    상기 화학식 7에서 R은 화학식 2에서의 정의와 같으며, R25내지 R32는 각각 같거나 다른 수소 또는 탄소수 1 내지 2의 알킬기를 의미한다.
  23. 제 22항에 있어서, 상기 화학식 7에서 R이 에틸기이며, R25, R26, R27, R28, R29,R30, R31, R32은 각각 독립적으로 수소인 4-에틸모폴린인 하기 화학식 18인 것을 특징으로 하는 고 유전성 박막 증착용 전구체 착화합물.
    〈화학식 18〉
  24. 제1항 내지 제10항중 어느 한항에 있어서, 루이스 염기가 하기의 화학식 8로표기되는 피페라진인 것을 특징으로 하는 고 유전성 박막 증착용 전구체 착화합물.
    〈화학식 8〉
    상기 화학식 8에서 R은 상기 화학식 2에서의 정의와 같으며, R33내지 R40은 각각 같거나 다른 수소 또는 탄소수 1 내지 2의 알킬기를 의미한다.
  25. 테트라메틸헵탄디오네이트 또는 이소프로폭사이드와 테트라메틸헵탄디오네이트의 혼합리간드를 리간드로 하는 금속염을 불활성기체의 분위기하에서 루이스염기와 반응시켜 하기의 화학식 1로 정의되는 고 유전성 박막 증착용 전구체 착화합물의 제조방법.
    〈화학식 1〉
    M(C11H19O2)x(OCH(CH3)2)y:Ln
    상기식에서 M은 주기율표상 2A족, 3A족, 4A족, 3B족, 4B족, 5B족, 8B족에 속하는 금속원소를 의미하고 x 및 y는 0 내지 4의 정수이며, x+y는 2 내지 4의 정수이고, L은 루이스 염기(Lewis base)로 비공유 전자쌍을 금속 M의 중심에 제공 할수 있는 아민계열 유기 화합물로서 이소프로필아민, 에틸렌디아민, 하기의 화학식2 또는 화학식3의 구조를 갖는 헤테로 사이클릭 아민 (heterocyclic amine)으로서 아지리딘(aziridine), 아제티딘(azetidine), 피롤리딘(pyrrolidine), 피페리딘(piperidine), 헥사메틸렌이민(hexamethyleneimine), 헵타메틸렌이민(heptamethyleneimine), 모폴린(morpoline), 피페라진(piperazine)중에서 선택되고 n은 1이상의 정수이다.
    〈화학식 2〉
    상기 화학식2에서 R은 수소 또는 탄소수 1 내지 4의 알킬기이며, R1및 R2은 각각 같거나 다른 수소(H) 또는 탄소수 1 내지 2의 알킬기를 의미하고, m은 2 내지 8의 정수이다.
    〈화학식 3〉
    상기 화학식3에서 R은 상기 화학식 2와 동일하며, R21, R22, R23, R24는 각각 같거나 다른 수소(H) 또는 탄소수 1 내지 2의 알킬기를 의미하고, X는 산소이거나, 수소(H) 또는 탄소수 1 내지 4의 알킬기를 갖는 질소이고, k 및 ℓ은 1 내지 3의 정수이다.
  26. 제25항에 있어서, M이 스트론튬(Sr), 바륨(Ba), 납(Pb), 란탄(La), 티타늄(Ti), 지르코늄(Zr), 백금(Pt)중에서 2이상 선택되는 것을 특징으로 하는 캐패시터의 박막 증착용 전구체 착화합물의 제조방법.
  27. 제25항 또는 제26항의 방법에 의하여 제조된 금속 착화합물을 상기 제1항에서 정의된바 있는 루이스염기에 용해시키고, 아르곤(Ar), 헬륨(He), 질소(N2) 또는 산소(O2)를 단독 또는 혼합하여 운반 및 반응가스로 사용하고 350℃ 내지 700℃사이로 가온된 기판상에 고 유전성 박막을 증착시킴을 특징으로 하는 화학증착방법.
  28. 제27항에 있어서,루이스염기가 알킬피페리딘인 것을 특징으로 하는 화학증착법.
  29. 제27항에 있어서,고 유전성 박막 증착을 위한 공정가스의 여기원으로서 열에너지 또는 플라즈마를 이용하거나, 기판상에 바이어스를 인가하는 것을 특징으로 화학증착방법
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