KR100349001B1 - 니오븀 또는 탄탈륨 산화물 박막 제조용 전구체 - Google Patents

니오븀 또는 탄탈륨 산화물 박막 제조용 전구체 Download PDF

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Abstract

본 발명은 Nb 또는 Ta의 산화물 박막 제조용 전구체에 관한 것으로서, 구체적으로는 한자리 리간드 3개와 세자리 리간드 1개를 가지는 것을 특징으로 하는, 중심 금속이 Nb 또는 Ta인 Nb 또는 Ta 산화물 박막 제조용 전구체에 관한 것이며, 이 전구체는 높은 휘발성, 우수한 화학적·열적 안정성, 열분해의 용이함 및 낮은 점도를 갖고 부반응이 적으며 상대적으로 낮은 온도에서도 박막의 증착 속도가 빠른 장점이 있다.

Description

니오븀 또는 탄탈륨 산화물 박막 제조용 전구체{Precursor for preparation of Nb or Ta oxide thin film}
본 발명은 Nb 또는 Ta의 산화물 박막 제조용 전구체에 관한 것으로서, 구체적으로는 한자리 리간드 3개와 세자리 리간드 1개를 가지는 것을 특징으로 하는, 중심 금속이 Nb 또는 Ta인 Nb 또는 Ta 산화물 박막 제조용 전구체에 관한 것이며, 이 전구체는 높은 휘발성, 우수한 화학적·열적 안정성, 열분해의 용이함 및 낮은 점도를 갖고 부반응이 적으며 상대적으로 낮은 온도에서도 박막의 증착 속도가 빠른 장점이 있다.
화학증착 (Chemical Vapor Deposition, CVD)은 다양한 기질 (substrate) 위에 여러 가지 종류의 박막을 생성하기 위해 널리 사용되고 있다. 화학증착에서는 하나 또는 그 이상의 휘발성 무기 또는 유기 금속 전구체를 이송기체 (carrier gas)와 함께 기상 (vapor phase)으로 반응 용기 (reactor chamber)에 도입하고, 가열하여 반응 용기에 있는 기질 위에서 전구체는 분해되고 휘발성 부생성물 (byproducts)은 제거되면서 고체 박막이 생성된다. 이 방법으로는 박막을 쉽게 대량생산할 수 있고 박막의 조성 및 두께를 용이하게 조절할 수 있다. 또한 기질이확산되는 경우는 몇몇 기질에만 해당하는 것으로 드믄 일이며 스텝 커버리지 (step coverage; 각종 박막이 입혀질 때 평평한 부분에 대한 경사진 단차 (step) 부분에 입혀진 박막의 비율)가 우수하여, 반도체를 비롯한 전자산업 등에서 박막을 제조하기 위한 차세대 공정으로 주목받고 있다.
한편 화학증착에 의해 박막을 제조하기 위해서는 먼저 우수한 특성을 갖는 전구체 (precusor)가 제공되어야 한다. 우수한 전구체의 조건으로는 높은 휘발성, 녹는점과 분해 온도의 큰 격차, 낮은 독성, 화학적 안정성, 열적 안정성 및 전구체 합성과 열분해의 용이함을 들 수 있다. 이러한 특성을 갖는 전구체는 기화시키기 쉬운 장점이 있다. 또한 열분해가 일어나기 전까지 기화하는 과정 및 기체상으로 이송하는 과정에서 자발적으로 분해되거나 다른 물질과 반응하는 등의 부반응이 일어나지 않으므로, 휘발성이 감소하거나 제조된 박막의 조성이 변하는 일이 없다. 따라서 화학증착에 의해 박막을 제조하는 기술에 있어, 먼저 우수한 특성의 전구체를 개발하기 위한 노력이 전세계적으로 진행되고 있다.
산화 니오븀 (Nb2O5) 또는 산화 탄탈륨 (Ta2O5)은 유전율 (dielectric constant)이 크며, 층상구조를 갖는 SrBi2Ta2O9와 같은 강유전체 물질의 구성성분일 뿐만 아니라 고집적 비휘발성 메모리를 구성하는 핵심소재로 사용되고 있다. 따라서 우수한 품질의 Nb 산화물 또는 Ta 산화물 박막을 제조하는 것은 산업상 매우 중요하다.
현재 이러한 박막을 제조하기 위한 전구체로서 일반적으로 사용되고 있는 것은 M(OR)5(M은 Nb 또는 Ta, R은 알킬) 형태의 물질이다. 그러나 이 전구체는 점도가 높고 가수분해가 일어나기 쉬운 단점이 있다. 또한 알콕사이드 리간드가 쉽게 해리되기 때문에 버블러 (bubbler)에서 열에 의해 올리고머가 되거나 폴리머가 되는 등의 부반응 (oligomerization 또는 polymerization)이 일어나고 이로 인해 리간드가 다른 물질로 치환될 가능성이 높다. 따라서 기화되어 박막이 형성될 때 조성이 변하고 휘발성이 감소되어 박막 생성 속도가 느려지는 단점이 있었다. 예를 들어, SBT (strontium bismuth tantalate, SrBi2Ta2O9) 박막은 Sr(thd)2(thd = 2,2,6,6-tetramethyl-3,5-heptanedionate), Ta(OEt)5및 BiPh3(Ph=페닐기)를 포함하는 용액을 가열하여 증기화시켜 제조한다. 그러나 Ta의 리간드인 에톡사이드는 교환반응 (exchange reaction)을 통해 Sr 화합물의 리간드와 자리바꿈을 하게 되고, 이로 인해 스트론튬 알콕사이드 화합물이 생성될 뿐만 아니라 전구체의 휘발성이 감소된다. 이러한 부반응은 버블러 하나에 세 화합물을 모두 놓고 동시에 기화시킬 때만 발생하는 것이 아니라, 각기 다른 버블러에 화합물을 놓고 기화시켜 기체상태에서 혼합하는 경우에도 발생하는 것으로 알려져 있다. 금속 산화물의 박막을 제조하기 위한 또 다른 전구체로서 Ti(OR)4(R은 알킬) 형태의 물질도 널리 사용되고 있으나, 이러한 부반응에 의한 문제점을 여전히 내포하고 있다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위해, β-디케토네이트 (β-diketonate)와같은 두자리 리간드 (didentate ligand)로 알콕사이드 리간드의 일부를 치환시킨 Ti(OR)2(β-디케토네이트)2형태의 전구체가 보고된 바 있다 (Bulletin of the Korean Chemical Society, 1996, 17(7), 637). 이렇게 리간드를 치환함으로써 고리화 효과 (chelate effect)를 유도하고 비어있는 배위자리 (vacant coordination site)를 채워주어 가수분해 및 열에 대한 안정성 등의 특성이 향상되었다. 또한 승화가 용이한 고체 M(OR)4(β-디케토네이트)2(M은 Nb 또는 Ta, R은 알킬기) 형태의 전구체에도 상기와 같은 리간드가 적용되었다 (미국 특허 제5,840,897호, Advanced Techonology Materials, Inc., Danbury, Conn.). 이 경우 전구체의 열 안정성 및 화학적 안정성이 향상되어 열분해 전에 부반응이 나타날 가능성은 상당 부분 감소시킬 수 있으나 아직도 가수분해에 대한 안정성이 작고, 고체이므로 상대적으로 휘발성 감소가 문제가 되고 있다.
또 다른 방법으로는 박막 제조에 사용되는 전구체들이 모두 같은 리간드를 갖도록 하는 것이 있다. 이 경우 리간드 교환반응에 의한 부반응을 없앨 수는 있으나, 모든 금속에 대하여 동일한 리간드를 갖도록 제조하는 것은 어렵기 때문에 사용에 제한을 받는 단점이 있다 (J. Electrochem. Soc., 1987, 134(2), 430).
또한 M(NMe2)5(M은 Nb 또는 Ta) 형태의 전구체도 개발되었는데, 이 물질은 승화성은 비교적 우수하지만 고체이므로 액체 전구체에 비하여 휘발성이 저하되는 단점이 있고 150 ℃에서는 쉽게 분해되는 등 열 안정성이 나쁘며 가수분해도 쉽게 일어나는 문제점이 있다.
이에 본 발명자들은 상기 문제점을 해결하고 우수한 특성을 가진 Nb 또는 Ta 산화물의 박막 제조용 전구체를 개발하기 위해 노력한 결과, 한자리 리간드 3개와 세자리 리간드 1개를 가지고 중심 금속이 Nb 또는 Ta인 착화합물 (complex)이 높은 휘발성, 우수한 화학적·열적 안정성, 열분해의 용이함 및 낮은 점도를 가지며 부반응이 적고 상대적으로 낮은 온도에서도 박막의 증착 속도가 빠르다는 것을 알아내어 본 발명을 완성하였다.
본 발명의 목적은 높은 휘발성, 우수한 화학적·열적 안정성, 열분해의 용이함, 낮은 점도, 적은 부반응 및 빠른 증착 속도를 갖는 우수한 특성의 Nb 또는 Ta의 산화물 박막 제조용 전구체를 제공하는 것이다.
도 1은 본 발명에 의한 Nb 또는 Ta의 산화물 박막 제조용 전구체의 구조를 나타낸 것이고,
도 2는 화학증착을 위한 장치를 나타낸 것이고,
도 3는 Ta2O5박막의 증착속도를 나타낸 것이고,
■ : Ta(OEt)3(CH3C(O)CHC(CH3)(NCH2CH2O))를 전구체로 사용한 경우
▲ : Ta(OEt)3((CH3)2CHC(O)CHC(CH(CH3)2)(NCH2CH2O))를 전구체로 사용한 경우
◆ : Ta(OEt)3(CH3C(O)CHC(CH3)(NCH2CHMeO))를 전구체로 사용한 경우
● : Ta(OEt)5를 전구체로 사용한 경우
도 4a는 합성 직후 Ta(OEt)3(CH3C(O)CHC(CH3)(NCH2CH2O))의1H NMR 스펙트럼을 나타낸 것이고,
도 4b는 130 ℃에서 5시간 동안 가열한 후 Ta(OEt)3(CH3C(O)CHC(CH3)(NCH2CH2O))의1H NMR 스펙트럼을 나타낸 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에서는 한자리 리간드 (monodentate ligand) 3개와 세자리 리간드 (tridentate ligand) 1개를 가지는 것을 특징으로 하는, 중심 금속이 Nb 또는 Ta인 하기 화학식 1로 표시되는 Nb 또는 Ta 산화물 박막 제조용 전구체를 제공한다.
MA(OR)3
상기 식에서, M은 Nb 또는 Ta이고; A는 세자리 리간드이고; R은 H, 알킬, 하이드로카르빌 (hydrocarbyl), 아릴 또는 불화카르빌 (fluorinated carbyl)기이다.
상세하게는 세자리 리간드는 하기 화학식 2로 표시되는 N-알콕시-β-케토이미네이트 (N-alkoxy-β-ketoiminate), 하기 화학식 3으로 표시되는 N-알콕시-β-디케토이미네이트 (N-alkoxy-β-diketoiminate) 및 하기 화학식 4로 표시되는 N-알콕시-β-티오케토이미네이트 (N-alkoxy-β-thioketoiminate)로 이루어진 그룹에서 선택되는 것이 바람직하다.
R1C(O)CHCR2(NCH2CHR3O)
R1CH(NR4)CHCR2(NCH2CHR3O)
R1C(S)CHCR2(NCH2CHR3O)
상기 식에서, R1, R2, R3및 R4는 같을 수도 있고 다를 수도 있으며 H, 알킬, 하이드로카르빌, 아릴 또는 불화카르빌기를 나타낸다.
보다 상세하게는 N-알콕시-β-케토이미네이트는 CH3C(O)CHC(CH3)(NCH2CH2O),CH3C(O)CHC(CH3)(NCH2CHMeO), (CH3)2CHC(O)CHC(CH(CH3)2)(NCH2CH2O), (CH3)2CHC(O)CHC (CH(CH3)2)(NCH2CHMeO) 및 t-BuC(O)CHCMe(NCH2CH2O)를 포함하는 그룹에서 선택되는 것이 바람직하다.
또한 N-알콕시-β-디케토이미네이트는 CH3CH(NCH3)CHC(CH3)(NCH2CH2O) 이고, N-알콕시-β-티오케토이미네이트는 CH3C(S)CHC(CH3)(NCH2CH2O) 인 것이 바람직하다.
이하 본 발명을 상세히 설명한다.
본 발명의 Nb 또는 Ta 산화물 박막 제조용 전구체는 중심 금속이 Nb 또는 Ta가 세자리 리간드를 갖는 착화합물이라는 것이 특징이다.
Ti(OR)2(β-디케토네이트)2또는 M(OR)4(β-디케토네이트) (M은 Nb 또는 Ta, R은 알킬기)와 같이 5개 또는 6개의 원자로 구성된 고리를 이루는 두자리 리간드를 이용하는 경우, 가수분해가 쉽게 일어나지 않는 등 전구체의 물리적 특성이 향상되는 것이 보고되어 있다. 따라서 더 많은 고리를 이루는 리간드를 사용할 경우 고리화 효과에 의해 화합물의 안정성이 향상될 것으로 예측할 수 있다. 또한 고리를 이루는 리간드가 알콕사이드 리간드보다 더 많은 배위수를 차지하도록 해도 역시 화합물의 안정성을 향상시킬 수 있을 것으로 예측된다. 따라서 본 발명에서는 세자리 리간드를 사용하여 M(OR)5(M은 Nb 또는 Ta, R은 알킬기) 형태의 착화합물을 상기 화학식 1과 같은 형태의 착화합물로 바꿈으로써, 높은 휘발성 및 우수한 열적, 화학적 (가수분해) 안정성을 갖는 전구체를 제조한다.
본 발명에 의한 전구체는도 1과 같은 구조를 갖는다. 즉, 한자리 리간드 3개가 같은 평면 상에서 중심 금속과 결합하고 있으며, 세자리 리간드는 중심 금속의 나머지 세 배위자리를 차지하여 고리형태를 이루고 있다. 이 때 세자리 리간드에서 비공유 전자쌍을 제공하는 세 원자 중 분자 중간의 질소 원자는 한자리 리간드가 위치한 평면과 같은 평면에서 중심 원자와 결합하고 있고, 산소와 X (O, S 또는 NR4)는 그 평면의 위와 아래에서 각각 중심 원자와 결합하고 있다.
본 발명의 전구체에 사용될 수 있는 상기 세자리 리간드는 Nb 또는 Ta 중심금속의 배위수 세자리에 결합할 수 있는 물질이면 모두 포함된다. 즉, 한 분자 내에 N, O, S 등 비공유 전자쌍을 제공할 수 있는 원자가 적당한 거리를 두고 3개 이상 포함된 물질이 세자리 리간드로 사용될 수 있다.
바람직하기로는 상기 세자리 리간드는 N-알콕시-β-케토이미네이트 [R1C(O)CHCR2(NCH2CHR3O)], N-알콕시-β-디케토이미네이트 [R1CH(NR4)CHCR2(NCH2CH R3O)] 및 N-알콕시-β-티오케토이미네이트 [R1C(S)CHCR2(NCH2CHR3O)]이다. 이 때, R1, R2, R3및 R4는 같을 수도 있고 다를 수도 있으며 H, 알킬, 하이드로카르빌, 아릴 또는 불화카르빌기를 나타낸다. 이들 물질은 공지되어 있는 것으로서 합성이 용이하다 (Organometallics, 1999, 18, 1018).
더욱 바람직하기로는 상기 세자리 리간드 중 N-알콕시-β-케토이미네이트는 CH3C(O)CHC(CH3)(NCH2CH2O), CH3C(O)CHC(CH3)(NCH2CHMeO), (CH3)2CHC(O)CHC(CH(CH3)2) (NCH2CH2O), (CH3)2CHC(O)CHC(CH(CH3)2)(NCH2CHMeO) 및 t-BuC(O)CHCMe(NCH2CH2O)를 포함하는 그룹에서 선택되는 것이다. 또한 N-알콕시-β-디케토이미네이트는 CH3CH(NCH3)CHC(CH3)(NCH2CH2O) 이다. 또한 N-알콕시-β-티오케토이미네이트는 CH3C(S)CHC(CH3)(NCH2CH2O) 이다.
본 발명에 의한 전구체는 기존의 물질인 Ta(OEt)5및 Nb(OEt)5에 비하여 박막의 증착 속도가 매우 향상된 특성을 나타낸다. 즉, Ta(OEt)5의 경우 버블러의 온도가 90 ℃일 때 박막의 증착속도가 약 10 Å/분에 불과하고 온도를 높여도 증착속도는 아주 서서히 증가하나, 본 발명에 의한 전구체는 90 ℃에서도 증착속도가 50 Å/분 이상이고 온도를 높이면 증착속도가 매우 빠르게 증가한다. Ta(OEt)5를 전구체로 사용한 것과 비교할 경우, 본 발명의 전구체는 증착속도가 130 ℃에서 약 5배 증가된 값을 나타낸다. 이와 같이, 본 발명에 의한 전구체는 증착 속도가 매우 향상되었으므로 전구체의 휘발성이 크고 열분해가 용이하다는 것을 알 수 있다. 또한 본 발명의 전구체는 저온에서도 박막의 증착 속도가 빠르므로 박막 제조시 반응 시간 및 처리 비용을 줄일 수 있고, 버블러의 온도를 조절함으로써 박막 생성 속도를 정확히 제어할 수 있으므로 고품질의 박막을 제조할 수 있다.
본 발명에 의한 전구체는 또한 열 안정성, 내습성 및 가수분해에 대한 저항성이 매우 향상된 특성을 나타낸다. 즉, 130 ℃에서 5시간 동안 본 발명의 전구체를 가열한 경우 전구체를 가열하기 전과 가열한 후 각각의1H NMR 결과에서, 가열 전후 본 발명에 의한 전구체의 구조는 크게 달라지지 않는다는 것을 알 수 있다. 구체적으로는 리간드인 에톡사이드와 세자리 리간드에 해당하는 NMR 피크에서 적분값이나 피크의 갈라짐 (splitting)에 거의 변화가 없다. 또한 본 발명의 전구체는 물 속에 장시간 놓아 두어 반응을 유도하여도 층이 분리될 뿐 가수분해 반응이 거의 일어나지 않는다. 따라서 본 발명에 의한 전구체는 버블러에서 열에 의해 올리고머가 되거나 폴리머가 되는 등의 부반응이 일어나고 이로 인해 리간드가 다른 물질로 치환되거나 하는 일이 발생할 가능성을 감소시킬 수 있다.
이하 본 발명을 실시예에 의하여 더욱 상세하게 설명한다.
단, 하기 실시예들은 본 발명을 예시하는 것으로 본 발명의 내용이 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.
Ⅰ. 리간드 화합물의 제조
<제조예 1> 세자리 리간드 CH 3 C(O)CHC(CH 3 )(NCH 2 CH 2 OH)의 제조
참고문헌 (Organometallics, 1999, 18, 1018)에 기재된 방법에의해NH2CH2CH2OH (ethanolamine) 6.71 g과 CH3C(O)CH2C(O)CH3 (2,4-pentanedione) 10 g을 출발물질로 하여 CH3C(O)CHC(CH3)(NCH2CH2OH) 12.88 g (수율 90%)을 제조하였다.
<제조예 2∼5> 세자리 리간드의 제조 2∼5
출발물질만 달리한 것을 제외하고는 제조예 1과 같은 방법에 의해 하기 표 1과 같은 세자리 리간드를 제조하였다.
세자리 리간드
제조예 R1 R2 R3 수 율
2345 Mei-Pri-Prt-Bu Mei-Pri-PrMe MeHMeH 82%434159
Ⅱ. 전구체의 제조
<실시예 1> Nb 산화물 박막 제조용 전구체의 제조 1
제조예 1에서 제조된 CH3C(O)CHC(CH3)(NCH2CH2OH) 3.24 g을 톨루엔 100 ml에 녹여 준비하고, Nb(OEt)5(Strem Chemicals Inc.) 6.00 g을 톨루엔 40 ㎖에 녹인 용액을 상온에서 교반하면서 18시간에 걸쳐 상기 용액을 캐뉼러 (cannula)를 통해 천천히 주입하였다. 용매를 감압 하에서 제거한 후 감압 증류 (152℃, 0.1 torr)하여 정제하여 목적 생성물 Nb(OEt)3(CH3C(O)CHC(CH3)(NCH2CH2O)) 1.18 g (수율 : 17.0 %)를 얻었다.
1H NMR (CDCl3, 199.976 MHz) δ4.99(s, CH), 4.49(q, OCH2CH3(ax)), 4.41(t, OCH 2 CH2N), 4.00(q, OCH 2 CH3(eq)), 3.70(t, OCH2CH 2 N), 1.98(s, CH 3 C(O)), 1.97(s, CH 3 C(NCH2CH2O)), 1.29(t, OCH2CH 3 (ax)), 1.02(t, OCH2CH 3 (eq))
13C NMR (CDCl3, 50.289 MHz) δ169.65, 165.24, 98.94, 69.53, 69.05, 64.88, 55.09, 22.33, 20.69, 16.93, 16.45
<실시예 2> Ta 산화물 박막 제조용 전구체의 제조 1
제조예 1에서 제조된 CH3C(O)CHC(CH3)(NCH2CH2OH) 2.0 g을 톨루엔 80 ml에 녹여 준비하고, Ta(OEt)5(Strem Chemicals Inc.) 5.16 g을 톨루엔 40 ㎖에 녹인 용액을 상온에서 교반하면서 상기 용액을 캐뉼러를 통해 천천히 주입하였다. 용액을 다 주입한 다음 8시간 더 교반하였다. 용매를 감압 하에서 제거하고 감압 증류 (144℃, 0.1 torr)로 정제하여, 목적 생성물 Ta(OEt)3(CH3C(O)CHC(CH3)(NCH2CH2O)) 3.75 g (수율 : 65.0 %)를 얻었다.
1H NMR (CDCl3, 199.976 MHz) δ4.98(s, major CH), 4.54(q, OCH 2 CH3(ax)),4.49(t, OCH 2 CH2N), 4.05,4.03(q, OCH 2 CH3(eq)), 3.68(t, OCH2CH 2 N), 1.96(s, CH 3 C(O)), 1.93(s, CH 3 C(NCH2CH2O)), 1.24(t, OCH2CH 3 (ax)), 0.98(t, OCH2CH 3 (eq))
13C NMR (CDCl3, 50.289 MHz) δ170.05, 166.47, 100.15, 67.61, 67.44, 63.64, 55.36, 22.43, 20.78, 17.39, 16.89
<실시예 3> Ta 산화물 박막 제조용 전구체의 제조 2
제조예 2에서 제조된 CH3C(O)CHC(CH3)(NCH2CHMeOH) 2.32 g을 염화메틸렌 50 ml에 녹여 준비하고, Ta(OEt)5(Strem Chemicals Inc.) 5.00 g을 염화메틸렌 20 ㎖에 녹인 용액을 상온에서 교반하면서 상기 용액을 캐뉼러를 통해 천천히 주입하였다. 용액을 다 주입한 다음 하루동안 용액을 더 교반하였다. 용매를 감압 하에서 제거하고 감압 증류 (126℃, 0.1 torr)로 정제하여 목적 생성물 Ta(OEt)3(CH3C(O)CHC(CH3)(NCH2CHMeO)) 3.02 g (수율 : 57.0 %)를 얻었다.
1H NMR (CDCl3, 199.976 MHz) δ4.93(s, major CH), 4.98(s, minor CH), 4.60(m, OCHMeCH2N), 4.02(q, OCH 2 CH3(ax)), 4.00(q, OCH 2 CH3(eq)), 3.75(dd, OCHMeCHsHaN), 3.25(dd, OCHMeCHsHaN), 1.91(s, major CH 3 C(O)), 1.89(s, major CH 3 C(NCH2CHMeO)), 1.86(s, minor CH 3 C(NCH2CHMeO)), 1.19(t, OCH2CH 3 (ax)), 1.11(d,OCH(CH 3 )CH2N), 0.96(t, OCH2CH 3 (eq)), 0.95(t, OCH2CH 3 (eq))
13C NMR (CDCl3, 50.289 MHz) δ170.04, 165.98, 100.10, 73.51, 67.22, 63.65, 63.42, 61.62, 22.42, 20.69, 19.27, 17.59, 17.00, 16.84
<실시예 4> Ta 산화물 박막 제조용 전구체의 제조 3
제조예 3에서 제조된 (CH3)2CHC(O)CHC(CH(CH3)2)(NCH2CH2OH) 1.61 g을 염화메틸렌 30 ml에 녹여 준비하고, Ta(OEt)5(Strem Chemicals Inc.) 2.73 g을 염화메틸렌 20 ㎖에 녹인 용액을 상온에서 교반하면서 2시간 동안 상기 용액을 캐뉼러를 통해 천천히 주입하였다. 용액을 다 주입한 다음 하루동안 용액을 상온에서 더 교반하였다. 용매를 감압 하에서 제거하고 감압 증류 (142℃, 0.1 torr)로 정제하여, 목적 생성물 Ta(OEt)3(CH3)2CHC(O)CHC(CH(CH3)2)(NCH2CH2O) 2.19 g (수율 : 63.0 %)를 얻었다.
1H NMR (CDCl3, 199.976 MHz) δ5.10(s, CH), 4.59(q, OCH 2 CH3(ax)), 4.54(t, OCH 2 CH2N), 4.08,4.05(q, OCH 2 CH3(eq)), 3.80(t, OCH2CH 2 N), 2.95(h, (CH3)2CHC(O)), 2.49(h, (CH3)2CHC(NCH2CH2O)), 1.29(t, OCH2CH 3 (ax)), 1.15(d, (CH 3 )2CHC(O)), 1.11(d, (CH 3 )2CHC(NCH2CH2O)), 1.01(t, OCH2CH 3 (eq))
13C NMR (CDCl3, 50.289 MHz) δ178.00, 174.50, 91.80, 67.54, 67.45, 63.39, 54.00, 34.89, 30.08, 18.95, 18.78, 17.46, 16.90
<실시예 5> Ta 산화물 박막 제조용 전구체의 제조 4
제조예 4에서 제조된 (CH3)2CHC(O)CHC(CH(CH3)2)(NCH2CHMeOH) 3.15 g을 톨루엔 60 ml에 녹여 준비하고, Ta(OEt)5(Strem Chemicals Inc.) 5.00 g을 톨루엔 40 ㎖에 녹인 용액을 상온에서 교반하면서 8시간 동안 상기 준비된 용액을 캐뉼러를 통해 천천히 주입하였다. 용액을 다 주입한 다음 하루동안 용액을 상온에서 더 교반하였다. 용매를 감압 하에서 제거하여 노란색 고체를 얻었다. 이 고체를 60 ml의 n-헥산에 녹인 후 -20℃에서 재결정하여 정제하였다. 이 같은 방법으로 목적 생성물 Ta(OEt)3(CH3)2CHC(O)CHC(CH(CH3)2)(NCH2CHMeO) 3.38 g (수율 : 52.0 %)를 얻었다.
1H NMR (CDCl3, 199.976 MHz) δ5.07(s, major CH), 5.03(s, minor CH), 4.60(m, OCHMeCH2N), 4.56(q, OCH 2 CH3(ax)), 4.07,4.03(q, OCH 2 CH3(eq)), 3.92(dd, OCHsHaCHMeN), 3.34(dd, OCHsHaCHMeN), 2.92(h, (CH3)2CHC(O)), 2.47(h, (CH3)2CHC(NCH2CH2O)), 1.27(t, OCH2CH 3 (ax)), 1.21(d, NCH2CH(CH 3 )O), 1.12(d, (CH 3 )2CHC(O)), 1.09(d, (CH 3 )2CHC(NCH2CH2O)), 1.00,0.99(t, OCH2CH 3 (eq))
13C NMR (CDCl3, 50.289 MHz) δ178.05, 174.62, 91.60, 73.39, 67.36, 63.43, 63.27, 60.32, 34.93, 29.93, 19.34, 18.96, 18.86, 18.67, 17.71, 17.11, 16.92
Ⅲ. 산화물 박막의 제조
<실시예 6∼9> Ta 산화물 박막의 제조
실시예 2∼4에서 제조된 전구체를 각각 사용하여 MOCVD (Metal Organic Chemical Vapor Deposition) 에 의해 하기와 같이 박막을 제조하였다 (도 2참조).
전구체 2.0 g 사용하여 크기 2.0 ×1.0 cm인 Pt/SiO2/Si판 (삼성 반도체) 위에 박막을 제조하였다. 반응기의 온도는 550 ℃로 일정하게 유지하였고, 운반기체로는 N2를 사용하였으며 유량은 100 sccm (cc/min의 관습적 단위)로 하였다. 반응기체로는 N2와 O2의 혼합기체를 사용하였고 유량은 각각 200 sccm, 500 sccm으로 하였다. 버블러의 온도는 처음에는 50 ℃에서 시작하여 점차 130 ℃로 올렸다. 전체 증착시간은 30분으로 하였다. 박막의 두께는 증가된 무게를 측정하거나 또는 자외선-가시광선 투과 스펙트럼 (UV-visible transmission spectra)에서의 간섭 줄무늬 (interference fringe)를 측정하여 (Phys. Thin Films, 1964, 2, 193; J. Solid State Chem., 1993, 106, 288-294) 구하였다.
상기 방법에 의해 실시예 2∼4의 전구체를 사용하여 Ta2O5박막이 얻어졌다.
<비교예 1> Ta 산화물 박막의 제조
기존의 Ta2O5또는 Nb2O5박막 제조용 전구체인 Ta(OEt)5(Strem Chemical Inc.)를 2.0g 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 6∼9과 같은 방법에 의해 Ta2O5박막을 제조하였다.
<실험예 1> 박막의 증착 속도
본 발명에 의한 전구체를 사용한 경우 박막 제조시 증착 속도를 알아보기 위하여 하기와 같은 실험을 실시하였다.
상기 실시예 6∼9 및 비교예 1에서 화학증착에 의해 박막을 제조하는 과정 동안 박막의 두께는 증가된 무게를 측정하거나 또는 자외선-가시광선 투과 스펙트럼 (UV-visible transmission spectra)에서의 간섭 줄무늬 (interference fringe)를 측정하여 구하였다. 이렇게 구한 박막의 두께로부터 버블러의 온도에 대한 증착 속도 (Å/분)를 구하였다. 그 중 실시예 6∼9 및 비교예 1에서 제조된 Ta2O5박막의 증착 속도 결과를도 3에 나타내었다.
도 3에서 볼 수 있듯이, 기존의 전구체인 Ta(OEt)5를 사용한 경우 (●)버블러의 온도가 90 ℃일 때 증착속도가 약 10 Å/분에 불과하였으며, 온도를 높여도 증착속도는 아주 서서히 증가하였다. 이 경우 버블러의 온도를 130 ℃까지 높여도 증착속도는 약 50 Å/분에 불과하였다. 그러나 본 발명에 의한 전구체 Ta(OEt)3(CH3C(O)CHC(CH3)(NCH2CHMeO))를 사용한 경우에는 (◆) 90 ℃의 낮은 버블러 온도에서도 증착속도가 50 Å/분 이상이었다. 더욱이 온도를 높이면 증착속도가 매우 빠르게 증가하였는데, 특히 80 ℃가 넘으면 증착속도의 증가폭이 갑자기 커졌다. 그리고 그 이후에는 증착속도가 온도에 대하여 거의 선형적인 증가 형태를 보였다. 이 경우 130 ℃까지 온도를 높였을 때 증착속도는 약 250 Å/분으로, Ta(OEt)5를 전구체로 사용한 것에 비하여 증착속도가 약 5배 증가하였다. 실시예 7∼9에서 제조된 박막의 경우에도 버블러의 온도에 대한 증착속도의 변화 양상이 실시예 6의 것과 비슷하였다.
이와 같이, 본 발명에 의한 전구체는 증착 속도가 매우 향상되어 전구체의 휘발성이 크고 열분해가 용이하다는 것을 확인할 수 있었다. 또한 본 발명의 전구체는 저온에서도 박막의 증착 속도가 빠르므로 박막 제조시 반응 시간 및 처리 비용을 줄일 수 있다. 또한 증착 속도가 온도에 선형적으로 증가하므로 버블러 온도를 조절하여 박막 생성속도 및 두께를 정확히 제어할 수 있다.
<실험예 2> 전구체의 열 안정성
본 발명에 의한 전구체의 열 안정성을 알아보기 위하여 하기와 같은 실험을실시하였다.
상기 실시예 1∼5에서 제조된 전구체를 각각 2.0 g씩 버블러에 담아 130 ℃로 유지되는 항온조에 5시간 동안 놓아 두었다. 전구체를 가열하기 전과 가열한 후 각각1H NMR (CDCl3, 199.976 MHz, Varian Gemini 2000)을 측정하여 변화가 있는지 조사하였다. 그 중 실시예 1에서 제조된 Ta(OEt)3(CH3C(O)CHC(CH3)(NCH2CH2O))에 대한 가열 전 후의1H NMR 결과를 각각도 4a도 4b에 나타내었다.
그 결과, 가열 전후 본 발명에 의한 전구체의 구조는 크게 달라지지 않은 것으로 나타났다. 즉, 리간드인 에톡사이드와 CH3C(O)CHC(CH3)(NCH2CH2O)에 대한 NMR 피크를 비교한 결과, 적분값이나 피크의 갈라짐 (splitting)에 거의 변화가 없었다. 실시예 1∼5에서 제조된 전구체의 경우에도 가열 전후 NMR 피크가 거의 변하지 않았다.
이와 같이 본 발명에 의한 전구체는 열에 대하여 매우 안정하다는 것을 알 수 있으며, 따라서 열에 의해 올리고머가 되거나 폴리머가 되는 등의 부반응이 일어나고 이로 인해 리간드가 다른 물질로 치환되거나 하는 일이 발생할 가능성을 감소시킬 수 있다.
<실험예 3> 전구체의 내습성
본 발명에 의한 전구체의 내습성을 알아보기 위하여 하기와 같은 실험을 실시하였다.
상기 실시예 1∼5에서 제조된 전구체 및 Ta(OEt)5, Nb(OEt)5를 각각 0.1g씩 시험관에 넣고 시험관에 증류수를 넣어 변화를 살펴 보았다. Ta(OEt)5, Nb(OEt)5를 넣은 시험관은 증류수를 넣는 즉시 흰색 고체가 생성되었다. 반면 본 발명에서 합성된 전구체를 담은 시험관에서는 흰색 고체가 생성되지 않았고 층분리가 관찰된 것 외에는 다른변화는 없었으며, 3일 후에도 거의 변화가 없었다.
따라서 기존의 전구체인 Ta(OEt)5, Nb(OEt)5는 가수분해가 쉽게 진행되어 수분에 대해 매우 불안정하지만 본 발명에 의한 전구체는 내습성, 즉 가수분해에 대한 안정성)이 매우 우수하다는 것을 확인할 수 있었다.
상기에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 의한 한자리 리간드 3개와 세자리 리간드 1개를 가지는 것을 특징으로 하는 중심 금속이 Nb 또는 Ta인 금속 산화물 박막 제조용 전구체는 액체로 제조되고 점도가 낮으며 내습성이 우수하다. 또한 높은 휘발성, 우수한 화학적·열적 안정성, 열분해의 용이함으로 인해 부반응이 적고 상대적으로 낮은 온도에서도 박막의 증착 속도가 빠르다. 또한 증착속도가 버블러의 온도에 의존적으로 선형적으로 증가하므로, 버블러의 온도를 조절하여 박막의 증착속도 및 두께를 정확히 제어할 수 있다. 따라서 고품질의 박막을 생성할 수 있으며, 이를 통해 고집적 강유전체 비휘발성 메모리를 생산할 수 있다.

Claims (3)

  1. 한자리 리간드 (monodentate ligand) 3개와 N-알콕시-β-케토이미네이트 계의 화합물로 구성된 세자리 리간드 (tridentate ligand) 1개를 가지는 것을 특징으로 하는, 중심 금속이 Nb 또는 Ta인 하기 화학식 1로 표시되는 Nb 또는 Ta 산화물 박막 제조용 전구체;
    화학식 1
    MA(OR)3
    상기 화학식 1에서, M은 Nb 또는 Ta이고; R은 C1∼ C4의 알킬기이고; A는 하기 화학식 2로 표시되는 N-알콕시-β-케토이미네이트 계의 화합물로 구성된 세자리 리간드이다;
    화학식 2
    R1C(X)CHCR2(NCH2CHR3O)
    상기 화학식 2에서, R1, R2, 및 R3은 같을 수도 있고 다를 수도 있으며 H, 또는 C1∼ C4의 알킬기이고; X는 O, N-H, 또는 S이다.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 N-알콕시-β-케토이미네이트 계의 화합물이 CH3C(O)CHC(CH3)(NCH2CH2O), CH3C(O)CHC(CH3)(NCH2CHMeO), (CH3)2CHC(O)CHC(CH(CH3)2)(NCH2CH2O), (CH3)2CHC(O)CHC(CH(CH3)2)(NCH2CHMeO), t-BuC(O)CHCMe(NCH2CH2O), CH3CH(NCH3)CHC(CH3)(NCH2CH2O), 및 CH3C(S)CHC(CH3)(NCH2CH2O)로 구성된 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 Nb 또는 Ta 산화물 박막 제조용 전구체.
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