KR100592793B1 - Process for preparing hafnium oxide thin films by metal organic chemical vapor deposition - Google Patents

Process for preparing hafnium oxide thin films by metal organic chemical vapor deposition Download PDF

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Abstract

본 발명은 아래 화학식 1로 나타낸 테트라키스(3-메틸-3-펜톡시)하프늄(IV) [tetrakis(3-methyl-3-pentoxy)hafnium(IV), Hf(mp)4]를 단일 선구 물질로 사용하여 금속 유기물 화학 증착법 (metal organic chemical vapor deposition, MOCVD)으로 하프늄 산화물 박막을 제조하는 방법에 관한 것으로, 본 발명의 선구 물질은 기존의 Hf(OtBu)4 (hafnium tetra-tert-butoxide)와 견줄 때 증기압이 높아 MOCVD 공정에 적합하고 안정성이 더 뛰어나 보관과 사용에 유리하며 산소 원을 따로 공급하지 않고 이를 단독으로 사용하여 질이 좋은 하프늄 산화물 박막을 제조하는 데에 유용하다.In the present invention, tetrakis (3-methyl-3-pentoxy) hafnium (IV) [Tetrakis (3-methyl-3-pentoxy) hafnium (IV), Hf (mp) 4 ] The present invention relates to a method for manufacturing a hafnium oxide thin film by metal organic chemical vapor deposition (MOCVD), the precursor of the present invention is a conventional Hf (O t Bu) 4 (hafnium tetra- tert -butoxide It is suitable for MOCVD process because it has high vapor pressure when compared to), which is good for storage and use, and is useful for producing high quality hafnium oxide thin film by using it alone without supplying oxygen source.

Figure 112004035825461-pat00001
Figure 112004035825461-pat00001

Description

금속 유기물 화학 증착법으로 하프늄 산화물 박막을 제조하는 방법 {PROCESS FOR PREPARING HAFNIUM OXIDE THIN FILMS BY METAL ORGANIC CHEMICAL VAPOR DEPOSITION} Method for producing hafnium oxide thin film by metal organic chemical vapor deposition method {PROCESS FOR PREPARING HAFNIUM OXIDE THIN FILMS BY METAL ORGANIC CHEMICAL VAPOR DEPOSITION}             

도 1은 기존의 선구 물질 Hf(OtBu)4와 비교한 테트라키스(3-메틸-3-펜톡시)하프늄(IV) [tetrakis(3-methyl-3-pentoxy)hafnium(IV), Hf(mp)4]의 열무게 분석 (thermogravimetric analysis, TGA) 그래프고,1 shows tetrakis (3-methyl-3-pentoxy) hafnium (IV), Hf compared to the existing precursor Hf (O t Bu) 4. (mp) 4 ] thermogravimetric analysis (TGA) graph,

도 2는 기존의 선구 물질 Hf(OtBu)4와 비교한 Hf(mp)4의 온도에 따른 증기압 그래프고,2 is a graph of vapor pressure according to the temperature of Hf (mp) 4 compared to the existing precursor Hf (O t Bu) 4 ,

도 3은 본 발명에 따라 제조한 하프늄 산화물 박막의 침착 온도에 대한 성장 속도를 나타낸 그래프고,3 is a graph showing the growth rate versus deposition temperature of the hafnium oxide thin film prepared according to the present invention,

도 4는 본 발명에 따라 제조한 하프늄 산화물 박막의 X선 광전자 분광 스펙트럼이고,4 is an X-ray photoelectron spectroscopic spectrum of a hafnium oxide thin film prepared according to the present invention,

도 5는 본 발명에 따라 제조한 하프늄 산화물 박막의 X선 회절 무늬다.5 is an X-ray diffraction pattern of a hafnium oxide thin film prepared according to the present invention.

본 발명은 하프늄 산화물 박막의 제조 방법에 관한 것으로서, 더 구체적으로는 산소 원을 따로 쓰지 않고 하프늄 원으로 테트라키스(3-메틸-3-펜톡시)하프늄(IV) [Hf(mp)4]을 단일 선구 물질로 쓰는 금속 유기물 화학 증착법 (metal organic chemical vapor deposition, MOCVD)을 이용하여 기질 위에 질이 좋은 하프늄 산화물 박막을 제조하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for manufacturing a hafnium oxide thin film, and more specifically, tetrakis (3-methyl-3-pentoxy) hafnium (IV) [Hf (mp) 4 ] as a hafnium source without using an oxygen source. The present invention relates to a method for producing a high quality hafnium oxide thin film on a substrate by using metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) as a single precursor.

지금까지 실리콘 트랜지스터의 게이트 유전체 (gate dielectric) 물질로는 SiO2를 써 왔으나 반도체 소자의 설계 규칙 (design rule)이 점점 더 작아짐에 따라 1.5 nm 이하의 두께에서는 터널링 전류 누설과 이에 따르는 전력 소산 (dissipation)의 증가 및 열의 발생이 심각한 문제가 되는 단계에 이르렀다. 따라서 SiO2 유전체를 유전율이 높은 다른 물질로 대체해야 하는 필요성이 대두하였다. 십수 년 전부터 SiO2 대신 Ta2O5를 이용하기 위해 많은 연구가 이루어졌으나 누설 전류에 영향을 미치는 밴드 옵셋 (band offset) 값이 작은 점을 비롯한 Ta2O5의 여러 가지 문제 때문에 궁극적으로는 이산화 하프늄 (HfO2)를 이용해야 한다는 의견이 지배적이다.Until now, SiO 2 has been used as the gate dielectric material of silicon transistors, but as the design rules of semiconductor devices become smaller and smaller, tunneling current leakage and corresponding power dissipation at a thickness of less than 1.5 nm ) And the generation of heat have reached a serious problem. Therefore, there is a need to replace the SiO 2 dielectric with another material having a high dielectric constant. Decades ago, many studies have been conducted to use Ta 2 O 5 instead of SiO 2 , but ultimately due to various problems of Ta 2 O 5 , including small band offset values that affect leakage current The opinion that hafnium (HfO 2 ) should be used is dominant.

하프늄 산화물 박막은 고유전율 물질 (high-k material)로서 차세대 반도체 소자의 게이트 유전체로 쓰이게 될 중요한 물질이다. 이산화하프늄 (HfO2)은 벌크 유전 상수가 40이나 되어 꽤 높고 실리콘과 접촉해도 반응하지 않아 실리사이드를 형성하지 않으며 (K. J. Hubbard 등, J. Mater. Res., 1996, 11, 2757) 띠 간격 (band gap)이 5.68 eV로 터널링 현상과 열이온 방사의 억제에 효과적이며 아주 안정한 화합물이다. 따라서 하프늄 산화물 박막의 제조에 관한 연구가 수년 전부터 활발하게 이루어져 왔고 하프늄 산화물의 원료 화합물 합성과 박막의 제조 공정이 큰 관심의 대상이 되고 있다.Hafnium oxide thin film is a high- k material and is an important material to be used as a gate dielectric of next-generation semiconductor devices. Hafnium dioxide (HfO 2 ) has a bulk dielectric constant of 40, which is quite high and does not react with silicon to form silicides (KJ Hubbard et al . , J. Mater. Res. , 1996, 11 , 2757) . The gap is 5.68 eV, which is effective for the suppression of tunneling phenomenon and thermal ion radiation and is very stable compound. Therefore, research on the production of hafnium oxide thin films has been actively conducted for many years, and the synthesis of raw material compounds of hafnium oxide and the manufacturing process of thin films are of great interest.

초기에 쓰인 원료 화합물들은 Hf(tfac)4과 Hf(acac)4와 같은 하프늄의 β-디케톤산염들이었다 (tfac = 트리플루오로아세틸아세토네이트, acac = 아세틸아세토네이트; M. Balog 등, J. Electrochem. Soc., 1979, 126, 1203; M. Balog 등, J. Cryst. Growth, 1972, 17, 298). 사염화하프늄 (HfCl4), 하프늄 t-부톡사이드 [Hf(OtBu)4; K. S. Mazdiyasni 등, USAF Technol. Doc. Rep. ASD-TDR-63-322, 1963], 및 테트라키스(디메틸아미도)하프늄(IV) [Hf(NMe2)4, tetrakis(dimethylamido)hafnium, TDMAH], 테트라키스(디에틸아미도)하프늄(IV) [Hf(NEt2)4, TDEAH], 테트라키스(에틸메틸아미도)하프늄(IV) [TEMAH]과 같은 Hf(NR1R2)4 형태의 아미도 화합물들 (R. G. Gordon 등, S. Suh, Chem. Mater., 2001, 13, 2463; Y. Ohshita 등, J. Cryst. Growth, 2001, 233, 292; D. M. Hausmann 등, Chem. Mater., 2002, 14, 4350; A. Ogura 등, Thin Solid Films, 2003, 441, 161)은MOCVD 공정과 원자층 침착 (atomic layer deposition, ALD) 공정의 선구 물질로 쓰이고 있다.Initially used raw compounds were β-diketonates of hafnium such as Hf (tfac) 4 and Hf (acac) 4 (tfac = trifluoroacetylacetonate, acac = acetylacetonate; M. Balog et al., J. Electrochem.Soc., 1979, 126 , 1203; M. Balog et al . , J. Cryst.Growth , 1972, 17 , 298). Hafnium tetrachloride (HfCl 4 ), hafnium t-butoxide [Hf (O t Bu) 4 ; KS Mazdiyasni et al., USAF Technol. Doc. Rep. ASD-TDR-63-322 , 1963], and tetrakis (dimethylamido) hafnium (IV) [Hf (NMe 2 ) 4 , tetrakis (dimethylamido) hafnium, TDMAH], tetrakis (diethylamido) hafnium ( IV) Amido compounds of the form Hf (NR 1 R 2 ) 4 , such as [Hf (NEt 2 ) 4 , TDEAH], tetrakis (ethylmethylamido) hafnium (IV) [TEMAH] (RG Gordon et al., S Suh, Chem. Mater. , 2001, 13, 2463; Y. Ohshita et al., J. Cryst. Growth , 2001, 233 , 292; DM Hausmann et al. , Chem. Mater. , 2002, 14 , 4350; A. Ogura et al. , Thin Solid Films , 2003, 441 , 161) are used as precursors for the MOCVD process and atomic layer deposition (ALD) process.

이들 가운데 하프늄 t-부톡사이드는 산소의 공급이 없는 조건에서, 즉 단일 선구 물질로서, MOCVD 또는 플라스마 보조 (plasma assisted) MOCVD 공정에 이용되기도 한다 (S. Sayan 등, J. Vac. Sci. Technol. A, 2002, 20, 507; K.-J. Choi 등, J. Electrochem. Soc., 2002, 149, F18; K.-J. Choi 등, J. Mater. Res., 2003, 18, 60). Of these, hafnium t-butoxide is used in MOCVD or plasma assisted MOCVD processes in the absence of oxygen supply, i.e. as a single precursor (S. Sayan et al . , J. Vac. Sci. Technol. A , 2002, 20 , 507; K.-J. Choi et al . , J. Electrochem.Soc. , 2002, 149 , F18; K.-J. Choi et al . , J. Mater.Res . , 2003, 18 , 60) .

또 하나의 특이한 선구 물질은 무수 Hf(NO3)4지만 (R. C. Smith 등, Adv. Mater. Opt. Electron., 2000, 10, 105) 이 화합물은 반응성이 무척 강하고 상온에서 고체이기 때문에 다루는 데에 큰 어려움이 따르며 산화력이 강하여 실리콘과 같은 기질의 표면에 산화층을 형성하는 단점이 있다.Another unusual precursor is anhydrous Hf (NO 3 ) 4 (RC Smith et al . , Adv. Mater. Opt. Electron. , 2000, 10 , 105), but the compound is very reactive and solid at room temperature. There is a drawback of forming an oxide layer on the surface of a substrate such as silicon due to the great difficulty and strong oxidizing power.

또 사염화하프늄은 아직도 많이, 주로 원자층 침착 (atomic layer deposition, ALD) 공정에서 쓰이지만 실온에서 고체 상태로 있어 다루기에 불편할 뿐더러 박막 제조 공정에서 염화수소 (HCl)가 나오기 때문에 장치의 부식이나 환경의 오염과 같은 문제를 일으킨다. 다른 할로겐 원소의 하프늄 화합물들도 사용하는 데에 불편한 점이 있고 또 부수적인 문제를 일으키기는 마찬가지다.In addition, hafnium tetrachloride is still used mainly in atomic layer deposition (ALD) processes, but it is inconvenient to handle due to its solid state at room temperature. Causes the same problem. Hafnium compounds of other halogen elements are also inconvenient to use and cause additional problems.

한편 하프늄 t-부톡사이드는 반응성이 매우 높아 박막 제조 공정에서 쉽사리 다루기가 어렵고, 따라서 이 화합물을 장갑 상자에 보관하여도 용기의 마개 언저리에 흰 분해 생성물이 생기는 정도로 불안정하기 때문에 금속 유기물 화학 증착 (metal organic chemical vapor deposition, MOCVD)이나 원자층 침착 (atomic layer deposition, ALD) 공정에 이 물질을 사용하려면 상당한 불편함을 감수해야 한다. 가장 심각한 문제는 선구 물질의 공급관이 분해하는 하프늄 t-부톡사이드로 막히는 현상 (clogging)이다. 그리고 하프늄 t-부톡사이드는 열무게 분석에서 잔류물이 30%나 생기므로 (도 1 참조) 이 선구 물질로 HfO2 박막을 제조하면 탄소 오염이 일어날 염려가 있고, 미량의 물에도 촉매적 가수분해 (catalytic hydrolytic decomposition) 반응을 일으키므로 저장 수명이 짧다 (P. A. Williams 등, Chem. Vap. Deposition, 2002, 8, 163). 그리고 물을 산소의 원료로 사용하여 하프늄 산화물 박막을 제조하는 ALD 공정에서는 하프늄 t-부톡사이드가 기체 상에 남게 되는 물과 반응하여 진정한 원자층 침착이 일어나지 못하고 원자층 화학 증착 (atomic layer chemical vapor deposition, ALCVD)이 일어난다.On the other hand, hafnium t-butoxide is highly reactive and difficult to handle in the thin film manufacturing process. Therefore, even if the compound is stored in a glove box, it is unstable to produce white decomposition products on the edge of the container. The use of this material in organic chemical vapor deposition (MOCVD) or atomic layer deposition (ALD) processes is a significant inconvenience. The most serious problem is clogging with hafnium t-butoxide, which breaks down the supply pipe of the precursor. In addition, hafnium t-butoxide has 30% residue in thermal weight analysis (see FIG. 1). Thus, when HfO 2 thin film is prepared from this precursor, carbon contamination may occur, and catalytic hydrolysis may be performed even in trace amount of water. (catalytic hydrolytic decomposition) has a short shelf life due to reaction (PA Williams et al. , Chem. Vap. Deposition , 2002, 8 , 163). In the ALD process, which uses water as a source of oxygen to produce a hafnium oxide thin film, hafnium t-butoxide reacts with water remaining in the gas phase to prevent true atomic layer deposition and atomic layer chemical vapor deposition. , ALCVD).

하프늄 t-부톡사이드의 위와 같은 단점들을 해소하기 위해 중심 금속인 하프늄에 더 많이 배위하는 좀 더 복잡한 알콕사이드를 포함하는 화합물들이 몇 가지 제시되었는데, 이들은 테트라키스(1-메톡시-2-메틸-2-프로폭시)하프늄(IV) [Hf(OCMe2CH2OMe)4, Hf(mmp)4; P. A. Williams 등, Chem. Vap. Deposition, 2002, 8, 163], 하프늄 옥소네오펜톡사이드 [Hf33-O)(μ3-ONep)(μ-ONep)3 (ONep)6; A. Abrutis 등, J. Cryst. Growth, 2004, 267, 529], 테트라키스(디메틸아미노에톡시)하프늄(IV) [Hf(OCH2CH2NMe2)4, Hf(dmae)4; M.-K. Song 등, Thin Solid Films, 2004, 450, 272] 들인데, 이들은 리간드들이 큰 만큼 다루기가 어려워져 간단한 MOCVD 공 정에 바로 사용하기보다는 용매에 녹여 쓰는 직접 액체 주입 (direct liquid injection, DLI) MOCVD 방법으로 하프늄 산화물 박막을 만든다.To address the above disadvantages of hafnium t-butoxide, several compounds containing more complex alkoxides that coordinate more with the central metal, hafnium, have been proposed, which are tetrakis (1-methoxy-2-methyl-2 -Propoxy) hafnium (IV) [Hf (OCMe 2 CH 2 OMe) 4 , Hf (mmp) 4 ; PA Williams et al. , Chem. Vap. Deposition , 2002, 8 , 163], hafnium oxone neopentoxide [Hf 33 —O) (μ 3 -ONep) (μ-ONep) 3 (ONep) 6 ; A. Abrutis et al., J. Cryst. Growth , 2004, 267 , 529], tetrakis (dimethylaminoethoxy) hafnium (IV) [Hf (OCH 2 CH 2 NMe 2 ) 4 , Hf (dmae) 4 ; M.-K. Song, et al., Thin Solid Films , 2004, 450 , 272], which are difficult to handle due to their large ligands, which are directly liquid injection (DLI) MOCVD methods that are dissolved in solvent rather than directly used in simple MOCVD processes. To create a hafnium oxide thin film.

한편, 미국 특허 제 6,486,080 호에는 하프늄 또는 지르코늄의 알콕사이드 화합물을 선구 물질로 사용하여 하프늄 또는 지르코늄 산화물을 제조하는 방법이 개시되어 있다. 이 특허에서는 하프늄 알콕사이드를 일반식 M(OR)4 (R은 알킬 또는 아릴 그룹이거나 알킬 또는 아릴의 조합)으로 나타내고 있는데, 이 특허에서는 선구 물질을 화학 증착법에 이용할 때 산화제와 함께 반응시키고 있다.US Pat. No. 6,486,080 discloses a process for producing hafnium or zirconium oxide using alkoxide compounds of hafnium or zirconium as precursors. In this patent, hafnium alkoxide is represented by the general formula M (OR) 4 (R is an alkyl or aryl group or a combination of alkyl or aryl), in which the precursor is reacted with an oxidant when used in chemical vapor deposition.

이에, 본 발명에서는 크기가 알맞은 리간드를 잘 선정함으로써 선구 물질 공급관이 막히는 현상을 일으키지 않고 DLI-MOCVD 방법을 쓰지 않아도 되는 MOCVD 선구 물질을 채택하고, 이를 단일 선구 물질로 이용하여 MOCVD법에 의해 표면이 균일하고 덮임성이 좋으며 질이 좋은 하프늄 산화물 박막을 제조하는 방법을 제공하고자 한다.
Therefore, the present invention adopts a MOCVD precursor material which does not cause the phenomenon of the precursor supply pipe clogging and the DLI-MOCVD method is not selected by selecting a ligand having a suitable size, and the surface is formed by the MOCVD method using this as a single precursor material. The present invention provides a method for producing a hafnium oxide thin film having a uniform, good coverage and good quality.

위의 기술적 과제를 달성하기 위해 본 발명에서는, 아래 화학식 1로 나타낸 하프늄 화합물을 MOCVD 공정의 선구 물질로 사용하여 하프늄 산화물 막을 제조하는 방법을 제공한다.In order to achieve the above technical problem, the present invention provides a method for producing a hafnium oxide film using the hafnium compound represented by the formula (1) as a precursor of the MOCVD process.

<화학식 1><Formula 1>

Figure 112004035825461-pat00002
Figure 112004035825461-pat00002

Et = -CH2CH3, Me = -CH3 Et = -CH 2 CH 3 , Me = -CH 3

아래에 본 발명을 더 구체적으로 설명한다.The present invention is explained in more detail below.

본 발명의 하프늄 산화물 제조 방법은 선구 물질로 화학식 1의 테트라키스(3-메틸-3-펜톡시)하프늄(IV) [tetrakis(3-methyl-3-pentoxy)hafnium (IV), Hf(mp)4]를 사용하는 것을 특징으로 한다. 상기 Hf(mp)4는 중심 하프늄 원자가 종래의 Hf(OtBu)4의 t-부틸기보다 더 큰 3-메틸-3-펜톡시기로 둘러싸여 있기 때문에 분자간 상호 작용을 줄이는 효과가 나타난다. 따라서 Hf(mp)4는 Hf(OtBu)4보다 훨씬 더 안정하면서도, 복잡한 리간드를 써서 하프늄의 배위 자리를 더 채워 지나치게 안정해진 위 화합물들의 리간드들보다는 리간드가 단순하기 때문에 반응성이 더 높다는 이점이 있다. The method for preparing the hafnium oxide of the present invention is a precursor material of tetrakis (3-methyl-3-pentoxy) hafnium (IV) of Formula 1 [tetrakis (3-methyl-3-pentoxy) hafnium (IV), Hf (mp) 4 ]. The Hf (mp) 4 has an effect of reducing intermolecular interactions because the central hafnium atom is surrounded by a 3-methyl-3-pentoxy group larger than the t-butyl group of the conventional Hf (O t Bu) 4 . Thus, Hf (mp) 4 is much more stable than Hf (O t Bu) 4 , but it is more responsive because the ligand is simpler than the ligands of the above compounds, which are more stable by filling the coordination sites of hafnium with complex ligands. There is this.

선행 기술인 미국 특허 제 6,486,080 호에는 본 발명에서 사용한 Hf(mp)4에 관해서는 화학식만이 있을 뿐이고 종래의 Hf(OtBu)4에 비하여 Hf(mp)4의 뛰어난 점에 대해 전혀 인식하지 못하고 있으며 Hf(mp)4를 단독으로 쓸 수 있다는 어떠한 언급도 없다.Prior art U.S. Patent No. 6.48608 million heading did not recognized at all for the invention As for Hf (mp) 4 used in the merely be a formula only excellent point of 4 Hf (mp) compared to 4 (O t Bu) conventional Hf There is no mention that Hf (mp) 4 can be used alone.

본 발명에 특징적으로 사용되는 Hf(mp)4는 상술한 바와 같은 구조적인 장점으로 인해, Hf(OtBu)4과 열분해 분석 및 온도에 따른 증기압 면에서 비교할 때 더 우수한 물성을 가지며 산소 원을 따로 공급하지 않고 이 선구 물질 만을 단독으로 사용하여도 질이 좋은 하프늄 산화물 박막을 제조할 수 있다.Due to the structural advantages described above, Hf (mp) 4 used in the present invention has better physical properties when compared to Hf (O t Bu) 4 in terms of pyrolysis analysis and vapor pressure depending on temperature. It is possible to produce a high quality hafnium oxide thin film by using this precursor alone, without separately supplying it.

본 발명에 따른 선구 물질 Hf(mp)4는 출발 물질로서 아래 화학식 2로 나타낸 하프늄의 아미드 착화합물과 화학식 3으로 나타낸 알코올을 비극성 용매에서 반응시키거나, 출발 물질로서 하기 화학식 4로 나타낸 하프늄 염화물과 화학식 5로 나타낸 알코올의 알칼리 금속 염을 반응시켜 제조할 수 있다.The precursor Hf (mp) 4 according to the present invention reacts the amide complex of hafnium represented by the following formula (2) with the alcohol represented by the formula (3) as a starting material in a nonpolar solvent, or the hafnium chloride represented by the following formula (4) as the starting material It can manufacture by making the alkali metal salt of the alcohol shown by 5 react.

Hf(NR'2)4 Hf (NR ' 2 ) 4

HOCMeEt2 HOCMeEt 2

HfCl4 HfCl 4

M'OCMeEt2 M'OCMeEt 2

위 식에서, R'은 메틸 또는 에틸이며, M'은 Li, Na 또는 K이다.Wherein R 'is methyl or ethyl and M' is Li, Na or K.

상기 합성은 장갑 상자 또는 슐렝크 관 (Schlenk line)을 이용하여 비활성 아르곤 또는 질소 분위기에서 수행하며, 합성에서 얻은 반응 생성물의 구조와 물성은 수소 원자 핵자기 공명법 (1H nuclear magnetic resonance, NMR), 탄소 원자 핵자기 공명법 (13C NMR), 원소 분석법 (elemental analysis, EA), 질량 분석법 (mass spectroscopy), 열무게 분석/시차 열분석법 (thermogravimetric/differential thermal analysis, TG/DTA)을 이용하여 확인할 수 있다.The synthesis is carried out in an inert argon or nitrogen atmosphere using a glove box or Schlenk line, and the structure and physical properties of the reaction product obtained in the synthesis are characterized by 1 H nuclear magnetic resonance (NMR). Using carbon atom nuclear magnetic resonance ( 13 C NMR), elemental analysis (EA), mass spectroscopy, thermogravimetric / differential thermal analysis (TG / DTA) You can check it.

상기 선구 물질을 이용하여 하프늄 산화물 막을 제조하는 공정은, Hf(mp)4를 담은 용기의 온도를 실온 내지 120 ℃로 유지하고, 운반 기체를 쓰지 않고 진공 배기로만 Hf(mp)4를 통상의 기질 (예를 들면 실리콘 기질)이 있는 화학 증착 반응기에 공급하여 기질 온도 300 내지 600 ℃의 범위에서 반응시키는 것을 포함한다.Process for manufacturing an oxide film is hafnium by using the precursors, Hf (mp) kept at a room temperature to 120 ℃ temperature of the vessel containing the 4, without using a carrier gas evacuating only Hf (mp) to the normal to the substrate 4 Feeding to a chemical vapor deposition reactor (eg, a silicon substrate) and reacting at a substrate temperature in the range of 300 to 600 ° C.

본 발명에 있어서, 운반 기체를 쓰지 않고 선구 물질 Hf(mp)4를 충분한 양으로 반응기에 공급하기 위해서는, 선구 물질 용기의 온도를 80 ℃ 이상 120 ℃까지 유지하는 것이 중요하다. 이는 80 ℃ 아래에서는 선구 물질의 증기압이 낮아 선구 물질을 반응기에 충분히 공급할 수 없고, 120 ℃ 위에서는 선구 물질이 용기 안에서 자체적으로 열분해하기 때문이다. 아르곤과 같은 운반 기체를 쓰고 버블러 (bubbler)를 사용하면 Hf(mp)4의 온도를 실온에 맞추어도 화학 증착을 실시할 수 있다.In the present invention, in order to supply the precursor Hf (mp) 4 in a sufficient amount to the reactor without using a carrier gas, it is important to maintain the temperature of the precursor container from 80 ° C to 120 ° C. This is because the vapor pressure of the precursor is low below 80 ° C. so that the precursor cannot be sufficiently supplied to the reactor, and above 120 ° C., the precursor itself pyrolyzes in the vessel. By using a carrier gas such as argon and using a bubbler, chemical vapor deposition can be performed even if the temperature of Hf (mp) 4 is adjusted to room temperature.

또한, 베타-수소 떼기 반응을 통하여 알킬기들이 모두 표면층에서 이탈하여 기질 표면에 탄소 오염이 없는 하프늄 산화물 박막을 형성하려면 기질의 온도를 300 ℃ 이상으로 유지하는 것이 바람직하다. 더 낮은 온도에서는 Hf(mp)4의 베타-수소 떼기 반응을 일으키기에 필요한 에너지를 공급하지 못하기 때문이다. 따라서, 본 발명에 따르면, 기질의 온도를 300 ℃ 이상 600 ℃ 이하로, 더욱 바람직하게는 400 ℃ 내지 450 ℃로 유지하여 특성이 우수한 하프늄 산화물 박막을 만들 수 있다.In addition, it is preferable to maintain the temperature of the substrate at 300 ° C. or more in order to form a hafnium oxide thin film free of carbon contamination on the surface of the substrate by leaving all alkyl groups from the surface layer through the beta-hydrogen releasing reaction. This is because at lower temperatures it does not provide the energy needed to trigger the beta-hydrogen release of Hf (mp) 4 . Therefore, according to the present invention, the hafnium oxide thin film having excellent properties can be made by maintaining the temperature of the substrate at 300 ° C. to 600 ° C., more preferably at 400 ° C. to 450 ° C.

본 발명에 따르면, Hf(mp)4를 단일 선구 물질로 사용하여 기존의 Hf(OtBu)4를 쓰는 방법에 비하여 선구 물질 공급관의 막힘이나 선구 물질의 기체상 분해가 일어나지 않는 공정 조건에서 계면의 산화막 형성 문제가 없고 특성이 우수한 하프늄 산화물 박막을 제조할 수 있다.According to the invention, Hf (mp) 4 to the interface in the gas-phase decomposition of the clogging or the precursor of the precursor supply lines that the process conditions occur than in the method to write the old Hf (O t Bu) 4 with a single precursor It is possible to produce a hafnium oxide thin film having no problem of forming an oxide film and having excellent characteristics.

아래의 실시예와 비교예를 통하여 본 발명을 더 구체적으로 설명한다. 단, 하기 실시예는 본 발명의 예시에 불과한 것으로서 본 발명의 특허 청구 범위가 이에 따라 한정되는 것은 아니다.The present invention will be described in more detail with reference to the following examples and comparative examples. However, the following examples are merely examples of the present invention, and the claims of the present invention are not limited thereto.

테트라키스(3-메틸-3-펜톡시)하프늄(IV) [Hf(mp)Tetrakis (3-methyl-3-pentoxy) hafnium (IV) [Hf (mp) 44 ]의 합성Synthesis

<실시예 1> <Example 1>

헥산 (50 mL)이 들어 있는 불꽃 건조한 125 mL 슐렝크 플라스크에 테트라키스디에틸아미도하프늄(IV) (5.00 g, 10.7 mmol)을 넣고 용해하였다. 이 용액에 mpH (3-methyl-3-propanol, 3-메틸-3-프로판올) (4.37 g, 47.1 mmol)를 녹인 헥산 (30 mL)에 용액을 천천히 첨가하고 12 시간 동안 교반하였다. 감압 하에서 용매를 제거하고 감압 증류 (130 ℃ / 10-2 Torr)하여 노란색 액체인 표제 화합물 6.13 g을 얻었다 (수율: 98.2%).Tetrakisdiethylamidohafnium (IV) (5.00 g, 10.7 mmol) was dissolved in a flame dried 125 mL Schlenk flask containing hexane (50 mL). The solution was slowly added to hexane (30 mL) in which mpH (3-methyl-3-propanol, 3-methyl-3-propanol) (4.37 g, 47.1 mmol) was dissolved and stirred for 12 hours. The solvent was removed under reduced pressure and distillation under reduced pressure (130 ° C./10 −2 Torr) gave 6.13 g of the title compound as a yellow liquid (yield: 98.2%).

1H NMR (C6D6, 300.13 MHz): δ 1.03 (t, 24H, J = 7.5 Hz, CCH2C H 3), 1.22 (s, 12H, CCH 3), 1.54 (q, 16H, J = 7.5 Hz, CCH 2CH3). 1 H NMR (C 6 D 6 , 300.13 MHz): δ 1.03 (t, 24H, J = 7.5 Hz, CCH 2 C H 3 ), 1.22 (s, 12H, CC H 3 ), 1.54 (q, 16H, J = 7.5 Hz, CC H 2 CH 3 ).

13C{1H} NMR (C6D6, 75.03 MHz): δ 79.9 (OCCH3 ), 35.6 (C(CH2CH3)2), 27.5 (CCH3), 8.80 (C(CH2 CH3)2). 13 C { 1 H} NMR (C 6 D 6 , 75.03 MHz): δ 79.9 (O C CH 3 ), 35.6 (C ( C H 2 CH 3 ) 2 ), 27.5 (C C H 3 ), 8.80 (C (CH 2 C H 3 ) 2 ).

원소 분석 C24H52O4Hf {계산치 (실측치)}: C, 49.43 (49.87); H, 8.99 (9.20). Elemental Analysis C 24 H 52 O 4 Hf {calculated (calculated)}: C, 49.43 (49.87); H, 8.99 (9.20).

<시험예 1> <Test Example 1>

상기 Hf(mp)4의 열적 특성을 Hf(OtBu)4와 비교하기 위해 열무게 분석법(TGA)을 시행하였다. Thermogravimetric analysis (TGA) was performed to compare the thermal properties of Hf (mp) 4 with Hf (O t Bu) 4 .

도 1은 이 두 선구 물질의 TGA 그래프인데, 이 그래프에서 Hf(OtBu)4에서는 잔류물이 30% 가까이 되지만 Hf(mp)4에서는 잔류물이 10%도 채 되지 않아 Hf(mp)4의 열적 특성이 Hf(OtBu)4보다 훨씬 더 좋다고 할 수 있다.Figure 1 is a two inde TGA graph of the precursor material, close to the 30% residue in the 4 (O t Bu) Hf in the graph, but Hf (mp) Hf (mp) residues in less than 10% at 44 The thermal properties of are much better than Hf (O t Bu) 4 .

<시험예 2> <Test Example 2>

상기 Hf(mp)4의 증기압을 Hf(OtBu)4와 비교하기 위해 몇 온도에서 이들의 증기압을 측정하였다. Their vapor pressures were measured at several temperatures to compare the vapor pressures of Hf (mp) 4 with Hf (O t Bu) 4 .

도 2는 Hf(OtBu)4와 Hf(mp)4의 증기압을 측정하여 mmHg로 나타낸 증기압의 자연 로그 값을 1000/T에 대하여 도시한 그래프다. 이 그래프를 보면 25-60 ℃의 전 온도 구간에서 Hf(mp)4의 증기압이 Hf(OtBu)4보다 높음을 알 수 있다. 2 is a graph showing the natural logarithm of the vapor pressure in mmHg for 1000 / T by measuring the vapor pressures of Hf (O t Bu) 4 and Hf (mp) 4 . From this graph, it can be seen that the vapor pressure of Hf (mp) 4 is higher than that of Hf (O t Bu) 4 in the entire temperature range of 25-60 ° C.

하프늄 산화물의 화학 증착Chemical Vapor Deposition of Hafnium Oxide

<실시예 2> <Example 2>

하프늄 산화물 박막을 침착시키고자 하는 실리콘 기질을 플루오르화수소산으로 처리한 뒤에 반응기에 장착하고 반응기를 배기펌프로 배기하였다. 실시예 1에 따라 합성한 Hf(mp)4 선구 물질을 담은 용기의 온도를 120 ℃까지 올리고 화학 증착 반응 중에 이 온도를 그대로 유지하였다. 산소 원을 별도로 사용하지는 않았다.The silicon substrate to be deposited on the hafnium oxide thin film was treated with hydrofluoric acid and then mounted in the reactor, and the reactor was evacuated with an exhaust pump. The temperature of the vessel containing the Hf (mp) 4 precursor synthesized according to Example 1 was raised to 120 ° C. and maintained at that temperature during the chemical vapor deposition reaction. No oxygen source was used separately.

반응기 안에 장착한 실리콘 기질의 온도를 400 ℃로 맞추고 Hf(mp)4 선구 물질의 증기를 반응기 속으로 30 분 동안 넣어 주었다.The temperature of the silicon substrate mounted in the reactor was adjusted to 400 ° C., and a vapor of Hf (mp) 4 precursor was introduced into the reactor for 30 minutes.

도 3은 표면에 있는 탄소 오염을 제거하기 위해 5 분 동안 아르곤 이온 스퍼터링으로 표면을 깨끗하게 한, 실시예 2에서 형성한 박막의 X선 광전자 분광 스펙트럼이다. 이 스펙트럼에서는 하프늄과 산소의 특성 광전자 봉우리만을 관찰할 수 있다. 특히 284 eV 근처에는 탄소의 오염을 뜻하는 C 1s 봉우리가 전혀 보이지 않는다. 이로부터 실시예 2의 조건에서 탄소 오염이 거의 없는 하프늄 산화물 박막을 제조한 것을 확인할 수 있다.3 is an X-ray photoelectron spectroscopy spectrum of the thin film formed in Example 2, wherein the surface was cleaned by argon ion sputtering for 5 minutes to remove carbon contamination on the surface. Only the characteristic photoelectron peaks of hafnium and oxygen can be observed in this spectrum. In particular, near 284 eV, there are no C 1s peaks, indicating carbon contamination. From this, it can be seen that a hafnium oxide thin film having almost no carbon contamination was produced under the conditions of Example 2.

<실시예 3><Example 3>

실시예 2와 같은 조건에서 기질 온도를 300 ℃부터 50 ℃씩 올리면서 하프늄 산화물 박막을 제조하였다.Under the same conditions as in Example 2, the hafnium oxide thin film was manufactured while increasing the substrate temperature from 300 ° C. to 50 ° C. each.

도 4는 여러 온도에서 성장시킨 하프늄 산화물 박막의 성장 속도 (ㅕ/min)를 1000/T에 대하여 도시한 그래프다 (Arrhenius plot). Hf(mp)4의 온도는 120 ℃였다. 이 자료로부터 계산한 하프늄 산화물 박막 성장의 활성화 에너지는 68.1 kJ/mol이다.4 is a graph showing a growth rate (μ / min) of 1000 / T of a hafnium oxide thin film grown at various temperatures (Arrhenius plot). The temperature of Hf (mp) 4 was 120 ° C. The activation energy of the hafnium oxide thin film growth calculated from this data is 68.1 kJ / mol.

도 5는 실시예 2에서 제조한 하프늄 산화물 박막의 X선 회절 무늬다. 이에 따르면 전 온도 구간에서 제조한 하프늄 산화물 박막의 회절 무늬에는 단사 (monoclinic) 결정계 이산화하프늄에서 말미암은 봉우리만을 살펴볼 수 있다.5 is an X-ray diffraction pattern of the hafnium oxide thin film prepared in Example 2. FIG. According to this, in the diffraction pattern of the hafnium oxide thin film prepared in the entire temperature range, only the peaks from the monoclinic hafnium dioxide can be examined.

본 발명에 따른 하프늄 산화물 박막의 제조 방법은 일반적인 하프늄 산화물의 MOCVD 공정과는 달리 산소 원을 별도로 공급하지 않는 조건에서 선구 물질로서 Hf(mp)4만을 써서 하프늄 산화물 박막을 제조하는 것을 특징으로 하며, 이 방법으로 탄소의 오염이 거의 없고 기체상에서 입자가 생기지 않으며 계면에서 실리콘 산화막을 거의 형성하지 않는 질이 우수한 하프늄 산화물 박막을 제조할 수 있다.The method for manufacturing a hafnium oxide thin film according to the present invention is characterized in that a hafnium oxide thin film is prepared using only Hf (mp) 4 as a precursor material under conditions in which an oxygen source is not supplied separately, unlike a MOCVD process of hafnium oxide. In this way, a hafnium oxide thin film having excellent quality of almost no carbon contamination, little particles in the gas phase, and little silicon oxide film formed at the interface can be produced.

Claims (5)

아래 화학식 1로 나타낸 하프늄 화합물 Hf(mp)4를 별도의 산소 원 (source) 없이 단일 선구 물질로 사용하여 금속 유기물 화학 증착 (MOCVD) 공정에 의해 하프늄 산화물 막을 제조하는 방법:A method for preparing a hafnium oxide film by a metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) process using a hafnium compound Hf (mp) 4 represented by Formula 1 below as a single precursor without a separate oxygen source: <화학식 1><Formula 1>
Figure 112006029536252-pat00003
Figure 112006029536252-pat00003
상기 식에서, Et은 -CH2CH3을 나타내고, Me는 -CH3을 나타낸다.Wherein Et represents -CH 2 CH 3 and Me represents -CH 3 .
삭제delete 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, Hf(mp)4의 온도를 실온 내지 120 ℃ 범위로 유지시켜 사용하는 것을 특징으로 하는 방법.And maintaining the temperature of Hf (mp) 4 in the range from room temperature to 120 ° C. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 실리콘 (Si) 웨이퍼, 게르마늄 (Ge) 웨이퍼 또는 탄화규소 (SiC) 웨이퍼를 기질로 사용하는 것을 특징으로 하는 방법.A method comprising using a silicon (Si) wafer, a germanium (Ge) wafer or a silicon carbide (SiC) wafer as a substrate. 제 4 항에 있어서,The method of claim 4, wherein 기질의 온도를 300 ℃ 내지 600 ℃ 범위로 유지하는 것을 특징으로 하는 방법.Maintaining the temperature of the substrate in the range of 300 ° C to 600 ° C.
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