KR100621914B1 - Process for preparing hafnium oxide thin films by atomic layer deposition - Google Patents

Process for preparing hafnium oxide thin films by atomic layer deposition Download PDF

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Abstract

본 발명은 아래 화학식 1로 나타낸 하프늄 선구 물질 Hf(mp)4 [tetrakis(3-methyl-3-pentoxy)hafnium(IV), 테트라키스(3-메틸-3-펜톡시)하프늄(IV)]를 하프늄의 원료 화합물로 사용하여 원자층 침착법 (atomic layer deposition, ALD)으로 하프늄 산화물 박막을 제조하는 방법에 관한 것으로, 1) Hf(mp)4를 하프늄 원으로 ALD 반응기에 공급하여 기질 위에 하프늄 함유 화학종을 흡착시키는 단계, 2) 반응하지 않은 하프늄 원 및 반응 부산물을 반응기로부터 제거하는 제1 정화 단계, 3) 반응기에 산소 원을 공급하여 하프늄 함유 화학종이 흡착한 기질 위에 산소 화학종을 흡착시켜 반응을 일으키는 단계, 4) 반응하지 않은 산소 원과 반응 부산물을 반응기로부터 제거하는 제2 정화 단계를 포함하는 것을 특징으로 하며, 본 발명에 따르면 기존의 원자층 침착법에 비해 더 온화한 공정 조건에서 품질이 좋은 하프늄 산화물 박막을 얻을 수 있다.The present invention uses hafnium precursor Hf (mp) 4 [tetrakis (3-methyl-3-pentoxy) hafnium (IV), tetrakis (3-methyl-3-pentoxy) hafnium (IV)] A method for producing a hafnium oxide thin film by atomic layer deposition (ALD) using as a raw material of hafnium, comprising: 1) hafnium containing on a substrate by feeding Hf (mp) 4 as a hafnium source to an ALD reactor; Adsorbing chemical species, 2) first purifying step of removing unreacted hafnium source and reaction by-products from the reactor, and 3) supplying an oxygen source to the reactor to adsorb oxygen species on the substrate adsorbed by the hafnium-containing chemical species. And a second purifying step of removing the unreacted oxygen source and the reaction by-product from the reactor, in accordance with the present invention. This quality can get a good hafnium oxide film from.

Figure 112004036274471-pat00001
Figure 112004036274471-pat00001

Description

원자층 침착법으로 하프늄 산화물 박막을 제조하는 방법{PROCESS FOR PREPARING HAFNIUM OXIDE THIN FILMS BY ATOMIC LAYER DEPOSITION} PROCESS FOR PREPARING HAFNIUM OXIDE THIN FILMS BY ATOMIC LAYER DEPOSITION}             

도 1은 기존의 선구 물질 Hf(OtBu)4와 비교한 Hf(mp)4의 열무게 분석 (thermogravimetric analysis, TGA) 그래프고, 1 is a thermogravimetric analysis (TGA) graph of Hf (mp) 4 compared to the existing precursor Hf (O t Bu) 4 ,

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

도 3은 본 발명에 따른 하프늄 산화물 박막의 제조 방법을 설명하는 공정도고, 3 is a process diagram illustrating a method of manufacturing a hafnium oxide thin film according to the present invention;

도 4는 본 발명에 따른 하프늄 산화물 박막의 제조에서 하프늄 원의 공급 시간에 대한 하프늄 산화물 박막의 성장 속도 그래프고, Figure 4 is a graph of the growth rate of the hafnium oxide thin film with respect to the supply time of the hafnium source in the production of hafnium oxide thin film according to the present invention,

도 5는 기질의 온도 변화에 대한 하프늄 산화물 박막의 성장 속도 그래프고, 5 is a graph of growth rate of a hafnium oxide thin film with respect to a temperature change of a substrate,

도 6은 실시예 2에서 제조한 하프늄 산화물 박막의 X선 광전자 분광 스펙트럼이고, 6 is an X-ray photoelectron spectral spectrum of a hafnium oxide thin film prepared in Example 2,

도 7은 ALD 주기의 횟수에 대한 박막의 두께 변화 그래프고, 7 is a graph showing a thickness change of a thin film with respect to the number of ALD cycles.

도 8은 본 발명에 따른 하프늄 산화물 박막의 제조에서 산소 플라스마를 이 용할 때 하프늄 원의 공급 시간에 대한 하프늄 산화물 박막의 성장 속도 그래프고, 8 is a graph showing a growth rate of a hafnium oxide thin film with respect to a supply time of a hafnium source when using an oxygen plasma in the manufacture of a hafnium oxide thin film according to the present invention;

도 9는 산소 플라스마를 이용할 때 기질의 온도 변화에 대한 하프늄 산화물 박막의 성장 속도 그래프고, 9 is a graph of growth rate of hafnium oxide thin film against temperature change of a substrate when using oxygen plasma,

도 10은 산소 플라스마를 이용할 때 ALD 주기의 횟수에 대한 박막의 두께 변화 그래프다.10 is a graph of the thickness change of the thin film with respect to the number of ALD cycles when using the oxygen plasma.

본 발명은 하프늄 산화물 박막의 제조 방법에 관한 것으로서, 더 구체적으로는 하프늄 원으로 테트라키스(3-메틸-3-펜톡시)하프늄(IV) [Hf(mp)4]을 쓰고 산소의 원으로 산소, 오존 또는 물을 쓰는 원자층 침착법 (atomic layer deposition, ALD)을 이용하여 기질 위에 질이 좋은 하프늄 산화물 박막을 제조하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for producing a hafnium oxide thin film, and more specifically, tetrakis (3-methyl-3-pentoxy) hafnium (IV) [Hf (mp) 4 ] as a hafnium source and oxygen as a source of oxygen. The present invention relates to a method for producing a high quality hafnium oxide thin film on a substrate using atomic layer deposition (ALD) using ozone or water.

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 HfO2를 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 HfO is due to several problems with Ta 2 O 5 , including the small band offset value that affects leakage current. The opinion that 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. 하프늄 산화물 박막은 금속 유기물 화학 증착법 (metal organic chemical vapor deposition, MOCVD)으로도 제조할 수 있으나 반도체 분야에서는 대부분 박막의 두께를 정확히 조절할 수 있는 ALD 방법으로 박막을 제조한다.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. Hafnium oxide thin films can be manufactured by metal organic chemical vapor deposition (MOCVD), but in the semiconductor field, most of the hafnium oxide thin films are manufactured by an ALD method that can accurately control the thickness of thin films.

초기에 그리고 지금도 많이 쓰이는 하프늄 화합물인 사염화하프늄은 (M. Ritala 등, Thin Solid Films, 1994, 250, 72) 실온에서 고체 상태로 있어 다루기에 불편할뿐더러 박막 제조 공정에서 염화수소 (HCl)가 나오기 때문에 장치의 부식이나 환경의 오염과 같은 문제를 일으키며 박막 안에 염소가 남아 소자의 특성에 나쁜 영향을 미친다 (K. Kukli 등, Thin Solid Films, 2002, 416, 72; S. Ferrari 등, J. Appl. Phys., 2002, 92, 7675). 요오드와 같은 다른 할로겐 원소의 하프늄 화합물들도 사용하는 데에 불편한 점이 있고 또 부수적인 문제를 일으키기는 마찬가지다 (J. Aarik 등, Thin Solid Films, 2002, 418, 69). 사요오드화하프늄은 실온에서 고체며 이를 기화하려면 200 ℃라는 높은 온도로 가열해 주어야 한다.Hafnium tetrachloride, an early and still popular hafnium compound (M. Ritala et al., Thin Solid Films , 1994, 250 , 72) is a solid at room temperature and inconvenient to handle, and also because of the presence of hydrogen chloride (HCl) in the thin film manufacturing process. Chlorine remains in the thin film and adversely affects the device properties (K. Kukli et al., Thin Solid Films , 2002, 416 , 72; S. Ferrari et al. , J. Appl. Phys. ., 2002, 92, 7675). Hafnium compounds of other halogen elements, such as iodine, are also inconvenient to use and cause additional problems (J. Aarik et al., Thin Solid Films , 2002, 418 , 69). Hafnium iodide is a solid at room temperature and must be heated to a high temperature of 200 ° C. to vaporize it.

테트라키스(디메틸아미도)하프늄(IV) [Hf(NMe2)4, tetrakis(dimethylamido)hafnium, TDMAH], 테트라키스(에틸메틸아미도)하프늄(IV) [tetrakis(ethylmethylamido)hafnium, TEMAH], 테트라키스(디에틸아미도)하프늄(IV) [Hf(NEt2)4, tetrakis(diethylamido)hafnium, TDEAH]과 같은 Hf(NR1R 2)4 형태의 아미도 화합물들은 (R. G. Gordon 등, J. Cryst. Growth, 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) 분해 온도가 각각 90 ℃, 140 ℃, 150 ℃로 아주 낮다. 따라서 이 화합물들은 낮은 온도에서는 ALD 공정 특성을 나타내지만 기질의 온도가 높아지면 화학 증착 특성을 보인다 (K. Kukli 등, Chem. Vap. Deposition, 2002, 8, 199).Tetrakis (dimethylamido) hafnium (IV) [Hf (NMe 2 ) 4 , tetrakis (dimethylamido) hafnium, TDMAH], tetrakis (ethylmethylamido) hafnium, TEMAH], Amido compounds of the form Hf (NR 1 R 2 ) 4 , such as tetrakis (diethylamido) hafnium (IV) [Hf (NEt 2 ) 4 , tetrakis (diethylamido) hafnium, TDEAH], are available from (RG Gordon et al., J. .. Cryst Growth, 2001, 13 , 2463; Y. Ohshita , such as, J. Cryst Growth, 2001, 233 , 292;. DM Hausmann , etc., Chem Mater 2002, 14, 4350 ;.. , such as A. Ogura, Thin Solid Films , 2003, 441 , 161) The decomposition temperatures are very low, 90 ° C, 140 ° C and 150 ° C, respectively. Thus, these compounds exhibit ALD process characteristics at low temperatures, but chemical vapor deposition at higher substrate temperatures (K. Kukli et al. , Chem. Vap. Deposition , 2002, 8 , 199).

많은 연구자들이 하프늄 알콕사이드 화합물 중에서 쉽게 구할 수 있는 하프늄 t-부톡사이드 [Hf(OtBu)4]를 하프늄 원으로 써 왔으나 지금까지 하프늄 t-부톡사이드를 ALD 공정에 성공적으로 쓴 예는 거의 없다 (H. S. Chang 등, Electrochem. Solid-State Lett. 2004, 7, F42). 하프늄 t-부톡사이드는 반응성이 매우 높아 박 막 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 ALD 공정에 이 물질을 사용하려면 상당한 불편함을 감수해야 한다. 가장 심각한 문제는 선구 물질의 공급관이 분해하는 하프늄 t-부톡사이드로 막히는 현상 (clogging)이다. 그리고 Hf(OtBu)4는 열무게 분석에서 잔류물이 30%나 생기므로 (도 1 참조) 이 선구 물질로 HfO2 박막을 제조하면 탄소 오염이 일어날 염려가 있다. 또 하나의 문제는 Hf(OtBu)4는 미량의 물에도 촉매적 가수분해 (catalytic hydrolytic decomposition) 반응을 일으키므로 저장 수명이 짧다는 점이다 (P. A. Williams 등, Chem. Vap. Deposition, 2002, 8, 163). 그리고 물을 산소의 원료로 사용하여 하프늄 산화물 박막을 제조하는 ALD 공정에서는 하프늄 t-부톡사이드가 기체상에 남게 되는 물과 반응하여 진정한 원자층 침착이 일어나지 못하고 원자층 화학 증착 (atomic layer chemical vapor deposition, ALCVD)이 일어난다.Many researchers have used hafnium t-butoxide [Hf (O t Bu) 4 ] as a hafnium source among hafnium alkoxide compounds, but few have successfully used hafnium t-butoxide in ALD processes. HS Chang et al . , Electrochem.Solid-State Lett. 2004, 7 , F42). Hafnium t-butoxide has high reactivity, making it difficult to handle in thin film manufacturing processes and therefore unstable to the extent that white decomposition products form at the edge of the container even when the compound is stored in a glove box. The use of this material in chemical vapor deposition (MOCVD) or 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, since Hf (O t Bu) 4 generates 30% of residues in the thermal weight analysis (see FIG. 1), carbon contamination may occur when HfO 2 thin films are prepared from this precursor. Another problem (O t Bu) Hf 4 is because even trace amounts of water cause a catalytic hydrolysis (catalytic hydrolytic decomposition) reaction is that the shelf life is short (PA Williams, etc., Chem. Vap. Deposition, 2002 , 8 , 163). In the ALD process using water as a source of oxygen, hafnium t-butoxide reacts with water, which remains in the gas phase, so that true atomic layer deposition does not occur and atomic layer chemical vapor deposition occurs. , 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 리간드들이 큰 만큼 다루기가 어려워져 이들을 ALD 공정에 바로 사용하기는 쉽지 않다. Hf(mmp)4를 ALD 공정에 적용한 예에서 이 하프늄 원의 공급 시간을 늘려 주면 막의 성장 속도가 계속 증가하는 화학 증착 현상을 보이기 때문에 진정한 ALD 반응이 일어나지는 않는다 (K. Kukli 등, Chem. Mater., 2003, 15, 1722).To address these drawbacks of hafnium t-butoxide, several compounds containing more complex alkoxides that are more coordinated to the central metal, hafnium, have been proposed. These 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]. The large ligands make them difficult to handle, making them difficult to use directly in ALD processes. In the example in which Hf (mmp) 4 was applied to the ALD process, increasing the hafnium source supply time did not result in a true ALD reaction because the growth rate of the film continued to increase (K. Kukli et al. , Chem. Mater). ., 2003, 15, 1722).

본 발명에서 선구 물질로 사용한 Hf(mp)4에서는 중심 하프늄 원자가 우선 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 안정하다. 그러면서도 복잡한 리간드를 써서 하프늄의 배위 자리를 더 채워 지나치게 안정해진 위의 화합물들보다는 mp 리간드가 단순하기 때문에 Hf(mp)4의 반응성이 더 높다. 본 발명에서는 이와 같은 크기가 알맞은 리간드를 잘 선정함으로써 선구 물질 공급관이 막히는 현상을 일으키지 않고 ALD 공정에 쉽게 적용할 수 있는 선구 물질 Hf(mp)4를 사용하게 되었다.In Hf (mp) 4 used as a precursor in the present invention, the effect of reducing intermolecular interaction is because the central hafnium atom is first surrounded by a 3-methyl-3-pentoxy group larger than the t-butyl group of Hf (O t Bu) 4 . Appears. Hf (mp) 4 is therefore much more stable than Hf (O t Bu) 4 . At the same time, Hf (mp) 4 is more reactive because the mp ligand is simpler than the above compounds, which are more overly stable due to the complex ligands that make up the hafnium coordination sites. In the present invention, by selecting a ligand having a suitable size, the precursor Hf (mp) 4 which can be easily applied to the ALD process without causing a clogging of the precursor supply pipe is used.

이에, 본 발명에서는 ALD 공정에 적합한 하프늄 원을 선정하여 표면이 균일하고 덮임성이 좋으며 탄소의 오염이 없고 질이 좋은 하프늄 산화물 박막을 제공하고자 한다.
Accordingly, the present invention is to provide a hafnium oxide thin film having a good surface uniformity, good coverage, good carbon contamination and good quality by selecting a hafnium source suitable for the ALD process.

위의 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명에서는, 아래 화학식 1로 나타낸 하프늄 화합물을 ALD 공정의 선구 물질로 산소 원과 함께 사용하여 하프늄 산화물 박막을 제조하는 방법을 제공한다.In order to achieve the above technical problem, the present invention provides a method for producing a hafnium oxide thin film using a hafnium compound represented by the formula (1) below with an oxygen source as a precursor of the ALD process.

화학식 1Formula 1

Figure 112004036274471-pat00002
Figure 112004036274471-pat00002

상기 식에서, Et는 -CH2CH3을 나타내고, Me는 -CH3을 나타낸다.Wherein Et represents -CH 2 CH 3 and Me represents -CH 3 .

본 발명에 따른 하프늄 산화물 박막 제조 공정은 구체적으로 다음 단계들을 포함한다:The hafnium oxide thin film manufacturing process according to the present invention specifically includes the following steps:

1) 하프늄 원으로 Hf(mp)4를 ALD 반응기에 공급하여 기질 위에 하프늄 화학종을 흡착시키는 단계, 1) adsorbing hafnium species on a substrate by feeding Hf (mp) 4 into the ALD reactor as a hafnium source;

2) 반응하지 않은 하프늄 원과 반응 부산물을 반응기로부터 제거하는 제1 정화 단계, 2) a first purification step of removing unreacted hafnium source and reaction by-products from the reactor,

3) 반응기에 산소 원을 공급하여 하프늄 화학종이 흡착한 기질 위에 산소 화학종을 흡착시켜 반응을 일으키는 단계, 및3) supplying an oxygen source to the reactor to adsorb oxygen species on the substrate adsorbed by the hafnium species to cause a reaction; and

4) 반응하지 않은 산소 원과 반응 부산물을 반응기로부터 제거하는 제2 정화 단계.4) A second purge step of removing unreacted oxygen sources and reaction byproducts from the reactor.

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

원자층 침착법에 따른 하프늄 산화물 박막의 형성 방법에서는, 기질의 온도를 일정하게 유지하면서 하프늄 원과 산소 원을 기질에 번갈아 공급하여 흡착시키고 이들 단계 사이에 반응기를 배기하거나 반응기에 아르곤과 같은 비활성 기체를 보내어 반응하지 않은 잔류물과 부산물을 제거하는 과정을 통해 박막을 침착시킨다.In the method of forming the hafnium oxide thin film according to the atomic layer deposition method, the hafnium source and the oxygen source are alternately supplied to the substrate to be adsorbed while maintaining the temperature of the substrate to be constant, and the reactor is evacuated between these steps, or an inert gas such as argon is introduced into the reactor. Thin film is deposited by removing unreacted residues and by-products.

도 3은 본 발명에 따른 하프늄 산화물 박막의 제조 공정도다. 도 3에서, 본 발명에 따른 하프늄 산화물 박막을 형성하는 공정은 하프늄 원의 흡착 단계, 제1 정화 단계, 산소 원의 흡착 단계 및 제2 정화 단계로 이루어지며 위의 네 단계가 1 주기를 구성한다. 바라는 두께로 하프늄 산화물 박막을 얻으려면 위의 네 단계를 1 주기로 하여 목표 두께에 도달할 때까지 이를 반복하여 실시할 수 있다. 산소 원의 흡착 단계에서는 단순히 산소 원을 공급하는 방법과 산소 원의 공급과 함께 플라스마를 발생시키는 방법을 선택할 수 있다. 예를 들어 산소 플라스마를 이용하면 성장하는 박막 표면의 탄소 오염을 줄여 하프늄 산화물 박막의 전기적 특성을 향상시 킬 수 있다.3 is a manufacturing process chart of a hafnium oxide thin film according to the present invention. In FIG. 3, the process of forming a hafnium oxide thin film according to the present invention includes an adsorption step of a hafnium source, a first purifying step, an adsorption step of an oxygen source, and a second purifying step, and the above four steps constitute one cycle. . In order to obtain a hafnium oxide thin film with a desired thickness, the above four steps may be repeated in one cycle until the target thickness is reached. In the adsorption step of the oxygen source, it is possible to simply select the method of supplying the oxygen source and the method of generating the plasma with the supply of the oxygen source. For example, the use of oxygen plasma can improve the electrical properties of hafnium oxide thin films by reducing carbon contamination on the surface of growing thin films.

본 발명에서 사용한 하프늄 산화물의 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 of the hafnium oxide used in the present invention is a hafnium amide complex represented by the following formula (2) and an alcohol represented by the formula (3) in a nonpolar solvent or represented by the following formula (4) as a starting material. It can be prepared by reacting hafnium chloride with the alkali metal salt of the alcohol represented by the formula (5).

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 합성 실험은 장갑 상자 또는 슐렝크 관 (Schlenk line)을 이용하여 비활성 아르곤 또는 질소 분위기에서 수행하며 합성에서 얻은 반응 생성물의 구조와 물성은 수소 원자핵 자기공명법 (1H nuclear magnetic resonance, NMR), 탄소 원자핵 자기공명법 (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 experiment 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), Can be identified using carbon nuclear magnetic resonance ( 13 C NMR), elemental analysis (EA), mass spectroscopy, thermogravimetric / differential thermal analysis (TG / DTA) have.

상기 선구 물질을 이용하여 하프늄 산화물 박막을 제조하는 ALD 공정에서는 하프늄 원을 기질의 표면에 1 주기 당 5 초 이상 공급하는 것이 바람직하다. 그 이유는 공급 시간을 5 초 미만으로 하면 하프늄 화학종의 흡착이 충분히 이루어지기 어렵기 때문이다. 그러나 단위 시간 당 반응기 안으로 공급하는 하프늄 원이나 산소 원의 양을 조절함으로써 한 주기의 반응 시간을 조절할 수도 있다.In the ALD process of manufacturing a hafnium oxide thin film using the precursor, it is preferable to supply a hafnium source to the surface of the substrate for 5 seconds or more per cycle. The reason is that if the supply time is less than 5 seconds, adsorption of hafnium species is difficult to be achieved sufficiently. However, one cycle reaction time can be controlled by controlling the amount of hafnium or oxygen sources fed into the reactor per unit time.

하프늄 화학종의 일차적인 흡착 단계를 실시한 뒤에는 아르곤 가스와 같은 비활성 기체를 반응기로 보내거나 진공 정화함으로써 반응하지 않은 하프늄 원 및 반응 부산물을 배기펌프를 통해 배기함으로써 제거한다 (제1 정화 단계).After carrying out the primary adsorption step of the hafnium species, an unreacted hafnium source and reaction byproducts are removed by exhausting the unreacted hafnium source and reaction by-products through an exhaust pump by sending an inert gas such as argon gas to the reactor or vacuum purifying (first purification step).

제1 정화 단계가 완료되면 산소 원을 반응기 안으로 공급하여 하프늄 화학종이 흡착해 있는 기질의 표면에 산소 화학종이 흡착하게 한다. 산소 원은 1 주기 당 0.1 초 이상 공급하는 것이 바람직한데 그 이유는 공급 시간을 0.1 초 미만으로 하면 산소 화학종의 흡착이 충분히 이루어지기 어렵기 때문이다.Upon completion of the first purification step, an oxygen source is fed into the reactor to allow oxygen species to adsorb to the surface of the substrate on which the hafnium species are adsorbed. Oxygen source is preferably supplied at least 0.1 second per cycle, because if the supply time is less than 0.1 seconds, it is difficult to sufficiently adsorb oxygen species.

산소 화학종의 흡착 단계가 완료되면 반응하지 않은 산소 원과 반응 부산물을 제거하기 위해 비활성 기체를 반응기로 보내거나 진공 정화함으로써 이들을 배기펌프를 통해 배기한다 (제2 정화 단계).Upon completion of the adsorption step of the oxygen species, they are evacuated through an exhaust pump by sending an inert gas to the reactor or vacuum purging to remove unreacted oxygen sources and reaction byproducts (second purification step).

산소 원으로는 물, 산소 기체 또는 오존이 바람직하며 산소 기체를 사용할 때에는 이를 플라스마 상태로 하는 것이 탄소 오염을 줄이는 데에 도움이 된다.The oxygen source is preferably water, oxygen gas or ozone, and when using oxygen gas, putting it in a plasma state helps to reduce carbon contamination.

본 발명에 따르면, 기질의 온도를 100 내지 400 ℃, 더욱 바람직하게는 140 내지 350 ℃로 유지하여 특성이 우수한 하프늄 산화물 박막을 형성할 수 있다.According to the present invention, the hafnium oxide thin film having excellent properties can be formed by maintaining the temperature of the substrate at 100 to 400 ° C, more preferably at 140 to 350 ° C.

아래에 실시예와 시험예를 통하여 본 발명을 더 구체적으로 설명한다. 단, 하기 실시예는 본 발명의 예시에 불과한 것으로서 본 발명의 특허 청구 범위가 이에 따라 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples and Test 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 온도에 따른 이들의 증기압을 측정하였다.In order to compare the vapor pressure of Hf (mp) 4 with Hf (O t Bu) 4 , their vapor pressures were measured with temperature.

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 원자층 침착Atomic Layer Deposition of Hafnium Oxide

<실시예 2><Example 2>

하프늄 산화물 박막을 침착시키고자 하는 실리콘 기질을 아세톤, 에탄올, 탈이온수로 차례로 세척한 뒤에 원자층 침착 반응기에 장착하고 반응기를 배기펌프로 배기하였다. 따라서 이와 같은 실리콘 기질의 표면에는 자연 산화막 (native oxide) 층이 수십 Å 존재한다. 기질의 온도를 250 ℃로 맞추고 하프늄 원 Hf(mp)4를 담은 용기의 온도를 100 ℃까지 올렸다. 이 조건에서 110 ℃로 온도를 맞춘 하프늄 원 공급관의 밸브를 열면 증기압을 일정하게 유지할 수 있다. 산소 원으로는 물을 사용하였다. 반응기, 하프늄 원 공급관, 하프늄 원 용기의 온도를 일정하게 유지하고 도 3에 제시한 순서에 따라 침착 반응을 실시하였다. 이때 정화 기체인 아르곤의 유량은 200 sccm으로, 정화 시간은 40 초로, 물의 공급 시간은 1 초로, 반응기의 공정 압력 (working pressure)은 1 Torr로 조절하였다.The silicon substrate to be deposited on the hafnium oxide thin film was washed sequentially with acetone, ethanol and deionized water, and then mounted in an atomic layer deposition reactor, and the reactor was evacuated with an exhaust pump. Therefore, there are several tens of native oxide layers on the surface of the silicon substrate. The temperature of the substrate was adjusted to 250 ° C. and the temperature of the vessel containing hafnium circle Hf (mp) 4 was raised to 100 ° C. Under these conditions, the steam pressure can be kept constant by opening the valve of the hafnium source supply pipe set at 110 ° C. Water was used as the oxygen source. The temperature of the reactor, the hafnium source feed pipe, and the hafnium source container was kept constant and the deposition reaction was carried out in the order shown in FIG. 3. At this time, the flow rate of argon, a purge gas, was adjusted to 200 sccm, the purge time was 40 seconds, the water supply time was 1 second, and the working pressure of the reactor was adjusted to 1 Torr.

도 4에 기질의 온도를 250 ℃로 유지하고 Hf(mp)4의 공급 시간을 늘리면서 얻은 박막들의 두께를 타원편광법 (ellipsometry)으로 측정하여 그 성장 속도를 공급 시간에 대하여 도시하였다. ALD 주기는 50 회로 고정하였다. 도 4에서 보는 바 와 같이 Hf(mp)4의 공급 시간이 5 초를 넘으면서 표면 반응이 포화하여 성장 속도가 거의 일정해짐을 확인할 수 있는데 이는 원자층 침착의 가장 특징적인 성질이다. 이 결과는 Hf(mp)4가 Hf(OtBu)4와 달리 원자층 침착 특성을 보임을 확인해 주는 것이다.In FIG. 4, the thickness of the thin films obtained while maintaining the temperature of the substrate at 250 ° C. and increasing the feeding time of Hf (mp) 4 was measured by ellipsometry, and the growth rate thereof was plotted against the feeding time. The ALD cycle was fixed at 50 times. As shown in FIG. 4, as the supply time of Hf (mp) 4 exceeds 5 seconds, the surface reaction is saturated and the growth rate is almost constant, which is the most characteristic property of atomic layer deposition. This result confirms that Hf (mp) 4 exhibits atomic layer deposition characteristics unlike Hf (O t Bu) 4 .

<실시예 3><Example 3>

실시예 2와 같은 조건에서 Hf(mp)4의 공급 시간을 5 초로 하고 기질의 온도를 올리면서 여러 온도에서 원자층 침착을 수행하였다. ALD 주기는 100 회로 고정하였다. 도 5는 기질의 온도에 따른 하프늄 산화물 박막의 성장 속도의 변화를 보여 준다. 이 그림은 하프늄 원을 사용하여 침착을 수행하기 위한 적절한 온도 영역을 알기 위함인데 기질 온도 100 내지 400 ℃ 구간에서 성장 속도가 거의 일정해 이 온도 구간이 Hf(mp)4를 사용하는 원자층 침착에 적절한 영역임을 말해 준다.Under the same conditions as in Example 2, atomic layer deposition was performed at various temperatures while increasing the temperature of the substrate with a supply time of Hf (mp) 4 of 5 seconds. The ALD cycle was fixed at 100 times. 5 shows the change in growth rate of the hafnium oxide thin film according to the temperature of the substrate. This figure shows the appropriate temperature range for the deposition using hafnium source, which has a constant growth rate in the substrate temperature range of 100 to 400 ° C, and thus the temperature range is used for atomic layer deposition using Hf (mp) 4 . Tell the appropriate area.

도 6은 실시예 2에서 Hf(mp)4의 공급 시간을 5 초로 하여 형성한 두께가 ~660 Å인 박막에 대해, 표면에 있는 탄소 오염을 제거하기 위해 5 분 동안 아르곤 이온 스퍼터링으로 표면을 깨끗하게 한 후 측정한 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. 탄소의 오염은 하프늄 산화물 박막의 전기 특성에 큰 나쁜 영향을 미치는데 이로부터 실시 예 2의 조건에서 표면 반응이 거의 완전하게 일어나 탄소 오염이 거의 없는 하프늄 산화물 박막을 제조하였음을 확인하였다.FIG. 6 shows that for thin films having a thickness of ˜660 한 formed by supplying Hf (mp) 4 at 5 seconds in Example 2, the surface was cleaned by argon ion sputtering for 5 minutes to remove carbon contamination on the surface. X-ray photoelectron spectroscopy spectrum measured after. 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. Contamination of carbon has a great adverse effect on the electrical properties of the hafnium oxide thin film, it was confirmed that the surface reaction under almost the conditions of Example 2 to produce a hafnium oxide thin film with almost no carbon contamination.

<실시예 4><Example 4>

실시예 3과 같은 조건에서 이번에는 ALD 공정의 주기를 50, 75, 100, 300, 500 회로 늘리면서 얻은 박막의 두께를 측정하여 도 7에 도시하였다. 이 그래프를 보면 박막의 두께가 ALD 주기에 일차적으로 의존하므로 Hf(mp)4를 사용하는 박막 제조 공정이 진정한 ALD 특성을 나타냄을 알 수 있다.Under the same conditions as in Example 3, this time, the thickness of the thin film obtained by increasing the cycle of the ALD process 50, 75, 100, 300, 500 circuits was measured and shown in FIG. From this graph, it can be seen that the thin film manufacturing process using Hf (mp) 4 shows true ALD characteristics since the thickness of the thin film is primarily dependent on the ALD period.

상기 실시예 2, 3, 4에서는 기질로 자연 산화막이 있는 실리콘 웨이퍼를 썼으나 HF 용액으로 표면 처리하여 수소가 흡착한 실리콘 웨이퍼를 써도 성장 속도가 미세하게 달라질 뿐이고 전반적인 경향은 같다.In Examples 2, 3, and 4, a silicon oxide with a natural oxide film was used as the substrate, but even when using a silicon wafer adsorbed by hydrogen by surface treatment with HF solution, the growth rate was slightly different and the general tendency was the same.

<실시예 5>Example 5

산소 원으로 산소 플라스마를 이용하는 ALD 실험을 수행하였다. ALD experiments were performed using oxygen plasma as the oxygen source.

우선, 실리콘 웨이퍼를 피라나(piranha) 용액 (H2SO4:H2O2 = 4:1)에 10 분 동안 담갔다가 꺼내어 묽은 HF 수용액 (플루오르화수소산: 탈이온수 = 1:100)에 2 분 동안 담가 수소 종단 (H-terminated) 실리콘 표면을 형성한 뒤에 원거리 플라스마 원자층 침착법 (remote plasma ALD)으로 하프늄 산화물 박막을 제조하였다. 이때 기질의 온도는 250 ℃로, 선구 물질 Hf(mp)4의 온도는 95 ℃로, 선구 물질 공급관의 온도는 110 ℃로, 공정 압력은 0.1 Torr로 맞추었다. 그리고 Hf(mp)4를 담은 버블러로 보내는 아르곤 운반 기체의 유량은 50 sccm으로, Hf(mp)4의 공급 시간은 5 초로, 산소 원인 산소 기체의 유량은 60 sccm으로, 산소 공급 시간은 10 초로 조절하였다. 정화 기체인 아르곤은 Hf(mp)4를 공급한 뒤에는 30 초 동안, 산소 기체를 공급한 뒤에는 20 초 동안 보내 주었다. 그리고 산소를 공급하는 동안에는 산소 플라스마를 발생시켜 원거리 플라스마 ALD 공정을 진행하였다.First, the silicon wafer was immersed in a piranha solution (H 2 SO 4 : H 2 O 2 = 4: 1) for 10 minutes, then taken out, and diluted in dilute aqueous HF solution (hydrofluoric acid: deionized water = 1: 100). A hafnium oxide thin film was prepared by remote plasma ALD after immersion for minutes to form an H-terminated silicon surface. At this time, the temperature of the substrate was adjusted to 250 ° C., the temperature of the precursor Hf (mp) 4 was 95 ° C., the temperature of the precursor supply pipe was 110 ° C., and the process pressure was 0.1 Torr. The flow rate of argon carrier gas to the bubbler containing Hf (mp) 4 was 50 sccm, the supply time of Hf (mp) 4 was 5 seconds, the flow rate of oxygen-causing oxygen gas was 60 sccm, and the oxygen supply time was 10 Adjusted to seconds. Argon, a purge gas, was sent for 30 seconds after supplying Hf (mp) 4 and 20 seconds after supplying oxygen gas. During the oxygen supply, oxygen plasma was generated to carry out the remote plasma ALD process.

도 8은 Hf(mp)4-O2 플라스마 공정의 ALD 특성을 확인하기 위해 Hf(mp)4의 공급 시간을 1 초에서 10 초까지 변화시키면서 얻은 박막들의 두께를 측정하여 그 성장 속도를 공급 시간에 대하여 도시한 그래프다. ALD 주기는 50 회로 고정하였다. 이 그림에서도 위의 실시예 2 (도 4)와 마찬가지로 Hf(mp)4의 공급 시간이 5 초를 넘어서게 되면 ALD 특성이 나타남을 알 수 있다.8 shows the growth rate of the thin films obtained by varying the feeding time of Hf (mp) 4 from 1 second to 10 seconds to confirm the ALD characteristics of the Hf (mp) 4 -O 2 plasma process. This is the graph shown for. The ALD cycle was fixed at 50 times. In this figure, as in Example 2 (FIG. 4), when the supply time of Hf (mp) 4 exceeds 5 seconds, it can be seen that the ALD characteristics appear.

<실시예 6><Example 6>

Hf(mp)4의 공급 시간을 5 초로 맞추고 실시예 5와 같은 조건에서 이번에는 기질의 온도를 150 ℃부터 400 ℃까지 변화시키면서 박막을 제조하였다. ALD 주기는 50 회로 고정하였다. 도 9에서 기질의 온도에 따른 성장 속도의 변화를 보면 225 ℃부터 300 ℃까지 성장 속도가 일정한 구간이 나타남을 알 수 있다. 따라서 225-300 ℃ 구간이 ALD 온도 창임을 확인하였다. 이 온도 구간은 실시예 3의 온도 구간 안에 포함되나 그 범위가 더 좁다.A thin film was prepared by adjusting the feeding time of Hf (mp) 4 to 5 seconds and changing the temperature of the substrate from 150 ° C to 400 ° C under the same conditions as in Example 5. The ALD cycle was fixed at 50 times. Looking at the change in growth rate according to the temperature of the substrate in Figure 9 it can be seen that the growth rate is a constant section from 225 ℃ to 300 ℃. Therefore, it was confirmed that the 225-300 ℃ section is the ALD temperature window. This temperature range is included in the temperature range of Example 3 but the range is narrower.

<실시예 7><Example 7>

실시예 6과 같은 조건에서 기질의 온도를 250 ℃로 유지하고 ALD 공정 주기를 50, 75, 100, 125, 150, 200 회로 늘리면서 얻은 박막의 두께를 측정하여 ALD 주기의 횟수에 대한 막의 두께를 도 10에 도시하였다. 이 그림을 보면 실시예 4 (도 7)와 마찬가지로 박막의 두께가 ALD 주기에 일차적으로 의존하므로 Hf(mp)4를 사용하고 산소 원으로 산소 플라스마를 사용하는 박막 제조 공정이 진정한 ALD 특성을 나타냄을 알 수 있다.Under the same conditions as in Example 6, the thickness of the thin film obtained by maintaining the temperature of the substrate at 250 ° C. and increasing the ALD process cycle to 50, 75, 100, 125, 150, and 200 cycles was measured to measure the thickness of the film against the number of ALD cycles. 10 is shown. In this figure, as in Example 4 (FIG. 7), since the thickness of the thin film is primarily dependent on the ALD cycle, the thin film manufacturing process using Hf (mp) 4 and oxygen plasma as the oxygen source shows true ALD characteristics. Able to know.

원거리 플라스마 ALD 공정에서 얻은 박막의 탄소 오염을 오제 깊이 분석법으로 측정한바, 그 농도가 3 at% (atomic %) 이내로 나타나 Hf(mp)4를 사용하는 ALD 공정이 2-3 at%의 탄소 오염을 보이는 Hf(NEt2)4를 사용하는 ALD 공정에 비하여 별 손색이 없음이 확실하다.Carbon contamination of the thin films obtained from the remote plasma ALD process was measured by Auger Depth Analysis, and the concentration was within 3 at% (atomic%), indicating that the ALD process using Hf (mp) 4 produced 2-3 at% carbon contamination. It is evident that there is no inferiority to the ALD process using visible Hf (NEt 2 ) 4 .

위에서 밝힌 바와 같이, 본 발명에 따른 Hf(mp)4를 사용하는 하프늄 산화물 박막의 ALD 제조 방법은 다루기 어려운 고체 선구 물질 HfCl4 또는 HfI4를 쓰거나, 반응성이 너무 강한 Hf(OtBu)4를 쓰거나, 분해 온도가 비교적 낮은 Hf(NR1R 2)4를 쓰 거나, 또는 구조가 복잡한 Hf(mmp)4, Hf(dmae)4 등을 쓰는 ALD 공정에 비하여 더 유리하며, Hf(mp)4 선구 물질은 물성이 뛰어나 다루기에 매우 편리하다. 그리고 무엇보다도 Hf(mp)4를 사용하는 ALD 공정에서는 다른 선구 물질들을 쓰는 공정과는 달리 진정한 ALD 특성이 나타나며 물 또는 산소 플라스마를 산소 원으로 사용하여 탄소 오염이 아주 적은 질이 좋은 하프늄 산화물 박막을 만들 수 있다.As presented above, the Hf (mp) (O t Bu ) ALD method of manufacturing a hafnium oxide thin film using a 4 recalcitrant solids write or precursor HfCl 4 or HfI 4, is too strong reactivity Hf according to the present invention 4 It is more advantageous than ALD processes that use Hf (NR 1 R 2 ) 4, which has a relatively low decomposition temperature, or Hf (mmp) 4 , Hf (dmae) 4 , which are complex in structure, and Hf (mp) 4. The precursor material has excellent physical properties and is very convenient to handle. And most of all, the ALD process using Hf (mp) 4 shows true ALD characteristics unlike other precursor materials, and uses water or oxygen plasma as an oxygen source to produce high quality hafnium oxide thin films with very low carbon contamination. I can make it.

Claims (6)

아래 화학식 1로 나타낸 하프늄 화합물 Hf(mp)4를 산소 원과 함께 ALD 공정의 선구 물질로 사용하여 기질 위에 하프늄 산화물 막을 제조하는 방법:A method for preparing a hafnium oxide film on a substrate using a hafnium compound Hf (mp) 4 represented by Chemical Formula 1 below as a precursor to an ALD process with an oxygen source: <화학식 1><Formula 1>
Figure 112004036274471-pat00003
Figure 112004036274471-pat00003
상기 식에서, Et는 -CH2CH3을 나타내고, Me는 -CH3을 나타낸다.Wherein Et represents -CH 2 CH 3 and Me represents -CH 3 .
제 1 항에서, 산소 원으로 물, 산소 플라스마, 또는 오존을 사용하는 것을 특징으로 하는 방법.The method of claim 1, wherein water, oxygen plasma, or ozone is used as the oxygen source. 제 1 항에서, Hf(mp)4의 온도를 실온에서 120 ℃까지 변화시켜 사용하는 것을 특징으로 하는 방법.The method of claim 1 wherein the temperature of Hf (mp) 4 is varied from room temperature to 120 ° C. and used. 제 1 항에서, 기질의 온도를 100 ℃에서 400 ℃까지 변화시켜 사용하는 것을 특징 으로 하는 방법.The method of claim 1 wherein the temperature of the substrate is varied from 100 ° C. to 400 ° C. and used. 제 1 항에서, 기질로 실리콘 (Si) 웨이퍼, 게르마늄 (Ge) 웨이퍼, 탄화규소 (SiC) 웨이퍼를 사용하는 것을 특징으로 하는 방법.2. The method of claim 1, wherein a silicon (Si) wafer, a germanium (Ge) wafer, a silicon carbide (SiC) wafer are used as the substrate. 제 1 항에서,In claim 1, 1) 하프늄 원으로 화학식 1의 하프늄 화합물 Hf(mp)4를 ALD 반응기에 공급하여 기질 위에 하프늄 화학종을 흡착시키는 단계,1) supplying a hafnium compound Hf (mp) 4 of Formula 1 to the ALD reactor as a hafnium source to adsorb the hafnium species on the substrate, 2) 비활성 기체를 반응기에 도입하거나 반응기를 진공정화함으로써 단계 1)에서 반응하지 않은 하프늄 원과 반응 부산물을 반응기로부터 제거하는 제1 정화 단계,2) a first purge step of removing from the reactor hafnium sources and reaction byproducts not reacted in step 1) by introducing an inert gas into the reactor or vacuum purifying the reactor; 3) 제 1 정화된 반응기에 산소 원을 공급하여, 하프늄 화학종이 흡착된 기질 위에 산소 화학종을 흡착반응시키는 단계, 및3) supplying an oxygen source to the first purified reactor to adsorb the oxygen species on the substrate to which the hafnium species are adsorbed, and 4) 비활성 기체를 반응기에 도입하거나 반응기를 진공정화함으로써 단계 3)에서 반응하지 않은 산소원과 반응 부산물을 반응기로부터 제거하는 제2 정화 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법. 4) a second purge step of removing from the reactor oxygen sources and reaction byproducts not reacted in step 3) by introducing an inert gas into the reactor or vacuum purifying the reactor.
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