KR100700632B1 - The organometallic compounds for a thin film deposition with metals by using CVD or ALD and the method thereof - Google Patents
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Abstract
본 금속을 포함하는 박막의 화학기상증착 또는 원자층증착을 위한 다용도 유기금속화합물과 그 제조방법은 하기의 화학식 1의 구조를 갖는 유기금속화합물을 포함한다.The multipurpose organometallic compound for chemical vapor deposition or atomic layer deposition of a thin film including the present metal and a method of preparing the same include an organometallic compound having a structure of Formula 1 below.
<화학식 1><Formula 1>
상기 화학식 1에서 M은 주기율표상에서 3A족(Al, Ga, In), 4A족(Si, Ge, Sn), 4B족(Ti, Zr, Hf), 5B족(V, Nb, Ta)에 속하는 원소를 중심금속으로 하고, 아미드(amide) 리간드와, 화학식 1a의 베타-디키토네이트(β- dikentonate) 리간드 또는 베타-키토에스테르, 화학식 1b의 디알콕사이드, 화학식 1c의 N-알킬아미노알콕사이드, 화학식 1d의 알콕시알콕사이드 중 어느 하나와 결합되며, 상기 화학식에서 n은 3(3A족),4(4A족, 4B족), 5(5B족)의 정수를 가지고, m은 중심원소가 포함된 족에 따라 n보다 작은 양의 정수이다. In Formula 1, M is an element belonging to Group 3A (Al, Ga, In), Group 4A (Si, Ge, Sn), Group 4B (Ti, Zr, Hf), Group 5B (V, Nb, Ta) on the periodic table. The amide ligand and a beta-dikentonate ligand or beta-chitoester of Formula 1a, a dialkoxide of Formula 1b, an N-alkylaminoalkoxide of Formula 1c, and 1d Is bound to any one of the alkoxyalkoxides of n, wherein n has an integer of 3 (group 3A), 4 (group 4A, 4B), or 5 (group 5B), and m is a group containing a central element It is a positive integer less than n.
화학기상증착법.원자층증착법,유기금속화합물Chemical Vapor Deposition, Atomic Layer Deposition, Organic Metal Compounds
Description
본 발명은 화학기상증착법(chemical vapor deposition; 이하 CVD) 또는 원자층증착법(atomic layer deposition;이하 ALD)을 이용한 질화금속, 산화금속, 및 규화금속 등의 반도체 소자에 적용되는 다양한 박막을 증착하기 위한 다용도 유기금속화합물과 이들의 제조 방법에 관한 것이다.The present invention is to deposit various thin films applied to semiconductor devices, such as metal nitride, metal oxide, and metal silicide using chemical vapor deposition (CVD) or atomic layer deposition (ALD). A multipurpose organometallic compound and a method for producing the same.
메모리 및 비메모리 반도체 소자의 집적도가 나날이 증가하고 그 구조가 점점 복잡해짐에 따라 다양한 박막을 기판에 증착시키는데 있어서 스텝커버리지(step coverage)의 중요성이 점점 증대되고 있다. 현재 널리 쓰이고 있는 제조방법 중 휘발성 유기금속화합물을 사용하는 MOCVD (Metal Organic Vapor Deposition)법은 원료 물질의 기화 및 이송 방식에 따라 크게 두 가지로 분류되는데, 고체 또는 액체 상의 유기금속화합물을 이송기체로 버블링(bubbling)하여 승화시키는 버블러방식과, 유기금속화합물을 적당한 용매에 녹인 화합물용액을 고온으로 가열된 열판 위에 적하하고 용매와 함께 기화시킴으로서 화합물의 휘발요율을 높인 기 화기(vaporizer) 방식이 있다. 여기서, 상기 기화기 방식은 원료를 액체상태로 이송하기 때문에 액체전송방식(Liquid Delivery System:이하 LDS)방식으로도 불린다.As the degree of integration of memory and non-memory semiconductor devices increases day by day, and the structure thereof becomes more complex, the importance of step coverage in depositing various thin films on a substrate is increasing. MOCVD (Metal Organic Vapor Deposition) method, which uses volatile organometallic compounds, is classified into two types according to the vaporization and transport method of raw materials. The bubbler method of bubbling and sublimation and the vaporizer method of increasing the volatilization rate of the compound by dropping the compound solution in which the organometallic compound is dissolved in a suitable solvent on a hot plate heated to a high temperature and vaporizing it together with the solvent. have. Here, the vaporizer method is also referred to as a liquid delivery system (hereinafter referred to as LDS) because the raw material is transferred in a liquid state.
한편, 상기의 화학기상증착법에 있어서 유기금속화합물이 갖추어야 할 조건으로는 높은 기화 특성, 기화 온도와 분해 온도의 큰 격차, 낮은 독성, 화학적 안정성, 열적 안정성 및 화합물 합성과 열분해의 용이함 등이 있다. 또한, 기화하는 과정 및 기체 상으로 이송하는 과정에서 자발적으로 분해되거나 다른 물질과 반응하는 부반응이 없어야 하며, 특히 다성분계 박막의 제조 시에 박막내에 유입되는 각각의 성분금속 조성이 용이하게 조절되어야 하며 증착 온도에서 각각의 유기금속화합물들은 분해 거동이 유사해야 양질의 박막을 형성할 수 있다.On the other hand, in the chemical vapor deposition method, the conditions that the organometallic compound should have include high vaporization characteristics, a large gap between the vaporization temperature and decomposition temperature, low toxicity, chemical stability, thermal stability, and easy compound synthesis and pyrolysis. In addition, there should be no side reaction that spontaneously decomposes or reacts with other substances in the process of vaporization and transfer to the gas phase, and in particular, the composition of each component metal introduced into the thin film during the preparation of the multi-component thin film should be easily controlled. At the deposition temperature, the organometallic compounds have similar decomposition behaviors to form high quality thin films.
여기서, 반도체용 박막으로 사용되는 질화금속, 산화금속, 규화금속 등의 특성에 대해서 설명한다. 상기 질화금속 박막으로 대표적인 질화티타늄(TiN), 질화탄탈륨 (TaN), 질화지르코늄(ZrN) 등은 도핑된 반도체의 실리콘층과의 접촉부위에 적용되거나 층간 배선 재료로 사용되는 알루미늄(Al), 구리(Cu)와의 확산 방지막 (diffusion barrier)으로 사용되며, 텅스텐(W) 박막을 기판에 증착할 때에는 접착층(adhesion layer)으로도 사용된다. Here, the characteristics of metal nitride, metal oxide, metal silicide and the like used in the thin film for semiconductor will be described. Titanium nitride (TiN), tantalum nitride (TaN), and zirconium nitride (ZrN), which are representative metal thin films, are applied to a contact portion with a silicon layer of a doped semiconductor or used as an interlayer wiring material. It is used as a diffusion barrier with (Cu) and is also used as an adhesion layer when depositing a tungsten (W) thin film on a substrate.
또한, 규화금속 박막으로 사용되는 티타늄(Ti), 탄탈륨(Ta) 등은 실리콘 기판과 전극 및 배선 재료, 확산 방지막 간의 접착층으로 이용되는데 금속 박막의 증착시 실리콘층과 규화티타늄(TiSi), 규화탄탈륨(TaSi)을 형성하여 실리콘 기판과의 접착력을 좋게 해주는 박막으로 이용된다.In addition, titanium (Ti) and tantalum (Ta), which are used as thin metal silicide films, are used as an adhesive layer between a silicon substrate, an electrode, a wiring material, and a diffusion barrier film. It is used as a thin film to form (TaSi) to improve adhesion to a silicon substrate.
또한, 알루미나(Al2O3), 티타니아(TiO2), 탄탈리아(Ta2O5 ) 등의 산화금속들은 반도체소자의 축전기(capacitor)에 응용되는 물질로 산화규소(SiO2) 보다 높은 유전상수(ε)를 나타내어 고집적, 고용량의 메모리 반도체에 적용되고 있다.In addition, metal oxides such as alumina (Al 2 O 3 ), titania (TiO 2 ), and tantalum (Ta 2 O 5 ) are applied to a capacitor of a semiconductor device and have a higher dielectric than silicon oxide (SiO 2 ). The constant? Is applied to high density, high capacity memory semiconductors.
예컨대, 상기에 서술했듯이 우수한 물성의 박막을 증착하기 위해서는 유기금속화합물의 선택이 가장 중요한 요건이라고 할 수 있는데, 예를 들어 상기 질화금속 중에서 대표적인 질화티타늄(TiN)을 증착하기 위해서는 염화티타늄(TiCl4)을 주로 사용하게 된다. 하지만, 이 금속의 우수한 경제성에도 불구하고 다음과 같은 몇가지 문제점이 있었다. 첫째, 상기 화합물 자체에 존재하는 염소원자가 증착된 질화티타늄 박막에 유입되어 배선재료인 알루미늄의 부식을 유발할 수 있으며, 둘째 증착온도가 600℃ 정도로 고온에서 공정이 이루어지기 때문에 녹는점이 낮은 알루미늄 배선의 경우 적용이 어려우며, 셋째 공정 중에 염화티타늄 암모니아 착물[TiCl4:(NH3)x] 및 염화암모늄염(NH4Cl)과 같은 비휘발성 부산물로 인해 박막내에 입자가 침착됨으로서 반도체칩 제조 공정에 치명적인 단점을 유발한다.For example, as described above, in order to deposit a thin film of excellent physical properties, the selection of an organometallic compound may be the most important requirement. For example, in order to deposit a representative titanium nitride (TiN) among the metal nitrides, titanium chloride (TiCl 4) may be used. ) Is used mainly. However, despite the excellent economics of this metal, there are some problems as follows. First, the chlorine atoms present in the compound itself may be introduced into the deposited titanium nitride thin film to cause corrosion of the wiring material aluminum. Second, in the case of aluminum wiring having a low melting point because the process is performed at a high temperature of about 600 ° C. It is difficult to apply, and during the third process, non-volatile by-products such as titanium chloride ammonia complex [TiCl 4 : (NH 3 ) x ] and ammonium chloride salt (NH 4 Cl) deposit particles in the thin film, thus causing a fatal disadvantage in the semiconductor chip manufacturing process. cause.
또한, 질화탄탈륨(TaN)이나 질화지르코늄(ZrN)을 증착하기 위해 염화탄탈륨 (TaCl5), 염화지르코늄(TaCl5) 등을 사용하는 공정은 이들 화합물들이 고체화합물로서 증착하기 위한 충분한 증기압을 공급해주기 어려워서 화합물의 전달이 용이하지 않다. Further, the process using the tantalum nitride (TaN) or zirconium nitride (ZrN) chloride, tantalum (TaCl 5), zirconium chloride (TaCl 5) in order to deposit or the like is now these compounds to provide enough vapor pressure to deposit as a solid compound It is difficult to deliver the compound.
이 밖에 티나늄아미드[Ti(NR2)4:R=Me(CH3), Et(C2H5)]을 이용한 질화티타늄 (TiN) 박막의 제조, 유전체 박막으로 사용되는 탄탈륨에톡시드(tantalumethoxide)를 이용한 탄탈리아(Ta2O5)의 제조 방법 등이 개발되고 있지만, 화합물 자체의 불안정성과 위험성으로 인해 공정 개발에 어려움을 겪고 있다. In addition, the production of titanium nitride (TiN) thin films using titanium amide [Ti (NR 2 ) 4 : R = Me (CH 3 ), Et (C 2 H 5 )], and tantalum ethoxide used as dielectric thin films ( Although a method for producing tantalum (Ta 2 O 5 ) using tantalumethoxide has been developed, the process development is difficult due to the instability and risk of the compound itself.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 화학증착법을 이용한 차세대 반도체 소자 공정에서 확산 방지막, 유전막, 접착막 등의 용도로 사용되는 질화금속, 산화금속, 및 규화금속 박막의 제조 공정에서 유기금속화합물의 열적·화학적 불안정성으로 인한 공정상의 문제점을 개선하여 우수한 열적 안정성과 높은 증기압, 수분, 공기 등에 민감하게 반응하지 않으며, 반응가스와 증착 온도의 변화 등과 같은 공정조건만 변화시킴으로서 각종 박막의 연속 증착을 가능하게 하는 금속을 포함하는 박막의 화학기상증착 또는 원자층증착을 위한 유기금속화합물과 그 제조방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.The present invention has been made to solve the above problems, the manufacturing process of the metal nitride, metal oxide, and metal silicide thin film used for the diffusion barrier film, dielectric film, adhesive film, etc. in the next-generation semiconductor device process using the chemical vapor deposition method It improves process problems due to thermal and chemical instability of organometallic compounds, so it does not react sensitively to excellent thermal stability, high vapor pressure, moisture, air, etc., and only changes process conditions such as change of reaction gas and deposition temperature. An object of the present invention is to provide an organometallic compound for chemical vapor deposition or atomic layer deposition of a thin film containing a metal capable of continuous deposition of a metal and a method of manufacturing the same.
이하 본 발명을 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail.
상기 화학식 1에서 M은 주기율표상에서 3A족(Al, Ga, In), 4A족(Si, Ge, Sn), 4B족(Ti, Zr, Hf), 5B족(V, Nb, Ta)에 속하는 원소를 중심금속으로 하고, 아미드(amide) 리간드와, 상기 화학식 1a의 베타-디키토네이트(β- dikentonate) 리 간드 또는 베타-키토에스테르, 상기 화학식 1b의 디알콕사이드, 상기 화학식 1c의 N-알킬아미노알콕사이드, 상기 화학식 1d의 알콕시알콕사이드 중 어느 하나와 결합된다. 아울러, 상기 화학식에서 n은 3(3A족),4(4A족, 4B족), 5(5B족)의 정수를 가지고, m은 중심원소가 포함된 족에 따라 n보다 작은 양의 정수이며, m'는 1 내지 6의 정수를 취한다. In Formula 1, M is an element belonging to Group 3A (Al, Ga, In), Group 4A (Si, Ge, Sn), Group 4B (Ti, Zr, Hf), Group 5B (V, Nb, Ta) on the periodic table. The amide ligand and the beta-dikentonate ligand or beta-chitoester of Formula 1a, the dialkoxide of Formula 1b, and the N-alkylamino of Formula 1c. An alkoxide, which is combined with any one of the alkoxyalkoxides of Formula 1d. In addition, n has an integer of 3 (group 3A), 4 (group 4A, 4B), 5 (group 5B) in the formula, m is a positive integer less than n depending on the group containing the central element, m 'takes an integer from 1 to 6.
또한, 상기 아미드 리간드 R1과 R2는 각각 독립적으로 탄소수 1부터 4까지의 알킬기 또는 퍼플루오로알킬기(perfluoroalkyl), 알킬실리콘, 아미노알킬, 알콕시알킬 중에서 선택되고, R3,R4,R5,R6,R7,R8 ,R9은 각각 독립적으로 수소(H), 불소(F), 또는 탄소수 1부터 8까지의 알킬기 또는 퍼플루오로알킬기, 알킬실리콘, 아미노알킬, 알콕시알킬, 알콕시, 아미노기 중의 어느 하나를 이용한다.In addition, the amide ligands R 1 and R 2 are each independently selected from an alkyl group having 1 to 4 carbon atoms or a perfluoroalkyl group, alkylsilicone, aminoalkyl, alkoxyalkyl, R 3 , R 4 , R 5 R 6 , R 7 , R 8 and R 9 are each independently hydrogen (H), fluorine (F), or an alkyl or perfluoroalkyl group having 1 to 8 carbon atoms, alkylsilicone, aminoalkyl, alkoxyalkyl, alkoxy And any of amino groups are used.
나아가, 본 발명에 따르면 하기의 화학식 1a에 사용되는 베타-디키토네이트(β- dikentonate) 리간드에는 하기의 화학식 2와 같이 표시되는 2,4-펜탄디온[2,4-pentandione(이하 acacH):R3=H, R4=R5=Me(CH3)]와 2,2,6,6-테트라메틸헵탄디온 [2,2,6,6-tentramethylheptandione(이하 tmhdH):R3=H, R4=R5=Bu(C4H9)], 1,1,1,5,5,5-헥사플루오로펜탄디온[1,1,1,5,5,5-hexafluoropentandione(이하 hfacH) :R3=H, R4=R5=CF3)]이 대표적으로 사용된다.Furthermore, according to the present invention, beta-dikentonate ligands used in the following Chemical Formula 1a include 2,4-pentanedione [2,4-pentandione (hereinafter acacH): R 3 = H, R 4 = R 5 = Me (CH 3 )] and 2,2,6,6-tetramethylheptanedione [2,2,6,6-tentramethylheptandione (hereinafter tmhdH): R 3 = H, R 4 = R 5 = Bu (C 4 H 9 )], 1,1,1,5,5,5-hexafluoropentanedione [1,1,1,5,5,5-hexafluoropentandione (hereinafter hfacH) : R 3 = H, R 4 = R 5 = CF 3 )] is typically used.
바람직하게, 상기 화학식 2에서 R3는 수소(H), 불소(F), 또는 탄소수 1부터 8까지의 알킬기 또는 퍼플루오로알킬기, 알킬실리콘, 아미노알킬, 알콕시알킬, 알콕시, 아미노기 중에서 취할 수 있고, R4와 R5는 각각 독립적으로 탄소수 1부터 8까지의 알킬기, 알킬실리콘 또는 퍼플루오로알킬기, 아미노알킬, 알콕시알킬, 알콕시, 아미노기로서 acacH, tmhdH, hfacH가 가장 일반적으로 사용된다.Preferably, in Formula 2, R 3 may be taken from hydrogen (H), fluorine (F), or an alkyl or perfluoroalkyl group having 1 to 8 carbon atoms, alkylsilicone, aminoalkyl, alkoxyalkyl, alkoxy, amino group , R 4 and R 5 are each independently an alkyl group, alkylsilicone or perfluoroalkyl group, aminoalkyl, alkoxyalkyl, alkoxy, amino group having 1 to 8 carbon atoms, acacH, tmhdH, hfacH are most commonly used.
본 발명에 따르면, 상기 화학식 1b의 경우 하기 화학식과 같이 표시되는 디알콜의 경우가 적용될 수 있으며, 이때의 R은 수소 또는 1 ~ 5 개의 알킬기, 퍼플루오로알킬기, 알킬실리콘, 아미노알킬, 알콕시알킬, 알콕시, 아미노기가 사용된다. 가장 대표적인 것으로서 에틸렌글리콜, 프로판-1, 2-디올, 부탄-1, 2-디올, 2- 메틸펜탄, 4-디올 등이 있다.According to the present invention, in the case of Formula 1b, a case of dial alcohol represented by the following formula may be applied, wherein R is hydrogen or 1 to 5 alkyl groups, perfluoroalkyl group, alkylsilicone, aminoalkyl, alkoxyalkyl , Alkoxy and amino groups are used. Most representative examples include ethylene glycol, propane-1, 2-diol, butane-1, 2-diol, 2-methylpentane, 4-diol, and the like.
또한, 상기 화학식 1c의 경우 아래 화학식과 같이 표시되는 N-알킬아미노알콜의 경우가 적용될 수 있으며, 이때의 R은 수소 또는 1 ~ 5 개의 알킬기, 퍼플루오로알킬기, 알킬실리콘, 아미노알킬, 알콕시알킬, 알콕시, 아미노기가 사용된다. 가장 대표적인 것으로서 N-디메틸아미노에탄올, N-디메틸아미노프로판 등이 있다.In addition, in the case of Formula 1c, the case of N-alkylaminoalcohol represented by the following formula may be applied, wherein R is hydrogen or 1 to 5 alkyl groups, perfluoroalkyl group, alkylsilicone, aminoalkyl, alkoxyalkyl , Alkoxy and amino groups are used. The most representative ones include N-dimethylaminoethanol and N-dimethylaminopropane.
또한, 화학식 1d의 경우 아래 화학식과 같이 표시되는 N-알콕시알콜의 경우가 적용될 수 있으며, 이때의 R은 수소 또는 1 ~ 5 개의 알킬기, 퍼플루오로알킬기, 알킬실리콘, 아미노알킬, 알콕시알킬, 알콕시, 아미노기가 사용된다. 가장 대표적인 것으로서 메톡시에탄올, 에톡시에탄올, 프로폭시에탄올 등이 있다.In addition, in the case of Formula 1d, N-alkoxyalcohol represented by the following formula may be applied, wherein R is hydrogen or 1 to 5 alkyl groups, perfluoroalkyl group, alkylsilicone, aminoalkyl, alkoxyalkyl, alkoxy And amino groups are used. The most representative ones are methoxy ethanol, ethoxy ethanol, propoxy ethanol and the like.
본 발명에 따르면 바람직하게, 상기 화학식 1의 화합물 중에서 하기의 화학 식 3과 같이 M은 주기율표상에서 4A족에 속하는 실리콘(Si), 게르마늄(Ge), 주석(Sn) 또는 4B족에 속하는 티타늄(Ti), 지르코늄(Zr), 하프늄(Hf)이고, m은 3부터 1까지의 정수로 정의될 수 있으며, 이 중 티타늄의 경우가 바람직하다.According to the present invention, preferably, in the compound of Chemical Formula 1, M may be silicon (Si), germanium (Ge), tin (Sn), or titanium (Ti), which belongs to group 4A, on the periodic table. ), Zirconium (Zr), hafnium (Hf), m may be defined as an integer from 3 to 1, of which titanium is preferred.
또한, 화학식 1의 화합물 중에서 하기의 화학식 4와 같이 M은 주기율표상에서 5B족에 속하는 바나듐(V), 니오븀(Nb), 탄탈륨(Ta)이고, m은 4에서 1까지의 정수로 정의될 수 있으며, 탄탈륨의 경우가 바람직하다.In addition, in the compound of Formula 1, M is vanadium (V), niobium (Nb), and tantalum (Ta) belonging to Group 5B on the periodic table, and m may be defined as an integer from 4 to 1. And tantalum are preferable.
또한, 본 발명에 따르면 상기 화학식 1의 화합물 중에서 하기의 화학식 5와 같이 화합물은 M이 주기율표상에서 3A족에 속하는 알루미늄(Al), 갈륨(Ga), 인듐(In)이고, m은 2에서 1까지의 정수로 정의될 수 있으며, 이 중 알루미늄의 경우가 대표적이다.In addition, according to the present invention, in the compound of Chemical Formula 1, as shown in Chemical Formula 5 below, the compound includes aluminum (Al), gallium (Ga), and indium (In), in which M belongs to group 3A on the periodic table, and m is 2 to 1. It can be defined as an integer of, of which aluminum is representative.
본 발명에 따르면, 상기 화학식 1로 정의되는 유기금속화합물들은 확산방지막(TiN, TaN), 접착막(Ti, Ta), 유전막(Ta2O5, TiO2, Al2O3 ) 등과 같은 반도체 공정용 박막 제조 원료로 사용될 수 있으며, 상기와 같이 개발된 화합물들은 하기의 반응식 1 내지 3과 같은제조 공정으로 제조된다. 이때, 모든 반응 과정은 공기와의 접촉을 배제하기 위해 불활성 기류(Ar, N2)에서 이루어진다.According to the present invention, the organometallic compounds defined by Chemical Formula 1 are semiconductor processes such as diffusion barrier films (TiN, TaN), adhesive films (Ti, Ta), dielectric films (Ta 2 O 5 , TiO 2 , Al 2 O 3 ), and the like. Can be used as a raw material for producing a thin film, the compounds developed as described above are prepared by the manufacturing process as shown in Schemes 1 to 3. At this time, all the reaction process is carried out in the inert air stream (Ar, N 2 ) to exclude contact with air.
반응식 1은 상기 화학식 1에서와 같이 R1 및 R2로 정의되는 2차 아민(amine)을 드라이아이스/아세톤을 사용해 저온으로 냉각된 노르말-부틸리튬(n-BuLi)의 핵산(hexane) 용액에 서서히 가하면서 상온에서 교반하면 생성물인 R1R2NLi이 제조된다. 제조된 아미드의 핵산 부유 용액에 상기 반응식 2와 같이 금속염화물 TiCl4, ZrCl4, TaCl5, AlCl3 등을 천천히 가하면서 가열 교반하면 금속디알킬아미드 [Ti(NR1R2)4, Zr(NR1R2)4, Ta(NR1 R2)5, Al(NR1R2)3]가 제조되며, 예컨대 R 1R2=CH3(Me), R1R2=C2H5(Et), R1R2=CH3, C2H5의 경우가 바람직하다.Scheme 1 is a secondary amine defined by R 1 and R 2 as shown in Formula 1 to a nucleic acid solution of normal-butyllithium (n-BuLi) cooled to low temperature using dry ice / acetone Stirring at room temperature with slow addition produces the product R 1 R 2 NLi. The metal dialkylamide [Ti (NR 1 R 2 ) 4 , Zr (Ti (NR 1 R 2 ) 4 , Zr () was added to the nucleic acid suspension solution of the prepared amide by heating and stirring the metal chloride TiCl 4 , ZrCl 4 , TaCl 5 , AlCl 3, etc. NR 1 R 2 ) 4 , Ta (NR 1 R 2 ) 5 , Al (NR 1 R 2 ) 3 ] are prepared, such as R 1 R 2 = CH 3 (Me), R 1 R 2 = C 2 H 5 Preference is given to (Et), R 1 R 2 = CH 3 , C 2 H 5 .
아미드 리간드 중에서 일부분을 치환시키고자하는 티타늄 및 탄탈륨아미드화합물은 상기 화학식 3와 같이 정의되는 베타-디키토네이트 중에서 acacH, hfacH, tmhdH 등과 반응하면 하기의 화학식 6, 7과 같이 정의되는 본 발명의 화합물들을 용이하게 제조할 수 있다. 이때, m은 2와 3이고 베타-디키토네이트로는 acacH, hfacH인 경우에 주생성물이 효과적으로 제조된다. Titanium and tantalum amide compounds to replace a part of the amide ligand is a compound of the present invention defined as the following formulas 6 and 7 when reacted with acacH, hfacH, tmhdH and the like in the beta-dikitonate defined as Formula 3 Can be easily produced. In this case, m is 2 and 3, and the main product is effectively prepared when beta-dikitonate is acacH, hfacH.
상기 화학식 6의 티타늄 화합물 중 R1R2=C2H5(Et) 이고, m=1, 2 인 (Et2N)2Ti(hfac)2, (Et2N)2Ti(hfac)3, (Et2N)2Ti(acac)2는 낮은 온도에서 높은 증기압을 나타내는 액체 또는 고체 화합물로서 공기 및 수분에 민감하지 않고 안정된 유기금속화합물로서 우수한 특성을 가진다.Of the titanium compound of Formula 6, R 1 R 2 = C 2 H 5 (Et), m = 1, 2 (Et 2 N) 2 Ti (hfac) 2 , (Et 2 N) 2 Ti (hfac) 3 , (Et 2 N) 2 Ti (acac) 2 is a liquid or solid compound exhibiting high vapor pressure at low temperatures and is excellent in stability as an organometallic compound which is not sensitive to air and moisture.
아울러, 상기 화학식 7의 탄탈륨 화합물 중 R1R2=CH3(Me) 이고, m=3 인 (Me2N)2Ta(hfac)3, (Me2N)2Ta(acac)3는 낮은 온도에서 높은 증기압을 나타내는 고체 화합물로서 공기 및 수분에 민감하지 않고 안정된 유기금속화합물로서 우수한 특성을 가진다.In addition, in the tantalum compound represented by Chemical Formula 7, R 1 R 2 = CH 3 (Me), and m = 3 (Me 2 N) 2 Ta (hfac) 3 and (Me 2 N) 2 Ta (acac) 3 are low. It is a solid compound exhibiting high vapor pressure at temperature and is excellent in characteristics as a stable organometallic compound which is not sensitive to air and moisture.
또한, 아미드 리간드 중에서 일부분을 치환시키고자하는 금속아미드화합물은 반응식 3과 같이 디알콜류, 알킬아미노알콜, 알콕시알콜류와 반응하여 화학식 1b, 1c, 1d 로 나타내어지는 화합물을 제조할 수 있다. 세부적인 반응조건은 앞서 설명한 베타-디키톤의 경우와 유사하게 진행되며 에틸렌글리콜, 2-메틸펜탄-2,4-올, 디메틸아미노에탄올, 디메틸아미노프로판올, 메(에)톡시에탄올 등의 경우가 효과적으로 제조되었다. In addition, the metal amide compound to replace a part of the amide ligand may be reacted with dialcohols, alkylaminoalcohols, and alkoxyalcohols as in Scheme 3 to prepare compounds represented by Chemical Formulas 1b, 1c, and 1d. The detailed reaction conditions are similar to those of the beta-dikitone described above, and are the same as those of ethylene glycol, 2-methylpentan-2,4-ol, dimethylaminoethanol, dimethylaminopropanol, and me (eth) ethoxyethanol. Manufactured effectively.
이하에서는 상기 화합물의 제조방법에 대해 설명한다. Hereinafter, a method for preparing the compound will be described.
(Et2N)2Ti(acac)2 의 제조Preparation of (Et 2 N) 2 Ti (acac) 2
상기 반응식 1,2를 통해서 제조된 테트라키스디에틸아미노티타늄 (Tetrakis(diethylamino)titanium;이하 TDEAT) 1몰의 노랑색 핵산 500ml 용액에 질소 기류하에서 2,4-펜탄디온(acacH) 5몰을 0℃에서 천천히 가하면, 핵산 용액은 즉시 주황색으로 변하며 상온에서 4시간 동안 교반하면 붉은색을 거쳐 검붉은색으로 변한다. 이때, 상등액과 침전물을 분리하여 건조하면 침전물은 황토색의 고체를, 상등액은 노란색의 액체를 생성한다. 여기서, 건조된 노란색 액체를 48 ~ 55℃/10-2 torr에서 증류하면 상기의 (Et2N)2Ti(hfac)2를 제조할 수 있으며, 그 반응식은 다음과 같다.5 moles of 2,4-pentanedione (acacH) under nitrogen stream in 500 ml solution of 1 mole of yellow nucleic acid (Tetrakis (diethylamino) titanium; When slowly added, the nucleic acid solution turns orange immediately and after stirring for 4 hours at room temperature, the nucleic acid solution turns red and dark red. At this time, when the supernatant and the precipitate are separated and dried, the precipitate produces an ocher solid, and the supernatant produces a yellow liquid. Here, by distilling the dried yellow liquid at 48 ~ 55 ℃ / 10 -2 torr (Et 2 N) 2 Ti (hfac) 2 It can be prepared, the reaction scheme is as follows.
(Et2N)2Ti(hfac)2, (Et2N)Ti(acac)3 의 제조Preparation of (Et 2 N) 2 Ti (hfac) 2 , (Et 2 N) Ti (acac) 3
반응식 1,2에 의해 제조된 TDEAT 1몰의 핵산 용액에 5몰의 hfacH를 0℃에서 천천히 가하면 발열반응과 함께 오렌지색의 침전물이 생성이 되며 용액은 노랑-오렌지색을 띤다. 상기 노랑-오렌지 혼합액을 다시 상온에서 4시간 동안 교반하면 상 등액과 침전물로 분리되며, 상온의 진공 분위기에서 휘발이 가능한 물질을 제거하면 상등액은 오렌지색의 젤(Gel)상태를, 침전물은 붉은 고체로 남게된다. 이때, 붉은 고체를 60 ~ 70℃ 사이에서 승화시키면 오렌지색의 고체 (Et2N)Ti(acac)2가 얻어지며, 젤상태의 상등액은 25 ~ 35℃ 사이에서 증류하면 노랑색의 증류액 (Et2N)2Ti(hfac)2가 얻어진다. 제조된 이들의 수소핵자기공명(1H-NMR) 분석 자료 및 물성은 표 1과 같다.When 5 mol of hfacH was slowly added to 0 mol of TDEAT nucleic acid solution prepared by Scheme 1 and 2 at 0 ° C., an orange precipitate was formed with exothermic reaction and the solution was yellow-orange. When the yellow-orange mixture is stirred again at room temperature for 4 hours, the supernatant is separated into a supernatant and a precipitate. When the volatile material is removed in a vacuum at room temperature, the supernatant is an orange gel, and the precipitate is a red solid. Will remain. At this time, when the red solid is sublimed between 60 ~ 70 ℃ to obtain an orange solid (Et 2 N) Ti (acac) 2 , the gel supernatant distilled between 25 ~ 35 ℃ yellow distillate (Et 2 N) 2 Ti (hfac) 2 is obtained. Hydrogen nuclear magnetic resonance ( 1 H-NMR) analysis data and physical properties of the prepared are shown in Table 1.
또한, 반응식 4에 있어서 TDMAT와 5hfacH를 투입하여 반응을 살펴보면, 상기 (Et2N)2Ti(acac)2 의 반응과 동일하지만, 이 반응의 생성물은 고체 화합물이며 승화시켜서 흰색의 결정을 석출한다. 이때, 고체 생성물들의 일부는 승화과정 중에서 일부 변질되는 결과가 발생되므로 MOCVD용 유기금속화합물로서는 사용하지 않지만, 승화된 흰색 결정을 핵자기 공명 분석기로 분석한 결과 티탄늄화합물과 결합되어 있는 것을 나타내는 반응가스 HN(CH3)2가 검출되었다. 이 HNMe2 가스는 착물로 티탄늄화합물과 결합되어 있는 것을 나타낸다. 상기의 반응식으로 제조된 (Me2N)2Ti(hfac)2에 대한 수소핵자기공명(1H-NMR) 분석 자료 및 물성은 상기 표 1에 나타내었다.In addition, in the reaction scheme 4, TDMAT and 5hfacH were added to examine the reaction. The reaction was the same as the reaction of (Et 2 N) 2 Ti (acac) 2 , but the product of the reaction was a solid compound which sublimates to precipitate white crystals. . In this case, some of the solid products are not used as the MOCVD organometallic compound because some of the solid products are deteriorated during the sublimation process, but the reaction shows that the sublimed white crystals are combined with the titanium compound as a result of analysis by nuclear magnetic resonance analyzer. Gas HN (CH 3 ) 2 was detected. This HNMe 2 gas is shown to be bonded to the titanium compound as a complex. Hydrogen nuclear magnetic resonance ( 1 H-NMR) analysis data and physical properties of the (Me 2 N) 2 Ti (hfac) 2 prepared by the above reaction scheme are shown in Table 1.
(Me2N)2Ta(acac)3의 제조Preparation of (Me 2 N) 2 Ta (acac) 3
반응식 1, 2를 통해서 제조된 펜타키스디메틸아미노탄탈륨 (Pentakis(dimethylamino)titanium) 1몰의 노랑색 핵산 500ml 용액을 질소 기류하에서 2,4-펜탄디온(acacH) 6몰을 0℃에서 천천히 가하면, 핵산 용액은 즉시 주황색으로 변하며 상온에서 4시간 동안 교반하면 흰색의 고체가 형성된다. 생성된 고체화합물은 정제를 위해 진공에서 건조시키고 25 ~ 35 ℃/10-2 torr에서 증류하면 (Me2N)2Ta(acac)3가 제조되며, 이때의 반응은 하기의 반응식 5과 같다. 이 화합물의 수소핵자기(1H-NMR) 분석 자료 및 물성은 하기 표 2에 나타내었다.500 ml solution of 1 mole of yellow nucleic acid (Pentakis (dimethylamino) titanium) prepared through Schemes 1 and 2 was slowly added to 6 moles of 2,4-pentanedione (acacH) at 0 ° C. under nitrogen stream. The solution immediately turns orange and a white solid is formed by stirring at room temperature for 4 hours. The resulting solid compound is dried in vacuo for purification and distilled at 25˜35 ° C./10 −2 torr to give (Me 2 N) 2 Ta (acac) 3 , wherein the reaction is shown in Scheme 5 below. Hydrogen nuclear magnetic ( 1 H-NMR) analysis data and physical properties of this compound are shown in Table 2 below.
(Me2N)2Ta(hfac)3의 제조Preparation of (Me 2 N) 2 Ta (hfac) 3
상기의 (Me2N)2Ta(acac)3와 같은 방법으로 PDMAT 1몰의 핵산 용액에 6배의 몰수에 해당하는 hfacH를 0℃에서 천천히 가하면, 발열반응과 함께 오렌지색의 침전물과 노랑-오렌지색의 용액이 생성된다. 상기 노랑-오렌지색 혼합액을 상온에서 4시간동안 교반한 후 상온의 진공 상태에서 휘발성 물질을 제거하면 오렌지색의 고체가 남는다. 이 고체를 다시 50 ~ 70℃ 사이에서 승화시키면 노란색의 고체 (Me2N)2Ta(hfac)3가 제조되며, 이 물질의 물성은 상기 표 2에 나타내었다. In the same manner as the above (Me 2 N) 2 Ta (acac) 3 When hfacH corresponding to 6 times the number of moles of the mole solution of PDMAT 1 mole is slowly added at 0 ° C., an orange precipitate and yellow-orange color with exothermic reaction Solution is produced. After stirring the yellow-orange mixture at room temperature for 4 hours, volatiles are removed under vacuum at room temperature, leaving an orange solid. Sublimation of this solid again between 50 ~ 70 ℃ to give a yellow solid (Me 2 N) 2 Ta (hfac) 3 , the physical properties of this material are shown in Table 2.
본 발명에 따르면, 상기와 같이 동일한 분자식을 가지는 유기금속화합물들을 하기의 반응식 4와 같이 반응가스를 사용하여 기판에 증착시킬 수 있다.According to the present invention, organometallic compounds having the same molecular formula as described above may be deposited on a substrate using a reaction gas as in Scheme 4 below.
특히, (Et2N)2Ti(hfac)2, (Et2N)2Ti(acac)2 화합물은 상온에서 액체상으로 존재하며 증기압이 높은 유기금속화합물로서, 버블러(bubbler)를 사용하는 화학증착법을 이용한 박막의 제조 공정에서 재현성을 위한 화합물 전달 속도 조절이 용이하며, 직접 액체주입기(Direct Liquid Injector;이하 DLI) 또는 액체전달기구(Liquid Deliver System;이하 LDS)의 사용이 가능하기 때문에 효과적 공정 개발이 가능하다.Particularly, (Et 2 N) 2 Ti (hfac) 2 and (Et 2 N) 2 Ti (acac) 2 compounds exist in the liquid phase at room temperature and have a high vapor pressure. It is easy to control the compound delivery rate for reproducibility in the thin film manufacturing process using the deposition method, and it is an effective process because it is possible to use a direct liquid injector (DLI) or liquid delivery system (LDS). Development is possible.
또한, (Et2N)2Ti(hfac)2, (Me2N)2Ta(acac)2 화합물은 상온에서 고체로 존재하지만 저온에서 증기압이 매우 높기 때문에, 버블러를 사용하는 화학 증착법을 이용가능하고, 추가적으로 하기의 용매를 사용하면 DLI 또는 LDS의 사용이 가능하다. 예컨대, 유기금속화합물 용액에 사용되는 용매는 포화 탄화수소류, 유기에테르류, 방향족 탄화수소류, 아민류(헤테로사이클릭아민류 포함)등이 있다. 바람직하게, 헤테로사이클릭아민 중에는 1-알킬피롤리딘, 1-알킬리레리딘, 4-알킬모폴린, 1,4- 디알킬피페라진 등이 유기금속화합물 용액의 용매로 우수하다.In addition, since (Et 2 N) 2 Ti (hfac) 2 and (Me 2 N) 2 Ta (acac) 2 compounds exist as solids at room temperature but have a very high vapor pressure at low temperatures, chemical vapor deposition using a bubbler is used. It is possible to use DLI or LDS in addition to the following solvents. For example, solvents used for organometallic compound solutions include saturated hydrocarbons, organic ethers, aromatic hydrocarbons, and amines (including heterocyclic amines). Preferably, among the heterocyclic amines, 1-alkylpyrrolidine, 1-alkylallyreridine, 4-alkylmorpholine, 1,4-dialkylpiperazine and the like are excellent solvents of the organometallic compound solution.
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다. As mentioned above, although this invention was demonstrated by the limited Example, this invention is not limited by this and it is various in the range of equality of a common technical idea in the technical field to which this invention belongs, and a claim described below. Of course, modifications and variations are possible.
본 발명의 금속을 포함하는 박막의 화학기상증착 또는 원자층증착을 위한 다용도 유기금속화합물과 그 제조방법에 따르면, 화합물 (Et2N)2Ti(hfac)2, (Et2N)2Ti(acac)2, (Et2N)2Ti(hfac) 3, (Me2N)2Ta(hfac)3는 반응식 4와 같이 단일 유기금속화합물을 사용해 반응가스와 증착온도 등의 공정 조건 변화로서 반도체 제조공정에 필요한 확산 방지막(TiN, TaN), 접착막(Ti, Ta), 유전막(TiO2, Ta2O3) 등을 연속적으로 증착할 수 있는 다용도 화합물로 사용될 수 있으므로 공정을 단순화시킬 수 있으며, 화합물로서 낮은 온도에서도 높은 증기압을 보이는 액체 또는 고체의 화합물로서 증착시 유속조절을 용이하게 하기 때문에 재현성 있는 증착에 큰 효과가 있다. 아울러, 증착 속도 또한 증기압에 비례하기 때문에 경제성 면에서도 유리하며, 다른 일반적인 화합물들이 공기와 접촉시 쉽게 분해되는 반면에 이들 화합물은 상당시간 안정하기 때문에 취급이 용이한 장점이 있다. 또한, 상기 유기금속화합물은 열적으로 안정하기 때문에 공정의 신뢰도 및 효율성을 높일 수 있다.According to the multipurpose organometallic compound for chemical vapor deposition or atomic layer deposition of a thin film containing a metal of the present invention and a method for preparing the same, the compounds (Et 2 N) 2 Ti (hfac) 2 , (Et 2 N) 2 Ti ( acac) 2 , (Et 2 N) 2 Ti (hfac) 3 , (Me 2 N) 2 Ta (hfac) 3 uses a single organometallic compound as in Scheme 4 to change the process conditions such as reaction gas and deposition temperature. It can be used as a versatile compound that can continuously deposit diffusion barrier films (TiN, TaN), adhesive films (Ti, Ta), dielectric films (TiO 2 , Ta 2 O 3 ), etc. It is a liquid or solid compound that shows high vapor pressure even at temperature, and thus has a great effect on reproducible deposition because it facilitates flow rate control during deposition. In addition, since the deposition rate is also proportional to the vapor pressure, it is advantageous in terms of economics, while other common compounds are easily decomposed upon contact with air, while these compounds are stable for a considerable time, so there is an advantage of easy handling. In addition, since the organometallic compound is thermally stable, it is possible to increase the reliability and efficiency of the process.
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