KR102592166B1 - Disubstituted alkyne dicobalt hexacarbonyl compounds, method of making and method of use thereof - Google Patents
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Abstract
본원에는 코발트 화합물, 코발트 화합물들을 제조하는 방법들, 코발트-함유 막들을 증착하기 위한 전구체들로서 사용되는 코발트 화합물들(예를 들어, 코발트, 코발트 옥사이드, 코발트 니트라이드, 코발트 실리사이드, 등); 및 코발트 막들이 기술된다. 코발트 전구체 화합물들의 예에는 (이치환된 알킨) 디코발트 헥사크보닐 화합물들이 있다. 금속-함유 막들의 증착을 위한 표면들의 예들은 금속들, 금속 옥사이드들, 금속 니트라이드들, 및 금속 실리사이드들을 포함하지만, 이로 제한되지 않는다. 본원에는 특정 표면들 상에서 선택적 증착 및/또는 균일성, 연속성, 및 낮은 저항과 같은 우수한 막 성질들을 위해 사용되는 코발트 착물들을 형성시키기 위해 선형 알킬들 및 분지형 알킬들과 같은 알킬 기들을 갖는 이치환된 알킨 리간드들이 기술된다.Disclosed herein are cobalt compounds, methods of making cobalt compounds, cobalt compounds used as precursors for depositing cobalt-containing films (e.g., cobalt, cobalt oxide, cobalt nitride, cobalt silicide, etc.); and cobalt films are described. Examples of cobalt precursor compounds include (disubstituted alkyne) dicobalt hexacbonyl compounds. Examples of surfaces for deposition of metal-containing films include, but are not limited to, metals, metal oxides, metal nitrides, and metal silicides. Disubstituted cobalt compounds having alkyl groups such as linear alkyls and branched alkyls are disclosed herein to form cobalt complexes used for selective deposition on certain surfaces and/or excellent film properties such as uniformity, continuity, and low resistivity. Alkyne ligands are described.
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본 특허 출원은 2016년 11월 1일에 출원된 미국가특허출원 일련번호 제62/415,822호의 이익을 청구하는 2017년 10월 23일에 출원된 미국특허출원 일련번호 제15/790931호의 일부계속출원이다. 본 개시내용은 본원에 참고로 포함된다.This patent application is a continuation-in-part of U.S. Patent Application Serial No. 15/790931, filed on October 23, 2017, which claims the benefit of U.S. Provisional Patent Application Serial No. 62/415,822, filed on November 1, 2016. . This disclosure is incorporated herein by reference.
본원에는 코발트 화합물들, 코발트 화합물들을 제조하는 방법, 및 코발트 함유 막들의 증착에서 사용하기 위한 코발트 화합물들을 포함하는 조성물들이 기술된다.Described herein are cobalt compounds, methods of making cobalt compounds, and compositions comprising cobalt compounds for use in the deposition of cobalt-containing films.
코발트-함유 막들은 반도체 또는 전자기기 적용들에서 널리 사용되고 있다. 화학적 증기 증착(CVD) 및 원자층 증착(ALD)은 반도체 디바이스들을 위한 박막들을 생성시키기 위한 주요 증착 기술들로서 적용되고 있다. 이러한 방법들은 금속-함유 화합물들(전구체들)의 화학 반응들을 통해 콘포말한 막들(conformal films)(금속, 금속 옥사이드, 금속 니트라이드, 금속 실리사이드, 등)의 달성을 가능하게 한다. 화학 반응들은 금속들, 금속 옥사이드들, 금속 니트라이드들, 금속 실리사이드들, 및 다른 표면들을 포함할 수 있는 표면들 상에서 일어난다.Cobalt-containing films are widely used in semiconductor or electronic applications. Chemical vapor deposition (CVD) and atomic layer deposition (ALD) are applied as major deposition techniques to create thin films for semiconductor devices. These methods allow the achievement of conformal films (metals, metal oxides, metal nitrides, metal silicides, etc.) through chemical reactions of metal-containing compounds (precursors). Chemical reactions occur on surfaces, which may include metals, metal oxides, metal nitrides, metal silicides, and other surfaces.
전이 금속들, 특히, 망간, 철, 코발트, 및 루테늄의 막들은 다양한 반도체 또는 전자기기 적용들을 위해 중요하다. 예를 들어, 코발트 박막들은 이의 높은 자기 유전율(magnetic permittivity)로 인하여 관심을 갖는다. 코발트-함유 박막들은 Cu/저-k 배리어들, 패시베이션 층들, 및 초대형 집적 소자들용 캡핑 층들로서 사용되고 있다. 코발트는 집적 회로들의 배선 및 인터커넥트들에서 구리의 대체를 위해 고려되고 있다.Films of transition metals, particularly manganese, iron, cobalt, and ruthenium, are important for a variety of semiconductor or electronic applications. For example, cobalt thin films are of interest due to their high magnetic permittivity. Cobalt-containing thin films are being used as Cu/low-k barriers, passivation layers, and capping layers for very large integrated devices. Cobalt is being considered for replacement of copper in wiring and interconnects of integrated circuits.
일부 Co 막 증착 전구체들이 당해 분야에서 연구되었다.Some Co film deposition precursors have been studied in the art.
US 2016/0115588 A1호에는 코발트-함유 막 형성 조성물들, 및 막 증착에서의 이의 용도가 기재되어 있다.US 2016/0115588 A1 describes cobalt-containing film forming compositions and their use in film deposition.
WO 2015/127092 A1호에는 집적회로 및 박막 제품들의 제작에서, 인터커넥트들, 캡핑 구조물들, 및 벌크 코발트 전도체들을 형성시키기 위한 ALD 및 CVD 공정들에서와 같이, 기판들 상의 코발트의 증기 증착을 위한 전구체들이 기재되어 있다.WO 2015/127092 A1 discloses a precursor for vapor deposition of cobalt on substrates, such as in ALD and CVD processes for forming interconnects, capping structures, and bulk cobalt conductors, in the fabrication of integrated circuits and thin film products. are listed.
US 2015/0093890 A1호에는 금속 전구체들, 및 집적회로 소자 상에서 금속 전구체를 분해하고 금속 전구체로부터 금속을 형성시키는 것을 포함하는 방법들이 기재되어 있다. 금속 전구체들은 1개 내지 6개의 탄소 원자들을 갖는 선형 또는 분지형 일가 탄화수소 기들로 치환된 (알킨) 디코발트 헥사카보닐 화합물들, 일핵 코발트 카보닐 니트로실, 붕소, 인듐, 게르마늄 및 주석 모이어티 중 하나에 결합된 코발트 카보닐들, 일핵 또는 이핵 알릴에 결합된 코발트 카보닐들, 및 질소-기반 지지 리간드들을 포함하는 코발트 화합물로 이루어진 군으로부터 선택된다.US 2015/0093890 A1 describes metal precursors and methods comprising decomposing the metal precursor and forming a metal from the metal precursor on an integrated circuit device. Metal precursors include (alkyne) dicobalt hexacarbonyl compounds substituted with linear or branched monovalent hydrocarbon groups having 1 to 6 carbon atoms, mononuclear cobalt carbonyl nitrosyl, boron, indium, germanium and tin moieties. selected from the group consisting of cobalt carbonyls bonded to one, cobalt carbonyls bonded to mononuclear or dinuclear allyl, and cobalt compounds comprising nitrogen-based supporting ligands.
WO 2014/118748 A1호에는 코발트 화합물들, 상기 코발트 화합물들의 합성, 및 코발트-함유 막들의 증착에서의 코발트 화합물들의 용도가 기재되어 있다.WO 2014/118748 A1 describes cobalt compounds, their synthesis, and their use in the deposition of cobalt-containing films.
문헌[Keunwoo Lee et al. (Japanese Journal of Applied Physics, 2008, Vol. 47, No. 7, 5396-5399)]에는 코발트 전구체로서 3차-부틸아세틸렌(디코발트 헥사카보닐)(CCTBA) 및 H2 반응물 가스를 사용하여 금속 유기 화학적 증기 증착(MOCVD)에 의한 코발트 막들의 증착이 기재되어 있다. 막에서 탄소 및 산소 불순물들은 H2 부분압이 증가함에 따라 감소하지만, 막 중의 가장 낮은 탄소 양은 150℃에서 2.8 원자%였다. 증착 온도의 증가는 높은 불순물 함량을 야기시켰으며, 높은 막 저항률은 CCTBA 전구체의 과도한 열분해에 기여하였다.Keunwoo Lee et al. (Japanese Journal of Applied Physics, 2008, Vol. 47, No. 7, 5396-5399)] used tert-butylacetylene (dicobalt hexacarbonyl) (CCTBA) as a cobalt precursor and H 2 reactant gas to form the metal. The deposition of cobalt films by organic chemical vapor deposition (MOCVD) is described. Carbon and oxygen impurities in the film decrease with increasing H 2 partial pressure, but the lowest amount of carbon in the film was 2.8 atomic percent at 150°C. The increase in deposition temperature resulted in high impurity content, and the high film resistivity contributed to excessive thermal decomposition of the CCTBA precursor.
문헌[C. Georgi et al. (J. Mater. Chem. C, 2014, 2, 4676-4682)]에는 (알킨) 디코발트 헥사카보닐 전구체들로부터 Co 금속 막들을 형성시키는 것이 교시되어 있다. 그러나, 그러한 전구체들은, 막들이 높은 저항률을 야기시키는 높은 수준의 탄소 및/또는 산소를 여전히 함유하기 때문에, 요망되지 않는다. 또한, 그러한 문헌에는 Co의 연속적인 박막들을 증착시키는 능력을 지지하는 것에 대해 입증되어 있지 않다.Literature [C. Georgi et al. (J. Mater. Chem. C, 2014, 2, 4676-4682) teaches the formation of Co metal films from (alkyne) dicobalt hexacarbonyl precursors. However, such precursors are not desirable because the films still contain high levels of carbon and/or oxygen causing high resistivity. Additionally, there is no evidence in the literature to support the ability to deposit continuous thin films of Co.
JP2015224227호에는 (알킨) 디코발트 헥사카보닐 화합물들을 생성하기 위한 일반적인 합성 공정이 기재되어 있다. (3차-부틸 메틸 아세틸렌) 디코발트 헥사카보닐(CCTMA)은 낮은 저항률을 갖는 코발트 막들을 생성시키는데 사용된다. 그러나, (3차-부틸아세틸렌) 디코발트 헥사카보닐(CCTBA)에 비해 막 성질들의 개선이 나타나지 않는다. 또한, (3차-부틸 메틸 아세틸렌) 디코발트 헥사카보닐은 고융점(ca. 160℃) 고체이다. 100℃ 이하, 또는 더욱 바람직하게, 30℃ 이하에서 액체인 전구체들이 더욱 요망될 수 있다.JP2015224227 describes a general synthetic process for producing (alkyne) dicobalt hexacarbonyl compounds. (tert-butyl methyl acetylene) dicobalt hexacarbonyl (CCTMA) is used to produce cobalt films with low resistivity. However, no improvement in membrane properties is seen compared to (tert-butylacetylene) dicobalt hexacarbonyl (CCTBA). Additionally, (tert-butyl methyl acetylene) dicobalt hexacarbonyl is a high melting point (ca. 160° C.) solid. Precursors that are liquid below 100°C, or more preferably below 30°C, may be more desirable.
일반적으로, 고순도 코발트 막들을 전달하거나 다른 기판에 대한 하나의 기판 상의 코발트 막의 증착에 대한 높은 선택성을 나타내는 ALD 및 CVD 전구체들에 대한 제한된 옵션들이 존재한다. 증착된 막들의 막 균일성, 막 연속성, 전기적 성질들, 및 막 증착 선택성을 향상시키기 위해, 고순도 코발트 박막들 및 벌크 코발트 전도체들을 위한 신규한 전구체들의 개발이 필요하고, 요구된다.In general, there are limited options for ALD and CVD precursors that deliver high purity cobalt films or exhibit high selectivity for deposition of a cobalt film on one substrate over another. The development of novel precursors for high purity cobalt thin films and bulk cobalt conductors is needed and desired to improve film uniformity, film continuity, electrical properties, and film deposition selectivity of deposited films.
본원에는 코발트 화합물들(또는 착물들, 용어 화합물들 및 착물들은 교대 사용가능함), 코발트 화합물들을 제조하는 방법들, 코발트-함유 막들을 증착하기 위해 사용되는 코발트 금속-막 전구체들을 포함하는 조성물들; 및 코발트 화합물들을 사용하여 증착된 코발트 함유 막들이 기술된다.Disclosed herein are cobalt compounds (or complexes; the terms compounds and complexes are used interchangeably), methods for preparing cobalt compounds, compositions comprising cobalt metal-film precursors used to deposit cobalt-containing films; and cobalt-containing films deposited using cobalt compounds.
본원에 기술된 코발트 전구체 화합물들의 예들은 (알킨) 디코발트 헥사카보닐 화합물들을 포함하지만, 이로 제한되지 않는다. 코발트-함유 막들의 예들은 코발트 막들, 코발트 옥사이드 막들, 코발트 실리사이드 및 코발트 니트라이드 막들을 포함하지만, 이로 제한되지 않는다. 금속-함유 막들의 증착을 위한 표면들의 예들은 금속들, 금속 옥사이드들, 금속 니트라이드들, 실리콘 옥사이드 및 실리콘 니트라이드를 포함하지만, 이로 제한되지 않는다.Examples of cobalt precursor compounds described herein include, but are not limited to, (alkyne) dicobalt hexacarbonyl compounds. Examples of cobalt-containing films include, but are not limited to, cobalt films, cobalt oxide films, cobalt silicide and cobalt nitride films. Examples of surfaces for deposition of metal-containing films include, but are not limited to, metals, metal oxides, metal nitrides, silicon oxide, and silicon nitride.
특정 적용들을 위하여, 공지된 Co 증착 전구체들을 사용하여 증착된 (1 내지 2 nm) Co 박막들에 비해 보다 양호한 Co 막 핵형성 및 보다 낮은 막 저항률이 요구된다. 일 예로서, 공지된 Co 증착 전구체들을 사용하여 증착된 Co 박막들에 비해 보다 양호한 TaN 상의 Co 막 핵형성 및 보다 낮은 막 저항률이 요구된다.For certain applications, better Co film nucleation and lower film resistivity are required compared to (1-2 nm) Co thin films deposited using known Co deposition precursors. As an example, better Co film nucleation and lower film resistivity on TaN are required compared to Co thin films deposited using known Co deposition precursors.
다른 적용들을 위하여, 특정 표면들 상의 선택적 증착이 요구된다. 예를 들어, 유전체 표면들(예를 들어, SiO2)에 대한 구리 금속 표면들 상의 코발트 막들의 선택적 증착.For other applications, selective deposition on specific surfaces is required. For example, selective deposition of cobalt films on copper metal surfaces relative to dielectric surfaces (eg SiO 2 ).
일 구체예에서, 일치환된 알킨 리간드를 갖는 코발트-함유 전구체들에 대한 이치환된 알킨 리간드들을 갖는 코발트-함유 전구체들의 보다 높은 열 안정성이 유전체 표면에 비해 구리 상에 코발트-함유 막을 선택적으로 증착시키기 위해 사용된다.In one embodiment, the higher thermal stability of cobalt-containing precursors with disubstituted alkyne ligands relative to cobalt-containing precursors with monosubstituted alkyne ligands allows for selective deposition of cobalt-containing films on copper compared to dielectric surfaces. It is used for.
선택적 증착은 다른 표면에 비해 하나의 표면과 선택적으로 상호작용할 수 있는 리간드들을 갖는 코발트 화합물들을 사용함으로써 달성된다. 대안적으로, 선택적 증착은 다른 표면에 비해 하나의 표면과 선택적으로 반응하는 코발트 화합물들을 사용함으로써 달성된다.Selective deposition is achieved by using cobalt compounds that have ligands that can selectively interact with one surface over another. Alternatively, selective deposition is achieved by using cobalt compounds that react selectively with one surface over another.
일 구체예에서, 금속 증착률 및/또는 금속 막 순도에 대한 영향은 Co 막 전구체의 배위된 리간드들의 개질에 의해 리간드 해리 에너지를 변경시킴으로써 실현될 수 있다. 리간드 해리 에너지를 변경시키기 위한 하나의 방법은 리간드 상의 작용기들의 크기를 증가시키거나 감소시키는 것이다. 또한, 리간드 상의 작용기들의 수는 리간드 해리 에너지를 변경시킬 수 있다. 리간드 해리 에너지에 영향을 미치는 일 예는 일-치환된 및 이-치환된 (알킨) 디코발트 헥사카보닐 착물들로부터 알킨 리간드 해리 에너지의 관찰된 변화이다.In one embodiment, influence on metal deposition rate and/or metal film purity can be realized by altering the ligand dissociation energy by modification of the coordinated ligands of the Co film precursor. One way to change the ligand dissociation energy is to increase or decrease the size of the functional groups on the ligand. Additionally, the number of functional groups on a ligand can change the ligand dissociation energy. One example of an effect on ligand dissociation energy is the observed change in alkyne ligand dissociation energy from mono- and di-substituted (alkyne) dicobalt hexacarbonyl complexes.
다른 구체예에서, Co 막 전구체의 융점은 알킨 리간드 상의 작용기들을 변경시킴으로써 낮아진다.In another embodiment, the melting point of the Co film precursor is lowered by modifying the functional groups on the alkyne ligand.
일 양태에서, 본 발명은 하기 화학식을 갖는 이치환된 알킨 디코발트 카보닐 헥사카보닐 화합물을 기술한다:In one aspect, the invention describes disubstituted alkyne dicobalt carbonyl hexacarbonyl compounds having the formula:
Co2(CO)6(R1C≡CR2); Co 2 (CO) 6 (R 1 C≡CR 2 );
상기 식에서, R1은 3차 알킬 기이며, R2는 적어도 두 개의 탄소 원자들을 갖는 선형 알킬 기, 이소프로필 및 이소부틸로 이루어진 군으로부터 선택된다.wherein R 1 is a tertiary alkyl group and R 2 is selected from the group consisting of linear alkyl groups having at least two carbon atoms, isopropyl and isobutyl.
다른 양태에서, 본 발명은 용매 중에서 이치환된 알킨 착물을 디코발트 옥타카보닐에 첨가하는 단계를 포함하는, 이치환된 알킨 디코발트 카보닐 헥사카보닐 화합물을 합성하는 방법을 기술하며,In another aspect, the invention describes a method of synthesizing a disubstituted alkyne dicobalt carbonyl hexacarbonyl compound comprising adding the disubstituted alkyne complex to dicobalt octacarbonyl in a solvent,
여기서,here,
이치환된 알킨 착물은 R1C≡CR2의 구조를 가지며, 여기서, R1은 3차 알킬 기이며, R2는 적어도 두 개의 탄소 원자들을 갖는 선형 알킬 기, 이소프로필 및 이소부틸로 이루어진 군으로부터 선택되며;The disubstituted alkyne complex has the structure R 1 C≡CR 2 , where R 1 is a tertiary alkyl group and R 2 is a linear alkyl group having at least two carbon atoms, from the group consisting of isopropyl and isobutyl. is selected;
이치환된 알킨은 용매 중에서 디코발트 옥타카보닐과 반응하여, 이치환된 알킨 디코발트 카보닐 헥사카보닐 화합물을 형성한다.The disubstituted alkyne reacts with dicobalt octacarbonyl in a solvent to form a disubstituted alkyne dicobalt carbonyl hexacarbonyl compound.
또 다른 양태에서, 본 발명은 반응기에서 기판 상에 Co 막을 증착시키는 방법으로서,In another aspect, the present invention provides a method for depositing a Co film on a substrate in a reactor, comprising:
반응기에 기판을 제공하고;providing a substrate to the reactor;
반응기에 Co 전구체를 제공하고;providing a Co precursor to the reactor;
기판을 Co 전구체와 접촉시키고;contacting the substrate with a Co precursor;
기판 상에 Co 함유 막을 형성하는 것을 포함하며,It includes forming a Co-containing film on a substrate,
여기서, Co 전구체는 화학식 Co2(CO)6(R1C≡CR2)(여기서, R1은 3차 알킬 기이며, R2는 선형 알킬 기임)를 갖는 이치환된 알킨 디코발트 카보닐 헥사카보닐 화합물이며;Here, the Co precursor is a disubstituted alkyne dicobalt carbonyl hexacarbohydrate having the formula Co 2 (CO) 6 (R 1 C≡CR 2 ), where R 1 is a tertiary alkyl group and R 2 is a linear alkyl group. It is a Nyl compound;
기판은 금속, 금속 옥사이드, 금속 니트라이드, 실리콘 옥사이드, 실리콘 니트라이드, 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 방법을 기술한다.The substrate describes a method selected from the group consisting of metals, metal oxides, metal nitrides, silicon oxides, silicon nitrides, and combinations thereof.
또 다른 양태에서, 본 발명은 화학식 Co2(CO)6(R1C≡CR2)(여기서, R1은 3차 알킬 기이며, R2는 선형 알킬 기임)를 갖는 이치환된 알킨 디코발트 카보닐 헥사카보닐 화합물을 사용함으로써 증착된 코발트 함유 막을 기술한다.In another aspect, the invention relates to a disubstituted alkyne dicobalt carbo having the formula Co 2 (CO) 6 (R 1 C≡CR 2 ), wherein R 1 is a tertiary alkyl group and R 2 is a linear alkyl group. Cobalt containing films deposited by using a nyl hexacarbonyl compound are described.
또 다른 양태에서, 본 발명은 반응기에서 기판 상에 코발트를 선택적으로 증착시키는 방법으로서,In another aspect, the present invention provides a method for selectively depositing cobalt on a substrate in a reactor, comprising:
반응기에 기판을 제공하되, 기판은 적어도 하나의 패턴화된 유전층 및 적어도 하나의 패턴화된 전도성 금속 층을 포함하고;Provide a substrate to the reactor, the substrate comprising at least one patterned dielectric layer and at least one patterned conductive metal layer;
적어도 하나의 패턴화된 전도성 금속 층의 적어도 표면을 포함하는 기판의 표면으로부터 오염물을 제거하기 위해 사전-처리를 수행하고;performing pre-treatment to remove contaminants from the surface of the substrate, including at least the surface of at least one patterned conductive metal layer;
반응기에 Co 전구체를 제공하고;providing a Co precursor to the reactor;
기판을 Co 전구체와 접촉시키고;contacting the substrate with a Co precursor;
기판 상에 Co 함유 막을 형성하는 것을 포함하며,It includes forming a Co-containing film on a substrate,
여기서, Co 전구체는 화학식 Co2(CO)6(R1C≡CR2)(여기서, R1은 3차 알킬 기이며, R2는 선형 알킬 기, 이소프로필 및 이소부틸임)를 갖는 이치환된 알킨 디코발트 카보닐 헥사카보닐 화합물이며; Co 함유 막은 1 초과의, 적어도 하나의 패턴화된 유전층 상에 형성된 코발트 함유 막의 두께에 대한 적어도 하나의 패턴화된 전도성 금속 층 상에 형성된 코발트 함유 막의 두께의 비율을 갖는, 적어도 하나의 패턴화된 전도성 금속 층 상에 선택적으로 증착되는 방법을 기술한다.Here, the Co precursor is a disubstituted polymer having the formula Co 2 (CO) 6 (R 1 C≡CR 2 ), where R 1 is a tertiary alkyl group and R 2 is a linear alkyl group, isopropyl and isobutyl. It is an alkyne dicobalt carbonyl hexacarbonyl compound; The Co-containing film has at least one patterned dielectric layer having a ratio of the thickness of the cobalt-containing film formed on the at least one patterned conductive metal layer to the thickness of the cobalt-containing film formed on the at least one patterned dielectric layer greater than 1. A method for selectively depositing a conductive metal layer is described.
또 다른 양태에서, 본 발명은 본 발명에 개시된 기판 상에 코발트를 선택적으로 증착시키는 방법에 따라 증착된 코발트 함유 막을 갖는 기판을 갖는 반도체 디바이스를 개시한다.In another aspect, the present invention discloses a semiconductor device having a substrate having a cobalt-containing film deposited according to the method for selectively depositing cobalt on a substrate disclosed herein.
3차 알킬 기는 3차-부틸 및 3차-아밀을 포함하지만, 이로 제한되지 않으며; 선형 알킬 기는 n-에틸, n-프로필, 및 n-부틸, n-펜틸, 및 n-헥실을 포함하지만, 이로 제한되지 않는다.Tertiary alkyl groups include, but are not limited to, tert-butyl and tert-amyl; Linear alkyl groups include, but are not limited to, n-ethyl, n-propyl, and n-butyl, n-pentyl, and n-hexyl.
이치환된 알킨 디코발트 카보닐 헥사카보닐 화합물은 (2,2-디메틸-3-헵틴) 디코발트 헥사카보닐(CCTPA), (2,2,6-트리메틸-3-헵틴) 디코발트 헥사카보닐(CCTIBA); (2,2-디메틸-3-옥틴) 디코발트 헥사카보닐(CCTNBA); (2,2-디메틸-3-데신) 디코발트 헥사카보닐(CCTHA), 및 (3차-부틸메틸아세틸렌) 디코발트 헥사카보닐(CCTMA)을 포함하지만, 이로 제한되지 않는다.Disubstituted alkyne dicobalt carbonyl hexacarbonyl compounds include (2,2-dimethyl-3-heptyne) dicobalt hexacarbonyl (CCTPA), (2,2,6-trimethyl-3-heptyne) dicobalt hexacarbonyl (CCTIBA); (2,2-dimethyl-3-octyne) dicobalt hexacarbonyl (CCTNBA); (2,2-dimethyl-3-decyne) dicobalt hexacarbonyl (CCTHA), and (tert-butylmethylacetylene) dicobalt hexacarbonyl (CCTMA).
코발트 함유 막은 바람직하게, 30℃ 이하의 온도에서 액체 형태인 이치환된 알킨 디코발트 카보닐 헥사카보닐 화합물을 사용함으로써 증착된다.Cobalt-containing films are preferably deposited by using disubstituted alkyne dicobalt carbonyl hexacarbonyl compounds that are in liquid form at temperatures below 30°C.
코발트 함유 막은 코발트 막, 코발트 옥사이드 막, 코발트 실리사이드 막, 및 코발트 니트라이드 막을 포함하지만, 이로 제한되지 않는다. 코발트 함유 막은 2.5 원자% 미만, 바람직하게, 1.5 원자% 미만, 및 더욱 바람직하게, 0.5 원자% 미만의 탄소를 함유한다.Cobalt-containing films include, but are not limited to, cobalt films, cobalt oxide films, cobalt silicide films, and cobalt nitride films. The cobalt-containing film contains less than 2.5 atomic percent carbon, preferably less than 1.5 atomic percent carbon, and more preferably less than 0.5 atomic percent carbon.
본 발명은 하기에서 첨부된 도면들과 함께 기술될 것이며, 여기서, 동일한 숫자들은 유사한 구성요소들을 나타낸다:
도 1은 질소 흐름 하에서 측정하는 경우에, 일-치환된 알킨 코발트 착물, (3,3-디메틸-1-부틴) 디코발트 헥사카보닐(CCTBA), 및 일련의 이-치환된 알킨 코발트 착물들, (3차-부틸 R 알킨) 디코발트 헥사카보닐(여기서, R은 메틸(CCTMA), n-프로필(CCTPA), n-부틸(CCTNBA), 및 n-헥실(CCTHA)임)에 대한 열중량측정분석(TGA) 데이타의 오버레이(overlay)를 나타낸 것이다.
도 2는 질소 흐름 하에서 75℃에서 측정한 경우에, (2,2-디메틸-3-옥틴) 디코발트 헥사카보닐(코발트 카보닐 3차-부틸 N-부틸 아세틸렌-CCTNBA)에 대한 등온 열중량측정분석(TGA) 데이타를 도시한 것이다.
도 3은 시일링된 SS316 DSC 팬에서 측정하는 경우에, (3,3-디메틸-1-부틴) 디코발트 헥사카보닐(CCTBA) 및 (2,2-디메틸-3-옥틴) 디코발트 헥사카보닐(CCTNBA)에 대한 시차주사 열량측정(DSC) 데이타의 비교를 도시한 것이다.
도 4는 (3,3-디메틸-1-부틴) 디코발트 헥사카보닐(CCTBA) 및 (4,4-디메틸-2-펜틴 디코발트 헥사카보닐(CCTMA)에 대한, Co 막 저항률 대 막 두께의 오버레이를 도시한 것이다.
도 5는 Co 막 전구체로서 4,4-디메틸-2-펜틴 디코발트 헥사카보닐(CCTMA)을 사용하여 SiO2 상에 증착된 코발트 막들의 투과 전자 현미경(TEM) 이미지를 도시한 것이다.
도 6은 Co 막 전구체들로서 (3,3-디메틸-1-부틴) 디코발트 헥사카보닐(CCTBA) 및 4,4-디메틸-2-펜틴 디코발트 헥사카보닐(CCTMA)을 사용하여 SiO2 상에 증착된 코발트 막들의 X-선 광전자 분광(XPS) 데이타를 도시한 것이다.The invention will be described below in conjunction with the accompanying drawings, in which like numbers represent like elements:
Figure 1 shows a mono-substituted alkyne cobalt complex, (3,3-dimethyl-1-butyne) dicobalt hexacarbonyl (CCTBA), and a series of di-substituted alkyne cobalt complexes when measured under nitrogen flow. , (tert-butyl R alkyne) dicobalt hexacarbonyl, where R is methyl (CCTMA), n-propyl (CCTPA), n-butyl (CCTNBA), and n-hexyl (CCTHA) It shows an overlay of gravimetric analysis (TGA) data.
Figure 2 is the isothermal thermogravimetric weight for (2,2-dimethyl-3-octyne) dicobalt hexacarbonyl (cobalt carbonyl tert-butyl N-butyl acetylene-CCTNBA), measured at 75°C under nitrogen flow. This shows measurement analysis (TGA) data.
Figure 3 shows (3,3-dimethyl-1-butyne) dicobalt hexacarbonyl (CCTBA) and (2,2-dimethyl-3-octyne) dicobalt hexacarbonyl, as measured in a sealed SS316 DSC pan. A comparison of differential scanning calorimetry (DSC) data for Neil (CCTNBA) is shown.
Figure 4 shows Co film resistivity versus film thickness for (3,3-dimethyl-1-butyne) dicobalt hexacarbonyl (CCTBA) and (4,4-dimethyl-2-pentyne dicobalt hexacarbonyl (CCTMA). It shows an overlay of .
Figure 5 shows transmission electron microscopy (TEM) images of cobalt films deposited on SiO 2 using 4,4-dimethyl-2-pentyne dicobalt hexacarbonyl (CCTMA) as the Co film precursor.
Figure 6 shows the SiO 2 phase using (3,3-dimethyl-1-butyne) dicobalt hexacarbonyl (CCTBA) and 4,4-dimethyl-2-pentyne dicobalt hexacarbonyl (CCTMA) as Co film precursors. X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) data of cobalt films deposited on is shown.
후속하는 상세한 설명은 단지 바람직한 예시적 구체예들을 제공하는 것으로서, 본 발명의 범위, 적용 가능성, 또는 구성을 한정하도록 의도되지 않는다. 오히려, 후속하는 바람직한 예시적인 구체예들의 상세한 설명은 본 발명의 바람직한 예시적 구체예들을 실행하기 위해 가능한 설명을 당업자에게 제공할 것이다. 다양한 변경들은 첨부된 청구범위에 기술된 바와 같이, 본 발명의 사상 및 범위로부터 벗어나지 않으면서 구성요소들의 기능 및 배열에서 이루어질 수 있다.The detailed description that follows provides preferred exemplary embodiments only and is not intended to limit the scope, applicability, or configuration of the invention. Rather, the detailed description of the preferred exemplary embodiments that follows will provide those skilled in the art with enabling instructions for practicing the preferred exemplary embodiments of the invention. Various changes may be made in the function and arrangement of components without departing from the spirit and scope of the invention, as set forth in the appended claims.
청구범위에서, 문자들은 청구된 방법 단계들(예를 들어, a, b 및 c)을 확인하기 위해 사용될 수 있다. 이러한 문자들은 방법 단계들을 지칭하는데 도움을 주기 위해 사용되고, 순서가 청구범위에 상세하기 기술되지 않는 경우 그리고 단지 어느 정도까지 기술되는 경우에, 청구된 단계들이 수행되는 순서를 명시하기 위해 의도되는 것은 아니다.In the claims, letters may be used to identify claimed method steps (eg, a, b, and c). These letters are used to help refer to method steps and are not intended to specify the order in which the claimed steps are performed, unless the order is described in detail in the claims and is only described to some extent. .
본원에는 코발트 화합물들, 코발트 화합물들을 제조하는 방법, 및 코발트-함유 막들(예를 들어, 코발트, 코발트 옥사이드, 코발트 니트라이드, 코발트 실리사이드 막, 등)을 증착시키기 위해 사용되는 코발트 금속-막 전구체들을 포함하는 조성물들이 기술된다.Disclosed herein are cobalt compounds, methods of making cobalt compounds, and cobalt metal-film precursors used to deposit cobalt-containing films (e.g., cobalt, cobalt oxide, cobalt nitride, cobalt silicide films, etc.). Compositions comprising are described.
코발트 전구체 화합물들의 예들은 (알킨) 디코발트 헥사카보닐 화합물들을 포함하지만, 이로 제한되지 않는다.Examples of cobalt precursor compounds include, but are not limited to, (alkyne) dicobalt hexacarbonyl compounds.
금속-함유 막들의 증착을 위한 표면들의 예들은 금속들, 금속 옥사이드들, 금속 니트라이드들, 금속 실리사이드들, 실리콘, 실리콘 옥사이드, 및 실리콘 니트라이드를 포함하지만, 이로 제한되지 않는다.Examples of surfaces for deposition of metal-containing films include, but are not limited to, metals, metal oxides, metal nitrides, metal silicides, silicon, silicon oxide, and silicon nitride.
코발트-함유 막들의 예들은 코발트, 코발트 옥사이드, 코발트 실리사이드 및 코발트 니트라이드를 포함하지만, 이로 제한되지 않는다.Examples of cobalt-containing films include, but are not limited to, cobalt, cobalt oxide, cobalt silicide, and cobalt nitride.
본 발명의 일 양태는 화학식 Co2(CO)6(R1C≡CR2)(여기서, R1은 3차 알킬 기이며, R2는 선형 탄화수소들, 분지형 탄화수소들, 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택됨)를 갖는 (알킨) 디코발트 헥사카보닐 화합물들과 같은 코발트 화합물들이다.One aspect of the invention is a compound having the formula Co 2 (CO) 6 (R 1 C≡CR 2 ), where R 1 is a tertiary alkyl group and R 2 is linear hydrocarbons, branched hydrocarbons, and combinations thereof. These are cobalt compounds such as (alkyne) dicobalt hexacarbonyl compounds having (selected from the group consisting of).
본 발명의 일 구체예에서, 알킨 리간드 상의 알킬 기들은 Co 막 전구체의 융점을 낮추기 위하여 선택된다. Co 막 전구체는 전달 온도(delivery temperature)에서, 더욱 바람직하게, 주변 온도에서, 및 가장 바람직하게, 30℃ 이하의 온도에서 액체이다.In one embodiment of the invention, the alkyl groups on the alkyne ligand are selected to lower the melting point of the Co film precursor. The Co film precursor is liquid at the delivery temperature, more preferably at ambient temperature, and most preferably at a temperature below 30°C.
본 발명의 다른 구체예에서, Co 막 전구체는 주변 온도에서 액체이다.In another embodiment of the invention, the Co film precursor is liquid at ambient temperature.
본 발명의 일 구체예에서, 알킨 리간드 상의 알킬 기들은 리간드 해리 에너지(LDE; Ligand Dissociation Energy)를 낮추기 위하여 선택된다.In one embodiment of the invention, the alkyl groups on the alkyne ligand are selected to lower the Ligand Dissociation Energy (LDE).
본 발명의 다른 구체예에서, 알킨 리간드 상의 알킬 기들은 Co 막 증착 공정 동안 알킨 리간드들의 중합을 억제하기 위해 선택된다.In another embodiment of the invention, the alkyl groups on the alkyne ligands are selected to inhibit polymerization of the alkyne ligands during the Co film deposition process.
본 발명의 다른 구체예에서, (알킨) 디코발트 카보닐 화합물들은 적합한 용매(예를 들어, 헥산들, 테트라하이드로푸란, 디에틸 에테르, 톨루엔) 중에서 알킨들을 디코발트 옥타카보닐과 반응시킴으로써 합성된다.In another embodiment of the invention, (alkyne) dicobalt carbonyl compounds are synthesized by reacting alkynes with dicobalt octacarbonyl in a suitable solvent (e.g. hexanes, tetrahydrofuran, diethyl ether, toluene). .
(알킨) 디코발트 카보닐 화합물들은 감압 하에서의 증류에 의해 정제될 수 있다. 대안적으로, (알킨) 디코발트 헥사카보닐 화합물들은 알루미나 또는 실리카와 같은 지지체 상에서의 크로마토그래피에 의해 정제될 수 있다. 고체 (알킨) 디코발트 카보닐 화합물들은 감압 하에서의 승화에 의해 정제될 수 있다.(Alkyne) dicobalt carbonyl compounds can be purified by distillation under reduced pressure. Alternatively, (alkyne) dicobalt hexacarbonyl compounds can be purified by chromatography on a support such as alumina or silica. Solid (alkyne) dicobalt carbonyl compounds can be purified by sublimation under reduced pressure.
본 발명의 일 구체예는 화학식 Co2(CO)6(R1C≡CR2)(여기서, R1은 3차 알킬 기이며, R2는 적어도 두 개의 탄소 원자들을 갖는 선형 알킬 기임)를 갖는 (알킨) 디코발트 헥사카보닐 화합물들이다. 3차 알킬 기들의 예들은, 3차-부틸 및 3차-아밀이지만, 이로 제한되지 않는다. 적어도 두 개의 탄소 원자들을 갖는 선형 알킬 기들의 예들은 n-에틸, n-프로필, n-부틸, n-펜틸, n-헥실, n-펜틸, 및 n-헥실이지만, 이로 제한되지 않는다.One embodiment of the invention is a compound having the formula Co 2 (CO) 6 (R 1 C≡CR 2 ), where R 1 is a tertiary alkyl group and R 2 is a linear alkyl group having at least two carbon atoms. (Alkyne) dicobalt hexacarbonyl compounds. Examples of tertiary alkyl groups include, but are not limited to, tert-butyl and tert-amyl. Examples of linear alkyl groups having at least two carbon atoms are, but are not limited to, n-ethyl, n-propyl, n-butyl, n-pentyl, n-hexyl, n-pentyl, and n-hexyl.
R1 기와 R2 기의 조합은 요망되는 코발트 착물의 융점을 낮추기 위해 선택된다. R1 기와 R2 기의 조합은 또한, 개선된 열적 안정성을 갖는 액체 (알킨) 디코발트 헥사카보닐 화합물들을 제공하기 위해 선택된다. 액체 (알킨) 디코발트 헥사카보닐 전구체들, 예를 들어, CCTBA가 당해 분야에 공지되어 있지만, 이러한 전구체들은 제한된 열적 안정성을 갖는다. 열중량 분석은 종종, 휘발성 전구체들의 증발 동안 형성된 비-휘발성 잔부를 비교하기 위해 사용된다.The combination of R 1 and R 2 groups is selected to lower the melting point of the desired cobalt complex. The combination of R 1 and R 2 groups is also selected to provide liquid (alkyne) dicobalt hexacarbonyl compounds with improved thermal stability. Liquid (alkyne) dicobalt hexacarbonyl precursors, such as CCTBA, are known in the art, but these precursors have limited thermal stability. Thermogravimetric analysis is often used to compare non-volatile residues formed during evaporation of volatile precursors.
도 1은 질소 흐름 하에서 측정하는 경우에, 일-치환된 알킨 코발트 착물, (3,3-디메틸-1-부틴) 디코발트 헥사카보닐(CCTBA), 및 일련의 이-치환된 알킨 코발트 착물들, (3차-부틸 R 알킨) 디코발트 헥사카보닐(여기서, R은 메틸(CCTMA), n-프로필(CCTPA), n-부틸(CCTNBA), 및 n-헥실(CCTHA)임)에 대한 열중량측정분석(TGA) 데이타의 오버레이를 나타낸 것이다.Figure 1 shows a mono-substituted alkyne cobalt complex, (3,3-dimethyl-1-butyne) dicobalt hexacarbonyl (CCTBA), and a series of di-substituted alkyne cobalt complexes when measured under nitrogen flow. , (tert-butyl R alkyne) dicobalt hexacarbonyl, where R is methyl (CCTMA), n-propyl (CCTPA), n-butyl (CCTNBA), and n-hexyl (CCTHA) This shows an overlay of gravimetric analysis (TGA) data.
도 1에서의 TGA 분석은, CCTMA, CCTPA 및 CCTNBA가 CCTBA와 비교하여 보다 낮은 비-휘발성 잔부를 가지고, 보다 열적으로 안정한 전구체들인 것을 나타낸다.TGA analysis in Figure 1 shows that CCTMA, CCTPA and CCTNBA are more thermally stable precursors with lower non-volatile residuals compared to CCTBA.
R1이 3차 알킬 기이고 R2가 선형 알킬 기인 전구체들은 동일한 온도에서 CCTBA와 비교하여 보다 낮은 비-휘발성 잔부를 갖는다. CCTBA와 비교하여 유사하게 더 높은 비-휘발성 잔부를 갖는 전구체만이 CCTHA이지만, 이러한 전구체는 이의 낮은 증기압으로 인하여 CCTBA와 비교하여 ~50℃ 더 높은 온도에서 증발한다. 이에 따라, 이는 비록 증발의 종결점이 50℃ 정도로 보다 높은 온도까지 이동되지만, 동일한 비-휘발성 잔부가 관찰되기 때문에, CCTBA와 비교하여 보다 양호한 열적 안정성을 여전히 갖는다. 시차주사 열량측정법은 종종, 전구체들의 열적 분해의 개시를 비교하기 위해 사용된다.Precursors in which R 1 is a tertiary alkyl group and R 2 is a linear alkyl group have a lower non-volatile residue compared to CCTBA at the same temperature. The only precursor with a similarly higher non-volatile residue compared to CCTBA is CCTHA, but this precursor evaporates at ~50° C. higher compared to CCTBA due to its lower vapor pressure. Accordingly, it still has better thermal stability compared to CCTBA, although the end point of evaporation is shifted to higher temperatures, around 50° C., since the same non-volatile residue is observed. Differential scanning calorimetry is often used to compare the onset of thermal decomposition of precursors.
도 3은 시일링된 SS316 DSC 팬에서 측정하는 경우에, (3,3-디메틸-1-부틴) 디코발트 헥사카보닐(CCTBA) 및 (2,2-디메틸-3-옥틴) 디코발트 헥사카보닐(CCTNBA)의 시차주사 열량측정(DSC) 데이타의 비교를 도시한 것이다.Figure 3 shows (3,3-dimethyl-1-butyne) dicobalt hexacarbonyl (CCTBA) and (2,2-dimethyl-3-octyne) dicobalt hexacarbonyl, as measured in a sealed SS316 DSC pan. A comparison of differential scanning calorimetry (DSC) data from Neil (CCTNBA) is shown.
도 3은, 본 발명의 액체 전구체, CCTNBA가 CCTBA와 비교하여 보다 높은 분해 온도 개시를 가짐을 나타낸다. 비교는, CCTBA가 보다 낮은 온도에서 발열적으로 분해하고, CCTNBA가 보다 높은 온도에서 흡열적으로 분해하여, CCTBA와 비교하여 CCTNBA의 개선된 열적 안정성을 야기시킨다는 것을 나타낸다.Figure 3 shows that the liquid precursor of the present invention, CCTNBA, has a higher onset decomposition temperature compared to CCTBA. The comparison shows that CCTBA decomposes exothermically at lower temperatures and CCTNBA decomposes endothermically at higher temperatures, resulting in improved thermal stability of CCTNBA compared to CCTBA.
전구체들의 열적 안정성은 증착 툴로의 전구체들의 신뢰성 있는 전달을 위해 매우 중요하다. CCTBA가 비교적 낮은 온도에서 증발 및 발열 분해 동안 비-휘발성 잔부를 나타내기 때문에, 버블러(bubbler)로부터의 이의 증발은 버블러에서 비-휘발성 잔부의 축적 및 버블러에서 CCTBA의 낮은 활용을 야기시킨다. 본 발명의 전구체들은 버블러에서 훨씬 더 양호한 활용 및 CCTBA와 비교하여 증착 툴 상에 보다 양호한 저장 수명을 제공하는 것으로 예상된다.Thermal stability of precursors is very important for reliable delivery of precursors to the deposition tool. Since CCTBA exhibits non-volatile residues during evaporation and exothermic decomposition at relatively low temperatures, its evaporation from the bubbler causes accumulation of non-volatile residues in the bubbler and low utilization of CCTBA in the bubbler. . The precursors of the present invention are expected to provide much better utilization in bubblers and better shelf life on deposition tools compared to CCTBA.
4,4-디메틸-2-펜틴과 디코발트 옥타카보닐의 반응은 두 개의 CO 리간드들의 대체 및 브릿징 4,4-디메틸-2-펜틴 리간드를 갖는 디코발트 화합물의 형성을 야기시킨다. 브릿징 4,4-디메틸-2-펜틴 리간드의 화학적 구조는, 리간드가 탄소-탄소 삼중 결합의 한 측면 상에 3차-부틸 기를 가지고 탄소-탄소 삼중 결합의 다른 측면 상에 메틸 기를 가짐을 나타낸다:The reaction of 4,4-dimethyl-2-pentyne with dicobalt octacarbonyl results in replacement of the two CO ligands and formation of a dicobalt compound with a
(4,4-디메틸-2-펜틴) 디코발트 헥사카보닐 착물(CCTMA)은 하기 구조를 갖는다:(4,4-dimethyl-2-pentyne) dicobalt hexacarbonyl complex (CCTMA) has the structure:
(4,4-디메틸-2-펜틴) 디코발트 헥사카보닐 착물은 주변 온도에서 고체이다. (4,4-디메틸-2-펜틴) 디코발트 헥사카보닐의 융점은 대략 160℃이며, 이는 적합한 전달 온도가 아니다.(4,4-dimethyl-2-pentyne) dicobalt hexacarbonyl complex is a solid at ambient temperature. The melting point of (4,4-dimethyl-2-pentyne) dicobalt hexacarbonyl is approximately 160° C., which is not a suitable delivery temperature.
(4,4-디메틸-2-펜틴) 디코발트 헥사카보닐에 대한 시차주사 열량측정(DSC) 데이타는 열적 분해의 개시가 180 내지 200℃의 온도 범위에서 일어남을 나타낸다. 이에 따라, 액체 상태의 Co 막 전구체와 함께 Co 막 증착 공정에 (4,4-디메틸-2-펜틴) 디코발트 헥사카보닐을 전달하는 것이 가능하지 않다.Differential scanning calorimetry (DSC) data for (4,4-dimethyl-2-pentyne) dicobalt hexacarbonyl indicate that the onset of thermal decomposition occurs in the temperature range of 180 to 200°C. Accordingly, it is not possible to deliver (4,4-dimethyl-2-pentyne) dicobalt hexacarbonyl to a Co film deposition process together with a liquid Co film precursor.
일 예에서, 2,2-디메틸-3-옥틴과 디코발트 옥타카보닐의 반응은 두 개의 CO 리간드들의 대체, 및 브릿징 2,2-디메틸-3-옥틴 리간드를 갖는 디코발트 화합물의 형성을 야기시킨다. 브릿징 2,2-디메틸-3-옥틴 리간드의 화학적 구조는, 리간드가 탄소-탄소 삼중 결합의 한 측면 상에 3차-부틸 기를 가지고, 탄소-탄소 삼중 결합의 다른 측면 상에 n-부틸 기를 가짐을 나타낸다:In one example, the reaction of 2,2-dimethyl-3-octyne with dicobalt octacarbonyl results in displacement of the two CO ligands and formation of a dicobalt compound with a
얻어진 휘발성 (2,2-디메틸-3-옥틴) 디코발트 헥사카보닐 착물은 진한 적색의 오일을 수득하기 위해 진공 하에서 증류될 수 있다. 이러한 Co 막 전구체는 실온에서 액체이고, 액체 상태의 Co 막 전구체와 함께 Co 막 증착 공정에 전달될 수 있다. (2,2-디메틸-3-옥틴) 디코발트 헥사카보닐의 융점은 -20℃ 미만이다.The resulting volatile (2,2-dimethyl-3-octyne) dicobalt hexacarbonyl complex can be distilled under vacuum to yield a dark red oil. This Co film precursor is liquid at room temperature and can be delivered to the Co film deposition process together with the Co film precursor in a liquid state. The melting point of (2,2-dimethyl-3-octyne) dicobalt hexacarbonyl is below -20°C.
다른 예에서, 2,2,6-트리메틸-3-헵틴과 디코발트 옥타카보닐의 반응은 두 개의 CO 리간드들의 대체, 및 브릿징 2,2,6-트리메틸-3-헵틴 리간드를 갖는 디코발트 화합물의 형성을 야기시킨다. 브릿징 2,2,6-트리메틸-3-헵틴 리간드의 화학적 구조는, 리간드가 탄소-탄소 삼중 결합의 한 측면 상에 3차-부틸 기를 가지고 탄소-탄소 삼중 결합의 다른 측면 상에 이소-부틸 기를 가짐을 나타낸다:In another example, the reaction of 2,2,6-trimethyl-3-heptine with dicobalt octacarbonyl results in displacement of two CO ligands and dicobalt with a
(2,2,6-트리메틸-3-헵틴) 디코발트 헥사카보닐 착물은 주변 온도에서 고체이다. (2,2,6-트리메틸-3-헵틴) 디코발트 헥사카보닐의 융점은 25℃ 보다 높다.(2,2,6-trimethyl-3-heptyne) dicobalt hexacarbonyl complex is a solid at ambient temperature. The melting point of (2,2,6-trimethyl-3-heptyne) dicobalt hexacarbonyl is higher than 25°C.
이에 따라, 심지어, n-부틸 기를 이소-부틸 기로 변경시키는 것과 같은, 알킬 리간드의 구조의 최소 변경들은 (알킨) 디코발트 헥사카보닐의 융점에 대한 효과를 갖는다.Accordingly, even minimal changes in the structure of the alkyl ligand, such as changing an n-butyl group to an iso-butyl group, have an effect on the melting point of (alkyne) dicobalt hexacarbonyl.
(3차-부틸 n-알킬 아세틸렌) 디코발트 헥사카보닐 착물들의 융점은 탄소 원자들의 수가 증가함에 따라, 일반적으로 감소한다. 그러나, 표 I에 나타낸 바와 같이, 탄소 원자들의 수 대 융점의 효과는 비-선형이다.The melting point of (tert-butyl n-alkyl acetylene) dicobalt hexacarbonyl complexes generally decreases as the number of carbon atoms increases. However, as shown in Table I, the effect of number of carbon atoms versus melting point is non-linear.
표 I: 일련의 (3차-부틸 n-알킬 아세틸렌) 디코발트 헥사카보닐 착물들의 융점Table I: Melting points of a series of (tert-butyl n-alkyl acetylene) dicobalt hexacarbonyl complexes
본원에 기술된 코발트 착물들 또는 조성물들은 반도체 타입 마이크로전자 디바이스들의 제작을 위하여 ALD, CVD, 펄스화 CVD, 플라즈마 강화 ALD(PEALD) 또는 플라즈마 강화 CVD(PECVD)를 위한 휘발성 전구체들로서 사용하기에 매우 적합하다. 본원에 기술된 방법을 위한 적합한 증착 공정들의 예들은 사이클릭 CVD(CCVD), MOCVD(금속 유기 CVD), 열적 화학적 증기 증착, 플라즈마 강화 화학적 증기 증착("PECVD"), 고밀도 PECVD, 광자 보조 CVD, 플라즈마-광자 보조("PPECVD"), 극저온 화학적 증기 증착, 화학적 보조 증기 증착, 고온-필라멘트 화학적 증기 증착, 액체 폴리머 전구체의 CVD, 초임계 유체들로부터의 증착, 및 저에너지 CVD(LECVD)를 포함하지만, 이로 제한되지 않는다. 특정 구체예들에서, 코발트 함유 막들은 원자층 증착(ALD), 플라즈마 강화 ALD(PEALD) 또는 플라즈마 강화 사이클릭 CVD(PECCVD) 공정을 통해 증착된다. 본원에서 사용되는 용어 "화학적 증기 증착 공정들"은 기판이 하나 이상의 휘발성 전구체들에 노출되고, 기판 표면 상에서 반응하고/거나 분해하여 요망되는 증착을 생성시키는, 임의의 공정을 지칭한다. 본원에서 사용되는 용어 "원자층 증착 공정"은 다양한 조성들의 기판들 상에 물질들의 막들을 증착시키는, 자기-제한적인(예를 들어, 각 반응 사이클에서 증착된 막 물질의 양이 일정함), 순차적 표면 화학(sequential surface chemistry)을 지칭한다. 본원에서 사용되는 전구체들, 시약들, 및 공급원들이 때때로, "가스상(gaseuous)"으로서 기술될 수 있지만, 전구체들이 직접 기화, 버블링, 또는 승화를 통해 반응기에 불활성 가스와 함께 또는 이의 없이 이송되는 액체 또는 고체 중 어느 하나일 수 있는 것으로 이해된다. 일부 경우들에서, 증기화된 전구체들은 플라즈마 발생기를 통해 진행할 수 있다. 일 구체예에서, 금속-함유 막은 ALD 공정을 이용하여 증착된다. 다른 구체예에서, 금속-함유 막은 CCVD 공정을 이용하여 증착된다. 추가의 구체예에서, 금속-함유 막은 열적 CVD 공정을 이용하여 증착된다. 본원에서 사용되는 용어 "반응기"는 비제한적으로, 반응 챔버 또는 증착 챔버를 포함한다.The cobalt complexes or compositions described herein are well suited for use as volatile precursors for ALD, CVD, pulsed CVD, plasma enhanced ALD (PEALD) or plasma enhanced CVD (PECVD) for the fabrication of semiconductor type microelectronic devices. do. Examples of suitable deposition processes for the methods described herein include cyclic CVD (CCVD), metal organic CVD (MOCVD), thermal chemical vapor deposition, plasma enhanced chemical vapor deposition (“PECVD”), high density PECVD, photon assisted CVD, Includes plasma-photon assisted (“PPECVD”), cryogenic chemical vapor deposition, chemically assisted vapor deposition, hot-filament chemical vapor deposition, CVD of liquid polymer precursors, deposition from supercritical fluids, and low energy CVD (LECVD). , but is not limited to this. In certain embodiments, cobalt-containing films are deposited via atomic layer deposition (ALD), plasma enhanced ALD (PEALD), or plasma enhanced cyclic CVD (PECCVD) processes. As used herein, the term “chemical vapor deposition processes” refers to any process in which a substrate is exposed to one or more volatile precursors, which react and/or decompose on the substrate surface to produce the desired deposition. As used herein, the term “atomic layer deposition process” refers to a self-limiting (e.g., constant amount of film material deposited in each reaction cycle), depositing films of materials on substrates of varying compositions. Refers to sequential surface chemistry. Although the precursors, reagents, and sources used herein may sometimes be described as "gaseous," the precursors are transported with or without an inert gas to the reactor through direct vaporization, bubbling, or sublimation. It is understood that it may be either a liquid or a solid. In some cases, vaporized precursors may proceed through a plasma generator. In one embodiment, the metal-containing film is deposited using an ALD process. In another embodiment, the metal-containing film is deposited using a CCVD process. In a further embodiment, the metal-containing film is deposited using a thermal CVD process. As used herein, the term “reactor” includes, but is not limited to, a reaction chamber or a deposition chamber.
특정 구체예들에서, 본원에 기술된 방법은 반응기에 도입 전 및/또는 동안에, 전구체들을 분리시키는, ADD 또는 CCVD 방법들을 이용함으로써 금속 전구체들의 사전-반응을 방지한다.In certain embodiments, the methods described herein prevent pre-reaction of metal precursors by using ADD or CCVD methods, which separate the precursors before and/or during introduction to the reactor.
특정 구체예들에서, 방법은 환원제를 사용한다. 환원제는 통상적으로 가스상 형태로 도입된다. 적합한 환원제들의 예들은 수소 가스, 수소 플라즈마, 원격 수소 플라즈마, 실란들(즉, 디에틸실란, 에틸실란, 디메틸실란, 페닐실란, 실란, 디실란, 아미노실란들, 클로로실란들), 보란들(즉, 보란, 디보란), 알란들, 게르만들, 하이드라진들, 암모니아, 또는 이들의 혼합물들을 포함하지만, 이로 제한되지 않는다.In certain embodiments, the method uses a reducing agent. The reducing agent is usually introduced in gaseous form. Examples of suitable reducing agents include hydrogen gas, hydrogen plasma, remote hydrogen plasma, silanes (i.e. diethylsilane, ethylsilane, dimethylsilane, phenylsilane, silane, disilane, aminosilane, chlorosilane), borane ( i.e., borane, diborane), allanes, germanes, hydrazines, ammonia, or mixtures thereof, but are not limited thereto.
본원에 기술된 증착 방법들은 하나 이상의 퍼지 가스들을 포함할 수 있다. 퍼지 가스는 소비되지 않은 반응물들 및/또는 반응 부산물들을 퍼징하기 위해 사용되는 것으로서, 이는 전구체들과 반응하지 않는 불활성 가스이다. 예시적인 퍼지 가스들은 아르곤(Ar), 질소(N2), 헬륨(He), 네온, 및 이들의 혼합물들을 포함하지만, 이로 제한되지 않는다. 특정 구체예들에서, 퍼지 가스, 예를 들어, Ar은 반응기에 약 0.1 내지 10000초 동안 약 10 내지 약 2000 sccm 범위의 유량으로 공급되어, 반응기에 잔류할 수 있는 미반응된 물질 및 임의의 부산물을 퍼징시킨다.Deposition methods described herein may include one or more purge gases. The purge gas is used to purge unconsumed reactants and/or reaction by-products, and is an inert gas that does not react with the precursors. Exemplary purge gases include, but are not limited to, argon (Ar), nitrogen (N 2 ), helium (He), neon, and mixtures thereof. In certain embodiments, a purge gas, such as Ar, is supplied to the reactor at a flow rate ranging from about 10 to about 2000 sccm for about 0.1 to 10000 seconds to remove unreacted material and any by-products that may remain in the reactor. purge.
에너지는 반응을 유도하고 기판 상에 금속-함유 막 또는 코팅을 형성하기 위해, 전구체, 환원제, 다른 전구체들, 또는 이들의 조합 중 적어도 하나에 적용될 수 있다. 이러한 에너지는 비제한적으로, 열적, 플라즈마, 펄스화 플라즈마, 헬리콘 플라즈마, 고밀도 플라즈마, 유도 결합 플라즈마, X-선, e-빔, 광자, 원격 플라즈마 방법들, 및 이들의 조합들에 의해 제공될 수 있다. 특정 구체예들에서, 2차 RF 주파수 소스가 기판 표면에 플라즈마 특징을 개질시키기 위해 사용될 수 있다. 증착이 플라즈마를 포함하는 구체예들에서, 플라즈마-발생 공정은 플라즈마가 반응기에서 직접적으로 발생되는 직접 플라즈마-발생 공정, 또는 대안적으로, 플라즈마가 반응기 외측에서 발생되고 반응기 내측으로 공급되는 원격 플라즈마-발생 공정을 포함할 수 있다.Energy may be applied to at least one of the precursor, reducing agent, other precursors, or combinations thereof to induce a reaction and form a metal-containing film or coating on the substrate. Such energy may be provided by, but not limited to, thermal, plasma, pulsed plasma, helicon plasma, high density plasma, inductively coupled plasma, X-ray, e-beam, photon, remote plasma methods, and combinations thereof. You can. In certain embodiments, a secondary RF frequency source can be used to modify the plasma characteristics at the substrate surface. In embodiments where the deposition involves plasma, the plasma-generating process can be a direct plasma-generating process, where the plasma is generated directly in the reactor, or alternatively, a remote plasma-generating process, where the plasma is generated outside the reactor and fed into the reactor. May include generation processes.
코발트 전구체들은 다양한 방식들로 CVD 또는 ALD 반응기와 같은 반응 챔버에 전달될 수 있다. 일 구체예에서, 액체 전달 시스템이 사용될 수 있다. 대안적인 구체예에서, 결합된 액체 전달 및 플래시 기화 공정 유닛, 예를 들어, MSP Corporation(Shoreview, MN)에 의해 제작된 터보 기화기가 저휘발성 물질들을 체적으로 전달하기 위해 사용될 수 있으며, 이는 전구체의 열 분해 없이 재현 가능한 수송 및 증착을 초래한다. 본 출원에 기술된 전구체 조성물들은 ALD 또는 CVD 반응기에 이러한 코발트 전구체들의 증기 스트림을 제공하기 위해 DLI 모드에서 소스 시약들로서 효과적으로 사용될 수 있다.Cobalt precursors can be delivered to a reaction chamber, such as a CVD or ALD reactor, in a variety of ways. In one embodiment, a liquid delivery system may be used. In an alternative embodiment, a combined liquid delivery and flash vaporization process unit, such as a turbo vaporizer manufactured by MSP Corporation (Shoreview, Minn.), can be used to deliver low volatility materials volumetrically, which can be used to deliver the precursors. This results in reproducible transport and deposition without thermal decomposition. The precursor compositions described in this application can be effectively used as source reagents in DLI mode to provide a vapor stream of these cobalt precursors to an ALD or CVD reactor.
특정 구체예들에서, 이러한 조성물들은 하위 ppm 물 수준으로 건조되는 이의 능력으로 인하여 특히 요망되는 탄화수소 용매들을 사용하는 것을 포함한다. 본 발명에서 사용될 수 있는 예시적인 탄화수소 용매들은 톨루엔, 메시틸렌, 쿠멘(이소프로필벤젠), p-시멘(4-이소프로필 톨루엔), 1,3-디이소프로필벤젠, 옥탄, 도데칸, 1,2,4-트리메틸사이클로헥산, n-부틸사이클로헥산, 및 데카하이드로나프탈렌(데칼린)을 포함하지만, 이로 제한되지 않는다. 본 출원의 전구체 조성물들이 또한 스테인레스 스틸 용기들에 저장되고 사용될 수 있다. 특정 구체예들에서, 조성물에서 탄화수소 용매는 고비등점 용매이거나, 100℃ 또는 보다 높은 비등점을 갖는다. 본 출원의 코발트 전구체 조성물들은 또한, 다른 적합한 금속 전구체들, 및 이원성 금속-함유 막들의 성장을 위해 두 금속들 모두를 동시에 전달하기 위해 사용되는 혼합물과 혼합될 수 있다.In certain embodiments, these compositions include the use of hydrocarbon solvents, which are particularly desirable due to their ability to dry to sub ppm water levels. Exemplary hydrocarbon solvents that can be used in the present invention include toluene, mesitylene, cumene (isopropylbenzene), p-cymene (4-isopropyl toluene), 1,3-diisopropylbenzene, octane, dodecane, 1, Includes, but is not limited to, 2,4-trimethylcyclohexane, n-butylcyclohexane, and decahydronaphthalene (decalin). The precursor compositions of the present application can also be stored and used in stainless steel containers. In certain embodiments, the hydrocarbon solvent in the composition is a high boiling point solvent or has a boiling point of 100° C. or higher. The cobalt precursor compositions of the present application can also be mixed with other suitable metal precursors and mixtures used to deliver both metals simultaneously for the growth of binary metal-containing films.
특정 구체예들에서, 전구체 캐니스터들로부터 반응 챔버까지 연결하는 가스 라인들은 공정 요건들에 따라 하나 이상의 온도들까지 가열되며, 조성물을 포함하는 용기는 버블링을 위해 하나 이상의 온도들에서 유지된다. 다른 구체예들에서, 조성 코발트 전구체는 직접 액체 주입을 위해 하나 이상의 온도들에서 유지된 기화기에 주입된다.In certain embodiments, gas lines connecting the precursor canisters to the reaction chamber are heated to one or more temperatures depending on process requirements, and the vessel containing the composition is maintained at one or more temperatures for bubbling. In other embodiments, the compositional cobalt precursor is injected into a vaporizer maintained at one or more temperatures for direct liquid injection.
아르곤 및/또는 다른 가스의 흐름은 전구체 펄싱(pulsing) 동안 반응 챔버로 적어도 하나의 코발트 전구체의 증기를 전달하는데 도움을 주기 위해 캐리어 가스로서 사용될 수 있다. 특정 구체예들에서, 반응 챔버 공정 압력은 1 내지 50 torr, 바람직하게, 5 내지 20 torr이다.A flow of argon and/or other gases may be used as a carrier gas to help deliver the vapor of at least one cobalt precursor to the reaction chamber during precursor pulsing. In certain embodiments, the reaction chamber process pressure is 1 to 50 torr, preferably 5 to 20 torr.
여러 적용들을 위하여, 고순도 Co 금속 막들은 낮은 저항률을 포함하지만, 이로 제한되지 않는 이유들을 위한 요건이다. 당해 분야에서는, Co 금속 막 중의 특정 불순물들이 저항률을 증가시킬 수 있다는 것이 널리 알려져 있다. 이러한 불순물들은 탄소, 산소, 및 질소를 포함하지만, 이로 제한되지 않는다. 이에 따라, 적합한 Co 금속 증착 전구체들은 증착된 Co 금속 막들에 존재하는 탄소의 양을 제한하도록 설계되어야 한다.For many applications, high purity Co metal films are a requirement for reasons including, but not limited to, low resistivity. In the art, it is widely known that certain impurities in Co metal films can increase resistivity. These impurities include, but are not limited to, carbon, oxygen, and nitrogen. Accordingly, suitable Co metal deposition precursors must be designed to limit the amount of carbon present in the deposited Co metal films.
구조 (알킨) 디코발트 헥사카보닐을 갖는 코발트 화합물들은 Co 증착 전구체들로서 사용하기 위해 연구되었다. 문헌[C. Georgi et al. (J. Mater. Chem. C, 2014, 2, 4676-4682)]에는 화학식 Co2(CO)6(R1C≡CR2)(여기서, R1 또는 R2는 3차(예를 들어, 트리메틸실릴), 선형(예를 들어, n-프로필), 또는 수소일 수 있음)를 갖는 착물들에서 R1 및 R2 기들의 확인의 큰 차이에도 불구하고, 벌크 막들 중에 높은 수준의 탄소 및 산소 둘 모두가 존재한다. 이러한 연구에서, 탄소 함량들은 2.5 내지 36.5 mol%의 범위이며, 산소 함량들은 0.8 내지 34.4 mol%의 범위이다. 이러한 시리즈들에서 가장 낮은 탄소의 양은 R1 및 R2가 트리메틸실릴인 경우 높은 융점을 갖는 고체 전구체의 경우에, 2.5 원자%이다. 이에 따라, 이러한 전구체들을 사용하여 증착된 코발트 막 중의 탄소의 양은 문헌[Keunwoo Lee et al. in Japanese Journal of Applied Physics, 2008, Vol. 47, No. 7, 5396-5399]에 의해 기술된, CCTBA로부터 증착된 코발트 막 중 탄소의 양과 유사하였다.Cobalt compounds with the structure (alkyne) dicobalt hexacarbonyl have been studied for use as Co deposition precursors. Literature [C. Georgi et al. (J. Mater. Chem. C, 2014, 2, 4676-4682)] has the formula Co 2 (CO) 6 (R 1 C≡CR 2 ) (where R 1 or R 2 is tertiary (e.g., Despite large differences in the identification of the R 1 and R 2 groups in complexes (which may be trimethylsilyl), linear (e.g., n-propyl), or hydrogen), there are high levels of carbon and oxygen in the bulk films. Both exist. In this study, carbon contents ranged from 2.5 to 36.5 mol% and oxygen contents ranged from 0.8 to 34.4 mol%. The lowest amount of carbon in this series is 2.5 atomic percent for the high melting point solid precursor when R 1 and R 2 are trimethylsilyl. Accordingly, the amount of carbon in the cobalt film deposited using these precursors was determined by Keunwoo Lee et al. in Japanese Journal of Applied Physics, 2008, Vol. 47, no. 7, 5396-5399, the amount of carbon in the cobalt film deposited from CCTBA was similar.
증착된 막 중 탄소 및 산소 함량은 바람직하게, 2.5 원자% 미만, 또는 더욱 바람직하게, 1.5 원자% 미만, 및 가장 바람직하게, 0.5 원자% 미만이어야 한다. 막 중 낮은 탄소 함량은 수소 또는 암모니아 플라즈마에 대한 막들의 노출과 같은 증착후 처리들을 필요로 하지 않으면서, 낮은 저항률을 갖는 코발트 금속 막들을 수득할 수 있다.The carbon and oxygen content in the deposited film should preferably be less than 2.5 atomic %, or more preferably less than 1.5 atomic %, and most preferably less than 0.5 atomic %. The low carbon content of the film allows obtaining cobalt metal films with low resistivity without requiring post-deposition treatments such as exposure of the films to hydrogen or ammonia plasma.
기판 온도는 고품질의 코발트 막들의 증착에서 중요한 공정 변수이다. 통상적인 기판 온도들은 약 100℃ 내지 약 250℃의 범위이다. 보다 높은 온도들은 보다 높은 막 성장 속도들을 증진시킬 수 있다. 이에 따라, 탄소 및 산소와 같은 불순물들의 수준을 증가시키지 않으면서 고온에서 Co 막들을 증착시킬 수 있는 Co 막 전구체들을 발견하는 것이 요망된다.Substrate temperature is an important process variable in the deposition of high quality cobalt films. Typical substrate temperatures range from about 100°C to about 250°C. Higher temperatures can promote higher film growth rates. Accordingly, it is desirable to find Co film precursors that can deposit Co films at high temperatures without increasing the level of impurities such as carbon and oxygen.
금속-함유 막 증착의 분야에서, 금속-함유 막 증착 공정 조건들 하에서 액체인 전구체들이 금속-함유 막 증착 공정 조건들 하에서 고체인 전구체들에 비해 바람직한 것이 일반적으로 받아들여진다. 이유들은, 적합한 공정 조건들 하에서 금속-함유 막 전구체를 통해 캐리어 가스를 버블링하는 능력을 포함하지만, 이로 제한되지 않는다. 금속-함유 막 전구체를 통해 캐리어 가스를 버블링하는 능력은 고체 전구체들의 승화에 비해 금속-함유 막 증착 공정에 대한 전구체의 더욱 균일한 전달을 야기시킬 수 있다.In the field of metal-containing film deposition, it is generally accepted that precursors that are liquid under metal-containing film deposition process conditions are preferred over precursors that are solid under metal-containing film deposition process conditions. Reasons include, but are not limited to, the ability to bubble a carrier gas through the metal-containing film precursor under suitable process conditions. The ability to bubble a carrier gas through a metal-containing film precursor can result in more uniform delivery of the precursor to the metal-containing film deposition process compared to sublimation of solid precursors.
예상치 못하게, 본 출원인은 본 발명의 전구체들, 즉, 화학식 Co2(CO)6(R1C≡CR2)(여기서, R1은 3차 알킬 기이며, R2는 선형 탄화수소들, 분지형 탄화수소들, 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택됨)을 갖는 (알킨) 디코발트 헥사카보닐 화합물들이 0.4 원자% 정도로 낮은 탄소 수준들을 갖는 코발트 막들을 제공한다는 것을 발견하였다. 이론에 의해 제한하고자 하는 것은 아니지만, 벌크한 3차 알킬 기 R1이 코발트 중심으로부터 알킨 리간드 해리 에너지를 낮추고, 이에 따라, 코발트 중심으로부터 유기 리간드의 보다 깨끗한 제거를 야기시키기 위해 요구되는 것으로 여겨진다. 이에 따라, (2,2-디메틸-3-옥틴) 디코발트 헥사카보닐(코발트 카보닐 3차-부틸 N-부틸 아세틸렌, CCTNBA)과 같은 Co 막 전구체가 증착된 막들 중의 낮은 탄소 수준들을 나타낼 것으로 예상될 것이다.Unexpectedly, the applicant discovered that the precursors of the present invention, i.e., of the formula Co 2 (CO) 6 (R 1 C≡CR 2 ), where R 1 is a tertiary alkyl group and R 2 are linear hydrocarbons, branched It has been discovered that (alkyne) dicobalt hexacarbonyl compounds with (selected from the group consisting of hydrocarbons, and combinations thereof) provide cobalt films with carbon levels as low as 0.4 atomic percent. Without wishing to be bound by theory, it is believed that the bulky tertiary alkyl group R 1 is required to lower the alkyne ligand dissociation energy from the cobalt center, thereby resulting in a cleaner removal of the organic ligand from the cobalt center. Accordingly, Co film precursors such as (2,2-dimethyl-3-octyne) dicobalt hexacarbonyl (cobalt carbonyl tert-butyl N-butyl acetylene, CCTNBA) are expected to exhibit low carbon levels in the deposited films. It would be expected.
일 예로서, 알킬 리간드 제거 및 CO 리간드 제거를 위한 리간드 해리 에너지는 일련의 (알킨) 디코발트 헥사카보닐 화합물들에 대해 계산되었다. 수동 스핀 상태 최적화와 함께, 0K에서 반응 에너지(reaction energetics)의 계산을 위한 BioViaMaterials Studio 7.0(BLYP/DNP/AE, 4.4 옹스트롱 오비탈 컷오프)을 이용하여, 표 II는 일련의 (알킨) 디코발트 헥사카보닐 착물들로부터의 알킨 리간드들 및 CO 리간드들의 제거을 위한 계산된 반응 에너지를 나타낸 것이다. 표 II는 알킨 리간드 상의 알킬 기들에 대한 강력한 입체적 효과를 나타낸다.As an example, the ligand dissociation energies for alkyl ligand removal and CO ligand removal were calculated for a series of (alkyne) dicobalt hexacarbonyl compounds. Using BioViaMaterials Studio 7.0 (BLYP/DNP/AE, 4.4 Angstrom orbital cutoff) for calculation of reaction energetics at 0 K, with manual spin state optimization, Table II shows a series of (alkyne) dicobalt hexates. Calculated reaction energies for removal of alkyne ligands and CO ligands from carbonyl complexes are shown. Table II shows strong steric effects for alkyl groups on alkyne ligands.
표 IITable II
알킬 리간드들 및 CO 리간드들의 제거를 위한 계산된 반응 에너지Calculated reaction energies for removal of alkyl ligands and CO ligands
표 II는 알킨 리간드 해리 에너지(LDE)에 대한 입체적 벌크(steric bulk)의 유의미한 영향을 예시한다. 예를 들어, CCNBA에서 알킨 리간드에 대한 LDE는 이성질성 CCTBA에서 알킨 리간드에 대한 LDE에 비해 유의미하게 더욱 높다. 또한, 리간드 상의 작용기들의 수는 알킨 리간드들에 대한 LDE를 변경시킬 수 있다. 선형 알킬 기들에 대하여, 표 II에 나타낸 계산치는 (일-치환된 알킨) 디코발트 헥사카보닐 착물, CCNBA에 비해 (이-치환된 알킨) 디코발트 헥사카보닐 착물, CCMPA에 대한 LDE의 보통 정도의 감소(modest decrease)를 시사한다.Table II illustrates the significant effect of steric bulk on alkyne ligand dissociation energy (LDE). For example, the LDE for the alkyne ligand in CCNBA is significantly higher compared to the LDE for the alkyne ligand in isomeric CCTBA. Additionally, the number of functional groups on the ligand can change the LDE for alkyne ligands. For linear alkyl groups, the calculations shown in Table II show a moderate degree of LDE for the (disubstituted alkyne) dicobalt hexacarbonyl complex, CCMPA, compared to the (mono-substituted alkyne) dicobalt hexacarbonyl complex, CCNBA. It suggests a moderate decrease.
이론에 의해 한정하고자 하는 것은 아니지만, R2가 선형 탄화수소들, 분지형 탄화수소들, 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되고, 이러한 전구체 패밀리에 열적 안정성을 제공하는 것으로 사료된다. 예를 들어, 가능한 CCTBA 분해 경로 중 하나는 일-치환된 알킨 리간드, 3차-부틸아세틸렌의 올리고머화를 통한 것이다. 본 발명의 이-치환된 아세틸렌은 낮은 올리고머화 속도를 갖는 것으로 예상된다. 이러한 성질은 전구체 전달 동안 분해 부산물의 축적을 방지하는데 유익하다. 다른 구체예에서, 코발트-함유 막들은 Co2(CO)6(R1C≡CR2)(여기서, R1은 3차 알킬 기이며, R2는 적어도 두 개의 탄소 원자들을 갖는 선형 알킬 기이거나, R2는 이소프로필 또는 이소부틸임)를 사용하여 증착된다. 3차 알킬 기들의 예들은 3차-부틸 및 3차-아밀이지만, 이로 제한되지 않는다. 적어도 두 개의 탄소 원자들을 갖는 선형 알킬 기들의 예들은 n-에틸, n-프로필, n-부틸, n-펜틸 및 n-헥실이지만, 이로 제한되지 않는다. (2,2-디메틸-3-옥틴) 디코발트 헥사카보닐(CCTNBA)은, 비교적 높은 증기압 및 양호한 열적 안정성과 함께, 실온에서 액체이기 때문에, 바람직한 전구체이다. 코발트 막들은 반응기에서 증착 전구체들로서 기술된 Co 착물들을 사용하여 실리콘, 실리콘 옥사이드, PVD TaN 및 구리 기판들 상에서 성장될 수 있다.Without wishing to be bound by theory, it is believed that R 2 is selected from the group consisting of linear hydrocarbons, branched hydrocarbons, and combinations thereof, and provides thermal stability to this family of precursors. For example, one possible CCTBA degradation route is through oligomerization of the mono-substituted alkyne ligand, tert-butylacetylene. The disubstituted acetylenes of the present invention are expected to have low oligomerization rates. This property is beneficial in preventing the accumulation of degradation by-products during precursor delivery. In other embodiments, cobalt-containing films are Co 2 (CO) 6 (R 1 C≡CR 2 ), where R 1 is a tertiary alkyl group and R 2 is a linear alkyl group having at least two carbon atoms. , R 2 is isopropyl or isobutyl). Examples of tertiary alkyl groups are, but are not limited to, tert-butyl and tert-amyl. Examples of linear alkyl groups having at least two carbon atoms are, but are not limited to, n-ethyl, n-propyl, n-butyl, n-pentyl, and n-hexyl. (2,2-dimethyl-3-octyne) dicobalt hexacarbonyl (CCTNBA) is a preferred precursor because it is liquid at room temperature, with relatively high vapor pressure and good thermal stability. Cobalt films can be grown on silicon, silicon oxide, PVD TaN and copper substrates using the described Co complexes as deposition precursors in a reactor.
Co 막 두께는 X-선 형광법(XRF; X-ray fluorescence), 주사 전자 현미경법(SEM; scanning electron microscopy), 및 투과전자 현미경법(transmission electron microscopy)에 의해 측정될 수 있다.Co film thickness can be measured by X-ray fluorescence (XRF), scanning electron microscopy (SEM), and transmission electron microscopy.
특정 구체예에서, 이치환된 알킨 리간드를 갖는 전구체는 유전체 표면에 비해 전도성 금속 표면 상의 코발트-함유 막을 선택적으로 증착하기 위해 사용된다.In certain embodiments, precursors with disubstituted alkyne ligands are used to selectively deposit cobalt-containing films on conductive metal surfaces compared to dielectric surfaces.
전도성 금속 표면은 구리, 코발트 및 루테늄을 포함할 수 있다. 전도성 금속 표면은 전도성 금속 표면으로부터 오염물을 제거하기 위해 증착 공정 이전에 사전-처리될 수 있다. 오염물은 유기 불순물 및 금속 옥사이드를 포함할 수 있다. 사전-처리 공정은 100 내지 500℃에서, 예를 들어, 수소 또는 암모니아와 같은 환원 가스의 존재 하에 전도성 금속 표면을 포함하는 구조를 가열시키고/거나 전도성 금속 표면을 포함하는 구조를 100 내지 500℃에서 수소 플라즈마, 암모니아 플라즈마, 질소 플라즈마, 아르곤 플라즈마, 또는 헬륨 플라즈마에 노출시키는 것을 포함할 수 있다.Conductive metal surfaces may include copper, cobalt, and ruthenium. The conductive metal surface may be pre-treated prior to the deposition process to remove contaminants from the conductive metal surface. Contaminants may include organic impurities and metal oxides. The pre-treatment process heats the structure comprising the conductive metal surface in the presence of a reducing gas, for example hydrogen or ammonia, at 100 to 500°C and/or heats the structure comprising the conductive metal surface at 100 to 500°C. It may include exposure to hydrogen plasma, ammonia plasma, nitrogen plasma, argon plasma, or helium plasma.
유전체 표면은 실리콘 디옥사이드, 플루오로실리케이트 유리(FSG), 오가노실리케이트 유리(OSG), 탄소 도핑된 옥사이드(CDO), 또는 다공성 저-K 물질을 포함할 수 있다. 본 공정에서 사용되는 저 K 유전 물질의 예는 다공성 OSG(오가노실리케이트 유리)를 포함한다.The dielectric surface may include silicon dioxide, fluorosilicate glass (FSG), organosilicate glass (OSG), carbon doped oxide (CDO), or a porous low-K material. Examples of low K dielectric materials used in this process include porous OSG (organosilicate glass).
전도성 금속 표면 및 유전체 표면을 포함하는 구조는A structure comprising a conductive metal surface and a dielectric surface is
a) 전도성 금속 피쳐(예를 들어, 구리, 코발트, 루테늄 또는 금속 합금)가 임베딩된 적어도 하나의 패턴화된 유전층; 및a) at least one patterned dielectric layer with embedded conductive metal features (eg, copper, cobalt, ruthenium or metal alloy); and
b) 적어도, 전도성 금속 피쳐 상에 선택적으로 증착된 코발트 층을 포함할 수 있다.b) at least a cobalt layer selectively deposited on the conductive metal features.
구조는 패턴화된 유전층과 임베딩된 전도성 금속 피쳐 사이에 형성된 금속 배리어 층을 추가로 가질 수 있다. 금속 배리어 층은 탄탈, 탄탈 니트라이드, 티탄, 티탄 니트라이드, 코발트, 루테늄, 및 유전 물질로의 구리의 확산을 방지하는 다른 발전된 배리어 물질과 같은 물질을 포함한다.The structure may further have a metal barrier layer formed between the patterned dielectric layer and the embedded conductive metal feature. The metal barrier layer includes materials such as tantalum, tantalum nitride, titanium, titanium nitride, cobalt, ruthenium, and other advanced barrier materials that prevent diffusion of copper into the dielectric material.
선택도는 동일한 공정 조건 하에서 구리 상에 증착된 코발트-함유 막과 및 실리콘 옥사이드의 두께를 비교함으로써 측정될 수 있다. 구리 상의 코발트-함유 막 두께 대 실리콘 옥사이드 두께의 비는 XRF, SEM, 또는 TEM에 의해 측정하는 경우에, 바람직하게, >10:1, 더욱 바람직하게, >50:1, 및 가장 바람직하게, >250:1이다.Selectivity can be measured by comparing the thickness of silicon oxide and a cobalt-containing film deposited on copper under the same process conditions. The ratio of the cobalt-containing film thickness on copper to the silicon oxide thickness, when measured by XRF, SEM, or TEM, is preferably >10:1, more preferably >50:1, and most preferably > It is 250:1.
일 구체예에서, 본 발명의 코발트 전구체로부터 증착된 코발트 막은 막의 저항률을 낮추기 위해 어닐링된다. 어닐링 공정에서, 코발트 막을 포함하는 구조는 3 내지 15 부피%의 수소를 포함하는 가스의 흐름 중에서 300 내지 500℃, 바람직하게, 375 내지 425℃로 가열된다.In one embodiment, cobalt films deposited from the cobalt precursors of the present invention are annealed to lower the resistivity of the films. In the annealing process, the structure comprising the cobalt film is heated to 300 to 500° C., preferably 375 to 425° C., in a flow of gas containing 3 to 15% by volume hydrogen.
실시예Example
하기 실시예들은 기술된 Co 착물들을 제조하는 방법, 및 Co 전구체들로서 기술된 Co 착물들을 사용하여 Co-함유 막들의 증착을 기술한 것이다.The following examples describe methods of preparing the described Co complexes and the deposition of Co-containing films using the described Co complexes as Co precursors.
증착 공정에서, Co 전구체가 채워진 스테인레스 스틸 용기들을 통해 50 sccm 아르곤을 통과시킴으로써 Co 전구체들을 반응기 챔버로 전달하였다. 전구체의 충분한 증기압을 달성하기 위해 용기 온도는 30℃ 내지 60℃에서 변하였다. 웨이퍼 온도는 125℃ 내지 200℃에서 변하였다. 반응기 챔버 압력은 5 내지 20 torr에서 변하였다. 증착 시험들을 500 내지 1000 sccm의 수소 또는 아르곤 흐름의 존재 하에서 수행하였다. 증착 시간은 상이한 두께의 Co 막들을 달성하기 위해 20초 내지 20분에서 변하였다.In the deposition process, Co precursors were delivered to the reactor chamber by passing 50 sccm argon through stainless steel vessels filled with Co precursors. The vessel temperature was varied between 30°C and 60°C to achieve sufficient vapor pressure of the precursor. Wafer temperature varied from 125°C to 200°C. The reactor chamber pressure varied from 5 to 20 torr. Deposition tests were performed in the presence of 500 to 1000 sccm of hydrogen or argon flow. The deposition time varied from 20 seconds to 20 minutes to achieve different thicknesses of Co films.
코발트 막들을 CN-1 샤워헤드 스타일 반응기를 이용하여 실리콘, 실리콘 옥사이드, PVD TaN 및 구리 기판들 상에서 성장하였다.Cobalt films were grown on silicon, silicon oxide, PVD TaN and copper substrates using a CN-1 showerhead style reactor.
Co 막 두께를 X-선 형광법(XRF) 및 주사 전자 현미경법(SEM)에 의해 측정하였다.Co film thickness was measured by X-ray fluorescence (XRF) and scanning electron microscopy (SEM).
실시예 1 (비교)Example 1 (Comparison)
(메틸 n-프로필아세틸렌) 디코발트 헥사카보닐(CCMPA)/(nPr)CC(Me)(Co)2(CO)6의 합성 및 열적 성질들Synthesis and thermal properties of (methyl n-propylacetylene) dicobalt hexacarbonyl (CCMPA)/( n Pr)CC(Me)(Co) 2 (CO) 6
환기 후드(ventilated hood)에서, 헥산들(50 mL) 중 2-헥신(4.34 g, 53 mmol)의 용액을 30분에 걸쳐 헥산들(100 mL) 중 Co2(CO)8(17 g, 48 mmol)의 용액에 첨가하였다. 2-헥신 용액의 각 분취액의 첨가 시에 CO 방출이 관찰되었다. 얻어진 진한 적색/갈색 용액을 실온에서 4시간 동안 교반하였다. 휘발성물을 진공 하, 실온에서 제거하여 진한 적색 오일을 수득하였다. 오일을 Celite 545 패드를 통해 여과하고, 진공 하에서 증류하였다. 생성물은 40℃ 및 ca. 200 millitorr 압력에서 증류하기 시작하였다. 온도를 50℃(압력 140 millitorr)까지 서서히 상승시켰다. 온도를 55℃(압력 120 millitorr)까지 서서히 상승시켰다. 증류가 완료될 때까지 온도를 55℃에서 잔류하였다. 모든 휘발성 CCMPA를 증발시킨 후에 매우 적은 양의 검정색 고형물이 리보일러(reboiler)에 코팅되었다. 얻어진 진한 적색 오일을 IR, NMR, TGA, 및 DSC에 의해 분석하였다.In a ventilated hood, a solution of 2-hexyne (4.34 g, 53 mmol) in hexanes (50 mL) was reacted with Co 2 (CO) 8 (17 g, 48 mmol) in hexanes (100 mL) over 30 min. mmol) was added to the solution. CO evolution was observed upon addition of each aliquot of 2-hexene solution. The resulting dark red/brown solution was stirred at room temperature for 4 hours. The volatiles were removed under vacuum at room temperature to give a dark red oil. The oil was filtered through a pad of Celite 545 and distilled under vacuum. The product was heated at 40°C and ca. Distillation began at 200 millitorr pressure. The temperature was slowly raised to 50°C (pressure 140 millitorr). The temperature was slowly increased to 55°C (pressure 120 millitorr). The temperature remained at 55°C until distillation was complete. After evaporating all the volatile CCMPA, a very small amount of black solid was coated on the reboiler. The dark red oil obtained was analyzed by IR, NMR, TGA, and DSC.
순 CCMPA의 용액 IR은 ca. 0.07% 테트라코발트 도데카카보닐(1860 cm-1)을 나타내었고, 다른 실질적인 금속 카보닐 피크들을 나타내지 않았다.The solution IR of pure CCMPA is ca. It showed 0.07% tetracobalt dodecacarbonyl (1860 cm -1 ) and no other substantial metal carbonyl peaks.
CCMPA의 1H NMR 스펙트럼은 분자 구조와 매칭되는 예상된 2/3/2/3 세기를 갖는 4 세트의 공명을 나타내었다[2.5 ppm (m), 2H; 2.3 ppm (s), 3H; 1.5 ppm (m), 2H; 0.8 ppm (m), 3H]. The 1 H NMR spectrum of CCMPA showed four sets of resonances with expected 2/3/2/3 intensities matching the molecular structure [2.5 ppm (m), 2H; 2.3 ppm(s), 3H; 1.5 ppm (m), 2H; 0.8 ppm (m), 3H].
CCMPA의 동적 열중량측정분석(TGA)을 질소 흐름 하에서 측정하였다.Dynamic thermogravimetric analysis (TGA) of CCMPA was measured under nitrogen flow.
가능하게 덜 휘발성 분해 생성물의 형성을 지시한, ca. 155℃에서 증발률이 변한다는 것을 나타내었다. 최종 비휘발성 잔부 중량은 본래 중량의 3.1%이었다.Possibly directing the formation of less volatile decomposition products, ca. It was shown that the evaporation rate changes at 155°C. The final non-volatile residual weight was 3.1% of the original weight.
실시예 2 (비교)Example 2 (Comparison)
CCMPA로부터의 Co 막들의 증착Deposition of Co films from CCMPA
Co 전구체, CCMPA를 비교예 1에 기술된 바와 같이 합성하고 정제하였다. 코발트 막 증착을 위한 실험 조건들은 전구체 용기 온도 35℃, 웨이퍼 온도 150℃, 챔버 압력 10 torr, 및 수소 유량 500 sccm이었다.The Co precursor, CCMPA, was synthesized and purified as described in Comparative Example 1. The experimental conditions for cobalt film deposition were precursor vessel temperature of 35°C, wafer temperature of 150°C, chamber pressure of 10 torr, and hydrogen flow rate of 500 sccm.
동일한 조건들을 사용하지만, 전구체로서 CCTBA를 사용하여 증착된 막들과 비교하여 코발트 막 두께 및 막 성질들은 표 III에 나타내었다. 두 전구체들에 대하여, 증착 시간은 10분이었다.Cobalt film thickness and film properties compared to films deposited using the same conditions but using CCTBA as the precursor are shown in Table III. For both precursors, the deposition time was 10 minutes.
표 IIITable III
175℃까지의 증착 온도의 증가는 두 전구체들 모두에 대한 보다 높은 불순물들을 야기시켰다. 이에 따라, 이러한 비교예는, Co2(CO)6(nPrC≡CMe) 전구체(여기서, R1 및 R2는 3차 알킬 기가 아님)가 CCTBA 전구체를 사용하여 코발트 막에 비해 유의미하게 더욱 높은 탄소 양(28.2 원자%)을 갖는 코발트 막을 제공하였다.Increasing the deposition temperature to 175°C resulted in higher impurities for both precursors. Accordingly, this comparative example shows that the Co 2 (CO) 6 (nPrC≡CMe) precursor, where R 1 and R 2 are not tertiary alkyl groups, has a significantly higher carbon yield compared to the cobalt film using the CCTBA precursor. A cobalt film having an amount (28.2 atomic %) was provided.
실시예 3Example 3
(3차-부틸메틸아세틸렌) 디코발트 헥사카보닐(CCTMA)/(tBu)CC(Me)(Co)2(CO)6의 합성 및 열적 성질들Synthesis and thermal properties of (tert-butylmethylacetylene) dicobalt hexacarbonyl (CCTMA)/(tBu)CC(Me)(Co) 2 (CO) 6
환기 후드에서, 헥산들(50 mL) 중 4,4-디메틸-2-펜틴(5 g, 52 mmol)의 용액을 30분에 걸쳐 헥산들(150 mL) 중 Co2(CO)8(17.0 g, 48 mmol)의 용액에 첨가하였다. 4,4-디메틸-2-펜틴 용액의 각 분취액의 첨가 시에 CO 방출이 관찰되었다. 얻어진 진한 적색/갈색 용액을 실온에서 4시간 동안 교반하였다. 휘발성물을 진공 하, 실온에서 제거하여 진한 갈색 고형물을 수득하였다. 고형물을 ~25 mL의 헥산들에 용해하고, Celite 545 패드를 통해 여과하였다. 진공 하에서 헥산들의 제거 시에, 진한 적갈색 고형물을 수득하였다. 고형물을 진공 하, 35℃(0.6 mTorr)에서의 승화에 의해 정제하였다.In a ventilated hood, a solution of 4,4-dimethyl-2-pentyne (5 g, 52 mmol) in hexanes (50 mL) was reacted with Co 2 (CO) 8 (17.0 g) in hexanes (150 mL) over 30 min. , 48 mmol) was added to the solution. CO evolution was observed upon addition of each aliquot of 4,4-dimethyl-2-pentyne solution. The resulting dark red/brown solution was stirred at room temperature for 4 hours. The volatiles were removed under vacuum at room temperature to give a dark brown solid. The solid was dissolved in ˜25 mL of hexanes and filtered through a Celite 545 pad. Upon removal of the hexanes under vacuum, a dark red-brown solid was obtained. The solid was purified by sublimation at 35° C. (0.6 mTorr) under vacuum.
용액 IR 분석(10% 헥산 용액)은 디코발트 옥타카보닐 출발 물질에 해당하는 피크들이 존재하지 않으면서 카보닐 리간드들에 대한 하나의 피크를 나타내었다.Solution IR analysis (10% hexane solution) showed one peak for the carbonyl ligands with no peaks corresponding to the dicobalt octacarbonyl starting material.
CCTMA의 1H NMR 스펙트럼은 분자 구조에 매칭되는 예상된 1:3 세기를 갖는 두 세트의 공명들을 나타내었다[2.3 ppm (s), 1H; 1.1 ppm (s), 3H].The 1 H NMR spectrum of CCTMA showed two sets of resonances with expected 1:3 intensities matching the molecular structure [2.3 ppm (s), 1H; 1.1 ppm(s), 3H].
CCTMA의 동적 열중량측정분석(TGA)을 질소 흐름 하에서 측정하고, 이는 본 발명에서 다른 코발트 착물들에 대한 데이타와 함께 도 1에 도시되어 있다.Dynamic thermogravimetric analysis (TGA) of CCTMA was measured under nitrogen flow and is shown in Figure 1 along with data for other cobalt complexes in the present invention.
가능하게 융점을 지시한, ca. 160℃에서 증발률이 증가되는 것으로 나타났다.Possibly indicating melting point, ca. It was found that the evaporation rate increased at 160℃.
최종 비-휘발성 잔부 중량은 본래 중량의 0.6%이었다. CCTMA 샘플의 시차주사 열량측정법은 ~160℃의 융점을 입증하였다.The final non-volatile residual weight was 0.6% of the original weight. Differential scanning calorimetry of CCTMA samples demonstrated a melting point of ~160°C.
실시예 4Example 4
(2,2-디메틸-3-헵틴) 디코발트 헥사카보닐(코발트 카보닐 3차-부틸 프로필 아세틸렌-CCTPA)의 제조Preparation of (2,2-dimethyl-3-heptyne) dicobalt hexacarbonyl (cobalt carbonyl tert-butyl propyl acetylene-CCTPA)
잘 환기되는 후드에서, 헥산들(25 mL) 중 2,2-디메틸-3-헵틴(5 g, 40 mmol)의 용액을 30분에 걸쳐 헥산들(75 mL) 중 Co2(CO)8(12.3 g, 36 mmol)의 용액에 첨가하였다. 2,2-디메틸-3-헵틴 용액의 각 분취액의 첨가 시에, CO 방출이 관찰되었다. 얻어진 진한 적갈색 용액을 실온에서 16시간 동안 교반하였다. 휘발성물을 진공 하, 실온에서 제거하여 고형물들과 액체의 진한 갈색 혼합물을 수득하였다. 고체/액체 혼합물을 ~50 mL의 헥산들에 용해하고, Celite 545 패드를 통해 여과하였다. 진공 하에서 헥산들의 제거 시에, 고형물들과 액체의 진한 갈색 혼합물을 수득하였다. 미정제 물질을 10 mL의 헥산들에 용해하였다. 크로마토그래피 컬럼(~3 cm 직경)에 용리액으로서 순수한 헥산들을 사용하여 8인치의 중성 활성화된 알루미나로 패킹하였다. 미정제 물질 용액을 컬럼 상에 배치시키고, 헥산들을 사용하여 용리하였다. 컬럼의 상부 상에 진한 갈색 밴드가 잔류하였으며, 밝은 적색 밴드는 헥산들로 컬럼 아래쪽으로 빠르게 이동하였다. 적색 밴드를 모으고, 건조상태까지 배기시켜, 점착성의 진한 적색 고형물을 수득하였다.In a well-ventilated hood, a solution of 2,2-dimethyl-3-heptine (5 g, 40 mmol) in hexanes (25 mL) was incubated with Co 2 (CO) 8 ( 12.3 g, 36 mmol) was added to the solution. Upon addition of each aliquot of 2,2-dimethyl-3-heptine solution, CO evolution was observed. The resulting dark red-brown solution was stirred at room temperature for 16 hours. The volatiles were removed under vacuum at room temperature to yield a dark brown mixture of solids and liquid. The solid/liquid mixture was dissolved in ˜50 mL of hexanes and filtered through a Celite 545 pad. Upon removal of the hexanes under vacuum, a dark brown mixture of solids and liquid was obtained. The crude material was dissolved in 10 mL of hexanes. A chromatography column (~3 cm diameter) was packed with 8 inches of neutral activated alumina using pure hexanes as the eluent. The crude material solution was placed on the column and eluted using hexanes. A dark brown band remained on the top of the column, and a bright red band quickly moved down the column with hexane. The red bands were collected and evacuated to dryness, yielding a sticky dark red solid.
고형물의 1H NMR 및 13C NMR 분석은 예상된 생성물과 일치하는 공명을 나타낸다. 1 H NMR and 13 C NMR analysis of the solid shows resonances consistent with the expected product.
헥산 용액 중 IR 분석은 2050 및 2087 cm-1에서 금속-결합된 CO 리간들에 대한 두 개의 강력한 밴드들을 나타내었다.IR analysis in hexane solution showed two strong bands for metal-bound CO ligands at 2050 and 2087 cm -1 .
실시예 5Example 5
2,2-디메틸-3-데신(3차-부틸 n-헥실 아세틸렌)의 합성Synthesis of 2,2-dimethyl-3-decyne (tert-butyl n-hexyl acetylene)
질소 글로브박스에서, 100 mL의 무수 THF를 갖는 500 mL 슈랭크 플라스크(Schlenk flask)에 3차-부틸아세틸렌(5.0 g, 61 mmol)을 배치시킴으로써 3차-부틸아세틸렌(3,3-디메틸-1-부틴)의 용액을 제조하였다. 60 mL 첨가 깔대기에 24 mL의, 헥산들(60 mmol) 중 2.5M n-부틸리튬을 첨가하였다. 플라스크 및 첨가 깔대기를 글로브박스로부터 제거하고, 환기 후드에서 어셈블리하였다. 3차-부틸아세틸렌 용액을 0℃까지 냉각시켰다. n-부틸리튬 용액을 교반하면서 20분에 걸쳐 3차-부틸아세틸렌 용액에 적가하였다. 첨가가 완료된 후에, 무색 용액을 교반하면서 2시간에 걸쳐 실온까지 가온시켰다. 얻어진 용액을 0℃까지 냉각하였다. 60 mL 첨가 깔대기에 1-요오도헥산(11.4 g, 54 mmol) 및 40 mL 무수 THF를 첨가하였다. 이러한 용액을 교반하면서 30분에 걸쳐 냉각된 리튬 3차-부틸아세틸라이드 용액에 적가하였다. 용액을 실온까지 가온시키고, 실온에서 2.5일 동안 교반하였다. 얻어진 무색 용액을 GC-MS에 의해 샘플링하였으며, 이는 요망되는 생성물의 ~95% 수율을 나타내었다. 질소 하에서, 탈이온수(100 mL)를 용액에 첨가하여, 2-상 혼합물을 형성하였다. 이후에, 추가적인 100 mL의 헥산들을 2-상 혼합물에 첨가하여 상 분리를 촉진하였다. 10분의 교반 후에, 두 개의 상들을 분리하였다. 유기 층을 분리 전에 제2의 100 mL 탈이온수 분취액으로 추출하였다. 두 개의 물 세척물들을 합하고, 50 mL의 헥산들로 추출하였다. 유기 분획들을 합하고, 30분 동안 무수 마그네슘 설페이트 상에서 교반에 의해 건조시켰다. 마그네슘 설페이트를 유리 프릿(glass frit)을 통해 여과함으로써 제거하였다. 얻어진 투명한, 무색 용액을 정적 진공 하에서 증류하여 용매들을 제거하였다. 리보일러 온도를 20℃에서, 콘덴서를 -10℃에서, 그리고, 수집 플라스크를 -78℃(드라이 아이스)에서 유지시키면서, 증류 장치를 ~10 torr까지 배기시키고, 밸브를 닫음으로써 진공 라인으로부터 분리하였다. 용매들을 ~1.5시간에 걸쳐 제거하여, 리보일러에서 ~10 cc의 무색 액체를 잔류시켰다. 수집 플라스크를 제거하고, 다른, 보다 작은 수집 플라스크를 설치하였다. 이러한 플라스크를 -78℃까지 냉각시키고, 콘덴서 온도를 -2℃로 셋팅하였다. 잔류 액체의 대략 절반을 동적 진공(~1 torr) 하에서 수집 플라스크로 옮겼다.In a nitrogen glovebox, tert-butylacetylene (3,3-dimethyl-1) was added by placing tert-butylacetylene (5.0 g, 61 mmol) in a 500 mL Schlenk flask with 100 mL of anhydrous THF. -Butyne) solution was prepared. To a 60 mL addition funnel was added 24 mL of 2.5M n-butyllithium in hexanes (60 mmol). The flask and addition funnel were removed from the glovebox and assembled in a ventilation hood. The tert-butylacetylene solution was cooled to 0°C. The n-butyllithium solution was added dropwise to the tert-butylacetylene solution over 20 minutes while stirring. After the addition was complete, the colorless solution was allowed to warm to room temperature over 2 hours with stirring. The obtained solution was cooled to 0°C. 1-iodohexane (11.4 g, 54 mmol) and 40 mL anhydrous THF were added to a 60 mL addition funnel. This solution was added dropwise to the cooled lithium tert-butylacetylide solution over 30 minutes while stirring. The solution was warmed to room temperature and stirred at room temperature for 2.5 days. The resulting colorless solution was sampled by GC-MS, which showed ~95% yield of the desired product. Under nitrogen, deionized water (100 mL) was added to the solution to form a two-phase mixture. Afterwards, an additional 100 mL of hexane was added to the two-phase mixture to promote phase separation. After 10 minutes of stirring, the two phases were separated. The organic layer was extracted with a second 100 mL aliquot of deionized water before separation. The two water washes were combined and extracted with 50 mL of hexanes. The organic fractions were combined and dried by stirring over anhydrous magnesium sulfate for 30 minutes. Magnesium sulfate was removed by filtration through a glass frit. The resulting clear, colorless solution was distilled under static vacuum to remove the solvents. Maintaining the reboiler temperature at 20°C, the condenser at -10°C, and the collection flask at -78°C (dry ice), the distillation apparatus was evacuated to -10 torr and disconnected from the vacuum line by closing the valve. . Solvents were removed over ˜1.5 hours, leaving ˜10 cc of colorless liquid in the reboiler. The collection flask was removed and another, smaller collection flask was installed. This flask was cooled to -78°C and the condenser temperature was set to -2°C. Approximately half of the remaining liquid was transferred to a collection flask under dynamic vacuum (~1 torr).
GC-MS 분석은 2,2-디메틸-3-데신이 99% 초과의 순도로 단리됨을 나타내었다.GC-MS analysis showed that 2,2-dimethyl-3-decyne was isolated with greater than 99% purity.
실시예 6Example 6
(2,2-디메틸-3-데신) 디코발트 헥사카보닐(코발트 카보닐 3차-부틸 n-헥실 아세틸렌-CCTHA)의 합성Synthesis of (2,2-dimethyl-3-decyne) dicobalt hexacarbonyl (cobalt carbonyl tert-butyl n-hexyl acetylene-CCTHA)
환기 후드에서, 헥산들(25 mL) 중 2,2-디메틸-3-데신(4.15 g, 25 mmol)의 용액을 30분에 걸쳐 헥산들(75 mL) 중 Co2(CO)8 (7.85 g, 23 mmol)의 용액에 첨가하였다. 2,2-디메틸-3-데신 용액의 각 분취액의 첨가 시에 보통의 CO 방출이 관찰되었다. 얻어진 진한 적갈색 용액을 실온에서 4시간 동안 교반하였다. 휘발성물을 진공 하, 실온에서 제거하여 약간의 현탁된 고형물들을 갖는 진한 적색 액체를 수득하였다. 크로마토그래피 컬럼(~3 직경)에 용리액으로서 순수한 헥산들을 사용하여 10인치의 중성 활성화된 알루미나로 패킹하였다. 5 mL의 순 미정제 물질을 컬럼 상에 배치시키고, 헥산들을 사용하여 용리하였다. 적갈색 밴드는 헥산들로 컬럼 아래쪽으로 빠르게 이동하였다. 소량의 진한 물질은 컬럼의 상부에 잔류하였다. 적갈색 밴드를 수집하고, ~500 mTorr까지 배기시켜, 진한 적색 액체를 수득하였다.In a ventilated hood, a solution of 2,2-dimethyl-3-decyne (4.15 g, 25 mmol) in hexanes (25 mL) was reacted with Co 2 (CO) 8 (7.85 g) in hexanes (75 mL) over 30 min. , 23 mmol) was added to the solution. Moderate CO evolution was observed upon addition of each aliquot of 2,2-dimethyl-3-decyne solution. The resulting dark red-brown solution was stirred at room temperature for 4 hours. The volatiles were removed under vacuum at room temperature to give a dark red liquid with some suspended solids. A chromatography column (~3 diameter) was packed with 10 inches of neutral activated alumina using pure hexanes as the eluent. 5 mL of neat crude material was placed on the column and eluted using hexanes. The red-brown band moved quickly down the column with hexane. A small amount of dark material remained at the top of the column. The red-brown band was collected and evacuated to ~500 mTorr, yielding a dark red liquid.
정제된 CCTHA 샘플의 1H NMR 분석(d8-톨루엔): 2.66 (m), 1.61 (m), 1.23 (m), 1.17 (s), 0.86 (t). 1 H NMR analysis of purified CCTHA sample (d 8 -toluene): 2.66 (m), 1.61 (m), 1.23 (m), 1.17 (s), 0.86 (t).
실시예 7Example 7
2,2,6-트리메틸-3-헵틴 (3차-부틸 이소-부틸 아세틸렌)의 합성Synthesis of 2,2,6-trimethyl-3-heptyne (tert-butyl iso-butyl acetylene)
질소 글로브박스에서, 100 mL의 무수 THF를 갖는 250 mL 슈랭크 플라스크에 3차-부틸아세틸렌(5.0 g, 61 mmol)을 배치시킴으로써 3차-부틸아세틸렌(3,3-디메틸-1-부틴)의 용액을 제조하였다. 60 mL 첨가 깔대기에 헥산들(60 mmol) 중 24 mL의 2.5M n-부틸리튬을 첨가하였다. 플라스크 및 첨가 깔대기를 글로브박스로부터 제거하고, 환기 후드에서 어셈블리하였다. 3차-부틸아세틸렌 용액을 0℃까지 냉각시켰다. n-부틸리튬 용액을 교반하면서 20분에 걸쳐 3차-부틸아세틸렌 용액에 적가하였다. 첨가를 완료한 후에, 옅은 황색의 용액을 교반하면서 2시간에 걸쳐 실온까지 가온시켰다. 얻어진 용액을 0℃까지 냉각시켰다. 60 mL 첨가 깔대기에 1-요오도-2-메틸프로판(9.9 g, 54 mmol) 및 20 mL 무수 THF를 첨가하였다. 이러한 용액을 교반하면서 30분에 걸쳐 냉각된 리튬 3차-부틸아세틸라이드 용액을 적가하였다. 칼라는 첨가 동안에 옅은 황색에서 무색으로 변하였다. 용액을 실온까지 가온시키고, 실온에서 2일 동안 교반하였다. GC-MS 분석은 예상된 생성물의 거의 완전한 변환을 나타내었다. 용액을 탈이온수(2 × 100 mL)로 추출하였다. 물 세척물들을 50 mL의 헥산들로 추출하였다. 유기 분획들을 합하고, 30분 동안 무수 마그네슘 설페이트 상에서 건조시켰다. 용매를 감압(~10 torr)에서 증류에 의해 제거하였다. 잔류하는 무색 액체를 진공(~500 mTorr) 하에서 -78℃까지 냉각된 리시버(reveiver)로 증류하였다.In a nitrogen glovebox, tert-butylacetylene (3,3-dimethyl-1-butyne) was prepared by placing tert-butylacetylene (5.0 g, 61 mmol) in a 250 mL Schrank flask with 100 mL of anhydrous THF. A solution was prepared. To a 60 mL addition funnel was added 24 mL of 2.5M n-butyllithium in hexanes (60 mmol). The flask and addition funnel were removed from the glovebox and assembled in a ventilation hood. The tert-butylacetylene solution was cooled to 0°C. The n-butyllithium solution was added dropwise to the tert-butylacetylene solution over 20 minutes while stirring. After the addition was complete, the pale yellow solution was warmed to room temperature over 2 hours with stirring. The obtained solution was cooled to 0°C. To a 60 mL addition funnel was added 1-iodo-2-methylpropane (9.9 g, 54 mmol) and 20 mL anhydrous THF. The cooled lithium tert-butylacetylide solution was added dropwise to this solution over 30 minutes while stirring. The color changed from pale yellow to colorless during addition. The solution was warmed to room temperature and stirred at room temperature for 2 days. GC-MS analysis showed almost complete conversion of the expected product. The solution was extracted with deionized water (2 × 100 mL). The water washes were extracted with 50 mL of hexanes. The organic fractions were combined and dried over anhydrous magnesium sulfate for 30 minutes. The solvent was removed by distillation at reduced pressure (~10 torr). The remaining colorless liquid was distilled under vacuum (~500 mTorr) into a receiver cooled to -78°C.
생성물의 GC-MS 분석은 생성물이 98% 초과의 순도로 수집되었음을 나타내었다.GC-MS analysis of the product indicated that the product was collected with greater than 98% purity.
실시예 8Example 8
(2,2,6-트리메틸-3-헵틴) 디코발트 헥사카보닐(코발트 카보닐 3차-부틸 이소-부틸 아세틸렌-CCTIBA)의 합성Synthesis of (2,2,6-trimethyl-3-heptyne) dicobalt hexacarbonyl (cobalt carbonyl tert-butyl iso-butyl acetylene-CCTIBA)
환기 후드에서, 헥산들(15 mL) 중 2,2,6-트리메틸-3-헵틴(0.95 g, 6.6 mmol)의 용액을 20분에 걸쳐 헥산들(45 mL) 중 Co2(CO)8(2.1 g, 6.2 mmol)의 교반된 용액에 첨가하였다. 2,2,6-트리메틸-3-헵틴 용액의 첨가 시에 보통의 CO 방출이 관찰되었다. 얻어진 진한 갈색 용액은 실온에서 4시간의 교반의 과정에 걸쳐 진한 적색으로 변하였다. 휘발성물을 제거하여 진한 갈색 고형물을 수득하였다. 5 mL의 헥산들 첨가하여 약간의 현탁된 고형물을 갖는 진한 적갈색 액체를 수득하였다. 크로마토그래피 컬럼(~3 cm 직경)에 용리액으로서 순수한 헥산들을 사용하여 8인치의 중성 활성화된 알루미나를 패킹하였다. 미정제 물질을 컬럼 상에 배치시키고, 헥산들을 사용하여 용리하였다. 갈색 밴드는 헥산들로 컬럼 아래쪽으로 빠르게 이동하였다. 소량의 진한 보라색 물질은 컬럼의 상부 1"에 보유되었다. 적갈색 밴드를 모으고, 슈량크 라인 상에서 베이스 진공(~500 mTorr)으로 배기하여, 진한, 점성의 적갈색 고형물을 수득하였다.In a ventilated hood, a solution of 2,2,6-trimethyl-3-heptine (0.95 g, 6.6 mmol) in hexanes (15 mL) was incubated with Co 2 (CO) 8 (CO) in hexanes (45 mL) over 20 min. 2.1 g, 6.2 mmol) was added to the stirred solution. Moderate CO evolution was observed upon addition of 2,2,6-trimethyl-3-heptine solution. The obtained dark brown solution turned dark red over the course of 4 hours of stirring at room temperature. The volatiles were removed to give a dark brown solid. Addition of 5 mL of hexanes gave a dark reddish-brown liquid with some suspended solids. A chromatography column (~3 cm diameter) was packed with 8 inches of neutral activated alumina using pure hexanes as the eluent. The crude material was placed on the column and eluted using hexanes. The brown band quickly moved down the column with hexane. A small amount of dark purple material was retained in the top 1" of the column. The reddish-brown band was collected and evacuated to base vacuum (~500 mTorr) on a schwank line to yield a dark, viscous reddish-brown solid.
질소 흐름 하에서 실온에서 400℃까지 가열시킴으로써 CCTIBA의 TGA 분석은 1.3% 비-휘발성 잔부를 나타낸다.TGA analysis of CCTIBA by heating from room temperature to 400° C. under nitrogen flow shows 1.3% non-volatile residue.
CCTIBA의 1H NMR 분석은 생성물은 고순도(99% 초과)를 가짐을 나타낸다. 화학적 이동(d8-톨루엔): 2.55 (2H, d), 1.80 (1H, m), 1.15 (9H, s), 0.97 (6H, d). 1 H NMR analysis of CCTIBA indicates that the product is of high purity (>99%). Chemical shifts (d 8 -toluene): 2.55 (2H, d), 1.80 (1H, m), 1.15 (9H, s), 0.97 (6H, d).
CCTIBA의 13C NMR 분석은 하기 화학적 이동을 획득하였다(d8-톨루엔): 199.8, 111.6, 98.2, 41.1, 35.4, 31.0, 30.0, 22.2. 13 C NMR analysis of CCTIBA obtained the following chemical shifts (d 8 -toluene): 199.8, 111.6, 98.2, 41.1, 35.4, 31.0, 30.0, 22.2.
실시예 9Example 9
2,2-디메틸-3-옥틴 (3차-부틸 n-부틸 아세틸렌)의 합성Synthesis of 2,2-dimethyl-3-octyne (tert-butyl n-butyl acetylene)
질소 글로브박스에서, 500 mL의 무수 THF를 갖는 1000 mL 둥근바닥 플라스크에 3차-부틸아세틸렌(32.8 g, 0.4 mol)을 배치시킴으로써 3차-부틸아세틸렌(3,3-디메틸-1-부틴)의 용액을 제조하였다. 500 mL 첨가 깔대기에 150 mL의, 헥산들(0.375 mol) 중 2.5M n-부틸리튬을 첨가하였다. 플라스크 및 첨가 깔대기를 글로브박스로부터 제거하고, 후드에서 어셈블리하였다. 3차-부틸아세틸렌 용액을 0℃까지 냉각시켰다. n-부틸리튬 용액을 교반하면서 30분에 걸쳐 3차-부틸아세틸렌 용액에 적가하였다. 첨가를 완료한 후에, 무색 용액을 교반하면서 2시간에 걸쳐 실온까지 가온시켰다. 500 mL 첨가 깔대기에 1-요오도부탄(64.4 g, 0.35 mol) 및 100 mL 무수 THF를 첨가하였다. 이러한 용액을 교반하면서 30분에 걸쳐 리튬 3차-부틸아세틸라이드 용액에 첨가하였다. 용액을 실온에서 3일 동안 교반하였다. 작은 샘플의 GC-MS 분석은 생성물로의 완전한 변환을 나타내었다. 용액을 100 mL의 탈이온수로 2회 추출하였다. 물 세척물들을 200 mL의 헥산으로 추출하고, 이러한 추출물을 THF/헥산 용액과 합하였다. 유기 용액을 30분 동안 마그네슘 설페이트 상에서 건조시켰다. 이러한 시간 동안, 무색 용액은 밝은 황색이 되었다. 리보일러를 20℃에서, 콘덴서를 0℃에서, 그리고, 수집 플라스크를 -78℃에서 유지시키면서, 합한 유기 용액들을 감압(~10 Torr)에서 증류하였다. 용매의 제거 후에, 다른 수집 플라스크를 설비하고, 리보일러를 25℃에서, 콘덴서를 0℃에서, 및 수집 플라스크를 -78℃에서 유지하면서 잔류하는 휘발성물을 증류하였다. 2차 증류 동안의 압력은 ~2 torr이었다. 모든 휘발성물들을 옮겼을 때, 수집 플라스크를 실온까지 가온시켰다. 무색 액체를 GC-MS를 이용하여 분석하였고, 이는 고도로 순수한 생성물(99% 초과의 순도, 42.2 g, 87% 수율)의 존재를 확인하였다.In a nitrogen glovebox, tert-butylacetylene (3,3-dimethyl-1-butyne) was prepared by placing tert-butylacetylene (32.8 g, 0.4 mol) in a 1000 mL round bottom flask with 500 mL of anhydrous THF. A solution was prepared. To a 500 mL addition funnel was added 150 mL of 2.5M n-butyllithium in hexanes (0.375 mol). The flask and addition funnel were removed from the glovebox and assembled in the hood. The tert-butylacetylene solution was cooled to 0°C. The n-butyllithium solution was added dropwise to the tert-butylacetylene solution over 30 minutes while stirring. After the addition was complete, the colorless solution was allowed to warm to room temperature over 2 hours with stirring. To a 500 mL addition funnel was added 1-iodobutane (64.4 g, 0.35 mol) and 100 mL anhydrous THF. This solution was added to the lithium tert-butylacetylide solution over 30 minutes with stirring. The solution was stirred at room temperature for 3 days. GC-MS analysis of a small sample indicated complete conversion to product. The solution was extracted twice with 100 mL of deionized water. The water washes were extracted with 200 mL of hexane, and this extract was combined with the THF/hexane solution. The organic solution was dried over magnesium sulfate for 30 minutes. During this time, the colorless solution became bright yellow. The combined organic solutions were distilled under reduced pressure (~10 Torr) while maintaining the reboiler at 20°C, the condenser at 0°C, and the collection flask at -78°C. After removal of the solvent, another collection flask was equipped and the remaining volatiles were distilled off while maintaining the reboiler at 25°C, the condenser at 0°C, and the collection flask at -78°C. The pressure during the secondary distillation was ~2 torr. When all volatiles have been transferred, the collection flask is allowed to warm to room temperature. The colorless liquid was analyzed using GC-MS, which confirmed the presence of highly pure product (>99% purity, 42.2 g, 87% yield).
2,2-디메틸-3-옥틴의 1H NMR 분석은 하기 화학적 이동을 제공한다: 2.03 (t, 2H); 1.33 (m, 4H); 1.19 (s, 9H); 0.80 (t, 3H). 1 H NMR analysis of 2,2-dimethyl-3-octyne gives the following chemical shifts: 2.03 (t, 2H); 1.33 (m, 4H); 1.19 (s, 9H); 0.80 (t, 3H).
실시예 10Example 10
(2,2-디메틸-3-옥틴) 디코발트 헥사카보닐(코발트 카보닐 3차-부틸 N-부틸 아세틸렌(CCTNBA)의 합성Synthesis of (2,2-dimethyl-3-octyne) dicobalt hexacarbonyl (cobalt carbonyl tert-butyl N-butyl acetylene (CCTNBA)
환기 후드에서, 헥산들(100 mL) 중 2,2-디메틸-3-옥틴(21.5 g, 0.15 mol)의 용액을 30분에 걸쳐 헥산들(700 mL) 중 Co2(CO)8(47.5 g, 0.14 mol)의 용액에 첨가하였다. 2,2-디메틸-3-옥틴 용액의 첨가 시에 눈에 보이는 CO 방출이 관찰되었다. 얻어진 진한 갈색 용액은 실온에서 4시간 동안 교반의 과정에 걸쳐 진한 적갈색으로 변하였다. 리보일러를 25℃(콘덴서 온도 -5℃; 수집 플라스크 온도 -78℃)에서 유지시키면서 진공 증류를 이용하여 헥산들을 제거하여, 진한 고형물을 갖는 진한 적색 액체를 수득하였다. 크로마토그래피 컬럼(~3인치 직경)에 용리액으로서 순수한 헥산들을 사용하여 8인치의 중성의 활성화된 알루미나를 패킹하였다. 미정제 물질을 컬럼 상에 배치하고, 헥산들을 사용하여 용리하였다. 갈색 밴드는 헥산과 함께 컬럼 아래쪽으로 빠르게 이동하였다. 진한 보라색 물질은 컬럼의 상부 2-3"에 보유되었다. 적갈색 밴드를 수집하고, 슈랭크 라인(~700 mTorr) 상에서 배기시켜, 40.0 g의 진한 적색 액체를 수득하였다.In a ventilated hood, a solution of 2,2-dimethyl-3-octyne (21.5 g, 0.15 mol) in hexanes (100 mL) was reacted with Co 2 (CO) 8 (47.5 g) in hexanes (700 mL) over 30 min. , 0.14 mol) was added to the solution. Upon addition of 2,2-dimethyl-3-octyne solution, visible CO evolution was observed. The obtained dark brown solution changed to dark reddish brown over the course of stirring at room temperature for 4 hours. The hexanes were removed using vacuum distillation while maintaining the reboiler at 25°C (condenser temperature -5°C; collection flask temperature -78°C), yielding a dark red liquid with thick solids. A chromatographic column (~3 inches in diameter) was packed with 8 inches of neutral activated alumina using pure hexanes as the eluent. The crude material was placed on the column and eluted using hexanes. The brown band quickly moved down the column with hexane. The dark purple material was retained in the top 2-3" of the column. The reddish-brown band was collected and evacuated on the Schrank line (~700 mTorr), yielding 40.0 g of dark red liquid.
CCTNBA의 1H NMR 분석은 고순도(NMR 검정 99.6%)를 나타내었다. 화학적 이동(d8-톨루엔): 2.66 (t, 2H), 1.60 (m, 2H), 1.29 (m, 2H), 1.17 (s, 9H), 0.86 (t, 3H). 1 H NMR analysis of CCTNBA showed high purity (NMR assay 99.6%). Chemical shift (d 8 -toluene): 2.66 (t, 2H), 1.60 (m, 2H), 1.29 (m, 2H), 1.17 (s, 9H), 0.86 (t, 3H).
(2,2-디메틸-3-옥틴) 디코발트 헥사카보닐(코발트 카보닐 3차-부틸 N-부틸 아세틸렌-CCTNBA)에 대한 등온 TGA 데이타를 질소 흐름 하, 75℃에서 측정하였고, 이는 도 2에 도시되어 있다. 착물은 0.55%의 낮은 비-휘발성 잔부와 함께 ~200분에 증기화되었으며, 이는 CCTNBA 전구체의 양호한 열적 안정성을 확인한다.Isothermal TGA data for (2,2-dimethyl-3-octyne) dicobalt hexacarbonyl (cobalt carbonyl tert-butyl N-butyl acetylene-CCTNBA) were determined at 75°C under nitrogen flow and are shown in Figure 2 It is shown in . The complex vaporized in ~200 min with a low non-volatile residue of 0.55%, confirming the good thermal stability of the CCTNBA precursor.
도 3은 시일링된 SS316 DSC 팬에서 측정하는 경우에, (3,3-디메틸-1-부틴) 디코발트 헥사카보닐(CCTBA) 및 (2,2-디메틸-3-옥틴) 디코발트 헥사카보닐(CCTNBA)에 대한 시차주사 열량측정(DSC) 데이타의 비교를 도시한 것이다.Figure 3 shows (3,3-dimethyl-1-butyne) dicobalt hexacarbonyl (CCTBA) and (2,2-dimethyl-3-octyne) dicobalt hexacarbonyl, as measured in a sealed SS316 DSC pan. A comparison of differential scanning calorimetry (DSC) data for Neil (CCTNBA) is shown.
실시예 11Example 11
CCTMA를 사용한 Co 막들의 증착Deposition of Co films using CCTMA
증착 공정에서, CCTMA가 채워진 스테인레스 스틸 용기를 통해 50 sccm 아르곤을 진행시킴으로써 CCTMA를 반응기 챔버로 전달하였다. 용기 온도는 CCTMA 전구체의 충분한 증기압을 달성하기 위해 30℃ 내지 60℃에서 변하였다. 기판 온도는 125℃ 내지 200℃에서 변하였다. 반응기 챔버 압력은 5 내지 20 torr에서 변하였다. 증착 시험들을 500 내지 1000 sccm의 수소 또는 아르곤 흐름의 존재 하에서 수행하였다. 증착 시간은 상이한 두께(2 내지 70 nm)의 Co 막들을 달성하기 위해 20초 내지 20분에서 변하였다.In the deposition process, CCTMA was delivered to the reactor chamber by passing 50 sccm argon through a stainless steel vessel filled with CCTMA. The vessel temperature was varied between 30°C and 60°C to achieve sufficient vapor pressure of the CCTMA precursor. The substrate temperature varied from 125°C to 200°C. The reactor chamber pressure varied from 5 to 20 torr. Deposition tests were performed in the presence of 500 to 1000 sccm of hydrogen or argon flow. The deposition time varied from 20 seconds to 20 minutes to achieve Co films of different thicknesses (2 to 70 nm).
도 4는 (3,3-디메틸-1-부틴) 디코발트 헥사카보닐(CCTBA) 및 (4,4-디메틸-2-펜틴 디코발트 헥사카보닐(CCTMA)에 대해 막 두께에 대한 Co 막 저항률의 오버레이를 도시한 것이다. Co 막들을 150℃의 기판 온도에서 CCTMA 및 CCTBA를 사용하여 증착하였다.Figure 4 shows Co film resistivity versus film thickness for (3,3-dimethyl-1-butyne) dicobalt hexacarbonyl (CCTBA) and (4,4-dimethyl-2-pentyne dicobalt hexacarbonyl (CCTMA). Shown is an overlay of Co films were deposited using CCTMA and CCTBA at a substrate temperature of 150°C.
도 4는 기판의 온도가 175℃ 및 200℃까지 증가함에 따라, CCTMA를 사용하여 증착된 Co 막들이, 동일한 막 두께에서 200℃의 기판 온도에서 CCTMA를 사용하여 증착된 Co 막들의 저항률이 150℃의 기판 온도에서 CCTBA를 사용하여 증착된 막들에 비해 약 50% 낮은 포인트까지 감소함을 지시한다. 모든 경우들에서, 낮은 저항률 막들은 고저항률을 갖는 막들에 비해 낮은 탄소 함량을 갖는다. 이에 따라, 본 발명에 기술된 막들의 저항률은 증착된 막들의 잔류 탄소 함량의 함수이다.Figure 4 shows that as the temperature of the substrate increases to 175°C and 200°C, the resistivity of Co films deposited using CCTMA decreases to 150°C at the same film thickness and at a substrate temperature of 200°C. This indicates that the substrate temperature decreases to a point that is about 50% lower than for films deposited using CCTBA. In all cases, low resistivity films have a lower carbon content compared to films with high resistivity. Accordingly, the resistivity of the films described herein is a function of the residual carbon content of the deposited films.
도 4는 CCTMA가 CCTBA로부터 증착된 코발트 막들과 비교하여 훨씬 낮은 저항률을 갖는 Co 막들을 제공함을 도시한 것이다.Figure 4 shows that CCTMA provides Co films with much lower resistivity compared to cobalt films deposited from CCTBA.
도 5는 Co 막 전구체로서 4,4-디메틸-2-펜틴 디코발트 헥사카보닐(CCTMA)을 사용하여 SiO2 상에 증착된 코발트 막들의 투과 전자 현미경(TEM) 이미지들을 도시한 것이다.Figure 5 shows transmission electron microscopy (TEM) images of cobalt films deposited on SiO 2 using 4,4-dimethyl-2-pentyne dicobalt hexacarbonyl (CCTMA) as the Co film precursor.
도 5는 Co 금속의 연속 막들이 SiO2 상에 ~2 nm 정도로 낮은 두께를 갖도록 형성될 수 있음을 나타낸다.Figure 5 shows that continuous films of Co metal can be formed on SiO 2 with thicknesses as low as ∼2 nm.
막들을 CCTMA 및 CCTBA로부터 증착하였고, X-선 광전자 분광법(XPS)에 의해 분석하여 금속 막들 전반에 걸친 원소 농도를 결정하였다. CCTMA의 증착을 위한 조건들은 전구체 전달 온도 = 50℃, 웨이퍼 온도 = 200℃, 증착 시간 = 10분. CCTBA의 증착을 위한 조건들은 하기와 같다: 전구체 전달 온도 = 35℃, 웨이퍼 온도 = 175℃, 증착 시간 = 3분. 150℃에서 CCTBA로부터 증착된 코발트 막은 보다 낮은 탄소 양, 6.2 원자%를 함유하였지만, 막 중의 탄소 양은 동일한 온도에서 CCTMA로부터 증착된 코발트 막 중의 탄소 양(3.7 원자%)과 비교하여 여전히 유의미하게 더욱 높다.Films were deposited from CCTMA and CCTBA and analyzed by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) to determine elemental concentrations throughout the metal films. Conditions for deposition of CCTMA were precursor delivery temperature = 50°C, wafer temperature = 200°C, deposition time = 10 minutes. Conditions for deposition of CCTBA were as follows: precursor delivery temperature = 35°C, wafer temperature = 175°C, deposition time = 3 minutes. The cobalt film deposited from CCTBA at 150°C contained a lower carbon content, 6.2 atomic %, but the carbon content in the film was still significantly higher compared to the carbon content in the cobalt film deposited from CCTMA at the same temperature (3.7 atomic %). .
도 6은 Co 막 전구체들로서 (3,3-디메틸-1-부틴) 디코발트 헥사카보닐(CCTBA) 및 4,4-디메틸-2-펜틴 디코발트 헥사카보닐(CCTMA)을 사용하여 SiO2 상에 증착된 코발트 막들에 대한 XPS 데이타를 도시한 것이다.Figure 6 shows the SiO 2 phase using (3,3-dimethyl-1-butyne) dicobalt hexacarbonyl (CCTBA) and 4,4-dimethyl-2-pentyne dicobalt hexacarbonyl (CCTMA) as Co film precursors. XPS data for cobalt films deposited on is shown.
도 6은 Co 막 전구체로서 CCTMA를 사용하여 SiO2 상에 증착된 Co 막들이 Co 막 전구체로서 CCTBA를 사용하여 증착된 막들(11.1 원자%) 보다 유의미적으로 더 낮은 탄소 수준, 0.4 원자%를 가짐을 지시한다.Figure 6 shows that Co films deposited on SiO 2 using CCTMA as the Co film precursor had a significantly lower carbon level, 0.4 at %, than films deposited using CCTBA as the Co film precursor (11.1 at %). Instruct.
CCTMA를 사용한 Co 막 증착의 조건들은 하기와 같다: 용기 온도 50℃, 웨이퍼 온도 200℃, 증착 시간 10분. CCTBA를 사용한 Co 막 증착의 조건은 하기와 같다: 용기 온도 35℃, 웨이퍼 온도 175℃, 증착 시간 3분.The conditions for Co film deposition using CCTMA were as follows:
실시예 12Example 12
CCTNBA를 사용한 낮은 저항률 Co 막들의 증착Deposition of low resistivity Co films using CCTNBA
증착 공정에서, CCTNBA가 채워진 스테인레스 스틸 용기들을 통해 50 sccm 아르곤을 진행시킴으로써 CCTNBA를 반응기 챔버에 전달하였다. 공정 조건들은 하기와 같다: 용기 온도 50℃, 수소 흐름 50 sccm, 압력 10 torr. 기판 온도는 150 내지 200℃의 범위이다. 기판은 SiO2이다.In the deposition process, CCTNBA was delivered to the reactor chamber by passing 50 sccm argon through stainless steel vessels filled with CCTNBA. Process conditions were as follows:
표 IV는 증착 시간 및 기판 온도에 대한 막 두께의 의존성을 나타낸다.Table IV shows the dependence of film thickness on deposition time and substrate temperature.
표 IVTable IV
표 IV에서의 데이타는, 보다 높은 기판 온도가 Co 막 전구체로서 CCTNBA를 사용하여 보다 두꺼운 Co 막들을 야기시킴을 지시한다.The data in Table IV indicates that higher substrate temperatures result in thicker Co films using CCTNBA as the Co film precursor.
실시예 13 Example 13
CCTMA 용액의 제조Preparation of CCTMA solution
자석 교반 막대를 이용하여 교반하면서 헥산 중에 CCTMA를 용해함으로써 헥산 중 CCTMA의 용액들을 제조하였다. 헥산 중에서 20℃에서 10분 동안 고형물을 교반함으로써 헥산 중 70 중량% CCTMA의 용액을 제조하였다. Solutions of CCTMA in hexane were prepared by dissolving CCTMA in hexane while stirring using a magnetic stir bar. A solution of 70% by weight CCTMA in hexane was prepared by stirring the solid in hexane at 20° C. for 10 minutes.
실시예 14Example 14
CCTPA 용액의 제조Preparation of CCTPA solution
자석 교반 막대를 이용하여 교반하면서 헥산 중에 CCTPA를 용해함으로써 헥산 중 CCTPA의 용액들을 제조하였다. 헥산 중에서 20℃에서 5분 동안 고형물을 교반함으로써 헥산 중 50 중량% 초과의 CCTPA의 용액을 제조하였다.Solutions of CCTPA in hexane were prepared by dissolving CCTPA in hexane while stirring using a magnetic stir bar. A solution of greater than 50% by weight CCTPA in hexane was prepared by stirring the solid in hexane at 20° C. for 5 minutes.
실시예 15Example 15
125℃에서 CCTNBA를 사용한 Co 막의 선택적 증착Selective deposition of Co films using CCTNBA at 125°C
증착 공정 동안에, CCTNBA로 채워진 스테인레스 스틸 용기를 통해 50 sccm 아르곤을 통과시킴으로써 CCTNBA를 반응기 챔버로 전달하였다. 공정 조건은 용기 온도 50℃, 수소 흐름 500 sccm, 챔버 압력 10 torr, 증착 시간 1분이었다. 기판 온도는 125℃이었다. 기판은 구리 금속 또는 열적 SiO2이었다.During the deposition process, CCTNBA was delivered to the reactor chamber by passing 50 sccm argon through a stainless steel vessel filled with CCTNBA. Process conditions were vessel temperature of 50°C, hydrogen flow of 500 sccm, chamber pressure of 10 torr, and deposition time of 1 minute. The substrate temperature was 125°C. The substrate was copper metal or thermal SiO 2 .
표 V는 코발트 전구체 물질로서 CCTNBA를 사용한 구리 및 SiO2 상의 Co 막 증착을 위한 증착 결과를 나타낸다. 선택도는 SiO2 상의 코발트의 막 두께에 대한 구리 상의 코발트의 막 두께의 비율로서 정의된다. 코발트 막 두께를 XRF를 이용하여 측정하였다. 웨이퍼를 125℃에서 1분 및 3분 동안 100, 200 또는 500W 수소 플라즈마로 사전-세정하였다.Table V shows deposition results for Co film deposition on copper and SiO 2 using CCTNBA as the cobalt precursor material. Selectivity is defined as the ratio of the film thickness of cobalt on copper to the film thickness of cobalt on SiO 2 . Cobalt film thickness was measured using XRF. Wafers were pre-cleaned with 100, 200 or 500 W hydrogen plasma at 125°C for 1 and 3 minutes.
표 VTable V
5회 실험 세트에 걸쳐, SiO2 상의 코발트의 막 두께에 대한 구리 상의 코발트의 막 두께의 평균 선택도는 14.5이다.Over a set of five experiments, the average selectivity of the film thickness of cobalt on copper relative to the film thickness of cobalt on SiO 2 was 14.5.
실시예 16Example 16
150℃에서 CCTNBA를 사용한 Co 막의 선택적 증착Selective deposition of Co films using CCTNBA at 150°C
증착 공정 동안에, CCTNBA로 채워진 스테인레스 스틸 용기를 통해 50 sccm 아르곤을 통과시킴으로써 CCTNBA를 반응기 챔버로 전달하였다. 공정 조건은 용기 온도 50℃, 수소 흐름 500 sccm, 챔버 압력 10 torr, 증착 시간 1분이었다. 기판 온도는 150℃이었다. 기판은 구리 금속 또는 열적 SiO2이었다.During the deposition process, CCTNBA was delivered to the reactor chamber by passing 50 sccm argon through a stainless steel vessel filled with CCTNBA. Process conditions were vessel temperature of 50°C, hydrogen flow of 500 sccm, chamber pressure of 10 torr, and deposition time of 1 minute. The substrate temperature was 150°C. The substrate was copper metal or thermal SiO 2 .
표 VI는 코발트 전구체 물질로서 CCTNBA를 사용한 구리 및 SiO2 상의 Co 막 증착을 위한 증착 결과를 나타낸다. 선택도는 SiO2 상의 코발트의 막 두께에 대한 구리 상의 코발트의 막 두께의 비율로서 정의된다. 코발트 막 두께를 XRF를 이용하여 측정하였다.Table VI shows deposition results for Co film deposition on copper and SiO 2 using CCTNBA as the cobalt precursor material. Selectivity is defined as the ratio of the film thickness of cobalt on copper to the film thickness of cobalt on SiO 2 . Cobalt film thickness was measured using XRF.
표 VITable VI
5회 실험 세트에 걸쳐, SiO2 상의 코발트의 막 두께에 대한 구리 상의 코발트의 막 두께의 평균 선택도는 6.2인데, 이는 유전체 기판 상에 증착된 코발트의 양이 더욱 많기 때문에 보다 높은 증착 온도에서 선택도가 낮고 금속 상에 증착된 코발트가 변하지 않음을 나타낸다.Over a set of five experiments, the average selectivity of the film thickness of cobalt on copper relative to the film thickness of cobalt on SiO 2 is 6.2, which is selected at higher deposition temperatures due to the greater amount of cobalt deposited on the dielectric substrate. The degree is low and indicates that the cobalt deposited on the metal does not change.
실시예 17Example 17
CCTNBA로부터 형성된 코발트 막의 어닐링Annealing of cobalt films formed from CCTNBA
증착 공정 동안에, CCTNBA로 채워진 스테인레스 스틸 용기를 통해 50 sccm 아르곤을 통과시킴으로써 CCTNBA를 반응기 챔버로 전달하였다. 공정 조건은 용기 온도 60℃, 수소 흐름 500 sccm, 챔버 압력 10 torr, 증착 시간 100분이었다. SiO2 기판 온도는 125℃이었다.During the deposition process, CCTNBA was delivered to the reactor chamber by passing 50 sccm argon through a stainless steel vessel filled with CCTNBA. Process conditions were vessel temperature of 60°C, hydrogen flow of 500 sccm, chamber pressure of 10 torr, and deposition time of 100 minutes. The SiO 2 substrate temperature was 125°C.
기판 플라즈마 사전처리가 수행되는 실험에서, 사전처리 조건은 수소 흐름 500 sccm, 플라즈마 출력 200 W, 사전처리 시간 3분, 수소 압력 1 torr이었다.In experiments where substrate plasma pretreatment was performed, the pretreatment conditions were 500 sccm of hydrogen flow, 200 W of plasma power, 3 minutes of pretreatment time, and 1 torr of hydrogen pressure.
증착후 어닐링 처리를 위한 조건은 질소 흐름 450 sccm, 수소 흐름 50 sccm, 온도 400℃, 챔버 압력 50 torr, 어닐 시간 30분이었다.The conditions for post-deposition annealing treatment were nitrogen flow of 450 sccm, hydrogen flow of 50 sccm, temperature of 400°C, chamber pressure of 50 torr, and annealing time of 30 minutes.
표 VII은 증착된 코발트 막의 저항률에 대한 어닐링의 효과를 나타낸다. 어닐링 공정은 코발트 금속 막의 저항률을 낮춘다.Table VII shows the effect of annealing on the resistivity of the deposited cobalt film. The annealing process lowers the resistivity of the cobalt metal film.
표 VIITable VII
본 발명의 원리들이 바람직한 구체예들과 관련하여 상술되어 있지만, 이러한 설명이 단지 일 예로서 이루어진 것으로서, 본 발명의 범위를 제한하는 것으로 이루어지지 않는 것으로 명확하게 이해될 것이다.Although the principles of the invention have been described above in connection with preferred embodiments, it will be clearly understood that such description is by way of example only and is not intended to limit the scope of the invention.
Claims (20)
반응기에 기판을 제공하는 단계로서, 기판이 적어도 하나의 패턴화된 유전층 및 적어도 하나의 패턴화된 전도성 금속 층을 포함하는 단계;
적어도 하나의 패턴화된 전도성 금속 층의 적어도 표면을 포함하는 기판의 표면으로부터 오염물을 제거하기 위해 사전-처리를 수행하는 단계;
반응기에 Co 전구체를 제공하는 단계;
기판을 Co 전구체와 접촉시키는 단계; 및
기판 상에 Co 함유 막을 형성시키는 단계를 포함하며,
Co 전구체는 (2,2,6-트리메틸-3-헵틴) 디코발트 헥사카보닐(CCTIBA); (2,2-디메틸-3-옥틴) 디코발트 헥사카보닐(CCTNBA); (2,2-디메틸-3-데신) 디코발트 헥사카보닐(CCTHA); 및 (2,2-디메틸-3-헵틴) 디코발트 헥사카보닐(CCTPA)로 이루어진 군으로부터 선택되는 이치환된 알킨 디코발트 카보닐 헥사카보닐 화합물이며;
Co 함유 막은 1 초과의, 적어도 하나의 패턴화된 유전층 상에 형성된 코발트 함유 막의 두께에 대한 적어도 하나의 패턴화된 전도성 금속 층 상에 형성된 코발트 함유 막의 두께의 비율로, 적어도 하나의 패턴화된 전도성 금속 층 상에 선택적으로 형성되는 방법.A method for selectively depositing cobalt on a substrate in a reactor, comprising:
providing a substrate to the reactor, the substrate comprising at least one patterned dielectric layer and at least one patterned conductive metal layer;
performing pre-treatment to remove contaminants from the surface of the substrate, including at least the surface of at least one patterned conductive metal layer;
providing a Co precursor to the reactor;
contacting the substrate with a Co precursor; and
Forming a Co-containing film on the substrate,
Co precursors include (2,2,6-trimethyl-3-heptyne) dicobalt hexacarbonyl (CCTIBA); (2,2-dimethyl-3-octyne) dicobalt hexacarbonyl (CCTNBA); (2,2-dimethyl-3-decyne) dicobalt hexacarbonyl (CCTHA); and (2,2-dimethyl-3-heptyne) dicobalt hexacarbonyl (CCTPA);
The Co-containing film has at least one patterned conductive layer, with a ratio of the thickness of the cobalt-containing film formed on the at least one patterned conductive metal layer to the thickness of the cobalt-containing film formed on the at least one patterned dielectric layer greater than 1. A method of selectively forming on a metal layer.
(2) 기판의 표면 상에 Co 함유 막이 형성된 적어도 하나의 패턴화된 전도성 금속 층을 함유하는 기판을 포함하며,
기판 상의 Co 함유 막은 제1항에 따라 증착된, 반도체 디바이스.(1) at least one patterned dielectric layer formed with a Co-containing film on the surface of the substrate; and
(2) a substrate containing at least one patterned conductive metal layer with a Co-containing film formed on the surface of the substrate,
A semiconductor device, wherein the Co-containing film on the substrate is deposited according to claim 1.
반응기에 기판을 제공하는 단계;
반응기에 Co 전구체를 제공하는 단계;
기판을 Co 전구체와 접촉시키는 단계;
기판 상에 Co 함유 막을 형성시키는 단계;
Co 함유 막을 어닐링하는 단계; 및
임의적으로,
반응기에 Co 전구체를 제공하는 단계 전에 기판의 표면으로부터 오염물을 제거하기 위해 사전-처리를 수행하는 단계를 포함하며,
Co 전구체는 (2,2,6-트리메틸-3-헵틴) 디코발트 헥사카보닐(CCTIBA); (2,2-디메틸-3-옥틴) 디코발트 헥사카보닐(CCTNBA); (2,2-디메틸-3-데신) 디코발트 헥사카보닐(CCTHA); 및 (2,2-디메틸-3-헵틴) 디코발트 헥사카보닐(CCTPA)로 이루어진 군으로부터 선택되는 이치환된 알킨 디코발트 카보닐 헥사카보닐 화합물이며;
기판은 금속, 금속 옥사이드, 금속 니트라이드, 실리콘, 실리콘 옥사이드, 실리콘 니트라이드, TaN, 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되며;
Co 함유 막은 코발트 막, 코발트 옥사이드 막, 코발트 실리사이드 막, 코발트 니트라이드 막, 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 방법.A method of depositing cobalt on a substrate in a reactor, comprising:
providing a substrate to the reactor;
providing a Co precursor to the reactor;
contacting the substrate with a Co precursor;
forming a Co-containing film on a substrate;
Annealing the Co-containing film; and
arbitrarily,
performing pre-treatment to remove contaminants from the surface of the substrate prior to providing a Co precursor to the reactor,
Co precursors include (2,2,6-trimethyl-3-heptyne) dicobalt hexacarbonyl (CCTIBA); (2,2-dimethyl-3-octyne) dicobalt hexacarbonyl (CCTNBA); (2,2-dimethyl-3-decyne) dicobalt hexacarbonyl (CCTHA); and (2,2-dimethyl-3-heptyne) dicobalt hexacarbonyl (CCTPA);
The substrate is selected from the group consisting of metal, metal oxide, metal nitride, silicon, silicon oxide, silicon nitride, TaN, and combinations thereof;
The Co-containing film is selected from the group consisting of a cobalt film, a cobalt oxide film, a cobalt silicide film, a cobalt nitride film, and combinations thereof.
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