KR20000014279A - Process for preparing alkylimido-tris-alkylamidotantalnium and preparing tantalnium nitride film - Google Patents

Process for preparing alkylimido-tris-alkylamidotantalnium and preparing tantalnium nitride film Download PDF

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박희숙
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윤종용
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    • C23C16/18Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the deposition of metallic material from metallo-organic compounds

Abstract

PURPOSE: Alkylimino-tris-alkylamidotantalum as an organometallic precursor is prepared which can prepare tantalum film. CONSTITUTION: Title compounds(formula I; R1 is C3- C7 alkyl group; R2 is hydrogen or methyl group; R3 is ethyl, methyl, isopropyl or t-butyl group) are prepared from compound II£Lin(R2)(R3); R2 is hydrogen or methyl group; R3 is ethyl, methyl, isopropyl or t-butyl group| and compound III£(LiNH(R1); R1 is C3- C7 alkyl group|. Thus, 1.2 mole of compound II and 0.3 mole of compound III are suspended in 500 ml of dry n-hexane, followed by cooling to -78°C. 1.2 Mole of TaCl5 is slowly added and heated for 5 hours to give the title compound.

Description

알킬이미도-트리스-알킬아미도 탄탈늄, 그 제조방법 및 이를 이용한 탄탈늄나이트라이드막 제조방법Alkylimido-tris-alkylamido tantalum, preparation method thereof and tantalum nitride film production method using the same

본 발명은 유기금속 화학기상증착 공정에 있어서 유기금속전구체로 사용되는 알킬이미도-트리스-알킬아미도 탄탈늄, 그 제조방법 및 이를 이용한 TaN막의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to an alkylimido-tris-alkylamido tantalum used as an organometallic precursor in an organometallic chemical vapor deposition process, a method for producing the same, and a method for producing a TaN film using the same.

반도체가 고집적화됨에 따라 금속배선을 함에 있어 알루미늄 배선에 비해 비저항이 낮고 일렉트로마이그레이션에 대한 내성이 우수한 구리배선의 필요성이 대두되고 있다. 콘택을 형성하는 금속막과 실리콘막을 이루는 물질들이 서로 확산되지 않도록 하고, 인접한 영역의 물질들이 서로 화학적 반응을 일으키지 않도록 하기 위하여, 금속막과 실리콘막 사이에 확산장벽(diffusion barrier)을 형성하게 된다. 따라서, 확산장벽으로 사용되는 물질은 (1)금속막이나 실리콘막으로 확산되지 않아야 하고, 금속막이나 실리콘막과 반응하지 않을 정도로 안정성이 있어야 하며, (2)금속막과 실리콘막에 대하여 잘 접착되어야 하며, (3)금속막과 실리콘막에 대하여 콘택저항이 낮아야 한다. 앞서 언급한 구리금속막과 실리콘막사이에 형성되는 확산장벽(diffusion barrier)으로 티타늄나이트라이드(이하 "TiN"이라 함)막 또는 탄탈늄나이트라이드(이하 "TaN"이라 함)막 등이 연구되고 있다.As semiconductors are highly integrated, there is a need for copper wiring having low resistivity and excellent resistance to electromigration compared to aluminum wiring. A diffusion barrier is formed between the metal film and the silicon film in order to prevent the materials forming the contact and the metal constituting the silicon film from diffusing with each other and the materials in adjacent regions do not cause a chemical reaction with each other. Therefore, the material used as the diffusion barrier must be (1) not diffused into the metal film or silicon film, stable enough to not react with the metal film or silicon film, and (2) adhere well to the metal film and silicon film. (3) Low contact resistance for metal film and silicon film. Titanium nitride (hereinafter referred to as "TiN") film or tantalum nitride (hereinafter referred to as "TaN") film is studied as a diffusion barrier formed between the aforementioned copper metal film and silicon film. have.

그리고, 확산장벽을 형성하기 위하여 스퍼터링방법, 화학기상증착방법등이 사용된다. 스퍼터링방법을 이용하여 확산장벽을 형성하는 경우, 최근 반도체 소자가 고집적화되어 종횡비(aspect ratio)가 증가함에 따라 형성되는 확산장벽의 스텝커버리지(step coverage)가 나빠지는 문제점이 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여 화학기상증착법을 이용하여 확산장벽을 형성하는 방법이 시도되고 있다. 하지만, 화학기상증착법에 의해 형성된 TiN막을 구리금속막과 실리콘막 사이의 확산장벽으로 사용하는 경우, 이를 500℃ 이상에서 30분간 열처리하면 구리가 실리콘막으로 확산되는 현상이 발생된다. 따라서, 이러한 TiN막은 구리 금속배선에 대한 확산장벽으로서의 특성이 좋지 못한 문제점이 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여 구리 금속배선에 대한 확산장벽 특성이 우수한 TaN막을 화학기상증착에 의해 형성하는 방법이 연구되고 있다.In order to form a diffusion barrier, a sputtering method, a chemical vapor deposition method, and the like are used. In the case of forming a diffusion barrier using a sputtering method, there is a problem in that the step coverage of the diffusion barrier formed as the semiconductor device is highly integrated and the aspect ratio increases. In order to solve this problem, a method of forming a diffusion barrier using chemical vapor deposition has been attempted. However, when the TiN film formed by the chemical vapor deposition method is used as a diffusion barrier between the copper metal film and the silicon film, heat treatment at 500 ° C. or higher for 30 minutes causes copper to diffuse into the silicon film. Therefore, such a TiN film has a problem in that its characteristics as a diffusion barrier for copper metal wiring are poor. In order to solve this problem, a method of forming a TaN film having excellent diffusion barrier properties for copper metal wiring by chemical vapor deposition has been studied.

TaN막은 TaCl5, N2및 H2를 이용하거나 TaCl5와 NH3를 이용한 화학기상증착방법에 의하여 형성할 수 있다. 하지만, 이 방법을 사용할 경우 반응온도가 800℃ - 1300℃ 이며, 이 온도는 반도체 공정을 적용하기에 너무 높은 온도이다. 따라서, 이러한 반응온도를 낮추기 위하여 TaCl5대신 유기금속전구체, 예컨대 Ta(N(CH3)2)5를 이용할 수 있다. Ta(N(CH3)2)5를 이용하는 경우, 증착 반응온도가 200℃로 크게 낮아지는 장점이 있다. 하지만, 이 경우, 비저항이 106μΩ㎝ 이상인 정방정계의 Ta3N5가 만들어지는 문제점이 있다. 따라서, 이러한 문제점을 해결하기 위하여, TaCl5를 이용하는 경우보다 탄탈륨과 질소와의 이중결합을 포함하는 유기금속 전구체를 이용하면 비교적 낮은 온도에서 증착되고 비저항이 작은 TaN막을 형성할 수 있다. 하지만, 이렇게 형성된 TaN막 내에 탄소가 많이 잔류되어 있기 때문에, TaN 상(phase)뿐만 아니라 TaCN 상도 존재하게 된다. 그 결과, 증착된 TaN막의 비저항은 1000μΩ㎝ 보다 더 크게 되고, 이는 스퍼터링방법으로 형성된 TaN막의 비저항인 135 - 250μΩ㎝ 보다 훨씬 더 큰 값이 된다. 따라서, 탄탈륨과 질소의 이중결합을 포함하는 유기금속 전구체를 사용한다 하더라도 TaN막이 높은 비저항을 갖게 되는 문제점이 있다.The TaN film may be formed by chemical vapor deposition using TaCl 5 , N 2 and H 2 or using TaCl 5 and NH 3 . However, when using this method, the reaction temperature is 800 ° C-1300 ° C, which is too high for the semiconductor process. Therefore, in order to lower the reaction temperature, an organometallic precursor such as Ta (N (CH 3 ) 2 ) 5 may be used instead of TaCl 5 . When Ta (N (CH 3 ) 2 ) 5 is used, the deposition reaction temperature is significantly lowered to 200 ° C. However, in this case, there is a problem that Ta 3 N 5 of tetragonal system having a specific resistance of 10 6 µΩcm or more is made. Therefore, in order to solve this problem, using an organometallic precursor containing a double bond between tantalum and nitrogen than when using TaCl 5 can form a TaN film deposited at a relatively low temperature and a low resistivity. However, since much carbon remains in the TaN film thus formed, not only the TaN phase but also the TaCN phase is present. As a result, the resistivity of the deposited TaN film is larger than 1000 µΩcm, which is much larger than 135-250 µΩcm, which is the resistivity of the TaN film formed by the sputtering method. Therefore, even when an organometallic precursor including a double bond of tantalum and nitrogen is used, there is a problem in that the TaN film has a high specific resistance.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 스텝커버리지가 우수하고 낮은 비저항을 갖는 TaN막을 저온에서 유기금속 화학기상증착법으로 형성할 수 있는 유기금속 전구체인 알킬이미도-트리스-알킬아미도 탄탈늄을 제공하는데 그 목적이 있다.An object of the present invention is to provide an alkylimido-tris-alkylamido tantalum, which is an organometallic precursor capable of forming a TaN film having excellent step coverage and low resistivity by organometallic chemical vapor deposition at low temperature. There is a purpose.

본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는 상기 유기금속 전구체인 알킬이미도-트리스-알킬아미도 탄탈늄의 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.Another object of the present invention is to provide a method for preparing alkylimido-tris-alkylamido tantalum as the organometallic precursor.

본 발명이 이루고자 하는 또 다른 기술적 과제는 상기 알킬이미도-트리스-알킬아미도 탄탈늄을 이용하여 유기금속 화학기상증착법에 의하여 TaN막의 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.Another object of the present invention is to provide a method for preparing a TaN film by organometallic chemical vapor deposition using the alkylimido-tris-alkylamido tantalum.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 알킬이미도-트리스-알킬아미도 탄탈늄은 하기 화학식 1로 표시되는 화합물이다.Alkylimido-tris-alkylamido tantalum according to the present invention for achieving the above object is a compound represented by the following formula (1).

상기 식중 R1은 탄소수 3 내지 7개의 알킬 그룹중의 하나이고, R2는 수소 또는 메틸 그룹중의 하나이고, R3는 에틸, 메틸, 이소프로필, 또는 t-부틸 그룹중의 하나임.Wherein R 1 is one of alkyl groups of 3 to 7 carbon atoms, R 2 is one of hydrogen or methyl group, and R 3 is one of ethyl, methyl, isopropyl, or t-butyl group.

특히, R1은 알킬 그룹중에서 래디칼 안정도가 우수한 t-부틸, 알릴 또는 벤질 그룹인 것이 바람직하다.In particular, R1 is preferably a t-butyl, allyl or benzyl group having excellent radical stability among alkyl groups.

상기 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 알킬이미도-트리스-알킬아미도 탄탈늄의 제조방법의 일실시예는 하기 화학식2를 갖는 화합물과 하기 화학식3을 갖는 화합물을 혼합하여 혼합용액을 형성하는 단계와, 혼합용액을 냉각하는 단계 및 냉각된 혼합용액에 TaCl5를 첨가하여 반응시켜 상기 화학식2을 갖는 알킬이미도-트리스- 알킬아미도 탄탈늄을 완성하는 단계를 구비한다.One embodiment of the method for producing an alkylimido-tris-alkylamido tantalum according to the present invention for achieving the above another object is to form a mixed solution by mixing a compound having the formula (2) and a compound having the formula (3) And a step of cooling the mixed solution and reacting by adding TaCl 5 to the cooled mixed solution to complete the alkylimido-tris-alkylamido tantalum having the formula (2).

LiN(R2)(R3)LiN (R2) (R3)

LiNH(R1)LiNH (R1)

상기 식중 R1은 탄소수 3 내지 7개의 알킬 그룹중의 하나이고, R2는 수소 또는 메틸 그룹중의 하나이고, R3는 에틸, 메틸, 이소프로필, 또는 t-부틸 그룹중의 하나임.Wherein R 1 is one of alkyl groups of 3 to 7 carbon atoms, R 2 is one of hydrogen or methyl group, and R 3 is one of ethyl, methyl, isopropyl, or t-butyl group.

상기 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 알킬이미도-트리스-알킬아미도 탄탈늄의 제조방법의 다른 실시예는 하기 화학식4와 같은 알킬 아미도용액을 제공하는 단계와, 알킬 아미도 용액을 냉각시키는 단계 및 알킬 아미도용액에 Ta(N(R2)(R3))5를 첨가하여 반응시켜 상기 화학식1을 갖는 알킬이미도-트리스-알킬아미도 탄탈늄을 완성하는 단계를 구비한다.Another embodiment of the method for preparing alkylimido-tris-alkylamido tantalum according to the present invention for achieving the above another object is to provide an alkyl amido solution, such as the formula (4), and the alkyl amido solution The step of cooling and the addition of Ta (N (R 2) (R 3)) 5 to the alkyl amido solution to react to complete the alkylimido-tris-alkyl amido tantalum having the formula (1).

(R1)NH2 (R1) NH 2

상기 식중 R1은 탄소수 3 내지 7개의 알킬 그룹중의 하나이고, R2는 수소 또는 메틸 그룹중의 하나이고, R3는 에틸, 메틸, 이소프로필, 또는 t-부틸 그룹중의 하나임.Wherein R 1 is one of alkyl groups of 3 to 7 carbon atoms, R 2 is one of hydrogen or methyl group, and R 3 is one of ethyl, methyl, isopropyl, or t-butyl group.

상기 또 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 알킬이미도-트리스-알킬아미도-탄탈늄을 이용한 유기금속 화학기상증착법에 의한 TaN막의 제조방법은, 유기금속 화학기상증착 장비내로 상기 화학식1을 갖는 알킬이미도-트리스-알킬아미도 탄탈늄을 제공하는 단계와, 알킬이미도-트리스-알킬아미도 탄탈늄을 기화시키는 단계와, 반도체 기판상에 TaN막을 증착하는 단계를 구비한다. 이 제조방법에 의해 형성된 TaN막은 구리금속막과 실리콘막 사이에 형성되는 확산장벽으로 이용하는 것이 바람직하다.According to another aspect of the present invention, there is provided a method of preparing a TaN film by an organometallic chemical vapor deposition method using an alkylimido-tris-alkylamido-tantalum, in which the chemical formula 1 Providing an alkylimido-tris-alkylamido tantalum having, vaporizing the alkylimido-tris-alkylamido tantalum, and depositing a TaN film on the semiconductor substrate. The TaN film formed by this manufacturing method is preferably used as a diffusion barrier formed between the copper metal film and the silicon film.

본 발명에 의하여 제조되는 알킬이미도-트리스-알킬아미도 탄탈늄이 구리금속막과 실리콘막사이의 확산장벽으로 사용되는 TaN막의 유기금속전구체로 사용됨으로써, 스텝커버리지가 우수하고 비저항이 낮은 TaN막을 형성할 수 있다.The alkylimido-tris-alkylamido tantalum produced by the present invention is used as an organometallic precursor of a TaN film used as a diffusion barrier between a copper metal film and a silicon film, thereby providing a TaN film having excellent step coverage and low specific resistance. Can be formed.

이하, 본 발명의 알킬이미도-트리스-알킬아미도 탄탈늄, 그 제조방법 및 이를 이용한 유기금속 화학기상증착법에 의한 TaN막의 제조방법에 대하여 설명한다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것으로서, 본 발명의 기술사상 및 범위내에서 당 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의하여 각종 변형 및 개량이 가능함은 명백하다.Hereinafter, an alkylimido-tris-alkylamido tantalum of the present invention, a method for producing the same, and a method for producing a TaN film by an organometallic chemical vapor deposition method using the same will be described. However, the present invention is not limited to the embodiments disclosed below, but will be implemented in various forms, and only the embodiments are intended to complete the disclosure of the present invention, and to those skilled in the art the scope of the invention. It is apparent that various modifications and improvements are possible to those skilled in the art without departing from the spirit and scope of the present invention as provided to fully inform the present invention.

알킬이미도-트리스-알킬아미도 탄탈늄Alkylimido-tris-alkylamido tantalum

본 발명에 따른 알킬이미도-트리스-알킬아미도 탄탈늄(Alkylimido-tris- alkylamido tantalum)은 유기금속 화학기상증착(metal organic chemical vapor deposition) 공정에 있어서 유기금속전구체로 사용된다. 이 화합물은 구리 금속배선에 대한 확산장벽으로 이용되는 TaN막을 형성하기 위한 유기금속전구체로 사용되는 것이 바람직하다.Alkylimido-tris-alkylamido tantalum according to the present invention is used as an organometallic precursor in a metal organic chemical vapor deposition process. This compound is preferably used as an organometallic precursor for forming a TaN film used as a diffusion barrier for copper metal wiring.

본 발명에 따른 알킬이미도-트리스-알킬아미도 탄탈늄은 하기 화학식1로 표시된다.Alkylimido-tris-alkylamido tantalum according to the present invention is represented by the following formula (1).

<화학식 1><Formula 1>

특히, R1은 알킬 그룹중의 하나로서, 래디칼 안정도가 우수한 t-부틸, 알릴 또는 벤질 그룹인 것이 바람직하다. R2는 수소 또는 메틸 그룹중의 하나이고, R3는 에틸, 메틸, 이소프로필, 또는 t-부틸 그룹중의 하나이다.In particular, R1 is one of alkyl groups, preferably t-butyl, allyl or benzyl group with excellent radical stability. R2 is one of hydrogen or methyl groups and R3 is one of ethyl, methyl, isopropyl, or t-butyl groups.

알킬이미도-트리스-알킬아미도 탄탈늄은 TaN막을 증착하기 위한 유기금속전구체로 이용된다. 이때, 알킬이미도-트리스-알킬아미도 탄탈늄에 있어서 탄탈늄과 질소의 이중결합은 화학기상증착 공정의 열분해 단계에서 분해되지 않고 유지되는 특성이 있다. 따라서 알킬이미도-트리스-알킬아미도 탄탈늄을 이용하여 형성된 TaN막은 비저항이 낮은 입방정계상(cubic phase)이 된다. R1으로 사용되는 t-부틸, 알릴 또는 벤질 그룹은 여러 알킬 그룹중에서 래디칼 안정성이 우수하기 때문에, 화학기상증착 공정중에 쉽게 해리되어 제거된다. 그리고, 탄탈늄과 단일 결합되어 있는 질소 원자에 결합되어 있는 알킬그룹 R3는 베타-수소화물 제거 메카니즘에 의해 쉽게 제거된다. 또한, 알킬 그룹 R3는 단순한 열분해반응에 의해 제거되며, 알킬 그룹중에서 최소 개수의 탄소 원자를 갖기 때문에 증착막내의 잔류 탄소량을 최소화 할 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 알킬이미도-트리스-알킬아미도 탄탈늄을 유기금속 전구체로 사용하면 스텝커버리지가 우수하고 낮은 비저항을 갖는 TaN막을 형성할 수 있다.Alkylimido-tris-alkylamido tantalum is used as an organometallic precursor for depositing TaN films. In this case, in the alkylimido-tris-alkylamido tantalum, the double bond of tantalum and nitrogen is maintained without being decomposed in the thermal decomposition step of the chemical vapor deposition process. Therefore, the TaN film formed using the alkylimido-tris-alkylamido tantalum becomes a cubic phase with low specific resistance. The t-butyl, allyl or benzyl groups used for R 1 are easily dissociated and removed during the chemical vapor deposition process because of their excellent radical stability among the various alkyl groups. And, the alkyl group R3 bonded to the nitrogen atom which is single-bonded with tantalum is easily removed by the beta-hydride removal mechanism. In addition, the alkyl group R3 is removed by a simple pyrolysis reaction, and has a minimum number of carbon atoms in the alkyl group, thereby minimizing the amount of residual carbon in the deposited film. Therefore, when the alkylimido-tris-alkylamido tantalum according to the present invention is used as an organometallic precursor, a TaN film having excellent step coverage and low specific resistance can be formed.

알킬이미도-트리스-알킬아미도 탄탈늄의 제조방법Method for preparing alkylimido-tris-alkylamido tantalum

<실시예 1><Example 1>

알킬이미도-트리스-알킬아미도 탄탈늄의 합성은 질소 분위기 하에서 슈렝크 방법(Schlenk technique)을 이용하여 진행한다. 용매, 예컨대 헥산은 사용전에 소듐 벤조페논(sodium benzophenone)을 이용하여 드라이한다. 상기 화학식2를 갖는 화합물 1.2몰과 상기 화학식3을 갖는 화합물 0.3몰을 500㎖의 드라이 n-헥산이 들어있는 1000㎖ 슈렝크 플라스크(Schlenk flask)에 넣는다. 다음, 슈렝크 플라스크를 드라이 아이스 배스(dry ice bath)에 넣어 슈렝크 플라스크 내의 현탁용액을 -78℃로 냉각시킨다. 여기에 TaCl51.2몰을 천천히 넣는다. 다음, 이 혼합물을 서서히 데우고 5시간 유지하여 하기 반응식 1과 같은 반응을 완결시킨다.The synthesis of alkylimido-tris-alkylamido tantalum proceeds using the Schlenk technique under a nitrogen atmosphere. Solvents such as hexanes are dried using sodium benzophenone before use. 1.2 moles of the compound having Formula 2 and 0.3 mole of the compound having Formula 3 were placed in a 1000 ml Schlenk flask containing 500 ml of dry n-hexane. Next, the Schlenk flask is placed in a dry ice bath to cool the suspension solution in the Schlenk flask to -78 ° C. Slowly add 1.2 mol of TaCl 5 to it. The mixture is then slowly warmed up and held for 5 hours to complete the reaction shown in Scheme 1 below.

TaCl5+4LiNH(R1)+Li(R2)(R3)→((R2)(R3)N)3Ta=N(R1)+5LiCl+(R1)NH2 TaCl 5 + 4LiNH (R1) + Li (R2) (R3) → ((R2) (R3) N) 3 Ta = N (R1) + 5LiCl + (R1) NH 2

R1은 탄소수 3 내지 7개의 알킬 그룹중의 하나이고, R2는 수소 또는 메틸 그룹중의 하나이고, R3는 에틸, 메틸, 이소프로필, 또는 t-부틸 그룹중의 하나이다.R 1 is one of alkyl groups of 3 to 7 carbon atoms, R 2 is one of hydrogen or methyl group, and R 3 is one of ethyl, methyl, isopropyl, or t-butyl group.

반응이 완결된 후 침전물을 여과하고, n-헥산 100㎖로 세 번 세척한다. 다음, 휘발성 화합물을 진공을 이용하여 제거하면 순수한 알킬이미도-트리스-알킬아미도 탄탈늄을 얻게 된다.After completion of the reaction the precipitate is filtered off and washed three times with 100 ml of n-hexane. The volatile compounds are then removed using vacuum to give pure alkylimido-tris-alkylamido tantalum.

<실시예2>Example 2

상기 화학식4를 갖는 화합물 1.5몰을 500㎖ 드라이 n-헥산이 들어 있는 1000㎖ 슈렝크 플라스크에 넣는다. 슈렝크 플라스크를 드라이 아이스 배스(dry ice bath)에 넣어 -78℃로 냉각시킨다. 냉각된 슈렝크 플라스크 안에 Ta(N(R2)(R3)2)51.2몰을 천천히 넣는다. 다음, 이 혼합물을 상온까지 서서히 데우고 3시간을 유지하여 반응을 완결시킨다. 반응이 완결된 후 침전물을 여과하고 n-헥산 100㎖로 세 번 세척한다. 다음, 휘발성 화합물을 진공을 이용하여 제거하면 순수한 알킬이미도-트리스-알킬아미도 탄탈늄을 얻게 된다.1.5 moles of the compound having the above formula (4) was placed in a 1000 ml Schlenk flask containing 500 ml dry n-hexane. The Schlenk flask is placed in a dry ice bath and cooled to -78 ° C. Slowly add 1.2 moles of Ta (N (R2) (R3) 2 ) 5 into the cooled Schlenk flask. The mixture is then slowly warmed up to room temperature and held for 3 hours to complete the reaction. After the reaction was completed, the precipitate was filtered off and washed three times with 100 ml of n-hexane. The volatile compounds are then removed using vacuum to give pure alkylimido-tris-alkylamido tantalum.

알킬이미도-트리스-알킬아미도 탄탈늄을 이용한 TaN막의 제조방법Method for preparing TaN film using alkylimido-tris-alkylamido tantalum

본 발명에 따른 상기 화학식5를 갖는 알킬이미도-트리스-알킬아미도 탄탈늄을 유기금속 전구체로 사용하여 유기금속 화학기상증착법에 의해 TaN막을 제조하는 방법에 대해 설명한다.A method of preparing a TaN film by organometallic chemical vapor deposition using the alkylimido-tris-alkylamido tantalum having the formula (5) according to the present invention as an organometallic precursor will be described.

먼저, 콜드 월(cold wall) 방식의 유기금속 화학기상증착 장비내로 알킬이미도-트리스-알킬아미도 탄탈늄을 제공한다. 이때, 챔버의 베이스(base) 압력은 2×10-6torr이며, 전구체 운반(precursor delivery)은 액체 운반 시스템(liquid delivery system)을 이용하여 진행하며, 증발원(vaporizer)의 온도는 30℃- 60℃를 유지한다. 그리고, 전구체가 응축(condensation)되는 것을 방지하기 위하여, 전구체 운반 라인(precursor delivery line), 챔버 및 샤우어헤드(showerhead)를 가열한다. 다음, 알킬이미도-트리스-알킬아미도-탄탈늄을 기화시킨 후, 반도체 기판상에 TaN막을 증착한다. TaN막을 증착하기 전에 반도체 기판을 세정하는 것이 바람직하다. 이때, 세정방법은 불화수소산(HF)과 암모니아(NH4OH), 과산화수소(H2O2) 및 순수(Deionized Water)가 혼합된 세정용액에 세정하거나, 증착 챔버안에서 무선주파(radio frequency : RF) 플라즈마를 이용한 아르곤이나 수소 스퍼터링 방법으로 세정할 수 있다.First, an alkylimido-tris-alkylamido tantalum is provided into a cold wall organometallic chemical vapor deposition apparatus. At this time, the base pressure of the chamber is 2 × 10 -6 torr, precursor delivery is carried out using a liquid delivery system, the temperature of the evaporator (30 ℃-60) Keep the temperature. Then, the precursor delivery line, the chamber and the showerhead are heated to prevent the precursor from condensation. Next, after vaporizing the alkylimido-tris-alkylamido-tantalum, a TaN film is deposited on the semiconductor substrate. It is preferable to clean the semiconductor substrate before depositing the TaN film. At this time, the cleaning method may be washed in a cleaning solution in which hydrofluoric acid (HF) and ammonia (NH 4 OH), hydrogen peroxide (H 2 O 2 ) and pure water (Deionized Water) are mixed, or in a deposition chamber, radio frequency (RF) ) Can be cleaned by argon or hydrogen sputtering using plasma.

<실험예>Experimental Example

TaN막은 350℃ - 650℃ 범위의 증착온도에서 증착을 실시하면, 증착온도가 증가할수록 증착막의 비저항은 감소하나, 증착속도는 크게 변하지 않는다. 증착온도가 450℃인 경우, 형성되는 TaN막은 400μΩ㎝의 비저항을 갖는다. 오제 전자 분광법(Auger Electron Spectroscopy : AES)을 이용하여 TaN막의 원소분석을 하면 N/Ta=0.7 이나, 러더포드 후방산란 분광법(Rutherford Backscattering Spectroscopy : RBS)을 이용하여 TaN막의 원소분석을 하면 N/Ta=1.1로서 질소가 더 많은 것으로 나타난다. 그리고, AES를 이용하여 TaN막을 분석한 결과를 보면, TaN막 내에 산소와 탄소가 각각 4% 정도로 존재하며, 이는 화학기상증착 공정에 의한 TaN막의 경우보다 크게 감소한 것이다. 본 발명에 따른 방법으로 TaN막을 종횡비(aspect ratio)가 2이고 임계치수(critical dimension)가 0.45인 트렌치에 증착하면, TaN막은 증착온도가 400℃인 경우 100%, 증착온도가 450℃인 경우 70%의 스텝커버리지를 얻을 수 있다.When the TaN film is deposited at a deposition temperature in the range of 350 ° C to 650 ° C, the resistivity of the deposited film decreases as the deposition temperature increases, but the deposition rate does not change significantly. When the deposition temperature is 450 deg. C, the formed TaN film has a specific resistance of 400 mu m cm. Elemental analysis of TaN films using Auger Electron Spectroscopy (AES) is N / Ta = 0.7, or elemental analysis of TaN films using Rutherford Backscattering Spectroscopy (RBS). 1.1 indicates more nitrogen. As a result of analyzing the TaN film using AES, oxygen and carbon are present in the TaN film at about 4%, respectively, which is greatly reduced than that of the TaN film by the chemical vapor deposition process. When the TaN film is deposited in a trench having an aspect ratio of 2 and a critical dimension of 0.45 by the method according to the present invention, the TaN film is 100% when the deposition temperature is 400 ° C and 70 when the deposition temperature is 450 ° C. Step coverage of% can be obtained.

그리고, 본 발명에 의해 형성된 TaN막을 확산장벽으로 사용하는 경우, 이를 550℃에서 30분간 열처리하더라도 TaN막에 의하여 구리가 실리콘으로 확산되지 않는 특성을 얻을 수 있다.In addition, when the TaN film formed by the present invention is used as a diffusion barrier, even if it is heat-treated at 550 ° C. for 30 minutes, it is possible to obtain a property that copper does not diffuse into silicon by the TaN film.

본 발명에 의해 형성된 TaN막은 구리금속막과 실리콘막 사이에 형성되는 확산장벽으로 이용하는 것이 바람직하다.The TaN film formed by the present invention is preferably used as a diffusion barrier formed between the copper metal film and the silicon film.

이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명에 따른 알킬이미도-트리스-알킬아미도 탄탈늄을 TaN막을 형성하기 위한 유기금속전구체로 사용함으로써, 스텝커버리지가 우수하고 비저항이 낮은 TaN막을 저온에서 유기금속 화학기상증착법으로 형성할 수 있다.As described above, by using the alkylimido-tris-alkylamido tantalum according to the present invention as an organometallic precursor for forming a TaN film, a TaN film having excellent step coverage and low specific resistance is subjected to organometallic chemical vapor deposition at low temperatures. It can be formed as.

Claims (11)

하기 화학식1로 표시되는 것을 특징으로 하는 알킬이미도-트리스-알킬아미도 탄탈늄.Alkylimido-tris-alkylamido tantalum represented by the following formula (1). <화학식 1><Formula 1> 상기 식중 R1은 탄소수 3 내지 7개의 알킬 그룹중의 하나이고, R2는 수소 또는 메틸 그룹 중의 하나이고, R3는 에틸, 메틸, 이소프로필, 또는 t-부틸 그룹중의 하나임.Wherein R 1 is one of alkyl groups of 3 to 7 carbon atoms, R 2 is one of hydrogen or methyl group, and R 3 is one of ethyl, methyl, isopropyl, or t-butyl group. 제1항에 있어서, 상기 R1은 t-부틸, 알릴 또는 벤질 그룹인 것을 특징으로 하는 알킬이미도-트리스-알킬아미도 탄탈늄.The alkylimido-tris-alkylamido tantalum of claim 1, wherein R 1 is a t-butyl, allyl or benzyl group. 하기 화학식2를 갖는 화합물과 하기 화학식3을 갖는 화합물을 혼합하여 혼합용액을 형성하는 단계;Mixing a compound having Formula 2 and a compound having Formula 3 to form a mixed solution; <화학식 2><Formula 2> LiN(R2)(R3)LiN (R2) (R3) <화학식 3><Formula 3> LiNH(R1)LiNH (R1) 상기 식중 R1은 탄소수 3 내지 7개인 알킬 그룹중의 하나이고, R2는 수소 또는 메틸 그룹 중의 하나이고, R3는 에틸, 메틸, 이소프로필, 또는 t-부틸 그룹중의 하나임.Wherein R 1 is one of alkyl groups having 3 to 7 carbon atoms, R 2 is one of hydrogen or methyl group, and R 3 is one of ethyl, methyl, isopropyl, or t-butyl group. 상기 혼합용액을 냉각하는 단계; 및Cooling the mixed solution; And 냉각된 상기 혼합용액에 TaCl5를 첨가하여 반응시켜 하기 화학식1을 갖는 알킬이미도-트리스-알킬아미도 탄탈늄을 완성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 알킬이미도-트리스-알킬아미도 탄탈늄의 제조방법.TaCl 5 is added to the cooled mixture to react the mixture, thereby completing alkylimido-tris-alkylamido tantalum having the following formula (1), wherein the alkylimido-tris-alkylamido tantalum is prepared. Method for producingium <화학식 1><Formula 1> 상기 식중 R1은 탄소수 3 내지 7개의 알킬 그룹중의 하나이고, R2는 수소 또는 메틸 그룹 중의 하나이고, R3는 에틸, 메틸, 이소프로필, 또는 t-부틸 그룹중의 하나임.Wherein R 1 is one of alkyl groups of 3 to 7 carbon atoms, R 2 is one of hydrogen or methyl group, and R 3 is one of ethyl, methyl, isopropyl, or t-butyl group. 제3항에 있어서, 상기 R1은 t-부틸, 알릴 또는 벤질인 것을 특징으로 하는 알킬이미도-트리스-알킬아미도 탄탈늄의 제조방법.4. The method of claim 3, wherein R 1 is t-butyl, allyl or benzyl. 5. 제3항에 있어서, 상기 혼합용액을 냉각시키는 단계는 -78℃까지 혼합용액의 온도를 낮춤으로써 진행되는 단계인 것을 특징으로 하는 알킬이미도-트리스-알킬아미도 탄탈늄의 제조방법.The method of claim 3, wherein the cooling of the mixed solution is performed by lowering the temperature of the mixed solution to −78 ° C. 5. 하기 화학식 4와 같은 알킬 아미도용액을 제공하는 단계;Providing an alkyl amido solution such as Formula 4; <화학식 4><Formula 4> (R1)NH2 (R1) NH 2 상기 알킬 아미도 용액을 냉각시키는 단계; 및Cooling the alkyl amido solution; And 상기 알킬 아미도 용액에 Ta(N(R2)(R3))5를 첨가하여 반응시켜 하기 화학식1을 갖는 알킬이미도-트리스-알킬아미도 탄탈늄을 완성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 알킬이미도-트리스-알킬아미도 탄탈늄의 제조방법.Ta (N (R2) (R3)) 5 is added to the alkyl amido solution and reacted to form an alkylimido-tris-alkylamido tantalum having the following formula (1): Method for preparing imido-tris-alkylamido tantalum. <화학식 1><Formula 1> 상기 식중 R1은 탄소수 3 내지 7개의 알킬 그룹중의 하나이고, R2는 수소 또는 메틸 그룹 중의 하나이고, R3는 에틸, 메틸, 이소프로필, 또는 t-부틸 그룹중의 하나임.Wherein R 1 is one of alkyl groups of 3 to 7 carbon atoms, R 2 is one of hydrogen or methyl group, and R 3 is one of ethyl, methyl, isopropyl, or t-butyl group. 제6항에 있어서, 상기 R1은 t-부틸, 알릴 또는 벤질인 것을 특징으로 하는 알킬이미도-트리스-알킬아미도 탄탈늄의 제조방법.The method of claim 6, wherein R 1 is t-butyl, allyl or benzyl. 하기 화학식1을 갖는 알킬이미도-트리스-알킬아미도 탄탈늄을 유기금속 전구체로 사용하여 유기금속 화학기상증착법에 의해 TaN막을 제조하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 상기 알킬이미도-트리스-알킬아미도 탄탈늄을 이용한 TaN막의 제조방법.The alkylimido-tris-alkyl comprising the step of preparing a TaN film by organometallic chemical vapor deposition using an alkylimido-tris-alkylamido tantalum having the formula 1 as an organometallic precursor Method for manufacturing TaN film using amido tantalum. <화학식 1><Formula 1> 상기 식중 R1은 탄소수 3 내지 7개의 알킬 그룹중의 하나이고, R2는 수소 또는 메틸 그룹 중의 하나이고, R3는 에틸, 메틸, 이소프로필, 또는 t-부틸 그룹중의 하나임.Wherein R 1 is one of alkyl groups of 3 to 7 carbon atoms, R 2 is one of hydrogen or methyl group, and R 3 is one of ethyl, methyl, isopropyl, or t-butyl group. 제6항에 있어서, 상기 유기금속 화학기상 증착법에 의해 TaN막을 제조하는 단계는 유기금속 화학기상증착 장비내로 상기 알킬이미도-트리스-알킬아미도 탄탈늄을 제공하는 단계와, 상기 알킬이미도-트리스-알킬아미도 탄탈늄을 기화시키는 단계와, 반도체 기판상에 TaN막을 증착하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 상기 알킬이미도-트리스-알킬아미도 탄탈늄을 이용한 TaN막의 제조방법.The method of claim 6, wherein the preparing of the TaN film by the organometallic chemical vapor deposition method comprises: providing the alkylimido-tris-alkylamido tantalum into an organometallic chemical vapor deposition apparatus, and the alkylimido- Vaporizing tris-alkylamido tantalum, and depositing a TaN film on a semiconductor substrate, wherein the alkylimido-tris-alkylamido tantalum is produced. 제8항에 있어서, 상기 TaN막은 확산장벽으로 이용되는 것을 특징으로 하는 상기 알킬이미도-트리스-알킬아미도 탄탈늄을 이용한 TaN막의 제조방법.10. The method of claim 8, wherein the TaN film is used as a diffusion barrier. 10. A method of manufacturing a TaN film using the alkylimido-tris-alkyl amido tantalum. 제10항에 있어서, 상기 확산장벽은 구리금속막과 실리콘막 사이에 형성되는 것을 특징으로 하는 상기 알킬이미도-트리스-알킬아미도 탄탈늄을 이용한 TaN막의 제조방법.11. The method of claim 10, wherein the diffusion barrier is formed between a copper metal film and a silicon film. 12. The method of claim 10, wherein the alkylimido-tris-alkyl amido tantalum is used.
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