KR20040074754A - A precursor of zirconium dioxide, preparation method thereof and process for the formation of thin film using the same - Google Patents

A precursor of zirconium dioxide, preparation method thereof and process for the formation of thin film using the same Download PDF

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Abstract

PURPOSE: A precursor of zirconium dioxide, a preparation method thereof and a method for forming thin film using the same are provided, which zirconium dioxide precursor has thermal stability and improved volatility, so that high quality of zirconium thin film can be formed. CONSTITUTION: The precursor of zirconium dioxide represented by formula (1) is provided, wherein R is C1-4 alkyl optionally containing fluor; and R' is C1-4 alkyl optionally containing fluor or SiR'3. The method for preparing the precursor of zirconium dioxide of formula (1) comprises reacting zirconium complex of formula (2) with alkali metal salt of alcohol of formula (3), wherein X is chlorine, bromine or iodine; and M is Li, Na or K. The method for preparing the precursor of zirconium dioxide of formula (1) comprises reacting zirconium complex of formula (2) with alcohol of formula (4) in the presence of tertiary amine. The method for forming thin film comprises carrying out MOCVD system(Metal-Organic Chemical Vapor Deposition Systems) or ALD(atomic layer deposition) using the precursor of zirconium dioxide of formula (1).

Description

지르코늄 산화물 전구체, 이의 제조방법, 및 이를 이용하여 박막을 형성하는 방법{A PRECURSOR OF ZIRCONIUM DIOXIDE, PREPARATION METHOD THEREOF AND PROCESS FOR THE FORMATION OF THIN FILM USING THE SAME}A zirconium oxide precursor, a method of manufacturing the same, and a method of forming a thin film using the same {A PRECURSOR OF ZIRCONIUM DIOXIDE, PREPARATION METHOD THEREOF AND PROCESS FOR THE FORMATION OF THIN FILM USING THE SAME}

본 발명은 신규의 지르코늄 산화물용 전구체에 관한 것으로서, 보다 구체적으로 지르코늄 산화물 전구체로서 유용한 지르코늄 알콕사이드 착화합물 및 이를 이용하여 지르코늄 함유 산화물 박막을 제조하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a novel precursor for zirconium oxide, and more particularly to a zirconium alkoxide complex compound useful as a zirconium oxide precursor and a method for producing a zirconium-containing oxide thin film using the same.

최근 전자 산업 발전 방향은 소형화, 고집적화, 처리 속도의 증진 등으로 변화하고 있으며, 회로의 고집적화를 위해서는 새로운 전자 재료의 개발과 박막 제조 기술의 개발이 필수적이다. 박막 제조 기술중 다양한 산화물 박막 제조에 사용되고 있는 금속 유기물 화학증착(metal organic chemical vapor deposition; MOCVD) 공정은 장치가 비교적 간단하고 층 덮임이 균일하고, 성분 조절이 쉽고, 대량 생산으로 전환하기에 무리가 없다는 장점이 있다. 이러한 MOCVD 공정을 이용하여 박막을 제조하기 위해서는, 이 공정에 사용되는 전구체의 개발과 특성의 이해가 필수적이다. MOCVD용 전구체는 200℃ 이하에서 충분히 높은 증기압을 가져야 하고, 기화시키기 위해 가열하는 동안 열적으로 충분히 안정해야 하며, 350 내지 500℃의 기질 온도에서 유기 물질 등의 분해 없이 신속히 분해되어야 하며, 저장 기간동안 공기 및 습기에 충분히 안정해야 한다. 또한 전구체 자체에 또는 분해 생성 물질에 대해 독성이 없거나 적어야 하며, 합성법이 간단하고 원재료 단가가 저렴해야 한다.Recently, the direction of development of the electronics industry is changing to miniaturization, high integration, and processing speed. The development of new electronic materials and thin film manufacturing technology are essential for high integration of circuits. The metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) process, which is used in the manufacture of various oxide thin films in the thin film manufacturing technology, is relatively simple in equipment, uniform in layer covering, easy to control ingredients, and difficult to convert to mass production. There is no advantage. In order to manufacture thin films using such a MOCVD process, it is essential to understand the development and characteristics of precursors used in this process. The precursor for MOCVD must have a sufficiently high vapor pressure below 200 ° C, be sufficiently thermally stable during heating to evaporate, decompose rapidly at the substrate temperature of 350 to 500 ° C without decomposition of organic matters, and during storage It must be stable enough to air and moisture. It should also be nontoxic or less toxic to the precursor itself or to the decomposition products, and should be simple in synthesis and low in raw material costs.

지르코늄 산화물인 지르코니아(ZrO2)는 높은 유전 상수, 넓은 에너지 띠 간격 및 고 굴절 지수를 가지며 기계적 및 화학적으로 안정하기 때문에, 이를 박막으로 제조하여 DRAM(dynamic random access memory)에서 저장 축전기의 유전체로 사용될 수 있으며, 그 전구체는 비휘발성 메모리에서 강유전성 산화물인 Pb(Zr, Ti)O3의 한 원료 화합물로서 이용될 수 있다.Zirconium oxide, zirconia (ZrO 2 ), has a high dielectric constant, wide energy band spacing, and high refractive index and is mechanically and chemically stable, so it is made into a thin film and used as a dielectric for storage capacitors in dynamic random access memory (DRAM). The precursor can be used as a raw compound of Pb (Zr, Ti) O 3 , a ferroelectric oxide, in a nonvolatile memory.

지르코니아를 박막으로 만들기 위해 사용되어 온 전구체는 크게 네 가지로 구분되며, 염화지르코늄 또는 질산지르코늄과 같은 지르코늄의 무기염, 알콕사이드 화합물, 디알킬아미도 화합물 및 β-디케토네이트를 포함하는 화합물이 있다.The precursors that have been used to make zirconia into a thin film are classified into four types, and there are compounds including inorganic salts of zirconium such as zirconium chloride or zirconium nitrate, alkoxide compounds, dialkylamido compounds and β-diketonate. .

이중에서, 염화지르코늄 (ZrCl4)은 휘발성이 낮고, 이를 이용하여 산화물 박막을 제조할 경우 증착 온도가 800℃ 이상으로 증가할 뿐만 아니라 박막이 염소로 오염되는 문제점이 생긴다 (R. N. Tauber, A. C. Dumbri, R. E. Caffrey,J. Electrochem. Soc., 1971,118, 747). 질산지르코늄 착화합물 Zr(NO3)4는 300℃ 이하의 성장 온도에서 고순도 지르코니아를 증착시키는 데 사용되고 있지만 MOCVD 공정에서 무수 질산 착화합물을 사용하는 것은 안정성에 있어 심각한 문제점을 갖고 있다 (R. C. Smith, T. Ma, N. Hoilien, L. Y. Tsung, M. J. Bevan, L. Colombo, J. Roberts, S. A. Campbell and W. Gladfelter,Adv. Mater. Opt. Electron., 2000,10, 105).Among these, zirconium chloride (ZrCl 4 ) has low volatility, and when the oxide thin film is manufactured using the same, the deposition temperature is increased to 800 ° C. or more, and the thin film is contaminated with chlorine (RN Tauber, AC Dumbri, RE Caffrey, J. Electrochem. Soc ., 1971, 118 , 747). Zirconium nitrate complex Zr (NO 3 ) 4 is used to deposit high purity zirconia at growth temperatures below 300 ° C, but the use of anhydrous nitrate complexes in MOCVD processes has serious problems in stability (RC Smith, T. Ma. , N. Hoilien, LY Tsung, MJ Bevan, L. Colombo, J. Roberts, SA Campbell and W. Gladfelter, Adv. Mater. Opt. Electron ., 2000, 10 , 105).

지르코늄의 알콕사이드 Zr(OR)4로는 증착 온도가 낮고 탄소 오염이 없는 박막이 증착되므로 이를 MOCVD용 전구체로 사용할 수 있다 (J. J. Gallegos, T. L. Ward, T. J. Boyle, M. A. Rodriguez and L. P. Francisco,Chem. Vap. Deposition, 2000,6, 21). 중심 금속인 지르코늄은 6-8 배위권을 만족시키기 위해 이합체 또는 중합체가 되는 경향이 있어 (D. C. Bradley, R. C. Mehrotra and D. P. Gaur,Metal Alkoxides, Academic Press, New York, 1978, pp 10-12) 휘발성을 떨어뜨리기 때문에, 지르코늄 알콕사이드 화합물 중에서는tert-부틸 그룹에 의해 입체 장애를 줄 수 있는 Zr(OtBu)4가 휘발성이 좋아 지르코니아 박막 제조를 위한 가장 좋은 전구체로 사용되고 있다 (B. J. Gould, I. M. Povey, M. E. Pemble and W. R. Flavell,J. Mater. Chem., 1994,4, 1815). 그러나 Zr(OtBu)4는 공기나 수분에 아주 민감하여 극미량의 수분과도 반응하여 분해된다 (D. C. Bradley,Chem. Rev., 1989, 89, 1317). 이러한 특성으로 인하여 MOCVD 반응기에서 사전 반응이 잘 일어나고 보존 수명이 짧게 되어, 용액 상태로 사용하는 용액 주입 MOCVD (LI-MOCVD)에 이 화합물을 적용하는 것은 바람직하지 않다.Zirconium alkoxide Zr (OR) 4 can be used as a precursor for MOCVD because a low deposition temperature and carbon contamination-free thin films are deposited (JJ Gallegos, TL Ward, TJ Boyle, MA Rodriguez and LP Francisco, Chem. Vap. Deposition) , 2000, 6 , 21). Zirconium, the central metal, tends to be dimers or polymers to satisfy 6-8 coordination (DC Bradley, RC Mehrotra and DP Gaur, Metal Alkoxides , Academic Press, New York, 1978, pp 10-12). Among the zirconium alkoxide compounds, Zr (O t Bu) 4 , which can be steric hindrance by tert -butyl group, is highly volatile and is used as the best precursor for zirconia thin film (BJ Gould, IM Povey, ME Pemble and WR Flavell, J. Mater. Chem. , 1994, 4 , 1815). However, Zr (O t Bu) 4 is decomposed to very susceptible to react with trace amounts of moisture in the air and moisture (DC Bradley, Chem. Rev. , 1989, 89, 1317). Due to these characteristics, it is not desirable to apply this compound to solution-injected MOCVD (LI-MOCVD), which is used in a solution state because of the pre-reaction and short shelf life in the MOCVD reactor.

지르코늄 알콕사이드가 소중합체화하는 것을 막기 위하여 두 자리 주개로 기능화한 리간드 (bidentate donor functionalized ligand)를 도입하여 휘발성이 증가한 단위체 전구체를 만들기 위한 연구가 활발하다. 그러나 Zr(OR)4(R =iPr 또는tBu)에 dmae (2-dimethylaminoethanol), dmap (1-dimethylamino-2-propanol) 등을 도입한 결과, 단위체 대신에 [Zr(OiPr)3(dmap)]2및 [Zr(OiPr)3(bis-dmap)]2(K. A. Fleeting, P. O'Brien, A. C. Jones, D. J. Otway, A. J. P. White and D. J. Williams,J. Chem. Soc., Dalton Trans., 1999, 2853), [Zr(OtBu)2(dmae)2]2(R. Matero, M. Ritala, M. Leskala, A. C. Jones, P. A. Williams, J. F. Bickley, A. Steiner, T. J. Leedham and H. O. Davies,J. Non-Cryst. Solids,2002, 303, 24)와 같은 상대적으로 휘발성이 못한 비대칭 이핵성 착화합물이 얻어졌다. 이들 착화합물은 [Zr(OtBu)2(dmae)2]2이 MOCVD 공정에서 증발하는 동안 불균등화 반응을 일으켜 Zr(OtBu)3(dmae)와 Zr(OtBu)(dmae)3이 되는 것으로 알려졌다 (A. C. Jones, T. J.Leedham, P. J. Wright, M. J. Crosbie, D. J. Williams, P. A. Lane and P. O'Brien,Mater. Res. Soc. Symp. Proc.,1998,495, 11).In order to prevent zirconium alkoxide from oligomerization, studies are being actively made to introduce monomer precursors having increased volatility by introducing a bidentate donor functionalized ligand. However, the introduction of dmae (2-dimethylaminoethanol) and dmap (1-dimethylamino-2-propanol) into Zr (OR) 4 (R = i Pr or t Bu) resulted in [Zr (O i Pr) 3 (dmap)] 2 and [Zr (O i Pr) 3 (bis-dmap)] 2 (KA Fleeting, P. O'Brien, AC Jones, DJ Otway, AJP White and DJ Williams, J. Chem. Soc., Dalton Trans ., 1999, 2853), Zr (O t Bu) 2 (dmae) 2 ] 2 (R. Matero, M. Ritala, M. Leskala, AC Jones, PA Williams, JF Bickley, A. Steiner, TJ Relatively nonvolatile asymmetric binuclear complexes such as Leedham and HO Davies, J. Non-Cryst. Solids, 2002, 303, 24) were obtained. These complexes cause disproportionation while [Zr (O t Bu) 2 (dmae) 2 ] 2 evaporates in the MOCVD process, resulting in Zr (O t Bu) 3 (dmae) and Zr (O t Bu) (dmae) 3 (AC Jones, TJ Leedham, PJ Wright, MJ Crosbie, DJ Williams, PA Lane and P. O'Brien, Mater. Res. Soc. Symp. Proc., 1998, 495 , 11).

한편 Zr(dmae)4화합물을 이용하여 LI-MOCVD로 지르코니아 박막을 제조하는 방법에 따른 결과가 발표되었으며 (J. S. Na, D.-H. Kim, K. Yong and S.-W. Rhee,J. Electrochem. Soc., 2002,149, C23), 이 착화합물이 용액 내에서 단위체와 이핵체가 평형 상태로 함께 존재함을 보고하고 있다 (A. C. Jones,J. Mater. Chem., 2002,12, 2576). 1-메톡시-2-메틸-2-프로판올(1-methoxy-2-methyl-2-propanol; mmp)은 중심 금속에 가까이 있는 α-탄소 위치에 두 개의 메틸기를 도입하여 입체 장애를 주어 착화합물을 단위체로 존재하게 한다는 연구 결과가 보고된 바 있는데, Zr(OtBu)2(mmp)2와 Zr(mmp)4는 고체 상태에서 6-배위의 팔면체 구조를 갖는다 (P. A. Williams, J. L. Roberts, A. C. Jones, P. R. Chalker, N. L. Tobin, J. F. Bickley, H. O. Davies, L. M. Smith and T. J. Leedham,Chem. Vap. Deposition, 2002,8, 163). 특히 Jones 그룹에서는 Zr(OtBu)2(mmp)2와 Zr(mmp)4를 기존의 MOCVD나 LI-MOCVD를 이용하여 350 내지 600℃에서 우수한 지르코니아 박막을 제조한 바 있다.Meanwhile, the results of the method of preparing zirconia thin film by LI-MOCVD using Zr (dmae) 4 compound have been published (JS Na, D.-H. Kim, K. Yong and S.-W. Rhee, J. Electrochem. Soc. , 2002, 149 , C23), and reported that the complex is present in equilibrium with monomers and dinucleates (AC Jones, J. Mater. Chem. , 2002, 12 , 2576). 1-methoxy-2-methyl-2-propanol (mmp) introduces two methyl groups at the α-carbon position close to the center metal to give steric hindrance to complex complexes. It has been reported that it exists as a monomer, Zr (O t Bu) 2 (mmp) 2 and Zr (mmp) 4 have a 6-coordinate octahedral structure in the solid state (PA Williams, JL Roberts, AC Jones, PR Chalker, NL Tobin, JF Bickley, HO Davies, LM Smith and TJ Leedham, Chem. Vap.Deposition, 2002, 8 , 163). In particular, Jones group has one of Zr (O t Bu) 2 ( mmp) 2 and Zr (mmp) 4 produced superior zirconia thin film at 350 to 600 ℃ using a conventional MOCVD or LI-MOCVD bar.

최근, 아미도 리간드가 붙은 지르코늄 착화합물을 이용한 연구도 활발히 진행되고 있다. 테트라키스디에틸아미도지르코늄을 이용하여 500 내지 580℃에서 양질의 지르코니아를 MOCVD 법으로 제조한 연구 결과가 보고된 바 있으며 (A.Bastiani, G. A. Battiston, R. Gerbasi, M. Porchia and S. Daolio,J. Phys. IV, 1995,5, C-525), Gordon 그룹에서는 여러 가지 아미도지르코늄 화합물, 예를 들면 Zr(NMe2)4, Zr(NMeEt)4또는 Zr(NEt2)4를 이용하여 원자층 침착법 (atomic layer deposition, ALD)으로 기질 온도 50 내지 500℃에서 양질의 지르코니아를 제조하는 방법을 개시하고 있다 (D. M. Hausmann, E. Kim, J. Becker, and L. G. Gordon,Chem. Mater., 2002,14, 4350).Recently, researches using zirconium complex compounds with amido ligands have also been actively conducted. A study on the production of high quality zirconia by MOCVD method using tetrakisdiethylamidozirconium has been reported (A.Bastiani, GA Battiston, R. Gerbasi, M. Porchia and S. Daolio). , J. Phys. IV , 1995, 5 , C-525), and the Gordon group use a variety of amidozirconium compounds, such as Zr (NMe 2 ) 4 , Zr (NMeEt) 4 or Zr (NEt 2 ) 4 . Discloses a process for producing high quality zirconia at substrate temperature of 50-500 ° C. by atomic layer deposition (ALD) (DM Hausmann, E. Kim, J. Becker, and LG Gordon, Chem. Mater). , 2002, 14 , 4350).

문헌[W. Clegg,Acta Crystallogr. Sect. C, 1987,43, 789]에는 Zr(acac)4와 같은 β-디케토네이트를 포함하는 지르코늄 착화합물이 지르코늄 금속이 포화되어 있는 8 배위의 뒤틀린 사각기둥 구조를 가지므로 수분이나 공기 중에서 상대적으로 안정함을 개시하고 있다. 이들 화합물은 분해되어 지르코니아를 만들지만, 그러나 충분한 증기압을 얻기 위해서는 높은 증발 온도가 필요하고 (R. C. Smith, T. Ma, N. Hoilien, L. Y. Tsung, M. J. Bevan, L. Colombo, J. Roberts, S. A. Campbell and W. Gladfelter,Adv. Mater. Opt. Electron., 2000,10, 105), 또한 막이 탄소로 오염되는 문제점이 있다.W. Clegg, Acta Crystallogr. Sect. C , 1987, 43 , and 789] have zirconium complexes containing β-diketonates such as Zr (acac) 4 that are relatively stable in water or air because they have an eight-fold twisted square pillar structure in which zirconium metals are saturated. It is disclosed. These compounds decompose to form zirconia, but high evaporation temperatures are required to obtain sufficient vapor pressure (RC Smith, T. Ma, N. Hoilien, LY Tsung, MJ Bevan, L. Colombo, J. Roberts, SA Campbell). and W. Gladfelter, Adv. Mater. Opt. Electron ., 2000, 10 , 105), and also has the problem that the membrane is contaminated with carbon.

한편, Zr(tmhd)4는 Zr(acac)4와 같은 구조를 가지면서 수분이나 공기 중에서 더 안정하여 고순도 지르코니아 제조에 사용되고 있지만, 산화막 증착을 위해 600℃ 이상의 높은 증착 온도가 요구된다. 플루오르를 포함하는 착화합물은 휘발성이 훨씬 좋지만 플루오르가 실리콘 기질을 분해하기 때문에 극소 전자공학(microelectronics)에 적용하기 어렵다. Jones 그룹에서는Zr(tmhd)2(OtBu)2또는 Zr(tmhd)2(OiPr)2을 이용하여 지르코니아를 제조하였으나, 이들 화합물을 증발시키기 위해 높은 온도를 필요로 하며 심각한 탄소 오염을 발생시킨다 (A. C. Jones, T. J. Leedham, P. J. Wright, M. J. Crosbie, P. A. Lane, D. J. Williams, K. A. Fleeting, D. J. Otway, and P. O'Brien,Chem. Vap. Deposition, 1998,4, 46).Meanwhile, Zr (tmhd) 4 has the same structure as Zr (acac) 4 and is more stable in moisture or air and is used for high purity zirconia, but a high deposition temperature of 600 ° C. or higher is required for oxide film deposition. Complexes containing fluorine are much more volatile but difficult to apply to microelectronics because fluorine decomposes the silicon substrate. The Jones group produced zirconia using Zr (tmhd) 2 (O t Bu) 2 or Zr (tmhd) 2 (O i Pr) 2 , but it requires high temperatures to evaporate these compounds and creates significant carbon contamination. (AC Jones, TJ Leedham, PJ Wright, MJ Crosbie, PA Lane, DJ Williams, KA Fleeting, DJ Otway, and P. O'Brien, Chem. Vap. Deposition , 1998, 4 , 46).

이에 본 발명자들은 상기와 같은 문제점들을 해결하기 위하여, 수분에 덜 민감하여 보관에 유리하며, 열적 안정성 및 휘발성이 향상된 신규의 지르코니아 전구체를 개발하기에 이른 것이다.In order to solve the above problems, the present inventors have come to develop a new zirconia precursor which is less sensitive to moisture and advantageous to storage, and has improved thermal stability and volatility.

이에 따라, 본 발명의 목적은 양질의 지르코늄 산화막을 형성하기 위해 열적으로 안정하고 휘발성이 증가된 지르코니아 전구체를 제공하는데 있다.Accordingly, it is an object of the present invention to provide a zirconia precursor that is thermally stable and has increased volatility to form a high quality zirconium oxide film.

도 1 내지 도 3은 각각 본 발명에 따른 실시예 1 내지 3에서 제조한 지르코늄 알콕사이드 착화합물에 대한 열중량 분석(TGA) 및 시차 열분석(DTA) 결과를 나타내는 그래프이다.1 to 3 are graphs showing the results of thermogravimetric analysis (TGA) and differential thermal analysis (DTA) for the zirconium alkoxide complexes prepared in Examples 1 to 3 according to the present invention, respectively.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에서는 하기 화학식 1로 표시되는 신규의 지르코늄 산화물 전구체를 제공한다:In order to achieve the above object, the present invention provides a novel zirconium oxide precursor represented by the following formula (1):

화학식 1Formula 1

상기 식에서,Where

R은 플루오르를 포함하거나 포함하지 않는 C1-4의 알킬기이고, R'은 플루오르를 포함하거나 포함하지 않는 C1-4의 알킬기 또는 SiR"3(여기서, R"은 C1-4의 알킬기임)이다.R is an alkyl group of C 1-4 with or without fluorine, and R 'is an alkyl group of C 1-4 with or without fluorine or SiR " 3 , wherein R" is an alkyl group of C 1-4 )to be.

이하, 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail.

본 발명에 따른 상기 화학식 1로 표시되는 지르코늄 알콕사이드 착화합물은 일반식 Zr(bdk)3(OR')으로 표시될 수 있으며, 상기 화합물은 출발물질로서 하기 화학식 2로 표시되는 화합물 Zr(bdk)3(X)과 화학식 3으로 표시되는 화합물을 비극성 용매에서 반응시키거나, 또는 트리에틸아민과 같은 3급 아민의 존재 하에서 출발물질로서 하기 화학식 2로 표시되는 화합물 Zr(bdk)3(X)과 화학식 4로 표시되는 화합물을 비극성 용매에서 반응시켜 치환 반응을 유도하여 제조될 수 있다:The zirconium alkoxide complex compound represented by Chemical Formula 1 according to the present invention may be represented by the general formula Zr (bdk) 3 (OR ′), and the compound may be represented by the compound Zr (bdk) 3 ( X) and a compound represented by the formula (3) are reacted in a nonpolar solvent, or as a starting material in the presence of a tertiary amine such as triethylamine, the compound represented by the formula (2) Zr (bdk) 3 (X) and (4) Compounds represented by the above can be prepared by reacting in a nonpolar solvent to induce a substitution reaction:

상기 식에서,Where

R 및 R'은 상술한 바와 같고, X는 Cl, Br 또는 I이고, M은 Li, Na 또는 K이다.R and R 'are as described above, X is Cl, Br or I and M is Li, Na or K.

상기 화학식 2에서 R의 바람직한 예로는 CH3, CF3, CH(CH3)2또는 C(CH3)3이 있고, 또한, 화학식 3 또는 4에서 R'의 바람직한 예로는 Si(CH3)3, CH(CF3)2또는 CF3이 있다.Preferred examples of R in Formula 2 include CH 3 , CF 3 , CH (CH 3 ) 2 or C (CH 3 ) 3 , and, in Formula 3 or 4, preferred examples of R ′ include Si (CH 3 ) 3. , CH (CF 3 ) 2 or CF 3 .

본 발명의 지르코늄 산화물{Zr(bdk)3(OR')}을 제조하기 위해, 상기 화학식 2로 표시되는 화합물{Zr(bdk)3(X)}을 출발물질로 하여 화학식 3의 화합물()과 반응시키는 반응은 하기 반응식 1로 나타내어질 수 있다:In order to prepare the zirconium oxide {Zr (bdk) 3 (OR ')} of the present invention, the compound represented by the formula (Zr (bdk) 3 (X)) represented by Formula 2 as a starting material ( ) And the reaction can be represented by the following scheme 1:

본 발명의 지르코늄 산화물{Zr(bdk)3(OR')}을 제조하기 위한 또 하나의 반응 공정으로서, 상기 화학식 2로 표시되는 화합물{Zr(bdk)3(X)}을 출발물질로 하여 3급 아민, 예를 들면 트리에틸아민(Et3N)의 존재 하에서 화학식 4의 화합물()과 반응시켜 화학식 1로 표시되는 지르코늄 산화물{Zr(bdk)3(OR')}을 제조하는 반응은, 예를 들면 하기 반응식 2로 나타내어질 수 있다:As another reaction process for preparing the zirconium oxide {Zr (bdk) 3 (OR ')} of the present invention, the compound {Zr (bdk) 3 (X)} represented by Formula 2 as a starting material 3 Compound of formula 4 in the presence of a tertiary amine, for example triethylamine (Et 3 N) ( ) To produce a zirconium oxide (Zr (bdk) 3 (OR ′)) represented by Formula 1 can be represented, for example, by the following scheme 2:

상기 반응에 따르면, 헥산, 펜탄 또는 톨루엔과 같은 비극성 용매에서 실온에서 약 12시간 동안 치환 반응을 진행한 뒤 감압 하에서 여과하고, 생성된 여과액으로부터 용매를 감압 제거하여 흰색의 고체를 수득한다. 또한, 상기 반응식 1의 반응중에 불균등화 반응에 의해 부산물로서 Zr(bdk)4과 Zr(bdk)2(OR')2이 생성될 수 있으며, 이들을 승화 또는 재결정법을 이용하여 제거함에 따라 고순도의 Zr(bdk)3(OR')을 얻을 수 있다.According to the above reaction, a substitution reaction is performed at room temperature for about 12 hours in a nonpolar solvent such as hexane, pentane or toluene, and then filtered under reduced pressure, and the solvent is removed under reduced pressure from the resulting filtrate to obtain a white solid. In addition, Zr (bdk) 4 and Zr (bdk) 2 (OR ′) 2 may be generated as by-products during the reaction of Scheme 1 by disproportionation, and may be removed by sublimation or recrystallization. Zr (bdk) 3 (OR ') can be obtained.

본 발명의 신규의 지르코늄 산화물 전구체 제조에 사용되는 출발 물질인 상기 화학식 2로 표시되는 화합물은, 세 개의 디케토네이트 리간드와 하나의 할로겐 원소(X)를 포함하고 있어 치환반응에 의해 상기 할로겐 원소가 알콕사이드 리간드로 치환될 수 있으므로, 할로겐 원소를 포함하지 않고 안정하며 휘발성이 뛰어나 보관에 유리하며 보다 질이 좋은 지르코늄 산화막을 얻을 수 있다.The compound represented by Chemical Formula 2, which is a starting material used to prepare a novel zirconium oxide precursor of the present invention, contains three diketonate ligands and one halogen element (X). Since it can be substituted with an alkoxide ligand, it is possible to obtain a zirconium oxide film which is free from halogen elements and is stable, has excellent volatility, and is advantageous for storage.

상기 반응들에서 반응물들은 화학양론적 당량비로 사용된다.In the reactions the reactants are used in stoichiometric equivalent ratios.

상기 화학식 1로 표시되는 신규의 지르코늄 산화물 전구체는 상온에서 안정한 흰색 고체로서, 비교적 높은 휘발성을 나타내며, 또한 유기용매, 예를 들면 펜탄, 헥산, 디에틸에테르, 테트라하이드로퓨란, 톨루엔 등에 높은 용해도를 갖는다.The novel zirconium oxide precursor represented by Formula 1 is a stable white solid at room temperature, exhibits relatively high volatility, and has high solubility in organic solvents such as pentane, hexane, diethyl ether, tetrahydrofuran, toluene, and the like. .

본 발명의 신규의 지르코늄 산화물 전구체는 PZT(납-지르코늄-티타늄 산화물) 박막을 비롯한 지르코늄 산화물을 포함하는 각종 산화물 박막 제조용 전구체로서, 특히 반도체 제조 공정에 널리 사용되고 있는 금속 유기 화학증착(MOCVD) 또는 원자층 침착(ALD) 공정에 바람직하게 적용될 수 있다.The novel zirconium oxide precursors of the present invention are precursors for producing various oxide thin films including zirconium oxide including PZT (lead-zirconium-titanium oxide) thin films, and in particular, metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) or atoms widely used in semiconductor manufacturing processes. It is preferably applied to the layer deposition (ALD) process.

본 발명은 하기의 실시예에 의하여 보다 더 잘 이해될 수 있으며, 하기의 실시예는 본 발명의 예시 목적을 위한 것이며 첨부된 특허청구범위에 의하여 한정되는 보호범위를 제한하고자 하는 것은 아니다.The invention can be better understood by the following examples, which are intended for the purpose of illustration of the invention and are not intended to limit the scope of protection defined by the appended claims.

실시예Example

모든 실험은 장갑 상자 또는 슐렝크 관(Schlenk line)을 이용하여 비활성 아르곤 또는 질소 분위기에서 수행하였다. 실시예 1 내지 3에서 각각 수득된 반응 생성물의 구조는 수소 원자 핵자기 공명법(1H nuclear magnetic resonance, NMR), 탄소 원자 핵자기 공명법(13C NMR) 및 원소 분석법 (elemental analysis, EA)을 이용하였으며, 또한 플루오르를 포함하는 화합물에 대해서는 플루오르 원자 핵자기 공명법 (19F nuclear magnetic resonance, NMR)을 이용하여 특징적인 피크를 확인하였다.All experiments were performed in an inert argon or nitrogen atmosphere using a glove box or Schlenk line. The structures of the reaction products obtained in Examples 1 to 3, respectively, were characterized by 1 H nuclear magnetic resonance (NMR), carbon atom nuclear magnetic resonance ( 13 C NMR) and elemental analysis (EA). a was used, and further determine the characteristic peaks by a fluorine atom nuclear magnetic resonance (19 F nuclear magnetic resonance, NMR) for the compound containing fluorine.

지르코늄 산화물 전구체 물질의 제조Preparation of Zirconium Oxide Precursor Material

실시예 1: 트리스(2,2,6,6-테트라메틸-3,5-헵탄디오네이토)지르코늄(IV) 트리메틸실란올레이트 [Zr(tmhd)3{OSi(CH3)3}]Example 1: Tris (2,2,6,6-tetramethyl-3,5-heptanedionato) zirconium (IV) trimethylsilanolate [Zr (tmhd) 3 {OSi (CH 3 ) 3 }]

50 mL의 펜탄이 들어있는 불꽃 건조된 125 mL 슐렝크 플라스크에 2.15 g의 트리스{2,2,6,6-테트라메틸-3,5-헵탄디오네이토)염화지르코늄(IV)(3.18 mmol, 1.00 당량)을 넣고 용해시킨 후, 생성 용액에 0.34 g의 리튬 트리메틸실란올레이트(3.50 mmol, 1.1 당량)를 천천히 첨가하여 뿌연 침전이 생성되었다. 이 혼합액을 12 시간 동안 실온에서 교반하고 여과한후 감압하여 여과액으로부터 용매를 제거함에 따라 흰색 고체를 수득하였다. 생성된 고체를 10-2mmHg의 감압 하에서 90℃에서 승화시켜, 흰색 결정의 표제 화합물 1.89 g을 수득하였다 (수율: 81%).2.15 g of tris {2,2,6,6-tetramethyl-3,5-heptanedionate) zirconium (IV) chloride (3.18 mmol, 1.00) in a flame dried 125 mL Schlenk flask containing 50 mL of pentane. Equivalent weight), and then slowly added 0.34 g of lithium trimethylsilanolate (3.50 mmol, 1.1 equivalents) to the resulting solution to produce a cloudy precipitate. The mixture was stirred for 12 hours at room temperature, filtered and depressurized to remove the solvent from the filtrate to yield a white solid. The resulting solid was sublimed at 90 ° C. under reduced pressure of 10 −2 mmHg to give 1.89 g of the title compound as white crystals (yield: 81%).

실시예 2: 트리스{2,2,6,6-테트라메틸-3,5-헵탄디오네이토)지르코늄(IV) 1,1,1,3,3,3-헥사플루오로-2-프로판올레이트 [Zr(tmhd)3{OCH(CF3)2}]Example 2: Tris {2,2,6,6-tetramethyl-3,5-heptanedionato) zirconium (IV) 1,1,1,3,3,3-hexafluoro-2-propanolate [ Zr (tmhd) 3 {OCH (CF 3 ) 2 }]

50 mL의 헥산이 들어있는 불꽃 건조된 125 mL 슐렝크 플라스크에 2.32 g의트리스{2,2,6,6-테트라메틸-3,5-헵탄디오네이토)염화지르코늄(IV)(3.43 mmol, 1.00 당량)을 넣고 용해시킨 후, 생성 용액에 0.72 mL의 트리에틸아민(5.16 mmol, 1.50 당량)을 첨가하였다. 이 혼합 용액을 -90℃로 냉각시킨 후, 여기에 0.54 mL의 1,1,1,3,3,3-헥사플루오로-2-프로판올 (5.16 mmol, 1.50 eq)을 천천히 첨가하여 뿌연 침전이 생성되었다. 서서히 온도를 상온으로 올리고, 이 용액을 12 시간 동안 교반하고 여과한 후, 감압하여 여과액으로부터 용매를 제거함에 따라 고순도의 흰색 결정의 표제 화합물 2.69 g을 수득하였다 (수율: 97%).2.32 g of tris {2,2,6,6-tetramethyl-3,5-heptanedionate) zirconium (IV) chloride (3.43 mmol, 1.00) in a flame-dried 125 mL Schlenk flask containing 50 mL of hexane Equivalents) and dissolved, and then 0.72 mL of triethylamine (5.16 mmol, 1.50 equiv) was added to the resulting solution. After cooling the mixed solution to -90 ° C, 0.54 mL of 1,1,1,3,3,3-hexafluoro-2-propanol (5.16 mmol, 1.50 eq) was slowly added to prevent the cloudy precipitation. Generated. The temperature was gradually raised to room temperature, and the solution was stirred for 12 hours, filtered, and then depressurized to remove the solvent from the filtrate to obtain 2.69 g of a high purity white crystal of the title compound (yield: 97%).

실시예 3: 트리스(2,5-펜탄디오네이토)지르코늄(IV) 1,1,1,3,3,3-헥사플루오로-2-프로판올레이트 [Zr(acac)3{OCH(CF3)2}]Example 3: Tris (2,5-pentanedioneto) zirconium (IV) 1,1,1,3,3,3-hexafluoro-2-propanolate [Zr (acac) 3 {OCH (CF 3 ) 2 }]

50 mL의 톨루엔이 들어있는 불꽃 건조된 125 mL 슐렝크 플라스크에 1.50 g의 트리스(2,5-펜탄디오네이토)염화지르코늄(IV)(3.54 mmol, 1.00 당량)을 넣고 용해시킨 후, 생성 용액에 상온에서 0.56 mL의 1,1,1,3,3,3-헥사플루오로-2-프로판올 (5.31 mmol, 1.50 당량)을 천천히 첨가하여 뿌연 침전이 생성되었다. 이 용액을 12시간 동안 교반하고 여과한 후, 감압하여 여과액으로부터 용매를 제거하고, 생성된 고체를 10 mL의 헥산에 용해시킨 후 0℃에서 재결정하여 고순도의 흰색 표제 화합물 1.67g을 수득하였다 (수율: 85.0%).1.50 g of tris (2,5-pentanedioneto) zirconium (IV) chloride (3.54 mmol, 1.00 equiv) was dissolved in a 50 mL toluene flame-dried 125 mL Schlenk flask, and then dissolved in the resulting solution. 0.5m mL of 1,1,1,3,3,3-hexafluoro-2-propanol (5.31 mmol, 1.50 equiv) was added slowly at room temperature to produce a cloudy precipitate. The solution was stirred for 12 hours, filtered, and reduced pressure to remove the solvent from the filtrate, and the resulting solid was dissolved in 10 mL of hexane and recrystallized at 0 ° C. to give 1.67 g of a high purity white title compound ( Yield: 85.0%).

지르코늄 산화물 전구체 물질의 분석Analysis of Zirconium Oxide Precursor Materials

상기 실시예 1 내지 3에서 각각 합성한 지르코늄 산화물 전구체인 지르코늄 알콕사이드 착화합물들의 열적 안정성 및 휘발성과 분해 온도를 측정하기 위해, 열무게 분석/시차 열분석(thermogravimetric analysis/differential thermal analysis, TGA/DTA) 법을 이용하였다. 상기 TGA/DTA 방법은 생성물을 10℃/분의 속도로 800℃까지 가온시키면서, 100 sccm의 속도로 질소(N2) 가스를 주입하였다. 실시예 1 내지 3에서 합성한 각각의 지르코늄 알콕사이드 착화합물들의 TGA/DTA 그래프를 각각 도 1 내지 도 3에 도시하였다.Thermogravimetric analysis / differential thermal analysis (TGA / DTA) method to measure the thermal stability, volatility and decomposition temperature of the zirconium alkoxide complexes of the zirconium oxide precursors synthesized in Examples 1 to 3, respectively Was used. The TGA / DTA method injected nitrogen (N 2 ) gas at a rate of 100 sccm while warming the product to 800 ° C. at a rate of 10 ° C./min. TGA / DTA graphs of the respective zirconium alkoxide complexes synthesized in Examples 1 to 3 are shown in FIGS. 1 to 3, respectively.

도 1에서, 실시예 1에서 수득된 Zr(tmhd)3(OSiMe3)는 150℃ 근처부터 질량 감소가 일어나 250℃에서 급격한 질량 감소가, 또한 340℃에서는 94.5% 이상의 질량 감소가 관찰되었다. 승온 도중 별다른 분해 반응은 없으며, 하나의 단계만이 보이고 2.5% 이하의 잔류 물질이 남았다. 또한 TG 그래프에서는 T1/2(온도에 따른 무게 감소에 있어서 원래 시료의 1/2 무게에 도달했을 때에 해당하는 온도)가 296℃임을 확인하였다.In FIG. 1, Zr (tmhd) 3 (OSiMe 3 ) obtained in Example 1 exhibited a mass loss from around 150 ° C., resulting in a sharp mass loss at 250 ° C., and a mass loss of 94.5% or more at 340 ° C. There was no decomposition reaction during the temperature increase, only one step was visible and less than 2.5% of residual material remained. In the TG graph, it was confirmed that T 1/2 (the temperature corresponding to the weight of the original sample when the weight of the original sample reached 1/2 weight) was 296 ° C.

도 2에서, 실시예 2에서 수득된 Zr(tmhd)3{OCH(CF3)2}는 160℃ 근처부터 질량 감소가 일어나 250℃에서 급격한 질량 감소가 관찰되었다. 승온 도중 별다른 분해 반응이 없으며 하나의 단계만이 보였고, 4.5% 이하의 잔류 물질이 남았다. 또한 TG 그래프에서 T1/2이 285℃임을 확인하였다.In FIG. 2, Zr (tmhd) 3 {OCH (CF 3 ) 2 } obtained in Example 2 had a mass loss from around 160 ° C., and a rapid mass loss was observed at 250 ° C. FIG. There was no decomposition reaction during the temperature increase and only one step was visible and less than 4.5% residual material remained. In addition, it was confirmed that T 1/2 in the TG graph is 285 ℃.

도 3에서는, 실시예 3에서 수득된 Zr(tmhd)3{OCH(CF3)2}가 100℃ 근처부터 질량 감소가 일어나 200℃에서 급격한 질량 감소 됨을 볼 수 있다. 또한 301℃에서는 70.5% 이상의 질량 감소가 관찰되었고, 18.9%의 잔류 물질이 남았다. 또한 TG 그래프에서 T1/2이 247℃임을 확인하였다.In FIG. 3, it can be seen that Zr (tmhd) 3 {OCH (CF 3 ) 2 } obtained in Example 3 has a mass reduction from about 100 ° C., resulting in a rapid mass reduction at 200 ° C. FIG. Also at 301 ° C., a mass loss of at least 70.5% was observed, leaving 18.9% of residual material. In addition, it was confirmed that T 1/2 in the TG graph is 247 ℃.

상기 도 1 내지 도 3에 도시된 결과로부터, 본 발명에서 합성한 지르코늄 알콕사이드 착화합물 Zr(bdk)3(OR')은 종래의 지르코늄 착화합물인 Zr(bdk)4(여기서, bdk는 tmhd, acac 또는 hfac)에 비해, 특히 Zr(bdk)2(OtBu)2또는 Zr(bdk)2(OiPr)2에 비해 휘발성이 높고, 비슷한 안정성을 가지며, 또한 유기 용매에 대한 용해도가 우수하여 보존이 용이함을 알 수 있다.From the results shown in FIGS. 1 to 3, the zirconium alkoxide complex Zr (bdk) 3 (OR ′) synthesized in the present invention is a conventional zirconium complex Zr (bdk) 4 (where bdk is tmhd, acac or hfac ), Especially compared to Zr (bdk) 2 (O t Bu) 2 or Zr (bdk) 2 (O i Pr) 2 , which has high volatility, similar stability, and good solubility in organic solvents It can be seen that ease.

이는 두 자리 주개 리간드(bdk) 세 개와 한 개의 알콕사이드(OR') 리간드가 지르코늄 4가 이온에 7 배위 함으로써 지르코늄 이온의 배위수를 충족시켜, 안정한 단위체로 존재하게 하고 휘발성을 증가시키기 때문이며, 또한 리간드 (bdk)와 알콕사이드(OR') 리간드가 갖는 유기 그룹이 유기 용매에 대한 용해도를 증가시키고, 이에 따라 효과적으로 산소를 가려 줌으로써 분자간 상호 작용을 감소시키고, 동시에 유기 용매에 대한 친화성을 증가시키는 것에 기인된 것으로 보인다.This is because three bidentate donor ligands (bdk) and one alkoxide (OR ') ligand coordinate with zirconium tetravalent ions to meet the coordination number of zirconium ions, making them stable units and increasing volatility. organic groups of (bdk) and alkoxide (OR ') ligands increase solubility in organic solvents, thereby effectively masking oxygen, thereby reducing intermolecular interactions and at the same time increasing affinity for organic solvents. Seems to have been.

상술한 바와 같이, 본 발명의 지르코늄 산화물용 전구체인 신규의 지르코늄 알콕사이드 착화합물은 수분에 덜 민감하고 보관이 유리하며, 특히 산화막의 우수한 질을 요구하는 유기금속 화학증착법(MOCVD) 또는 원자층 침착법(ALD)에 사용되는 지르코늄 전구체로서 손색이 없으며, 이에 따라 PZT 박막을 비롯한 지르코늄 산화물을 포함하는 산화물 박막 제조용 전구체로서 유용하게 사용될 수 있다.As described above, the novel zirconium alkoxide complexes, which are precursors for zirconium oxides of the present invention, are less sensitive to moisture and are advantageous in storage, particularly organometallic chemical vapor deposition (MOCVD) or atomic layer deposition ( As a zirconium precursor used in ALD), there is no inferiority, and thus can be usefully used as a precursor for preparing an oxide thin film including a zirconium oxide including a PZT thin film.

Claims (9)

하기 화학식 1로 표시되는 지르코늄 산화물 전구체:Zirconium oxide precursor represented by the following formula (1): 화학식 1Formula 1 상기 식에서,Where R은 플루오르를 포함하거나 포함하지 않는 C1-4의 알킬기이고, R'은 플루오르를 포함하거나 포함하지 않는 C1-4의 알킬기 또는 SiR"3(여기서, R"은 C1-4의 알킬기임)이다.R is an alkyl group of C 1-4 with or without fluorine, and R 'is an alkyl group of C 1-4 with or without fluorine or SiR " 3 , wherein R" is an alkyl group of C 1-4 )to be. 제1항에 있어서,The method of claim 1, R이 CH3, CF3, CH(CH3)2및 C(CH3)3중에서 선택된 것임을 특징으로 하는 지르코늄 산화물 전구체.A zirconium oxide precursor, wherein R is selected from CH 3 , CF 3 , CH (CH 3 ) 2 and C (CH 3 ) 3 . 제1항에 있어서,The method of claim 1, R'가 Si(CH3)3, CH(CF3)2및 CF3중에서 선택된 것임을 특징으로 하는 지르코늄 산화물 전구체.A zirconium oxide precursor, wherein R 'is selected from Si (CH 3 ) 3 , CH (CF 3 ) 2 and CF 3 . 하기 화학식 2로 표시되는 지르코늄 착화합물과 화학식 3으로 표시되는 알코올의 알칼리 금속염을 반응시키는 것을 포함하는, 제1항에 따른 화학식 1의 지르코늄 산화물 전구체의 제조방법:A method for preparing a zirconium oxide precursor of Formula 1 according to claim 1 comprising reacting a zirconium complex compound represented by Formula 2 with an alkali metal salt of an alcohol represented by Formula 3: 화학식 2Formula 2 화학식 3Formula 3 상기 식에서,Where R은 플루오르를 포함하거나 포함하지 않는 C1-4의 알킬기이고, R'은 플루오르를 포함하거나 포함하지 않는 C1-4의 알킬기 또는 SiR"3(여기서, R"은 C1-4의 알킬기임)이며, X는 염소, 브롬 또는 요오드이고, M은 Li, Na 또는 K 이다.R is an alkyl group of C 1-4 with or without fluorine, and R 'is an alkyl group of C 1-4 with or without fluorine or SiR " 3 , wherein R" is an alkyl group of C 1-4 ), X is chlorine, bromine or iodine, and M is Li, Na or K. 3급 아민의 존재 하에서, 하기 화학식 2로 표시되는 지르코늄 착화합물과 화학식 4로 표시되는 알코올을 반응시키는 것을 포함하는, 제1항에 따른 화학식 1의 지르코늄 산화물 전구체의 제조방법:A method for preparing a zirconium oxide precursor of formula 1 according to claim 1 comprising reacting a zirconium complex represented by formula (2) with an alcohol represented by formula (4) in the presence of a tertiary amine: 화학식 2Formula 2 화학식 4Formula 4 상기 식에서,Where R은 플루오르를 포함하거나 포함하지 않는 C1-4의 알킬기이고, R'은 플루오르를 포함하거나 포함하지 않는 C1-4의 알킬기 또는 SiR"3(여기서, R"은 C1-4의 알킬기임)이며, X는 염소, 브롬 또는 요오드이다.R is an alkyl group of C 1-4 with or without fluorine, and R 'is an alkyl group of C 1-4 with or without fluorine or SiR " 3 , wherein R" is an alkyl group of C 1-4 ) And X is chlorine, bromine or iodine. 제4항 또는 제5항에 있어서,The method according to claim 4 or 5, 비극성 용매 중에서 실온에서 수행하는 것을 특징으로 하는 방법.Characterized in that it is carried out at room temperature in a nonpolar solvent. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항의 지르코늄 산화물 전구체를 이용하여 지르코늄 산화물 함유 박막을 성장시키는 방법.A method of growing a zirconium oxide-containing thin film using the zirconium oxide precursor of any one of claims 1 to 3. 제7항에 있어서,The method of claim 7, wherein 박막 성장 공정이 금속 유기 화학 증착법 (MOCVD) 또는 원자층 침착법 (ALD)에 의해 수행됨을 특징으로 하는 방법.Wherein the thin film growth process is carried out by metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) or atomic layer deposition (ALD). 제7항에 있어서,The method of claim 7, wherein 박막이 납-지르코늄-티타늄 산화물 (PZT) 박막 또는 지르코늄 산화물 박막임을 특징으로 하는 방법.Wherein the thin film is a lead-zirconium-titanium oxide (PZT) thin film or a zirconium oxide thin film.
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KR20190064513A (en) 2017-11-30 2019-06-10 한국화학연구원 Zirconium aminoalkoxide precursors, preparation method thereof and process for thin film formation using the same

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