KR20140138085A - 신규 루테늄 화합물, 이의 제조 방법, 이를 포함하는 막 증착용 전구체 조성물, 및 이를 이용하는 막의 증착 방법 - Google Patents

신규 루테늄 화합물, 이의 제조 방법, 이를 포함하는 막 증착용 전구체 조성물, 및 이를 이용하는 막의 증착 방법

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KR20140138085A
KR20140138085A KR1020140062819A KR20140062819A KR20140138085A KR 20140138085 A KR20140138085 A KR 20140138085A KR 1020140062819 A KR1020140062819 A KR 1020140062819A KR 20140062819 A KR20140062819 A KR 20140062819A KR 20140138085 A KR20140138085 A KR 20140138085A
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한원석
김소영
이미희
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주식회사 유피케미칼
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Abstract

본원은 신규 루테늄 화합물, 상기 루테늄 화합물의 제조 방법, 상기 루테늄 화합물을 포함하는 막 증착용 전구체 조성물, 및 상기 전구체 조성물을 이용하는 막의 증착 방법에 관한 것이다.

Description

신규 루테늄 화합물, 이의 제조 방법, 이를 포함하는 막 증착용 전구체 조성물, 및 이를 이용하는 막의 증착 방법 {NOVEL RUTHENIUM COMPOUND, PREPARING METHOD THEREOF, PRECURSOR COMPOSITION FOR FILM DEPOSITION INCLUDING THE SAME, AND DEPOSITING METHOD OF FILM USING THE SAME}
본원은 신규 루테늄 화합물, 상기 루테늄 화합물의 제조 방법, 상기 루테늄 화합물을 포함하는 막 증착용 전구체 조성물, 및 상기 전구체 조성물을 이용하는 막의 증착 방법에 관한 것이다.
루테늄 (Ruthenium) 금속은 열적, 화학적 안정성이 우수할 뿐만 아니라 낮은 비저항 (ρbulk = 7.6 μΩ·cm) 및 큰 일함수 (Φbulk = 4.71 eV)를 갖고 있어 트랜지스터의 게이트 전극, 또는 DRAM 또는 FeRAM의 커패시터 (Capacitor) 전극 물질로서 사용될 수 있다. 특히 차세대 DRAM 커패시터의 고유전 물질의 재료로서 타이타늄을 포함한 산화물인 TiO2 및 STO (SrTiO3), BST [(Ba, Sr)TiO3] 등을 사용할 때 누설전류 (Leakage current)를 최소화하기 위해서는 루테늄 전극을 사용할 필요가 있다.
루테늄 금속은 구리 금속과의 접착성이 우수할 뿐만 아니라 Cu와의 고용체 형성이 어렵기 때문에, 반도체 제조 공정 중 전기도금 (Electroplating)을 이용한 Cu 배선 공정에 있어서 씨드층 (Seed layer)으로의 적용이 활발하게 연구되고 있다.
한편 루테늄 산화물 (RuO2) 또한 전도성 물질로서 비저항이 낮고 (ρbulk = 46 μΩ·cm), 800℃에서도 열적 안정성이 뛰어나 향후 금속-절연물-금속 커패시터 (Metal-Insulator-Metal capacitor; MIM capacitor)의 하부전극으로서의 적용이 유력한 물질이다.
이들 루테늄 금속 및 루테늄 산화물을, 극미세화 되는 차세대 전자소자, 특히 높은 단차비를 갖는 DRAM (Dynamic Random Access Memory) 소자의 커패시터 전극으로서 사용하기 위해 요철이 심한 표면에 우수한 단차 피복성 (Step Coverage)을 구현할 수 있는 유기 금속 화학기상 증착법이나 원자층 증착법을 적용할 필요가 있고, 따라서 이에 적합한 루테늄 전구체 화합물의 개발이 필요하다.
원자층 증착법에 의하여 루테늄 금속막 또는 산화막을 형성할 때 비스(에틸사이클로펜타디에닐)루테늄 [Bis(ethylcyclopentadienyl)ruthenium, (EtCp)2Ru] 전구체 화합물과 산소 함유 기체가 흔히 쓰인다. 그러나, (EtCp)2Ru은 상온에서 액체이고 증기압이 높은 장점이 있지만, (EtCp)2Ru 전구체 화합물을 사용한 원자층 증착법은 원료 공급 주기당 막 성장 (0.05 nm/cycle 미만)이 느리다는 단점을 갖는다 ["Nucleation kinetics of Ru on silicon oxide and silicon nitride surfaces deposited by atomic layer deposition" Journal of Applied Physics, volume 103, 113509 (2008)]. 또한, 상온에서 액체이고 증기압이 비교적 높은 2,4-(다이메틸펜타디에닐)(에틸사이클로펜타디에닐)루테늄 [2,4-(Dimethylpentadienyl)(ethylcyclopentadienyl)Ru, DER]과 산소 함유 기체를 사용한 원자층 증착법도 알려져 있다. 그러나 DER을 사용한 원자층 증착법의 경우에도 원료 공급 주기당 막 성장이 0.034 nm/cycle에 불과하다 ["Investigation on the Growth Initiation of Ru Thin Films by Atomic Layer Deposition" Chemistry of Materials, volume 22, 2850-2856 (2010)].
이에, 본원은 신규 루테늄 화합물, 상기 루테늄 화합물의 제조 방법, 상기 루테늄 화합물을 포함하는 막 증착용 전구체 조성물, 및 상기 전구체 조성물을 이용하는 막의 증착 방법을 제공하고자 한다.
그러나, 본원이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본원의 제 1 측면은, 하기 화학식 1로서 표시되는, 루테늄 화합물을 제공한다:
[화학식 1]
Figure pat00001
;
상기 화학식 1 에서,
R1 및 R2는 각각 독립적으로, H 또는 C1 -5의 선형 또는 분지형 알킬기를 포함하는 것임.
본원의 제 2 측면은, 하기 반응식 1에 나타난 바와 같이, 탄소수 5 이하의 알코올을 포함하는 유기 용매 중에서 하기 화학식 2로서 표시되는 RuX2(p-cymene)]2 화합물, M2CO3로서 표시되는 알칼리 금속의 카보네이트염 및 하기 화학식 3으로서 표시되는 다이아자다이엔 리간드를 함유하는 혼합물을 반응시켜 하기 화학식 1의 루테늄 화합물을 수득하는 것을 포함하는, 상기 본원의 제 1 측면에 따른 루테늄 화합물의 제조 방법을 제공한다:
[화학식 1]
Figure pat00002
;
[화학식 2]
Figure pat00003
;
[화학식 3]
Figure pat00004
;
[반응식 1]
Figure pat00005
;
상기 식들에서,
M은 Li, Na, 또는 K를 포함하고,
X는 Cl, Br, 또는 I를 포함하고,
R1 및 R2는 각각 독립적으로, H 또는 C1 -5의 선형 또는 분지형 알킬기를 포함하는 것임.
본원의 제 3 측면은, 하기 반응식 2에 나타난 바와 같이, 에테르계 유기 용매 중에서 하기 화학식 2로서 표시되는 [RuX2(p-cymene)]2 화합물, 알칼리 금속 (M) 및 하기 화학식 3으로서 표시되는 다이아자다이엔 리간드를 함유하는 혼합물을 반응시켜 화학식 1의 루테늄 화합물을 수득하는 것을 포함하는, 상기 본원의 제 1 측면에 따른 루테늄 화합물의 제조 방법을 제공한다:
[화학식 1]
Figure pat00006
;
[화학식 2]
Figure pat00007
;
[화학식 3]
Figure pat00008
;
[반응식 2]
Figure pat00009
;
상기 식들에서,
M은 Li, Na, 또는 K를 포함하고,
X는 Cl, Br, 또는 I를 포함하고,
R1 및 R2는 각각 독립적으로, H 또는 C1 -5의 선형 또는 분지형 알킬기를 포함하는 것임.
본원의 제 4 측면은, 상기 본원의 제 1 측면에 따른 루테늄 화합물을 포함하는, 루테늄-함유 막 또는 박막 증착용 전구체 조성물을 제공한다.
본원의 제 5 측면은, 상기 본원의 제 4 측면에 따른 루테늄-함유 막 또는 박막 증착용 전구체 조성물을 이용한, 루테늄-함유 막 또는 박막의 증착 방법을 제공한다.
본원의 일 구현예에 의하면, 원자층 증착법 또는 화학기상 증착법의 전구체로서 사용된 종래의 루테늄 전구체 화합물에 비해 원자층 증착의 원료 기체 공급 주기 당 막 형성이 훨씬 빠른 루테늄 화합물 및 그의 제조 방법이 제공된다. 본원의 일 구현예에 따른 신규 루테늄 화합물은 루테늄-함유 막 또는 박막을 형성하는 데에 사용될 수 있고 상업적인 원료로부터 용이하게 대량 생산할 수 있다.
도 1은, 본원의 실시예 1에 따라 제조된 루테늄 화합물의 열 무게 분석 (TGA) 그래프이다.
도 2는, 본원의 실시예 1에 따라 제조된 루테늄 화합물의 시차 주사 열량계 분석 (DSC) 그래프이다.
도 3a 내지 3d는, 본원의 실시예 2에 따라 형성한 루테늄-함유 박막들의 단면 주사 전자 현미경 (Scanning Electron Microscopy; SEM) 의 이미지이다.
도 4는, 본원의 실시예 2에 따라 실리콘 (Si) 기재 위에 형성한 루테늄-함유 박막의 오제이 (Auger) 분석 결과이다.
도 5는, 본원의 실시예 2에 따라 질화 티타늄 (TiN) 기재 위에 형성한 루테늄-함유 박막의 오제이 분석 결과이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본원이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본원의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본원은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본원을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부재가 다른 부재 "상에" 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
본원 명세서 전체에서 사용되는 정도의 용어 "약", "실질적으로" 등은 언급된 의미에 고유한 제조 및 물질 허용오차가 제시될 때 그 수치에서 또는 그 수치에 근접한 의미로 사용되고, 본원의 이해를 돕기 위해 정확하거나 절대적인 수치가 언급된 개시 내용을 비양심적인 침해자가 부당하게 이용하는 것을 방지하기 위해 사용된다.
본원 명세서 전체에서 사용되는 정도의 용어 "~(하는) 단계" 또는 "~의 단계"는 "~를 위한 단계"를 의미하지 않는다.
본원 명세서 전체에서, 마쿠시 형식의 표현에 포함된 "이들의 조합(들)"의 용어는 마쿠시 형식의 표현에 기재된 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 혼합 또는 조합을 의미하는 것으로서, 상기 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것을 의미한다.
본원 명세서 전체에서, "A 및/또는 B"의 기재는, "A 또는 B, 또는 A 및 B"를 의미한다.
본원 명세서 전체에서, 용어 "알킬기"는, 각각, 선형 또는 분지형의, 포화 또는 불포화의 C1 -10 또는 C1 -5 알킬기를 포함하는 것일 수 있으며, 예를 들어, 메틸, 에틸, 프로필, 부틸, 펜틸, 헥실, 헵실, 옥틸, 노닐, 데실, 또는 이들의 가능한 모든 이성질체를 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원 명세서 전체에서, 용어 "알칼리 금속"은 주기율표의 1 족에 속하는 금속을 의미하는 것으로서, Li, Na, K, Rb, 또는 Cs일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원 명세서 전체에서, 용어 "할로겐 "은 주기율표의 17 족에 속하는 원소를 의미하는 것으로서, F, Cl, Br 또는 I 일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
이하, 본원의 구현예를 상세히 설명하였으나, 본원이 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 제 1 측면은, 하기 화학식 1로서 표시되는, 루테늄 화합물을 제공한다:
[화학식 1]
Figure pat00010
;
상기 화학식 1 에서,
R1 및 R2는 각각 독립적으로, H 또는 C1 -5의 선형 또는 분지형 알킬기를 포함하는 것임.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 신규 루테늄 화합물 자체 또는 상기 신규 루테늄 화합물을 포함하는 조성물을 이용하여 화학기상 증착법 (Chemical Vapor Deposition; CVD) 또는 원자층 증착법 (Atomic Layer Deposition; ALD) 방법에 의하여 루테늄-함유 막 또는 박막을 증착할 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 C1 -5의 선형 또는 분지형 알킬기는, 메틸기, 에틸기, n-프로필기, iso-프로필기, n-부틸기, iso-부틸기, sec-부틸기, tert-부틸기, n-펜틸기, iso-펜틸기, sec-펜틸기, tert-펜틸기, neo-펜틸기, 3-펜틸기, 및 이들의 이성질체로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, R1 및 R2가 iso-프로필기 또는 tert-부틸기를 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 따른 루테늄 화합물은, (p-cymene)(HNCHCHNH)Ru, (p-cymene)(MeNCHCHNMe)Ru, (p-cymene)(EtNCHCHNEt)Ru, (p-cymene)(nPrNCHCHNnPr)Ru, (p-cymene)(iPrNCHCHNiPr)Ru, (p-cymene)(nBuNCHCHNnBu)Ru, (p-cymene)(iBuNCHCHNiBu)Ru, (p-cymene)(tBuNCHCHNtBu)Ru, 또는 (p-cymene)(secBuNCHCHNsecBu)Ru일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 화합물에 포함되는 다이아자다이엔 리간드 (R1-N=CH-CH=N-R2)는 탄소와 질소 사이에 각각 두 개의 이중결합을 함유하는 것으로서 두 개의 질소 원자에 존재하는 각각의 비공유 전자쌍을 이용하여 중심 루테늄 금속에 배위 결합에 의해 결합되는 것일 수 있다. 상기 다이아자다이엔 리간드 중 HNCHCHNH는 H-DAD로서 약칭될 수 있고, MeNCHCHNMe 는 Me-DAD로서 약칭될 수 있고, EtNCHCHNEt 는 Et-DAD로서 약칭될 수 있고, nPrNCHCHNnPr 는 nPr-DAD로서 약칭될 수 있고, iPrNCHCHNiPr 는 iPr-DAD로서 약칭될 수 있고, nBuNCHCHNnBu 는 nBu-DAD로서 약칭될 수 있고, tBuNCHCHNtBu 는 tBu-DAD로서 약칭될 수 있으며, secBuNCHCHNsecBu 는 secBu-DAD로서 약칭될 수 있다.
본원의 제 2 측면은, 하기 반응식 1에 나타난 바와 같이, 탄소수 5 이하의 알코올을 포함하는 유기 용매 중에서 하기 화학식 2로서 표시되는 [RuX2(p-cymene)]2 화합물, M2CO3로서 표시되는 알칼리 금속의 카보네이트염 및 하기 화학식 3으로서 표시되는 다이아자다이엔 리간드를 함유하는 혼합물을 반응시켜 하기 화학식 1의 루테늄 화합물을 수득하는 것을 포함하는, 상기 본원의 제 1 측면에 따른 루테늄 화합물의 제조 방법을 제공한다:
[화학식 1]
Figure pat00011
;
[화학식 2]
Figure pat00012
;
[화학식 3]
Figure pat00013
;
[반응식 1]
Figure pat00014
;
상기 식들에서,
M은 Li, Na, 또는 K를 포함하고,
X는 Cl, Br, 또는 I를 포함하고,
R1 및 R2는 각각 독립적으로, H 또는 C1 -5의 선형 또는 분지형 알킬기를 포함하는 것임.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 화학식 1의 루테늄 화합물 수득을 위한 반응은 환류 반응일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 유기 용매는 탄소수 5 이하의 1 차 알코올 또는 2 차 알코올을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 본원의 일 구현예에 있어서, 상기 탄소수 5 이하의 1 차 알코올 또는 2 차 알코올은 용매로서 역할을 하는 동시에 환원제로서도 작용할 수 있다. 따라서, 본원의 일 구현예에 따른 루테늄 화합물은 별도의 환원제가 요구되지 않는 경제적이고 간소한 공정으로 제조될 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 탄소수 5 이하의 1 차 알코올 또는 2 차 알코올은 메탄올, 에탄올, n-프로필 알코올, iso-프로필 알코올, n-부탄올, iso-부탄올, n-펜탄올, iso-펜탄올, 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 제 3 측면은, 하기 반응식 2에 나타난 바와 같이, 에테르계 용매를 포함하는 유기 용매 중에서 하기 화학식 2로서 표시되는 [RuX2(p-cymene)]2 화합물, 알칼리 금속 (M) 및 하기 화학식 3으로서 표시되는 다이아자다이엔 리간드를 함유하는 혼합물을 반응시켜 화학식 1의 루테늄 화합물을 수득하는 것을 포함하는, 상기 본원의 제 1 측면에 따른 루테늄 화합물의 제조 방법을 제공한다:
[화학식 1]
Figure pat00015
;
[화학식 2]
Figure pat00016
;
[화학식 3]
Figure pat00017
;
[반응식 2]
Figure pat00018
;
상기 식들에서,
M은 Li, Na, 또는 K를 포함하고,
X는 Cl, Br, 또는 I를 포함하고,
R1 및 R2는 각각 독립적으로, H 또는 C1 -5의 선형 또는 분지형 알킬기를 포함하는 것임.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 화학식 1의 루테늄 화합물 수득을 위한 반응은 환류 반응일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 유기 용매는 디메틸 에테르, 디에틸 에테르, 디프로필 에테르, 에틸렌 글리콜 디메틸 에테르 (DME, ethylene glycol dimethyl ether), 및 에틸렌 글리콜 디에틸 에테르로 이루어진 군으로부터 선택된 에테르를 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원 제 2 측면 또는 제 3 측면의 일 구현예에 있어서, 하기 반응식 3에 나타난 바와 같이, 상기 화학식 2로서 표시되는 [RuX2(p-cymene)]2 화합물은, 유기 용매 중에서 루테늄 트리할라이드 수화물 (RuX3·nH2O) 및 하기 화학식 4로서 표시되는 α-테르피넨 (α-Terpinene) 또는 하기 화학식 5로서 표시되는 γ-테르피넨을 함유하는 혼합물을 반응시키는 것을 포함하는 방법에 의하여 제조되는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 이때, 상기 α-테르피넨 또는 γ-테르피넨 대신에 β-테르피넨, δ-테르피넨, α-펠란드렌 (α-Phellandrene), β-펠란드렌, 또는 이들의 이성질체를 사용할 수도 있다:
[화학식 4]
Figure pat00019
;
[화학식 5]
Figure pat00020
;
[반응식 3]
Figure pat00021
;
상기 식들에서,
X는 Cl, Br, 또는 I이고,
n은 0 또는 10 이하의 정수임.
상기 [RuX2(p-cymene)]2 화합물의 제조를 위해, 상기 루테늄 트리할라이드 수화물 (RuX3·nH2O) 및 상기 화학식 4의 α-테르피넨 또는 상기 화학식 5의 γ-테르피넨을 알코올을 포함하는 유기 용매에 첨가한 후 반응시켜 상기 [RuX2(p-cymene)]2 화합물을 형성할 수 있다. 그 다음, 상기 반응식 1 또는 2와 같이, 상기 형성된 [RuX2(p-cymene)]2 화합물; 알칼리 금속의 카보네이트염 (M2CO3) 또는 알칼리 금속; 및 상기 다이아자다이엔 리간드를 함유하는 혼합물을 환류 반응시켜 상기 화학식 1로서 표시되는 루테늄 전구체 화합물을 제조한다.
본원의 제 4 측면은, 상기 본원의 제 1 측면에 따른 루테늄 화합물을 포함하는, 루테늄-함유 막 또는 박막 증착용 전구체 조성물을 제공한다.
본원의 제 5 측면은, 상기 본원의 제 1 측면에 따른 루테늄 화합물 또는 제 3 측면에 따른 루테늄-함유 막 또는 박막 증착용 전구체 조성물을 이용한, 루테늄-함유 막 또는 박막의 증착 방법을 제공한다. 상기 루테늄-함유 막은 나노미터 두께의 박막일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 루테늄-함유 막을 증착하는 것은 유기금속 화학기상 증착법 (MOCVD) 또는 원자층 증착법 (ALD)에 의하여 수행되는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 루테늄-함유 막을 증착하는 것은, 상기 본원의 제 1 측면에 따른 루테늄 화합물 또는 제 3 측면에 따른 루테늄-함유 막 증착용 전구체 조성물을 포함하는 기체를 기재 표면에 접촉시키는 것을 포함하는 공정에 의하여 수행될 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 루테늄-함유 막을 증착하는 것은, 상기 본원의 제 1 측면에 따른 루테늄 화합물 또는 제 3 측면에 따른 루테늄-함유 막 증착용 전구체 조성물을 포함하는 기체를 기재에 접촉시킴과 동시에 또는 교대로 반응 기체를 함유하는 기체를 상기 기재에 접촉시키는 것을 추가 포함하는 공정에 의하여 수행될 수 있다. 예를 들어, 상기 루테늄-함유 막을 증착하는 것은, 상기 본원의 제 1 측면에 따른 루테늄 화합물 또는 제 3 측면에 따른 루테늄-함유 막 증착용 전구체 조성물을 포함하는 기체와 반응 기체를 교대로 기재 표면에 접촉시키는 원자층 증착 (atomic layer deposition; ALD) 방법을 사용할 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 루테늄-함유 막을 증착하는 것은, 상기 본원의 제 1 측면에 따른 루테늄 화합물 또는 제 3 측면에 따른 루테늄-함유 막 증착용 전구체 조성물을 포함하는 기체와 반응 기체를 동시에 기재 표면에 접촉시키는 화학 기상 증착 (chemical vapor deposition; CVD) 방법을 사용할 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
막 증착을 위한 ALD 장치 또는 CVD 장치에 있어서, 상기 본원의 제 1 측면에 따른 루테늄 화합물 또는 제 3 측면에 따른 루테늄-함유 막 증착용 전구체 조성물을 포함하는 기체는 버블링, 기체상 유량제어 방법, 직접 액체 주입 방법, 또는 액체 이송 방법 등의 알려진 방법을 사용하여 기재 표면에 접촉되는 것일 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 ALD 및 CVD 방법에 이용되는 반응 기체로는 수소 (H2) 기체, 암모니아 (NH3) 기체, 산소 (O2) 기체, 또는 오존 (O3) 기체 등 반도체 공정에 사용하는 기체를 사용하여 루테늄-함유 막을 형성할 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 ALD 및 CVD 방법에 수소 기체 및/또는 암모니아 기체를 사용하여 막을 형성하는 경우, 불순물이 적게 포함된 루테늄-함유 막을 형성할 수 있다. 예를 들어, 산소 기체 또는 오존 기체를 사용하여 막을 형성하는 경우, 루테늄 산화물 막을 형성할 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 제 4 측면 및 제 5 측면은 각각 본원의 제 1 측면에 따른 루테늄 화합물을 포함하는, 루테늄-함유 막 증착용 전구체 조성물 및 상기 따른 루테늄-함유 막 증착용 전구체 조성물을 이용한 루테늄-함유 막의 증착 방법에 관한 것으로서, 본원의 제 1 측면 내지 제 3 측면과 중복되는 부분들에 대해서는 상세한 설명을 생략하였으나, 본원의 제 1 측면 내지 제 3 측면에 대해 설명한 내용은 본원의 제 4 측면 및 제 5 측면 각각에서 그 설명이 생략되었더라도 동일하게 적용될 수 있다.
본원의 일 구현예에 따른 루테늄 화합물은 루테늄 중심 금속과 리간드 사이에 결합이 약한 배위 결합에 의하여 연결되어 있는 착물 (complex)이므로, 비교적 낮은 온도에서도 리간드의 분해가 잘 일어나 증착 온도를 낮출 수 있다. 아울러, 상기 루테늄 중심 금속으로부터 분리된 p-사이민(p-cymene) 및 다이아자다이엔의 리간드는 진공 배기를 통하여 반응 챔버에서 쉽게 제거되므로 증착된 막 또는 박막에 탄소, 질소, 산소 등 불순물이 감소되거나 상기 불순물이 잔류하지 않거나 실질적으로 잔류하지 않는다.
이하, 본원에 대하여 실시예를 이용하여 좀더 구체적으로 설명하지만, 하기 실시예는 본원의 이해를 돕기 위하여 예시하는 것일 뿐, 본원의 내용이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.
[실시예]
<제조예 1> [RuCl 2 (p- cymene )] 2 의 제조
불꽃 건조된 500 mL 슐렝크 (Schlenk) 플라스크에서 루테늄 트리클로라이드 수화물 (Ruthenium trichloride hydrated, RuCl3·nH2O) 27 g (0.13 mol, 1 당량)을 에탄올 (ethanol, C2H5OH) 200 mL에 용해시킨 후 이 용액에 α-테르피넨 (α-Terpinene) 35.4 g (0.26 mol, 2 당량)을 상온에서 천천히 첨가하고, 이 혼합액을 15 시간 동안 환류 (reflux)시킨 후 반응을 완결시켰다.
반응 종료 후 여과하여 얻은 짙은 갈색의 고체를 n-헥산 (n-hexane, C6H14) 50 mL를 이용하여 세 차례 세척한 후 진공 건조하여 적갈색의 고체 화합물 RuCl2(cymene)]2을 수득하였다.
<실시예 1> (p- cymene )( i Pr - DAD ) Ru 의 제조
제 1 방법
불꽃 건조된 1,000 mL 슐렝크 플라스크에서, 제조예 1에서 제조된 [RuCl2(p-cymene)]2 53 g (0.087 mol, 1 당량)과 Na2CO3 50.5 g (0.476 mol, 5.5 당량)을 2-프로판올 (2-propanol, (CH3)2CHOH) 500 mL에 혼합하여 현탁액을 제조하였고 상기 현탁액을 3 시간 동안 교반시켰다. 2-프로판올 200 mL에 N,N' -다이아이소프로필-1,4-다이아자-1,3-부타다이엔 (N,N' -diisopropyl-1,4-diaza -1,3-butadiene, iPr-DAD) 37 g (0.259 mol, 3 당량)을 용해시킨 용액을 상온에서 상기 3 시간 동안 교반된 현탁액에 천천히 첨가한 후 이 혼합액을 15 시간 동안 환류시킨 후 반응을 완결시켰다.
상기 반응이 완료된 후 감압 하에서 용매 및 휘발성 부반응물을 제거한 뒤 n-헥산 (n-hexane, C6H14) 500 mL로 추출하였다. n-헥산 추출물을 셀라이트 (Celite) 패드와 유리 프릿 (frit)을 통해 여과한 뒤 얻은 여과액을 감압 하에서 용매를 제거하고 감압 하에서 증류하여 하기 화학식 6으로서 표시되는 진한 적포도주색 액체 화합물 28.0 g (수율 43%)을 수득하였다:
[화학식 6]
Figure pat00022
;
끓는점 (bp) 110℃ (0.3 torr);
원소분석 (elemental analysis) 계산치 (C18H30N2Ru) C 57.57, H 8.05, N 7.46, 실측치 C 57.25, H 7.69, N 7.55;
1H-NMR(400 MHz, C6D6, 25℃) δ 7.044 (s, 2H, N=CH), 4.606 (m, 4H, C6 H 4), 4.502 (septet, 2H, NCH(CH3)3), 2.437 (septet, 1H, CH(CH3)2), 2.095 (s, 3H, CH 3), 1.460 (d, 12H, NCH(CH 3)3), 1.154 (d, 6H, CH(CH 3)2).
제 2 방법
불꽃 건조된 1,000 mL 슈렝크 플라스크에서, 제조예 1에서 제조된 [RuCl2(p-cymene)]2 30 g (0.049 mol, 1 당량)을 에틸렌 글리콜 디메틸 에테르 (Ethylene glycol dimethyl ether; CH3OCH2CH2OCH3) 500 mL에 혼합하여 현탁액을 제조하였고 상기 현탁액에 Na 4.6 g (0.20 mol, 4.1 당량)을 투입한 후 1 시간 동안 교반시켰다. 에틸렌 글리콜 디메틸 에테르 100 mL에 N, N'-다이아이소프로필-1,4-다이아자-1,3-부타디엔 14.4 g (0.102 mol, 2.1 당량)을 용해시킨 용액을 상온에서 상기 1 시간 동안 교반된 현탁액에 천천히 첨가한 후 이 혼합액을 15 시간 동안 상온에서 반응을 완결시켰다.
상기 반응이 완료된 후 감압 하에서 용매 및 휘발성 부반응물을 제거한 뒤 n-헥산 500 mL로 추출하였다. n-헥산 추출물을 셀라이트 패드와 유리 프릿을 통해 여과한 뒤 얻은 여과액을 감압 하에서 용매를 제거하고 감압 하에서 증류하여 상기 화학식 6로서 표시되는 진한 적포도주색 액체 화합물을 18.7 g (수율 53%)을 수득하였다. 상기 제 1 방법에서 수득된 화학식 6의 액체 화합물과 동일한 원소분석 및 NMR 분석결과를 확인하였다.
iPr-DAD 대신 tBu-DAD를 사용하여 실시예 1과 같은 방법으로 (p-cymene)(tBu-DAD)Ru를 제조할 수 있다.
<비교예>
비교예를 위한 화합물은 하기와 같이 제조되었다.
[RuCl 2 ( benzene )] 2 의 제조
불꽃 건조된 500 mL 슐렝크 플라스크에서 루테늄 트리클로라이드 수화물 27 g (0.13 mol, 1 당량)을 에탄올 200 mL에 용해시킨 후 이 용액에 1,3-사이클로헥사다이엔 (1,3-cyclohexadiene) 20.8 g (0.26 mol, 2 당량)을 상온에서 천천히 첨가하고, 이 혼합액을 15 시간 동안 환류시킨 후 반응을 완결시켰다.
반응 종료 후 여과하여 얻은 짙은 갈색의 고체를 n-헥산 50 mL를 이용하여 세 차례 세척한 후 진공 건조하여 적갈색의 고체 화합물 [RuCl2(benzene)]2을 수득하였다.
( benzene )( i Pr - DAD ) Ru 의 제조
불꽃 건조된 1,000 mL 슐렝크 플라스크에서, 상기에서 제조된 [RuCl2(benzene)]2 43.3 g (0.087 mol, 1 당량)과 Na2CO3 50.5 g (0.476 mol, 5.5 당량)을 2-프로판올 (2-propanol) 500 mL에 혼합하여 현탁액을 만든 후 상기 현탁액을 3 시간 동안 교반시켰다. iPr-DAD 37 g (0.259 mol, 3 당량)을 2-프로판올 200 mL에 용해시킨 용액을 상온에서 상기 3 시간 동안 교반된 현탁액에 천천히 첨가한 후 이 혼합액을 15 시간 동안 환류시킨 후 반응을 완결시켰다.
상기 반응이 완료된 후 감압 하에서 용매 및 휘발성 부반응물을 제거한 뒤 n-헥산 500 mL로 추출하였다. n-헥산 추출물을 셀라이트 패드와 유리 프릿을 통해 여과한 뒤 얻은 여과액을 감압 하에서 용매를 제거하고 감압 하에서 승화시켜 하기 화학식 7로서 표시되는 진한 적갈색 고체 화합물을 수득하였다.
[화학식 7]
Figure pat00023
;
수율 (yield) 21.57 g (39%);
끓는점 (bp) 105℃ (0.3 torr);
원소분석 (elemental analysis) 계산치 (C14H22N2Ru) C 52.64, H 6.94, N 8.77, 실측치 C 51.97, H 6.82, N 8.57;
1H-NMR(400 MHz, C6D6, 25R(4d 7.055 (s, 2H, NCH), 4.829 (s, 6H, C6 H 6), 4.404 (septet, 2H, NCH(CH3)3), 1.415 (d, 12H, NCH(CH 3)3).
본 비교예에 있어서, 이미 공지된 화합물인 (benzene)(iPr-DAD)Ru 또한 본원의 일 구현예에 따른 제조 방법을 이용하여 제조될 수 있음을 확인하였다. 그러나, 본 비교예의 화합물은 상온에서 고체로 존재하므로, 상기 실시예 1에서 제조된 상기 신규 루테늄 화합물 [(p-cymene)(iPr-DAD)Ru]과 달리, 화학기상 증착법 또는 원자층 증착법을 위한 전구체로서 불리한 측면이 있음을 알 수 있었다.
<실험예 1> 열 무게 분석 및 시차 주사 열량계 실험
상기 실시예 1에서 제조된 루테늄 화합물의 기초 열적 특성을 분석하기 위하여 열 무게 분석 (TGA) 및 시차 주사 열량계 분석 (DSC)을 실시하였다. 이때 샘플의 무게를 약 5 mg 취하여 알루미나 시료용기에 넣은 후 10 ℃/min의 승온 속도로 50℃까지 측정하였고, 측정된 결과를 도 1 및 도 2에 나타내었다.
이와 관련하여, 도 1은 실시예 1에 따라 제조된 루테늄 화합물의 열 무게 분석 (TGA) 그래프이고, 도 2는 실시예 1에 따라 제조된 루테늄 화합물의 시차 주사 열량계 분석 (DSC) 그래프이다. 도 1에서 확인할 수 있듯이, 상기 실시예 1에 따른 루테늄 화합물은 TGA 그래프에서 모두 150℃ 내지 250℃에서 급격한 질량 감소가 일어나며, T1 /2 (온도에 따른 무게 감소에서 원래 시료의 1/2 무게에 도달할 때에 해당하는 온도)은 228℃였다. 또한, 도 2에서 확인할 수 있듯이, 상기 실시예 1에 따른 루테늄 화합물은 DSC 그래프에서 285℃ 및 347℃에서 화합물의 분해에 따른 흡열 봉우리를 보여준다.
<실시예 2> 실시예 1에서 제조된 (p- cymene )( i Pr - DAD ) Ru 과 산소( O 2 ) 기체를 사용한 원자층 증착법에 의한 루테늄-함유 박막의 형성
상기 실시예 1에서 제조된 상기 화학식 6으로서 표시되는 (p-cymene)(iPr-DAD)Ru을 전구체로서 사용하고 산소(O2) 기체를 사용하여 원자층 증착 (ALD) 공정에 의한 성막 평가를 수행하였다. 증착에 사용된 기재로는 실리콘 (Si) 웨이퍼, 실리콘 기재 위에 산화 실리콘 (SiO2) 막이 100 nm 두께로서 입혀진 웨이퍼, 실리콘 기재 위에 질화 실리콘 (SiN) 막이 50 nm 두께로서 입혀진 웨이퍼, 및 실리콘 기재 위에 질화 티타늄 (TiN) 막이 50 nm 두께로서 입혀진 웨이퍼를 사용하였다. 이때, 기재의 온도는 250℃로 조절하였고 상기 전구체는 스테인리스강 (stainless steel) 재질의 용기에 담아 120℃의 온도에서 용기를 가열하면서 60 sccm의 유속을 갖는 아르곤 가스를 전구체의 운반가스로 사용하여 기체 상태로 기재 표면으로 공급하였다. 반응기의 공정 압력 (working pressure)은 0.5 torr로 조절하고, 루테늄 전구체 기체와 산소 (O2) 기체를 교대로 원자층 증착 챔버 안에 놓인 기재에 접촉시켰다. 상기 산소 기체는 60 sccm으로 흘려주었다. 전구체 기체 공급 20 초 -> Ar 기체 공급 10 초 -> 산소 기체 공급 10 초 -> Ar 기체 공급 10 초의 원자층 증착 주기를 200 회 반복한 후에 형성된 루테늄 금속 박막의 단면을 주사 전자 현미경 (SEM)을 이용하여 측정한 뒤, 그 결과를 도 3에 나타내었고, 오제이 (Auger) 분광기를 이용하여 형성된 루테늄-함유 박막의 루테늄, 탄소, 질소, 및 산소 함량을 도 4 및 5에 나타내었다.
이와 관련하여, 도 3a 내지 3d는 실시예 2에 따라 형성한 루테늄-함유 박막들의 단면 주사 전자 현미경(Scanning Electron Microscopy, SEM)의 이미지이고, 도 4는 실시예 2에 따라 실리콘 (Si) 기재 위에 형성한 루테늄-함유 박막의 오제이 (Auger) 분석 결과이며, 도 5는 본 실시예에 따라 질화 티타늄 (TiN) 기재 위에 형성한 루테늄-함유 박막의 오제이 분석 결과이다. 도 3a 내지 3d에서 확인할 수 있듯이, Si와 SiO2 기재 위에서도 TiN과 거의 차이가 없는 표면이 평탄한 막이 얻어진 것을 확인할 수 있었다. 이것으로 보아 얇은 두께에서도 기재의 표면을 완전히 덮는 Ru 함유 막을 얻을 수 있음을 기대할 수 있다. 아울러, 도 4 및 도 5 에서 확인할 수 있듯이, 실리콘 기재 및 질화 티타늄 기재 위에 모두 루테늄 함량이 약 90%인 루테늄 금속 막이 형성된 것을 알 수 있었다. 또한, 원자층 증착의 기체 공급 주기를 150, 200, 400, 600 회 반복하여 형성한 루테늄 막의 두께를 측정함으로써, 기체 공급 주기 당 막 성장이 0.12 nm/cycle로 기존에 알려진 Ru 전구체보다 훨씬 크다는 것을 알았다.
특히, 상기 제조예 1에서 출발물질로서 사용된 테르피넨 화합물은 수십 Kg 또는 수백 Kg에 이르는 대용량일지라도 상업적으로 쉽게 구할 수 있다. 따라서 상기 테르피넨으로부터 합성되는 실시예 1의 루테늄 화합물은 상업적인 원료로부터 쉽게 대량 생산할 수 있고, 상온에서 액체이므로 Ru을 함유하는 막을 증착하는 목적으로 산업에 이용하기에 매우 유리하다.
전술한 본원의 설명은 예시를 위한 것이며, 본원이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본원의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수도 있다.
본원의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위, 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본원의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (10)

  1. 하기 화학식 1로서 표시되는, 루테늄 화합물:
    [화학식 1]
    Figure pat00024
    ;
    상기 화학식 1 에서,
    R1 및 R2는 각각 독립적으로, H 또는 C1 -5의 선형 또는 분지형 알킬기를 포함하는 것임.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 C1 -5의 선형 또는 분지형 알킬기는, 메틸기, 에틸기, n-프로필기, iso-프로필기, n-부틸기, iso-부틸기, sec-부틸기, tert-부틸기, n-펜틸기, iso-펜틸기, sec-펜틸기, tert-펜틸기, neo-펜틸기, 3-펜틸기, 및 이들의 이성질체로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 포함하는 것인, 루테늄 화합물.
  3. 제 1 항에 있어서,
    R1 및 R2가 iso-프로필기 또는 tert-부틸기를 포함하는 것인, 루테늄 화합물.
  4. 하기 반응식 1에 나타난 바와 같이,
    탄소수 5 이하의 알코올을 포함하는 유기 용매 중에서 하기 화학식 2로서 표시되는 [RuX2(p-cymene)]2 화합물, M2CO3로서 표시되는 알칼리 금속의 카보네이트염 및 하기 화학식 3으로서 표시되는 다이아자다이엔 리간드를 함유하는 혼합물을 반응시켜 하기 화학식 1의 루테늄 화합물을 수득하는 것
    을 포함하는,
    제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 따른 루테늄 화합물의 제조 방법:
    [화학식 1]
    Figure pat00025
    ;
    [화학식 2]
    Figure pat00026
    ;
    [화학식 3]
    Figure pat00027
    ;
    [반응식 1]
    Figure pat00028
    ;
    상기 식들에서,
    M은 Li, Na, 또는 K를 포함하고,
    X는 Cl, Br, 또는 I를 포함하고,
    R1 및 R2는 각각 독립적으로, H 또는 C1 -5의 선형 또는 분지형 알킬기를 포함하는 것임.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 탄소수 5 이하의 알코올은, n-프로필 알코올, iso-프로필 알코올, n-부탄올, iso-부탄올, n-펜탄올, iso-펜탄올, 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 1 차 알코올 또는 2 차 알코올을 포함하는 것인, 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 따른 루테늄 화합물의 제조 방법.
  6. 하기 반응식 2에 나타난 바와 같이,
    에테르 용매를 포함하는 유기 용매 중에서 하기 화학식 2로서 표시되는 [RuCl2(p-cymene)]2 화합물, 알칼리 금속 (M) 및 하기 화학식 3으로서 표시되는 다이아자다이엔 리간드를 함유하는 혼합물을 반응시켜 화학식 1의 루테늄 화합물을 수득하는 것
    을 포함하는,
    제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 따른 루테늄 화합물의 제조 방법:
    [화학식 1]
    Figure pat00029
    ;
    [화학식 2]
    Figure pat00030
    ;
    [화학식 3]
    Figure pat00031
    ;
    [반응식 2]
    Figure pat00032
    ;
    상기 식들에서,
    M은 Li, Na, 또는 K를 포함하고,
    X는 Cl, Br, 또는 I를 포함하고,
    R1 및 R2는 각각 독립적으로, H 또는 C1 -5의 선형 또는 분지형 알킬기를 포함하는 것임.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 에테르 용매는 디메틸 에테르, 디에틸 에테르, 디프로필 에테르, 에틸렌 글리콜 디메틸 에테르 (DME, ethylene glycol dimethyl ether), 및 에틸렌 글리콜 디에틸 에테르로 이루어진 군으로부터 선택된 에테르를 포함하는 것인, 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 따른 루테늄 화합물의 제조 방법.
  8. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 따른 루테늄 화합물을 포함하는, 루테늄-함유 막 증착용 전구체 조성물.
  9. 제 8 항에 따른 루테늄-함유 막 증착용 전구체 조성물을 이용한, 루테늄-함유 막의 증착 방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 막을 증착하는 것은 유기금속 화학기상 증착법 (MOCVD) 또는 원자층 증착법 (ALD)에 의하여 수행되는 것을 포함하는 것인, 루테늄-함유 막의 증착 방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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EP3599241A1 (de) 2018-07-27 2020-01-29 Umicore Ag & Co. Kg Metallorganische verbindungen zur herstellung eines halbleiterelements oder eines elektronischen speichers
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