KR20180008372A - 실리콘-포함 및 질소-포함 박막을 형성하기 위한 기상 증착 방법 - Google Patents

실리콘-포함 및 질소-포함 박막을 형성하기 위한 기상 증착 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 모노-치환된 TSA 전구체를 사용하여 실리콘-포함 및 산소-포함 필름을 형성하기 위한 ALD 방법을 개시한다. 모노-치환된 TSA 전구체는 식: (SiH3)2N-SiH2-X를 가지며, 상기 식에서, X는 할로겐 원자 또는 아미노기이다.

Description

실리콘-포함 및 질소-포함 박막을 형성하기 위한 기상 증착 방법{VAPOR DEPOSITION PROCESSES FOR FORMING SILICON- AND NITROGEN-CONTAINING THIN FILMS}
관련 출원에 대한 교차 참조
본 출원은 2016년 3월 30일에 출원된 PCT 출원 PCT/US2016/025010 및 2015년 6월 12일에 출원된 미국 출원 14/738,039를 우선권으로 주장하며, 이들은 둘 다 모든 목적을 위해 그 전체가 원용에 의해 본 명세서에 포함된다.
기술분야
본 발명은 모노-치환된 TSA 전구체를 사용하여 실리콘-포함 및 질소-포함 필름을 형성하기 위한 ALD 방법을 개시한다. 모노-치환된 TSA 전구체는 식: (SiH3)2N-SiH2-X를 가지며, 상기 식에서, X는 할로겐 원자 또는 아미노기이다.
다양한 실리콘-포함 전구체들은 기상 증착 공정에 의해 다양한 기판들 상에 Si-포함 박막을 증착시키는 데 사용되어 왔다. 적합한 실리콘 전구체의 선택, 및 적용가능한 경우 공동-반응물의 선택은 일반적으로, 표적 필름 조성물 및 특성에 의해 유도될 뿐만 아니라, 필름이 증착되어야 하는 기판에 의해 유발된 제약(constraint)에 의해 유도된다. 일부 기판들은 저온 증착 공정을 필요로 할 수 있다. 예를 들어, 유기 필름으로 코팅된 플라스틱 기판 또는 Si 기판 상에서의 증착은 100℃보다 낮은 증착 온도(즉, 20℃ 내지 100℃)를 필요로 할 수 있으며, 한편, 공업적으로 관심 있는 합리적인 증착 속도를 유지할 수 있다. 이러한 필름은 반도체 제작에서 스페이서-한정 리소그래피(spacer-defined lithography) 적용으로서 사용될 수 있을 뿐만 아니라, 유기 발광 다이오드(OLED) 디바이스를 밀봉하거나 필름 상에 수분 확산 장벽을 형성하는 데에도 사용될 수 있다. 상이한 온도 범위들에서 유사한 제약은 금속에 걸친 캡핑 층(capping layer), 게이트 스페이서(gate spacer) 등과 같이 반도체 제작의 상이한 단계들에서 나타난다.
DNF Co., Ltd.의 WO2015/190749는 아미노-실릴 아민 화합물, 및 원자층 증착을 사용함으로써 Si-N 결합을 포함하는 유전 필름을 제조하는 방법을 개시하고 있다. Sanchez 및 Girard의 WO2015/047914는 아민 치환된 트리실릴아민 및 트리다이실릴아민 화합물을 개시하고 있다. DNF Co., Ltd.의 US2014/0363985는 아미노-실릴 아민 화합물, 이의 제조 방법 및 이를 사용하는 실리콘-포함 박막을 개시하고 있다. Cruse 등의 US5413813은 특히 R3Si-N(X)-SiR3를 사용하는 반응기의 내부 표면 상에 실리콘-기재 세라믹 물질의 CVD를 개시하고 있으며, 여기서, R은 각각 H, C1-20 알킬, 할로겐(바람직하게는 Cl) 또는 NR2이고, X는 H, Li 또는 SiR3이다. Air Products and Chemicals, Inc.의 US2014/0158580A는 알콕시실릴아민 화합물 및 이의 적용들을 기술하고 있다. Air Products and Chemicals, Inc.의 US 7,122,222는 또한, 실리콘-포함 필름을 증착시키기 위한 전구체 및 이의 공정을 개시하고 있다. WO2013/058061에 개시된 실라잔 화합물 N-(SiR1R2R3)mR4 3 -m은 코팅 기체로서 사용된다. US 5,332,853에 개시된 (RR1R2Ma)yA(R3)x는 관능화된 알킬알칼리 금속 화합물을 제조하기 위한 촉매 화합물로서 사용된다. 유사한 특허들로는, US 5663398A, US　5332853A, US 5340507A 및 EP　525881　A1이 있다.
증기-기재 증착 공정, 예컨대 CVD 또는 ALD(모든 가능한 의미들에서, 예컨대 LPCVD, SACVD, PECVD, PEALD 등)를 사용하는 산업은 여전히, 이들 적용에 이상적인 전구체, 즉, 이들의 공정, 기판 및 필름 표적의 제약 내에서 가능한 최고 증착 속도를 가진 전구체를 모색하고 있다.
본 발명은 식 (SiH3)2NSiH2-X를 가진 모노-치환된 TSA 전구체를 포함하는 Si-포함 필름 형성 조성물을 개시하며, 상기 식에서, X는 Cl, Br 또는 I로부터 선택되는 할로겐 원자; 이소시아나토기 [-NCO]; 아미노기 [-NR1R2]; N-포함 C4-C10 포화 또는 불포화 헤테로사이클; 또는 알콕시기 [-O-R]로부터 선택되며; R1, R2 및 R은 독립적으로 H; 실릴기 [-SiR'3]; 또는 C1-C6 선형 또는 분지형, 포화 또는 불포화 하이드로카르빌기로부터 선택되며; R'는 각각 독립적으로 H; Cl, Br 또는 I로부터 선택되는 할로겐 원자; C1-C4 포화 또는 불포화 하이드로카르빌기; C1-C4 포화 또는 불포화 알콕시기; 또는 아미노기 [-NR3R4]로부터 선택되며; R3 및 R4는 각각 독립적으로 H 또는 C1-C6 선형 또는 분지형, 포화 또는 불포화 하이드로카르빌기로부터 선택되며; 단, R1이 H인 경우, R2는 H, Me 또는 Et이 아니다. 개시된 Si-포함 필름 형성 조성물은 하기 양태들 중 하나 이상을 포함할 수 있다:
· X가 할로겐 원자인 모노-치환된 TSA 전구체;
· 모노-치환된 TSA 전구체가 (SiH3)2N-SiH2-Cl임;
· 모노-치환된 TSA 전구체가 (SiH3)2N-SiH2-Br임;
· 모노-치환된 TSA 전구체가 (SiH3)2N-SiH2-I임;
· X가 이소시아네이트 -NCO인(즉, (SiH3)2N-SiH2-NCO인) 모노-치환된 TSA 전구체;
· X가 아미노기 [-NR1R2]인 모노-치환된 TSA 전구체;
· 모노-치환된 TSA 전구체가 (SiH3)2N-SiH2-NMe2임;
· 모노-치환된 TSA 전구체가 (SiH3)2N-SiH2-NMeEt임;
· 모노-치환된 TSA 전구체가 (SiH3)2N-SiH2-NEt2임;
· 모노-치환된 TSA 전구체가 (SiH3)2N-SiH2-NiPr2임;
· 모노-치환된 TSA 전구체가 (SiH3)2N-SiH2-NHiPr임;
· 모노-치환된 TSA 전구체가 (SiH3)2N-SiH2-NMeiPr임;
· 모노-치환된 TSA 전구체가 (SiH3)2N-SiH2-NEtiPr임;
· 모노-치환된 TSA 전구체가 (SiH3)2N-SiH2-NHtBu임;
· 모노-치환된 TSA 전구체가 (SiH3)2-N-SiH2-N(SiH3)(SiH2(NHEt))이지 않음(즉, X가 NR1R2이며, R1이 SiH3이고, R2가 NHEt일 때);
· X가 -N(SiR3)2이며, R이 각각 독립적으로 할로겐, H 또는 C1-C4 알킬기로부터 선택되는 모노-치환된 TSA 전구체;
· 모노-치환된 TSA 전구체가 (SiH3)2N-SiH2-N(SiCl3)2임;
· 모노-치환된 TSA 전구체가 (SiH3)2N-SiH2-N(SiBr3)2임;
· 모노-치환된 TSA 전구체가 (SiH3)2N-SiH2-N(SiI3)2임;
· 모노-치환된 TSA 전구체가 (SiH3)2N-SiH2-N(SiH3)2임;
· 모노-치환된 TSA 전구체가 (SiH3)2-N-SiH2-N(SiH3)(SiH2Cl)임;
· 모노-치환된 TSA 전구체가 (SiH3)2-N-SiH2-N(SiH3)(SiH2(NEt2)임;
· 모노-치환된 TSA 전구체가 (SiH3)2-N-SiH2-N(Si00483)(SiH2(NiPr2)임;
· 모노-치환된 TSA 전구체가 (SiH3)2-N-SiH2-N(SiH3)(SiH2(NHtBu)임;
· 모노-치환된 TSA 전구체가 (SiH3)2-N-SiH2-N(SiH3)(SiH2OEt)임;
· 모노-치환된 TSA 전구체가 (SiH3)2-N-SiH2-N(SiH3)(SiH2OiPr)임;
· 모노-치환된 TSA 전구체가 (SiH3)2N-SiH2-N(SiMe3)2임;
· 모노-치환된 TSA 전구체가 (SiH3)2N-SiH2-NH(SiMe3)임;
· 모노-치환된 TSA 전구체가 (SiH3)2N-SiH2-N(SiEt3)2임;
· 모노-치환된 TSA 전구체가 (SiH3)2-N-SiH2-N(SiMe2Et)2임;
· 모노-치환된 TSA 전구체가 (SiH3)2-N-SiH2-N(SiMe2iPr)2임;
· 모노-치환된 TSA 전구체가 (SiH3)2-N-SiH2-N(SiMe2nPr)2임;
· X가 N-포함 C4-C10 헤테로사이클인 모노-치환된 TSA 전구체;
· N-포함 C4-C10 헤테로사이클이 피롤리딘, 피롤 및 피페리딘으로부터 선택되는 모노-치환된 TSA 전구체;
· 모노-치환된 TSA 전구체가 (SiH3)2N-SiH2-(피롤리딘)임;
· 모노-치환된 TSA 전구체가 (SiH3)2N-SiH2-(피롤)임;
· 모노-치환된 TSA 전구체가 (SiH3)2N-SiH2-(피페리딘)임;
· X가 알콕시기 [-O-R]인 모노-치환된 TSA 전구체;
· 모노-치환된 TSA 전구체가 (SiH3)2N-SiH2-(OH)임;
· 모노-치환된 TSA 전구체가 (SiH3)2N-SiH2-(OMe)임;
· 모노-치환된 TSA 전구체가 (SiH3)2N-SiH2-(OEt)임;
· 모노-치환된 TSA 전구체가 (SiH3)2N-SiH2-(OiPr)임;
· 모노-치환된 TSA 전구체가 (SiH3)2N-SiH2-(OnPr)임;
· 모노-치환된 TSA 전구체가 (SiH3)2N-SiH2-(OtBu)임;
· X가 -O-SiR3이고, R이 각각 독립적으로 H, 할로겐 또는 C1-C4 하이드로카르빌기로부터 선택되는 모노-치환된 TSA 전구체;
· 모노-치환된 TSA 전구체가 (SiH3)2N-SiH2-(OSiH3)임
· 모노-치환된 TSA 전구체가 (SiH3)2N-SiH2-(OSiCl3)임;
· 모노-치환된 TSA 전구체가 (SiH3)2N-SiH2-(OSiBr3)임;
· 모노-치환된 TSA 전구체가 (SiH3)2N-SiH2-(OSiI3)임;
· 모노-치환된 TSA 전구체가 (SiH3)2N-SiH2-(OSiMe3)임;
· 약 95% w/w 내지 약 100% w/w의 전구체를 포함하는 Si-포함 필름 형성 조성물;
· 약 5% w/w 내지 약 50% w/w의 전구체를 포함하는 Si-포함 필름 형성 조성물;
· 약 0 ppbw 내지 약 500 ppbw Al을 포함하는 Si-포함 필름 형성 조성물;
· 약 0 ppbw 내지 약 500 ppbw As를 포함하는 Si-포함 필름 형성 조성물;
· 약 0 ppbw 내지 약 500 ppbw Ba을 포함하는 Si-포함 필름 형성 조성물;
· 약 0 ppbw 내지 약 500 ppbw Be을 포함하는 Si-포함 필름 형성 조성물;
· 약 0 ppbw 내지 약 500 ppbw Bi를 포함하는 Si-포함 필름 형성 조성물;
· 약 0 ppbw 내지 약 500 ppbw Cd을 포함하는 Si-포함 필름 형성 조성물;
· 약 0 ppbw 내지 약 500 ppbw Ca을 포함하는 Si-포함 필름 형성 조성물;
· 약 0 ppbw 내지 약 500 ppbw Cr을 포함하는 Si-포함 필름 형성 조성물;
· 약 0 ppbw 내지 약 500 ppbw Co를 포함하는 Si-포함 필름 형성 조성물;
· 약 0 ppbw 내지 약 500 ppbw Cu를 포함하는 Si-포함 필름 형성 조성물;
· 약 0 ppbw 내지 약 500 ppbw Ga을 포함하는 Si-포함 필름 형성 조성물;
· 약 0 ppbw 내지 약 500 ppbw Ge을 포함하는 Si-포함 필름 형성 조성물;
· 약 0 ppbw 내지 약 500 ppbw Hf을 포함하는 Si-포함 필름 형성 조성물;
· 약 0 ppbw 내지 약 500 ppbw Zr을 포함하는 Si-포함 필름 형성 조성물;
· 약 0 ppbw 내지 약 500 ppbw In을 포함하는 Si-포함 필름 형성 조성물;
· 약 0 ppbw 내지 약 500 ppbw Fe을 포함하는 Si-포함 필름 형성 조성물;
· 약 0 ppbw 내지 약 500 ppbw Pb을 포함하는 Si-포함 필름 형성 조성물;
· 약 0 ppbw 내지 약 500 ppbw Li을 포함하는 Si-포함 필름 형성 조성물;
· 약 0 ppbw 내지 약 500 ppbw Mg을 포함하는 Si-포함 필름 형성 조성물;
· 약 0 ppbw 내지 약 500 ppbw Mn을 포함하는 Si-포함 필름 형성 조성물;
· 약 0 ppbw 내지 약 500 ppbw W을 포함하는 Si-포함 필름 형성 조성물;
· 약 0 ppbw 내지 약 500 ppbw Ni을 포함하는 Si-포함 필름 형성 조성물;
· 약 0 ppbw 내지 약 500 ppbw K을 포함하는 Si-포함 필름 형성 조성물;
· 약 0 ppbw 내지 약 500 ppbw Na을 포함하는 Si-포함 필름 형성 조성물;
· 약 0 ppbw 내지 약 500 ppbw Sr을 포함하는 Si-포함 필름 형성 조성물;
· 약 0 ppbw 내지 약 500 ppbw Th을 포함하는 Si-포함 필름 형성 조성물;
· 약 0 ppbw 내지 약 500 ppbw Sn을 포함하는 Si-포함 필름 형성 조성물;
· 약 0 ppbw 내지 약 500 ppbw Ti을 포함하는 Si-포함 필름 형성 조성물;
· 약 0 ppbw 내지 약 500 ppbw U을 포함하는 Si-포함 필름 형성 조성물;
· 약 0 ppbw 내지 약 500 ppbw V을 포함하는 Si-포함 필름 형성 조성물;
· 약 0 ppbw 내지 약 500 ppbw Zn을 포함하는 Si-포함 필름 형성 조성물;
· 약 0 ppmw 내지 약 500 ppmw Cl를 포함하는 Si-포함 필름 형성 유기실란 조성물;
· 약 0 ppmw 내지 약 500 ppmw Br을 포함하는 Si-포함 필름 형성 조성물;
· 약 0 ppmw 내지 약 500 ppmw I을 포함하는 Si-포함 필름 형성 조성물;
· 약 0.0% w/w 내지 0.1% w/w TSA를 포함하는 Si-포함 필름 형성 조성물;
· 약 0.0% w/w 내지 0.1% w/w (SiH3)2-N-SiH2X를 포함하는 Si-포함 필름 형성 조성물로서, 여기서, X는 Cl, Br 또는 I임;
· 약 0.0% w/w 내지 0.1% w/w (SiH3)2-N-SiHX2를 포함하는 Si-포함 필름 형성 조성물로서, 여기서, X는 Cl, Br 또는 I임;
· 약 0.0% w/w 내지 0.1% w/w SiH4를 포함하는 Si-포함 필름 형성 조성물;
· 약 0.0% w/w 내지 0.1% w/w SiH3X를 포함하는 Si-포함 필름 형성 조성물로서, 여기서, X는 Cl, Br 또는 I임;
· 약 0.0% w/w 내지 0.1% w/w SiH2X2를 포함하는 Si-포함 필름 형성 조성물로서, 여기서, X는 Cl, Br 또는 I임;
· 약 0.0% w/w 내지 0.1% w/w SnX2를 포함하는 Si-포함 필름 형성 조성물로서, 여기서, X는 Cl, Br 또는 I임;
· 약 0.0% w/w 내지 0.1% w/w SnX4를 포함하는 Si-포함 필름 형성 조성물로서, 여기서, X는 Cl, Br 또는 I임;
· 약 0.0% w/w 내지 0.1% w/w HX를 포함하는 Si-포함 필름 형성 조성물로서, 여기서, X는 Cl, Br 또는 I임;
· 약 0.0% w/w 내지 0.1% w/w NH3를 포함하는 Si-포함 필름 형성 조성물;
· 약 0.0% w/w 내지 0.1% w/w NH4X를 포함하는 Si-포함 필름 형성 조성물로서, 여기서, X는 Cl, Br 또는 I임;
· 약 0.0% w/w 내지 0.1% w/w ROH를 포함하는 Si-포함 필름 형성 조성물로서, 여기서, R은 C1-C4 알킬기임;
· 약 0.0% w/w 내지 0.1% w/w NH2R을 포함하는 Si-포함 필름 형성 조성물로서, 여기서, R은 C1-C4 알킬기임;
· 약 0.0% w/w 내지 0.1% w/w NR2H를 포함하는 Si-포함 필름 형성 조성물로서, 여기서, R은 C1-C4 알킬기임;
· 약 0.0% w/w 내지 0.1% w/w HN=R을 포함하는 Si-포함 필름 형성 조성물로서, 여기서, R은 C1-C4 알킬기임;
· 약 0.0% w/w 내지 0.1% w/w 테트라하이드로푸란(THF)을 포함하는 Si-포함 필름 형성 조성물;
· 약 0.0% w/w 내지 0.1% w/w 에테르를 포함하는 Si-포함 필름 형성 조성물;
· 약 0.0% w/w 내지 0.1% w/w 펜탄을 포함하는 Si-포함 필름 형성 조성물;
· 약 0.0% w/w 내지 0.1% w/w 사이클로헥산을 포함하는 Si-포함 필름 형성 조성물;
· 약 0.0% w/w 내지 0.1% w/w 헵탄을 포함하는 Si-포함 필름 형성 조성물; 또는
· 약 0.0% w/w 내지 0.1% w/w 톨루엔을 포함하는 Si-포함 필름 형성 조성물.
본 발명은 또한, 투입관 및 배출관을 가진 캐니스터(canister)를 포함하며, 상기 개시된 Si-포함 필름 형성 조성물들 중 임의의 조성물을 포함하는 Si-포함 필름 형성 조성물 전달 디바이스를 개시한다. 개시된 디바이스는 하나 이상의 하기 양태들을 포함할 수 있다:
· 금속 오염물질의 총 농도가 10 ppmw 미만인 Si-포함 필름 형성 조성물;
· 투입관 말단의 말단이 Si-포함 필름 형성 조성물의 표면 위에 위치하고, 배출관의 말단이 Si-포함 필름 형성 조성물의 표면 아래에 위치함;
· 투입관 말단의 말단이 Si-포함 필름 형성 조성물의 표면 아래에 위치하고, 배출관의 말단이 Si-포함 필름 형성 조성물의 표면 위에 위치함;
· 투입구 및 배출구 상에 다이어프램 밸브(diaphragm valve)를 추가로 포함함;
· Si-포함 필름 형성 조성물이 (H3Si)2N-SiH2(NEt2)임;
· Si-포함 필름 형성 조성물이 (H3Si)2N-SiH2(NiPr2)임;
· Si-포함 필름 형성 조성물이 (H3Si)2N-SiH2Cl임; 및
· Si-포함 필름 형성 조성물이 (H3Si)2N-SiH2(N(SiMe3)2임.
본 발명은 또한, 기판 상에 Si-포함 층을 증착시키는 방법을 개시하고 있다. 상기 개시된 조성물은, 그 안에 증착된 기판을 가진 반응기 내에 도입된다. 모노-치환된 TSA 전구체 중 적어도 일부는 기상 증착 방법을 사용하여 기판 상에 증착되어, Si-포함 층을 형성한다. 개시된 방법은 하나 이상의 하기 양태들을 가질 수 있다:
· 제2 전구체를 포함하는 증기를 반응기 내에 도입함;
· 제2 전구체의 원소가 2족, 13족, 14족, 전이 금속, 란탄족 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택됨;
· 제2 전구체의 원소가 As, B, P, Si, Ge, Al, Zr, Hf, Ti, Nb, Ta 또는 란탄족으로부터 선택됨;
· 반응물을 반응기 내에 도입함;
· 반응물이 O2, O3, H2O, H2O2, NO, NO2, 카르복실산, 알코올, 다이올, 이들의 라디칼 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택됨;
· 반응물이 플라즈마 처리된 산소임;
· Si-포함 층이 실리콘 옥사이드-포함 층임;
· 반응물이 N2,H2, NH3, 하이드라진(예, N2H4, MeHNNH2, MeHNNHMe), 유기 아민(예, NMeH2, NEtH2, NMe2H, NEt2H, NMe3, NEt3, (SiMe3)2NH), 피라졸린, 피리딘, 다이아민(예, 에틸렌 다이아민), 이들의 라디칼 화학종 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택됨;
· 기상 증착 방법이 화학 기상 증착 공정임;
· 기상 증착 방법이 ALD 공정임;
· 기상 증착 방법이 공간 ALD 공정임;
· 기상 증착 공정이 유동성 CVD 공정임;
· 실리콘-포함 층이 Si임;
· 실리콘-포함 층이 SiO2임;
· 실리콘-포함 층이 SiN임;
· 실리콘-포함 층이 SiON임;
· 실리콘-포함 층이 SiOC임;
· 실리콘-포함 층이 SiOCN임;
· 실리콘-포함 층이 SiCN임;
· Si-포함 층을 열적 어닐링(thermal annealing)함;
· 반응성 분위기 하에 Si-포함 층을 열적 어닐링함;
· Si-포함 층을 UV 경화함; 및
· Si-포함 층을 전자 빔 경화함.
본 발명은 또한, 모노-치환된 TSA 전구체를 포함하는 증기를, 기판을 포함하는 반응기 내에 도입하여, 기판 상에 실리콘-포함 층을 형성하는 단계; 산화제를 반응기 내에 도입함으로써, 산화제를 실리콘-포함 층과 반응시켜, 산화된 실리콘-포함 층을 형성하는 단계; 모노-치환된 TSA 전구체를 반응기 내에 도입함으로써, 모노-치환된 TSA 전구체를 산화된 실리콘-포함 층과 반응시켜, 실리콘-풍부 산화된 실리콘-포함 층을 형성하는 단계; 및 질소-포함 반응물을 반응기 내에 도입함으로써, 질소-포함 반응물을 실리콘-포함 층과 반응시켜, 질소-도핑된 실리콘 옥사이드 필름을 형성하는 단계를 포함하는 공정에 의해 형성되는, 질소-도핑된 실리콘 옥사이드 필름을 개시한다. 모노-치환된 TSA 전구체는 식 (SiH3)2N-SiH2-X를 가지며, 여기서, X는 Cl, Br 또는 I로부터 선택되는 할로겐 원자; 이소시아나토기 [-NCO]; 아미노기 [-NR1R2]; N-포함 C4-C10 포화 또는 불포화 헤테로사이클; 또는 알콕시기 [-O-R]로부터 선택되며; R1, R2 및 R은 각각 H; C1-C6 선형 또는 분지형, 포화 또는 불포화 하이드로카르빌기; 또는 실릴기 SiR'3로부터 선택되며, R'는 각각 독립적으로 H; Cl, Br 또는 I로부터 선택되는 할로겐 원자; C1-C4 포화 또는 불포화 하이드로카르빌기; C1-C4 포화 또는 불포화 알콕시기; 또는 아미노기 -NR3R4로부터 선택되며, R3 및 R4는 H 또는 C1-C6 선형 또는 분지형, 포화 또는 불포화 하이드로카르빌기로부터 선택되며, 단, R1이 H인 경우, R2는 H 또는 Me가 아니다. 개시된 질소-도핑된 실리콘 옥사이드 필름을 제조하는 공정은 하나 이상의 하기 양태들을 포함할 수 있다:
· 각각의 도입 단계 사이에 반응기를 불활성 기체로 퍼징(purging)함;
· X가 할로겐 원자인 모노-치환된 TSA 전구체;
· 모노-치환된 TSA 전구체가 (SiH3)2N-SiH2-Cl임;
· 모노-치환된 TSA 전구체가 (SiH3)2N-SiH2-Br임;
· 모노-치환된 TSA 전구체가 (SiH3)2N-SiH2-I임;
· X가 이소시아네이트 -NCO인 모노-치환된 TSA 전구체(즉, (SiH3)2N-SiH2-NCO임);
· X가 아미노기 [-NR1R2]인 모노-치환된 TSA 전구체;
· 모노-치환된 TSA 전구체가 (SiH3)2N-SiH2-NiPr2임;
· 모노-치환된 TSA 전구체가 (SiH3)2N-SiH2-NHiPr임;
· 모노-치환된 TSA 전구체가 (SiH3)2N-SiH2-NHtBu임;
· 모노-치환된 TSA 전구체가 (SiH3)2-N-SiH2-N(SiH3)(SiH2(NHEt))가 아님(즉, X가 NR1R2이며, R1이 SiH3이고, R2가 NHEt일 때);
· 모노-치환된 TSA 전구체가 (SiH3)2N-SiH2-NEt2임;
· 모노-치환된 TSA 전구체가 (SiH3)2N-SiH2 NEtMe임;
· 모노-치환된 TSA 전구체가 (SiH3)2N-SiH2 NMe2임;
· 모노-치환된 TSA 전구체가 (SiH3)2N-SiH2 NMeiPr임;
· 모노-치환된 TSA 전구체가 (SiH3)2N-SiH2 NEtiPr임;
· X가 -N(SiR3)2이며, R이 각각 독립적으로 할로겐, H 또는 C1-C4 알킬기로부터 선택되는, 모노-치환된 TSA 전구체;
· 모노-치환된 TSA 전구체가 (SiH3)2N-SiH2-N(SiCl3)2임;
· 모노-치환된 TSA 전구체가 (SiH3)2N-SiH2-N(SiBr3)2임;
· 모노-치환된 TSA 전구체가 (SiH3)2N-SiH2-N(SiI3)2임;
· 모노-치환된 TSA 전구체가 (SiH3)2N-SiH2-N(SiH3)2임;
· 모노-치환된 TSA 전구체가 (SiH3)2-N-SiH2-N(SiH3)(SiH2Cl)임;
· 모노-치환된 TSA 전구체가 (SiH3)2-N-SiH2-N(SiH3)(SiH2(NEt2)임;
· 모노-치환된 TSA 전구체가 (SiH3)2-N-SiH2-N(SiH3)(SiH2(NiPr2)임;
· 모노-치환된 TSA 전구체가 (SiH3)2-N-SiH2-N(SiH3)(SiH2(NHtBu)임;
· 모노-치환된 TSA 전구체가 (SiH3)2-N-SiH2-N(SiH3)(SiH2OEt)임;
· 모노-치환된 TSA 전구체가 (SiH3)2-N-SiH2-N(SiH3)(SiH2OiPr)임;
· 모노-치환된 TSA 전구체가 (SiH3)2N-SiH2-N(SiMe3)2임;
· 모노-치환된 TSA 전구체가 (SiH3)2N-SiH2-NH(SiMe3)임;
· 모노-치환된 TSA 전구체가 (SiH3)2N-SiH2-N(SiEt3)2임;
· 모노-치환된 TSA 전구체가 (SiH3)2-N-SiH2-N(SiMe2Et)2임;
· 모노-치환된 TSA 전구체가 (SiH3)2-N-SiH2-N(SiMe2iPr)2임;
· 모노-치환된 TSA 전구체가 (SiH3)2-N-SiH2-N(SiMe2nPr)2임;
· X가 N-포함 C4-C10 헤테로사이클인 모노-치환된 TSA 전구체;
· N-포함 C4-C10 헤테로사이클이 피롤리딘, 피롤 및 피페리딘으로부터 선택되는, 모노-치환된 TSA 전구체;
· 모노-치환된 TSA 전구체가 (SiH3)2N-SiH2-(피롤리딘)임;
· 모노-치환된 TSA 전구체가 (SiH3)2N-SiH2-(피롤)임;
· 모노-치환된 TSA 전구체가 (SiH3)2N-SiH2-(피페리딘)임;
· X가 알콕시기 [-O-R]인 모노-치환된 TSA 전구체;
· 모노-치환된 TSA 전구체가 (SiH3)2N-SiH2-(OH)임;
· 모노-치환된 TSA 전구체가 (SiH3)2N-SiH2-(OMe)임;
· 모노-치환된 TSA 전구체가 (SiH3)2N-SiH2-(OEt)임;
· 모노-치환된 TSA 전구체가 (SiH3)2N-SiH2-(OiPr)임;
· 모노-치환된 TSA 전구체가 (SiH3)2N-SiH2-(OnPr)임;
· 모노-치환된 TSA 전구체가 (SiH3)2N-SiH2-(OtBu)임;
· X가 -O-SiR3이고, R이 각각 독립적으로 H, 할로겐 또는 C1-C4 하이드로카르빌기로부터 선택되는, 모노-치환된 TSA 전구체;
· 모노-치환된 TSA 전구체가 (SiH3)2N-SiH2-(OSiH3)임;
· 모노-치환된 TSA 전구체가 (SiH3)2N-SiH2-(OSiCl3)임;
· 모노-치환된 TSA 전구체가 (SiH3)2N-SiH2-(OSiBr3)임;
· 모노-치환된 TSA 전구체가 (SiH3)2N-SiH2-(OSiI3)임;
· 모노-치환된 TSA 전구체가 (SiH3)2N-SiH2-(OSiMe3)임;
· 반응물이 O2, O3, H2O, H2O2, NO, NO2, 카르복실산, 알코올, 다이올, 이들의 라디칼 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택됨; 및
· 반응물이 N2,H2, NH3, 하이드라진(예, N2H4, MeHNNH2, MeHNNHMe), 유기 아민(예, NMeH2, NEtH2, NMe2H, NEt2H, NMe3, NEt3, (SiMe3)2NH), 피라졸린, 피리딘, 다이아민(예, 에틸렌 다이아민), 이들의 라디칼 화학종 및 이들의 혼합물으로 이루어진 군으로부터 선택됨.
본 발명은 또한, 실리콘-포함 및 질소-포함 필름의 형성 방법을 개시한다. 실리콘-포함 및 질소-포함 필름은, 상기 개시된 모노-치환된 TSA 전구체들 중 임의의 전구체의 증기 및 질소-포함 반응물을, 기판을 포함하는 반응기 내에 도입함으로써, 기판 상에 증착된다. 개시된 공정은 하나 이상의 하기 양태들을 포함할 수 있다:
· 모노-치환된 TSA 전구체는 (SiH3)2N-SiH2-Cl임;
· 모노-치환된 TSA 전구체는 (SiH3)2N-SiH2-Br임;
· 모노-치환된 TSA 전구체는 (SiH3)2N-SiH2-I임;
· 모노-치환된 TSA 전구체는 (SiH3)2N-SiH2-NMe2임;
· 모노-치환된 TSA 전구체는 (SiH3)2N-SiH2-NMeEt임;
· 모노-치환된 TSA 전구체는 (SiH3)2N-SiH2-NEt2임;
· 모노-치환된 TSA 전구체는 (SiH3)2N-SiH2-NiPr2임;
· 모노-치환된 TSA 전구체는 (SiH3)2N-SiH2-NHiPr임;
· 모노-치환된 TSA 전구체는 (SiH3)2N-SiH2-NMeiPr임;
· 모노-치환된 TSA 전구체는 (SiH3)2N-SiH2-NEtiPr임;
· 모노-치환된 TSA 전구체는 (SiH3)2N-SiH2-NHtBu임;
· 모노-치환된 TSA 전구체는 (SiH3)2N-SiH2-N(SiCl3)2임;
· 모노-치환된 TSA 전구체는 (SiH3)2N-SiH2-N(SiBr3)2임;
· 모노-치환된 TSA 전구체는 (SiH3)2N-SiH2-N(SiI3)2임;
· 모노-치환된 TSA 전구체는 (SiH3)2N-SiH2-N(SiH3)2임;
· 모노-치환된 TSA 전구체는 (SiH3)2-N-SiH2-N(SiH3)(SiH2Cl)임;
· 모노-치환된 TSA 전구체는 (SiH3)2-N-SiH2-N(SiH3)(SiH2(NEt2)임;
· 모노-치환된 TSA 전구체는 (SiH3)2-N-SiH2-N(Si00483)(SiH2(NiPr2)임;
· 모노-치환된 TSA 전구체는 (SiH3)2-N-SiH2-N(SiH3)(SiH2(NHtBu)임;
· 모노-치환된 TSA 전구체는 (SiH3)2-N-SiH2-N(SiH3)(SiH2OEt)임;
· 모노-치환된 TSA 전구체는 (SiH3)2-N-SiH2-N(SiH3)(SiH2OiPr)임;
· 모노-치환된 TSA 전구체는 (SiH3)2N-SiH2-N(SiMe3)2임;
· 모노-치환된 TSA 전구체는 (SiH3)2N-SiH2-NH(SiMe3)임;
· 모노-치환된 TSA 전구체는 (SiH3)2N-SiH2-N(SiEt3)2임;
· 모노-치환된 TSA 전구체는 (SiH3)2-N-SiH2-N(SiMe2Et)2임;
· 모노-치환된 TSA 전구체는 (SiH3)2-N-SiH2-N(SiMe2iPr)2임;
· 모노-치환된 TSA 전구체는 (SiH3)2-N-SiH2-N(SiMe2nPr)2임;
· 질소-포함 반응물은 암모니아, N2, N 원자, N 라디칼, N 이온, 포화 또는 불포화 하이드라진, 아민, 다이아민, 에탄올아민 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택됨;
· 질소-포함 반응물은 암모니아임;
· 질소-포함 반응물은 플라즈마 N2임; 및
· 실리콘-포함 및 질소-포함 필름은 실리콘 니트라이드임.
본 발명은 ALD 실리콘 니트라이드 필름 형성 방법을 개시한다. 열적으로 성장된(thermally grown) 실리콘 옥사이드로 정상화된 0.1% w/w HF로부터 에칭률을 약 0.7 내지 약 3.5로 가진 실리콘 니트라이드 필름은, 모노-치환된 TSA 전구체의 증기 및 질소-포함 반응물을, 기판을 포함하는 반응기 내에 순차적으로 도입함으로써, 기판 상에 증착되며, 모노-치환된 TSA 전구체는 식 (SiH3)2N-SiH2-X를 가지며, 상기 식에서, X는 할로겐 원자이다. 개시된 공정은 하나 이상의 하기 양태들을 포함할 수 있다:
· 모노-치환된 TSA 전구체는 (SiH3)2N-SiH2-Cl임;
· 모노-치환된 TSA 전구체는 (SiH3)2N-SiH2-Br임;
· 모노-치환된 TSA 전구체는 (SiH3)2N-SiH2-I임;
· 질소-포함 반응물은 암모니아, N2, N 원자, N 라디칼, N 이온, 포화 또는 불포화 하이드라진, 아민, 다이아민, 에탄올아민 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택됨;
· 질소-포함 반응물은 암모니아임; 및
· 질소-포함 반응물은 플라즈마 N2임.
표기법 및 명명법
특정한 약어, 기호 및 용어들은 하기 상세한 설명 및 청구항 전체에 사용되며, 하기를 포함한다:
본원에 사용되는 바와 같이, 부정 관사("a" 또는 "an")는 하나 또는 하나 초과를 의미한다.
본원에 사용되는 바와 같이, 용어 "대략" 또는 "약"은 언급된 값의 ±10%를 의미한다.
본원에 사용되는 바와 같이, 용어 "독립적으로"가 R 기를 설명하는 문맥에서 사용되는 경우, 이는 주어 R 기가, 동일하거나 상이한 아래첨자 또는 위첨자를 가진 다른 R 기들에 대해 독립적으로 선택될 뿐만 아니라, 해당하는 동일한 R 기의 임의의 부가적인 화학종에 대해 독립적으로 선택됨을 나타내는 것으로 이해해야 한다. 예를 들어, x가 2 또는 3인 식 MR1x (NR2R3)(4-x)에서, 2개 또는 3개의 R1 기는 서로 동일하거나 R2 또는 R3와 동일할 수 있으나, 그럴 필요는 없다. 나아가, 구체적으로 다르게 언급되지 않는 한, R 기들의 값들은 상이한 식들에서 사용되는 경우, 서로 독립적임을 이해해야 한다.
본원에 사용되는 바와 같이, 용어 "하이드로카르빌"은 수소 원자 및 탄소 원자만 독점적으로 포함하는 관능기를 의미한다. 관능기는 포화(오로지 단일 결합들만 포함함) 또는 불포화(이중 결합 또는 삼중 결합을 포함함)될 수 있다.
본원에 사용되는 바와 같이, 용어 "알킬기"는 탄소 원자 및 수소 원자를 독점적으로 포함하는 포화된 하이드로카르빌 관능기를 지칭한다. 나아가, 용어 "알킬기"는 선형, 분지형 또는 환형 알킬기를 지칭한다. 선형 알킬기의 예로는, 제한 없이, 메틸기, 에틸기, n-프로필기, n-부틸기 등을 포함한다. 분지형 알킬기의 예로는, 제한 없이, 이소-프로필, t-부틸을 포함한다. 환형 알킬기의 예로는, 제한 없이, 사이클로프로필기, 사이클로펜틸기, 사이클로헥실기 등을 포함한다.
본원에 사용되는 바와 같이, 용어 "아릴"은, 하나의 수소 원자가 고리로부터 제거된 방향족 고리 화합물을 지칭한다. 본원에 사용되는 바와 같이, 용어 "헤테로사이클"은, 적어도 2개의 상이한 원소들의 원자를 이의 고리의 구성원(member)으로서 가진 환형 화합물을 지칭한다.
본원에 사용되는 바와 같이, 약어 "Me"는 메틸기를 지칭하며; 약어 "Et"는 에틸기를 지칭하며; 약어 "Pr"은 임의의 프로필기(즉, n-프로필 or 이소프로필)를 지칭하며; 약어 "iPr"은 이소프로필기를 지칭하며; 약어 "Bu"는 임의의 부틸기(n-부틸, 이소-부틸, t-부틸, sec-부틸)를 지칭하며; 약어 "tBu"는 tert-부틸기를 지칭하며; 약어 "sBu"는 sec-부틸기를 지칭하며; 약어 "iBu"는 이소-부틸기를 지칭하며; 약어 "Ph"는 페닐기를 지칭하며; 약어 "Am"은 임의의 아밀기(이소-아밀, sec-아밀, tert-아밀)를 지칭하며; 약어 "Cy"는 환형 알킬기(사이클로부틸, 사이클로펜틸, 사이클로헥실 등)를 지칭하고; 약어 "Ramd"는 R-N-C(Me)-N-R 아미디네이트 리간드를 지칭하며, R은 알킬기(예, iPramd는 iPr-N-C(Me)-N-iPr임)이다.
본원에 사용되는 바와 같이, 두문자어 "SRO"는 스트론튬 루테늄 옥사이드 필름을 나타내며; 두문자어 "HCDS"는 헥사클로로다이실란을 나타내며; 두문자어 "PCDS"는 펜타클로로다이실란을 나타내며; 두문자어 "OCTS"는 n-옥틸트리메톡시실란을 나타내며; 두문자어 "TSA"는 트리실릴아민 또는 N(SiH3)3를 나타내며; 두문자어 "DSA"는 다이실릴아민 또는 HN(SiH3)2를 나타내고; 두문자어 "PTFE"는 폴리테트라플루오로에틸렌을 나타낸다.
본원에 사용되는 바와 같이, 두문자어 "LCD-TFT"는 액정 디스플레이-박막 트랜지스터를 나타내며; 두문자어 "MIM"은 금속-절연체-금속을 나타내며; 두문자어 "DRAM"은 동적 랜덤-억세스 메모리(dynamic random-access memory)를 나타내며; 두문자어 "FeRAM"은 페로일렉트릭 랜덤-억세스 메모리(Ferroelectric random-access memory)를 나타내며; 두문자어 "OLED"는 유기 발광 다이오드를 나타내며; 두문자어 "sccm"은 표준 입방 센티미터를 나타내고; 두문자어 "GCMS"는 기체 크로마토그래피-질량 분석법을 나타낸다.
본원에 사용되는 바와 같이, 용어 "순차적인" 또는 "순차적으로"는, 연속적이거나 하나 다음에 다른 것이 후속됨을 의미한다. 방법 청구항을 참조로, 용어 "순차적으로"는, 반복적으로 전구체와 기판을 반응시켜, 반응된 층을 형성한 후, 반응물을 반응된 층과 반응시키는 원자층 증착 공정을 지칭한다. 이는, 전구체 다음에 반응물을 개별적으로 및 순차적으로 주입하거나, 기판을 아래에서 회전시키거나 샤워헤드를 위에서 회전시킴으로써, 기판의 일부가 순차적으로 전구체와 접촉된 다음, (순차적으로) 반응물과 접촉됨으로써 달성될 수 있다.
원소 주기율표의 원소들의 표준 약어가 본원에 사용된다. 원소들은 이들 약어로 지칭될 수 있음을 이해해야 한다(예, Si는 실리콘를 나타내며, N은 질소를 나타내며, O는 산소를 나타내고, C는 탄소를 나타내는 등).
실리콘 옥사이드와 같은 증착된 필름 또는 층은 이들의 적절한 화학양론(즉, SiO2)을 참조로 하지 않은 채 명세서 및 청구항 전체에 열거되어 있음을 주지한다. 층은 순수한(Si) 층, 실리사이드(MoSip) 층, 카바이드(SioCp) 층, 니트라이드(SikNl) 층, 옥사이드(SinOm) 층 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있으며; 여기서, M은 원소이고, k, l, m, n, o 및 p는 포함적으로 1 내지 6의 범위이다. 예를 들어, 코발트 실리사이드는 CokSil이며, 여기서, k 및 l은 각각 0.5 내지 5의 범위이다. 유사하게는, 임의의 참조된 층은 또한, 실리콘 옥사이드 층, SinOm을 포함할 수 있으며, 여기서, n은 0.5 내지 1.5의 범위이고, m은 1.5 내지 3.5의 범위이다. 보다 바람직하게는, 실리콘 옥사이드 층은 SiO2 또는 SiO3이다. 실리콘 옥사이드 층은 실리콘 옥사이드-기재 유전 물질, 예컨대 유기-기재 저(low)-k 유전 물질 또는 실리콘 옥사이드-기재 저-k 유전 물질, 예컨대 Applied Materials, Inc.사의 Black Diamond II 또는 III 물질일 수 있다. 대안적으로, 임의의 참조된 실리콘-포함 층은 순수한 실리콘일 수 있다. 임의의 실리콘-포함 층은 또한, 도판트, 예컨대 B, C, P, As 및/또는 Ge를 포함할 수 있다.
본원에 인용된 임의의 범위 및 모든 범위들은, 용어 "포함적으로"가 사용되는지의 여부와는 상관없이, 이들의 종점을 포함한다(즉, x=1 내지 4라는 것은, x=1, x=4 및 x=1과 4 사이의 임의의 수를 포함함).
본 발명의 성질 및 목적을 더 이해하기 위해, 첨부된 도면과 함께 하기 상세한 설명을 참조해야 한다:
도 1은 Si-포함 필름 형성 조성물 전달 디바이스(1)의 일 실시형태의 측면도이며;
도 2는 Si-포함 필름 형성 조성물 전달 디바이스(1)의 제2 실시형태의 측면도이며;
도 3은 실시예 4 내지 실시예 6에서 증착을 수행하는 데 사용된 Picosun R200 PEALD 8" 증착 툴의 다이어그램이며;
도 4는 전구체 (SiH3)2N-SiH2-NiPr2 (TSA-NiPr2)를 사용하여 전구체 펄스의 수의 함수로서, 실리콘 옥사이드 필름의 ALD 성장 속도의 그래프이며;
도 5는 전구체 TSA-NiPr2를 사용하여 온도의 함수로서, 실리콘 옥사이드 박막의 ALD 성장 속도의 그래프이며;
도 6은 전구체 (SiH3)2N-SiH2-N(SiH3)2를 사용하여 전구체 펄스의 수 및 온도의 함수로서, 실리콘 옥사이드 필름의 ALD 성장 속도의 그래프이며;
도 7은 전구체 (SiH3)2N-SiH2-NEt2 (TSA-NEt2)를 사용하여 전구체 펄스의 수의 함수로서, 실리콘 옥사이드 필름의 ALD 성장 속도의 그래프이며;
도 8은 전구체 (SiH3)2N-SiH2-Cl (TSA-Cl)을 사용하여 기판 온도의 함수로서, 실리콘 옥사이드 필름의 ALD 성장 속도의 그래프이며;
도 9는 1 torr, 550℃ 및 전구체 : NH3 비율 1:20에서 TSA-Cl 및 NH3를 사용하여 열적 저 증기압 CVD에 의해 증착된 필름의 필름 조성을 보여주는 X-선 광전자 분광학(XPS) 그래프이다. Cl은 분석기의 검출 한계 미만(약 1% 미만)이었다. 증착 속도는 10 Ang/min이었으며, 수득된 필름의 굴절률은 2.1이었다. 비교를 위해, TSA를 가진 동일한 조건에서 수득된 필름은 2.2의 RI(실리콘 풍부) 및 유사한 증착 속도를 가졌으며;
도 10은 열적으로 성장된 실리콘 옥사이드(Th-Ox)에 대해 정상화된 25 W 플라즈마 및 100 W 플라즈마를 사용하여 증착된 실리콘 옥사이드 필름의 비교 습식 에칭률을 나타내는 그래프이며;
도 11a 및 도 11b는 250℃에서 TSA-Cl / N2 플라즈마와 함께 PE-ALD에 의해 수득된 SiN 필름을 보여주는 주사 전자 현미경(SEM)이며, 이는, 5:1의 높은 형상비 구조에서 높은 단계 커버리지(step coverage)를 가리킨다. 사진들은 트렌치 구조의 상부 및 중간부/하부에서 촬영된 것이며;
도 12a 및 도 12b는 100℃에서, 1분 당 60 사이클에서 TSA-NiPr2 / O2 플라즈마와 함께 공간 ALD에 의해 수득된 실리콘 옥사이드 필름을 보여주는 SEM 이미지이며, 이는, 22:1의 높은 형상비 구조에서 완벽한 단계 커버리지를 가리킨다. 대비 증강을 위해, 또렷한(clear) 기저 Ta2O5 층이 첨가되었다. 사진들은 트렌치 구조(trench structure)의 상부 및 하부에서 촬영된 것이고;
도 13a 및 도 13b는 열적 스크리닝 유닛에서 각각 TSA-NiPr2 및 TSA-NEt2 [(H3Si)2-N-SiH2-NEt2]의 열적 안정성을 보여주는 그래프이다. 이러한 측정에서, 밀봉된 검체의 압력은 설정 온도(여기서는 65℃)에서 24시간 동안 지속적으로 측정된다. 유의한 압력 변화의 부재(lack)는 생성물 안정성을 가리킨다. 관찰된 P 진동(P oscillation)은 여기서 유의미하지 않으며, 최소 T 변량과 연관이 있다.
본 발명은 Si-C 결합 무포함 백본, 및 높은 표면 반응성을 가능하게 하기 위해 화학적으로 관능화된 단일 부위를 가진 모노-치환된 TSA 전구체를 포함하는 Si-포함 필름 형성 조성물을 개시한다. 직접 Si-C 결합을 갖지 않으면서 1 초과, 바람직하게는 2 초과의 실리콘 원자 수를 가지고 극성 분자인 모노-치환된 TSA 전구체는 신속한 증착 속도를 가능하게 하기 위해, 기판 표면에 대해 증강된 반응성을 가질 수 있다. 모노-치환된 TSA 전구체는 일반식:
(SiH3)2N-SiH2-X
를 가지며, 상기 일반식에서, X는 Cl, Br 또는 I로부터 선택되는 할로겐 원자; 이소시아나토기 [-NCO]; 아미노기 [-NR1R2]; N-포함 C4-C10 포화 또는 불포화 헤테로사이클; 또는 알콕시기 -O-R로부터 선택되며; R1, R2 및 R은 독립적으로 H; 실릴기 [-SiR'3]; 또는 C1-C6 선형 또는 분지형, 포화 또는 불포화 하이드로카르빌기로부터 선택되며; R'는 각각 독립적으로 H; Cl, Br 또는 I로부터 선택되는 할로겐 원자; C1-C4 포화 또는 불포화 하이드로카르빌기; C1-C4 포화 또는 불포화 알콕시기; 또는 아미노기 [-NR3R4]로부터 선택되며; R3 및 R4는 각각 독립적으로 H 또는 C1-C6 선형 또는 분지형, 포화 또는 불포화 하이드로카르빌기로부터 선택되며; 단, R1이 H인 경우, R2는 H, Me 또는 Et이 아니다. C1-C6 선형 또는 분지형, 포화 또는 불포화 하이드로카르빌기는 아민 또는 에테르를 포함할 수 있다. 대안적으로, R1 및 R2는 독립적으로 Me, Et, iPr, nPr, tBu, nBu 및 secBu로부터 선택될 수 있다.
출원인은, 모노-치환된 TSA 전구체가 탄소를 거의 포함하지 않거나 전혀 포함하지 않기 때문에, 개시된 Si-포함 필름 형성 조성물이 특히 유동성 CVD 공정에 양호하게 적합하다고 여긴다. 부가적으로는, 모노-치환된 TSA 전구체는 TSA보다 더 낮은 증기압을 가지며, 그 결과, 보다 용이하게 축합될 수 있고 더 높은 증착 속도를 제공할 수 있다. 마지막으로, 모노-치환된 TSA 구조는 유동성 공정 동안에 형성된 올리고머의 구조와 근접하다.
개시된 모노-치환된 TSA 전구체는 각각의 Si 원자에 직접 결합된 2개 또는 3개의 수소 원자를 포함한다. 이들 Si-H 결합은 전구체의 휘발성을 증가시키는 데 일조하며, 이는 기상 증착 공정에 중요하다.
X가 할라이드인 경우, 예시적인 Si-포함 필름 형성 조성물은 (SiH3)2-N-SiH2Cl, (SiH3)2-N-SiH2Br 또는 (SiH3)2-N-SiH2I를 포함한다. 할라이드는 이의 높은 반응성으로 알려져 있다. 출원인은, 개시된 모노-치환된 TSA 전구체 상의 할라이드가 비-할로겐화된 유사체와 비교하여 휘발성 및 증착 속도를 개선하는 데 일조할 수 있다고 여긴다. 이들 조성물은 반응: SnX4 + N(SiH3)3 → N(SiH3)2(SiH2X) + SnX2↓ + HX에 따라 합성될 수 있으며, 상기 반응에서, X는 Cl, Br 또는 I이다(문헌[J. Chem. Soc . Dalton Trans. 1975, p.1624] 참조). 대안적으로, 다이할로실란[SiH2X2, 여기서, X는 Cl, Br 또는 I임] 및 모노할로실란[SiH3X, 여기서, X는 Cl, Br 또는 I임]은 Miller에 의해 미국 특허 US 8,669,387에 기술된 바와 같이, 기체상에서, 1/20 내지 1/4의 비율에서, 실온에서, 통과 유동 관형 반응기(flow-through tubular reactor)에서 400 sccm의 NH3와 함께 지속적으로 도입될 수 있다. NH3와 2 당량의 모노할로실란의 반응에 의해, 대체로 다이실릴아민(DSA)이 생성된다. 그런 다음, DSA는 다이할로실란과 반응하여, (SiH3)2-N-SiH2X 및 HX를 형성하고, 여기서, X는 Cl, Br 또는 I이다. 당업자는, 반응이 1개 또는 2개의 단계들(우선, 모노할로실란 및 NH3로부터 DSA를 형성하고, 두번째로 다이할로실란을 첨가함) 또는 1개의 단계(1개의 단계에서 모노할로실란, 다이클로로실란 및 NH3를 조합함)에서 수행될 수 있음을 인지할 것이다.
X가 이소시아나토기[-NCO]인 경우, 예시적인 Si-포함 필름 형성 조성물은 (SiH3)2-N-SiH2(NCO)를 포함한다. 이러한 조성물은 문헌[Taniguchi et al. in Angewandte Communications, Angew. Chem. Int. Ed. 2013, 52, 1-5]에 개시된 방법에 따라 탈수소화 커플링(dehydrogenerative coupling)을 사용하여 합성될 수 있으며, 상기 문헌의 교시는 원용에 의해 본 명세서에 포함된다. 보다 특히, (SiH3)3N은 알루미나 상에 지지된 금 나노입자의 존재 하에 우레아(NH2CONH2)와 반응하여, (SiH3)2-N-SiH2(NCO)+H2를 형성할 수 있다.
X가 아미노기 [-NR1R2]인 경우, 예시적인 Si-포함 필름 형성 조성물은 (SiH3)2-N-SiH2(NMe2), (SiH3)2-N-SiH2(NMeEt), (SiH3)2-N-SiH2(NEt2), (SiH3)2-N-SiH2(NiPr2), (SiH3)2-N-SiH2(NHiPr), (SiH3)2-N-SiH2(NMeiPr), (SiH3)2-N-SiH2(NEtiPr), (SiH3)2-N-SiH2(NHtBu), (SiH3)2-N-SiH2[N(SiH3)2], (SiH3)2-N-SiH2[N(SiH3)(SiH2Cl)], (SiH3)2-N-SiH2[N(SiH3)(SiH2(NEt2))], (SiH3)2-N-SiH2[N(SiH3)(SiH2(NiPr2))], (SiH3)2-N-SiH2[N(SiH3)(SiH2(NHtBu))], (SiH3)2-N-SiH2[N(SiH3)(SiH2OEt)], (SiH3)2-N-SiH2[N(SiH3)(SiH2OiPr)], (SiH3)2-N-SiH2[N(SiMe3)2], (SiH3)2-N-SiH2[NH(SiMe3)], (SiH3)2-N-SiH2[N(SiEt3)2), (SiH3)2-N-SiH2[N(SiMe2Et)2), (SiH3)2-N-SiH2[N(SiMe2iPr)2), (SiH3)2-N-SiH2[N(tBu)(SiH3)), (SiH3)2-N-SiH2[N(SiMe2nPr)2), (SiH3)2N-SiH2 NEtMe, (SiH3)2N-SiH2 NMe2 , (SiH3)2N-SiH2 NMeiPr 또는 (SiH3)2N-SiH2 NEtiPr을 포함한다. 아미노기는 또한, 열적 안정성을 증가시키는 데 일조할 수 있다. 아미노기는 또한, N 원자 및 C 원자를 생성된 필름 내로 혼입하는 데 일조할 수 있으며, 이는 생성된 층을, 임의의 후속적인 에칭 공정에 대해 보다 저항성이 되도록 만들 수 있다.
R1 및 R2가 환형 질소-포함 헤테로사이클을 형성하는 경우, 출원인은, 생성된 헤테로사이클이, 모노-치환된 TSA 전구체로부터 쉽게 탈착될 수 있는 이탈기(leaving group)를 형성하여, 비환형 다이알킬 아미노기와 비교하여 생성된 필름의 탄소 오염을 적게 유도하는 것으로 여긴다.
당업자는, Si-H 결합에 의해 제공된 휘발성이 아미노기에 의해 제공된 열적 안정성과 균형을 이룬다는 것을 인지할 것이다. 출원인은, 적어도 (H3Si)2-N-SiH2-NEt2, (H3Si)2-N-SiH2-SiH2-NiPr2 및 (H3Si)2-N-SiH2-N(SiH3)2가 이들 경쟁적인 특징들을 성공적으로 균형을 이루어서, 이례적으로 우수한 기상 증착 전구체를 생성하는 것으로 여긴다. 하기 실시예에서 나타날 바와 같이, 생성된 Si-포함 필름의 품질은 선행 기술에서 개시된 것을 능가하여 개선된다.
아미노-치환된 Si-포함 필름 형성 조성물은 상기 개시된 할로-치환된 Si-포함 필름 형성 조성물과 유사하게 합성될 수 있다. 보다 특히, 200 sccm의 모노할로실란 및 50 sccm의 다이할로실란은 US 8,669,387에 기술된 바와 같이 기체상에서, 실온에서, 통과 유동 관형 반응기에서 400 sccm의 NH3와 함께 지속적으로 도입되어, 다양한 실릴아민 및 암모늄 할라이드로 이루어진 스트림을 형성할 수 있으며, 이로부터 (SiH3)2-N-SiH2[N(SiH3)2]가 당업자에 의해 쉽게 유도되는 방법, 예컨대 분별 증류 방법에 의해 단리될 수 있다.
보다 특히, (SiH3)2-N-SiH2[N(SiMe3)2]는 SiMe3-NH-SiMe3와 tBuLi의 반응 → (Me3Si)2NLi, 및 (Me3Si)2NLi와 (SiH3)2-N-SiH2-Cl의 반응 → (SiH3)2-N-SiH2-N(SiMe3)2 + LiCl)으로부터 합성될 수 있다.
유사하게는, (SiH3)2-N-SiH2-NH(SiMe3)는 SiMe3-NH-SiMe3 + (SiH3)2-N-SiH2-Cl → (SiH3)2-N-SiH2-NH-SiMe3 + Me3SiCl의 반응으로부터 합성될 수 있다.
(SiH3)2-N-SiH2-N(SiH3)(SiH2X)는 (SiH3)2-N-SiH2-N(SiH3)2와 SnX3의 반응으로부터 합성될 수 있으며, 여기서, X는 Cl, Br 또는 I이다(문헌[J. Chem . Soc . Dalton Trans. 1975, p. 1624] 참조). (SiH3)2-N-SiH2-N(SiH3)2의 추가의 치환은 반응 시간을 증가시키고/거나 화학양론을 조정함으로써 달성될 수 있다.
(SiH3)2-N-SiH2-N(SiH3)(SiH2(NEt2))는 (SiH3)2-N-SiH2-N(SiH3)(SiH2X)와 HNEt2의 반응으로부터 합성될 수 있다. (SiH3)2-N-SiH2-N(SiH3)(SiH2(NEt2))의 추가의 치환은 반응 시간을 증가시키고/거나 화학양론을 조정함으로써 달성될 수 있다.
(SiH3)2-N-SiH2-N(SiH3)(SiH2(NiPr2))는 (SiH3)2-N-SiH2-N(SiH3)(SiH2X)와 HNiPr2의 반응으로부터 합성될 수 있다. (SiH3)2-N-SiH2-N(SiH3)(SiH2(NiPr2))의 추가의 치환은 반응 시간을 증가시키고/거나 화학양론을 조정함으로써 달성될 수 있다.
(SiH3)2-N-SiH2-N(SiH3)(SiH2(NHtBu))는 (SiH3)2-N-SiH2-N(SiH3)(SiH2X)와 H2NtBu의 반응으로부터 합성될 수 있다. H2NEt를 사용한 유사한 반응은 낮은 수율의 (SiH3)2-N-SiH2-N(SiH3)(SiH2(NHEt))를 생성할 수 있음을 주지해야 한다.
(SiH3)2-N-SiH2-N(SiH3)(SiH2(OEt))는 NEt3 또는 피리딘과 같은 HCl 스캐빈저(scavenger)의 존재 하에 (SiH3)2-N-SiH2-N(SiH3)(SiH2X)와 에탄올(EtOH)의 반응으로부터 합성될 수 있다.
(SiH3)2-N-SiH2-N(SiH3)(SiH2(OiPr))은 NEt3 또는 피리딘과 같은 HCl 스캐빈저의 존재 하에 (SiH3)2-N-SiH2-N(SiH3)(SiH2X)와 이소프로판올(iPrOH)의 반응으로부터 합성될 수 있다.
X가 N-포함 C4-C10 포화 또는 불포화 헤테로사이클인 경우, 예시적인 Si-포함 필름 형성 조성물은 (SiH3)2-N-SiH2-피롤리딘, (SiH3)2-N-SiH2-피롤 또는 (SiH3)2-N-SiH2-피페리딘을 포함한다. 대안적으로, N-포함 C4-C10 포화 또는 불포화 헤테로사이클은 또한, P, B, As, Ge, 및/또는 Si와 같은 헤테로-원소를 포함할 수 있다.
X가 알콕시기인 경우, 예시적인 Si-포함 필름 형성 조성물은 (SiH3)2-N-SiH2(OEt), (SiH3)2-N-SiH2(OiPr), (SiH3)2N-SiH2-OSiMe3, (SiH3)2-N-SiH2-OSiMe2OEt 또는 (SiH3)2-N-SiH2-OSiHMe2를 포함한다.
N(SiH3)2(SiH2OEt)는 또한, Et3N 또는 피리딘과 같은 산 스캐빈저의 존재 하에 (SiH3)2-N-SiH2Cl 및 EtOH로부터 합성될 수 있다.
N(SiH3)3 + EtOH → N(SiH3)2(SiH2OEt).
바람직하게는, 개시된 Si-포함 필름 형성 조성물은 기상 증착 방법에 적합한 특성들, 예컨대 높은 증기압, 낮은 용융점(바람직하게는 실온에서 액체 형태임), 낮은 승화점, 및/또는 높은 열적 안정성을 가진다.
공정 신뢰성을 보장하기 위해, 개시된 Si-포함 필름 형성 조성물은 사용 전에 연속 회분 증류 또는 분획 회분 증류에 의해 약 95% w/w 내지 약 100% w/w의 범위, 바람직하게는 약 98% w/w 내지 약 100% w/w 범위의 순도까지 정제될 수 있다. 당업자는, 순도가 질량 분석법과 함께 H NMR 또는 기체 크로마토그래피 또는 액체 크로마토그래피에 의해 확인될 수 있음을 인지할 것이다. Si-포함 필름 형성 조성물은 하기 불순물들: 할라이드(X2), 트리실릴아민, 모노할로트리실릴아민, 다이할로트리실릴아민, SiH4, SiH3X, SnX2, SnX4, HX, NH3, NH3X, 모노클로로실란, 다이클로로실란, 알코올, 알킬아민, 다이알킬아민, 알킬이민, THF, 에테르, 펜탄, 사이클로헥산, 헵탄 또는 톨루엔 중 임의의 불순물을 포함할 수 있으며, 여기서, X는 Cl, Br 또는 I이다.　바람직하게는, 이들 불순물의 총 양은 0.1% w/w 미만이다. 정제된 조성물은 재결정, 승화, 증류에 의해 생성될 수 있고/거나 기체 또는 액체를 적합한 흡착제, 예컨대 4A 분자체 또는 탄소-기재 흡착제(예, 활성 탄소)에 통과시킴으로써 생성될 수 있다.
정제된 모노-치환된 TSA 전구체 조성물 중 각각의 용매(예, THF, 에테르, 펜탄, 사이클로헥산, 헵탄, 및/또는 톨루엔)의 농도는 약 0% w/w 내지 약 5% w/w, 바람직하게는 약 0% w/w 내지 약 0.1% w/w의 범위일 수 있다.　용매는 전구체 조성물의 합성에 사용될 수 있다. 전구체 조성물로부터 용매의 분리는, 둘 다 유사한 비점을 가지는 경우 어려울 수 있다. 혼합물의 냉각에 의해, 액체 용매 내에 고체 전구체가 생성될 수 있으며, 이는 여과에 의해 분리될 수 있다. 진공 증류 또한, 사용될 수 있으며, 단, 전구체 조성물은 이의 대략적인 분해점보다 높게 가열되지 않는다.
개시된 Si-포함 필름 형성 조성물은 이의 모노-, 듀얼- 또는 트리-, 유사체 또는 다른 반응 생성물들 중 임의의 물질을 5% v/v 미만, 바람직하게는 1% v/v 미만, 보다 바람직하게는 0.1% v/v 미만, 보다 더 바람직하게는 0.01% v/v 미만으로 포함한다. 이러한 실시형태는 보다 양호한 공정 반복성을 제공할 수 있다. 이러한 실시형태는 Si-포함 필름 형성 조성물의 증류에 의해 생성될 수 있다.
개시된 Si-포함 필름 형성 조성물의 정제는 또한, 미량 금속 및 메탈로이드의 농도를 약 0 ppbw 내지 약 500 ppbw, 보다 바람직하게는 약 0 ppbw 내지 약 100 ppbw의 범위로 제공할 수 있다. 이들 금속 또는 메탈로이드 불순물로는, 알루미늄(Al), 비소(As), 바륨(Ba), 베릴륨(Be), 비스무트(Bi), 카드뮴(Cd), 칼슘(Ca), 크롬(Cr), 코발트(Co), 구리(Cu), 갈륨(Ga), 게르마늄(Ge), 하프늄(Hf), 지르코늄(Zr), 인듐(In), 철(Fe), 납(Pb), 리튬(Li), 마그네슘(Mg), 망간(Mn), 텅스텐(W), 니켈(Ni), 칼륨(K), 나트륨(Na), 스트론튬(Sr), 토륨(Th), 주석(Sn), 티타늄(Ti), 우라늄(U), 바나듐(V) 및 아연(Zn)을 포함하지만, 이들로 한정되는 것은 아니다. 정제된 모노-치환된 TSA 전구체 조성물 내 X(여기서, X는 Cl, Br, I임)의 농도는 약 0 ppmw 내지 약 100 ppmw, 보다 바람직하게는 약 0 ppmw 내지 약 10 ppmw의 범위일 수 있다.
개시된 Si-포함 필름 형성 조성물은 개시된 Si-포함 필름 형성 조성물 전달 디바이스에 의해 반도체 가공 툴에 전달될 수 있다. 도 1 및 도 2는 개시된 전달 디바이스(1)의 2개의 실시 형태를 보여준다.
도 1은 Si-포함 필름 형성 조성물 전달 디바이스(1)의 하나의 실시형태의 측면도이다. 도 1에서, 개시된 Si-포함 필름 형성 조성물(10)은 2개의 도관인 투입관(30) 및 배출관(40)을 가진 용기(20) 내에 포함되어 있다. 선행 기술의 당업자는, 심지어 승온 및 승압에서도 기체 형태의 Si-포함 필름 형성 조성물(10)의 탈출을 방지하기 위해 용기(20), 투입관(30) 및 배출관(40)이 제작됨을 인지할 것이다.
적합한 밸브는 스프링-로딩된(spring-loaded) 다이어프램 밸브 또는 묶여진(tied) 다이어프램 밸브를 포함한다. 밸브는 제한 유량 오리피스(restrictive flow orifice; RFO)를 추가로 포함할 수 있다. 전달 디바이스는 기체 매니폴드(gas manifold) 및 인클로저(enclosure)에 연결되어야 한다. 기체 매니폴드는, 전달 디바이스가 대체되는 경우 임의의 잔여량의 발화성 물질이 반응하지 않도록 공기에 노출될 수 있는 파이프의 퍼징 및 안전한 배출을 허용해야 한다. 인클로저에는, SiH4와 같은 발화성 물질이 방출되는 경우, 화재를 제어하기 위해 센서 및 화재 제어 능력이 갖추어져야 한다. 기체 매니폴드에는 또한, 단리 밸브, 진공 발생기가 갖추어져야 하고, 퍼징 기체의 도입을 최소로 허용해야 한다.
전달 디바이스는 누설 밀봉(leak tight)되어야 하고, 심지어 미량의 물질도 탈출하지 못하게 하는 밸브를 갖추어야 한다.　전달 디바이스는 밸브(35 및 45)를 통해 반도체 가공 툴의 다른 구성성분들, 예컨대 상기 개시된 기체 캐비넷에 유동적으로 연결된다. 바람직하게는, 전달 디바이스(20), 투입관(30), 밸브(35), 배출관(40) 및 밸브(45)는 316L EP 또는 304 스테인레스 강으로 제작된다. 그러나, 당업자는, 다른 비-반응성 물질들도 본원의 교시에 사용될 수 있으며, 임의의 부식성 Si-포함 필름 형성 조성물(10)은 보다 내부식성인 물질, 예컨대 하스텔로이(Hastelloy) 또는 인코넬(Inconel)의 사용을 필요로 할 수 있음을 인지할 것이다.
도 1에서, 투입관(30)의 말단(31)은 Si-포함 필름 형성 조성물(10)의 표면 위에 위치하는 반면, 배출관(40)의 말단(41)은 Si-포함 필름 형성 조성물(10)의 표면 아래에 위치한다. 이러한 실시형태에서, Si-포함 필름 형성 조성물(10)은 바람직하게는 액체 형태이다. 비제한적으로 질소, 아르곤, 헬륨 및 이들의 혼합물을 포함하는 불활성 기체가 투입관(30) 내로 도입될 수 있다. 불활성 기체는 전달 디바이스(20)에 가압하여, 액체 Si-포함 필름 형성 조성물(10)은 강제로 배출관(40)을 통과하여 반도체 가공 툴(도시되지 않음)의 구성성분들로 간다. 반도체 가공 툴은, 복구되는 웨이퍼가 위치하고 처리가 증기상에서 발생하는 챔버에 증기를 전달하기 위해, 헬륨, 아르곤, 질소 또는 이들의 혼합물과 같은 담체 기체를 사용하거나 사용하지 않으면서 액체 Si-포함 필름 형성 조성물(10)을 증기로 변환시키는 증기화기를 포함할 수 있다. 대안적으로, 액체 Si-포함 필름 형성 조성물(10)은 제트 또는 에어로졸로서 웨이퍼 표면에 직접 전달될 수 있다.
도 2는 Si-포함 필름 형성 조성물 전달 디바이스(1)의 제2 실시형태의 측면도이다. 도 2에서, 투입관(30)의 말단(31)은 Si-포함 필름 형성 조성물(10)의 표면 아래에 위치하는 반면, 배출관(40)의 말단(41)은 Si-포함 필름 형성 조성물(10)의 표면 위에 위치한다. 도 2는 또한, 선택적인 가열 요소(25)를 포함하며, 이는 Si-포함 필름 형성 조성물(10)의 온도를 증가시킬 수 있다. Si-포함 필름 형성 조성물(10)은 고체 또는 액체 형태일 수 있다. 비제한적으로 질소, 아르곤, 헬륨 및 이들의 혼합물을 포함하는 불활성 기체가 투입관(30) 내로 도입될 수 있다. 불활성 기체는 Si-포함 필름 형성 조성물(10)을 통해 유동하고, 불활성 기체와 증기화된 Si-포함 필름 형성 조성물(10)의 혼합물을 배출관(40) 및 반도체 가공 툴의 구성성분에 옮긴다.
도 1 및 도 2는 둘 다 밸브(35 및 45)를 포함한다. 당업자는, 밸브(35 및 45)가 각각 도관(30 및 40)을 통해 유동하도록 개방된 위치 또는 폐쇄된 위치에서 위치될 수 있음을 인지할 것이다. Si-포함 필름 형성 조성물(10)이 증기 형태인 경우, 또는 충분한 증기압이 고체상/액체상 위에 존재하는 경우, 도 1 및 도 2의 전달 디바이스(1), 또는 존재하는 임의의 고체 또는 액체의 표면 위에서 종결하는 단일 도관을 가진 보다 간단한 전달 디바이스가 사용될 수 있다. 이러한 경우, Si-포함 필름 형성 조성물(10)은 각각 도 1의 밸브(35) 또는 도 2의 밸브(45)를 개방함으로써, 도관(30 또는 40)을 통해 증기 형태로 전달된다. 전달 디바이스(1)는, 예를 들어 선택적인 가열 요소(25)를 사용함으로써, Si-포함 필름 형성 조성물(10)이 증기 형태로 전달되기에 충분한 증기압을 제공하기 위해 적합한 온도에서 유지될 수 있다.
도 1 및 도 2가 Si-포함 필름 형성 조성물 전달 디바이스(1)의 2개의 실시형태를 개시하고 있는 한편, 당업자는, 투입관(30) 및 배출관(40)이 둘 다 본원 개시내용으로부터 벗어나지 않으면서 Si-포함 필름 형성 조성물(10)의 표면 위 또는 표면 아래에 위치할 수 있음을 인지할 것이다. 더욱이, 투입관(30)은 충전 포트일 수 있다. 마지막으로, 당업자는, 개시된 Si-포함 필름 형성 조성물이 본원 교시로부터 벗어나지 않으면서 Jurcik 등의 WO 2006/059187에 개시된 앰플과 같은 다른 전달 디바이스를 사용하여 반도체 가공 툴에 전달될 수 있음을 인지할 것이다.
개시된 Si-포함 필름 형성 조성물은 다양한 ALD 공정 또는 CVD 공정에 의해 Si-포함 필름의 증착에 적합할 수 있고, 하기 이점들을 가질 수 있다:
· 실온에서 액체이거나 50℃보다 낮은 용융점을 가진 액체;
· 입자 발생 없이 적절한 분포(기체상 또는 직접 액체 주입)가 가능하도록 열적으로 안정함; 및/또는
· 광범위한 자가-제한된 ALD 윈도우를 허용하여, 다양한 Si-포함 필름들의 증착을 가능하게 하는, 기판과의 적합한 반응성.
실리콘 니트라이드 및 실리콘 옥사이드-포함 필름(SiOxNy로 지칭됨)은 N2, H2, NH3, O2, H2O, H2O2, O3, NO, NO2, N2O, 카르복실산, 알코올, 다이올, 하이드라진(예, N2H4, MeHNNH2, MeHNNHMe), 유기 아민(예, NMeH2, NEtH2, NMe2H, NEt2H, NMe3, NEt3, (SiMe3)2NH), 피라졸린, 피리딘, 다이아민(예, 에틸렌 다이아민), 이들의 조합 및 이들의 플라즈마 생성물로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나의 반응물 또는 반응물들의 조합을 사용하여 CVD 또는 ALD에 의해 증착될 수 있다.
3원 필름 또는 4원 필름은 As, B, P, Ga, Ge, Sn, Sb, Al, In으로부터 선택되는 원소를 포함하는 하나 또는 몇몇의 다른 전구체, 또는 전이 금속 전구체, 및 가능하게는 상기 열거된 하나 이상의 반응물과 함께 Si-포함 필름 형성 조성물을 사용하여 증착될 수 있다. 개시된 Si-포함 필름 형성 조성물과 함께 사용될 수 있는 전형적인 전구체는 하기의 패밀리들로부터 선택된다:
· 금속 할라이드(예, TiCl4, TiI4, TaCl5, HfCl4, ZrCl4, AlCl3, NbF5 등);
· 알킬(Al, Ge, Ga, In, Sb, Sn, Zn), 예컨대 트리메틸알루미늄, 다이에틸아연, 트리에틸갈륨;
· 하이드라이드(GeH4, 알란 등);
· 알킬아미드(IV족 및 V족 전이 금속의 금속);
· 이미도기(V족 및 VI족의 금속);
· 알콕사이드(IV족, V족의 금속);
· 사이클로펜타다이에닐(Ru, Co, Fe, IV족 전이 금속, 란탄족 등);
· 카르보닐(예: Ru, Co, Fe, Ni);
· 아미디네이트 및 구아니디네이트(예: Co, Mn, Ni, Cu, Sc 등);
· 베타-다이케토네이트(예: Sc, Cu, 란탄족);
· 베타-다이케토이민(Cu, Ni, Co 등);
· 비스-트리알킬실릴아미드(Ni, Co, Fe 등);
· 옥소기(RuO4, WOCl4, PO(OEt)3, AsO(OEt)3 등);
· 또는 상기 리간드들의 조합을 가진 헤테로렙틱 분자.
개시된 Si-포함 필름 형성 조성물은 또한, 또 다른 실리콘 공급원, 예컨대 할로실란(가능하게는 SiH3Cl, SiH2Cl2, SiHCl3, SiCl4, SiBr4, SiI4, SiHI3, SiH2I2, SiH3I, SiF4로부터 선택됨), 폴리실란 SiHxH2x +2 또는 환형 폴리실란 SiHxH2x, 할로-폴리실란(SixCl2x +2, SixHyCl2x +2-y, 예컨대 HCDS, OCTS, PCDS, MCDS(모노클로로다이실란 또는 Si2H5Cl), DCDS(다이클로로다이실란 또는 Si2H4Cl2), 또는 n이 1 또는 2인 Si-(CH2)n-Si 백본을 가진 카르보실란과 함께 사용될 수 있다.
본 발명은 또한, 다양한 CVD 방법 및 ALD 방법을 포함한 기상 증착 방법을 위해, 개시된 Si-포함 필름 형성 조성물을 사용하는 방법을 개시한다. 개시된 방법은 실리콘-포함 필름, 바람직하게는 실리콘 니트라이드(SiN) 필름, 실리콘-옥사이드(SiO) 필름 및 질소 도핑된 실리콘-옥사이드 필름의 증착을 위한, 개시된 Si-포함 필름 형성 조성물의 용도를 제공한다. 개시된 방법들은 반도체, 광전지, LCD-TFT, 플랫 패널형 디바이스, 내화물 또는 비행선의 제작에 유용할 수 있다.
기판 상에 실리콘-포함 층을 형성하기 위한 개시된 방법은, 기판을 반응기에 위치시키는 단계, Si-포함 필름 형성 조성물을 포함하는 증기를 반응기 내에 전달하는 단계, 및 증기를 기판과 접촉시켜(및 전형적으로 증기를 기판으로 향하게 하여), 실리콘-포함 층을 기판의 표면 상에 형성하는 단계를 포함한다. 대안적으로, 기판은 전구체 증기를 포함하는 챔버로 이동되고(공간 ALD), 그런 다음, 반응물을 포함하는 또 다른 영역으로 이동된다. 다른 물리적 처리 단계들, 예컨대 플래쉬 어닐(flash anneal), UV 경화 등은 전구체에의 노출과 반응물에의 노출 사이에 수행될 수 있다.
본 방법은 기상 증착 공정, 보다 상세하게는 SiMOx 필름의 증착을 위한 기상 증착 공정을 사용하여, 기판 상에 바이메탈(bimetal)-포함 층을 형성하는 것을 포함할 수 있으며, 여기서, x는 4이고, M은 Ti, Hf, Zr, Ta, Nb, V, Al, Sr, Y, Ba, Ca, As, B, P, Sb, Bi, Sn, 란탄족(예, Er) 또는 이들의 조합이다. 개시된 방법은 반도체, 광전지, LCD-TFT 또는 플랫 패널형 디바이스의 제작에 유용할 수 있다. 산소 공급원, 예컨대 O3, O2, H2O, NO, H2O2, 아세트산, 포르말린, 파라-포름알데하이드, 알코올, 다이올, 이들의 산소 라디칼 및 이들의 조합, 그러나 바람직하게는 O3 또는 플라즈마 처리된 O2가 또한, 반응기 내에 도입될 수 있다.
개시된 Si-포함 필름 형성 조성물은 당업자에게 알려진 임의의 증착 방법을 사용하여, 실리콘-포함 필름을 증착시키는 데 사용될 수 있다. 적합한 증착 방법의 예로는, 화학 기상 증착(CVD) 또는 원자층 증착(ALD)을 포함한다. 예시적인 CVD 방법으로는, 열적 CVD, 펄스드 CVD(PCVD), 저압 CVD(LPCVD), 하위-대기압(sub-atmospheric) CVD(SACVD) 또는 대기압 CVD(APCVD), 핫-와이어 CVD(HWCVD, cat-CVD로도 알려져 있으며, 핫 와이어가 증착 공정을 위한 에너지 공급원으로서 역할을 함), 라디칼 혼입 CVD, 비제한적으로 유동성 CVD(FCVD)를 포함하는 플라즈마 증강 CVD(PECVD) 및 이들의 조합을 포함한다. 예시적인 ALD 방법으로는, 열적 ALD, 플라즈마 증강 ALD(PEALD), 공간 단리 ALD, 핫-와이어 ALD(HWALD), 라디칼 혼입 ALD 및 이들의 조합을 포함한다. 초임계 유체 증착 또한, 사용될 수 있다. 증착 방법은 바람직하게는, 적합한 단계 커버리지 및 필름 두께 조절을 제공하기 위해 FCVD, ALD, PE-ALD 또는 공간 ALD이다.
Si-포함 필름 형성 조성물은 종래의 수단, 예컨대 튜빙 및/또는 유량계에 의해 증기 형태로 반응기 내로 전달된다. 증기 형태의 조성물은 종래의 증기화 단계, 예컨대 직접 증기화, 증류, 버블링을 통해 순수한(neat) 또는 블렌딩된 조성물 용액을 증기화시킴으로써 생성될 수 있다. 조성물은 액체 상태로 증기화기에 공급될 수 있으며, 증기화기에서 조성물은 증기화된 후, 반응기 내에 도입된다. 증기화 전에, 조성물은 선택적으로 하나 이상의 용매와 혼합될 수 있다. 용매는 톨루엔, 에틸 벤젠, 자일렌, 메시틸렌, 데칸, 도데칸, 옥탄, 헥산, 펜탄 또는 그외의 용매들로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다. 생성되는 농도는 약 0.05 M 내지 약 2 M의 범위일 수 있다.
대안적으로, Si-포함 필름 형성 조성물은, 담체 기체를 전구체를 포함하는 용기 내로 통과시킴으로써 또는 담체 기체를 전구체 내로 버블링함으로써, 증기화될 수 있다. 조성물은 선택적으로, 용기 내에서 하나 이상의 용매와 혼합될 수 있다. 용매는 톨루엔, 에틸 벤젠, 자일렌, 메시틸렌, 데칸, 도데칸, 옥탄, 헥산, 펜탄 또는 그외의 용매들로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다. 생성되는 농도는 약 0.05 M 내지 약 2 M의 범위일 수 있다. 담체 기체로는, Ar, He 또는 N2 및 이들의 혼합물을 포함할 수 있으나, 이들로 한정되는 것은 아니다. 담체 기체를 이용한 버블링은 또한, 순수한 조성물 또는 블렌딩된 조성물에 존재하는 임의의 용존 산소를 제거할 수 있다. 그런 다음, 담체 기체 및 조성물은 증기로서 반응기 내에 도입된다.
필요하다면, 용기는, Si-포함 필름 형성 조성물이 액체상으로 존재하고 충분한 증기압을 가지게 하는 온도까지 가열될 수 있다. 용기는 예를 들어, 0℃ 내지 150℃의 범위의 온도에서 유지될 수 있다. 당업자는, 증기화되는 조성물의 양을 조절하기 위해 용기의 온도가 공지된 방식으로 조정될 수 있음을 인지한다. 온도는 전형적으로, 0.1 torr 내지 100 torr, 바람직하게는 약 1 torr 내지 20 torr의 증기압에 도달하도록 조정된다.
Si-포함 필름 형성 조성물의 증기가 발생된 다음, 기판을 포함하는 반응 챔버 내에 도입된다. 반응 챔버 내 온도 및 압력, 및 기판의 온도는 모노-치환된 TSA 전구체 중 적어도 일부를 기판 상에 기상 증착시키는 데 적합한 조건에서 유지된다. 즉, 증기화된 조성물이 반응 챔버 내로 도입된 후, 반응 챔버 내 조건은, 증기화된 전구체 중 적어도 일부가 기판 상에 증착되어, Si-포함 층을 형성하도록 조정된다. 당업자는, "증기화된 화합물 중 적어도 일부가 증착된다"는 것은, 화합물의 일부 또는 모두가 기판과 반응하거나 기판에 부착됨을 의미한다는 것을 인지할 것이다. 본원에서, 반응물은 또한, Si-포함 층의 형성에 일조하기 위해 사용될 수 있다. 더욱이, Si-포함 층은 UV 및 전자 빔에 의해 경화될 수 있다.
반응 챔버는, 증착 방법이 수행되는 디바이스의 임의의 인클로저 또는 챔버, 예컨대 비제한적으로, 평행판 유형 반응기, 콜드-월 유형 반응기, 핫-월 유형 반응기, 단일-웨이퍼 반응기, 다중-웨이퍼 반응기 또는 다른 이러한 유형의 증착 시스템일 수 있다. 이들 예시적인 반응 챔버들 모두는 ALD 반응 챔버 또는 CVD 반응 챔버로서 역할을 할 수 있다. 반응 챔버는 모든 ALD 및 하위-대기 CVD에 대해 약 0.5 mTorr 내지 약 20 Torr 범위의 압력에서 유지될 수 있다. 하위-대기 CVD 및 대기 CVD 압력은 760 Torr(대기압) 이하의 범위일 수 있다. 또한, 반응 챔버 내 온도는 약 0℃ 내지 약 800℃의 범위일 수 있다. 당업자는, 요망되는 결과를 달성하기 위해, 단순한 실험을 통해 온도가 최적화될 수 있음을 인지할 것이다.
반응기의 온도는, 기판 홀더의 온도를 조절하거나 반응기 벽의 온도를 조절함으로써 조절될 수 있다. 기판을 가열하는 데 사용되는 디바이스는 당업계에 알려져 있다. 반응기 벽은, 요망되는 필름을 충분한 성장 속도에서 요망되는 물리적 상태 및 조성으로 수득하는 데 충분한 온도까지 가열된다. 비제한적인 예시적인 온도는, 반응기 벽이 약 20℃ 내지 약 800℃에서 유지될 수 있는 범위이다. 플라즈마 증착 공정이 이용되는 경우, 증착 온도는 약 0℃ 내지 약 550℃의 범위일 수 있다. 대안적으로, 열적 공정이 수행되는 경우, 증착 온도는 약 200℃ 내지 약 800℃의 범위일 수 있다.
대안적으로, 기판은, 요망되는 실리콘-포함 필름을 충분한 성장 속도에서 요망되는 물리적 상태 및 조성으로 수득하는 데 충분한 온도까지 가열될 수 있다. 비제한적인 예시적인 온도는, 기판이 가열될 수 있는 범위가 50℃ 내지 600℃를 포함하는 범위이다. 바람직하게는, 기판의 온도는 500℃ 이하에서 유지된다.
대안적으로, ALD 공정은 전구체의 자가-분해 미만으로 설정되는 기판 온도에서 수행될 수 있다. 당업자는 전구체의 자가-분해 온도를 확인하는 방법을 인지할 것이다.
반응기는, 필름이 증착될 하나 이상의 기판을 포함한다. 기판은 일반적으로, 공정이 수행되는 물질로서 정의된다. 기판은 반도체, 광전지, 플랫 패널 또는 LCD-TFT 디바이스 제작에 사용되는 임의의 적합한 기판일 수 있다. 적합한 기판의 예로는, 웨이퍼, 예컨대 실리콘, 실리카, 유리, 플라스틱 또는 GaAs 웨이퍼를 포함한다. 웨이퍼는 이전의 제작 단계로부터 웨이퍼 상에 증착된 상이한 물질들로 된 하나 이상의 층을 가질 수 있다. 예를 들어, 웨이퍼는 실리콘 층(결정질, 비정질, 다공성 등), 실리콘 옥사이드 층, 실리콘 니트라이드 층, 실리콘 옥시 니트라이드 층, 탄소 도핑된 실리콘 옥사이드(SiCOH) 층, 포토레지스트 층, 반사 방지 층 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 부가적으로는, 웨이퍼는 구리 층 또는 귀금속 층(예, 백금, 팔라듐, 로듐 또는 금)을 포함할 수 있다. 층은 MIM, DRAM, STT RAM, PC-RAM 또는 FeRam 기술에서 유전 물질로서 사용되는 옥사이드(예, ZrO2-기재 물질, HfO2-기재 물질, TiO2-기재 물질, 희토류 옥사이드-기재 물질, 3원 옥사이드-기재 물질, 예컨대 스트론튬 루테늄 옥사이드(SRO) 등)를 포함하거나, 구리와 저-k 층 사이에서 산소 차단벽으로 사용되는 니트라이드-기재 필름(예, TaN)으로부터의 옥사이드를 포함할 수 있다. 웨이퍼는 차단벽 층, 예컨대 망간, 망간 옥사이드 등을 포함할 수 있다. 플라스틱 층, 예컨대 폴리(3,4-에틸렌다이옥시티오펜)폴리(스티렌설포네이트)(PEDOT:PSS)가 또한, 사용될 수 있다. 층은 평면형(planar)이거나 패턴화될 수 있다. 예를 들어, 층은 수소화된 탄소, 예를 들어 CHx로 제조된 패턴화된 포토레지스트 필름일 수 있으며, 여기서, x는 0 초과이다. 개시된 공정은 실리콘-포함 층을 웨이퍼 상에 직접 증착시키거나, 웨이퍼의 상부 상의 층들 중 하나 또는 하나 초과의 층 상에 직접 증착시킬 수 있다(패턴화된 층이 기판을 형성하는 경우). 더욱이, 당업자는, 본원에 사용된 용어 "필름" 또는 "층"이 표면 상에 놓이거나 표면에 걸쳐 펴 발라진(spread) 일부 물질의 두께를 지칭하며, 표면은 트렌치 또는 라인일 수 있음을 인지할 것이다. 명세서 및 청구항 전체에서, 웨이퍼 및 그 위에 존재하는 임의의 연관된 층은 기판으로 지칭된다. 많은 경우, 이용되는 바람직한 기판은 구리, 실리콘 옥사이드, 포토레지스트, 수소화된 탄소, TiN, SRO, Ru 및 Si 유형 기판, 예컨대 폴리실리콘 또는 결정질 실리콘 기판으로부터 선택될 수 있다. 예를 들어, 실리콘 니트라이드 필름은 Si 층 상에 증착될 수 있다. 후속적인 가공에서, 교대되는 실리콘 옥사이드 층 및 실리콘 니트라이드 층이 실리콘 니트라이드 층 상에 증착되어, 3D NAND 게이트에 사용되는 다중 SiO2/SiN 층들로 된 스택(stack)을 형성할 수 있다. 더욱이, 기판은 패턴화된 또는 비패턴화된 유기 또는 무기 필름으로 코팅될 수 있다.
개시된 Si-포함 필름 형성 조성물 외에도, 반응물이 또한, 반응기 내에 도입될 수 있다. 반응물은 산화제, 예컨대 O2, O3, H2O, H2O2 중 하나; 산소-포함 라디칼, 예컨대 O· 또는 OH·, NO, NO2; 카르복실산, 예컨대 포름산, 아세트산, 프로피온산, NO, NO2 또는 카르복실산의 라디칼 화학종; 파라-포름알데하이드; 및 이들의 혼합물일 수 있다. 바람직하게는, 산화제는 O2, O3, H2O, H2O2, 이들의 산소-포함 라디칼, 예컨대 O· 또는 OH· 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된다. 바람직하게는, ALD 공정이 수행되는 경우, 반응물은 플라즈마 처리된 산소, 오존 또는 이들의 조합이다. 산화제가 사용되는 경우, 생성된 실리콘-포함 필름은 산소도 포함할 것이다.
대안적으로, 반응물은 질소-포함 반응물, 예컨대 N2, NH3, 하이드라진(예, N2H4, MeHNNH2, MeHNNHMe), 유기 아민(예, N(CH3)H2, N(C2H5)H2, N(CH3)2H, N(C2H5)2H, N(CH3)3, N(C2H5)3, (SiMe3)2NH), 피라졸린, 피리딘, 다이아민(예, 에틸렌 다이아민), 이들의 라디칼 또는 이들의 혼합물 중 하나일 수 있다. N-포함 공급원 작용제가 사용되는 경우, 생성된 실리콘-포함 필름은 질소도 포함할 것이다.
환원제, 예컨대 H2, H 라디칼뿐만 아니라 다른 H-포함 기체 및 전구체, 예컨대 금속 하이드라이드 및 메탈로이드 하이드라이드가 사용되는 경우, 생성된 실리콘-포함 필름은 순수한 Si일 수 있다.
반응물은 플라즈마에 의해 처리되어, 반응물이 이의 라디칼 형태로 분해될 수 있다. N2는 또한, 플라즈마로 처리될 때 이용될 수 있다. 예를 들어, 플라즈마는 약 50 W 내지 약 2000 W, 바람직하게는 약 100 W 내지 약 500 W의 범위의 파워를 이용하여 발생될 수 있다. 플라즈마는 반응기 자체 내에서 발생하거나 존재할 수 있다. 대안적으로, 플라즈마는 일반적으로 반응기로부터 이격된 위치, 예를 들어, 원거리에 위치한 플라즈마 시스템에 존재할 수 있다. 당업자는, 이러한 플라즈마 처리에 적합한 방법 및 장치를 인지할 것이다.
Si-포함 필름 형성 조성물은 또한, 할로실란 또는 폴리할로다이실란, 예컨대 헥사클로로다이실란, 펜타클로로다이실란 또는 테트라클로로다이실란, 및 Si, SiCN 또는 SiCOH 필름을 형성하기 위한 하나 이상의 반응물들과 함께 사용될 수 있다. PCT 공개 WO2011/123792는 SiN 층(Si 층 또는 SiCOH 층이 아님)을 개시하고 있으며, 이의 전체 내용은 그 전체가 본 명세서에 포함된다.
요망되는 실리콘-포함 필름이 또한 또 다른 원소, 예를 들어 비제한적으로, Ti, Hf, Zr, Ta, Nb, V, Al, Sr, Y, Ba, Ca, As, B, P, Sb, Bi, Sn, Ge 란탄족(예, Er) 또는 이들의 조합을 포함하는 경우, 또 다른 전구체는 비제한적으로 하기로부터 선택되는 금속-포함 전구체를 포함할 수 있다:
· 금속 할라이드(예, TiCl4, TiI4, TaCl5, HfCl4, ZrCl4, AlCl3, NbF5 등);
· 알킬(Al, Ge, Ga, In, Sb, Sn, Zn), 예컨대 트리메틸알루미늄, 다이에틸아연, 트리에틸갈륨;
· 하이드라이드(GeH4, 알란 등);
· 알킬아미드(IV족 및 V족 전이 금속의 금속);
· 이미도기(V족 및 VI족의 금속);
· 알콕사이드(IV족, V족의 금속);
· 사이클로펜타다이에닐(Ru, Co, Fe, IV족 전이 금속, 란탄족 등);
· 카르보닐(예: Ru, Co, Fe, Ni);
· 아미디네이트 및 구아니디네이트(예: Co, Mn, Ni, Cu, Sc 등);
· 베타-다이케토네이트(예: Sc, Cu, 란탄족);
· 베타-다이케토이민(Cu, Ni, Co 등);
· 비스-트리알킬실릴아미드(Ni, Co, Fe 등);
· 옥소기(RuO4, WOCl4, PO(OEt)3, AsO(OEt)3 등);
· 또는 상기 패밀리들로부터 선택되는 리간드들의 혼합된 세트를 가진 헤테로렙틱 분자.
Si-포함 필름 형성 조성물 및 하나 이상의 반응물은 반응 챔버 내에 동시에(예, CVD), 순차적으로(예, ALD) 또는 다른 조합으로 도입될 수 있다. 예를 들어, Si-포함 필름 형성 조성물은 하나의 펄스에서 도입될 수 있고, 2개의 부가적인 금속 공급원들이 개별 펄스에서 함께 도입될 수 있다(예, 변형된 ALD). 대안적으로, 반응 챔버는 Si-포함 필름 형성 조성물의 도입 전에 이미 반응물을 포함할 수 있다. 반응물은 반응 챔버로부터 원거리에 존재하거나 국소화된(localized) 플라즈마 시스템을 통과할 수 있고, 라디칼로 분해될 수 있다. 대안적으로, Si-포함 필름 형성 조성물은 반응 챔버에 지속적으로 도입될 수 있는 한편, 다른 금속 공급원들은 펄스에 의해 도입된다(예, 펄스드-CVD). 각각의 예에서, 펄스에 후속하여 퍼징 단계 또는 배출 단계가 존재하여, 도입된 과량의 구성성분을 제거할 수 있다. 각각의 예에서, 펄스는 약 0.01초 내지 약 20초, 대안적으로 약 0.3초 내지 약 3초, 대안적으로 약 0.5초 내지 약 2초의 범위의 기간 동안 지속될 수 있다. 또 다른 대안에서, Si-포함 필름 형성 조성물 및 하나 이상의 반응물은 샤워 헤드로부터 동시에 분무될 수 있으며, 샤워 헤드 아래에서 몇몇 웨이퍼를 고정하고 있는 서셉터(susceptor)가 회전된다(예, 공간 ALD).
비제한적인 예시적인 ALD 유형 공정에서, 증기상의 Si-포함 필름 형성 조성물이 반응 챔버 내에 도입되며, 반응 챔버에서 이러한 조성물은 적합한 기판과 접촉되고, 기판 상에 실리콘-포함 층을 형성한다. 그런 다음, 과량의 조성물은 반응 챔버를 퍼징하고/거나 배출시킴으로써 반응 챔버로부터 제거될 수 있다. 산소 공급원이 반응 챔버 내에 도입되며, 반응 챔버에서 이러한 산소 공급원은 자가-제한적인 방식으로 실리콘-포함 층과 반응한다. 임의의 과량의 산소 공급원은 반응 챔버를 퍼징하고/거나 배출시킴으로써 반응 챔버로부터 제거된다. 요망되는 필름이 실리콘 옥사이드 필름인 경우, 이러한 2-단계 공정은 요망되는 필름 두께를 제공할 수 있거나, 필요한 두께를 가진 필름이 수득될 때까지 반복될 수 있다.
대안적으로, 요망되는 필름이 실리콘 금속 옥사이드 필름(즉, SiMOx, 여기서, x는 4일 수 있고, M은 Ti, Hf, Zr, Ta, Nb, V, Al, Sr, Y, Ba, Ca, As, B, P, Sb, Bi, Sn, Ge, 란탄족(예, Er) 또는 이들의 조합임)인 경우, 상기 2-단계 공정에 후속하여, 제2 증기의 금속-포함 전구체가 반응 챔버 내에 도입될 수 있다. 금속-포함 전구체는 증착되는 실리콘 금속 옥사이드 필름의 성질을 기재로 선택될 것이다. 반응 챔버 내에 도입된 후, 금속-포함 전구체는 기판 상의 실리콘 옥사이드 층과 접촉된다. 임의의 과량의 금속-포함 전구체는 반응 챔버를 퍼징하고/거나 배출시킴으로써 반응 챔버로부터 제거될 수 있다. 일단 다시, 산소 공급원이 반응 챔버 내에 도입되어, 금속-포함 전구체와 반응할 수 있다. 과량의 산소 공급원은 반응 챔버를 퍼징하고/거나 배출시킴으로써 반응 챔버로부터 제거될 수 있다. 요망되는 필름 두께가 달성되면, 공정은 종결될 수 있다. 그러나, 더 두꺼운 필름이 요망되는 경우, 전체 4-단계 공정이 반복될 수 있다. Si-포함 필름 형성 조성물, 금속-포함 전구체 및 산소 공급원의 제공을 교대로 함으로써, 요망되는 조성 및 두께의 필름이 증착될 수 있다.
부가적으로는, 펄스의 수에 변화를 줌으로써, 요망되는 화학양론적 M:Si 비율을 가진 필름이 수득될 수 있다. 예를 들어, SiMO2 필름은 모노-치환된 TSA 전구체 1 펄스 및 금속-포함 전구체 1 펄스를 가짐으로써 수득될 수 있으며, 각각의 펄스 이후에 산소 공급원의 펄스가 후속된다. 그러나, 당업자는, 요망되는 필름을 수득하는 데 필요한 펄스의 수가 생성된 필름의 화학양론적 비율과 동일하지 않을 수 있음을 인지할 것이다.
비제한적인 예시적인 PE-ALD 유형 공정에서, 증기상의 Si-포함 필름 형성 조성물이 반응 챔버 내로 도입되며, 반응 챔버에서 이러한 조성물은 적합한 기판과 접촉되며, 한편, 저 반응성 산소 공급원, 예컨대 O2는 챔버로 지속적으로 유동하고 있다. 그런 다음, 과량의 조성물은 반응 챔버를 퍼징하고/거나 배출시킴으로써 반응 챔버로부터 제거될 수 있다. 그런 다음, 플라즈마를 켜서(lit), 산소 공급원을 활성화시켜, 흡수된 모노-치환된 TSA 전구체와 자가-제한적인 방식으로 반응시킨다. 그런 다음, 플라즈마의 스위치를 끄고, 그 직후 Si-포함 필름 형성 조성물의 유동이 진행될 수 있다. 이러한 2-단계 공정은 요망되는 필름 두께를 제공할 수 있거나, 필요한 두께를 가진 실리콘 옥사이드 필름이 수득될 때까지 반복될 수 있다. 실리콘 옥사이드 필름은 일부 C 불순물을 전형적으로 0.005% 내지 2%로 포함할 수 있다. 산소 기체 공급원 및 기판 온도는, 플라즈마가 꺼졌을 때 산소 공급원과 모노-치환된 TSA 사이의 반응을 방지하도록 당업자에 의해 선택될 수 있다. 다이알킬아미노-치환된 TSA가 이러한 공정에 특히 적합하고, 바람직하게는 (SiH3)2N-SiH2-NEt2, (SiH3)2N-SiH2-NiPr2 또는 (SiH3)2N-SiH2-NHR이며, R은 -tBu 또는 -SiMe3이다.
또 다른 비제한적인 예시적인 PE-ALD 유형 공정에서, 증기상의 Si-포함 필름 형성 조성물이 반응 챔버 내로 도입되며, 반응 챔버에서 이러한 조성물은 적합한 기판과 접촉되며, 한편, 저 반응성 질소 공급원, 예컨대 N2는 챔버로 지속적으로 유동하고 있다. 그런 다음, 과량의 조성물은 반응 챔버를 퍼징하고/거나 배출시킴으로써 반응 챔버로부터 제거될 수 있다. 그런 다음, 플라즈마를 켜서, 질소 공급원을 활성화시켜, 흡수된 모노-치환된 TSA 전구체와 자가-제한적인 방식으로 반응시킨다. 그런 다음, 플라즈마의 스위치를 끄고, 그 직후 Si-포함 필름 형성 조성물의 유동이 진행될 수 있다. 이러한 2-단계 공정은 요망되는 필름 두께를 제공할 수 있거나, 필요한 두께를 가진 실리콘 니트라이드 필름이 수득될 때까지 반복될 수 있다. 실리콘 니트라이드 필름은 일부 C 불순물을 전형적으로 0.5% 내지 10%로 포함할 수 있다. 질소 기체 공급원 및 기판 온도는, 플라즈마가 꺼졌을 때 질소 공급원과 모노-치환된 TSA 사이의 반응을 방지하도록 당업자에 의해 선택될 수 있다. 아미노-치환된 TSA 및 모노-할로 TSA가 이러한 공정에 특히 적합하고, 바람직하게는 (SiH3)2N-SiH2-Cl, (SiH3)2N-SiH2-NEt2, (SiH3)2N-SiH2-NiPr2, R이 -tBu 또는 -SiMe3인 (SiH3)2N-SiH2-NHR 또는 (SiH3)2N-SiH2-N(SiH3)2이다.
비제한적인 예시적인 LPCVD 유형 공정에서, 증기상의 Si-포함 필름 형성 조성물, 바람직하게는 모노-할로 치환된 TSA 전구체를 포함하는 증기상의 Si-포함 필름 형성 조성물은 기판을 고정하고 있는 반응 챔버 내로 도입되고, 전형적으로 0.1 torr 내지 10 torr, 보다 바람직하게는 0.3 torr 내지 3 torr의 압력, 및 250℃ 내지 800℃, 바람직하게는 350℃ 내지 600℃의 온도에서 유지되며, 반응 챔버에서 이러한 조성물은 반응물, 전형적으로 NH3와 혼합된다. 따라서, 얇은 등각(conformal) SiN 필름은 기판(들) 상에 증착될 수 있다. 당업자는, 필름 내 Si/N 비율이 모노-치환된 TSA 전구체 및 N-공급원 유속을 조정함으로써 맞춰질 수 있음을 인지할 것이다.
또 다른 대안에서, 밀도가 높은 SiN 필름은 ALD 방법을 사용하여 헥사클로로다이실란(HCDS), 펜타클로로다이실란(PCDS), 모노클로로다이실란(MCDS), 다이클로로다이실란(DCDS) 또는 모노클로로실란(MCS), 개시된 Si-포함 필름 형성 조성물 및 암모니아 반응물과 함께 증착될 수 있다. 반응 챔버는 5 Torr, 550℃에서 Ar의 55 sccm 연속 유동으로 조절될 수 있다. 약 1 sccm의 유속에서 개시된 Si-포함 필름 형성 조성물의 약 10초간의 긴 펄스가 반응 챔버 내에 도입된다. 조성물은 약 55 sccm의 Ar 유동으로 약 10초 동안 반응 챔버로부터 퍼징된다. 약 1 sccm의 유속에서 약 10초간의 HCDS 펄스가 반응 챔버 내에 도입된다. HCDS는 약 55 sccm의 Ar 유동으로 약 30초 동안 반응 챔버로부터 퍼징된다. 약 50 sccm의 유속에서 약 10초간의 긴 NH3 펄스가 반응 챔버 내에 도입된다. NH3는 약 55 sccm의 Ar 유동으로 약 30초 동안 반응 챔버로부터 퍼징된다. 이들 6개 단계는, 증착된 층이 적합한 두께를달성할 때까지 반복된다. 당업자는, 공간 ALD 디바이스를 사용할 때 도입 펄스가 동시적일 수 있음을 인지할 것이다. PCT 공개 WO2011/123792에 기술된 바와 같이, 전구체의 도입 순서는 다양할 수 있으며, SiCN 필름 내 탄소 및 질소의 양을 조정하기 위해 증착은 NH3 반응물과 함께 또는 NH3 반응물 없이 수행될 수 있다. 나아가, 당업자는, 유속 및 펄스 시간이 상이한 증착 챔버들 중에서 다양할 수 있음을 인지할 것이며, 각각의 디바이스에 대한 필수적인 파라미터를 확인할 수 있을 것이다.
비제한적인 예시적인 공정에서, 증기상의 개시된 Si-포함 필름 형성 조성물, 바람직하게는 모노-할로 치환된 TSA를 포함하는 Si-포함 필름 형성 조성물은 다공성 저-k 필름을 가진 기판을 고정하고 있는 반응 챔버 내로 도입된다. 기공 밀봉 필름은 US 2015/0004806에 기술된 조건에서(즉, 개시된 실리콘-포함 필름 형성 조성물, 산화제(예, 오존, 하이드로겐 퍼옥사이드, 산소, 물, 메탄올, 에탄올, 이소프로판올, 니트릭 옥사이드, 니트러스 다이옥사이드, 니트러스 옥사이드, 카본 모녹사이드 또는 카본 다이옥사이드) 및 할로겐-무포함 촉매 화합물(예, 질산, 인산, 황산, 에틸렌다이아민테트라아세트산, 피크르산 또는 아세트산)을 반응 챔버에 도입하고, 축합된 유동성 필름이 기판 상에 형성되는 조건 하에 기판을 공정 기체에 노출시킴으로써) 증착될 수 있다.
보다 다른 대안에서, 실리콘-포함 필름은 미국 특허 출원 공개 2014/0051264에 개시된 유동성 PECVD 방법에 의해, 개시된 조성물 및 라디칼 질소-포함 반응물 또는 라디칼 산소-포함 반응물을 사용하여 증착될 수 있다. 라디칼 질소-포함 반응물 또는 라디칼 산소-포함 반응물, 예컨대 각각 NH3 또는 H2O는 원거리 플라즈마 시스템에서 발생한다. 라디칼 반응물 및 증기상의 개시된 전구체가 반응 챔버 내에 도입되며, 반응 챔버에서 이들은 반응하고, 기판 상에 초기 유동성 필름을 증착시킨다. 출원인은, (SiH3)2N-(SiH2-X) 구조의 질소 원자가 증착된 필름의 유동성을 추가로 개선하는 데 일조하여, 보이드(void)가 더 적은 필름이 수득되며, 특히 X가 아미노기일 때, 보다 상세하게는 X가 -N(SiH3)2와 같은 다이실릴아미노기일 때 그러한 것으로 여긴다.
상기 논의된 공정으로 수득되는 실리콘-포함 필름은 SiO2, 질소 도핑된 실리콘 옥사이드, SiN, SiON, SiCN, SiCOH 또는 MSiNyOx를 포함할 수 있으며, 여기서, M은 Ti, Hf, Zr, Ta, Nb, V, Al, Sr, Y, Ba, Ca, As, B, P, Sb, Bi, Sn, Ge와 같은 원소이고, x, y는 당연하게도 M의 산화 상태에 따라 0 내지 4이고, y+x는 4일 수 있다. 당업자는, 적절한 모노-치환된 TSA 전구체 및 반응물을 판단력 있게 선택함으로써, 요망되는 필름 조성물이 수득될 수 있음을 인지할 것이다.
요망되는 필름 두께를 수득하는 경우, 필름은 추가적인 가공, 예컨대 열적 어닐링, 퍼너스-어닐링(furnace-annealing), 신속 열적 어닐링, UV 또는 e-빔 경화 및/또는 플라즈마 기체 노출을 받을 수 있다. 당업자는, 이들 부가적인 가공 단계들을 수행하는 데 이용되는 시스템 및 방법을 인지한다. 예를 들어, 실리콘-포함 필름은 불활성 분위기, H-포함 분위기, N-포함 분위기, O-포함 분위기 또는 이들의 조합 하에 약 200℃ 내지 약 1000℃ 범위의 온도에 약 0.1초 내지 약 7200초의 시간 동안 노출될 수 있다. 가장 바람직하게는, 온도는 반응성 H-포함 분위기 하에 3600초 미만 동안 600℃이다. 생성된 필름은 불순물을 더 적게 포함할 수 있으며, 따라서, 개선된 성능 특징을 가질 수 있다. 어닐링 단계는 증착 공정이 수행되는 동일한 반응 챔버에서 수행될 수 있다. 증착 공정이 FCVD인 경우, 경화 단계는 바람직하게는 600℃보다 낮은 온도에서 수행되는 산소 경화 단계이다. 산소-포함 분위기는 H2O 또는 O3를 포함할 수 있다. 대안적으로, 기판은 반응 챔버로부터 제거될 수 있으며, 어닐링/플래쉬 어닐링 공정은 개별 장치에서 수행된다.
실시예
하기 비제한적인 실시예는 본 발명의 실시형태를 추가로 예시하기 위해 제공된다. 그러나, 실시예는 본원에 기술된 본 발명의 범위를 모두 포함하는 것이 아니며, 이러한 범위를 제한하는 것도 아니다.
본원에 기술된 실시예는 TSA-기재 전구체, 즉 모노-치환된 TSA이다.
실시예 1: (SiH3)2N-SiH2-NiPr2 및 (SiH3)2N-SiH2-NEt2의 합성
다이이소프로필아민(3.0 mol) 300 g을, 반응기로서 오버헤드 기계적 교반기, 질소 버블러, 냉각기 및 하이드라이드 스크러버(scrubber)가 구비된 1-리터 필터 플라스크에 충전하였다. 클로로트리실릴아민 60 g(0.4 mol)을 적하 깔때기에 충전하였다. 적하 깔때기를 반응기에 고정하였다. 질소 스윕(sweep)을 적하 깔때기에 첨가하여, 깔때기의 팁(tip)에서 염이 형성되는 것을 방지하였다. 냉각기를 18℃까지 설정하고, 클로로트리실릴아민을 적하 깔때기를 통해 1.5시간의 기간에 걸쳐 첨가하였다. 첨가 동안 반응기 온도를 22℃ 내지 23℃에서 설정하였다. 첨가를 완료한 후, 반응기를 0.5시간 동안 교반하였다.
그런 다음, 아민 하이드로클로라이드 염을 여과하였다. 필터 케이크(cake)를 2개의 50 ml 분취액의 다이이소프로필아민으로 헹구었다. 대부분의 다이이소프로필아민을 증류시키면, 미정제 생성물 72 g이 남았다. 미정제 생성물을 유사한 방식으로 수행된 (SiH3)2N-SiH2-NiPr2의 더 작은 규모의 몇몇 조제물 유래의 다른 미정제 생성물과 조합하였다. 그런 다음, (SiH3)2N-SiH2-NiPr2를 -28 인치 수은의 진공 하에 86℃에서 증류시키고, 99% 초과로 순수한 생성물 79 g을 수집하였다. 전체 수율은 56%였다. 표 1은 증류로부터 추정된 (SiH3)2N-SiH2-NiPr2의 증기압 데이터 및 TSU 데이터를 보여준다.
(SiH3)2N-SiH2-NiPr2의 증기압 데이터
온도 (℃) 압력 (torr)
86 38
100 72
150 140
(SiH3)2N-SiH2-NEt2의 합성은 동일한 몰비로 유사하게 진행되나, 다이이소프로필아민을 다이에틸아민으로 대체한다.
실시예 2: (SiH3)2N-SiH2-NHiPr의 합성
다이이소프로필아민(3.0 mol) 300 g을, 반응기로서 오버헤드 기계적 교반기, 질소 버블러, 냉각기 및 하이드라이드 스크러버가 구비된 1-리터 필터 플라스크에 충전하였다. 클로로트리실릴아민 60 g(0.4 mol)을 적하 깔때기에 충전하였다. 적하 깔때기를 반응기에 고정하였다. 질소 스윕을 적하 깔때기에 첨가하여, 깔때기의 팁에서 염이 형성되는 것을 방지하였다. 냉각기를 18℃까지 설정하고, 클로로트리실릴아민을 적하 깔때기를 통해 1.5시간의 기간에 걸쳐 첨가하였다. 첨가 동안 반응기 온도를 22℃ 내지 23℃에서 설정하였다. 첨가를 완료한 후, 반응기를 0.5시간 동안 교반하였다.
그런 다음, 아민 하이드로클로라이드 염을 여과하였다. 필터 케이크를 2개의 50 ml 분취액의 이소프로필아민으로 헹구었다. 대부분의 이소프로필아민을 증류시키면, 미정제 생성물 72 g이 남았다. 미정제 생성물을 유사한 방식으로 수행된 (SiH3)2N-SiH2-NHiPr의 더 작은 규모의 몇몇 조제물 유래의 다른 미정제 생성물과 조합하였다. 그런 다음, (SiH3)2N-SiH2-NHiPr을 -28 인치 수은의 진공 하에 86℃에서 증류시키고, 99% 초과로 순수한 생성물 79 g을 수집하였다.
실시예 3: (SiH3)2N-SiH2-Br 및 (SiH3)2N-SiH2-N(SiH3)2의 합성
(SiH3)2N-SiH2-Br 및 (SiH3)2N-SiH2-N(SiH3)2는 SnBr4를 TSA와 반응시킴으로써 수득될 수 있다: SnBr4 + H3SiN(SiH3)2 = BrH2SiN(SiH3)2 + (SiH3)2N-SiH2-N(SiH3)2 + SnBr2 + HBr. 그런 다음, 상기 반응의 부산물인 HBr을 출발 물질 TSA와의 반응에 의해 제거할 수 있으며, 즉, N(SiH3)3 + 4HBr = NH4Br + 3BrSiH3이다. 합성 공정은 하기와 같다.
PTFE-코팅된 자기 교반 에그를 가진 둥근 바닥 플라스크에 화학양론적 과량의 TSA를 충전하였다. 필요하다면, TSA를 첨가하기 전에, 용매(예, 도데칸) 및 HBr 스캐빈저(예, 트리부틸아민)를 플라스크에 첨가하였다. 플라스크에는 콜드 핑거 축합기 또는 증류 헤드가 갖추어졌다. 액체 첨가 깔때기를 플라스크에 부착하고, 용매(예, 아니솔 또는 도데칸) 중 SnBr4 용액을 충전하였다. 그런 다음, 플라스크를 냉각시킬 수 있으며, SnBr4 용액을 플라스크에 적가하였다. HBr이 형성되므로 이를 제거하기 위해, 플라스크의 헤드스페이스를 질소 대기압 하에 또는 감압에서 유지시킬 수 있다.
첨가를 완료한 후, 트랩(들)을 통해 진공을 당김으로써 휘발성 생성물을 수집할 수 있다. 그런 다음, 수집된 휘발성 생성물을 GCMS에 의해 분석할 수 있다. TSA를 SnBr4로 처리하였을 때 (SiH3)2N(SiH2Br) 및 (SiH3)2N(SiH2N(SiH3)2)가 형성된 것을 발견하였다. 하기 부산물을 또한, 확인하였다: 실란, 브로모실란, 다이브로모트리실릴아민. 용매 및 미반응 SnBr4(일부 경우)가 또한, 발견되었다.
생성된 (SiH3)2N-SiH2-N(SiH3)2는 실온(약 22℃)에서 액체였으며, 용융점은 약 -106℃이고 비점은 약 131℃이었다. 증기압은 27℃에서 약 8 hPa인 것으로 계산되었다.
비교예 1
DNF Co., Ltd.의 WO2015/190749에서, 실시예 1은 n-펜탄 중 클로로다이메틸실란[Me2HSiCl]을 NH3와 반응시켜 테트라메틸다이실라잔[(Me2SiH)2NH]을 형성함으로써 다이메틸아미노다이메틸실릴 비스다이메틸실릴 아민[(Me2SiH)2NSiMe2(NMe2)]의 합성을 개시하고 있다. 그런 다음, 테트라메틸다이실라잔을 n-헥산 용매 중 n-BuLi와 반응시켜, (Me2SiH)2N-Li를 형성한다. 그런 다음, 클로로다이메틸 다이메틸아미노실란[ClSiMe2(NMe2)]을 혼합물에 첨가하여, (Me2SiH)2NSiMe2(NMe2) 생성물을 형성한다.
당업자는, 실시예 1에 기술된 합성 방법이 (SiH3)2N-모이어티를 포함하는 본원에 개시된 분자를 생성하는 데 적합하지 않을 것임을 인지할 것이다. DNF의 제안된 합성 방법은 아민 (SiH3)2NH을 합성 및 단리하고, 후속해서 이를 액체상에서 강염기인 tBuLi로 처리하는 것을 필요로 할 것이다. 문헌에서, (SiH3)2NH 아민이 이의 기체상에서 제조 및 취급될 수 있으나, 액체상에서 안정하지 않고 심지어 0℃에서 분해되는 것으로 잘 알려져 있다. 예를 들어, 문헌[Silicon-nitrogen compounds. VI. Preparation and properties of disilazane"; Aylett, Bernard J.; Hakim, M. J.; Journal of the Chemical Society [Section] A: Inorganic, Physical, Theoretical, 1969, 4, 639-642]을 참조한다. 보다 특히, (SiH3)2NH는 약염기, 예컨대 액체 NH3의 존재 하에 신속하게 불균형을 이룬다. 따라서, 당업자는, 훨씬 더 강한 염기, 예컨대 tBuLi가 보다 더 신속한 불균형을 유발할 것임을 인지할 것이다. 상동. 그 결과, 당업자는 필요한 (SiH3)2NLi 중간 염의 합성에서 성공을 예상하지 않을 것이며, 이러한 중간 염은 합성의 다음 단계에 필수적이다.
WO2015/190749의 실시예 1에 기술된 식 (SiHR2)2NH를 가진 아민의 제조 방법은 화학양론적 양에서 클로로실란 SiHR2Cl과 NH3의 반응을 시사한다. SiH3X(X는 Cl, Br, I임)의 경우, Stock 등은 이러한 방법에 의해서는 기체성 (SiH3)2NH를 단리할 수 없음을 보고하였으며, 그 이유는 반응이 비스-치환된 생성물에서 중단되지 않았고 트리스-치환된 아민 (SiH3)3N을 형성하였기 때문이다. 예를 들어, 문헌[Stock, A. and Somieski, C.; Chem . Ber., 1921, 54B, 740]을 참조한다. 각각의 실리콘 원자에 1개 초과의 하이드라이드를 가진 리튬 실릴아미드의 형성을 기술하고 있는 임의의 참조가 완전히 없는 상황에서 전술한 주장들 모두는, (SiH3)2N-포함 아미노실란 또는 (SiH2R)2N-포함 아미노실란을 WO2015/190749에 기술된 합성 경로에 의해 제조하는 것이 실현 불가능함을 입증한다.
이와는 대조적으로, 실시예 1 내지 실시예 3에 나타난 바와 같이, 출원인은 (SiH3)2N-SiH2Cl을 출발 물질로서 사용함으로써, 개시된 (SiH3)2N-포함 화합물을 성공적으로 합성하였다.
실시예 4
하기 PEALD 시험을, 4" 웨이퍼와 함께 Picosun R200 PEALD 8" 증착 툴을 사용하여 수행하였다. 모노-치환된 TSA 전구체의 증기를 도 3에 나타낸 바와 같이 Picosun 툴에 전달하였다.
ALD 시험을, 70℃까지 가열된 앰플에 위치한 (SiH3)2N-SiH2-NiPr2를 실리콘-포함 필름 형성 조성물(10)로서 사용하고 O2 플라즈마를 산화 반응물로서 사용함으로써 수행하였다. 전형적인 ALD 조건을 사용하였으며, 반응기(50) 압력은 약 9 hPa(1 hPa=100 Pa=1 mbar)에서 고정되었다. 2개의 0.1초 펄스의 전구체 증기를, 3-웨이 공압 밸브(pneumatic valve)(51)를 사용하여 앰플 내 과압을 통해 증착 챔버 내에 도입하였다. 0.1초 펄스들을 0.5초 포즈(pause)에 의해 분리하였다. 4초 N2 퍼징은 임의의 과량의 전구체를 제거하였다. 16초 플라즈마 O2 펄스 후, 3초 N2 퍼징이 후속되었다. 300 옹스트롬의 최소 두께가 수득될 때까지, 공정을 반복하였다. 70℃, 150℃ 및 300℃까지 가열된 기판을 이용하여 증착을 수행하였다. 실제(real) 자가-제한된 ALD 성장 거동을, 주어진 사이클 내의 전구체 펄스의 수를 증가시킴으로써 도 4에 나타낸 바와 같이 입증하였다.
ALD 시험을 또한, 60℃까지 가열된 앰플에 위치한 선행 기술의 SiH2(NEt2)2 전구체를 Si-포함 필름 형성 조성물(10)로서 사용하고 O2 플라즈마를 산화 반응물로서 사용함으로써 수행하였다. 출원인은, SiH2(NEt2)2가 현재 몇몇 상업적인 공정에서 SiO2를 증착시키는 데 사용된다고 여긴다. 전형적인 ALD 조건을 사용하였으며, 반응기 압력은 약 9 hPa(1 hPa=100 Pa=1 mbar)에서 고정되었다. 2개의 0.1초 펄스의 전구체 증기를, 3-웨이 공압 밸브를 사용하여 앰플 내 과압을 통해 증착 챔버 내에 도입하였다. 0.1초 펄스들을 0.5초 포즈에 의해 분리하였다. 4초 N2 퍼징은 임의의 과량의 전구체를 제거하였다. 16초 플라즈마 O2 펄스 후, 3초 N2 퍼징이 후속되었다. 300 옹스트롬의 최소 두께가 수득될 때까지, 공정을 반복하였다. 70℃, 150℃, 200℃ 및 300℃에서 증착을 수행하였다. 도 5에 나타낸 바와 같이, 1개 사이클 당 성장은 온도가 증가함에 따라 감소하였다.
표 1은 그 결과를 요약한 것이다:
SiH2(NEt2)2 (SiH3)2N-SiH2-NiPr2
성장 속도 70℃1 1.42 옹스트롬/사이클 3.10 옹스트롬/사이클
성장 속도 300℃1 0.98 옹스트롬/사이클 2.05 옹스트롬/사이클
습식 에칭률 70℃2 9.4 옹스트롬/초 8.8 옹스트롬/초
습식 에칭률 150℃2 7.2 옹스트롬/초 6.7 옹스트롬/초
습식 에칭률 300℃2 6.6 옹스트롬/초 6.7 옹스트롬/초
굴절률 70℃3 1.432 1.460
원자 % 탄소 70℃4 0.05% TBD
원자 % 탄소 150℃4 0.045% 0.015% 내지 0.03%
원자 % 수소 150℃4 약 10% 약 10%
원자 % 질소 150℃4 0.015% 0.1%
웨이퍼 내 불균일성5 2.84% 2.90%
1 언급된 온도에서 증착된 필름에 대한 성장 속도
2 언급된 온도에서 증착된 필름의 0.1% v/v HF(엘립소메트리(ellipsometry)에 의해 확인됨)를 사용한 습식 에칭률
3 70℃에서 증착된 필름에 대한 굴절률
4 2차 이온 질량 분석법(SIMS)에 의해 확인된 바와 같이, 언급된 온도에서 증착된 필름 내의 원자 백분율. 당업자가 인지할 바와 같이, SIMS에 의해 측정 시, 수소 함량은 불확실성(uncertainty)을 받는다.
5 6인치 실리콘 웨이퍼에 걸쳐 엘립소미터(ellipsometer)에 의해 확인된 바와 같이, 200℃에서 증착된 필름의 웨이퍼 내 불균일성. 이러한 파라미터는 최적화되지 않았으며, 보다 양호한 균일성은 공업적인 툴로부터 예상될 것이다.
알 수 있는 바와 같이, (SiH3)2N-SiH2-NiPr2에 의해 생성된 필름에 대한 성장 속도는 70℃ 내지 300℃ 둘 다에서 SiH2(NEt2)2보다 훨씬 더 양호하다. 70℃에서, (SiH3)2N-SiH2-NiPr2는 SiH2(NEt2)2보다 훨씬 더 양호한 습식 에칭률 및 굴절률을 가지며, 이는 둘 다 훨씬 더 양호하고 밀도가 더 높은 옥사이드 필름의 형성을 가리킨다.
실시예 5
N-도핑된 실리콘 옥사이드를 증착시키기 위한 ALD 시험을, 70℃까지 가열된 앰플에 위치한 (SiH3)2N-SiH2-NiPr2를 사용하고 O2 플라즈마를 산화 반응물로서 사용하고 NH3 플라즈마를 부가적인 반응물로서 사용함으로써 수행하였다. 전형적인 ALD 조건을 사용하였으며, 반응기 압력은 약 9 hPa에서 고정되었다. 2개의 0.1초 펄스의 전구체 증기를, 3-웨이 공압 밸브를 사용하여 앰플 내 과압을 통해 증착 챔버 내에 도입하였다. 0.1초 펄스들을 0.5초 포즈에 의해 분리하였다. 4초 N2 퍼징은 임의의 과량의 전구체를 제거하였다. 16초 플라즈마 O2 펄스 후, 3초 N2 퍼징이 후속되었다. 2개의 0.1초 펄스의 전구체 증기를, 3-웨이 공압 밸브를 사용하여 앰플 내 과압을 통해 증착 챔버 내에 도입하였다. 0.1초 펄스들을 0.5초 포즈에 의해 분리하였다. 4초 N2 퍼징은 임의의 과량의 전구체를 제거하였다. 11초 플라즈마 NH3 펄스 후, 3초 퍼징이 후속되었다. 두께가 적어도 300 옹스트롬에 도달할 때까지, 전체 공정(전구체 - 플라즈마 O2 - 전구체 - 플라즈마 NH3)을 반복하였다. 증착을 150℃에서 수행하였다.
생성된 SiO2 필름은 0.1% v/v HF(엘립소메트리에 의해 확인됨)를 사용한 경우 습식 에칭률이 3.2 옹롬/초이었으며, N 농도는 약 1%였다. 이러한 낮은 에칭률은, ALD-증착 실리콘 옥사이드 필름이 마스크로서 사용되는 경우, 트랜스퍼층에서 낮은 에지 거칠기(edge roughness)가 가능하도록 스페이서-기재 더블 패턴화에 유익한 것으로 확인된다. 당업자는, 수득된 필름 내 질소 함량에 대한 산소 함량이, O-포함 반응물 펄스 및 N-포함 반응물 펄스의 수, 순서 및/또는 기간을 조정함으로써 맞춰질 수 있음을 인지할 것이다. 출원인은, SiO2 필름 내 약 0.5 원자% 내지 약 5 원자%의 N 농도가 스페이서-한정 패턴화 적용에 유익한 것으로 여긴다.
실시예 6
ALD 시험을, 26℃까지 가열된 앰플에 위치한 (SiH3)2N-SiH2-N(SiH3)2를 사용하고 O2 플라즈마를 산화 반응물로서 사용함으로써 수행하였다. 전형적인 ALD 조건을 사용하였으며, 반응기 압력은 약 9 hPa에서 고정되었다. 3개의 0.1초 펄스의 전구체 증기를, 3-웨이 공압 밸브를 사용하여 앰플 내 과압을 통해 증착 챔버 내에 도입하였다. 0.1초 펄스들을 0.5초 포즈에 의해 분리하였다. 4초 N2 퍼징은 임의의 과량의 전구체를 제거하였다. 16초 플라즈마 O2 펄스 후, 3초 N2 퍼징이 후속되었다. 두께가 적어도 300 옹스트롬에 도달할 때까지, 전체 공정(전구체 - 플라즈마 O2 -)을 반복하였다. 도 6에 나타낸 바와 같이, 1개 사이클 당 성장은 증착 온도를 150℃로부터 300℃까지 증가시킴에 따라 증가하였다. 도 6은 또한, 5개의 0.1초 펄스 대(versus) 3개의 0.1초 펄스의 1개 사이클 당 성장을 비교한 결과를 보여준다. 둘 다 약 0.6 A/사이클이었으며, 이는 참(true) ALD 포화를 가리키며, 그 이유는 5개의 펄스들을 통해 도입된 보다 많은 양의 전구체가 3개의 펄스들에 의해 생성된 필름보다 더 높은 성장 속도를 초래하지 않기 때문이다.
성장 속도는 150℃에서 약 0.58 옹스트롬/사이클이었으며, 굴절률이 1.45인 필름이 수득되었다. 비교를 위해, 유사한 조건에서 순수한 TSA를 사용하여 ALD에 의해 SiO2 필름을 성장시키려는 시도로는 임의의 필름이 수득되지 않았으며, 따라서, 표면 하이드록실기와의 반응성을 증강시키기 위한 화학적 관능화의 이득을 입증하였다.
실시예 7
ALD 시험을, 70℃까지 가열된 앰플에 위치한 (SiH3)2N-SiH2-NEt2를 실리콘-포함 필름 형성 조성물(10)로서 사용하고 O2 플라즈마를 산화 반응물로서 사용함으로써 수행하였다. 전형적인 ALD 조건을 사용하였으며, 반응기(50) 압력은 약 9 hPa(1 hPa=100 Pa=1 mbar)에서 고정되었다. 2개의 0.1초 펄스의 전구체 증기를, 3-웨이 공압 밸브(51)를 사용하여 앰플 내 과압을 통해 증착 챔버 내에 도입하였다. 펄스들을 0.5초 포즈에 의해 분리하였다. 4초 N2 퍼징은 임의의 과량의 전구체를 제거하였다. 16초 플라즈마 O2 펄스 후, 3초 N2 퍼징이 후속되었다. 300 옹스트롬의 최소 두께가 수득될 때까지, 공정을 반복하였다. 150℃까지 가열된 기판을 이용하여 증착을 수행하였다. 자가-제한된 ALD 성장 거동을, 1개 사이클 당 0.4초보다 긴 누적 개방 시간(cumulative opening time)에 도달하도록 전구체 펄스의 수를 증가시킴으로써 도 7에 나타낸 바와 같이 확인하였다.
실시예 4에서와 같이, 150℃에서 (SiH3)2N-SiH2-NEt2에 의해 생성된 필름에 대한 약 3.0 Å/사이클의 성장 속도는 각각 70℃ 및 300℃에서 SiH2(NEt2)2에 의해 생성된 필름들의 1.42 Å/사이클 및 0.98 Å/사이클보다 훨씬 더 양호하다.
실시예 8
ALD 시험을, 30℃까지 가열된 앰플에 위치한 (SiH3)2N-SiH2-Cl을 실리콘-포함 필름 형성 조성물(10)로서 사용하고 O2 플라즈마를 산화 반응물로서 사용함으로써 수행하였다. 분자량이 141.78인 (SiH3)2N-SiH2-Cl 기체는 실온 및 표준 압력에서 액체이고, 표준 압력에서 약 83℃ 내지 약 85℃의 비점을 가진다.
전형적인 ALD 조건을 사용하였으며, 반응기(50) 압력은 약 9 hPa(1 hPa=100 Pa=1 mbar)에서 고정되었다. 2개의 0.1초 펄스의 전구체 증기를, 3-웨이 공압 밸브(51)를 사용하여 앰플 내 과압을 통해 증착 챔버 내에 도입하였다. 0.1초 펄스들을 0.5초 포즈에 의해 분리하였다. 4초 N2 퍼징은 임의의 과량의 전구체를 제거하였다. 16초 플라즈마 O2 펄스 후, 3초 N2 퍼징이 후속되었다. 300 옹스트롬의 최소 두께가 수득될 때까지, 공정을 반복하였다. 100℃, 150℃, 200℃, 250℃ 및 300℃까지 가열된 기판을 이용하여 증착을 수행하였다. 도 8에 도시된 바와 같이, 1개 사이클 당 성장은 증착 온도가 100℃부터 300℃까지 증가함에 따라 꾸준한 채로 유지되었다(즉, 약 2 Å/사이클).
생성된 실리콘 옥사이드 필름을 다수의 온도들에서 높은 증착 속도(약 2Å/사이클)에서 증착시켰다. 이들 결과는, 반응기 내 온도 구배로 인해 온도 균일성이 기판(즉, 큰 기판에 대해)에 걸쳐 유지하기 어렵거나 하나의 기판에서 또 다른 기판에 대해 유지하기 어려운 경우, 유익하다.
필름의 평균 두께는 또한, 웨이퍼에 걸쳐 균일하였다. 표 2는 수득된 필름 균일성을 요약한 것이다. 이들 결과는 극도로 양호한 필름 균일성을 보여준다.
실험 수
(공정 조건)		 증착 온도
(℃)		 평균 두께 (Å) 불균일성1 (%) σ2 3 σ/평균 (%)
1272 (1 x 0.1 s) 100 321 1.04 1.66 1.56
1256 (2 x 0.1 s) 100 329 1.07 1.59 1.45
1271 (3 x 0.1 s) 100 323 0.93 1.34 1.24
1252 (1 x 0.1 s) 150 590 1.30 4.45 2.26
1253 (2 x 0.1 s) 150 585 1.96 6.61 3.39
1267 (1 x 0.1 s) 200 319 0.66 1.09 1.03
1273 (2 x 0.1 s) 200 325 1.15 1.94 1.79
1268 (3 x 0.1 s) 200 324 1.15 2.01 1.87
1263 (1 x 0.1 s) 250 362 0.74 1.37 1.13
1265 (2 x 0.1 s) 250 317 0.88 1.27 1.20
1 % 불균일성 = [(최대 두께 - 최소 두께)/(2x 평균)] x 100
2 σ = 표준 편차
실시예 9
열적 저압 CVD 시험을, 1 torr, 550℃에서, 전구체 : NH3의 비율 1:20에서, (SiH3)2N-SiH2-Cl 및 NH3를 사용하여 수행하였다. 도 9는 생성된 필름의 조성을 보여주는 X-선 광전자 분광법(XPS) 그래프이다. Cl은 분석기의 검출 한계 미만(약 1 원자% 미만)이었다. 증착 속도는 10 Å/분이었고, 수득된 필름의 굴절률(RI)은 2.1이었다. 비교를 위해, TSA와 동일한 조건에서 수득된 필름은 2.2의 RI(실리콘 풍부) 및 유사한 증착 속도를 가졌다. 생성된 필름은 매우 낮은 에칭률(20 Å/분 미만)을 가졌으며, 이는 반도체 집적 도식에서 유익하다.
실시예 10
PE-ALD 시험을, 150 mm 웨이퍼를 사용하여 실시예 4 내지 실시예 8(즉, CN1 원자 프리미엄 증기 증착 장치)에서 수행된 ALD 시험과 상이한 ALD 툴 상에서 250℃에서 수행하였다. 25 W 및 100 W에서 (SiH3)2N-SiH2-Cl (TSA-Cl) 및 플라즈마 N2를 사용하여, SiN 필름을 증착시켰다.
도 10에 도시된 바와 같이, 생성된 필름은 BDEAS(비스(다이에틸아미노)실란), TSA 및 참조 열적 옥사이드(Th-ox)와 비교하여 매우 낮은 습식 에칭률을 나타내었다. 에칭률은 열적으로 성장된 실리콘 다이옥사이드(열적 옥사이드 또는 Th-ox)의 표준 습식 에칭과 비교하여 기술되어 있다.
25 W를 사용하여 TSA 및 TSA-Cl에 의해 생성된 SiN 필름은 참조 물질 Th-Ox보다 더 낮은 에칭률을 가졌다. 더 낮은 에칭률은, (동일한 조건 및 파라미터 하에) Th-Ox보다 TSA 및 TSA-Cl에 의해 생성된 SiN 필름으로부터 더 적은 물질 두께가 제거됨을 의미한다. 100 W에서, TSA-Cl에 의해 생성딘 SiN 필름의 에칭률은 Th-Ox와 매우 근접한 결과를 생성한다.
도 11a 및 도 11b는 5:1의 형상비를 가진 2개의 바이어스(vias) 사이에 위치한 구조 상에 증착된 SiN 필름의 양호한 단계 커버리지 및 정형성(conformality)을 보여주는 주사 전자 현미경(SEM) 이미지이다.
실시예 11
도 12a 및 도 12b는 100℃에서, 1분 당 60 사이클에서 TSA-NiPr2 / O2 플라즈마와 함께 공간 ALD에 의해 수득된 실리콘 옥사이드 필름을 보여주는 SEM 이미지이며, 이는, 22:1의 높은 형상비 구조에서 완벽한 단계 커버리지를 가리킨다. 대비 증강을 위해, 또렷한 기저 Ta2O5 층이 첨가되었다. 사진들은 트렌치 구조의 상부(도 12a) 및 하부(도 12b)에서 촬영된 것이다.
실시예 12
도 13a 및 도 13b는 열적 스크리닝 유닛에서 각각 TSA-NiPr2 및 TSA-NEt2 [(H3Si)2-N-SiH2-NiPr2 및 (H3Si)2-N-SiH2-NEt2]의 열적 안정성을 보여주는 그래프이다. 이러한 측정에서, 밀봉된 검체의 압력은 설정 온도(여기서는 65℃)에서 24시간 동안 지속적으로 측정된다. 유의한 압력 변화의 부재는 생성물 안정성을 가리킨다. 관찰된 P 진동은 여기서 유의미하지 않으며, 최소 T 변량과 연관이 있다.
본 발명의 실시형태들이 나타나 있고 기술되어 있긴 하지만, 본 발명의 사상 또는 교시로부터 벗어나지 않으면서 당업자에 의해 이들의 변형이 이루어질 수 있다. 본원에 기술된 실시형태는 예시적일 뿐, 제한하려는 것이 아니다. 조성물 및 방법의 많은 변화 및 변형들이 가능하며, 본 발명의 범위 내에 포함된다. 이에, 보호 범위는 본원에 기술된 실시형태들에 제한되지 않으나, 후속하는 청구항에 의해서만 제한되며, 청구항의 범위는 청구항의 주제의 모든 등가물들을 포함해야 한다.

Claims (16)

  1. 실리콘-포함 및 질소-포함 필름의 형성 방법으로서,
    모노-치환된 TSA 전구체의 증기 및 질소-포함 반응물을, 기판을 포함하는 반응기 내에 도입함으로써, 기판 상에 실리콘-포함 및 질소-포함 필름을 증착시키는 단계를 포함하며,
    모노-치환된 TSA 전구체는 식 (SiH3)2N-SiH2-X를 가지며,
    상기 식에서,
    X는 할로겐 원자 또는 아미노기 [-NR2]이고,
    R은 각각 독립적으로 H; C1-C6 하이드로카르빌기; 또는 실릴기 [SiR'3]로 이루어진 군으로부터 선택되며,
    R'는 각각 독립적으로 H 또는 C1-C6 하이드로카르빌기로부터 선택되는, 실리콘-포함 및 질소-포함 필름의 형성 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    X가 Cl, Br 또는 I인, 실리콘-포함 및 질소-포함 필름의 형성 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    X가 Cl인, 실리콘-포함 및 질소-포함 필름의 형성 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    X가 NiPr2인, 실리콘-포함 및 질소-포함 필름의 형성 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    X가 NEt2인, 실리콘-포함 및 질소-포함 필름의 형성 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    X가 N(SiH3)2인, 실리콘-포함 및 질소-포함 필름의 형성 방법.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    질소-포함 반응물이 암모니아, N2, N 원자, N 라디칼, N 이온, 포화 또는 불포화 하이드라진, 아민, 다이아민, 에탄올아민 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는, 실리콘-포함 및 질소-포함 필름의 형성 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    질소-포함 반응물이 NH-3인, 실리콘-포함 및 질소-포함 필름의 형성 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    모노-치환된 TSA 전구체 및 질소-포함 반응물이 반응기 내에 동시에 도입되는, 실리콘-포함 및 질소-포함 필름의 형성 방법.
  10. 제7항에 있어서,
    질소-포함 반응물이 플라즈마 N2인, 실리콘-포함 및 질소-포함 필름의 형성 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    모노-치환된 TSA 전구체 및 질소-포함 반응물이 반응기 내에 순차적으로 도입되는, 실리콘-포함 및 질소-포함 필름의 형성 방법.
  12. ALD 실리콘 니트라이드 필름의 형성 방법으로서,
    모노-치환된 TSA 전구체의 증기 및 질소-포함 반응물을, 기판을 포함하는 반응기 내에 순차적으로 도입함으로써, 열적으로 성장된(thermally grown) 실리콘 다이옥사이드로 정상화된(normalized) 0.1% w/w HF로부터 에칭률을 약 0.7 내지 약 3.5로 가진 실리콘 니트라이드 필름을 기판 상에 증착시키는 단계를 포함하며,
    모노-치환된 TSA 전구체는 식 (SiH3)2N-SiH2-X를 가지며,
    상기 식에서,
    X는 할로겐 원자 또는 아미노기 [-NR2]이고,
    R은 각각 독립적으로 H 또는 C1-C6 하이드로카르빌기로 이루어진 군으로부터 선택되는, ALD 실리콘 니트라이드 필름의 형성 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    질소-포함 반응물이 암모니아, N2, N 원자, N 라디칼, N 이온, 포화 또는 불포화 하이드라진, 아민, 다이아민, 에탄올아민 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는, ALD 실리콘 니트라이드 필름의 형성 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    질소-포함 반응물이 플라즈마 N2인, ALD 실리콘 니트라이드 필름의 형성 방법.
  15. 제12항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
    X가 Cl, Br 또는 I인, ALD 실리콘 니트라이드 필름의 형성 방법.
  16. 제12항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
    X가 Cl인, ALD 실리콘 니트라이드 필름의 형성 방법.
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