KR20200019608A - 금속 알콕사이드 화합물, 박막 형성용 원료 및 박막의 제조 방법 - Google Patents

금속 알콕사이드 화합물, 박막 형성용 원료 및 박막의 제조 방법 Download PDF

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KR20200019608A
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마사코 하타세
나나 오카다
아키히로 니시다
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가부시키가이샤 아데카
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Abstract

본 발명은, 하기 일반식 (1) 로 나타내는 금속 알콕사이드 화합물:
Figure pct00042

(식 중, R1 및 R2 는, 각각 독립적으로 탄소 원자수 1 ∼ 4 의 알킬기를 나타내고, R3 은, 탄소 원자수 2 또는 3 의 알킬기를 나타내고, M 은, 스칸듐 원자, 이트륨 원자, 란탄 원자, 세륨 원자, 프라세오디뮴 원자, 네오디뮴 원자, 프로메튬 원자, 사마륨 원자, 유로퓸 원자, 가돌리늄 원자, 테르븀 원자, 디스프로슘 원자, 홀뮴 원자, 에르븀 원자, 툴륨 원자, 이테르븀 원자 또는 루테튬 원자를 나타내고, n 은, M 으로 나타내는 원자의 가수를 나타낸다.)
을 제공하는 것에 있다.

Description

금속 알콕사이드 화합물, 박막 형성용 원료 및 박막의 제조 방법
본 발명은, 특정 이미노알코올을 배위자로서 갖는 금속 알콕사이드 화합물, 그 화합물을 함유하여 이루어지는 박막 형성용 원료 및 그 박막 형성용 원료를 사용한 금속 함유 박막의 제조 방법에 관한 것이다.
원소의 주기표에 있어서 제 3 족의, 스칸듐 (Sc), 이트륨 (Y), 및 란탄 (La) 부터 루테튬 (Lu) 까지의 란타노이드를, 희토류 원소라고 총칭하고 있고, 이들 희토류 원소는, 일렉트로닉스나 옵트로닉스 분야에서 중요한 원소이다. 이트륨은, Y-B-C 계 초전도체의 주요 구성 원소이다. 란탄은, 강유전체 PLZT 의 주요 구성 원소이다. 또, 대부분의 란타노이드 원소는, 발광 재료 등으로서 기능성 부여를 위한 첨가제로서 사용된다.
이와 같은 원소를 포함하는 박막의 제조법으로서, 스퍼터링법, 이온 플레이팅법, 도포 열분해법이나 졸겔법 등의 MOD 법, 화학 기상 성장법 등을 들 수 있지만, 조성 제어성, 단차 피복성이 우수한 점, 양산화에 적절한 점, 하이브리드 집적이 가능하다는 등 많은 장점을 가지고 있으므로, ALD (Atomic Layer Deposition) 법을 포함하는 화학 기상 성장 (이하, 간단히 「CVD」라고 기재하는 경우도 있다) 법이 최적의 제조 프로세스이다.
화학 기상 성장법에 사용되는 금속 공급원으로서, 여러 가지 원료가 다수 보고되어 있지만, 예를 들어, 특허문헌 1 에는, 박막 형성용 원료로서 사용할 수 있는 금속 알콕사이드 화합물이 개시되어 있다. 또, 특허문헌 2 에는, ALD 법에 있어서의 박막 형성용 원료로서 유용한 알콕사이드 화합물이 개시되어 있고, 본 발명의 화합물을 포괄하는 일반식이 개시되어 있다. 그러나, 특허문헌 2 는, 본 발명의 금속 알콕사이드 화합물이 구체적으로 예시된 것이 아니고, 하물며, 본 발명의 금속 알콕사이드 화합물이 발휘하는 특이적으로 양호한 효과에 대해서 개시도 시사도 되어 있지 않다.
WO2014/077089 일본 공개특허공보 2015-205837
화학 기상 성장용 원료 등을 기화시켜 기재 표면에 금속을 함유하는 박막을 형성하는 경우, 증기압이 높고, 융점이 낮고, 고품질인 금속 함유 박막을 제조할 수 있는 박막 형성용 재료가 요구되고 있다. 종래 알려진 박막 형성용 재료에는, 이와 같은 물성을 나타내는 것은 없었다. 그 중에서도, 생산성을 향상시키기 위해서는, 수송성을 높일 필요가 있는 점에서, 융점이 낮은 재료가 강하게 요구되고 있었다.
따라서, 본 발명의 목적은, 증기압이 높고, 종래 알려진 화합물보다 융점이 낮은 금속 알콕사이드 화합물, 이것을 함유하여 이루어지는 박막 형성용 원료, 및 그 원료를 사용하여 금속을 함유하는 박막을 형성하기 위한 박막의 제조 방법을 제공하는 것에 있다.
본 발명자는, 검토를 거듭한 결과, 특정 금속 알콕사이드 화합물이 상기 과제를 해결할 수 있는 것을 지견하여, 본 발명에 도달하였다.
즉, 본 발명은, 하기 일반식 (1) 로 나타내는 금속 알콕사이드 화합물, 이것을 함유하여 이루어지는 박막 형성용 원료, 및 그 원료를 사용하여 금속을 함유하는 박막을 형성하는 박막의 제조 방법을 제공하는 것이다 :
[화학식 1]
Figure pct00001
(식 중, R1 및 R2 는, 각각 독립적으로 탄소 원자수 1 ∼ 4 의 알킬기를 나타내고, R3 은, 탄소 원자수 2 또는 3 의 알킬기를 나타내고, M 은, 스칸듐 원자, 이트륨 원자, 란탄 원자, 세륨 원자, 프라세오디뮴 원자, 네오디뮴 원자, 프로메튬 원자, 사마륨 원자, 유로퓸 원자, 가돌리늄 원자, 테르븀 원자, 디스프로슘 원자, 홀뮴 원자, 에르븀 원자, 툴륨 원자, 이테르븀 원자 또는 루테튬 원자를 나타내고, n 은, M 으로 나타내는 원자의 가수를 나타낸다.)
본 발명에 의하면, 증기압이 높고, 종래 알려진 화합물보다 융점이 낮은 금속 알콕사이드 화합물을 얻을 수 있다. 본 발명의 금속 알콕사이드 화합물은, CVD 법에 의한 금속 박막 형성용의 박막 형성용 원료로서 특히 적합하고, 그 중에서도 ALD 법에 의한 금속 박막 형성용의 박막 형성용 원료로서 바람직하게 사용할 수 있다.
도 1 은 본 발명에 관련된 금속을 함유하는 박막의 제조 방법에 사용되는 화학 기상 성장용 장치의 일례를 나타내는 개요도이다.
도 2 는 본 발명에 관련된 금속을 함유하는 박막의 제조 방법에 사용되는 화학 기상 성장용 장치의 다른 일례를 나타내는 개요도이다.
도 3 은 본 발명에 관련된 금속을 함유하는 박막의 제조 방법에 사용되는 화학 기상 성장용 장치의 다른 일례를 나타내는 개요도이다.
도 4 는 본 발명에 관련된 금속을 함유하는 박막의 제조 방법에 사용되는 화학 기상 성장용 장치의 다른 일례를 나타내는 개요도이다.
본 발명의 금속 알콕사이드 화합물은, 상기 일반식 (1) 로 나타내는 것이며, CVD 법 등의 기화 공정을 갖는 박막 제조 방법의 프리커서로서 바람직한 것이며, ALD 법에 적용할 수 있는 프리커서인 점에서, 특히, ALD 법에 사용되는 프리커서로서 바람직한 것이다.
상기 일반식 (1) 에 있어서, R1 및 R2 는, 각각 독립적으로 탄소 원자수 1 ∼ 4 의 알킬기를 나타내고, R3 은, 탄소 원자수 2 또는 3 의 알킬기를 나타내고, M 은, 스칸듐 원자, 이트륨 원자, 란탄 원자, 세륨 원자, 프라세오디뮴 원자, 네오디뮴 원자, 프로메튬 원자, 사마륨 원자, 유로퓸 원자, 가돌리늄 원자, 테르븀 원자, 디스프로슘 원자, 홀뮴 원자, 에르븀 원자, 툴륨 원자, 이테르븀 원자 또는 루테튬 원자를 나타내고, n 은, M 으로 나타내는 원자의 가수를 나타낸다.
상기 일반식 (1) 에 있어서, R1 및 R2 로 나타내는 탄소 원자수 1 ∼ 4 의 알킬기로는, 예를 들어, 메틸, 에틸, 프로필, 이소프로필, 부틸, 이소부틸, 제 2 부틸, 제 3 부틸 등을 들 수 있다. R3 으로 나타내는 탄소 원자수 2 또는 3 의 알킬기로는, 에틸, 프로필 및 이소프로필을 들 수 있다. n 은, M 으로 나타내는 원자의 가수를 나타낸다. 상기 일반식 (1) 에 있어서 M 으로 나타내는 금속 원자는 다양한 가수인 것이 알려져 있지만, 그 중에서도 안정적인 가수로는, 예를 들어, M 이 유로퓸 원자 또는 이테르븀 원자인 경우의 n 은 2 이며, M 이 스칸듐 원자, 이트륨 원자, 란탄 원자, 프라세오디뮴 원자, 네오디뮴 원자, 프로메튬 원자, 사마륨 원자, 가돌리늄 원자, 테르븀 원자, 디스프로슘 원자, 홀뮴 원자, 에르븀 원자, 툴륨 원자, 또는 루테튬 원자인 경우의 n 은 3 이며, M 이 세륨인 경우의 n 은 4 인 경우를 들 수 있다.
상기 일반식 (1) 로 나타내는 금속 알콕사이드 화합물은 광학 활성을 갖는 경우가 있지만, 본 발명의 금속 알콕사이드 화합물은 특별히 R 체, S 체에 의해 구별되는 것이 아니고, 그 어느 것이어도 되고, R 체와 S 체의 임의의 비율의 혼합물이어도 된다. 또한, 라세미체는, 제조 비용이 저렴하다.
상기 일반식 (1) 로 나타내는 금속 알콕사이드 화합물을 기화시키는 공정을 갖는 박막의 제조 방법에 사용하는 경우, 증기압이 크고, 융점이 낮은 것이 바람직하다. 그 때문에, 일반식 (1) 의 R1 ∼ R3 은, 구체적으로는, R1 이, 메틸 또는 에틸인 것이 바람직하고, R2 가, 에틸인 것이 바람직하고, R3 이, 에틸 또는 프로필인 것이 바람직하다. 그 중에서도, R1 이 메틸 또는 에틸이고, R2 가 에틸인 금속 알콕사이드 화합물은 증기압이 높고, 융점이 낮은 효과가 높은 점에서 특히 바람직하고, R1 이 메틸 또는 에틸이고, R2 가 에틸이며, R3 이 에틸 또는 프로필인 금속 알콕사이드 화합물은 특히 바람직하다. 또, 금속 알콕사이드 화합물을 기화 공정을 수반하지 않는 MOD 법에 의한 박막의 제조 방법에 사용하는 경우에는, R1 ∼ R3 은, 사용되는 용매에 대한 용해성, 박막 형성 반응 등에 따라 임의로 선택할 수 있다.
본 발명의 금속 알콕사이드 화합물은, 상기 일반식 (1) 로 대표하여 나타내고 있지만, 배위자 중의 말단 도너기가 금속 원자에 배위하여 고리 구조를 형성한 경우, 즉, 하기 일반식 (1-A) 로 나타내는 경우와 구별되는 것이 아니고, 양방을 포함하는 개념이다.
[화학식 2]
Figure pct00002
(식 중, R1 및 R2 는, 각각 독립적으로 탄소 원자수 1 ∼ 4 의 알킬기를 나타내고, R3 은, 탄소 원자수 2 또는 3 의 알킬기를 나타내고, M 은, 스칸듐 원자, 이트륨 원자, 란탄 원자, 세륨 원자, 프라세오디뮴 원자, 네오디뮴 원자, 프로메튬 원자, 사마륨 원자, 유로퓸 원자, 가돌리늄 원자, 테르븀 원자, 디스프로슘 원자, 홀뮴 원자, 에르븀 원자, 툴륨 원자, 이테르븀 원자 또는 루테튬 원자를 나타내고, n 은, M 으로 나타내는 원자의 가수를 나타낸다.)
상기 일반식 (I) 로 나타내는 금속 알콕사이드 화합물의 구체예로는, 화합물 No.1 ∼ 화합물 No.357 을 들 수 있다. 또한, 하기 화학식 중의 「Me」는 메틸기를 나타내고, 「Et」는 에틸기를 나타내고, 「nPr」은 프로필기를 나타내고, 「iPr」은 이소프로필기를 나타낸다.
[화학식 3]
Figure pct00003
[화학식 4]
Figure pct00004
[화학식 5]
Figure pct00005
[화학식 6]
Figure pct00006
[화학식 7]
Figure pct00007
[화학식 8]
Figure pct00008
[화학식 9]
Figure pct00009
[화학식 10]
Figure pct00010
[화학식 11]
Figure pct00011
[화학식 12]
Figure pct00012
[화학식 13]
Figure pct00013
[화학식 14]
Figure pct00014
[화학식 15]
Figure pct00015
[화학식 16]
Figure pct00016
[화학식 17]
Figure pct00017
[화학식 18]
Figure pct00018
[화학식 19]
Figure pct00019
[화학식 20]
Figure pct00020
[화학식 21]
Figure pct00021
[화학식 22]
Figure pct00022
[화학식 23]
Figure pct00023
[화학식 24]
Figure pct00024
[화학식 25]
Figure pct00025
[화학식 26]
Figure pct00026
[화학식 27]
Figure pct00027
[화학식 28]
Figure pct00028
[화학식 29]
Figure pct00029
[화학식 30]
Figure pct00030
[화학식 31]
Figure pct00031
[화학식 32]
Figure pct00032
[화학식 33]
Figure pct00033
[화학식 34]
Figure pct00034
[화학식 35]
Figure pct00035
[화학식 36]
Figure pct00036
본 발명의 금속 알콕사이드 화합물은, 그 제조 방법에 의해 특별히 제한되는 일은 없고, 주지의 반응을 응용하여 제조할 수 있다. 알콕사이드 화합물의 제조 방법으로는, 해당하는 알코올을 사용한 주지 일반의 알콕사이드 화합물의 합성 방법을 응용할 수 있고, 예를 들어, 루테튬알콕사이드 화합물을 제조하는 경우에는, 예를 들어, 루테튬의 할로겐화물, 질산염 등의 무기염 또는 그 수화물과, 해당하는 알코올 화합물을, 나트륨, 수소화나트륨, 나트륨아미드, 수산화나트륨, 나트륨메틸레이트, 암모니아, 아민 등의 염기의 존재하에서 반응시키는 방법 ; 루테튬의 할로겐화물, 질산염 등의 무기염 또는 그 수화물과, 해당하는 알코올 화합물의 나트륨알콕사이드, 리튬알콕사이드, 칼륨알콕사이드 등의 알칼리 금속 알콕사이드를 반응시키는 방법 ; 루테튬의 메톡사이드, 에톡사이드, 이소프로폭사이드, 부톡사이드 등의 저분자 알코올의 알콕사이드 화합물과, 해당하는 알코올 화합물을 교환 반응시키는 방법 ; 루테튬의 할로겐화물, 질산염 등의 무기염과 반응성 중간체를 부여하는 유도체를 반응시켜, 반응성 중간체를 얻고 나서, 이것과 해당하는 알코올 화합물을 반응시키는 방법을 들 수 있다. 반응성 중간체로는, 비스(디알킬아미노)루테튬, 비스(비스(트리메틸실릴)아미노)루테튬, 루테튬의 아미드 화합물 등을 들 수 있다.
다음으로, 본 발명의 박막 형성용 원료란, 상기에서 설명한 본 발명의 금속 알콕사이드 화합물을 박막의 프리커서로 한 것이며, 그 형태는, 그 박막 형성용 원료가 적용되는 제조 프로세스에 따라 상이하다. 예를 들어, 스칸듐 원자, 이트륨 원자, 란탄 원자, 세륨 원자, 프라세오디뮴 원자, 네오디뮴 원자, 프로메튬 원자, 사마륨 원자, 유로퓸 원자, 가돌리늄 원자, 테르븀 원자, 디스프로슘 원자, 홀뮴 원자, 에르븀 원자, 툴륨 원자, 이테르븀 원자 및 루테튬 원자에서 선택되는 적어도 1 종의 원자만을 포함하는 박막을 제조하는 경우, 본 발명의 박막 형성용 원료는, 상기 금속 알콕사이드 화합물 이외의 금속 화합물 및 반금속 화합물을 함유하지 않는다. 한편, 2 종 이상의 금속 및/또는 반금속을 포함하는 박막을 제조하는 경우, 본 발명의 박막 형성용 원료는, 상기 금속 알콕사이드 화합물에 추가하여, 원하는 금속을 포함하는 화합물 및/또는 반금속을 포함하는 화합물 (이하, 다른 프리커서라고도 한다) 을 함유할 수도 있다. 본 발명의 박막 형성용 원료는, 후술하는 바와 같이, 추가로, 유기 용제 및/또는 구핵성 시약을 함유해도 된다. 본 발명의 박막 형성용 원료는, 상기 설명한 바와 같이, 프리커서인 금속 알콕사이드 화합물의 물성이 CVD 법, ALD 법에 바람직하므로, 특히 화학 기상 성장용 원료 (이하, 「CVD 용 원료」라고 하는 경우도 있다) 로서 유용하다.
본 발명의 박막 형성용 원료가 CVD 용 원료인 경우, 그 형태는 사용되는 CVD 법의 수송 공급 방법 등의 수법에 따라 적절히 선택할 수 있다.
상기 수송 공급 방법으로는, CVD 용 원료를 그 원료가 저장되는 용기 (이하, 간단히 「원료 용기」라고 기재하는 경우도 있다) 중에서 가열 및/또는 감압함으로써 기화시켜 증기로 하고, 필요에 따라 사용되는 아르곤, 질소, 헬륨 등의 캐리어 가스와 함께, 그 증기를 기체 (基體) 가 설치된 성막 챔버 내 (이하, 「퇴적 반응부」라고 기재하는 경우도 있다) 로 도입하는 기체 (氣體) 수송법, CVD 용 원료를 액체 또는 용액 상태에서 기화실까지 수송하고, 기화실에서 가열 및/또는 감압함으로써 기화시켜 증기로 하고, 그 증기를 성막 챔버 내로 도입하는 액체 수송법이 있다. 기체 수송법의 경우에는, 상기 일반식 (I) 로 나타내는 금속 알콕사이드 화합물 그 자체를 CVD 용 원료로 할 수 있다. 액체 수송법의 경우에는, 상기 일반식 (I) 로 나타내는 금속 알콕사이드 화합물 그 자체 또는 그 화합물을 유기 용제에 녹인 용액을 CVD 용 원료로 할 수 있다. 이들 CVD 원료는 추가로 다른 프리커서나 구핵성 시약 등을 포함하고 있어도 된다.
또, 다성분계의 CVD 법에 있어서는, CVD 용 원료를 각 성분 독립적으로 기화, 공급하는 방법 (이하, 「싱글 소스법」이라고 기재하는 경우도 있다) 과, 다성분 원료를 미리 원하는 조성으로 혼합한 혼합 원료를 기화, 공급하는 방법 (이하, 「칵테일 소스법」이라고 기재하는 경우도 있다) 이 있다. 칵테일 소스법의 경우, 본 발명의 금속 알콕사이드 화합물과 다른 프리커서의 혼합물 혹은 그 혼합물을 유기 용제에 녹인 혼합 용액을 CVD 용 원료로 할 수 있다. 이 혼합물이나 혼합 용액은 추가로 구핵성 시약 등을 포함하고 있어도 된다. 또한, 프리커서로서 본 발명의 금속 알콕사이드 화합물만을 사용하고, R 체와 S 체를 병용하는 경우에는, R 체를 포함하는 CVD 용 원료와 S 체를 포함하는 CVD 용 원료를 별개로 기화시켜도 되고, 혹은 R 체 및 S 체의 혼합물을 포함하는 CVD 용 원료를 기화시켜도 된다.
상기 유기 용제로는, 특별히 제한을 받지 않고 주지 일반의 유기 용제를 사용할 수 있다. 그 유기 용제로는, 예를 들어, 아세트산에틸, 아세트산부틸, 아세트산메톡시에틸 등의 아세트산에스테르류 ; 테트라하이드로푸란, 테트라하이드로피란, 에틸렌글리콜디메틸에테르, 디에틸렌글리콜디메틸에테르, 트리에틸렌글리콜디메틸에테르, 디부틸에테르, 디옥산 등의 에테르류 ; 메틸부틸케톤, 메틸이소부틸케톤, 에틸부틸케톤, 디프로필케톤, 디이소부틸케톤, 메틸아밀케톤, 시클로헥산온, 메틸시클로헥산온 등의 케톤류 ; 헥산, 시클로헥산, 메틸시클로헥산, 디메틸시클로헥산, 에틸시클로헥산, 헵탄, 옥탄, 톨루엔, 크실렌 등의 탄화수소류 ; 1-시아노프로판, 1-시아노부탄, 1-시아노헥산, 시아노시클로헥산, 시아노벤젠, 1,3-디시아노프로판, 1,4-디시아노부탄, 1,6-디시아노헥산, 1,4-디시아노시클로헥산, 1,4-디시아노벤젠 등의 시아노기를 갖는 탄화수소류 ; 피리딘, 루티딘 등을 들 수 있고, 이들은, 용질의 용해성, 사용 온도와 비점, 인화점의 관계 등에 따라, 단독 또는 2 종 이상의 혼합 용매로서 사용된다. 이들 유기 용제를 사용하는 경우, 프리커서를 유기 용제에 녹인 용액인 CVD 용 원료 중에 있어서의 프리커서 전체의 양이 0.01 ∼ 2.0 몰/리터, 특히, 0.05 ∼ 1.0 몰/리터가 되도록 하는 것이 바람직하다. 프리커서 전체의 양이란, 본 발명의 박막 형성용 원료가, 본 발명의 금속 알콕사이드 화합물 이외의 금속 화합물 및 반금속 화합물을 함유하지 않는 경우, 본 발명의 금속 알콕사이드 화합물의 양이며, 본 발명의 박막 형성용 원료가, 그 금속 알콕사이드 화합물에 추가하여 다른 금속을 포함하는 화합물 및/또는 반금속을 포함하는 화합물을 함유하는 경우, 본 발명의 금속 알콕사이드 화합물 및 다른 프리커서의 합계량이다.
또, 다성분계의 CVD 법의 경우에 있어서, 본 발명의 금속 알콕사이드 화합물과 함께 사용되는 다른 프리커서로는, 특별히 제한을 받지 않고, CVD 용 원료에 사용되고 있는 주지 일반의 프리커서를 사용할 수 있다.
상기 다른 프리커서로는, 알코올 화합물, 글리콜 화합물, β-디케톤 화합물, 시클로펜타디엔 화합물, 유기 아민 화합물 등의 유기 배위자로서 사용되는 화합물로 이루어지는 군에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상과 규소나 금속의 화합물을 들 수 있다. 또, 프리커서의 금속종으로는, 리튬, 나트륨, 칼륨, 마그네슘, 칼슘, 스트론튬, 바륨, 티타늄, 지르코늄, 하프늄, 바나듐, 니오브, 탄탈, 크롬, 몰리브덴, 텅스텐, 망간, 철, 루테늄, 코발트, 로듐, 이리듐, 니켈, 팔라듐, 백금, 동, 은, 금, 아연, 알루미늄, 갈륨, 인듐, 게르마늄, 주석, 납, 안티몬, 비스무트를 들 수 있다.
상기 다른 프리커서의 유기 배위자로서 사용되는 알코올 화합물로는, 메탄올, 에탄올, 프로판올, 이소프로필알코올, 부탄올, 제 2 부틸알코올, 이소부틸알코올, 제 3 부틸알코올, 펜틸알코올, 이소펜틸알코올, 제 3 펜틸알코올 등의 알킬알코올류 ; 2-메톡시에탄올, 2-에톡시에탄올, 2-부톡시에탄올, 2-(2-메톡시에톡시)에탄올, 2-메톡시-1-메틸에탄올, 2-메톡시-1,1-디메틸에탄올, 2-에톡시-1,1-디메틸에탄올, 2-이소프로폭시-1,1-디메틸에탄올, 2-부톡시-1,1-디메틸에탄올, 2-(2-메톡시에톡시)-1,1-디메틸에탄올, 2-프로폭시-1,1-디에틸에탄올, 2-s-부톡시-1,1-디에틸에탄올, 3-메톡시-1,1-디메틸프로판올 등의 에테르알코올류 ; 디메틸아미노에탄올, 에틸메틸아미노에탄올, 디에틸아미노에탄올, 디메틸아미노-2-펜탄올, 에틸메틸아미노-2-펜탄올, 디메틸아미노-2-메틸-2-펜탄올, 에틸메틸아미노-2-메틸-2-펜탄올, 디에틸아미노-2-메틸-2-펜탄올 등의 디알킬아미노알콜류 등을 들 수 있다.
상기 다른 프리커서의 유기 배위자로서 사용되는 글리콜 화합물로는, 1,2-에탄디올, 1,2-프로판디올, 1,3-프로판디올, 2,4-헥산디올, 2,2-디메틸-1,3-프로판디올, 2,2-디에틸-1,3-프로판디올, 1,3-부탄디올, 2,4-부탄디올, 2,2-디에틸-1,3-부탄디올, 2-에틸-2-부틸-1,3-프로판디올, 2,4-펜탄디올, 2-메틸-1,3-프로판디올, 2-메틸-2,4-펜탄디올, 2,4-헥산디올, 2,4-디메틸-2,4-펜탄디올 등을 들 수 있다.
또, β-디케톤 화합물로는, 아세틸아세톤, 헥산-2,4-디온, 5-메틸헥산-2,4-디온, 헵탄-2,4-디온, 2-메틸헵탄-3,5-디온, 5-메틸헵탄-2,4-디온, 6-메틸헵탄-2,4-디온, 2,2-디메틸헵탄-3,5-디온, 2,6-디메틸헵탄-3,5-디온, 2,2,6-트리메틸헵탄-3,5-디온, 2,2,6,6-테트라메틸헵탄-3,5-디온, 옥탄-2,4-디온, 2,2,6-트리메틸옥탄-3,5-디온, 2,6-디메틸옥탄-3,5-디온, 2,9-디메틸노난-4,6-디온, 2-메틸-6-에틸데칸-3,5-디온, 2,2-디메틸-6-에틸데칸-3,5-디온 등의 알킬 치환 β-디케톤류 ; 1,1,1-트리플루오로펜탄-2,4-디온, 1,1,1-트리플루오로-5,5-디메틸헥산-2,4-디온, 1,1,1,5,5,5-헥사플루오로펜탄-2,4-디온, 1,3-디퍼플루오로헥실프로판-1,3-디온 등의 불소 치환 알킬 β-디케톤류 ; 1,1,5,5-테트라메틸-1-메톡시헥산-2,4-디온, 2,2,6,6-테트라메틸-1-메톡시헵탄-3,5-디온, 2,2,6,6-테트라메틸-1-(2-메톡시에톡시)헵탄-3,5-디온 등의 에테르 치환 β-디케톤류 등을 들 수 있다.
또, 시클로펜타디엔 화합물로는, 시클로펜타디엔, 메틸시클로펜타디엔, 에틸시클로펜타디엔, 프로필시클로펜타디엔, 이소프로필시클로펜타디엔, 부틸시클로펜타디엔, 제 2 부틸시클로펜타디엔, 이소부틸시클로펜타디엔, 제 3 부틸시클로펜타디엔, 디메틸시클로펜타디엔, 테트라메틸시클로펜타디엔 등을 들 수 있고, 상기 유기 배위자로서 사용되는 유기 아민 화합물로는, 메틸아민, 에틸아민, 프로필아민, 이소프로필아민, 부틸아민, 제 2 부틸아민, 제 3 부틸아민, 이소부틸아민, 디메틸아민, 디에틸아민, 디프로필아민, 디이소프로필아민, 에틸메틸아민, 프로필메틸아민, 이소프로필메틸아민 등을 들 수 있다.
상기 다른 프리커서는, 당해 기술 분야에 있어서 공지된 것이며, 그 제조 방법도 공지이다. 제조 방법의 일례를 들면, 예를 들어, 유기 배위자로서 알코올 화합물을 사용한 경우에는, 앞서 서술한 금속의 무기염 또는 그 수화물과, 그 알코올 화합물의 알칼리 금속 알콕사이드를 반응시킴으로써, 프리커서를 제조할 수 있다. 여기서, 금속의 무기염 또는 그 수화물로는, 금속의 할로겐화물, 질산염 등을 들 수 있고, 알칼리 금속 알콕사이드로는, 나트륨알콕사이드, 리튬알콕사이드, 칼륨알콕사이드 등을 들 수 있다.
상기 다른 프리커서는, 싱글 소스법의 경우에는, 본 발명의 금속 알콕사이드 화합물과, 열 및/또는 산화 분해의 거동이 유사한 화합물이 바람직하고, 칵테일 소스법의 경우에는, 열 및/또는 산화 분해의 거동이 유사한 것에 추가하여, 혼합 시에 화학 반응 등에 의한 변질을 일으키지 않는 것이 바람직하다.
또, 본 발명의 박막 형성용 원료에는, 필요에 따라, 본 발명의 금속 알콕사이드 화합물 및 다른 프리커서의 안정성을 부여하기 위해, 구핵성 시약을 함유해도 된다. 그 구핵성 시약으로는, 글라임, 디글라임, 트리글라임, 테트라글라임 등의 에틸렌글리콜에테르류, 18-크라운-6, 디시클로헥실-18-크라운-6, 24-크라운-8, 디시클로헥실-24-크라운-8, 디벤조-24-크라운-8 등의 크라운에테르류, 에틸렌디아민, N,N'-테트라메틸에틸렌디아민, 디에틸렌트리아민, 트리에틸렌테트라민, 테트라에틸렌펜타민, 펜타에틸렌헥사민, 1,1,4,7,7-펜타메틸디에틸렌트리아민, 1,1,4,7,10,10-헥사메틸트리에틸렌테트라민, 트리에톡시트리에틸렌아민 등의 폴리아민류, 사이클람, 사이클렌 등의 고리형 폴리아민류, 피리딘, 피롤리딘, 피페리딘, 모르폴린, N-메틸피롤리딘, N-메틸피페리딘, N-메틸모르폴린, 테트라하이드로푸란, 테트라하이드로피란, 1,4-디옥산, 옥사졸, 티아졸, 옥사티올란 등의 복소 고리 화합물류, 아세토아세트산메틸, 아세토아세트산에틸, 아세토아세트산-2-메톡시에틸 등의 β-케토에스테르류 또는 아세틸아세톤, 2,4-헥산디온, 2,4-헵탄디온, 3,5-헵탄디온, 디피발로일메탄 등의 β-디케톤류를 들 수 있고, 이들 구핵성 시약의 사용량은, 프리커서 전체의 양 1 몰에 대해 0.1 몰 ∼ 10 몰의 범위가 바람직하고, 보다 바람직하게는 1 ∼ 4 몰이다.
본 발명의 박막 형성용 원료에는, 이것을 구성하는 성분 이외의 불순물 금속 원소분 (元素分), 불순물 염소 등의 불순물 할로겐분, 및 불순물 유기분 (有機分) 이 최대한 포함되지 않도록 한다. 불순물 금속 원소분은, 원소마다로는 100 ppb 이하가 바람직하고, 10 ppb 이하가 보다 바람직하고, 총량으로는, 1 ppm 이하가 바람직하고, 100 ppb 이하가 보다 바람직하다. 특히, LSI 의 게이트 절연막, 게이트막, 배리어층으로서 사용하는 경우에는, 얻어지는 박막의 전기적 특성에 영향이 있는 알칼리 금속 원소, 알칼리 토금속 원소, 및, 동속 원소의 함유량을 적게 할 필요가 있다. 불순물 할로겐분은, 100 ppm 이하가 바람직하고, 10 ppm 이하가 보다 바람직하고, 1 ppm 이하가 더욱 바람직하다. 불순물 유기분은, 총량으로 500 ppm 이하가 바람직하고, 50 ppm 이하가 보다 바람직하고, 10 ppm 이하가 더욱 바람직하다. 또, 수분은, 화학 기상 성장용 원료 중에서의 파티클 발생이나, 박막 형성 중에 있어서의 파티클 발생의 원인이 되므로, 금속 화합물, 유기 용제, 및, 구핵성 시약에 대해서는, 각각의 수분의 저감을 위해서, 사용 시에 미리 가능한 한 수분을 제거한 편이 좋다. 금속 화합물, 유기 용제 및 구핵성 시약 각각의 수분량은, 10 ppm 이하가 바람직하고, 1 ppm 이하가 더욱 바람직하다.
또, 본 발명의 박막 형성용 원료는, 형성되는 박막의 파티클 오염을 저감 또는 방지하기 위해서, 파티클이 최대한 포함되지 않도록 하는 것이 바람직하다. 구체적으로는, 액상에서의 광 산란식 액 중 입자 검출기에 의한 파티클 측정에 있어서, 0.3 ㎛ 보다 큰 입자의 수가 액상 1 ml 중에 100 개 이하인 것이 바람직하고, 0.2 ㎛ 보다 큰 입자의 수가 액상 1 ml 중에 1000 개 이하인 것이 보다 바람직하고, 0.2 ㎛ 보다 큰 입자의 수가 액상 1 ml 중에 100 개 이하인 것이 더욱 바람직하다.
본 발명의 박막 형성용 원료를 사용하여 박막을 제조하는 본 발명의 박막의 제조 방법으로는, 본 발명의 박막 형성용 원료를 기화시킨 증기, 및 필요에 따라 사용되는 반응성 가스를, 기체가 설치된 성막 챔버 내 (처리 분위기) 에 도입하고, 이어서, 프리커서를 기체 상에서 분해 및/또는 화학 반응시켜 금속을 함유하는 박막을 기체 표면에 성장, 퇴적시키는 CVD 법에 의한 것이다. 원료의 수송 공급 방법, 퇴적 방법, 제조 조건, 제조 장치 등에 대해서는, 특별히 제한을 받지 않고, 주지 일반의 조건 및 방법을 이용할 수 있다.
상기 필요에 따라 사용되는 반응성 가스로는, 예를 들어, 산화성의 것으로는 산소, 오존, 이산화질소, 일산화질소, 수증기, 과산화수소, 포름산, 아세트산, 무수 아세트산 등을 들 수 있고, 환원성의 것으로는 수소를 들 수 있고, 또, 질화물을 제조하는 것으로는, 모노알킬아민, 디알킬아민, 트리알킬아민, 알킬렌디아민 등의 유기 아민 화합물, 하이드라진, 암모니아 등을 들 수 있고, 이들은 1 종 또는 2 종 이상 사용할 수 있다. 이들 중에서도, 본 발명의 박막 형성용 원료는 오존과의 반응성이 양호한 점에서, 반응성 가스로서 1 종을 사용하는 경우에는 오존을 사용하는 것이 바람직하고, 반응성 가스로서 2 종 이상의 혼합 가스를 사용하는 경우에는 적어도 오존을 포함하는 것이 바람직하다.
또, 상기 수송 공급 방법으로는, 전술한 기체 수송법, 액체 수송법, 싱글 소스법, 칵테일 소스법 등을 들 수 있다.
또, 상기 퇴적 방법으로는, 원료 가스 또는 원료 가스와 반응성 가스를 열에 의해서만 반응시켜 박막을 퇴적시키는 열 CVD, 열과 플라즈마를 사용하는 플라즈마 CVD, 열과 광을 사용하는 광 CVD, 열, 광 및 플라즈마를 사용하는 광 플라즈마 CVD, CVD 의 퇴적 반응을 소과정 (素過程) 으로 나누고, 분자 레벨로 단계적으로 퇴적을 실시하는 ALD 를 들 수 있다.
상기 기체의 재질로는, 예를 들어, 실리콘 ; 질화규소, 질화티탄, 질화탄탈, 산화티탄, 질화티탄, 산화루테늄, 산화지르코늄, 산화하프늄, 산화란탄 등의 세라믹스 ; 유리 ; 금속 루테늄 등의 금속을 들 수 있다. 기체의 형상으로는, 판상, 구상, 섬유상, 인편상을 들 수 있다. 기체 표면은, 평면이어도 되고, 트렌치 구조 등의 삼차원 구조로 되어 있어도 된다.
또, 상기 제조 조건으로는, 반응 온도 (기체 온도), 반응 압력, 퇴적 속도 등을 들 수 있다. 반응 온도에 대해서는, 본 발명의 금속 알콕사이드 화합물이 충분히 반응하는 온도인 100 ℃ 이상이 바람직하고, 150 ℃ ∼ 400 ℃ 가 보다 바람직하고, 200 ℃ ∼ 350 ℃ 가 특히 바람직하다. 또, 반응 압력은, 열 CVD 또는 광 CVD 의 경우, 10 Pa ∼ 대기압이 바람직하고, 플라즈마를 사용하는 경우, 10 Pa ∼ 2000 Pa 가 바람직하다.
또, 퇴적 속도는, 원료의 공급 조건 (기화 온도, 기화 압력), 반응 온도, 반응 압력에 의해 컨트롤할 수 있다. 퇴적 속도는, 크면 얻어지는 박막의 특성이 악화되는 경우가 있고, 작으면 생산성에 문제를 일으키는 경우가 있으므로, 0.01 nm/분 ∼ 100 nm/분이 바람직하고, 1 nm/분 ∼ 50 nm/분이 보다 바람직하다. 또, ALD 법의 경우에는, 원하는 막두께가 얻어지도록 사이클의 횟수로 컨트롤된다.
상기의 제조 조건으로서 또한, 박막 형성용 원료를 기화시켜 증기로 할 때의 온도나 압력을 들 수 있다. 박막 형성용 원료를 기화시켜 증기로 하는 공정은, 원료 용기 내에서 실시해도 되고, 기화실 내에서 실시해도 된다. 어느 경우에 있어서도, 본 발명의 박막 형성용 원료는 0 ℃ ∼ 150 ℃ 에서 증발시키는 것이 바람직하다. 또, 원료 용기 내 또는 기화실 내에서 박막 형성용 원료를 기화시켜 증기로 하는 경우에 원료 용기 내의 압력 및 기화실 내의 압력은 모두 1 Pa ∼ 10000 Pa 인 것이 바람직하다.
본 발명의 박막의 제조 방법은, ALD 법을 채용하고, 상기 수송 공급 방법에 의해, 박막 형성용 원료를 기화시켜 증기로 하고, 그 증기를 성막 챔버 내에 도입하는 원료 도입 공정 외에, 그 증기 중의 상기 화합물에 의해 상기 기체의 표면에 전구체 박막을 형성하는 전구체 박막 성막 공정, 미반응의 화합물 가스를 배기하는 배기 공정 및 그 전구체 박막을 반응성 가스와 화학 반응시켜, 그 기체의 표면에 금속을 함유하는 박막을 형성하는 금속 함유 박막 형성 공정을 가지고 있어도 된다.
이하, 상기 ALD 법의 각 공정에 대해, 금속 산화물 박막을 형성하는 경우를 예로 상세하게 설명한다. 먼저, 상기 서술한 원료 도입 공정을 실시한다. 박막 형성용 원료를 증기로 할 때의 바람직한 온도나 압력은, CVD 법에 의한 박막의 제조 방법에서 설명한 것과 동일하다. 다음으로, 성막 챔버에 도입한 증기와 기체의 표면이 접촉함으로써, 기체 표면에 전구체 박막을 형성한다 (전구체 박막 형성 공정). 이때에, 기체를 가열하거나, 성막 챔버를 가열하여, 열을 가해도 된다. 이 공정에서 성막되는 전구체 박막은, 본 발명의 금속 알콕사이드 화합물로부터 생성된 박막이거나, 또는 본 발명의 금속 알콕사이드 화합물의 일부가 분해 및/또는 반응하여 생성된 박막이며, 목적의 금속 산화물 박막과는 상이한 조성을 갖는다. 본 공정이 실시될 때의 기체 온도는, 실온 ∼ 500 ℃ 가 바람직하고, 150 ℃ ∼ 350 ℃ 가 보다 바람직하다. 본 공정이 실시될 때의 계 (성막 챔버 내) 의 압력은 1 Pa ∼ 10000 Pa 가 바람직하고, 10 Pa ∼ 1000 Pa 가 보다 바람직하다.
다음으로, 미반응의 화합물 가스나 부생한 가스를 성막 챔버로부터 배기한다 (배기 공정). 미반응의 화합물 가스나 부생한 가스는, 성막 챔버로부터 완전하게 배기되는 것이 이상적이지만, 반드시 완전히 배기될 필요는 없다. 배기 방법으로는, 질소, 헬륨, 아르곤 등의 불활성 가스에 의해 계 내를 퍼지하는 방법, 계 내를 감압함으로써 배기하는 방법, 이들을 조합한 방법 등을 들 수 있다. 감압하는 경우의 감압도는, 0.01 Pa ∼ 300 Pa 가 바람직하고, 0.01 Pa ∼ 100 Pa 가 보다 바람직하다.
다음으로, 성막 챔버에 반응성 가스로서 산화성 가스를 도입하고, 그 산화성 가스의 작용 또는 산화성 가스 및 열의 작용에 의해, 앞서의 전구체 박막 형성 공정에서 얻은 전구체 박막으로 금속 산화물 박막을 형성한다 (금속 산화물 함유 박막 형성 공정). 본 공정에 있어서 열을 작용시키는 경우의 온도는, 실온 ∼ 500 ℃ 가 바람직하고, 150 ∼ 350 ℃ 가 보다 바람직하다. 본 공정이 실시될 때의 계 (성막 챔버 내) 의 압력은 1 Pa ∼ 10000 Pa 가 바람직하고, 10 Pa ∼ 1000 Pa 가 보다 바람직하다. 본 발명의 금속 알콕사이드 화합물은, 산화성 가스와의 반응성이 양호하기 때문에, 잔류 탄소 함유량이 적은 고품질의 금속 산화물 박막을 얻을 수 있다.
본 발명의 박막의 제조 방법에 있어서, 상기와 같이 ALD 법을 채용한 경우, 상기 원료 도입 공정, 전구체 박막 형성 공정, 배기 공정 및 금속 산화물 함유 박막 형성 공정으로 이루어지는 일련의 조작에 의한 박막 퇴적을 1 사이클로 하고, 이 사이클을 필요한 막두께의 박막이 얻어질 때까지 복수회 반복해도 된다. 이 경우, 1 사이클 실시한 후, 상기 배기 공정과 동일하게 하여, 퇴적 반응부로부터 미반응의 화합물 가스 및 반응성 가스 (금속 산화물 박막을 형성하는 경우에는 산화성 가스), 또한 부성한 가스를 배기한 후, 다음의 1 사이클을 실시하는 것이 바람직하다.
또, 금속 산화물 박막의 ALD 법에 의한 형성에 있어서는, 플라즈마, 광, 전압 등의 에너지를 인가해도 되고, 촉매를 사용해도 된다. 그 에너지를 인가하는 시기 및 촉매를 사용하는 시기는, 특별히는 한정되지 않고, 예를 들어, 원료 도입 공정에 있어서의 화합물 가스 도입 시, 전구체 박막 성막 공정 또는 금속 산화물 함유 박막 형성 공정에 있어서의 가온 시, 배기 공정에 있어서의 계 내의 배기 시, 금속 산화물 함유 박막 형성 공정에 있어서의 산화성 가스 도입 시여도 되고, 상기 각 공정의 사이여도 된다.
또, 본 발명의 박막의 제조 방법에 있어서는, 박막 퇴적 후에, 보다 양호한 전기 특성을 얻기 위해서 불활성 분위기하, 산화성 분위기하 또는 환원성 분위기하에서 어닐 처리를 실시해도 되고, 단차 매립이 필요한 경우에는, 리플로 공정을 설치해도 된다. 이 경우의 온도는, 200 ℃ ∼ 1000 ℃ 이며, 250 ℃ ∼ 500 ℃ 가 바람직하다.
본 발명의 박막 형성용 원료를 사용하여 박막을 제조하는 장치는, 주지의 화학 기상 성장법용 장치를 사용할 수 있다. 구체적인 장치의 예로는 도 1 과 같은 프리커서를 버블링 공급할 수 있는 장치나, 도 2 와 같이 기화실을 갖는 장치를 들 수 있다. 또, 도 3 및 도 4 와 같이 반응성 가스에 대해 플라즈마 처리를 실시할 수 있는 장치를 들 수 있다. 도 1 ∼ 도 4 와 같은 매엽식 장치로 한정하지 않고, 배치로를 사용한 다수매 동시 처리 가능한 장치를 사용할 수도 있다.
본 발명의 박막 형성용 원료를 사용하여 제조되는 박막은, 다른 프리커서, 반응성 가스 및 제조 조건을 적절히 선택함으로써, 메탈, 산화물 세라믹스, 질화물 세라믹스, 유리 등의 원하는 종류의 박막으로 할 수 있다. 그 박막은 전기 특성 및 광학 특성 등을 나타내는 것이 알려져 있고, 여러 가지 용도에 응용되고 있다. 예를 들어, 이트륨 함유 박막은, YBCO 계 초전도체로서 이용되고 있다. 또, 란탄 함유 박막은, 강유전체계 PLZT 로서 이용되고 있다. 또, 많은 란타노이드 원자는, 특정 박막의 전기 특성을 향상시키는 기능이나 발광성을 향상시키는 기능을 부여하기 위한 도펀트로서 사용된다.
실시예
이하, 실시예, 제조예, 비교예 및 평가예를 들어 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. 그러나, 본 발명은 이하의 실시예 등에 의해 하등 제한을 받지 않는다.
［실시예 1］화합물 No.26
반응 플라스크에, 22 g 의 이트륨-트리스-트리메틸실릴아미드와, 86 g 의 탈수 톨루엔을 첨가하고, 충분히 혼합하였다. 이 현탁액에 실온 (20 ℃) 에서, 23 g 의 2-에틸이미노-3-에틸펜탄-3-올을 적하하였다. 적하 종료 후에는 백색의 현탁액이 되었지만, 60 ℃ 에서 가열 후 바로 담황색 투명 액체로 변화하였다. 그 후, 감압하 오일 배스 100 ℃ 에서 탈용매를 실시하고, 그 후, 고체의 건조는 감압하 오일 배스 113 ℃ 에서 실시하였다. 생성된 이트륨 착물 (적갈색 점성 액체) 을 플라스크에 넣어 증류 정제를 실시하였다. 가열 온도 189 ℃, 압력 20 Pa 로 증류 정제를 실시하여, 담황색 고체 9.1 g 을 얻었다. 얻어진 고체의 융점은 51 ℃ 였다.
(분석값)
(1) 상압 TG-DTA
질량 50 ％ 감소 온도 : 278 ℃ (Ar 유량 : 100 ml/분, 승온 10 ℃/분)
(2) 감압 TG-DTA
질량 50 ％ 감소 온도 : 194 ℃ (Ar 유량 : 50 ml/분, 승온 10 ℃/분)
(3) 1H-NMR (중벤젠)
1.00 ppm (6H, 삼중항), 1.30 (3H, 삼중항), 1.44 ppm (3H, 단일항), 1.55-1.70 ppm (4H, 다중항), 3.43 ppm (2H, 사중항)
(4) 원소 분석 (이론값)
C : 58.3 ％ (58.2 ％), H : 9.9 ％ (9.8 ％), Y : 15.7 ％ (15.9 ％), N : 7.3 ％ (7.5 ％), O : 8.8 ％ (8.6 ％)
［실시예 2］화합물 No.44
반응 플라스크에, 3.4 g 의 란탄-트리스-트리메틸실릴아미드와, 21 g 의 탈수 톨루엔을 첨가하고, 충분히 혼합시켰다. 이 현탁액에 실온 (20 ℃) 에서, 2.4 g 의 2-에틸이미노-3-메틸펜탄-3-올을 적하하였다. 실온에서 24 시간 교반 후, 담황색 투명 용액을 얻었다. 그 후, 감압하 오일 배스 110 ℃ 에서 탈용매를 실시하고, 고체의 건조는 감압하 오일 배스 120 ℃ 에서 실시하였다. 생성된 란탄 착물 (담황색 액체) 을 플라스크에 넣고, 소형 정제 장치에 접속하였다. 가열 온도 200 ℃, 30 Pa 로 증류 정제를 실시하여, 담황색 액체 1.0 g 을 얻었다. 얻어진 고체의 융점은 63 ℃ 였다.
(분석값)
(1) 상압 TG-DTA
질량 50 ％ 감소 온도 : 276 ℃ (Ar 유량 : 100 ml/분, 승온 10 ℃/분)
(2) 감압 TG-DTA
질량 50 ％ 감소 온도 : 250 ℃ (Ar 유량: 50 ml/분, 승온 10 ℃/분)
(3) 1H-NMR (중벤젠)
1.06 ppm (3H, 삼중항), 1.19 ppm (3H, 삼중항), 1.56 ppm (3H, broad), 1.64 ppm (3H, 단일항), 1.71 ppm (1H, 다중항), 1.87 ppm (1H, 다중항)
(4) 원소 분석 (이론값)
C : 50.8 ％ (51.0 ％), H : 8.7 ％ (8.6 ％), La : 24.6 ％ (24.6 ％), N : 7.1 ％ (7.4 ％), O : 8.8 ％ (8.5 ％)
［실시예 3］화합물 No.47
반응 플라스크에, 14 g 의 란탄-트리스-트리메틸실릴아미드와, 86 g 의 탈수 톨루엔을 첨가하고, 충분히 혼합시켰다. 이 현탁액에 실온 (20 ℃) 에서, 12 g 의 2-에틸이미노-3-에틸펜탄-3-올을 적하하였다. 가열 후 실온에서 20 시간 교반 반응시켰다. 그 후, 감압하 오일 배스 105 ℃ 에서 탈용매를 실시하고, 그 후 건조는 감압하 오일 배스 125 ℃ 에서 실시하였다. 생성된 란탄 착물 (적갈색 점성 액체) 을 플라스크에 넣어 증류 정제를 실시하였다. 가열 온도 175 ℃, 압력 30 Pa 로 증류 정제를 실시하여, 담황색 고체 5.2 g 을 얻었다. 얻어진 고체의 융점은 69 ℃ 였다.
(분석값)
(1) 상압 TG-DTA
질량 50 ％ 감소 온도 : 258 ℃ (Ar 유량 : 100 ml/분, 승온 10 ℃/분)
(2) 감압 TG-DTA
질량 50 ％ 감소 온도 : 200 ℃ (Ar 유량: 50 ml/분, 승온 10 ℃/분)
(3) 1H-NMR (중벤젠)
1.02 ppm (6H, 삼중항), 1.39 (3H, 삼중항), 1.45 ppm (3H, 단일항), 1.57-1.64 ppm (4H, 다중항), 3.3 ppm (2H, 사중항)
(4) 원소 분석 (이론값)
C : 53.6 ％ (53.4 ％), H : 9.1 ％ (9.0 ％), La : 22.8 ％ (22.9 ％), N : 6.9 ％ (6.9 ％), O : 7.7 ％ (7.9 ％)
［실시예 4］화합물 No.341
반응 플라스크에, 1.0 g 의 루테튬-트리스-트리메틸실릴아미드와, 20 g 의 탈수 톨루엔을 첨가하고, 충분히 혼합시켰다. 이 현탁액에 실온 (20 ℃) 에서, 0.72 g 의 2-에틸이미노-3-에틸펜탄-3-올을 적하하였다. 백색의 현탁액은 담황색 투명 액체로 변화하였다. 적하 종료 후, 실온에서 종야 교반시켰다. 그 후, 감압하 오일 배스 105 ℃ 에서 탈용매를 실시하고, 생성된 루테튬 착물 (담황색 점성 액체) 을 충분히 건조시켰다. 이 루테튬 착물을 플라스크에 넣어 승화 정제 장치에 접속하였다. 장치 가열 온도 180 ℃, 30 Pa 로 승화 정제를 실시하여, 백색 고체 0.5 g 을 얻었다. 얻어진 고체의 융점은 185 ℃ 였다.
(분석값)
(1) 상압 TG-DTA
질량 50 ％ 감소 온도 : 277 ℃ (Ar 유량 : 100 ml/분, 승온 10 ℃/분)
(2) 감압 TG-DTA
질량 50 ％ 감소 온도 : 192 ℃ (Ar 유량 : 50 ml/분, 승온 10 ℃/분)
(3) 1H-NMR (중벤젠)
1.00 ppm (6H, 삼중항), 1.28 ppm (3H, 삼중항), 1.45 ppm (3H, 단일항), 1.55 ∼ 1.75 ppm (4H, 다중항), 3.48 ppm (2H, 사중항)
(4) 원소 분석 (이론값)
C : 50.6 ％ (50.4 ％), H : 8.3 ％ (8.46 ％), Lu : 27.0 ％ (27.2 ％), N : 6.3 ％ (6.53 ％), O : 7.5 ％ (7.46 ％)
［평가예 1］알콕사이드 화합물의 물성 평가
실시예 1 ∼ 4 에서 얻어진 본 발명의 금속 알콕사이드 화합물 No.26, 44, 47, 314 그리고 하기 비교 화합물 1, 2 및 3 에 대해, 미소 융점 측정 장치를 사용하여 융점을 측정하였다. 또, TG-DTA 측정 장치를 사용하여, 감압 분위기하 (10 torr) 에서의 가열에 의해 샘플 질량이 50 질량％ 감소한 시점의 온도 (이하, 「TG 50 ％ 감소 시 온도」 로 약기하는 경우가 있다) 를 확인하였다. 융점이 낮은 것은 수송성이 양호하므로 바람직하고, TG 50 ％ 감소 시 온도가 낮은 것은 증기압이 높으므로 바람직하다고 판단할 수 있다. 결과를 표 1, 표 2 및 표 3 에 나타낸다.
[화학식 37]
Figure pct00037
Figure pct00038
표 1 의 결과에 의해, 화합물 No.26 과 유사한 구조를 갖는 3 급 아미노알콕사이드이트륨 화합물인 비교 화합물 1 을 비교하면, 화합물 No.26 은 융점이 낮고, TG 50 ％ 감소 시 온도도 낮은 것을 알 수 있었다. 화합물 No.26 은, 비교 화합물 1 보다 융점이 낮고, 또한 증기압이 높은 점에서, 박막 형성용 원료로서 바람직한 화합물인 것을 알 수 있었다.
Figure pct00039
표 2 의 결과에 의해, 화합물 No.44, 화합물 No.47, 및 이들과 유사한 구조를 갖는 3 급 아미노알콕사이드란탄 화합물인 비교 화합물 2 를 비교하면, 화합물 No.44 및 화합물 No.47 은 융점이 낮고, TG 50 ％ 감소 시 온도도 낮은 것을 알 수 있었다. 그 중에서도, 화합물 no.47 은 TG 50 ％ 감소 시 온도가 특히 낮고, 높은 증기압을 갖는 것을 알 수 있었다. 화합물 No.44 및 화합물 No.47 은, 비교 화합물 2 보다 융점이 낮고, 또한 증기압이 높은 점에서, 박막 형성용 원료로서 바람직한 화합물인 것을 알 수 있었다.
Figure pct00040
표 3 의 결과에 의해, 화합물 No.341 과 유사한 구조를 갖는 3 급 아미노알콕사이드루테튬 화합물인 비교 화합물 3 을 비교하면, 화합물 No.341 은 융점이 낮고, TG 50 ％ 감소 시 온도도 낮은 것을 알 수 있었다.
또, 비교예 3 에서 측정한 TG 50 ％ 감소 시 온도의 결과, 비교 화합물 3 을 600 ℃ 까지 가열해도 40 ∼ 45 질량％ 밖에 질량이 감소하지 않았던 점에서, 비교 화합물 3 은 증기압이 낮아 박막 형성용 원료로는 적합하지 않은 것을 알 수 있었다. 화합물 No.26 은, 비교 화합물 1 보다 융점이 낮고, 또한 증기압이 높은 점에서, 박막 형성용 원료로서 바람직한 화합물인 것을 알 수 있었다.
［실시예 5］산화이트륨 박막의 제조
화합물 No.26 을 원자층 퇴적법용 원료로 하고, 도 1 에 나타내는 장치를 사용하여 이하의 조건의 ALD 법에 의해, 실리콘 웨이퍼 상에 산화이트륨 박막을 제조하였다.
얻어진 박막을 X 선 광전자 분광법에 의한 박막 조성을 확인한 바, 얻어진 박막은 산화이트륨 (Y : O = 2 : 3) 이고, 탄소 함유량은 검출 하한인 0.1 atom％ 보다 적었다. 또, X 선 반사율법에 의한 막두께 측정을 실시하고, 그 평균값을 산출한 바, 막두께는 평균 70 nm 이며, 1 사이클당에 얻어지는 막두께는 평균 0.07 nm 였다. 또, FE-SEM 을 사용한 단면 관찰의 결과, 박막의 표면은 평활하였다.
(조건)
기판 : 실리콘 웨이퍼
반응 온도 (실리콘 웨이퍼 온도) ; 325 ℃
반응성 가스 : H2O
하기 (1) ∼ (4) 로 이루어지는 일련의 공정을 1 사이클로 하고, 1000 사이클 반복하였다 ;
(1) 원료 용기 온도 : 160 ℃, 원료 용기 내 압력 : 100 Pa 의 조건으로 기화시킨 원자층 퇴적법용 원료를 성막 챔버에 도입하고, 계 압력 : 100 Pa 로 30 초간 퇴적시킨다 ;
(2) 15 초간의 아르곤 퍼지에 의해, 퇴적하지 않은 원료를 제거한다 ;
(3) 반응성 가스를 성막 챔버에 도입하고, 계 압력 : 100 Pa 로 0.2 초간 반응시킨다 ;
(4) 15 초 간의 아르곤 퍼지에 의해, 미반응의 제 1 반응성 가스 및 부생 가스를 제거한다.
［비교예 4］산화이트륨 박막의 제조
비교 화합물 1 을 원자층 퇴적법용 원료로 하고, 실시예 5 와 동일한 조건하에서 실리콘 기판 상에 산화이트륨 박막을 제조하였다. 얻어진 박막에 대해, X 선 반사율법에 의한 막두께 측정, X 선 회절법 및 X 선 광전자 분광법에 의한 박막 구조 및 박막 조성의 확인을 실시한 바, 막두께는 4 nm 이며, 막조성은 산화이트륨이며, 박막 중의 잔류 탄소 함유량은 10 atom％ 이상이었다. 1 사이클당에 얻어지는 막두께는, 0.004 nm 였다.
실시예 5 의 결과로부터, 화합물 No.26 을 ALD 법용의 박막 형성용 원료로서 사용한 경우, 우수한 품질의 산화이트륨 박막을 형성할 수 있는 것을 알 수 있었다. 한편, 비교 화합물 1 을 ALD 법용의 박막 형성용 원료로서 사용한 경우에 얻어지는 박막은 잔류 탄소가 많아, 품질이 나쁜 박막인 것을 알 수 있었다.
［실시예 6］산화란탄 박막의 제조
화합물 No.44 를 원자층 퇴적법용 원료로 하고, 도 1 에 나타내는 장치를 사용하여 이하의 조건의 ALD 법에 의해, 실리콘 웨이퍼 상에 산화란탄 박막을 제조하였다.
얻어진 박막을 X 선 광전자 분광법에 의한 박막 조성을 확인한 바, 얻어진 박막은 산화란탄 (La : O = 2 : 3) 이고, 탄소 함유량은 검출 하한인 0.1 atom％ 보다 적었다. 또, X 선 반사율법에 의한 막두께 측정을 실시하고, 그 평균값을 산출한 바, 막두께는 60 nm 이며, 1 사이클당에 얻어지는 막두께는 평균 0.06 nm 였다. 또, FE-SEM 을 사용한 단면 관찰의 결과, 박막의 표면은 평활하였다.
(조건)
기판 : 실리콘 웨이퍼
반응 온도 (실리콘 웨이퍼 온도) ; 325 ℃
반응성 가스 : H2O
하기 (1) ∼ (4) 로 이루어지는 일련의 공정을 1 사이클로 하고, 1000 사이클 반복하였다 :
(1) 원료 용기 온도 : 160 ℃, 원료 용기 내 압력 : 100 Pa 의 조건으로 기화시킨 원자층 퇴적법용 원료를 성막 챔버에 도입하고, 계 압력 : 100 Pa 로 30 초간 퇴적시킨다 ;
(2) 15 초간의 아르곤 퍼지에 의해, 퇴적하지 않은 원료를 제거한다 ;
(3) 반응성 가스를 성막 챔버에 도입하고, 계 압력 : 100 Pa 로 0.2 초간 반응시킨다 ;
(4) 15 초간의 아르곤 퍼지에 의해, 미반응의 제 1 반응성 가스 및 부생 가스를 제거한다.
［실시예 7］산화란탄 박막의 제조
화합물 No.47 을 원자층 퇴적법용 원료로 하고, 실시예 6 과 동일한 조건하에서 실리콘 기판 상에 산화란탄 박막을 제조하였다. 얻어진 박막을 X 선 광전자 분광법에 의한 박막 조성을 확인한 바, 얻어진 박막은 산화란탄 (La : O = 2 : 3) 이고, 탄소 함유량은 검출 하한인 0.1 atom％ 보다 적었다. 또, X 선 반사율법에 의한 막두께 측정을 실시하고, 그 평균값을 산출한 바, 막두께는 70 nm 이며, 1 사이클당에 얻어지는 막두께는 평균 0.07 nm 였다. 또, FE-SEM 을 사용한 단면 관찰의 결과, 박막의 표면은 평활하였다.
［비교예 5］산화란탄 박막의 제조
비교 화합물 2 를 원자층 퇴적법용 원료로 하고, 실시예 6 과 동일한 조건 하에서 실리콘 기판 상에 산화란탄 박막을 제조하였다. 얻어진 박막에 대해, X 선 반사율법에 의한 막두께 측정, X 선 회절법 및 X 선 광전자 분광법에 의한 박막 구조 및 박막 조성의 확인을 실시한 바, 막두께는 3 nm 이며, 막조성은 산화란탄이며, 박막 중의 잔류 탄소 함유량은 10 atom％ 이상이었다. 1 사이클당에 얻어지는 막두께는, 0.003 nm 였다.
실시예 6 및 실시예 7 의 결과로부터, 화합물 No.44 및 화합물 No.47 을 ALD 법용의 박막 형성용 원료로서 사용한 경우, 우수한 품질의 산화란탄 박막을 형성할 수 있는 것을 알 수 있었다. 한편, 비교 화합물 2 를 ALD 법용의 박막 형성용 원료로서 사용한 경우에 얻어지는 박막은 잔류 탄소가 많아, 품질이 나쁜 박막인 것을 알 수 있었다.
［실시예 8］산화루테튬 박막의 제조
화합물 No.341 을 원자층 퇴적법용 원료로 하고, 도 1 에 나타내는 장치를 사용하여 이하의 조건의 ALD 법에 의해, 실리콘 웨이퍼 상에 산화루테튬 박막을 제조하였다.
얻어진 박막을 X 선 광전자 분광법에 의한 박막 조성을 확인한 바, 얻어진 박막은 산화루테튬 (Lu : O = 2 : 3) 이며, 탄소 함유량은 검출 하한인 0.1 atom％ 보다 적었다. 또, X 선 반사율법에 의한 막두께 측정을 실시하고, 그 평균값을 산출한 바, 막두께는 65 nm 이며, 1 사이클당에 얻어지는 막두께는 평균 0.065 nm 였다. 또, FE-SEM 을 사용한 단면 관찰의 결과, 박막의 표면은 평활하였다.
(조건)
기판 : 실리콘 웨이퍼
반응 온도 (실리콘 웨이퍼 온도) ; 325 ℃
반응성 가스 : H2O
하기 (1) ∼ (4) 로 이루어지는 일련의 공정을 1 사이클로 하고, 1000 사이클 반복하였다 :
(1) 원료 용기 온도 : 160 ℃, 원료 용기 내 압력 : 100 Pa 의 조건으로 기화시킨 원자층 퇴적법용 원료를 성막 챔버에 도입하고, 계 압력 : 100 Pa 로 30 초간 퇴적시킨다 ;
(2) 15 초간의 아르곤 퍼지에 의해, 퇴적하지 않은 원료를 제거한다 ;
(3) 반응성 가스를 성막 챔버에 도입하고, 계 압력 : 100 Pa 로 0.2 초간 반응시킨다 ;
(4) 15 초간의 아르곤 퍼지에 의해, 미반응의 제 1 반응성 가스 및 부생 가스를 제거한다.
［비교예 6］산화루테튬 박막의 제조
비교 화합물 3 을 원자층 퇴적법용 원료로 하고, 실시예 6 과 동일한 조건하에서 실리콘 기판 상에 산화루테튬 박막을 제조하였다. 얻어진 박막에 대해, X 선 반사율법에 의한 막두께 측정, X 선 회절법 및 X 선 광전자 분광법에 의한 박막 구조 및 박막 조성의 확인을 실시한 바, 막두께는 4 nm 이며, 막조성은 산화루테튬이며, 박막 중의 잔류 탄소 함유량은 3 atom％ 이상이었다. 1 사이클당에 얻어지는 막두께는, 0.004 nm 였다.
실시예 8 의 결과로부터, 화합물 No.341 을 ALD 법용의 박막 형성용 원료로서 사용한 경우, 우수한 품질의 산화루테튬 박막을 형성할 수 있는 것을 알 수 있었다. 한편, 비교 화합물 3 을 ALD 법용의 박막 형성용 원료로서 사용한 경우에 얻어지는 박막은 잔류 탄소가 많아, 품질이 나쁜 박막인 것을 알 수 있었다.

Claims (3)

  1. 하기 일반식 (1) 로 나타내는 금속 알콕사이드 화합물 :
    Figure pct00041

    (식 중, R1 및 R2 는, 각각 독립적으로 탄소 원자수 1 ∼ 4 의 알킬기를 나타내고, R3 은, 탄소 원자수 2 또는 3 의 알킬기를 나타내고, M 은, 스칸듐 원자, 이트륨 원자, 란탄 원자, 세륨 원자, 프라세오디뮴 원자, 네오디뮴 원자, 프로메튬 원자, 사마륨 원자, 유로퓸 원자, 가돌리늄 원자, 테르븀 원자, 디스프로슘 원자, 홀뮴 원자, 에르븀 원자, 툴륨 원자, 이테르븀 원자 또는 루테튬 원자를 나타내고, n 은, M 으로 나타내는 원자의 가수를 나타낸다.)
  2. 제 1 항에 기재된 금속 알콕사이드 화합물을 함유하여 이루어지는 박막 형성용 원료.
  3. 기체의 표면에 스칸듐 원자, 이트륨 원자, 란탄 원자, 세륨 원자, 프라세오디뮴 원자, 네오디뮴 원자, 프로메튬 원자, 사마륨 원자, 유로퓸 원자, 가돌리늄 원자, 테르븀 원자, 디스프로슘 원자, 홀뮴 원자, 에르븀 원자, 툴륨 원자, 이테르븀 원자 및 루테튬 원자에서 선택되는 적어도 1 종의 원자를 함유하는 박막의 제조 방법으로서, 제 2 항에 기재된 금속 알콕사이드 화합물을 함유하여 이루어지는 박막 형성용 원료를 기화시킴으로써 얻어지는 금속 알콕사이드 화합물을 함유하는 증기를 처리 분위기에 도입하고, 금속 알콕사이드 화합물을 분해 및/또는 화학 반응시켜 상기 기체의 표면에 퇴적시키는 공정을 포함하는 박막의 제조 방법.
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