KR20200082778A - Group iv transition metal compounds, preparation method thereof and process for the formation of thin films using the same - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 4족 전이금속 화합물, 이의 제조방법 및 이를 이용하여 박막을 형성하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a
반도체 공정에 있어서, 실리콘산화물(SiO2)은 제조 공정이 비교적 단순하기 때문에 주로 게이트 유전체로 사용되어 왔다. 이러한 실리콘산화물은 제조공정은 단순하나, 비적 낮은 유전상수(k)를 지니기 때문에 두께가 얇은 경우, 게이트로부터 채널로 누설 전류(gate-to-channel leakage current)가 발생하는 문제점을 가진다.In the semiconductor process, silicon oxide (SiO 2 ) has been mainly used as a gate dielectric because the manufacturing process is relatively simple. The manufacturing process of the silicon oxide is simple, but has a low dielectric constant (k), so that when the thickness is thin, a gate-to-channel leakage current occurs from the gate to the channel.
이러한 문제점을 해결하기 위해, 절연성이 뛰어나고 높은 유전상수를 지니는 고유전 박막 재료 및 공정 기술에 관한 연구가 활발하게 진행되고 있다.In order to solve these problems, studies on high dielectric thin film materials and process technologies having excellent insulation properties and high dielectric constants have been actively conducted.
한편, 반도체 구조가 직접화 미세화 되어감에 따라 미세한 패턴에서도 우수한 단차 피복성을 가지는 다양한 공정(예, 원자층 증착법(ALD: atomic layer deposition), 화학 기상 증착법(CVD: chemical vapor deposition))에 적용이 가능할 수 있는 고유전 박막 재료로서, 높은 열안정성을 가지는 전구체 화합물에 대한 요구가 높아지고 있다.On the other hand, as the semiconductor structure is directly refined, it is applied to various processes (e.g., atomic layer deposition (ALD), chemical vapor deposition (CVD)) that have excellent step coverage even in fine patterns. As a possible high dielectric thin film material, there is an increasing demand for a precursor compound having high thermal stability.
이러한 고유전 박막 재료의 일 예로, 4족 전이금속 화합물이 제안되었다. 구체적으로, 4족 전이금속 화합물은 타타늄 전구체, 지르코늄 전구체, 하프늄 전구체 등을 들 수 있으며, 이를 이용한 원자층 증착법 또는 화학 기상 증착법을 통한 4족 전이금속산화물 박막의 제조는 이들 전구체의 리간드 구조에 따라 다양하게 발전해왔다.As an example of such a high dielectric thin film material, a
일 예로, ZrCl4, ZrI4, ZrF4 등의 4족 전이금속 무기염이 공지되었다. 이를 이용한 원자층 증착법 또는 화학 기상 증착법을 통한 지르코늄산화물 박막은, 박막 내부에 무기염(Cl-, F-, I-)이 잔존하여 박막의 전기적 특성이 열화되고 박막의 응집(aggromeration) 상이 발생하기 쉬운 문제점을 가졌다. 또한 지르코늄산화막의 조도를 임의로 조정 할 수 없으며, 박막두께의 조정도 어려운 문제점을 가졌다.As an example,
일 예로, 비특허문헌1에는 지르코늄 알콕사이드 전구체 및 이를 이용한 지르코늄산화물 박막을 공지하고 있다. 그러나, 상기 지르코늄 알콕사이드 전구체는 반응성이 매우 높아 박막 제조 공정에서 다루기가 매우 까다롭고 미량의 수분에도 촉매적 가수분해(catalytic hydrolytic decomposition) 반응을 일으키므로 저장 수명이 매우 짧은 문제점을 가졌다.For example, non-patent
일 예로, 비특허문헌2에 아미도 리간드가 배위되어 있는 지르코늄 화합물 및 이를 전구체로 이용한 지르코늄산화물 박막을 공지하고 있다. 그러나, 상기 지르코늄 화합물(예, Zr(NMeEt)4 또는 Zr(NEt2)4)로 대표되는 전구체는 모두 상온에서 점성이 낮은 액체상태로 존재하며, 증기압이 매우 높고 오존 및 수증기에 의해 아미도 리간드의 제거가 용이하여 원자층 증착법을 통한 지르코늄산화물 박막의 제조가 가능하다. 그러나, 상기 지르코늄 화합물은 매우 반응성이 높아 장기 보관성이 용이하지 않으며, 특히 열적 안정성이 낮아 기화 도중에 분해되어 박막의 품질저하를 야기하는 등의 문제점을 가졌다.As an example, a
이와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해, 특허문헌1에서는 시클로펜타다이엔기를 리간드로 가지는 지르코늄 전구체 공지하고 있으나, 아직까지 만족할만한 결과를 얻지 못하였다.In order to solve the problems of the prior art,
따라서, 종래 고유전 박막 재료로 사용된 전구체 화합물 대비하여, 보다 우수한 특성을 가지는 전구체 화합물에 대한 연구가 여전히 요구되는 실정이다.Therefore, there is still a need to study a precursor compound having superior properties compared to a precursor compound used as a conventional high dielectric thin film material.
본 발명의 목적은 열적으로 안정하고 휘발성이 높고 응집력이 우수하여 박막증착용 전구체로 이용가능한 신규한 4족 전이금속 화합물 및 이의 제조방법을 제공하는 것이다.An object of the present invention is to provide a
본 발명의 또 다른 목적은 본 발명의 4족 전이금속 화합물을 포함하는 4족 전이금속함유 박막증착용 조성물을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a composition for depositing a
본 발명의 또 다른 목적은 본 발명의 4족 전이금속 화합물을 이용하여 제조된 고밀도 및 고순도의 4족 전이금속함유 박막의 제조방법을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a method for producing a high-density and high-
상기 목적을 달성하기 위하여, 하기 화학식1로 표시되는 신규한 4족 전이금속 화합물이 제공된다.In order to achieve the above object, a
[화학식1][Formula 1]
[상기 화학식1에서,[In the
M은 4족 전이금속이고;M is a
R1 내지 R7은 각각 독립적으로 C1-C10의 알킬이고;R 1 to R 7 are each independently C 1 -C 10 alkyl;
n은 각각 독립적으로 0 내지 5이다.]n is each independently 0 to 5.]
본 발명의 일 실시예에 따른 4족 전이금속 화합물은, 상기 화학식1에서, 상기 M은 티타늄, 지르코늄 또는 하프늄이고; 상기 R1 내지 R7은 각각 독립적으로 C1-C7의 알킬이고; 상기 n은 1 내지 3의 정수인 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 4족 전이금속 화합물은, 상기 화학식1에서, 상기 R1, R2 및 R4 내지 R7은 각각 독립적으로 C1-C7의 선형 또는 분지형 알킬이고; 상기 R3는 C3-C7의 분지형 알킬인 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 4족 전이금속 화합물은, 상기 화학식1에서, 상기 R1, R2 및 R4 내지 R7은 각각 독립적으로 메틸 또는 에틸이고; 상기 R3은 각각 독립적으로 t-부틸 또는 t-아밀인 것일 수 있다.In the
본 발명은 하기 화학식A의 화합물과 하기 화학식B의 화합물을 반응시켜 하기 화학식1로 표시되는 4족 전이금속 화합물을 제조하는 단계;를 포함하는 제조방법이 제공된다.The present invention provides a manufacturing method comprising the step of preparing a
[화학식A][Formula A]
M(X1)2(NR4R5)(NR6R7)M(X 1 ) 2 (NR 4 R 5 )(NR 6 R 7 )
[화학식B][Formula B]
[화학식1][Formula 1]
[상기 화학식A, 화학식B 및 화학식1에서,[In the above formula A, formula B and
M은 4족 전이금속이고;M is a
R1 내지 R7은 각각 독립적으로 C1-C10의 알킬이고;R 1 to R 7 are each independently C 1 -C 10 alkyl;
n은 각각 독립적으로 0 내지 5이고;n is each independently 0 to 5;
X1은 할로겐이다.]X 1 is halogen.]
하기 화학식1로 표시되는 4족 전이금속 화합물을 포함하는 4족 전이금속함유 박막증착용 조성물이 제공된다.A composition for depositing a thin film containing a
[화학식1][Formula 1]
[상기 화학식1에서,[In the
M은 4족 전이금속이고;M is a
R1 내지 R7은 각각 독립적으로 C1-C10의 알킬이고;R 1 to R 7 are each independently C 1 -C 10 alkyl;
n은 각각 독립적으로 0 내지 5이다.]n is each independently 0 to 5.]
본 발명의 일 실시예에 따른 4족 전이금속함유 박막증착용 조성물에 있어서, 상기 4족 전이금속 화합물의 4족 전이금속은 티타늄, 지르코늄 또는 하프늄 등일 수 있다.In the composition for depositing a
본 발명은 상술된 본 발명의 4족 전이금속 화합물을 이용하여 4족 전이금속함유 박막을 제조하는 방법이 제공된다.The present invention provides a method for manufacturing a
본 발명의 일 실시예에 따른 4족 전이금속함유 박막을 제조하는 방법은 화학 기상 증착법(CVD) 또는 원자층 증착법(ALD)에 의하여 수행되는 것일 수 있다.The method of manufacturing a
본 발명에 따른 신규한 4족 전이금속 화합물은 고체임에도 불구하고 휘발성이 높고 응집력이 우수하여, 4족 전이금속함유 박막의 전구체로 유용하게 사용가능 하다. 또한 본 발명에 따른 신규한 4족 전이금속 화합물은 열적 안정성이 높다. 이에, 높은 공정온도 중에도 분해되지 않고 기화된 전구체가 다양한 형태의 기판상에 균일하게 확산될 수 있다. 또한 본 발명에 따른 신규한 4족 전이금속 화합물은 저장안정성이 매우 우수하다.The
이와 같은 특성으로, 본 발명에 따른 4족 전이금속 화합물은 다양한 박막 증착 방법에 적용 가능하다. 또한 휘발성이 높아 증착 속도가 빠르고 용이하며, 뛰어난 응집력과 우수한 단차피복성을 가지는 박막 증착이 가능하여, 다양한 형태의 기판상에 균일한 두께를 가지는 박막을 용이하게 형성할 수 있다.With such characteristics, the
이로써, 본 발명에 따르면 반도체 제조 공정의 안정성, 효율성 및 신뢰성 모두를 만족시킬 수 있는 박막을 제공할 수 있다.Thus, according to the present invention, it is possible to provide a thin film capable of satisfying both stability, efficiency and reliability of a semiconductor manufacturing process.
도1은 본 발명에 따른 실시예1의 TGA 그래프를 나타낸 것이다.1 shows a TGA graph of Example 1 according to the present invention.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 이하 본 발명에 따른 4족 전이금속 화합물, 이의 제조방법 및 이를 이용하여 박막을 형성하는 방법에 관하여 상세히 설명하기로 한다.Advantages and features of the present invention, and methods for achieving them will be clarified with reference to embodiments described below in detail. However, the present invention is not limited to the embodiments disclosed below, but will be implemented in various different forms, and only the present embodiments allow the disclosure of the present invention to be complete, and common knowledge in the art to which the present invention pertains. It is provided to completely inform the person having the scope of the invention, and the present invention is only defined by the scope of the claims. Hereinafter, a
본 명세서의 용어, "알킬"은 1가의 치환체로, 선형 또는 분지형의 형태를 모두 포함한다.As used herein, the term "alkyl" is a monovalent substituent, and includes both linear and branched forms.
또한 본 명세서의 용어, "포함한다"는 표현은 "구비한다", "함유한다", "가진다" 또는 "특징으로 한다" 등의 표현과 등가의 의미를 가지는 개방형 기재이며, 추가로 열거되어 있지 않은 요소, 재료 또는 공정을 배제하지 않는다.In addition, the term “includes” in the present specification is an open-ended description having a meaning equivalent to expressions such as “have”, “contains”, “has” or “makes a feature”, and is not further listed. It does not rule out elements, materials or processes that are not.
또한 본 명세서의 용어, "실질적으로 동일하다"는 표현은 특정된 처리 전·후 화합물의 상태 및 구조 등의 변화를 일으키지 않는 범위, 즉 특정된 처리 전·후 화합물 각각이 동일성의 범주에 들 수 있는 것임을 의미한다.In addition, the term "substantially the same" in the present specification is a range that does not cause changes in the state and structure of the compound before and after the specified treatment, that is, each of the compounds before and after the specified treatment can be included in the category of identity. It means that there is.
또한 본 명세서에서 사용되는 단수 형태는 문맥에서 특별한 지시가 없는 한 복수 형태도 포함하는 것으로 의도할 수 있다.Also, the singular form used in this specification may be intended to include the plural form unless otherwise specified in the context.
또한 본 명세서에서 특별한 언급 없이 사용된 단위는 중량을 기준으로 하며, 일 예로 % 또는 비의 단위는 중량% 또는 중량비를 의미한다.In addition, the units used in this specification without specific mention are based on weight, and for example, units of% or ratio mean weight percent or weight ratio.
또한 본 명세서의 용어, "4족 전이금속 화합물"은 화학식1로 대표될 수 있으며, "전구체" 또는 "전구체 화합물" 등의 표현과 등가의 의미를 가진다.In addition, the term "
또한 본 명세서의 용어, "열적 안정성"은 지속적인 가온 공정 또는 높은 온도의 공정 중에도 물성이 변화되지 않는 것을 의미하는 것일 수 있으며, 구체적으로 상술된 가혹조건 하에 장기적으로 노출되어도 구조 변화를 일으키지 않는 것을 의미한다.In addition, the term "thermal stability" in the present specification may mean that the physical properties are not changed even during a continuous heating process or a high temperature process, and specifically, does not cause a structural change even when exposed for a long period of time under the above-mentioned harsh conditions. do.
원자층 증착 공정 또는 화학 기상 증착 공정 등을 수행하여 박막을 형성하는 경우, 버블링 시스템, 인젝션 시스템과 같은 전구체 유입 장치를 이용하여 전구체를 챔버에 도입하게 된다. 일 예로, 버블링 시스템에서는 액체 상태의 전구체를 캐리어 가스로 버블링하여 전구체를 기화시키거나 고체 상태의 전구체를 기화시켜 증기 상태의 전구체를 캐리어 가스와 함께 챔버로 유입시킨다. 즉, 상온에서 액체 또는 고체인 전구체들은 챔버 내부로 제공되기 전에 가열되어 증기 상태로 전환된다. 이와 같이 챔버로 전구체를 도입하는 동안 전구체에 에너지가 가해지게 되고, 원자층 적층 공정 또는 화학 기상 증착 공정이 수행되는 챔버도 높은 온도 상태를 유지하게 된다. 따라서 박막을 형성하는데 이용되는 전구체들은 우수한 열적 안정성을 가질 것이 요구된다. 만약, 전구체들이 열적으로 불안정하여 열에 의해 쉽게 분해되는 경우, 공정 조건을 조절하기 어려우며 균일한 두께를 가지는 박막을 형성하기 어렵고 반도체 장치의 전기적 특성을 조절하기 어렵다.In the case of forming a thin film by performing an atomic layer deposition process or a chemical vapor deposition process, a precursor is introduced into a chamber using a precursor inflow device such as a bubbling system and an injection system. For example, in a bubbling system, a precursor in a liquid state is bubbled with a carrier gas to vaporize the precursor, or a precursor in a solid state is vaporized to introduce a vapor precursor into the chamber together with the carrier gas. That is, the precursors, which are liquid or solid at room temperature, are heated and converted into a vapor state before being provided into the chamber. As described above, energy is applied to the precursor while introducing the precursor into the chamber, and the chamber in which the atomic layer deposition process or the chemical vapor deposition process is performed also maintains a high temperature state. Therefore, the precursors used to form the thin film are required to have excellent thermal stability. If the precursors are thermally unstable and are easily decomposed by heat, it is difficult to control process conditions, it is difficult to form a thin film having a uniform thickness, and it is difficult to control the electrical properties of the semiconductor device.
이에, 본 발명자는 상술된 문제점에 착안하여, 이의 문제점을 해결할 수 있는 신규한 4족 전이금속 화합물을 고안하였다. 본 발명의 4족 전이금속 화합물은 반응성이 상이한 2종의 리간드가 결합된 헤테로렙틱(heteroleptic) 화합물이다. 구체적으로, 본 발명에 따른 4족 전이금속 화합물은 아미노알콕사이드 리간드와 아미드 리간드를 동시에 포함하는 이합체 구조를 갖는다.Accordingly, the present inventor has devised a
이러한 구조적 특징을 갖는 본 발명의 4족 전이금속 화합물은 지속적인 가온 공정 또는 높은 온도의 공정 중에도 물성이 변화되지 않는 높은 열적 안정성을 가지며 우수한 휘발성으로 신뢰성 높은 양질의 4족 전이금속함유 박막을 제공할 수 있어, 본 발명을 제안한다.The
이하, 본 발명에 따른 4족 전이금속 화합물에 대하여 설명한다.Hereinafter, the
본 발명의 일 실시예에 따른 4족 전이금속 화합물은 신규한 화합물로서, 향상된 열적 안정성과 우수한 휘발성을 나타낸다. 또한 높은 반응성을 가져 이를 이용하여 박막을 제조할 경우, 박막의 성장 속도(growth rate)가 우수하고 비교적 낮은 온도에서도 양질의 박막을 제조할 수 있어, 4족 전이금속함유 박막 제조를 위한 전구체로 유용할 수 있다.The
구체적으로, 본 발명에 따른 4족 전이금속 화합물은 하기 화학식1로 표시된다.Specifically, the
[화학식1][Formula 1]
[상기 화학식1에서,[In the
M은 4족 전이금속이고;M is a
R1 내지 R7은 각각 독립적으로 C1-C10의 알킬이고;R 1 to R 7 are each independently C 1 -C 10 alkyl;
n은 각각 독립적으로 0 내지 5이다.]n is each independently 0 to 5.]
상술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 4족 전이금속 화합물은 아미노알콕사이드 리간드와 아미드 리간드를 동시에 포함하는 이합체 구조를 갖는다. 이에, 상기 4족 전이금속 화합물은 중심금속에 전자를 효과적으로 제공하고, 분자간 결합으로 향상된 안정성을 나타낸다. 이에, 본 발명의 일 실시예에 따른 4족 전이금속 화합물은 높은 열적 안정성을 구현할 수 있다.As described above, the
뿐만 아니라, 본 발명의 일 실시예에 따른 4족 전이금속 화합물은 우수한 휘발성의 구현은 물론 뛰어난 응집력의 구현으로 높은 결정성 구조를 형성하여, 박막의 성장 속도가 우수하고, 비교적 낮은 온도에서도 양질의 박막을 제공할 수 있다.In addition, the
일 예로, 상기 화학식1의 4족 전이금속 화합물은 상온에서 고체 상태일 수 있으며, 휘발성이 우수하고 높은 반응성을 가져 증착 속도가 빠르다.For example, the
본 발명의 일 실시예에 따른 4족 전이금속 화합물은 향상된 휘발성의 구현을 위해, 구체적으로 상기 M이 티타늄, 지르코늄 또는 하프늄이고; 상기 R1 내지 R7은 각각 독립적으로 C1-C7의 알킬이고; 상기 n은 1 내지 3의 정수인 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 4족 전이금속 화합물은 박막 형성시 기판 표면에 화학결합을 형성하기 전 또는 기화된 후 열에 의해 쉽게 분해되지 않는 측면에서, 구체적으로 상기 M이 티타늄, 지르코늄 또는 하프늄이고; 상기 R1, R2 및 R4 내지 R7은 각각 독립적으로 C1-C7의 선형 또는 분지형 알킬이고; 상기 R3는 C3-C7의 분지형 알킬인 것일 수 있다.The
보다 구체적으로, 상기 4족 전이금속 화합물은 상기 M이 지르코늄 또는 하프늄이고; 상기 R1, R2 및 R4 내지 R7은 각각 독립적으로 메틸, 에틸, n-프로필, n-부틸, n-펜틸, n-헥실 또는 n-헵틸이고; 상기 R3는 i-프로필, i-부틸, s-부틸, t-부틸, i-펜틸, s-펜틸, t-아밀, i-헥실 또는 s-헥실인 것일 수 있다.More specifically, in the
가장 구체적으로, 상기 4족 전이금속 화합물은 상기 M이 지르코늄 또는 하프늄이고; 상기 R1, R2 및 R4 내지 R7은 각각 독립적으로 메틸 또는 에틸이고; 상기 R3는 t-부틸 또는 t-아밀인 것일 수 있다.Most specifically, in the
탄소수 4 내지 5의 분지형 알킬이 치환된 아미노알콕사이드 리간드와 탄소수 1 내지 2의 선형 알킬이 치환된 아미드 리간드를 포함하는 본 발명의 4족 전이금속 화합물은 높은 온도에서 장시간동안 분해되지 않도록 열에 대한 안정성이 극히 향상되어 좋다. 이에, 박막 형성시 전구체의 분해 과정에서 생성되는 고체 불순물들이 기판상에 증착되거나 홀 등을 매립하는 현상 등을 방지할 수 있다. 또한 기화된 전구체가 기판상에 균일하게 공급되어, 우수한 단차피복성을 부여할 수 있어 좋다.The
또한 본 발명의 일 실시예에 따른 4족 전이금속 화합물은 1,500이하의 분자량을 갖는 것일 수 있다. 상기 4족 전이금속 화합물의 분자량은, 구체적으로 400 내지 1,000, 보다 구체적으로 500 내지 800인 것일 수 있다.In addition, the
본 발명의 일 실시예에 따른 4족 전이금속 화합물은 다양한 합성방법을 통해 제조될 수 있으며, 구체적으로 하기 반응식1로부터 제조되는 경우 높은 반응 수율을 구현하여 좋다.The
[반응식1][Scheme 1]
[상기 반응식1에서,[In the
M은 4족 전이금속이고;M is a
R1 내지 R7은 각각 독립적으로 C1-C10의 알킬이고;R 1 to R 7 are each independently C 1 -C 10 alkyl;
n은 각각 독립적으로 0 내지 5이고;n is each independently 0 to 5;
X1은 할로겐이다.]X 1 is halogen.]
상기 반응식1에 있어서, 상기 반응은 유기용매 하에서 수행될 수 있으며, 사용 가능한 유기용매는 한정되지는 않지만, 상기 반응물들에 대하여 높은 용해도를 가지는 유기 용매를 사용할 수 있으며, 구체적으로는 헥산(Hexane), 디에틸에테르(diethylether), 톨루엔(toluene), 테트라하이드로퓨란(THF) 등에서 선택되는 하나 또는 둘 이상의 혼합유기용매를 사용할 수 있다.In
상기 반응식1에 있어서, 상기 반응물들은 화학양론적 당량비로 사용될 수 있다.In
구체적으로, 상기 반응식1에 따르면, 헥산, 디에틸에테르, 톨루엔, 테트라하이드로퓨란 또는 이들의 혼합유기용매 하에서, 상기 화학식A의 화합물과 화학식B의 화합물을 상온(25℃)에서 5 내지 30시간 동안 반응시켜, 상기 화학식1의 4족 전이금속 화합물을 높은 수율(70%이상)로 수득할 수 있다. 이때, 상기 반응 후 필요에 따라서, 재결정, 칼럼 크로마토그래피 또는 승화 등으로 정제해도 된다.Specifically, according to
또한 상기 반응은 질소, 아르곤 등의 비활성 기체 분위기하에서 수행될 수 있다.In addition, the reaction may be performed under an inert gas atmosphere such as nitrogen and argon.
이하, 본 발명에 따른 4족 전이금속 화합물을 포함하는 4족 전이금속함유 박막증착용 조성물 및 상기 4족 전이금속 화합물을 이용한 4족 전이금속함유 박막의 제조방법에 대하여 설명한다.Hereinafter, a composition for depositing a
본 발명의 일 실시예에 따른 4족 전이금속함유 박막증착용 조성물은 하기 화학식1의 4족 전이금속 화합물을 포함하며, 본 발명의 조성물 내 상기 4족 전이금속 화합물의 사용량은 박막의 성막조건 또는 박막의 두께 및 특성 등을 고려하여 당업자가 인식할 수 있는 범위 내로 포함될 수 있음은 물론이다.The composition for depositing a
[화학식1][Formula 1]
[상기 화학식1에서,[In the
M은 4족 전이금속이고;M is a
R1 내지 R7은 각각 독립적으로 C1-C10의 알킬이고;R 1 to R 7 are each independently C 1 -C 10 alkyl;
n은 각각 독립적으로 0 내지 5이다.]n is each independently 0 to 5.]
일 예로, 상기 4족 전이금속함유 박막증착용 조성물은 상기 4족 전이금속 화합물을 0.01 내지 2 M의 몰농도로 포함할 수 있다. 이때, 상기 4족 전이금속함유 박막증착용 조성물은 펜탄, 헥산, 헵탄, 옥탄, 데칸, 도데칸, 에틸시클로헥산, 프로필시클로헥산, 벤젠, 톨루엔, 에틸벤젠, 크실렌, 메시틸렌, 디에틸벤젠, 에틸 톨루엔 등의 탄화수소계 용매; 메탄올, 에탄올, 프로판올, 이소프로판올, 부탄올, 이소부탄올 등의 알콜계 용매; 디에틸에테르, 디프로필에테르, 디부틸에테르, 부틸에틸에테르, 테트라하이드로퓨란 등의 에테르계 용매; 메틸 부틸레이트, 에틸부틸레이트, 프로필프로피오네이트 등의 에스테르계 용매;에서 선택되는 하나 또는 둘 이상의 혼합유기용매를 포함하는 것일 수 있다.For example, the
또한 상기 4족 전이금속함유 박막증착용 조성물의 점도(Viscosity, Cp, 28.3 ℃에 측정)는 1 내지 50Cp일 수 있으며, 구체적으로는 1 내지 30Cp, 보다 구체적으로는 1 내지 20Cp일 수 있다.In addition, the viscosity (Viscosity, Cp, measured at 28.3 °C) of the
본 발명의 일 실시예에 따른 4족 전이금속함유 박막증착용 조성물은 통상적인 용액공정을 통한 박막증착 용도로 사용되는 것일 수 있다.The composition for thin film deposition containing a
본 발명의 일 실시예에 따른 4족 전이금속함유 박막증착용 조성물은 상기 화학식1의 4족 전이금속 화합물을 포함함에 따라 높은 휘발성 및 반응성으로 고밀도의 4족 전이금속함유 박막을 제공할 수 있다. 또한 이로부터 제조된 4족 전이금속함유 박막은 낮은 유전 상수를 나타내어, 고유전 박막 재료로서 유용하다.The composition for depositing a
또한 본 발명은 상술된 본 발명의 4족 전이금속 화합물을 이용하여 4족 전이금속함유 박막을 제조하는 방법을 제공한다.In addition, the present invention provides a method for producing a
본 발명의 일 실시예에 따른 4족 전이금속함유 박막을 제조하는 방법은 기판 상에 공지의 증착방법을 통해 4족 전이금속함유 박막을 제공할 수 있다. 구체적으로, 상기 증착방법은 화학 기상 증착 (chemical vapor deposition, CVD), 플라즈마 강화 화학 기상 증착 (PECVD), 원자층 증착(atomic layer deposition, ALD), 저압 기상 증착, 플라즈마 강화 원자층 증착 등일 수 있다.A method of manufacturing a
본 발명의 일 실시예에 따른 4족 전이금속 화합물은 우수한 휘발성은 물론 높은 온도 중에도 쉽게 분해되지 않으며, 기화 후에도 안정적인 증기 상태를 유지할 수 있어 상술된 증착방법에 효과적일 수 있다.The
일 예로, 상기 4족 전이금속 화합물을 이용하여 화학 기상 증착법을 통한 4족 전이금속함유 박막의 제조방법의 경우, 상기 4족 전이금속 화합물에 결합된 서로 상이한 2종의 리간드, 즉 아미노알콕사이드 리간드와 아미드 리간드가 기판 상에 도입된 후 상기 기판 상에 화학결합되어 박막을 형성할 수 있다. 이때, 상기 서로 상이한 2종의 리간드가 기판 상에 도입된 후 산소(O2), 오존(O3), 아산화질소(N2O), 이산화탄소(CO2) 등에서 선택되는 하나 또는 둘 이상의 반응가스와 치환되는 단계를 더 포함할 수 있다.For example, in the case of a method of manufacturing a thin film containing a
일 예로, 상기 4족 전이금속 화합물을 이용하여 원자층 증착법을 통한 4족 전이금속함유 박막의 제조방법의 경우, 상기 4족 전이금속 화합물에 결합된 서로 상이한 2종의 리간드가 상기 기판 상에 화학흡착된 후 상기 기판 상에 박막을 형성할 수 있다. 이때, 상술된 반응가스와 치환되는 단계를 더 포함할 수 있음은 물론이다.For example, in the case of a method of manufacturing a thin film containing a
상기 증착방법을 통해 제조되는 4족 전이금속함유 박막은 티타늄 박막, 지르코늄 박막, 하프늄 박막; 티타늄 산화물박막, 지르코늄 산화물박막, 하프늄 산화물박막; 티타늄 산질화물박막, 지르코늄 산질화물박막, 하프늄 산질화물박막; 또는 4족 전이금속함유 복합산질화물박막; 등일 수 있다.The
상기 기판은 통상의 기판이라면 제한되지 않으며, 이의 비한정적인 일 예로는 Si, Ge, SiGe, GaP, GaAs, SiC, SiGeC, InAs 및 InP중 하나 이상의 반도체 재료를 포함하는 기판, SOI(Silicon On Insulator)기판, 석영 기판 또는 디스플레이용 유리 기판 등의 강성 기판이거나, 폴리이미드(polyimide), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET, PolyEthylene Terephthalate), 폴리에틸렌 나프탈레이트(PEN, PolyEthylene Naphthalate), 폴리 메틸메타크릴레이트(PMMA, Poly Methyl MethAcrylate), 폴리카보네이트(PC, PolyCarbonate), 폴리에테르술폰(PES), 폴리에스테르(Polyester) 등의 가요성 플라스틱 기판일 수 있다.The substrate is not limited as long as it is a conventional substrate, and non-limiting examples include a substrate including one or more semiconductor materials of Si, Ge, SiGe, GaP, GaAs, SiC, SiGeC, InAs, and InP, SOI (Silicon On Insulator) A rigid substrate such as a substrate, a quartz substrate, or a glass substrate for a display, or a polyimide, polyethylene terephthalate (PET), polyethylene phthalate (PEN), poly methyl methacrylate (PMMA, It may be a flexible plastic substrate such as Poly Methyl MethAcrylate), polycarbonate (PC, PolyCarbonate), polyether sulfone (PES), polyester.
구체적으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 4족 전이금속함유 박막을 제조하는 방법은 챔버 내에 장착된 기판의 온도를 80 내지 400℃로 유지하는 1단계; 및 상기 기판에 에너지를 공급하는 2단계;를 포함하는 것일 수 있다.Specifically, a method of manufacturing a
일 예로, 상기 에너지를 공급하는 단계는 증착을 위해 반응을 활성화시키기 위한 것으로, 플라즈마, 빛, 열, 전압 등에 의한 에너지를 공급하는 단계일 수 있다.For example, the step of supplying the energy is for activating the reaction for deposition, and may be a step of supplying energy by plasma, light, heat, voltage, and the like.
일 예로, 상기 기판의 온도는 구체적으로 100 내지 350℃, 보다 구체적으로 200 내지 325℃범위일 수 있다.For example, the temperature of the substrate may be specifically 100 to 350°C, more specifically 200 to 325°C.
상기 1단계에서, 상기 4족 전이금속 화합물이 기화된 증착소스가 제공될 수 있다. 상술한 바와 같이, 상기 1단계에서는 추가의 반응가스를 더 제공할 수 있다. 이때, 상기 반응가스는 상기 증착소스와 동시에 제공되거나 후속으로 제공될 수도 있다.In the first step, a deposition source in which the
일 예로, 상기 반응가스는 산소(O2), 오존(O3), 아산화질소(N2O), 이산화탄소(CO2) 등에서 선택되는 하나 또는 둘 이상의 혼합가스일 수 있다.For example, the reaction gas may be one or more mixed gases selected from oxygen (O 2 ), ozone (O 3 ), nitrous oxide (N 2 O), carbon dioxide (CO 2 ), and the like.
일 예로, 상기 반응가스는 1 sccm 내지 1,000 sccm 의 유량으로 제공될 수 있으며, 구체적으로 100 sccm 내지 500 sccm, 보다 구체적으로 150 내지 400 sccm으로 제공될 수 있다.For example, the reaction gas may be provided at a flow rate of 1 sccm to 1,000 sccm, specifically 100 sccm to 500 sccm, and more specifically 150 to 400 sccm.
또한 각 단계는 퍼지단계를 더 포함할 수 있다.In addition, each step may further include a purge step.
일 예로, 상기 퍼지단계에서의 퍼지가스는 본 발명의 4족 전이금속 화합물과 반응하지 않는 통상의 것이라면 제한되지 않으며, 이의 비한정적인 일 예로는 헬륨, 네온, 아르곤, 크립톤, 제논, 라돈 등에서 선택되는 하나 또는 둘 이상의 혼합가스일 수 있다.For example, the purge gas in the purge step is not limited as long as it does not react with the
일 예로, 상기 퍼지가스는 1 sccm 내지 3,000 sccm의 유량으로 제공될 수 있으며, 구체적으로 100 sccm 내지 1,500 sccm, 보다 구체적으로 300 내지 1,300 sccm으로 제공될 수 있다.For example, the purge gas may be provided at a flow rate of 1 sccm to 3,000 sccm, specifically 100 sccm to 1,500 sccm, and more specifically 300 to 1,300 sccm.
일 예로, 상기 챔버 내의 압력은 0.1 내지 10torr일 수 있으며, 구체적으로 0.1 내지 5torr, 보다 구체적으로 0.5 내지 3torr일 것일 수 있다.For example, the pressure in the chamber may be 0.1 to 10 torr, specifically 0.1 to 5 torr, and more specifically 0.5 to 3 torr.
목적에 따라, 상술된 제조방법에 의해 수득된 4족 전이금속함유 박막에 추가의 열처리 단계를 더 수행할 수 있다.Depending on the purpose, an additional heat treatment step may be further performed on the
본 발명의 일 실시예에 따른 4족 전이금속함유 박막을 제조하는 방법에 따르면, 높은 단차피복성으로 높은 종횡비를 갖는 기판 상에도 균일한 두께의 4족 전이금속함유 박막을 제공할 수 있다. 또한, 이로부터 제조된 4족 전이금속함유 박막은 고밀도의 높은 유전 상수를 갖는 고유전 박막 재료이다.According to the method for manufacturing a
즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 4족 전이금속함유 박막을 제조하는 방법에 따르면, ALD 공정 또는 CVD 공정 등을 통해 용이하게 목적하는 고밀도의 높은 유전상수를 갖는 고유전 박막 재료를 공급함에 따라 반도체 소자의 배선, 트랜지스터의 게이트 절연막, 커패시터의 유전막 또는 전자부품의 코팅막 형성 등에 다양하게 활용될 수 있다That is, according to the method for manufacturing a
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예에 대하여 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail so that those skilled in the art to which the present invention pertains can easily practice. However, the present invention can be implemented in many different forms and is not limited to the embodiments described herein.
이하 본 발명에 따른 4족 전이금속 화합물의 실시예는 글로브 박스 또는 슐랭크 관(schlenk line)을 이용하여 비활성 아르곤 또는 질소 분위기 하에서 수행 하였으며, 수득된 표제 화합물의 구조분석은 1H NMR 스펙트럼(Bruker Advance 400 NMR)을 통해 측정되었다. 또한 상기 4족 전이금속 화합물의 열적 안정성 및 휘발성과 분해온도를 측정하기 위해, 열무게 분석(thermogravimetric analysis, TGA)법을 이용하였다. 상기 TGA법은 수득된 표제 화합물을 5℃/분의 속도로 800℃까지 가온시키면서, 1.5bar/분의 압력으로 질소 기체 주입하에 측정되었다. 또한 상기 4족 전이금속 화합물의 열적 안정성을 확인하기 위해, 상온 및 130℃에서 각각 4일동안 방치된 동일 시료를 이용하여 측정된 1H NMR 스펙트럼을 비교하였다.Hereinafter, examples of the
또한 본 발명에 따른 4족 전이금속 화합물을 포함하는 4족 전이금속함유 박막증착용 조성물을 이용하여 제조된 4족 전이금속 박막의 두께는 엘립소미터(Ellipsometer)를 이용하여 측정되었다.In addition, the thickness of the
(실시예1)(Example 1)
화합물1의 제조Preparation of
1-(t-부틸아미노)-2-메틸프로판-2-올 (1-(tert-butylamino)-2-methylpropan-2-ol, 1.00 g, 6.88 mmol)을 디에틸에테르(diethylether) 50 mL에 녹인 뒤, 0℃에서 n-BuLi (6.05 mL, 15.15 mmol)을 적가하였다. 이후, 상온(25℃)까지 온도를 올려서 2시간동안 교반하였다. Zr(Cl)2(NMe2)2(THF)2 (2.71 g, 6.88 mmol)을 에테르 100 mL에 녹인 후 상기 용액에 천천히 적가하였다. 이후, 상온에서 12시간동안 교반하였다.1-(t-butylamino)-2-methylpropan-2-ol (1-(tert-butylamino)-2-methylpropan-2-ol, 1.00 g, 6.88 mmol) was added to 50 mL of diethylether. After melting, n-BuLi (6.05 mL, 15.15 mmol) was added dropwise at 0°C. Thereafter, the temperature was raised to room temperature (25°C) and stirred for 2 hours. Zr(Cl) 2 (NMe 2 ) 2 (THF) 2 (2.71 g, 6.88 mmol) was dissolved in 100 mL of ether and then slowly added dropwise to the solution. Then, the mixture was stirred at room temperature for 12 hours.
반응완료 후, 감압농축하고 헥산(hexane)을 추가 투입하였다. 상기 용액을 필터해서 LiCl을 제거하고, 여액을 감압농축하였다. 농축물을 헥산 및 톨루엔(7:3=wt:wt)의 혼합용액으로 재결정하여 흰색 고체 화합물1(White solid, 2.1 g, 수율 95 %)을 수득하였다.After completion of the reaction, the mixture was concentrated under reduced pressure and hexane was further added. The solution was filtered to remove LiCl, and the filtrate was concentrated under reduced pressure. The concentrate was recrystallized from a mixed solution of hexane and toluene (7:3=wt:wt) to obtain white solid compound 1 (White solid, 2.1 g, yield 95%).
1H NMR (25℃, 400 MHz, C6D6): δ 1.29 (s, 9H, 3CH3), 1.32 (s, 6H, 2OCCH3), 2.87 (s, 12H, 4NCH3), 3.16 (s, 2H, NCH2). 1 H NMR (25°C, 400 MHz, C 6 D 6 ): δ 1.29 (s, 9H, 3CH 3 ), 1.32 (s, 6H, 2OCCH 3 ), 2.87 (s, 12H, 4NCH 3 ), 3.16 (s , 2H, NCH 2 ).
130℃에서 4일동안 방치된 후, 상기 화합물1의 1H NMR 스펙트럼 역시 상술된 1H NMR 스펙트럼(25℃)과 실질적으로 동일한 상태를 보였습니다. 이의 결과로부터, 상기 화합물1은 고온의 공정온도 중에도 분해가 일어나지 않고, 우수한 열안정성을 가짐을 확인하였다.After standing at 130° C. for 4 days, the 1 H NMR spectrum of
도1에 도시한 바와 같이, 상기 화합물1은 우수한 휘발성으로 보다 낮은 공정온도 중에도 빠르게 휘발되어 우수한 증착속도로 박막을 형성할 수 있음을 확인하였다. 또한 247℃ 이전까지 질량 감소의 변화가 확인되지 않는 바, 우수한 열안정성을 가짐을 확인하였다.As shown in FIG. 1, it was confirmed that the
(실시예2 내지 실시예4)(Examples 2 to 4)
상기 실시예1과 유사한 방법으로 반응물을 하기 표1과 같이 달리하여, 각 화합물을 수득하였다.By reacting the reactants in a similar manner to Example 1 as shown in Table 1 below, each compound was obtained.
수득된 각 화합물의 열적 안정성을 확인하기 위해, 상온 및 130℃에서 각각 4일동안 방치된 시료의 1H NMR 스펙트럼을 비교하였다.To confirm the thermal stability of each obtained compound, 1 H NMR spectra of samples left at room temperature and 130° C. for 4 days were compared.
(실시예5)(Example 5)
열 원자층증착법(Thermal atomic layer deposition)을 통해, 박막을 증착하였다.The thin film was deposited through thermal atomic layer deposition.
상기 실시예1로부터 수득된 4족 전이금속 화합물(화합물1)을 포함하는 캐니스터를 약 60℃로 설정하고, 챔버의 온도는 약 310℃로 설정하였다. 상기 실시예1로부터 수득된 4족 전이금속 화합물(화합물1)을 버블링 시스템으로 기화시킨 후, 캐리어 가스를 사용하여 기체 상태의 상기 실시예1로부터 수득된 4족 전이금속 화합물(화합물1)을 챔버 내로 주입하였다. 구체적인, 반응조건은 아래와 같다.The canister containing the
a. 4족 전이금속 화합물의 주입시간: 10seca.
b. 캐리어 가스_아르곤: 1,000sccm/15secb. Carrier gas argon: 1,000 sccm/15 sec
c. 반응가스_오존: 300 sccm/8secc. Reaction gas_ ozone: 300 sccm/8sec
상기 제조방법으로 수득된 박막(두께:40Å)의 투과전자현미경(TEM) 이미지를 확인한 결과, 높은 단차피복성과 결정성을 갖는 고밀도 박막이 수득됨을 확인하였다.As a result of confirming a transmission electron microscope (TEM) image of the thin film (thickness: 40 Å) obtained by the above manufacturing method, it was confirmed that a high-density thin film having high step coverage and crystallinity was obtained.
상기 본 발명은 전술한 실시예에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이다.The present invention is not limited by the above-described embodiments, and those skilled in the art to which the present invention pertains are capable of various substitutions, modifications, and changes without departing from the technical spirit of the present invention. Will be obvious to you.
Claims (9)
[화학식1]
상기 화학식1에서,
M은 4족 전이금속이고;
R1 내지 R7은 각각 독립적으로 C1-C10의 알킬이고;
n은 각각 독립적으로 0 내지 5이다.A Group 4 transition metal compound represented by Formula 1 below:
[Formula 1]
In Chemical Formula 1,
M is a Group 4 transition metal;
R 1 to R 7 are each independently C 1 -C 10 alkyl;
n is each independently 0-5.
상기 화학식1에서,
상기 M은 티타늄, 지르코늄 또는 하프늄이고;
상기 R1 내지 R7은 각각 독립적으로 C1-C7의 알킬이고;
상기 n은 1 내지 3의 정수인, 4족 전이금속 화합물.According to claim 1,
In Chemical Formula 1,
M is titanium, zirconium or hafnium;
R 1 to R 7 are each independently C 1 -C 7 alkyl;
The n is an integer of 1 to 3, Group 4 transition metal compound.
상기 화학식1에서,
상기 R1, R2 및 R4 내지 R7은 각각 독립적으로 C1-C7의 선형 또는 분지형 알킬이고;
상기 R3는 C3-C7의 분지형 알킬인, 4족 전이금속 화합물.According to claim 1,
In Chemical Formula 1,
R 1 , R 2 and R 4 to R 7 are each independently C 1 -C 7 linear or branched alkyl;
R 3 is a C 3 -C 7 branched alkyl, a Group 4 transition metal compound.
상기 화학식1에서,
상기 R1, R2 및 R4 내지 R7은 각각 독립적으로 메틸 또는 에틸이고;
상기 R3은 각각 독립적으로 t-부틸 또는 t-아밀인, 4족 전이금속 화합물.According to claim 1,
In Chemical Formula 1,
R 1 , R 2 and R 4 to R 7 are each independently methyl or ethyl;
Each of R 3 is independently a t-butyl or t-amyl, a Group 4 transition metal compound.
[화학식A]
M(X1)2(NR4R5)(NR6R7)
[화학식B]
[화학식1]
상기 화학식A, 화학식B 및 화학식1에서,
M은 4족 전이금속이고;
R1 내지 R7은 각각 독립적으로 C1-C10의 알킬이고;
n은 각각 독립적으로 0 내지 5이고;
X1은 할로겐이다.A method for preparing a Group 4 transition metal compound represented by Formula 1 by reacting Formula A and Formula B below:
[Formula A]
M(X 1 ) 2 (NR 4 R 5 )(NR 6 R 7 )
[Formula B]
[Formula 1]
In Chemical Formula A, Chemical Formula B and Chemical Formula 1,
M is a Group 4 transition metal;
R 1 to R 7 are each independently C 1 -C 10 alkyl;
n is each independently 0 to 5;
X 1 is halogen.
[화학식1]
상기 화학식1에서,
M은 4족 전이금속이고;
R1 내지 R7은 각각 독립적으로 C1-C10의 알킬이고;
n은 각각 독립적으로 0 내지 5이다.A composition for thin film deposition containing a Group 4 transition metal comprising a Group 4 transition metal compound represented by Formula 1 below:
[Formula 1]
In Chemical Formula 1,
M is a Group 4 transition metal;
R 1 to R 7 are each independently C 1 -C 10 alkyl;
n is each independently 0-5.
상기 4족 전이금속 화합물의 4족 전이금속은,
티타늄, 지르코늄 또는 하프늄인, 4족 전이금속함유 박막증착용 조성물.The method of claim 6,
The Group 4 transition metal of the Group 4 transition metal compound,
A composition for thin film deposition containing a Group 4 transition metal, which is titanium, zirconium or hafnium.
화학 기상 증착법 또는 원자층 증착법에 의하여 수행되는 것인, 4족 전이금속함유 박막을 제조하는 방법.The method of claim 8,
Method for producing a thin film containing a Group 4 transition metal, which is performed by chemical vapor deposition or atomic layer deposition.
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