KR20210064623A - Precursor for film deposition, deposition method of film and semiconductor device of the same - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to a precursor for forming a metal film. The precursor comprises an organometallic compound represented by the following formula 1. [Formula 1] In Formula 1, M is Ti, Zr, or Hf, X is a hydrogen atom, a C_1-C_5 alkyl group, NR_4R_5, or OR_6, R1 to R6 can be the same as or different from each other, and each independently represents a hydrogen atom or a C_1-C_5 linear, branched, or cyclic alkyl group, and n is a natural number of 2 or 3. Therefore, the present invention can provide the precursor of which the stability is increased using the organometallic compound having a cross-linked structure.

Description

금속 박막 형성용 전구체, 이를 이용한 금속 박막 형성 방법 및 상기 금속 박막을 포함하는 반도체 소자.{PRECURSOR FOR FILM DEPOSITION, DEPOSITION METHOD OF FILM AND SEMICONDUCTOR DEVICE OF THE SAME}A precursor for forming a metal thin film, a method for forming a metal thin film using the same, and a semiconductor device including the metal thin film. {PRECURSOR FOR FILM DEPOSITION, DEPOSITION METHOD OF FILM AND SEMICONDUCTOR DEVICE OF THE SAME}

본 발명은 금속 박막 형성용 전구체, 이를 이용한 금속 박막 형성 방법 및 상기 금속 박막을 포함하는 반도체 소자에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 원자층 증착(ALD) 또는 화학 기상 증착(CVD) 공정에서 사용되는 4족 금속 및 실리콘(Si)을 함유하여 금속 함유 박막, 전이금속 실리케이트, 실리콘 도핑 금속 함유 박막 등의 박막을 형성할 수 있는 전구체, 이를 이용한 금속 박막 형성 방법 및 상기 금속 박막을 포함하는 반도체 소자에 관한 것이다. The present invention relates to a precursor for forming a metal thin film, a method for forming a metal thin film using the same, and a semiconductor device including the metal thin film, and more particularly, to a precursor used in an atomic layer deposition (ALD) or chemical vapor deposition (CVD) process. A precursor capable of forming a thin film such as a metal-containing thin film, a transition metal silicate, or a silicon-doped metal-containing thin film containing Group 4 metal and silicon (Si), a method for forming a metal thin film using the same, and a semiconductor device including the metal thin film it's about

원자층 증착(ALD) 또는 화학 기상 증착(CVD) 공정을 위한 전구체로 다양한 형태의 유기금속 화합물이 개발되어 사용되고 있다. 이러한 유기금속 화합물은 기화 특성, 기화 온도와 분해 온도의 격차, 독성, 화학적 안정성, 열적 안정성 및 화합물 합성 용이성, 열분해의 용이성 등의 특성이 요구된다.Various types of organometallic compounds have been developed and used as precursors for atomic layer deposition (ALD) or chemical vapor deposition (CVD) processes. Such organometallic compounds are required to have characteristics such as vaporization characteristics, a difference between vaporization temperature and decomposition temperature, toxicity, chemical stability, thermal stability, compound synthesis, ease of thermal decomposition, and the like.

이러한 유기금속 화합물 중 하나로서 사이클로펜타디에닐기를 포함하는 착 화합물 형태의 유기금속 화합물을 전구체를 들 수 있는데, 특히 사이클로펜타디에닐기와 중심 금속 원자 간에 가교 결합 구조를 형성한 유기금속 화합물 전구체가 박막 형성에 효과적인 것으로 알려져 있다.One of these organometallic compounds is an organometallic compound in the form of a complex compound containing a cyclopentadienyl group. In particular, an organometallic compound precursor in which a cross-linked structure is formed between a cyclopentadienyl group and a central metal atom is a thin film. It is known to be effective in forming

예를 들어, 대한민국 등록특허공보 10-1263454호에서는 Zr(CpCH2CH2NMe)(NMe2)2 등의 사이클로펜타디에닐기와 지르코늄 원자 사이에 알킬아민의 가교구조가 형성됨으로써 열적 안정성과 단차 피복성이 우수하고 고온에서 장시간 보관해도 분해되지 않는 전구체로서의 우수한 특성을 나타내고 있다.For example, in Korean Patent Publication No. 10-1263454, a cross-linked structure of alkylamine is formed between a cyclopentadienyl group such as Zr(CpCH 2 CH 2 NMe)(NMe 2 ) 2 and a zirconium atom, thereby providing thermal stability and step coverage It has excellent properties and exhibits excellent properties as a precursor that does not decompose even when stored for a long time at high temperatures.

또한, 대한민국 등록특허공보 10-1959519호에서는 금속 원자와 실리콘 원자를 포함하는 유기금속 화합물을 이용하여 전이금속 실리케이트 박막을 형성하는 기술이 개시되어 있는데, 열 안정성이 높은 가교 구조를 채용함으로써 하나의 전구체로 전이금속 실리케이트 박막을 형성할 수 있다.In addition, Korean Patent No. 10-1959519 discloses a technology for forming a transition metal silicate thin film using an organometallic compound containing a metal atom and a silicon atom, and by adopting a cross-linked structure with high thermal stability, one precursor can form a transition metal silicate thin film.

출원인은 대한민국 공개특허공보 10-2019-0108281호에서 중심금속과 사이클로펜타디에닐기 사이에 가교구조를 형성한 유기금속 화합물을 이용하여 열 안정성이 우수하고 미세화 공정 시 발생하는 문제점을 해결할 수 있는 전구체를 개발한 바 있다.In Korean Patent Laid-Open Publication No. 10-2019-0108281, the applicant uses an organometallic compound in which a cross-linked structure is formed between a central metal and a cyclopentadienyl group to provide a precursor that has excellent thermal stability and can solve problems occurring during the miniaturization process. have been developed

이러한 기본구조를 바탕으로 고온 증착에 적합한 새로운 전구체를 개발함으로써 ALD 또는 CVD에 효과적인 전구체를 제공할 수 있을 것으로 기대된다.Based on this basic structure, it is expected to provide effective precursors for ALD or CVD by developing new precursors suitable for high-temperature deposition.

대한민국 등록특허공보 10-1263454호Republic of Korea Patent Publication No. 10-1263454 대한민국 등록특허공보 10-1959519호Republic of Korea Patent Publication No. 10-1959519 대한민국 공개특허공보 10-2019-0108281호Korean Patent Publication No. 10-2019-0108281

본 발명은 상기와 같은 종래기술들을 감안하여 안출된 것으로, 열 안정성이 우수하여 고온 증착에 적합한 전이금속 실리케이트(MSiOx) 박막 형성용 전구체를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.The present invention has been devised in view of the prior art as described above, and an object of the present invention is to provide a precursor for forming a transition metal silicate (MSiO x ) thin film suitable for high-temperature deposition due to excellent thermal stability.

또한, 가교 구조의 유기금속 화합물을 통해 안정성이 증가된 박막 형성용 전구체를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.Another object of the present invention is to provide a precursor for forming a thin film having increased stability through an organometallic compound having a cross-linked structure.

또한, 전이금속과 실리콘 원자를 함유하는 하나의 유기금속 화합물을 전구체로 적용함으로써 전이금속 실리케이트 박막을 형성할 수 있는 전구체를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.Another object of the present invention is to provide a precursor capable of forming a transition metal silicate thin film by applying one organometallic compound containing a transition metal and a silicon atom as a precursor.

또한, 상기 전구체를 이용하여 금속 박막을 형성하는 방법 및 상기 금속 박막을 포함하는 반도체 소자를 제조하는 방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.Another object of the present invention is to provide a method of forming a metal thin film using the precursor and a method of manufacturing a semiconductor device including the metal thin film.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 금속 박막 형성용 전구체는 하기 화학식 1로 표시되는 유기금속 화합물을 포함하는 것을 특징으로 한다.The precursor for forming a metal thin film of the present invention for achieving the above object is characterized in that it comprises an organometallic compound represented by the following formula (1).

[화학식 1][Formula 1]

Figure pat00001
Figure pat00001

상기 화학식 1에서, M은 Ti, Zr, 또는 Hf이고, X는 수소원자, 알킬기, NR4R5 또는 OR6이며, R1 내지 R6는 서로 같거나 상이할 수 있으며, 각각 독립적으로 수소원자 또는 C1-C5의 직쇄형, 분지형 또는 고리형 알킬기이고, n은 2 또는 3의 자연수이다.In Formula 1, M is Ti, Zr, or Hf, X is a hydrogen atom, an alkyl group, NR 4 R 5 or OR 6 , R 1 to R 6 may be the same as or different from each other, and each independently a hydrogen atom Or C 1 -C 5 A straight-chain, branched or cyclic alkyl group, n is a natural number of 2 or 3.

또한, 상기 전구체는 용매를 추가적으로 포함할 수 있으며, 상기 용매는 C1-C16의 포화 또는 불포화 탄화수소, 케톤, 에테르, 글라임, 에스테르, 테트라하이드로퓨란, 3차 아민 중 어느 하나 또는 그 이상일 수 있다.In addition, the precursor may additionally include a solvent, and the solvent may be any one or more of C 1 -C 16 saturated or unsaturated hydrocarbons, ketones, ethers, glymes, esters, tetrahydrofuran, and tertiary amines. have.

또한, 상기 용매는 상기 금속 박막 형성용 전구체 총 중량에 대하여 1 내지 99 중량%로 포함될 수 있다.In addition, the solvent may be included in an amount of 1 to 99% by weight based on the total weight of the precursor for forming the metal thin film.

본 발명에 따른 금속 박막 형성 방법은 상기 금속 박막 형성용 전구체를 이용하여 기판 상에 금속 박막을 증착하는 단계를 포함한다.The method for forming a metal thin film according to the present invention includes depositing a metal thin film on a substrate using the precursor for forming a metal thin film.

이때, 상기 금속 박막은 원자층 증착에 의해 증착될 수 있고, 화학 기상 증착에 의해 증착될 수도 있다.In this case, the metal thin film may be deposited by atomic layer deposition or may be deposited by chemical vapor deposition.

또한, 상기 금속 박막 형성용 전구체를 기화시켜 챔버 내부로 이송시키는 단계를 포함할 수 있다.In addition, the method may include vaporizing the precursor for forming the metal thin film and transferring the precursor into the chamber.

또한, 상기 증착하는 단계는 챔버 내에 기판을 위치하는 단계, 상기 금속 박막 형성용 전구체 조성물을 상기 챔버 내에 공급하는 단계, 상기 챔버 내에 반응성 기체 또는 반응성 기체의 플라즈마를 공급하는 단계, 상기 챔버 내에서 열 처리, 플라즈마 처리 및 광 조사 중 어느 하나 또는 그 이상의 수단에 의해 처리하는 단계를 포함하는 것일 수 있으며, 250 내지 400℃에서 수행될 수 있다.In addition, the depositing may include positioning a substrate in a chamber, supplying the precursor composition for forming the metal thin film into the chamber, supplying a reactive gas or plasma of the reactive gas into the chamber, and heat in the chamber. It may include the step of treating by any one or more means of treatment, plasma treatment, and light irradiation, and may be performed at 250 to 400°C.

본 발명에 따른 반도체 소자는 상기 금속 박막 형성 방법에 의해 제조된 금속 박막을 포함하는 것을 특징으로 한다.The semiconductor device according to the present invention is characterized in that it includes a metal thin film manufactured by the method for forming the metal thin film.

본 발명에 따른 전구체는 열 안정성이 우수하여 고온 증착에 적합하므로 금속 박막, 특히, 전이금속 실리케이트(MSiOx) 박막을 형성하기에 적합하다.Since the precursor according to the present invention has excellent thermal stability and is suitable for high-temperature deposition, it is suitable for forming a metal thin film, in particular, a transition metal silicate (MSiO x ) thin film.

또한, 가교 구조의 유기금속 화합물을 통해 열 안정성이 증가되며, 하나의 화합물에 금속 원자와 실리콘 원자를 동시에 함유함으로써 단일 공정으로 전이금속 실리케이트 박막을 형성할 수 있다.In addition, thermal stability is increased through an organometallic compound having a crosslinked structure, and a transition metal silicate thin film can be formed in a single process by simultaneously containing a metal atom and a silicon atom in one compound.

또한, 상기 전구체를 이용함으로써 금속 박막을 형성하는 방법 및 상기 금속 박막을 포함하는 다양한 반도체 소자를 제조하는 방법을 제공할 수 있다.In addition, it is possible to provide a method of forming a metal thin film by using the precursor and a method of manufacturing various semiconductor devices including the metal thin film.

도 1은 본 발명의 전구체를 이용한 박막 형성 과정을 나타낸 개념도이다.1 is a conceptual diagram illustrating a thin film formation process using a precursor of the present invention.

이하 본 발명을 보다 상세히 설명한다. 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail. The terms or words used in the present specification and claims should not be construed as being limited to their ordinary or dictionary meanings, and the inventor may properly define the concept of the term in order to best describe his invention. It should be interpreted as meaning and concept consistent with the technical idea of the present invention based on the principle that there is.

본 발명에 따른 금속 박막 형성용 전구체는 하기 화학식 1로 표시되는 유기금속 화합물을 포함하는 것을 특징으로 한다.The precursor for forming a metal thin film according to the present invention is characterized in that it comprises an organometallic compound represented by the following formula (1).

[화학식 1][Formula 1]

Figure pat00002
Figure pat00002

상기 화학식 1에서, M은 Ti, Zr, 또는 Hf이고, X는 수소원자, C1-C5의 알킬기, NR4R5 또는 OR6이며, R1 내지 R6는 서로 같거나 상이할 수 있으며, 각각 독립적으로 수소원자 또는 C1-C5의 직쇄형, 분지형 또는 고리형 알킬기이고, n은 2 또는 3의 자연수이다.In Formula 1, M is Ti, Zr, or Hf, X is a hydrogen atom, a C 1 -C 5 alkyl group, NR 4 R 5 or OR 6 , R 1 to R 6 may be the same as or different from each other, , each independently a hydrogen atom or a C 1 -C 5 linear, branched or cyclic alkyl group, and n is a natural number of 2 or 3.

상기와 같은 유기금속 화합물은 통상적인 리간드 합성법을 통해 제조될 수 있다. 즉, 하기 반응식 1 내지 3에서와 같이, 사이클로펜탄과 알킬아미노 화합물을 반응시키는 1단계, 상기 반응 생성물과 알킬실리콘 화합물을 반응시키는 2단계, 상기 반응 생성물과 지르코늄 화합물을 반응시키는 3단계를 거쳐 제조할 수 있다.The organometallic compound as described above may be prepared through a conventional ligand synthesis method. That is, as shown in Schemes 1 to 3, a first step of reacting cyclopentane with an alkylamino compound, a second step of reacting the reaction product with an alkylsilicon compound, and a third step of reacting the reaction product with a zirconium compound can do.

[반응식 1][Scheme 1]

Figure pat00003
Figure pat00003

[반응식 2][Scheme 2]

Figure pat00004
Figure pat00004

[반응식 3][Scheme 3]

Figure pat00005
Figure pat00005

화학식 1로 표시되는 유기금속 화합물은 구체적으로 하기 구조에서 선택되는 유기금속 화합물을 들 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.The organometallic compound represented by Formula 1 may specifically include an organometallic compound selected from the following structures, but is not limited thereto.

Figure pat00006
Figure pat00006

Figure pat00007
Figure pat00007

Figure pat00008
Figure pat00008

본 발명의 전구체는 용매를 추가적으로 포함할 수 있다. 상기 용매로는 C1-C16의 포화 또는 불포화 탄화수소, 케톤, 에테르, 글라임, 에스테르, 테트라하이드로퓨란, 3차 아민 중 어느 하나 또는 이들의 혼합물을 사용할 수 있다. 상기 C1-C16의 포화 또는 불포화 탄화수소의 예로는 톨루엔, 헵탄 등을 들 수 있으며, 3차 아민으로는 디메틸에틸아민을 들 수 있다.The precursor of the present invention may further include a solvent. As the solvent, any one of C 1 -C 16 saturated or unsaturated hydrocarbon, ketone, ether, glyme, ester, tetrahydrofuran, tertiary amine, or a mixture thereof may be used. Examples of the C 1 -C 16 saturated or unsaturated hydrocarbon include toluene and heptane, and the tertiary amine includes dimethylethylamine.

또한, 상기 용매를 포함하는 경우, 상기 금속막 형성용 전구체 총 중량에 대하여 1 내지 99 중량%로 포함되는 것이 바람직하다.In addition, when the solvent is included, it is preferably included in an amount of 1 to 99% by weight based on the total weight of the precursor for forming a metal film.

용매를 포함하거나 포함하지 않는 전구체는 기화할 수 있는 것으로서, 이를 챔버 내로 공급함으로써 증착 공정을 수행할 수 있으며, 상기 유기금속 화합물의 성질에 따라 용해 가능한 용매를 적절히 선택하여 사용하는 것이 바람직하다. 즉, 유기금속 화합물의 종류에 따라 실온에서 액상으로 존재하는 경우 별도의 용매 없이도 증착 공정을 수행할 수 있다.A precursor containing or not containing a solvent can be vaporized, and the deposition process can be performed by supplying it into the chamber, and it is preferable to appropriately select and use a soluble solvent according to the properties of the organometallic compound. That is, depending on the type of the organometallic compound, when it exists in the liquid phase at room temperature, the deposition process may be performed without a separate solvent.

본 발명의 금속 박막 형성 방법은 상기 금속 박막 형성용 전구체를 이용하여 기판 상에 금속 박막을 증착하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.The method for forming a metal thin film of the present invention is characterized in that it includes depositing a metal thin film on a substrate using the precursor for forming a metal thin film.

이때, 상기 금속 박막 형성용 전구체는 전술한 바와 같이 용매를 추가적으로 포함할 수 있고, 상기 용매는 상기 금속 박막 형성용 전구체 총 중량에 대하여 1 내지 99 중량%로 포함될 수 있다.In this case, the precursor for forming the metal thin film may additionally include a solvent as described above, and the solvent may be included in an amount of 1 to 99 wt% based on the total weight of the precursor for forming the metal thin film.

상기 화학식 1로 표시되는 유기금속 화합물을 포함하는 전구체를 이용한 금속 박막의 제조방법은 금속 전구체로서 화학식 1로 표시되는 유기금속 화합물을 이용하는 것을 제외하고는 통상의 증착에 의한 금속 박막의 제조방법에 따라 실시될 수 있으며, 구체적으로는 화학증착법(chemical vapor deposition, CVD) 또는 원자층 증착법(atomic layer deposition, ALD) 등의 방법으로 실시될 수 있다.The method for manufacturing a metal thin film using a precursor containing an organometallic compound represented by Formula 1 is according to the conventional method for manufacturing a metal thin film by vapor deposition, except that the organometallic compound represented by Formula 1 is used as a metal precursor. It may be carried out, and specifically, it may be carried out by a method such as chemical vapor deposition (CVD) or atomic layer deposition (ALD).

즉, 반응기 내에 존재하는 금속 박막 형성용 기판 위로 상기 화학식 1로 표시되는 유기금속 화합물을 공급하는 단계, 및 상기 반응기 내에 반응성 가스를 공급하고, 열처리, 플라즈마 처리 및 광 조사로 이루어진 군에서 선택되는 1종의 처리 공정을 실시하는 단계를 포함하는 제조 방법에 의해 제조될 수 있다.That is, the step of supplying the organometallic compound represented by Formula 1 onto the substrate for forming a metal thin film existing in the reactor, and supplying a reactive gas into the reactor, one selected from the group consisting of heat treatment, plasma treatment and light irradiation It may be prepared by a manufacturing method comprising the step of subjecting the species to a treatment process.

도 1을 참조하여, 박막 형성 과정을 설명하면, 먼저, 반응 사이트가 형성된 기판 상에 본 발명의 전구체를 도입한다(도 1(a)). 상기 전구체를 구성하는 화학식 1로 표시되는 유기금속 화합물의 중심 금속 원자에 결합된 반응성 기(X)와 기판 표면의 반응성기가 결합하게 되는데, 이때 이웃한 기판 표면의 반응기는 상기 중심 금속 원자에 가교 결합된 실릴기의 실리콘 원자로 전자 이동이 발생하며, 동시에 상기 실리콘 원자로부터 또 다른 표면 반응기로 전자 이동이 발생하게 된다(도 1(b)). 이후 반응성 가스를 공급하면 기판의 표면에는 금속 원자와 실리콘 원자가 동시에 증착되는 상태를 이루며, 이를 통해 전이금속 실리케이트(MSiOx)의 박막이 형성되게 된다.Referring to FIG. 1, the thin film formation process is described. First, the precursor of the present invention is introduced on a substrate on which a reaction site is formed (FIG. 1(a)). The reactive group (X) bonded to the central metal atom of the organometallic compound represented by Formula 1 constituting the precursor and the reactive group on the surface of the substrate are bonded, and in this case, the reactive group on the surface of the adjacent substrate is cross-linked to the central metal atom. Electron transfer occurs to the silicon atom of the silyl group, and at the same time, electron transfer occurs from the silicon atom to another surface reactive group (FIG. 1(b)). Then, when a reactive gas is supplied, metal atoms and silicon atoms are simultaneously deposited on the surface of the substrate, thereby forming a thin film of transition metal silicate (MSiO x ).

상기 금속 박막 형성용 기판으로는 기술적 작용으로 인하여 금속 박막에 의해 코팅될 필요가 있는, 반도체 제조에 사용되는 것이라면 특별한 제한 없이 사용 가능하다. 구체적으로는 규소 기판(Si), 실리카 기판(SiO2), 질화 규소 기판(SiN), 규소 옥시 니트라이드 기판 (SiON), 티타늄 니트라이드 기판(TiN), 탄탈륨 니트라이드 기판(TaN), 텅스텐 기판(W) 또는 귀금속 기판, 예를 들어 백금 기판(Pt), 팔라듐 기판(Pd), 로듐 기판(Rh) 또는 금 기판(Au) 등이 사용될 수 있다.The substrate for forming the metal thin film may be used without any particular limitation as long as it is used in semiconductor manufacturing, which needs to be coated with a metal thin film due to a technical action. Specifically, a silicon substrate (Si), a silica substrate (SiO 2 ), a silicon nitride substrate (SiN), a silicon oxynitride substrate (SiON), a titanium nitride substrate (TiN), a tantalum nitride substrate (TaN), a tungsten substrate (W) or a noble metal substrate such as a platinum substrate (Pt), a palladium substrate (Pd), a rhodium substrate (Rh), or a gold substrate (Au) may be used.

상기 화학식 1로 표시되는 유기금속 화합물은 휘발된 기체를 통해 이송하거나, 직접 액체 주입 방법 또는 상기 유기금속 화합물을 유기 용매에 용해시켜 이송하는 액체 이송 방법이 이용될 수 있다. 상기 전구체를 휘발된 기체로 이송하는 방법은 상기 전구체가 들어 있는 용기를 항온조에 넣은 후 헬륨, 네온, 아르곤, 크립톤, 제논 또는 질소 등의 비활성 가스로 버블링하여 전구체를 증발시킨 후 금속 박막 형성용 기판 위로 이송시키거나, 또는 액체운반시스템(LDS: Liquid Delivery System)을 사용하여 액상의 전구체를 기화기를 통해 기상으로 변화시킨 후 금속 박막 형성용 기판 위로 이송시킴으로써 실시될 수 있다.The organometallic compound represented by Formula 1 may be transferred through a volatilized gas, or a liquid transfer method may be used in which a direct liquid injection method or a liquid transfer method in which the organometallic compound is dissolved in an organic solvent is transferred. In the method of transferring the precursor to the volatilized gas, the container containing the precursor is placed in a thermostat, and then the precursor is evaporated by bubbling with an inert gas such as helium, neon, argon, krypton, xenon, or nitrogen to form a metal thin film. It may be carried out by transferring it onto the substrate, or by using a liquid delivery system (LDS) to change a liquid precursor into a vapor phase through a vaporizer and then transfer it onto a substrate for forming a metal thin film.

전구체를 유기 용매에 용해시켜 이송하는 액체 이송 방법의 경우, 전술한 바와 같이 상기 화학식 1로 표시되는 유기금속 화합물 및 용매로 이루어진 조성물 형태로 이용할 수 있는데, 상기 화학식 1로 표시되는 유기금속 화합물 중 높은 점도로 인하여 액체 이송 방식의 기화기에서 충분히 기화되기 어려울 경우 용매를 포함하는 조성물의 형태로 활용하면 증착 공정을 효과적으로 수행할 수 있다.In the case of a liquid transport method in which a precursor is dissolved in an organic solvent and transported, as described above, it can be used in the form of a composition consisting of an organometallic compound represented by Chemical Formula 1 and a solvent, and among the organometallic compounds represented by Chemical Formula 1, high When it is difficult to sufficiently vaporize in a liquid transfer type vaporizer due to viscosity, the deposition process can be effectively performed by using the composition in the form of a solvent.

이러한 용매는 고체 성상의 물질을 용해할 수 있는 특성을 가지거나 액체 성상의 물질을 용해 및 분산시킬 수 있는 용매이어야 한다. 또한, 용매의 비점, 밀도 및 증기압 조건을 고려하여 박막 형성용 조성물의 점도 감소 효과 및 휘발성 개선 효과를 향상하고, 이를 통해, 증착된 박막의 균일성(uniformity) 및 단차피복(step coverage) 특성이 개선된 박막의 형성을 할 수 있도록 용매를 선별하는 것이 바람직하다. Such a solvent must have a property of dissolving a solid substance or a solvent capable of dissolving and dispersing a liquid substance. In addition, in consideration of the boiling point, density, and vapor pressure conditions of the solvent, the effect of reducing the viscosity and improving the volatility of the composition for forming a thin film is improved, and through this, the uniformity and step coverage of the deposited thin film are improved. It is desirable to select the solvent to allow for improved thin film formation.

또한, 상기 화학식 1로 표시되는 유기금속 화합물을 챔버 내에 공급할 때, 최종 형성되는 금속 박막에서의 전기적 특성, 즉 정전용량을 더욱 개선시키기 위하여 제2 금속 전구체로서 규소(Si), 티타늄(Ti), 게르마늄(Ge), 스트론튬(Sr), 니오브(Nb), 바륨(Ba), 하프늄(Hf), 탄탈륨(Ta) 및 란탄족 원자로부터 선택된 1종 이상의 금속(M")을 포함하는 금속 전구체를 선택적으로 더 공급할 수도 있다. 상기 제2 금속 전구체는 상기 금속을 포함하는 알킬아미드계 화합물 또는 알콕시계 화합물 일 수 있다. 일례로 상기 금속이 Si인 경우 제2금속 전구체로 SiH(N(CH3)2)3, Si(N(C2H5)2)4, Si(N(C2H5)(CH3))4, Si(N(CH3)2)4, Si(OC4H9)4, Si(OC2H5)4, Si(OCH3)4, Si(OC(CH3)3)4 등이 사용될 수 있다.In addition, when the organometallic compound represented by Formula 1 is supplied into the chamber, silicon (Si), titanium (Ti), A metal precursor comprising at least one metal (M″) selected from germanium (Ge), strontium (Sr), niobium (Nb), barium (Ba), hafnium (Hf), tantalum (Ta) and lanthanide atoms is selected The second metal precursor may be an alkylamide compound or an alkoxy compound containing the metal. For example, when the metal is Si, the second metal precursor is SiH(N(CH 3 ) 2 ) 3 , Si(N(C 2 H 5 ) 2 ) 4 , Si(N(C 2 H 5 )(CH 3 )) 4 , Si(N(CH 3 ) 2 ) 4 , Si(OC 4 H 9 ) 4 , Si(OC 2 H 5 ) 4 , Si(OCH 3 ) 4 , Si(OC(CH 3 ) 3 ) 4 , and the like may be used.

상기 제2 금속 전구체의 공급은 화학식 1의 금속 전구체의 공급 방법과 동일한 방법으로 실시될 수 있으며, 상기 제2 금속 전구체는 화학식 1의 금속 전구체와 함께 박막 형성용 기판 위로 공급될 수도 있고, 또는 금속 전구체의 공급 완료 이후 순차적으로 공급될 수도 있다.The supply of the second metal precursor may be performed in the same manner as the method of supplying the metal precursor of Chemical Formula 1, and the second metal precursor may be supplied on the substrate for forming a thin film together with the metal precursor of Chemical Formula 1, or a metal After the supply of the precursor is completed, it may be sequentially supplied.

상기와 같은 화학식 1의 금속 전구체 및 선택적으로 제2 금속 전구체는 상기 금속막 형성용 기판과 접촉시키기 위해 반응 챔버 내로 공급되기 전까지 100 내지 200℃의 온도를 유지하는 것이 바람직하며, 보다 바람직하게는 130 내지 180℃의 온도를 유지하는 것이 좋다.The metal precursor of Chemical Formula 1 and optionally the second metal precursor as described above are preferably maintained at a temperature of 100 to 200° C. before being supplied into the reaction chamber in order to contact the substrate for forming a metal film, and more preferably 130 It is preferable to maintain the temperature of to 180 ℃.

또한, 금속 전구체의 공급 단계 후 반응성 가스의 공급에 앞서, 상기 화학식 1의 금속 전구체 및 선택적으로 제2 금속 전구체의 기판 위로의 이동을 돕거나, 반응기 내가 증착에 적절한 압력을 갖도록 하며, 또한, 챔버 내에 존재하는 불순물 등을 외부로 방출시키기 위하여, 반응기 내에 아르곤(Ar), 질소(N2), 또는 헬륨(He) 등의 불활성 기체를 퍼지하는 공정이 실시될 수 있다. 이때 불활성 기체의 퍼지는 반응기내 압력이 1 내지 5 Torr가 되도록 실시되는 것이 바람직하다.In addition, after the supplying of the metal precursor and prior to the supply of the reactive gas, the metal precursor of Formula 1 and optionally the second metal precursor are helped to move onto the substrate, or to have an appropriate pressure for deposition in the reactor, and also to the chamber. A process of purging an inert gas such as argon (Ar), nitrogen (N 2 ), or helium (He) in the reactor may be performed in order to discharge impurities present in the reactor to the outside. At this time, it is preferable that the inert gas is purged so that the pressure in the reactor is 1 to 5 Torr.

상기한 금속 전구체들의 공급 완료 후 반응성 가스를 반응기 내로 공급하고, 반응성 가스의 존재하에서 열처리, 플라즈마 처리 및 광 조사로 이루어진 군에서 선택되는 1종의 처리 공정을 실시한다.After the supply of the metal precursors is completed, a reactive gas is supplied into the reactor, and one type of treatment process selected from the group consisting of heat treatment, plasma treatment, and light irradiation is performed in the presence of the reactive gas.

상기 반응성 가스로는 수증기(H2O), 산소(O2), 오존(O3), 과산화수소(H2O2), 수소(H2), 암모니아(NH3), 일산화질소(NO), 아산화질소(N2O), 이산화질소(NO2), 히드라진(N2H4), 및 실란(SiH4) 중 어느 하나 또는 이들의 혼합물을 사용할 수 있다. 상기 수증기, 산소, 오존 등과 같은 산화성 가스 존재 하에서 실시될 경우 금속 산화물 박막이 형성될 수 있고, 수소, 암모니아, 히드라진, 실란 등의 환원성 가스 존재 하에서 실시되는 경우 금속 단체 또는 금속 질화물의 박막이 형성될 수 있다.As the reactive gas, water vapor (H 2 O), oxygen (O 2 ), ozone (O 3 ), hydrogen peroxide (H 2 O 2 ), hydrogen (H 2 ), ammonia (NH 3 ), nitrogen monoxide (NO), nitrous oxide Any one of nitrogen (N 2 O), nitrogen dioxide (NO 2 ), hydrazine (N 2 H 4 ), and silane (SiH 4 ) or a mixture thereof may be used. When carried out in the presence of an oxidizing gas such as water vapor, oxygen, ozone, etc., a metal oxide thin film may be formed, and when carried out in the presence of a reducing gas such as hydrogen, ammonia, hydrazine, silane, a thin film of a single metal or a metal nitride is formed. can

또한, 상기 열처리, 플라즈마 처리 또는 광조사의 처리 공정은 금속 전구체의 증착을 위한 열에너지를 제공하기 위한 것으로, 통상의 방법에 따라 실시될 수 있다. 바람직하게는, 충분한 성장 속도로, 목적하는 물리적 상태와 조성을 갖는 금속 박막을 제조하기 위해서는 반응기내 기판의 온도가 100 내지 1,000℃, 바람직하게는, 250 내지 400℃가 되도록 상기 처리 공정을 실시하는 것이 바람직하다.In addition, the heat treatment, plasma treatment, or the treatment process of light irradiation is to provide thermal energy for deposition of a metal precursor, and may be performed according to a conventional method. Preferably, at a sufficient growth rate, in order to produce a metal thin film having a desired physical state and composition, it is preferable to carry out the treatment process so that the temperature of the substrate in the reactor is 100 to 1,000°C, preferably 250 to 400°C. desirable.

또한, 상기 처리 공정 시에도 전술한 바와 같이 반응성 가스의 기판 위로의 이동을 돕거나, 반응기 내가 증착에 적절한 압력을 갖도록 하며, 또한 반응기내 존재하는 불순물 또는 부산물 등을 외부로 방출시키기 위하여, 반응기 내에 아르곤(Ar), 질소(N2), 또는 헬륨(He) 등의 불활성 기체를 퍼지하는 공정이 실시될 수 있다.In addition, during the treatment process, as described above, in order to help the movement of the reactive gas onto the substrate, to have an appropriate pressure for deposition in the reactor, and to discharge impurities or by-products present in the reactor to the outside, A process of purging an inert gas such as argon (Ar), nitrogen (N 2 ), or helium (He) may be performed.

상기와 같은, 금속 전구체의 투입, 반응성 가스의 투입, 그리고 불활성 기체의 투입 처리 공정은 1 사이클로 하여. 1 사이클 이상 반복 실시함으로써 금속 함유 박막이 형성될 수 있다.As described above, the input of the metal precursor, the input of the reactive gas, and the input of the inert gas are treated as one cycle. A metal-containing thin film can be formed by repeating one cycle or more.

구체적으로, 반응성 가스로서 산화성 가스를 사용할 경우 제조되는 금속 함유 박막은 하기 화학식 2의 금속 산화물을 포함할 수 있다:Specifically, when an oxidizing gas is used as the reactive gas, the metal-containing thin film prepared may include a metal oxide of Formula 2 below:

[화학식 2][Formula 2]

(M1-aM"a)Ob (M 1-a M" a )O b

상기 화학식 2에서, a는 0 ≤ a < 1 이고, b는 0 < b ≤ 2 이며, M는 Zr, Hf 및 Ti로 이루어진 군에서 선택되고, M"은 제2 금속 전구체로부터 유도되는 것으로, 규소(Si), 티타늄(Ti), 게르마늄(Ge), 스트론튬(Sr), 니오브(Nb), 바륨(Ba), 하프늄(Hf), 탄탈륨(Ta) 및 란탄족 원자로부터 선택된 것이다.In Formula 2, a is 0 ≤ a < 1, b is 0 < b ≤ 2, M is selected from the group consisting of Zr, Hf and Ti, and M" is derived from a second metal precursor, silicon (Si), titanium (Ti), germanium (Ge), strontium (Sr), niobium (Nb), barium (Ba), hafnium (Hf), tantalum (Ta) and lanthanide atoms.

이러한 금속 박막의 제조방법은, 열 안정성이 우수한 금속 전구체를 이용함으로써 증착 공정시 종래에 비해 높은 온도에서 증착 공정 실시가 가능하고, 전구체의 열분해에 기인한 파티클 오염이나 탄소 등의 불순물 오염없이 고순도의 금속, 금속 산화물 또는 금속 질화물 박막을 형성할 수 있다. 이에 따라 본 발명의 제조방법에 따라 형성된 금속 함유 박막은 반도체 소자에서의 고유전 물질막, 특히 반도체 메모리 소자에서의 DRAM, CMOS 등에 유용하다.In this method of manufacturing a metal thin film, by using a metal precursor having excellent thermal stability, the deposition process can be performed at a higher temperature than in the prior art during the deposition process, and high purity without particle contamination or contamination of impurities such as carbon due to thermal decomposition of the precursor. A thin film of metal, metal oxide or metal nitride can be formed. Accordingly, the metal-containing thin film formed according to the manufacturing method of the present invention is useful as a high-k material film in a semiconductor device, particularly DRAM, CMOS, and the like in a semiconductor memory device.

또 다른 실시형태로서, 상기 금속 박막의 형성 방법에 의해 형성된 금속 박막, 및 상기 박막을 포함하는 반도체 소자를 제공한다. 일례로 상기 반도체 소자는 임의 접근 메모리(RAM)용 금속 절연체 금속(MIM)을 포함하는 반도체 소자일 수 있다.As another embodiment, a metal thin film formed by the method of forming the metal thin film, and a semiconductor device including the thin film are provided. For example, the semiconductor device may be a semiconductor device including a metal insulator metal (MIM) for random access memory (RAM).

또한, 상기 반도체 소자는 소자내 DRAM 등 고유전특성이 요구되는 물질막에 본 발명에 따른 금속 함유 박막을 포함하는 것을 제외하고는 통상의 반도체 소자의 구성과 동일하므로, 본 명세서에서는 반도체 소자의 구성에 대한 상세한 설명을 생략한다.In addition, since the semiconductor device is the same as that of a conventional semiconductor device, except that the metal-containing thin film according to the present invention is included in a material film requiring high dielectric properties such as DRAM in the device, the configuration of the semiconductor device in the present specification A detailed description of the will be omitted.

본 발명은 상술한 바와 같이 바람직한 실시형태를 들어 설명하였으나, 상기 실시형태들에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형과 변경이 가능하다. 그러한 변형예 및 변경예는 본 발명과 첨부된 특허청구범위의 범위 내에 속하는 것으로 보아야 한다.Although the present invention has been described with reference to preferred embodiments as described above, it is not limited to the above embodiments and various modifications are made by those of ordinary skill in the art to which the invention pertains without departing from the spirit of the present invention. and can be changed Such modifications and variations are intended to fall within the scope of the present invention and the appended claims.

Claims (10)

하기 화학식 1로 표시되는 유기금속 화합물을 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 박막 형성용 전구체.

[화학식 1]
Figure pat00009


상기 화학식 1에서,
M은 Ti, Zr, 또는 Hf이고,
X는 수소원자, C1-C5의 알킬기, NR4R5 또는 OR6이며,
R1 내지 R6는 서로 같거나 상이할 수 있으며, 각각 독립적으로 수소원자 또는 C1-C5의 직쇄형, 분지형 또는 고리형 알킬기이고,
n은 2 또는 3의 자연수이다.
A precursor for forming a metal thin film comprising an organometallic compound represented by the following formula (1).

[Formula 1]
Figure pat00009


In Formula 1,
M is Ti, Zr, or Hf;
X is a hydrogen atom, a C 1 -C 5 alkyl group, NR 4 R 5 or OR 6 ,
R 1 to R 6 may be the same as or different from each other, and each independently represents a hydrogen atom or a C 1 -C 5 linear, branched or cyclic alkyl group,
n is a natural number of 2 or 3.
청구항 1에 있어서,
용매를 추가적으로 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 박막 형성용 전구체.
The method according to claim 1,
A precursor for forming a metal thin film, characterized in that it further comprises a solvent.
청구항 2에 있어서,
상기 용매는 C1-C16의 포화 또는 불포화 탄화수소, 케톤, 에테르, 글라임, 에스테르, 테트라하이드로퓨란, 3차 아민 중 어느 하나 또는 그 이상인 것을 특징으로 하는 금속 박막 형성용 전구체.
3. The method according to claim 2,
The solvent is C 1 -C 16 A precursor for forming a metal thin film, characterized in that any one or more of saturated or unsaturated hydrocarbons, ketones, ethers, glyme, esters, tetrahydrofuran, and tertiary amines.
청구항 2에 있어서,
상기 용매는 상기 금속 박막 형성용 전구체 총 중량에 대하여 1 내지 99 중량%로 포함되는 것을 특징으로 하는 금속 박막 형성용 전구체.
3. The method according to claim 2,
The solvent is a precursor for forming a metal thin film, characterized in that it is included in an amount of 1 to 99% by weight based on the total weight of the precursor for forming a metal thin film.
청구항 1 또는 2에 따른 금속 박막 형성용 전구체를 이용하여 기판 상에 금속 박막을 증착하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 박막 형성 방법.
A method for forming a metal thin film, comprising depositing a metal thin film on a substrate using the precursor for forming a metal thin film according to claim 1 or 2.
청구항 5에 있어서,
상기 금속 박막은 원자층 증착 또는 화학 기상 증착에 의해 증착되는 것을 특징으로 하는 금속 박막 형성 방법.
6. The method of claim 5,
The metal thin film is a metal thin film forming method, characterized in that deposited by atomic layer deposition or chemical vapor deposition.
청구항 5에 있어서,
상기 금속 박막 형성용 전구체를 기화시켜 챔버 내부로 이송시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 박막 형성 방법.
6. The method of claim 5,
and vaporizing the precursor for forming the metal thin film and transferring the precursor into the chamber.
청구항 5에 있어서,
상기 증착하는 단계는,
챔버 내에 기판을 위치하는 단계;
상기 금속 박막 형성용 전구체 조성물을 상기 챔버 내에 공급하는 단계;
상기 챔버 내에 반응성 기체 또는 반응성 기체의 플라즈마를 공급하는 단계;
상기 챔버 내에서 열 처리, 플라즈마 처리 및 광 조사 중 어느 하나 또는 그 이상의 수단에 의해 처리하는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 금속막 형성 방법.
6. The method of claim 5,
The depositing step is
positioning the substrate in the chamber;
supplying the precursor composition for forming the metal thin film into the chamber;
supplying a reactive gas or plasma of the reactive gas into the chamber;
processing in the chamber by any one or more means of heat treatment, plasma treatment, and light irradiation;
A method of forming a metal film comprising a.
청구항 8에 있어서,
상기 증착하는 단계는 250 내지 400℃에서 수행되는 것을 특징으로 하는 금속막 형성 방법.
9. The method of claim 8,
The depositing step is a metal film forming method, characterized in that performed at 250 to 400 ℃.
청구항 5의 금속 박막 형성 방법에 의해 제조된 금속 박막을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자.A semiconductor device comprising a metal thin film manufactured by the metal thin film forming method of claim 5 .
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