KR20220048455A - 열적으로 안정한 루테늄 전구체 조성물 및 루테늄 함유 막 형성 방법 - Google Patents
열적으로 안정한 루테늄 전구체 조성물 및 루테늄 함유 막 형성 방법 Download PDFInfo
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Abstract
본원은, 열 안정성이 높은 막 형성용 루테늄 전구체 화합물, 상기 루테늄 전구체 화합물을 포함하는 막 형성용 전구체 조성물 및 상기 막 형성용 전구체를 이용하여 루테늄-함유 막을 형성하는 방법에 관한 것이다.
Description
본원은, 열 안정성이 높은 막 형성용 루테늄 전구체 화합물, 상기 루테늄 전구체 화합물을 포함하는 막 형성용 전구체 조성물 및 상기 막 형성용 전구체를 이용하여 루테늄-함유 막을 형성하는 방법에 관한 것이다.
루테늄(Ru) 금속은 구리(Cu), 텅스텐(W), 코발트(Co)처럼 전기를 잘 통하기 때문에 반도체 소자의 배선 재료로서 사용될 수 있다. 반도체 소자의 집적화가 진행되어 금속 배선의 폭이 좁아질수록 상기 금속 배선의 저항이 증가하게 된다. 반도체 소자 배선에 루테늄 금속을 사용하는 경우, 상기 금속 배선 폭이 40 nm 이하와 같이 매우 좁을 때 구리 또는 코발트에 비해 저항이 덜 증가하기 때문에, 상기 루테늄(Ru) 금속은 차세대 배선 재료로서 연구되고 있다. 차세대 반도체 소자의 배선에 필요한 좁은 홈을 루테늄 금속으로 채우려면, 화학증착법(CVD; chemical vapor deposition) 또는 원자층 증착법(ALD; atomic layer deposition)과 같이 기체 상태의 루테늄 화합물을 기판 표면에 공급하여 루테늄 금속 막을 형성하는 것이 유리하다.
상기 목적으로 CVD 또는 ALD에 사용할 수 있는 몇몇의 루테늄 전구체 조성물들이 알려져 있다. 다만, 반도체 소자 제조에 상기 루테늄(Ru) 금속을 사용하기 위해서는, 전구체 조성물을 기화시키는 온도에서 조성이 변화하지 않는 열적으로 안정한 루테늄 전구체 조성물이 요구된다.
L. G. Wen et al., "Ruthenium metallization for advanced interconnects", 2016 IEEE International Interconnect Technology Conference / Advanced Metallization Conference (IITC/AMC), doi:10.1109/iitc-amc.2016.7507651, 2016.
본원은, 열 안정성이 높은 막 형성용 루테늄 전구체 화합물, 상기 루테늄 전구체 화합물을 포함하는 막 형성용 전구체 조성물 및 상기 막 형성용 전구체를 이용하여 루테늄-함유 막을 형성하는 방법을 제공하고자 한다.
그러나, 본원이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본원의 제 1 측면은, 하기 화학식 Ⅰ로서 표시되는, 루테늄 전구체 화합물을 제공한다:
[화학식 Ⅰ]
상기 화학식 Ⅰ에서, R1 내지 R6은, 각각 독립적으로, 수소; 치환 또는 비치환된 선형 또는 분지형의 C1-10 알킬기; 또는 치환 또는 비치환된 C3-10 시클로알킬기이고, 상기 알킬기 또는 시클로알킬기가 치환되는 경우, 선형 또는 분지형의 C1-3 알킬기로 치환되는 것임.
본원의 제 2 측면은, 제 1 측면에 따른 루테늄 전구체 화합물을 하나 이상 포함하는, 막 형성용 전구체 조성물을 제공한다.
본원의 제 3 측면은, 제 1 측면에 따른 루테늄 전구체 화합물을 포함하는 막 형성용 전구체 조성물을 이용하여 루테늄-함유 막을 형성하는 것을 포함하는, 루테늄-함유 막 형성 방법을 제공한다.
열안정성이 낮은 Ru 전구체 조성물의 경우, 기화하는 동안 이성질체의 조성 비율이 변하는 반면, 본원의 구현예들에 따르면, 본원의 루테늄 전구체 조성물을 이용하는 루테늄-함유 막 형성 방법은, 기화시킨 전구체 조성물의 조성이 사용 중에 변화하지 않기 때문에 일정한 특성의 루테늄 막을 형성하는 데에 유리하여 반도체 소자 제조 공정에 사용할 수 있다.
본원의 구현예들에 따르면, 표면에 패턴(홈)이 있는 기재, 다공성 기재, 또는 플라스틱 기재 상에서도 다양한 온도 범위에서, 수 nm 내지 수 μm 두께의 루테늄-함유 막을 균일하게 형성할 수 있다.
본원의 구현예들에 따르면, 본원의 루테늄 전구체 조성물을 이용하는 루테늄-함유 막은 적용 용도에 따라 다양하게 응용될 수 있다.
도 1a 내지 도 1c는, 반응 가스로 사용하는 산소(O2) 및 질소(N2) 기체를 각각 70 sccm : 140 sccm, 100 sccm : 100 sccm, 및 200 sccm : 0 sscm의 다양한 혼합 비율로 사용하여, 각각의 경우에 형성된 루테늄-함유 막의 투과전자현미경(TEM; Transmission Electron Microscope) 이미지들이다.
도 2는, 오제 전자 분광법(Auger electron spectroscopy)으로 측정한 Ru 막 두께에 따른 막의 조성을 나타낸 것이다.
도 2는, 오제 전자 분광법(Auger electron spectroscopy)으로 측정한 Ru 막 두께에 따른 막의 조성을 나타낸 것이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본원의 구현예 및 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본원은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 구현예 및 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부재가 다른 부재 "상에" 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
본 명세서에서 사용되는 정도의 용어 "약", "실질적으로" 등은 언급된 의미에 고유한 제조 및 물질 허용오차가 제시될 때 그 수치에서 또는 그 수치에 근접한 의미로 사용되고, 본원의 이해를 돕기 위해 정확하거나 절대적인 수치가 언급된 개시 내용을 비양심적인 침해자가 부당하게 이용하는 것을 방지하기 위해 사용된다.
본원 명세서 전체에서 사용되는 정도의 용어 “~ 하는 단계” 또는 “~의 단계”는 “~를 위한 단계”를 의미하지 않는다.
본원 명세서 전체에서, 마쿠시 형식의 표현에 포함된 "이들의 조합(들)"의 용어는 마쿠시 형식의 표현에 기재된 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 혼합 또는 조합을 의미하는 것으로서, 상기 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것을 의미한다.
본원 명세서 전체에서, "A 및/또는 B"의 기재는, "A 또는 B, 또는 A 및 B"를 의미한다.
본원 명세서 전체에서, 용어 "알킬" 또는 "알킬기"는, 1 내지 12 개의 탄소 원자, 1 내지 10 개의 탄소 원자, 1 내지 8 개의 탄소 원자, 또는 1 내지 5 개의 탄소 원자를 갖는 선형 또는 분지형 알킬기 및 이들의 모든 가능한 이성질체를 포함한다. 예를 들어, 상기 알킬 또는 알킬기는 메틸기(Me), 에틸기(Et), n-프로필기(nPr), iso-프로필기(iPr), n-부틸기(nBu), iso-부틸기(iBu), tert-부틸기(tert-Bu, tBu), sec-부틸기(sec-Bu, secBu), n-펜틸기(nPe), iso-펜틸기(isoPe), sec-펜틸기(secPe), tert-펜틸기(tPe), neo-펜틸기(neoPe), 3-펜틸기, n-헥실기, iso-헥실기, 헵틸기, 4,4-디메틸펜틸기, 옥틸기, 2,2,4-트리메틸펜틸기, 노닐기, 데실기, 운데실기, 도데실기, 및 이들의 이성질체들 등을 들 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원 명세서 전체에서, 용어 "막"은 "막" 또는 "박막"을 의미한다.
이하, 본원의 구현예를 상세히 설명하였으나, 본원이 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 제 1 측면은, 하기 화학식 Ⅰ로서 표시되는, 루테늄 전구체 화합물을 제공한다:
[화학식 Ⅰ]
상기 화학식 Ⅰ에서, R1 내지 R6은, 각각 독립적으로, 수소; 치환 또는 비치환된 선형 또는 분지형의 C1-10 알킬기; 또는 치환 또는 비치환된 C3-10 시클로알킬기이고, 상기 알킬기 또는 시클로알킬기가 치환되는 경우, 선형 또는 분지형의 C1-3 알킬기로 치환되는 것임.
본원의 일 구현예에 있어서, R1, R2, R5 및 R6 중 하나 이상이 치환 또는 비치환된 선형 또는 분지형의 C1-10 알킬기; 또는 치환 또는 비치환된 C3-10 시클로알킬기일 수 있다. 본원의 일 구현예에 있어서, 상기 루테늄 화합물은 R1, R2, R5 및 R6 모두가 수소인 경우를 제외하는 것일 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 선형 또는 분지형의 C1-10 알킬기는, 메틸기, 에틸기, n-프로필기, iso-프로필기, n-부틸기, iso-부틸기, sec-부틸기, tert-부틸기, n-펜틸기, iso-펜틸기, sec-펜틸기, tert-펜틸기, neo-펜틸기, 3-펜틸기, n-헥실기, iso-헥실기, sec-헥실기, tert-헥실기, neo-헥실기, n-헵틸기, iso-헵틸기, sec-헵틸기, tert-헵틸기, neo-헵틸기, n-옥틸기, iso-옥틸기, sec-옥틸기, tert-옥틸기, neo-옥틸기, n-노닐기, iso-노닐기, sec-노닐기, tert-노닐기, neo-노닐기, n-데실기, iso-데실기, sec-데실기, tert-데실기, neo-데실기, 및 이들의 이성질체로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 본원의 일 구현예에 있어서, 상기 선형 또는 분지형의 C1-10 알킬기는, 메틸기, 에틸기, n-프로필기, 또는 iso-프로필기일 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 C3-10 시클로알킬기는 시클로프로필기, 시클로부틸기, 시클로펜틸기, 시클로헥실기, 시클로헵틸기, 시클로옥틸기, 시클로노닐기, 시클로데실기 및 이들의 이성질체로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 본원의 일 구현예에 있어서, 상기 C3-10 시클로알킬기는 시클로펜틸기, 시클로헥실기, 또는 시클로헵틸기일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 따른 루테늄 화합물은, (p-cymene)[CH2=C(CH3)CH=C(CH3)2]Ru, (p-cymene)[MeCH=C(CH3)CH=C(CH3)2]Ru, (p-cymene)[EtCH=C(CH3)CH=C(CH3)2]Ru, (p-cymene)[nPrCH=C(CH3)CH=C(CH3)2]Ru, (p-cymene)[iPrCH=C(CH3)CH=C(CH3)2]Ru, (p-cymene)[nBuCH=C(CH3)CH=C(CH3)2]Ru, (p-cymene)[iBuCH=C(CH3)CH=C(CH3)2]Ru, (p-cymene)[secBuCH=C(CH3)CH=C(CH3)2]Ru, (p-cymene)[tBuCH=C(CH3)CH=C(CH3)2]Ru, (p-cymene)(CH3CH=CH-CH=CHCH3)Ru, (p-cymene)(Me2C=CH-CH=CHCH3)Ru (p-cymene)(EtMeC=CH-CH=CHCH3)Ru, (p-cymene)(nPrMeC=CH-CH=CHCH3)Ru, (p-cymene)(iPrMeC=CH-CH=CHCH3)Ru, (p-cymene)(nBuMeC=CH-CH=CHCH3)Ru, (p-cymene)(iBuMeC=CH-CH=CHCH3)Ru, (p-cymene)(secBuMeC=CH-CH=CHCH3)Ru, (p-cymene)(tBuMeC=CH-CH=CHCH3)Ru, (p-cymene)(CH2=CHCH=CHCH2CH3)Ru, (p-cymene)(MeCH=CHCH=CHCH2CH3)Ru, (p-cymene)(EtCH=CHCH=CHCH2CH3)Ru, (p-cymene)(nPrCH=CHCH=CHCH2CH3)Ru, (p-cymene)(iPrCH=CHCH=CHCH2CH3)Ru, (p-cymene)(nBuCH=CHCH=CHCH2CH3)Ru, (p-cymene)(iBuCH=CHCH=CHCH2CH3)Ru, (p-cymene)(secBuCH=CHCH=CHCH2CH3)Ru, 및 (p-cymene)(tBuCH=CHCH=CHCH2CH3)Ru에서 선택되는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 루테늄 전구체 화합물은 하기 화학식 1 내지 화학식 3에서 선택되는 것일 수 있다:
[화학식 1]
[화학식 2]
[화학식 3]
본원의 제 2 측면은, 제 1 측면에 따른 루테늄 전구체 화합물을 하나 이상 포함하는, 막 형성용 전구체 조성물을 제공한다.
본원의 제 1 측면과 중복되는 부분들에 대해서는 상세한 설명을 생략하였으나, 본원의 제 1 측면에 대해 설명한 내용은 본원의 제 2 측면에서 그 설명이 생략되었더라도 동일하게 적용될 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, R1, R2, R5 및 R6 중 하나 이상이 치환 또는 비치환된 선형 또는 분지형의 C1-10 알킬기; 또는 치환 또는 비치환된 C3-10 시클로알킬기일 수 있다. 본원의 일 구현예에 있어서, 상기 루테늄 화합물은 R1, R2, R5 및 R6 모두가 수소인 경우를 제외하는 것일 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 선형 또는 분지형의 C1-10 알킬기는, 메틸기, 에틸기, n-프로필기, iso-프로필기, n-부틸기, iso-부틸기, sec-부틸기, tert-부틸기, n-펜틸기, iso-펜틸기, sec-펜틸기, tert-펜틸기, neo-펜틸기, 3-펜틸기, n-헥실기, iso-헥실기, sec-헥실기, tert-헥실기, neo-헥실기, n-헵틸기, iso-헵틸기, sec-헵틸기, tert-헵틸기, neo-헵틸기, n-옥틸기, iso-옥틸기, sec-옥틸기, tert-옥틸기, neo-옥틸기, n-노닐기, iso-노닐기, sec-노닐기, tert-노닐기, neo-노닐기, n-데실기, iso-데실기, sec-데실기, tert-데실기, neo-데실기, 및 이들의 이성질체로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 본원의 일 구현예에 있어서, 상기 선형 또는 분지형의 C1-10 알킬기는, 메틸기, 에틸기, n-프로필기, 또는 iso-프로필기일 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 C3-10 시클로알킬기는 시클로프로필기, 시클로부틸기, 시클로펜틸기, 시클로헥실기, 시클로헵틸기, 시클로옥틸기, 시클로노닐기, 시클로데실기 및 이들의 이성질체로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 본원의 일 구현예에 있어서, 상기 C3-10 시클로알킬기는 시클로펜틸기, 시클로헥실기, 또는 시클로헵틸기일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 막 형성용 전구체 조성물은 하기 루테늄 전구체 화합물 중 하나 이상을 포함하는 혼합물일 수 있다:
(p-cymene)[CH2=C(CH3)CH=C(CH3)2]Ru, (p-cymene)[MeCH=C(CH3)CH=C(CH3)2]Ru, (p-cymene)[EtCH=C(CH3)CH=C(CH3)2]Ru, (p-cymene)[nPrCH=C(CH3)CH=C(CH3)2]Ru, (p-cymene)[iPrCH=C(CH3)CH=C(CH3)2]Ru, (p-cymene)[nBuCH=C(CH3)CH=C(CH3)2]Ru, (p-cymene)[iBuCH=C(CH3)CH=C(CH3)2]Ru, (p-cymene)[secBuCH=C(CH3)CH=C(CH3)2]Ru, (p-cymene)[tBuCH=C(CH3)CH=C(CH3)2]Ru, (p-cymene)(CH3CH=CH-CH=CHCH3)Ru, (p-cymene)(Me2C=CH-CH=CHCH3)Ru (p-cymene)(EtMeC=CH-CH=CHCH3)Ru, (p-cymene)(nPrMeC=CH-CH=CHCH3)Ru, (p-cymene)(iPrMeC=CH-CH=CHCH3)Ru, (p-cymene)(nBuMeC=CH-CH=CHCH3)Ru, (p-cymene)(iBuMeC=CH-CH=CHCH3)Ru, (p-cymene)(secBuMeC=CH-CH=CHCH3)Ru, (p-cymene)(tBuMeC=CH-CH=CHCH3)Ru, (p-cymene)(CH2=CHCH=CHCH2CH3)Ru, (p-cymene)(MeCH=CHCH=CHCH2CH3)Ru, (p-cymene)(EtCH=CHCH=CHCH2CH3)Ru, (p-cymene)(nPrCH=CHCH=CHCH2CH3)Ru, (p-cymene)(iPrCH=CHCH=CHCH2CH3)Ru, (p-cymene)(nBuCH=CHCH=CHCH2CH3)Ru, (p-cymene)(iBuCH=CHCH=CHCH2CH3)Ru, (p-cymene)(secBuCH=CHCH=CHCH2CH3)Ru, 및 (p-cymene)(tBuCH=CHCH=CHCH2CH3)Ru.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 루테늄 전구체 화합물은 하기 화합물에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것일 수 있다:
[화학식 1]
[화학식 2]
[화학식 3]
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 막은 루테늄 금속 막, 루테늄-함유 산화 막, 루테늄-함유 질화 막, 루테늄-함유 탄화 막 및 이들의 조합들에서 선택되는 하나 이상일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 루테늄-함유 산화 막 또는 상기 루테늄-함유 질화 막은 반도체 및 비 반도체, 디스플레이 소자에 그 적용 용도에 따라 다양하게 응용될 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 막 형성용 전구체 조성물은 암모니아, 질소, 히드라진, 및 디메틸 히드라진에서 선택되는 하나 이상의 질소원을 추가 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 막 형성용 전구체 조성물은 수증기, 산소, 및 오존에서 선택되는 하나 이상의 산소원을 추가 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 제 3 측면은, 제 1 측면에 따른 루테늄 전구체 화합물을 포함하는 막 형성용 전구체 조성물을 이용하여 루테늄-함유 막을 형성하는 것을 포함하는, 루테늄-함유 막 형성 방법을 제공한다.
본원의 제 1 측면 및 제 2 측면과 중복되는 부분들에 대해서는 상세한 설명을 생략하였으나, 본원의 제 1 측면 및 제 2 측면에 대해 설명한 내용은 본원의 제 3 측면에서 그 설명이 생략되었더라도 동일하게 적용될 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 막 형성용 전구체 조성물에 포함되는 루테늄 전구체 화합물은 하기 화합물에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것일 수 있다:
[화학식 1]
[화학식 2]
[화학식 3]
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 루테늄-함유 막은 화학기상 증착법(CVD; chemical vapor deposition) 또는 원자층 증착법(ALD; atomic layer deposition)에 의해 증착되는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 막 형성용 전구체 조성물이 가열하여 기화시키는 과정에서 상기 막 형성용 전구체 조성물에 포함되는 하나 이상의 루테늄 전구체 화합물의 조성이 유지되는 것일 수 있다. 본원의 일 구현예에 있어서, 상기 막 형성용 전구체 조성물이 가열하여 기화시키는 과정에서 상기 막 형성용 전구체 조성물에 포함되는 하나 이상의 루테늄 전구체 화합물의 조성이 약 70% 이상, 약 80% 이상, 약 90% 이상, 또는 약 95% 이상 유지되는 것일 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 루테늄-함유 막은 유기금속 화학기상증착법 (MOCVD; metalorganic chemical vapor deposition) 또는 원자층 증착법(ALD)에 의해 증착되는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 본원의 일 구현예에 있어서, 상기 루테늄-함유 막은 화학기상증착법 또는 원자층 증착법은 본 기술분야에 공지된 증착 장치, 증착 조건, 및 하나 이상의 추가 반응기체 등을 이용하여 수행될 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 ALD 및 CVD 방법에 이용되는 반응 기체로는 수소 (H2) 기체, 암모니아 (NH3) 기체, 산소 (O2) 기체, 또는 오존 (O3) 기체 등 반도체 공정에 사용하는 기체를 사용하여 루테늄-함유 막을 형성할 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 ALD 및 CVD 방법에 수소 기체 및/또는 암모니아 기체를 사용하여 막을 형성하는 경우, 불순물이 적게 포함된 루테늄-함유 막을 형성할 수 있다. 예를 들어, 산소 기체 또는 오존 기체를 사용하여 막을 형성하는 경우, 루테늄 산화물 막을 형성할 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 루테늄-함유 막 형성 방법은 증착 챔버 내에 위치한 기재 상에 루테늄 전구체 화합물을 포함하는 막 형성용 전구체 조성물을 기체 상태로 공급하여, 기재 표면에 루테늄-함유 막을 형성하는 것을 포함하나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 루테늄-함유 막은 상온 내지 약 400℃의 온도 범위에서 형성되는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 루테늄-함유 막은 상온 내지 약 400℃, 상온 내지 약 350℃, 상온 내지 약 300℃, 상온 내지 약 250℃, 상온 내지 약 200℃, 상온 내지 약 150℃, 상온 내지 약 100℃, 약 100℃ 내지 약 400℃, 약 100℃ 내지 약 350℃, 약 100℃ 내지 약 300℃, 약 100℃ 내지 약 250℃, 약 100℃ 내지 약 200℃, 약 100℃ 내지 약 150℃, 약 150℃ 내지 약 400℃, 약 150℃ 내지 약 350℃, 약 150℃ 내지 약 300℃, 약 150℃ 내지 약 250℃, 약 150℃ 내지 약 200℃, 약 200℃ 내지 약 400℃, 약 200℃ 내지 약 350℃, 약 200℃ 내지 약 300℃, 약 200℃ 내지 약 250℃, 약 250℃ 내지 약 400℃, 약 250℃ 내지 약 350℃, 약 250℃ 내지 약 300℃, 약 300℃ 내지 약 400℃, 약 300℃ 내지 약 350℃, 또는 약 350℃ 내지 약 400℃의 온도 범위에서 형성되는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 본원의 일 구현예에 있어서, 상기 루테늄-함유 막은 약 200℃ 내지 약 400℃, 또는 약 300℃ 내지 약 400℃의 온도 범위에서 형성되는 것일 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 루테늄-함유 막은 약 1 nm 내지 약 500 nm의 두께 범위에서 형성되는 것일 수 있으나, 적용 용도에 따라 다양하게 응용될 수 있으며, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 루테늄-함유 막은 약 1 nm 내지 약 500 nm, 약 1 nm 내지 약 400 nm, 약 1 nm 내지 약 300 nm, 약 1 nm 내지 약 200 nm, 약 1 nm 내지 약 100 nm, 약 1 nm 내지 약 50 nm, 약 1 nm 내지 약 40 nm, 약 1 nm 내지 약 30 nm, 약 1 nm 내지 약 20 nm, 약 1 nm 내지 약 10 nm, 약 10 nm 내지 약 500 nm, 약 10 nm 내지 약 400 nm, 약 10 nm 내지 약 300 nm, 약 10 nm 내지 약 200 nm, 약 10 nm 내지 약 100 nm, 약 10 nm 내지 약 50 nm, 약 10 nm 내지 약 40 nm, 약 10 nm 내지 약 30 nm, 약 10 nm 내지 약 20 nm, 약 20 nm 내지 약 500 nm, 약 20 nm 내지 약 400 nm, 약 20 nm 내지 약 300 nm, 약 20 nm 내지 약 200 nm, 약 20 nm 내지 약 100 nm, 약 20 nm 내지 약 50 nm, 약 20 nm 내지 약 40 nm, 약 20 nm 내지 약 30 nm, 약 30 nm 내지 약 500 nm, 약 30 nm 내지 약 400 nm, 약 30 nm 내지 약 300 nm, 약 30 nm 내지 약 200 nm, 약 30 nm 내지 약 100 nm, 약 30 nm 내지 약 50 nm, 약 30 nm 내지 약 40 nm, 약 40 nm 내지 약 500 nm, 약 40 nm 내지 약 400 nm, 약 40 nm 내지 약 300 nm, 약 40 nm 내지 약 200 nm, 약 40 nm 내지 약 100 nm, 약 40 nm 내지 약 50 nm, 약 50 nm 내지 약 500 nm, 약 50 nm 내지 약 400 nm, 약 50 nm 내지 약 300 nm, 약 50 nm 내지 약 200 nm, 약 50 nm 내지 약 100 nm, 약 100 nm 내지 약 500 nm, 약 100 nm 내지 약 400 nm, 약 100 nm 내지 약 300 nm, 약 100 nm 내지 약 200 nm, 약 200m 내지 약 500 nm, 약 200 nm 내지 약 400 nm, 약 200 nm 내지 약 300 nm, 약 300 nm 내지 약 500 nm, 약 300 nm 내지 약 400 nm, 또는 약 400 nm 내지 약 500 nm의 두께 범위에서 형성되는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 본원의 일 구현예에 있어서, 상기 루테늄-함유 막은 약 1 nm 내지 약 50 nm의 두께 범위에서 형성되는 것일 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 루테늄-함유 막은 통상적인 실리콘 반도체 웨이퍼, 화합물 반도체 웨이퍼, 및 플라스틱 기판들(PI, PET, PES, 및 PEN)에서 선택되는 하나 이상의 기재 상에 형성될 수 있는 것이나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 또한, 구멍이나 홈이 있는 기재를 사용할 수도 있으며, 표면적이 넓은 다공질의 기재를 사용할 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 또한, 서로 다른 두 종류 이상의 기재가 접촉 또는 연결되어 있는 기재에 동시에 또는 순차적으로 기재 전체 또는 일부에 대하여 상기 루테늄-함유 막이 형성될 수 있는 것이나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 루테늄-함유 막은 종횡비가 약 1 내지 약 100이고, 폭이 약 10 nm 내지 약 1 ㎛인 요철(홈)을 포함하는 기재 상에 형성되는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 요철(홈)은 구멍(hole) 또는 도랑(trench) 형태일 수 있다. 예를 들어, 상기 종횡비는 약 1 이상, 약 10 이상, 약 30 이상, 약 50 이상, 약 1 내지 약 100, 약 1 내지 약 90, 약 1 내지 약 80, 약 1 내지 약 70, 약 1 내지 약 60, 약 1 내지 약 50, 약 1 내지 약 40, 약 1 내지 약 30, 약 1 내지 약 20, 약 1 내지 약 10, 약 10 내지 약 100, 약 10 내지 약 90, 약 10 내지 약 80, 약 10 내지 약 70, 약 10 내지 약 60, 약 10 내지 약 50, 약 10 내지 약 40, 약 10 내지 약 30, 약 10 내지 약 20, 약 20 내지 약 100, 약 20 내지 약 90, 약 20 내지 약 80, 약 20 내지 약 70, 약 20 내지 약 60, 약 20 내지 약 50, 약 20 내지 약 40, 약 20 내지 약 30, 약 30 내지 약 100, 약 30 내지 약 90, 약 30 내지 약 80, 약 30 내지 약 70, 약 30 내지 약 60, 약 30 내지 약 50, 약 30 내지 약 40, 약 40 내지 약 100, 약 40 내지 약 90, 약 40 내지 약 80, 약 40 내지 약 70, 약 40 내지 약 60, 약 40 내지 약 50, 약 50 내지 약 100, 약 50 내지 약 90, 약 50 내지 약 80, 약 50 내지 약 70, 약 50 내지 약 60, 약 60 내지 약 100, 약 60 내지 약 90, 약 60 내지 약 80, 약 60 내지 약 70, 약 70 내지 약 100, 약 70 내지 약 90, 약 70 내지 약 80, 약 80 내지 약 100, 약 80 내지 약 90, 또는 약 90 내지 약 100일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 또한, 예를 들어, 상기 폭은 약 10 nm 내지 약 1 ㎛, 약 10 nm 내지 약 900 nm, 약 10 nm 내지 약 800 nm, 약 10 nm 내지 약 700 nm, 약 10 nm 내지 약 600 nm, 약 10 nm 내지 약 500 nm, 약 10 nm 내지 약 400 nm, 약 10 nm 내지 약 300 nm, 약 10 nm 내지 약 200 nm, 약 10 nm 내지 약 100 nm, 약 10 nm 내지 약 90 nm, 약 10 nm 내지 약 80 nm, 약 10 nm 내지 약 70 nm, 약 10 nm 내지 약 60 nm, 약 10 내지 약 50 nm, 약 10 nm 내지 약 40 nm, 약 10 nm 내지 약 30 nm, 약 10 nm 내지 약 20 nm, 약 20 nm 내지 약 1 ㎛, 약 20 nm 내지 약 900 nm, 약 20 nm 내지 약 800 nm, 약 20 nm 내지 약 700 nm, 약 20 nm 내지 약 600 nm, 약 20 nm 내지 약 500 nm, 약 20 nm 내지 약 400 nm, 약 20 nm 내지 약 300 nm, 약 20 nm 내지 약 200 nm, 약 20 nm 내지 약 100 nm, 약 20 nm 내지 약 90 nm, 약 20 nm 내지 약 80 nm, 약 20 nm 내지 약 70 nm, 약 20 nm 내지 약 60 nm, 약 20 nm 내지 약 50 nm, 약 20 nm 내지 약 40 nm, 약 20 nm 내지 약 30 nm, 약 30 nm 내지 약 1 ㎛, 약 30 nm 내지 약 900 nm, 약 30 nm 내지 약 800 nm, 약 30 nm 내지 약 700 nm, 약 30 nm 내지 약 600 nm, 약 30 nm 내지 약 500 nm, 약 30 nm 내지 약 400 nm, 약 30 nm 내지 약 300 nm, 약 30 nm 내지 약 200 nm, 약 30 nm 내지 약 100 nm, 약 30 nm 내지 약 90 nm, 약 30 nm 내지 약 80 nm, 약 30 nm 내지 약 70 nm, 약 30 nm 내지 약 60 nm, 약 30 내지 약 50 nm, 약 30 nm 내지 약 40 nm, 약 40 nm 내지 약 1 ㎛, 약 40 nm 내지 약 900 nm, 약 40 nm 내지 약 800 nm, 약 40 nm 내지 약 700 nm, 약 40 nm 내지 약 600 nm, 약 40 nm 내지 약 500 nm, 약 40 nm 내지 약 400 nm, 약 40 nm 내지 약 300 nm, 약 40 nm 내지 약 200 nm, 약 40 nm 내지 약 100 nm, 약 40 nm 내지 약 90 nm, 약 40 nm 내지 약 80 nm, 약 40 nm 내지 약 70 nm, 약 40 nm 내지 약 60 nm, 약 40 내지 약 50 nm, 약 50 nm 내지 약 1 ㎛, 약 50 nm 내지 약 900 nm, 약 50 nm 내지 약 800 nm, 약 50 nm 내지 약 700 nm, 약 50 nm 내지 약 600 nm, 약 50 nm 내지 약 500 nm, 약 50 nm 내지 약 400 nm, 약 50 nm 내지 약 300 nm, 약 50 nm 내지 약 200 nm, 약 50 nm 내지 약 100 nm, 약 50 nm 내지 약 90 nm, 약 50 nm 내지 약 80 nm, 약 50 nm 내지 약 70 nm, 약 50 nm 내지 약 60 nm, 약 100 nm 내지 약 1 ㎛, 약 100 nm 내지 약 900 nm, 약 100 nm 내지 약 800 nm, 약 100 nm 내지 약 700 nm, 약 100 nm 내지 약 600 nm, 약 100 nm 내지 약 500 nm, 약 100 nm 내지 약 400 nm, 약 100 nm 내지 약 300 nm, 약 100 nm 내지 약 200 nm, 약 200 nm 내지 약 1 ㎛, 약 200 nm 내지 약 900 nm, 약 200 nm 내지 약 800 nm, 약 200 nm 내지 약 700 nm, 약 200 nm 내지 약 600 nm, 약 200 nm 내지 약 500 nm, 약 200 nm 내지 약 400 nm, 약 200 nm 내지 약 300 nm, 약 300 nm 내지 약 1 ㎛, 약 300 nm 내지 약 900 nm, 약 300 nm 내지 약 800 nm, 약 300 nm 내지 약 700 nm, 약 300 nm 내지 약 600 nm, 약 300 nm 내지 약 500 nm, 약 300 nm 내지 약 400 nm, 약 400 nm 내지 약 1 ㎛, 약 400 nm 내지 약 900 nm, 약 400 nm 내지 약 800 nm, 약 400 nm 내지 약 700 nm, 약 400 nm 내지 약 600 nm, 약 400 nm 내지 약 500 nm, 약 500 nm 내지 약 1 ㎛, 약 500 nm 내지 약 900 nm, 약 500 nm 내지 약 800 nm, 약 500 nm 내지 약 700 nm, 약 500 nm 내지 약 600 nm, 약 600 nm 내지 약 1 ㎛, 약 600 nm 내지 약 900 nm, 약 600 nm 내지 약 800 nm, 약 600 nm 내지 약 700 nm, 약 700 nm 내지 약 1 ㎛, 약 700 nm 내지 약 900 nm, 약 700 nm 내지 약 800 nm, 약 800 nm 내지 약 1 ㎛, 약 800 nm 내지 약 900 nm, 또는 약 900 nm 내지 약 1 ㎛일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 막 형성용 전구체 조성물에 포함되는 본 발명의 루테늄 전구체 화합물은 낮은 밀도 및 높은 열 안정성에 기인하여 원자층 증착법 또는 화학기상 증착법의 전구체로서 사용하여 루테늄-함유 막을 형성할 수 있으며, 특히, 표면에 패턴(홈)이 있는 기재, 다공성 기재, 또는 플라스틱 기재 상에서도 상온 내지 약 400℃, 약 200℃ 내지 약 400℃, 또는 약 300℃ 내지 약 400℃의 온도 범위에서, 수 nm 내지 수 μm 두께의 루테늄-함유 막을 균일하게 형성할 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 루테늄-함유 막 형성 방법은 반응 챔버 내에 기재를 수용한 뒤, 운송 가스 또는 희석 가스를 사용하여 상기 루테늄 전구체 화합물을 기재 상으로 이송하여, 상온 내지 약 400℃, 또는 약 200℃ 내지 약 400℃의 넓은 범위의 증착 온도에서 루테늄-함유 산화 박막 또는 질화 박막을 증착시키는 것이 바람직하나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 운송가스 또는 희석 가스는 아르곤(Ar), 질소 (N2), 헬륨 (He) 또는 수소 (H2) 중에서 선택되는 하나 이상의 혼합 가스를 사용하는 것이 바람직하나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 루테늄 전구체 화합물을 기재 상으로 전달하는 방식으로는 전구체를 운송 가스를 이용하여 강제적으로 기화시키는 버블링 (Bubbling) 방식, 상온에서 액상으로 공급하여 기화기를 통해 기화시키는 리퀴드 딜리버리 시스템 (LDS; Liquid Delivery System) 방식 및 전구체의 증기압을 이용하여 직접 공급하는 증기압 유량 조절기 (VFC; Vapor Flow Controller) 방식을 포함하는 다양한 공급 방식이 적용될 수 있으나, 증기압이 높은 경우는 VFC 방식을 사용할 수 있으며, 증기압이 낮은 경우는 용기를 가열하여 기화시키는 바이패스(Bypass) 방식이 사용될 수 있다. 상기 루테늄 전구체 화합물을 버블러 용기 또는 VFC 용기에 담아 약 0.1 torr 내지 약 10 torr, 상온 내지 약 100℃의 온도 범위에서 운송 가스를 이용하는 버블링 또는 높은 증기압을 이용하여 운송하는 챔버 내로 공급시키는 방식이 사용될 수 있다. 가장 바람직하게는 상기 루테늄 전구체 화합물을 상온에서 액상으로 공급하여 기화기를 통해 기화시키는 LDS 방식이 사용될 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 루테늄 전구체 화합물을 기화시키기 위하여 아르곤(Ar) 또는 질소(N2) 가스로 운송, 열에너지 또는 플라즈마를 이용, 또는 기판상에 바이어스를 인가하는 것이 더욱 바람직하나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 증착 온도가 상온 내지 약 400℃, 또는 약 200℃ 내지 약 400℃인 것은 메모리 소자 및 로직 소자, 디스플레이 소자에 적용될 수 있는 공정온도가 넓기 때문에 다양한 분야에 적용 가능성이 큰 것이다. 또한, 루테늄-함유 산화 박막 또는 질화 박막의 필름 특성이 상이하여, 넓은 온도 범위에서 사용가능한 루테늄 전구체 화합물이 필요하기 때문에 상온 내지 약 400℃, 또는 약 200℃ 내지 약 400℃의 증착 온도 범위에서 증착이 이루어지는 것이 바람직하나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 루테늄-함유 막 증착 시 루테늄-함유 산화 막을 형성하는 경우, 반응가스로서 수증기 (H2O), 산소 (O2), 산소 플라즈마, (O2 Plasma), 산화질소 (NO, N2O), 산화질소 플라즈마 (N2O Plasma), 질화산소 (N2O2), 과산화수소수 (H2O2), 및 오존 (O3)에서 선택되는 하나 또는 둘 이상의 혼합물을 사용하는 것이 바람직하다. 그러나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 루테늄-함유 막 증착 시 루테늄-함유 질화 막을 증착하기 위해서 반응가스로서 암모니아 (NH3), 암모니아 플라즈마 (HN3 Plasma), 하이드라진 (N2H4), 질소 플라즈마 (N2 Plasma)를 쓰는 것이 바람직하다. 그러나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
이하, 본원의 실시예를 통하여 본 발명을 좀더 구체적으로 설명하지만, 하기 실시예는 본원의 이해를 돕기 위하여 예시하는 것일 뿐, 본원의 내용이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.
[실시예]
<실시예 1> (p-Cymene)(2,4-Dimethyl-1,3-pentadiene)Ru의 제조: [CH
3
C
6
H
4
CH(CH
3
)
2
][CH
2
=C(CH
3
)CH=C(CH
3
)
2
]Ru
[화학식 1]
불꽃 건조된 1000 mL 슈렝크 (Schlenk) 플라스크에서, [RuCl2(p-cymene)]2 88.5 g (0.144 mol)과 Na2CO3 91.8 g (0.867 mol)을 2-프로판올 400 mL에 혼합하여 현탁액을 제조하였고, 상기 현탁액에 2,4-디메틸-1,3-펜타디엔 (2,4-dimethyl-1,3-pentadiene) 25 g (0.260 mol)을 천천히 첨가하고, 상기 혼합액을 12 시간 동안 환류시킨 후 반응을 완결시켰다. 상기 반응이 완료된 후 감압 하에서 용매 및 휘발성 부반응물을 제거한 뒤 n-헥산 500 mL를 이용하여 추출하였다. n-헥산 추출물을 셀라이트(Celite) 패드와 유리 프릿(frit)을 통해 여과한 뒤 수득한 여과액을 감압 하에서 용매를 제거하고, 감압 하에서 증류하여 상기 화학식 2로서 표시되는 주황색 액체 화합물[(p-cymene)(2,4-dimethyl-1,3-pentadiene)Ru] 52.2 g (수율 50.1 %)을 수득하였다.
끓는점: 92℃ (at 0.3 torr)
밀도: 1.25 g/mL (at 25℃)
1H-NMR (400 MHz, C6D6, 25℃): δ 4.981 (d, 1H, [CH3C6 H 4 CH(CH3)2]-Ru), δ 4.656 (d, 1H, [CH3C6 H 4CH(CH3)2]-Ru), δ 4.596 (d, 1H, [CH3C6 H 4CH(CH3)2]-Ru), δ 4.384 (s, 1H, [CH2=C(CH3)CH=C(CH3)2]-Ru), δ 4.359 (d, 1H, [CH3C6 H 4CH(CH3)2]-Ru), δ 2.431 (q, 1H, [CH3C6H4CH(CH3)2]-Ru), δ 1.933 (s, 3H, [CH 3C6H4CH(CH3)2]-Ru), δ 1.878 (s, 1H, [CH 2=C(CH3)CH=C(CH3)2]-Ru), δ 1.824 (s, 3H, [CH2=C(CH 3)CH=C(CH3)2]-Ru), δ 1.533 (s, 1H, [CH 2=C(CH3)CH=C(CH3)2]-Ru), δ 1.479 (s, 3H, [CH2=C(CH3)CH=C(CH 3)2]-Ru), δ 1.264 (s, 3H, [CH2=C(CH3)CH=C(CH 3)2]-Ru), δ 1.186 (m, 6H, [CH3C6H4CH(CH 3)2]-Ru)
<실시예 2> (p-cymene)(2,4-hexadiene)Ru 과 (p-cymene)(1,3-hexadiene) Ru 혼합 조성물의 제조: [CH
3
C
6
H
4
CH(CH
3
)
2
](CH
3
CH=CH-CH=CHCH
3
)Ru + [CH
3
C
6
H
4
CH(CH
3
)
2
](CH
2
=CHCH=CHCH
2
CH
3
)Ru
[화학식 2]
[화학식 3]
불꽃 건조된 1000 mL 슈렝크 플라스크에서, [RuCl2(p-cymene)]2 30g (0.048 mol)과 Na2CO3 30.5 g (0.288 mol)을 2-프로판올 400 mL에 혼합하여 현탁액을 제조하였고, 상기 현탁액에 2,4-헥사디엔 (2,4-hexadiene) 16.6 g (0.192 mol)을 천천히 첨가하고, 상기 혼합액을 40 시간 동안 환류시킨 후 반응을 완결시켰다. 상기 반응이 완료된 후 감압 하에서 용매 및 휘발성 부반응물을 제거한 뒤 n-헥산 500 mL를 이용하여 추출하였다. n-헥산 추출물을 셀라이트(Celite) 패드와 유리 프릿(frit)을 통해 여과한 뒤 얻은 여과액을 감압 하에서 용매를 제거하고, 감압 하에서 증류하여 상기 화학식 3으로 표시되는 주황색 액체 혼합물[(p-cymene)(2,4-hexadiene)Ru 과 (p-cymene)(1,3-hexadiene) Ru의 조성물] 22 g (수율 62.8 %)을 수득하였다.
상기 액체의 NMR 스펙트럼으로부터, 이것이 (p-cymene)(2,4-hexadiene)Ru과 (p-cymene)(1,3-hexadiene)Ru이 6:4의 비율로 섞인 혼합물임을 알 수 있었다.
Ru 중심 금속에 배위한 이중 결합 탄소에 결합한 수소가 다른 탄소로 이동하는 이성화반응(isomerization reaction)이 알려져 있다 [Y. M. Wuu et al, Inorganic Chemistry 1988, 27(17), 3039-3044, doi: 10.1021/ic00290a028]. 이러한 이성화 반응을 통해서 원료로 사용한 2,4-hexadiene의 일부가 1,3-hexadine으로 바뀌었다고 추정된다. 두 이성질체는 끓는점이 거의 같아서 감압증류 후에도 6:4 비율이 유지되었다.
끓는점: 86℃ (at 0.3 torr)
밀도: 1.32 g/mL (at 25℃)
1H-NMR (700 MHz, C6D6, 25℃):
이성질체 1. 화학식 2: (p-cymene)(2,4-hexadiene)Ru, [CH3C6H4CH(CH3)2](CH3CH=CH-CH=CHCH3)Ru
δ 4.668 (m, 4H, [CH3C6 H 4CH(CH3)2](CH3CH=CH-CH=CHCH3)Ru), δ 4.330 (m, 2H, [CH3C6H4CH(CH3)2](CH3CH=CH-CH=CHCH3)Ru), δ 2.338 (m, 1H, [CH3C6H4CH(CH3)2](CH3CH=CH-CH=CHCH3)Ru), δ 2.013 (s, 3H, [CH 3C6H4CH(CH3)2](CH3CH=CH-CH=CHCH3)Ru), δ 1.371 (d, 6H, [CH3C6H4CH(CH3)2](CH 3CH=CH-CH=CHCH 3)Ru), δ 1.147 (d, 6H, [CH3C6H4CH(CH 3)2](CH3CH=CH-CH=CHCH3)Ru), δ 0.739 (m, 2H, [CH3C6H4CH(CH3)2](CH3CH=CH-CH=CHCH3)Ru)
이성질체 2. 화학식 3: (p-cymene)(1,3-hexadiene)Ru, [CH3C6H4CH(CH3)2](CH2=CHCH=CHCH2CH3)Ru
δ 4.983 (m, 1H, [CH3C6 H 4CH(CH3)2](CH2=CHCH=CHCH2CH3)Ru), δ 4.835 (m, 2H, [CH3C6 H 4CH(CH3)2](CH2=CHCH=CHCH2CH3)Ru), δ 4.727 (m, 1H, [CH3C6 H 4CH(CH3)2](CH2=CHCH=CHCH2CH3)Ru), δ 4.603 (m, 1H, [CH3C6H4CH(CH3)2](CH2=CHCH=CHCH2CH3)Ru), δ 4.418 (m, 1H, [CH3C6H4CH(CH3)2](CH2=CHCH=CHCH2CH3)Ru), δ 2.302 (m, 1H, [CH3C6H4CH(CH3)2](CH2=CHCH=CHCH2CH3)Ru), δ 1.969 (s, 3H, [CH 3C6H4CH(CH3)2](CH2=CHCH=CHCH2CH3)Ru), δ 1.758 (d, 1H, [CH3C6H4CH(CH3)2](CH 2=CHCH=CHCH2CH3)Ru), δ 1.703 (m, 1H, [CH3C6H4CH(CH3)2](CH2=CHCH=CHCH 2CH3)Ru), δ 1.401 (m, 1H, [CH3C6H4CH(CH3)2](CH2=CHCH=CHCH 2CH3)Ru), δ 1.120 (t, 3H, [CH3C6H4CH(CH3)2](CH2=CHCH=CHCH2CH 3)Ru), δ 1.098 (m, 6H, [CH3C6H4CH(CH 3)2](CH2=CHCH=CHCH2CH3)Ru), δ 0.726 (m, 1H, [CH3C6H4CH(CH3)2](CH2=CHCH=CHCH2CH3)Ru), δ 0.194 (d, 1H, [CH3C6H4CH(CH3)2](CH 2=CHCH=CHCH2CH3)Ru)
<실험예 1> 실시예 1에 따른 Ru 전구체 조성물의 열안정성 평가
밀폐된 스테인레스 스틸 용기 4 개에 실시예 1에서 합성한 Ru 전구체 화합물(화학식 1)을 포함하는 조성물을 각각 2g씩 담고 110℃ 및 120℃에서 7 일, 14 일, 및 28 일 동안 각각 가열하였다.
가열 전 NMR과 가열 후 NMR을 측정하여 각각의 순도를 하기 표 1에 나타내었다. 28 일 가열 후에도 순도는 거의 변하지 않았으며, 신규 NMR 피크가 나타나지 않았다. 따라서, 실시예 1의 Ru 전구체 조성물[(p-cymene)(2,4-dimethyl-1,3-pentadiene)Ru]을 110℃ 및 120℃로 가열하여 기화시키는 동안 분해 없이 일정한 비율을 유지하는 것을 확인할 수 있다.
| 실시예 1의 Ru 전구체 조성물의 열 안정성 평가 | ||
| 가열 조건 | (p-cymene)(2,4-dimethyl-1,3-pentadiene)Ru의 순도 | 신규 NMR 피크 |
| 가열 전 | 99.80% | - |
| 110℃, 7 일 | 99.79% | 없음 |
| 110℃, 14 일 | 99.75% | 없음 |
| 110℃, 28 일 | 99.71% | 없음 |
| 120℃, 7 일 | 99.78% | 없음 |
| 120℃, 14 일 | 99.82% | 없음 |
| 120℃, 28 일 | 99.72% | 없음 |
<실험예 2> 실시예 2에 따른 Ru 전구체 조성물의 열안정성 평가
밀폐된 스테인레스 스틸 용기 4 개에 실시예 2에서 합성한 Ru 전구체 조성물[(p-cymene)(2,4-hexadiene)Ru (화학식 2) 과 (p-cymene)(1,3-hexadiene) Ru (화학식 3)의 혼합물]을 각각 2g씩 담고 110℃ 및 120℃에서 7 일 및 14 일 동안 각각 가열하였다.
가열 전 NMR과 가열 후 NMR을 측정한 이성질체 비율을 하기 표 2에 나타내었다. 14 일 가열 후에도 이성질체 비율이 거의 변하지 않았으며, 신규 NMR 피크도 나타나지 않았다. 따라서, 실시예 2의 상기 Ru 전구체 조성물을 110℃ 및 120℃로 각각 가열하여 기화시키는 동안 이성질체 비율이 일정함을 확인할 수 있다.
| 실시예 2의 Ru 전구체 조성물의 열안정성 평가 | |||
| 가열 조건 | 이성질체 비율 | 신규 NMR 피크 | |
| (p-cymene)(2,4-hexadiene)Ru | (p-cymene)(1,3-hexadiene)Ru | ||
| 가열 전 | 58.9% | 41.4% | - |
| 110℃, 7일 | 59.6% | 40.4% | 없음 |
| 110℃, 14일 | 60.1% | 39.9% | 없음 |
| 120℃, 7일 | 60.3% | 39.7% | 없음 |
| 120℃, 14일 | 60.3% | 39.7% | 없음 |
열안정성이 낮은 Ru 전구체 조성물의 경우, 기화하는 동안 이성질체의 조성 비율이 변하는 반면, 본 발명의 Ru 전구체 조성물은 가열하여 기화시키는 동안 조성 비율이 일정하게 유지된다.
<실험예 3> (p-cymene)(2,4-dimethyl-1,3-pentadiene)Ru을 사용한 루테늄 막 증착
실시예 1의 방법에 의해 제조된 (p-cymene)(2,4-dimethyl-1,3-pentadiene)Ru 화합물로 이루어진 전구체 조성물을 사용하여, 플라즈마를 이용한 원자 증착법 (PEALD; Plasma Enhanced Atomic Layer Deposition) 공정으로 Ru 금속 막을 형성하였다. Ru 전구체 조성물은 스테인레스 스틸 재질의 용기에 담아 100℃ 온도로 가열하고 200 sccm 의 유속으로 아르곤 운반 가스(Ar carrier gas)를 흘려서 기화시킨 Ru 전구체 조성물을 PEALD 반응기에 공급하였다. 이 때 PEALD 반응기의 공정압력은 1 torr 내지 1.2 torr로 유지하였다. 300℃로 가열한 실리콘 웨이퍼 조각을 기질로 사용하여 PEALD 공정을 진행하였다. 산소와 질소의 혼합 기체를 공급할 때마다 200 W의 RF 전력을 펄스로 인가하여 발생시킨 (O2+N2) 플라즈마를 반응기체로써 사용하였다. Ru 전구체 조성물의 공급 10 초, Ar 기체 퍼지(purge) 10 초, (O2+N2) 플라즈마 반응 기체의 공급 10 초, Ar 기체 퍼지 10 초로 이루어진 ALD 공급 주기를 200 회 반복하였다.
반응 가스로 사용하는 산소(O2) 및 질소(N2) 기체의 혼합 비율을 70 sccm : 140 sccm, 100 sccm : 100 sccm, 및 200 sccm : 0 sscm으로 다르게 조절하여, 각각의 경우에 형성된 Ru 막의 면 저항을 측정하고, 막의 두께를 투과전자현미경(TEM; Transmission Electron Microscope)으로 측정하여 계산한 비저항을 하기 표 3에 나타내었다. 또한, 오제 전자 분광법(Auger electron spectroscopy)으로 측정한 두께에 따른 막의 조성을 도 2에 나타내었다.
| 반응 가스 | 온도 (℃) | TEM 이미지 | TEM에 의해 측정된 두께 (Å) | 주기당 막 성장 (Å/주기) |
면 저항 (μΩ/sq) |
비저항 (μΩ·cm) |
| O2 + N2 (70:140 sccm) |
300 | 도 1a | 192 | 0.96 | 1.06×107 | 20.4 |
| O2 + N2 (100:100 sccm) |
300 | 도 1b | 309 | 1.55 | 0.98×107 | 30.2 |
| O2 + N2 (200:0 sccm) |
300 | 도 1c | 369 | 1.85 | 0.74×107 | 27.3 |
| 벌크 루테늄 금속 비저항 레퍼런스 | 7.1 | |||||
상기 실험 결과, 막 두께 약 150 Å 내지 400 Å, 비저항 약 20 μΩ·cm 내지 약 30 μΩ·cm 로 전기 전도도가 양호한 Ru 금속 막이 형성된 것을 알 수 있다.
전술한 본원의 설명은 예시를 위한 것이며, 본원이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본원의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수도 있다.
본원의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위, 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본원의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
Claims (18)
- 하기 화학식 Ⅰ로서 표시되는, 루테늄 전구체 화합물:
[화학식 Ⅰ]
;
상기 화학식 Ⅰ에서,
R1 내지 R6은, 각각 독립적으로, 수소; 치환 또는 비치환된 선형 또는 분지형의 C1-10 알킬기; 또는 치환 또는 비치환된 C3-10 시클로알킬기이고,
상기 알킬기 또는 시클로알킬기가 치환되는 경우, 선형 또는 분지형의 C1-3 알킬기로 치환되는 것임. - 제 1 항에 있어서,
R1, R2, R5 및 R6 중 하나 이상이 치환 또는 비치환된 선형 또는 분지형의 C1-10 알킬기; 또는 치환 또는 비치환된 C3-10 시클로알킬기인 것인, 루테늄 전구체 화합물. - 제 1 항에 있어서,
상기 루테늄 전구체 화합물은 하기 화합물에서 선택되는 것인, 루테늄 전구체 화합물:
(p-cymene)[CH2=C(CH3)CH=C(CH3)2]Ru, (p-cymene)[MeCH=C(CH3)CH=C(CH3)2]Ru, (p-cymene)[EtCH=C(CH3)CH=C(CH3)2]Ru, (p-cymene)[nPrCH=C(CH3)CH=C(CH3)2]Ru, (p-cymene)[iPrCH=C(CH3)CH=C(CH3)2]Ru, (p-cymene)[nBuCH=C(CH3)CH=C(CH3)2]Ru, (p-cymene)[iBuCH=C(CH3)CH=C(CH3)2]Ru, (p-cymene)[secBuCH=C(CH3)CH=C(CH3)2]Ru, (p-cymene)[tBuCH=C(CH3)CH=C(CH3)2]Ru, (p-cymene)(CH3CH=CH-CH=CHCH3)Ru, (p-cymene)(Me2C=CH-CH=CHCH3)Ru (p-cymene)(EtMeC=CH-CH=CHCH3)Ru, (p-cymene)(nPrMeC=CH-CH=CHCH3)Ru, (p-cymene)(iPrMeC=CH-CH=CHCH3)Ru, (p-cymene)(nBuMeC=CH-CH=CHCH3)Ru, (p-cymene)(iBuMeC=CH-CH=CHCH3)Ru, (p-cymene)(secBuMeC=CH-CH=CHCH3)Ru, (p-cymene)(tBuMeC=CH-CH=CHCH3)Ru, (p-cymene)(CH2=CHCH=CHCH2CH3)Ru, (p-cymene)(MeCH=CHCH=CHCH2CH3)Ru, (p-cymene)(EtCH=CHCH=CHCH2CH3)Ru, (p-cymene)(nPrCH=CHCH=CHCH2CH3)Ru, (p-cymene)(iPrCH=CHCH=CHCH2CH3)Ru, (p-cymene)(nBuCH=CHCH=CHCH2CH3)Ru, (p-cymene)(iBuCH=CHCH=CHCH2CH3)Ru, (p-cymene)(secBuCH=CHCH=CHCH2CH3)Ru, 및 (p-cymene)(tBuCH=CHCH=CHCH2CH3)Ru. - 제 1 항에 있어서,
상기 루테늄 전구체 화합물은 하기 화합물에서 선택되는 것인, 루테늄 전구체 화합물:
[화학식 1]
;
[화학식 2]
; 및
[화학식 3]
.
- 하기 화학식 Ⅰ로서 표시되는 루테늄 전구체 화합물을 포함하는, 막 형성용 전구체 조성물:
[화학식 Ⅰ]
;
상기 화학식 Ⅰ에서,
R1 내지 R6은, 각각 독립적으로, 수소; 치환 또는 비치환된 선형 또는 분지형의 C1-10 알킬기; 또는 치환 또는 비치환된 C3-10 시클로알킬기이고,
상기 알킬기 또는 시클로알킬기가 치환되는 경우, 선형 또는 분지형의 C1-3 알킬기로 치환되는 것임. - 제 5 항에 있어서,
R1, R2, R5 및 R6 중 하나 이상이 치환 또는 비치환된 선형 또는 분지형의 C1-10 알킬기; 또는 치환 또는 비치환된 C3-10 시클로알킬기인 것인, 막 형성용 전구체 조성물. - 제 5 항에 있어서,
상기 루테늄 전구체 화합물은 하기 화합물에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것인, 막 형성용 전구체 조성물:
(p-cymene)[CH2=C(CH3)CH=C(CH3)2]Ru, (p-cymene)[MeCH=C(CH3)CH=C(CH3)2]Ru, (p-cymene)[EtCH=C(CH3)CH=C(CH3)2]Ru, (p-cymene)[nPrCH=C(CH3)CH=C(CH3)2]Ru, (p-cymene)[iPrCH=C(CH3)CH=C(CH3)2]Ru, (p-cymene)[nBuCH=C(CH3)CH=C(CH3)2]Ru, (p-cymene)[iBuCH=C(CH3)CH=C(CH3)2]Ru, (p-cymene)[secBuCH=C(CH3)CH=C(CH3)2]Ru, (p-cymene)[tBuCH=C(CH3)CH=C(CH3)2]Ru, (p-cymene)(CH3CH=CH-CH=CHCH3)Ru, (p-cymene)(Me2C=CH-CH=CHCH3)Ru (p-cymene)(EtMeC=CH-CH=CHCH3)Ru, (p-cymene)(nPrMeC=CH-CH=CHCH3)Ru, (p-cymene)(iPrMeC=CH-CH=CHCH3)Ru, (p-cymene)(nBuMeC=CH-CH=CHCH3)Ru, (p-cymene)(iBuMeC=CH-CH=CHCH3)Ru, (p-cymene)(secBuMeC=CH-CH=CHCH3)Ru, (p-cymene)(tBuMeC=CH-CH=CHCH3)Ru, (p-cymene)(CH2=CHCH=CHCH2CH3)Ru, (p-cymene)(MeCH=CHCH=CHCH2CH3)Ru, (p-cymene)(EtCH=CHCH=CHCH2CH3)Ru, (p-cymene)(nPrCH=CHCH=CHCH2CH3)Ru, (p-cymene)(iPrCH=CHCH=CHCH2CH3)Ru, (p-cymene)(nBuCH=CHCH=CHCH2CH3)Ru, (p-cymene)(iBuCH=CHCH=CHCH2CH3)Ru, (p-cymene)(secBuCH=CHCH=CHCH2CH3)Ru, 및 (p-cymene)(tBuCH=CHCH=CHCH2CH3)Ru. - 제 5 항에 있어서,
상기 루테늄 전구체 화합물은 하기 화합물에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것인, 막 형성용 전구체 조성물:
[화학식 1]
;
[화학식 2]
; 및
[화학식 3]
.
- 제 5 항에 있어서,
상기 막은 루테늄 금속 막, 루테늄-함유 산화 막, 루테늄-함유 질화 막, 루테늄-함유 탄화 막 및 이들의 조합들에서 선택되는 하나 이상인 것인, 막 형성용 전구체 조성물. - 제 5 항에 있어서,
암모니아, 질소, 히드라진, 및 디메틸 히드라진에서 선택되는 하나 이상의 질소원을 추가 포함하는, 막 형성용 전구체 조성물. - 제 5 항에 있어서,
수증기, 산소, 및 오존에서 선택되는 하나 이상의 산소원을 추가 포함하는, 막 형성용 전구체 조성물. - 하기 화학식 Ⅰ로서 표시되는 루테늄 전구체 화합물을 포함하는 막 형성용 전구체 조성물을 이용하여 루테늄-함유 막을 형성하는 것을 포함하는, 루테늄-함유 막 형성 방법:
[화학식 Ⅰ]
;
상기 화학식 Ⅰ에서,
R1 내지 R6은, 각각 독립적으로, 수소; 치환 또는 비치환된 선형 또는 분지형의 C1-10 알킬기; 또는 치환 또는 비치환된 C3-10 시클로알킬기이고,
상기 알킬기 또는 시클로알킬기가 치환되는 경우, 선형 또는 분지형의 C1-3 알킬기로 치환되는 것임. - 제 12 항에 있어서,
상기 막 형성용 전구체 조성물에 포함되는 루테늄 전구체 화합물은 하기 화합물에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것인, 루테늄-함유 막 형성 방법:
[화학식 1]
;
[화학식 2]
; 및
[화학식 3]
.
- 제 12 항에 있어서,
상기 루테늄-함유 막은 화학기상 증착법 또는 원자층 증착법에 의해 증착되는 것인, 루테늄-함유 막 형성 방법. - 제 14 항에 있어서,
상기 막 형성용 전구체 조성물이 가열하여 기화시키는 과정에서 상기 막 형성용 전구체 조성물에 포함되는 하나 이상의 루테늄 전구체 화합물의 조성이 유지되는 것인, 루테늄-함유 막 형성 방법. - 제 12 항에 있어서,
상기 루테늄-함유 막은 상온 내지 400℃의 온도 범위에서 형성되는 것인, 루테늄-함유 막 형성 방법. - 제 12 항에 있어서,
상기 루테늄-함유 막은 1 nm 내지 500 nm의 두께 범위에서 형성되는 것인, 루테늄-함유 막 형성 방법. - 제 12 항에 있어서,
상기 루테늄-함유 막은 종횡비가 1 내지 100이고, 폭이 10 nm 내지 1 ㎛인 요철(홈)을 포함하는 기재 상에 형성되는 것인, 루테늄-함유 막 형성 방법.
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-
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