TW201026673A - Organometallic precursors for depositing metal or metal oxide thin films and method for depositing thin films using the same - Google Patents
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Description
201026673 六、發明說明: 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於用以沉積應用於半導體裝置的金屬薄膜 或陶瓷(例如金屬氧化物)薄膜的有機金屬前驅物化合物。 更特別地’本發明係關於以原子層沉積(at〇mic iayer deposition, ALD)或金屬有機物化學氣相沉積(metal . organic chemical vapor deposition, M0CVD)來沉積金屬 薄膜或陶瓷(例如金屬氧化物)薄膜的有機金屬前驅物化 合物,以及使用該有機金屬前驅物化合物沉積薄膜的方法。參 【先前技術】 有鑑於電子裝置包括像是半導體與磁性儲存裳置微型 化的趨勢,因此如何成長具有均勻厚度的金屬、金屬氧化 物或金屬氮化物薄膜變得格外重要。 而成長這類薄膜的金屬包含像是銅(Cu)、鈷(c〇)、鎳 (Ni)、釕(RU)、錳(Μη)及鐵(Fe)等。 銅疋夂世代半導體裝置的最佳導線材料。鎮(W)、紹 (A1)、銅(Cu)、銀(Ag)、金(Au)以及其類似者具有低電阻與 車乂佳的電遷移阻抗(electi’omigration resistance) —般係作為 半導體裝置導線材料。在這些金屬中,利用鋼製造半導體 裝置過程中的金屬線以提升訊號傳輸率已成為核心技術, 這是因為銅具有約〜1.676 μΩ cm的電阻,較鶴(w)的電阻(〜6 μΩαη)和紹(A1)的電阻(〜2.7 μΩαη)要低。麵(c〇)與鎳_和 作為傳統半導體裝置的歐姆接觸層(〇hmic c〇m此t' iayer)的 -矽化鈦(titanium siiidde)相較,它們的比電阻㈣^如 . resistance)在10至之間,並具有較佳的埶穩定性, 因此在次世代半導體銅製程中,有研究如何利用它們製成 4/29 201026673 歐姆接觸層。此外,在次世代半導體銅製程中,於化學機 械研磨(chemical mechanical polishing,CMP)形成像是穿孔 (via)的元件後,因為銅薄膜和擴散障壁薄 film)間的低黏著力的關係,在銅線間會發生脫層 (ddamination)的不利情況。為了解決此一問題,係使用鈷 ' 金屬薄膜作為黏著層(glue layer),以提升銅薄膜和擴散障壁 • 薄膜間的黏著力。 、 此外,也有人研究如何將鈷氧化薄膜應用於多種應用 ® 如磁性偵測器、濕氣與氧氣偵測器等。特別是,CoO與Co304 薄膜可作為像是高溫超導(high-Tc superconductor)的鈣鈦礦 (perovskite)層之緩衝層,因此十分受到注目。 同時’釕因為具有較佳的熱與化學穩定度、以及低比 電阻(rbUik = 7.6mWcm)和大功函數(¢^:=4 71 eV),所以也 被視為應用在ρ-ΡΈΤ閘電極、DRAM電容電極及FRAM電 容電極之最有潛力的材料。特別是’氧化钽(Ta2〇5)、氧化 鈦(Ti02)、鈦酸銀(SrTi03,STO)、以及鈦酸錯鋇(BST, ❹ (Ba,Sr)Ti〇3)等可望應用於次世代DRAM電容的高介電材 料,需要在600°C或更高的溫度下進行處理,以降低漏電流 並達到.局介電係數。因此,應用比傳統的TiN電極更穩定 的釕電極是有其必要性。 " 另外,釕與銅的黏著力較佳,也不會與銅立即形成固 溶體(solid solution) ’因此係以電鍍方式作為銅線製程中的 • 種子層。同樣地,氧化釕(Ru〇2)也是一種有潛力材料,其 應用在金屬一絕緣體一金屬(metal-insulator-metal,MIM)電 容的下電極(lower electrode),因為它是具有低比電導率(r_ =46 mWcm)的導電氧化物,可有效率地作為氧(ο》擴散障 5/29 201026673 壁薄膜’即使在8GG°c,仍可呈現較佳的熱穩定性。 還有,還有研究如何將錳(Mn)和鐵(Fe)氧化物應用於磁 性儲存裝置’特別是’利用鐵(Fe)氧化物生成鐵酸叙 (BlFe〇3),一種用於次世代鐵電記憶體(ferroelectric memories)的材料,也在研究中。 因此,次世代裝置的金屬薄膜或金屬氧化物薄膜應滿 足較佳的階梯覆蓋率(step coverage),以應用於高階梯比的 裝置結構。為此,不可避免地需用到金屬有機物化學氣相 沉積(metal organic chemical deposition,MOCVD)或原子層 沉積(atomic layer deposition,ALD)以及適用於個別沉積製 程的前趨物。 其中,使用M0CVD,單價銅(Cu(I))與二價(bivalent) 銅(Cu(II))化合物來沉積銅薄膜的前趨物,已為人所熟知。 例如(hfac)Cu(L)為代表性的單價銅(Cu)化合物,其中L 為中性配位基(neutral ligand),用以增進銅化合物的穩定 度’而已知的代表性範例包括:三甲膦(trimethylphosphine, PMe3)、1,5-環辛二稀(l,5-cyclooctadiene,l,5-COD)、乙稀基 三甲基石夕烧〇^11丫11;0〇161;11)43如1^,\^]\/[8)以及乙烯基三甲氧 *s,)^(vinyltrimethoxysilane,VTMOS)。 其中,由Η.-K. Shin等人在美國化學學會的化學材料 期刊(the Journal of the US Chemical Society,chemistry of materials)1990,2,636 期與 1992, 4,788 期所提出的 (hfac)Cu(l,5-COD)化合物與(hfae)Cu(PMe3)化合物均為優 異的前趨物,可於低溫下沉積高純度的銅薄膜,不過它們 在固態下具有高、熔點,因此不易控制其轉換率(transfer rate) 〇 6/29 201026673 為了解決此等問題,使用了美國專利第5,085,731號中 所揭示的前趨化合物(hfac)Cu(VTMS)以及韓國公開專利第 95-17120號中所揭示的(hfac)Cu(VTM〇s),這些前趨化合物 為液態銅前趨物,可於低溫下沉積銅薄膜。 然而,這些前趨化合物在室溫下因為熱穩定性不佳, ' 因此會在室溫下分解,對於半導體裝置製程的重製來說會 ' 造成嚴重的問題。如果可能的話,應避免使用這類化合物, 因為在配位基中的氟(F)元素會造成DRAM製程中的半導 ❹ 體裝置有缺陷。 因此,有需要開發用來沉積銅薄膜的新穎有機金屬前 趨物化合物,其在室溫下為液態的,而且熱穩定性高,在 分子結構中不含氟(F)。 〜 同時,不同於單價銅前趨化合物顯現出差的熱穩定 性,二價銅前趨化合物具有較佳的熱穩定性。二價銅前趨 化合物的代表範例包括Cu(hfac)2、Cu(tmhd)2、以及 Cu(acac)2 ’ 均具有 β-二酮(β-diketonate)為配位基。 藝然而不利地’大多數的Cu(II)化合物都需要加熱以達到 足以沉積的蒸氣壓,因為它們是固態的,因此具有低蒸氣 壓。此外,化合物會凝結在輸送氣化前趨物的傳送管中, 因此會造成污染物侵入薄膜。為了提升這些化合物的低揮 發性’薄膜會使用像是tfacm·三氟戊烷_2,4_出011勒, l,l,l-trifluoropentane-2,4-dionate)以及 hfac(六氣戊境 -2,4-dione,hexafluoropentane-2,4-dione)等前趨物沉積,而 其中β-二酮配位基(β-diketonate ligand)的氫部分係以氟基 取代為配位基,然而,氟基會造成污染。 土 此外,使用這類前趨物來沉積薄膜,必須在高溫(>3〇〇 7/29 201026673 c)下執行,造成像是聚醯亞胺(p〇iyimide)等對溫度敏感的 基板之用途受限’以及不f要的雜f像是碳(〇、氧⑼或敦 (p,滲透軌__财。财,馳Cu(n)化合物在 至溫下大多為©態’因此很難控制制物的氣體流動率, 相當程度地影響了沉積製程的進行。 另外,用以沉積鎳和鈷金屬或金屬氧化物薄膜的代表 性鎳和鈷前趨化合物,像是具有卩_二酮配位基的(L 可為hfac、tmhd、acac等)化合物,以及具有環戊二烯的配 參 位基(cyclopentadiene-based ligand)之(RC5H4)2M (其中 R 為 Η、Me、JEt),其與二價銅化合物類似。這些化合物同樣也 具有l〇〇°C或更高的熔點,在室溫下為固態,並具有低蒸氣 壓的缺點。 因此,本發明的發明人提出在高製程溫度下高度穩定 的前趨物,並且能夠沉積金屬薄膜或金屬氧化物薄膜。 【發明内容】 '
基於上述問題,本發明之一目的是提供用以沉積金屬 薄膜或金屬氧化物薄膜有機金屬前驅物化合物,其為熱穩 定、高度多樣化,並且在高製程溫度下是以液態存在。 本發明的另一目的是提供用以沉積金屬薄膜或金屬氧 化物薄膜的有機金屬前驅物化合物,其能根據金屬薄膜或 金屬氧化物薄膜的金屬類型,隨時應用至原子層沉積(ALD) 或金屬有機化學氣相沉積(MOCVD) ’而不會有任何雜質的 污染。 本發明的另一目的是提供藉由原子層沉積(ALD)或金 屬有機化學氣相沉積(MOCVD)以使用根據本發明的有機金 屬前驅物化合物沉積薄膜的方法。 8/29 201026673 根據本發明,本發明的上述與其他目的可藉由以下來 達成,提供一種有機金屬前驅物化合物,其用以沉積金屬 薄膜或金屬氧化物薄膜,該有機金屬前驅物化合物係^分 子式⑴來定義: ’、73
/ (I) 其中Μ係一選自鍾(Μη)、鐵(Fe)、銘(Co)、鎳(Ni)、銅 (Cu)、錯(Ge)、鋅(Zn)、鎂(Mg)、#5(Ca)、錄(Sr)、鋇(Ba)、 鉛(Pb)或釕(RU)的二價金屬離子;以及n為整數〇或2。 根據本發明的另一型態,本發明係提供一種沉積薄膜 方法其使用根據本發明之有機金屬前驅物化合物以原子 層沉積(ALD)或金屬有機物化學氣相沉積(M〇cVD)於一基 板上沉積金屬薄膜或金屬氧化物薄膜。 【實施方式】 〇 以下將透過附屬的圖表詳細說明本發明。 本發明係關於用以沉積金屬薄膜或金屬氧化物薄膜的 有機金屬則趨物化合物(〇rgan〇metaiiic precurs〇r compound),以應用於半導體裴置,該有機金屬前趨物化合 物係由以下的分子式⑴定義:
其中Μ係一選自錳(Μη)、鐵(Fe)、鈷(Co)、鎳(Ni)、銅 9/29 201026673 (Cu)、鍺(Ge)、鋅(Zn)、鎂(Mg)、鈣(Ca)、鳃(Sr)、鋇(Ba)、 鉛(Pb)或釕(Ru)的二價金屬離子;以及n為整數〇或2。 由本發明的分子式(I)所代表之有機金屬前驅物化合物 可藉由納入鲷亞胺(P'ketoiminate)的整合配位基(chelating ligand)強固地鏈結金屬離子’以提升熱穩定性,並可降低分 子間的吸引力’從而提升蒸氣壓(vapor pressure);同時藉由 將乙基(ethyl group)加入亞胺基(imino group),利用乙基的 旋轉運動而降低熔點。也就是說,根據本發明的有機金屬 前驅物化合物是用於化學沉積或原子層沉積的理想前驅 物’可以解決傳統有機金屬前驅物化合物的問題。 在分子式(I)所代表的有機金屬前驅物化合物中,有如 同分子式(II)所代表的有機金屬前驅物化合物(其中M為銅 (Cu)’而n為〇)適於應用在化學沉積或原子層沉積的銅… 金屬薄膜或氧化銅薄膜,而不會產生任何雜質污染。
積的錄(Ni)金屬薄膜或氧化鎳薄膜, 染。 此外,在分子式⑴所代表的有機金屬前驅物化人物 中’有如同分子式则所代表的有機金屬前驅物化合物(其 中Μ為鎳(Ni) ’而n為〇)適於應用在化學沉積或原子層^ 而不會產生任何雜質污 201026673
(ΠΙ)
此外,在分子式⑴所代表的有機金屬前驅物化合物 中,有如同分子式(IV)所代表的有機金屬前驅物化合物(其 中Μ為鈷(Co),而η為0)適於應用在化學沉積或原子層 沉積的銘(Co)金屬薄膜或氧化銘薄膜,而不會產生任何雜質 污染。
此外,在分子式(1)所代表的有機金屬前驅物化合物 中,有如同分子式(V)所代表的有機金屬前驅物化合物(其 中Μ為鐵(Fe),而η為〇)適於應用在化學沉積或原子層沉 積的鐵(Fe)金屬薄膜或氧化鐵薄膜,而不會產生任何雜質污 染。
此外,在分子式(1)所代表的有機金屬前驅物化合物 11/29 201026673 中’有如同分子式(νι)所代表的有機金屬前驅物化合物(其 中Μ為錳(Mn),而n為0)適於應用在化學沉積或原子層 >儿積的欽(Μη)金屬薄膜或氧化猛薄膜,而不會產生任何雜
/ (VI) 此外,在分子式(I)所代表的有機金屬前驅物化合物 ® 中,有如同分子式(νπ)所代表的有機金屬前驅物化合物D(其 中Μ為釕(Ru)而η為2)適於應用在化學沉積或原子層^ 積的釕(Ru)金屬薄膜或氧化釕薄膜,而不會產生任何雜質污
由分子式⑴代表,可用以沉積金屬薄膜或金屬氧化物 薄膜之有機金屬前驅物化合物,其可以各種方法製備。在 本發明中’有機金屬前驅物化合物可藉由加入 4-ethylamino-pent-3 -ene-2-one 的鐘(Li)、鈉(Na)或卸(K)鹽作 為驗土金屬鹽化合物(alkali metal salt compound),並於一非 極性溶劑中低溫加至MX2化合物,並在室溫下引發交換反 應(exchangereaction),接著於減壓下蒸餾,而立即地製備, 12/29 201026673 如以下的第一反應方法(Reaction Scheme I)所示: 【第一反應方法】
其中Μ係如分子式(I)所定義,X係選自氣(ci)、溴(Br)、 ❹ 碘⑴或甲氧基(〇Me)。 可用於此製備過程的非極性溶劑包括苯(benzene)、己 烷(hexane)、曱苯(toluene)及其類似者。反應係於氮(n2)或 氬(Ar)氣下執行,以避免在回流(reflux)的過程中因為濕氣或 氧氣而產生分解反應。 同時’在分子式⑴的有機金屬前驅物化合物中,以分 子式(II)所代表的銅前驅化合物(其中Μ為銅(Cu),而η為 〇),一曱氧化銅(copper methoxide)化合物係較佳地在室溫 ❹ 下與4-ethylamino-pent_3-ene-2-one在曱苯内攪拌混合以作 為溶劑,如第二反應方法所示,以製備高純度的銅前驅化 合物。 【第二反應方法】
卜在刀子式⑴的有機金屬前驅物化合物中,以分 子式(VII)所代表的釕(Ru)前驅化合物(其巾Μ為舒(Ru), 13/29 201026673 而 η 為 2 ) ’ 將二叛二氣化釕(ruthenium tris carbonyl dichloride,(Ru(C〇)3C12))與 4-ethylamino-pent-3-ene-2-〇ne 的鋰(Li)、鈉(Na)或鉀(K)鹽作為鹼土金屬鹽化合物,在像是 四氫呋喃tetrahydrofuran(THF)的極性溶劑中混合,接著在 交換反應與減壓下蒸餾,而立即地製備。 根據本發明甩以沉積金屬薄膜或金屬氧化物薄膜的有 機金屬化合物不會在室溫下分解,並且因為具有良好的熱 穩定性且可高度揮發’在製程溫度下為液態,因此適合作 為金屬有機化學氣相沉積或原子層沉積的前驅物,以沉積 金屬薄膜或金屬氧化物薄膜。 ® 採用分子式(I)所定義的有機金屬前驅物化合物在基板 上沉積薄膜時,其溫度較佳是在loot:至70(TC的範圍内。 為了將有機金屬前驅物化合物蒸發,其間可對基板通過氬 (Ar)或氮(N2)的氣體、可使用熱能或電漿,或者施加偏壓。 在製程中加入有機金屬前驅物化合物的方法包括通氣 (bubbling)、氣相流量控制(vapor phase mass flow control, MFC)、直接液體注入(DLI)等方法、以及液體傳輸(HqUid ^ transfer)方法,其中該液體傳輸(liquid transfer)方法係該前驅 物化合物係溶解於有機溶劑中然後傳輸。 用來將前驅物加入製程的載體氣體(carrier gas)或稀釋 氣體(dilute gas)係選自氬(Ar)、氮(N2)、氦(He)或其組合。 此外,在原子層沉積和化學氣相沉積(CVD)中用來沉積金屬 薄膜的反應氣體包括氫(H2)、氨(NH3)、聯氨(NH2NH2)及矽 烷,而在原子層沉積和CVD中用來沉積金屬氧化物薄膜的 反應氣體包括水(H20)、氧(02)及臭氧(〇3)。 接下來將提出範例以進一步了解如何根據本發明來沉 14/29 201026673 積金屬薄膜或金屬氧化物薄膜,以下的範例係用來舉例, 而並非用以限制本發明的範缚。 範例 <第一範例> 製備 β-嗣亞胺配位基(beta-ketoimine ligand)(4-ethylaminopent-3-ene-2-one) 將 100.12 g 的乙酿丙嗣(acetylacetone, CH3COCH2COCH3,1.0 mol)溶解在 400 mL 的二氯曱烧 〇 (methylene chloride,CH2C12)中,維持在-15°c 的溫度,然後 透過滴液漏斗滴入70%的乙胺水溶液(aqueous ethylamine (CH3CH2NH2))共 77.3 g (1.2 mol) ’ 在-15°c下攪拌一小時, 然後在室溫下揽拌24小時。在完成反應後,於減壓卞赛除 生成溶液中的溶劑與揮發性副產品,並且加以蒸餾,以取 得無色狀的亮黃色液體化合物 4-ethylamino-pent-3,ene-2_one (123.3 g,產率 96.9%),
沸點(boling point,b.p):在 0.18 torr 下為 52/41 °C ❿ W-NMRCQD。: d 2.052 ([CH3COCHC(NHCH2CH3)CH3],s,3H), d 4.878 ([CH3COCHC(NHCH2CH3)CH3],s,1H), d 11.075 ([CH3COCHC(NHCH2CH3)CH3],s,1H), d 2.503 ([CH3COCHC(NHCH2CH3)CH3],m,2H), ,d 0.663 ([CH3COCHC(NHCH2CH3)CH3],t,3H), d 1.356 ([CH3COCHC(NHCH2CH3)CH3],s,3H), 13C-NMR(C6D6): d 28.938 [CH3COCHC(NHCH2CH3)CH3], d 194.166 [CH3COCHC(NHCH2CH3)CH3], 15/29 201026673 d 95.126 [CH3COCHC(NHCH2CH3)CH3], d 95.178 [CH3COCHC(NHCH2CH3)CH3], d 161.753 [CH3COCHC(NHCH2CH3)CH3], d 37.300 [CH3COCHC(5 NHCH2CH3)CH3], d 15.302 [CH3COCHC(NHCH2CH3)CH3], d 18.181 [CH3COCHC(NHCH2CH3)CH3], <第二範例>
製備 Na[4-ethylamino-pent-3-ene-2-onateI 將11.9 g (0.5 mol)的氫化鈉(NaH)懸浮在150 mL的四 氫呋喃(THF)中,生成的懸浮液維持在-15°C的溫度,然後 加上在第一範例中合成、63.6 g (0.5 mol)的 4-ethylamino-pent-3-eiie-2-one,而上述混合溶液在-15°C 的 低溫下攪拌一小時,然後在回流凝結器中回流24小時。在 完成反應後,於減壓下過濾反應混合液,而濾出液加以蒸 鶴以移除未反應的溶質(solute)、剩餘溶劑以及揮發性副產 品’剩餘物以戊烷萃取,再將萃取物乾燥後以取得亮黃色 固體化合物 Na[4-ethylamino-pent_3-ene-2-onate] (6.5 g,產 率 60.4%)。 ^-NMRCCDCb): d 1.996 (Na[CH3COCHC(NCH2CH3)CH3], s,3H), d 4.947 (Na[CH3COCHC(NCH2CH3)CH3],s,1H), d 3.265 (Na[CH3COCHC(NCH2CH3)CH3],m,2H), d 1.215 (Na[CH3COCHC(NCH2CH3)CH3],t,3H), d 1.920 (Na[CH3COCHC(NCH2CH3)CH3],s,3H), 16/29 201026673 <第三範例> 製備 Cu(4-ethylamino-pent-3_ene-2-onate)2 前趨物 將12.5 g (0.1 mol)的甲氧化鋼(Cu(OMe)2)懸浮在250 mL的甲苯中,加上在第一範例中合成、25.4g (〇·2 m〇i)的 4-ethylamino-pent-3-ene-2-one ’而上述混合溶液在室溫下授 • 拌24小時。在完成反應後,於減壓下過濾反應混合液,以 移除未反應的溶質、剩餘溶劑以及揮發性副產品,剩餘物 以戊烷萃取以進一步移除未反應的溶質,而溶劑也會被移 φ 除。生成的溶液會在減壓下於120°C蒸餾以取得暗褐色液體 化合物 Cu(4-ethylamino-pent-3-ene-2-〇nate)2 (27.8g,產率 88_0%)。 [成分分析] 計算(calcld. for)CMH24N202Cu : C, 53.18; H,7.60 實際得到(found) : C,53.12; H,7.66 〈第四範例〉 ❹ 製備 Ni(4-ethylamino-pent-3-ene-2-onate)2 前趨物
將 1.36 g (6.24 mmol)的溴化鎳(II) (NiBr2)懸浮在 50 mL 的四氫呋喃(THF)中,然後將在第二範例中合成、1〇〇 mL 的 THF 内有 L86 g (12.48 mmol)的
Na[4-ethylamino~pent-3-ene-2-onate]的溶液,於 〇。〇的低溫 加入懸浮液中’生成的混合液並於該溫度下攪拌一小時, 接著在室溫下撥拌24小時。在完成反應後,於減壓下過濾 反應混合液,以從過濾液移除未反應的溶質、溶劑以及揮 ,性副產品,剩餘物以戊烷萃取以進一步移除未反應的溶 虞,而溶劑也會被移除。生成的固體則利用一昇華純化系 17/29 201026673 統(sublimation purification)於50°C昇華純化以取得暗紫色 固體化合物 Ni(4-ethylamino-pent-3-ene-2-onate)2 (l.〇g,52 3 %)。 . 熔點(m.p):48°C [成分分析] 計算(cacld. for) C14H24N202Ni : C, 54.01; H, 7.72 實際得到(found) : C,53.89; H,7.55
<第五範例> 製備 Co(4-ethylamino-pent-3-ene-2-onate)2 前趨物 將 0.89 g (6.7 mmol)的氣化鈷(II) (c〇Cl2)懸浮在 50
mL的四氫呋喃(THF)中,然後將在第二範例中合成、50 mL 的 THF 内有 2 g (13.4 mmol)的 Na[4-ethylamino-pent-3-ene-2-onate]的溶液,加入該懸浮液 中,生成的混合液於室溫下攪拌24小時。在完成反應後, 於減壓下過濾反應混合液,以從過濾液移除未反應的溶 質、溶劑以及揮發性副產品,剩餘物以戊院萃取以進一步 移除未反應的溶質,而溶劑也會被移除。生成的固體利用 一昇華純化系統(sublimation purification)於50°C昇華純化 以取得暗紫 色固體化合物
Ni(4-ethylamino-pent-3-ene-2-〇nate)2 (1.3g, 62.4%) 〇 、熔點(m.p): 81°C [成分分析] 計算(cacld. For) C14H24N202Co : C, 53.97; H,7.71 實際得到(found) : C,53·78; H,7.58 18/29 201026673 <第六範例> 製備 Fe(4-ethylamino-pent-3-ene-2-onate)2 前趨物 將 5.78 g (26.8 mmol)的溴化鐵(Π) (FeBr2)懸浮在 150 mL的四氫呋喃(THF)中’然後將在第二範例中合成、8 g (53.6 mmol)的 Na[4-ethylamino-pent-3-ene-2-onate]力口入懸浮 液中,生成的混合液並於0°C的低溫下攪拌一小時,接著在 室溫下攪拌24小時。在完成反應後,於減壓下過濾反應混 ❹ 合液’以從過濾液移除未反應的溶質、溶劑以及揮發性副 產品,剩餘物以戊烷萃取以進一步移除未反應的溶質,而 溶劑也會被移除。生成的溶液會在減壓下於16〇°C蒸餾以取 得紅褐色化合物 Fe(4-ethylamino-pent-3-ene-2-onate)2 (2.3g,35.1%)。 [成分分析] 計算(cadd. For) C14H24N202Fe : C,54.51; H,7.79 實際得到(found) : C,54.14; H,7.77 _ <第七範例〉 製備 Mn(4-ethy丨amino-pent-3_ene-2-onate)2 前趨物 將 3.67 g (11.75 mmol)的溴化錳(Π) (MnBr2)懸浮在 130mL的四氫呋喃(THF)中,然後將在第二範例中合成、5g (33.5 mmol)的 Na[4_ethylamino_pent-3-ene-2-onate]加入懸浮 液中’生成的混合液並於〇°C的低溫下攪拌一小時,接著在 室溫下攪拌24小時。在完成反應後,於減壓下過濾反應混 合液,以從過濾液移除未反應的溶質、溶劑以及揮發性副 產品,剩餘物以戊烷萃取以進一步移除未反應的溶質,而 19/29 201026673 溶劑也會被移除。生成的溶液會在減壓下於21 〇°c蒸餾以取 得暗紅色化合物 Mn(4-ethylamino-pent-3-ene-2-onate)2 (4.0g, 77.8%)。 [成分分析] 計算(cacld. For) C14H24N202]V[n : C,54.67; H,7.81 實際得到(found) : C, 54.61; H,7.79 <第八範例> 製備 Ru(4-ethylamino-pent-3-ene-2-onate)2(CO)2 前趨 物 將稀釋於2.55 mole的己烷溶液中的39.1 g (0.144 mol) 的正丁基經(normal-butyl lithium,n-BuLi)溶解在 l〇〇mL 的 四氫呋喃(THF)中,然後將在第一範例中合成、15 26g(0.12 mol)的 Na[4-ethylamino_pent-3-ene-2-onate]的配位基化合 物,在0°C緩緩滴入,生成的混合液在室溫下攪拌8小時。 而完全溶解在100mL的THF中的16.4 g (〇.〇5 m〇l)的 RuCCOhClTHF會緩慢地與混合液混合,並且在回流的情 況下反應作用16小時。在完成反應後,於減壓下過濾反應 混合液’以從過滤液移除未反應的溶質、溶劑以及揮發性 副產品,剩餘物以二乙謎(diethylether,(C2H5)2〇)萃取以移 除未反應的溶質與溶劑,藉此取得亮褐色固體。生成的固 體利用一昇華純化系統(sublimation purification)於50 (0.12 ton·)下昇華純化以取得無色固體化合物
Ru(CO)2(4-ethylaminopent-3-ene-2-onate)2 (6.2g,30.4%)。 熔點(m.p) : 123 °C [成分分析] 201026673 計算(cacld. for) C16H24N204Ru : C,46.93; H,5.91; n, 6.84 5 實際得到(found): C, 46.84; H,5·90; N,7.03 丨 H-NMIl(C6D6): d 1.960 (Ru-[CH3COCHC(NCH2CH3)CH3],s,3H), d 4.748 (Ru-[CH3COCHC(NCH2CH3)CH3],s,1H), d 3.501 (Ru-[CH3COCHC(NCH2CH3)CH3],m,1ϋ), d 3.765 (Ru-[CH3COCHC(NCH2CH3)CH3],m,1H), 〇 d 1.112 (Ru-[CH3COCHC(NCH2CH3)CH3],t,3H), d 1.512 (Ru-[CH3COCHC(NCH2CH3)CH3],s,3H), 13C-NMR(C6D6): d 26.331 (Ru-[CH3COCHC(NCH2CH3)CH3]), d 177.529 (Ru-[CH3COCHC(NCH2CH3)CH3]), d 98.976 (Ru-[CH3COCHC(NCH2CH3)CH3]), d 165.775 (Ru-[CH3COCHC(NCH2CH3)CH3]), d 56.488 (Ru-[CH3COCHC(NCH2CH3)CH3]), ⑩ d 15.010 (Ru-[CH3COCHC(NCH2CH3)CH3]), d 21.258 (Ru_[CH3COCHC(NCH2CH3)CH3]), d 200.767 (Ru-CO) <第一實驗範例> 為了評估在第三至第八範例中所製備的有機金屬前驅 物化合物的基本熱性質,因此採用熱重分析(thermal gravimetric analysis, TGA)。每一個樣品約取 1〇 mg 放在氧 化紹樣品槽中’以每分鐘10 °C的速率提高溫度到3〇〇。〇, 藉以量測樣品的性質’而結果如第一圖至第六圖所示。 21/29 201026673 在第一囷至第六圖中,第三至第八範例所製備的有機 金屬前驅物化合物若應用於化學氣相沉積或原子層沉積, 可展現較佳的揮發性。 此外,在重量損失(weighuose) 與溫度的函數中, 當曲線開始快速增寬時的溫度,可視為前驅物化合物開始 分解的溫度。由此來看,可確定的是根據本發明而於第三 至第八範例中所製備的有機金屬前驅物化合物,可 較佳的熱穩定性。 ^ <第二實驗範例> 為了評估在第三至第五範例,以及第八範例中所製備 的有機金屬前驅物化合物的熱穩定性和揮發性對於溫度的 關係’因此採用等溫熱重分析(is〇thermai analysis)。每 一個樣品約取10 mg放在氧化鋁樣品槽中,以每分鐘1〇 t 的速率分別提高溫度到80。(:、lOOt:、120七及15(TC ’並 且維持在目標溫度達二小時。隨時間改變的重量損失經量 測’而結果呈現於第七圖至第十圖。 如第七圖至第十圖所示,根據本發明的有機金屬前驅❿ 物化合物,其重量在8(TC、100。〇、12〇〇c以及15〇。〇等個 別溫度下,係隨著時間以預先決定的梯度(gradient)減少, 顯示前驅物化合物是在15(TC或更低的溫度以下蒸發,而不 會發生特殊的熱分解情形。 因此,根據本發明的前趨物展現出較佳的熱採定性, 因此在較高溫度下也可輕易處理,有助於成長高純度金 屬、金屬氧化物以及金屬氮化物薄膜,而不會發生應用在 化學氣相沉積與原子層沉積時’因為前趨物熱分解造成粒 子或雜質(例如碳)的污染。 22/29 201026673 <第三實驗範例> 銅金屬薄膜係根據第三範例中所述的方法,利用
Cu(4-ethylamino-pent-3-ene-2-onate)2 化合物以原子層沉積 方法製備’其中氫係作為還原氣體(re(jucing gas)。所用的基 板為翻/鈦/氧化矽/矽(pt/Ti/Si〇2/Si),並被加熱至14〇 C至220°C。前趨物被放在不鏽鋼起泡器槽(stainless steel bubblervessel)中’而該槽被加熱至i〇0±5t:,同時讓作為 載體氣體的氬(Ar)通過前趨物,使得前趨物以1〇〇 seem的 ❹ 速率蒸發。前趨物與氫氣(作為載體氣體)饋入一反應爐 的量分別被控制在1 X l〇7L與3 X 108。原子層沉積方法 (ALD)係於 140〇C、160°C、180°C、20(TC 以及 22(TC 的一沉 積溫度下執行200個循環(cycles),以沉積薄膜,薄膜的χ 光繞射(X-ray diffraction, XRD)結果係顯示於第十一圖。第 十二圖所示為於200°C下沉積之薄膜的截面的掃描電子顯 微影像(scanning electron microscope, SEM)。 如第十一圖所示,銅金屬薄膜係於個別的沉積溫度沉 φ 積。如第十二圖的截面圖所示,形成均勻而具有100%的階 梯覆蓋率之銅金屬薄膜。 很明顯地,由前述的實驗中,可以看出本發明所提出 的有機金屬前驅物化合物適用於沉積金屬薄膜或金屬氧化 物薄膜’而且更特別地,此專則驅物化合物展現出較佳的 熱穩定性並具有高蒸氣壓’其可避免在持續加熱的情況下 發生性質劣化,因此有助於在半導體製程中藉由金屬有機 物化學氣相沉積(metal organic chemical deposition,MOCVD;) 和原子層沉積(atomic layer deposition,ALD)來沉積金屬薄 膜或陶瓷(例如金屬氧化物)薄膜。 23/29 201026673 此外,個別的有機金屬前驅物化合物係可用於化學氣 相沉積(chemical vapor deposition)或原子層沉積(at〇mic layer deposition),以沉積銅、鎳、鈷、鐵、錳以及釕金屬 薄膜或金屬氧化物薄膜,而不會造成雜質的污染。 儘管本發明已經透過數個示範實施例加以說明,熟悉 此,藝者應可了解在本說明所揭示之申請專利範圍的精神 與範嘴内,可有其他不同的修正及實施方式。 【圖式簡單說明】
本發明的上述與其他目的、特點以及優點將可透過以 下的詳細實施例說明,配合所附圖表加以了解,其中: 第-圖所示為根據本發明的第三範例製備的鋼前趨化 合物之熱重/熱示差(TG/DTA)分析圖; 第二圖所示為根據本發明的第四範例製備的錄前趨化 合物之熱重/熱示差(TG/DTA)分析圖; 第三圖所示為根據本發明的第五範例製備的鈷前 合物之熱重/熱示差(TG/DTA)分析圖;
第四圖所示為根據本發明的第六範例製 合物之熱錄示差⑽脱糾賴; 心趨化 第五圖所示為根據本發明的第七範例製備的 合物之熱重/熱示差(TG/DTA)分析圖; 第六圖所不為根據本發明的第八範例製備 合物之熱重/熱示差(TG/DTA)^_ ; 町前趨化 第七圖所示為根據本發明的第三範例在8()。 i2(rc&15(rc製備的銅前趨化合物之等溫Tg圖;uc、 第八圖所示為根據本發明的第四範例在8(rc ’ im:及i5(rc製備的錄前趨化合物之等溫TG圖;〇c、 24/29 201026673 第九圖所示為根據本發明的第五範例在80〇c、100^、 120°C及150°C製備的姑前趨化合物之等溫tg圖; 第十圖所示為根據本發明的第六範例在8(TC、100T:、 120°C及150°C製備的釕前趨化合物之等溫TG圖; 第十一圖所示為銅金屬薄膜在第三實驗範例下的X光 繞射圖樣(XRD pattern);以及 第十二圖所示為在第三實驗範例中以200°C沉積銅金 屬薄膜之掃描電子式顯微(SEM)影像圖。 Φ 【主要元件符號說明】 無
25/29
Claims (1)
- 201026673 七、申請專利範圍: 1、一種有機金屬前驅物化合物,其用以沉積金屬薄 膜或金屬氧化物薄膜’該有機金屬前驅物化合物係由以下 的分子式(I)所定義:其中Μ係一選自錳(Mn)、鐵(Fe)、鈷(c〇)、鎳(Ni)、銅 (Cu)、鍺(Ge)、鋅(Zn)、鎮(Mg)、!弓(Ca)、總(Sr)、鋇(Ba)、 鉛(Pb)或釕(RU)的二價金屬離子;以及η為整數〇或2。 2、根據申請專利範圍第1項所述之有機金屬前驅物 化合物’其中該分子式(I)的有機金屬前驅物化合物是一當 Μ為銅(Cu)而η為〇時的有機金屬前驅物化合物,係由以 下的分子式(II)所定義:3、根據申請專利範圍第1項所述之有機金屬前驅物 化合物’其中該分子式⑴的有機金屬前驅物化合物是一當 Μ為鎳(Ni)而η為〇時的有機金屬前驅物化合物,係由以下 的分子式(III)所定義: 26/29 201026673化合物,其卜^專域第1項所述之有機金屬前驅物 M i舰U刀子式(1)的有機金屬前驅物化合物是一當 Μ為鈷(C_ n為Q _錢金騎 下的分子式(IV)所定義. 口物係由以、 J 〇 5、根據中請專利範圍第!項所述之有機金屬前驅物 化合物,其中°亥刀子式⑴的有機金屬前驅物化合物是一當 Μ為鐵(Fe)而η為〇時的有機金屬前驅物化合物,係由以下 的分子式(V)所定義:6、根據申睛專利範圍第1項所述之有機金屬前驅物 27/29 201026673 化合物,其中該分子式(i)的有機金屬前驅物化合物是一當 Μ為錳(Μη)而η為0時的有機金屬前驅物化合物,係由以 下的分子式(VI)所定義:7、根據申請專利範圍第1項所述之有機金屬前驅物 化合物,其中該分子式⑴的有機金屬前驅物化合物是一當 Μ為钉(尺11)而11為2時的有機金屬前驅物化合物,係由以 下的分子式(VII)所定義:8、 一種沉積薄膜的方法,其使用如申請專利範圍第 1項至第7項之有機金屬前驅物化合物,以原子層沉積 (atomic layer deposition,ALD)或金屬有機物化學氣相沉積 (metal organic chemical vapor deposition,MOCVD)於一基板 上沉積金屬薄膜或金屬氧化物薄膜。 9、 如申請專利範圍第8項所述之方法,其中該有機 金屬前驅物化合物的沉積係於100它至7〇〇它的溫度中執 行0 〇、如申明專利範圍第8項所述之沉積薄膜方法, 201026673 其中該有機金屬前驅物化合物的沉積係使用熱能或電漿, 或藉由對該基板施加一偏壓。 11、 如申請專利範圍第8項所述之沉積薄膜方法, 其中選擇由通氣(bubbling)方法、直接液體注入(direct liquid injection,DLI)方法或一使用前驅物化合物於一有機溶劑内 的一溶液之液體傳輸方式’使該有機金屬前驅物化合物被 提供至該基板上。 12、 如申請專利範圍第8項所述之沉積薄膜方法, ® 其中氬(Ar)、氮(N2)、氦(He)或其組合係作為一载體氣體或 一稀釋氣體,以將該有機金屬前驅物化合物提供給該基板。 13、 如申請專利範圍第8項所述之沉積薄膜方法, 其中水(H2〇)、氧(〇2)或臭氧(〇3)係作為反應氣體,'以將該 金屬氧化物薄膜沉積在該基板上。 〆 14、 如申請專利範圍第8項所述之沉積薄骐方法, 其中氫(¾)、氨(NH3)、聯氨(N^4)或矽烷係作為反應氣 以將該金屬氧化物薄膜沉積在該基板上。 〜只 ❷ 29/29
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