TWI570128B - 用於含鎳薄膜沉積之鎳烯丙基脒鹽前驅物 - Google Patents
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Description
本發明揭示鎳烯丙基脒鹽前驅物。本發明亦揭示合成及使用所揭示的前驅物以經由氣相沉積製程在一或多個基板上沉積含鎳薄膜的方法。
在半導體工業中,一直關注著開發揮發性金屬前驅物以便藉由化學氣相沉積(CVD)及原子層沉積(ALD)來使金屬薄膜生長以用於各種應用。CVD及ALD為用於在原子尺度上控制沉積且形成極薄且保形之塗層的主要氣相化學製程。在典型CVD製程中,使晶圓暴露於一或多種揮發性前驅物,其在基板表面上反應及/或分解以產生所需沉積物。ALD製程係基於交替塗覆之前驅物的依序且飽和之表面反應,該等反應之間間隔以惰性氣體吹洗。
在製造電晶體期間,矽化物層可用於改良多晶矽之電導率。舉例而言,矽化鎳及矽化鈷(NiSi,CoSi2)可用作電晶體之源極及汲極中的接點以改良電導率。形成金屬矽化物的製程開始於在多晶矽上沉積薄純金屬層。金屬與一部分多晶矽接著一起形成合金以形成金屬矽化物層。物理沉積方法通常用於沉積純鈷層。然而,隨著裝置的尺寸不斷減小,物理沉
積方法不再滿足在保形性方面的要求。
氧化鎳(NiO)在半導體工業中已受到關注。NiO薄膜之電阻切換特徵顯示其可能應用於下一代非易失性電阻式隨機存取記憶體(ReRAM)裝置。
為了在晶圓上獲得高純度、薄且高效能的固體材料,前驅物需要高純度、良好的熱穩定性、高揮發性及適當的反應性。此外,前驅物應快速且以可重現之速率蒸發,液體前驅物通常滿足此等條件,而固體前驅物則不能滿足(參見R.G.Gordon等人,FutureFab International,2005,18,126-128)。
鎳雙胺基醇鹽前驅物已成功用於藉由CVD(Surface & Coatings Technology 201(2007)9252-9255)及ALD(J.Vac.Sci.Technol.A 23,4,2005)來製備NiO薄膜。彼等前驅物亦可用於使用氨作為還原劑在熱模式下製備純鎳薄膜(WH Kim,ADMETA 2009:第19屆亞洲會談102-103)。亦已成功地使用此等分子與氫氣或氨在PEALD中沉積Ni薄膜(HBR Lee,ADMETA 2009:第19屆亞洲會談62-63)。
鎳雙脒鹽前驅物未得以成功使用,因為其為不穩定的固體。如圖1中所示,前驅物在熱解重量分析期間留下大於15%的剩餘質量且分別在約65℃及約200℃下經歷兩相變化。
WO2010/052672廣泛揭示使用具有與脒鹽、胍鹽、二酮酸鹽、β-烯胺酮酸鹽、β-二酮亞胺酸鹽或環戊二烯基配體組合之烯丙基或環戊烯配體的雜配金屬前驅物來形成含金屬薄膜的方法。未揭示示範性鎳前驅物。特定而言,描述液態且具揮發性的鈀烯丙基β-二酮亞胺鹽前驅物。
EP1884517廣泛揭示用作氣相沉積前驅物之含有烯基配體的有機金屬化合物。在實施例3及4中所揭示的示範性鎳前驅物為2-甲氧基乙氧基乙酸酯中的((iPr)2-N-CH2-C(H)=C(Et)-CH2)Ni(N-吡唑基)(Bz)(CO)。
仍然需要適合於使用氫氣作為還原劑的CVD或ALD的鎳前驅物。用於此等應用之金屬前驅物之所需特性為:i)液體形式或低融點固體;ii)高揮發性;iii)足以避免在操作及輸送期間分解的熱穩定性;及iv)在CVD/ALD製程期間的適當反應性。
本發明揭示具有下式之含鎳前驅物:
其中R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7及R8各自獨立地選自H;C1-C4直鏈、分支鏈或環狀烷基;C1-C4直鏈、分支鏈或環狀烷基矽基(silyl)(單烷基、雙烷基或三烷基);C1-C4直鏈、分支鏈或環狀烷胺基;或C1-C4直鏈、分支鏈或環狀氟烷基。所揭示的含鎳前驅物可進一步包括一或多個以下方面:.含鎳前驅物為η 3-烯丙基N,N'-二甲基乙脒鹽;.含鎳前驅物為η 3-烯丙基N,N'-二乙基乙脒鹽;.含鎳前驅物為η 3-烯丙基N,N'-二異丙基乙脒鹽;.含鎳前驅物為η 3-烯丙基N,N'-二正丙基乙脒鹽;
.含鎳前驅物為η 3-烯丙基N,N'-二第三丁基乙脒鹽;.含鎳前驅物為η 3-烯丙基N,N'-乙基,第三丁基乙脒鹽;.含鎳前驅物為η 3-烯丙基N,N'-二-三甲矽基乙脒鹽;.含鎳前驅物為η 3-烯丙基N,N'-二異丙基胍鹽;.含鎳前驅物為η 3-烯丙基N,N'-二異丙基甲脒鹽;.含鎳前驅物為η 3-1-甲基烯丙基N,N'-二甲基乙脒鹽;.含鎳前驅物為η 3-1-甲基烯丙基N,N'-二乙基乙脒鹽;.含鎳前驅物為η 3-1-甲基烯丙基N,N'-二異丙基乙脒鹽;.含鎳前驅物為η 3-1-甲基烯丙基N,N'-二正丙基乙脒鹽;.含鎳前驅物為η 3-1-甲基烯丙基N,N'-二第三丁基乙脒鹽;.含鎳前驅物為η 3-1-甲基烯丙基N,N'-乙基,第三丁基乙脒鹽;.含鎳前驅物為η 3-1-甲基烯丙基N,N'-二-三甲矽基乙脒鹽;.含鎳前驅物為η 3-1-甲基烯丙基N,N'-二異丙基胍鹽;.含鎳前驅物為η 3-1-甲基烯丙基N,N'-二異丙基甲脒鹽;.含鎳前驅物為η 3-2-甲基烯丙基N,N'-二甲基乙脒鹽;.含鎳前驅物為η 3-2-甲基烯丙基N,N'-二乙基乙脒鹽;.含鎳前驅物為η 3-2-甲基烯丙基N,N'-二異丙基乙脒鹽;.含鎳前驅物為η 3-2-甲基烯丙基N,N'-二正丙基乙脒鹽;.含鎳前驅物為η 3-2-甲基烯丙基N,N'-二第三丁基乙脒鹽;.含鎳前驅物為η 3-2-甲基烯丙基N,N'-乙基,第三丁基乙脒鹽;.含鎳前驅物為η 3-2-甲基烯丙基N,N'-二-三甲矽基乙脒鹽;.含鎳前驅物為η 3-2-甲基烯丙基N,N'-二異丙基胍鹽;及
.含鎳前驅物為η 3-2-甲基烯丙基N,N'-二異丙基甲脒鹽。
本發明亦揭示在一或多個基板上沉積含鎳薄膜的方法。將至少一種含鎳前驅物引入當中安置有至少一個基板的反應器中。至少一部分含鎳前驅物沉積於至少一個基板上以形成含鎳薄膜。至少一種含鎳前驅物具有下式:
其中R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7及R8各自獨立地選自H;C1-C4直鏈、分支鏈或環狀烷基;C1-C4直鏈、分支鏈或環狀烷基矽基(單烷基、雙烷基或三烷基);C1-C4直鏈、分支鏈或環狀烷胺基;或C1-C4直鏈、分支鏈或環狀氟烷基。所揭示的方法可進一步包括一或多個以下方面:.將至少一種反應物引入反應器中;.該反應物係選自由以下組成之群組:H2、NH3、SiH4、Si2H6、Si3H8、SiH2ME2、SiH2Et2、N(SiH3)3、其氫自由基;及其混合物;.該反應物係選自由以下組成之群組:O2、O3、H2O、NO、N2O、其氧自由基;及其混合物;.將含鎳前驅物及反應物實質上同時引入反應器中;.反應器經組態以用於化學氣相沉積;
.反應器經組態以用於電漿增強化學氣相沉積;.將含鎳前驅物及反應物依序引入腔室中;.反應器經組態以用於原子層沉積;.反應器經組態以用於電漿增強原子層沉積;.含鎳前驅物為η 3-烯丙基N,N'-二甲基乙脒鹽;.含鎳前驅物為η 3-烯丙基N,N'-二乙基乙脒鹽;.含鎳前驅物為η 3-烯丙基N,N'-二異丙基乙脒鹽;.含鎳前驅物為η 3-烯丙基N,N'-二正丙基乙脒鹽;.含鎳前驅物為η 3-烯丙基N,N'-二第三丁基乙脒鹽;.含鎳前驅物為η 3-烯丙基N,N'-乙基,第三丁基乙脒鹽;.含鎳前驅物為η 3-烯丙基N,N'-二-三甲矽基乙脒鹽;.含鎳前驅物為η 3-烯丙基N,N'-二異丙基胍鹽;.含鎳前驅物為η 3-烯丙基N,N'-二異丙基甲脒鹽;.含鎳前驅物為η 3-1-甲基烯丙基N,N'-二甲基乙脒鹽;.含鎳前驅物為η 3-1-甲基烯丙基N,N'-二乙基乙脒鹽;.含鎳前驅物為η 3-1-甲基烯丙基N,N'-二異丙基乙脒鹽;.含鎳前驅物為η 3-1-甲基烯丙基N,N'-二正丙基乙脒鹽;.含鎳前驅物為η 3-1-甲基烯丙基N,N'-二第三丁基乙脒鹽;.含鎳前驅物為η 3-1-甲基烯丙基N,N'-乙基,第三丁基乙脒鹽;.含鎳前驅物為η 3-1-甲基烯丙基N,N'-二-三甲矽基乙脒鹽;.含鎳前驅物為η 3-1-甲基烯丙基N,N'-二異丙基胍鹽;.含鎳前驅物為η 3-1-甲基烯丙基N,N'-二異丙基甲脒鹽;
.含鎳前驅物為η 3-2-甲基烯丙基N,N'-二甲基乙脒鹽;.含鎳前驅物為η 3-2-甲基烯丙基N,N'-二乙基乙脒鹽;.含鎳前驅物為η 3-2-甲基烯丙基N,N'-二異丙基乙脒鹽;.含鎳前驅物為η 3-2-甲基烯丙基N,N'-二正丙基乙脒鹽;.含鎳前驅物為η 3-2-甲基烯丙基N,N'-二第三丁基乙脒鹽;.含鎳前驅物為η 3-2-甲基烯丙基N,N'-乙基,第三丁基乙脒鹽;.含鎳前驅物為η 3-2-甲基烯丙基N,N'-二-三甲矽基乙脒鹽;.含鎳前驅物為η 3-2-甲基烯丙基N,N'-二異丙基胍鹽;.含鎳前驅物為η 3-2-甲基烯丙基N,N'-二異丙基甲脒鹽;.將含鎳薄膜退火;.退火之含鎳薄膜含有約98原子%與約100原子%之間的Ni;.退火之含鎳薄膜為約100原子%的Ni薄膜;.退火之含鎳薄膜含有約0原子%與約1原子%之間的碳;以及.退火之含鎳薄膜含有約0原子%與約1原子%之間的氮。
本發明亦揭示藉由上文所揭示之任何方法所沉積的含鎳薄膜,其中體電阻率在室溫下為約7 μ ohm.cm至約70 μ ohm.cm。
某些縮寫、符號及術語用於以下整個描述及申請專利範圍中,且包括:本文使用元素週期表中元素的標準縮寫。應瞭解,元素可藉由此等縮寫來提及(例如,Ni係指鎳,Co係指鈷等)。
如本文所使用之術語「獨立地」在描述R基團之上下文中
使用時應理解為表示本發明R基團不僅相對於帶有相同或不同上標或下標之其他R基團獨立地選擇,且亦相對於此同一R基團之任何其他種類獨立地選擇。舉例而言,在x為2或3的式MR1 X(NR2R3)(4-X)中,兩個或三個R1基團可能但未必彼此相同或與R2或R3相同。此外,應瞭解,除非另外明確陳述,否則R基團之含義在用於不同式中時彼此無關。
術語「烷基」係指僅含有碳及氫原子的飽和官能基。此外,術語「烷基」係指直鏈、分支鏈或環狀烷基。直鏈烷基之實例包括(但不限於)甲基、乙基、丙基、丁基等。分支鏈烷基之實例包括(但不限於)第三丁基。環狀烷基之實例包括(但不限於)環丙基、環戊基、環己基等。
如本文所用,縮寫「Me」係指甲基;縮寫「Et」係指乙基;縮寫「Pr」係指丙基;縮寫「iPr」係指異丙基;縮寫「Bu」係指丁基;縮寫「tBu」係指第三丁基;縮寫「sBu」係指第二丁基;縮寫「acac」係指乙醯丙酮根基/乙醯丙酮(乙醯丙酮根基為配體且乙醯丙酮酸鹽為分子),其中乙醯丙酮酸鹽圖示於下文中;縮寫「tmhd」係指2,2,6,6-四甲基-3,5-庚二酮根基;縮寫「od」係指2,4-辛二酮根基;縮寫「mhd」係指2-甲基-3,5-己二酮根基;縮寫「tmod」係指2,2,6,6-四甲基-3,5-辛二酮根基;縮寫「ibpm」係指2,2,6-三甲基-3-5-庚二酮根基;縮寫「hfac」係指六氟乙醯丙酮根基;縮寫「tfac」係指三氟乙醯丙酮根基;縮寫「Cp」係指環戊二烯基;縮寫「Cp*」係指五甲基環戊二烯基;縮寫「op」係指(開環)戊二烯基;縮寫「cod」係指環辛二烯;縮寫「dkti」係指二酮亞胺酸鹽/二酮亞胺(配體/分子),其中二酮亞胺酸鹽圖示於下文中(其中R1為連接至以下結構中之dkti配體頂點處的C之R配體,各R2獨立地為連接至dkti鏈中之C的R配體,且各R3獨立地
為連接至N之R配體;例如HC(C(Me)N(Me))2);縮寫「emk」係指烯胺酮酸鹽/烯胺酮(配體/分子),其中烯胺酮酸鹽圖示於下文中(其中各R獨立地選自H及C1-C6直鏈、分支鏈或環狀烷基或芳基)(emk有時亦稱為酮亞胺酸鹽/酮亞胺);縮寫「amd」係指圖示於下文中之脒鹽(其中R1為連接至以下結構中之C的R配體且各R2獨立地為連接至各N的R配體;例如MeC(N(SiMe3)2);縮寫「formd」係指圖示於下文中之甲脒鹽;縮寫「dab」係指圖示於下文中之二氮雜丁二烯(其中各R獨立地選自H及C1-C6直鏈、分支鏈或環狀烷基或芳基)。
為了更好地瞭解,此等配體中之一些配體的通用結構呈現於下文中。此等通用結構可進一步經取代基取代,其中各R獨立地選自:H;C1-C6直鏈、分支鏈或環狀烷基或芳基;胺基取代基,諸如NR1R2或NR1R2R3,以及圖示於下文中之MNR1R2R3,其中R1、R2及R3各自獨立地選自H及C1-C6直鏈、分支鏈或環狀烷基或芳基;及烷氧基取代基,諸如OR或OR4R5,以及圖示於下文中之MOR4R5,其中R、R4及R5各自獨立地選自H及C1-C6直鏈、分支鏈或環狀烷基或芳基。
為了進一步瞭解本發明之性質及目標,應結合附圖參考以下之詳細描述,其中:圖1為呈現隨Ni(NiPr-amd)2之溫度升高重量損失百分比(TGA)或微差溫度(DTA)的熱解重量分析(TGA)及差示熱分析(DTA)圖;圖2為在大氣及動態真空(2000 Pa)條件下Ni(2-甲基烯丙基)(NiPr-amd)的TGA及DTA圖;圖3為Ni(2-甲基烯丙基)(NiPr-amd)之1HNMR譜;圖4為圖示Ni薄膜之每個循環生長率(GPG)對以秒計之Ni(2-甲基烯丙基)(NiPr-amd)脈衝時間的電漿增強原子層沉積(PEALD)飽和曲線;圖5為圖示由Ni(2-甲基烯丙基)(NiPr-amd)沉積之Ni薄膜含量對以秒計之蝕刻時間的X射線光電子光譜學(XPS)圖;圖6為由Ni(2-甲基烯丙基)(NiPr-amd)沉積之Ni薄膜之掃描電子顯微鏡(SEM)照片中的橫截面視圖;以及圖7為在具有縱橫比為2之渠溝的圖案化晶圓上沉積的Ni薄膜之SEM照片。
本發明揭示具有下式之含鎳前驅物:
其中R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7及R8各自獨立地選自H;C1-C4直鏈或分支鏈烷基;C1-C4直鏈或分支鏈烷基矽基(單烷基、雙烷基或三烷基);C1-C4直鏈或分支鏈烷胺基;或C1-C4直鏈或分支鏈氟烷基。
如上文所示,陰離子脒鹽配體經由其兩個氮原子鍵結至鎳原子,而陰離子烯丙基配體中之所有三個碳皆經由浮動雙鍵中之電子鍵結至Ni原子(η 3鍵結)。該兩種配體之組合提供適用於氣相沉積含鎳薄膜之穩定但具揮發性之含鎳前驅物。
示範性含鎳前驅物包括(但不限於):η 3-烯丙基N,N'-二甲基乙脒鹽;η 3-烯丙基N,N'-二乙基乙脒鹽;η 3-烯丙基N,N'-二異丙基乙脒鹽;η 3-烯丙基N,N'-二正丙基乙脒鹽;η 3-烯丙基N,N'-二第三丁基乙脒鹽;η 3-烯丙基N,N'-乙基,第三丁基乙脒鹽;η 3-烯丙基N,N'-二-三甲矽基乙脒鹽;
η 3-烯丙基N,N'-二異丙基胍鹽;η 3-烯丙基N,N'-二異丙基甲脒鹽;η 3-1-甲基烯丙基N,N'-二甲基乙脒鹽;η 3-1-甲基烯丙基N,N'-二乙基乙脒鹽;η 3-1-甲基烯丙基N,N'-二異丙基乙脒鹽;η 3-1-甲基烯丙基N,N'-二正丙基乙脒鹽;η 3-1-甲基烯丙基N,N'-二第三丁基乙脒鹽;η 3-1-甲基烯丙基N,N'-乙基,第三丁基乙脒鹽;η 3-1-甲基烯丙基N,N'-二-三甲矽基乙脒鹽;η 3-1-甲基烯丙基N,N'-二異丙基胍鹽;η 3-1-甲基烯丙基N,N'-二異丙基甲脒鹽;η 3-2-甲基烯丙基N,N'-二甲基乙脒鹽;η 3-2-甲基烯丙基N,N'-二乙基乙脒鹽;η 3-2-甲基烯丙基N,N'-二異丙基乙脒鹽;η 3-2-甲基烯丙基N,N'-二正丙基乙脒鹽;η 3-2-甲基烯丙基N,N'-二第三丁基乙脒鹽;η 3-2-甲基烯丙基N,N'-乙基,第三丁基乙脒鹽;η 3-2-甲基烯丙基N,N'-二-三甲矽基乙脒鹽;η 3-2-甲基烯丙基N,N'-二異丙基胍鹽;及η 3-2-甲基烯丙基N,N'-二異丙基甲脒鹽。
較佳,含鎳前驅物為η 3-2-甲基烯丙基N,N'-二異丙基乙脒鎳(II)鹽(其中在上式中R1及R2=iPr;R3及R6=Me;且R4、R5、R7及R8=H),
這是因為其在大氣熱解重量分析中之汽化結果優良,留下少量最終殘餘物(參見圖2)。
所揭示的含鎳前驅物可藉由使鋰脒鹽與烯丙基氯化鎳在諸如THF及己烷之適合溶劑中反應來合成。含有其他細節之示範性合成法提供於以下實施例中。
本發明亦揭示使用氣相沉積製程在基板上形成含鎳層之方法。該方法可適用於製造半導體、光電、LCD-TFT或平板型裝置。所揭示的含鎳前驅物可用於使用熟習該項技術者已知之任何沉積方法來沉積含鎳薄膜。適合沉積方法之實例包括(但不限於)習知化學氣相沉積(CVD)、電漿增強CVD(PECVD)、低壓CVD(LPCVD)、電漿增強CVD(PECVD)、脈衝CVD(PCVD)、原子層沉積(ALD)、空間ALD、電漿增強原子層沉積(PEALD)或其組合。
所揭示的含鎳前驅物可以純淨形式或與諸如乙苯、二甲苯、均三甲苯、癸烷、十二烷之適合溶劑的摻合物形式來提供。所揭示的前驅物可以不同濃度存在於溶劑中。
將一或多種純淨或摻合之含鎳前驅物藉由諸如管道及/或流量計之習知元件以蒸氣形式引入反應器中。蒸氣形式之前驅物可藉由經由諸如直接汽化、蒸餾或鼓泡之習知汽化步驟來汽化純淨或摻合之前驅物溶液而產生。可將純淨或摻合之前驅物在液體狀態下饋入汽化器中,在汽化器中將其汽化,之後將其引入反應器中。或者,可藉由將載氣通入容納前驅物之容器中或藉由使載氣在前驅物中鼓泡來汽化純淨或摻合之前驅物。載氣可包括(但不限於)Ar、He、N2及其混合物。用載氣鼓泡亦可移除存
在於純淨或摻合之前驅物溶液中之任何溶解之氧氣。接著將載氣及前驅物以蒸氣形式引入反應器中。
必要時,可將所揭示前驅物之容器加熱至使得前驅物呈其液相且具有足夠蒸氣壓之溫度。可將容器維持於例如約0℃至約150℃之範圍內之溫度下。熟習該項技術者應瞭解,容器之溫度可用已知方式來調節以便控制汽化之前驅物的量。
反應器可為裝置內在適於使得前驅物反應且形成層之條件下進行沉積方法之任何罩殼或腔室,諸如(但不限於)平行板型反應器、冷壁型反應器、熱壁型反應器、單一晶圓反應器、多晶圓反應器或其他類型之沉積系統。
通常,反應器容納上面將沉積薄膜之一或多個基板。該一或多個基板可為任何適用於製造半導體、光電、平板或LCD-TFT裝置的基板。適合基板之實例包括(但不限於)矽基板、二氧化矽基板、氮化矽基板、氧氮化矽基板、鎢基板或其組合。另外,可使用包含鎢或貴金屬(例如鉑、鈀、銠或金)之基板。基板亦可具有來自先前製造步驟的已沉積於其上的一或多個不同材料層。
反應器內之溫度及壓力保持在適於ALD或CVD沉積之條件下。換言之,在將汽化之前驅物引入腔室中之後,腔室內之條件使得至少一部分汽化之前驅物沉積於基板上以形成含鎳薄膜。舉例而言,根據沉積參數之需要,可將反應器中之壓力保持於約1 Pa與約105 Pa之間,更佳保持於約25 Pa與約103 Pa之間。同樣,可將反應器中之溫度保持在約100℃與約500℃之間,較佳保持在約150℃與約350℃之間。
反應器之溫度可藉由控制基板固持器之溫度或控制反應器壁之溫度來控制。用於加熱基板之裝置在此項技術中為已知的。將反應器壁加熱至足夠高之溫度以在足夠之生長速率下獲得具有所需物理狀態及組成之所需薄膜。反應器壁可加熱之非限制性示範性溫度範圍包括約100℃至約500℃。當利用電漿沉積製程時,沉積溫度可在約150℃至約350℃範圍內。或者,在進行熱製程時,沉積溫度可在約200℃至約500℃範圍內。
除了所揭示的前驅物以外,亦可將反應物引入反應器中。反應物可為氧化氣體,諸如以下中之一者:O2、O3、H2O、H2O2、含氧自由基(諸如O-或OH-)、NO、NO2、羧酸、甲酸、乙酸、丙酸及其混合物。較佳,氧化氣體選自由以下組成之群組:O2、O3、H2O、H2O2、其含氧自由基(諸如O-或OH-)及其混合物。或者,反應物可為還原氣體,諸如以下中之一者:H2、NH3、SiH4、Si2H6、Si3H8、(CH3)2SiH2、(C2H5)2SiH2、(CH3)SiH3、(C2H5)SiH3、苯基矽烷、N2H4、N(SiH3)3、N(CH3)H2、N(C2H5)H2、N(CH3)2H、N(C2H5)2H、N(CH3)3、N(C2H5)3、(SiMe3)2NH、(CH3)HNNH2、(CH3)2NNH2、苯肼、含N分子、B2H6、9-硼雙環[3,3,1]壬烷、二氫苯并呋喃、吡唑啉、三甲基鋁、二甲基鋅、二乙基鋅、其自由基物質及其混合物。較佳,還原氣體為H2、NH3、SiH4、Si2H6、Si3H8、SiH2Me2、SiH2Et2、N(SiH3)3、其氫自由基或其混合物。
可藉由電漿來處理反應物,以便將反應物分解成其自由基形式。N2在用電漿處理時亦可用作還原氣體。舉例而言,電漿可用約50 W至約500 W,較佳約100 W至約200 W範圍內之功率來產生。電漿可產生或存在於反應器本身中。或者,電漿通常可處於遠離反應器之位置,例如,在設置較遠之電漿系統中。熟習該項技術者應瞭解適於此電漿處理之方法
及設備。
腔室內之氣相沉積條件使得所揭示的前驅物與反應物反應且在基板上形成含鎳薄膜。在一些具體實例中,申請人相信電漿處理反應物可提供具有與所揭示的前驅物反應所需要之能量的反應物。
視需要沉積之薄膜類型而定,可將第二前驅物引入反應器中。可使用第二前驅物向含鎳薄膜提供另外之元素。另外之元素可包括銅、鐠、錳、釕、鈦、鉭、鉍、鋯、鉿、鉛、鈮、鎂、鋁、鑭或此等元素之混合物。在利用第二前驅物時,沉積於基板上之所得薄膜可含有鎳以及至少一種另外之元素。
含鎳前驅物及反應物可同時(化學氣相沉積)、依序(原子層沉積)或以其不同組合方式引入反應器中。在引入前驅物與引入反應物之間,可用惰性氣體來吹洗反應器。或者,可將反應物與前驅物混合在一起以形成反應物/前驅物混合物,接著以混合物形式引入反應器中。另一實例為連續引入反應物且以脈衝方式引入至少一種含鎳前驅物(脈衝化學氣相沉積)。
汽化之前驅物及反應物可依序或同時(例如脈衝CVD)以脈衝方式輸送至反應器中。各前驅物脈衝可持續約0.01秒至約10秒,或者約0.3秒至約3秒,或者約0.5秒至約2秒範圍內之時段。在另一具體實例中,反應物亦可以脈衝方式輸送至反應器中。在此類具體實例中,各氣體脈衝可持續約0.01秒至約10秒,或者約0.3秒至約3秒,或者約0.5秒至約2秒範圍內之時段。
視特定製程參數而定,可在不同時間內進行沉積。通常,沉
積可持續長達產生具有所需特性之薄膜所需要或必要的時間。視特定沉積製程而定,典型薄膜厚度可在幾埃至幾百微米範圍內變化。亦可進行沉積製程多達為獲得所需薄膜所必要的次數。
在一個非限制性示範性CVD型製程中,將所揭示的含鎳前驅物及反應物之氣相同時引入反應器中。兩者反應以形成所得含鎳薄膜。當此示範性CVD製程中之反應物用電漿處理時,示範性CVD製程變成示範性PECVD製程。反應物可在引入腔室之前或之後用電漿處理。
在一個非限制性示範性ALD型製程中,將所揭示的含鎳前驅物之氣相引入反應器中,在該反應器中使其與適合基板接觸。接著可藉由吹洗及/或排空反應器而自反應器中移除過量前驅物。將還原氣體(例如,H2)引入反應器中,在該反應器中其與所吸收之前驅物以自我限制方式反應。藉由吹洗及/或排空反應器而自反應器中移除任何過量之還原氣體。若所需薄膜為鎳薄膜,則此兩步製程可提供所需薄膜厚度或可重複直至獲得具有所需厚度之薄膜為止。
或者,若所需薄膜含有鎳及第二元素,則可在以上兩步製程之後將第二前驅物之蒸氣引入反應器中。第二前驅物將基於所沉積之鎳薄膜之性質來選擇。在引入反應器中之後,第二前驅物與基板接觸。藉由吹洗及/或排空反應器而自反應器中移除任何過量之第二前驅物。再次,可將還原氣體引入反應器中以與第二前驅物反應。藉由吹洗及/或排空反應器而自反應器中移除過量之還原氣體。若達成所需薄膜厚度,則製程可終止。然而,若需要更厚的薄膜,則可重複整個四步製程。藉由交替提供含鎳前驅物、第二前驅物及反應物,可沉積具有所需組成及厚度之薄膜。
當此示範性ALD製程中之反應物用電漿處理時,示範性ALD製程變成示範性PEALD製程。反應物可在引入腔室之前或之後用電漿處理。
由以上所論述之製程產生之含鎳薄膜可包括純鎳(Ni)、鎳矽化物(NikSil)或鎳氧化物(NinOm)薄膜,其中k、l、m及n為1至6(包括該等端點)範圍內之整數。可獲得純鎳薄膜。舉例而言,可獲得具有約98原子%至約100原子%之範圍內之濃度的鎳薄膜。較佳,純鎳薄膜具有約100原子w/w之濃度。純鎳薄膜可具有約0原子%至約1原子%範圍內之氧濃度。純鎳薄膜可具有約0原子%至約1原子%範圍內之碳濃度。一般技藝人士應瞭解,藉由恰當選擇適合之所揭示前驅物、視情況選用之第二前驅物及反應物種類,可獲得所需薄膜組成。
在獲得所需薄膜厚度後,可對薄膜進行進一步處理,諸如熱退火、爐內退火、快速熱退火、UV或電子束固化,及/或電漿氣體暴露。熟習該項技術者應瞭解用於進行此等另外之處理步驟的系統及方法。舉例而言,可使含鎳薄膜在惰性氛圍、含H氛圍、含N氛圍、含O氛圍或其組合下暴露於約200℃至約1000℃範圍內之溫度持續約0.1秒至約7200秒範圍內之時間。最佳,在含H氛圍下,溫度為400℃持續3600秒。所得薄膜可含有較少雜質且因此可具有改良之密度,使得洩漏電流得以改良。退火步驟可在進行沉積製程之同一反應腔室中進行。或者,可自反應腔室中移出基板,且在單獨設備中進行退火/急驟退火製程。已發現任何以上後處理方法,但尤其是熱退火,可有效減少含鎳薄膜之碳及氮污染。此進而傾於改良薄膜之電阻率。
在退火之後,藉由所揭示的任何方法所沉積之含鎳薄膜在室溫下具有約7 μ ohm.cm至約70 μ ohm.cm,較佳約7 μ ohm.cm至約20 μ ohm.cm,且更佳約7 μ ohm.cm至約12 μ ohm.cm之體電阻率。視季節而定,室溫為約20℃至約28℃。體電阻率亦稱為體積電阻率。一般技藝人士應瞭解,在室溫下在通常為約50 nm厚的Ni薄膜上量測體電阻率。對於較薄薄膜而言,歸因於電子轉移機制之變化,體電阻率通常增加。體電阻率亦在較高溫度下增加。
以下實施例說明結合本文之揭示內容所進行之實驗。實施例不欲為詳盡的且不欲限制本文所述之揭示內容的範疇。
在氮氣下,向1 L 3頸燒瓶中引入32.4 g(250 mmol)NiCl2與THF(約200 mL)。在0℃下引入500 mL(250 mmol)氯化2-甲基烯丙基鎂(0.5M THF溶液)且將混合物攪拌隔夜。形成具有由[Ni(2-甲基烯丙基)Cl]2組成之棕色懸浮液的深棕色溶液。
在氮氣下將N,N'-二異丙基碳化二亞胺(31.5 g,250 mmol)引入另一個1 L 3頸燒瓶中。在-78℃下引入235.8 mL(250 mmol)MeLi(1.06 M乙醚溶液)且在室溫下將混合物攪拌隔夜。將Li-iPrAMD溶液添加至Ni(2-甲基烯丙基)Cl]2懸浮液中且將混合物在室溫下攪拌隔夜。形成深色溶液。
接著在真空下移除溶劑且添加甲苯(300 mL)。將溶液經Celite牌矽藻土過濾且在真空下移除甲苯,得到深色黏性物質。添加戊烷(300 mL)。將溶液經Celite牌矽藻土過濾且在真空下移除戊烷,得到深橙色液體。
藉由在88℃下,在200-300毫托(沸點:約69℃-71℃)下蒸餾來純化該物質,得到38.6 g(152 mmol,61%)之橙色液體,其由鎳η 3-2-甲基烯丙基N,N'-二異丙基乙脒鹽組成。
在10℃/min之溫度上升速率下,在氮氣以220 mL/min流動之氛圍中進行量測之TGA分析期間,該橙色液體留下<5%剩餘質量。此等結果描繪於圖2中,其為呈現重量損失百分比隨溫度變化的TGA圖。NMR1H譜提供於圖3中。
NMR1H(δ,ppm,C6D6):3.11(sp,2H),2.67(s,2H),2.00(s,3H),1.57(s,2H),1.38(s,3H),1.06(d,6H),0.84(d,6H)。
使用實施例1中製備之η 3-2-甲基烯丙基N,N'-二異丙基乙脒鹽來進行PEALD測試,將其置放在加熱至50℃之容器中。使用典型PEALD條件,諸如使用氫及/或氨電漿以及將反應器壓力固定於約2托及將電漿功率最佳化至100 W以使得完全反應且限制所得薄膜中併入雜質。使薄膜沉積於Si及SiO2基板上。在Si基板上進行HF淨化(1% HF,10 min)。在200℃-300℃之溫度窗口中在完全表面飽和及反應下評估ALD性能。
在有限測試中,使用氫電漿產生之薄膜所含的雜質多於使用氨電漿產生之薄膜。有限測試亦揭示較長反應物脈衝時間或較高電漿功率會產生每個循環生長率較高且電阻率較低的平坦薄膜,但會使得碳含量較高。未觀測到孕育時間(incubation time)。進行連續進行之測試以便確定最佳條件。
在300℃下使用氨電漿獲得高達1.2埃/循環之沉積速率(參
見圖4)。在400℃下用氫氣使薄膜退火1小時之後,X射線光電子光譜學(XPS)顯示沒有碳或氮併入至沉積於Si基板上之薄膜中,鎳薄膜純度接近於100%(參見圖5)。在Ni薄膜與矽晶圓之界面處未觀察到矽化作用。掃描電子顯微鏡(SEM)顯示表面(約41 nm厚度)具有均勻且光滑的顆粒,且具有良好連續性(參見圖6)。對於SiO2基板上之41 nm厚鎳薄膜,獲得低至約9 μ Ω.cm之電阻率,接近於鎳之體電阻率。在具有縱橫比為2.4之渠溝的圖案化晶圓上進行的沉積允許形成具有接近於100%之保形性的Ni薄膜(參見圖7)。
在200℃下使用氨電漿獲得1.0埃/循環之沉積速率。
應瞭解,本文為了解釋本發明性質所描述並且說明之細節、材料、步驟及各部分安排的許多另外之變化可由熟習該項技術者在如隨附申請專利範圍中所表達的本發明原則及範疇內產生。因此,本發明不欲限於以上給出之實施例及/或附圖中的特定具體實例。
Claims (14)
- 一種含鎳前驅物,其中該含鎳前驅物為η 3-2-甲基烯丙基N,N'-二異丙基乙脒鹽。
- 一種用於在基板上沉積含鎳薄膜之方法,其包括以下步驟:將至少一種含鎳前驅物引入當中安置有至少一個基板的反應器中,該至少一種含鎳前驅物為η 3-2-甲基烯丙基N,N'-二異丙基乙脒鹽;以及將該含鎳前驅物的至少一部分沉積於該至少一個基板上以形成該含鎳薄膜。
- 如申請專利範圍第2項之方法,其進一步包括將至少一種反應物引入該反應器中。
- 如申請專利範圍第3項之方法,其中該反應物係選自由以下組成之群組:H2、NH3、SiH4、Si2H6、Si3H8、SiH2Me2、SiH2Et2、N(SiH3)3、其氫自由基;及其混合物。
- 如申請專利範圍第3項之方法,其中該反應物選自由以下組成之群組:O2、O3、H2O、NO、N2O、其氧自由基;及其混合物。
- 如申請專利範圍第3項之方法,其中該含鎳前驅物與該反應物實質上同時經引入該反應器中且該反應器經組態以用於化學氣相沉積。
- 如申請專利範圍第6項之方法,其中該反應器經組態以用於電漿增強化學氣相沉積。
- 如申請專利範圍第3項之方法,其中該含鎳前驅物與該反應物經依序引入腔室中且該反應器經組態以用於原子層沉積。
- 如申請專利範圍第8項之方法,其中該反應器經組態以用於電漿增強 原子層沉積。
- 如申請專利範圍第2項之方法,其進一步包括將該含鎳薄膜退火。
- 如申請專利範圍第10項之方法,其中該退火的含鎳薄膜含有約98原子%至約100原子%之間的Ni。
- 如申請專利範圍第11項之方法,其中該退火的含鎳薄膜為約100原子%的Ni薄膜。
- 如申請專利範圍第11項之方法,其中該退火的含鎳薄膜含有約0原子%至約1原子%之間的碳及氮中之每一者。
- 一種藉由如申請專利範圍第10項之方法沉積之含鎳薄膜,其中電阻率為約7μ ohm.cm至約70μ ohm.cm。
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