TWI822465B - 使用有機金屬化合物製備薄膜的方法及由其製備的薄膜 - Google Patents
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Abstract
本發明係關於一種沉積有機金屬化合物(特別是包含稀土類金屬的有機金屬化合物)以製備優異特性薄膜的方法及所製備的薄膜。
Description
本發明係關於使用有機金屬化合物形成薄膜的方法,具體地,係關於一種使用原子層沉積(Atomic Layer Deposition,ALD)方法形成優異特性薄膜的方法和優異特性的薄膜。
最近,由於半導體元件的密集封裝和精細化的通道長度,用作介電材料的氧化矽(SiO
2)正在被金屬閘極/高介電材料(High-k)電晶體取代。
特別是隨著元件間線寬的精細化,要求開發高介電常數材料及應用其的製程。
另一方面,高介電(High-k)物質需具有高帶隙和能帶偏移、高k值、對矽相的優異穩定性、最小的SiO
2界面層以及基材上的高品質界面。另外,較佳非晶態或高結晶薄膜。
為了替代氧化矽而活躍研究並應用的典型高介電物質可以例如氧化鉿(HfO
2)等,特別是在10nm以下製程中,不斷要求新一代高介電物質,新一代高介電物質的有力備選例如稀土摻雜的氧化鉿等。
特別是含稀土類元素材料,作為用於先進的矽CMOS、鍺CMOS和III-V電晶體元件的有前途的高介電物質,據報導,基於其的新一代氧化物比傳統介電材料具有顯著的容量優勢。
另外,含稀土類元素材料有望應用於製備具有強介電性、熱電性、壓電性、電阻轉換等特性的鈣鈦礦材料。即,正在研究藉由使用有機金屬化合物前驅體的氣相沉積製程製備ABO
3形態的鈣鈦礦,調節A、B陽離子(稀土類或過渡金屬)的類型或組分,賦予材料的介電性、電導率和氧離子傳輸率等多樣特性,以用於燃料電池、感測器、二次電池等多樣工業領域。
此外,對於含稀土類元素材料,還正在積極研究利用多層氧化物薄膜結構的優異耐水滲透性,用於實現封裝材料或實現新一代非揮發性記憶體。
但是,稀土類含有層依然難以沉積,因而一直在研究具有有利於沉積的多樣配體的稀土類前驅物和高效的稀土類前驅物的沉積方法。
構成稀土類前驅物的配體的代表性實例,有醯胺(amide)、脒化物(amidinate)、β-二酮酸鹽(β-Diketonate)、環戊二烯基(cyclopentadienyl,Cp)等化合物組,這些前驅物具有熔點高、沉積溫度低、薄膜中雜質高、反應性較低等難以應用於實際製程的缺點,適用於此的沉積方法的開發也沒有順利進行。
結果,迫切需要開發一種用於含稀土類薄膜沉積的經改進的應用稀土類前驅物的沉積製程。
[先前技術文獻]
[專利文獻]
(專利文獻1)美國授權專利第8871304號。
[技術問題]
因此,本發明提供一種使用稀土類有機金屬化合物前驅物化合物的高效薄膜製備方法和藉由該方法製備的優異特性的薄膜。
但是,本發明要解決的課題不限於以上提及的課題,未提及的其他課題是從業人員可以從以下記載明確理解的。
[技術方案]
本發明一個態樣提供一種薄膜的製備方法,其中,反復進行包括以下步驟的循環以在基板上沉積薄膜:
第一注入步驟,向腔室注入有機金屬前驅物化合物;
第一清除步驟,將前述有機金屬前驅物化合物從前述腔室清除;
第二注入步驟,向前述腔室注入反應氣體;及
第二清除步驟,從前述腔室清除與前述有機金屬前驅物化合物未反應或反應而產生的副產物;
其中,前述有機金屬前驅物化合物包含以下述化學式1表示的前驅物。
[化學式1]
在前述化學式1中,
M為鈧(Sc)、釔(Y)、鑭(La)、鈰(Ce)、鐠(Pr)、釹(Nd)、釤(Sm)、銪(Eu)、釓(Gd)、鋱(Tb)、鏑(Dy)、鈥(Ho)、鉺(Er)、銩(Tm)、鐿(Yb)或鑥(Lu)中任一種,
L為N(SiR
4R
5)
2,
R
1至R
5各自獨立地為氫、碳原子數1至4的直鏈或支鏈型烴,
x為1至3的整數。
本發明另一態樣提供一種根據前述製備方法製備的薄膜,其中,碳原子的含量為1.5原子%以下。
[發明功效]
本發明的薄膜的製備方法具有可以高效製備優異特性薄膜的效果。
特別是前述薄膜的厚度均一度高,雜質含量低,表現出優異電特性(介電常數、漏電電流等)。
另外,以本發明薄膜的製備方法製備的優異特性的薄膜,可以應用於多種電子裝置的介電材料(特別是高K/金屬閘極、DRAM電容器)、鈣鈦礦材料、顯示裝置、新一代記憶體等。
下文藉由發明的具體實施例,更詳細描述發明的作用和效果。不過,這種實施例只是作為發明示例而提出的,發明的專利範圍不由此限定。
在此之前,本說明書和申請專利範圍中使用的術語或詞語,不得限定為通常的或詞典的意義進行解釋,應立足於「發明人為了以最佳方法說明其自身的發明而可以適當地定義術語的概念」的原則,只解釋為符合本發明的技術思想的意義和概念。
因此,本說明書中記載的實施例的構成只是本發明最佳的一個實施例,並非全部代表本發明的技術思想,因此應理解為在本申請時間點會存在可以替代其多種均等物和變形例。
只要上下文未明確表示不同,本說明書中單數的表述包括複數的表述。在本說明書中,「包括」、「具備」或「具有」等術語是要指定實施的特徵、數字、步驟、構成要素或其組合的存在,應理解為不預先排除一個或其以上其他特徵或數字、步驟、構成要素或其組合的存在或附加可能性。
本發明一個態樣的薄膜的製備方法可以反復進行包括以下步驟的循環以在基板上沉積薄膜:
第一注入步驟,向腔室注入有機金屬前驅物化合物;
第一清除步驟,將前述有機金屬前驅物化合物從前述腔室清除;
第二注入步驟,向前述腔室注入反應氣體;及
第二清除步驟,從前述腔室清除與前述有機金屬前驅物化合物未反應或反應而產生的副產物;
其中,前述有機金屬前驅物化合物可以包含以下述化學式1表示的前驅物:
[化學式1]
在前述化學式1中,
M為鈧(Sc)、釔(Y)、鑭(La)、鈰(Ce)、鐠(Pr)、釹(Nd)、釤(Sm)、銪(Eu)、釓(Gd)、鋱(Tb)、鏑(Dy)、鈥(Ho)、鉺(Er)、銩(Tm)、鐿(Yb)或鑥(Lu)中任一種,
L為N(SiR
4R
5)
2,
R
1至R
5各自獨立地為氫、碳原子數1至4的直鏈或支鏈型烴,
x為1至3的整數。
前述化學式1的有機金屬前驅物化合物一同包含稀土類原子和矽原子,因而可以減少以往薄膜製備方法的麻煩,即,為了製備一同包含稀土類原子和矽原子的薄膜,需單獨準備稀土類有機金屬前驅物化合物和矽有機金屬前驅物以進行沉積。
另外,以往的製備方法由於兩種前驅物間揮發性和分解的溫度通常不同,在高縱橫比結構中難以保持均勻的組成,而使用本發明的前驅物時,可以改善這種問題。
在一實現例中,前述化學式1的L可以為雙(三甲基矽基)胺(bis(trimethylsilyl)amine,BTSA)。
另一方面,前述薄膜的製備方法可以為原子層沉積(Atomic Layer Deposition,ALD)方法,可以但不限於為原子層沉積方法中的電漿增強原子層沉積(PE-ALD)方法。
另外,向前述腔室注入有機金屬前驅物化合物的步驟可以包括物理吸附、化學吸附或物理及化學吸附的步驟。
在一個實現例中,前述薄膜的製備方法還可以包括:作為反應氣體,注入含氧(O)原子化合物、含氮(N)原子化合物、含碳(C)原子化合物和含矽(Si)原子化合物中任一種以上的步驟。
在一實現例中,前述反應氣體可以為選自氧氣(O
2)、臭氧(O
3)、水(H
2O)、過氧化氫(H
2O
2)、氮氣(N
2)、氨(NH
3)和聯氨(N
2H
4)中的任一種以上。
即,當所希望的含稀土類薄膜含有氧時,反應氣體可以選自但不限於氧氣(O
2)、臭氧(O
3)、水(H
2O)、過氧化氫(H
2O
2)及其任意組合。
當所希望的含稀土類薄膜含有氮時,反應氣體可以選自但不限於氮氣(N
2)、氨氣(NH
3)和聯氨(N
2H
4)及其任意組合。
另外,當所希望的含稀土類薄膜包含其他金屬時,反應氣體也可以含有其他金屬原子。
在一實現例中,前述有機金屬前驅物化合物的罐(canister)的溫度可以為150℃以上。
罐在薄膜的製備方法中用於向反應所需的腔室內供應源氣體。通常,罐使有機金屬前驅物化合物氣化以產生源氣體後將該源氣體供應到前述腔室內。
當罐的溫度低於150℃時,藉由薄膜的製備方法製備的薄膜的厚度均一度會大幅下降。
這是因為在低於150℃的罐溫度下,前述有機金屬前驅物化合物向腔室的供應量不充分。
在一實現例中,前述沉積所需的製程溫度可以為350℃以下。
沉積率會隨著前述製程溫度的升高而升高。另外,在250℃~350℃的製程溫度下製備的薄膜,均一度優異,可以用作多樣用途。
另外,隨著前述製程溫度的升高,屬於所製備薄膜的雜質的碳原子含量會小幅升高,介電常數小幅下降,而漏電電流小幅增加,但在250℃~350℃製程溫度下製備的薄膜的特性屬於優異品質範圍內,可以用作多樣用途。
在一實現例中,前述有機金屬前驅物化合物的注入時間可以為1秒以上、30秒以下,前述有機金屬前驅物化合物的載氣的注入量可以為10 sccm以上、5000 sccm以下。
另外,前述反應氣體的注入時間可以為1秒以上、30秒以下,前述反應氣體的注入量可以為10 sccm以上、5000 sccm以下,前述反應氣體的濃度可以為50 g/m
3以上、500 g/m
3以下。
在一實現例中,前述第一清除步驟和前述第二清除步驟的清除氣體注入時間可以分別獨立地為1秒以上、3分鐘以下,前述第一清除步驟和前述第二清除步驟的清除氣體注入量可以分別獨立地為10 sccm以上、5000 sccm以下。
當無法滿足上述的前述有機金屬前驅物化合物、前述反應氣體和前述清除氣體的製程條件時,無法獲得優異特性的薄膜。
另一方面,前述薄膜的製備方法的前述循環次數可以為1次以上、100000次以下。
本發明另一態樣的薄膜可以根據上述製備方法製備,作為雜質的碳(C)原子的含量可以為1.5原子%以下。
另外,根據X射線光電子能譜法(XPS),無法檢測到作為前述薄膜另一種雜質的氮(N)原子。
在一實現例中,前述薄膜的介電常數可以為10以上,漏電電流可以為4.0х10
-7A/cm
2以下。
下文利用實施例更具體描述本發明,但本發明不限於此。
[合成例1]
NHtBuCH
2CH
2NMe
2配體的製備
將1eq的2-氯-N,N-二甲基乙胺鹽酸鹽(2-chloro-N,N-dimethylethylamine hydrochloride)緩慢溶解於100mL的水中,在0℃下緩慢添加1eq的NaOH水溶液。然後在相同溫度下,利用滴液漏斗(dropping funnel)緩慢加入4eq的三級丁胺(t-butylamine),在室溫下攪拌隔夜。反應完成後,加入1eq的NaOH並進一步攪拌,利用己烷(hexane)溶劑萃取。將有機層利用MgSO
4去除水後,常壓下去除溶劑並進行純化。合成的NHtBuCH
2CH
2NMe
2為無色液體,合成收率為30%。
所獲得的NHtBuCH
2CH
2NMe
2的化學結構式和NMR測量結果如下。
[NHtBuCH
2CH
2NMe
2的化學結構式]
1H-NMR (400MHz, 苯-D6):
δ 1.06(s, 9H), 2.06(s, 6H), 2.33(t, 2H), 2.56(t, 2H)
La(btsa)
2(NHtBuCH
2CH
2NMe
2)(La(N(SiMe
3)
2)
2(NHtBuCH
2CH
2NMe
2))的製備
在盛有1eq的La(btsa)
3的燒瓶中加入溶劑甲苯(Toluene)後,加入1eq的實施例1的NHtBuCH
2CH
2NMe
2。在70℃下加熱隔夜。反應完成後減壓濃縮,在110℃、56m托下昇華純化,獲得了La(btsa)
2(NHtBuCH
2CH
2NMe
2)。
所合成的La(btsa)
2(NHtBuCH
2CH
2NMe
2)為象牙色固體,合成收率為76%。
所合成的La(btsa)
2(NHtBuCH
2CH
2NMe
2)的化學結構式和NMR測量結果如下。
[La(btsa)
2(NHtBuCH
2CH
2NMe
2)的化學結構式]
在前述La(btsa)
2(NHtBuCH
2CH
2NMe
2)的化學結構式中,BTSA為六甲基二矽氮烷(bis(trimethylsilyl)amine)基,tBu為三級丁基(tert-butyl)。
1H-NMR(400MHz, THF-d8):
δ 0.15(s, 36H), 1.23(s, 9H), 2.48(s, 6H), 3.03(t, 2H), 3.09(t, 2H)
[製備例]
使用原子層沉積(ALD)設備,將根據前述合成例製備的有機金屬前驅物化合物沉積於薄膜。
本實驗使用的基板為p-型Si(100)晶片,電阻為0.02Ω·m。在沉積之前,p-型Si晶片在丙酮-乙醇-去離子水(DI water)中分別超音波處理(Ultra sonic)各10分鐘以進行清洗。Si晶片上的天然氧化物薄膜在HF 10%(HF:H
2O=1:9)的溶液中浸泡10秒後去除。HF清洗的Si晶片即時移動到原子層沉積(ALD)腔室。實驗中使用的有機金屬前驅物化合物La(btsa)
2(NHtBuCH
2CH
2NMe
2)作為全部包含稀土類金屬La和Si元素的前驅物,將罐(canister)的溫度維持在130℃~160℃。
按La(btsa)
2(NHtBuCH
2CH
2NMe
2)(10秒)-Ar(30秒)-臭氧(O
3)(10秒)-Ar(30秒)的順序供應。
用作反應氣體的臭氧(O
3)藉由調節空壓閥的on/off而以1000 sccm流量注入。此時,臭氧的濃度為220g/m
3。
用於清除(purge)La(btsa)
2(NHtBuCH
2CH
2NMe
2)和臭氧的氬氣(Ar)的流量為1500 sccm。
在250℃至350℃的製程溫度範圍內,反應器壓力為1 torr,循環次數為200次。
下表1示出薄膜製備所需的製程條件。
[表1]
*(前驅物注入後清除/臭氧注入後清除)時間
罐溫度 (℃) | 製程溫度(℃) | 前驅物注入時間 (s) | 前驅物運載氬氣注入量(sccm) | 臭氧注入時間(s) | 臭氧濃度(g/m 3) | 臭氧注入量(sccm) | 清除氬氣注入時間(s) | 清除氬氣注入量 (sccm) | ALD Cycle (次) | 製程壓力 (Torr) |
130~160 | 250~350 | 10 | 500 | 10 | 220 | 1000 | 30/30* | 1500 | 200 | 1 |
分析了由前述製備例製備的薄膜的沉積率、厚度均一度和成分及其配比。
(1)沉積率測量
沉積率根據下述數學式1計算。
[數學式1]
沉積率(Å/cycle)=沉積厚度/ALD cycle數
前述數學式1的沉積厚度藉由橢圓偏光計(Ellipsometer)測量,利用FE-SEM確認。
(2)厚度均一度測量
厚度均一度根據下述數學式2計算。
[數學式2]
厚度均一度(%)=(最大厚度-最小厚度)/(2×平均厚度)
前述數學式2的最大、最小和平均厚度取自在形成了薄膜的晶片的9處測量的值。
藉由橢圓儀(製造商:艾利普所科技(Ellipso Technology),型號名稱:Elli-SE-UaM8)進行測量,晶片的九個位置分別為中心(C)、右側(R)、左側(L)、上側(T)、下側(B)、右上側(RT)、左上側(LT)、右下側(RB)和左下側(LB)。
(3)成分和配比測量
使用X射線光電子能譜法(XPS)分析了製備的薄膜的成分和配比。
[實施例1]
在上述表1記載的製程條件下,將製程溫度固定為250℃,使罐的溫度在130℃~160℃範圍內變化,根據上述製備例製備薄膜後,測量薄膜的沉積率(GPC)和厚度均一度(uniformity)並將其結果示出於圖1。
如圖1所示,隨著罐的溫度的升高,沉積率升高而厚度均一度下降。
可以確認,當罐溫度為130℃和140℃時,各個薄膜的不同測量位置的厚度偏差很高,為30.3%和18.6%,薄膜不均勻。
與此相比,將罐的溫度升高到150℃和160℃時,各個薄膜不同測量位置的厚度偏差非常低,為1.4%和1.6%,形成了厚度非常均一的薄膜。
即,可知罐的溫度極大影響薄膜的沉積率和厚度均一度。
[實施例2]
在上述表1記載的製程條件下,將罐的溫度固定為150℃,使製程溫度在250℃~350℃範圍內變化,根據前述製備例製備薄膜後,測量薄膜的沉積率(GPC)和厚度均一度(uniformity),將其結果示出於圖2。
如圖2所示,可以確認,隨著製程溫度的升高,沉積率升高。
另外可以確認,當製程溫度為250℃、300℃和350℃時,薄膜不同測量位置的厚度偏差分別為1.4%、1.0%和4.2%,薄膜的厚度均一度非常優異。
另外,如圖3所示,分析了根據使製程溫度變化的實施例2製備的薄膜的元素。
在所有薄膜中檢測到La、Si、O元素,未檢測到作為雜質的氮(N)。
在所有薄膜中檢測到雜質碳(C),其含量隨製程溫度而異。
即,隨著製程溫度的升高,薄膜內雜質碳的含量升高,但在250℃~350℃的製程溫度下製備的薄膜,碳的含量為1.3原子%以下,表現出碳含量很低的優異特性。
另外,隨著製備時製程溫度的變化,薄膜的La、Si和O的比率幾乎無差異,La:Si:O的原子比率為1:1:3,可以確認形成了LaSiO
3薄膜。
另一方面,測量所製備薄膜的電特性(介電常數和漏電電流),結果可以確認,薄膜製備時製程溫度越高,介電常數的測量值越低,漏電電流的測量值越高。
在250℃~350℃的製程溫度下製備的薄膜的介電常數和漏電電流的測量值均屬於足以用作實際用途的優異範圍。
藉由上述薄膜製備可知,可以藉由調節了多樣製程條件的ALD形成優異特性的薄膜。
特別是可以確認,藉由調整罐溫度和製程溫度,可以提高薄膜特性。
即,藉由調節製程條件,能夠製備厚度均一的薄膜,可以確保優異的薄膜物性(雜質含量和介電特性等電特性)。
本發明的範圍不由上述詳細描述所代表,而是由後述申請專利範圍所代表,申請專利範圍的意義和範圍以及從其均等概念導出的所有變更或變形的形態應解釋為包含於本發明的範圍。
無。
圖1係示出隨罐溫度變化的薄膜沉積率和沉積厚度均一度變化的圖表。
圖2係示出隨製程溫度變化的薄膜沉積率和沉積厚度均一度變化的圖表。
圖3係分析並示出隨製程溫度變化的薄膜內成分變化的圖表。
圖4係分析示出隨製程溫度變化的薄膜電特性的圖表。
無。
Claims (9)
- 一種薄膜的製備方法,其反復進行包括以下步驟的循環以在基板上沉積薄膜: 第一注入步驟,向腔室注入有機金屬前驅物化合物; 第一清除步驟,將前述有機金屬前驅物化合物從前述腔室清除; 第二注入步驟,向前述腔室注入反應氣體;及 第二清除步驟,從前述腔室清除與前述有機金屬前驅物化合物未反應或反應而產生的副產物, 其中,前述有機金屬前驅物化合物包含以下述化學式1表示的前驅物: [化學式1] 在前述化學式1中, M為鈧(Sc)、釔(Y)、鑭(La)、鈰(Ce)、鐠(Pr)、釹(Nd)、釤(Sm)、銪(Eu)、釓(Gd)、鋱(Tb)、鏑(Dy)、鈥(Ho)、鉺(Er)、銩(Tm)、鐿(Yb)或鑥(Lu)中任一種, L為N(SiR 4R 5) 2, R 1至R 5各自獨立地為氫、碳原子數1至4的直鏈或支鏈型烴, x為1至3的整數。
- 如請求項1所述之薄膜的製備方法,其中,前述化學式1的L為雙(三甲基矽基)胺。
- 如請求項1所述之薄膜的製備方法,其中,前述反應氣體為選自由臭氧(O 3)和水(H 2O)組成的組的任一種以上。
- 如請求項1所述之薄膜的製備方法,其中,前述有機金屬前驅物化合物的罐的溫度為150℃以上。
- 如請求項1所述之薄膜的製備方法,其中,製程溫度為350℃以下。
- 如請求項1所述之薄膜的製備方法,其中,前述有機金屬前驅物化合物的注入時間為1秒以上、30秒以下, 前述有機金屬前驅物化合物的載氣的注入量為10 sccm以上、5000 sccm以下, 前述反應氣體的注入時間為1秒以上、30秒以下, 前述反應氣體的注入量為10 sccm以上、5000 sccm以下, 前述反應氣體的濃度為50 g/m 3以上、500 g/m 3以下。
- 如請求項1所述之薄膜的製備方法,其中,前述第一清除步驟和前述第二清除步驟的清除氣體注入時間分別獨立地為1秒以上、3分鐘以下, 前述第一清除步驟和前述第二清除步驟的清除氣體注入量分別獨立地為10 sccm以上、5000 sccm以下。
- 一種如請求項1至7中任一項所述之薄膜的製備方法所製備的薄膜,其中,碳原子的含量為1.5原子%以下。
- 如請求項8所述之薄膜,其中,介電常數為10以上,漏電電流為4.0х10 -7A/cm 2以下。
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