JP2003064019A - Cvd用原料化合物及びその製造方法並びにイリジウム又はイリジウム化合物薄膜の化学気相蒸着方法 - Google Patents
Cvd用原料化合物及びその製造方法並びにイリジウム又はイリジウム化合物薄膜の化学気相蒸着方法Info
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Abstract
製造するためのCVD用原料化合物において、低融点で
常温において液体状態にあり、安定した気化が可能であ
ると共に、酸化イリジウム薄膜の製造が可能なCVD原
料用のイリジウム化合物及びその製造方法を提供するこ
とを目的とする。 【解決手段】 本発明は、有機イリジウム化合物を主成
分とするCVD用原料化合物であって、有機イリジウム
化合物は、トリス(2,4−オクタンジオナト)イリジ
ウムからなるCVD用原料化合物である。そして、この
CVD用原料化合物はトリス(2,4−オクタンジオナ
ト)イリジウムのトランス体のみよりなるものが特に好
ましい。
Description
ジウム又はイリジウム化合物薄膜を製造するための原料
及びその製造方法に関する。
導体デバイスの薄膜電極材料としてイリジウム、イリジ
ウム等の貴金属が適用されている。これは、これらの貴
金属が比抵抗が低く、電極としたときに優れた電気的特
性を有することによるものである。特に、イリジウム及
びその酸化物はFERAMの電極として用いられてい
る。
ては、スパッタリング法の他、化学気相蒸着法(Che
mical Vapor Deposition法:以
下CVD法という。)が用いられることが多い。これ
は、CVD法は、均一な薄膜を製造し易く、特に、ステ
ップカバレッジ(段差被覆能)がスパッタリング法に比
べて優れているからである。特に、上記DRAM、FE
RAMのようなメモリデバイスにおいてはより大容量の
ものとするために、その構造を二次元多層膜から三次元
多層膜とすることが試みられており、かかる複雑な電極
構造を形成するためには従来以上に厳密なステップカバ
レッジ、成膜制御性が必要となる。そのため、CVD法
は、近年の回路、電子部材に対するより一層の高密度化
に対応できるものとして薄膜電極製造プロセスの主流に
なるものと考えられている。
特性としては、一般的に融点が低く常温で液体状態にあ
り、蒸気圧が高いことが挙げられる。従来、CVD法に
よるイリジウム膜及びイリジウム化合物薄膜の原料用の
化合物としては、大きく分けると、β−ジケトン系イリ
ジウム化合物とシクロオクタジエン系イリジウム化合物
とが知られている。
ジウムとβ−ジケトン系有機化合物との錯体である。そ
して、CVD原料用のβ−ジケトン系有機化合物として
は、これまで次式で示されるいくつかの有機イリジウム
化合物が知られている。これらのイリジウム化合物は、
常温で固体であるが、従来から知られているイリジウム
化合物より融点が大幅に低く(約140〜270℃)、
高昇華性であり中低温で蒸気圧が高い上に蒸発温度と分
解温度とが明確に離れていることから、昇華法によりC
VD法の成膜を製造する場合において極めて有利である
としている(これらCVD原料用のβ−ジケトン系イリ
ジウム化合物の詳細については、特開平9−49081
号公報、特開平8−85873号公報参照)。
C2F5、C3H7、C 3F7、C(CH3)3、のい
ずれかである)
合物は、イリジウムにシクロオクタジエン及びシクロジ
エン誘導体を配位させたものであり、CVD原料用のも
のとしては、例えば、次式で示される、メチルシクロペ
ンタジエニル(1,5−シクロオクタンジオン)イリジ
ウムやエチルシクロペンタジエニル(1,5−シクロオ
クタンジオン)イリジウム等が知られている。
る。)
化合物は、融点が更に低く(約25℃〜40℃)、特に
エチルシクロペンタジエニル(1,5−シクロオクタン
ジオン)イリジウムについては、常温で液体であること
から、昇華法を用いることなく気化させることができる
という利点がある(これらシクロオクタジエン系イリジ
ウム化合物の詳細については、特開平11−29288
8号公報、J.Vac.Sci.Technol.A1
8(1)10−16(2000)参照)。
者等によれば、これらの有機イリジウム化合物には、イ
リジウム薄膜の工業的生産効率及び適用範囲において次
のような問題がある。
ついていえば、従来より知られているβ−ジケトン系イ
リジウム化合物は、融点が低いとはいっても常温で固体
状態の化合物である。従って、β−ジケトン系イリジウ
ム化合物をCVD原料として薄膜を形成するためには、
昇華法によることとなるが、この昇華法による気化は不
安定なプロセスであり、昇華による気化量を一定量に制
御するのが比較的困難である。また、気化量を制御した
としても、気化した化合物を気体状態で維持するのが困
難であり、原料容器から基板への輸送過程で原料ガスが
固体状態に戻り配管内面に付着することがある。そして
その結果、成膜速度が不安定となり薄膜のモルホロジ−
も悪化するおそれがある。
ウム化合物である、シクロオクタジエン系イリジウム化
合物は常温で液体のものがあり、昇華法によらなくとも
加熱により気化させて成膜が可能である。しかし、本発
明者等の検討によれば、このシクロオクタジエン系イリ
ジウム系の有機イリジウム化合物は酸素との反応性に乏
しく、成膜を酸素雰囲気下で行なっても酸化イリジウム
の薄膜を製造することができず純イリジウム薄膜となっ
てしまう。現在、FERAM用の薄膜電極として適用が
検討されているのは酸化イリジウムでることを考えれ
ば、このシクロオクタジエン系イリジウム化合物の適用
範囲は狭いといわざるを得ない。
たものであり、イリジウム又はイリジウム化合物薄膜を
製造するためのCVD用原料化合物において、低融点で
常温において液体状態にあり、安定した気化が可能であ
ると共に、酸素の反応性にも富みイリジウム薄膜のみな
らず酸化イリジウム薄膜の製造が可能なCVD原料用の
イリジウム化合物及びその製造方法を提供することを目
的とする。
く、本発明者等は、鋭意研究を行なった結果、上記課題
を解決可能なイリジウム化合物として、β―ジケトン系
イリジウムの1種であるトリス(2,4−オクタンジオ
ナト)イリジウムを見出し、本発明に想到した。
主成分とするCVD用原料化合物であって、前記有機イ
リジウム化合物は、次式で示されるトリス(2,4−オ
クタンジオナト)イリジウムからなるCVD用原料化合
物である。
イリジウムは、β―ジケトン系イリジウムの一形態では
あるが、常温で液体である。従って、成膜時において気
化が容易であると共に、ガスバブリングや液体マスフロ
ーコントローラー等の手段により定量的に原料の供給が
可能である。また、この有機イリジウム化合物は安定性
も良好であり、基板への輸送過程においては相変化、分
解する可能性も低い。従って、これらの理由から本発明
によるイリジウム化合物を用いることで、安定的な成膜
速度による薄膜形成が可能となり、効率的に良好なモル
ホロジ−の薄膜を製造することができる。
ナト)イリジウムは、基板上において加熱された場合の
反応性も比較的良好であり、酸素雰囲気下で反応させる
ことにより酸化イリジウムを析出させることが可能であ
る。従って、本発明に係るイリジウム化合物は酸化イリ
ジウム薄膜を製造するための原料としても好適であり、
従来のシクロオクタジエン系イリジウム化合物よりも広
い応用範囲を有する化合物である。
リス(2,4−オクタンジオナト)イリジウムには、シ
ス体及びトランス体の幾何異性体が存在する。従って、
その製造方法によっては、得られるトリス(2,4−オ
クタンジオナト)イリジウムがシス体及びトランス体の
混合状態にあることが考えられる。そこで、本発明者等
は、このような幾何異性体が混合した状態のトリス
(2,4−オクタンジオナト)イリジウムをCVD原料
とした場合に製造される薄膜の性状を検討したところ、
薄膜のモホロジーを考慮するのならば、シス体及びトラ
ンス体の混合状態の原料は好ましくないことを見出し
た。
分子式は同じであるがその物性は大きく異なる。CVD
原料としての物性に関していえば、幾何異性体は気化速
度、分解速度が異なると考えられる。従って、幾何異性
体が混在した化合物からCVD法にて成膜を行なった場
合、一定の成膜速度が得難く、その結果、薄膜のモルホ
ロジーが悪化するのである。
て気化させることができるCVD原料としては、トリス
(2,4−オクタンジオナト)イリジウムのシス体又は
トランス体のいずれか一方の化合物のみよりなるものが
好ましいと考え検討したところ、常温で液体であるのは
トランス体であり、シス体は常温では固体であるとの知
見を得た。そこで、本発明者等は、最も好ましいCVD
原料用のイリジウム化合物として、トランス体のトリス
(2,4−オクタンジオナト)イリジウムのみからなる
ものとした。このトランス−トリス(2,4−オクタン
ジオナト)イリジウムのみからなるCVD原料用化合物
によれば、室温で液体状態であり原料供給及び気化が容
易であることに加え、気化速度も安定的であることか
ら、効率的に優れたモホロジーのイリジウム又はイリジ
ウム化合物薄膜を製造することができる。
タンジオナト)イリジウムの製造方法に関し説明する。
本発明に係るトリス(2,4−オクタンジオナト)イリ
ジウムの製造においては、この有機イリジウム化合物の
原料となる物質を反応させてトリス(2,4−オクタン
ジオナト)イリジウムを合成する工程と、反応後の反応
液から目的となるトリス(2,4−オクタンジオナト)
イリジウムを抽出する工程及び抽出剤から未反応の2,
4−オクタンジオンを除去する工程とからなる方法が基
本となる。
ト)イリジウムの合成は、溶媒中で塩化イリジウム等の
イリジウム化合物と、2,4−オクタジオンとを反応さ
せるものである。このイリジウム化合物としては、反応
性の観点から塩化イリジウムが好ましく、溶媒としては
水が好ましい。そして、この反応系には炭酸水素カリウ
ム等の炭酸水素アルカリ塩を添加する必要がある。この
炭酸水素アルカリ塩を添加するのは、反応系のpHを調
整して、中和反応であるイリジウム化合物と2,4−オ
クタジオンとの反応を進行させるためである。そして、
ここでの反応系のpHの範囲はアルカリ領域、特に、p
H7〜9とするのが好ましい。pH7未満の酸性領域で
は合成反応が進行せずトリス(2,4−オクタンジオナ
ト)イリジウムの収率が低くなるからである。また、ア
ルカリ領域の中でもpH9を上限としたのは、pH9を
超えると反応率が再度低下し始め、この場合もトリス
(2,4−オクタンジオナト)イリジウムの収率が低く
なるからである。尚、この際の反応温度及び反応時間に
ついては、90〜100℃、7〜9時間とするのが好ま
しい。
リジウム化合物が存在することから、これを除去すべく
抽出を行なう。抽出工程は反応液に抽出剤を接触させて
抽出剤中にトリス(2,4−オクタンジオナト)イリジ
ウムを抽出させるという操作を行なうが、この抽出剤と
しては、非極性溶媒、特にベンゼンを用いるのが好まし
い。そして、この抽出工程は、反応液から完全にトリス
(2,4−オクタンジオナト)イリジウムを回収するた
め繰り返し行なうのが好ましい。
は未反応の2,4−オクタンジオンが存在していること
からこの2,4−オクタンジオンの除去が必要となる。
この2,4−オクタンジオンの除去工程については、効
率的にトリス(2,4−オクタンジオナト)イリジウム
を精製、回収するため、蒸留(減圧蒸留)によるものが
適切である。この蒸留処理は、2,4−オクタンジオン
の沸点を考慮して、圧力10〜150Pa、温度35〜
45℃として減圧蒸留するのが好ましい。
クタンジオンは除去され、留分として回収されるトリス
(2,4−オクタンジオナト)イリジウムは、CVD用
原料としても使用可能な純度を有すると考えられる。し
かし、本発明者等の検討によれば、このように2,4−
オクタンジオンの分離のみを考慮した蒸留処理を行なっ
た場合、2,4−オクタンジオンの除去は可能である
が、単離されるトリス(2,4−オクタンジオナト)イ
リジウムの純度は必ずしも良好ではないことが確認され
ている。この原因について本発明者等は、反応工程にお
いては反応系に未反応原料(イリジウム化合物、2,4
−オクタンジオン)及び目的反応生成物(トリス(2,
4−オクタンジオナト)イリジウム)のみならず、予期
せぬ副反応生成物が発生し、これが上記減圧蒸留におい
て留分に随伴していることによるものと考察する。
反応性性物の除去方法を検討したところ、この副反応生
成物は、具体的な物質名(化学組成)は明らかではない
が、その沸点は2,4−オクタンジオン及びトリス
(2,4−オクタンジオナト)イリジウムより高いこと
を見出した。そして、この副反応生成物を除去するため
には、上記減圧蒸留後の留分を再度蒸留するのが適切で
あると考え、その具体的条件として、圧力0.1〜1.
5Pa、温度140〜200℃の減圧蒸留とするのが適
当であるとした。かかる範囲としたのは、蒸留温度を高
くするとトリス(2,4−オクタンジオナト)イリジウ
ムの分解が生じることから、蒸留温度を低くし、且つト
リス(2,4−オクタンジオナト)イリジウを回収する
ためには、真空度をより低くする必要があるからであ
る。
(2,4−オクタンジオナト)イリジウムを製造するこ
とができる。ここで、既に述べたようにトリス(2,4
−オクタンジオナト)イリジウムには、トランス体及び
シス体の幾何異性体が存在する。従って、上記方法によ
り製造されるトリス(2,4−オクタンジオナト)イリ
ジウムも幾何異性体の混合物である可能性がある。
トリス(2,4−オクタンジオナト)イリジウムについ
ては、幾何異性体の分離操作を行なうのが好ましいとい
える。この幾何異性体の分離操作の方法としては、製造
されたトリス(2,4−オクタンジオナト)イリジウム
をカラムクロマトグラフィーに通過させることによるの
が好ましい。特に、この分離操作は、固定相をオクタデ
シルシラン、移動相をアルコール(エタノール、イソプ
ロピルアルコール等)とする液体クロマトグラフィーに
より行なうのが好ましい。
クタンジオナト)イリジウムを主成分とするCVD用原
料を適用した薄膜形成法について説明する。この薄膜形
成方法としては、基本的には一般的なCVD法と同様で
ある。つまり、CVD用原料化合物を気化して基板上に
輸送し、これを基板上で分解させることによりイリジウ
ム又はイリジウム化合物を析出させることとするもので
ある。ここで、本発明に係るCVD用原料の原料気化時
の加熱温度は、150〜200℃とするのが好ましい。
分子を分解させる方法については特に限定されるもので
はなく、熱CVD法、プラズマCVD法等いずれの方式
も採用することができる。特に、熱CVD法は、装置が
簡易であり、また、本発明に係る原料物質は分解温度が
比較的低いので基板損傷の心配もないので好適である。
尚、ここでの基板温度については、350℃〜400℃
としてイリジウム化合物を分解させるのが好ましい。
内を減圧雰囲気とするのが好ましい。反応機内を減圧す
ることで膜厚分布の均一性、ステップカバリッジ(段差
被覆能)を良好なものとすることができるからである。
この反応器内の圧力の好ましい範囲としては、500〜
700Paである。
図面と共に説明する。
造):塩化イリジウム3水和物32.5g(87.5m
mol)と2,4−オクタジオン38.64g(27
1.25mmol)とを水を溶媒としてセパラブルフラ
スコ中で93〜95℃で2時間加熱還流をし、その後、
炭酸水素カリウムを溶液のpHが8.0となるように添
加した(添加量60.15g)。そして更にこの溶液を
93〜95℃で5時間加熱還流して反応を進行させた。
にて抽出を行なった。この抽出はベンゼン層が透明にな
るまで4〜5回繰り返し行なった。このようにして得ら
れた抽出液をロータリーエバポレーターで減量させ、水
で再抽出を行なった後、抽出液(ベンゼン層)に無水硫
酸マグネシウムを添加して抽出液を脱水した。脱水処理
後の抽出液を吸引濾過して硫酸マグネシウムを除去し、
ロータリーエバポレーターで濃縮した。このようにして
得られた抽出液は赤黒色の液体であった。
フィーにより成分を調査したところ、3点のリテンショ
ンタイムにおいてピークがみられた。この3つのピーク
位置及びそれらのピークを有する成分の配合比を表1に
示す。
ム4.28minのピークは、2,4−オクタジオンを
示すものであり、43.05min、44.84min
のピークが目的のトリス(2,4−オクタンジオナト)
イリジウムを示すものである。従って、この実施形態に
おいて抽出液中のトリス(2,4−オクタンジオナト)
イリジウムの濃度は71.9%であることがわかる。
ンを除去するため、40Pa(0.3torr)、40
℃として減圧蒸留を行った。
の粘性の高い飴状の液体であった。この赤黒色の液体に
ついてガスクロマトグラフィーで分析したところ、3つ
のピークがみられた。これらの3つのピーク位置及びそ
れらのピークを有する成分の配合比を表2に示す。
クタジオンが除去され、トリス(2,4−オクタンジオ
ナト)イリジウムの純度は97.4%となったことが確
認された。
(2,4−オクタンジオナト)イリジウムから副反応生
成物を除去して精製すべく、再度の減圧蒸留を行なっ
た。このときの減圧蒸留の条件は66.5Pa(0.5
torr)、180℃とした。
の液体であった。また、分離された反応副生成物と思わ
れる物質は黒色のタール状の液体であった。そして、こ
の赤黄色の液体についてガスクロマトグラフィーで分析
したところ、抽出時と同様、3つのピークがみられた。
これらの3つのピーク位置及びそれらのピークを有する
成分の配合比を表3に示す。
以上のトリス(2,4−オクタンジオナト)イリジウム
が精製、回収されたことがわかる。
ナト)イリジウムについて赤外吸収スペクトル分析(I
R)を行なったところ、図1のようなプロファイルが得
られた。また、このトリス(2,4−オクタンジオナ
ト)イリジウムにつき、アルゴン雰囲気中で昇温速度1
0℃/minで熱質量/示差熱分析(TG/DTA)を
行なったところ、図2のような結果を得た。図2から、
本発明で製造したトリス(2,4−オクタンジオナト)
イリジウムは、500℃で全量気化しており、不純物と
なり得る不揮発性成分が含まれていないことが確認され
た。
(2,4−オクタンジオナト)イリジウムを示すピーク
は42.49min、44.27minの2つである
が、このように2つのピークが現れた理由としては、本
実施形態で製造されたトリス(2,4−オクタンジオナ
ト)イリジウムは幾何異性体が混合した状態にあるため
であると考えられる。本発明者等が検討したところ、4
2.49minのピークがトランス体のものであり、4
4.27minのピークがシス体のものであることが確
認された。
オクタンジオナト)イリジウムを液体カラムクロマトグ
ラフィー(移動相エタノール、固定相オクタデルシラ
ン)に通過させてトランス体を分離させてトランス−ト
リス(2,4−オクタンジオナト)イリジウムを分離し
た。
様、塩化イリジウム3水和物と2,4−オクタジオンと
を水を溶媒として還流し、これに炭酸水素カリウムを添
加して反応させたが、反応液のpHを6.0として反応
させることとした。反応時間、反応温度は第1実施形態
と同様である。そして、反応後の反応液を第1実施形態
と同様の方法により、ベンゼンによる抽出を行なった。
ロマトグラフィーで分析したところ、第1実施形態と同
様に3つのピークが見られたが、抽出液の組成は相違し
ていた。この3つのピーク位置及びそれらのピークを有
する成分の配合比を表4に示す
のpHを酸性側としたことにより、未反応の2,4−オ
クタジオナンの残留率が高く、トリス(2,4−オクタ
ンジオナト)イリジウムの純度は31.8%とアルカリ
領域で反応させた場合よりも低くなることが確認され
た。
造):次に、第1実施形態で製造されたトランス−トリ
ス(2,4−オクタンジオナト)イリジウムを原料とし
てCVD法により酸化イリジウム薄膜を製造した。CV
D工程における反応条件は以下のように設定した。
M(原子間力顕微鏡)にてそのモルホロジーを検討し
た。その結果、表面粗さRMSの値はRMS=2.1n
mであることが確認され、良好なモルホロジーの薄膜が
製造できることが確認された。
用原料は、主成分となる有機イリジウム化合物として、
トリス(2,4−オクタンジオナト)イリジウムを用い
るものである。本発明に係るCVD用原料は、常温で液
体であり、気化速度、分解速度が安定している。従っ
て、本発明によれば、イリジウム薄膜を安定した成膜速
度で製造することができる。また、本発明に係るCVD
用原料は、酸素雰囲気下で成膜反応を生じさせることで
酸化イリジウムの薄膜も製造できる。
応時の反応系のpHを適正なものとし、更に、精製時に
減圧蒸留を適切な条件下で行うことでCVD原料に適す
る高純度のものを製造することができる。
タンジオナト)イリジウムのIRスペクトルを示す図。
タンジオナト)イリジウムのTG−DTA曲線を示す
図。
Claims (11)
- 【請求項1】有機イリジウム化合物を主成分とするCV
D用原料化合物であって、 前記有機イリジウム化合物は、次式で示されるトリス
(2,4−オクタンジオナト)イリジウムからなるCV
D用原料化合物。 【化1】 - 【請求項2】トリス(2,4−オクタンジオナト)イリ
ジウムのトランス体のみよりなる請求項1記載のCVD
用原料化合物。 - 【請求項3】イリジウム化合物と2,4−オクタジオン
とを溶媒中で混合して混合溶液とする工程と、 前記混合溶液に炭酸水素カリウムを添加することにより
混合溶液をアルカリ領域に保持してトリス(2,4−オ
クタンジオナト)イリジウムの生成反応を促進する工程
と、 反応後の混合溶液と抽出剤とを接触させてトリス(2,
4−オクタンジオナト)イリジウムを含む抽出液とする
工程と、 抽出液中の未反応の2,4−オクタンジオンを除去する
工程とを含むトリス(2,4−オクタンジオナト)イリ
ジウムの製造方法。 - 【請求項4】イリジウム化合物は塩化イリジウムであ
り、溶媒は水である請求項3記載のトリス(2,4−オ
クタンジオナト)イリジウムの製造方法。 - 【請求項5】反応時の混合溶液のpHを7〜9の範囲と
する請求項3又は請求項4記載のトリス(2,4−オク
タンジオナト)イリジウムの製造方法。 - 【請求項6】抽出剤はベンゼンである請求項3〜請求項
5記載のトリス(2,4−オクタンジオナト)イリジウ
ムの製造方法。 - 【請求項7】抽出液を圧力10〜150Pa、温度35
〜45℃で減圧蒸留して2,4−オクタンジオンを除去
する請求項3〜請求項6記載のトリス(2,4−オクタ
ンジオナト)イリジウムの製造方法。 - 【請求項8】2,4−オクタンジオンを除去後の留分
を、圧力0.1〜1.5Pa、温度140〜200℃で
再度減圧蒸留を行う請求項3〜請求項7記載のトリス
(2,4−オクタンジオナト)イリジウムの製造方法。 - 【請求項9】更に、留分をカラムクロマトグラフィーに
通過させることによりトリス(2,4−オクタンジオナ
ト)イリジウムのシス体とトランス体とを分離する工程
を含む請求項8記載のトリス(2,4−オクタンジオナ
ト)イリジウムの製造方法。 - 【請求項10】シス体とトランス体とを分離する工程
は、固定相をオクタデシルシランとし、移動相をアルコ
ール(エタノール、イソプロピルアルコール等)とする
液体クロマトグラフィーによるものである請求項9記載
のトリス(2,4−オクタンジオナト)イリジウムの製
造方法。 - 【請求項11】請求項1又は請求項2記載のCVD用原
料化合物を気化して基板上に輸送し、これを分解させる
ことにより基板上にイリジウム又はイリジウム化合物を
析出させるイリジウム又はイリジウム化合物薄膜の化学
気相蒸着方法。
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