JP2006516031A - タンタル系材料の蒸着のための化学蒸着前駆体 - Google Patents

タンタル系材料の蒸着のための化学蒸着前駆体 Download PDF

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Abstract

タンタル含有材料、たとえば、タンタル、TaN、TaSiNなどの基板上への化学蒸着に好適なタンタル前駆体を開示する。該タンタル前駆体は置換シクロペンタジエニルタンタル化合物である。本発明の一態様では、かかる化合物はタンタル/シリコン源試薬を構成するためにシリル化される。本発明の前駆体は、半導体デバイス構造の銅メタライゼーションに関連して拡散バリアを形成するために半導体製造用途で有利に使用される。

Description

発明の分野
本発明は、タンタル系材料の蒸着に、および、たとえば、半導体製品の製造において基板上へのかかる材料の化学蒸着に実用性を有する前駆体組成物に関する。
関連技術の説明
コンフォーマル(conformal)なタンタル系拡散バリアを蒸着する能力は、半導体製造オペレーションでの銅メタライゼーション技術の広範な採用にとって決定的に重要である。
物理蒸着(PVD)の使用は、Ta、TaNおよびTaSiN薄膜拡散バリア層を形成するために一般に採用されるが、将来の高性能マイクロエレクトロニックデバイスの製造で要求されるような、0.13μmより下の寸法での蒸着に対するPVD法の適切性に関しては、かなりの、そして未解決の問題がある。
化学蒸着を潜在的な蒸着技術として考慮すると、現在利用可能な有機金属タンタル前駆体は、蒸着タンタルフィルム中への高レベルの炭素、窒素および酸素の混入に遭遇し、それは蒸着タンタル系材料を銅メタライゼーションのための拡散バリアとしての使用に満足できないものにする。
したがって、銅メタライゼーションに関連して拡散バリアを形成するのに好適なタンタル前駆体を求める切迫した要求が当該技術には存在する。
発明の概要
本発明は、タンタル系材料の蒸着に、および、たとえば、半導体製品の製造において基板上へのかかる材料の化学蒸着に実用性を有する前駆体組成物に関する。
一態様では、本発明は、下記式
Figure 2006516031

式中、
nは1〜5の値を有する整数であり、
各Rは同じまたは異なるものであることができ、それぞれは独立して重水素(以下、「D」と言われる)、H、CH、C、i−C、CおよびSi(R”)(ここで、各R”は独立してHおよびC〜Cアルキルから選択される)よりなる群から選択され、
R’のそれぞれは同じまたは異なるものであることができ、それぞれは独立してD、H、C〜CアルキルおよびSi(R”)(ここで、各R”は独立してHおよびC〜Cアルキルから選択される)よりなる群から選択されるが、
ただし、RおよびR’基のそれぞれは同時にすべてがHではない)
の化合物に関する。
本発明の別の態様は、上の式(I)の具体的な好ましい化合物、すなわち、
Figure 2006516031

に関する。
別の態様では、本発明は、基板をタンタル前駆体の蒸気と化学蒸着条件下で接触させる工程を含む、基板上へのタンタル含有材料の形成方法であって、タンタル前駆体が上の式(I)の化合物を含む方法に関する。
本発明のさらなる態様は、式[(R)Cp]TaR’
(式中、
nは1〜5の値を有する整数であり、
各Rは同じまたは異なるものであることができ、それぞれは独立してD、HおよびSi(R”)(ここで、各R”は独立してHおよびC〜Cアルキルから選択される)よりなる群から選択され、
R’のそれぞれは同じまたは異なるものであることができ、それぞれは独立してH、C〜CアルキルおよびSi(R”)(ここで、各R”は独立してHおよびC〜Cアルキルから選択される)よりなる群から選択されるが、
ただし、RおよびR’基のそれぞれは同時にすべてがHではない)
のシクロペンタジエニルタンタル化合物の合成方法であって、
五塩化タンタルを式[(R)Cp]Liのシクロペンタジエニルリチウム化合物と1:2の比で、および式NaBHのナトリウムボロハイドライド化合物の段階添加で反応させて、前記シクロペンタジエニルタンタルハイドライドまたは重水素化物をもたらす工程を含む方法に関する。
本発明の他の態様、特徴および実施形態は、次の開示および添付の特許請求の範囲からさらに十分に明らかであろう。
発明の詳細な説明およびその好ましい実施形態
本発明は、基板上へのタンタル系材料の蒸着に、たとえば、かかる基板上での銅メタライゼーションに関連して拡散バリア層として、驚くべきおよび意外にも優れた実用性を有する新規なシクロペンタジエニルタンタル化合物の発見に基づいている。
本発明のシクロペンタジエニルタンタル化合物は、一般式(I)
Figure 2006516031

(式中、
nは1〜5の値を有する整数であり、
各Rは同じまたは異なるものであることができ、それぞれは独立してD、H、CH、C、i−C、CおよびSi(R”)(ここで、各R”は独立してHおよびC〜Cアルキルから選択される)よりなる群から選択され、かつ、
R’のそれぞれは同じまたは異なるものであることができ、それぞれは独立してD、H、C〜CアルキルおよびSi(R”)(ここで、各R”は独立してHおよびC〜Cアルキルから選択される)よりなる群から選択されるが、
ただし、RおよびR’基のそれぞれは同時にすべてがHではない)
を有する。
上の一般式の化合物は、ビス(シクロペンタジエニル)トリヒドリドタンタルのような化合物よりも驚くべきおよび意外な利点を提供し、その化合物では水素およびシクロペンタジエニル(Cp)部分の存在が金属中心の還元およびCp部分のプロトン化のための容易なルートを提供して適切なプロセス条件下で安定なCpH化合物を形成し、純タンタルフィルムを後に残す。化学蒸着使用への適用で非常に有利であるように、一見見えるが、かかる化合物、ビス(シクロペンタジエニル)トリヒドリドタンタルは、事実、それが溶融後直ちに分解してH2を脱離し、その後直ぐに重合するCp2TaHを形成するという深刻な欠陥を有する。もちろん、ポリマー生成物はCVD適用に完全に不適切であり、蒸発チャンバーおよび関連蒸気フローラインの表面上へのポリマー沈着はCVD法システム装置を運転できないようにし、かつ、沈着したポリマー残渣でのシステム蒸気通路の閉塞の結果として危険な過剰加圧を起こしやすくする。
したがって、ビス(シクロペンタジエニル)トリヒドリドタンタルは、基板上へのTaおよびTa系フィルムのCVD形成のための前駆体として有用ではない。
Cp2TaH3のかかる欠陥は、揮発条件下で安定であり、かつ、CVD法への適用で良好な輸送特性を明白に示す本発明の化合物によって克服される。
本発明の化合物は、それゆえ、CVDプロセス条件下で基板と接触してその上にタンタルおよびタンタル含有フィルムを形成するための前駆体蒸気を形成するために揮発させられてもよい。かかる目的のための基板は半導体基板を含むことができ、その上で蒸着タンタルは、窒素雰囲気で行われるCVDによって、または蒸着タンタルの蒸着後窒化によって窒化タンタルに変換することができる。
さらなる実施形態では、本発明のタンタル前駆体は、好適なシリコン源試薬化合物からのシリコンの同時化学蒸着によって、および蒸着が窒素雰囲気を含むCVDプロセス条件下で行われて、または蒸着タンタル/シリコン材料の蒸着後窒化で、タンタル・シリコン窒化物フィルム、たとえば、TaSiNを形成するために使用することができる。
タンタル・シリコン窒化物フィルムはまた、本発明に従って、R、およびR’基の少なくとも1つがシリコン含有基、たとえば、シリルまたは置換シリル基である、上述の一般式内のタンタル/シリコン源化合物によって形成することができ、TaSiNフィルムは、窒素源材料、たとえば、窒素雰囲気の存在下で前駆体からの材料のCVDによって形成される。
本発明の例示的なタンタル/シリコン前駆体化合物の具体例は下に示される。
式(II)
Figure 2006516031

式(III)
Figure 2006516031
上の一般式(I)の化合物において、C〜Cアルキル置換基は、かかる炭素数を有する任意の好適なタイプのものであることができ、メチル、イソプロピルおよび第三ブチル(t−ブチル)が最も好ましい。
本発明の化合物の置換基(R、およびR’)は、意図されるCVD適用のための具体的な所望の揮発性および輸送特性を有する前駆体化合物を提供するためにあつらえることができる。具体的なCVDプロセス条件は、具体的なプロセス条件の選択的経験的変化および基板上に蒸着された生成タンタル系材料の分析によって、本明細書での開示に基づいて、当業者によって過度の努力なしに容易に決定できるように、温度、圧力、前駆体および任意のキャリアガスまたは窒素源ガスの流量、およびCVD反応器チャンバー中の前駆体蒸気の濃度(分圧)などのそれぞれの点で広範囲に変えることができる。
式(I)の化合物は(RCp)TaHから容易に合成され、それのための一般合成スキームは下に示される。
TaCl+2[(R)Cp]Li+3NaBH→[(R)Cp]TaH+Na/Li塩 (A)
ここで、反応はテトラヒドロフランまたは他の好適な非プロトン性溶媒中で行われる。好ましいプロセス条件には、好適な時間、たとえば、およそ4時間の還流条件下の反応、引き続く2当量の水での加水分解、および比較的短い時間、例えば、およそ4分間の還流操作が含まれる。
式(I)の化合物のための一般合成スキームは、タンタル中心へのR’基の付加が望ましい場合下に示され、
[(R)Cp]TaH+R’Li→(RCp)TaHR’+1/2H (B)
それは、同じまたは異なるR’基の付加が完了するまで段階的に繰り返すことができる。
上記合成反応(AおよびB)で、置換基(R、およびR’基)は上の式(I)に関連して述べられたものと同じ定義を有する。
あるいは、また、上記反応(A)のタンタル前駆体は、好適なシラン原料での後続のシリル化反応によって、本発明のTa/Si前駆体化合物を形成するために使用することができる。例は、反応(C)による式(RCp)TaH(RSiH)のシクロペンタジエニルシリルタンタル化合物の合成である。
(RCp)TaH+RSiH→(RCp)TaH(RSiH)+H (C)
別の例は、反応(D)による(RCp)TaH(R”SiHの合成である。
(RCp)TaH+2R”SiH→(RCp)TaH(R”SiH+H (D)
本発明の特徴および利点は次の例示的実施例によってより十分に示され、実施例ではすべての部および百分率は特に明記しない限り重量による。
実施例1 TMSCpTaHの合成
テトラヒドロフラン(THF)中の5.6グラムの新たに蒸留したトリメチルシリルシクロペンタジエン(TMSCp)に10%過剰のBuLiヘキサン溶液を加えた。添加が完了すると混合物を12時間撹拌した。反応完結時の反応液の色は黄色であった。THF中での材料の高い溶解度のために、何の固体形成も観察されなかった。TMSCpLi(40ミリモル)の新たに調製した溶液およびNaBH(1.125グラム)に3.5グラムのTaClをゆっくり加えた。添加が完了すると、混合物を4時間還流し、その後0.54ミリリットルの脱ガスした蒸留水を非常にゆっくり加えた。添加の完了後、混合物を追加の5分間還流し、その後揮発分を減圧下に除去した。化合物をペンタンで抽出し、冷蔵庫に保管した。TMSCpTaHの茶色結晶が得られ、これらの結晶をペンタンで洗浄すると、材料の非常に純粋な白色結晶を与えた(収率35%)。
キャラクタリゼーション
1H NMR(C):5.00(m,4H,Cp)、4.72(m,4H,Cp)、0.30(s,TMS)、−2.06(t,1H)、−3.28(d,2H)。該化合物のSTA熱分析は90℃の融点およびTMSCpTaHについての28.7%の残渣をもたらした。
安定性研究
TMSCpTaHは90℃で溶融して分解しない。該化合物は74℃で分解せずに昇華して純粋な白色結晶を得ることができる。
このように、CpTaHと対照的に、本実施例のトリメチルシリル置換化合物は、低融点を有し、高い熱安定性を有し、きれいに昇華する。
実施例2 CpTaH(t−Bu)SiHの合成
トルエン中の0.5グラムのCpTaHにトルエン中の0.35グラムのt−BuSiHを加えた。反応混合物を、毎日3凍結−ポンプ−解凍サイクルで、石英反応容器中135℃で6日間加熱した。溶液は鮮黄色であった。溶液を濾過し、乾固までポンプ式装置で空気を送った。溶媒をポンプ送液すると結晶性白色材料をもたらした。96%収率が達成された。
キャラクタリゼーション
1H NMR(C):−4.73(s,2H,TaH)、1.37(s,9H,t−Bu)、4.57(s,10H,Cp)、4.81(s,2H,SiH)。13CNMR(C):30.42(t−Bu)、85.81(Cp)。
結晶構造
生成物Ta/Si化合物、CpTaH(t−Bu)SiHの結晶構造は、その図1のORTEPダイアグラムに示される。
本実施例のTa/Si化合物は、マイクロエレクトロニックデバイスおよびデバイス前駆体構造の製造において基板上にバリア層としてシリコンドープされたタンタル材料層を形成するために有効に使用される。
図面の簡単な説明
ビス(シクロペンタジエニル)ジヒドリド−t−ブチルシリルタンタルのORTEPダイアグラムである。

Claims (58)

  1. 下記式
    Figure 2006516031

    (式中、
    nは1〜5の値を有する整数であり、
    各Rは同じまたは異なるものであることができ、そしてそれぞれは独立してD、H、CH、C、i−C、CおよびSi(R”)(ここで、各R”は独立してHおよびC〜Cアルキルから選択される)よりなる群から選択され、
    R’のそれぞれは同じまたは異なるものであることができ、そしてそれぞれは独立してD、H、C〜CアルキルおよびSi(R”)(ここで、各R”は独立してHおよびC〜Cアルキルから選択される)よりなる群から選択されるが、
    ただし、RおよびR’基のそれぞれは同時にすべてがHではない)
    の化合物。
  2. R、R’の少なくとも1つが、Si(R”)(ここで、各R”は独立してHおよびC〜Cアルキルから選択される)である、請求項1に記載の化合物。
  3. R、R’の少なくとも1つが、トリメチルシリルである、請求項1に記載の化合物。
  4. nが、各シクロペンタジエニル環について1である、請求項1に記載の化合物。
  5. 各シクロペンタジエニル環上のRが、トリメチルシリルである、請求項4に記載の化合物。
  6. RおよびR’基のそれぞれが、独立してH、メチル、イソプロピル、t−ブチル、トリメチルシリルおよびt−ブチルシリルから選択される、請求項1に記載の化合物。
  7. RおよびR’基の少なくとも1つが、トリメチルシリルである、請求項6に記載の化合物。
  8. nが、各シクロペンタジエニル環について1である、請求項7に記載の化合物。
  9. 各シクロペンタジエニル環上のRが、トリメチルシリルである、請求項8に記載の化合物。
  10. RおよびR’基のそれぞれが、独立してHおよびSi(R”)(ここで、各R”は独立してHおよびC〜Cアルキルから選択される)から選択される、請求項1に記載の化合物。
  11. nが、各シクロペンタジエニル環について1である、請求項10に記載の化合物。
  12. 各シクロペンタジエニル環上のRが、トリメチルシリルである、請求項11に記載の化合物。
  13. 各RがHである、請求項11に記載の化合物。
  14. R’の少なくとも1つが、Si(R”)(ここで、各R”は独立してHおよびC〜Cアルキルから選択される)である、請求項13に記載の化合物。
  15. R’の1つが、Si(R”)(ここで、各R”は独立してHおよびC〜Cアルキルから選択される)である、請求項14に記載の化合物。
  16. Si(R”)が、アルキルシリルである、請求項15に記載の化合物。
  17. 前記アルキルシリルが、t−ブチルシリルである、請求項16に記載の化合物。
  18. Figure 2006516031

    (式中、TMSはトリメチルシリルである)
  19. Figure 2006516031
  20. 基板を、タンタル前駆体の蒸気と化学蒸着条件下で接触させる工程を含む、基板上へのタンタル含有材料の形成方法であって、前記タンタル前駆体が、下記式
    Figure 2006516031

    (式中、
    nは1〜5の値を有する整数であり、
    各Rは同じまたは異なるものであることができ、そしてそれぞれは独立してD、H、CH、C、i−C、CおよびSi(R”)(ここで、各R”は独立してHおよびC〜Cアルキルから選択される)よりなる群から選択され、
    R’のそれぞれは同じまたは異なるものであることができ、そしてそれぞれは独立してD、H、C〜CアルキルおよびSi(R”)(ここで、各R”は独立してHおよびC〜Cアルキルから選択される)よりなる群から選択されるが、
    ただし、RおよびR’基のそれぞれは同時にすべてがHではない)
    の化合物を含む方法。
  21. R’の少なくとも1つが、Si(R”)(ここで、各R”は独立してHおよびC〜Cアルキルから選択される)である、請求項20に記載の方法。
  22. R、R’の少なくとも1つが、トリメチルシリルである、請求項20に記載の方法。
  23. nが、各シクロペンタジエニル環について1である、請求項20に記載の方法。
  24. 各シクロペンタジエニル環上のRが、トリメチルシリルである、請求項23に記載の方法。
  25. RおよびR’基のそれぞれが、独立してH、メチル、イソプロピル、t−ブチル、トリメチルシリルおよびt−ブチルシリルから選択される、請求項20に記載の方法。
  26. RおよびR’基の少なくとも1つが、トリメチルシリルである、請求項25に記載の方法。
  27. nが、各シクロペンタジエニル環について1である、請求項26に記載の方法。
  28. 各シクロペンタジエニル環上のRが、トリメチルシリルである、請求項27に記載の方法。
  29. RおよびR’基のそれぞれが、独立してHおよびSi(R”)(ここで、各R”は独立してHおよびC〜Cアルキルから選択される)から選択される、請求項20に記載の方法。
  30. nが、各シクロペンタジエニル環について1である、請求項29に記載の方法。
  31. 各シクロペンタジエニル環上のRが、トリメチルシリルである、請求項30に記載の方法。
  32. 各Rが、Hである、請求項30に記載の方法。
  33. R’の少なくとも1つが、Si(R”)(ここで、各R”は独立してHおよびC〜Cアルキルから選択される)である、請求項32に記載の方法。
  34. R’の1つがSi(R”)(ここで、各R”は独立してHおよびC〜Cアルキルから選択される)である、請求項33に記載の方法。
  35. Si(R”)が、アルキルシリルである、請求項34に記載の方法。
  36. 前記アルキルシリルが、t−ブチルシリルである、請求項35に記載の方法。
  37. 前記前駆体が
    Figure 2006516031

    (式中、TMSはトリメチルシリルである)
    を含む、請求項20に記載の方法。
  38. 前記前駆体が
    Figure 2006516031

    を含む、請求項20に記載の方法。
  39. 前記基板は、半導体基板を含む、請求項20に記載の方法。
  40. 前記基板は、マイクロエレクトロニックデバイス構造を含む、請求項20に記載の方法。
  41. 前記タンタル含有材料は、シリコンドープされたタンタル材料を含む、請求項20に記載の方法。
  42. 前記化学蒸着条件は、窒素雰囲気を含む、請求項20に記載の方法。
  43. 前記タンタル含有材料は、TaNを含む、請求項20に記載の方法。
  44. 前記化学蒸着条件は、前記TaN中の窒素のための窒素源を含む、請求項43に記載の方法。
  45. 前記タンタル含有材料は、TaSiNを含む、請求項20に記載の方法。
  46. 前記化学蒸着条件は、前記TaSiN中の窒素のための窒素源を含む、請求項45に記載の方法。
  47. 前記基板は、半導体基板であり、かつ、前記タンタル含有材料は、TaNおよびTaSiNよりなる群から選択される材料を含む、請求項20に記載の方法。
  48. 前記タンタル含有材料は、前記基板上での銅メタライゼーションのための拡散バリア層を形成する、請求項47に記載の方法。
  49. 前記基板上での前記銅メタライゼーションは、約0.18μm未満のライン寸法を有する、請求項48に記載の方法。
  50. 下記式
    [(R)Cp]Ta(R’)
    (式中、
    nは1〜5の値を有する整数であり、
    各Rは同じまたは異なるものであることができ、そしてそれぞれは独立してD、H、CH、C、i−C、CおよびSi(R”)(ここで、各R”は独立してHおよびC〜Cアルキルから選択される)よりなる群から選択され、かつ、
    R’のそれぞれは同じまたは異なるものであることができ、そしてそれぞれは独立してD、H、C〜CアルキルおよびSi(R”)(ここで、各R”は独立してHおよびC〜Cアルキルから選択される)よりなる群から選択される、
    ただし、RおよびR’基のそれぞれは同時にすべてがHではない)
    のシクロペンタジエニルタンタルハイドライド化合物の合成方法であって、
    五塩化タンタルを式[(R)Cp]Liのシクロペンタジエニルリチウム化合物と1:2の比で、および式NaBHのナトリウムボロハイドライド化合物の段階添加で反応させて、次式
    TaCl+2[(R)Cp]Li+3NaBH→[(R)Cp]TaH+Na/Li塩 (A)
    に従う、前記シクロペンタジエニルタンタルハイドライド化合物をもたらす工程を含む方法。
  51. 前記反応工程は、非プロトン性溶媒中で行われる、請求項50に記載の方法。
  52. 前記非プロトン性溶媒は、テトラヒドロフランを含む、請求項51に記載の方法。
  53. 前記シクロペンタジエニルタンタルハイドライド化合物は、
    Figure 2006516031

    である、請求項50に記載の方法。
  54. 前記シクロペンタジエニルタンタルハイドライド化合物をシランと反応させてシクロペンタジエニルシリルタンタル化合物を形成する工程をさらに含む、請求項50に記載の方法。
  55. 前記シランは、アルキルシランを含む、請求項54に記載の方法。
  56. 前記アルキルシランは、t−ブチルシランを含む、請求項55に記載の方法。
  57. 前記シクロペンタジエニルシリルタンタル化合物は、
    Figure 2006516031

    を含む、請求項54に記載の方法。
  58. 前記シクロペンタジエニルシリルタンタル化合物は、
    Figure 2006516031

    を含む、請求項54に記載の方法。
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