Cvd用原料化合物以及钌或钌化合物薄膜的化学气相蒸镀方法

专利名称：Cvd用原料化合物以及钌或钌化合物薄膜的化学气相蒸镀方法
技术领域：
本发明涉及采用CVD法制造钌或钌化合物薄膜的原料。
背景技术：
近年来，钌和钌化合物被用作为DRAM、FERAM等半导体器件的薄膜电极材料。这是由于这些材料的比电阻等电特性极为优异，例如，在DRAM中作为电容器的蓄积电极用材料使用，对电容器的高密度化有利。因此，钌、钌化合物薄膜在今后将作为薄膜电极的核心材料之一而受人瞩目。
钌或钌化合物薄膜的制造方法，除了溅射法之外，往往采用化学气相蒸镀法(Chemical Vapor Deposition法，以下称CVD法)。这是由于CVD法容易制得均匀的薄膜，而且分级覆盖范围(step coverage)要比溅射法好。
对CVD法中钌薄膜和钌化合物薄膜的原料化合物进行研究，其结果是使用以下式1表示的双(乙基环戊二烯基)钌。该有机钌化合物是双(乙基环戊二烯基)钌中的2个环戊二烯环上的氢被乙基取代而获得的化合物。
式1 该双(乙基环戊二烯基)钌由于熔点低在常温下是液体，所以使用性良好，而且因为蒸气压较高、薄膜的制造效率高，所以作为CVD原料相当合适。
此外，最近从降低薄膜制造成本、有效利用资源方面考虑，还研究对CVD原料进行循环利用的技术，这种技术需要从使用过的原料中将未反应的化合物有效地分离、精制。对应于此，由于双(乙基环戊二烯基)钌的蒸气压较高，热稳定性良好，因此未反应的化合物比较容易分离和精制，采用蒸馏等适当的方法，就可有效地进行回收再利用。
可是，在薄膜电极中，其纯度高低和形态的好坏虽然重要，但与基板的粘合性也同样重要。这里，半导体器件的基板往往使用SiO2或SiO2膜，采用双(乙基环戊二烯基)钌制得的钌薄膜存在对SiO2的粘合性较差的问题。因此采用在通过CVD法形成薄膜之前，由溅射法形成Rn底层的方法，但这样牵涉到工序数的增加，因此要求开发出能够制造粘合性更高的薄膜的有机化合物作为CVD的原料。
近年来提出了有机钌化合物能够适应上述粘合性的要求，该化合物为下式2所示的三(β-二酮合)钌(tris(β-diketonato)ruthenium，关于该化合物的详细情况参照日本专利公开公报2000-212744号)。
式2 式中，R和R′分别表示不同的碳原子数1～4的烷基。
该有机钌化合物是使3个β-二酮类配位在钌上而形成的化合物，但随着取代基的不同，其在常温下的状态也不同，可以是液体化合物也可以是固体化合物。常温下的固体化合物由于对有机溶剂的溶解度较高，因此可溶于溶剂作为CVD原料，在任何情况下都可作为CVD原料加以利用。而且，采用该三(β-二酮合)钌制得的钌薄膜对SiO2的粘合性优异，从这一点看非常值得期待。
然而，本发明者认为，常温下呈液态的三(β-二酮合)钌(R1为甲基、R2为丁基的三(2，4-辛二酮合)钌，R1为甲基、R2为异丁基的三(6-甲基-2，4-庚二酮合)钌常温下是液体)的蒸气压低，制膜效率差，为了确保效率，就有必要提高薄膜制造时的加热温度。但是，此时气化温度超过一定值后，原料一过热即使在惰性气体氛围中也有分解的倾向。因此，在使用大容量原料气体进行薄膜的制造时，原料气体的加热很难控制。所以，液态的β-二酮合钌不能适应于对大型基板的薄膜制造和大量生产。
另外，蒸气压如果较低，则通过蒸馏从使用过的原料分离精制未反应的化合物就非常困难。还有，上述容易分解的化合物中的使用过的原料中未反应的化合物的残留量很少，即使可以分离也不能有效地进行回收。因此，使用这种化合物进行制膜的话最终将导致制膜成本的上升。
固态的三(β-二酮合)钌化合物虽然在溶于溶剂后可以作为CVD原料使用，但是固态物质的循环再利用较困难。因为大多数情况下要回收溶解在液体中的固体依靠蒸馏等方法是很难做到的。
因此，三(β-二酮合)钌虽然与薄膜具有良好的粘合性，但其蒸气压的高低会影响到薄膜的制造效率和循环再利用的可能性，因此这种化合物还存在一些问题有待解决。
本发明是在上述技术背景下完成的发明，其目的是提供一种采用CVD法制造钌薄膜或钌化合物薄膜的原料化合物，这种原料化合物为有机钌化合物，它以常温下是液态为前提，综合上述2种化合物的长处，即在稳定性良好、蒸气压较高、能适应回收再利用的同时，形成的薄膜对基板的粘合性较高。本发明的另一目的是提供使用该有机钌化合物制造薄膜的方法。

发明内容
为了解决上述技术问题，本发明者对利用CVD法进行薄膜的精制过程进行了分析，推断理想化合物的结构。在CVD法中，已气化的原料化合物被输送到基板上，使原料化合物在基板上分解和氧化后，构成目的薄膜的薄膜构成物析出，形成为薄膜。
在上述CVD法的步骤中，钌薄膜的形成步骤大致由2个工序组成。第1阶段也称潜伏期或培育期，是在基板上生成钌晶核的工序。该工序中不存在所谓的薄膜状态，而是在基板上分散有无数的钌晶核点，使这些晶核点在基板上呈平面状成长。
实际上薄膜的成长发生在第1阶段(潜伏期)后的阶段。在此阶段，依靠第1阶段所发生的晶核的催化作用促进原料气体的分解反应，这样薄膜就快速地形成。
本发明者考察到薄膜对基板的粘合性在很大程度上依赖于第1阶段中生成的晶核数和对构成基板的物质的亲和性。即，为了制得粘合性良好的薄膜，要求使用在第1阶段与基板物质具有亲和性且能生成较多晶核的化合物作为原料。
另外，本发明者对能制得粘合性良好的薄膜的三(β-二酮合)钌进行了研究，结果发现分子内所含的Ru-O键可赋于薄膜较大的粘合性。本发明者认为，通过这种Ru-O键，在第1阶段的基板上生成的晶核可以接近含氧量较高的氧化钌的形态析出，这种类似氧化钌的晶核的粘合性较高，可提高薄膜的粘合性高。
在以上发现的前提下，本发明者认为，为了确保薄膜的粘合性，最好使用分子内含氧的有机化合物。
另一方面，本发明者对作为本申请的另一课题的蒸气压进行了探讨，结果发现存在分子量越大的化合物其蒸气压越低的倾向。以往大多数三(β-二酮合)钌与双(乙基环戊二烯基)钌相比，由于配位有3个分子量更大的配位体(β-二酮类)，因此化合物整体的分子量变大，蒸气压下降。
本发明者在以上发现的基础上，研究得到理想的有机钌化合物，该化合物配位有作为含氧配位体的β-二酮类，且具有较低的分子量，还要具备常温下是液态的前提条件。其结果是，找到了β-二酮类的配位数为2、并有规定的配位体配位的以下3种有机钌化合物，从而完成了本发明。
本申请的有机金属化合物1是以有机钌化合物为主要成分的CVD用原料化合物，前述有机钌化合物如下式3所示，它是配位有2个β-二酮类和1个二烯类的有机钌化合物。
式3 本申请的有机金属化合物2是以有机钌化合物为主要成分的CVD用原料化合物，前述有机钌化合物如下式4所示，它是配位有2个β-二酮类和1个二胺类的有机钌化合物。
式4
本申请的有机金属化合物3是以有机钌化合物为主要成分的CVD用原料化合物，前述有机钌化合物如下式5所示，它是配位有2个β-二酮类和2个有机配位体的有机钌化合物。
式5 本发明的3种有机钌化合物具有配位有2个二酮类的共同特征，该特征成为薄膜的粘合性提高的原因。而且由于配位有规定的配位体，因此可确保作为CVD原料所必须的高蒸气压以及可操作性(能维持液体状态)。
如前所述，由于存在分子量越大蒸气压越低的倾向，因此本发明中配位的β-二酮类只要分子量较小即可。所以，本发明中的β-二酮类的取代基是烷基，其碳原子合计数被限定在规定范围内。即，在第1钌化合物中的R1的碳原子数与R2的碳原子数合计为3～5。这是因为碳原子数如果不足3，则成为在室温下难以维持为液体状态的化合物；碳原子数如果超过5，则分子量增大蒸气压下降。
基于同样的理由，第2及第3钌化合物中的R1的碳原子数与R2的碳原子数合计为2～5。
此外，该β-二酮类较好是取代基R1与R2互不相同的烷基，即非对称型的β-二酮类。因为配位有非对称型的β-二酮类的化合物更容易维持液态。
根据以上条件，本发明中的β-二酮类的具体例子包括2，4-己二酮、5-甲基-2，4-己二酮、2，4-庚二酮、5-甲基-2，4-庚二酮、6-甲基-2，4-庚二酮、2，4-辛二酮。其中，配位具有支链结构的β-二酮类要比直链结构的好，因为其蒸气压高。所以，上述例子中特别好的是5-甲基-2，4-己二酮、5-甲基-2，4-庚二酮、6-甲基-2，4-庚二酮。
另一方面，本发明的有机钌化合物分别配位了1个二烯类或1个二胺类。通过这些配位体，可提高本发明的有机钌化合物的蒸气压高，作为CVD原料可有效地制得薄膜。
首先，在第1有机钌化合物中配位的二烯类并不限定于直链二烯类，也可配位环二烯。二烯类具有2个双键，但这些双键间的距离与钌的d轨道距离间的关系会影响到化合物的热稳定性。本发明者认为，该二烯类的2个双键间的距离过短时不发生二烯类的配位，过长时则即使发生配位，化合物的热稳定性也下降。另外，该配位的二烯类分子量最好较小。因为与β-二酮类的情况一样，分子量小时蒸气压较高。考虑到这些条件，理想的配位二烯类包括1，5-环辛二烯、降冰片二烯、1，4-环己二烯。
作为第2有机钌化合物中的配位体的二胺类，同样以分子量小为条件。而且，类似于第1化合物，配位的2个氮原子的原子间距离与钌的d轨道距离之间的关系也决定了化合物的热稳定性。所以，二胺类的取代基R6～R8是氢或烷基，碳原子数合计为2～8。在该第2有机化合物上配位的二胺类较好为N，N，N′，N′-四甲基乙二胺。
本申请的第3有机钌化合物是配位有2个有机配位体的化合物。该有机配位体为单齿配位体且分子量较小，而且对钌的结合力较强。具体来讲，可以是烯烃、胺、腈、碳酰中的任一种。各有机配位体的具体例子包括作为烯烃的乙烯、丙烯、2-甲基丙烯、丁烯、2，4-丁二烯，作为胺的三甲胺、三乙胺，作为腈的乙腈和丙烯腈。
以下，对本申请的有机钌化合物的制造方法进行说明。本发明的有机钌化合物是在钌上配位有2种有机配位体的化合物，其制造方法包括以下2种。
制造方法1是使钌化合物与二烯化合物、二胺化合物等发生反应，先制得钌二烯化合物等作为前体，再使该前体与β-二酮化合物反应获得目的化合物。此方法特别适用于本申请的第1化合物(配位有二烯类的化合物)的制造。例如，本发明的第1有机钌化合物之一的双(5-甲基-2，4-己二酮合)(降冰片二烯)钌(R1＝甲基、R2＝丙基)的制造方法。首先，使钌化合物(氯化钌等)与降冰片二烯在有机溶剂中发生反应，制得氯化降冰片二烯钌作为前体。然后，使该氯化降冰片二烯与5-甲基-2，4-己二酮反应，由此可制得双(5-甲基-2，4-己二酮合)(降冰片二烯)钌。
制造方法2是先使钌化合物与β-二酮化合物反应，制得三(β-二酮合)钌作为前体，该前体再与二烯化合物、二胺化合物等反应，获得目的化合物的方法。该方法特别适用于本申请的第2化合物(配位有二胺类的化合物)以及第3化合物(配位有2个有机配位体的化合物)的制造。例如，本发明的第2有机钌化合物之一的双(5-甲基-2，4-己二酮合)(N，N，N′，N′-四甲基乙二胺)钌(R1＝甲基、R2＝丙基、R6～R11＝甲基)的制造方法。首先，使钌化合物(氯化钌等)与5-甲基-2，4-己二酮在水中发生反应制得前体。然后，使该前体与N，N，N′，N′-四甲基乙二胺发生反应制得双(5-甲基-2，4-己二酮合)(N，N，N，′N′-四甲基乙二胺)钌。
最后，对本发明的采用了以有机钌化合物为主要成分的CVD用原料的薄膜形成方法进行说明。该薄膜形成方法基本上与常规的CVD法相同。即，将原料化合物气化后输送至基板上，通过使其在基板上分解，析出钌或钌化合物而形成薄膜。
关于原料化合物的气化，因为本发明的有机钌化合物在常温下可以维持为液态，所以可采用将有机钌化合物直接加热而气化的方法，但也可以将本发明的有机钌化合物溶解在适当的溶剂中，再对该溶液加热使其气化。后一种方法中使用的溶剂包括甲醇、乙醇、丙醇等有机溶剂。
另外，原料的气化方式还包括将贮存在原料容器的原料一边加热一边使其沸腾的方式，以及将贮存在原料容器的原料用气化器加热气化的方式。对本发明的化合物这2种方式都适用。但是，为了更稳定地进行薄膜的制造，最好采用气化器的方式。原料气化时的加热温度在原料直接加热时最好为80～150℃。
又，对使输送到基板表面的气化原料分子的分解方法并无特别限定，可采用热CVD法、等离子CVD法等任一种。特别是热CVD法，装置简单，且由于本发明的原料物质的分解温度较低，所以不必担心基板的损伤，因此最为适合。基板温度最好是可使钌化合物分解的250℃～400℃。
再有，在该CVD工序中，反应器内部最好为减压氛围。使反应器内处于减压状态，可使膜厚分布均匀，且分级覆盖范围良好。反应器内的压力的较好范围为10～500Pa。
具体实施例方式
以下对本发明的较好实施方式进行说明。
实施方式1在本实施方式中，使二烯类的1，5-环辛二烯和β-二酮类的6-甲基-2，4-庚二酮进行配位，制得双(6-甲基-2，4-庚二酮合)(1，5-环辛二烯)钌。
在容量为5升的可拆卸烧瓶内装入三氯化钌水合物(RuCl3·nH2O)使钌量达到40.42g，再加入2700ml乙醇、182ml的1，5-环辛二烯。然后，将其在大气中回流8小时，滤取所得褐色沉淀物，用乙醇和己烷洗净后进行减压干燥，得到103.6g作为前体的氯化(1，5-环辛二烯)钌。
接着，将100g氯化(1，5-环辛二烯)钌、200g无水碳酸钠、200ml二甲基甲酰胺、150g的6-甲基-2，4-庚二酮一起装入容量为5升的可拆卸烧瓶内，于140℃加热1小时。然后将该反应溶液过滤，滤液由乙酸乙酯/10％的氢氧化钠水溶液系萃取，将乙酸乙酯层浓缩后进行减压蒸馏，制得121.6g的双(6-甲基-2，4-庚二酮合)(1，5-环辛二烯)钌。
实施方式2在本实施方式中，使二烯类的降冰片二烯和β-二酮类的5-甲基-2，4-己二酮进行配位，制得双(5-甲基-2，4-己二酮合)(降冰片二烯)钌。
将三氯化钌水合物(钌量为40.42g)、2700ml乙醇、165ml降冰片二烯一起装入可拆卸的烧瓶内，于大气中回流8小时。然后，滤取所得褐色沉淀物，用乙醇和己烷洗净后进行减压干燥，获得95.0g作为前体的氯化(降冰片二烯)钌。
接着，将100g氯化(降冰片二烯)钌、200g无水碳酸钠、2000ml二甲基甲酰胺、150g的5-甲基-2，4-己二酮一起置入容量为5升的可拆卸烧瓶内，于140℃加热3小时。然后，与实施方式1同样地将该反应溶液过滤后萃取滤液，浓缩有机层后进行减压蒸馏，制得130.2g双(5-甲基-2，4-己二酮合)(降冰片二烯)钌。
实施方式3在本实施方式中，使二烯类的降冰片二烯和β-二酮类的6-甲基-2，4-庚二酮进行配位，制得双(6-甲基-2，4-庚二酮合)(降冰片二烯)钌。
首先，采用与实施方式1同样的方法，使三氯化钌水合物和降冰片二烯在乙醇中反应，制得95.0g作为前体的氯化(降冰片二烯)钌。
接着，将100g氯化(降冰片二烯)钌、200g无水碳酸钠、200ml二甲基甲酰胺、165g的6-甲基-2，4-庚二酮装入容量为5升的可拆卸烧瓶内，于140℃加热3小时。然后，与第1实施例同样地将该反应溶液过滤后萃取滤液，使有机层浓缩，再进行减压蒸馏，制得133.6g双(6-甲基-2，4-庚二酮合)(降冰片二烯)钌。
实施方式4在本实施方式中，使二胺类的N，N，N′，N′-四甲基乙二胺和β-二酮类的5-甲基-2，4-己二酮进行配位，制得双(5-甲基-2，4-己二酮合)(N，N，N′，N′-四甲基乙二胺)钌。
在容量为5升的可拆烧瓶内装入三氯化钌水合物使钌量达到80.15g，再加入3500ml水、334.1g的5-甲基-2，4-己二酮，于大气中回流2小时。然后，加入330g碳酸氢钠再回流2小时。所得反应液用乙酸乙酯/10％氢氧化钠水溶液系萃取，使乙酸乙酯层蒸发固化干燥，获得285.3g为红色结晶的三(5-甲基-2，4-己二酮合)钌。
接着，将100g三(5-甲基-2，4-己二酮合)钌、240g的N，N，N′，N′-四甲基乙二胺、250g锌、3000ml乙醇和500ml水一起置入容量为5升的可拆卸烧瓶内，于氮气氛围中回流24小时。将此反应溶液过滤浓缩后，用乙酸乙酯/10％氢氧化钠水溶液系萃取，乙酸乙酯层浓缩后采用气相色谱法进行精制，再通过减压蒸馏制得89.6g双(5-甲基-2，4-己二酮合)(N，N，N′，N′-四甲基乙二胺)钌。
实施方式5在本实施方式中，使2个作为有机配位体的丙烯腈和β-二酮类的2，4-己二酮进行配位，制得双(2，4-己二酮合)二(丙烯腈)钌。
在容量为5升的可拆烧瓶内装入三氯化钌水合物使钌量达到80.15g，再加入3500ml水、297.5g的2，4-己二酮，于大气中回流2小时。然后，加入330g碳酸氢钠再回流2小时。萃取所得反应液，使有机层蒸发固化干燥后，得到285.3g为红色结晶的三(2，4-己二酮合)钌。
然后，将100g三(2，4-己二酮合)钌、220g丙烯腈、250g锌、3000ml乙醇和500ml水一起置入容量为5升的可拆烧瓶内，于氮气氛围中回流24小时。与实施方式4相同，将该反应溶液过滤浓缩后，再萃取用气相色谱法精制，最后进行减压蒸馏，制得90.7g双(2，4-己二酮合)二(丙烯腈)钌。
以下，对所得有机钌化合物中的实施方式2、3的有机钌化合物进行热质量-差示热分析(TG-DTA)。测定条件为升温速度5℃/分钟，在氩气流中进行测定。作为比较，还对三(2，4-辛二酮合)钌进行了TG-DTA分析。
其结果是，实施方式2和3的有机钌化合物的50％减量温度分别是234℃(减量率99％)、246℃(减量率97％)。与此相对，比较例的三(2，4-辛二酮合)钌的减量温度是273℃(减量率99％)。由此可见，实施方式2和3的有机钌化合物的气化温度较低，而且减量率高，能够有效地进行气化(制造薄膜)。
接着，以所得实施方式1～5的有机钌化合物为原料，采用CVD法制得钌薄膜。使原料化合物溶解在作为溶剂的乙醇中，使该溶液在气化器中气化，以原料气体供给基板上的供给方式制得薄膜。

与此相对，作为比较例，以双(乙基环戊二烯基)钌为原料进行钌薄膜的制造。在该比较例中，将原料化合物原液(浓度100％)置于气化器中加热制得薄膜。制造条件如下

在上述薄膜的制造过程中顺利制得钌薄膜。另外，进行了探讨薄膜粘合性的试验(以下称为胶贴试验)。胶贴试验是用刀在形成薄膜薄片的20cm×20cm的范围内划出5mm×5mm的网格(总共1600个格子)。接着粘贴市售的玻璃胶带，然后剥去胶带，计数此时剥离了钌薄膜的格子数。其结果如表1所示。
表1

从胶贴试验结果可以确认，本实施方式中获得的有机钌化合物制得的薄膜与基板的粘合性都十分良好。
将上述TG-DTA分析和胶贴试验的结果综合在一起可确认，本实施方式的有机钌化合物的蒸气压等物性和可操作性优异，能够制得粘合性良好的优质薄膜，所以非常适合作为CVD原料使用。
权利要求
1.CVD用原料化合物，所述化合物以有机钌化合物为主要成分，其特征在于，前述有机钌化合物如下式1所示，它是在钌上配位有2个β-二酮类和1个二烯类的有机钌化合物，式1 结构式中，β-二酮类的取代基R1、R2是烷基，R1、R2中所含的碳原子数合计为3～5个，构成二烯类的有机基团R3、R4、R5可相互连结成环。
2.如权利要求1所述的CVD用原料化合物，其特征还在于，配位于钌的二烯类为1，4-环己二烯，降冰片二烯、1，5-环辛二烯。
3.CVD用原料化合物，所述化合物以有机钌化合物为主要成分，其特征在于，前述有机钌化合物如下式2所示，它是在钌上配位有2个β-二酮类和1个二胺类的有机钌化合物，式2 结构式中，β-二酮类的取代基R1、R2是烷基，R1、R2所含的碳原子数合计为2～5个，二胺类的取代基R6、R7、R8、R9、R10、R11为氢或烷基，这些碳原子数合计为2～8个。
4.如权利要求3所述的CVD用原料化合物，其特征还在于，配位于钌的二胺类是N，N，N’，N’-四甲基乙二胺。
5.CVD用原料化合物，所述化合物以有机钌化合物为主要成分，其特征在于，前述有机钌化合物如下式3所示，它是在钌上配位有2个β-二酮类和2个有机配位体的有机钌化合物，式3 结构式中，β-二酮类的取代基R1、R2是烷基，R1、R2所含的碳原子数合计为2～5个，有机配位体R12为烯烃、胺、腈、碳酰中的任一种。
6.如权利要求5所述的CVD用原料化合物，其特征还在于，配位于钌的烯烃是乙烯、丙烯、2-甲基丙烯、丁烯、1，3-丁二烯中的任一种。
7.如权利要求5所述的CVD用原料化合物，其特征还在于，配位于钌的胺为三甲胺、三乙胺中的任一种。
8.如权利要求5所述的CVD用原料化合物，其特征还在于，配位于钌的腈为乙腈、丙烯腈。
9.如权利要求1～3中任一项所述的CVD用原料化合物，其特征还在于，β-二酮类是取代基R1与R2互不相同的非对称型β-二酮类。
10.如权利要求4所述的CVD用原料化合物，其特征还在于，配位于钌的2个β-二酮类为2，4-己二酮、5-甲基-2，4-己二酮、2，4-庚二酮、5-甲基-2，4-庚二酮、6-甲基-2，4-庚二酮、2，4-辛二酮。
11.钌或钌化合物薄膜的化学气相蒸镀方法，其特征在于，将权利要求1～10中任一项所述的CVD用原料化合物气化后输送至基板上，使其分解，在基板上析出钌或钌化合物形成薄膜。
全文摘要
本发明涉及以有机钌化合物为主要成分的CVD用原料化合物。该有机钌化合物在钌上配位有2个β－二酮类，还配位有二烯类、二胺类或2个有机配位体。在本发明中，通过规定配位的β－二酮类的碳原子数和二烯类等的种类，使有机钌化合物的蒸气压较为理想。
文档编号C07C49/92GK1451780SQ0312290
公开日2003年10月29日 申请日期2003年4月18日 优先权日2002年4月18日
发明者齐藤昌幸, 寒江威元 申请人:田中贵金属工业株式会社