TW570997B

Source reagent composition and method for chemical vapor deposition formation of Zr/Hf silicate gate dielectric thin films

Abstract

A precursor composition for forming a zirconium and/or hafnium silicate film on a substrate, e.g., by chemical vapor deposition (CVD). Illustrative precursor compositions include (1) a first precursor metal compound or complex including a silicon alcoxide (siloxide) ligand coordinated to a metal M, wherein M=Zr or Hf and (2) a second precursor metal compound or complex including an aliphatic alcoxide ligand coordinated to a metal M, wherein M=Zr or Hf, wherein the relative proportions of the first and second precursors relative to one another are employed to controllably establish the M/Si ratio in the deposited silicate thin film. The precursor composition may contain a solvent medium, so that the composition is adapted for liquid delivery CVD, to form stable thin-film gate dielectrics for fabrication of microelectronic devices.

TW570997B, drawing sheet 1
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71 claims: 67 independent, 4 dependent

  1. 1
    一種用於在基材上形成矽酸鋯及/或矽酸鉿薄膜之CVD先質組成物,此種先質組成物包含選自包括下列成份的源反應劑:(a)用於形成矽酸鋯薄膜之單一源先質,其中該先質係含Zr、O及Si為其組成份之化合物或配位錯合物;(b)用於形成矽酸鉿薄膜之單一源先質,其中該先質係含Hf、O及Si為其組成份之化合物或配位錯合物;(c)先質混合物,包括(1)包含配位至金屬M之烷氧化矽(矽氧化物)配位子的第一先質金屬化合物或錯合物,其中M=Zr或Hf,及(2)包含配位至金屬M之脂族烷氧化物配位子的第二先質金屬化合物或錯合物,其中M=Zr或Hf,其中使用第一及第二先質相對於彼此的相對比例於在沉積的矽酸鹽薄膜中控制建立期望的M/Si比;(d)先質混合物,包括(1)包含金屬M之第一先質金屬化合物或錯合物,其中M=Zr或Hf,及(2)不含此種金屬M之第二先質矽化合物或錯合物,其中使用第一及第二先質相對於彼此的相對比例於在沉積的矽酸鹽薄膜中控制建立期望的M x /Si 1 - x 比,其中x係自0.01至0.99;(e)先質混合物,包括(1)包含金屬M之第一先質金屬化合物或錯合物,其中M=Zr或Hf,及(2)另包含此種金屬M之第二先質矽化合物或錯合物,其中使用第一及第二先質相對於彼此的相對比例於在沉積的矽酸鹽薄膜中控制建立期望的M x /Si 1 - x 比,其中x係自0.01至0.99;(f)先質金屬化合物或錯合物,包括金屬M,其中M=Zr或 Hf,至少一個烷氧化物配位子及至少一個β-二酮根配位子,此種先質金屬化合物或錯合物視需要更包含矽;(g)先質金屬化合物或錯合物(d),其中該不含此種金屬M之第二先質矽化合物或錯合物在STP下為氣體,及使用第一及第二先質相對於彼此的相對比例於在沉積的矽酸鹽薄膜中控制建立期望的M x /Si 1 - x 比,其中x係自0.01至0.99;(h)不含矽之先質金屬化合物或錯合物(e),與第二種含矽先質化合物或錯合物結合;(i)更包含矽之先質金屬化合物或錯合物(e),與包含金屬M之第二種不含矽的先質金屬化合物或錯合物結合,其中M=Zr或Hf;及(j)前述之種類(a)-(i)之任何兩者以上的相容混合物。
  2. 2
    如申請專利範圍第1項之CVD先質組成物,其中,更包含溶劑介質。
  3. 3
    如申請專利範圍第2項之CVD先質組成物,其中,該溶劑係選自包括醚、乙二醇二甲醚、四甘醇二甲醚、胺、聚胺、醇、二元醇、脂族烴溶劑、芳族烴溶劑、環醚、及前述溶劑之兩者以上的相容組合。
  4. 4
    如申請專利範圍第1項之CVD先質組成物,其中,包括源反應劑(a)。
  5. 5
    如申請專利範圍第1項之CVD先質組成物,其中,包括源反應劑(b)。
  6. 6
    如申請專利範圍第1項之CVD先質組成物,其中,包括源反應劑(c)。
  7. 7
    如申請專利範圍第1項之CVD先質組成物,其中,包括源反應劑(d)。
  8. 8
    如申請專利範圍第1項之CVD先質組成物,其中,包括源反應劑(e)。
  9. 9
    如申請專利範圍第1項之CVD先質組成物,其中,包括源反應劑(f)。
  10. 10
    如申請專利範圍第1項之CVD先質組成物,其中,包括源反應劑(g)。
  11. 11
    如申請專利範圍第1項之CVD先質組成物,其中,包括源反應劑(h)。
  12. 12
    如申請專利範圍第1項之CVD先質組成物,其中,包括源反應劑(i)。
  13. 13
    如申請專利範圍第1項之CVD先質組成物,其中,包括源反應劑(j)。
  14. 14
    如申請專利範圍第1項之CVD先質組成物,其中,包含選自包括以下化學式之金屬β-二酮根源反應劑: 其中:M為Zr或Hf; 各R係分別選自包括C 1 -C 8 烷基及其之烷基取代基各係分別選自包括C 1 -C 8 烷基之三烷矽烷基;及各R'係分別選自包括C 1 -C 8 烷基、鹵基及C 1 -C 8 鹵烷基。
  15. 15
    如申請專利範圍第14項之CVD先質組成物,其中,M為Zr。
  16. 16
    如申請專利範圍第14項之CVD先質組成物,其中,M為Hf。
  17. 17
    如申請專利範圍第14項之CVD先質組成物,其中,該源反應劑包含選自包括acac、tfac、hfac、thd、tod、及fod之β-二酮根基團。
  18. 18
    如申請專利範圍第14項之CVD先質組成物,其中,各R為第三丁基或三甲基矽烷基,及各R'為第三丁基。
  19. 19
    如申請專利範圍第1項之CVD先質組成物,其中,該源反應劑包含選自包括Zr雙(三甲基矽氧化物)雙(thd)、肆(三甲基矽氧化物)鋯、肆(三甲基矽氧化物)鉿、及Hf雙(三甲基矽氧化物)雙(thd)之單一源化合物。
  20. 20
    如申請專利範圍第1項之CVD先質組成物,其中,該源反應劑包括鉿之脂族烷氧化物,及含矽先質。
  21. 21
    如申請專利範圍第20項之CVD先質組成物,其中,該含矽先質包括烷氧化矽配位子。
  22. 22
    如申請專利範圍第1項之CVD先質組成物,其中,該源反應劑包括(1)第一含金屬及矽之先質,及(2)含金屬/不含矽之先質或不含金屬/含矽的先質。
  23. 23
    如申請專利範圍第1項之CVD先質組成物,其中,該 源反應劑包括肆(三甲基矽氧化)鋯及肆(第三丁氧化)鋯。
  24. 24
    如申請專利範圍第23項之CVD先質組成物,其中,更包括辛烷。
  25. 25
    如申請專利範圍第1項之CVD先質組成物,其中,該源反應劑包括肆(三甲基矽氧化)鉿及肆(第三丁氧化)鉿。
  26. 26
    如申請專利範圍第1項之CVD先質組成物,其中,包括含矽之第一源反應劑及含Zr或Hr之第二源反應劑,其中,該第一及第二源反應劑包含在先質蒸發及沉積條件下不會經歷配位子交換反應之相容配位子。
  27. 27
    如申請專利範圍第1項之CVD先質組成物,其中,包括含矽之第一源反應劑、含Zr或Hr之第二源反應劑、及溶劑,其中,該第一及第二源反應劑包含在先質蒸發及沉積條件下不會經歷配位子交換反應之相容配位子。
  28. 28
    如申請專利範圍第1項之CVD先質組成物,其中,該源反應劑包括肆(第三丁氧基)鋯及肆(第三丁氧基)矽烷。
  29. 29
    如申請專利範圍第1項之CVD先質組成物,其中,該源反應劑包括Zr及/或Hf之烷氧化物及Si之烷氧化物,其中在各Zr及/或Hf之烷氧化物及Si之烷氧化物中存在選自包括甲氧化物、乙氧化物、異丙氧化物、第三丁氧化物、及三烷基矽氧化物之相同的烷氧化物配位子種類。
  30. 30
    如申請專利範圍第1項之CVD先質組成物,其中,該源反應劑包括金屬烷氧化物β-二酮根混合物,其中一個金屬烷氧化物β-二酮根先質包含矽,及第二個金屬烷氧化物β-二酮根先質不包含矽。
  31. 31
    如申請專利範圍第1項之CVD先質組成物,其中,該源反應劑包括Zr(O-SiMe 3 ) 2 (thd) 2 與選自包括雙(烷氧化物)雙(thd)鋯、肆(thd)鋯及氧基鋯雙(thd)二聚物之不含矽之先質的混合物。
  32. 32
    如申請專利範圍第1項之CVD先質組成物,其中,該源反應劑包括Zr(O-SiMe 3 ) 2 (thd) 2 及Zr(thd) 4 。
  33. 33
    如申請專利範圍第1項之CVD先質組成物,其中,該源反應劑包括Zr(O-SiMe 3 ) 2 (thd) 2 及[O=Zr(thd) 2 ]。
  34. 34
    如申請專利範圍第1項之CVD先質組成物,其中,包含選自包括以下化學式之源反應劑: 其中R為第三丁基或三甲基矽烷基,及R'為第三丁基。
  35. 35
    如申請專利範圍第1項之CVD先質組成物,其中,包含選自包括以下化學式之源反應劑: 其中各R係分別選自包括甲基、乙基、異丙基、正丁基及三甲矽烷基,及各R'係分別選自包括烷基、鹵基、及其中之烷基取代基係選自包括甲基、乙基、異丙基、及正丁基之鹵烷基。
  36. 36
    一種在基材上形成矽酸鋯及/或矽酸鉿閘介電薄膜之方法,包括使先質組成物蒸發形成先質蒸氣,及使先質蒸氣與基材在高溫下接觸,以使金屬矽酸鹽閘介電薄膜沉積於基材上,其中該先質組成物包含選自包括下列成份的源反應劑:(a)用於形成矽酸鋯薄膜之單一源先質,其中該先質係含Zr、O及Si為其組成份之化合物或配位錯合物;(b)用於形成矽酸鉿薄膜之單一源先質,其中該先質係含Hf、O及Si為其組成份之化合物或配位錯合物;(c)先質混合物,包括(1)包含配位至金屬M之烷氧化矽(矽氧化物)配位子的第一先質金屬化合物或錯合物,其中M=Zr或Hf,及(2)包含配位至金屬M之脂族烷氧化物配位子的第二先質金屬化合物或錯合物,其中M=Zr或Hf,其中使用第一及第二先質相對於彼此的相對比例於在沉積的矽酸鹽薄膜中控制建立期望的M x /Si 1 - x 比,其中x係自0.01至0.99;(d)先質混合物,包括(1)包含金屬M之第一先質金屬化合物或錯合物,其中M=Zr或Hf,及(2)不含此種金屬M之第二先質矽化合物或錯合物,其中使用第一及第二先質相對於彼此的相對比例於在沉積的矽酸鹽薄膜中控制建立 M x /Si 1 - x 比,其中x係自0.01至0.99;(e)先質混合物,包括(1)包含金屬M之第一先質金屬化合物或錯合物,其中M=Zr或Hf,及(2)另包含此種金屬M之第二先質矽化合物或錯合物,其中使用第一及第二先質相對於彼此的相對比例於在沉積的矽酸鹽薄膜中控制建立期望的M x /Si 1 - x 比,其中x係自0.01至0.99;(f)先質金屬化合物或錯合物,包括金屬M,其中M=Zr或Hf,至少一個烷氧化物配位子及至少一個β-二酮根配位子,此種先質金屬化合物或錯合物視需要更包含矽;(g)先質金屬化合物或錯合物(d),其中該不含此種金屬M之第二先質矽化合物或錯合物在STP下為氣體,及使用第一及第二先質相對於彼此的相對比例於在沉積的矽酸鹽薄膜中控制建立期望的M x /Si 1 - x 比,其中x係自0.01至0.99;(h)不含矽之先質金屬化合物或錯合物(e),與第二種含矽先質化合物或錯合物結合;(i)更包含矽之先質金屬化合物或錯合物(e),與包含金屬M之第二種不含矽的先質金屬化合物或錯合物結合,其中M=Zr或Hf;及(j)前述之種類(a)-(i)之任何兩者以上的相容混合物。
  37. 37
    如申請專利範圍第36項之方法,其中,該先質組成物更包含溶劑介質。
  38. 38
    如申請專利範圍第37項之方法,其中,該溶劑介質包含選自包括醚、乙二醇二甲醚、四甘醇二甲醚、胺、聚胺、醇、二元醇、脂族烴溶劑、芳族烴溶劑、環醚之溶 劑,及前述溶劑之兩者以上的相容組合。
  39. 39
    如申請專利範圍第36項之方法,其中,該先質組成物包括源反應劑(a)。
  40. 40
    如申請專利範圍第36項之方法,其中,該先質組成物包括源反應劑(b)。
  41. 41
    如申請專利範圍第36項之方法,其中,該先質組成物包括源反應劑(c)。
  42. 42
    如申請專利範圍第36項之方法,其中,該先質組成物包括源反應劑(d)。
  43. 43
    如申請專利範圍第36項之方法,其中,該先質組成物包括源反應劑(e)。
  44. 44
    如申請專利範圍第36項之方法,其中,該先質組成物包括源反應劑(f)。
  45. 45
    如申請專利範圍第36項之方法,其中,該先質組成物包括源反應劑(g)。
  46. 46
    如申請專利範圍第36項之方法,其中,該先質組成物包括源反應劑(h)。
  47. 47
    如申請專利範圍第36項之方法,其中,該先質組成物包括源反應劑(i)。
  48. 48
    如申請專利範圍第36項之方法,其中,該先質組成物包括源反應劑(j)。
  49. 49
    如申請專利範圍第36項之方法,其中,該先質組成物包含選自包括以下化學式之金屬烷氧化物β-二酮根源反應劑: 其中:M為Zr或Hf;各R係分別選自包括C 1 -C 8 烷基及其之烷基取代基各係分別選自包括C 1 -C 8 烷基之三烷矽烷基;及各R'係分別選自包括C 1 -C 8 烷基、鹵基及C 1 -C 8 鹵烷基。
  50. 50
    如申請專利範圍第49項之方法,其中,M為Zr。
  51. 51
    如申請專利範圍第49項之方法,其中,M為Hf。
  52. 52
    如申請專利範圍第49項之方法,其中,該源反應劑包含選自包括acac、tfac、hfac、thd、tod、及fod之β-二酮根基團。
  53. 53
    如申請專利範圍第49項之方法,其中,各R為第三丁基或三甲基矽烷基,及各R'為第三丁基。
  54. 54
    如申請專利範圍第36項之方法,其中,該先質組成物包含選自包括Zr(OSiMe 3 ) 2 (thd) 2 、Zr(OSiMe 3 ) 4 、Hf(OSiMe 3 ) 4 、及Hf(OSiMe 3 ) 2 (thd) 2 之單一源化合物。
  55. 55
    如申請專利範圍第36項之方法,其中,該先質組成物包括鉿之脂族烷氧化物,及含矽先質。
  56. 56
    如申請專利範圍第55項之方法,其中,該含矽先質包括烷氧化矽配位子。
  57. 57
    如申請專利範圍第36項之方法,其中,該先質組成物包括(1)第一含金屬及矽之先質,及(2)含金屬/不含矽之先質或不含金屬/含矽的先質。
  58. 58
    如申請專利範圍第36項之方法,其中,該先質組成物包括Zr(OSiMe 3 ) 4 及Zr(O-tBu) 4 。
  59. 59
    如申請專利範圍第58項之方法,其中,更包括辛烷。
  60. 60
    如申請專利範圍第36項之方法,其中,該先質組成物包括Hf(OSiMe 3 ) 4 及Hf(O-tBu) 4 。
  61. 61
    如申請專利範圍第36項之方法,其中,該先質組成物包括含矽之第一源反應劑及含Zr或Hr之第二源反應劑,其中該第一及第二源反應劑包含在先質蒸發及沉積條件下不會經歷配位子交換反應之相容配位子。
  62. 62
    如申請專利範圍第36項之方法,其中,該先質組成物包括Zr(O-tBu) 4 及Si(O-tBu) 4 。
  63. 63
    如申請專利範圍第36項之方法,其中,該先質組成物包括Zr及/或Hf之烷氧化物及Si之烷氧化物,其中在各Zr及/或Hf之烷氧化物及Si之烷氧化物中存在選自包括甲氧化物、乙氧化物、異丙氧化物、第三丁氧化物、及三烷基矽氧化物之相同的烷氧化物配位子種類。
  64. 64
    如申請專利範圍第36項之方法,其中,該先質組成物包括金屬烷氧化物β-二酮根混合物,其中一個金屬烷氧化物β-二酮根先質包含矽,及第二個金屬烷氧化物β-二酮根先質不包含矽。
  65. 65
    如申請專利範圍第36項之方法,其中,該先質組成物包括Zr(OSiMe 3 ) 2 (thd) 2 與選自包括Zr(烷氧化物) 2 (thd) 2 、及Zr(thd) 4 之不含矽之先質的混合物。
  66. 66
    如申請專利範圍第36項之方法,其中,該先質組成物包括Zr(O-SiMe 3 ) 2 (thd) 2 及Zr(thd) 4 。
  67. 67
    如申請專利範圍第36項之方法,其中,該先質組成物包含選自包括以下化學式之源反應劑: 其中R為第三丁基或三甲基矽烷基,及R'為第三丁基。
  68. 68
    如申請專利範圍第36項之方法,其中,該先質組成物包含選自包括以下化學式之源反應劑: 其中各R係分別選自包括甲基、乙基、異丙基、正丁基及三甲矽烷基,及各R'係分別選自包括烷基、鹵基、及其中之烷基取代基係選自包括甲基、乙基、異丙基、及正丁基之鹵烷基。
  69. 69
    如申請專利範圍第36項之方法,其中,該先質組成物包括不相容的金屬及矽先質,及使先質蒸氣與基材在高溫下接觸,以在基材上沉積金屬矽酸鹽閘介電薄膜之步驟包括脈衝化學蒸氣沉積,其中將不相容的先質在空間中暫時隔開,以限制顆粒形成及不期望的配位子交換反應。
  70. 70
    一種用於在基材上形成矽酸鋯及/或矽酸鉿薄膜之CVD先質蒸氣組成物,此種先質組成物包含選自包括下列成份的源反應劑:(a)用於形成矽酸鋯薄膜之單一源先質,其中該先質係含Zr、O及Si為其組成份之化合物或配位錯合物;(b)用於形成矽酸鉿薄膜之單一源先質,其中該先質係含Hf、O及Si為其組成份之化合物或配位錯合物;(c)先質混合物,包括(1)包含配位至金屬M之烷氧化矽(矽氧化物)配位子的第一先質金屬化合物或錯合物,其中M=Zr或Hf,及(2)包含配位至金屬M之脂族烷氧化物配位子的第二先質金屬化合物或錯合物,其中M=Zr或Hf,其中使用第一及第二先質相對於彼此的相對比例於在沉積的矽酸鹽薄膜中控制建立期望的M x /Si 1 - x 比,其中x係自0.01至0.99;(d)先質混合物,包括(1)包含金屬M之第一先質金屬化 合物或錯合物,其中M=Zr或Hf,及(2)不含此種金屬M之第二先質矽化合物或錯合物,其中使用第一及第二先質相對於彼此的相對比例於在沉積的矽酸鹽薄膜中控制建立期望的M x /Si 1 - x 比,其中x係自0.01至0.99;(e)先質混合物,包括(1)包含金屬M之第一先質金屬化合物或錯合物,其中M=Zr或Hf,及(2)另包含此種金屬M之第二先質矽化合物或錯合物,其中使用第一及第二先質相對於彼此的相對比例於在沉積的矽酸鹽薄膜中控制建立期望的M x /Si 1 - x 比,其中x係自0.01至0.99;(f)先質金屬化合物或錯合物,包括金屬M,其中M=Zr或Hf,至少一個烷氧化物配位子及至少一個β-二酮根配位子,此種先質金屬化合物或錯合物視需要更包含矽;(g)先質金屬化合物或錯合物(d),其中該不含此種金屬M之第二先質矽化合物或錯合物在STP下為氣體,及使用第一及第二先質相對於彼此的相對比例於在沉積的矽酸鹽薄膜中控制建立期望的M x /Si 1 - x 比,其中x係自0.01至0.99;(h)不含矽之先質金屬化合物或錯合物(e),與第二種含矽先質化合物或錯合物結合;(i)更包含矽之先質金屬化合物或錯合物(e),與包含金屬M之第二種不含矽的先質金屬化合物或錯合物結合,其中M=Zr或Hf;及(j)前述之種類(a)-(i)之任何兩者以上的相容混合物。
  71. 71
    一種藉由CVD自如申請專利範圍第70項之先質組成物沉積於基材上之矽酸鋯及/或矽酸鉿薄膜。
Independent claims71