(57)【要約】      （修正有）【課題】融点が低く、気化段階では熱分解することのない熱安定性を有しつつ、成膜段階では低温で容易に分解し、不純物の少ないニッケル薄膜を安定的に形成可能な化学蒸着用原料を提供する。【解決手段】ニッケルにシクロペンタジエニル基又はその誘導体、及びシクロアルキルの炭素骨格中に１つのアリル基を有するシクロアルケニル基又はその誘導体が配位した有機ニッケル化合物（下記式）からなる化学蒸着用原料。2014227373.tif 000010【選択図】図５
2014227373.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
化学蒸着法によりニッケル薄膜又はニッケル化合物薄膜を製造するための化学蒸着用原料において、
次式で示される、ニッケルにシクロペンタジエニル基（Ｃｐ）又はその誘導体、及びシクロアルキルの炭素骨格中に１つのアリル基を有するシクロアルケニル基又はその誘導体（Ｘ）が配位した有機ニッケル化合物からなる化学蒸着用原料。
【化２】
2014227373.tif 000008
【請求項２】
シクロアルケニル基又はその誘導体（Ｘ）は、次式で示される、シクロブテニル、シクロペンテニル、シクロヘキセニル、シクロヘプテニル、シクロオクテニル、シクロノネニル、又はこれらの誘導体のうち、いずれか１種である請求項１に記載の化学蒸着用原料。
【化３】
2014227373.tif 000009
【請求項３】
シクロペンタジエニル（Ｃｐ）誘導体は、シクロペンタジエニル基（Ｃｐ）の置換基（Ｒ１〜Ｒ５）のうち、１つがアルキル基であり、残り４つの置換基が水素原子である請求項１又は請求項２に記載の化学蒸着用原料。
【請求項４】
有機ニッケル化合物からなる原料を気化して原料ガスとし、前記原料ガスを基板表面に導入しつつ加熱するニッケル薄膜又はニッケル化合物薄膜の化学蒸着法において、
前記原料として請求項１〜３のいずれかに記載の化学蒸着用原料を用いる化学蒸着法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は化学蒸着法（化学気相蒸着法（ＣＶＤ法）、及び原子層蒸着法（ＡＬＤ法））によりニッケル薄膜又はニッケル化合物薄膜を製造するための有機ニッケル化合物からなる化学蒸着用原料に関する。詳しくは、融点が低く、気化時には熱分解しない適度な熱安定性を有しつつ、成膜条件下では低温にて容易に分解し、不純物の少ないニッケル薄膜の形成が可能な化学蒸着用原料に関する。
【背景技術】
【０００２】
集積回路に組み込まれる電解効果トランジスタ（ＦＥＴ）の形成材料として、微細かつ低抵抗な電極を作製できるニッケル（Ｎｉ）電極が用いられている。また、ニッケル電極に白金（Ｐｔ）を添加することで、熱安定性を向上したＮｉ−Ｐｔ電極も実用化されている。一方、ＦＥＴの微細化に伴い、電極の表面積を確保できる３次元構造の立体型電極の開発が期待されている。立体型電極の製造では、立体形状に沿いつつ、均一かつ同一割合の電極薄膜形成が求められ、かかる要請を満たす方法として、ＣＶＤ法等の化学蒸着法が利用できる。ニッケル薄膜又はニッケル化合物薄膜は、ＣＶＤ法により、立体型電極に好適なステップカバレッジ（段差被覆性）等の成膜特性を具備し得ることから、ニッケル電極の有用性は高い。
【０００３】
ＣＶＤ法によるニッケル電極製造においては、原料として、従来から多くの有機ニッケル化合物が知られている。例えば、ビス（シクロペンタジエニル）ニッケル  Ｎｉ（Ｃｐ）２（非特許文献１）、ビス（メチル−シクロペンタジエニル）ニッケル  Ｎｉ（Ｍｅ−Ｃｐ）２（非特許文献２）、ビス（エチル−シクロペンタジエニル）ニッケル  Ｎｉ（Ｅｔ−Ｃｐ）２（非特許文献３）、（プロペニル）（シクロペンタジエニル）ニッケル  Ｎｉ（Ｃｐ）（Ｃ３Ｈ５）（特許文献１、非特許文献４）が提供されているが、上記要求性能、すなわち、融点が低く、気化時には熱分解しない適度な熱安定性を有しつつ、成膜条件下では低温にて容易に分解し、不純物の少ないニッケル薄膜の形成が可能という特性を、全て具備するものではなかった。
【化１】
2014227373.tif 000003
【０００４】
即ち、２つのシクロペンタジエニル基を有する非特許文献１のＮｉ（Ｃｐ）２では融点が高く（１７３℃）、分解温度も高い。２つのシクロペンタジエニル基が、それぞれ１つのメチル置換基を有する非特許文献２のＮｉ（Ｍｅ−Ｃｐ）２や、メチル基に替えてエチル基を有する非特許文献３のＮｉ（Ｅｔ−Ｃｐ）２は、融点が低いものの、作製したＮｉ膜に不純物が混入する。また、ニッケルに配位するシクロペンタジエニル基のうち１つを、直鎖状のアリル基を有するプロペニルに置換した特許文献１並びに非特許文献４のＮｉ（Ｃｐ）（Ｃ３Ｈ５）も、融点が低く、蒸気圧が高いというＣＶＤ用原料に適した性質を有するものの、この化合物から作製したＮｉ膜にも不純物が混入する傾向が見られる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−９３７３２号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】J.-K.Kang and S.-W. Rhee, J. Mater. Res., 2005, 15(8), 1828.
【非特許文献２】M.Ishikawa, T. Kada, H. Machida, Y. Ohshita and A. Ogura, Jpn. J. Appl. Phys.,2004, 43(4B), 1833.
【非特許文献３】S. E. Alexandrov and V. S. Protopopova, J. Nanosci. Nanotechnol., 2011, 11(9),8259.
【非特許文献４】T.Kada, M. Ishikawa, H. Machida, A. Ogura, Y. Ohshita and K. Soai, J. Cryst.Growth, 2005, 275, e1115.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
このような背景のもと、本発明は、ＣＶＤ化合物に対する要求性能、すなわち、融点が低く、気化時には熱分解することなく、全ての原料を気化させることができると共に、成膜条件下では低温にて容易に分解し、純度の高いニッケル薄膜を安定的に形成できる、という特性を、バランスよく具備する化学蒸着用原料を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決する本発明は、化学蒸着法によりニッケル薄膜又はニッケル化合物薄膜を製造するための化学蒸着用原料において、次式で示される、ニッケルにシクロペンタジエニル基（Ｃｐ）又はその誘導体、及びシクロアルキルの炭素骨格中に１つのアリル基を有するシクロアルケニル基又はその誘導体（Ｘ）が配位した有機ニッケル化合物からなる化学蒸着用原料に関する。尚、置換基Ｒ１〜Ｒ５は、それぞれ独立の値をとり、互いに同じであっても、異なっていてもよい。
【化２】
2014227373.tif 000004
【０００９】
本発明の化学蒸着用原料では、シクロペンタジエニルとともに、シクロアルケニルを配位子として有する。本発明のように、シクロアルケニル基（Ｘ）がシクロペンタジエニル基（Ｃｐ）とともに配位したニッケル化合物は、化学蒸着用原料として、原料の気化段階（約８０℃程度）では熱分解しにくく安定的な気化を実現できる。このように熱安定性が向上する一方、本発明の原料は、気化後のニッケル成膜段階では低温（約２００℃程度）で速やかに分解反応が進行する。
【００１０】
シクロアルケニルは、錯体構造としてはアリル基、すなわち２−プロペニル（ＣＨ２＝ＣＨ−ＣＨ２−）の炭素原子３個が、ニッケルに対し等価に配位した構造である。かかるアリル基を、単環式炭化水素の炭素骨格中に含む構造は、ニッケルに対し安定的にアリル基を配位可能とし、気化段階等における化合物の安定化に寄与していると考えられる。
【００１１】
シクロアルケニル基又はその誘導体（Ｘ）としては、次式で示される、シクロブテニル、シクロペンテニル、シクロヘキセニル、シクロヘプテニル、シクロオクテニル、シクロノネニル、又はこれらの誘導体のうち、いずれか１種が好ましい。特に、炭素骨格の炭素数は５又は６、すなわち、シクロペンテニル（Ｃ５Ｈ７）又はシクロヘキセニル（Ｃ６Ｈ９）が好ましい。気化段階では安定的に気化しつつ、成膜段階では低温で分解しやすい原料となるからである。
【化３】
2014227373.tif 000005
【００１２】
シクロアルケニル基又はその誘導体（Ｘ）としては、側鎖の置換基（Ｒ６〜Ｒ６５）のうち、全てが水素原子であるか、１つ又は２つがアルキル基で、残りの置換基が全て水素原子のものが好適である。置換基（Ｒ６〜Ｒ６５）は、炭素数（ｎ）１〜６であり、好ましくは１〜４である。Ｒ６〜Ｒ６５は、それぞれ独立の炭素数の置換基をとり、互いに同じであっても、異なっていてもよい。置換基（Ｒ６〜Ｒ６５）として、水素原子に対しアルキル置換基の数が多すぎる場合や、アルキル置換基の炭素鎖が長すぎる場合、融点が高くなり、蒸気圧が低下する傾向となる。また、沸点が高くなり、ニッケル膜内に不純物が混入しやすくなる。
【００１３】
もう１つの配位子であるシクロペンタジエニル（Ｃｐ）は、置換基（Ｒ１〜Ｒ５）が全て水素原子であるものの他、アルキル基を置換した誘導体であっても良い。シクロペンタジエニル誘導体としては、置換基（Ｒ１〜Ｒ５）のうち、１つがアルキル基、残り４つの置換基が水素原子である誘導体が好ましい。また、置換基（Ｒ１〜Ｒ５）として、とりうる炭素数は１〜６であるが、好ましくは１〜４である。シクロペンタジエニルの置換基が長すぎると、有機ニッケル化合物の融点上昇、分子量増加に伴う蒸気圧の低下、蒸発しにくくなり成膜の際に膜中に不純物が混入する、等の傾向があり、化学蒸着用原料として好適な特性を維持しにくい。
【００１４】
本発明に係る化学蒸着用原料は、化学蒸着法によるニッケル薄膜形成に有用である。化学蒸着法では、原料であるニッケル化合物を真空中、加熱することにより気化させて原料ガスを発生させる。この原料ガスを加熱した基板表面に吹き付けることにより錯体を熱分解させてニッケル薄膜を形成させる方法であり、有機ニッケル化合物として以上説明した原料を用いる。
【００１５】
成膜の加熱温度は１００〜３００℃とすることができる。成膜温度を低温側にすることが本発明の目的のうちの一つであることから、加熱温度は１３０〜２５０℃とするのが好ましく、１５０〜２００℃がより好ましい。１００℃未満では、成膜反応が進行し難く必要な膜厚が得られ難い。高温過ぎると、立体化した電極に均一な薄膜を形成し難くなり、ニッケル膜を成膜した際、膜中に不純物が混入しやすくなる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の化学蒸着用原料は、融点が低く、適度な熱安定性を有するとともに、低温での成膜が可能である。また、蒸気圧が高いため、３次元構造を有する立体表面への成膜にも好適であり、立体型電極用材料として好適である。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】実施例２の化合物のＴＧ−ＤＴＡ測定結果
【図２】実施例２の化合物より作製したニッケル薄膜のＳＥＭ観察図
【図３】実施例２の化合物より作製したニッケル薄膜のＸＲＤ測定結果
【図４】実施例２の化合物より作製したニッケル薄膜のＸＰＳ測定結果
【図５】実施例２の化合物による細孔内成膜試験結果（ＳＥＭ）
【図６】実施例２の化合物より作製したニッケル薄膜のシリサイド化試験結果（ＸＲＤ）
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明における最良の実施形態について説明する。
【００１９】
本実施形態では、次式に示す４種の有機ニッケル化合物を製造し、熱安定性及び成膜試験を行った。また、形成した薄膜の性能も評価した。尚、ニッケル化合物の製造においては、非特許文献５記載の製造方法を参照した。
【非特許文献５】H. Lehmkuhl, A.Rufinska, C. Naydowski and R. Mynott, Chem. Ber., 1984, 117, 376.
【化４】
2014227373.tif 000006
【００２０】
［実施例１］
以下の工程により、（η３−シクロペンテニル）（η５−シクロペンタジエニル）ニッケル（ＩＩ）を製造した。ニッケロセン２０．０ｇ（１０６ｍｍｏｌ）を入れた三口フラスコにジエチルエーテル１２０ｍLとテトラヒドロフラン４０ｍLを加え、さらにシクロペンタ−１，３−ジエン９．１ｇ（１３８ｍｍｏｌ）を加えた。溶液を０℃に冷却しながら、プロピルマグネシウムクロリド５９．０ｍLを滴下漏斗で滴下した後、室温に戻し、７０時間攪拌した。反応終了後、溶媒を減圧留去し、残渣にペンタン２００ｍLを加えて抽出した。活性アルミナを通じて抽出液をろ過し、ろ液の溶媒を減圧留去した。残渣を昇華し、濃赤紫色針状結晶７．２４ｇ（３７．９ｍｍｏｌ）を得た。収率は３６％であった。
【００２１】
［実施例２］
以下の工程により、（η３−シクロヘキセニル）（η５−シクロペンタジエニル）ニッケル（ＩＩ）を製造した。ニッケロセン２０．０ｇ（１０６ｍｍｏｌ）を入れた三口フラスコにジエチルエーテル１２０ｍLとテトラヒドロフラン４０ｍLを加え、さらにシクロヘキサ−１，３−ジエン１１．０ｇ（１３８ｍｍｏｌ）を加えた。溶液を０℃に冷却しながら、プロピルマグネシウムクロリド溶液（２．０Ｍ、ジエチルエーテル溶液）５９．０ｍLを滴下漏斗で滴下した後、室温に戻し、４８時間攪拌した。反応終了後、溶媒を減圧留去し、残渣にペンタン２００ｍLを加えて抽出した。活性アルミナを通じて抽出液をろ過し、ろ液の溶媒を減圧留去した。残渣を減圧蒸留し、濃紫色の液体８．８４ｇ（４３．３ｍｍｏｌ）を得た。収率は４１％であった。
【００２２】
［実施例３］
以下の工程により、（η3−シクロペンテニル）（メチル−η5−シクロペンタジエニル）ニッケル（ＩＩ）を製造した。ジメチルニッケロセン２３．０ｇ（１０６ｍｍｏｌ）を入れた三口フラスコにジエチルエーテル１２０ｍLとテトラヒドロフラン４０ｍLを加え、さらにシクロペンタ−１，３−ジエン９．１ｇ（１３８ｍｍｏｌ）を加えた。溶液を０℃に冷却しながら、プロピルマグネシウムクロリド５９．０ｍLを滴下漏斗で滴下した後、室温に戻し７０時間攪拌した。反応終了後溶媒を減圧留去し、残渣にペンタン２００ｍLを加えて抽出した。活性アルミナを通じて抽出液をろ過し、ろ液の溶媒を減圧留去した。残渣を昇華し、濃赤紫色針状結晶６．５２ｇ（３１．８ｍｍｏｌ）を得た。収率は３０％であった。
【００２３】
［実施例４］
以下の工程により、（η３−シクロヘキセニル）（メチル−η５−シクロペンタジエニル）ニッケル（ＩＩ）を製造した。ジメチルニッケロセン２３．０ｇ（１０６ｍｍｏｌ）を入れた三口フラスコにジエチルエーテル１２０ｍLとテトラヒドロフラン４０ｍLを加え、さらにシクロヘキサ−１，３−ジエン１１．０ｇ（１３８ｍｍｏｌ）を加えた。溶液を０℃に冷却しながら、プロピルマグネシウムクロリド溶液（２．０Ｍ、ジエチルエーテル溶液）５９．０ｍLを滴下漏斗で滴下した後、室温に戻し、４８時間攪拌した。反応終了後、溶媒を減圧留去し、残渣にペンタン２００ｍLを加えて抽出した。活性アルミナを通じて抽出液をろ過し、ろ液の溶媒を減圧留去した。残渣を減圧蒸留し、濃赤紫色の液体８．００ｇ（３６．５ｍｍｏｌ）を得た。収率は３５％であった。
【００２４】
実施例２の化合物について、ＴＧ−ＤＴＡ及びＤＳＣによる熱特性の評価を行った。
熱分解特性（ＴＧ−ＤＴＡ）：分析はＢｒｕｋｅｒ−ＡＸＳ製のＴＧ−ＤＴＡ２０００ＳＡを用いて、窒素気流下（２００ｍＬ／ｍｉｎ）、５ｍｇの実施例２のニッケル化合物を昇温速度５℃／ｍｉｎにて約２４℃から５００℃まで加熱した際の試料の重量変化を観察した。実施例２に関する測定結果を図１に示す。
【００２５】
実施例２の化合物は、１００．０℃で重量減少が開始し、１４５．１℃で終了した。重量減少率が１００．０％となり全ての試料が気化した。以上より、化学蒸着法に用いた場合、原料を気化させる際（１５０℃以下の低い温度）は、熱分解することなく全ての試料を気化させることが可能であると示された。
【００２６】
熱量測定（ＤＳＣ）：セイコーインスツルメンツ社製ＤＳＣ−２２０Ｃにて、実施例２の化合物（サンプル重量２ｍｇ）をステンレス製耐圧セルに充填し、窒素雰囲気下にて、昇温速度１０℃／ｍｉｎ、測定温度範囲０〜４００℃にて、熱量変化を観察した。
【００２７】
ＤＳＣ測定の結果、融点が２５℃であり、１９９℃で分解による発熱があった。よって、液体化しやすく、かつ、約２００℃まで熱分解が起こらない安定な物質であることが分かった。これに対し、非特許文献１の原料は、融点１７３℃であり、融解するとすぐに熱分解が開始し、１８６℃で分解による発熱ピークを有することが非特許文献１に記載されている。以上より、実施例２の化合物は、非特許文献１記載のニッケル化合物より熱安定性が高いことが明らかになった。
【００２８】
成膜試験：実施例２の化合物を原料として、コールドウォール式の成膜装置を用い、ＣＶＤ法によりニッケル薄膜を形成させた。薄膜を形成する基板には、シリコン又は酸化シリコンを用いた。成膜条件は、次の通りである。また、非特許文献１記載のビス（シクロペンタジエニル）ニッケルＮｉ（Ｃｐ）２についても、同一条件でニッケル薄膜を形成させた。
【００２９】
［ニッケル薄膜の成膜条件］
試料加熱温度：８０℃
基板加熱温度：１７０〜２００℃
キャリアガス：窒素３０ｓｃｃｍ
反応ガス：水素、５０ｓｃｃｍ
圧力：１３，０００Ｐａ
成膜時間：５〜６０分
【００３０】
上記で作製したＮｉ膜について、以下ＳＥＭ観察、比抵抗等の特性試験を行った。
［ＳＥＭ観察（図２）］
Ｎｉ膜の厚みは２００〜３５０ｎｍであり、均一で連続した膜であった（実施例２）。ひび割れ、穴、島状の凝集も観察されなかった。
【００３１】
［比抵抗］
比抵抗の測定結果は、２２μΩｃｍであった（実施例２）。これは、ニッケル単体の比抵抗（７μΩｃｍ）に近い値であった。これに対し、非特許文献１のＮｉ化合物で作製したＮｉ膜は、比抵抗が最小でも３０μΩｃｍであった。以上より、実施例２の原料より形成したＮｉ膜について、比抵抗の低さを確認できた。
【００３２】
［ＸＲＤ（図３）］
Ｎｉ由来の（１１１）面、（２００）面の回折ピークが観察され（実施例２）、金属ニッケル膜の形成を確認できた。
【００３３】
［ＸＰＳ（図４、表１）］
Ｎｉ膜の純度は９９．５ｗｔ％であり、炭素含有量は０．１ｗｔ％以下であった（実施例２）。これに対し、非特許文献１に記載されているＮｉ（Ｃｐ）２を用いて、同一条件にて作製したＮｉ膜は、純度９８．７ｗｔ％、炭素含有量は０．５ｗｔ％であった。以上より、実施例２の化合物で作製したＮｉ膜について、純度が高いことを確認した。
【表１】
2014227373.tif 000007
【００３４】
［段差被覆率］
基板表面がＳｉＮであり、直径２００ｎｍ、深さ８０００ｎｍの細孔（アスペクト比４０）を有し、細孔部分の表面がＳｉＯ２である基板に、基板温度２００℃、成膜時間１５分として、その他は上記成膜試験と同一条件でＮｉ膜を成膜させた。
【００３５】
上記で成膜したＮｉ膜は、基板表面が膜厚３３ｎｍ、比抵抗２０μΩｍ、中央（アスペクト比２０）が膜厚２９ｎｍ、段差被覆率８８％、底部（アスペクト比４０）が膜厚２２ｎｍ、段差被覆率６７％であった。以上の結果と図５から、実施例２の原料を用いて、アスペクト比４０の細孔内底部まで均一なＮｉ膜を形成できることが確認できた。
【００３６】
［シリサイド化試験］
上記でＳｉ基板上に作製したＮｉ膜を５００℃にて１０分加熱し、ＮｉとＳｉを合金化（シリサイド）させた。
【００３７】
図６より、加熱後はＮｉＳｉ由来の回折ピークが観察され、シリサイド化したことを確認できた。
【産業上の利用可能性】
【００３８】
本発明に係る原料は、化学蒸着法による電極薄膜形成に要する特性をバランスよく具備し、融点が低く、適度な熱安定性を有するとともに、低温での成膜が可能である。また、蒸気圧が高いことから、３次元構造を有する立体表面への成膜にも好適である。このため、立体電極の製造にも対応可能である。
【図１】
2014227373.tif 000011
【図３】
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【図２】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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