Лаборатория создана в рамках реализации национального проекта «Наука и университеты» (по итогам отбора заявок на создание новых лабораторий в контексте результата «Созданы новые лаборатории, в том числе под руководством молодых перспективных исследователей» федерального проекта «Развитие человеческого капитала в интересах регионов, отраслей и сектора исследований и разработок» национального проекта «Наука и университеты»). 

Лаборатория создана приказом Института от 02.11.2022, № 15325-225-ОД. 

В лаборатории проводится синтез и изучение термических свойств высокочистых металлорганических соединений, эффективных в процессах атомно-слоевого и химического газофазного осаждения функциональных слоев для микроэлектроники.

Актуальность Направление исследований Задачи исследований Сотрудничество Результаты Публикации Работа с молодежью Преподавание В зеркале прессы

Сотрудники

Актуальность исследований лаборатории

Тонкие пленки high-k диэлектриков (MO₂, M = Hf, Zr, Ti) и металлов (Cu, Ru, Co), получаемые методами атомного-слоевого (АСО) или химического газофазного (ХОГФ) осаждения, практически безальтернативны при изготовлении востребованных устройств компонентной базы микроэлектроники: микропроцессоров, в основе которых лежат КМОП транзисторы, выполненные по технологии HkMG, FinFET или GAA, и элементов энергонезависимой памяти новых типов (сегнетоэлектрическая, резистивная).

Для осаждения таких функциональных материалов требуются летучие металлорганические соединения-прекурсоры (МОС), обладающие определенным набором химических и термических свойств и соответствующие критериям чистоты для микроэлектронной техники (5-6N). Поскольку прекурсоры требуемого качества сейчас импортного производства, разработка подходов к синтезу и глубокой очистке целевых МОС является необходимым этапом для реализации отечественных производственных цепочек компонентой базы устройств и обеспечения технологического суверенитета Российской Федерации.

Направление исследований лаборатории

Синтез высокочистых металлорганических соединений (MOC) и исследование их термохимических свойств для осаждения оксидных и металлических слоев в структурах элементов микроэлектроники

Задачи исследований

• Дизайн и синтез новых металлорганических соединений, перспективных для процессов ХОГФ и АСО, оптимизация методик синтеза известных прекурсоров, востребованных в процессах осаждения на практике.
• Разработка методик эффективной очистки для получения высокочистых летучих металлорганических соединений (квалификации 5-6N); наработка экспериментальных образцов.
• Разработка эффективного аналитического сопровождения технологий получения высокочистых металлорганических соединений, а именно информативных и экспрессных методик атомно-эмиссионного и масс-спектрального анализа с индуктивно связанной плазмой (АЭС ИСП и МС ИСП).
• Исследование термохимических свойств металлорганических соединений и подбор наиболее перспективных прекурсоров для АСО, определение температурных диапазонов парообразования/осаждения. Подбор комбинаций прекурсоров, совместимых по термическим свойствам, для осаждения смешанных оксидных систем.
• Тестирование МОС и их комбинаций в процессах АСО/ХОГФ

Сотрудничество

Индустриальным партнером лаборатории (2022-2024) является АО «НИИ молекулярной электроники» (АО «НИИМЭ», науч. рук. акад. РАН Г.Я. Красников) – ведущий российский научно-исследовательский центр по проведению научно-технологических исследований в области микро- и наноэлектроники, разработке и производству полупроводниковых изделий, головное предприятие приоритетного технологического направления «Электронные технологии» Российской Федерации.

Результаты

Результаты 2022 г:

• Определен общий перечень целевых соединений – возможных летучих прекурсоров для осаждения металлических/оксидных слоев для элементов микроэлектроники. Выбраны «базовые» прекурсоры, предложены новые перспективные соединения, например, N-карбоксамиды Zr(IV), Hf(IV), β-иминокетонатные производные меди (II), разнолигандные комплексы магния на основе β-дикетонов и родственных лигандов.
• Проведена апробация методик аналитического контроля металлических микропримесей применительно к летучим МОС. Выполнен синтез экспериментальных образцов комплексов летучих прекурсоров с кислород-донорными (бета-дикетонатными) лигандами: Cu(acac)₂ и Zr(thd)₄. Определено влияние квалификации исходных реагентов и условий очистки на примесный состав этих образцов (16 металлов (Na, K, Mg, Al, V, Hf, Sn, Ag, Cd, Co, Cu, Fe, Ni, Zn, Mn), а также 2 неметаллических примесей (As, Si)).

Результаты 2023 г:

• Выполнены синтез, выделение и очистка серии востребованных МОС Zr, Hf, Ti с амидными, циклопентадиенильными лигандами («базовые» прекурсоры), для которых достигнут уровень чистоты 5-6N с выходами ~70%; полученные экспериментальные образцы переданы для тестирования Индустриальному партнеру.
• Синтезированы новые N-метоксикарбамидаты Zr(IV), изучено их строение и термические свойства. Для N-метоксибензамидата, Zr(mba)₄, найден обратимый фазовый переход «кристалл-кристалл», обусловленный поворотом фенильных групп лигандов, не проявляющийся в исходном Нmba. Производные алифатических кислот имеют перспективные для ХОГФ/АСО термические характеристики.
• На основании собственных и литературных данных, определены температурные границы парообразования/осаждения для получения оксидных пленок методом АСО из «базовых» прекурсоров Zr, Hf, Ti.
• Спроектирована и собрана специализированная высоковакуумная сублимационная установка для глубокой очистки МОС. Конструкция имеет 3 независимых сублимационных ячейки и позволяет очищать летучие МОС, включая чувствительные к влаге/воздуху, в количестве от 0,5 до 100 г (твердые вещества) или до 50 мл (жидкие вещества) в интервале температур 40-200°C и давлений 10^-2-10^–7 Торр.
• Разработаны методики количественного химического анализа высокочистых МОС Zr, Ti и Hf с использованием атомно-эмиссионной спектрометрии и масс-спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой (АЭС ИСП и МС ИСП), позволяющие охарактеризовать образцы чистотой 6N.
• С целью составления «карты» для адаптации лабораторных режимов осаждения к реальных процессам, исследовано влияние параметров процессов АСО на толщины, морфологию и характеристики пленок TiO₂, ZrO₂ и HfO₂, получаемых из TDMAT, TEMAZ и TEMAH, соответственно. В том числе, определен диапазон условий высокой равномерности по реактору (2-4%) и формирования пленок HfO₂ и ZrO₂ с минимальным загрязнением и диэлектрической проницаемостью k > 15.
• С целью оптимизации процессов осаждения смешанных оксидных систем M^IV-Sc-O, имеющими перспективные диэлектрические характеристики, проведено исследование летучего МОС скандия, трис-метилциклопентадиенида Sc(MeCp)₃, включая долговременную термическую стабильность в конденсированной фазе и p(T) зависимости давления насыщенных паров. Полученные сведения позволяют направленно выбирать условия парообразования в АСО/ХОГФ процессах.
• Исследован ряд летучих разнолигандных комплексов (РЛК) магния на основе β-дикетонов и исходных реагентов для их синтеза (β-дикетонаты щелочных металлов). Показано, что, нефторированные РЛК нестабильны к отщеплению алифатического нейтрального лиганда в последовательности изменения его донорного узла (O,O < O,N < N,N). Летучие фторированные РЛК с диаминами имеют достаточные для использования в газофазных процессах термохимические характеристики, причем наращивание фторированной цепи в несимметричных β-дикетонатных лигандах делает комплексы низкоплавкими.

Планы на 2024 год: 

• Синтез экспериментальных образцов высокочистых МОС Ru, Cu и Co c чистотой на уровне 5-6N, для получения металлических слоев для микроэлектроники, включая новые соединения.
• Разработка аналитических методик контроля качества высокочистых МОС Ru, Cu и Co.
• Изготовление оригинального модуля (термостатируемой ячейки) для изучения паров летучих МОС и проведение его испытаний.
• Исследование/анализ данных по термическим свойствам для синтезированных МОС Ru, Cu и Co с целью определения рекомендаций к температурным параметрам процессов осаждения. Тестирование выбранных соединений в процессах ХОГФ.
• Атомно-слоевое осаждение смешанных оксидных систем на основе MO₂ (M = Hf или Zr) для определения параметров, обеспечивающих высокие равномерность и диэлектрическую проницаемость (k > 20).
• Оформление РИД, включающего в себя перспективные результаты по методикам очистки МОС.

Тематические публикации

1) Петухова Д.Е., Сартакова А.В., Сухих Т.С., Афонин М.Ю., Сысоев С.В., Викулова Е.С. Строение и термические свойства трис-(метилциклопентадиенил)скандия // Журн. Структур. Химии, 2023, Т. 64(12), 123233.

2) Викулова Е.С., Черемных К.П., Виноградова А.А., Сухих А.С., Доровских С.И., Ильин И.Ю., Пищур Д.П., Морозова Н.Б. N-Метоксибензамидат циркония (IV) vs. N-Метоксибензамид: синтез, кристаллическая структура и фазовые превращения // Журн. Структур. Химии. 2024. T. 65(8). 130705.

3) Kochelakov D.V., Vikulova E.S., Kuratieva N.V., Korolkov I.V. Potassium and Cesium Fluorinated β-Diketonates: Effect of a Cation and Terminal Substituent on Structural and Thermal Properties // Molecules. 2023. V. 28(15). 5886.

Работа с молодежью

К выполнению задач лаборатории привлечены:

аспиранты ИНХ СО РАН

• Петухова Д.Е., 2-4 курс (синтез и исследование соединений Hf, изучение летучих соединений Sc, Sm и их использование в процессах осаждения оксидных пленочных систем)

студенты ФЕН НГУ:

• Рихтер Э.А., 1 курс магистратуры (синтез и исследование комплексов магния)
• Жежера М., 3 курс специалитета (синтез и исследование комплексов меди)
• Ситчихин Б.А., 2 курс специалитета (синтез и исследование новых летучих комплексов циркония и гафния)

студенты МТФ НГУ:

• Виноградова А.А., 4 курс бакалавриата, дипломная практика (синтез и исследование N-карбоксиамидатов циркония)
• Ралдугин Р.А., 4 курс бакалавриата, дипломная практика (получение высокочистых летучих соединений меди (II))

Преподавательская деятельность

Викулова Е.С. (старший преподаватель каф. Химии СУНЦ НГУ)
Научный (со)руководитель (2022-2024):

• выпускных квалификационных работ бакалавров (2*ФЕН НГУ, 3*МТФ НГТУ) и специалистов (1*ФЕН НГУ)
• диссертации на соискание ученой степени кандидата химических наук по специальности: 1.4.4. Физическая химия (химические науки): Караковская Ксения Игоревна 

Доровских С.И. (старший преподаватель каф. физической химии ФЕН НГУ). 
Научный руководитель (2022-2024) выпускных квалификационных работ бакалавров (1*ФЕН НГУ, 1*МТФ НГТУ)

Рихтер Э.А. (преподаватель летней школы СУНЦ НГУ)

В зеркале прессы

Сибирские ученые получают высокочистые соединения для микроэлектроники (nsc.ru)

Глава Минобрнауки России – в ИНХ СО РАН (nsc.ru)