JP2011007501A - 多層膜ミラー - Google Patents

Abstract

【課題】広い範囲の入射角度で反射特性を持ち、膜厚設計の自由度を向上させた軟Ｘ線ミラーを実現する。
【解決手段】Ｓｉ層１１とＭｏ層１２の交互層の一定膜厚構造に対して、各層の厚さ又は周期長を不均一にして、軟Ｘ線領域に対する反射特性を拡大するための最適化を行う。Ｓｉ層１１とＭｏ層１２の間には、この２種類の材料の界面拡散を防止する機能を有するＢ４Ｃ層１３を設けた不均一膜厚構造とすることで、ＭｏＳｉｘの形成による反射率の低下を防ぐとともに、膜厚設計の自由度を向上させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、軟Ｘ線領域の露光装置に使用される多層膜ミラーに関するものである。

近年、半導体集積回路素子の微細化の進展に伴い、従来の紫外線に代わって、さらに波長の短い軟Ｘ線（波長１１〜１４ｎｍ程度）のＥＵＶ（極端紫外線）領域を使用したリソグラフィー技術が開発されている。ＥＵＶリソグラフィーでは、ミラーによる反射光学系が用いられる。このミラーは、ＥＵＶ領域で吸収が少なく、互いの屈折率の差が大きい２種類の物質を交互に何層も積層した多層膜で構成されている。ＥＵＶリソグラフィー用として広く用いられているのは多層膜の構成材料としてはＭｏとＳｉがあげられる。

この多層膜ミラーは、ＥＵＶで一般に用いられる波長１３．５ｎｍに対して約半分となる、７ｎｍ程度をＭｏとＳｉの２層を合わせて１周期として、４０〜６０周期程度積層したものである。このような周期構造はブラッグ反射の条件を満たしており、各境界面からの微弱な反射光が同位相で多数重畳されるため、全体として高い反射率を得ることができる。この方法で、形成される多層膜ミラーの理論反射率は、最大で７０％を超える。

しかしながら、上記のような一定膜厚での周期構造では、高反射率を得るためのＥＵＶ光の入射角度範囲は狭く、その範囲を超える入射角で入射する光線に対しては急激な反射率の低下を招く。実際のミラーには、様々な入射角度で光が入射しており、その入射角度の範囲も狭いものから広いものと、反射光学系の設計によって変わる。

広い入射角度範囲に対応したミラーを実現するために、ミラー面内の各点における膜厚、もしくはγ比（周期長に対するＭｏの割合）に対して、入射する光の角度に対して最も高い反射率になるように、分布を形成する方法が知られている（特許文献１参照）。この方法は、分布さえ付けられれば広い入射角度に対応することが可能であるが、リソグラフィー装置における照明光学系などで要求されるようなミラー面内の１点に対して複数の入射角度で光が入射するミラーには対応できない。そこで、多層膜中のＳｉ、Ｍｏの各層の厚さを一定にしない不均一膜厚構造にすることが提案されている（非特許文献１、特許文献２参照）。

特開２００３−０１４８９３号公報 特開２００５−０５６９４３号公報

Ｔｈｏｍａｓ Ｋｕｈｌｍａｎｎ，Ｓｅｒｇｉｙ Ｙｕｌｉｎ，Ｔｏｒｓｔｅｎ Ｆｅｉｇｌ，Ｎｏｒｂｅｒｔ Ｋａｉｓｅｒ，Ｈｅｌｍｕｔ Ｂｅｒｎｉｔｚｋｉ，Ｈａｎｓ Ｌａｕｔｈ、「Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｂｒｏａｄｂａｎｄ ＥＵＶ ｍｕｌｔｉｌａｙｅｒ ｍｉｒｒｏｒｓ」、Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ＳＰＩＥ Ｖｏｌ．４６８８（２００２）

しかしながら、ＳｉとＭｏの不均一膜厚構造では、ＳｉとＭｏが反応しやすいため、界面においてＭｏＳｉｘの化合物となり、その結果、膜の反射特性が劣化する場合がある。この課題に対して、ＭｏＳｉｘの形成を想定して不均一膜厚構造に含まれる膜厚を１．５ｎｍ以上に限定することで実際にできる膜と設計値の反射特性の乖離をなくすようにしている（特許文献２参照）。

しかし、このように不均一膜厚構造に含まれる膜厚を限定してしまうことにより、不均一膜厚構造の設計の自由度が減少するという課題が生じる。また、設計値との乖離は防ぐことはできても、ＭｏＳｉｘが形成されること自体による反射率の低下という課題は残る。

本発明は、不均一膜厚構造における界面拡散による反射率の低下を防ぎ、光学特性を向上させることのできる多層膜ミラーを提供することを目的とするものである。

本発明の多層膜ミラーは、軟Ｘ線領域にて反射特性を持つ多層膜を有する多層膜ミラーにおいて、前記多層膜は、２種類の材料を不均一な膜厚で交互に積層した交互層を有し、前記交互層は、前記２種類の材料を一定膜厚で交互に積層した一定膜厚構造の交互層に対して、前記２種類の材料の層間に界面拡散を防止する中間層を介在させ、反射特性を拡大するために各層の膜厚又は周期長を調整した不均一膜厚構造の交互層であることを特徴とする。

中間層を介在させた不均一膜厚構造にすることで、ＭｏＳｉｘ等の形成を抑制して反射率の低下を防ぐと同時に、膜厚設計の自由度を大きく取ることを可能とし、リソグラフィー装置の高機能化に対応できる多層膜ミラーを実現する。

一実施形態による多層膜ミラーの膜構成及び比較例による膜構成を示す模式断面図である。 図１の多層膜ミラーの断面透過型電子顕微鏡観察による写真像及び反射率のＢ４Ｃ膜厚依存性を示すグラフである。 多層膜ミラーを形成するためのスパッタリング成膜装置を示す図である。 比較例１及び比較例２の角度反射特性を示すグラフである。 実施例１による多層膜ミラーの各層ごとの膜厚及び角度反射特性を示すグラフである。 実施例２による多層膜ミラーの各層ごとの膜厚及び角度反射特性を示すグラフである。 実施例３による多層膜ミラーの各層ごとの膜厚及び角度反射特性を示すグラフである。 実施例４による多層膜ミラーの各層ごとの膜厚及び角度反射特性を示すグラフである。 実施例５による多層膜ミラーの各層ごとの膜厚及び角度反射特性を示すグラフである。 実施例６による多層膜ミラーの各層ごとの膜厚及び角度反射特性を示すグラフである。

図１（ａ）は、一実施形態による多層膜ミラーの膜構成を示す。このミラーは、軟Ｘ線領域において反射特性を持ち、基板１０上に、Ｓｉ層１１とＭｏ層１２を不均一な膜厚で交互に積層した層間に、中間層であるＢ４Ｃ層１３を介在させたＳｉ／Ｂ４Ｃ／Ｍｏ／Ｂ４Ｃの交互層からなる多層膜を有する。Ｓｉ層１１、Ｍｏ層１２、及びＢ４Ｃ層１３は、一定膜厚で交互に積層したＳｉ、Ｍｏの周期構造（一定膜厚構造）に対して、より広い入射角度範囲で一定の反射率を得られるように反射特性を拡大するために膜厚又は周期長を調整した不均一膜厚構造を構成する。この不均一膜厚構造は、公知の薄膜設計プログラムを用いて交互層の各層の膜厚を最適化処理したもので、Ｓｉ層１１、Ｍｏ層１２はそれぞれ１０ｎｍ以下、Ｂ４Ｃ層１３は０．１〜０．７５ｎｍの範囲内に設定される。

Ｂ４Ｃ層１３を、界面拡散を防止する中間層として介在させる（挟み込む）ことによって、反射率の低下は抑えられるうえ、ＭｏＳｉｘの形成が抑制されるため、設計値に限りなく近い多層膜を実現することが可能となり、膜厚設計の自由度を上げることができる。さらに、Ｂ４Ｃ層１３の膜厚という最適化対象の膜厚パラメータが増えることも、設計の自由度向上につながっている。

Ｂ４Ｃを挟みこむ効果は実験的に検証した。Ｍｏ／Ｓｉ交互層をスパッタリング法等によって成膜すると、図１（ｂ）に示すように、ＳｉとＭｏの間の膜界面に厚さ０．４〜１ｎｍ程度のＭｏＳｉｘ層１１４が生じる。設計値の反射特性にはＭｏＳｉｘが形成されることは考慮されていないので、反射率は低下する。

これに対して、ＭｏとＳｉの間にＢ４Ｃなどの中間層を挟むことによって、ＭｏＳｉｘの形成を防ぐことができることが、図２（ａ）に示すように断面透過型電子顕微鏡観察によって判明した。

中間層には、ＭｏＳｉｘの形成を抑制する効果があるが、その材料自体には軟Ｘ線に対する吸収を持っており、また、本来の軟Ｘ線の反射に最適なＳｉ／Ｍｏ交互層の周期構造を崩すことにもつながるので、厚すぎると反射率の低下を招く。一方で、薄すぎてもＭｏＳｉｘの形成を抑制する効果が働かない。実験によれば、ＳｉとＭｏの間に挟む材料がＢ４Ｃの場合、図２（ｂ）に示すように、その膜厚は０．５ｎｍ近傍が最も反射率が高い。そして、０．１〜０．７５ｎｍの範囲内であれば、最も高い反射率からの減少率が１％程度に抑えられて、ミラーに適用できる許容範囲であることが判明した。

中間層の材料は、Ｂ、Ｃ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｌｉ、Ｐｄ並びにこれらの化合物のうちの１つを主成分とする材料を用いることが可能である。中間層の、種類、層数、挟みこむ箇所に制限はなく、交互層は同一順である必要はない。

なお、目標波長が変われば膜材料も変化するため、交互層の２種類の材料はＳｉ、Ｍｏに限定することなく、例えば、１１ｎｍ付近の波長の光に対してＢｅとＭｏを使用するなどが可能である。

上記の多層膜ミラーの作成には図３に示すスパッタリング成膜装置を用いる。この成膜装置は、真空チャンバ９０１と、真空ポンプ９０２と、可動マスク９０４と、シャッタ９０６と、基板回転機構９０７と、各種ターゲット９０８、９０９と、制御系とを有する。真空チャンバ９０１は真空ポンプ９０２によって真空又は減圧環境に維持され、各構成要素を収納する。制御系は、マスク可動制御装置９０３、シャッタ制御装置９０５、ＤＣ電源９１０、ＲＦ電源９１１、Ａｒガス導入制御装置９１３等を含み、コンピュータ９１２に接続されて制御される。

ターゲットは、直径４インチのＢドープした多晶質のＳｉターゲット９０８、Ｍｏターゲット９０９に加えて、図示しないＢ４Ｃ等の中間部のターゲットが用いられる。ターゲットが回転し、各材料を切り替えて、基板上に成膜することができる。ターゲットは交換してもよい。

基板は、直径５００ｍｍ、厚さ３００μｍのシリコンを用いており、成膜時自転している。基板とターゲットの間には、シャッタ制御装置９０５によって開閉制御されるシャッタ９０６と、マスク可動制御装置９０３によって移動制御され、基板上の膜厚分布を制御するための可動マスク９０４がある。成膜時はプロセスガスとしてＡｒガス導入制御装置９１３からＡｒガスを３０ｓｃｃｍ導入する。ターゲットに投入する電力は、ＤＣ電源９１０で所定の電力を維持し、ＲＦ電源９１１にて１３．５６ＭＨｚのＲＦ高周波１５０Ｗとした。コンピュータ９１２は各層の膜厚を時間制御する。

成膜方法はスパッタを用いたが、製法はこの限りではなく、例えば蒸着法を用いてもよい。

（比較例１）
Ｍｏ／Ｓｉ交互層において、各層の膜厚が一定である周期構造（一定膜厚構造）に対して、より広い入射角度範囲で一定の反射率を得られるように反射特性を拡大するために、最適化処理によって決定された不均一膜厚構造とする。実際には、図１（ｂ）に示すように、Ｓｉ層１１１とＭｏ層１１２の間にＭｏＳｉｘ層１１４が０．４〜１ｎｍ程度形成されるので、それを加味しての不均一膜厚構造となっている。この膜構成の６０周期の多層膜を基板１１０に積層した多層膜ミラーは、図４（ａ）に示すように、波長１３．５ｎｍの軟Ｘ線に対する高反射率帯域の反射率平均が４５％程度で、その入射角度範囲が０〜１８度である。

（比較例２）
比較例１と同様の不均一膜厚構造において、比較例１とは異なる入射角度範囲で最適化した場合の角度反射特性を図４（ｂ）に示す。波長１３．５ｎｍの軟Ｘ線に対する高反射率帯域の反射率平均が４０％程度で、その入射角度範囲は１５〜２２度である。

比較例１、比較例２ともに、積層体内で一定膜厚の周期構造に対して、より広い入射角度範囲で一定の反射率を得られるように反射特性を拡大しているが、ＭｏＳｉｘ形成の影響があり充分に広いとは言えない。

図１（ａ）に示すような、Ｓｉ／Ｂ４Ｃ／Ｍｏ／Ｂ４Ｃの交互層を６０周期積層した膜構成において、比較例１と同じ入射角度範囲で一定の反射率を得られるように反射特性を拡大する最適化処理によって決定された不均一膜厚構造の多層膜を製作した。この多層膜の各層ごとの膜厚を図５（ａ）に示す。層数１が基板上から１層目を示し、全体で２４０層（実際はこれにキャップ層が加わり２４１層）の膜構成である。

本実施例による多層膜ミラーの角度反射特性を図５（ｂ）に示す。波長１３．５ｎｍの軟Ｘ線に対する高反射率帯域の反射率平均が４５％程度で、その入射角度範囲は０〜１９度である。比較例１と比較して入射角度範囲が１度広くなったことがわかった。

Ｓｉ／Ｂ４Ｃ／Ｍｏ／Ｂ４Ｃの交互層を６０周期積層した膜構成において、比較例２と同じ入射角度範囲で一定の反射率を得られるように最適化処理によって決定された不均一膜厚構造の層ごとの膜厚を図６（ａ）に示す。

本実施例による多層膜ミラーの角度反射特性を図６（ｂ）に示す。波長１３．５ｎｍの軟Ｘ線に対する高反射率帯域の反射率平均が４０％程度で、その入射角度範囲は１５〜２５度である。比較例２と比較して入射角度範囲が３度広くなったことがわかった。

本実施例は、Ｓｉ／Ｂ４Ｃ／Ｍｏ／Ｂ４Ｃの交互層を基本例として、Ｂ４Ｃ層をＳｉ層の上にのみ挟み込んだＳｉ／Ｂ４Ｃ／Ｍｏの交互層（実際には、Ｍｏ層上にはＭｏＳｉｘ層が形成されるのでＳｉ／Ｂ４Ｃ／Ｍｏ／（ＭｏＳｉｘ）交互層）を有する。この交互層を６０周期積層した場合において、広い入射角度範囲で一定の反射率を得られるに最適化処理によって決定された不均一膜厚構造の層ごとの膜厚を図７（ａ）に示す。自然発生するＭｏＳｉｘ層は各層一定である。

本実施例による多層膜ミラーの角度反射特性を図７（ｂ）に示す。波長１３．５ｎｍの軟Ｘ線に対する高反射率帯域の反射率平均が４５％程度で、その入射角度範囲は０〜２０度である。比較例１と比較して入射角度範囲が２度広くなったことがわかった。

本実施例は、Ｓｉ／Ｂ４Ｃ／Ｍｏ／Ｂ４Ｃの交互層を基本例として、Ｂ４Ｃ層を一部にのみ挟みこんだ交互層を有する。１〜４０層目までをＳｉ／Ｍｏ交互層、４１〜２４０層目までをＳｉ／Ｂ４Ｃ／Ｍｏの交互層とした。実際には、Ｍｏ層上にはＭｏＳｉｘ層が形成されるている。この交互層を６０周期積層した場合において、広い入射角度範囲で一定の反射率を得られるように最適化処理によって決定された不均一膜厚構造の層ごとの膜厚を図８（ａ）に示す。自然発生するＭｏＳｉｘ層は各層一定である。
本実施例による多層膜ミラーの角度反射特性を図８（ｂ）に示す。波長１３．５ｎｍの軟Ｘ線に対する高反射率帯域の反射率平均が４５％程度で、その入射角度範囲は０〜２０度である。比較例１と比較して入射角度範囲が２度広くなったことがわかった。

本実施例は、Ｓｉ／Ｂ４Ｃ／Ｍｏ／Ｂ４Ｃの交互層を基本例として、Ｂ４Ｃ層の代わりにＣ層を挟みこんだＳｉ／Ｃ／Ｍｏ／Ｃの交互層を有する。この交互層を６０周期積層した場合において、広い入射角度範囲で一定の反射率を得られるように最適化処理によって決定された不均一膜厚構造の層ごとの膜厚を図９（ａ）に示す。

本実施例による多層膜ミラーの角度反射特性を図９（ｂ）に示す。波長１３．５ｎｍの軟Ｘ線に対する高反射率帯域の反射率平均が４０％程度で、その入射角度範囲は１５〜２５度である。比較例２と比較して入射角度範囲が３度広くなったことがわかった。

本実施例は、Ｓｉ／Ｂ４Ｃ／Ｍｏ／Ｂ４Ｃの交互層を基本例として、挟みこむ中間層がＢ４Ｃ層とＣ層が混在した交互層を有する。１〜２００層目までをＳｉ／Ｃ／Ｍｏ／Ｃの交互層、２００〜２４０層目までをＳｉ／Ｂ４Ｃ／Ｍｏ／Ｂ４Ｃの交互層とした。この交互層を６０周期積層した場合において、広い入射角度範囲で一定の反射率を得られるように最適化処理によって決定された不均一膜厚構造の層ごとの膜厚を図１０（ａ）に示す。

本実施例による多層膜ミラーの角度反射特性を図１０（ｂ）に示す。波長１３．５ｎｍの軟Ｘ線に対する高反射率帯域の反射率平均が４０％程度で、その入射角度範囲は１５〜２５度である。比較例２と比較して入射角度範囲が３度広くなったことがわかった。

１０ 基板
１１ Ｓｉ層
１２ Ｍｏ層
１３ Ｂ４Ｃ層

Claims (5)

1. 軟Ｘ線領域にて反射特性を持つ多層膜を有する多層膜ミラーにおいて、
   前記多層膜は、
   ２種類の材料を不均一な膜厚で交互に積層した交互層を有し、
   前記交互層は、前記２種類の材料を一定膜厚で交互に積層した一定膜厚構造の交互層に対して、前記２種類の材料の層間に界面拡散を防止する中間層を介在させ、反射特性を拡大するために各層の膜厚又は周期長を調整した不均一膜厚構造の交互層であることを特徴とする多層膜ミラー。
2. 前記中間層の材料は、Ｃを主成分とすることを特徴とする請求項１に記載の多層膜ミラー。
3. 前記中間層の材料は、Ｂ４Ｃを主成分とすることを特徴とする請求項１に記載の多層膜ミラー。
4. 前記中間層の膜厚は、０．１〜０．７５ｎｍの範囲内であることを特徴とする請求項３に記載の多層膜ミラー。
5. 前記２種類の材料は、ＳｉとＭｏであることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の多層膜ミラー。

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