JP4051805B2 - 露光装置およびフォトマスク - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、露光装置、半導体装置およびフォトマスク、特に、フッ素エキシマレーザ光を露光光源として用いて線幅が１００ｎｍ以下の微細パターンを有する集積回路からなる半導体装置を製造するための露光装置、その露光装置によって得られる半導体装置、およびフォトマスクに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、光リソグラフィ技術においては、ウエハ上に微細な回路パターンを転写して集積回路からなる半導体装置を製造するための露光装置が広く利用されている。集積回路の高集積化および高機能化に伴い、露光装置には、より線幅の狭い微細な回路パターンを描画するために、深い焦点深度で高解像度の回路パターンをウエハ面上に結像させることが求められ、露光光源の短波長化が進められている。露光光源は、従来のｇ線（波長４３６ｎｍ）やｉ線（波長３６５ｎｍ）から進んで、ＫｒＦエキシマレーザ（波長２４８ｎｍ）やＡｒＦエキシマレーザ（波長１９３ｎｍ）が用いられようとしている。また、さらに微細な１００ｎｍ以下の線幅の描画を必要とする次世代の光源としてフッ素エキシマレーザ（波長１５７ｎｍ）が候補に挙げられている。
【０００３】
ＫｒＦエキシマレーザやＡｒＦエキシマレーザを光源とする露光装置の光学系には、近赤外域から真空紫外域までの広範囲の波長域にわたって透明で、熱膨張係数が極めて小さく寸法安定性に優れ、高純度である等の諸特性に優れることから、合成石英ガラスが用いられている。しかし、ＫｒＦエキシマレーザやＡｒＦエキシマレーザに用いられるＯＨ含有量が多い合成石英ガラスは、波長１６５ｎｍ以下の波長域における透過率が低く、次世代の光源として考えられているフッ素エキシマレーザには不向きである。
また、波長１６５ｎｍ以下の波長域における透過率を向上させるためにＯＨ含有量を低減させた合成石英ガラスでは、透過光の波長が１７０ｎｍ付近から短波長になるにつれて、透過率が急激に減少する。
したがって、フッ素エキシマレーザを光源として用いる露光装置に光学部材として合成石英ガラスを用いる場合には、その透過率の改善が重要な課題となる。
【０００４】
また、露光装置の光学系は、多数のレンズ、プリズム等の光学部材が組み合わされて構成されている。したがって、光学部材の一枚あるいは一個当たりの透過率の向上が、光学系全体で積算されれば、大きな透過率の向上をもたらすことになる。
【０００５】
しかし、フッ素エキシマレーザの波長域である波長１６５ｎｍ以下の波長領域での透過率が改善され、フッ素エキシマレーザを光源とする露光装置の光学部材に適用できる合成石英ガラスを、効率的にかつ簡便に製造する方法は未だ提案されておらず、次世代の露光装置を開発する上で大きな課題となっていた。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、フッ素エキシマレーザ光を露光光源として用いて線幅が１００ｎｍ以下の微細パターンを有する集積回路からなる半導体装置を製造するための露光装置およびその露光装置によって得られる半導体装置の提供を目的とする。
本発明は、また、Ｆ2 エキシマレーザを光源として用いる露光装置に用いて、ウエハ上に線幅１００ｎｍ以下の微細パターンを形成するために有用なフォトマスクの提供を目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、フッ素エキシマレーザ（以下、「Ｆ2 エキシマレーザ」という）を光源として用いる露光光源系、照明光学系、および投影光学系を構成する光学部材の少なくとも１つを光学部材用合成石英ガラスで形成してなる露光装置であって、前記光学部材用合成石英ガラスが、ＯＨ含有量が４．８〜３１ｐｐｍ、かつ水素分子含有量が１×１０ 17 個／ｃｍ 3 以上の合成石英ガラスに、波長１８０ｎｍ以下の真空紫外光を照射して波長１６５ｎｍ以下の波長域の透過率を改善する工程を有する製造方法によって得られたものである露光装置を提供する。
【０００９】
本発明者らは、波長１５７ｎｍのＦ2 エキシマレーザを光源として用いる露光装置においては、露光装置を構成する露光光源系、照明光学系、フォトマスクおよび投影光学系のそれぞれを構成する光学部材として、Ｆ2 エキシマレーザに対して高い透過率を有することが求められ、波長１５７ｎｍにおける吸収係数が０．７０ｃｍ-1以下であることが有効であることを知見した。特に、波長１５７ｎｍにおける吸収係数が０．３０ｃｍ-1以下であることが好ましい。
また、光学部材は、ＳｉＯＨの伸縮振動に基づく赤外吸収ピークを略３６４０ｃｍ-1に有することが有効であることを知見した。
【００１１】
また、本発明は、ＯＨ含有量が４．８〜３１ｐｐｍ、かつ水素分子含有量が１×１０17個／ｃｍ3 以上の合成石英ガラスに、波長１８０ｎｍ以下の真空紫外光を照射して波長１６５ｎｍ以下の波長域の透過率を改善する工程を有する製造方法によって得られた光学部材用合成石英ガラスを用いたフォトマスクを提供する。
【００１２】
本発明において、フォトマスクとは、透明基材の表面に、ウエハ上に形成する回路パターンに対応するパターンが配設されたものをいい、フォトリソグラフィ用露光装置（例えば、ステッパ、スキャナ等）に用いられ、レチクルともいう。本発明において、光学部材用合成石英ガラスを用いたフォトマスクまたはレチクルとは、光学部材用合成石英ガラスからなる透明基材を有し、表面にウエハ上に形成する回路パターンに対応するパターンが配設されたものをいう。
【００１３】
また、本発明者らは、Ｆ2 エキシマレーザを光源とする露光装置の光学部材として用いる合成石英ガラスの波長１６５ｎｍ以下の透過率を改善するためには、ＯＨ含有量および水素分子含有量を制御した合成石英ガラスに波長１８０ｎｍ以下の真空紫外光を照射処理することが有効であることを知見した。
【００１４】
そこで、照射処理前の合成石英ガラス（以下、「照射前合成石英ガラス」という）におけるＯＨ含有量および水素分子含有量が、照射処理後の合成石英ガラスの波長１６５ｎｍ以下の透過率に及ぼす影響を検討した。その結果、照射前合成石英ガラス中のＯＨ含有量は真空紫外域における光透過性に影響を及ぼし、ＯＨ含有量が高いほど光透過性が低下するが、４．８〜３１ｐｐｍであれば、真空紫外光の照射によって波長１６５ｎｍ以下の透過率の改善を得ることができ、特に３０ｐｐｍ以下（さらには１０ｐｐｍ以下）であれば、波長１６５ｎｍ以下の透過率の改善に有効であることを知見した。
【００１５】
また、照射前合成石英ガラス中の水素分子は、紫外線照射による欠陥生成を抑制する作用があり、水素分子含有量が１×１０17個／ｃｍ3 以上であれば、波長１６５ｎｍ以下の透過率の改善に有効であることを知見した。特に、１×１０18個／ｃｍ3 以上であれば、光学部材用合成石英ガラスとして使用される際の耐紫外線性（紫外線照射により透過率が著しく低下しない性能）の観点から好ましい。
【００１６】
また、本発明において、照射前合成石英ガラスは、還元型欠陥を実質的に含まないことが好ましい。本発明において、還元型欠陥とは≡Ｓｉ−Ｓｉ≡のことをさし、波長１６３ｎｍを中心とする吸収帯を有する。１６３ｎｍにおける内部透過率Ｔ163 （％／ｃｍ）は、合成石英ガラス中のＯＨ含有量ＣOH（ｐｐｍ）により次式（１）のように推測される。
Ｔ163 （％／ｃｍ）≧ｅｘｐ（−０．０２ＣOH 0.85）×１００ （１）
本発明において、還元型欠陥を実質的に含有しないとは、１６３ｎｍにおける内部透過率に関する式（１）を満足することを意味する。
しかし、還元型欠陥があると、１６３ｎｍを中心とした吸収帯があるため、実際の波長１６３ｎｍにおける透過率（Ｔ163 ）は、式（１）の右辺の値よりも小さくなる。そこで、還元型欠陥を実質的に含有しなければ、波長１６５ｎｍ以下においてより高い透過率を得るために有効である。
【００１７】
また、照射前合成石英ガラス中に、フッ素は含有されていてもよい。フッ素が照射前合成石英ガラス中に含まれている場合には、フッ素は、照射前合成石英ガラス中の不安定な構造を低減し、波長１６５ｎｍ以下の透過率の改善に有効である。照射前合成石英ガラス中のフッ素含有量は１００〜２０００ｐｐｍが好ましい。より好ましくは、１００〜６００ｐｐｍの範囲である。
【００１８】
照射前合成石英ガラス中のアルカリ金属、アルカリ土類金属、遷移金属等の金属不純物は、紫外域から真空紫外域における透過率を低下させるだけでなく、耐紫外線性を低下させる原因ともなるため、その含有量は極力少ない方が好ましい。具体的には金属不純物の合計量が１００ｐｐｂ以下、特に５０ｐｐｂ以下が好ましい。
【００１９】
照射前合成石英ガラスの製造方法としては、ＯＨ含有量および水素分子含有量が前期所定の範囲となる製造方法であれば、特に限定されない。例えば、直接法、スート法（ＶＡＤ法、ＯＶＤ法）、プラズマ法等を挙げることができる。製造時の温度が低く、塩素および金属などの不純物の混入を避けることができる観点で、スート法が特に好ましい。
【００２０】
照射する真空紫外光の波長は、１８０ｎｍ以下、好ましくは１７５ｎｍ以下である。また。真空紫外光は、連続光でもよいし、単色光でもよい。
照射する真空紫外光の強さは１ｍＪ／ｃｍ2 以上が好ましい。より短時間で効果を得るためには５ｍＪ／ｃｍ2 以上であることが好ましい。照射時間は用いる光源により適宜決定される。総照射エネルギー量は１０００ｍＪ／ｃｍ2 以上、特に３０００ｍＪ／ｃｍ2 以上が好ましい。
照射処理の雰囲気は、雰囲気中に酸素分子、水分等が含まれると真空紫外光を吸収するため、窒素雰囲気もしくはＨｅ雰囲気等とするのが好ましい。
【００２１】
真空紫外光源の具体例としては、キセノンを媒質とするキセノンエキシマランプ（主波長１７２ｎｍ）、フッ素を媒質とするＦ2 エキシマレーザ（主波長１５７ｎｍ）等が挙げられる。広範囲の領域にわたって波長１６５ｎｍ以下の透過率の改善が必要な場合にはキセノンエキシマランプが好ましい。また、生産性の観点からはＦ2 エキシマレーザが好ましい。
【００２２】
照射処理は、合成石英ガラスを光学部材にするために経る各工程の前後のいずれの段階で行ってもよい。なお、各工程とは、加熱工程、切断工程、研磨工程、または、仕上げ工程などをいう。光学部材として完成した後に照射処理してもよい。また、照射処理は、光透過領域（光が透過する光路に相当する領域）のみに施しても良い。
【００２３】
以下、図１に示す本発明の露光装置の実施態様に基づいて本発明について説明する。ただし、図１は、本発明の露光装置の一例を示す概略図であり、その構成、配置等は特に特定する記載がないかぎりは、本発明を限定するものではない。図１に示す露光装置は、基本的に、露光光源系、照明光学系および投影光学系を主要な構成要素とする。
【００２４】
露光光源系においては、レーザチャンバ１内にフッ素ガスを導入し、電源２による放電によってＦ2 エキシマレーザが発生される。発生したＦ2 エキシマレーザは、一般に発振波長に幅を持っているため、挟帯域化ユニット３により所定の波長半値幅を有するように狭帯域化され、窓材４を介して照明光学系に発射される。このとき、Ｆ2 エキシマレーザから、ハーフミラー５によって分光された一部のレーザ光は、ビームモニタ６に入射して、波長および出力がモニタされる。
【００２５】
照明光学系は、コンデンサーレンズ７ａおよび７ｂ、ならびにフライアイレンズ（図示せず）等からなる光学系である。露光光源系から発射されたＦ2 エキシマレーザ光は、コンデンサーレンズ７ａと７ｂとの間に光源の像である２次光源面８を形成し、さらに平行光を形成し、レチクルアライメント系に保持されたレチクル９を均一に照明する。
【００２６】
レチクル９の出射側の表面には、ウエハ上に形成する回路パターンに応じて所定の倍率でレチクルパターンが形成されている。レチクル９を通過したＦ2 エキシマレーザ光は、投影光学系に入射する。
投影光学系は、複数の光学部材を組み合わせて構成された縮小投影レンズ１０および絞り１１等からなる光学系である。投影光学系においては、レチクルパターンのフーリエ変換像が絞り１１の瞳面に形成され、さらにそのフーリエ変換像が、像面の位置に、ＸＹ−θステージ等のウエハアライメント装置によって所定の位置に配置されたウエハ１２上に形成され、回路パターンが露光される。
【００２７】
なお、図１は、露光装置の構成を概略的に示すものであり、各光学系は、複数のレンズ群からなる光学部材を組み合わせ、所定の位置に配置して構成されている。例えば、照明光学系は、コンデンサーレンズ（図１に示す７ａおよび７ｂ）に限定されず、フライアイレンズ等の複数のレンズからなる光学部材を組み合わせて構成される。
また、投影光学系も、例えば、屈折力が正のレンズ群と、屈折力が負のレンズ群とを、色収差を補正するように、組み合わせて構成される。
【００２８】
本発明の露光装置は、これらの露光光源系、照明光学系、レチクルおよび投影光学系を構成する光学部材の少なくとも１つを前記光学部材用合成石英ガラスで形成してなるものである。すなわち、露光光源系を構成する狭帯域化ユニット（エタロン）、ハーフミラー、窓材；照明光学系を構成するコンデンサーレンズ等の各種のレンズ；投影光学系を構成する屈折力が正のレンズ群、屈折力が負のレンズ群などの光学部材、およびレチクルの少なくとも１つを前記前記光学部材用合成石英ガラスで形成してなるものである。本発明の露光装置において、すべての光学部材を、前記光学部材用合成石英ガラスで形成してもよいし、一部のみを前記光学部材用合成石英ガラスで形成してもよい。他の光学部材としては、例えば、蛍石などが挙げられる。
【００２９】
特に、本発明の露光装置において、露光光源系においては、狭帯域化ユニット（エタロン）、ハーフミラー、窓材、照明光学系においては、透過レーザ光強度が０．１０ｍＪ／ｃｍ2 以下である部位に配置されるレンズ、投影光学系においては、透過レーザ光強度が０．０５ｍＪ／ｃｍ2 以下である部位に配置されるレンズ等の光学部材を、前記の光学部材用合成石英ガラスで形成するのが好ましい。
また、前記の光学部材用合成石英ガラスで光学部材を構成すれば、蛍石等の結晶材料を用いた場合に比べ、設計の自由度が増す。
【００３０】
また、フォトマスク（例えば、レチクル）を前記光学部材用合成石英ガラスで形成すると、レチクルを作製するための各製造工程が、現行のＡｒＦレーザ、ＫｒＦレーザ用レチクルの製造工程とほぼ同一となるため、生産性、コストの点できわめて有利である。
【００３１】
本発明の露光装置を用いて得られる半導体装置は、線幅１００ｎｍ以下の微細パターンを有し、例えば、１Ｇビット以上のメモリセルを有するＤＲＡＭを構成することができる。
【００３２】
【実施例】
以下、実施例によって本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれらの例により限定されるものではない。
【００３３】
（合成例１）
公知のスート法により、ＳｉＣｌ4 を酸水素火炎中で加熱加水分解させ、形成された石英ガラス微粒子を基材に堆積させて、直径３５ｃｍ、長さ１００ｃｍの多孔質石英ガラス体を作製した。得られた多孔質石英ガラス体を雰囲気制御可能な電気炉に設置し、室温にて１０Ｔｏｒｒまで減圧して１時間保持した後、Ｈｅ／ＳｉＦ4 ＝９９／１（体積比）の混合ガスを常圧になるまで導入した。この雰囲気中、常圧および室温で数時間保持することにより、フッ素ドープを行った。続いて、Ｈｅ１００％雰囲気下に１４５０℃まで昇温し、この温度で５時間保持して、フッ素を含有した透明ガラス体を得た。
【００３４】
得られた透明石英ガラス体から、１００φ×３０ｍｍの円板状のブロックを切り出した。ブロックを、水素１００％、１０気圧、５００℃の雰囲気下で２５０時間保持し、水素ドープ処理を行い、照射前合成石英ガラスを得た。得られた合成石英ガラスのＯＨ含有量及び水素分子含有量は、それぞれ４．８ｐｐｍ、１７．４×１０17個／ｃｍ3 であった。また、前記式（１）により、還元型欠陥の有無に関し評価した結果、還元型欠陥を実質的に含有しないことが確認された。
さらに、円板状の合成石英ガラスの両面を光学研磨した後、窒素雰囲気下、キセノンエキシマランプ（主波長１７２ｎｍ）で６５０時間照射処理（総照射エネルギー量：約１３０００Ｊ／ｃｍ2 ）を施し光学部材用合成石英ガラスを得た。
このとき、照射処理前後の合成石英ガラスの波長１５７ｎｍの紫外光に対する吸収係数（「波長１５７ｎｍの紫外光に対する吸収係数」を以下、単に「１５７ｎｍ吸収係数」という）、照射後の合成石英ガラスにおけるＳｉＯＨ伸縮振動に基づく赤外吸収ピーク（「ＳｉＯＨ伸縮振動に基づく赤外吸収ピーク」を以下、単にＳｉＯＨ吸収ピークという）の位置（ｃｍ-1）を測定した。
【００３５】
（合成例２）
合成例１と同様の方法で、ＯＨ含有量が１９ｐｐｍ、水素分子含有量が１０．３×１０17個／ｃｍ3 で、還元型欠陥を実質的に含有しない照射前合成石英ガラスを準備し、窒素雰囲気内でＦ2 エキシマレーザを照射して光学部材用合成石英ガラスを得た。照射条件は、１０ｍＪ／ｃｍ2 ×４０Ｈｚ×１５０ｍｉｎであった。このとき、照射処理前後の合成石英ガラスの１５７ｎｍ吸収係数、照射後の合成石英ガラスにおけるＳｉＯＨ吸収ピークの位置（ｃｍ-1）を測定した。
【００３６】
（合成例３）
合成例１と同様の方法で、ＯＨ含有量が３１ｐｐｍ、水素分子含有量が２．１×１０17個／ｃｍ3 で、還元型欠陥を実質的に含有しない照射前合成石英ガラスを準備し、窒素雰囲気内でキセノンを媒質とするエキシマランプを６５０時間照射処理（合計照射エネルギー量：約１３０００Ｊ／ｃｍ2 ）を施し、光学部材用合成石英ガラスを得た。このとき、照射処理前後の合成石英ガラスの１５７ｎｍ吸収係数、照射後の合成石英ガラスにおけるＳｉＯＨ吸収ピークの位置（ｃｍ-1）を測定した。
【００３７】
（評価方法）
得られた光学部材用合成石英ガラスブロックの中心部より、３０φ×１０ｍｍの評価用サンプルを切り出し、研磨加工後、以下の方法で水素分子含有量、ＯＨ含有量、ＳｉＯＨ吸収ピーク、および１５７ｎｍ吸収係数を求めた。
水素分子含有量）
ラマン分光測定を行い、レーザラマンスペクトルの４１３５ｃｍ-1の散乱ピークにより検出した強度Ｉ4135と、ケイ素と酸素との間の基本振動である８００ｃｍ-1の散乱ピークの強度Ｉ800 との強度比（＝Ｉ4135／Ｉ800 ）より、水素分子含有量（分子／ｃｍ3 ）を求めた（Ｖ．Ｓ．Ｋｈｏｔｉｍｃｈｅｎｋｏ ｅｔ．ａｌ．，Ｚｈｕｒｎａｌ Ｐｒｉｋｌａｄｎｏｉ Ｓｐｅｋｔｒｏｓｋｏｐｉｉ，４６（６），９８７〜９９７（１９８６））。
【００３８】
ＯＨ含有量及びＳｉ−ＯＨ吸収ピーク）
一般的な合成石英ガラスは、赤外分光法の透過スペクトルにおいて、ＯＨ基を含むと３６７３ｃｍ-1にピークが出現する。このピークの吸収率から、実質的なピーク高さ（Ｈ）を求め、さらに、測定時に赤外光が透過する合成石英ガラスの厚み（Ｌ、単位ｃｍ）を求め、次式よりＯＨ含有量を求める。
ＯＨ含有量（ｐｐｍ）＝９５×Ｈ／Ｌ
この手法は、β−ＯＨと呼ばれ、ガラス中のＯＨ含有量を求める際に一般的に用いられている（例えば、Ｊ．Ｐ．Ｗｉｉｌｉａｍｓｅｔ．ａｌ．，Ｃｅｒａｍ．Ｂｕｌｌ．，５５（５），５２４（１９７６））。
【００３９】
１５７ｎｍ吸収係数）
真空紫外分光光度計を用いて、厚み１０ｍｍの試料と厚み２ｍｍの試料の１５７ｎｍにおける透過率を測定し、これらの透過率から１５７ｎｍ吸収係数を算出した。１５７ｎｍ吸収係数の値が小さい方が高い透過率を示す。合成例３における真空紫外光照射処理前後での分光透過率測定結果を図１に示す。
【００４０】
【００４１】
（実施例）
合成例１〜３で得られた合成石英ガラスを用いて、レチクル（６インチ□×１／４インチ厚）を作製した。次に、露光パターンを形成したレチクルを、図１に概略構成を示す露光装置に組み込んだ。この露光装置を用いて、露光光源として出力が５ＷのＦ2 エキシマレーザ光を用い、ウエハアライメントに保持され、表面にレジストが厚さ０．５μｍで塗布されたウエハ上に、レチクルに形成された露光パターンを縮小投影して露光を行った。このとき、レチクルにおけるレーザ光のエネルギー密度は、０．０１ｍＪ／ｃｍ2 であった。また、ウエハ面上のエネルギー密度は、０．１５ｍＪ／ｃｍ2 であった。
【００４２】
得られた露光済みのウエハを、公知の方法によって現像し、形成された回路パターンについて、線幅、線幅の再現性を評価したところ、線幅は１００ｎｍ以下であり、線幅の再現性は良好であった。
【００４３】
【発明の効果】
本発明の露光装置は、Ｆ2 エキシマレーザ光を露光光源として用いて線幅が１００ｎｍ以下の微細パターンを有する集積回路からなる半導体装置を製造することができる。
本発明の半導体装置は、線幅１００ｎｍ以下の微細パターンを有し、例えば、１Ｇビット以上のメモリセルを有するＤＲＡＭ等を構成することができる。
本発明のフォトマスクは、Ｆ2 エキシマレーザを光源として用いる露光装置に用いて、ウエハ上に線幅１００ｎｍ以下の微細パターンを形成するために有用である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の露光装置の一例を示す概略構成図である。
【図２】 本発明の合成例３における照射処理前後での分光透過率測定結果を示す図である。
【符号の説明】
１ レーザチャンバ
２ 電源
３ 挟帯域化ユニット
４ 窓材
５ ハーフミラー
６ ビームモニタ
７ａ，７ｂ コンデンサーレンズ
８ ２次光源面
９ レチクル
１０ 縮小投影レンズ
１１ 絞り
１２ ウエハ
【発明の属する技術分野】
本発明は、露光装置、半導体装置およびフォトマスク、特に、フッ素エキシマレーザ光を露光光源として用いて線幅が１００ｎｍ以下の微細パターンを有する集積回路からなる半導体装置を製造するための露光装置、その露光装置によって得られる半導体装置、およびフォトマスクに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、光リソグラフィ技術においては、ウエハ上に微細な回路パターンを転写して集積回路からなる半導体装置を製造するための露光装置が広く利用されている。集積回路の高集積化および高機能化に伴い、露光装置には、より線幅の狭い微細な回路パターンを描画するために、深い焦点深度で高解像度の回路パターンをウエハ面上に結像させることが求められ、露光光源の短波長化が進められている。露光光源は、従来のｇ線（波長４３６ｎｍ）やｉ線（波長３６５ｎｍ）から進んで、ＫｒＦエキシマレーザ（波長２４８ｎｍ）やＡｒＦエキシマレーザ（波長１９３ｎｍ）が用いられようとしている。また、さらに微細な１００ｎｍ以下の線幅の描画を必要とする次世代の光源としてフッ素エキシマレーザ（波長１５７ｎｍ）が候補に挙げられている。
【０００３】
ＫｒＦエキシマレーザやＡｒＦエキシマレーザを光源とする露光装置の光学系には、近赤外域から真空紫外域までの広範囲の波長域にわたって透明で、熱膨張係数が極めて小さく寸法安定性に優れ、高純度である等の諸特性に優れることから、合成石英ガラスが用いられている。しかし、ＫｒＦエキシマレーザやＡｒＦエキシマレーザに用いられるＯＨ含有量が多い合成石英ガラスは、波長１６５ｎｍ以下の波長域における透過率が低く、次世代の光源として考えられているフッ素エキシマレーザには不向きである。
また、波長１６５ｎｍ以下の波長域における透過率を向上させるためにＯＨ含有量を低減させた合成石英ガラスでは、透過光の波長が１７０ｎｍ付近から短波長になるにつれて、透過率が急激に減少する。
したがって、フッ素エキシマレーザを光源として用いる露光装置に光学部材として合成石英ガラスを用いる場合には、その透過率の改善が重要な課題となる。
【０００４】
また、露光装置の光学系は、多数のレンズ、プリズム等の光学部材が組み合わされて構成されている。したがって、光学部材の一枚あるいは一個当たりの透過率の向上が、光学系全体で積算されれば、大きな透過率の向上をもたらすことになる。
【０００５】
しかし、フッ素エキシマレーザの波長域である波長１６５ｎｍ以下の波長領域での透過率が改善され、フッ素エキシマレーザを光源とする露光装置の光学部材に適用できる合成石英ガラスを、効率的にかつ簡便に製造する方法は未だ提案されておらず、次世代の露光装置を開発する上で大きな課題となっていた。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、フッ素エキシマレーザ光を露光光源として用いて線幅が１００ｎｍ以下の微細パターンを有する集積回路からなる半導体装置を製造するための露光装置およびその露光装置によって得られる半導体装置の提供を目的とする。
本発明は、また、Ｆ2 エキシマレーザを光源として用いる露光装置に用いて、ウエハ上に線幅１００ｎｍ以下の微細パターンを形成するために有用なフォトマスクの提供を目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、フッ素エキシマレーザ（以下、「Ｆ2 エキシマレーザ」という）を光源として用いる露光光源系、照明光学系、および投影光学系を構成する光学部材の少なくとも１つを光学部材用合成石英ガラスで形成してなる露光装置であって、前記光学部材用合成石英ガラスが、ＯＨ含有量が４．８〜３１ｐｐｍ、かつ水素分子含有量が１×１０ 17 個／ｃｍ 3 以上の合成石英ガラスに、波長１８０ｎｍ以下の真空紫外光を照射して波長１６５ｎｍ以下の波長域の透過率を改善する工程を有する製造方法によって得られたものである露光装置を提供する。
【０００９】
本発明者らは、波長１５７ｎｍのＦ2 エキシマレーザを光源として用いる露光装置においては、露光装置を構成する露光光源系、照明光学系、フォトマスクおよび投影光学系のそれぞれを構成する光学部材として、Ｆ2 エキシマレーザに対して高い透過率を有することが求められ、波長１５７ｎｍにおける吸収係数が０．７０ｃｍ-1以下であることが有効であることを知見した。特に、波長１５７ｎｍにおける吸収係数が０．３０ｃｍ-1以下であることが好ましい。
また、光学部材は、ＳｉＯＨの伸縮振動に基づく赤外吸収ピークを略３６４０ｃｍ-1に有することが有効であることを知見した。
【００１１】
また、本発明は、ＯＨ含有量が４．８〜３１ｐｐｍ、かつ水素分子含有量が１×１０17個／ｃｍ3 以上の合成石英ガラスに、波長１８０ｎｍ以下の真空紫外光を照射して波長１６５ｎｍ以下の波長域の透過率を改善する工程を有する製造方法によって得られた光学部材用合成石英ガラスを用いたフォトマスクを提供する。
【００１２】
本発明において、フォトマスクとは、透明基材の表面に、ウエハ上に形成する回路パターンに対応するパターンが配設されたものをいい、フォトリソグラフィ用露光装置（例えば、ステッパ、スキャナ等）に用いられ、レチクルともいう。本発明において、光学部材用合成石英ガラスを用いたフォトマスクまたはレチクルとは、光学部材用合成石英ガラスからなる透明基材を有し、表面にウエハ上に形成する回路パターンに対応するパターンが配設されたものをいう。
【００１３】
また、本発明者らは、Ｆ2 エキシマレーザを光源とする露光装置の光学部材として用いる合成石英ガラスの波長１６５ｎｍ以下の透過率を改善するためには、ＯＨ含有量および水素分子含有量を制御した合成石英ガラスに波長１８０ｎｍ以下の真空紫外光を照射処理することが有効であることを知見した。
【００１４】
そこで、照射処理前の合成石英ガラス（以下、「照射前合成石英ガラス」という）におけるＯＨ含有量および水素分子含有量が、照射処理後の合成石英ガラスの波長１６５ｎｍ以下の透過率に及ぼす影響を検討した。その結果、照射前合成石英ガラス中のＯＨ含有量は真空紫外域における光透過性に影響を及ぼし、ＯＨ含有量が高いほど光透過性が低下するが、４．８〜３１ｐｐｍであれば、真空紫外光の照射によって波長１６５ｎｍ以下の透過率の改善を得ることができ、特に３０ｐｐｍ以下（さらには１０ｐｐｍ以下）であれば、波長１６５ｎｍ以下の透過率の改善に有効であることを知見した。
【００１５】
また、照射前合成石英ガラス中の水素分子は、紫外線照射による欠陥生成を抑制する作用があり、水素分子含有量が１×１０17個／ｃｍ3 以上であれば、波長１６５ｎｍ以下の透過率の改善に有効であることを知見した。特に、１×１０18個／ｃｍ3 以上であれば、光学部材用合成石英ガラスとして使用される際の耐紫外線性（紫外線照射により透過率が著しく低下しない性能）の観点から好ましい。
【００１６】
また、本発明において、照射前合成石英ガラスは、還元型欠陥を実質的に含まないことが好ましい。本発明において、還元型欠陥とは≡Ｓｉ−Ｓｉ≡のことをさし、波長１６３ｎｍを中心とする吸収帯を有する。１６３ｎｍにおける内部透過率Ｔ163 （％／ｃｍ）は、合成石英ガラス中のＯＨ含有量ＣOH（ｐｐｍ）により次式（１）のように推測される。
Ｔ163 （％／ｃｍ）≧ｅｘｐ（−０．０２ＣOH 0.85）×１００ （１）
本発明において、還元型欠陥を実質的に含有しないとは、１６３ｎｍにおける内部透過率に関する式（１）を満足することを意味する。
しかし、還元型欠陥があると、１６３ｎｍを中心とした吸収帯があるため、実際の波長１６３ｎｍにおける透過率（Ｔ163 ）は、式（１）の右辺の値よりも小さくなる。そこで、還元型欠陥を実質的に含有しなければ、波長１６５ｎｍ以下においてより高い透過率を得るために有効である。
【００１７】
また、照射前合成石英ガラス中に、フッ素は含有されていてもよい。フッ素が照射前合成石英ガラス中に含まれている場合には、フッ素は、照射前合成石英ガラス中の不安定な構造を低減し、波長１６５ｎｍ以下の透過率の改善に有効である。照射前合成石英ガラス中のフッ素含有量は１００〜２０００ｐｐｍが好ましい。より好ましくは、１００〜６００ｐｐｍの範囲である。
【００１８】
照射前合成石英ガラス中のアルカリ金属、アルカリ土類金属、遷移金属等の金属不純物は、紫外域から真空紫外域における透過率を低下させるだけでなく、耐紫外線性を低下させる原因ともなるため、その含有量は極力少ない方が好ましい。具体的には金属不純物の合計量が１００ｐｐｂ以下、特に５０ｐｐｂ以下が好ましい。
【００１９】
照射前合成石英ガラスの製造方法としては、ＯＨ含有量および水素分子含有量が前期所定の範囲となる製造方法であれば、特に限定されない。例えば、直接法、スート法（ＶＡＤ法、ＯＶＤ法）、プラズマ法等を挙げることができる。製造時の温度が低く、塩素および金属などの不純物の混入を避けることができる観点で、スート法が特に好ましい。
【００２０】
照射する真空紫外光の波長は、１８０ｎｍ以下、好ましくは１７５ｎｍ以下である。また。真空紫外光は、連続光でもよいし、単色光でもよい。
照射する真空紫外光の強さは１ｍＪ／ｃｍ2 以上が好ましい。より短時間で効果を得るためには５ｍＪ／ｃｍ2 以上であることが好ましい。照射時間は用いる光源により適宜決定される。総照射エネルギー量は１０００ｍＪ／ｃｍ2 以上、特に３０００ｍＪ／ｃｍ2 以上が好ましい。
照射処理の雰囲気は、雰囲気中に酸素分子、水分等が含まれると真空紫外光を吸収するため、窒素雰囲気もしくはＨｅ雰囲気等とするのが好ましい。
【００２１】
真空紫外光源の具体例としては、キセノンを媒質とするキセノンエキシマランプ（主波長１７２ｎｍ）、フッ素を媒質とするＦ2 エキシマレーザ（主波長１５７ｎｍ）等が挙げられる。広範囲の領域にわたって波長１６５ｎｍ以下の透過率の改善が必要な場合にはキセノンエキシマランプが好ましい。また、生産性の観点からはＦ2 エキシマレーザが好ましい。
【００２２】
照射処理は、合成石英ガラスを光学部材にするために経る各工程の前後のいずれの段階で行ってもよい。なお、各工程とは、加熱工程、切断工程、研磨工程、または、仕上げ工程などをいう。光学部材として完成した後に照射処理してもよい。また、照射処理は、光透過領域（光が透過する光路に相当する領域）のみに施しても良い。
【００２３】
以下、図１に示す本発明の露光装置の実施態様に基づいて本発明について説明する。ただし、図１は、本発明の露光装置の一例を示す概略図であり、その構成、配置等は特に特定する記載がないかぎりは、本発明を限定するものではない。図１に示す露光装置は、基本的に、露光光源系、照明光学系および投影光学系を主要な構成要素とする。
【００２４】
露光光源系においては、レーザチャンバ１内にフッ素ガスを導入し、電源２による放電によってＦ2 エキシマレーザが発生される。発生したＦ2 エキシマレーザは、一般に発振波長に幅を持っているため、挟帯域化ユニット３により所定の波長半値幅を有するように狭帯域化され、窓材４を介して照明光学系に発射される。このとき、Ｆ2 エキシマレーザから、ハーフミラー５によって分光された一部のレーザ光は、ビームモニタ６に入射して、波長および出力がモニタされる。
【００２５】
照明光学系は、コンデンサーレンズ７ａおよび７ｂ、ならびにフライアイレンズ（図示せず）等からなる光学系である。露光光源系から発射されたＦ2 エキシマレーザ光は、コンデンサーレンズ７ａと７ｂとの間に光源の像である２次光源面８を形成し、さらに平行光を形成し、レチクルアライメント系に保持されたレチクル９を均一に照明する。
【００２６】
レチクル９の出射側の表面には、ウエハ上に形成する回路パターンに応じて所定の倍率でレチクルパターンが形成されている。レチクル９を通過したＦ2 エキシマレーザ光は、投影光学系に入射する。
投影光学系は、複数の光学部材を組み合わせて構成された縮小投影レンズ１０および絞り１１等からなる光学系である。投影光学系においては、レチクルパターンのフーリエ変換像が絞り１１の瞳面に形成され、さらにそのフーリエ変換像が、像面の位置に、ＸＹ−θステージ等のウエハアライメント装置によって所定の位置に配置されたウエハ１２上に形成され、回路パターンが露光される。
【００２７】
なお、図１は、露光装置の構成を概略的に示すものであり、各光学系は、複数のレンズ群からなる光学部材を組み合わせ、所定の位置に配置して構成されている。例えば、照明光学系は、コンデンサーレンズ（図１に示す７ａおよび７ｂ）に限定されず、フライアイレンズ等の複数のレンズからなる光学部材を組み合わせて構成される。
また、投影光学系も、例えば、屈折力が正のレンズ群と、屈折力が負のレンズ群とを、色収差を補正するように、組み合わせて構成される。
【００２８】
本発明の露光装置は、これらの露光光源系、照明光学系、レチクルおよび投影光学系を構成する光学部材の少なくとも１つを前記光学部材用合成石英ガラスで形成してなるものである。すなわち、露光光源系を構成する狭帯域化ユニット（エタロン）、ハーフミラー、窓材；照明光学系を構成するコンデンサーレンズ等の各種のレンズ；投影光学系を構成する屈折力が正のレンズ群、屈折力が負のレンズ群などの光学部材、およびレチクルの少なくとも１つを前記前記光学部材用合成石英ガラスで形成してなるものである。本発明の露光装置において、すべての光学部材を、前記光学部材用合成石英ガラスで形成してもよいし、一部のみを前記光学部材用合成石英ガラスで形成してもよい。他の光学部材としては、例えば、蛍石などが挙げられる。
【００２９】
特に、本発明の露光装置において、露光光源系においては、狭帯域化ユニット（エタロン）、ハーフミラー、窓材、照明光学系においては、透過レーザ光強度が０．１０ｍＪ／ｃｍ2 以下である部位に配置されるレンズ、投影光学系においては、透過レーザ光強度が０．０５ｍＪ／ｃｍ2 以下である部位に配置されるレンズ等の光学部材を、前記の光学部材用合成石英ガラスで形成するのが好ましい。
また、前記の光学部材用合成石英ガラスで光学部材を構成すれば、蛍石等の結晶材料を用いた場合に比べ、設計の自由度が増す。
【００３０】
また、フォトマスク（例えば、レチクル）を前記光学部材用合成石英ガラスで形成すると、レチクルを作製するための各製造工程が、現行のＡｒＦレーザ、ＫｒＦレーザ用レチクルの製造工程とほぼ同一となるため、生産性、コストの点できわめて有利である。
【００３１】
本発明の露光装置を用いて得られる半導体装置は、線幅１００ｎｍ以下の微細パターンを有し、例えば、１Ｇビット以上のメモリセルを有するＤＲＡＭを構成することができる。
【００３２】
【実施例】
以下、実施例によって本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれらの例により限定されるものではない。
【００３３】
（合成例１）
公知のスート法により、ＳｉＣｌ4 を酸水素火炎中で加熱加水分解させ、形成された石英ガラス微粒子を基材に堆積させて、直径３５ｃｍ、長さ１００ｃｍの多孔質石英ガラス体を作製した。得られた多孔質石英ガラス体を雰囲気制御可能な電気炉に設置し、室温にて１０Ｔｏｒｒまで減圧して１時間保持した後、Ｈｅ／ＳｉＦ4 ＝９９／１（体積比）の混合ガスを常圧になるまで導入した。この雰囲気中、常圧および室温で数時間保持することにより、フッ素ドープを行った。続いて、Ｈｅ１００％雰囲気下に１４５０℃まで昇温し、この温度で５時間保持して、フッ素を含有した透明ガラス体を得た。
【００３４】
得られた透明石英ガラス体から、１００φ×３０ｍｍの円板状のブロックを切り出した。ブロックを、水素１００％、１０気圧、５００℃の雰囲気下で２５０時間保持し、水素ドープ処理を行い、照射前合成石英ガラスを得た。得られた合成石英ガラスのＯＨ含有量及び水素分子含有量は、それぞれ４．８ｐｐｍ、１７．４×１０17個／ｃｍ3 であった。また、前記式（１）により、還元型欠陥の有無に関し評価した結果、還元型欠陥を実質的に含有しないことが確認された。
さらに、円板状の合成石英ガラスの両面を光学研磨した後、窒素雰囲気下、キセノンエキシマランプ（主波長１７２ｎｍ）で６５０時間照射処理（総照射エネルギー量：約１３０００Ｊ／ｃｍ2 ）を施し光学部材用合成石英ガラスを得た。
このとき、照射処理前後の合成石英ガラスの波長１５７ｎｍの紫外光に対する吸収係数（「波長１５７ｎｍの紫外光に対する吸収係数」を以下、単に「１５７ｎｍ吸収係数」という）、照射後の合成石英ガラスにおけるＳｉＯＨ伸縮振動に基づく赤外吸収ピーク（「ＳｉＯＨ伸縮振動に基づく赤外吸収ピーク」を以下、単にＳｉＯＨ吸収ピークという）の位置（ｃｍ-1）を測定した。
【００３５】
（合成例２）
合成例１と同様の方法で、ＯＨ含有量が１９ｐｐｍ、水素分子含有量が１０．３×１０17個／ｃｍ3 で、還元型欠陥を実質的に含有しない照射前合成石英ガラスを準備し、窒素雰囲気内でＦ2 エキシマレーザを照射して光学部材用合成石英ガラスを得た。照射条件は、１０ｍＪ／ｃｍ2 ×４０Ｈｚ×１５０ｍｉｎであった。このとき、照射処理前後の合成石英ガラスの１５７ｎｍ吸収係数、照射後の合成石英ガラスにおけるＳｉＯＨ吸収ピークの位置（ｃｍ-1）を測定した。
【００３６】
（合成例３）
合成例１と同様の方法で、ＯＨ含有量が３１ｐｐｍ、水素分子含有量が２．１×１０17個／ｃｍ3 で、還元型欠陥を実質的に含有しない照射前合成石英ガラスを準備し、窒素雰囲気内でキセノンを媒質とするエキシマランプを６５０時間照射処理（合計照射エネルギー量：約１３０００Ｊ／ｃｍ2 ）を施し、光学部材用合成石英ガラスを得た。このとき、照射処理前後の合成石英ガラスの１５７ｎｍ吸収係数、照射後の合成石英ガラスにおけるＳｉＯＨ吸収ピークの位置（ｃｍ-1）を測定した。
【００３７】
（評価方法）
得られた光学部材用合成石英ガラスブロックの中心部より、３０φ×１０ｍｍの評価用サンプルを切り出し、研磨加工後、以下の方法で水素分子含有量、ＯＨ含有量、ＳｉＯＨ吸収ピーク、および１５７ｎｍ吸収係数を求めた。
水素分子含有量）
ラマン分光測定を行い、レーザラマンスペクトルの４１３５ｃｍ-1の散乱ピークにより検出した強度Ｉ4135と、ケイ素と酸素との間の基本振動である８００ｃｍ-1の散乱ピークの強度Ｉ800 との強度比（＝Ｉ4135／Ｉ800 ）より、水素分子含有量（分子／ｃｍ3 ）を求めた（Ｖ．Ｓ．Ｋｈｏｔｉｍｃｈｅｎｋｏ ｅｔ．ａｌ．，Ｚｈｕｒｎａｌ Ｐｒｉｋｌａｄｎｏｉ Ｓｐｅｋｔｒｏｓｋｏｐｉｉ，４６（６），９８７〜９９７（１９８６））。
【００３８】
ＯＨ含有量及びＳｉ−ＯＨ吸収ピーク）
一般的な合成石英ガラスは、赤外分光法の透過スペクトルにおいて、ＯＨ基を含むと３６７３ｃｍ-1にピークが出現する。このピークの吸収率から、実質的なピーク高さ（Ｈ）を求め、さらに、測定時に赤外光が透過する合成石英ガラスの厚み（Ｌ、単位ｃｍ）を求め、次式よりＯＨ含有量を求める。
ＯＨ含有量（ｐｐｍ）＝９５×Ｈ／Ｌ
この手法は、β−ＯＨと呼ばれ、ガラス中のＯＨ含有量を求める際に一般的に用いられている（例えば、Ｊ．Ｐ．Ｗｉｉｌｉａｍｓｅｔ．ａｌ．，Ｃｅｒａｍ．Ｂｕｌｌ．，５５（５），５２４（１９７６））。
【００３９】
１５７ｎｍ吸収係数）
真空紫外分光光度計を用いて、厚み１０ｍｍの試料と厚み２ｍｍの試料の１５７ｎｍにおける透過率を測定し、これらの透過率から１５７ｎｍ吸収係数を算出した。１５７ｎｍ吸収係数の値が小さい方が高い透過率を示す。合成例３における真空紫外光照射処理前後での分光透過率測定結果を図１に示す。
【００４０】
（実施例）
合成例１〜３で得られた合成石英ガラスを用いて、レチクル（６インチ□×１／４インチ厚）を作製した。次に、露光パターンを形成したレチクルを、図１に概略構成を示す露光装置に組み込んだ。この露光装置を用いて、露光光源として出力が５ＷのＦ2 エキシマレーザ光を用い、ウエハアライメントに保持され、表面にレジストが厚さ０．５μｍで塗布されたウエハ上に、レチクルに形成された露光パターンを縮小投影して露光を行った。このとき、レチクルにおけるレーザ光のエネルギー密度は、０．０１ｍＪ／ｃｍ2 であった。また、ウエハ面上のエネルギー密度は、０．１５ｍＪ／ｃｍ2 であった。
【００４２】
得られた露光済みのウエハを、公知の方法によって現像し、形成された回路パターンについて、線幅、線幅の再現性を評価したところ、線幅は１００ｎｍ以下であり、線幅の再現性は良好であった。
【００４３】
【発明の効果】
本発明の露光装置は、Ｆ2 エキシマレーザ光を露光光源として用いて線幅が１００ｎｍ以下の微細パターンを有する集積回路からなる半導体装置を製造することができる。
本発明の半導体装置は、線幅１００ｎｍ以下の微細パターンを有し、例えば、１Ｇビット以上のメモリセルを有するＤＲＡＭ等を構成することができる。
本発明のフォトマスクは、Ｆ2 エキシマレーザを光源として用いる露光装置に用いて、ウエハ上に線幅１００ｎｍ以下の微細パターンを形成するために有用である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の露光装置の一例を示す概略構成図である。
【図２】 本発明の合成例３における照射処理前後での分光透過率測定結果を示す図である。
【符号の説明】
１ レーザチャンバ
２ 電源
３ 挟帯域化ユニット
４ 窓材
５ ハーフミラー
６ ビームモニタ
７ａ，７ｂ コンデンサーレンズ
８ ２次光源面
９ レチクル
１０ 縮小投影レンズ
１１ 絞り
１２ ウエハ
Claims (6)
- フッ素エキシマレーザを光源として用いる露光光源系、照明光学系、フォトマスクおよび投影光学系を構成する光学部材の少なくとも１つを光学部材用合成石英ガラスで形成してなる露光装置であって、前記光学部材用合成石英ガラスが、ＯＨ含有量が４．８〜３１ｐｐｍ、かつ水素分子含有量が１×１０17個／ｃｍ3 以上の合成石英ガラスに、波長１８０ｎｍ以下の真空紫外光を照射して波長１６５ｎｍ以下の波長域の透過率を改善する工程を有する製造方法によって得られたものである露光装置。
- 前記光学部材用合成石英ガラスの波長１５７ｎｍにおける吸収係数が０．７０ｃｍ-1以下である、請求項１に記載の露光装置。
- 波長１８０ｎｍ以下の真空紫外光が、キセノンエキシマランプ（主波長１７２ｎｍ）である請求項１または２に記載の露光装置。
- 波長１８０ｎｍ以下の真空紫外光が、フッ素エキシマレーザ（主波長１５７ｎｍ）である請求項１または２に記載の露光装置。
- 波長１８０ｎｍ以下の真空紫外光を照射する前の合成石英ガラスとして、還元型欠陥を実質的に含まない合成石英ガラスを用いる請求項１〜４のいずれかに記載の露光装置。
- ＯＨ含有量が４．８〜３１ｐｐｍ、かつ水素分子含有量が１×１０17個／ｃｍ3 以上の合成石英ガラスに、波長１８０ｎｍ以下の真空紫外光を照射して波長１６５ｎｍ以下の波長域の透過率を改善する工程を有する製造方法によって得られた光学部材用合成石英ガラスを用いたフォトマスク。
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