JP6166257B2 - Ｅｕｖリソグラフィ用の反射光学素子及び光学系 - Google Patents

Description

本発明は、多層系を備えた反射面を有する極紫外線及び軟Ｘ線波長領域用の反射光学素子に関する。さらに、本発明は、当該反射光学素子を備えたＥＵＶリソグラフィ用の光学系に関する。

半導体コンポーネントのリソグラフィのために、ＥＵＶリソグラフィ装置において、極紫外線（ＥＵＶ）及び軟Ｘ線（ＳＸ）波長領域（例えば、約５ｎｍ〜２０ｎｍの波長）用の反射光学素子、例えば多層系に基づくフォトマスク又はミラー等が利用される。ＥＵＶリソグラフィ装置は、概して複数の反射光学素子を有するので、反射光学素子は、十分に高い全反射率を確保するために最大限の反射率を有さなければならない。反射光学素子の反射率及び耐用寿命は、反射光学素子の光学的に使用される反射面の汚染により低下することがあり、こうした汚染は、動作雰囲気中の残留ガスと共に短波照射に起因して生じる。複数の反射光学素子は、通常はＥＵＶリソグラフィ装置内で縦列に配置されるので、個々の反射光学素子それぞれにおける汚染物が比較的僅かであっても、全体の反射率に比較的大きな影響を及ぼす。

汚染は、例えば残留水分に起因して生じ得る。この場合、水分子がＥＵＶ及び／又はＳＸ放射線により解離し、得られる酸素フリーラジカル（free oxygen radicals）が反射光学素子の光学活性面を酸化させる。さらに別の汚染源は、例えば、ＥＵＶリソグラフィ装置で使用される真空ポンプから、又はパターニングされる半導体基板で使用されるフォトレジストの残渣から生じ得るポリマーであり、これは、作動放射線の影響下で反射光学素子の炭素汚染につながる。酸化汚染は概して不可逆的であるが、特に、反応性水素を炭素含有残渣と反応させて揮発性化合物を形成することによる反応性水素での処理により、炭素汚染を除去することが特に可能である。反応性水素は、水素ラジカル又はイオン化水素原子又は分子であり得る。

しかしながら、洗浄に使用する反応性水素の影響下で、又はＥＵＶ及び／又はＳＸ放射線と残留雰囲気中に存在する水素との相互作用により、個々の層、特に多層系のまさに表面にある層が分離し得る可能性があることが観察された。例えばケイ素層における水素は、反応してシラン化合物を形成すると考えられる。

したがって、本発明の目的は、反応性水素の存在下でもＥＵＶリソグラフィで使用することができる反射光学素子を提供することである。

この目的は、多層系を備えた反射面を有する極紫外線及び軟Ｘ線波長領域用の反射光学素子により達成され、その場合、反射面は、炭化ケイ素又はルテニウムから構成される最上層を備えた保護層系を有し、保護層系は、５ｎｍ〜２５ｎｍの厚さを有する。

かかる保護層系を設けることで、その下に配置した多層系を、特に数百電子ボルトの運動エネルギーを有する反応性水素から保護することが明らかとなっており、こうした反応性水素は、そうでなければ多層系に数ナノメートル侵入してそこで最上層の分離を招き得る。最上層が意味するものは、真空又は反射光学素子の周囲に隣接した層である。特に、この高エネルギー水素は、保護層系で減速されると考えられる。特に、５ｎｍの保護層系厚から始めて、その下にある多層系の最上層に侵入する高エネルギー反応性水素の量は、多層系の最上層の分離が、ＥＵＶリソグラフィ用の設備での長期にわたる使用の場合でもめったにしか観察されないように低減される。

保護層系が厚いほど反応性水素からよりよく保護されるが、これは、わずか数電子ボルトでさえあり得る運動エネルギーを有する低エネルギー反応性水素が多層系の最上層まで拡散することが、この場合にさらに困難になるからである。同時に、各反射光学素子の最大透過率がＥＵＶリソグラフィでの使用に依然として十分なので、２５ｎｍを超える保護層層厚はかなり不利であることに留意されたい。

炭化ケイ素及びルテニウムは、保護層系の最上層として、すなわち周囲又は真空から遮断する層として特に適していることが分かったが、これは、炭化ケイ素及びルテニウムが反応性水素に対して不活性であると分かったからである。さらに、特に炭化ケイ素では、概してスズ及びスズ化合物並びに金属水素化合物の堆積の可能性が特に低いことが判明し、これは、反射面に生じるスズ不純物が少なくなるので、スズプラズマに基づいたＥＵＶ放射源の周囲での反射光学素子の使用を考えると特に有利である。さらに、炭化ケイ素から構成される最上層及びルテニウムから構成される最上層の場合の両方で、特にプラズマ放射源によりＥＵＶ及びＳＸ放射線に加えて放出される３００ｎｍ〜１００ｎｍの波長領域の放射線が、ここで提案した保護層系を有しない従来の反射光学素子の場合よりも効果的に抑制されることが分かった。これは特に、ＥＵＶリソグラフィでの反射光学素子の使用に有利であり、ＥＵＶリソグラフィでは、従来のフォトレジストはＥＵＶだけでなくＵＶ放射線にも反応するので、かかる保護層系がなければ、紫外線波長領域のこの放射線がフォトレジストでコーティングしたウェーハの不正確な露光をもたらし得る。

好適な実施形態では、保護層系は、厚さ５ｎｍ〜２５ｎｍの炭化ケイ素又はルテニウムから構成される最上層からなる。この単層から構成される保護層系の場合、良好な反射率と共に反応性水素からの特に効果的な保護を確保するために、最上層が１１ｎｍ〜１９ｎｍの厚さを有することが特に好ましい。保護層系として最上層のみを備えた反射光学素子は、特に容易に製造することができる。

さらに別の好適な実施形態では、最上層の下の保護層系は、一方ではモリブデン又はルテニウムから、他方では炭素、炭化物、又は窒化物、好ましくは炭化ケイ素、窒化ケイ素、炭化ホウ素、及び炭素の群からの材料から構成される、少なくとも２つの交互に配置した層を有する。ここで交互に配置が意味するのは、同じ材料の２つの層が相互に直接隣接して配置されないことである。この複数の層から構成される保護層系の場合、良好な反射率と共に反応性水素からの特に効果的な保護を確保するために、保護層系が１０ｎｍ〜２２ｎｍの全厚を有することが特に好ましい。上記材料を備えた多層保護層系の利点は、反射率の損失が単層保護層系と比べて少ないことである。特に単純な変形形態では、保護層系は、最上層と多層系との間に付加層を１つだけ有する。最上層が炭化ケイ素から構成されるとすれば、付加層はモリブデン又はルテニウムから構成される。最上層がルテニウムから構成されるとすれば、付加層は炭素、炭化物、好ましくは炭化ケイ素若しくは炭化ホウ素、又は窒化物、好ましくは窒化ケイ素である。さらに他の単純な変形形態では、保護層系は、最上層と多層系との間に２つの付加層を有する。

特に好適な実施形態では、炭化ケイ素から構成される最上層の下の保護層系は、モリブデン及び炭化ケイ素から構成される少なくとも２つの交互に配置した層を有する。この場合、保護層系は、１１ｎｍ〜２２ｎｍの全厚を有することが特に好ましい。２つの材料のみから構成されるこのような保護層系を有する反射光学素子を製造する労力は許容可能であり得る。同時に、特に高エネルギー反応性水素からの最適な保護を、最大反射率に関する最小限の損失と同時に達成することができる。さらに、この反射光学素子は、金属プラズマ放射源、特にスズプラズマ放射源でのＥＵＶリソグラフィで使用するのに特に適しており、これは、スズ又はスズ化合物又は金属水素化物による反射面の汚染の可能性が特に低く、さらに、紫外線波長領域の放射線が特に効果的に抑制されるからである。

多層系は、極紫外線及び軟Ｘ線波長領域の屈折率の実部が小さな材料の層と、極紫外線及び軟Ｘ線波長領域の屈折率が大きな実部を有する材料層とを交互に配置した層を有することが有利であり、屈折率の実部が大きな材料はケイ素である。純ケイ素から構成される層は、特に、他の材料から構成される追加層がその上に配置される場合でも、侵入する反応性水素による攻撃を特に強く受けることが判明した。ケイ素層も、ここで提案した保護層系により、特に高エネルギー反応性水素から効果的に保護される。屈折率の実部が大きな材料としてケイ素を有する多層系の場合、特に約１２．５ｎｍ〜１４．５ｎｍの波長領域で高反射性を得るために、屈折率の実部が小さな材料はモリブデンであることが有利である。

特に好適な実施形態では、反射光学素子をコレクタミラーとして設計する。コレクタミラーは、放射源、特にプラズマ放射源がさまざまな方向に放出する放射線を集めてそれを後続のミラーに集束反射するために、放射源のビーム方向下流の第１ミラーとしてＥＵＶリソグラフィで使用されることが多い。放射源の周囲における高放射強度により、残留ガス雰囲気中にある分子状水素が、高運動エネルギーを有する原子状水素にここでは特に高い尤度で変換され得ることで、特に、まさにコレクタミラーを、侵入する反応性水素に基づいて多層系の上層で分離現象を示す危険に曝す。コレクタミラーが、多層系を備えた反射面を有する極紫外線及び軟Ｘ線波長領域用の反射光学素子であり、反射面が、炭化ケイ素又はルテニウムから構成される最上層を備えた保護層系を有し、保護層系が５ｎｍ〜２５ｎｍの厚さを有する場合、十分な反射率と共にこれらの分離現象の発生を減らすことが可能である。

上記目的はさらに、前述の少なくとも１つの反射光学素子を有するＥＵＶリソグラフィ用の光学系により達成される。

有利な改良形態が従属請求項に見られる。

本発明を、好適な例示的な実施形態を参照してより詳細に説明する。

保護層系を有するコレクタミラーを備えた照明系を有するＥＵＶリソグラフィ装置の実施形態の概略図である。 反射光学素子の一実施形態の概略図である。 反射光学素子の一実施形態の概略図である。 反射光学素子の一実施形態の概略図である。 反射光学系の種々の実施形態に関する多層系の水素濃度及び最大反射率の比較を示す。

図１は、ＥＵＶリソグラフィ装置１０の概略図である。基本コンポーネントは、照明系１４、フォトマスク１７、及び投影系２０である。ＥＵＶリソグラフィ装置１０は、内部のＥＵＶ放射線の吸収ができる限り少ないように真空条件下で動作させる。

例として、放射源１２はプラズマ源又はシンクロトロンであり得る。ここに示す例では、放射源はプラズマ源である。約５ｎｍ〜２０ｎｍの波長領域の放出された放射線は、最初にコレクタミラー１３により集束される。作動ビームは、続いて照明系１４に導入される。図１に示す例では、照明系１４は２つのミラー１５、１６を有する。ミラー１５、１６は、ビームをフォトマスク１７へ指向させ、フォトマスク１７は、ウェーハ２１に結像される構造を有する。フォトマスク１７は、製造プロセスに応じて交換されるＥＵＶ及び軟Ｘ線波長領域用の反射光学素子でもある。投影系２０を使用して、フォトマスク１７が反射したビームをウェーハ２１に投影し、それによりフォトマスクの構造をウェーハ２１に結像する。投影系２０は、図示の例では２つのミラー１８、１９を有する。投影系２０及び照明系１４の両方が、１つだけの、又は３つ、４つ、５つ、及びそれ以上のミラーをそれぞれ有し得ることが指摘され得る。

照明系１４の残留ガス雰囲気中に、特に放射源１２の周囲に、放射線により高エネルギー反応性水素に分割され得る分子状水素、又はミラー１３、１５、若しくは１６の洗浄から生じ得ると共にコレクタミラー１３の多層系の上層を攻撃し得る水素がある場合に、コレクタミラー１３の耐用寿命を延ばすためにも、コレクタミラー１３に、炭化ケイ素又はルテニウムから構成される最上層を有する保護層系が設けられ、保護層系は、５ｎｍ〜２５ｎｍの厚さを有する。結果として、コレクタミラー１３は、高エネルギー反応性水素から保護されるだけではなく、プラズマ放射源１２をスズプラズマに基づいて作動させる場合のスズ堆積物からも保護される。さらに、コレクタミラー１３には、放射源１２が放出した紫外線をほぼ抑制するという利点がある。その結果、コレクタミラーは、スペクトルフィルタの機能も有する。コレクタミラーの代替として又はコレクタミラーに加えて、ＥＵＶリソグラフィ装置１０又はその光学系１４、２０の任意の他の所望のミラーに、より詳細に後述する保護層系を設けることも可能であることが指摘され得る。

図２ａ及び図２ｂは、保護層系５９を有する反射光学素子５０の例示的な実施形態の構造の概略図である。図示の例は、多層系５１に基づく反射光学素子である。ここで関与するのは、例えばリソグラフィ露光が行われる作動波長に対する屈折率の実部が大きな材料（スペーサ５５と称する）と、作動波長に対する屈折率の実部が小さな材料（アブソーバ５４とも称する）とを交互に施した層であり、アブソーバ−スペーサ対がスタック５３を形成する。それによりある程度模倣されるのは結晶であり、その格子面がアブソーバ層に相当し、ここでブラッグ反射が起こる。個々の層５４、５５の厚さは、反復スタック５３と同じく、多層系５１全体にわたって一定であっても変わってもよく、それに応じてスペクトル又は角度依存性の反射プロファイルが達成される。各作動波長で最大限の反射率を高めるために、アブソーバ５４及びスペーサ５５の基本構造にさらに他のある程度吸収性のある材料を補うことにより、反射プロファイルに意図的に影響を及ぼすこともできる。この目的で、スタックによっては、アブソーバ及び／又はスペーサ材料を相互に交換するか、又は２つ以上のアブソーバ及び／又はスペーサ材料からスタックを構成することが可能である。反射率を最適化するために、アブソーバ及びスペーサ材料の厚さは全スタックにわたって一定であっても変わってもよい。さらに、付加層をスペーサ層５５とアブソーバ層５４との間の拡散バリアとして設けることも可能である。

多層系５１は、基板５２に施されて反射面６０を形成する。熱膨張率の低い材料を基板材料として選択することが好ましい。

図２ａに示す反射光学素子５０の実施形態では、保護層系は、厚さ５ｎｍ〜２５ｎｍの炭化ケイ素又はルテニウムから構成される最上層からなる。好適な変形形態では、最上層は１１ｎｍ〜１９ｎｍの厚さを有する。

さらに他の実施形態では、保護層系は、最上層の下に、一方ではモリブデン又はルテニウムから構成され、他方では炭素、炭化物、又は窒化物、好ましくは炭化ケイ素、窒化ケイ素、炭化ホウ素、及び炭素の群からの材料から構成される、交互に配置した層を有する。有利には、これらの場合、保護層系は１０ｎｍ〜２２ｎｍの厚さを有する。２つの変形形態を、図２ｂ及び図２ｃに例として示す。図２ｂに示す変形形態では、保護層系の最上層５６の下に配置したモリブデン又はルテニウムから構成される追加層５７があり、ルテニウムは、純粋に最上層５６が炭化ケイ素から構成される場合に設けられ、その下で多層系５１の上に、炭化ケイ素、窒化ケイ素、炭化ホウ素、又は炭素から構成される追加層５８がある。最上層５６が炭化ケイ素から構成される場合、製造費を最小限に抑えるために、付加層５８も炭化ケイ素から構成されることが有利である。多層系を備えた反射面を有する反射光学素子の製造において既知である現行の方法の全てが、製造法として適している。得られる反射光学素子の反射率を高めるために、最上層５６がルテニウムから構成される場合、その下に炭化ケイ素、窒化ケイ素、炭化ホウ素、又は炭素から構成される層５８が最初に配置され、その下に、多層系５１に向かってモリブデン又はルテニウムから構成される層５７が配置されることが有利であることが指摘され得る。

図２ｃに示す変形形態が図２ｂに示す変形形態と異なるのは、高エネルギー反応性水素からの保護を改善すると同時に、保護層系を有しない類似の反射光学素子に対して最大反射率の損失を低減するために、ルテニウム又はモリブデン、又は炭化ケイ素、窒化ケイ素、炭化ホウ素、又は炭素からそれぞれ構成される、追加層５７及び５８が２つだけでなく４つの設けられる点である。当然ながら、さらに他の変形形態では、奇数の付加層５７、５８を保護層系５９に設けることもできる。さらに、最上層５６の下に１つ、２つ、３つ、４つ、５つだけでなく、６つ、７つ、８つ、９つ、又はそれ以上の付加層５７、５８を設けることが可能である。

保護層系５９のこれらの層間に、例えば拡散層の機能を担うことにより２つの隣接層５６、５７、５８の混合を妨げる付加層を配置することが可能であることが指摘され得る。

最上層５６のタイプの選択と、追加層５７、５８の数及びタイプとに応じて、保護層系５９に隣接する多層系５１の最上層は、スペーサ層５５又はアブソーバ層５４であり得る。最大限の反射率を得るために、最上アブソーバ層５４に隣接して、多層系５１の設計対象の波長に対する屈折率の実部の大きな保護層系の層５８又は５７があること、又は最上スペーサ層５５に隣接して、多層系５１の設計対象の波長に対する屈折率の実部の小さな層５７又は５８があることが好ましい。特にスペーサ層がケイ素から構成される場合に、多層系の最上スペーサ層を反応性水素からさらに保護するために、保護層系に隣接する多層系の最上層がアブソーバ層であればさらに有利である。

特に好適な実施形態では、炭化ケイ素から構成される最上層の下の保護層系は、モリブデン及び炭化ケイ素から構成される交互に配置した層を有し、保護層系は、１１ｎｍ〜２２ｎｍの厚さを有することが有利である。

種々の保護層系を有する複数の特定の実施形態を、ＥＵＶ及び／又はＳＸ波長領域での高エネルギー反応性水素の侵入及びその反射率に関して厳密に調査した。反射光学素子は、１３．５ｎｍの作動波長に最適化した、すなわち１３．５ｎｍで実質的に垂直入射で最大反射率を示す交互のケイ素層及びモリブデン層に基づく多層系を有するものとした。この場合、ケイ素層は、１３．５ｎｍにおける屈折率の実部が大きな層に相当し、モリブデン層は、１３．５ｎｍにおける屈折率の実部の小さな層に相当する。本例では、多層系はモリブデン層を最上層として有していた。

個々の実施形態で達した最大反射率を、保護層系を有しない多層系のみを備えた反射光学素子の最大反射率に正規化した。さらに、各反射光学素子を５００ｅＶの運動エネルギーを有する水素に曝した場合の、多層系の各最上ケイ素層における水素濃度を調査した。

保護層系を有しない反射光学素子の結果を、相対最大反射率１及び最上ケイ素層における水素濃度５００，０００粒子／立方センチメートルに関して三角形で図３に示し、結果は１平方センチメートルあたりの表面線量を１粒子としたものである。

第１ステップは、モリブデンケイ素多層系上にルテニウムから構成される単層保護層系を有する２つの反射光学素子を調査することであった。この場合、一方の素子は、厚さ１０ｎｍのルテニウムから構成される最上層を有し、他方の素子は、厚さ１３ｎｍのルテニウムから構成される最上層を有した。各結果を図３に正方形で示す。１０ｎｍ厚ルテニウム層では、多層系の最上ケイ素層の１平方センチメートルあたりの表面線量を１粒子として、水素１００，０００粒子が１立方センチメートルに存在した。しかしながら、最大反射率は、ルテニウムから構成される最上層のない場合の最大反射率のわずか７９％であった。１３ｎｍ厚ルテニウム層では、粒子濃度は確かに、１平方センチメートルの表面線量を１粒子として、１立方センチメートルあたりわずか４０，０００粒子にまで低下した。しかしながら、最大反射率も、保護層系のない場合の反射率のわずか７２％であった。

炭化ケイ素から構成される単層保護層系を有する反射光学素子を、１２ｎｍ厚炭化ケイ素層を有する素子及び１９ｎｍ厚炭化ケイ素層を有する素子を用いて試験した場合、明らかにより高い最大反射率と共に比較的低い水素濃度が得られる。結果を図３に十字で表す。モリブデン−ケイ素多層系上に１２ｎｍ炭化ケイ素から構成される最上層を有する反射光学素子では、結果は、相対最大反射率９１％と共に、多層系の最上ケイ素層における１平方センチメートルあたりの表面線量を１粒子として、１立方センチメートルあたり１００，０００粒子の水素濃度となったが、厚さ１９ｎｍの炭化ケイ素では、結果は、相対最大反射率８６％と共に、１平方センチメートルの表面線量を１粒子として、１立方センチメートルあたり２０，０００粒子の水素濃度となった。

さらに、多層保護層系を有する反射光学素子を調査した。厚さ４ｎｍの炭化ケイ素の最上層の下に、第１素子は、厚さ３ｎｍのモリブデンから構成される追加層（図２ｂからの層５７に相当）を有し、その下に、厚さ４ｎｍの炭化ケイ素から構成される追加層（図２ｂからの層５８に相当）を有した。厚さ４ｎｍの炭化ケイ素から構成される最上層の下に、第２素子は、厚さ３ｎｍのモリブデンから構成される２つの追加層（図２ｃからの層５７に相当）を有し、それぞれの下に、厚さ４ｎｍの炭化ケイ素から構成される２つの追加層（図２ｂからの層５８に相当）を有した。両方の場合に、モリブデン−ケイ素多層系を同様にその下に位置付けた。合計２つの炭化ケイ素層を有する素子と、合計３つの炭化ケイ素層を有する素子との結果を、図３に丸で表す。２つの炭化ケイ素層を有する素子では、多層系の最上ケイ素層における１平方センチメートルあたりの表面線量を１粒子として、１立方センチメートルあたり１００，０００粒子の水素濃度で、相対最大反射率９４％に達したが、３つの炭化ケイ素層を有する素子では、相対最大反射率が依然として９１％である場合に、１平方センチメートルあたりの表面線量を１粒子として、１立方センチメートルあたり１０，０００粒子の水素濃度に達した。

Claims (7)

1. 多層系を備えた反射面を有する極紫外線及び軟Ｘ線波長領域用の反射光学素子であって、前記反射面（６０）の上に、炭化ケイ素から構成される最上層（５６）を備えた保護層系（５９）を配置し、該保護層系（５９）は、５ｎｍ〜２５ｎｍの厚さを有し、
   前記保護層系は、前記最上層（５６）の下に、モリブデン及び炭化ケイ素から構成される少なくとも２つの交互に配置した層（５７、５８）をさらに有する反射光学素子。
2. 請求項１に記載の反射光学素子において、前記保護層系（５９）は、１１ｎｍ〜２２ｎｍの厚さを有する反射光学素子。
3. 請求項１または２に記載の反射光学素子において、前記多層系（５１）は、極紫外線及び軟Ｘ線波長領域の屈折率の実部が小さな材料の層と、極紫外線及び軟Ｘ線波長領域の屈折率の実部の大きな材料の層とを交互に配置した層（５４、５５）を有し、前記屈折率の実部の大きな材料はケイ素である反射光学素子。
4. 請求項３に記載の反射光学素子において、前記屈折率の実部の小さな材料はモリブデンである反射光学素子。
5. 請求項１から４の何れか１項に記載の反射光学素子において、前記保護層系は、前記最上層の下に、モリブデン及び炭化ケイ素から構成される４つの交互に配置した層（５７、５８）を備える反射光学素子。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の反射光学素子において、該反射光学素子をコレクタミラー（１３）として設計した反射光学素子。
7. 請求項１〜６のいずれか１項に記載の少なくとも１つの反射光学素子を有するＥＵＶリソグラフィ用の光学系。

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