DE10205189B4

DE10205189B4 - Verfahren zur Erzeugung von extrem ultravioletter Strahlung auf Basis eines strahlungsemittierenden Plasmas

Info

Publication number: DE10205189B4
Application number: DE10205189A
Authority: DE
Inventors: Dr. Schriever Guido
Original assignee: Xtreme Technologies GmbH
Current assignee: Ushio Denki KK
Priority date: 2002-02-06
Filing date: 2002-02-06
Publication date: 2012-06-28
Anticipated expiration: 2022-02-07
Also published as: US20030146398A1; US6770896B2; DE10205189A1; JP2003297741A

Abstract

Verfahren zur Erzeugung extrem ultravioletter Strahlung durch Emission breitbandiger Strahlung aus einem Plasma unter Vakuumbedingungen, mit den Schritten: – Bereitstellen von Material zur Plasmaerzeugung unter Beteiligung wenigstens eines Elements der V. bis VII. Hauptgruppe der 5. Periode des Periodensystems der Elemente, – Aufbereiten des Materials zur Erzeugung des Plasmas, indem es verdampft als Arbeitsgas in einer evakuierten Entladungskammer bereitgestellt und bei einer Gasentladung in strahlendes Plasma umgewandelt wird, – Emission von intensiver EUV-Strahlung aus dem Plasma mit erhöhter Emissionscharakteristik im Bereich um 13 nm oberhalb der L-Absorptionskante von Silizium und – Reflexion der aus dem Plasma emittierten EUV-Strahlung an einem Mo/Si-Spiegel, an dessen Reflexionsvermögen das Emissionsspektrum des Materials durch Beteiligung wenigstens eines der besagten Elemente angepasst ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung von extrem ultravioletter (EUV-)Strahlung auf Basis eines strahlungsemittierenden Plasmas, insbesondere zur Erzeugung von EUV-Strahlung mit einer Wellenlänge um 13 nm. Sie findet vorzugsweise in der EUV-Lithographie für die Halbleiter-Chipherstellung Anwendung.
Durch die immer kleiner werdenden Strukturen in der Halbleitertechnik stoßen die heute üblichen Belichtungsverfahren zur Herstellung von Halbleiterstrukturen an ihre physikalischen Grenzen. Dies wird durch die Strukturen bedingt, die in der Größenordnung der Wellenlänge des für das verwendete Lithographieverfahren verwendeten Lichts liegt. Kleinere Strukturgrößen erfordern somit die Verwendung von Licht mit immer kürzerer Wellenlänge. Eine der vielversprechendsten Entwicklungen zukünftiger Lithographieverfahren ist deshalb die EUV-Lithographie. Dabei ermöglichen Mehrschichtspiegel (engl.: multi-layer mirror) die Strahlführung und -formung der EUV-Strahlung. Durch diese Mehrschichtspiegel sind Reflexionsoptiken (sogenannte Multilayer-Spiegeloptiken) realisierbar, mit denen EUV-Strahlung gebündelt und geführt werden kann. Solche meist Molybdän und Silizium enthaltenden Reflexionsoptiken haben ihr größtes Reflexionsvermögen (von etwa 70%) in einem Wellenlängenbereich, der je nach Dicke der aufgebrachten Schichten und nach Einfallswinkel der Strahlung eingestellt werden kann, jedoch stets auf der langwelligen Seite der L-Absorptionskante (bei 12,4 nm) von Silizium liegen sollte, da Silizium hier nur geringfügig absorbiert.
Derzeit bekannte EUV-Quellen arbeiten meist mit Xenon. Bei laserinduzierten Plasmen wird die Laserstrahlung mit hohen Intensitäten auf Xenon fokussiert, während bei Gasentladungsquellen Xenon als Arbeitsgas, entweder als Gasgemisch oder rein, in der Entladungskammer verwendet wird. Xenon, das unter Normalbedingungen gasförmig ist, kann zwar bei Gasentladungsquellen ohne weitere Verarbeitung eingesetzt werden, ist aber als Targetmaterial für laserinduzierte Plasmen aufgrund seiner geringen Dichte weniger geeignet. Die deshalb angestrebte Verflüssigung von Xenon stellt dabei eine technologische Herausforderung dar, weil der Temperaturbereich der Schmelzphase sehr klein ist (etwa –108°C bis –111°C) und die Handhabung von Xenon folglich eine anspruchsvolle Kühlanlage mit sehr guter Temperaturregelung erfordert. Xenon hat weiterhin den Nachteil sehr hoher Bereitstellungskosten (etwa 10 Euro pro Liter Gas), was die Verwendung als Flüssigkeit (mit entsprechend hohem Verbrauch) zusätzlich benachteiligt.
Die spektrale Verteilung der Lichtemission von Xenon (8fach bis 32fach ionisiert, 4d-4f-Übergänge) zeigt typischerweise ein Maximum im Wellenlängenbereich zwischen 10,5 und 11,0 nm, also auf der kurzwelligen Seite der Siliziumlinie. Die Lage des Maximums kann durch Variation der Plasmaparameter Dichte und Temperatur geringfügig verschoben werden, jedoch praktisch nur um wenige Zehntel Nanometer (10^–10 m), wie von G. Schriever et al. (G. Schriever, K. Bergmann, R. Lebert: Extreme ultraviolet emission of laser-produced plasmas using a cryogenic xenon target, in: J. Vac. Sci. Technol. B 17 (5), (1999), S. 2058–2060) beschrieben. Das bedeutet, dass die Emissionscharakteristik von Xenon relativ schlecht an die Reflexionscharakteristik der oben beschriebenen Multilayer-Spiegel angepasst ist und somit große Anteile der Strahlung innerhalb der Siliziumschichten der Optik absorbiert werden.
Die Emissionscharakteristik von Xenon wird aufgrund der einfachen Handhabbarkeit als gasförmiges Material bereits seit vielen Jahren in Gasentladungsquellen untersucht. Dies führte ergänzend zu theoretischen Betrachtungen, in denen die Emission mittels Hartree-Fock-Berechnungen beschrieben wird (z. B. J. Blackburn, P. K. Carroll, J. Costello, G. O'Sullivan: Spectra of Xe VII, VIII, and IX in the extreme ultraviolet: 4d-mp, nf transitions”, J. Opt. Soc. Am. 73, No. 10 (1983) 1325–1329). Die umfassenden Untersuchungen mit experimentellen und theoretischen Ergebnissen haben Xenon in der Vergangenheit zu einem universellen und sehr gut bekannten Targetmaterial für EUV-Quellen gemacht. Für die untersuchten Anwendungen waren die damit erzielten Strahlungsleistungen hinreichend, wogegen sie für die EUV-Lithographie im Zusammenwirken mit strahlformenden Optiken zu niedrig sind.
Aus einer weiteren Veröffentlichung von W. T. Silfvast et al. (Laser-produced plasmas for soft x-ray projection lithography, in: J. Vac. Sci. Technol. B 10 (6), (1992) 3126–3133) ist bekannt, dass Zinn ein breitbandiger Emitter im Wellenlängenbereich zwischen 13,0 und 13,5 nm ist. Zinn wurde hierbei als festes Target für laserinduzierte Plasmen eingesetzt. Der größte Nachteil von Zinn ist jedoch dessen starke Emission von Debris. Besonders nachteilig ist dabei, dass infolge der hohen Siedetemperatur von Zinn (ca. 2602°C) dieses Material von kontaminierten Oberflächen nur schwer entfernt werden kann.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine neue Möglichkeit zur Erzeugung von extrem ultravioletter Strahlung auf Basis eines strahlungsemittierenden Plasmas zu finden, bei der die Emissionsleistung der EUV-Quelle im Wellenlängenbereich oberhalb der L-Absorptionskante von Silizium vergrößert wird, ohne dass sich der technische und monetäre Aufwand zur Plasmaerzeugung wesentlich erhöht.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei einem Verfahren zur Erzeugung extrem ultravioletter Strahlung durch Emission breitbandiger Strahlung aus einem Plasma unter Vakuumbedingungen gelöst durch die Schritte;

– Bereitstellen von Material zur Plasmaerzeugung unter Beteiligung wenigstens eines Elements der V. bis VII. Hauptgruppe der 5. Periode des Periodensystems der Elemente,
– Aufbereiten des Materials zur Erzeugung des Plasmas, indem es verdampft als Arbeitsgas in eine evakuierte Entladungskammer eingeleitet und bei einer Gasentladung in strahlendes Plasma umgewandelt wird,
– Emission von intensiver EUV-Strahlung aus dem Plasma mit erhöhter Emissionscharakteristik im Bereich um 13 nm oberhalb der L-Absorptionskante von Silizium und
– Reflexion der aus dem Plasma emittierten EUV-Strahlung an einem Mo/Si-Spiegel, an dessen Reflexionsvermögen das Emissionsspektrum des Materials durch Beteiligung wenigstens eines der besagten Elemente angepasst ist.

Vorteilhaft wird das Plasma unter Beteiligung von Jod oder Jodverbindungen erzeugt. Des Weiteren ist es zweckmäßig, das Plasma unter Beteiligung von Tellur oder Antimon oder von Tellurverbindungen oder Antimonverbindungen zu erzeugen. Vorzugsweise lässt sich das Plasma aus Materialien unter Beteiligung von chemischen Verbindungen von Jod, Tellur oder Antimon untereinander, insbesondere Tellur-Jodid und Antimon-Jodid, erzeugen.
Um eine besonders intensive Strahlungsausbeute um 13 nm zu erzielen, erweist es sich als günstig, das Plasma aus chemischen Verbindungen von Jod mit Lithium oder Jod mit Fluor, wie z. B. LiI und IF₇ oder IF₅, zu erzeugen. Dadurch kommt es zur Überlagerung der breitbandigen Jodemission mit Linienemissionen des Lithiums bzw. Fluors.
Die vorgeschlagenen Materialien zur Plasmaerzeugung sind neben der Verwendung für EUV-Quellen auf Basis einer Gasentladung, bei der sie verdampft als Arbeitsgas in die evakuierte Entladungskammer eingeleitet werden, auch für laserbasierte EUV-Quellen geeignet, indem sie als Targetmaterial für die Anregungsstrahlung mittels Laserstrahlung eingebracht werden. Dabei kann das Material auch als flüssiges Targetmaterial oder in festem Aggregatzustand eingebracht werden.
Der Grundgedanke der Erfindung basiert auf der Überlegung, dass das meist zur Erzeugung von EUV-Strahlung verwendete Material, Xenon, eigentlich nicht die optimale Strahlungscharakteristik für die zur Übertragung der EUV-Strahlung derzeit zur Verfügung stehenden Mehrschicht-Reflexionsoptiken aus Molybdän und Silizium aufweist, da das Reflexionsvermögen der Optik unterhalb der L-Absorptionskante von Silizium (Ca, 12,4 nm) erheblich eingeschränkt ist. Aufgrund der Vielzahl der in einem Lithographie-Stepper bzw. -Scanner (in einem Seriengerät ca. 10 Optiken) führt dies zu einem nicht tragbaren Strahlungsverlust. Zudem ist insbesondere für laserinduziertes Plasma der Aufwand für die Verflüssigung von Xenon als Targetmaterial zusammen mit dem an sich schon hohen Bereitstellungspreis von Xenon ein erheblicher Kostenfaktor.
Andererseits sind aus der laserinduzierten Plasmaerzeugung bekannt gewordene Versuche mit metallischem Targetmaterial aus Zinn aufgrund zu hoher Debris und daraus resultierender Beschränkungen für langlebige EUV-Quellen ungeeignet. Überraschend hat sich nun jedoch herausgestellt, dass die aufgrund ihrer elektronischen Ähnlichkeit zu Xenon aufgefundenen Elemente Jod, Tellur oder Antimon (sowie chemische Verbindungen daraus) wesentlich günstigere Eigenschaften bezüglich von Debris aufweisen als Zinn. Dabei ist die Debris zwar nicht vernachlässigbar, jedoch aufgrund sehr viel geringerer Schmelz- und Siedepunkte viel leichter zu entfernen, indem die Kontamination von Oberflächen durch Verdampfen mittels vertretbarer Aufheiztemperatur beseitigt wird. Zugleich ermöglichen die niedrigen Siedepunkte auch einen einfachen Einsatz in Gasentladungsquellen zur EUV-Erzeugung.
Die geringeren Kernladungszahlen der vorgeschlagenen Elemente im Vergleich zu Xenon führen bei ansonsten gleichen elektronischen Voraussetzungen (Ionisationsgrad) und innerionischen Übergängen zu einer Emission von Photonen mit kleinerer Photonenenergie bzw. größerer Wellenlänge. Die Elemente sind daher besser als Xenon für die Emission von Strahlung um 13 nm Wellenlänge geeignet.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es möglich, EUV-Strahlung auf Basis eines strahlungsemittierenden Plasmas zu erzeugen, bei der die Emissionsleistung der EUV-Quelle im Wellenlängenbereich oberhalb der L-Absorptionskante von Silizium vergrößert wird und gegenüber der Plasmaerzeugung mittels Xenon keine wesentliche Erhöhung des technischen und monetären Aufwandes zu verzeichnen ist. Insbesondere verbessert das Verfahren die Anpassung der Emission einer EUV-Quelle an Mehrschicht-Reflexionsoptiken aus Molybdän und Silizium. Des Weiteren sind durch die Erfindung die Kosten des Materials für die Plasmaerzeugung bezüglich Beschaffung für die Plasmaerzeugung im Vergleich zu Xenon wesentlich geringer.
Die Erfindung soll nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Die Zeichnung zeigt:
1: eine Darstellung der maximalen Wellenlänge des Emissionsspektrums in Abhängigkeit von der Kernladungszahl des emittierenden Elementes in Gegenüberstellung mit der Reflexionscharakteristik einer Molybdän-Silizium-Multilayer-Reflexionsoptik.
Das erfindungsgemäße Verfahren besteht darin, dass Material zur Plasmaerzeugung unter Verwendung von wenigstens einem Element der V. bis VII. Hauptgruppe der 5. Periode des Periodensystems der Elemente oder aus diesen gebildete chemische Verbindungen aufbereitet wird, indem das Material verdampft als Arbeitsgas in einer evakuierten Entladungskammer verwendet und bei einer Gasentladung in EUV-Strahlung emittierendes Plasma umgewandelt und dann über eine Mo/Si-Reflexionsoptik für eine Anwendung bereitgestellt wird. Die neuen gewählten Materialen lassen sich in überraschend einfacher Weise für EUV-Quellen auf Basis einer Gasentladung aufbereiten, sind aber auch für laserbasierte EUV-Quellen geeignet.
Dem neuen Verfahren zur Erzeugung von EUV-Strahlung liegen die folgenden Betrachtungen zugrunde.
Die über eine Reflexionsoptik ausgekoppelte Leistung einer EUV-Strahlungsquelle lässt sich darstellen als P = ∫I(λ)R(λ)dλ, wobei I die aus dem Plasma der Strahlungsquelle abgestrahlte Intensität und R das Reflexionsvermögen der Optik jeweils in Abhängigkeit von der Wellenlänge λ sind.
Diese reflektierte Leistung – integriert über die gesamte Reflexionscharakteristik der Optik – wird größer, wenn die Maxima der Reflexionscharakteristik der Optik und der Emissionscharakteristik des Strahlers dicht zusammen liegen bzw. beide Charakteristika wesentliche Überschneidungen aufweisen.
Erstes Beispiel
Jod hat im Periodensystem der Elemente eine Ordnungszahl von Z = 53, Tellur von Z = 52 und Antimon von Z = 51. Die Elemente haben eine kleinere Kernladungszahl als Xenon. Aufgrund dieser geringeren Kernladungszahl konnte gegenüber Xenon (gleiche Periode im Periodensystem) bei einer Ähnlichkeit der elektronischen Übergänge vermutet werden, dass sich das Maximum der Emissionscharakteristik gegenüber Xenon zu größeren Wellenlängen hin verschiebt. Dieser Erwartung stand jedoch das bekannte Verhalten von Zinn (das als Target für laserbasierte Erzeugung von EUV-Strahlung bereits einschlägig untersucht wurde und eine enorm hohe Debris aufwies) gegenüber, so dass eine Verwendung von Nichthalogenen für langlebige EUV-Quellen als nicht vorteilhaft anzunehmen war.
Bei Jod ist die Emission von Debris im Vergleich zu Zinn überraschend gering. Dies könnte auf seinen hohen Dampfdruck im Zusammenwirken mit einer schnellen Verdampfung in der Vakuumumgebung, die für die Ausbreitung der EUV-Strahlung notwendig ist, zurückzuführen sein.
Wegen seines relativ niedrigen Schmelzpunktes von 114°C und Verdampfungspunktes von 184°C. kann Jod unkompliziert in allen Aggregatzuständen gehandhabt werden. Für den Einsatz in Gasentladungsquellen zur Erzeugung von EUV-Strahlung ist somit nur ein moderates Heizen über die Siedetemperatur erforderlich, um Jod, als Arbeitsgas einzusetzen. Wesentlich wirkt sich zudem aus, dass Jod deutlich preiswerter ist als Xenon.
Die Elemente Tellur und Antimon sind Metalle, die im einfachsten Fall als festes Targetmaterial für laserinduzierte Plasmen verwendet werden könnten. Die relativ niedrigen Schmelzpunkte von ca. 450°C (Tellur) bzw. 630°C (Antimon) ermöglichen es, ohne wesentliche Schwierigkeiten Tellur und Antimon auch als Flüssigkeit einzusetzen. Außerdem erlauben die (im Vergleich zur Zinn-Siedetemperatur von 2602°C) relativ niedrigen Siedepunkte von 988°C (Tellur) und 1587°C (Antimon) eine einfache Reinigung kontaminierter Flächen, indem durch vertretbares Aufheizen dieser Flächen das abgelagerte Material verdampft wird. Diese einfache Reinigungsprozedur vergrößert die Lebensdauer einer so konzipierten EUV-Quelle. Aufgrund des niedrigen Niveaus der Siedetemperaturen von Tellur und Antimon sind beide Elemente sehr unkompliziert in gasentladungsbasierten EUV-Quellen erfolgreich einsetzbar.
Bei diesen beiden Elementen gilt – in ähnlicher Weise wie bei Jod –, dass die Emissionscharakteristik im Vergleich zu Xenon weiter zu größeren Wellenlängen hin, d. h. in einem wesentlichen Umfang in einen Wellenlängenbereich zwischen 12,0 nm und 13,0 nm, verschoben ist.
Letzteres verdeutlicht die Darstellung von 1, in der die Strahlungscharakteristika der EUV-Emission als Funktion der Wellenlänge λ_max der Strahlungsmaxima über der Ordnungszahl Z von experimentell untersuchten Elementen aufgetragen sind. Dabei sind die bereits zum veröffentlichten Stand der Technik zählenden Ergebnisse als – je nach Literaturquelle hohle oder ausgefüllte – Quadrate angegeben und die erfindungsgemäß neuen Targetmaterialien in Form der (ungebundenen) Elemente Jod, Tellur und Antimon mit Pfeilspitzen markiert. Zum Vergleich ist in die gleiche Darstellung weiterhin die Reflexionscharakteristik der derzeit verfügbaren Mo/Si-Multilayer-Spiegel eingebracht worden, um den erfindungsgemäßen Erfolg der Angleichung der Strahlungscharakteristika an das Reflexionsvermögen der vorgenannten Spiegel nachzuweisen. Wesentlich ist dabei anzumerken, dass bei Jod und Tellur zwar die Maxima der EUV-Emission noch unterhalb der Si-Absorptionskante liegen, die Emissionscharakteristik in beiden Fällen jedoch so breitbandig ist, dass ein wesentlicher Anteil der emittierten Strahlung von den sogenannten Multilayer-Optiken übertragen werden kann und somit eine Bündelung und Strahlformung hinreichend intensiver EUV-Strahlung ermöglicht wird.
Zweites Beispiel
Für die Anwendung in Gasentladungsquellen kann wegen der physikalischen Eigenschaften von Tellur und Antimon auch auf zahlreiche chemische Verbindungen, die Tellur oder Antimon enthalten, zurückgegriffen werden. Deshalb werden zusätzlich chemische Verbindungen, die Jod, Tellur oder Antimon enthalten, als Targetmaterial vorgeschlagen. Gasförmiges IF₇ oder IF₅ wird zusätzlich intensive Emissionslinien von Fluor um 12,8 nm emittieren, während festes Lithium-Jodid (LiI) eine zusätzliche Emissionslinie von Lithium bei 13,5 nm Wellenlänge hervorbringt. Weiterhin sind Verbindungen der im ersten Beispiel vorgeschlagenen Elemente der 5. Periode des Periodensystems der Elemente untereinander für die beschriebenen Zwecke geeignet, z. B. Tellur-Jodid oder Antimon-Jodid.
Mit den vorgenannten chemischen Verbindungen wird neben einer erhöhten Emissionscharakteristik im langwelligeren EUV-Bereich (oberhalb 12,4 nm), der den derzeit verfügbaren Spiegeloptiken – gemäß der in 1 zusätzlichen Darstellung der Reflexionscharakteristik – besser angepasst ist, ebenfalls eine nicht unerhebliche Kostenersparnis gegenüber der Verwendung von Xenon erzielt.
Damit stehen leistungsfähigere langlebige EUV-Quellen für die nächste Generation der Lithographiemaschinen in der Halbleiterfertigung zur Verfügung, die in Bezug auf derzeit weit verbreitete Xenonquellen auch unter Kostengesichtspunkten vorteilhaft sind.

Claims

Verfahren zur Erzeugung extrem ultravioletter Strahlung durch Emission breitbandiger Strahlung aus einem Plasma unter Vakuumbedingungen, mit den Schritten: – Bereitstellen von Material zur Plasmaerzeugung unter Beteiligung wenigstens eines Elements der V. bis VII. Hauptgruppe der 5. Periode des Periodensystems der Elemente, – Aufbereiten des Materials zur Erzeugung des Plasmas, indem es verdampft als Arbeitsgas in einer evakuierten Entladungskammer bereitgestellt und bei einer Gasentladung in strahlendes Plasma umgewandelt wird, – Emission von intensiver EUV-Strahlung aus dem Plasma mit erhöhter Emissionscharakteristik im Bereich um 13 nm oberhalb der L-Absorptionskante von Silizium und – Reflexion der aus dem Plasma emittierten EUV-Strahlung an einem Mo/Si-Spiegel, an dessen Reflexionsvermögen das Emissionsspektrum des Materials durch Beteiligung wenigstens eines der besagten Elemente angepasst ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Plasma unter Beteiligung von Jod oder damit gebildeten chemischen Verbindungen erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Plasma unter Beteiligung von Tellur oder damit gebildeten chemischen Verbindungen erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Plasma unter Beteiligung von Antimon oder damit gebildeten chemischen Verbindungen erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Plasma unter Verwendung chemischer Verbindungen von Jod, Tellur und Antimon untereinander, wie Tellur-Jodid oder Antimon-Jodid, erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Plasma unter Verwendung chemischer Verbindungen von Jod mit Lithium erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Plasma unter Verwendung chemischer Verbindungen von Jod mit Fluor erzeugt wird.