JP2006210603A - 光学素子の製造方法、光学素子、露光装置、露光方法、および微細パターンを有するデバイスの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】キャッピングレイヤ成膜時に島状に成長しやすい物質であっても、一様な厚みに成膜することを実現する光学素子の製造方法を提供する。
【解決手段】投影露光装置に使用される光学素子の製造方法であって、光学素子の表面に耐酸化性膜（１０７）を実使用状態より厚く成膜し、その後に成膜した前記耐酸化性膜の一部を残して除去することにより一様な厚みの耐酸化性膜（１０７）を成膜することを特徴とする光学素子の製造方法である。
【選択図】図１

Description

本発明は、投影露光装置に使用される光学素子の製造方法、光学素子、露光装置、露光方法及びこれらを使用した微細パターンを有するデバイスの製造方法に関するものである。特に、端紫外線または軟X線（本明細書及び特許請求の範囲においては、波長が150nm以下の光を意味し、「ＥＵＶ（Extreme Ultraviolet）光」と言うことがある）を露光光源として用いる、投影露光装置に使用される光学素子の製造方法、光学素子、露光装置、露光方法及びこれらを使用した微細パターンを有するデバイスの製造方法に関するものである。

半導体素子又は液晶表示素子等をフォトリソグラフィ工程で製造する際に、マスク(本明細書および特許請求の範囲においてはレチクルを含む)に形成されたパターン像を、投影光学系を介して感光材（レジスト）が塗布されたウエハ上の各投影（ショット）領域に縮小して投影する縮小投影露光装置が使用されている。半導体素子、液晶表示素子等の回路は、上記投影露光装置でウエハやガラス上に回路パターンを露光することにより転写され、後処理によって形成される。

近年、集積回路の高密度集積化、すなわち、回路パターンの微細化が進められてきた。これに対応するため、投影露光装置における投影光も短波長化される傾向にある。すなわち、これまで主流だった水銀ランプの輝線に代わって、KrFエキシマレーザー（248 nm）が用いられるようになり、さらに短波長のArFエキシマレーザー（193 nm）を用いた投影露光装置が実用化されている。また、更なる高密度集積化をめざしてＦ_２レーザー（157 nm）を使用する露光装置や液浸機構を有する光露光機の開発も進められている。

さらに、光の回折限界によって制限される光学系の解像力を向上させるために、従来の紫外線に代えてこれより短い波長（11乃至14 nm）のＥＵＶ光を使用した投影リソグラフィが開発されている（例えば、D.Tichenor, et al. SPIE 2437 (1995) 292）。この技術は、ＥＵＶリソグラフィと呼ばれており、従来の光リソグラフィでは実現不可能な45nm以下の解像力を得られる技術として期待されている。

このような、ＥＵＶ光を使用した露光装置の投影光学系の概要を図５に示す。光源３１から放出されたＥＵＶ光は、コリメータミラーとして作用する凹面反射鏡３４を介してほぼ平行光束となり、一対のフライアイミラー３５ａおよび３５ｂからなるオプティカルインテグレータ３５に入射する。一対のフライアイミラー３５ａおよび３５ｂとして、たとえば特許文献１に開示されたフライアイミラーを用いることができる。なお、フライアイミラーのさらに詳細な構成および作用については、特許文献１に詳しく説明されており、かつ本発明と直接の関係がないので、その説明を省略する。

こうして、フライアイミラー３５ｂの反射面の近傍、すなわちオプティカルインテグレータ３５の射出面の近傍には、所定の形状を有する実質的な面光源が形成される。実質的な面光源からの光は平面反射鏡３６により偏向された後、マスクＭ上に細長い円弧状の照明領域を形成する。ここで、円弧状の照明領域を形成するための開口板は、図示していない。マスクＭの表面で反射された光は、その後、投影光学系３７のミラー（反射鏡）Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３、Ｍ４、Ｍ５、Ｍ６で順に反射されて、マスクＭの表面に形成されたパターンの像を、ウエハ２上に塗布されたレジスト３上に形成する。ここで、ミラーは、屈折率の異なる２種類の物質を積層した多層膜から構成される。

一般に、ＥＵＶ光はあらゆる物質で吸光されるので空気中を透過しない。このため、ＥＵＶ光を用いた露光装置では、露光光１をウエハ面上に十分な照度で到達させるためには、露光光路上の吸光物質を低減もしくは排除し、光路空間を高真空に保つ必要がある。このためには、放出ガスが極力少ない物質を用いて露光装置光路空間を構成する必要がある。このように、ＥＵＶ光を用いた露光装置では、より微細な遮光パターンの転写が可能な一方で、吸光物質を排除する必要がある（吸光物質の放出する部材の利用が限られる）など設計が容易でない。

特開平１１-３１２６３８号公報

一般に、真空装置を構成する部材の表面には、数層から数百層といわれる大量のＨ_２Ｏ分子が吸着している。これらのＨ_２Ｏ分子は、その極性の故におもに水素結合で物質表面に吸着する。この水分子は、光路空間内でミラー表面に付着（吸着堆積）し、露光光もしくは光電子との反応（光化学反応）によって、ミラーの多層膜表層物質を酸化させて酸化膜を形成し、ミラー反射率低下の原因となる。このように、ミラーなどの光学素子の表面に付着して反射率などの光学特性を劣化させる物質をコンタミ物質と呼ぶ。

ミラーの表面に1nmの酸化膜が積層されるとミラーの反射率が約２乃至３％低下する。また、ミラー表面の酸化層によって収差が発生したり、照度ムラの原因となるなど反射率以外の光学特性も劣化する。さらに、光学素子のメンテナンスに起因する露光装置のスループットの低下による生産性の低下といった問題も生じる。

その一方で、従来型光露光装置と異なり、極端紫外光を用いた露光装置では光路空間にガスが充填されていないので、気流制御による放出ガス排除が容易でない。したがって、これらコンタミ物質の光路空間中におけるコンタミ物質分圧の低減が必要となる。

水分子の脱離（による真空度の悪化）を低減する手段として、一般的にはベーキングが行われる。ベーキングは、装置を高温にして水分子の脱離を促す方法である。しかし、図５に示す露光装置の投影光学系にベーキングを行うと、加熱による熱膨張、特に異質の材料での位置ズレが原因となって、ミラーの位置が変化して光学性能が劣化する。この光学性能の劣化はＥＵＶ光を用いた露光装置では許容できないもので、ベーキングは適用できない。したがって、ＥＵＶ光を用いた露光装置では、光路空間中の水分を低減するのは容易ではない。このため、ミラーの多層膜表面への水分付着に起因する酸化による反射率劣化を低減するのは容易でない。

そこで、ミラーを構成する多層膜の最表層に耐酸化性物質の薄膜（キャッピングレイヤ）を形成する手法が有効である。キャッピングレイヤ物質はＥＵＶ光の吸収率が無視できない物質であることが多いので、多層膜表面での光学特性（反射率）を維持するために、できるだけ薄く成膜する必要がある。キャッピングレイヤとして有効な物質としてはルテニウム（Ｒｕ）などが知られている。Ｒｕを含む物質は、薄く成膜しようとすると島状に形成されやすい。

図４は、従来技術による、キャッピングレイヤを備えた光学素子（反射鏡）の構成を示す図である。図４に示す反射鏡は、基板１０５上に、屈折率の異なるシリコン（Ｓｉ）層１０１とモリブデン（Ｍｏ）層１０３とを繰り返し積層した多層膜の構造を有する。さらに、多層膜の表面にキャッピングレイヤ１０７が形成される。図４の左側の部分は、理想的に成膜されたキャッピングレイヤ１０７を示す。これに対して、図４の右側の部分は、従来技術の方法によって、上述の島状に成膜されたキャッピングレイヤ１０７を示す。図４の右側の部分においては、下地（多層膜表面）がむき出しになっている部分とキャッピングレイヤ物質が島状に成膜されている部分とが混在している。

Ｒｕを含む物質を、キャッピングレイヤ物質としてミラーの多層膜表面に薄く成膜しようとした場合に、上記のような島状成長が起こると、下地（多層膜表面）がむき出しになっている部分とキャッピングレイヤ物質が島状に成膜されている部分とが混在することになる。この場合には、むき出しになっている下地（多層膜表面）が直接Ｈ_２Ｏ分子と光化学反応を引き起こし、多層膜表面が酸化してしまうので、キャッピングレイヤとしての効果が十分に発揮できない。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、成膜時に島状に成長しやすい物質であっても、一様な厚みのキャッピングレイヤに成膜することのできる光学素子の製造方法を提供することを課題とする。また、この製造方法により製造した、表面を酸化から保護する、一様な厚みのキャッピングレイヤを備えた光学素子、この光学素子を使用することにより、光学特性の劣化を抑え、オーバホールまでの寿命を長くしたＥＵＶ露光装置、露光方法、およびこの露光方法を使用した微細パターンを有するデバイスの製造方法を提供することを課題とする。

前記課題を解決するための第１の手段は、投影露光装置に使用される光学素子の製造方法であって、光学素子の表面に耐酸化性膜を実使用状態より厚く成膜し、その後に成膜した前記耐酸化性膜の一部を残して除去することにより一様な厚みの耐酸化性膜を成膜することを特徴とする光学素子の製造方法である。

本手段によれば、島状に成長しやすいキャッピングレイヤ材料であっても、光学素子表面に、一様に成膜することが可能となるので、欠陥のない膜（キャッピングレイヤ）が生成され、光学素子表面を一様に耐酸化性物質であるキャッピングレイヤ物質によって保護することが可能となる。したがって、光学素子表面の酸化が低減される。

前記課題を解決するための第２の手段は、第１の手段であって、成膜した前記耐酸化性膜の一部を残して除去する際に、前記耐酸化性膜の膜厚を測定し、膜厚が所定の厚みとなるように除去することを特徴とする。

耐酸化性膜の膜厚を測定するので、耐酸化性膜の所望の厚みを確実に達成することができる。

前記課題を解決するための第３の手段は、第１または第２の手段であって、耐酸化性膜の一様な厚みが数nm以下であることを特徴とする。

本手段によれば、光学素子の光学特性を低下させずに、光学素子表面に耐酸化性膜を成膜することができる。

前記課題を解決するための第４の手段は、第１から第３のいずれかの手段であって、光学素子が反射鏡であることを特徴とする。

本手段によれば、反射鏡表面に厚みが一様な耐酸化性膜を成膜することができ、反射鏡の反射特性の劣化を抑えることができる。

前記課題を解決するための第５の手段は、第１から第４のいずれかの手段によって製造された、一様な厚みの耐酸化性膜を備えることを特徴とする光学素子である。

本手段によれば、一様な厚みの耐酸化性膜によって光学素子表面の酸化が低減される。したがって、光学素子表面に形成された酸化膜に起因する、反射鏡の反射率の低下や照度ムラなどの光学素子の光学性能の劣化が低減される。

前記課題を解決するための第６の手段は、第５の手段を使用することを特徴とする投影露光装置である。

本手段は、酸化膜の生成を低減し、光学特性の劣化を抑えた光学素子を使用しているので、オーバホールまでの寿命を長くすることができる。
前記課題を解決するための第７の手段は、第６の手段を使用して、マスクに形成された露光パターンをウエハ等の感応基板上に露光転写することを特徴とする露光方法である。

本手段によれば、光学特性の劣化を抑え、また、露光装置のメンテナンス周期を長くすることにより露光装置を長期間にわたって連続運転することができる。

前記課題を解決するための第８の手段は、第７の手段を用いて、マスクに形成されたパターンを感応基板に露光転写する工程を有することを特徴とする微細パターンを有するデバイスの製造方法である。

本手段によれば、光学特性の劣化を抑え、また、露光装置のメンテナンス周期を長くすることにより露光装置を長期間にわたって連続運転することが可能となるので、微細パターンを有するデバイスをスループットよく製造することができる。

本発明によれば、表面に、一様な厚みの耐酸化性膜を成膜する、光学素子の製造方法、当該製造方法によって製造された、光学特性の劣化を抑えた光学素子、この光学素子を使用してオーバホールまでの寿命を長くしたＥＵＶ光露光装置、露光方法、およびこの露光方法を使用した微細パターンを有するデバイスの製造方法を提供することができる。

以下、本発明の実施形態について説明する。図１は、本発明の実施形態による、キャッピングレイヤを備えた光学素子の構成を示す図である。図１の右側の部分は、本発明の実施形態による光学素子の構成を示す概要図である。本実施形態においては、光学素子は、反射鏡である。反射鏡は、基板１０５上に屈折率の異なるＳｉ層１０１とＭｏ層１０３とを繰り返し積層した多層膜の構造を有する。さらに、本実施形態においては、多層膜の表面に耐酸化性物質のキャッピングレイヤ１０７を形成している。

キャッピングレイヤ材料としては、ルテニウム（Ｒｕ）を使用する。さらに、プラチナ（Ｐｔ）、金（Ａｕ）、ロジウム（Ｒｈ）、ニオブ（Ｎｂ）といった貴金属およびそれらを含む合金、二酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）、二酸化チタン（ＴｉＯ_２）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_２）、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）といった酸化物や光触媒物質などを使用しても本発明の効果が得られる。

本発明の実施形態による成膜方法について、以下に説明する。キャッピングレイヤの膜厚は、多層膜の極端紫外線光反射率の劣化が無視できる範囲にするためには数nm程度、好ましくは、2nm程度またはそれ以下とする。この膜厚は上記キャッピングレイヤ原子・分子で成膜すると、10層足らずの厚みである。このような薄膜を、従来の製造方法により形成しようとすれば、キャッピングレイヤ物質が島状に成膜され、一様な厚みに成膜しにくいことが知られている。他方、キャッピングレイヤ材料を40nm程度（キャッピングレイヤ原子・分子で100層程度）の膜厚に成膜すれば島状にならずに、ほぼ一様な厚みに成膜できることが知られている。

そこで、図１の左側の部分に示すように、欠陥のない一様な膜（キャッピングレイヤ）１０７を、厚めの厚みにいったん成膜する。厚めの厚みとは、40nm程度（キャッピングレイヤ原子・分子で100層程度）である。その後、図１の右側の部分に示すように、キャッピングレイヤ１０７を、数nm程度の所望の厚みまで削り取る。削り取る方法としては、エッチング法（光励起方式やプラズマ方式といったアッシングを含むドライ式、ウェット式のいずれであってもよい）、スパッタリング法、レーザー光などの光照射法、薬液・電解液溶解法、機械的研磨、化学的研磨を含む研磨法、などを用いることができる。一様に厚膜を削り取ることができる方法であれば、いずれの方法でもよい。スパッタリング法やレーザー光照射法などは、電子ビーム、イオンビームや光を集光して照射することで膜を構成する物質を削り取るので、一般に削り取る部分の面積は小さい場合が多い。そのような場合には、ビームを一様にラスターしながら削り取れば一様な薄膜が形成できる。

厚めの厚みの成膜したキャッピングレイヤ１０７を、数nm程度の所望の厚みまで削り取るには、キャッピングレイヤ１０７の厚みを測定する必要がある。キャッピングレイヤ１０７の厚みを測定するには、エリプソメータやＸ線光電子分光法（ＸＰＳ）を使用する。また、キャッピングレイヤ１０７を備えた反射鏡にＥＵＶ光を照射して反射率を測定し、その値からキャッピングレイヤ１０７の厚みを推定してもよい。所定の削り取りプロセスを行った後、キャッピングレイヤ１０７の厚みを測定し、所望の厚みに達しているか否かを判断する。所望の厚みに達していれば削り取りプロセスを終了する。所望の厚みに達していなければ、削り取りプロセスを継続する。

成膜時には、多少高温にしておくと、薄膜材料が島状成長しにくくなり一様に成膜されやすいことが知られており、より好ましい。

上記の本実施形態の方法によれば、島状に成長しやすいキャッピングレイヤ材料であっても、反射鏡の多層膜表面に、一様に薄く（数nm厚程度）成膜することが可能となるので、欠陥のない膜が生成され、多層膜表面を一様に耐酸化性物質であるキャッピングレイヤ物質によって保護することが可能となる。これによって、多層膜表面の酸化が低減される。したがって、反射鏡の光学性能の劣化が低減される。さらに、露光装置の高いスループットが維持でき、露光装置寿命の低減が緩和される。

図２は、図１の右側の部分に示した光学素子を使用した露光装置の投影光学系を示す。反射鏡Ｍ５の表面に、耐酸化性物質から成るキャッピングレイヤ１０７が形成されている。図２には、示していないが、他の反射鏡の表面にも同様に耐酸化性物質から成るキャッピングレイヤ１０７を形成してもよい。図２の投影光学系は、反射鏡の表面に耐酸化性物質から成るキャッピングレイヤ１０７が形成されている点を除いて、図５に示した露光装置の投影光学系と同じである。また、露光装置の図示していない部分の構成は、図５に示した従来のＥＵＶ光露光装置と同じである。

上記において、光学素子の例として、ＥＵＶ光を使用した露光装置の投影光学系における、多層膜からなる反射鏡について説明した。しかし、本発明は、Ｆ_２レーザー露光装置など他の露光装置またはレンズなど他の光学素子にも適用することができる。

以下、本発明に係わる半導体デバイスの製造方法の実施の形態の例を説明する。図３は、本発明の半導体デバイス製造方法の実施形態の一例を示すフローチャートである。この例の製造工程は以下の各工程を含む。
（１）ウエハを製造するウエハ製造工程(またはウエハを準備するウエハ準備工程)
（２）露光に使用するマスクを製作するマスク製造工程(またはマスクを準備するマスク準備工程)
（３）ウエハに必要な露光処理を行うウエハプロセッシング工程
（４）ウエハ上に形成されたチップを１個ずつ切り出し、動作可能にならしめるチップ組立工程
（５）できたチップを検査するチップ検査工程

なお、それぞれの工程はさらにいくつかのサブ工程からなっている。
これらの主工程の中で、半導体デバイスの性能に決定的な影響を及ぼす主工程がウエハプロセッシング工程である。この工程では、設計された回路パターンをウエハ上に順次積層し、メモリやＭＰＵとして動作するチップを多数形成する。このウエハプロセッシング工程は、以下の各工程を含む。
（１）絶縁層となる誘電体膜や配線部、あるいは電極部を形成する金属薄膜などを形成する薄膜形成工程（ＣＶＤやスパッタリングなどを用いる）
（２）この薄膜層やウエハ基板を酸化する酸化工程
（３）薄膜層やウエハ基板などを選択的に加工するためにマスク（レクチル）を用いてレジストのパターンを形成するリソグラフィ工程
（４）レジストパターンにしたがって薄膜層や基板を加工するエッチング工程（たとえばドライエッチング技術を用いる）
（５）イオン・不純物注入拡散工程
（６）レジスト剥離工程
（７）さらに加工されたウエハを検査する検査工程
なお、ウエハプロセッシング工程は必要な層数だけ繰り返し行い、設計通り動作する半導体デバイスを製造する。

本実施形態においては、上記リソグラフィ工程において、上述のＥＵＶ光露光装置を使用している。よって、露光装置を長期間にわたって連続運転可能となるので、微細パターンを有するデバイスをスループットよく製造することができる。また、投影光学系を構成する光学素子の反射特性などが光学素子の部分によって変わることが少なくなるので、露光性能が劣化するのを抑えることができる。

本発明の１実施形態による、キャッピングレイヤを備えた光学素子の構成を示す図である。 本発明の１実施形態によるＥＵＶ光露光装置の構成を示す図である。 本発明の半導体デバイス製造方法の実施形態の一例を示すフローチャートである。 従来技術による、キャッピングレイヤを備えた光学素子の構成を示す図である。 ＥＵＶ光を使用した露光装置の投影光学系の概要を示す図である。

符号の説明

１…露光光、２…ウエハ、３…レジスト、３７…投影光学系、１０７…キャッピングレイヤ

Claims (8)

1. 投影露光装置に使用される光学素子の製造方法であって、光学素子の表面に耐酸化性膜を実使用状態より厚く成膜し、その後に成膜した前記耐酸化性膜の一部を残して除去することにより一様な厚みの耐酸化性膜を成膜することを特徴とする光学素子の製造方法。
2. 請求項１に記載の光学素子の製造方法であって、成膜した前記耐酸化性膜の一部を残して除去する際に、前記耐酸化性膜の膜厚を測定し、膜厚が所定の厚みとなるように除去することを特徴とする光学素子の製造方法。
3. 請求項１または２に記載の光学素子の製造方法であって、耐酸化性膜の一様な厚みが数nm以下であることを特徴とする光学素子の製造方法。
4. 請求項１から３のいずれか１項に記載の光学素子の製造方法であって、光学素子が反射鏡であることを特徴とする光学素子の製造方法。
5. 請求項１から４のいずれか１項に記載の製造方法によって製造された、一様な厚みの耐酸化性膜を備えることを特徴とする光学素子。
6. 請求項５に記載の光学素子を使用することを特徴とする露光装置。
7. 請求項６に記載の露光装置を使用して、マスクに形成された露光パターンをウエハ等の感応基板上に露光転写することを特徴とする露光方法。
8. 請求項７に記載の露光方法を用いて、マスクに形成されたパターンを感応基板に露光転写する工程を有することを特徴とする微細パターンを有するデバイスの製造方法。
   
   

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