JP2007059743A - 多層膜反射鏡および露光装置 - Google Patents

Abstract

【課題】成膜面全面でトータルの膜応力が均一かつ最小となるような多層膜反射鏡を提供する。
【解決手段】本発明による多層膜反射鏡は、モリブデンを含む層（１０５）とシリコンを含む層（１０３）から成る層対を積み重ねた、光を反射するための第１の部分（Ａ１）と、第１の部分の有する応力を相殺するように構成された層からなる第２の部分（Ｂ１、Ｂ２）とを基板上に有する。第１の部分の有する応力の、基板に平行な面内の分布に応じて第１の部分の有する応力を相殺するように第２の部分の層の構成を変化させたことを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、極紫外線または軟Ｘ線を露光光源として用いる、露光装置および当該露光装置に使用される多層膜反射鏡に関するものである。

現在、半導体集積回路の製造方法として高い処理速度が得られる縮小投影露光が広く利用されている。近年、半導体集積回路素子の微細化の進展に伴い、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、従来の紫外線に代わって、これより波長の短い波長１１〜１４ｎｍ程度の軟Ｘ線を使用した投影リソグラフィ技術が開発されている（たとえば、非特許文献１参照）。この技術は、最近ではＥＵＶ（Extreme UltraViolet: 極紫外線）リソグラフィとも呼ばれている。ＥＵＶリソグラフィは、従来の光リソグラフィ（波長190nm程度以上）では実現不可能な、５０ｎｍ以下の解像力を有する将来のリソグラフィ技術として期待されている。
この波長域では物質の屈折率が１に非常に近いので、屈折や反射を利用した従来の光学素子は使用できない。屈折率が１よりも僅かに小さいことによる全反射を利用した斜入射ミラーや、界面での微弱な反射光の位相を合わせて多数重畳させて、全体として高い反射率を得る多層膜反射鏡などが使用される。１３．４ｎｍ付近の波長域では、モリブデン（Mo）層とシリコン（Ｓｉ）層を交互に積層したＭｏ／Ｓｉ多層膜を用いると直入射で６７．５％の反射率を得ることができる。

図６は、Ｍｏ／Ｓｉ多層膜のＭｏ／Ｓｉ層対の厚さに対するモリブデン層の厚さの割合をΓ値とした場合に、Γ値とＭｏ／Ｓｉ多層膜のピーク反射率との関係を示す図である。１層対の厚さは７ｎｍ、層対数は５０である。また、光の波長は１３．５ｎｍである。図からわかるように、高いピーク反射率を得るためには、Γ値は０．３５乃至０．４であることが望ましい。
ＥＵＶリソグラフィ用光学系をはじめとするＥＵＶ用多層膜を使用した光学系では、多層膜の有する膜応力が問題となる。多層膜の総膜厚は1ミクロン以下と薄いため、膜応力による基板の変形量は小さいが、ＥＵＶリソグラフィで使用される反射鏡には非常に高い形状の精度が求められるので、応力を制御し、低減する必要がある。
Ｍｏ／Ｓｉ多層膜の応力低減の手法として、多層膜中におけるモリブデン層とシリコン層の厚さの割合を変えて成膜する手法が提案されている。

図７は、Ｍｏ／Ｓｉ多層膜のΓ値と多層膜応力との関係を示す図である。１層対の厚さは７ｎｍ、層対数は５０である。また、光の波長は１３．５ｎｍである。図からわかるように、Γ値が０．３５乃至０．４であるときに多層膜応力は、−５００乃至−４００ＭＰａである。負の符号は、圧縮応力を示す。Γ値を０．５以上にすると、膜応力は引張り応力に転ずる。Γ値が０．６５の多層膜応力は＋４００ＭＰａ（引張り応力）となる。したがって、Γ値が０．３５乃至０．４である、ピーク反射率の高い多層膜と同じ厚さだけ引張り応力を有する多層膜を成膜することによってピーク反射率の高い多層膜の応力をほぼ相殺できる。具体的には、まず基板上にΓ値が０．６５のＭｏ／Ｓｉ多層膜を成膜し、その上にΓ値が０．３５のＭｏ／Ｓｉ多層膜を成膜することによってお互いの応力を相殺する。このとき、表面側には反射率の高いΓ値が０．３５のＭｏ／Ｓｉ多層膜が成膜されているので、低応力値と共に高い反射率が得られる。

多層膜応力は、多層膜の厚さに比例する。したがって、Γ値の異なる２組の多層膜の応力が、符号が異なり絶対値が等しくなるように、２組の多層膜のΓ値および厚さを定めれば、２組の多層膜全体の応力は相殺される。

D. Tichenor, et al., SPIE 2437 (1995) 292

従来の手法でＭｏ／Ｓｉ多層膜の応力を大幅に低減することは可能である。しかし、成膜装置の特性によって基板上の成膜位置によって膜質が微妙に違い、それによって膜応力が基板面上で完全には均一ではない場合がある。
図３は、成膜装置の構成を示す図である。基板１０１は、回転する基板ホルダ２０１上に取り付けられる。２基のカソード２０９、２１１のそれぞれのシャッター２０５、２０７の開閉により、回転する基板１０１上にモリブデン層とシリコン層が交互に成膜される。このような成膜装置においてモリブデン層とシリコン層の膜厚が均一になるように成膜をおこないＭｏ／Ｓｉ多層膜を成膜した場合、基板中央部に成膜されるＭｏ／Ｓｉ多層膜と周辺部で成膜される多層膜は、１層対の厚さとΓ値は同一である。

図４は、上記のようにして成膜された従来の多層膜反射鏡の構成を示す図である。図４（ａ）は、１層対の厚さが７ｎｍ、Γ値が０．４の層対（１０３および１０５）から成るピーク反射率の高い多層膜（構成Ａ０）を示す。図４（ｂ）は、ピーク反射率の高い多層膜の応力を相殺するように、１層対の厚さが７ｎｍ、Γ値が０．７の層対（１０７および１０９）から成る多層膜（構成Ｂ０）上に構成Ａ０の多層膜を積層した構成を示す。

しかし、成膜面において、成膜装置の回転軸に対応する部分を中心として半径方向に応力の分布が存在する場合がある。たとえば、構成Ａ０の多層膜の応力が基板中央部で−４００ＭＰａ（圧縮応力）であり、基板周辺部では−３８０ＭＰａであるとする。一方、構成Ｂ０の多層膜の応力が基板中央部で＋４００ＭＰａ（引張り応力）であり、基板周辺部では＋４２０ＭＰａであるとする。このような場合には、仮に成膜装置の回転軸に相当する部分（基板の中央部）で応力が相殺されても、基板の周辺部では応力が相殺されない。
したがって、構成Ａ０の多層膜の応力が成膜面上で分布していても、成膜面全面でトータルの膜応力が均一かつ最小となるような多層膜反射鏡に対するニーズがある。

本発明による多層膜反射鏡は、モリブデンを含む層とシリコンを含む層から成る層対を積み重ねた、光を反射するための第１の部分と、第１の部分の有する応力を相殺するように構成された層からなる第２の部分とを基板上に有する。第１の部分が有する応力の、基板に平行な面内の分布に応じて、第１の部分が有する応力を相殺するように第２の部分の層の構成を変化させたことを特徴とする。

したがって、第１の部分の有する応力が成膜面上で分布していても、成膜面全面でトータルの膜応力が均一かつ最小となる。

本発明の多層膜反射鏡は、成膜面全面でトータルの膜応力が均一かつ最小となるので、基板の変形量が小さく、形状精度が高くなる。

図１は、本発明の第一の実施形態の構成を示す図である。
本実施形態は、ＥＵＶ光学系に用いられる多層膜反射鏡であり、高精度に加工された凹面基板１０１上に構造Ａ１および構造Ｂ１を有する２種類の多層膜が成膜されている。

構造Ａ１を有する多層膜は、ＥＵＶ光反射層であり、表面側に配置される。構造Ａ１は、モリブデン層１０５とシリコン層１０３の層対から成る。本実施形態において構造Ａ１の層対の数は５０である。構造Ａ１の１層対の厚さは７ｎｍ、Γ値は０．４である。
構造Ａ１を有する多層膜と基板表面との間には、応力相殺を目的とした構造Ｂ１を有する多層膜が成膜されている。構造Ｂ１は、モリブデン層１０９とシリコン層１０７の層対から成る。本実施形態において構造Ｂ１の層対の数は５０である。構造Ｂ１の１層対の厚さは７ｎｍである。Γ値は、基板中央部では０．７、基板周辺部では０．６５であり、基板中央部から基板周辺部にかけて、基板に平行な面の中心からの距離にしたがってΓ値を変化させている。基板中央部から基板周辺部にかけて、基板に平行な面の中心からの距離にしたがってΓ値を変化させているのは、構造Ａ１を有する多層膜の応力が基板中央部では−４００ＭＰａ、基板周辺部では−３８０ＭＰａであり、基板中央部から基板周辺部にかけて、基板に平行な面の中心からの距離にしたがって変化しているからである。このように変化しているのは、基板を回転させる製造方法のためであり、基板に平行な面の中心の位置は、製造プロセスにおける回転軸の位置に相当する。

本実施形態において、構造Ａ１を有する多層膜が特許請求の範囲の第１の部分に相当し、構造Ｂ１を有する多層膜が特許請求の範囲の第２の部分に相当する。

図７に関して説明したように、Γ値が大きなほど引張り応力は大きくなる。構造Ｂ１を有する多層膜のΓ値は、基板中央部では＋４００ＭＰ、基板周辺部では＋３８０ＭＰａの引張り応力を有するように定められている。構造Ｂ１を有する多層膜の応力は、表面側に成膜された構造Ａ１を有する多層膜の応力とは符号が逆であり、その大きさ（絶対値）は基板中央部から周辺部にわたり同様な分布を有している。したがって、応力は相殺され、成膜による基板の変形は生じない。また、構造Ｂ１を有する多層膜の１層対の厚さは面内で７ｎｍと均一であるため、基板表面に構造Ｂ１を有する多層膜から成る応力相殺層を成膜することにより成膜後の表面側の多層膜が成膜される面は基板面に対して変化していない。

図３は、成膜装置の構成を示す図である。基板１０１は、回転する基板ホルダ２０１上に取り付けられる。２基のカソード２０９、２１１のそれぞれのシャッター２０５、２０７の開閉により、回転する基板１０１上にモリブデン層とシリコン層が交互に成膜される。成膜中には基板１０１の表面近傍で遮蔽板２０３が移動することにより、層の厚さの半径方向の分布が制御される。
図２は、本発明の第二の実施形態の構成を示す図である。
本実施形態では、第一の実施形態と比較して、応力相殺層に相当する構造Ｂ２のみが異なるので、構造Ｂ２のみを説明する。応力相殺層に相当する構造Ｂ２はモリブデン・ルテニウム合金（Ｍｏ５０％、Ｒｕ５０％）層１１４とシリコン層１１３の２層から成っている。これらの層の応力はそれぞれ引張り応力、圧縮応力であるので、２層の厚さの和が１００ｎｍと一定となるようにしながら、それぞれの層の厚さを制御して、表面側のＥＵＶ光反射層の応力を面内全体で相殺している。モリブデン層の厚さが増大すると膜の表面粗さが急激に増大する傾向があるが、モリブデン・ルテニウム層は合金層であるため、モリブデン層と比較して表面粗さの増大は小さい。したがって、本実施形態のように１０ｎｍを超える膜厚となる場合には多層膜の構成材料として適している。
本実施形態において、構造Ｂ２の層対が特許請求の範囲の第２の部分に相当する。

本実施形態においては、構造Ｂ２の層対の数が１であるので、層対の数が多い場合に比較して製造が容易である。
本実施形態では応力相殺層が２層から構成されているが、膜の構成数はこれに限るものではない。
本実施形態では応力相殺層はモリブデン・ルテニウム層とシリコン層から成っているが、構成材料はこれに限るものではない。

図５は、本発明による多層膜反射鏡を使用した露光装置の構成を示す図である。
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。
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の多層膜反射鏡Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３、Ｍ４、Ｍ５、Ｍ６で順に反射されて、露光光１として、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。

本発明の多層膜反射鏡は、成膜面全面でトータルの膜応力が均一かつ最小となるので、基板の変形量が小さく、形状精度が高い。したがって、本発明による多層膜反射鏡を使用する本発明の露光装置の投影光学系の収差は小さい。

本発明の第一の実施形態の構成を示す図である。 本発明の第二の実施形態の構成を示す図である。 成膜装置の構成を示す図である。 従来の多層膜反射鏡の構成を示す図である。 本発明による多層膜反射鏡を使用した露光装置の構成を示す図である。 Ｍｏ／Ｓｉ多層膜のＭｏ／Ｓｉ層対の厚さに対するモリブデン層の厚さの割合をΓ値とした場合に、Γ値とＭｏ／Ｓｉ多層膜のピーク反射率との関係を示す図である。 Ｍｏ／Ｓｉ多層膜のΓ値と多層膜応力との関係を示す図である。

符号の説明

１０１…基板、１０３、１０７、１１３…シリコンを含む層、１０５、１０９、１１４…モリブデンを含む層

Claims (7)

1. モリブデンを含む層とシリコンを含む層から成る層対を積み重ねた、光を反射するための第１の部分と、第１の部分の有する応力を相殺するように構成された層からなる第２の部分とを基板上に有する多層膜反射鏡であって、第１の部分が有する応力の、基板に平行な面内の分布に応じて、第１の部分が有する応力を相殺するように第２の部分の層の構成を変化させたことを特徴とする多層膜反射鏡。
2. 第１の部分の有する応力が、基板に平行な面の中心からの距離にしたがって変化している場合に、当該変化に応じて第１の部分の有する応力を相殺するように、前記中心からの距離にしたがって第２の部分の層の構成を変化させたことを特徴とする請求項１に記載の多層膜反射鏡。
3. 第２の部分が、モリブデンを含む層とシリコンを含む層から成る層対からなり、層対の厚さは一定であり、層対の厚さに対するモリブデンを含む層の厚さの比率をΓ値とした場合に、第１の部分の有する応力の分布に応じて第１の部分の有する応力を相殺するように、前記Γ値を変化させたことを特徴とする請求項１または２に記載の多層膜反射鏡。
4. 第２の部分の前記層対の数が１であることを特徴とする請求項３に記載の多層膜反射鏡。
5. 第２の部分のモリブデンを含む層がモリブデンからなることを特徴とする請求項３または４に記載の多層膜反射鏡。
6. 第２の部分のモリブデンを含む層がモリブデン・ルテニウム合金からなることを特徴とする請求項３または４に記載の多層膜反射鏡。
7. 請求項１から６のいずれかに記載の多層膜反射鏡を使用した光学系を有することを特徴とする投影露光装置。
   

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