JP2008151972A - 多層膜反射鏡、光学系、露光装置および半導体製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】多層膜反射鏡によって反射される光の位相を調整するために多層膜を削り取る際に、各層間で位相変化の割合が急激に変化しないように構成された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、所定の波長に対して屈折率の高い層と屈折率の低い層とを交互に積層した多層膜を含む多層膜反射鏡である。本発明による多層膜反射鏡は、前記多層膜反射鏡によって反射される光の位相を調整するために多層膜を削り取る際に、各層間で位相変化の割合が急激に変化しないように、前記屈折率の低い層の厚さに対する拡散層の厚さの比率を大きくしたことを特徴とする。
【選択図】図３

Description

本発明は、ＥＵＶ（Extreme Ultraviolet）光学系に使用される多層膜反射鏡、当該多層膜反射鏡を使用する光学系および露光装置ならびに当該露光装置を使用する半導体製造方法に関するものである。

近年、半導体集積回路の微細化に伴い、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、従来の紫外線に代えてこれより短い波長（１１〜１４ｎｍ）のＥＵＶ（Extreme Ultraviolet）光（極端紫外線）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、特許文献１）。この技術は、最近ではＥＵＶリソグラフィと呼ばれており、従来の波長１９０ｎｍ程度の光線を用いた光リソグラフィでは実現不可能な、７０ｎｍ以下の解像力を得られる技術として期待されている。
特開２００３-１４８９３号公報

ＥＵＶ光を露光光として使用するＥＵＶ露光装置においては、基板上に多層膜を積層した多層膜反射鏡などが使用される。ＥＵＶ露光装置において、投影光学系の波面収差を所望の値に抑えるために、多層膜反射鏡に許容される形状誤差は、約０．２ｎｍＲＭＳである。多層膜反射鏡の表面を一層ずつ削り取ることによって、多層膜反射鏡の形状を高い精度で補正する方法が提案されている（たとえば、国際公開第０１／４１１５５号パンフレット参照）。この方法により反射波面の位相を調整できるが、位相の変化は滑らかではなく、多層膜の各層間で位相の変化の割合が急激に変化する。多層膜反射鏡の形状を補正する際にこのような各層間における急激な変化は、反射波面の位相の不連続を生じるので好ましくない。

したがって、多層膜反射鏡によって反射される光の位相を調整するために多層膜を削り取る際に、各層間で位相変化の割合が急激に変化しないように構成された多層膜反射鏡、当該多層膜反射鏡を使用する光学系、当該光学系を使用する露光装置および当該露光装置を使用する半導体製造方法に対するニーズがある。

本発明による多層膜反射鏡は、所定の波長に対して屈折率の高い層と屈折率の低い層とを交互に積層した多層膜を含む多層膜反射鏡である。本発明による多層膜反射鏡は、前記多層膜反射鏡によって反射される光の位相を調整するために多層膜を削り取る際に、各層間で位相変化の割合が急激に変化しないように、前記屈折率の低い層の厚さに対する拡散層の厚さの比率を大きくしたことを特徴とする。

本発明による多層膜反射鏡においては、屈折率の低い層の厚さに対する拡散層の厚さの比率を大きくしたので、多層膜反射鏡によって反射される光の位相を調整するために多層膜を削り取る際に、各層間で位相変化の割合が急激に変化しない。したがって、多層膜を削り取って多層膜反射鏡に反射される光の位相を調整する際に、反射波面の位相に不連続が生じることはなく都合がよい。

本発明による多層膜反射鏡は、所定の波長に対して屈折率の高い層と屈折率の低い層とを交互に積層した多層膜を含む多層膜反射鏡である。本発明による多層膜反射鏡は、前記多層膜反射鏡によって反射される光の位相を調整するために多層膜を削り取る際に、各層間で位相変化の割合が急激に変化しないように、前記屈折率の高い層の厚さに対する拡散層の厚さの比率を大きくしたことを特徴とする。

本発明による多層膜反射鏡においては、屈折率の高い層の厚さに対する拡散層の厚さの比率を大きくしたので、多層膜反射鏡によって反射される光の位相を調整するために多層膜を削り取る際に、各層間で位相変化の割合が急激に変化しない。したがって、多層膜を削り取って多層膜反射鏡に反射される光の位相を調整する際に、反射波面の位相に不連続が生じることはなく都合がよい。

本発明の一実施形態による多層膜反射鏡は、前記比率が５０％以上であることを特徴とする。

本実施形態によれば、屈折率の高い層または屈折率の低い層の厚さに対する拡散層の厚さの比率が５０％以上であるので、多層膜反射鏡によって反射される光の位相を調整するために多層膜を削り取る際に、各層間で位相変化の割合が急激に変化しない。したがって、多層膜を削り取って多層膜反射鏡に反射される光の位相を調整する際に、反射波面の位相に不連続が生じることはなく都合がよい。

本発明による光学系は、本発明による多層膜反射鏡を含むことを特徴とする。

したがって、本発明による多層膜反射鏡の表面の多層膜を削り取ることによって、光学系の収差を補正することができ、光学系から出る光の波面の位相に不連続が生じることはない。

本発明の一実施形態による光学系は、屈折率の高い層と屈折率の低い層とを交互に積層した多層膜を含む多層膜反射鏡であって、反射率が高くなるように、前記屈折率の低い層の厚さに対する拡散層の厚さの比率を小さくした別の多層膜反射鏡をさらに含むことを特徴とする。

したがって、拡散層の厚さの比率を小さくした多層膜反射鏡によって高い反射率を実現しながら、拡散層の厚さの比率を大きくした多層膜反射鏡の表面の多層膜を削り取ることによって、光学系の収差を補正することができる。

本発明による露光装置は、本発明による光学系を備えたことを特徴とする。

本発明による露光装置においては、波面収差を測定しながら当該多層膜反射鏡の表面の多層膜を削ることにより、光学系の収差を補正し、高い光学的な精度を実現することができる。

本発明による半導体デバイスの製造方法は、本発明による露光装置を使用して、露光転写する工程を有することを特徴とする。

本発明による半導体デバイスの製造方法によれば、露光装置において、高い光学精度を実現することができるので、高い精度で半導体デバイスを製造することができる。

本発明によれば、多層膜反射鏡によって反射される光の位相を調整するために多層膜を削り取る際に、各層間で位相変化の割合が急激に変化しないように構成された多層膜反射鏡、当該多層膜反射鏡を使用する光学系、当該光学系を使用する露光装置および当該露光装置を使用する半導体製造方法が得られる。本発明による多層膜反射鏡において、多層膜を削り取って多層膜反射鏡に反射される光の位相を調整する際に、反射波面の位相に不連続が生じることはなく都合がよい。したがって、光学的精度の高い光学系および露光装置を実現することができる。また、光学的精度の高い露光装置によって、高い精度で半導体デバイスを製造することができる。

ＥＵＶ光の波長領域での物質の複素屈折率ｎは、ｎ＝１−δ−ｉｋ（ｉは複素記号）で表わされる。この屈折率の虚部ｋは極端紫外線の吸収を表す。δ、ｋは１に比べて非常に小さいため、この領域での屈折率は１に非常に近い。したがって、ＥＵＶ光学系において従来のレンズのような透過屈折型の光学素子を使用することはできない。

ＥＵＶ光を露光光として使用するＥＵＶ露光装置においては、屈折率が１よりもわず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モリブデン／シリコン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。

ＥＵＶ露光装置において、投影光学系の波面収差を所望の値に抑えるために、多層膜反射鏡の表面を削り取ることによって、多層膜反射鏡の形状を高い精度で補正する方法について説明する。具体的に、波長１３．４ｎｍでＭｏ（モリブデン）／Ｓｉ（シリコン）多層膜を使用する多層膜反射鏡の表面を削り取ることによって、多層膜反射鏡の形状を高い精度で補正する場合について説明する。直入射で使用するために、多層膜の層対、モリブデン層およびシリコン層の厚さは以下のとおりとする。

ｄ（層対の厚さ）＝６．８ｎｍ
ｄMo（モリブデン層の厚さ）＝２．３ｎｍ
ｄSi（シリコン層の厚さ）＝４．５ｎｍ
この波長での屈折率は、以下のとおりである。
ｎMo（モリブデン層の屈折率）＝０．９２
ｎSi（シリコン層の屈折率）＝０．９９８
これらの数値を用いて光路長の変化を計算する。層対の光路長は、以下のとおりである。
ＯＰ＝６．６ｎｍ
これに対して、層対と同じ距離の空間の光路長は、以下のとおりである。
ＯＰ’＝６．８ｎｍ
したがって、光路長の差は、
Δ＝０．２ｎｍ
となる。厚さ６．８ｎｍの層を除去する加工によって、光路長として０．２ｎｍ相当の面形状の補正を行うことができ、往復の光路長を考慮すると、実際の位相は０．４ｎｍ補正したことになる。多層膜成膜を行った後に反射波面の位相を測定し、その結果に基づいて部分的な多層膜除去加工量を決定し、実際の加工を行う。

図８は、多層膜の切削量に対する位相および反射率の変化を示す図である。横軸は多層膜の切削量または当初の多層膜表面を基準とした切削加工位置を表し、単位はナノメータ（ｎｍ）である。縦軸は、位相の変化および相対的反射率を表す。位相の変化の単位は度であり（左側のスケール）、相対的反射率は、無単位である（右側のスケール）。図８において、実線は位相を表し、点線は相対的反射率を表す。

多層膜の反射率は積層数とともに増加して一定の層数を越えると飽和して一定になる。予め反射率が飽和するのに充分な層数を積層しておけば、図８に示すように、表面から多層膜の一部を除去しても反射率は一定の範囲に維持される。他方、位相は切削量にしたがって変化している。

図１は本発明の一実施形態による多層膜反射鏡の構成を示す図である。多層膜反射鏡は、低熱膨張ガラスからなる基板２０１とその上に形成された多層膜１０１とからなる。

図２は本発明の一実施形態による多層膜反射鏡の光軸を含む断面の構成を示す図である。多層膜１０１はモリブデン層１０１１とシリコン層１０１３からなる層対を備える。モリブデン層１０１１とシリコン層１０１３との間には図示しない拡散層が形成されている。拡散層については、以下に詳細に説明する。

図３は本実施形態による多層膜切削位置と相対位相変化との関係を示す図である。横軸は、当初の多層膜の表面を基準とした垂直方向の切削加工位置を表す。縦軸は、相対位相変化を示す（左側のスケール）。また、縦軸は、多層膜組成のシリコン重量比を％単位で表す（右側のスケール）。横軸には、切削加工位置に対応する層の名称を表示している。シリコン層は、シリコン重量比が５０％以上の領域であり、モリブデン層は、シリコン重量比が５０％未満の領域である。また、拡散層は、シリコン重量比が１０％から９０％の領域である。したがって、拡散層は、シリコン層またはモリブデン層と重なっている。

本実施形態において、使用波長は、１３．４ナノメータ、シリコン層およびモリブデン層の膜厚は１／４波長、すなわち、３．３５ナノメータである。拡散層の幅は２．０ナノメータである。本実施形態において、シリコン層（屈折率の高い層）またはモリブデン層（屈折率の低い層）に対する拡散層の厚さの比率は、５９．７％である。

図４は比較例の多層膜反射鏡による多層膜切削位置と相対位相変化との関係を示す図である。比較例の多層膜反射鏡は、拡散層の幅を除いて本実施形態による多層膜反射鏡と同じである。拡散層の幅は０．５ナノメータである。本比較例において、シリコン層（屈折率の高い層）またはモリブデン層（屈折率の低い層）に対する拡散層の厚さの比率は、１４．９％である。

図３および図４における相対位相変化を比較すると、図４の相対位相変化に比較して、図３の相対位相変化は、シリコン層とモリブデン層との間の位相変化が滑らかである。位相は、シリコン層においてはほとんど変化せず、モリブデン層において大きく変化する。したがって、図４の比較例においては、シリコン層とモリブデン層との間で位相の変化の割合が急激に変化する。これに対して、本実施形態においては、シリコン層とモリブデン層にまたがる拡散層の幅が大きく、シリコンおよびモリブデンの比率が徐々に変化するので、シリコン層およびモリブデン層において位相が滑らかに変化する。

このように本実施形態においては、シリコン層およびモリブデン層において位相が滑らかに変化するので、多層膜反射鏡によって反射される光の位相を調整するために、多層膜を削り取って多層膜反射鏡に反射される光の位相を調整する際に、反射波面の位相に不連続が生じることはなく都合がよい。

上記のように、多層膜切削位置に対して位相が滑らかに変化するようにするには、モリブデン層の厚さに対して、拡散層の幅が５０％以上であるのが好ましい。または、シリコン層の厚さに対して、拡散層の幅が５０％以上であるのが好ましい。

図５は、上記の実施形態による多層膜反射鏡を備えるシュワルツシルド光学系の構成を示す図である。該光学系は、多層膜反射鏡３０１および３０３を備える。多層膜反射鏡３０１は、上記の実施形態による多層膜反射鏡である。多層膜反射鏡３０３は、上記の比較例による多層膜反射鏡である。光Ｌは最初に、多層膜反射鏡３０１に反射されて多層膜反射鏡３０３の位置に集光され、多層膜反射鏡３０３に反射されて他の光学系に進む。

一般的に、多層膜の反射率を向上させるには、拡散層の幅を小さくする必要がある。拡散層の幅を１ナノメータ薄くすると、反射率は約７％向上する。反射率が６０乃至７０％の多層膜反射鏡においては、拡散層は１ナノメータ以下である。反射率を向上させた反射鏡において、屈折率の高い層または屈折率の低い層に対する拡散層の幅の比率は５０％未満であり、好ましくは１０％未満である。

本光学系の収差を補正する場合には、多層膜反射鏡３０１の多層膜の表面を切削することにより位相を補正する。この場合に、上記のとおり、切削位置に対して位相の変化が滑らかであるので、多層膜を削り取って多層膜反射鏡に反射される光の位相を調整する際に、反射波面の位相に不連続が生じることはなく都合がよい。なお、多層膜反射鏡３０１の反射率は、拡散層の幅の小さい多層膜反射鏡の反射率に比較して低くなる。このため、光源の強度を上げることなどによって対応する。

図６は、本発明の一実施形態によるＥＵＶ露光装置の構成を示す図である。

ＥＵＶ露光装置は、ＥＵＶ光源３１、照明光学系３３および投影光学系４１を含む。

ＥＵＶ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。

こうして、フライアイミラー３５ａ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４１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、レジスト３を塗布したウエハ２（感応基板）上に形成する。

本発明によるＥＵＶ露光装置は、投影光学系４１の多層膜反射鏡Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３、Ｍ４、Ｍ５、Ｍ６の少なくとも一つに、本発明による多層膜反射鏡を使用しているので、波面収差を測定しながら当該多層膜反射鏡の表面の多層膜を削ることにより、投影光学系の収差を補正し、高い光学的な精度を実現することができる。

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７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流れ図である。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、本発明による多層膜反射鏡を備えた露光装置を使用している。したがって、露光装置において、高い光学精度を実現することができるので、高い精度で半導体デバイスを製造することができる。

本発明の一実施形態による多層膜反射鏡の構成を示す図である。 本発明の一実施形態による多層膜反射鏡の光軸を含む断面の構成を示す図である。 本実施形態による多層膜切削位置と相対位相変化との関係を示す図である。 比較例の多層膜反射鏡による多層膜切削位置と相対位相変化との関係を示す図である。 本発明の一実施形態による多層膜反射鏡を備えるシュワルツシルド光学系の構成を示す図である。 本発明の一実施形態によるＥＵＶ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流れ図である。 多層膜の切削量に対する位相および反射率の変化を示す図である。

符号の説明

１０１…反射層、２０１…基板

Claims (10)

1. 所定の波長に対して屈折率の高い層と屈折率の低い層とを交互に積層した多層膜を含む多層膜反射鏡であって、前記多層膜反射鏡によって反射される光の位相を調整するために多層膜を削り取る際に、各層間で位相変化の割合が急激に変化しないように、前記屈折率の低い層の厚さに対する拡散層の厚さの比率を大きくしたことを特徴とする多層膜反射鏡。
2. 所定の波長に対して屈折率の高い層と屈折率の低い層とを交互に積層した多層膜を含む多層膜反射鏡であって、前記多層膜反射鏡によって反射される光の位相を調整するために多層膜を削り取る際に、各層間で位相変化の割合が急激に変化しないように、前記屈折率の高い層の厚さに対する拡散層の厚さの比率を大きくしたことを特徴とする多層膜反射鏡。
3. 前記屈折率の高い層がシリコンからなる層であり、前記屈折率の低い層がモリブデンからなる層である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. 前記比率が５０％以上であることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の多層膜反射鏡。
5. 請求項１から４のいずれか１項に記載の多層膜反射鏡を含むことを特徴とする光学系。
6. 屈折率の高い層と屈折率の低い層とを交互に積層した多層膜を含む多層膜反射鏡であって、反射率が高くなるように、前記屈折率の低い層の厚さに対する拡散層の厚さの比率を小さくした別の多層膜反射鏡をさらに含むことを特徴とする請求項５に記載の光学系。
7. 屈折率の高い層と屈折率の低い層とを交互に積層した多層膜を含む多層膜反射鏡であって、反射率が高くなるように、前記屈折率の高い層の厚さに対する拡散層の厚さの比率を小さくした別の多層膜反射鏡をさらに含むことを特徴とする請求項５に記載の光学系。
8. 前記別の多層膜反射鏡の前記比率が５０％未満であることを特徴とする請求項６または７に記載の光学系。
9. 請求項５から８のいずれか１項に記載の光学系を備えたことを特徴とする露光装置。
10. 請求項９に記載された露光装置を使用して露光転写する工程を有することを特徴とする半導体デバイスの製造方法。

Images