JP2008151983A - 多層膜反射鏡 - Google Patents

Abstract

【課題】極端紫外線用の反射鏡の多層膜構成を簡略化し、製作効率の向上および製造コストの低減を図る。
【解決手段】第１材料Ａと第２材料Ｂからなる２層構成の第１積層体２の上に、第１材料Ａと第２材料Ｂと第３材料Ｃからなる３層構成の第２積層体３を積み重ねた多層膜反射鏡を製造する。２層構成と３層構成を組み合わせることで、全体が３層構成の多層膜反射鏡に比べて膜構成の複雑化を抑制することができる。多層膜反射鏡の入射面に近い３層構成の第２積層体３の周期数を２層構成の第１積層体２の周期数より小さくして、全体を３層構成にした状態と同等の反射率を得られるよう、層数および厚さを最適化する。
【選択図】図１

Description

本発明は、軟Ｘ線用の反射鏡として使われる多層膜反射鏡に関するものである。

近年、半導体集積回路素子の微細化の進展に伴い、従来の紫外線に代わって軟Ｘ線（波長１１〜１４ｎｍ）を使用したＥＵＶリソグラフィー技術が開発されている。この領域の光に対して、物質の屈折率は１に非常に近く、またその吸収も大きいため、原理的にレンズ作用を利用することができない。よって反射鏡を利用した光学系が用いられる。使用される反射鏡は、Ｘ線領域で吸収が少なく、互いの屈折率差の大きい２種類の物質を交互に何層も積層することにより作製される。ＥＵＶリソグラフィー用として広く用いられているのはＭｏとＳｉを構成材料とする多層膜反射鏡である。

このような多層膜反射鏡には、全体が一定の膜厚である１／４波長積層体に似た分布ブラッグ反射で構成されるものが広く用いられている。この方法で、ＭｏとＳｉから形成される多層膜反射鏡の反射率は、最大で７０％を超える。

現在は、膜厚が同じ交互周期層が主流であるが、最高反射率を出すためには、Ｍｏ、Ｓｉの割合を膜が付くに従い変化させてＭｏを少なくし、表面付近では吸収の小さいＳｉが厚い構成にする必要があるとの報告がある（非特許文献１参照）。

一方で、特許文献１に開示されたように、膜厚変化構成と、Ｓｉ、Ｍｏの構成だけではなく、Ｒｕ、Ｒｈなど種々の材料を交互周期層の間に挟みこむ構成を組み合わせることによって、反射率が８１％を超えるＸ線用の多層膜反射鏡が提案されている。

また、特許文献２に開示されたように、ＳｉとＭｏの界面反応によって生成されるシリサイド層による反射率低下を防ぐために、Ｂ₄ Ｃを挟みこむ構成も知られている。
M.Yamamoto and T.Narioka：Layer-by-Layer design method for soft-x-ray multilayers, Appl. Phys, vol 31. No 10/1 April,(1992), 95 特開２００１−５１１０６号公報 特開昭６０−７４００号公報

このように、多層膜内の層の材料および膜厚構成によってより高い反射率を求められることが理論的には知られているが、現実にそのような複雑な構成の多層膜を厳密に作製することは、成膜の制御性および測定精度の観点からも困難である。

すなわち、Ｓｉ／Ｍｏの２層構成の交互周期層を、例えばＳｉ／Ｒｕ／Ｍｏの３層構成の周期層にするだけでも反射率は高くなる。しかしながら、Ｒｕという一層が加わるだけで、成膜中のターゲット切替が一周期ごとに１回余分に発生し、この切替で例えば３分間ロスすると、従来１０時間で終わるはずの４０周期の多層膜成膜に１２時間要することになり、多層膜の製作効率が大幅に落ちてしまう。

また、ＲｕはＭｏやＳｉに比べて高価で、Ｍｏと比べると約１０倍の価格になるのが一般的である。例えばＳｉ／Ｍｏ周期層のＭｏ膜厚２．５ｎｍのうち約１ｎｍがＲｕにとって変わることでより高い反射率を得られるが、このわずか１ｎｍの材料費差によるコスト増加を考えると、約５倍の費用を要する計算になり、製造コストが高騰する。

また、２層構成の多層膜の場合、膜厚制御は２層のトータルの厚さのみを制御すれば膜特性を満足することが可能となるが、３層構成の場合、３層のトータルの厚さを制御し、各層の膜厚は不明瞭なままであると、膜特性を満足することが困難である。従って隣接する２層の膜厚を制御しなければならず、そのため、制御対象が３種類になり、成膜や計測の誤差が増えることになる。

このように、材料および膜厚構成を複雑化することは、製作効率や経済的にも大きなハンディキャップを背負うことになる。また成膜制御性、測定精度の観点でも大きな問題となる。

実際のミラーの生産においては、多層膜の製作時間を１時間以上削減することが生産効率の観点か非常に重要である。すなわち製作時間を１時間削減することができれば、成膜工程の前後の各工程や、それらとの成膜前の基板や成膜後の多層膜反射鏡の搬送の自由度をアップすることが可能となる。従って、単に、多層膜の製作時間の短縮のみではなく、多層膜反射鏡の製造コストを大幅に削減することが可能となる。

本発明は、成膜制御性、生産効率の観点から、膜構成の複雑化をできる限り抑えた、より単純な多層膜構成を用いて、高い反射率を実現できる極端紫外線用の多層膜反射鏡を提供することを目的とするものである。

本発明の多層膜反射鏡は、基板上に、第１材料と第２材料からなる２層構成の交互周期層を積層することで形成された第１積層体と、前記第１積層体の上に、前記第１材料と前記第２材料と第３材料からなる３層構成の交互周期層を積層することで形成された第２積層体と、を有し、前記第１積層体より前記第２積層体の周期数が少ないことを特徴とする。

本発明では２層構成と３層構成とを組み合わせて、積層体全てが３層構成のものとほぼ同等な反射率が得られるように最適化している。すなわち、Ｓｉ／Ｒｕ／Ｍｏの３層構成であれば、その中にＳｉ／Ｍｏの２層構成が多く存在することにより、例えば６０周期の多層膜の製作時間を６０分以上短縮できる。また、Ｓｉを除いた層の製造コストを約１／３に抑えられる。また積層体全てが３層構成のものに比べて積層体量が減るため、成膜制御性による誤差を減じ、測定誤差を抑えることができる。

本発明を実施するための最良の形態を図面に基づいて説明する。

図１に示すように、より単純な多層膜構成において高い反射率を得るために、基板１上に、２層構成の第１積層体２を積層し、その上に、第１積層体２よりも全体の厚みが薄い３層構成の第２積層体３を積み重ねた多層膜反射鏡を形成する。

第１積層体２は、屈折率の異なる第１材料Ａと第２材料Ｂからなる２層構成の交互周期層の積層体であり、第２積層体３は、第１材料Ａと第２材料Ｂと屈折率の最も小さい第３材料Ｃからなる３層構成の交互周期層の積層体である。

３層構成の交互周期層と２層構成の交互周期層では周期長がほぼ同等であることから、第１積層体２より第２積層体３の方が周期数が少ない。この多層膜構成において、全体が第１材料Ａと第２材料Ｂと第３材料Ｃからなる３層構成の同じ厚さの多層膜反射鏡と同等な反射率が得られるように最適化する。同等な反射率とは、反射率測定装置の測定精度±０．２％の範囲内である。これは一般的に反射率の０．２％の差は、実質的に光学特性に影響しない範囲であるためである。

多層膜を構成する材料はＳｉ、Ｍｏ、Ｒｕ、Ｒｈのような一般的に極端紫外線用の軟Ｘ線反射鏡に用いられる金属材料である。

２層構成と３層構成を組み合わせることで多層膜構成を簡略化するものであるため、入射面に近い３層構成の積層体の周期数をできるだけ小さくして、全体を３層構成にした状態と同等の反射率を得られるように層数および厚さを選択する。入射面に近い３層構成の積層体の最小層数は、全体が３層構成の場合の反射率から０．２％低い反射率を維持できる層数とする。最大層数は製作効率と製造コストの効果が望める範囲内で設定する。

なお、基板側から表面に向かって、例えばＡ／Ｃ／Ｂ／Ａ／Ｃ／Ｂと切り良く終わる必要はなく、Ａ／Ｃ／Ｂ／Ａ／Ｃ／Ｂ／Ａと終わってもよい。このように、積層体全体の層数や構成の違いにより、３層構成の層数の全体に対する比率や絶対数が異なり、それぞれに最適解が存在する。

例えば、屈折率の大きい順にＳｉ、ＭｏおよびＲｕまたはＲｈを用いた図１の膜構成において、全体が一定膜厚で、１／４波長積層体に似た分布ブラッグ反射構造を持ち、入射角度が０度のときにピーク波長が１３．５ｎｍになるような多層膜反射鏡を製作する。

図２は、この多層膜反射鏡を成膜するためのスパッタリング成膜装置を示す。この装置のすべての制御系はコンピューター接続されており、一括制御可能であり、真空チャンバー９０１は真空ポンプ９０２によって排気される。

ターゲットホルダー９０９には、直径４インチのＢドープした多晶質のＳｉ、金属Ｍｏ、Ｒｕが取り付けられており、ＤＣ電源９１０に接続される。ターゲットホルダー９０９が回転し、各材料を切り替えて、基板ホルダー９０７上の基板に成膜する。このターゲットの材料は交換することも可能である。

基板は、直径５００ｍｍ、厚さ３００μｍのシリコンを用いており、成膜時自転している。基板とターゲットの間には、シャッター９０６や、基板上の膜厚分布を制御するための可動マスク９０４がある。成膜時はプロセスガスとして、ガス導入制御装置９１３からＡｒガスを３０ｓｃｃｍ導入する。ターゲットに投入する電力は、ＲＦ電源９１１から１３．５６ＭＨｚのＲＦ高周波１５０Ｗとした。各層の膜厚はコンピューター９１２により、時間制御している。

成膜方法はスパッタリング成膜方法を用いたが、製法はこの限りではなく、例えば蒸着法を用いても同様な膜が成膜可能である。

まず、性能を比較するために、Ｓｉ、Ｍｏの交互層（交互周期層）を６０回積層した多層膜反射鏡（比較例１）と、Ｓｉ、Ｒｕ、Ｍｏの交互層（交互周期層）を６０回積層した多層膜反射鏡（比較例２）を製作した。入射角度が０度のときにピーク波長が１３．５ｎｍにくるように設計した場合では、比較例１ではＳｉの厚さは４．２２ｎｍ、Ｍｏの厚さは２．６８ｎｍであり、成膜時間はそれぞれ４２秒と１３秒であった。また、比較例２ではＳｉの厚さは４．２３ｎｍ、Ｒｕの厚さは１．００ｎｍ、Ｍｏの厚さは１．６７ｎｍであり、成膜時間はそれぞれ４２秒と５秒と８秒であった。

このように成膜された、入射角度が０度のときにピーク波長が１３．５ｎｍにくるような多層膜反射鏡の波長反射特性を図３に示す。波長１３．５ｎｍにおける反射率は、比較例１では７４．８％、比較例２では７６．３％である。これらの比較例から、明らかにＳｉ／Ｍｏの２層構成の積層体よりもＳｉ／Ｒｕ／Ｍｏの３層構成の積層体の方が反射性能において優れていることがわかる。なお、反射率は最高値を算出するために、比較例１はＳｉ、比較例２はＲｕで交互層を終わらせている。

図２の成膜装置を用いて、０度入射のとき、ピーク波長が１３．５ｎｍになる多層膜反射鏡を以下のように作製した。

まず、基板側からＭｏ（第２材料）、Ｓｉ（第１材料）の順に膜厚をそれぞれ２．５５ｎｍ、４．４１ｎｍにして、２層構成の交互層を積層する。この上にＭｏ、Ｓｉ、Ｒｕ（第３材料）の順に、膜厚をそれぞれ１．６５ｎｍ、４．１９ｎｍ、１．０８ｎｍにして、３層構成の交互層を積層した。全体で６０周期１４５層の多層膜である。

図４は、本実施例の６０周期多層膜において、６０周期内の３層構成の周期数を変えた場合の、波長１３．５ｎｍにおけるピーク反射率を示すもので、同図の横軸は６０周期全てが３層構成であることを意味している。３層構成の交互層の周期数が０、５、１０、１５、２０、２５、３０、３５、６０の場合の値を測定し、それらの値をもとに図４に示すグラフを作成している。

測定結果から全てがＭｏ、Ｓｉ、Ｒｕの３層構成である、６０周期１８０層の交互層の反射率７６．０４％であった。この７６．０４％との差が０．２％以内の範囲は、７５．８４％以上７６．２４％以下である。従って図４から分るように、すべての交互層が３層構成である場合とほぼ同等の反射率が得られているのは、３層構成の交互層が２４周期形成されている場合である。すなわち３層構成の交互層の割合は全体の２／５にあたる。

このとき、多層膜の製作時間は１０５分短縮でき、Ｓｉを除いた層の製造コストは約１／２に抑えられることができた。また、多層膜の製作時間は６０分以上短縮するためには、３層構成の交互層は４０周期以下としなければならない。すなわち３層構成の交互層の割合が全体の２／３以下としなければならない。

実施例１と同様に、０度入射のとき、ピーク波長が１３．５ｎｍになる多層膜反射鏡を以下のように作製した。

まず、基板側からＳｉ、Ｍｏの順に膜厚をそれぞれ４．２０ｎｍ、２．７０ｎｍにして、２層構成の交互層を積層する。この上にＳｉ、Ｒｕ、Ｍｏの順に膜厚をそれぞれ４．２２ｎｍ、１．００ｎｍ、１．６８ｎｍにして、３層構成の交互層を積層し、最後を膜厚４．２４ｎｍのＳｉ、膜厚１．６９ｎｍのＲｕの順で終わらせた。全体で６０周期１３２層の多層膜である。

図５は、本実施例の６０周期多層膜において、６０周期内の３層構成の周期数を変えた場合の、波長１３．５ｎｍにおけるピーク反射率を示すもので、同図の横軸は６０周期全てが３層構成であることを意味している。３層構成の交互層の周期数が０、５、１０、１５、２０、２５、３０、６０の場合の値を測定し、それらの値をもとに図５に示すグラフを作成している。

測定結果から全てがＳｉ、Ｒｕ、Ｍｏの３層構成で同様に最後をＳｉ、Ｒｕの順で終わらせている６０周期１８２層の交互層の反射率７６．３４％であった。この７６．３４％との差が０．２％以内の範囲は、７６．１４％以上７６．５４％以下である。従って図５から分るように、すべての交互層が３層構成である場合とほぼ同等の反射率が得られているのは、３層構成の交互層が１０周期形成されている場合である。すなわち３層構成の交互層の割合は全体の１／６にあたる。

このとき、多層膜の製作時間は１５０分短縮でき、Ｓｉを除いた層の製造コストは約１／３に抑えることができた。また、多層膜の製作時間は６０分以上短縮するためには、３層構成の交互層は４０周期以下としなければならない。すなわち３層構成の交互層の割合が全体の２／３以下としなければならない。

実施例１と同様に、０度入射のとき、ピーク波長が１３．５ｎｍになる多層膜反射鏡を以下のように作製した。

まず、基板側からＳｉ、Ｍｏの順に膜厚をそれぞれ４．１６ｎｍ、２．７４ｎｍにして、２層構成の交互層を積層する。この上にＳｉ、Ｒｕ、Ｍｏの順に膜厚をそれぞれ４．２２ｎｍ、０．９９ｎｍ、１．６９ｎｍにして、３層構成の交互層を積層し、最後を膜厚４．２５ｎｍのＳｉ、膜厚１．６９ｎｍのＲｕの順で終わらせた。全体で５０周期１１２層の多層膜である。

図６は、本実施例の５０周期多層膜において、５０周期内の３層構成の周期数を変えた場合の、波長１３．５ｎｍにおけるピーク反射率を示すもので、横軸は５０周期全てが３層構成であることを意味している。３層構成の交互層の周期数が０、５、１０、１５、２０、２５、５０の場合の値を測定し、それらの値をもとに図６に示すグラフを作成している。

測定結果から全てがＳｉ、Ｒｕ、Ｍｏの３層構成で同様に最後をＳｉ、Ｒｕの順で終わらせている５０周期１５２層の交互層の反射率７６．２６％であった。この７６．２６％との差が０．２％以内の範囲は、７６．０６％以上７６．４６％以下である。従って図６から分るように、すべての交互層が３層構成である場合とほぼ同等の反射率が得られているのは、３層構成の交互層が１０周期形成されている場合である。すなわち３層構成の交互層の割合は全体の１／５にあたる。

このとき、多層膜の製作時間は１２０分短縮でき、Ｓｉを除いた層の製造コストは約１／３に抑えることができた。また、多層膜の製作時間は６０分以上短縮するためには、３層構成の交互層は３０周期以下としなければならない。すなわち３層構成の交互層の割合が全体の３／５以下としなければならない。

実施例１と同様に、０度入射のとき、ピーク波長が１３．５ｎｍになる多層膜反射鏡を以下のように作製した。

まず、基板側からＳｉ、Ｍｏの順に膜厚をそれぞれ４．１１ｎｍ、２．８２ｎｍにして、２層構成の交互層を積層する。この上にＳｉ、Ｒｕ、Ｍｏの順に膜厚をそれぞれ４．１９ｎｍ、１．０１ｎｍ、１．７０ｎｍにして、３層構成の交互層を積層し、最後を膜厚４．２３ｎｍのＳｉ、膜厚１．６９ｎｍのＲｕの順で終わらせた。全体で４０周期９８層の多層膜である。

図７は、本実施例の４０周期多層膜において、４０周期内の３層構成の周期数を変えた場合の、波長１３．５ｎｍにおけるピーク反射率を示すもので、同図の横軸は４０周期全てが３層構成であることを意味している。３層構成の交互層の周期数が０、５、１０、１５、２０、２５、４０の場合の値を測定し、それらの値をもとに図７に示すグラフを作成している。

測定結果から、全てがＳｉ、Ｒｕ、Ｍｏの３層構成で同様に最後をＳｉ、Ｒｕの順で終わらせている４０周期１２２層の交互層の反射率７５．９３％であった。この７５．９３％との差が０．２％以内の範囲は、７５．７８％以上７６．０８％以下である。従って図７から分るように、すべての交互層が３層構成である場合とほぼ同等の反射率が得られているのは、３層構成の交互層が１６周期形成されている場合である。すなわち３層構成の交互層の割合は全体の２／５にあたる。

このとき、多層膜の製作時間は６３分短縮でき、Ｓｉを除いた層の製造コストは約１／２に抑えることができた。また、多層膜の製作時間は６０分以上短縮するためには、３層構成の交互層は２０周期以下としなければならない。すなわち３層構成の交互層の割合が全体の１／２以下としなければならない。

図８は、上記実施例１〜４で作成した反射鏡を用いた反射型縮小投影露光装置の反射縮小投影光学系を示す。光源に１３．５ｎｍのＥＵＶ光を用いて、反射型マスク１１０７上に形成されたパターンを反射鏡１１０１、１１０２、１１０３、１１０４、１１０５、１１０６より構成された反射縮小投影光学系により基板１１０８上のレジストに転写した。これにより、マスク上０．１μｍのパターンに対して寸法０．０２５μｍのレジストパターンが正確に得られた。縮小率、波長等は、本実施例の値に限らない。レジストについても同様である。さらに、光学系の構成も図８に示したものに限らない。

ミラーへの光線入射角度分布範囲が５度以内の小さい反射鏡１１０１、１１０２、１１０４、１１０６は、従来のものを用い、ミラーへの光線入射角度分布範囲が５度以上の大きい反射鏡１１０３および１１０５は、実施例１〜４で作製した反射鏡を用いた。

一実施の形態による多層膜反射鏡の膜構成を示す模式図である。 図１の多層膜反射鏡を成膜するための成膜装置を示す図である。 比較例による多層膜反射鏡の理論波長反射特性図である。 実施例１による多層膜反射鏡において、全周期数内における３層構成の周期数に対するピーク反射率の依存性を示すグラフである。 実施例２による多層膜反射鏡において、全周期数内における３層構成の周期数に対するピーク反射率の依存性を示すグラフである。 実施例３による多層膜反射鏡において、全周期数内における３層構成の周期数に対するピーク反射率の依存性を示すグラフである。 実施例４による多層膜反射鏡において、全周期数内における３層構成の周期数に対するピーク反射率の依存性を示すグラフである。 反射型縮小投影露光装置の反射縮小投影光学系を示す図である。

符号の説明

１ 基板
２ 第１積層体
３ 第２積層体
９０１ 真空チャンバー
９０２ 真空ポンプ
９０４ 可動マスク
９０６ シャッター
９０７ 基板ホルダー
９０９ ターゲットホルダー
９１０ ＤＣ電源
９１１ ＲＦ電源
９１２ コンピューター
９１３ ガス導入制御装置

Claims (7)

1. 基板上に、第１材料と第２材料からなる２層構成の交互周期層を積層することで形成された第１積層体と、前記第１積層体の上に、前記第１材料と前記第２材料と第３材料からなる３層構成の交互周期層を積層することで形成された第２積層体と、を有し、前記第１積層体より前記第２積層体の周期数が少ないことを特徴とする多層膜反射鏡。
2. 前記第１および前記第２積層体の周期数の和は４０周期以上６０周期以下であり、前記第２積層体の周期数は、前記周期数の和の２／５以上、１／２以下であることを特徴とする請求項１記載の多層膜反射鏡。
3. 前記多層膜反射鏡の反射率と、前記第１および前記第２積層体の周期数の和と同数の前記３層構成の交互周期層のみからなる多層膜反射鏡の反射率との差は±０．２％以下であることを特徴とする請求項１または２記載の多層膜反射鏡。
4. 前記第３材料の屈折率が最も小さいことを特徴とする請求項１ないし３いずれか１項記載の多層膜反射鏡。
5. 前記第１材料はＳｉ、前記第２材料はＭｏであることを特徴とする請求項１ないし４いずれか１項記載の多層膜反射鏡。
6. 前記第３材料がＲｕまたはＲｈであることを特徴とする請求項５記載の多層膜反射鏡。
7. 請求項１ないし６いずれか１項記載の多層膜反射鏡を有する光学系を備えたことを特徴とする露光装置。

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