JP2011006746A - Method for depositing multilayer film - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、多層膜反射鏡等の多層膜を成膜するための多層膜成膜方法に関するものである。 The present invention relates to a multilayer film forming method for forming a multilayer film such as a multilayer film reflecting mirror.
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(11〜14nm)を使用したリソグラフィー技術が開発されている。このようなX線領域の波長の光に対しては反射鏡を利用した光学系が用いられるが、屈折率が1に近いため、反射率は非常に低く大部分のX線は透過するか、あるいは吸収されてしまうこととなる。 In recent years, with the progress of miniaturization of semiconductor integrated circuit elements, lithography technology using soft X-rays (11 to 14 nm) instead of conventional ultraviolet rays has been developed. An optical system using a reflecting mirror is used for light having such a wavelength in the X-ray region, but since the refractive index is close to 1, the reflectivity is very low and most of the X-rays are transmitted. Or it will be absorbed.
この問題を解決するために、多層膜反射鏡が開発されている。これは、X線の波長域での屈折率と真空の屈折率(=1)との差が大きい物質と、差の小さい物質とを交互に積層して界面に反射面を多数設け、各界面からの反射波の位相が一致するように、光学的干渉理論に基づいて各層の厚さを調整した多層膜を有する。 In order to solve this problem, multilayer reflectors have been developed. This is because a material having a large difference between the refractive index in the X-ray wavelength region and the refractive index of vacuum (= 1) and a material having a small difference are alternately laminated to provide a large number of reflecting surfaces at each interface. A multilayer film in which the thickness of each layer is adjusted based on the optical interference theory so that the phases of the reflected waves from the light wave coincide.
このような多層膜反射鏡の代表的なものとして、W(タングステン)/C(炭素)、Mo(モリブデン)/Si(シリコン)等の組み合わせが知られている。そして、これらの多層膜はスパッタリング、真空蒸着、CVD等の薄膜形成技術によって作製される。 As typical examples of such multilayer mirrors, combinations of W (tungsten) / C (carbon), Mo (molybdenum) / Si (silicon), and the like are known. And these multilayer films are produced by thin film formation techniques, such as sputtering, vacuum evaporation, and CVD.
しかしながら、例えば、Si及びMoからなる多層反射鏡をスパッタ装置にて成膜した場合、Si層では大きな圧縮応力を有し、Mo層の内部応力はプロセス条件により圧縮応力から弱い引張り応力まで変化する。さらに、SiとMoの界面においてそれぞれの物質が相互拡散し、MoとSiの拡散層が形成され、この拡散層も圧縮応力をもつ。従って、この反射光学素子は、Siの応力と、Moの応力と、MoとSiの拡散層で発生する応力の和をもつこととなる。 However, for example, when a multilayer reflector made of Si and Mo is formed by a sputtering apparatus, the Si layer has a large compressive stress, and the internal stress of the Mo layer varies from a compressive stress to a weak tensile stress depending on the process conditions. . Further, the respective materials are interdiffused at the interface between Si and Mo to form a diffusion layer of Mo and Si, and this diffusion layer also has compressive stress. Therefore, this reflective optical element has the sum of the stress of Si, the stress of Mo, and the stress generated in the diffusion layer of Mo and Si.
この多層膜形成で発生した応力は、基板の変形として置き換えられるため、高度に設計された半導体露光装置においては、設計上の光学素子に入射する光の入射角度を変え、また、波面を変化させる。このことは、半導体露光装置においては大きな問題となる。 Since the stress generated by the multilayer film formation is replaced as a deformation of the substrate, in a highly designed semiconductor exposure apparatus, the incident angle of light incident on the designed optical element is changed and the wavefront is changed. . This is a serious problem in a semiconductor exposure apparatus.
特に高反射率の多層膜を成膜する場合は、スパッタリング法が用いられている。しかし、スパッタリング法を用いると、成膜された薄膜は、プラズマ中の高エネルギー粒子の打ち込み効果による内部応力を有することが知られている。 In particular, when a multilayer film having a high reflectance is formed, a sputtering method is used. However, when the sputtering method is used, it is known that the formed thin film has an internal stress due to the implantation effect of high energy particles in the plasma.
このような内部応力があると、多層膜ミラーを組み合わせた光学系で用いた場合には収差が発生する。この問題を解決するために、Mo層とSi層を含む第1の多層膜層と、Mo層とSi層を含む第2の多層膜層を有する層構成で、内部応力を相殺するように第2の多層膜層のγ比を変化させて応力を低減する方法が提案されている(特許文献1参照)。また、基板に平行な面内の応力分布に応じて第2の多層膜層のγ比を変化させる方法も提案されている。
When such an internal stress is present, aberration occurs when used in an optical system in which a multilayer mirror is combined. In order to solve this problem, the first multilayer film layer including the Mo layer and the Si layer and the second multilayer film layer including the Mo layer and the Si layer are configured so as to cancel the internal stress. A method for reducing the stress by changing the γ ratio of the
しかし、上記従来の技術では、低減された内部応力値を再現性良く実現することは難しかった。すなわち、従来のスパッタ装置においてスパッタガスとして高純度アルゴンのみを用いて同一プロセス条件で成膜すると、成膜経過時間と共に、多層膜の内部応力値が変動する問題があった。 However, it has been difficult to realize the reduced internal stress value with good reproducibility by the above conventional technique. That is, when a film is formed under the same process conditions using only high-purity argon as a sputtering gas in a conventional sputtering apparatus, there is a problem that the internal stress value of the multilayer film varies with the elapsed film formation time.
図5は、スパッタ装置で多層膜を形成した時の成膜ロット数と、成膜時の水分圧計測値及び成膜された多層膜の内部応力値を測定したグラフを示す。このグラフの横軸は、スパッタ装置の成膜室を大気に開放した後、真空ポンプで十分に成膜室を排気し、ダミー基板を取り付けて実際と同じプロセスでエージング工程を経た後の成膜ロット数である。また、グラフ左側の縦軸は、多層膜形成中の水分圧をプロットしたもので、成膜ロット数が増すにつれて徐々に水分圧は低下していく。これは、多層膜をスパッタ成膜すると、基板以外のチャンバー壁などにもスパッタ粒子が到達して、MoやSiの金属膜が成膜され、これらはゲッタリング作用があるため、放出ガス種の水などを吸着することに起因する。 FIG. 5 shows a graph in which the number of deposition lots when a multilayer film is formed by a sputtering apparatus, the measured moisture pressure during deposition, and the internal stress value of the deposited multilayer film are shown. The horizontal axis of this graph shows the film formation after opening the film formation chamber of the sputtering device to the atmosphere, exhausting the film formation chamber sufficiently with a vacuum pump, attaching a dummy substrate, and performing the aging process in the same process as the actual It is the number of lots. The vertical axis on the left side of the graph is a plot of the water pressure during multilayer film formation, and the water pressure gradually decreases as the number of deposition lots increases. This is because when a multilayer film is formed by sputtering, the sputtered particles reach the chamber walls other than the substrate, and a metal film of Mo or Si is formed. It is caused by adsorbing water.
グラフ右側の縦軸は、各ロットで形成された多層膜の基板変形量から応力値を求めてプロットしたもので、成膜ロット数が増すにつれて引張り応力から圧縮応力側に徐々に変化することがわかる。 The vertical axis on the right side of the graph is a plot of the stress value obtained from the substrate deformation amount of the multilayer film formed in each lot, which may gradually change from the tensile stress to the compressive stress side as the number of deposition lots increases. Recognize.
本発明は、多層膜の内部応力値の変動により、多層膜光学素子の性能が製品ごとにバラつくのを回避できる多層膜成膜方法を提供することを目的とするものである。 An object of the present invention is to provide a multilayer film forming method capable of avoiding the performance of the multilayer optical element from being varied for each product due to fluctuations in the internal stress value of the multilayer film.
本発明の多層膜成膜方法は、成膜室内で複数のターゲット材をスパッタし、Mo層とSi層を交互に基板上に成膜する多層膜成膜方法において、水を添加したスパッタガスを前記成膜室内に導入することで、前記Mo層を成膜するときの前記成膜室内の水分圧値を一定に制御する工程を有することを特徴とする。 The multilayer film deposition method of the present invention is a multilayer film deposition method in which a plurality of target materials are sputtered in a deposition chamber, and Mo layers and Si layers are alternately deposited on a substrate. It is characterized by having a step of controlling the moisture pressure value in the film formation chamber to be constant when the Mo layer is formed by introducing the film into the film formation chamber.
多層膜のMo層を成膜する工程で、成膜室内の雰囲気ガスの水分圧値を一定に保つことで、内部応力値の変動による光学素子性能のバラつきを低減する。 In the step of forming the Mo layer of the multilayer film, the moisture pressure value of the atmospheric gas in the film forming chamber is kept constant, thereby reducing variations in optical element performance due to fluctuations in the internal stress value.
図1に示すスパッタ装置は、成膜室である真空チャンバー1を排気する排気系2と、成膜室内にスパッタガスを供給するガス供給系3と、複数のカソードにスパッタ電力を供給する電源4と、を有する。電源4は、カソード毎に電源が接続されていてもよいし、1台の電源で切り替え器を用いて、使用するカソードのみに電力を供給するタイプでもよい。
The sputtering apparatus shown in FIG. 1 includes an
真空チャンバー1の内部には、複数のターゲット材が取り付けられたカソードを有するカソードユニット5と、基板6を回転させながら成膜する基板ホルダーユニット7が配置されている。カソードユニット5は、真空チャンバー1の底面及び上面から磁気シール8,9を介して支持され、磁気シール9の下部にはカソード駆動系10が配設されている。
Inside the
多角柱のカソードユニット5の側面には、電気的に絶縁された複数のカソードが配設され、Mo、Siのターゲット11、12が取り付けられている。各カソードにはシャッターが配設され独立に開閉できる。カソード回転軸13は中空になっていて、その内部には、カソード冷却水や、スパッタ電力供給ケーブルやスパッタリングガス、シャッター駆動用エアー等を供給している。このような構成にすることで、所望のターゲットに切り替えてスパッタし、多層膜の成膜が可能となる。
A plurality of electrically insulated cathodes are disposed on the side surface of the polygonal
基板ホルダーユニット7は、基板6を保持する基板ホルダー14が回転軸15の先端に固定されている。回転軸15は磁気シール16を介してモーター17により回転駆動される。
In the substrate holder unit 7, a
真空チャンバー1の外部にはゲートバルブ18を介してロードロック室19が設置される。ロードロック室19には、ロードロック室内を排気するロードロック排気系20と、基板をロードロック室19から真空チャンバー1に搬送する搬送系21が設置されている。
A
ガス供給系3には、第1のスパッタガスとして高純度アルゴン22と、高純度アルゴンに水を0.1%添加した第2のスパッタガスであるアルゴン23とを、それぞれ真空チャンバー1に導入するタンクが設置されている。ガス供給系3のステンレス配管には、ガス流量を制御するマスフローコントローラ24、25と、スパッタガスを供給又は停止させるバルブが接続されている。
In the
この装置を用いた成膜中に、真空チャンバー1から放出される雰囲気ガスが多層膜の内部応力に大きく影響を与えており、特に、放出ガス種成分の中で水との強い相関があることがわかった。
During film formation using this apparatus, the atmospheric gas released from the
基板上に交互にMo層及びSi層を成膜するときの、成膜中の雰囲気ガスの水分圧値の影響を調べるために、図2(a)に示す光梃子を利用した膜応力評価装置を図1の装置に取り付けて膜応力を測定した。図1の基板6を応力計測用ホルダー27に交換し、応力計測用ホルダー27にはホルダーに片持ちで固定された薄い応力評価用のガラス基板28が取り付けてあり、真空チャンバー1の導入窓29の大気側にレーザー30が設置される。
A film stress evaluation apparatus using an optical insulator shown in FIG. 2 (a) in order to investigate the influence of the moisture pressure value of the atmospheric gas during the film formation when the Mo layer and the Si layer are alternately formed on the substrate. Was attached to the apparatus of FIG. 1 and the film stress was measured. The
レーザー30から放出されたレーザー光31はガラス基板28で反射される。反射されたレーザー反射光32は導入窓33を透過してスクリーン34にスポットとして写し出される。そのスポットを画像処理カメラ35で写し、スポットの重心位置を画像処理システム36で位置データとして保存する。
The
片持ちで固定されているガラス基板28に膜が成膜されると、その膜の内部応力でたわみ変形する。そして、レーザー反射光32は膜の内部応力による基板変形で反射角度が変化し、スクリーン上の反射スポットは移動する。ガラス基板28に成膜された膜厚に対するレーザースポットの移動変化量及び移動方向により、成膜した材料の圧縮又は引張り応力値を成膜しながら計測できる。
When a film is formed on the
図2(b)は、(a)の応力評価装置でMo成膜中の水分圧値を変化させたときのグラフである。このグラフでわかるように、水分圧値が6×10−6Paで引張り応力がピーク値を示し、さらに水分圧値を増加させると引張り応力値は徐々に減少し、水分圧値1×10−6Paを越えると圧縮応力になる。
FIG.2 (b) is a graph when the water pressure value during Mo film-forming is changed with the stress evaluation apparatus of (a). As can be seen in this graph, the tensile stress in the water pressure value is 6 × 10 -6 Pa indicates a peak value, tensile stress values and further increase the water pressure value gradually decreases,
図3(a)は前記と同様な手法でSi成膜中に水分圧値を変化させ、Mo成膜中には水分圧値(H2O分圧値)を一定(1×10−6Pa)に保ちながら成膜した時のグラフである。この実験で製作した多層膜サンプルの反射率を測定した結果、図3(b)に示すように、水分圧値が高いと反射率は低下する傾向があった。 In FIG. 3A, the water pressure value is changed during the Si film formation by the same method as described above, and the water pressure value (H 2 O partial pressure value) is constant (1 × 10 −6 Pa during the Mo film formation). It is a graph when it forms into a film, keeping it. As a result of measuring the reflectance of the multilayer film sample manufactured in this experiment, as shown in FIG. 3B, the reflectance tends to decrease when the moisture pressure value is high.
以上の実験結果から、Mo層の応力は水分圧値によって変化し、Si層の応力は水分圧値に関係なくほぼ一定の圧縮応力であり、多層膜の反射率を考慮するとSi層の水分圧値は低い程良いことがわかった。また、Mo層は、水分圧値6×10−6Paで引張り応力のピーク値を示し、水分圧値1×10−6Paを越えると圧縮応力に転じる。 From the above experimental results, the stress of the Mo layer varies depending on the moisture pressure value, and the stress of the Si layer is a substantially constant compressive stress regardless of the moisture pressure value, and considering the reflectance of the multilayer film, the moisture pressure of the Si layer We found that the lower the value, the better. In addition, the Mo layer exhibits a peak value of tensile stress at a moisture pressure value of 6 × 10 −6 Pa, and when the moisture pressure value exceeds 1 × 10 −6 Pa, the Mo layer shifts to compressive stress.
以上のことから、多層膜形成の成膜経過時間と共に多層膜の内部応力値が変動していたのは、真空チャンバー内の水分圧変化がMo層の応力値に影響を与えていたのが原因であることがわかった。そこで、本発明の多層膜成膜方法では、以下の方法で多層膜の内部応力を制御する。 From the above, the internal stress value of the multilayer film fluctuated with the elapsed time of multilayer film formation because the moisture pressure change in the vacuum chamber affected the stress value of the Mo layer. I found out that Therefore, in the multilayer film forming method of the present invention, the internal stress of the multilayer film is controlled by the following method.
まず、ターゲット交換やチャンバー内部部品のメンテナンス等でチャンバー内の大気開放操作を行った後、排気系2で十分に真空排気する。真空度が設定された値になったら、実際の多層膜を形成する場合と同じ条件でガス供給系3からスパッタガスとして高純度アルゴン22のみを導入して成膜を行うエージング工程を実施する。エージング工程の目的は、排気系2の排気ではチャンバー内壁からの主に水の脱ガスが多いため、ゲッタリング効果のあるMoやSiをチャンバー内壁に成膜して脱ガスをおさえることである。
First, after performing an air release operation in the chamber for target replacement, maintenance of chamber internal parts, etc., the
エージング工程が終了すると、水分圧は1×10−6Pa程度になり、多層膜の成膜が開始できる状態となる。ロードロック室19に基板を投入した後、排気系2で排気動作を行う。排気動作が完了したらゲートバルブ18を開き搬送系21で基板6を真空チャンバー1に搬送し多層膜の成膜工程に入る。
When the aging process is completed, the moisture pressure becomes about 1 × 10 −6 Pa, and the film can be formed. After loading the substrate into the
多層膜の第1層はSi層を高純度アルゴン22のみで成膜する。1層目のSi層の成膜が終了した後にカソード駆動系10を作動してターゲットをMoに切り替える。ターゲット切り替え操作終了後に水分圧を計測し、水分圧値が6×10−6Paになるように、高純度アルゴン22と、水を0.1%添加したアルゴン23の流量比を調整し、総アルゴン流量が一定となるようにして2層目のMo層の成膜を開始する。
As the first layer of the multilayer film, a Si layer is formed using only high-
なお、水分圧制御を行うためには非常に微量な水導入をすることが必要で、現行で用いられているマスフローコントローラでは0.1sccm以下の流量制御はできない。このため、前述のように、高純度アルゴンと、水を0.1%添加したアルゴンの流量比(混合比)を調整することで水分圧の制御を行う。上記の実験では、エージング工程が終了すると水分圧値が1×10−6Paであるから、6×10−6Paに制御するために、初回のロット成膜では、高純度アルゴン22の流量を96sccm、水を0.1%添加したアルゴン23の流量を4sccmとした。このような成膜を100層程度繰り返して多層膜を形成した。
In order to control the moisture pressure, it is necessary to introduce a very small amount of water, and a mass flow controller currently used cannot control a flow rate of 0.1 sccm or less. For this reason, as described above, the moisture pressure is controlled by adjusting the flow rate ratio (mixing ratio) of high purity argon and argon added with 0.1% of water. In the above experiment, since the moisture pressure value is 1 × 10 −6 Pa when the aging process is completed, in order to control the water pressure to 6 × 10 −6 Pa, the flow rate of the
Mo層の水分圧値の制御範囲は、真空チャンバー1を大気開放しエージング工程を終了した後の水分圧値は1×10−6Pa程度であるため、1×10−6Pa以上、Mo層が引張り応力から圧縮応力に転じる1×10−4Pa以下である。好ましくは、引張り応力値が最大となる6×10−6Paで一定に制御するのが好ましい。Si層の水分圧値は膜応力に影響を与えないので高い反射率が得られる1×10−6Pa以下が好ましい。
Control range of the water pressure value of Mo layer, the
図4は、上記の成膜方法で多層膜を数ロット連続成膜した時の多層膜内部の応力値を測定したグラフである。このグラフからわかるように、Mo層を成膜するときの水分圧を制御することで、多層膜の応力値を成膜ロット回数に関係なく一定にすることができる。 FIG. 4 is a graph in which the stress value inside the multilayer film is measured when several lots of the multilayer film are continuously formed by the film forming method described above. As can be seen from this graph, by controlling the moisture pressure when forming the Mo layer, the stress value of the multilayer film can be made constant regardless of the number of deposition lots.
1 真空チャンバー
2 排気系
3 ガス供給系
11、12 ターゲット
22 高純度アルゴン
23 水を0.1%添加したアルゴン
DESCRIPTION OF
Claims (3)
水を添加したスパッタガスを前記成膜室内に導入することで、前記Mo層を成膜するときの前記成膜室内の水分圧値を一定に制御する工程を有することを特徴とする多層膜成膜方法。 In a multilayer film forming method in which a plurality of target materials are sputtered in a film forming chamber, and Mo layers and Si layers are alternately formed on a substrate.
Introducing a sputtering gas to which water has been added into the film forming chamber, the method includes a step of controlling the moisture pressure value in the film forming chamber to be constant when forming the Mo layer. Membrane method.
前記Si層を成膜するときの前記成膜室内の水分圧値を1×10−6Pa以下に制御する工程と、を有することを特徴とする請求項1に記載の多層膜成膜方法。 Controlling the moisture pressure value in the film formation chamber when forming the Mo layer to 1 × 10 −6 Pa or more and 1 × 10 −4 Pa or less;
2. The multilayer film forming method according to claim 1, further comprising: controlling a moisture pressure value in the film forming chamber to 1 × 10 −6 Pa or less when forming the Si layer.
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