KR100852985B1 - 극자외선 리쏘그래피용 자가세정 광학장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 입사광 및 O2, H2, H2O와 같은 기체 분자 종과 결합하여 광학계 표면으로부터 탄소 침적물의 연속적인 세정을 제공하는 표면 또는 "캡핑"층을 보유하고, 리쏘그래피 응용, 특히 극자외선(EUV) 리쏘그래피에 사용되는 다층 반사용 광학계 또는 미러(mirror)에 관한 것이다. 상기 금속 캡핑층은 산화 저항성이 있고, 적어도 90%의 극자외(EUV) 입사광을 투과시킬 수 있는 능력이 요구된다. 상기 캡핑층의 재료는 Ru, Rh, Pd, Ir, Pt 및 Au 및 이들의 조합물을 포함한다.
자가 세정, 반사용 광학계, 극자외 리쏘그래피, 다층
Description
본 발명은 리쏘그래피(lithography) 응용(applications), 보다 상세하게는, 극자외선 리쏘그래피에 사용되는 광학계의 표면층 또는 "캡핑(capping)"층에 관한 것이다. 탄소 오염물이 실질적으로 존재하지 않는 광학 표면을 유지하기 위하여, 다층 미러(multilayer mirror)와 같은 광학계에 배치된 표면층 또는 "캡핑"층은 강력한 방사를 통해 O2, H2 및 H2O와 같은 분자 종(species)들과 결합하여 작용한다. 캡핑층은 산화반응 또는 산화적 분해반응으로부터 표면을 보호하는 것과 같은 기능을 한다.
증점도(increasing density) 및 고해상도 특성을 갖는 회로에 대한 요구, 즉, 보다 작은 최소 배선폭(feature size)을 갖는 회로에 대한 요구로 인하여, 희망하는 패턴을 제조하기 위해 요구되는 방사 파장이 필연적으로 최단 파장으로 유도되어가고 있다. 극자외선(EUV)선, 즉, 3 내지 15 nm의 파장범위에 존재하는 방사파는 종래의 투과 광학계에 의해 투과시 현저히 약화되기 때문에, 빛을 투과시키지 않고 반사시키는 광학계를 사용하는 리쏘그래피 투영(projection) 방법이 필요하게 되었다. 현재, 극자외선 리쏘그래피(EUVL)에 사용되고 있는 반사용 광학계 및 마스크(mask)들은 약 40Å 두께의 실리콘으로 이루어진 최고(topmost)층을 구비한 Mo/Si 다층 구조에 기초하고 있다.
탄화수소 분자 및 수증기는 EUVL에 사용되는 리쏘그래피 장치(스테퍼, stepper)에 모두 존재한다. 이들은 스테퍼의 백그라운드 환경에 존재하며, 포토레지스트 물질 및 케이블링(cabling)과 같은 스테퍼 환경 내부의 기타 유기물질에서 발생될 뿐만 아니라, 스테퍼 내부에 요구되는 낮은 기압을 유지시키는 진공 펌프에 사용되는 오일에서도 발생될 수 있다. 모든 표면에서 물이 흡수되며, 엄격한 진공가열기술(rigorous vacuum baking techniques)을 사용하더라도 흡수된 물을 제거하기 힘들다. 극자외(EUV)선은 표면에서 흡수되거나 표면 근처의 물분자들의 분해반응을 유발시키기에 충분할 정도로 강력해서 광학계 표면을 공격, 분해 또는 오염시키는 수소 및 활성산소종들을 생성시킨다. EUV에 의해 유도된 유기 물질의 분해반응은 다층 Mo/Si 광학계 및 마스크 표면의 탄소 오염을 유발시킬 수 있다. 이와 같은 탄소 코팅은 코팅된 성분의 성능을 서서히 감소시키는데, 예를 들면, 광학계 표면의 반사율을 감소시킨다. 이와 같은 현상은 도 1의 곡선(100)으로 도시되어 있으며, 상기 도면에서, 상대적인 반사율(R/R0)이 극자외(EUV)선 플럭스(flux)에 존재하는 탄화수소 증기(네오프렌)에 노출된 다층 Mo/Si 미러의 노출시간에 따라 도해되어 있다. 탄화수소 증기에 3시간 동안 노출시킨 후, 반사율이 7% 정도의 수용 불가능한 정도로 손실되었음을 확인할 수 있다.
탄소 오염물을 제거하기 위하여 사용될 수 있는 방법은, 강력히 방사될 때 활성 화학종(species)을 형성시킬 수 있는 H2O 및 O2와 같은 산소 함유 분자들을 사용하며, 상기 활성 화학종은 탄소 오염물과 반응하여 CO 및 CO2와 같은 휘발성 탄소화합물을 생성시킬 수 있으며, 상기 휘발성 탄소화합물은 펌핑을 통해 제거될 수 있다. 탄소 오염물을 제거하기 위한 산화 처리작업을 수행하는 동안에, 일단 탄소층이 Mo/Si 다층 광학계 구조의 표면으로부터 제거되면, 활성산소종들은 실리콘 산화물(일반적으로 SiO2)을 형성하는 하부의 말단 실리콘 표면층을 산화시킬 수 있다. 산소는 강력한 EUV 흡수제로서, 즉, 도 1에 도시된 바와 같이, Si-말단 Mo/Si 광학계의 산화반응은 이와 같은 광학계의 반사율을 상당히 약화시킬 수 있다.
주변 오염물과의 상호작용과 관련된 광학 성분들의 성능이 감소된다는 것을 인식하여, 다양한 해결책들이 제시되었다. 예를 들면, 엘리엇(Elliott)의 미합중국 특허번호 제 5,814,156호, 사카이 등(Sakai et al.)의 미합중국 특허번호 제 5,312,519호, 및 뮬러 등(Muller et al.)의 문헌(Rev. Sci. Instrum., 63, 1428-1431, 1992)에서, 가스 플라즈마가 표면 오염물, 특히 탄소 오염물을 제거하는데 효과적이라는 것이 밝혀졌다. 그러나, 반응 정도를 미세하게 조절할 수 없고, 앞서 언급한 바와 같이, 시스템 성분들과의 원치않는 해로운 반응물들이 발생할 수 있다.
몬트컴 등(Montcalm et al.)의 미합중국 특허번호 제 5,958,605호에는 산화 저항성이 있는 Mo/Si 다층 미러 구조의 표면에 적용된 오버코트(또는 "캡핑")층을 개시하고 있다. 오버코트층에 의해 다층 광학계의 반사율이 감소되지 않게 하기 위하여, 오버코트층과 그 아래에 위치한 반사층의 두께를 모두 조절할 필요가 있으며, 이렇게 조절함으로써 이들 층에서 반사된 빔들은 위상이 동일하고 서로 보강 간섭을 일으킨다. 오버코트층의 두께, 오버코트 밑층의 두께, 또는 두 개층 모두의 두께를 최적화하기 위하여, 복합적인 일련의 계산을 요구할 수도 있다. 또한, 몬트컴의 오버코트층은 다층 광학계의 탄소 오염을 예방하는 작용을 하지 않는다.
탄소필름 형성으로 야기되는 것과 같은 어떠한 다층 광학계의 반사율 감소도 수용할 수 없다는 것이 EUV 리쏘그래피 성분에 대한 요구사항이다. 산화를 통한 현재의 탄소제거방법은 EUV 리쏘그래피 시스템의 환경에는 적용하기 어려우며, 종종 광학 성분들에 악영향을 미친다. 앞서 기술한 바와 같이, 산화 방해물(barriers)은 반사율 고려로 인하여 사용하기 어렵다. 다층 Mo/Si 미러 구조의 말단 실리콘층 상부에 배치될 수 있고, 모든 극자외(EUV) 입사광을 실질적으로 투과할 수 있고, 다층 Mo/Si 미러 표면의 탄소 오염을 적극적으로 방지하고 최소화할 수 있는 산화 저지층은 이와 같은 문제를 해결하기 위한 최선의 방법을 제공할 것이다.
발명의 요약
본 발명은 O2, H2, H2O 및 이의 조합물과 같은 기체 반응물과 결합된 금속 표면 또는 "캡핑"층이 리쏘그래피 응용, 특히, 극자외선 리쏘그래피(EUVL)에 사용되는 다층 반사용 광학계의 표면으로부터 탄소 침적물을 연속적으로 세정하는 것을 제공하는 자가세정광학계에 관한 것이다. 상기 기체 종들은 광학계 환경에서 우연히 발생될 수 있거나, 고의로 첨가될 수 있다. 캡핑층에 사용되는 금속은 실질적으로 모두(90% 이상)의 극자외(EUV) 입사광을, 특히 극자외(EUV)선 방사시, 산소에 저항성이 있는 하부의 다층 미러구조까지 투과시키는 능력과, 기체 반응물의 촉매적 분해반응을 제공하는 능력을 보유할 필요성이 있다.
현재, EUVL에 사용되는 반사용 광학계 및 마스크들은 약 40Å 두께의 실리콘으로 구성된 최고층을 갖는 Mo/Si 다층 구조에 기초하고 있다. 본 발명에 있어서, 얇은(약 5-400Å 및 바람직하게는 5-10Å) 금속 캡핑층이 말단 실리콘층의 상부에 적층된다. 일부의 경우, 캡핑층의 부착력을 향상시키기 위하여, 말단 실리콘층과 캡핑층사이에 결합층을 위치시키는 것이 바람직할 수 있다. 그러나, 이와 같은 결합층은 입사광의 투과에 실질적으로 영향을 주지 않을 정도로 얇을(약 1-3Å) 필요가 있다. 작은 압력(약 10-8 내지 10-4 Torr)의 하나 이상의 전술한 반응 기체종들이 캡핑된 다층 광학계 및 EUV 방사 환경에서 활성원자종(reactive atomic species)을 생성시킬 것이며, 생성된 활성원자종들이 광학계 표면에 침적된 어떠한 탄소 오염물들과 차례로 반응하고 이를 제거시킬 것이다.
극자외(EUV)선에 의한 O2 및 H2O의 분해작용을 통해 생성될 수 있는 산화종(oxidizing species) 이외에도, 원자성 수소(atomic hydrogen) 또한 표면으로부터, 예를 들어 CH4와 같은 탄소를 제거하는데 사용될 수 있다. 즉, 캡핑층을 포함하는 금속은 분자성 수소의 결합 및 해리를 통해 원자성 수소를 생성시키는 촉매적 표면을 제공하는 것이 바람직하다. 캡핑층에 적합한 금속은 Ru, Rh, Pd, Ir, Pt 및 Au 및 이들의 조합물을 포함한다.
도면의 간략한 설명
도 1은 많은 조건들에 대한 Mo/Si 미러의 상대 반사율의 변화를 도시하고 있다.
도 2는 다층 미러 구조의 개략도를 도시하고 있다.
도 3은 전자선(electron radiation) 존재하에, Ru-캡핑된 Mo/Si 다층 미러의 산화 및 반사율에 대한 H2O 노광 효과를 도시하고 있다.
본 발명은 다층 미러 구조, 특히 기체 반응물 및 입사광, 특히 극자외(EUV)선과 결합되어, 표면으로부터 탄소 침적물의 연속 세정을 제공하는 Mo/Si 다층 미러에 대한 금속 표면 또는 "캡핑"층의 용도에 관한 것이다.
본 발명을 설명하고 예증하기 위하여 사용되는 도 2는 EUV 응용에 사용되는 일반적인 다층 반사 미러 구조(200)를 도시하고 있다. 본 발명의 일 실시예에 있어서, Mo(210) 및 Si(220)의 상이한 막들로 이루어진 다중 구조층들은 기판(250)에 적층된 다층 코팅(230)을 포함한다. 설명을 위해 이와 같은 특별한 구조가 사용되었으며, 비주기 스택(non-periodic stack), 기타 물질을 보유한 다층 스택, 또는 두 개 이상의 물질과 같은 기타의 구조들도 가능하다. 5-400Å, 바람직하게는 5-10Å의 일반적인 두께를 갖는 금속 표면 또는 캡핑층(260)이 말단 Si 층(225)상에 적층된다. 층(260)은 금속 또는 금속 합금으로 구성되며, 이들 금속 및 금속 합금은 산화 저항성이 있으며, 기체 반응물과 반응하고 반응물의 해리를 촉매하여 극자외(EUV)선 방사하에 탄소 침적물과 반응하거나 기체화시킬 수 있는 종(species)을 생성시킬 수 있다. 또한, 층(260)은 극자외(EUV) 입사광, 즉 3-15 nm, 특히 약 13.4 nm의 파장을 갖는 입사광의 90% 이상, 바람직하게는 98% 이상을 투과시키는 능력을 보유한다. 예를 들면, 10Å Ru 막은 13.4 nm 파장을 갖는 입사광의 약 98.5% 이상을 투과할 것이다. 산화 저항성이 있고 실질적으로 모든 극자외(EUV) 입사광을 투과시킬 수 있다고 알려진 금속은 Rh, Ir, Pt, Pd, Ru 및 Au 및 이들의 조합물을 포함한다.
극자외(EUV)선과 같이 약 6 eV와 동일하거나, 그 이상의 에너지를 갖는 방사광은 캡핑층에서 방출되는 이차 전자(secondary electron)를 유발시킬 수 있다. 이와 같은 이차 전자들은 주변에 존재하는 산소 함유 기체(O2, H2 또는 공기와 같은)를 해리시켜 활성산소종을 생성시킬 수 있다. 활성산소종은, 도 1의 곡선(120)으로 나타내어지는 바와 같이, 금속 캡핑층의 표면상에 존재하는 어떠한 탄소 코팅과도 반응할 수 있다. 기체 산화 반응물들은 대기중에서 우연히 발생될 수 있거나, 또는 일부 또는 모두의 산소 함유 기체의 소분압(약 10-8 내지 10-4 Torr)을 다층 미러의 주변에 가함으로써 제공될 수 있다.
앞서 논의된 바와 같이, 도 1을 참조하면, 곡선(100)은 극자외(EUV)선(약 0.3 mW/mm2) 방사시 탄화수소 증기에 Mo/Si 다층 미러를 약 3시간동안 노광시킴으로써 Mo/Si 다층 미러의 반사율이 7% 정도 감소될 수 있다는 것을 나타낸다. 곡선(120)은 약 5×10-4 Torr 압력의 산화 반응물(O2) 및 극자외(EUV)선 방사시 탄화수소(HC=네오프렌) 증기에 노광된 Mo/Si 미러의 반사율에 대한 영향을 나타내고 있다. 곡선(100)에서 나타난 현저한 반사율 의 변화와는 대조적으로, 곡선(120)은 반사율에 변화가 없었으며, 이와 같은 현상은 미러 표면상에 적층된 탄화수소 물질의 방사 유도 분해에 의해 생성된 어떠한 탄소가 즉시 산화되어 버렸다는 것을 의미한다. 이후, 산화 반응물이 제거되었고(3-5 시간), 미러 표면상에 탄소 침적물이 발생되기 시작하면서 반사율이 감소되었다. 산화 반응물이 다시 주입되었고(5시간 이후), 반사율이 상승하기 시작하였으며, 이와 같은 현상은 침적 탄소가 산화에 의해 제거되었음을 의미한다.
약 90% 이상의 극자외(EUV) 입사광을 투과시키는 것 이외에도, 본 발명의 금속 캡핑층은 탄소와 반응하는 산화 반응물로부터 활성산소종의 생성을 촉진시킬 수 있을 뿐만 아니라, 이와 같은 활성산소종과 연관된 적극적(aggressive) 산화 조건들에 대하여 저항성이 있어야 한다. 도 3a 및 3b는 5×10-7 Torr의 수증기에 4.5 시간동안 노출되기 전(3a) 및 후(3b)의 Mo/Si 다층 구조의 Mo 표면을 캡핑하고 있는 20Å 두께의 Ru 금속층 사이의 접점(interface)에 대한 스퍼터 어거 깊이 프로파일 분석(sputter auger depth profile analysis)을 도시하고 있다. EUV 노광 과정에서, 극자외(EUV)선 노광을 시뮬레이션하기 위하여, 5μA/cm2의 전류 밀도하에서 2 kV 전자 플럭스(flux)를 Ru 캡핑된 Mo 표면에 조사하였다. 극자외(EUV)선은 Mo/Si 미러 및 이의 캡핑층과 상호작용하여 활성기체상의 해리를 제공하는 이차 전자를 발생시키기 때문에, 전자 플럭스가 극자외(EUV)선에 의해 생성되는 활성 조건들을 용이하고 정확하게 시뮬레이션 하기 위하여 사용될 수 있다. 또한, Ru 층 자체는 분자 H2O를 활성 산소 원자로의 해리반응을 촉진시킬 수 있다.
도 3a 및 3b에 도시된 어거 스퍼터 프로파일(Auger sputter profile)은 Ru 캡핑층 및 다층 미러의 하부 말단 Mo 표면이 노광 조건에 의해 산화되지 않았음을 도시하고 있으므로, 실질적으로 동일하다. 또한, 잔여 다층 미러의 EUV 반사율(R)은 노광전에 63.0%이고 노광후 62.8%이므로, 실질적으로 변하지 않았으며, 이와 같은 값 차이는 측정 오차범위내에 포함된다.
캡핑층에 사용되는 또 다른 바람직한 금속은 Pd이다. 앞서 언급한 바와 같이, 주변에 존재하는 분자들(물 및 잔류 탄화수소 물질)의 극자외(EUV)선-유도 분해작용은 활성산소종 이외에도 수소의 생성을 유발시킬 수 있다. Pd 금속이 수소분자를 흡착할 수 있고, 흡착 수소의 해리반응을 촉매하여 화학적으로 활성이 있는 원자성 수소를 생성시킬 수 있다는 것은 본 발명의 기술분야에서 잘 알려져 있다. 앞서 언급한 활성산소종에 관한 문제에 관하여, 원자성 수소는 표면상의 탄소 침적물과 반응하여 메탄(CH4)와 같은 휘발성 종을 생성시켜, 탄소 침적물을 제거시킬 수 있다.
금속 캡핑층은 마그네트론 스퍼터링(magnetron sputtering) 또는 이-빔 증발(e-beam evaporation)에 의한 것과 같은 본 발명의 기술분야에서 알려진 수단중 어느 것에 의해 적용될 수 있다. 일부 경우에 있어서, 특히 캡핑층 두께가 약 100 Å 이상일 경우, 다층 미러의 상부 표면과 금속 캡핑층 사이에 얇은 Cr, Mo, 또는 Ti 금속층을 위치시키는 것이 바람직할 수 있다. 두께가 약 1-3 Å일 수 있는 상기 Cr, Mo 또는 Ti 금속 결합층은 상기 캡핑층의 부착성을 향상시킬 수 있다.
요약하면, 방사선, 특히 극자외(EUV)선에 대한 실질적인 투과성이 있고, 입사광 및 우연히 발생되거나 의도적으로 첨가될 수 있는 H2O, O2 또는 H2와 같은 소량의 반응성 기체와 결합하여 산화 저항성을 가지는 금속 캡핑층으로 광학계의 표면, 특히 다층 미러의 표면을 커버함으로써, 산화에 저항성이 있을 뿐만 아니라 탄소 침적물이 연속적으로 세정되는 표면을 제공하는 것이 가능하다.
Claims (18)
- 자가세정 반사형 광학장치로서,반사형 광학장치의 표면상에 배치되고, 5 Å 내지 400 Å의 두께를 갖고, 산화로부터 반사형 광학장치 표면을 보호하고, 하부에 배치되는 반사형 광학장치 표면에 90% 이상의 입사 방사선을 투과시키는 금속 캐핑층;입사 방사선; 및10-8 Torr 이상의 압력으로 제공되고, 산소, 수증기, 공기, 수소 또는 이들의 혼합물인 하나 이상의 기체 반응물을 포함하는 반사형 광학장치.
- 제 1항에 있어서,상기 입사 방사선은 극자외선인 것을 특징으로 하는 반사형 광학장치.
- 제 1항에 있어서,상기 반사형 광학장치는 다층 미러를 포함하는 것을 특징으로 하는 반사형 광학장치.
- 제 3항에 있어서,상기 반사형 광학장치는 복수의 층들을 포함하고, 상기 각 층은 제1 몰리브덴층 및 제2 실리콘층을 포함하는 것을 특징으로 하는 반사형 광학장치.
- 제 2항에 있어서,상기 금속 캡핑층은 98% 초과의 입사 극자외선을 투과시키는 것을 특징으로 하는 반사형 광학장치.
- 제 5항에 있어서,상기 금속 캡핑층은 루테늄인 것을 특징으로 하는 반사형 광학장치.
- 제 1항에 있어서,상기 금속 캡핑층은 로듐, 백금, 이리듐, 팔라듐, 금 또는 그들의 조합인 것을 특징으로 하는 반사형 광학장치.
- 제 1항에 있어서,상기 반사형 광학장치 표면 및 상기 금속 캐핑층 사이에 배치되는 박막 금속층을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 반사형 광학장치.
- 제 8항에 있어서,상기 박막 금속층은 크롬, 몰리브덴 또는 티타늄인 것을 특징으로 하는 반사형 광학장치.
- 제 2항에 있어서,상기 금속 캐핑층은 루테늄이고, 상기 입사 방사선과 함께 상기 하나 이상의 기체 반응물과 반응하여 상기 금속 캐핑층 표면에 증착된 탄소 오염물을 제거하고 연속적으로 상기 금속 캐핑층으로부터 상기 탄소 오염물을 세정하는 원자를 생성하는 것을 특징으로 하는 반사형 광학장치.
- 극자외선 응용에 사용되는 반사형 광학장치의 표면을 탄소 오염물이 존재하지 않도록 유지하는 방법으로서,반사형 광학장치를 제공하는 단계;5 Å 내지 400 Å의 두께를 갖고, 산화로부터 보호될 수 있고, 90% 이상의 입사 극자외선을 투과시킬 수 있는 금속 캐핑층으로 상기 반사형 광학장치 표면을 코팅하는 단계;산소, 수증기, 공기, 수소 또는 이들의 혼합물이고 10-8 Torr 이상의 압력인 반응성 기체를 공급하는 단계; 및상기 코팅된 반사형 광학장치 및 반응성 가스를 극자외선에 노출시키는 단계를 포함하는 방법.
- 제 11항에 있어서,상기 코팅 단계는 마그네트론 스퍼터링(magnetron sputtering) 또는 전자빔 증착(e-beam evaporation)에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 11항에 있어서,상기 반사형 광학장치는 다층 미러를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 13항에 있어서,상기 반사형 광학장치는 복수의 층들을 포함하고, 상기 각 층은 제1 몰리브덴층 및 제2 실리콘층을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 11항에 있어서,상기 금속 캡핑층은 98% 초과의 입사 극자외선을 투과시키는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 15항에 있어서,상기 금속 캡핑층은 루테늄인 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 11항에 있어서,상기 금속 캡핑층은 로듐, 백금, 이리듐, 팔라듐, 금 또는 그들의 조합인 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 16항에 있어서,상기 극자외선과 함께 상기 금속 캐핑층은 상기 하나 이상의 반응성 기체와 반응하여 상기 금속 캐핑층 표면에 증착된 탄소 오염물을 제거하고 연속적으로 상기 금속 캐핑층으로부터 상기 탄소 오염물을 세정하는 원자를 생성하는 것을 특징으로 하는 방법.
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