JP2001052997A - 荷電粒子線露光装置及び半導体装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 像の歪みや、回転倍率色収差が大きくなら
ず、テレセン性も悪化しない荷電粒子線露光装置を提供
する。 【解決手段】 マスク１を透過した電子２は、マスク１
上に形成されたパターンの像をウェハー７上に結像す
る。鏡筒は接地電位に対して＋１００ｋＶの電位になっ
ている。一方、マスク１、ウェハー７はウェハーステー
ジ８を通して接地されている。電子銃の陰極は設置電位
に対し−１００ｋＶ、鏡筒は接地電位に対して＋１００
ｋＶになっている。これにより、マスク１を出た電子２
は、加速電位によって発生する凸レンズにより、光軸側
に収束してからマスク側レンズ３の作用を受ける。一
方、電子２は鏡筒とウェハー７の間で減速され、その凹
レンズ効果により広がる。それゆえ、電子線の軌道はマ
スク側とウェハー側とで対称性の良いものになり、その
間で発生する歪み、倍率回転色収差を相殺する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、荷電粒子線を利用
して、マスクやレチクル等に形成されたパターンの像を
ウェハー等に露光転写する荷電粒子線露光装置、及びそ
れを利用した半導体装置の製造方法に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】近年、半導体集積回路の集積度が高まる
につれて、回路パターンの微細化が要求されている。要
求される回路パターンの最小幅が0.1μｍ以下となるの
に伴い、従来の光学式の露光転写装置の使用が限界に達
し、これを克服するものとして、露光時の高解像度と高
スループットの両方を兼ね備えた荷電粒子線露光装置の
方式の検討が進められている。

【０００３】この目的で最初に開発されようとした方式
は、一括転写方式である。これは１チップまたは複数チ
ップを一度に露光する方式である。しかし、この方式は
転写のための原版となるマスクの製作が困難であるこ
と、１チップ以上というような大きな光学フィールド内
で収差を必要程度以下にするのが難しいこと等の理由に
より、最近では、その開発が下火になってきている。

【０００４】一括転写方式に代わり、最近よく検討され
ている方式は１チップまたは複数チップを一度に露光す
るのではなく、数100μｍ□程度の小さな領域（サブフ
ィールド）に分割して露光転写する方式であり、一般的
に分割転写方式とよばれている。露光転写の際、サブフ
ィールド毎に、被露光面上に結像される像の焦点や偏向
フィールドの歪み等の収差等を補正しながら露光する。
これにより、一括転写に比べて光学的に広い領域にわた
って解像度、精度の良い露光を行うことができる。

【０００５】このような荷電粒子線露光装置の投影光学
系の例として、減速電界型レンズを用いた電子線露光機
の投影レンズ系を図６に示す。図６において、不図示の
電子線源から放出された電子線は、不図示の照明レンズ
系を介してマスク１を照明する。マスク１には、Ｓｉ薄
膜にパターン化された開口を設けたものや、Ｓｉ薄膜に
薄膜金属パターンを設けたものなどがあり、電子がマス
ク１を透過したり、マスク１に散乱、吸収されること
で、マスク１を通過する電子２にパターン化されたコン
トラストを付ける。

【０００６】マスク１を透過した電子２はマスク側レン
ズ３、ウェハー側レンズ４を主要要素とする露光光学系
により、マスク１上に形成されたパターンの像をウェハ
ー７上に結像する。鏡筒外筒５ａ、５ｂ、マスク側レン
ズ３、ウェハー側レンズ４及びマスク１は導通してお
り、電源６によって接地電位に対して＋１００ｋＶの電
位になっている。一方、ウェハー７はウェハーステージ
８を通して接地されている。電子銃の陰極は接地電位に
対し−１００ｋＶ、鏡筒は接地電位に対して＋１００ｋ
Ｖになっており、電子２は鏡筒内を２００ｋｅＶのエネ
ルギーで通過し、ウェハー７上に１００ｋｅＶのエネル
ギーで入射する。

【０００７】このようにする理由は、マスク１からウェ
ハー７間の大部分で電子のエネルギーを２００ｋｅＶの
高圧として色収差を低減すると共に、ウェハー７に衝突
する電子のエネルギーを低くして、衝突の際に生じる欠
陥をアニールにより回復可能なものにとどめるためであ
る。すなわち、ウェハーに衝突する電子のエネルギーが
１５０ｋｅＶになると、製造する半導体装置に生じる欠
陥がアニールで回復できないが、１５０ｋｅＶ未満では
アニールで回復できる程度の欠陥しか生じないので、ウ
ェハーに入射するエネルギーを１００ｋｅＶに抑えてい
るのである。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】ところが、上記のよう
に従来例では、マスク１及び鏡筒（マスク側レンズ３、
ウェハー側レンズ４、鏡筒外筒５ａ、５ｂを含む）から
ウェハー７までの減速電界によって、凹レンズが発生す
る。図６において、電子２の軌道がウェハ７の近傍で外
側に広がっているのは、この凹レンズによるものであ
る。その結果、図に示されるように、マスク側の軌道と
ウェハー側の軌道との対称性が悪くなる。このような場
合には、像の歪み、回転倍率色収差が大きくなってしま
う。

【０００９】また、ウェハー側の凹レンズのため、マス
ク１を垂直照明すると、ウェハー７側では、図に示すよ
うに斜め照明になって、テレセン性が悪化してしまう。
テレセン性が悪いと、ウェハーステージの上下動、又は
高さ検出誤差に起因する高さ方向位置制御誤差によって
倍率回転変化が起こり、ショット間のつなぎ精度、層間
の重ね精度を劣化させる。したがって、ウェハーステー
ジの高さ精度、及び高さ測定精度を非常に高精度にする
必要が出てしまう。

【００１０】本発明はこのような事情に鑑みてなされた
もので、鏡筒内で電子を高エネルギーに保ち、鏡筒とウ
ェハーの間で電子を減速させてウェハーに入射する電子
のエネルギーを低く抑える方式であっても、像の歪み
や、回転倍率色収差が大きくならず、テレセン性も悪化
しない荷電粒子線露光装置を提供することを課題とす
る。さらには、露光パターンのつなぎ精度や層間の重ね
精度が良い、半導体装置の製造方法を提供することを課
題とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】前記課題を解決するため
の第１の手段は、マスク、レチクル等の物面上に形成さ
れたパターンの像を、荷電粒子線レンズを使用して、ウ
ェハー等の像面に露光転写する荷電粒子線露光装置であ
って、物面から荷電粒子線レンズまでの間で荷電粒子を
加速し、荷電粒子線レンズから像面までの間で荷電粒子
線を減速することを特徴とする荷電粒子線露光装置（請
求項１）である。

【００１２】本手段においては、物面から荷電粒子線レ
ンズまでの間で荷電粒子を加速することにより、加速電
界によって凹レンズを発生させ、物面から荷電粒子線レ
ンズまでの間で、荷電粒子軌道を広げ、荷電粒子線レン
ズによって光軸側に収束させる。一方、荷電粒子線レン
ズから像面までの間で荷電粒子線を減速しているので、
前述のように、減速電界による凹レンズによって、荷電
粒子線レンズから像面までの間に荷電粒子線の軌道が広
がる。よって、本手段により、物面側と像面側の軌道の
対称性が向上し、倍率回転色収差、歪み収差が改善され
る。図６に示した従来技術が有していた色収差の低減と
ウェハーに与えるダメージの回避効果は、本手段におい
ても発揮される。

【００１３】対称性とは、光軸上に設定した収束点を対
称の中心点とし、縮小比を考慮した点対称性をいう。通
常、このようにレンズを対称に配置し、照明光の軌道が
収束点に交わるように照明光学系を設定すると、歪、倍
率回転色収差が消える。なお、物面側とは、物面から収
束点までの範囲をいい、像面側とは収束点から像面まで
の範囲をいう。

【００１４】前記課題を解決するための第２の手段は、
前記第１の手段であって、少なくとも２個の荷電粒子線
レンズを有し、これらのレンズのうち、物面に最も近い
レンズは、物面から荷電粒子線レンズまでの間で荷電粒
子を加速しない場合に設置される位置よりも、物面側に
近い位置に設置され、像面に最も近いレンズは、物面か
ら荷電粒子線レンズまでの間で荷電粒子を加速しない場
合に設置される位置よりも、像面側に近い位置に設置さ
れていることを特徴とするもの（請求項２）である。

【００１５】本手段においては、図６に示した従来技術
で最適とされていた荷電粒子線レンズの設置位置より、
物面に最も近いレンズは物面側に近い位置に設置し、像
面に最も近いレンズは像面側に近い位置に設置する。こ
れにより、荷電粒子線軌道のテレセン性が向上し、物面
より垂直に出射した荷電粒子線は像面に垂直入射するこ
とになる。よって、ウェハー面を正確に高さ制御する必
要がなくなる。また、像側レンズ主面が像面に近づくこ
とで、軸上色収差が更に改善される。

【００１６】前記課題を解決するための第３の手段は、
前記第１の手段であって、少なくとも２個の荷電粒子線
レンズを有し、物面とそれに最も近い荷電粒子線レンズ
の間、及び像面とそれに最も近い荷電粒子線レンズとの
間に、それぞれ物面、像面とほぼ同電位の電極が設置さ
れていることを特徴とするもの（請求項３）である。

【００１７】本手段においては、設置された電極の作用
により、物面から鏡筒までの荷電粒子の加速に伴なう凹
レンズ、鏡筒から像面までの荷電粒子の原則に伴なう凹
レンズが発生するのを防止することができる。よって、
テレセン性を向上させることができ、ウェハー面を正確
に高さ制御する必要がなくなる。

【００１８】前記課題を解決するための第４の手段は、
前記第３の手段であって、少なくとも２個の荷電粒子線
レンズを有し、これらのレンズのうち、物面に最も近い
レンズは、物面から荷電粒子線レンズまでの間で荷電粒
子を加速しない場合に設置される位置よりも、物面側か
ら遠い位置に設置され、像面に最も近いレンズは、物面
から荷電粒子線レンズまでの間で荷電粒子を加速しない
場合に設置される位置よりも、像面側から遠い位置に設
置されていることを特徴とするもの（請求項４）であ
る。

【００１９】本手段においても、前記第２の手段と同じ
ように、荷電粒子線軌道のテレセン性が向上し、物面よ
り垂直に出射した荷電粒子線は像面に垂直入射すること
になる。よって、ウェハー面を正確に高さ制御する必要
がなくなる。

【００２０】前記課題を解決するための第５の手段は、
前記第１の手段から第３の手段の内いずれかの荷電粒子
線露光装置を使用し、マスク又はレチクルに形成された
パターンをウェハーに転写する工程を有することを特徴
とする半導体装置の製造方法（請求項５）である。

【００２１】本手段によれば、色収差の低減とウェハー
に与えるダメージの回避効果を維持しながら、倍率回転
色収差、歪み収差が少ない状態で露光転写を行うことが
出きるので、パターンの転写精度が良い状態で半導体装
置を製造することができ、さらにはテレセン性が良くな
るので、ウェハーの位置が多少変化しても、露光パター
ンのつなぎ精度や層間の重ね精度を悪くすること無く、
半導体装置を製造することができる。

【００２２】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態の例を
図を用いて説明する。図１は本発明の第１の実施の形態
を示す概要図である。図１において、１はマスク、２は
電子線、３はマスク側レンズ、４はウェハー側レンズ、
５ａ、５ｂは鏡筒の外筒、６は電源、７はウェハー、８
はウェハーステージ、９は接地である。

【００２３】不図示の電子線源から放出された電子線
は、不図示の照明レンズ系を介してマスク１を照明す
る。マスク１には、Ｓｉ薄膜にパターン化された開口を
設けたものや、Ｓｉ薄膜に薄膜金属パターンを設けたも
のなどがあり、電子がマスク１を透過したり、マスク１
に散乱、吸収されることで、マスク１を通過する電子２
にパターン化されたコントラストを付ける。

【００２４】マスク１を透過した電子２はマスク側レン
ズ３、ウェハー側レンズ４を主要要素とする露光光学系
により、マスク１上に形成されたパターンの像をウェハ
ー７上に結像する。鏡筒外筒５ａ、５ｂ、マスク側レン
ズ３、ウェハー側レンズ４は導通しており、電源６によ
って接地電位に対して＋１００ｋＶの電位になってい
る。一方、ウェハー７はウェハーステージ８を通して接
地されている。電子銃の陰極は設置電位に対し−１００
ｋＶ、鏡筒は接地電位に対して＋１００ｋＶになってお
り、電子２は鏡筒内を２００ｋｅＶのエネルギーで通過
し、ウェハー７上に１００ｋｅＶのエネルギーで入射す
る。

【００２５】この装置構成が図６に示す従来例と違うと
ころは、マスク１が接地電位とされていることである。
これにより、マスク１を出た電子２は加速を受け、その
加速電位によって発生する凹レンズにより、図１に示す
ように発散してからマスク側レンズ３の作用を受ける。
一方、電子２が鏡筒とウェハー７の間で減速され、その
凹レンズ効果により広がるのは、従来技術の説明で述べ
たとおりである。

【００２６】すなわち、ウェハー７からウェハー側レン
ズ４までの配置電位分布はマスク１からマスク側レンズ
３までの配置電位分布に対し光軸方向に光学系の倍率を
掛け反転した形になる。それゆえ、図１に示すように、
電子線の軌道はマスク側とウェハー側とで対称性の良い
ものになり、その間で発生する歪み、倍率回転色収差を
相殺する。ここに、マスク側とは、マスク１と収束点の
間の領域をいい、ウェハー側とは収束点とウェハー７の
間の領域をいう。収束点が倍率比を考慮した対称の中心
点となる。

【００２７】図２は本発明の第２の実施の形態を示す概
要図である。以下の図において、図１に示された構成要
素と同じ構成要素には同じ符号を付して説明を省略す
る。

【００２８】図２に示す実施の形態が図１に示す実施の
形態と異なる点は、図１に示したものに比して、マスク
側レンズ３はマスク１側に、ウェハー側レンズ４はウェ
ハー７側に寄った位置に設置されていることである。こ
のような配置とすることにより、電子２の軌道は図２に
示したようなものとなり、テレセン性が改善される。さ
らに、ウェハー側レンズ４の主面とウェハー７との間隔
を短くできるので、軸上色収差を改善することができ
る。

【００２９】図３は本発明の第３の実施の形態を示す概
要図である。第３図において、１０ａ、１０ｂは接地電
極である。本実施の形態が図１に示す実施の形態と異な
る点は、マスク１とマスク側レンズ３の間に接地電極１
０ａが、ウェハー７とウェハー側レンズ４との間にも接
地電極１０ｂが設置されている点である。このようなな
構成にするとマスク１と鏡筒の間に凹レンズ発生し、鏡
筒とウェハー７との直前に凹レンズが発生するのを防止
でき、共に凸レンズが発生する。よって、電子２の軌道
は図に示すようになり、マスク１を垂直に出射した電子
線はウェハー７に垂直に入射する（テレセン）ために、
従来例よりも、マスク側レンズ３をマスク１から離し、
ウェハー側レンズ４をウェハー７から離すことができ
る。

【００３０】以下、このような光学系部材を使用した荷
電粒子線露光装置を用いて半導体デバイスを製造する方
法を説明する。図４は、本発明の半導体デバイス製造方
法の一例を示すフローチャートである。この例の製造工
程は以下の各主工程を含む。 ウェハを製造するウェハ製造工程（又はウェハを準備
するウェハ準備工程） 露光に使用するマスクを製作するマスク製造工程（又
はマスクを準備するマスク準備工程） ウェハに必要な加工処理を行うウェハブロセッシング
工程 ウェハ上に形成されたチッブを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 できたチッブ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。

【００３１】これらの主工程の中で、半導体のデバイス
の性能に決定的な影響を及ぼす主工程がウェハプロセッ
シング工程である。この工程では、設計された回路パタ
ーンをウェハ上に順次積層し、メモリやＭＰＵとして動
作するチッブを多数形成する。このウェハプロセッシン
グ工程は以下の各工程を含む。 絶縁層となる誘電体薄膜や配線部、あるいは電極部を
形成する金属薄膜等を形成する薄膜形成工程（ＣＶＤや
スパッタリング等を用いる） この薄膜層やウェハ基板を酸化する酸化工程 薄膜層やウェハ基板等を選択的に加工するためにマス
ク（レチクル）を用いてレジストのパターンを形成する
リソグラフィー工程 レジストパターンに従って薄膜層や基板を加工するエ
ッチング工程（例えばドライエッチング技術を用いる） イオン・不純物注入拡散工程 レジスト剥離工程 さらに加工されたウェハを検査する検査工程 なお、ウェ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。

【００３２】図５は、図４のウェハプロセッシング工程
の中核をなすリソグラフィー工程を示すフローチャート
である。このリソグラフィー工程は以下の各工程を含
む。 前段の工程で回路パターンが形成されたウェハ上にレ
ジストをコートするレジスト塗布工程 レジストを露光する露光工程 露光されたレジストを現像してレジストのパターンを
得る現像工程 現像されたレジストパターンを安定化させるためのア
ニール工程 以上の半導体デバイス製造工程、ウェハプロセッシング
工程、リソグラフィー工程については、周知のものであ
り、これ以上の説明を要しないであろう。

【００３３】上記露光工程に、本発明に係る荷電粒子線
露光装置を用いることにより、露光転写の精度とテレセ
ン性が向上するので、ウェハーの位置が多少変化して
も、露光パターンのつなぎ精度や層間の重ね精度を悪く
すること無く、精度の良い露光転写により半導体装置を
製造することができる。

【００３４】

【発明の効果】以上説明したように、本発明のうち請求
項１に係る発明においては、色収差の低減とウェハーに
与えるダメージの回避効果を維持したまま、倍率回転色
収差、歪み収差を改善することができる。

【００３５】請求項２に係る発明においては、荷電粒子
線軌道のテレセン性が向上するので、ウェハー面を正確
に高さ制御する必要がなくなる。また、像側レンズ主面
が像面に近づくことで、軸上色収差が更に改善される。

【００３６】請求項３に係る発明においては、荷電粒子
線軌道のテレセン性が向上するので、ウェハー面を正確
に高さ制御する必要がなくなる。

【００３７】請求項４に係る発明においては、荷電粒子
線軌道のテレセン性が向上するので、ウェハー面を正確
に高さ制御する必要がなくなる。

【００３８】請求項５に係る発明においては、露光転写
の精度とテレセン性が向上するので、ウェハーの位置が
多少変化しても、露光パターンのつなぎ精度や層間の重
ね精度を悪くすること無く、精度の良い露光転写により
半導体装置を製造することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態を示す概要図であ
る。

【図２】本発明の第２の実施の形態を示す概要図であ
る。

【図３】本発明の第４の実施の形態を示す概要図であ
る。

【図４】本発明の半導体デバイス製造方法の一例を示す
フローチャートである。

【図５】リソグラフィー工程を示すフローチャートであ
る。

【図６】従来の減速電界型レンズを用いた電子線露光機
の投影レンズ系を示す図である。

【符号の説明】

１…マスク、２…電子線、３…マスク側レンズ、４…ウ
ェハー側レンズ、５ａ、５ｂ…鏡筒の外筒、６…電源、
７…ウェハー、８…ウェハーステージ、９…接地、１０
ａ、１０ｂ…接地電極

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 マスク、レチクル等の物面上に形成され
   たパターンの像を、荷電粒子線レンズを使用して、ウェ
   ハー等の像面に露光転写する荷電粒子線露光装置であっ
   て、物面から荷電粒子線レンズまでの間で荷電粒子を加
   速し、荷電粒子線レンズから像面までの間で荷電粒子線
   を減速することを特徴とする荷電粒子線露光装置。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の荷電粒子線露光装置で
   あって、少なくとも２個の荷電粒子線レンズを有し、こ
   れらのレンズのうち、物面に最も近いレンズは、物面か
   ら荷電粒子線レンズまでの間で荷電粒子を加速しない場
   合に設置される位置よりも、物面側に近い位置に設置さ
   れ、像面に最も近いレンズは、物面から荷電粒子線レン
   ズまでの間で荷電粒子を加速しない場合に設置される位
   置よりも、像面側に近い位置に設置されていることを特
   徴とする荷電粒子線露光装置。
3. 【請求項３】 請求項１に記載の荷電粒子線露光装置で
   あって、少なくとも２個の荷電粒子線レンズを有し、物
   面とそれに最も近い荷電粒子線レンズの間、及び像面と
   それに最も近い荷電粒子線レンズとの間に、それぞれ物
   面、像面とほぼ同電位の電極が設置されていることを特
   徴とする荷電粒子線露光装置。
4. 【請求項４】 請求項３に記載の荷電粒子線露光装置で
   あって、少なくとも２個の荷電粒子線レンズを有し、こ
   れらのレンズのうち、物面に最も近いレンズは、物面か
   ら荷電粒子線レンズまでの間で荷電粒子を加速しない場
   合に設置される位置よりも、物面側から遠い位置に設置
   され、像面に最も近いレンズは、物面から荷電粒子線レ
   ンズまでの間で荷電粒子を加速しない場合に設置される
   位置よりも、像面側から遠い位置に設置されていること
   を特徴とする荷電粒子線露光装置。
5. 【請求項５】 請求項１から請求項４のうちいずれか１
   項に記載の荷電粒子線露光装置を使用し、マスク又はレ
   チクルに形成されたパターンをウェハーに転写する工程
   を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。