JP2001068406A

JP2001068406A - 電子線投影露光装置及びそれを用いた電子線露光方法

Info

Publication number: JP2001068406A
Application number: JP24514899A
Authority: JP
Inventors: Kiyoshi Uchikawa; 清内川
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1999-08-31
Filing date: 1999-08-31
Publication date: 2001-03-16

Abstract

(57)【要約】【目的】マスクにゴミが付着することを防止して、その
結果マスク露光により基板上に形成するパターンに欠陥
が発生することを抑制する部材と、それを備えた電子線
投影露光装置を提供する。【解決手段】微小な貫通孔が形成された電子線透過性の
メンブレンと、該メンブレンの外周を固定してこれを支
える外周枠とを備えた電子線転写マスク用保護部材であ
って、前記メンブレンの膜厚が約１０〜１５０ｎｍであ
り、前記メンブレンに形成された貫通孔の直径が、約１
０〜１００ｎｍであることを特徴とする電子線転写マス
ク用保護部材。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電子線投影露光装
置及びそれを用いた電子線露光方法に関するものであ
る。特に、近接効果によるドーズ量の局所的変化及び空
間電荷効果に起因する焦点ズレを低減し、より高精度の
パターン形成を行うことのできる電子線露光装置及びそ
れを用いた電子線露光方法に関する。

【０００２】

【従来技術】近年、半導体集積回路素子の微細化に伴
い、光の回折限界によって制限される光学系の解像度を
向上させるために、Ｘ線、電子線やイオンビーム等の荷
電粒子線（以下、単に荷電粒子線という）を使用した露
光方式（リソグラフィー技術）が開発されている。その
中でも、電子線を利用してパターンを形成する電子線露
光は、電子線自体を数Å（オングストローム）にまで絞
ることが出来るため、１μｍ又はそれ以下の微細パター
ンを形成できる点に大きな特徴がある。

【０００３】しかし、従来の電子線露光方式は、一筆書
きの方式であったため、微細パターンになればなるほ
ど、絞った電子線で描画せねばならず、描画時間が長
く、デバイス生産コストの観点から量産用ウエハの露光
には用いられなかった。そこで、所定のパターンを有す
る転写マスクに電子線を照射し、その照射範囲にあるパ
ターンを投影レンズによりウエハに縮小転写する荷電粒
子線縮小転写装置が提案されている。

【０００４】回路パターンを投影するためにはその回路
パターンが描かれた転写マスクが必要である。転写マス
クとして、図４（ａ）に示すように、貫通孔が存在せ
ず、メンブレン２２上に散乱体パターン２４が形成され
た散乱透過転写マスク２１と、図４（ｂ）に示すよう
に、電子線を散乱する程度の厚さを有するメンブレン３
２に貫通孔パターン３４が形成された散乱ステンシル転
写マスク３１が知られている。

【０００５】これらは、感応基板に転写すべきパターン
をメンブレン２２、３２上にそれぞれ備えた多数の小領
域２２ａ、３２ａがパターンが存在しない境界領域によ
り区分され、境界領域に対応する部分に支柱２３、３３
が設けられている。散乱ステンシル転写マスクでは、メ
ンブレンは厚さ約２μｍ程度のシリコンメンブレンから
なり、メンブレンには電子線が透過する開口部（感応基
板に転写すべきパターンに相当）が設けられている。

【０００６】即ち、一回の電子線によって露光される領
域は１ｍｍ角程度であるため、この１ｍｍ角の小領域
に、感応基板の１チップ（１チップの半導体）分の領域
に転写すべきパターンを分割した部分パターンをそれぞ
れ形成し、この小領域を多数敷き詰める構成をとってい
る。従って、荷電粒子線を用いたパターン転写方法は、
図４（ｃ）に示すように、各小領域２２ａ、３２ａが荷
電粒子線にてステップ的に走査され、各小領域の開口部
又は散乱体の配置に応じたパターンが不図示の光学系で
感応基板２７に縮小転写される方法であるので、転写マ
スクの小領域２２ａ毎のパターンを感応基板２７上でつ
なぎ合わせる方法である。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかし、各小領域内に
形成されるパターンの密度は一様ではなく、このパター
ンの非一様性は電子の相互作用によって生じるクーロン
効果に変化をもたらし、収差の非一様性、焦点のボケを
引き起こすと考えられる（空間電荷効果）。そうする
と、転写マスクに形成されたパターンを精度良く感光基
板上に転写することができない。空間電荷効果による焦
点のボケは（δ）は次式により与えられる。

【０００８】δ＝Ｃ｛（Ｌ×Ｉ）／（Ｖ^3/2×α）｝ここで、Ｃは定数、Ｌは対物レンズの焦点距離、Ｉはビ
ームの電流密度、Ｖは加速電圧、αはビームの収束半径
を示す。上式より、Ｌ、Ｉを小さく、Ｖ、αを大きくす
れば、空間電荷効果による精度劣化は抑えられることが
わかる。このうち、電流密度（Ｉ）の低減は、スループ
ットが低下するので避けるべきである。

【０００９】また、小領域内に形成されているパターン
密度が一様でない場合、電流密度が一様な電子線により
各小領域を順次照明し、投影結像光学系により感光基板
に像を転写したとき、レジスト内では隣接するパターン
の散乱電子の影響（隣接するパターンに与える影響は、
パターン密度に依存する）で、実効的なドーズ量が局所
的に変化し、小領域内に形成された所定のパターンが精
度良く転写されない（近接効果）。

【００１０】このような近接効果による転写像劣化は、
例えば、軸対称光学系における幾何収差とは異なり、補
正光学系を用いて改善することが困難である。従って、
パターン密度に応じてドーズ量を制御する方法、或いは
パターンに予め寸法バイアスを載せるマスクバイアス法
等を用いて、近接効果を補正する。しかし、パターン密
度に応じてドーズ量を制御することは極めて困難であ
り、また寸法バイアスを載せたパターンを精度良く製作
することは極めて困難である。

【００１１】そこで、本発明は、このような問題に鑑み
て、転写マスクの各小領域ごとに近接効果及び空間電荷
効果を適切に低減することのできる電子線投影露光装置
及びそれを用いた電子線露光方法を提供することを目的
とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】発明者は鋭意検討の結
果、本発明をするに至った。本発明は第一に「電子線
を所定位置に配置された転写マスクに照射する照明電子
光学系（電子銃及び電子レンズ系）と、該転写マスクの
ステージと、該転写マスクからの電子線を受けて該転写
マスクに形成されたパターンを所定位置に配置された基
板上に投影結像する投影結像光学系と、該基板のステー
ジと、を備えた電子線投影露光装置において、前記転写
マスクの近傍に、電磁波用光学系（電磁波光源及び光学
レンズ系）を配置するとともに、前記照明電子光学系内
に形成されるクロスオーバー像と共役な位置関係にある
点を含む光軸と垂直な平面に制限開口を設けることを特
徴とする電子線投影露光装置（請求項１）」を提供す
る。

【００１３】本発明にかかる電子線投影露光装置を用い
て露光を行った場合、転写マスクに形成されたパターン
を通過する電子の電位は、電磁波をパターンに照射する
ことによって生じる近接場光によって変調され、電位分
布に広がりを生じる。この電位分布は、投影結像光学系
を通過する過程で色収差を生じさせるので、所定の位置
に制限開口を設けておけば、感光基板に到達する電子密
度を実質的に局所的に制御することができる。

【００１４】また、本発明は第二に「さらに、前記電磁
波の照射分布を制御する機構を設けたことを特徴とする
請求項１記載の電子線投影露光装置（請求項２）」を提
供する。また、本発明は第三に「前記電磁波の照射分布
を制御する機構が電磁波用マスクであることを特徴とす
る請求項２記載の電子線投影露光装置（請求項３）」を
提供する。

【００１５】また、本発明は第四に「複数の小領域を有
する転写マスクの各小領域毎に電子線を照射し、各小領
域内に形成されたパターンを順次転写する電子線露光方
法において、前記各小領域内に形成されたパターン密度
分布に対応させた所定の照射分布を有する電磁波を前記
各小領域に向けて照射することを特徴とする電子線露光
方法（請求項４）」を提供する。

【００１６】また、本発明は第五に「所定の回路パター
ンを有する半導体チップを製造する方法において、該製
造方法は、照明電子光学系から射出した電子線が転写マ
スクに入射し、所定の電磁波を前記転写マスクに照射す
ることによって、前記転写マスクに形成されたパターン
を電子が透過するとともに、該パターンに生じた近接場
光によって変調された電子線が投影結像光学系を介し
て、感光基板上に前記転写マスクに形成されたパターン
の像を結像する工程（リソグラフィー工程）を含むこと
を特徴とする所定の回路パターンを有する半導体チップ
を製造する方法（請求項５）」を提供する。

【００１７】

【発明の実施形態】以下、本発明にかかる実施形態の電
子線投影露光装置及び電子線露光方法を図面を参照しな
がら説明する。図１は、実施形態にかかる電子線投影露
光装置の投影結像光学系等の概略断面図である。

【００１８】本実施形態の電子線投影露光装置は、主と
して、不図示の電子線１の照射電子光学系（電子銃、該
電子銃からの電子線を転写マスクに照射する照明電子レ
ンズ）と、転写マスク２のステージ、転写マスク２の電
子線の出射面に電磁波３を照射するための不図示の光学
系（レーザー光源、照明レンズ系を含む）と、電子線の
投影結像光学系４と、制限開口５と、感光基板（レジス
トが塗布されたウエハ）６のステージとにより構成され
ている。

【００１９】転写マスク２には、感光基板６上に形成す
るパターンの拡大パターン（例えば４倍）２ａが形成さ
れている。転写マスク２は、前述した散乱透過転写マス
ク、散乱ステンシル転写マスクのいずれのタイプであっ
ても良い。不図示の電子線の照明光学系により電子線１
は、転写マスク２上の所望の微小領域（各小領域）２ａ
に照射される。

【００２０】露光の際には、電子線１を走査することに
より、或いはさらに必要であれば、転写マスク２及び感
光基板６を同期して走査することにより、転写マスク２
上の所望領域（各小領域）２ａを露光して感光基板６上
に結像させることができる。また、レーザー光源から照
射された電磁波３を転写マスク２の各小領域２ａごとに
その出射面に、前述したパターン密度分布に起因して生
じる空間電荷効果を低減するように、その小領域２ａの
パターン密度分布に対応させて電磁波を照射する。

【００２１】即ち、各小領域内のパターン分布を予め空
間電荷効果の影響が許容できる部分（パターン密度が比
較的小さい）と許容できない部分（パターン密度が比較
的大きい）に振り分けておき、空間電荷効果の影響が許
容できない部分に電磁波３を照射する。かかる低減の原
理は後述する。小領域２ａのパターン密度分布に対応さ
せて電磁波３を照射させる方法として、レーザー光源か
ら照射される電磁波に照射分布を生じさせる方法、例え
ば、レーザー光源から照射される電磁波をガラス基板に
所定のパターンを有するＣｒ膜が形成された電磁波用マ
スクに照射して照射分布を生じさせる方法、或いは、レ
ーザー光源から照射される電磁波を光学系により小領域
内の空間電荷効果の影響が許容できない部分にのみ集光
させ、かかる部分が複数存在する場合は、ステップ的に
走査させる。

【００２２】このとき、電磁波３の転写マスク２の出射
面への入射角は全反射条件を満たすように設定されてい
る。もっとも、転写マスク２のメンブレンの膜厚が電磁
波３の波長と同等又は薄い場合は、全反射条件で照射し
なくても良い。レーザー光源としては、波長１．３μｍ
のＥｒ：ＹＡＧレーザー、波長１．０６μｍのＮｄ：Ｙ
ＡＧレーザ−等の近赤外領域に発振波長を有する半導体
レーザー等が用いられる。

【００２３】なお、転写マスク２の電子線１の出射面側
に電磁波３を照射する例をしめしたが、電子線の入射面
側に電磁波を照射した場合であっても同様の効果が得ら
れる。図２は、転写マスクを通過する電子線と、転写マ
スクに照射された電磁波によって生じる近接場光との相
互作用を示す概略図である。

【００２４】一般的に電磁波３の波長が、転写マスク２
に形成されたパターン幅２ｂより十分長い場合は、電磁
波３が照射されたパターン領域２ｂには近接場光（エバ
ネッセント光）７が生じる。この近接場光７の波数ベク
トルは伝播光の状態より大きくなっているとともに、転
写マスク２の材料中に形成された分極や、表面分極の影
響によりさらにその電界強度は増強される。

【００２５】従って、近接場光７が形成された領域で
は、電子の進行方向と平行な電界が存在する。しかし、
このような場合は、転写マスク２と近接場光７との相互
作用による電界強度の増加分を無視して、電磁波３が転
写マスク２のパターン２ｂに照射されることによって生
じる近接場光７の電界強度を計算することができる。

【００２６】例えば、電磁波３の照射強度（パワー密
度）が、１０⁴Ｗ／ｍｍ²の場合、電界強度は、２×１０
⁷Ｖ／ｍ程度になり、１０³Ｗ／ｍｍ²の場合、電界強度
は、６×１０⁶Ｖ／ｍ程度になる。パターン領域２ｂに
生じる近接場光領域７は、空間的に１μｍ程度の広がり
を有し、電子の電位を１００KeV程度と仮定した場合、
電子は電磁波３の波長周期の一周期内に近接場光領域７
を通過することができる。

【００２７】その様な場合は、転写マスク２を通過する
電子は、直流電界によって加速及び減速された場合と同
様な振る舞いを示す。即ち、上記条件下では、電子は±
２０eVの電位変調を受け、１００KeVを中心にして１０
０ー０．０２KeVと１００＋０．０２KeVにピークを有す
る電子の分布ができる。

【００２８】電磁波３によって電位変調された電子は、
投影光学系４を通過した場合、変調された電位に応じた
経路をとり、色収差を生じる。従って、電子銃のクロス
オーバー像と共役な位置関係にある点（また、転写マス
クと基板間を縮小率で内分する点でもある）を含む光軸
と垂直な平面内に制限開口５を設けることにより、基板
に設けられたレジスト上に到達する電子の密度を局所的
に制御することが可能になる。

【００２９】そして、制限開口５を通過した電子線のみ
により形成される縮小像が感光基板６上に形成される。
次に、本発明にかかる電子線投影露光装置を用いて、半
導体チップ（所定の回路パターンを有するデバイス）を
製造する方法について説明する。図３は、半導体チップ
の製造工程を示す概略工程図である。まず、シリコンウ
エハを用意し、シリコンウエハ上にシリコン酸化膜を形
成する（成膜工程）。

【００３０】シリコン酸化膜の形成方法としては、直接
シリコンウエハを酸化する熱酸化法、ＣＶＤ法、スパッ
タ法等の周知技術が用いられる。なお、成膜工程で成膜
する薄膜は後述するそれぞれ基本パターンによって異な
り、アルミニウム等の導電膜、シリコン酸化膜等の絶縁
膜、タングステン等の高融点金属膜等である。

【００３１】次に、シリコン酸化膜が形成されたシリコ
ンウエハ上にレジストを塗布し（感光基板）、前述した
ような投影転写方式の電子線露光装置（参照図１）のウ
エハステージ（不図示）に設置するとともに、本発明に
かかる荷電粒子線露光装置用マスクをマスクステージ
（不図示）に設置する。照明電子光学系から射出した電
子線は転写マスクに入射し、また所定の電磁波は転写マ
スクに照射され、転写マスクに形成された開口パターン
を透過するとともにパターンに生じた近接場光によって
変調された電子線は投影結像光学系を介して、感光基板
上転写にマスクに形成されたパターンの像を結像する
（リソグラフィー工程）。

【００３２】次に、所定のパターンが転写されたレジス
トを現像し、エッチング用マスクを形成する。エッチン
グ用マスクに形成された開口に合わせてシリコン酸化膜
をエッチングした後、エッチング用マスクを除去する
（エッチング工程）。また、シリコンウエハ中に不純物
層を形成する場合があり、まず前述したリソグラフィー
工程で不純物を導入する部分を開口したレジストパター
ンを形成し、このレジストパターンをマスクとしてイオ
ン注入法によって下地に不純物（例えばＢ、Ｐ、Ａｓ）
を導入する（ドーピング工程）。

【００３３】このような方法（成膜工程、リソグラフィ
ー工程、エッチング工程、ドーピング工程）を繰り返し
て、各基本パターン（例えば、MOSトランジスタの場
合、素子分離領域（活性領域）を規定するパターン、ゲ
ート電極のパターン、ソース／ドレイン領域を規定する
パターン、素子間の電気的接続を行う配線の接続口（コ
ンタクトホール）を形成するためのパターン、素子間の
電気的接続のための配線パターン等）をウエハ上に順次
積み重ねて半導体素子、集積回路を製造する。

【００３４】シリコンウエハ上の素子を電気的に接続す
る配線を形成する（メタライズ工程）。シリコンウエハ
を個々のチップ（ダイス）に分割することを目的として
ダイシングライン（チップとチップの間の隙間）に切り
込みをいれる（ダイシング工程）。

【００３５】最後に、半導体チップをパッケージに封入
する（アセンブリ工程）。

【００３６】

【発明の効果】以上説明した通り、本発明にかかる電子
線投影露光装置は、転写マスクの近傍に、電磁波用光学
系（電磁波光源及び光学レンズ系）が配置され、前記照
明電子光学系内に形成されるクロスオーバー像と共役な
位置関係にある点を含む光軸と垂直な平面に制限開口が
設けられているので、感光基板に到達する電子密度を実
質的に局所的に制御することができる。即ち、転写マス
クに形成されたパターン密度に対応させた照射分布を有
する電磁波を照射させた部分の電流密度を低下させるの
で、近接効果及び空間電荷効果による転写像劣化を防止
し、転写マスクに形成されたパターンを精度良く感光基
板上に転写することができる。

【００３７】本発明にかかる電子線露光方法についても
同様である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明にかかる電子線投影露光装置の投影結像
光学系等の概略図である。

【図２】本発明にかかる電子線投影露光装置における転
写マスクの拡大図であり、転写マスクを通過する電子線
と、転写マスクに照射された電磁波によって生じる近接
場光との相互作用を示す概略図である。

【図３】本発明にかかる電子線投影露光装置を用いて半
導体チップの製造工程を示す概略工程図である。

【図４】電子線縮小転写装置で用いられる転写マスクの
うち（ａ）は散乱透過マスク、（ｂ）は散乱ステンシル
マスクの概略図であり、（ｃ）は電子線を用いたパター
ン転写方法を示す概略斜視図である。

【符号の説明】

１・・・電子線２・・・転写マスク３・・・電磁波４・・・投影結像光学系（電磁レンズ）５・・・制限開口６・・・感光基板（レジストを塗布されたウエハ）７・・・近接場光（エバネッセント光）２１・・・散乱透過マスク２２、３２・・・メンブレン２３、３３・・・支柱２４・・・散乱体パターン２７・・・感光基板３１・・・散乱ステンシルマスク３４・・・貫通孔パターン

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】電子線を所定位置に配置された転写マスク
に照射する照明電子光学系（電子銃及び電子レンズ系）
と、該転写マスクのステージと、該転写マスクからの電子線を受けて該転写マスクに形成
されたパターンを所定位置に配置された基板上に投影結
像する投影結像光学系と、該基板のステージと、を備え
た電子線投影露光装置において、前記転写マスクの近傍に、電磁波用光学系（電磁波光源
及び光学レンズ系）を配置するとともに、前記照明電子
光学系内に形成されるクロスオーバー像と共役な位置関
係にある点を含む光軸と垂直な平面に制限開口を設ける
ことを特徴とする電子線投影露光装置。
【請求項２】さらに、前記電磁波の照射分布を制御する
機構を設けたことを特徴とする請求項１記載の電子線投
影露光装置。
【請求項３】前記電磁波の照射分布を制御する機構が電
磁波用マスクであることを特徴とする請求項２記載の電
子線投影露光装置。
【請求項４】複数の小領域を有する転写マスクの各小領
域毎に電子線を照射し、各小領域内に形成されたパター
ンを順次転写する電子線露光方法において、前記各小領域内に形成されたパターン密度分布に対応さ
せた所定の照射分布を有する電磁波を前記各小領域に向
けて照射することを特徴とする電子線露光方法。
【請求項５】所定の回路パターンを有する半導体チップ
を製造する方法において、該製造方法は、照明電子光学系から射出した電子線が転
写マスクに入射し、所定の電磁波を前記転写マスクに照
射することによって、前記転写マスクに形成されたパタ
ーンを電子が透過するとともに、該パターンに生じた近
接場光によって変調された電子線が投影結像光学系を介
して、感光基板上に前記転写マスクに形成されたパター
ンの像を結像する工程（リソグラフィー工程）を含むこ
とを特徴とする所定の回路パターンを有する半導体チッ
プを製造する方法。