JP2001102278A

JP2001102278A - 荷電ビーム露光方法

Info

Publication number: JP2001102278A
Application number: JP27321699A
Authority: JP
Inventors: Tetsuo Nakasugi; 哲郎中杉; Toru Koike; 徹小池
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1999-09-27
Filing date: 1999-09-27
Publication date: 2001-04-13
Anticipated expiration: 2019-09-27
Also published as: US6737658B1; JP3737656B2

Abstract

(57)【要約】【課題】より高精度なマーク位置の検出又は計測を実現
する。【解決手段】２次電子放出効率の異なる材料で下地マー
クが形成された試料のマーク近傍に均等に電子ビームに
より第１のビーム照射を行い（Ｓ３）試料表面を帯電さ
せ、第１のビーム照射とは異なる条件により電子ビーム
により第２のビーム照射を行い（Ｓ５）マークを走査し
て、試料表面からの２次電子を検出することによりマー
ク位置を求め（Ｓ７）、マーク位置に基づいて位置合わ
せ露光を行う（Ｓ９）。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、荷電粒子ビームを
用いて位置合わせ露光や合わせずれ計測を行う荷電ビー
ム露光方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の電子ビームによる位置合わせ露光
の概念図を図１５に示す。図１５に示すように、位置合
わせの対象とする試料は、シリコン基板１０１上に絶縁
膜１０２及びレジスト１０３が積層形成され、シリコン
基板１０１表面であって絶縁膜１０２内に下地マーク１
０４が形成されている。

【０００３】このように、レジスト１０３表面から深い
位置にある下地マーク１０４に対して電子ビーム１０５
を走査し、下地マーク１０４から発生する反射電子１０
６を検出器１０７により検出していた。しかしながら、
電子ビーム１０５のエネルギーが低い場合には、電子の
飛程が小さいため、レジスト１０３表面から深い位置に
ある下地マーク１０４まで電子が達しないとの問題があ
った。

【０００４】そこで考案されたのが図１６に示す位置合
わせ露光方法である。図１６（ａ）は位置合わせ露光の
概念図である。位置合わせの対象とする試料は、図１５
に示したものと同じである。

【０００５】下地マーク１０４に対して所定の加速電圧
を有する電子ビーム１０５を照射すると、電子ビーム１
０５により試料表面に帯電した部分１１２が現れる。料
表面から深い位置にあるマーク１０４が形成されている
部分とそうでない部分にはパターンの凹凸や材質の差に
起因する静的静電容量１１３及び１１４の差が生じ、試
料表面における帯電が生じた部分１１２において表面電
位差を引き起こして、電子ビーム１０５照射時の２次電
子１１５の放出コントラスト像となって現れる。このコ
ントラスト像を検出器１０７により検出することにより
下地マーク１０４の位置を特定し、電子ビーム露光にお
ける位置合わせを行うことができる。

【０００６】図１６（ｂ）は、試料を正に帯電せしめた
場合の試料の表面電位を示す図である。表面電位が大き
くなっている部分が、下地マーク１０４が形成されてい
る部分に相当する。図１６（ｃ）は、試料を正に帯電せ
しめた場合の試料表面の電位差に基づく２次電子波形を
示す図である。２次電子量が大きく減少している部分が
下地マーク１０４が形成されている部分である。

【０００７】同様の帯電現象を用いれば、半導体製造工
程のリソグラフィ工程における合わせずれ計測を電子顕
微鏡（ＳＥＭ）を用いて行うことができる。図１３に帯
電現象を用いた合わせずれ計測の概念図を示す。図１３
（ａ）は、合わせずれ計測用マークの上面図であり、図
１３（ｂ）は同合わせずれマークの断面図を示してい
る。図中１５１はシリコン基板であり、１５２はシリコ
ン窒化膜、１５３はシリコン酸化膜、１５４は反射防止
膜、１５６は下地シリコン基板に形成された第１のマー
ク、１５７はフォトレジストで形成された第２のマーク
である。第１のマーク１５６は、シリコン基板及びシリ
コン窒化膜を彫り込んで形成されている。シリコン酸化
膜１５３は第１のマーク１５６を埋め込むようにして、
基板全面に成膜され、化学的機械研磨（ＣＭＰ）により
平坦化されている。合わせずれ検査は、第１のマーク１
５６及び第２のマーク１５７を横切るように電子ビーム
を走査し（図中１５８）、図１３（ｃ）のような２次電
子の信号波形を得ることで可能になる。

【０００８】しかしながら、この方法にも以下のような
問題があった。

【０００９】図１６（ｄ）は、この帯電現象を利用した
従来の位置合わせ方法の問題点を示す図であり、照射時
間と試料の表面電位との関係を示す図である。ここで
は、試料を正に帯電せしめた場合について説明する。実
線が下地マーク１０４が形成されていない部分の表面電
位を、破線が下地マーク１０４が形成されている部分の
表面電位を示す。位置合わせ用下地マーク１０４の位置
のＳＮ比を高めるためには、下地マーク１０４上にビー
ム走査を複数回行い、検出信号を平均加算する必要があ
る。

【００１０】しかしながら、帯電を利用した上述の現象
は、図１６（ｃ）に示すように時間的に過渡的なもので
ある。照射時間をｔ１〜ｔ３に分割した場合、ｔ２に示
される時間が表面電位差が充分にあり、充分なコントラ
ストを持ってマーク像を観察できる時間である。

【００１１】帯電が過度に生じると照射時間ｔ３で示さ
れる時間帯となり、表面電位の差が生じにくくなり、マ
ーク像が見えなくなる。逆に、ビーム照射量が不足して
いる場合には帯電現象そのものが生じにくく、照射時間
ｔ１で示される時間帯では、マーク像観察が困難とな
る。マーク像観察の際のビーム電流が大きすぎる場合に
は、過度の帯電が短時間で起こり、マーク像観察ができ
る時間ｔ２を充分に取ることができない。一方、ビーム
電流が小さすぎる場合には、マーク像を観察できない無
駄時間ｔ１が長くなり、高速なマーク像の観察ができな
くなる。

【００１２】最適なマーク検出条件は下地マーク１０４
の上層に成膜される絶縁膜の厚さや種類によっても異な
るが、上述した問題点からも分かるように、像観察条件
の設定は極めて困難であるのが現状である。また、同様
の問題は、位置合わせ露光のみならず、合わせずれ計測
等においても生じる。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】上述したように従来の
電子ビーム露光における位置合わせ方法では、帯電現象
を利用することにより深い位置に形成されたマークも検
出可能となったが、帯電現象は時間と共に変化しやすい
ものであるため、精度の高いマーク検出は困難であっ
た。同様に帯電現象を用いた合わせずれ計測において
も、精度の高いマーク検出は困難であった。

【００１４】本発明は上記課題を解決するためになされ
たもので、その目的とするところは、より高精度な位置
合わせマークの検出又は計測を可能とする荷電ビーム露
光方法を提供することにある。

【００１５】

【課題を解決するための手段】本発明に係る荷電ビーム
露光方法は、基板に位置合わせ露光の基準となるマーク
が形成されており、該マークを含む前記基板上に被加工
膜が形成された試料に荷電粒子により第１のビーム照射
を行い前記マークを含む前記試料表面を帯電させる工程
と、前記第１のビーム照射とは異なる条件により荷電粒
子により第２のビーム照射を行い前記マークを走査し
て、前記試料表面からの２次電子を検出することにより
前記マーク位置を求める工程と、前記マーク位置に基づ
いて位置合わせ露光を行う工程とを具備してなることを
特徴とする。

【００１６】また、別の本発明に係る荷電ビーム露光方
法は、基板に位置合わせ露光の基準となる第１のマーク
が形成されており、該第１のマークを含む前記基板上に
被加工膜が形成された試料に対して、前記第１のマーク
との相対位置の計測に用いられ、前記基板表面部分の上
に形成された第２のマークを含むパターンを位置合わせ
露光によって形成する工程と、第１のマーク及び第２の
マークを有する試料に荷電粒子により第１のビーム照射
を行い第１のマークを含む前記試料表面を帯電させる工
程と、前記第１のビーム照射とは異なる条件により荷電
粒子により第２のビーム照射を行い第１及び第２のマー
クを走査して、前記試料表面からの２次電子を検出する
ことにより第１及び第２のマーク位置を求める工程と、
第１及び第２のマーク位置に基づいて合わせずれ計測を
行う工程とを具備してなることを特徴とする。

【００１７】本発明の望ましい形態を以下に示す。

【００１８】（１）第１及び第２のビーム照射は、それ
ぞれ加速電圧、ビームサイズ、ビーム電流密度、ビーム
走査速度及びビーム走査位置の少なくとも一つを変化さ
せる。

【００１９】（２）第１のビーム照射の後、帯電した前
記試料表面からの２次電子を検出してマーク（以下、第
１及び第２のマークを含む）のおおよその位置を求め、
該位置に基づいて第２のビーム照射を行う。

【００２０】（３）（２）において、第２のビーム照射
は、前記試料上の位置に応じて加速電圧、ビームサイ
ズ、ビーム電流密度、ビーム走査速度、ビーム走査位置
及びビーム形状の少なくとも一つを変化させて行う。

【００２１】（４）（２）において、第２のビーム照射
は、マークのエッジ位置のみに走査して行う。

【００２２】（５）第２のビーム照射は、マークに対し
て対称に互いに逆方向に交互に少なくとも１回走査する
ことにより行う。

【００２３】（６）第１及び第２のビーム照射条件は、
ビーム走査方向と垂直な方向に複数のビーム幅を有する
ビームを前記マーク上を走査させて得られるマーク像に
基づいて決定される。

【００２４】（作用）本発明では、マーク検出のための
ビーム照射工程を第１及び第２のビーム照射の２工程に
分割し、第１のビーム照射により試料表面を帯電させ、
第２のビーム照射によりビーム走査して試料表面のマー
ク像を取得することにより、高精度のマーク像検出を行
うことができる。すなわち、第１のビーム照射で、下地
マーク近傍のレジスト表面が充分に帯電しているため、
マーク上とそれ以外の部分で充分な電位コントラストが
発生している。従って、第２のビーム照射によりマーク
像を取得する場合には、高精度のマーク像の検出が可能
となる。特に、帯電不足によって生じる電位コントラス
トの悪い状態でマーク像を検出することはない。なお、
本発明のマーク像の検出は、位置合わせ露光、合わせず
れ計測のいずれにおいても適用可能である。

【００２５】試料を帯電せしめるためには、以下のよう
にする。図１０に、電子ビームの加速電圧と２次電子の
放出効率の関係の一例を示す。ここで、試料はレジスト
であり、横軸は加速電圧、縦軸は試料表面からの２次電
子の放出効率を示している。レジストにおいては、４０
０Ｖ〜１０００Ｖの範囲で、表面から放出される２次電
子の量が１を上回るために正に帯電する。

【００２６】一方、加速電圧４００Ｖ以下、若しくは１
０００Ｖ以上にすると、２次電子の放出効率は１を下回
り、負に帯電する。すなわち、試料を正に帯電せしめる
ためには、４００Ｖ〜１０００Ｖ程度の加速電圧を選択
し、負に帯電せしめるためには、この範囲以外の加速電
圧を選択すればよい。２次電子の放出効率が１を超える
加速電圧を範囲は試料によって異なるが、加速電圧と２
次電子の関係はおおよそ同じである。

【００２７】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照しながら本発明
の実施形態を説明する。

【００２８】（第１実施形態）図１は本発明の第１実施
形態に係る荷電ビーム露光方法の対象とする試料の構成
を示す図である。本実施形態乃至第４実施形態では、本
発明を位置合わせ露光に適用する場合について説明す
る。

【００２９】図１（ａ）は、位置合わせマークの上面図
であり、試料に形成された位置合わせマークは十字型を
している。図１（ｂ）は、図１（ａ）のＡ−Ａ’部の試
料断面を示している。図１（ｂ）に示すように、シリコ
ン基板１の上にシリコン酸化膜２が１μｍの膜厚で形成
され、このシリコン酸化膜２の上にパターン転写膜５と
して膜厚５０ｎｍのシリコン窒化膜が形成され、さらに
その上にはレジスト３が５０ｎｍの膜厚で形成されてい
る。また、シリコン基板１にはプラズマエッチングによ
り彫り込まれた深さ３００ｎｍの凹部にシリコン基板１
とは異なる物質（例えばシリコン酸化膜）が埋め込まれ
ることにより、下地マーク４が形成されている。

【００３０】この図１に示した試料に対する荷電ビーム
位置合わせ方法を図２に示すフローチャートを用いて説
明する。

【００３１】まず、位置合わせ露光の対象とする試料を
図示しない電子ビーム露光装置の試料ステージに搬送す
る。本実施形態で使用する電子ビーム露光装置は、加速
電圧は１ｋＶで、主副２段の静電偏向器を有している。
主偏向幅及び副偏向サイズはそれぞれ１５００μｍ幅、
５０μｍ角である。本装置を用いた場合、レジスト膜厚
を５０ｎｍ以下とすると、電子銃から発せられる電子ビ
ームの加速電圧が１ｋＶ程度であっても垂直な断面形状
を持つレジストパターンを形成することが可能である。
また、最大ビームサイズは１０μｍ、電流密度は１Ａ／
ｃｍ²である。

【００３２】そして、予め電子ビーム露光装置に設けら
れた制御計算機に入力された下地マーク４の試料上の位
置に基づいて、この電子ビーム露光装置のビーム偏向領
域の中心に下地マーク４を移動させる（Ｓ１）。

【００３３】次に、第１のビーム照射を行うべく、第１
のビーム照射条件を設定する（Ｓ２）。具体的には、ビ
ームサイズを１０μｍとし、１ショット当たりのビーム
照射時間を５００ｎｓ、アンプ整定時間を１００ｎｓと
し、多重露光によって、総露光量を２０μＣ／ｃｍ²と
する。

【００３４】以上に示された第１のビーム照射条件に基
づいて、第１のビーム照射を行う（Ｓ３）。この第１の
ビーム照射の概念図を図３（ａ）に示す。この第１のビ
ーム照射は、下地マーク４を含んだ所定のビーム照射領
域２１に電子ビーム１０５を照射する。この露光によ
り、下地マーク４近傍のレジスト表面を充分に帯電さ
せ、下地マーク４上とそれ以外の部分とで充分な電位コ
ントラストを発生させる。また、アンプの整定時間は約
１００ｎｓであるが、この第１のビーム照射ではアンプ
の整定はあまり考慮する必要が無い。この第１のビーム
照射は下地マーク４近傍を帯電させることを目的として
おり、精度の高い信号波形を抽出することを目的とはし
ていないからである。従って、より短時間で高速なビー
ム照射が行われる。ここで、整定時間とは、電子ビーム
露光装置を用いてビーム照射を行う場合、電子ビームが
照射されてからアンプの過渡特性を無視することができ
るまでの時間を意味する。また、この第１のビーム照射
の際には、ビーム照射領域同士の重なりはない。

【００３５】次に、第２のビーム照射を行うべく、第２
のビーム照射条件を設定する（Ｓ４）。具体的には、ビ
ームサイズを第１の照射条件よりも小さく０．１μｍと
し、ビーム照射時間を第１の照射時間よりも長く２００
ｎｓとする。このようにビーム照射時間を長くすること
により、充分なアンプ整定時間をとり、次に行われるマ
ーク像の検出の精度を高める。ここでは、アンプ整定時
間を３００ｎｓとする。なお、第１のビーム照射により
試料表面に照射される単位時間当たりの電子量が第２の
ビーム照射により試料表面に照射される電子量よりも多
くなるように設定する。ここでいう単位時間とは、１シ
ョット当たりのビーム照射時間とアンプ整定時間の和を
示している。

【００３６】以上に示された第２のビーム照射条件に基
づいて、第２のビーム照射を行う（Ｓ５）。この第２の
ビーム照射では、下地マーク４上を電子ビームで走査す
る。この第２のビーム照射の概念図を図３（ｂ）に示
す。このビーム照射は、マーク像検出のために行うた
め、下地マーク４の一部を横切るように細いビーム照射
領域２２に電子ビーム１０５によりビーム走査を行う。
なお、図３（ｂ）には第１のビーム照射におけるビーム
照射領域２１を破線で示しているが、このビーム照射領
域２１によりも第２のビーム照射領域２２は細い領域で
あることが分かる。

【００３７】この第２のビーム照射後に、図示しない検
出器を用いてマーク像を検出し、検出された信号波形に
ついて平均加算処理を行ってマーク像を取得する（Ｓ
６）。このマーク像の取得の際には、第１のビーム照射
により既に下地マーク４近傍のレジスト表面が充分に帯
電しており、下地マーク４上とそれ以外の部分で充分な
コントラストが発生している。従って、第２のビーム照
射によるビーム走査でマーク像を取得する段階にあって
は、高精度なマーク像の検出が可能となる。特に、帯電
不足によって生じる電位コントラストの悪い状態におけ
るマーク像を検出することがない。なお、上記説明で
は、十字型をした位置合わせマークの一辺を用いて、Ｘ
方向（横方向）のマーク検出について説明したが、同様
の方法で、Ｙ方向（縦方向）のマーク位置検出を行うこ
とで、位置合わせマークの位置を求めることができる。

【００３８】そして、得られたマーク像に基づいて、電
子ビーム露光装置の制御計算機でマーク位置を検出する
（Ｓ７）。そして、試料に形成されているすべての下地
マークについて上記Ｓ１〜Ｓ７に示される工程を経て、
計算されたマーク位置情報に基づいて、露光すべきパタ
ーンの位置を決定する（Ｓ８）。そして、決定されたパ
ターン位置に加速電圧１ｋＶでパターン露光を行う（Ｓ
９）。

【００３９】以上の工程でのマーク検出における電子ビ
ームの照射時間と試料の表面電位との関係を図４に示
す。ここでは、加速電圧が１ｋＶであるので、レジスト
表面は正に帯電している。実線が下地マーク４が形成さ
れていない部分の表面電位を、破線が下地マーク４が形
成されている部分の表面電位を示す。時間０を第１のビ
ーム照射開始時とし、時間をｔ１‘’〜ｔ３‘’に分割
した場合、ｔ２‘’に示される時間が、表面電位差が充
分にあり、充分なコントラストを持って像を観察できる
時間である。従来法に基づく時間と試料の表面電位との
関係を示す図１６（ｃ）と比較すれば分かるように、本
実施形態では、試料が充分に帯電して表面電位差が充分
になるまでの時間ｔ１’が従来のそれ（ｔ１）に比較し
て短くなっている。これは、第１のビーム照射を非常に
高速に行った結果である。また、像を観察できる時間ｔ
２’は、従来のそれ（ｔ２）に比較して充分に長くなっ
ている。これは、第２のビーム照射により試料表面に照
射される単位時間当たりの電子量を第１のビーム照射に
より試料表面に照射される電子量に対して少なくして行
った結果である。また、第１のビーム照射領域が、第２
のビーム照射領域に比較して充分に大きいことから、第
２のビーム照射領域の近傍が一様に帯電している。この
結果、高精度のマーク位置検出が可能となる。

【００４０】このように、ビーム照射工程を第１及び第
２のビーム照射の２工程に分割し、第１のビーム照射に
より試料表面を帯電させ、第２のビーム照射によりビー
ム走査して試料表面のマーク像を取得することにより、
高精度のマーク像検出を行うことができる。すなわち、
第１のビーム照射で、下地マーク近傍のレジスト表面が
充分に帯電しているため、マーク上とそれ以外の部分で
充分な電位コントラストが発生している。従って、第２
のビーム照射によりマーク像を取得する場合には、高精
度のマーク像の検出が可能となる。特に、帯電不足によ
って生じる電位コントラストの悪い状態でマーク像を検
出することはない。

【００４１】また、第１のビーム照射を高速に行ってい
るため、従来法に比較してマーク像を高速に取得するこ
とができる。この結果、高精度で高速な位置合わせ露光
が可能となる。

【００４２】なお、上記実施形態では第１及び第２のビ
ーム照射において、ビームサイズとビーム走査速度を変
化させたが、ビーム電流密度、ビーム走査位置、ビーム
形状等他のパラメータを変化させることでも上記と同様
の効果を得ることができる。

【００４３】（第２実施形態）本実施形態は、第１実施
形態の変形例に係わる。本実施形態の特徴点は、第１の
ビーム照射後に試料表面電位差に基づきおおよそのマー
ク位置を検出し、そのマーク位置に基づいて第２のビー
ム照射を行う点であり、第１実施形態と共通する工程の
詳細な説明は省略する。使用する電子ビーム露光装置の
構成及び試料の構成は第１実施形態と同じである。

【００４４】まず、位置合わせの対象とする試料を図示
しない電子ビーム露光装置の試料ステージに搬送し、予
め電子ビーム露光装置の制御計算機に入力された下地マ
ーク４の試料上の位置に基づいてビーム偏向領域の中心
に下地マーク４を移動させる点は第１実施形態と同じで
ある。

【００４５】次に、第１のビーム照射を行うべく、第１
のビーム照射条件を設定する。具体的には、１ショット
当たりのビーム照射時間を５００ｎｓ、アンプ整定時間
を１００ｎｓとし、多重露光によって、総露光量を２０
μＣ／ｃｍ²とする点は第１実施形態と共通するが、ビ
ームサイズを０．５μｍとする点が異なる。

【００４６】この第１のビーム照射条件に基づいて第１
のビーム照射を行う。この第１のビーム照射の概念図を
図５（ａ）に示す。５１はこの第１のビーム照射におけ
るビーム照射領域である。電子ビーム１０５は矢印に示
す方向に走査される。ビーム間の重なりは無く、高速で
ビーム照射を行う。ここで、ビームサイズを０．５μｍ
としているため、０．５μｍの位置分解能でおおよその
マーク位置を検出することができる。

【００４７】次に、この第１のビーム照射により帯電し
た試料表面からの２次電子を図示しない検出器で検出
し、マーク像のコントラストからおおよそのマーク位置
を検出する。

【００４８】次に、第２のビーム照射を行う。図５
（ｂ）は第２のビーム照射の概念図である。５２はこの
第２のビーム照射におけるビーム照射領域であり、電子
ビーム１０５が矢印の方向に走査される。第２のビーム
照射は、第１実施形態と同様にビームサイズを０．１μ
ｍ、ビーム照射時間を２００ｎｓとし、充分なアンプ整
定時間をとってビーム位置精度が向上するように配慮す
る。また、第１のビーム照射により得られたおおよその
マーク位置に基づいて、下地マーク４のエッジ部分にの
みビーム走査を行う。

【００４９】そして、第２のビーム照射後に、図示しな
い検出器を用いてマーク像を検出し、信号処理を行いマ
ーク像を取得する。そして、得られたマーク像に基づい
てマーク位置を計算し、このマーク位置に基づいて加速
電圧１ｋＶでパターン露光を行う。

【００５０】このように、本実施形態によれば、第１実
施形態と同様の効果を奏するとともに、以下の作用効果
を奏する。すなわち、第１のビーム照射でおおよそのマ
ーク位置を検出し、第２のビーム照射において下地マー
ク４のエッジ部分にのみビーム走査を行うことにより、
レジスト表面の過剰な感光を防ぐことができる。また、
エッジ部分にのみビーム走査を行うため、ビーム走査回
数を減らすことができ、マーク検出のさらなる高速化が
図れる。

【００５１】（第３実施形態）本実施形態は第２実施形
態の変形例に係わる。なお、本実施形態では加速電圧を
５ｋＶとし、試料表面を負に帯電させた場合について説
明する。本実施形態では、下地マーク４に対して対称な
位置に交互にビーム走査を行う点に特徴がある。なお、
第１及び第２のビーム照射によりマーク検出を行う点は
第２実施形態と同様である。

【００５２】第１のビーム照射工程は第２実施形態と同
じく、ビームサイズを０．５μｍとし、下地マーク４上
の領域を一様に照射する。この際、ビーム照射領域同士
の重なりはなく、１ショット当たりのビーム照射時間を
５００ｎｓ、アンプ整定時間を１００ｎｓとし、多重露
光によって、総露光量を２０μＣ／ｃｍ²として高速な
ビーム照射を行う。

【００５３】この第１のビーム照射により、マーク像を
取得し、そのコントラストからおおよそのマーク位置を
検出する。

【００５４】次いで、第２のビーム照射を行う。第２の
ビーム照射は、ビームサイズを０．１μｍとし、マーク
上を電子ビームで走査する。また、ビーム照射時間は２
００ｎｓとし、充分なアンプ整定時間をとってビーム位
置精度が向上するようにする。

【００５５】図６（ａ）は本実施形態における位置合わ
せ露光における第２のビーム照射の概念図である。６１
ａ及び６１ｂはビーム照射領域であり、矢印の方向に交
互にビーム走査される。例えば、ビーム照射領域６１ａ
からビーム照射領域６１ｂの位置までビーム走査し、そ
の後ビーム照射領域６１ｂの位置からビーム照射領域６
１ａの位置まで同じ経路を逆に辿ってビーム走査する。
これらビーム照射領域６１ａ及び６１ｂはマーク位置に
対して対称の位置にある。このようなビーム走査を繰り
返し行う点が本実施形態の特徴である。

【００５６】このようにして得られた信号に平均加算処
理を施してマーク像を取得する。

【００５７】そして、検出されたマーク像に基づいて図
示しない電子ビーム露光装置の制御計算機でマーク位置
を計算する。そして、すべてのマーク４について上記操
作を行い得られたマーク位置の情報に基づいて加速電圧
５ｋＶでパターン露光する。

【００５８】以上説明したように、下地マーク４に対し
て対称かつ交互に繰り返しのビーム走査を行う利点を説
明する。

【００５９】図７は、単一の方向にビームを走査してマ
ーク検出を行う場合の概念図を示す。２次電子１１５が
放出されるマーク部とそれ以外の部分では表面電位が異
なる。このため、電子ビーム照射によって生じた２次電
子は、検出器１０７で検出されるような試料から離れた
方向に飛来する２次電子１１５のみならず、図７（ａ）
に示すように試料表面に再入射する現象が生じる（以
下、この現象を２次電子の再配分と呼ぶ）。この２次電
子の再配分により再配分２次電子１２１が再度試料表面
に達すると、パターン周辺部に暗部が出現する。

【００６０】図７（ｂ）は、ビーム走査位置と試料の表
面電位との関係を示す図である。図７（ｂ）に示すよう
に、下地マーク１０４の中心位置ｘ₁を中心に、表面電
位が減少しているが、その中心位置ｘ₂からビームの走
査方向に離れた位置ｘ₂において、表面電位が相対的に
増加する現象が生じる。図７（ｃ）はビーム走査位置と
２次電子量との関係を示す図である。図７（ｃ）に示す
ように、下地マーク１０４の中心位置ｘ₁を中心に、表
面電位の小さくなった部分、すなわち負に帯電した領域
で２次電子が増加しているが、その中心位置ｘ₂からビ
ームの走査方向に離れた位置ｘ₂、すなわち表面電位が
相対的に増加している部分において、２次電子が減少し
ている。この減少した２次電子は検出器１０７により検
出されると暗部となって観察される。

【００６１】再配分２次電子１２１は下地マーク１０４
に対して非対称に飛来する。これは、ビーム走査方向に
対して下流側は、既に照射された電子により負に帯電し
ている。これに対してビームの走査方向上流、すなわち
未だビームが照射されていない部分では、若干の帯電は
あるものの未だビーム照射がなされていないため、帯電
量は下流側に比較して低くなっている。従って、再配分
２次電子１２１はビーム走査方向に対して上流側に飛来
する率が高くなる。これを下地マーク１０４近傍をビー
ム走査する場合で考えると、下地マーク１０４のビーム
走査方向上流側の方が再配分２次電子１２１は多くな
る。再配分２次電子は数十ｅＶのエネルギーを有してお
り、再配分２次電子の入射した部分、すなわちビーム走
査方向上流側では２次電子の放出効率は大きくなる。２
次電子の放出は負の帯電を緩和する方向に働くため、ビ
ーム走査方向上流側の表面電位は相対的に正に帯電する
ことになり、表面電位は下地マーク１０４に対して非対
称となる。従って、図７（ｂ）で得られる２次電子波形
も下地マーク１０４に対して非対称になり、マーク位置
の読み取り誤差が発生する。

【００６２】そこで、本実施形態のように、マークに対
して対称に、左右交互にビーム走査を繰り返すことによ
り、レジスト表面の帯電が均等に生じ、再配分される２
次電子の飛来方向も均一化される。従って、マーク像検
出の際の暗部の左右非対称を解消することができ、高精
度な位置合わせが実現できる。なお、逆方向の繰り返し
走査は、それぞれ同じ経路を辿る必要はなく、前に走査
された部分による試料面の非対称な帯電を打ち消すよう
な範囲であれば、前に走査された経路とずれた経路を辿
って走査させてもよい。

【００６３】図６（ｂ）は、試料を負に帯電せしめた場
合の試料の表面電位を示す図である。表面電位が小さく
なっている部分が、下地マーク１０４が形成されている
部分に相当する。

【００６４】図６（ｃ）は本実施形態のビーム走査を用
いて検出された２次電子量とビーム走査位置との関係を
示す図である。横軸はビーム走査位置、縦軸は２次電子
量である。単一の方向にビーム走査を行った場合に見ら
れた破線に示す非対称な波形が解消され、左右対称な波
形となっていることが分かる。

【００６５】このように本実施形態では、第２実施形態
と同様の効果を奏する。さらに本実施形態では、下地マ
ークに対して対称な位置に交互にビーム走査を行ってい
るため、レジスト表面の帯電が均等に生じる。従って、
得られる２次電子信号波形のマークに対する非対称性を
解消することができ、高精度な位置合わせが実現でき
る。

【００６６】本発明は上記実施形態に限定されるもので
はない。

【００６７】上記実施形態では第１及び第２のビーム照
射でビームサイズを変える場合を示したが、加速電圧、
ビーム電流密度、ビーム走査速度、ビーム走査位置、ビ
ーム形状等を変える場合でも本発明の効果を奏する。ビ
ーム電流密度を変える場合、第１のビーム照射に対して
第２のビーム照射を小さい電流密度とするのが望まし
い。また、ビーム速度を変える場合、第１のビーム照射
に対して第２のビーム照射を高速にするのが望ましい。

【００６８】なお、ビーム形状を変える場合の一例を図
８（ａ）及び（ｂ）に示す。図８（ａ）は第１のビーム
照射、図８（ｂ）は第２のビーム照射の概念図である。
同図に示されるように、第１のビーム形状８１ａに対し
て第２のビーム形状８１ｂが、ビーム走査方向に対して
細く絞られている。

【００６９】また、ビーム走査位置を変える場合の一例
を図９（ａ）及び（ｂ）に示す。図９（ａ）は第１のビ
ーム照射、図９（ｂ）は第２のビーム照射の概念図であ
る。同図に示されるように、第１のビーム照射における
ビーム照射領域は下地マーク４を中心とした正方形の領
域９１ａであるのに対して、第２のビーム照射における
ビーム照射領域は下地マーク４のエッジ部分（９１ｂ）
のみである。なお、このビーム走査位置を異ならしめる
場合には、第２のビーム照射によりマーク位置を取得す
る位置（本例におけるエッジ部分に相当する）は第１の
ビーム照射領域の中であることが必要である。

【００７０】また、加速電圧を変える場合について、望
ましい方法を図１０を用いて説明する。まず、試料表面
を正に帯電させる場合、第１のビーム照射においては試
料をより正に帯電させるために加速電圧を図中Ｖ₁とす
る。第２のビーム照射においては、第１のビーム照射よ
りも２次電子の放出効率を小さくした加速電圧Ｖ₂もし
くはＶ₂’を選択する。このようにすれば、第２のビー
ム照射における正の帯電の増加は、第１のビーム照射よ
りも緩やかになり高精度のマーク検出が可能となる。

【００７１】一方、試料表面を負に帯電させる場合に
は、第１のビーム照射においては、試料をより負に帯電
させるために加速電圧を図中Ｖ₄又はＶ₄’とする。第２
のビーム照射においては、第１のビーム照射よりも２次
電子の放出効率を大きくした加速電圧Ｖ₃又はＶ₃’を選
択する。このようにすれば、第２のビーム照射における
負の帯電の増加は、第１のビーム照射よりも緩やかにな
り高精度のマーク検出が可能となる。

【００７２】なお、これら種々のパラメータを変化させ
る形態は、上記した例に限定されるものではないことは
もちろんである。

【００７３】その他、本発明の本旨を逸脱しない範囲で
種々変形して使用することができる。

【００７４】（第４実施形態）図１１は本発明の第４実
施形態に係る電子ビーム位置合わせ露光のフローチャー
トを示す図である。本実施形態は、第１及び第２のビー
ム照射を行う電子ビーム位置合わせ露光において、ビー
ム照射条件の最適化を行う形態に関する。

【００７５】本実施形態におけるビーム照射条件の最適
化を図１１に沿って説明する。

【００７６】まず、予め設定されたビーム走査条件を基
にマーク走査を行う（Ｓ１１）。このマーク走査に用い
られるビーム形状を図１２（ａ）に示す。同図に示すよ
うに、４段の階段状ビーム形状をなしている。このビー
ム形状は、矢印に示されるビーム走査方向と垂直な方向
に４つのビーム幅ｄ₁〜ｄ₄を有している。

【００７７】このビーム形状を有する電子ビームで下地
マーク４上を走査することにより、マーク像４’を取得
する（Ｓ１２）。マーク像４’から分かるように、４つ
のビーム幅ｄ₁〜ｄ₄のうち、ビーム幅の広い方から２段
階まで（ｄ₁〜ｄ₂）はマーク像として検出できたが、ビ
ーム幅の狭い２段階ビーム（ｄ₃〜ｄ₄）では、マーク像
として検出できない。これは、図１２（ａ）の２次電子
波形１１１（ビーム幅が広い場合）及び１１２（ビーム
幅が狭い場合）にも示したように、得られる２次電子波
形がビーム幅の広い場合には試料表面に充分な量の電子
が照射され、マーク部とそうでない部分とで充分に２次
電子量が異なるが、ビーム幅の狭い場合には試料表面に
照射される電子量が充分でなく、マーク部とそうでない
部分とで２次電子量があまり変わらないからである。

【００７８】次に、得られたマーク像４’に基づいて、
ビーム走査条件下でのビームサイズと信号波形のＳＮ比
との関係曲線を求める（Ｓ１３）。得られた関係曲線を
図１２（ｂ）に示す。横軸はビームサイズ、縦軸は信号
波形のＳＮ比である。

【００７９】そして、得られた関係曲線に基づいて良好
なＳＮ比、すなわち像コントラストの得られるビーム照
射時間を変化させ（Ｓ１４）、最適な像コントラストが
得られるまで以上に示す工程（Ｓ１１〜Ｓ１３）を繰り
返す。

【００８０】そして、最適な像コントラストが得られた
最適なビームサイズ及びビーム照射時間をマーク検出条
件とし（Ｓ１５）、これによりマーク検出を行う（Ｓ１
６）。なお、このマーク検出は、第１〜第３実施形態に
示した第１及び第２のビーム照射をいう。さらにその
後、第１〜第３実施形態と同様に、得られたマーク位置
に基づいて位置合わせ露光を行う。

【００８１】このようなビーム最適化を用いる作用効果
は、以下に示す通りである。すなわち、ビーム面積、ビ
ーム走査速度、ビーム走査ピッチ又はビーム電流等を１
パラメータずつ変えた場合、各条件を４条件ずつ変化さ
せると、４⁴＝２５６通りのビーム照射によりすべての
パラメータについて走査を行う必要がある。これに対し
て本実施形態のようにビーム走査方向と垂直な方向にビ
ーム幅を４通りとしてマーク走査を行うことにより、一
度の走査で単位面積当たりの帯電量が４通りについて走
査していることとなる。従って、ビーム照射は６４通り
で済む。このため、ビーム走査条件の最適化を高速に行
うことが可能となる。

【００８２】なお、本実施形態では階段状のビーム形状
を用いたが、図１２（ｃ）及び（ｄ）に示すように、３
角形のビーム形状や、１／４円のビーム形状としても構
わない。ビーム走査方向と垂直な方向に複数のビーム幅
を有するビーム形状を有していれば本発明を適用可能で
ある。

【００８３】（第５実施形態）上記第１〜第４実施形態
では本発明を位置合わせ露光に用いる場合を示したが、
本実施形態では本発明をＳＥＭを用いた合わせずれ計測
に適用する場合に関する。本実施形態では、加速電圧を
２ｋＶとする。

【００８４】本実施形態で測定の対象として用いられる
試料の構造を図１３に示す。図１３（ａ）は上面図、
（ｂ）は断面図、（ｃ）はこの試料を走査して得られる
ビーム走査位置と２次電子量との関係を示す図である。

【００８５】図１３（ａ）に示すように、正方形の４辺
に対応した位置に、ライン状の第１のマーク１５６が４
本配置されている。従って、向かい合う２つの第１のマ
ーク１５６は互いに平行に配置され、かつ隣り合う第１
のマーク１５６同士は垂直である。また、この第１のマ
ーク１５６が配置された正方形よりも大きな正方形の４
辺に対応した位置に、ライン状の第２のマーク１５７が
４本配置されている。この第２のマーク１５７は、下地
マークである第１のマーク１５６に対して設計上同一の
中心となるような平面構造となる。

【００８６】このような第１のマーク１５６及び第２の
マーク１５７の断面構造は、図３（ｂ）に示す通りであ
る。シリコン基板１５１上にシリコン窒化膜１５２が形
成されており、このシリコン窒化膜１５２を貫通してシ
リコン基板１５１内に達する凹部が形成されている。こ
の凹部を含めてシリコン窒化膜１５２上にはシリコン酸
化膜１５３が形成されており、さらのその上には反射防
止膜１５４が形成されている。そして、この反射防止膜
１５４の上には、選択的にフォトレジスト１５５が形成
されている。そして、上記凹部に埋め込まれたシリコン
酸化膜１５３が第１のマーク１５６として機能し、選択
的に形成されたフォトレジスト１５５が第２のマーク１
５７として機能する。

【００８７】以上に示した試料（基板）を、ＳＥＭの試
料室内に搬入し、第１及び第２のマーク１５６及び１５
７をＳＥＭの電子ビーム偏向領域内に移動させる。次い
で、観察倍率を１００００倍、ビーム電流を１０ｐＡ、
走査周波数を１ｋＨｚとして、第１の電子ビーム照射を
行う。ここで、第１のビーム照射領域は、図１４におけ
る領域１６１に相当し、シリコン基板１の表面から深い
位置に形成された第１のマーク１５６とその近傍のみを
帯電せしめる。

【００８８】第２のビーム照射は、観察倍率を５０００
倍、ビーム電流を５ｐＡ、走査周波数を１ｋＨｚとして
行う。ここで、第２のビーム照射領域は図１４中の領域
１６２に相当する。第２のビーム照射では、第１のマー
ク１５６とフォトレジストで形成された第２のマーク１
５７を同時に走査する。この第２のビーム照射により得
られる２次電子信号波形を図１３（ｃ）に示す。横軸は
ビーム走査位置、縦軸は２次電子量である。得られた２
次電子信号波形に基づき、第１のマーク１５６及び第２
のマーク１５７の相対的な位置ずれを測定することによ
って合わせずれ計測が可能となる。

【００８９】このように、ビーム照射工程を第１及び第
２のビーム照射工程に分割し、第１のビーム照射により
試料表面を帯電させ、第２のビーム照射によりビーム走
査して試料表面のマーク像を取得することにより、高精
度のマーク像検出を行うことができる。すなわち、第１
のビーム照射では、ビーム電流を１０ｐＡとして第１の
マーク１５６近傍のレジスト表面が充分に帯電している
ため、マーク１５６上とそれ以外の部分で充分な電位コ
ントラストが発生している。従って、ビーム電流を５ｐ
Ａとした第２のビーム照射によりマーク像を取得する場
合には高速かつ高精度のマーク像の検出が可能となる。
特に、帯電不足によって生じる電位コントラストの悪い
状態でマーク像を検出することはない。

【００９０】また、第１のビーム照射では観察倍率を１
００００倍として、第１のマーク１５６近傍のみを帯電
させ、第２のビーム照射では観察倍率を５０００倍とし
て、第１及び第２のマーク１５６及び１５７を同時に取
得しているが、第１のビーム照射において、第２のマー
ク１５７にビーム照射を行っていないため、第２のマー
ク像を取得する際にも、なんら悪影響を及ぼすことはな
い。この結果、高精度の合わせずれ計測が可能となる。

【００９１】なお、上記実施形態では第１及び第２のビ
ーム照射において、ビーム電流を変化させたが、ビーム
走査速度、ビームサイズ、ビーム電流密度、ビーム宗七
ビーム形状等他のパラメータを変化させることでも上記
と同様の効果を奏することができる。

【００９２】本発明は上記実施形態に限定されるもので
はない。

【００９３】パターン露光の際の加速電圧を１ｋＶ又は
５ｋＶとしたが、加速電圧５０ｋＶ以上でパターン露光
を行う場合にも本発明を適用可能である。また、本発明
は電子ビーム露光装置の種類に制限されるものではな
い。例えば、部分一括露光型電子ビーム露光装置や可変
成形型電子ビーム露光装置、マルチビーム型電子ビーム
露光装置、丸ビーム型電子ビーム露光装置、一括露光型
電子ビーム露光装置でも、本発明を適用可能である。も
ちろん、試料に照射される物質は電子ビームではなくて
も、イオンビーム等、荷電粒子であれば何でもよい。さ
らに、露光装置ではなくても、例えば電子顕微鏡等でも
合わせずれ計測に係わる本発明を適用可能である。

【００９４】

【発明の効果】以上詳述したように本発明によれば、帯
電現象を利用した位置合わせ露光又は合わせずれ計測に
おいて、帯電を生ぜしめるビーム照射とマーク検出のた
めのビーム照射とに位置合わせ露光ビーム照射工程を分
割し、それぞれ異なる条件でビーム照射することによ
り、より高精度のマーク像検出ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施形態に係る電子ビーム位置合
わせ露光の対象とする試料の構成を示す断面図。

【図２】同実施形態に係る電子ビーム位置合わせ露光の
フローチャートを示す図。

【図３】同実施形態に係る第１及び第２のビーム露光の
概念図。

【図４】同実施形態に係る時間と試料の表面電位との関
係を示す図。

【図５】本発明の第２実施形態に係る第１及び第２のビ
ーム照射の概念図。

【図６】本発明の第３実施形態に係る第２のビーム照射
の概念図。

【図７】単一方向にビーム走査する場合の問題点を説明
するための図。

【図８】本発明の変形例における第１及び第２のビーム
照射の概念図。

【図９】本発明の変形例における第１及び第２のビーム
照射の概念図。

【図１０】電子ビームの加速電圧と試料表面から放出さ
れる電子放出効率の関係曲線を示す図。

【図１１】本発明の第４実施形態に係る電子ビーム位置
合わせ露光のフローチャートを示す図。

【図１２】同実施形態に係るビーム最適化の手法を説明
するための図。

【図１３】本発明の対象とする電子ビーム合わせずれ計
測を説明するための図。

【図１４】同実施形態に係る合わせずれ計測の概念図。

【図１５】従来の電子ビームによる位置合わせ露光の概
念図。

【図１６】帯電現象を利用した従来の位置合わせ露光を
説明するための図。

【符号の説明】１…シリコン基板２…シリコン酸化膜３…レジスト４…下地マーク４’…マーク像２１，２２，５１，５２，６１ａ，６１ｂ，８１ａ，８
１ｂ，９１ａ，９１ｂ…ビーム照射領域１１１，１１２…２次電子検出波形１５６…第１のマーク１５７…第２のマーク

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Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基板に位置合わせ露光の基準となるマー
クが形成されており、該マークを含む前記基板上に被加
工膜が形成された試料に荷電粒子により第１のビーム照
射を行い前記マークを含む前記試料表面を帯電させる工
程と、前記第１のビーム照射とは異なる条件により荷電粒子に
より第２のビーム照射を行い前記マークを走査して、前
記試料表面からの２次電子を検出することにより前記マ
ーク位置を求める工程と、前記マーク位置に基づいて位置合わせ露光を行う工程と
を具備してなることを特徴とする荷電ビーム露光方法。
【請求項２】基板に位置合わせ露光の基準となる第１
のマークが形成されており、第１のマークを含む前記基
板上に被加工膜が形成された試料に対して、第１のマー
クとの相対位置の計測に用いられ、前記基板表面部分の
上に形成された第２のマークを含むパターンを位置合わ
せ露光によって形成する工程と、第１のマーク及び第２のマークを有する前記試料に荷電
粒子により第１のビーム照射を行い第１のマークを含む
前記試料表面を帯電させる工程と、前記第１のビーム照射とは異なる条件により荷電粒子に
より第２のビーム照射を行い第１及び第２のマークを走
査して、前記試料表面からの２次電子を検出することに
より第１及び第２のマーク位置を求める工程と、第１及び第２のマーク位置に基づいて合わせずれ計測を
行う工程とを具備してなることを特徴とする荷電ビーム
露光方法。
【請求項３】第１のビーム照射により前記試料表面に
照射される荷電粒子量に対して第２のビーム照射により
前記試料表面に照射される荷電粒子量が少なくなるよう
に、第１及び第２のビーム照射条件を変化させることを
特徴とする請求項１又は２に記載の荷電ビーム露光方
法。
【請求項４】第１及び第２のビーム照射条件とは、加
速電圧、ビームサイズ、ビーム電流密度、ビーム走査速
度及びビーム走査位置のうちの少なくとも一つであるこ
とを特徴とする請求項３に記載の荷電ビーム露光方法。
【請求項５】第１のビーム照射の後、帯電した前記試
料表面からの２次電子を検出して前記マーク又は第１の
マークのおおよその位置を求め、該位置に基づいて第２
のビーム照射を行うことを特徴とする請求項１又は２に
記載の荷電ビーム露光方法。
【請求項６】第２のビーム照射は、前記試料上の位置
に応じて加速電圧、ビームサイズ、ビーム電流密度、ビ
ーム走査速度、ビーム走査位置及びビーム形状の少なく
とも一つを変化させて行うことを特徴とする請求項５に
記載の荷電ビーム露光方法。
【請求項７】第２のビーム照射は、前記マーク、第１
のマーク又は第２のマークのエッジ位置のみに走査して
行うことを特徴とする請求項５に記載の荷電ビーム露光
方法。
【請求項８】第２のビーム照射は、前記マーク又は第
１及び第２のマークに対して対称に互いに逆方向に交互
に少なくとも１回走査することにより行うことを特徴と
する請求項１又は２に記載の荷電ビーム露光方法。
【請求項９】第１及び第２のビーム照射条件は、ビー
ム走査方向と垂直な方向に複数のビーム幅を有するビー
ムを前記マーク、第１のマーク又は第２のマークの上を
走査させて得られるマーク像に基づいて決定されること
を特徴とする請求項１又は２に記載の荷電ビーム露光方
法。