JP2016027600A - 低エネルギー電子ビームリソグラフィ - Google Patents

Abstract

【課題】大きさが約１０〜２０ｎｍの範囲内にある最小の特徴をもつ対象をパターニングするための低エネルギー電子ビーム近接投影リソグラフィのシステムを提供する。
【解決手段】
半導体ウエハを被覆するレジスト層にパターンを描くシステムは、複数の小型電子銃を備えた電子銃ハウジングユニット（電子ビームを放出する中空のカラム部を有し、その内に電子ビームの傾斜を調節する微細偏向ユニットが配置される）と、X-Y方向に移動可能な可動ステージと、可動ステージ上に配置され、半導体ウエハを保持するウエハステージと、転写すべきパターンが形成されたメンブレンを支持するストラットを裏側に有するマスクウエハと、マスクウエハを保持するマスクステージと、マスクウエハと半導体ウエハとの間のずれを検知する整合検知ユニットと、電子ビームを傾斜するために、微細偏向ユニットと整合検知ユニットに結合された傾斜手段とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、最小の特徴をもつ対象の大きさが約１０ｎｍから２０ｎｍとなる集積回路デバイスの製造に関し、特に、このような製造に使用する装置および方法に関する。

集積回路の製造の重要な部分は、半導体ウエハ（これは処理後に、集積回路デバイスとするため細かく切断される）の表面上におけるパターニングである。これらのパターンは、イオン注入領域、コンタクト接触窓領域、ボンディングパッド領域等のような、集積回路デバイス内のいろいろな領域を画成し、一般的に、集積回路デバイスを形成するシリコンウエハを覆う感光材（“レジスト”と言われている）の薄い層に、マスクの幾何学形状パターンを転写することにより形成される。典型的には、マスクのパターンは拡大されており、レジストへの投射のために縮小させる必要がある。

現在、パターン転写プロセスは、一般的にフォトリソグラフィにより行われ、転写のために使用される輻射線のエネルギーは光学的波長のものである。

レジストに形成されたパターン、特徴をもつ対象が小さくなると、集積回路内の回路要素のパッケージング密度が高くなるため、転写のために使用する光学輻射線の波長を対応して短くする必要がある。この技術は、レジストに適切にパターンを描くのに必要な輻射線として、光学的な輻射線を有用に使用することができる限界に近づいてきているようにみえる。

最近では、マスクの幾何学的パターンをレジスト層に転写するときに使用が考えられている超紫外輻射線、電子ビームの使用を含む他の幾つかの技術がある。

電子ビーム（微細で、精密な制御が行える）が、最近、光学リソグラフィに使用されるマスクの製造の際に、主に使用されてきている。シリコンウエハ上のレジストに直接パターンを書くための電子ビームの使用もあるが、このような使用は、少量生産で、高価に販売されるカスタム回路に限定される。

集積回路の製造の際、レジストにパターンを描くときに使用する電子ビームの使用について考えられる困難さというのが、このような使用によるスループットの低さであり、電子ビーム露光システムが比較的高価であることも使用をより困難にする。したがって、集積回路の製造において、電子ビーム露光システムの使用の潜在的な見込みは一般的にはなく、このような使用のための市販のシステムを開発する努力は限定されていた。

“High Throughput Submicron Lithography with Electron Beam Proximity Printing"（1984年9月発行、Solid State Technology、第210-217頁）と題する論文において説明されている電子ビームリソグラフィシステムでは、電子ビームは１０ＫＶのエネルギー（これはあるときは非常に低いものとされていた）で動作し、ステンシルマスクの厚さは２ミクロン（在来の場合よりもより薄い厚さである）で、マスクとウエハとの間の間隔は０．５ミリメートル（５００ミクロン）（これは非常に接近しているとされている。）である。その電子ビーム（直径は約１ミリメートル（１０００ミクロン）で、マスクの領域全体からすると非常に僅かである）は、対となった第一の偏向コイルにより、マスクを横切るようにラスター走査された。対となった第二の偏向コイルが、マスク面のピボット点の周りでビームを傾斜させるために使用された。薄さが２ミクロンのメンブレン（membrane）を含むシリコンウエハがマスクとして機能していた。このようなマスク、及び１０ＫＶのエネルギーの電子では、マスクの開口部に向かわない電子を阻止するために、マスク上に適当な金属の吸収層を含むことが必要であった。さもなければ、このような電子は薄いシリコンマスクの薄いメンブレンを通過し、レジスト上に形成されるべきパターンをぼやかせる。しかし、より厚いシリコンマスクの使用は（描写）ライン幅を細くすることを困難にする。なぜならば、ライン幅対マスク厚のアスペクト比が高すぎるからである。

しかしながら、この論文は、この分野の研究者に殆どインパクトを与えなかったようで、このような近接投射プリンティングシステムについての努力は１９８４年以後減退してしまった。それどころか、電子ビーム露出システムの研究は、電子ビームに“剛性”を与えるために、電子ビーム中の電子が高いエネルギーをもつというシステムに向かっていた。剛性のあるビームは、ビーム径をよく制御できるもので、さらに非常に良く集束し、シャープな像を作り、さらにまた漏洩電界の影響を受けない。剛性は一般的に、ビーム内の電子のエネルギー又は速度に関するもので、エネルギーが高くなればなるほど、ビームの剛性も高くなる。

このような理由から、商業的な使用では、高解像度のために少なくとも５０ＫＶのエネルギーをもつ電子を使用するのが一般的である。このようなビームを利用する装置は一般的に、電子ソース、電子ビームに集束して、成形し、マスクを照射するシステム、およびレンズに通して、マスクを通過したビームをレジストに５から２５分の1の比率で縮小、投影する投射システムから成る。

しかし、集積回路中の回路要素の密度が増加し、レジストのパターンの特徴をもつ対象の大きさが縮小すると、高エネルギーのビームの使用では問題が生じてくる。特に、近接効果（これは、下側のシリコンウエハ基板からレジストへの電子の後方散乱の結果、形成されるパターンに歪みをもたらす）が増大してくる。この効果は、レジストに形成されるべきパターンが微細になればなるほど問題となる。ただし、加速電圧が高くなると、レジスト内の前方散乱が減少し、基板により後方散乱した電子が広い範囲に亘り散乱し、その結果レジスト内で、ドーズ量が比較的一定となることが知られている。このことは、近接効果の補正を容易にすることはできても近接効果を完全に除去することはできないことを意味する。さらに、電子のエネルギーを上げていくと、電子がレジストにおいて、エネルギーを余り放出することなく、速やかに通過してしまうため、電子当たりのレジスト感度が減少する傾向になる。このため、エネルギーが高ければ高いほど、ある感度に必要な電流は大きくなる（つまり、ビーム内の電子密度がより高くなる）。また、ビーム内の電子の密度が高くなればなるほど、ビームの焦点がぼけ、パターンの解像度の劣化が引き起こされる。さらに、電流が高くなればなるほど、マスク、レジスト層、さらに基板はより加熱され、投射パターンの歪みはより大きくなる。したがって、必要な精度を維持するために、動作電流を限定しなければならない。そして、このことは装置のスループットに限界を与える。

このような問題のいくつかに対処するために、一時期、低エネルギー電子ビームを使用してレジストにパターンを描くことについて、新たな関心が展開された。特に、“Low voltage alternative for electron beam lithography”（J Vac. Cci Tech B 10(6)、1992年11月/12月、第3094-3098頁）と題する論文において、ビーム内で比較的低いエネルギーをもつ電子を使用することで、近接効果が実質的に減少することが報告された。その研究の一つの主眼は、低エネルギーの電子ビームの使用に必要な非常に薄いレジストを使用しても、レジストのパターンを基板に充分転写することができることを示すことであった。しかし、低電圧では、こうした電子は低輝度となる傾向にあり、極薄レジスト層の適用が困難であるという欠点をもつことが認められた。

結果として、低エネルギーの電子ビームがレジストにパターンを描くのに適し、潜在的な利点を有すると長い間認められてはいたが、低エネルギーの電子ビームについて、第一の偏向コイルによりマスクを横切るようにラスター走査すると、電子ビームの経路が長くなり、クーロン相互作用（空間電荷効果）の影響を受ける。電流密度が高くなると、その影響もさらに強くなる。そのために、欠点が利点に勝り、デバイスの量産方式において、広範囲な商業的使用は現在、まだ行われていない。しかし、最近、１．減速界電子ビームカラム、２．多重配列した縮小電子ビームカラム、及び３．多重配列した走査トンネル顕微鏡の先端の使用により、低電圧リソグラフィを使用するための実質的な開発努力がなされた。

１９９７年１０月３１日に、本発明者は、「低エネルギー電子ビームリソグラフィ」と題する特許出願（これは１９９８年１１月３日に発行された米国特許第５、８３１、２７２号となる）（特許文献１）を行った。
これに対応する出願は、日本とドイツにおいて特許された。米国特許第５、８３１、２７２号のシステムの一実施形態は、半導体基板上にレジストをパターニングするためのシステムで、このシステムは電子の経路に配置された単結晶のシリコンの１×ステンシルマスク並びに電子ビーム及びマスクの経路内にある電子感応性レジストで被覆された基板を含む。そのレジストは薄く、ビーム加速電圧は近接効果がほとんどないように十分に低く、ビーム電力は、マスク、レジスト及び基板の加熱もほとんどないように十分に低く、ビーム中の電子密度は、空間電荷効果がほとんどないように十分に低い。電子ビーム加速電圧は約２ＫＶ（約１〜５ＫＶの範囲がある。）で、レジストの厚さは１００ｎｍ（３０〜３００ｎｍの範囲がある。）で、電子ビームの電流は約３マイクロアンペア（約０．３〜約２０マイクロアンペアの範囲がある。）で、ビームの直径は約１．０ミリメートル（約０．１〜約５ミリメートルの範囲がある。）で、マスクは、厚さが約５００ｎｍ（約２００〜１０００ｎｍの範囲がある。）のステンシルマスクである。マスクと半導体ウエハとの位置合わせの誤差は約１５ｎｍ以下で維持される。２００７年までに、米国特許第５,８３１,２７２号の“LOW ENERGY ELECTRON BEAM LITHOGRAPHY SYSTEM”は作られ、試験され、作動するものと分かった。

米国特許第５,８３１,２７２号に開示された露光装置の概略図が、図１０に示されている。

図１０の露光装置１００は、低加速の電子線１０２を生成する電子銃１０３の他、アパーチャー１０４、コンデンサレンズ１０５、１対のメインデフレクター１０６、１０７および１対の微調整用デフレクター１０８、１９９を有する。アパーチャー１０４は電子線１０２を制限する。コンデンサレンズ１０５は電子線１０１を集光し、平行なビームにする。メインデフレクター１０６、１０７および微調整用デフレクター１０８、１０９は偏向コイルであり、メインデフレクター１０６、１０７は電子線１０１がステンシルマスク１００の表面に対して基本的に垂直に入射するように、電子線１０２を偏向させる。電子線１０２はステンシルマスク上面に渡るように、走査される。ステンシルマスク１１０の孔部分１１１を透過した電子線により、ウエハ１１２上のレジスト１１３が露光される。

このシステムの使用では、特徴をもつ対象の大きさを1ミクロン未満、潜在的には約４５ｎｍまですることができることが判明した。商業的に実現可能であるほど十分に高いレベルのスループットを維持しながら、特徴をもつ対象の大きさをどの程度まで達成することができるかの限界を決定するために相当な量のテストが実施された。

米国特許第５、８３１、２７２号明細書

１９９７年から今まで、大量生産のために作られた集積回路を形成するために、マスクに含まれるイメージを半導体ウエハに転写するための従前のシステム（すなわち、ＡｒＦ液浸リソグラフィ）を向上させるための作業が相当あった。普及したこの技術は、特徴をもつ対象の大きさが約４０ｎｍ以下の大量生産用集積回路を生成することができるシステムをもたらした。

本発明は、参照により本明細書に組み込まれる米国特許５,８３１,２７２号の装置を用いて得られる結果に大幅な改善を示す。以前の発明を改良するために本発明者によりなされた１６年に及ぶ研究に起因して、装置や動作パラメータに顕著な違いがある。

今後数年間、さらに特徴をもつ対象の大きさが１０〜２０ｎｍの範囲にある集積回路を生成することができるリソグラフシステムを改良することが望ましい。このような対象の一つは、金属酸化物シリコントランジスタのゲートの長さや金属導体の幅である。ＡｒＦダブルパターニング、ＥＵＶリソグラフシステムなどといったこれら提案されたシステムは、複雑かつ高価となり、仮にこのようなシステムがあるとしても、実際には広く使用されようになったかは定かではない。

本発明は、大量生産の集積回路のための、最小の大きさが約１０〜２０ｎｍの範囲内にある特徴をもつ対象をパターニングするための、十分なスループットと精度をもつ低エネルギー電子ビーム近接投影リソグラフィのためのシステムに係る。

一態様では、本発明は、半導体ウエハを被覆する電子感応性レジスト層にパターンを描くための電子システムである。本システムは、互いに平行に配列された複数の小型電子銃を備えた電子銃ハウジングユニットを備える。電子銃ハウジングユニットに備えられる電子銃は中心軸線にそって直線状で平行な電子ビームを形成し、各電子銃は形成された電子ビームを放出する中空のカラム部を有し、該カラム分内には、その中を通過する電子ビームの傾斜を微小角度調節する微細偏向ユニットが配置される。電子銃ハウジングユニットの下方には、可動ステージと、可動ステージ上に配置され、半導体ウエハを保持するウエハステージと、レジスト層に転写されるべきパターンが形成されたメンブレンと該メンブレンを裏側（上側）で支持するストラットとを有するｎ区分相補マスク（ｎ≧２）が一つ以上形成されたマスクウエハを周囲から保持し、ウエハステージと一体となって、前記ウエハステージに保持された半導体ウエハの上方の所定の位置に配置するマスクステージが配置される。

本システムはさらに、整合検知ユニットと傾斜手段とを備える。整合検知ユニットは、一体となったマスクウエハと半導体ウエハとの間のずれを検知する。傾斜手段は出力に修正信号を生成するための整合検知ユニットの出力に結合された入力を有し、傾斜手段の出力は、マスクウエハと半導体ウエハとの間のずれを補償し、パターンの配置誤差を最小化するために、微細偏向ユニットの入力に結合される。

可動ステージは、電子銃ハウジングユニットの複数の中空カラムから放出される電子ビームが、マスクステージに保持されたマスクウエハの表面に渡って照射できるように、ウエハステージをＸ方向およびＹ方向に移動する。

電子ビームの加速電圧は約０．５から約５ＫＶの範囲にあり、電子ビーム電流は約５０から約１０００マイクロアンペアの範囲にあり、電子ビームの直径が約１から約９ｍｍの範囲にある。

マスクウエハは、その表側にストラットに対応する場所の少なくとも一部に接触凸部を有してもよく、この場合、半導体ウエハの上方に配置されたとき、接触凸部を介して前記半導体ウエハの前記レジスト層と接する。

レジスト層の厚さは約１０から約３００ｎｍの範囲にあり、メンブレンの厚さは約５０から５００ｎｍの範囲にあり、半導体ウエハのレジスト層と、半導体ウエハの上方に配置されたマスクウエハとは互いに約１０から約３００ｎｍの範囲で離される。

半導体ウエハは、前記レジスト層の下に位置し、約５０から５００ｎｍの範囲にある厚さを有する非金属性伝導層を含む。

他の態様として、半導体ウエハが、個々の集積回路が形成される複数の領域をもつチップ半導体ウエハである。

さらに、他の態様として、本発明は、シリコン集積回路の製造において、半導体ウエハを被覆する非金属性伝導層を被覆する電子感応性レジスト層にパターンを描く方法である。本方法は以下の工程を含んで成る。

互いに平行に配列された複数の小型電子銃を備えた電子銃ハウジングユニットの下方に位置し、可動ステージ上に半導体ウエハを保持するウエハステージを配置する工程。
ここで、前記各電子銃は中心軸線にそって直線状で平行な電子ビームを形成し、前記各電子銃は、形成された電子ビームを放出する中空のカラム部を有し、該カラム分内には、その中を通過する電子ビームの傾斜を調節する微細偏向ユニットが配置される。

レジスト層に転写されるべきパターンを内側に形成されたメンブレンを支持するストラットを裏側（上側）に有するｎ区分相補マスク（ｎ≧２）が一つ以上形成されたマスクウエハを周囲から保持するマスクステージを使用して、ウエハステージに保持された半導体ウエハの上方にマスクウエハを配置する工程。

マスクウエハと半導体ウエハとの間のずれを検知し、ずれ訂正信号を生成する工程。

マスクウエハと半導体ウエハとの間のずれを補償し、前記パターンの配置ずれを最小化するために、電子ビームの傾斜を調節する微細偏向ユニットに訂正信号を適用する工程。

電子銃ハウジングユニットの複数の中空カラムから放出される電子ビームをマスクステージに保持された前記マスクウエハの表面に渡って照射するために、前記可動ステージが、ウエハステージをＸ方向およびＹ方向に移動する工程。このことにより、メンブレンのパターンがレジスト層に転写される。

マスクウエハは、その表側にストラットに対応する場所の少なくとも一部に接触凸部を有してもよく、半導体ウエハの上方に配置されたとき、接触凸部を介して前記半導体ウエハの前記レジスト層と接する。

本発明は、添付図面と関連してなされた以下の詳細な説明により、さらに理解されよう。図面のスケールは必ずしも一致していない。

図１は、本発明にしたがった低エネルギー電子ビームのリソグラフィシステムを略示する。 図２は、図1の電子銃ハウジングに配置される一つの電子銃の断面を示す。 図３は、電子銃のカラムと、下方に位置するマスクステージ及びウエハステージの部分拡大図である。 図４は相補関係にあるパターンをもつマスタマスクのそれぞれを示す。 図５は、ｎ区分相補マスクのｎ個のうちの一つ（一種類）を複数個形成されたマスクウエハを示す。 図６（ａ）は、平行な複数のストラット（間にメンブレン）を有するマスクウエハの部分拡大斜視図を示し、図６（ｂ）は、マスクウエハの表側の部分拡大斜視図を示す。 図７は、マスタマスクの形成、マスクウエハの形成、（チップ）半導体ウエハの形成の概要を示す。 図８は、発明のシステムを制御して、電子ビームによる露光を行う制御系を示す。 図９は、ずれに対応して傾斜された電子ビームのレジスト層への入射を示す。 図１０は従来の露光装置の概略図である。

図１には、本発明に従ったシステム（電子ビーム装置）１０が示されている。システム１０は、全体を覆うケーシング１１を有し、その中に以下で説明される構成要素が備えられている。中央上部に電子銃ハウジングユニット２０が配置されている。この電子銃ハウジングユニット２０内には複数の電子銃が互いに平行して配置されている。図１では、各電子銃から下方に伸びる中空のカラム２１が示されている。作図の関係から、図１では六つのカラムが伸びているが、より多くのカラム（電子銃とともに）を含んでもよい。好適には、１０個のカラム（したがって、１０個の電子銃）を含む。

ハウジング１１内には、電子銃ハウジングユニット２０の下方に、可動ステージ４０と、可動ステージ上に配置され、半導体ウエハ４１を保持するウエハステージ４３と、ｎ区分相補マスク（ｎ≧２）が複数形成されたマスクウエハ（ステンシルマスク）５０を周囲から保持し、ウエハステージと一体となって、ウエハステージ４３に保持された半導体ウエハ４１の上方に配置するマスクステージ４６が配置される。可動ステージ４０は、ウエハステージ４３をX-Y方向に移動することができる。

ハウジング１１内には、また未処理及び処理済み半導体ウエハを貯蔵する半導体ウエハストレージユニット５１、マスクウエハ５０を貯蔵するマスクストレージユニット５２、処理済み半導体ウエハを検査するモニタリングユニット５３が配置される。各ユニットは従来技術のものであり、特に説明を要するものではない。

一つの電子銃２２の断面図が図２に示されている。電子ビームの生成のための構成自体は、従来のものと変わらず、しがって、基本的な構成のみの説明にとどまる。電子銃２２の上部には、内部を真空にするための真空ポンプ２３が設けられる。真空ポンプ２３は個々の銃２２に設けられているが、真空ポンプを一つ設け、一つの真空ポンプと個々の電子銃に連結してもよい。真空ポンプ２３の下方には中空の上部本体２４が伸び、その中にエミッタ２５があり、ここから電子が放出される。上部本体２４の外側にエミッタ調節コイル２６が配置されている。

上部本体２４の下方に、中空の下部本体２７が連結される。その下部本体２７の中心軸線の周りに電子ビーム調節コイル２８が配置されている。このコイル２８は、下部本体の内部に入ってきた電子を、中心軸線にそってかつ所定のエネルギーを持つ平行な電子ビームに成形する。

さらに、軸線の回りにビームブランカ２９、軸線上近くにビームストッパ３０が設けられている。電子ビームは通常軸線上の軌道をもつが、ビームブランカ２９により軸線から外れ、ストッパ３０に至る軌道をもつようにすることができる。

下部本体２７の下端には、中空のカラム２１が伸びている。このカラム２１内には、電子ビームを微小角度傾斜させるために微細偏向ユニット（傾斜電極）３２が配置されている。この傾斜電極は、電子ビームを走査するためのものではなく、以下で説明されるように、ステンシルマスクに設けられた穴を通過する電子ビームの傾斜を微小角度調節するためのものである。

電子銃により形成される電子ビームの動作ビーム電圧は、約０．５〜約５ＫＶの範囲で、好適な実施形態では、約２ＫＶであり、ビーム電流は約５０〜約１０００マイクロアンペアの範囲で、好適な実施形態では約２００マイクロアンペアである。電子ビームの直径は、約１から約９ｍｍの範囲で、好適形態では約３ｍｍである。中空のカラム２１の直径及び長さは、それぞれ、たとえば３０ｍｍ、１５ｃｍである。微細偏向ユニットにより実施できる傾斜角は＋１ｍｒａｄである。

カラム２１から放出された電子ビームは電子ビーム較正ユニット３３（図９を参照）により較正される。

図１に示されているとおり、可動ステージ４０に配置されたウエハステージ４３は、半導体ウエハ４１を保持する。半導体ウエハ４１は、単結晶のシリコンの比較的大きなもので、ウエハ４１の上面は、伝導層で被覆され、そしてパターンが転写される電子感応性レジスト層４２で被覆される（図２を参照）。伝導層は非金属性伝導体、典型的には炭化水素のような材料又はアモルファスカーボンからなる。電子感応性レジスト層４２は、好適な形態では、約２０ｎｍの厚さであるが、約１０〜３００ｎｍの範囲にある厚さをもってもよい。伝導層は、典型的に約５０ｎｍの厚さであるが、より厚くすることもできる。

図３は、電子銃ハウジングユニット２０から突き出た複数のカラム２１と、マスクステージ４６及びウエハステージ４３の部分拡大図を示す。マスクステージ４６は、中央に開口を有し、マスクウエハを周囲から保持するとともに、ウエハステージ４３と一体となって、半導体ウエハ４１（マスクウエハ）から上方に約５０ミクロン離して配置する。

下述するように、マスクウエハ５０の表側（図では下面）には、接触凸部５０１が設けられている（図では理解のために強調されている。）（図６（ｂ）を参照）。マスクステージ４６により、マスクマスク５０が、半導体ウエハ４１上に配置されるとき、接触凸部５０１はレジスト層４２に接する。

マスクステージ４６とウエハステージ４３により、半導体ウエハとマスクウエハとは固定した状態となる。可動ステージ４０により、マスクウエハと半導体ウエハとは一緒になって、カラム２１の下方でX−Y方向に移動することができる。

マスクウエハに形成された複数のｎ区分相補マスクに描かれたパターンを半導体ウエハ上の複数の所定の領域に、対応して転写するためには、マスクウエハと半導体ウエハとは、上記のとおり５０ｎｍ以下の精度で正確に整合している必要がある。整合状態を検知するための整合検知ユニット５４が、ハウジング１１内に設けられている（図１を参照）。

前述のとおり、マスクステージ４６とウエハステージ４３により、半導体ウエハとマスクウエハとは固定した状態となるが、その固定状態で、整合検知ユニット５４に収納され、マイクロスコープにより、マスクウエハと半導体ウエハとの位置ずれが検知される。

検知方法は、これに限定されないが、ユニット５４内に設けられ、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の周りで微小回転できるテーブル（図示せず）上に、ウエハステージ、マスクステージにより、固定されたマスクウエハと半導体マスクが配置される。マイクロスコープにより、マスクウエハに形成された穴（図５を参照）を通して、半導体ウエハに形成された印が観測される。半導体マスク上の印は、位置ずれがないときは、マスクウエハの孔を垂直に通るマイクロスコープの光軸上にある。位置ずれがあるときは、印は光軸上にないので、光軸上に位置するように、テーブルを、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の周りに微小回転させる。各軸についての回転角度に基づいて位置ずれを算出し、電子ビームの微小な傾斜角度を決定する。

マスクウエハは、電子ビームに晒されるために加熱される。この加熱により熱は、接触凸部５０１によりレジスト層４２、ひいては半導体ウエハ４１に伝えられる。

マスクウエハは、ステンシルマスクである。このマスクウエハ５０には１つ以上のｎ区分相補マスクが形成されるが、このｎ区分相補マスクは、半導体ウエハのレジスト層に転写されるべきパターンが形成されたメンブレンと、これを支持するストラットを有する。メンブレンには電子ビームが通過する孔が設けられているために、一つのパターンを描くには、少なくとも二つの相補マスク（ｎ区分相補マスク（ｎ≧２））が利用される。

このようなマスクウエハの形成をｎが２の場合について説明する。この場合、相補関係にある一方の相補マスクが、複数個設けられたマスクウエハと、他方の相補マスクが複数個設けられたマスクウエハと二つが用意されることになる（図７を参照）。

最初に、図７に示さているように半導体ウエハの表面上に転写されるべきパターンが決定される。決定されたパターンを相補関係にある二つのパターンに分け、電子ビームを使用して二つのマスタマスクを形成する。その際、ストラットも相補関係をもつように形成される。図４（ａ）は一方のパターンをもつマスタマスク（ａ）であり、図４（ｂ）は他方のパターンをもつマスタマスク（ｂ）である。マスタマスク（ａ）の穴５０３ａとマスクマスタ（ｂ）の穴５０３ｂとは、相補関係にあり、組み合わせることで、“Ａ”のパターンとなる。部分５０２ａ、５０２ｂはメンブレンに対応し、部分５０４ａ、５０４ｂはストラットに対応する（これらは、相補的になるように位相がずれている）。次に、図７に示されているように、それぞれのマスタマスクを使用し、周知技術であるＮＩＬ（ナノインプリントリソグラフィ）技術を利用して、二つのマスクウエハが形成される。

一方のマスクウエハが図５に示されている。図示の四角部分のそれぞれが、２区分相補マスクの一方を示す。マスクウエハの四角部分の角には、穴が設けられ（図５において、四隅の黒点）、位置のずれの検知に使用される。図に示す孔（黒点の部分）は、理解し易くするために大きくしてある。

図６（ａ）は、図５のウエハマスクの部分斜視図である。ストラット５０４が（ウエハマスクの裏側（配置されたときに上側となる）に）平行に伸び、それらの間にメンブレン５０２がある。パターンを正確に転写するためには、メンブレンを薄くすることが望ましい。しかし、薄いメンブレンは電子ビームの照射により加熱されるために歪む。歪みを抑えるとともに熱を受容するために、従来からストラットが形成されている。

好適な実施形態のひとつ（高電流モード）では、メンブレン５０２の厚さは、約１００ｎｍであるが、約５０〜５００ｎｍの範囲内のものとすることができる。ストラッド５０４の幅は、０．３から０．４ｍｍの範囲内が好ましい。ストラット５０４は、メンブレン５０２よりも実質的に厚く、典型的には数桁違う厚さをもち、機械的な支持を与え、またメンブレン５０２のための熱シンクとして作用する。図示のような平行なメンブレン５０２の場合は、メンブレンの熱がストラッドに伝わるように、メンブレン５０２の幅は、０.６ｍｍから０．８ｍｍの範囲内が好ましい。

図６（ｂ）によく示されているとおり、マスクウエハ５０の表側（配置されたときは下側になる）で、ストラット５０４に対応する位置に接触凸部５０１が形成される。接触凸部５０１は、ストラット５０４に対応する位置全体に設けることができるが、電子ビームの照射により生じる熱を十分にレジスト層に伝えることができるところに点在させてもよい。この接触凸部は、マスク５０の表面に、シリコンを蒸着することにより形成されてもよく、また接触凸部が残るように、接触凸部の回りをエッチングにより除去することにより形成されてもよい。接触凸部とストラッドにより、メンブレンの熱歪みは実質的に生じない。なお、ストラッドへの熱の伝導が十分である場合は、接触凸部は設けなくともよい。

他の好適な実施形態（低電流モード）では、ストラッド５０２の幅は、２.０から３．０ｍｍの範囲内にあってもよい。メンブレン５０２の幅は、３.０６ｍｍから６．０ｍｍの範囲内にあってもよい。

図８は、半導体ウエハに、特徴をもつ対象の大きさが１０ｎｍから２０ｎｍとなる集積回路デバイスを実現するシステム（装置）を制御する制御系を示す。制御ユニット８１は電子銃ハウジング２０に接続されて、電子ビームの加速電圧、電流、直径を制御して、所定の直線状の電子ビームを形成するように制御する。電子ビーム較正ユニット３３は、電子銃ハウジングからの電子ビームを較正するために、制御ユニット８１に接続されている。制御ユニット８１はＸ−Ｙ方向に移動可能な可動ステージに接続され、マスク全体に電子ビームの照射を行えるようにステージの移動を制御する。

整合検知ユニット５４は制御ユニット７１に接続されている。半導体ウエハとマスクとの整合の精度は５０ｎｍ以下が望ましく、そのため、整合検知ユニット５４により整合度が検出されて、その検出データが制御ユニット７１に送られ、さらに、電子ビームの照射位置のデータとともに、微細ビーム傾斜ユニット８２に送られる。

微細偏向ユニット３２は微細ビーム傾斜制御ユニット７２に接続されている。微細ビーム傾斜ユニット７２は、整合度（位置ずれ）のデータ、照射位置のデータに基づいた出力を微細偏向ユニット３２（電極）に与え、電子ビームを傾斜させる。

ｎが２の場合について、本システム（装置）によって、マスクパターンを半導体ウエハのレジスト層へ転写する動作を、図７に戻って、説明する。
最初に、パターンが転写される半導体ウエハ（これを「チップ半導体ウエハ」という。）を、可動ステージ４０上に配置され、取り付けられたウエハステージ４３に配置する。このチップ半導体ウエハの上面には、電子感応性レジスト層が形成されている。

チップ半導体ウエハと同じ形状をもち、図４（ａ）に示されたパターンをもつ２区分相補マスクが複数個形成されたマスクウエハ（図７において、上方に示されたマスクウエハ）と、図４（ｂ）に示されたパターンをもつ２区分相補マスクが複数形成されたマスクウエハ（図７において、下方に示されたマスクウエハ）を用意し、最初に一方をマスクステージ４６に配置し、マスクウエハの表側（図で下側）の形成された接触凸部５０１が、レジスト層に接するようにして、マスクウエハ上に所定の位置（レジスト層とマスクウエハの間が約１０から約３００ｎｍの範囲、好適には５０ｎｍにとなる）に配置する。

ウエハステージ４３とマスクステージ４６とにより、チップ半導体ウエハとマスクウエハは固定され、可動ステージ４０によりＸ方向、Ｙ方向に一緒に移動することができる（たとえば、３０ｃｍのウエハに対しては、直径３ｃｍのカラム２１が整列している方向に３ｃｍ、その方向に対して垂直な方向に３０ｃｍ移動する）。

電子銃ハウジングユニット２０は複数の電子銃を備えが、中心軸線にそって直線状で平行な電子ビームを複数本形成する（図では６本）。この電子銃ハウジングユニット２０の特徴は、電子ビームを走査させず、中心軸線にそった直線状の軌道（全長が１５ｃｍ程度）をもつ電子ビームを形成することである。かかる直線状の軌道をもつ電子ビームは、空間電荷の効果をもたず、さらに優れた平行度を達成し、維持できる。
電子銃ハウジングユニット２０は、上記のとおり、電子ビームを走査させるものではない。移動ステージにより、マスクウエハ（チップ半導体ウエハとともに）をＸ方向、Ｙ方向に移動させることにより、ウエハマスク表面全体に対して電子ビームの照射を行う。

直線状の電子ビームの下で、ウエハマスクがＸ方向、Ｙ方向に移動することで、電子はメンブレン５０２に形成された孔５０３（図４を参照）
を通過して、レジスト層４２に衝突し、ウエハマスクにあるパターンがレジスト層に転写される。使用される電子ビームの加速電圧は約０．５から約５ＫＶであるので、近接効果が生じない。

照射終了後、一方のウエハマスクを他方のウエハマスクと交換し、マスクステージ４６、ウエハステージ４３とともに、整合検知ユニット５４に移す。整合検７知ユニット５４では、マイクロスコープにより、マスクウエハに形成された穴（図５を参照）を通して、最初の照射により半導体ウエハに形成された印が観測される。半導体マスク上の印は、位置ずれがないときは、マスクウエハの孔を垂直に通るマイクロスコープの光軸上にある。位置ずれがあるときは、印は光軸上にないので、光軸上に位置するように、テーブルを、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の周りに微小回転させる。各軸についての回転角度に基づいて位置ずれを算出し、電子ビームの微細な傾斜角度が決定される。

整合度が検知されたあと、ウエハマスクは、一体となっているマスクステージ４６、ウエハステージ４３ともに、可動ステージ４０上に戻される。

図９に示されているとおり、カラム２１から出た電子ビームは下方に直線状に進み、メンブレン５０２の孔５０３を通過して、レジスト層４２に衝突する。整合検知ユニット５４が、位置ずれを検知しないときは、他方のマスクウエハに対しても、同様の電子ビームの照射が行われる。

一方、整合検知ユニット５４が位置ずれを検知したとき、微細ビーム傾斜制御ユニット７２は、複数のカラム２1の内、角度調整が必要なカラムを特定する。特定されたカラムの微細偏向ユニット３２は、決定された微細な傾斜角度に基づき、電子ビームを傾斜させる。この電子ビームの傾斜により、マスクウエハのパターンを半導体ウエハのレジストに正確に転写することができる。

二つのマスクウエハ上の複数個のパターンを転写することで、対応した複数の“Ａ”のパターンが半導体ウエハに形成され、図７に示されたチップ半導体ウエハとなる。
以上は、ｎが２の場合の転写工程であるが、ｎの数が増加したときは、それに伴った増えたマスクウエハに対して上記同様の電子ビームの照射が実施される。

微細偏向ユニット（電極）により行える電子ビームの傾斜は、±１ｍｒａｄの範囲であるが、ウエハマスクの熱は、ストラットへの伝導のみならず、ウエハマスクにある接触凸部５０１によりレジスト層へも伝えられるために、熱に基づくゆがみが実質的にない。そのため、電子ビームを、検知した位置ずれに対応して、微細偏向ユニット（電極）により傾斜させることで、正確な位置でレジスト層に衝突することができる。その結果、マスクウエハパターンを正確にレジスト層に転写することができる。

記述した特定の実施形態は、本発明の一般的原理の単なる例示であり、したがって、他の実施形態は、本発明の思想及び範囲から逸脱することなく当業者によって導出され得ることは理解されるべきである。例えば、集積回路における要素の密度が増加すると、ｎ区分相補マスクタイプ（ｎは３以上の整数）のマスクを使用することが有益となる。マスク及びウエハステージの物理的構造は、示されているものとは異なるものにすることができる。例えば、マスクとウエハとは静電気力により所定位置に保持されたてもよい。

１０ システム
１１ ケーシング
２０ カラム
３３ 電子ビーム較正ユニット
４０ 可動ステージ
４１ 半導体ウエハ（チップ半導体ウエハ）
４２ レジスト層
４３ ウエハステージ
４６ マスクステージ
５０ マスクウエハ
５１ 半導体ウエハストレージユニット
５２ マスクウエハストレージユニット
５３ モニタリングユニット
５４ 整合検知ユニット

Claims (19)

1. 半導体ウエハを被覆する電子感応性レジスト層にパターンを描くシステムであって、
   互いに平行に配列された複数の小型電子銃を備えた電子銃ハウジングユニットと、
   ここで、前記各電子銃は、中心軸線にそって直線状の電子ビームを形成し、前記各電子銃は形成された電子ビームを放出する中空のカラム部を有し、該カラム分内には、その中を通過する電子ビームの傾斜を微小角度調節する微細偏向ユニットが配置され、
   前記電子銃ハウジングユニットの下方に位置し、X-Y方向に移動可能な可動ステージと、
   該可動ステージ上に配置され、半導体ウエハを保持するウエハステージと、
   前記レジスト層に転写されるべきパターンが形成されたメンブレンと該メンブレンを裏側で支持するストラットとを有するｎ区分相補マスク（ｎ≧２）が一つ以上形成されたマスクウエハと、
   前記マスクウエハを周囲から保持し、前記ウエハステージと一体となって、前記ウエハステージに保持された半導体ウエハの上方の所定の位置に配置するマスクステージと、
   前記マスクウエハと前記半導体ウエハとの間のずれを検知するための整合検知ユニットと、
   前記マスクウエハと前記半導体ウエハとの間のずれを補償し、前記パターンの配置誤差を最小化するために、前記微細偏向ユニットの入力に結合される出力に修正信号を生成するための、前記整合検知ユニットの出力に結合された入力を有する傾斜手段と、
   を備え、
   前記電子銃ハウジングユニットの前記複数の中空カラムから放出される電子ビームを、前記マスクステージに保持された前記マスクウエハの表面に渡って照射するために、前記可動ステージがＸ方向およびＹ方向に移動する、
   ことを特徴とするシステム。
2. 前記電子ビームの加速電圧が約０．５から約５ＫＶの範囲にあり、前記電子ビーム電流が約５０から約１０００マイクロアンペアの範囲にあり、前記電子ビームの直径が約１から約９ｍｍの範囲にあることを特徴とする、請求項１に記載のシステム。
3. 前記マスクウエハの表側に、前記ストラットに対応する場所の少なくとも一部に接触凸部を有し、
   前記半導体ウエハの上方に、前記マスクウエハが配置されたとき、前記接触凸部が前記半導体ウエハの前記レジスト層と接する、請求項２に記載のシステム。
4. 前記レジスト層の厚さは約１０から約３００ｎｍの範囲にあり、
   前記メンブレンの厚さは約５０から５００ｎｍの範囲にあり、
   前記半導体ウエハの前記レジスト層と、前記半導体ウエハの上方に配置された前記マスクウエハは互いに約１０から約３００ｎｍの範囲で離される、請求項３に記載のシステム。
5. 前記半導体ウエハは、前記レジスト層に下に約５０から５００ｎｍの範囲にある厚さを有する非金属性伝導層を含む、請求項４に記載のシステム。
6. 前記電子ビーム加速電圧が約２ＫＶであり、前記電子ビーム電流が約２００マイクロアンペアであり、前記電子ビームの直径が約３ｍｍであり、ｎが２であり、２区分相補マスクのメンブレンの厚さが約１００ｎｍであり、前記マスクウエハが前記半導体ウエハの前記レジスト層から約５０ミクロン離され、前記レジスト層の厚さが約２０ｎｍである、請求項４に記載のシステム。
7. 前記ストラットが単結晶シリコンであって、前記メンブレンより厚く、前記メンブレンに対して熱シンクとして作用し、前記メンブレンが、ドープされたシリコン、ケイ化物、及び伝導体からなるグループの一つの伝導性層である、請求項６に記載のシステム。
8. 前記非金属性伝導体層が炭化水素レジストのような材料及び無定形炭素からなるグループの一つである、請求項７に記載のシステム。
9. 前記非金属性伝導体層の厚さが約５０ｎｍである、請求項８に記載のシステム。
10. 前記半導体ウエハが、個々の集積回路が形成される複数の領域をもつチップ半導体ウエハである、請求項１に記載のシステム。
11. シリコン集積回路の製造において、半導体ウエハを被覆する非金属性伝導層を被覆する電子感応性レジスト層にパターンを描く方法であって、
    互いに平行に配列された複数の小型電子銃を備えた電子銃ハウジングユニットの下方に位置し、X-Y方向に移動可能な可動ステージ上に半導体ウエハを保持するウエハステージを配置する工程と、
    ここで、前記各電子銃は、中心軸線にそって直線状の電子ビームを形成し、前記各電子銃は、形成された電子ビームを放出する中空のカラム部を有し、該カラム分内には、その中を通過する電子ビームの傾斜を微小角度調節する微細偏向ユニットが配置され、
    前記レジスト層に転写されるべきパターンを内側に形成されたメンブレンと該メンブレンを裏側で支持するストラットとを有するｎ区分相補マスク（ｎ≧２）が一つ以上形成されたマスクウエハを周囲から保持するマスクステージを使用して、前記ウエハステージに保持された半導体ウエハの上方に前記マスクウエハを配置する工程と、
    前記電子銃ハウジングユニットの前記複数の中空カラムから放出される電子ビームを前記マスクステージに保持された前記マスクウエハの表面に渡って照射するために、前記可動ステージがＸ方向およびＹ方向に移動する工程と、
    前記マスクウエハと前記半導体ウエハとの間のずれを検知し、ずれ訂正信号を生成する工程と、
    前記マスクウエハと前記半導体ウエハとの間のずれを補償し、前記パターンの配置誤差を最小化するために、前記電子ビームの傾斜を調節する前記微細偏向ユニットに前記訂正信号を適用する工程と、
    を含む方法。
12. 前記電子ビームの加速電圧が約０．５から約５ＫＶの範囲にあり、前記電子ビーム電流が約５０から約１０００マイクロアンペアの範囲にあり、前記電子ビームの直径が約１から約９ｍｍの範囲にある、請求項１１に記載の方法。
13. 前記マスクウエハの表側に、前記ストラットに対応する場所の少なくとも一部に接触凸部を有し、
    前記半導体ウエハの上方に、前記マスクウエハが配置されたとき、前記接触凸部が前記半導体ウエハの前記レジスト層と接する、請求項１２に記載の方法。
14. 前記レジスト層の厚さは約１０から約３００ｎｍの範囲にあり、
    前記メンブレンの厚さは約５０から５００ｎｍの範囲にあり、
    前記半導体ウエハの前記レジスト層と、前記半導体ウエハの上方に配置された前記ｎ区分相補マスクは互いに約１０から約３００ｎｍの範囲で離される、請求項１３に記載の方法。
15. 前記半導体ウエハは、約５０から５００ｎｍの範囲にある厚さを有し、前記レジスト層に下に非金属性伝導体層を含む、請求項１４に記載の方法。
16. 前記電子ビーム加速電圧が約２ＫＶであり、前記電子ビーム電流が約２００マイクロアンペアであり、前記電子ビームの直径が約３ｎｍであり、ｎが２であり、メンブレンの厚さが約１００ｎｍであり、前記マスクウエハが前記半導体ウエハの前記レジスト層から約５０ミクロン離され、前記レジスト層の厚さが約２０ｎｍである、請求項１２に記載の方法。
17. 前記マスクウエハのストラットが単結晶シリコンであって、前記メンブレンより厚く、前記メンブレンに対して熱シンクとして作用し、前記メンブレンが、ドープされたシリコン、ケイ化物、及び伝導体からなるグループの一つの伝導性層である、請求項１６に記載の方法。
18. 前記非金属性伝導体層が炭化水素レジストのような材料及び無定形炭素からなるグループの一つである、請求項１５に記載の方法。
19. 前記非金属性伝導体層の厚さが約５０ｎｍである、請求項１８に記載の方法。

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