JP2595882B2 - 電子線露光装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は半導体装置の集積回路や
集積回路の形成用のマスクの製造に用いられる電子線露
光装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、半導体集積回路の高密度化や高速
化を向上するために、半導体集積回路の各素子寸法の微
細化の努力が続けられている。この素子寸法の微細化の
ために、紫外光を利用した光学的露光装置では、使用す
る光の短波長化、高ＮＡ（開口数）化、変形光源など露
光装置の光学的改善や、位相シフトマスクなど新方式の
露光方法などがなされていた。また、これと平行して電
子線あるいはＸ線露光など新しい露光方式の開発が進め
られていた。特に、２５６メガビットＤＲＡＭのような
微細パターンをもつ集積回路の形成には電子線露光を用
いた試みが種々提案されている。

【０００３】これら電子線露光装置には、ポイントビー
ム型と可変矩形ビーム型とあるが、いずれもパターンを
単位微小領域あるいは矩形領域に分割して、ポイントビ
ームを偏向走査するかあるいはパターンに応じた大きさ
のビームスポットをもつ電子ビームを偏向させパターン
を一筆描画し露光するため、露光に長時間を要すること
になる。例えば上述の２５６メガビットＤＲＡＭでは、
チップ当りの露光時間が１０分程度かかってしまい、光
露光方式に比べて１００倍程度も長い露光時間を必要と
する。

【０００４】Ｍ．Ｂ．Ｈｅｒｉｔａｇｅ：Ｅｌｅｃｔｒ
ｏｎ‐ｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎ ｍｉ‐ｃｒｏｆａｂｒｉ
ｃａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ，Ｊ．Ｖａｃ．Ｓｃｉ．Ｔ
ｅｃ‐ｈｎｏｌ．，Ｖｏｌ．１２，Ｎｏ．６，Ｎｏｖ．
／Ｄｅｃ．（１９７５）１１３５に報告されている内容
は、上述した露光時間を短くするために、メモリチップ
全体に対応するパターンを含むマスクを用意して１回の
電子線照射によってチップ全体を露光する方式を検討し
たものである。しかしながら、数ｍｍ角以上のチップ全
面において十分な精度を保証する電子光学系の実現が困
難なため実用化されるまでにいたってない。

【０００５】そこで、このような問題を解決するため
に、チップ全面でなく繰り返しのあるパターンを部分的
に転写する方式が提案され、チップの中で周期的なパタ
ーン群の一部分をマスクとして用意して露光時間の短縮
を図ったものである。この方式は特開昭５２一１１９８
５号公報に開示され、松坂尚およびその他：電子ビーム
一括図形照射法の検討ーその１；電子光学系一、第５０
回応用物理学会学術講演会講演会予稿集、２７ａ‐Ｋ‐
７（１９８９）４５２および中山義則およびその他：電
子ビーム一括図形照射法の検討ーその２；アパーチャー
作成一、第５０回応用物理学会学術講演会講演会予稿
集、２７ａ‐Ｋ‐７（１９８９）４５２に訪刻されてい
る。

【０００６】この方式の電子線露光装置は、電子銃より
放出された電子ビームのスポットを矩形状の形に成形す
る第１のアパーチャと、電子ビームを成形する矩形状パ
ターンと種々の形状のパターンをもつ第２のアパーチャ
とが設けている。そして、ＤＲＡＭのような半導体装置
に露光する際は、まず、第１のアパーチャで成形された
電子ビームを第２のアパーチャのメモリセルに対応する
パターンに照射し、ビーム偏向およびステージの移動に
よりチップの一部分を位置決めしこのパターンを繰返し
て転写しチップのメモリセル領域の露光を行ない、残り
の周辺回路領域は、第２のアパーチャの矩形状パターン
を選び、そのパターンに第１のアパーチャからの電子ビ
ームを透過させ成形し、ビーム偏向により一筆描画させ
所定のパターンを転写する。

【０００７】すなわち、電子流密度を均一に保てる程度
の大きさのビームスポットをもつように電子ビームを成
形し、同じパターンをもつ領域は同じパターンをもつマ
スクに電子ビームを繰返して照射し、それ以外のパター
ンの異なる領域では、パターンに対応するビームスポッ
トを成形し、その領域に成形された電子ビームで一筆描
画させパターンを作成させる。このようにトータル的に
照射回数を少なくして露光時間の短縮を図っている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た部分一括転写方式の電子線露光装置では、ＤＲＡＭの
ように繰返しパターンが多い場合は有効であるが、繰返
しパターンが少ない通常のロジック回路をもつ半導体装
置では、上述した一筆書き方式と同じように露光時間を
費やすという問題がある。

【０００９】従って、本発明の目的は、描画すべきパタ
ーンに繰返しパターンが無く種々のパターンで構成され
ていても短時間の露光で転写できる電子線露光装置を提
供することである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明の特徴は、平板状
の引出し電極とこの引出し電極の一主面に縦横に並べ形
成される複数の開口のそれぞれに先端部を露呈する複数
の電子放出素子とを具備する電子放出装置と、前記引出
し電極と異なる領域に縦横に並べ配置されるとともに前
記電子放出素子の下に埋設され該電子放出素子と接続す
る配線と接続する複数のパッドと、前記引出し電極と任
意の前記電子放出素子を選びこれらの間に電圧を前記パ
ッドを介して印加しそれぞれ独立に該電子放出素子より
電子を放出させる制御電源と、それぞれの前記電子放出
素子から放出される前記電子が通過する複数の穴を有し
該電子を加速させる加速電極と、加速された該電子の束
でなる電子線を収束する収束手段と、収束された該電子
線を偏向する偏向手段とを備える電子線露光装置であ
る。また、望ましくは、前記制御電源は前記電子放出素
子の数と同じ数の印加電源を有し、これら印加電源を任
意に選び該電子放出素子に電圧を印加する。

【００１１】

【実施例】次に、本発明について図面を参照して説明す
る。

【００１２】図１（ａ）および（ｂ）は本発明の一実施
例における電子線露光装置の構成を示す図および電子放
出装置の部分破断斜視図である。この電子線露光装置
は、図１に示すように、平板状の引出し電極２１とこの
引出し電極２１の一主面に縦横に並べ形成される複数の
開口２７のそれぞれに先端部を露呈する複数の電子放出
素子２４とを具備する電子放出装置１と、引出し電極２
１と任意の電子放出素子２４を選びこれらの間に電圧を
印加しそれぞれ独立に電子放出素子２４より電子を放出
させる印加電源３および印加制御部２と、放出された電
子を加速する加速電極４と、加速電極４と電子放出装置
の間に高圧電位を与える高圧電源５と、電子線を偏向さ
せ軌道より電子線を外すブランキング電極６と、加速さ
れた電子線を収束する縮小レンズ７と、縮小レンズ７で
収束された電子線をさらに所定の倍率に縮小して試料１
１に結像させる投影レンズ８と、結像された電子線スポ
ットの位置を変える描画位置偏向電極９とを備えてい
る。

【００１３】電子放出装置は、図１（ｂ）に示すよう
に、平板状の引出し電極２１の面に縦横に並べ形成され
た開口２７にその先端部を露呈し絶縁層２６に埋設され
た複数の電子放出素子２４が備えられている。この電子
放出素子２４と引出し電極２１との間に電界を与えるた
めに電子放出素子２４は配線２８ａ，２８ｂ，２８ｃと
コンタクト２５ａ，２５ｂ，２５ｃを介して引出し電極
２１の外側の構成体２２のパッド２３に接続され、これ
らパッド２３は図１（ａ）の印加制御部２に電線ケーブ
ル（図示せず）で接続されている。そして、この印加制
御部２に記憶された電子放出素子２４へ電圧を印加すべ
き本数およびその位置座標を読み出し、図１（ａ）の印
加電源３によって各電子放出素子２４に電圧を印加す
る。このことにより印加された電子放出素子２４は電界
により電子を放出する。

【００１４】なお、この実施例では、より解像度を高く
得るために開口２７の大きさは直径０．５μｍにし、１
μｍのピッチで縦横に配列した。そして投影像の縮小比
を１／２０に設定し一つの電子放出素子２４の縮小投影
像を直径０．０２５μｍのスポット像が転写できるよう
に図った。さらに、この電子放出素子２４の配列を１０
０×１００の格子状に配列し、試料１１上にパターン形
状あるいは配置のいかんにかかわらず大きさ２．５μｍ
四方の領域が一度の露光で処理できるようにした。試み
に、電子放出素子２４と引出し電極２１とに印加する電
圧を９．４Ｖに、加速電極４に印加する加速電圧を３０
ｋＶとし、試料面１１に塗布された感度１０μＣ／ｃｍ
² のレジストに照射したところ、露光時間１．０μｓｅ
ｃで良好なパターンを転写することができた。

【００１５】また、印加電源３は複数の電子放出素子２
４をタイムラグが無く同時に印加できるように電子放出
素子と同数の台数を望ましくは設けることである。そし
て、配線長やスイッチングによる遅延を無くすとともに
各電源の電圧のばらつきを０．００１Ｖ以下になるよう
に調整することである。このことにより各電子放出素子
の放出電子量は１％以下に収められ、パターンの転写む
らが無くなる。

【００１６】ここで、この電子放出装置１は上述したよ
うに９．４Ｖという比較的に低い印加電圧で電子を放出
することができレジストを感応させることができたが、
さらに低感度のレジストを感応させることもできかつ試
料１１に直接加工する場合を考慮し、高圧電源５を１０
ＫＶから５０ＫＶまで可変できるようにし、印加電源３
も許容耐電圧値以下の数十Ｖまで設定できるようにして
より大きなエネルギーをもつ電子流が得られるように図
った。

【００１７】図１（ｂ）に示す電子放出装置は、通常の
半導体回路製造工程を用いて製作するとができる。すな
わち、電子放出素子２４とパッド２３と接続する配線２
８ａ，２８ｂ，２８ｃを所定の深さに形成し、絶縁膜に
て埋め込む工程を必要な層数だけ繰り返し、その後、電
子放出素子２４の位置およびパッド２３の位置に対応し
てそれぞれのコンタクト２５ａ，２５ｂ，２５ｃを形成
する。そして、この実施例では、絶縁層２６が重ねて形
成された構成体２２の表面は０．５μｍの酸化シリコン
膜を形成する。さらに、酸化シリコン膜の上に０．３５
μｍ厚のタングステン膜を全面にわたって施し、リソグ
ラフィ技術によりタングステン膜および酸化シリコン膜
を選択的にエッチング除去して電子放出素子の位置にな
る領域に直径０．５μｍの開口２７を形成する。そし
て、この開口２７より露呈するモリブデン材である配線
あるいはコンタクト面に０．１５μｍ厚のアルミニウム
膜をさらにその上に０．８μｍ厚のモリブデン膜を金属
蒸着法で形成する。この蒸着のとき蒸着が進むにつれて
開口部の開口面積が徐々に小さくなり、堆積して形成さ
れる先端部がコーン状となる。この現象を利用して陰極
として最適形状をもつ先端部が尖った電子放出素子２４
が得られる。

【００１８】次に、ウェットエッチングによりアルミニ
ウム膜を除去すると、リフトオフによって電子放出素子
２４以外に被着されたモリブデン膜がすべて除去され
る。そして、再度、リソグラフィ技術によって構成体２
２の表面のタングステン膜を選択的にエッチング除去
し、パッド２３を形成する。このパッド２３は開口２７
に比べ大きく、８０μｍ四方もある。従って、図面には
引出し電極２１の両側にあるように描かれているが、平
面にスペースが不足する場合は必要に応じて構成体２２
の側面にも形成する。このように形成されたパッド２３
に金属細線をワイヤボンディング装置で接続し接続ケー
ブルとして鏡筒外に引出し図１（ａ）の印加制御部２に
接続する。

【００１９】図２は加速電極の変形例を示す断面図であ
る。上述した実施例では加速電極は多数の電子放出素子
の電子ビームが通過するように大きな穴が開いているア
ノードであるが、このアノードであると、電子放出素子
の配列ピッチが大きくその数が小さい場合は良いが、ピ
ッチが狭く電子放出素子の数が増えると、電子の反発力
や電界の歪みなどの影響により各電子放出素子から放出
され加速される電子ビームがアノード以降真直ぐに放射
されない懸念がある。

【００２０】そこで、本実施例では加速電極４ａを図２
に示す引出し電極２１と平行に配置され引出し電極２１
より大きな面積をもつ導電性の平板状の板部材とし、こ
の板部材の中央部に各電子放出素子２４と対向する位置
に開口２７と略同じ大きしかやや大きめの穴２９を形成
する。そして、図面には示さないが、電界を一様にする
ために望ましくは電子放出装置１の周辺に平板状のウェ
ネルト電極を設ける。じて配置する。さらに、このウェ
ネルト電極を引出し電極２１より離し加速電極４ａ側に
僅か寄せ、引出し電極２１の電位より高い電位を与え第
２の引出し電極とし、電子放出素子２４から放出される
電子をより効率良く取出すようにする。

【００２１】このメッシュ状の加速電極４ａの製作は、
やはり、通常の半導体製造技術で可能である。例えば、
中央部を薄く電解研磨されたステンレス鋼鈑を写真蝕刻
技術で１μｍ以下の開口になるように穴２９を開ける。
そして、このエッチングで開けられた穴２９は必然的に
テーパ状に形成されているので、電子放出装置１に対し
て小さい穴側が対面するように配置する。

【００２２】このような多数の穴２９をもつ加速電極４
ａと電子放出装置１とのアライメントは、この加速電極
４ａの外側を保持する枠を載置しＸＹ方向に微動する位
置微動機構（図示せず）を動作させ、光学顕微鏡で開口
２７と穴２９とが一致するようにし、加速電極４ａの下
にファラデーカップを配置し、位置微動機構を調節しビ
ーム電流が最大になるように調節する。

【００２３】図３は試料に転写すべきパターンを示す
図、図４は電子放出装置の描画パターンを示す図であ
る。この電子線露光装置で図３に示すパターンを試料１
１に転写する場合について説明する。まず、図３を参照
すると、ＡＡ線より紙面の上側の領域（１）のパターン
はＢで示すパターンを繋ぎ合せてなるパターンである。
そこで、図４に示すように、Ｂで示すパターンが一度の
転写で描画できるように電子放出装置１の電圧を印加す
べき電子放出素子２４の数および座標値をプログラムを
予じめ記憶させ、黒点で示す位置の電子放出素子２４を
電圧を印加しパターンＢを転写する。そして領域（１）
のパターンは描画位置偏向電極９により転写位置を変え
ながらこのＢパターンを繰返して転写して形成する。

【００２４】次に、ステージ１０を移動させ領域（２）
が描画できる領域内に試料１１を位置決めし、領域
（２）を一度に転写できる範囲に分割された領域に分割
し、予じめ分割された個々のパターンの形状に応じて電
子放出素子の数および座標値のプログラムを呼び出し、
描画位置偏向電極９ありはステージ１０の移動により個
々のパターンを転写し領域（２）のパターンを完成させ
る。

【００２５】このように１００×１００すなわち１万個
の電子放出素子２４に印加すべき電源を備え、パターン
データを一辺が２．５μｍの正方形領域に分割し、さら
に各正方形内のデータを０．０２５μｍ単位に区分した
微小単位領域にパターンが存在するか否かをプログラム
することによって、パターンの種類や繰返しパターンの
有無によらず同一の露光時間で一辺が２．５μｍの正方
形領域を露光することができた。

【００２６】

【発明の効果】以上説明したように本発明は、極めて小
さい電子放出口を細かいピッチで縦横に多数並べ配設さ
れた電子放出装置と、この電子放出口内の電子放出素子
を任意に選びそれぞれ独立に電子励起電圧を印加する制
御電源とを設け、電子放出素子の数および位置座標を予
じめプログラムを行なって電子放出装置を動作させるこ
とによって、描画すべきパターンの中にいかなる種類の
パターンが含んでいてもあるいは繰返しパターンの有無
によらず同一の露光時間で分割された領域のパターンが
露光でき、結果として前記描画すべきパターンを短時間
で露光することができるという効果がある。また、微小
な電子放出口が細かいピッチで配列されているのでより
高い解像度の転写ができるという効果もある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例における電子線露光装置の構
成を示す図および電子放出装置の部分破断斜視図であ
る。

【図２】加速電極の変形例を示す断面図である。

【図３】試料に転写すべきパターンを示す図である。

【図４】電子放出装置の描画パターンを示す図である。

【符号の説明】

１ 電子放出装置 ２ 印加制御部 ３ 印加電源 ４，４ａ 加速電極 ５ 高圧電源 ６ ブランキング電極 ７ 縮小レンズ ８ 投影レンズ ９ 描画位置偏向電極 １０ ステージ １１ 試料 ２１ 引出し電極 ２２ 構成体 ２３ パッド ２４ 電子放出素子 ２５ａ，２５ｂ，２５ｃ コンタクト ２６ 絶縁層 ２７ 開口 ２８ａ，２８ｂ，２８ｃ 配線 ２９ 穴

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 平板状の引出し電極とこの引出し電極の
   一主面に縦横に並べ形成される複数の開口のそれぞれに
   先端部を露呈する複数の電子放出素子とを具備する電子
   放出装置と、前記引出し電極と異なる領域に縦横に並べ
   配置されるとともに前記電子放出素子の下に埋設され該
   電子放出素子と接続する配線と接続する複数のパッド
   と、前記引出し電極と任意の前記電子放出素子を選びこ
   れらの間に電圧を前記パッドを介して印加しそれぞれ独
   立に該電子放出素子より電子を放出させる制御電源と、
   それぞれの前記電子放出素子から放出される前記電子が
   通過する複数の穴を有し該電子を加速させる加速電極
   と、加速された該電子の束でなる電子線を収束する収束
   手段と、収束された該電子線を偏向する偏向手段とを備
   えることを特徴とする電子線露光装置。
2. 【請求項２】 前記制御電源は前記電子放出素子の数と
   同じ数の印加電源を有し、これら印加電源を任意に選び
   該電子放出素子に電圧を印加することを特徴とする請求
   項１記載の電子線露光装置。
3. 【請求項３】 前記加速電極は前記引出し電極と平行に
   配設される板状の導電部材であるとともに該引出し電極
   の前記開口に対向して該電子線の通過する穴が形成され
   ていることを特徴とする請求項１および請求項２記載の
   電子線露光装置。