JP3843806B2 - 電子線露光方法及びステンシルレチクル - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体デバイスパターン等を形成する電子線露光方法及びこの電子線露光方法で使用されるステンシルレチクルに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年のデバイスパターンの微細化・高集積化に伴い、電子ビーム（ＥＢ）を用いた露光技術の開発が盛んになってきている。特に１００ｎｍルール以降においては、より微細なパターン形成技術として、電子線縮小投影露光方法（ＥＰＬElectron Projection Lithography）が注目されている。このＥＰＬは高いスループットもねらえ、メモリ量産にも対応できるため、特に注目されている。また、ＥＰＬは、レチクル上の回路パターンをスキャニングしながら縮小転写してウェハ（感応基板）上に焼き付けることが可能で、７０ｎｍノード以降のデバイス作製に対応する量産技術として有望視されている。このＥＰＬには、ＰＲＥＶＡＩＬあるいはＳＣＡＬＰＥＬと呼ばれる電子光学系あるいはシステム技術が報告されている。
【０００３】
このようなＥＢ露光技術は、単純な基本図形アパーチャのパターンを重ね合わせて所望のパターンを形成するセルプロジェクション等の従来の直接描画技術の延長と異なり、所望のパターンの拡大パターンをレチクルパターン（原版パターン）として、そのレチクルパターンをそのまま縮小投影露光してデバイスパターンを形成する。この技術には、レチクルを用いた縮小転写方法、及び、大口径ビームの照射が可能なＥＢ光学系が採用されている。これらの技術により、スループットを格段に向上させることができる。
【０００４】
このＥＢ露光技術で用いられるレチクルの一種として、自立薄膜（メンブレン）に電子線の通る孔を多数開けたステンシルレチクルがある。前記孔の形状は、転写すべきパターンの個別要素図形の形状に対応している。現在具体的に検討されている散乱ステンシルレチクルは、厚さが２μｍ程度のＳｉメンブレンに孔開きパターンが形成されたものである。このような散乱ステンシルレチクルでは、孔開きパターンを通過する電子線は散乱されず、メンブレン部を通過する電子線は散乱する。そして、露光装置の光学系中の投影レンズの電子線収束面またはその近傍にコントラスト開口を設け、このコントラスト開口で散乱された電子線を捕捉してウェハ方向への通過を阻止している。そして、ウェハ上に、散乱されなかった電子線を結像させてパターンのコントラストを得る。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
この散乱ステンシルレチクルでは、孔開き部の中央に島状の非孔開き部を設けることはできない。島状の非孔開き部を構成する膜の部分が、重力に対してサポートできないからである。このような不都合をドーナツパターン問題という。この問題に対処するには、島状の非孔開き部の周りをぐるりと囲む孔開き部を分割して別々の２つのパターン領域に形成し、この２つのパターン領域を別々にウェハ上に投影露光する。そして、ウェハ上で２つの孔開き部を繋げて、一周分の露光部とその中央の島状の非露光部を形成する。このような手法をコンプリメンタリー分割という。
【０００６】
また、ステンシルレチクルを使用する場合、上述のドーナツパターン問題以外に、パターンの長さに依存する問題がある。すなわち、パターンの長さが基準長さ（例えば数十μｍ）より長い場合には、メンブレンの応力によるパターンの曲がりや自重による歪等が予想される。そのため、このような長いライン状パターンもコンプリメンタリー分割が必要になる。特に、メモリーゲートレイヤーのような高密度のラインアンドスペースパターンの場合、デバイスの設計値の要求に合わせると、パターン部が長くなり、この問題が深刻になる。
【０００７】
また、パターンがリーフ形状やタン形状（木の葉状や舌状の非孔開き部が片持ち梁構造になっているもの）においては、パターン部を保持することはできるが、保持力が十分ではなく、パターン部が重力方向へ曲がって変形しやすくなる。このようなパターンもコンプリメンタリー分割が必要になる。
【０００８】
このような場合に必要になるコンプリメンタリー分割は、パターンの分割処理に時間を要しレチクルコストも増大する。
【０００９】
本発明は上記の問題点に鑑みてなされたものであって、コンプリメンタリー分割を行うことなく、どのようなパターンでも形成できるステンシルレチクルを提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明の電子線露光方法は、 メンブレンにパターンの要素図形の形状に対応する孔を多数開けたステンシルレチクルに所望のパターンを形成し、 前記レチクルを電子線照明し、 前記レチクルを通過した電子線を感応基板上に投影結像させることにより、該感応基板上に前記パターンを転写する電子線露光方法であって、 ２枚の前記レチクルに実質的に同一のパターンを形成するとともに、該レチクルのパターン要素図形の孔の所望の箇所に該孔の両縁を結ぶ細幅のメンブレンの梁（ブリッジ）を設けておき、ここで、前記２枚組のレチクルにおいては前記ブリッジは前記パターンの異なる位置に設け、 前記２枚組のレチクルのパターンを同一の感応基板上に重ねて露光することを特徴とする。
【００１１】
レチクルの孔に、この孔の両縁を結ぶ細幅の梁を設けて、パターンを重力方向に対して保持できるようにしたため、ドーナツパターンや長いライン状のパターンの場合も、コンプリメンタリー分割を行うことなく、ステンシルレチクル上にパターン形成できる。梁の幅は十分に細く、ボケや近接効果で露光ドーズが周辺から入り込むため、ウェハ上には転写されない。また、梁が細幅であっても、レジストに転写された像においては、梁が繋がっている部分で電子散乱による蓄積電子量が低下してくびれが形成されてしまう場合がある。そこで、同一パターンを少なくとも２つのレチクルに形成し、さらに、これらのレチクルにおいては梁を異なる位置に設ける。この２枚のレチクルを用いて、パターンが重なるように露光することにより、一方のレチクルのみを用いて露光した場合にはくびれが発生する可能性のある部分が、他方のレチクルを用いた露光では完全に露光されるため、パターンのくびれの発生を防止できる。
【００１２】
本発明においては、 前記ブリッジの幅がＲ×Ｍ（Ｒ：ウェハ上レジストの解像限界、Ｍ：投影レンズの倍率）より狭くすることとすれば、梁が感応基板に転写されることはないので、微細なパターンを正確に転写することができる。
【００１３】
本発明においては、 前記ブリッジを、前記パターン要素図形の孔の縁に対して斜めに配置することが好ましい。ブリッジをパターンの長手方向に対して垂直に設けた場合、ウェハ上に転写されるパターンにおいてブリッジに相当する部分が細くなってしまう可能性がある。一方、ブリッジをパターンの長手方向の辺に対して斜めに配置することで、ウェハ上に転写されるパターンが細くなることを抑制できる。あるいは、問題にならない範囲でブリッジの幅を太くすることができる。
【００１４】
本発明のステンシルレチクルは、 メンブレンにパターンの要素図形の形状に対応する孔を多数開けたステンシルレチクルであって、 ２枚の前記レチクルに実質的に同一のパターンが形成されており、 該レチクルのパターン要素図形の孔の所望の箇所に該孔の両縁を結ぶ細幅のメンブレンの梁（ブリッジ）が、前記２枚のレチクルにおいて前記パターンの異なる位置に設けられていることを特徴とする。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しつつ説明する。
まず、図２を用いて電子線露光装置の構成を説明する。
図２は、図１のレチクルを使用した荷電粒子線露光装置の光学系全体の構成を模式的に示す斜視図である。この図は、分割転写方式の電子線投影露光装置を示す。
光学系の最上流に配置されている電子銃１は、下方に向けて電子線を放射する。電子銃１の下方には、２段のコンデンサレンズ２、３が備えられており、電子線は、これらのコンデンサレンズ２、３によって収束されブランキング開口７にクロスオーバーＣ．Ｏ．を結像する。
【００１６】
二段目のコンデンサレンズの下方には、矩形開口４が備えられている。この矩形開口（照明ビーム成形開口）４は、レチクル１０の一つのサブフィールド（露光の１単位となるパターン小領域）を照明する照明ビームのみを通過させる。この開口４の像は、レンズ９によってレチクル１０に結像される。
【００１７】
ビーム成形開口４の下方には、ブランキング偏向器５が配置されている。同偏向器５は、必要時に照明ビームを偏向させてブランキング開口７の非開口部に当て、ビームがレチクル１０に当らないようにする。
ブランキング開口７の下方には、照明ビーム偏向器８が配置されている。同偏向器８は、主に照明ビームを図の横方向（Ｘ方向）に順次走査して、照明光学系の視野内にあるレチクル１０の各サブフィールドの照明を行う。偏向器８の下方には、照明レンズ９が配置されている。照明レンズ９は、レチクル１０上にビーム成形開口４を通過した像を結像させる。
【００１８】
レチクル１０は多数のサブフィールドを有し、移動可能なレチクルステージ１１に載置されている。レチクルステージ１１を光軸垂直方向（ＸＹ方向）に動かすことにより、照明光学系の視野よりも広い範囲に広がるレチクル上の各サブフィールドを照明する。レチクルステージ１１には位置検出器１２が付設されている。レチクル１０の構造については後述する。
【００１９】
レチクル１０の下方には投影レンズ１５、１９及び偏向器１６が設けられている。レチクル１０の一つのサブフィールドを通過した電子線は、投影レンズ１５、１９、偏向器１６によってウェハ（感応基板）２３上の所定の位置に結像される。ウェハ２３上には適当なレジストが塗布されており、レジスト上に電子線のドーズが与えられ、レチクル１０上のパターンが縮小（一例で１／４）されてウェハ２３上に転写される。
【００２０】
レチクル１０とウェハ２３の間を縮小率比で内分する点にクロスオーバーＣ．Ｏ．が形成され、同クロスオーバー位置にはコントラスト開口１８が設けられている。同開口１８は、レチクル１０の非パターン部で散乱された電子線がウェハ２３に達しないように遮断する。
【００２１】
ウェハ２３の直上には反射電子検出器２２が配置されている。この反射電子検出器２２は、ウェハ２３の被露光面やステージ上のマークで反射される電子の量を検出する。この検出情報から、レチクル１０とウェハ２３の相対的位置関係が投影光学系におけるビーム特性を知ることができる。
【００２２】
ウェハ２３は、静電チャックを介してＸＹ方向に移動可能なウェハステージ２４上に載置されている。ウェハステージ２４には位置検出器２５が付設されている。レチクルステージ１１とウェハステージ２４とを、各々位置検出器１２、２５で検出された位置に基づいて、互いに逆方向に同期走査することにより、投影光学系の視野を越えて広がるチップパターン内の各部を順次露光する。
【００２３】
上記各レンズ２、３、９、１５、１９及び偏向器５、８、１６は各々電源制御部２ａ、３ａ、９ａ、１５ａ、１９ａ、及び５ａ、８ａ、１６ａを介してコントローラ３１で制御される。また、レチクルステージ１１、ウェハステージ２４も制御部１１ａ、２４ａを介してコントローラ３１で制御される。さらに、ステージ位置検出器１２、２５、反射電子検出器２２もインターフェース１２ａ、２５ａ及び２２ａを介してコントローラ３１に信号を送る。
コントローラ３１は、送られた信号からステージ位置を制御する。
【００２４】
次に、図１を参照して本発明の一実施例に係る散乱ステンシルレチクルについて説明する。
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る散乱ステンシルレチクルを模式的に示す図であり、図１（Ａ）はラインアンドスペースパターンの平面図、図１（Ｂ）はレチクルの構造を説明する一部拡大図である。
この例のレチクル（組）１０は、同じラインアンドスペースパターンの開口が形成された２枚のレチクル５１、５３から構成される。露光時には、各々のレチクル５１、５３を１回ずつ１枚のウェハに転写露光する。ラインアンドスペースパターンは、Ｙ方向に延びる長いライン状パターン５５をＸ方向に同パターン５５の幅と同じスペースを開けて複数列配列したものである。この例では、ライン状パターン５５の長辺の長さは５００μｍ、幅（短辺の長さ）は４００ｎｍである。
【００２５】
図１（Ｂ）に示すように、各レチクル５１、５３のライン状パターン５５には、パターンの長辺間を繋ぐブリッジ（梁）５７が、パターン５５の長手方向に複数設けられている。この例では、ブリッジ５７の幅は１００ｎｍで、ブリッジ５７の間隔は２０μｍである。ここで、各レチクル５１、５３においては、ブリッジ５７が設けられている位置が異なっている。すなわち、両レチクルを重ねたとき、ライン状パターン５５の位置は一致するが、ブリッジ５７の位置は一致しない。一例で、ブリッジ５７の位置は、各レチクルで１０μｍオフセットしている。
【００２６】
この例では、ブリッジ５７の幅を１００ｎｍとしているが、幅は、Ｒ×Ｍより狭いことが好ましい。ここで、Ｒはウェハ上レジストの解像限界であり、Ｍは、ウェハ側からレチクル側を見たときの投影レンズの倍率であり、縮小倍率が１／４のこの電子線露光装置の場合はＭ＝４である。そして、ウェハ上レジストの解像限界は、例えば７０ｎｍノードでは５０ｎｍ程度とされている。したがって、この場合、ブリッジ５７の幅は２００ｎｍ（＝５０ｎｍ×４）以下であることが好ましい。さらに、露光装置のビームボケ量、レジストやレチクル材料の特性や厚さなどにもよるが、ブリッジの幅は１００ｎｍ以下であることがより好ましい。
【００２７】
しかし、このようなブリッジ５７を設けた場合、ブリッジ５７のほとんどの部分はウェハ上レジストに転写されないが、ブリッジ５７の根元の部分がレジストにくびれとして残る場合がある。
【００２８】
図３は、ブリッジを有するパターンをウェハ上レジストに転写した状態を模式的に示す図である。露光装置の縮小倍率を１／４、レジストの解像限界を５０ｎｍとする。
この例において、ブリッジは、ラインパターンの長辺に対して直角に設けられており、幅は２００ｎｍ（＝Ｒ×Ｍ）である。このラインパターンをウェハ上に露光転写した場合、ブリッジの幅は５０ｎｍとなり、７０ｎｍノードにおける解像限界とほぼ同じであり、ウェハ上には転写されない。しかし、ブリッジの根元に、図に示すようなくびれ６３が残り、この部分でラインパターン６１が細くなってしまう場合がある。
【００２９】
このくびれ６３は、レチクル上でのブリッジの幅を狭くすると小さくなる。また、ブリッジをラインパターンの長辺に対して斜めに配置する（図４を参照しつつ後述）ことによっても、くびれが小さくなり、かつ、ラインパターンの両辺のくびれの位置が各長辺の方向にずれる。このため、くびれが対向する両側にある場合（ブリッジがラインパターンの長辺に対して直角である場合）に比べて、パターンの幅は狭くならない。
【００３０】
本実施例の散乱ステンシルレチクル１０の場合、２枚のレチクル５１、５３でブリッジ５７の位置が異なっているため、一方のレチクルを転写したウェハ上のパターンにおける上述のようなブリッジの根元にくびれが生じる部分は、他方のレチクルを転写した場合ではブリッジのない部分に相当する。したがって、これらのレチクルのパターンを重ねて露光した際、パターンの全ての部分はいずれかのレチクルでフルに露光されるため、ブリッジの部分での電子散乱によるレジスト上での蓄積電子量の低下を抑制できる。このため、くびれが少なく、ＣＤの要求値を満足するレジストパターンを得ることができる。
【００３１】
このように、パターン分割基準長さ（例えば３０μｍ程度）より長いパターンの孔開き部にブリッジを設けることにより、長いライン状パターンであっても自重による歪等を抑制し、１枚のステンシルレチクルに形成することができる。
ドーナツパターンやリーフ状あるいはタン状パターンの場合のブリッジの幅やピッチはパターンの形状に対応して適宜選択する。
なお、ブリッジを設ける場所は、個別のパターン形状に対応して判断・処理する方法では処理時間がかかるので、レチクル上に網目のように無作為に配列してもよい。
【００３２】
図４は、本発明の第２の実施の形態に係るステンシルレチクルを示す図であり、レチクル上のラインパターンの拡大平面図である。
この例の散乱ステンシルレチクルは、図１のステンシルレチクルとほぼ同様で、２枚のレチクル７１、７３から構成されるが、ブリッジ７７がライン状パターン７５の長辺に対して斜めに形成されている。そして、２枚のレチクル７１、７３のブリッジ７７の位置が異なっている。
【００３３】
ブリッジ７７を斜めに形成することにより、ブリッジの幅を１００ｎｍより太くすることができるが、ＣＤ制御性を考慮すると１００ｎｍ以下であることが好ましい。ブリッジ７７のライン状パターン７５の長辺に対する角度θ２は４５度が好ましい。
【００３４】
（実施例）
１００ｎｍノードのロジックデバイス作製のため、ゲートレイヤーの露光を実施した。レチクル上でのゲート長は約２８０ｎｍとした。レチクルは図４の散乱ステンシルレチクルと同様の構造で、同じライン状パターンを有する２枚のステンシルレチクルの異なる位置に、ライン状パターンの長辺に対して４５°に配置されたブリッジを有する。各レチクルのブリッジの幅は８０ｎｍ、ブリッジの間隔は２０μｍである。
【００３５】
なお、レチクルブランクスには応力制御を目的としてボロンを適当量ドーズしたＳＯＩウェハにメインストラット、マイナーストラットの各構造を作りこんだものを使用した。このブランクスメンブレン上にＥＢレジスト（ＺＥＰ５２０、厚さ０．５μｍ）を塗布して、ＥＢ直接描画機を使って目的のパターンを描画し、散乱ステンシルレチクルを作製した。
【００３６】
電子線投影露光装置に前述の２枚の散乱ステンシルレチクルをセットし、ウェハステージ２４上には、８インチのシリコンウェハ（Ｐ型、低効率４〜６Ωｃｍ、結晶軸（１００）面）を載置した。ウェハ上には、ＥＢ露光用の化学増幅型レジスト（一例で住友化学社製ＮＥＢ２２）を厚さ０．３μｍに塗布し、このレジストを１１０°のホットプレート上で１２０秒間プリベーク処理したものを使用した。
その後、ウェハ上に予め配されたアライメント用のＦＩＡマークを用い、レチクルのアライメントを行った。
【００３７】
露光時の電子線加速電圧を１００ｋＶ、縮小倍率を１／４倍、ウェハ上での一括露光エリアを０．２５ｍｍ角とした。このときの最適露光ドーズ量は２枚のレチクルを用いる各々の露光（２回の露光）の合計で約３０μＣ／ｃｍ²であった。レチクル上ビーム電流は１５μＡであり、レチクル開口率をレイヤー全体で約１０％としたため、ウェハ上ビーム電流は１．５μＡであった。
２枚組のレチクルの一方の露光を行った後、レチクルステージを動かし、引き続き他方のレチクルの露光を行った。
【００３８】
露光終了後ウェハを取り出し、ホットプレートにてＰＥＢ処理を行った。処理条件は１００℃で２分間とした。現像は２．３８ｗｔ％ＴＭＡＨ水溶液を現像液として１分間行い、続けて純水にてリンス処理を行った。現像後の露光パターンは測長機（ＣＤ−ＳＥＭ機）にて評価した。その結果、ブリッジが形成されている部分のレジストパターン像が細くなっていないことが確認できたとともに、十分な解像性も得られていることが確認できた。
【００３９】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明によるレチクルを用いると、コンプリメンタリー分割処理時間を大幅に削ることができ、レチクルコストを大きく抑制することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る散乱ステンシルレチクルを模式的に示す図であり、図１（Ａ）はラインアンドスペースパターンの平面図、図１（Ｂ）はレチクルの構造を説明する一部拡大図である。
【図２】図１のレチクルを使用した荷電粒子線露光装置の光学系全体の構成を模式的に示す斜視図である。
【図３】ブリッジを有するパターンをウェハ上レジストに転写した状態を模式的に示す図である。
【図４】本発明の第２の実施の形態に係るステンシルレチクルを示す拡大平面図である。
【符号の説明】
１０ レチクル（組） ５１、５３ レチクル
５５ ライン状パターン ５７ ブリッジ（梁）
７１、７３ レチクル ７５ ライン状パターン
７７ ブリッジ

Claims (4)

1. メンブレンにパターンの要素図形の形状に対応する孔を多数開けたステンシルレチクルに所望のパターンを形成し、
   前記レチクルを電子線照明し、
   前記レチクルを通過した電子線を感応基板上に投影結像させることにより、該感応基板上に前記パターンを転写する電子線露光方法であって、
   ２枚の前記レチクルに実質的に同一のパターンを形成するとともに、該レチクルのパターン要素図形の孔の所望の箇所に該孔の両縁を結ぶ細幅のメンブレンの梁（ブリッジ）を設けておき、ここで、前記２枚組のレチクルにおいては前記ブリッジは前記パターンの異なる位置に設け、
   前記２枚組のレチクルのパターンを同一の感応基板上に重ねて露光することを特徴とする電子線露光方法。
2. 前記ブリッジの幅がＲ×Ｍ（Ｒ：ウェハ上レジストの解像限界、Ｍ：投影レンズの倍率）より狭くすることを特徴とする請求項１記載の電子線露光方法。
3. 前記ブリッジを、前記パターン要素図形の孔の縁に対して斜めに配置することを特徴とする請求項１又は２記載の電子線露光方法。
4. メンブレンにパターンの要素図形の形状に対応する孔を多数開けたステンシルレチクルであって、
   ２枚の前記レチクルに実質的に同一のパターンが形成されており、
   該レチクルのパターン要素図形の孔の所望の箇所に該孔の両縁を結ぶ細幅のメンブレンの梁（ブリッジ）が、前記２枚のレチクルにおいて前記パターンの異なる位置に設けられていることを特徴とするステンシルレチクル。

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