JP4011642B2

JP4011642B2 - 電子線描画方法及び装置

Info

Publication number: JP4011642B2
Application number: JP32720895A
Authority: JP
Inventors: 博之伊藤
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1995-12-15
Filing date: 1995-12-15
Publication date: 2007-11-21
Anticipated expiration: 2015-12-15
Also published as: JPH09167734A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体製造装置等の高集積デバイスパターンを露光する電子線描画装置に係り、特に、電子ビームによる下地パターンへの合せ露光を行い、描画位置を補正する電子線描画方法及び装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電子線描画装置は、半導体上にマスク無しで直接高集積デバイスパターンを露光できるため、半導体素子の研究や、少量多品種生産用に使用されている。近年、半導体素子の微細加工精度は、光露光の限界に迫りつつあり、特に、精度的に厳しい層への電子線描画装置の適用が検討されている。
【０００３】
例えば、高集積回路の配線層間のコンタクトホールを露光するために、電子線描画装置の適用が検討されている。この光−電子線混用で問題となるのが装置間での露光パターン合せ精度である。電子線の場合は、偏向歪を制御系で補正可能であるが、光露光では光学的倍率、転写マスクの回転を含む光学的像歪が存在する。また、両者のウェハ保持方式の差はウェハの変形による配列精度の差を発生させ、合せ精度に影響する。
【０００４】
一般に、高精度の合わせ描画のため、下地パターンにあらかじめ合せマークを形成し、描画前にマーク位置を計測して描画位置を修正している。光−電子線混用ではその使用装置によって、当然最適な合わせマークの検出法が異なる。１対１投射型アライナーでは像歪がウェハ全面に及ぶため代表点の合せマークをサンプリングすれば、原理的にウェハ全面で単純な多項式による合せ補正が可能である。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、現在主流となっている縮小型光露光では露光領域に対応して露光チップ毎に倍率回転変動を含む転写像歪が存在し、電子線混用時の合せ補正が複雑となっている。電子線描画装置で合わせ描画する場合、従来は、下地パターン、すなわち露光チップ周辺、例えばチップ四隅に４個の合せマークを配置し、その検出位置から像歪を計測し補正している。
【０００６】
そのため、通常の代表点マーク検出を統計処理する方式に比べてマーク検出等の補正時間が大となっている。あらかじめ、像歪を計測し参照する事も可能であるが、使用装置の来歴管理、露光中の変動補正が困難であるため、描画位置の補正に多大な時間が必要である。
【０００７】
本発明の目的は、光露光と混用した電子ビームによる合せ露光において、高速かつ高精度に合せマークを検出し、補正可能な電子線描画方法及び装置を実現することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は次のように構成される。
電子ビームによる描画対象物であるウェハ面上に規則的に配置した複数の下地パターン近傍に位置合せマークを設け、この合せマークをビーム偏向器で走査して得られる散乱電子波形からマーク位置を検出し、検出したマーク位置からウェハ面上の下地パターンの歪量と配列誤差を算定しビーム偏向器の偏向座標と移動ステージ座標を補正し合せ露光を行う電子線描画方法において、互いに近接する４つの下地パターンの、ほぼ中心領域であり、かつ、ビーム偏向範囲内に、上記４つの下地パターンのそれぞれの合わせマークを配置し、隣接する合わせマークを、互いに直交する２方向のビーム走査線上に配列して、一括してビーム走査して、上記中心領域内の合わせマーク位置を検出し、互いに隣接した複数の合せマークの相対変位量から、対応する下地パターンの歪量を算定し、下地パターンの描画座標を変数とした歪関数で近似し描画位置合せ補正する。
【０００９】
好ましくは、上記電子線描画方法において、検出した複数の合せマーク位置の平均値から、各下地パターンの配列誤差を算定し、ウェハ面上の座標を変数とした歪関数で近似し合せ補正する。
【００１０】
また、好ましくは、上記電子線描画方法において、隣接した複数の合せマーク群の相対変位量をウェハ面上で複数点サンプリングし、対応する下地パターンの歪量を算定し、ウェハ座標を変数とした歪関数で近似しウェハ全面で合せ補正する。
【００１１】
また、電子線描画装置において、電子ビームを照射してビーム形状を成形する成形絞り像をウェハ面に投影する電子レンズ群と、投影像を露光位置に偏向するビーム偏向器とウェハ面上の露光位置に移動させる座標測定機能を有する移動ステージとからなるビーム位置決め機構と、ウェハ面上に複数の下地パターンが規則配置され、互いに近接する４つの下地パターンの、ほぼ中心領域であり、かつ、ビーム偏向範囲内に配置され、隣接する合わせマークが、互いに直交する２方向のビーム走査線上に配列された、上記４つの下地パターンのそれぞれの合わせマークを、一括してビーム走査して、マーク位置を検出するマーク検出回路と、検出したマーク位置に基づいて、隣接する複数の合せマークの相対変位量から、対応する下地パターンの歪量を算定し、下地パターンの描画座標を変数とした歪関数で近似し描画位置合せ補正する補正計算手段とを備える。
【００１２】
好ましくは、上記電子線描画装置において、補正計算手段は、検出した複数の合せマーク位置の平均値から、各下地パターンの配列誤差を算定し、ウェハ面上の座標を変数とした歪関数で近似し合せ補正する。
【００１３】
また、好ましくは、上記電子線描画装置において、補正計算手段は、隣接した複数の合せマーク群の相対変位量をウェハ面上で複数点サンプリングし、対応する下地パターンの歪量を算定し、ウェハ座標を変数とした歪関数で近似しウェハ全面で合せ補正する。
また、好ましくは、上記電子線描画方法及び装置において、合わせマークは、ほぼＬ字形状である。
【００１４】
露光領域の周辺に配置した場合の合せマーク位置は、露光位置決め誤差すなわち配列誤差の他、光露光では前記光学歪の影響を受ける。近接する露光領域間で配列誤差の差が小さいとすると、対応する各合せマーク間の相対変位は光学歪の影響を大きく受ける。
【００１５】
すなわち、この複数のマーク間の相対変位量から露光時の倍率、回転量を含む光学歪を算定することが可能である。更に歪量を相対変位で求める方法は、一般にマーク間の距離を小さくすれば、ステージ移動しないで一回のビーム走査で検出できる。
【００１６】
実際にステージを移動し、チップ周辺の合わせマーク座標を計測する従来法より、ステージ移動誤差の影響が無い本測定法が高い測定再現性が得られる。また、各チップ毎に周辺マークを計測し補正する場合に比べ、高速化が可能である。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本発明の実施形態を添付図面を参照して説明する。
図４は、本発明が適用される電子線描画装置の全体概略構成図である。図４において、電子源１から発生した電子ビーム６は、照射レンズ３、対物レンズ４によりウェハ８の面上に縮小して投影される。投影像のウェハ８の面上の露光位置への移動は、座標測定機能を有する移動ステージ９と照射位置に電子ビームを偏向するビーム偏向器５とからなるビーム位置決め機構で実現される。照射時間制御と偏向、移動時のビームオンオフはビームブランカー２をブランキング制御回路１０で駆動して実現する。
【００１８】
ウェハ８の面上には、規則的に配置した下地パターンが形成され、この下地パターン近傍には、合せマークが設けられている。
図５は、上記合わせマークの検出の説明図であり、この図４に示すように、マーク検出器７と信号処理回路１２（図４）は、合せマーク１５ｘをビーム偏向器５で走査して得られる散乱電子波形１６からマーク位置を検出する。
【００１９】
図４の制御計算機１４は、検出したマーク位置からウェハ８の面上の下地パターンの歪量と配列誤差を算定し、偏向制御回路１１とステージ制御回路（試料台制御回路）１３とによりビーム偏向器５の偏向座標と移動ステージ９の座標を補正し合せ露光を行う。
【００２０】
図６は、従来の合せマーク配置法を示し、マーク１５ｘを露光チップ１７の周辺四隅に配置した例である。この従来法では全ての四隅のマーク位置を検出し、それぞれの露光位置と露光歪を補正していた。そのため、ステージ移動誤差等の影響や検出時間の増大の問題が発生していた。
【００２１】
図１は、本発明におけるマーク配列法の一実施形態であり、図２は、合わせマーク１５の拡大図である。図１では、４つの露光チップ１７の中心位置Ｐcを中心とする、それぞれの露光チップ１７の四隅にＬ字形の合せマーク１５が配置されている。各マーク１５は、検出走査範囲内にあり、一対のマーク間の相対変位が一回の走査で計測される。
【００２２】
したがって、ＸＹ方向に各２回の走査で全てのＬ字マーク１５の相対変位が計測可能である。このように、中心を位置Ｐcとする４つの露光チップ１７の四隅からなる１〜４象限の、マーク座標（ｘ１，ｙ１）〜（ｘ４，ｙ４）は、マーク１５のＬ字の直角頂点の座標として直接求められる。
【００２３】
図３は、下地の露光チップ１７が回転して形成されている場合の合わせマーク１５のずれ方を示している。電子線描画装置は各チップＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄの合わせマーク１５毎に、マークを検出し、先の座標（ｘ１，ｙ１）〜（ｘ４，ｙ４）を算定する。
【００２４】
合わせ補正量（ｘ’，ｙ’）は、ウェハ面座標（ｘ，ｙ）の関数として、補正式である次式（１−１）及び（１−２）で表せる。
ｘ’＝ｘ’（ｘ，ｙ） −−−（１−１）
ｙ’＝ｙ’（ｘ，ｙ） −−−（１−２）
測定座標を、補正式（１−１）及び（１−２）に代入し、最小二乗法等で解き、ビーム偏向とステージ位置を修正する。
【００２５】
一般に、光露光との混用では露光機の配列精度とチップ内の露光歪を主因とした局所歪が合わせ補正の対象となる。（１−１）及び（１−２）式をこの局所歪と配列誤差に分離することが可能である。露光チップの一点（ｘ，ｙ）を原点としてチップ座標（ｕ，ｖ）を導入し、設計座標を（ｘｏ，ｙｏ）として（１−１）及び（１−２）式を多項式で展開すると、次式（２−１）及び（２−２）となる。
ｘ’＝ｘｏ＋ａ０＋ａ１・ｕ＋ａ２・ｖ＋ａ３・ｕｖ＋… −−−（２−１）
ｙ’＝ｙｏ＋ｂ０＋ｂ１・ｕ＋ｂ２・ｖ＋ｂ３・ｕｖ＋… −−−（２−２）
ここで、係数ａｉ、ｂｉ（ｉ＝１，２，３，…）は、一般に（ｘ，ｙ）の関数であり、露光形状のウェハ面内依存性を表す。係数ａｉ、ｂｉは、次の多項式（３−１）（３−２）で更に以下の通り展開される。
ａｉ＝Ａ０＋Ａ１・ｘ＋Ａ２・ｙ＋Ａ３・ｘｙ＋… −−−（３−１）
ｂｉ＝Ｂ０＋Ｂ１・ｘ＋Ｂ２・ｙ＋Ｂ３・ｘｙ＋… −−−（３−２）
（３−１）及び（３−２）式で（Ａ０，Ｂ０）項が、チップ原点の配列歪に相当する。
【００２６】
（２−１）〜（３−２）式の次数は、実際の歪形状から判断する。補正式の次数は必要な計測点数を規定する。必要な計測点数のマーク検出で計測した座標値を代入して係数Ａｉ，Ｂｉを算定する。
【００２７】
各チップ１７毎に合わせマーク１５を計測し個別に補正する場合でも、四隅にマーク配列し全点を計測する図６の従来法に比較し、測定点数は１／４ですむ。更に、注目する合せマーク近傍の露光歪が近似的に一定とすると、合わせマーク近傍の周辺チップ１７の計測が省略できる。この場合、（２−１）〜（３−２）式から、マーク検出は露光歪と配列歪が一定の範囲で一点計測すれば良く、測定点数を大幅に低減できる。
【００２８】
一般に、マーク検出による測長精度はステージを移動させる長寸法測定よりも、一回のビーム走査で相対変位を測定する短寸法測定の方が精度が高い。図３のビーム走査で、先のチップ回転等による相対変位が設計寸法Ｌとすれば、Ｘ２１＝ｘ２−ｘ１−Ｌとして直接に求められる。
【００２９】
同様に、各マーク線上を垂直に計４回ビーム走査して更に相対変位量Ｙ１４＝ｙ４−ｙ１−Ｌ、Ｘ４３＝ｘ３−ｘ４−Ｌ、Ｙ３２＝ｙ３−ｙ２−Ｌが短寸法データとして求まる。先の合わせ係数はこれらのデータから直接計算される。
【００３０】
例えば、（２−１）、（２−２）式のチップの倍率変動項は平均して次式（４−１）及び（４−２）となる。
ａ１・ｕ＝（Ｘ４３＋Ｘ２１）／２ −−−（４−１）
ｂ２・ｖ＝（Ｙ１４＋Ｙ３２）／２（４−２）
更に，上下左右のビーム走査からＬ＝０として，Ｙ２１＝ｙ２−ｙ１、Ｘ３２＝ｘ３−ｘ２、Ｙ４３＝ｙ４−ｙ３、Ｘ１４＝ｘ１−ｘ４が計算できる。
【００３１】
これから（２−１）及び（２−２）式のチップ回転変動項は、次式（５−１）及び（５−２）となる。
ａ２・ｖ＝（Ｘ３２＋Ｘ１４）／２ −−−（５−１）
ｂ１・ｕ＝（Ｙ１２＋Ｙ４３）／２ −−−（５−２）
チップ１７の配列誤差については、各マークの平均座標をもとめウェハ座標を変数として（３−１）及び（３−２）式で補正する。
【００３２】
本実施形態では、一個のマーク群から得られる独立なデータは８個あり、配列歪（ａ０，ｂ０）を含む８個の合わせ係数が確定できる。更に、高次のチップ歪を呈する一般の場合はチップ周辺に多数のマーク群を配置し補正することも可能である。
【００３３】
以上は構成の簡単なガウシアンビーム方式についての実施形態である。他の可変成形方式の電子線描画装置についても本発明を適用することが容易であることは明らかである。適用マークの形状もＬ字マークだけでなく線状や十字形等種々の形状が可能である。
【００３４】
【発明の効果】
本発明によればビーム偏向領域内に近接して配置した合せマーク群を一括して検出し処理するため、各チップ毎に周辺マークを計測し補正する場合に比べ、合せ補正の高速化が可能である。
【００３５】
また、得られた複数のマーク位置の平均値から配列誤差計測、相対変位から像歪量を計測し補正することにより高精度化が可能である。特に、歪量を相対変位で求める方法は、ステージ移動無しで一回のビーム走査により検出できるためより高精度となる。また、平均処理により配列誤差を算定する方法では測定マーク数をｎ点とすると１／√ｎで測定ばらつきが改善される。このように、本発明は特に、光−電子線混用において合理的な合せ補正法を備える電子線描画方法及び装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態における合わせマークの配置構成図である。
【図２】図１の例の部分拡大図である。
【図３】本発明の描画位置補正方法の説明図である。
【図４】本発明が適用される電子線描画装置の概略構成図である。
【図５】従来における合わせマークの検出方法の説明図である。
【図６】従来における合わせマークの配置の一例を示す図である。
【符号の説明】
１電子源
２ビームブランカ
３照射レンズ
４対物レンズ
５ビーム偏向器
６電子ビーム
７マーク検出器
８ウェハ
９移動ステージ
１０ブランキング制御回路
１１偏向制御回路
１２信号処理回路
１３ステージ制御回路
１４計算機
１５合せマーク
１６散乱電子走査波形
１７露光チップ

Claims

電子ビームによる描画対象物であるウェハ面上に規則的に配置した複数の下地パターン近傍に位置合せマークを設け、この合せマークをビーム偏向器で走査して得られる散乱電子波形からマーク位置を検出し、検出したマーク位置からウェハ面上の下地パターンの歪量と配列誤差を算定しビーム偏向器の偏向座標と移動ステージ座標を補正し合せ露光を行う電子線描画方法において、
互いに近接する４つの下地パターンの、ほぼ中心領域であり、かつ、ビーム偏向範囲内に、上記４つの下地パターンのそれぞれの合わせマークを配置し、隣接する合わせマークを、互いに直交する２方向のビーム走査線上に配列して、一括してビーム走査して、上記中心領域内の合わせマーク位置を検出し、互いに隣接した複数の合せマークの相対変位量から、対応する下地パターンの歪量を算定し、下地パターンの描画座標を変数とした歪関数で近似し描画位置合せ補正することを特徴とする電子線描画方法。
請求項１記載の電子線描画方法において、検出した複数の合せマーク位置の平均値から、各下地パターンの配列誤差を算定し、ウェハ面上の座標を変数とした歪関数で近似し合せ補正することを特徴とする電子線描画方法。
請求項１記載の電子線描画方法において、隣接した複数の合せマーク群の相対変位量をウェハ面上で複数点サンプリングし、対応する下地パターンの歪量を算定し、ウェハ座標を変数とした歪関数で近似しウェハ全面で合せ補正することを特徴とする電子線描画方法。
請求項１記載の電子線描画方法において、上記合わせマークは、ほぼＬ字形状であることを特徴とする電子線描画方法。
電子ビームを発生する電子源と、
電子ビームを照射してビーム形状を成形する成形絞り像をウェハ面に投影する電子レンズ群と、
投影像を露光位置に偏向するビーム偏向器とウェハ面上の露光位置に移動させる座標測定機能を有する移動ステージとからなるビーム位置決め機構と、
ウェハ面上に複数の下地パターンが規則配置され、互いに近接する４つの下地パターンの、ほぼ中心領域であり、かつ、ビーム偏向範囲内に配置され、隣接する合わせマークが、互いに直交する２方向のビーム走査線上に配列された、上記４つの下地パターンのそれぞれの合わせマークを、一括してビーム走査して、マーク位置を検出するマーク検出回路と、
検出したマーク位置に基づいて、隣接する複数の合せマークの相対変位量から、対応する下地パターンの歪量を算定し、下地パターンの描画座標を変数とした歪関数で近似し描画位置合せ補正する補正計算手段と、
を備える電子線描画装置。
請求項５記載の電子線描画装置において、上記補正計算手段は、検出した複数の合せマーク位置の平均値から、各下地パターンの配列誤差を算定し、ウェハ面上の座標を変数とした歪関数で近似し合せ補正することを特徴とする電子線描画装置。
請求項５記載の電子線描画装置において、上記補正計算手段は、隣接した複数の合せマーク群の相対変位量をウェハ面上で複数点サンプリングし、対応する下地パターンの歪量を算定し、ウェハ座標を変数とした歪関数で近似しウェハ全面で合せ補正することを特徴とする電子線描画装置。
請求項５記載の電子線描画装置において、上記合わせマークは、ほぼＬ字形状であることを特徴とする電子線描画装置。