JP4459524B2 - 荷電粒子線露光装置、デバイス製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、主に半導体集積回路等の露光に用いられる電子線露光装置、イオンビーム露光装置等の荷電粒子線露光装置、その装置を用いたデバイスの製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
複数の荷電粒子線を用いたマルチビーム型荷電粒子線露光装置として、例えば、特許文献１および特許文献２に提案されている電子線露光装置がある。この電子線露光装置の概略的な構成を図８に示す。同図において、電子銃１で形成された電子源ＥＳから放射された電子線２をコリメータ光学系３により略平行な電子線にする。この略平行な電子線を複数の開口を有するアパチャー・アレイ４に照射し、アパチャー・アレイ数と同数の複数の電子線が形成され、下流の投影電子光学系６に入射され、中間像面７を形成し被露光体であるウェハー面上１０に投影される。その際、複数の電子線は中間像面の下流に配置された共通の主偏向器８により、ウェハー１１面上を走査される。
【０００３】
一方、露光制御はブランカーアレイ５とアパチャー９によって、各電子線のウェハーへの照射を個別に制御して、パターンをウェハー上に形成する。この種の装置は、複数の電子線を用いるために、同時に複数のパターンを描画でき、高スループット性能が期待できる。
【０００４】
【特許文献１】
特開平9-248708号公報
【特許文献２】
特開平9-288991号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、高スループット性能を有する複数の荷電粒子線の場合は、従来の電子露光装置に比べて大きな全放出電流を流す必要がある。特に、複数の開口を有するアパチャー・アレイにおいては、長時間電子線を照射していると、真空中の残留ガスがアパチャー・アレイ表面に付着して絶縁薄膜を形成し、その表面に電荷が蓄積することにより、蓄積した電荷が影響して発生する電子線の位置が本来形成されるべき位置より変化する。この現象はアパチャー・アレイだけでなく電子線鏡筒内部でも発生する。高精度が要求される荷電粒子線露光装置において、荷電粒子間の位置関係が変化すると、所定のパターン精度仕様を満たせなくなるという課題がある。
【０００６】
また、高圧電源、電子レンズ系、偏向系の電源等のドリフトによっても、荷電粒子線の光学特性が変化し、所望の精度が得られなくなる。そのため、従来の電子露光装置では、ある露光時間毎に、電子線の位置変動量をチェックするために露光を中断して、ステージに搭載されたフィデュシャル・マークを用いて電子線の位置変動を確認していた。この確認動作のために、露光装置を停止させることが不可欠となり、複数の荷電粒子線を用いるマルチ・ビーム型荷電粒子線露光装置では、この荷電粒子線位置の確認作業に膨大な時間を要することになるため、スループット性能が低下するという課題がある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたもので、より高精度のデバイス製造方法を提供することを目的とする。
【０００８】
上記の目的を達成する本発明にかかる荷電粒子線露光装置は、
電子源から放射された電子線を露光用の第１電子線に形成する第１開口部と、前記電子源から放射された電子線を位置検出用の第２電子線に形成する第２開口部とが形成されたアパチャー・アレイと、
前記第２開口部により形成された前記第２電子線が結像する位置を、前記第１電子線が結像する共役面において検出し、前記検出された位置の位置情報を出力する位置検出手段と、
前記位置情報と、前記第２電子線が結像するべき目標位置を示す目標位置情報とに基づき、前記第２電子線に関する平行移動量、線形伸縮量および回転角のうち少なくとも一つを演算する演算手段と、
演算された前記平行移動量、前記線形伸縮量および前記回転角のうち少なくとも一つに基づいて、電子線が結像するべき目標位置への補正量を決定する決定手段と、
前記決定手段が決定した前記補正量に基づき、電子線の結像位置を制御する制御手段と、を有することを特徴とする。
【００１１】
【発明の実施の形態】
＜電子ビーム露光装置の構成＞
図１は本実施形態に係る荷電粒子線露光装置の要部を概略的に示す図である。図１において、電子銃（図示せず）で発生した電子線はクロスオーバ像（以下、この「クロスオーバ像を電子源ES」と記す。）を形成する。この電子源ESから放射される電子線１０１は、照明光学系１０２を介して略平行な状態で複数の開口を有するアパチャー・アレイ１０３を照射し、開口部の数に相当した複数の電子線に分割される。分割された複数の電子線は、アパチャー・アレイ１０３の開口部と同数の静電レンズ・アレイ１０６により中間像１２０を形成する。中間像面には、電子線のON-OFF制御を行うためのブランカー・アレイ１０８が配置されている。
【００１２】
また、静電レンズ・アレイ１０６とブランカー・アレイ１０８の間には複数の静電型偏向器アレイ１０７が2段配置されており、これらの偏向器により個々の電子線の位置制御が行われる。中間像面の下流には、２段のタブレット・レンズ１１１、１１２で構成された縮小投影系１１３があり、複数の中間像をウェハー１１６上に投影する。下段のダブレット・レンズ１１２内には、複数の電子線を同時にX,Y方向の所望の位置に変位させるための主偏向器１１５が配置されている。主偏向器１１５と偏向領域の狭い副偏向器（図示せず）により偏向系が構成されている。試料台１１７は露光の対象となるウェハー１１６を保持し、XYステージ１１８は、この試料台１１７を搭載して光軸（Z軸）と直交する面内（XY方向）に移動して、所定の位置にウエハー１１６を位置決めをする。
【００１３】
ステージ１１８には、電子線の露光電流量を測定するためのファラディーカップと電子線の位置やプロファイルを計測するためのマークを搭載した電子線校正ユニット１１９が配置されている。電子線校正ユニット１１９に搭載されたマークが反射する反射電子を検出するための検出器１２２は縮小投影系１１３の底部に配置されている。
【００１４】
次に、本実施形態にかかる電子線位置補正方法について説明する。
【００１５】
図１に示されたアパチャー・アレイ１０３には、ウェハー露光用の複数の電子線１０５と、位置検出用の複数の電子線１０４と、の２種の電子線を形成するような開口部が設けられている。このアパチャー・アレイ１０３によって分割された複数の露光用の電子線１０５は静電レンズ・アレイ１０６により下流のブランカー・アレイ１０８の偏向中心位置に中間像面上に結像される。電子線の位置計測用の電子線１０４は縮小投影系１１３の共役面である中間像面と同一面上に配置された位置検出マーク１０９に結像される。
【００１６】
図４は、前述したアパチャー・アレイ１０３のXY面を示す図である。電子源ESから放射される電子線１０１を位置検出用の電子線１０４に分割する開口部は、露光用の複数の電子線１０５に分割する開口４０２の周辺に１６個の開口４０１として設けられており、開口径を露光用電子線のそれよりも大きな径に設定してある。これは、マルチ・ビームのビーム本数を１０００本程度に想定し、全電流量を１μＡ程度とすると、1本当りの電流量は１ｎＡ程度となる。そのため、露光用の電子線を形成する開口径と同程度とすると、電子線位置の検出信号として用いる吸収電子信号量としては微弱であるために、ＳＮ比が劣化し、充分な検出精度が得られない。そのため、位置検出用電子線のアパチャー・アレイ１０３の開口径を露光用の開口径の３〜４倍程度大きな径に設定することにより、電流量は露光用の電流量の一桁程度増加し、検出精度を向上させることができる。
【００１７】
図５は、基板１１０上におけるＬ字形状をした複数の位置検出用マーク１０９の配置と露光用電子線のブランカー・アレイ１０８の配置を示す図である。本実施形態で用いる位置検出のための信号源としては、各位置検出用の電子線からの位置信号の分離の容易さ、検出器の配置の点から、位置検出マーク１０９への吸収電子を用いている。アパチャー・アレイ１０３で分割された電子線（１０４、１０５）の像が形成される位置調整と位置検出マーク１０９上の走査は、２段の静電偏向器アレイ１０７によって行われる。これらの静電偏向器アレイ１０７は、図３に詳細を示すように二段構成による配置になっており、振り戻し偏向により、露光用の複数の電子線に対しては、中間像XY方向に位置を変えても中間像下流にある縮小投影系１１３の入射テレセン条件（入射主光線が光軸と平行となる条件）は維持される。１６個のＬ字マークに対して、X方向、Y方向、それぞれの走査により電子線位置検出用マーク１０９に流入するエッジ部の信号を検出することで、X方向、Y方向それぞれについて、位置検出用の像が形成される電子線のマーク・エッジからの距離を算出する。Ｌ字マークの位置は、それぞれ予め正確に測定されているために、それらの位置データから位置検出用電子線の位置を正確に算出することができる。
【００１８】
図６は基板１１０上に形成される位置検出用マーク１０９の断面を示す図である。Ｌ字位置検出用マーク１０９及び配線５０２とは絶縁薄膜６０１によって基板１１０とは絶縁されている。電子線１０５の照射により流入した吸収電子は位置検出用マーク１０９に接続した配線５０２を通して主制御系２０７（図２）に送られる。
【００１９】
次に、本実施形態における荷電粒子線露光装置の制御系の構成を説明する。図２は制御系の構成を示すブロック図である。レンズ制御系２００は照射光学系を構成する電子レンズの焦点距離を制御するための制御回路であり、マルチ偏向器制御系２０１は前述した２段の静電偏向器アレイ１０７を制御するための回路であり、位置検出用の電子線に対しては位置検出マーク１０９上の走査信号を発生させ、露光用電子線に対しては各電子線の位置制御（ドリフト補正、投影レンズ歪像収差補正）の信号を発生させる回路である。
【００２０】
I/V増幅器２０２は位置検出マーク１０９及び配線５０２からの吸収電子信号を電流から電圧へ変換する変換器で、Ｌ字マークに対応した数の回路があり、その出力信号はパラレル−シリアル変換器２０５を通して位置演算回路２０４に送られる。位置演算回路２０４は、各位置検出マーク１０９におけるエッジ信号に基づいて、位置検出用の電子線の像が形成されるXY方向の距離を算出する演算回路である。
【００２１】
この演算回路で算出された各電子線１０４の位置データより、光学特性演算回路２０３では、電子線の光学特性として平行移動（シフト）、回転変動、倍率変動の３種類の特性値を計算する。以下、光学特性値の算出方法を説明する。電子線の位置変動の主要素は、平行移動と、縦横倍率変動と、像回転角変動である。主に帯電現象による変動要素は平行移動によるもので、非点状態が変動した場合には縦横倍率変動、磁界レンズやダイナミック・フォーカス・コイルの強度変動時は回転、倍率変動が発生する。
【００２２】
ここで、目標とする電子線位置（Ｘt(n),Ｙｔ(n)）と、計測された電子線位置（Ｘm(n),Ｙm(n)）との間においては、次式(1)、(2)式の関係が成り立つ。
Ｘｔ(n) ＝Ｘshift＋（Ｘmag×ｃｏｓ（γ））×Ｘｍ(n)
−（Ｘmag×ｓｉｎ（γ））×Ｙｍ(n) ・・・（１）
Ｙｔ(n) ＝Ｙshift＋（Ｙmag×ｓｉｎ（γ））×Ｙｍ(n)
＋（Ｙmag×ｃｏｓ（γ））×Ｙｍ(n) ・・・（２）
Xshift： X方向の平行移動量
Yshift： Y方向の平行移動量
Xmag ： X方向の線形伸縮量（倍率）
Ymag ： Y方向の線形伸縮量（倍率）
γ ： 回転角
【００２３】
図７は、目標とする電子線位置(Ｘt(n),Ｙｔ(n)：ｎ＝１〜１６)と、実測された電子線位置（Ｘm(n),Ｙm(n)）を示す図である。目標とする電子線位置は図中の点１から１６に示すように各点の配置が規則的に配置されているのに対して、実測された電子線位置は点１’から１６’に示すように、歪んだ状態に分布している。この実測された電子線位置（Ｘm(n),Ｙm(n)：ｎ＝１‘〜１６’）は目標の電子線位置に対して、平行移動、倍率変動、回転、のいずれかの成分を内在したデータであり、図に示した１６点の実測による電子線位置（Ｘm(n),Ｙm(n)）（ｎ＝１’〜１６’）と、目標とする電子線位置（Ｘt(n)、Ｙｔ(n)）（ｎ＝１〜１６）のデータに対して、最小二乗法を用いて、３種の特性値、すなわち、平行移動、倍率変動、回転角について、上述の５つの係数Xshift、Yshift、Xmag、Ymag、γをそれぞれ求めることができる。
【００２４】
最小二乗法により求められた５つの係数と、目標とする電子線位置（Ｘt(n),Ｙｔ(n)）と、に基づき(1)，(2)式の関係から、各露光用電子線の位置（Ｘｍ’(n),Ｙｍ’(n)）を計算することができる。得られた各露光用電子線位置（Ｘｍ’(n)、Ｙｍ’(n)）と、予め定めた目標とする各電子線位置（Ｘｔ(n)、Ｙt(n)）と、の差分が電子線を補正すべき位置変動量（ΔＸ(n)、ΔＹ（ｎ））である。
【００２５】
以上の算出方法で得られた位置変動量（ΔＸ(n)、ΔＹ（ｎ））に応じてマルチ静電型偏向器アレイ１０７の駆動電圧をマルチ偏向器制御系２０１で決定し、静電偏向器アレイ１０７を駆動して各電子線位置を補正することで、予め定めた目標位置に中間像を形成することができる。この一連の補正処理は、露光時間中の実時間における補正処理であるために、高精度の露光が可能となる。また、この計測に基づく補正は露光装置を停止させることなく、位置の補正を可能にするために、露光装置のスループット低下の原因とならないというメリットがある。
【００２６】
また、光学特性演算回路２０３で決定された特性値は電子線露光装置全体を制御する主制御系２０７を経由して、露光時の諸々のデータ履歴を保存する記憶装置２０８に保存される。また、主制御系２０７では、送られてきた光学特性値が、静電偏向器アレイ１０７で補正可能な値かどうかデータを受信する度に検査する。もし補正可能範囲外の場合は、露光装置の稼働を停止し、警報を発する機能を有している。
【００２７】
また、位置検出マーク１０９を、縮小投影系１１３の上段のダブレットレンズ１１１の結像面１１４に配置することにより、縮小投影系１１３内での位置補正が可能になる。
【００２８】
また、荷電粒子線露光装置の一例として示した電子線露光装置の他、イオンビームを用いた露光装置にも同様に適用することができる。
【００２９】
以上説明したように、本実施形態にかかる荷電粒子線露光装置によれば、荷電粒子線が形成される位置を高精度に、短時間に補正することが可能になる。また、本実施形態にかかる荷電粒子線露光装置によれば、装置のスループットを低下させることなく、高精度な補正を実現することが可能になる。
【００３０】
＜デバイスの生産方法＞
次に、先に説明した荷電粒子線露光装置を利用したデバイスの生産方法の実施形態を説明する。図９は微小デバイス（ＩＣやＬＳＩ等の半導体チップ、液晶パネル、ＣＣＤ、薄膜磁気ヘッド、マイクロマシン等）の製造のフローを示す図である。ステップ１（回路設計）では半導体デバイスの回路設計を行なう。ステップ２（露光制御データ作成）では設計した回路パターンに基づいて露光装置の露光制御データを作成する。一方、ステップ３（ウエハ製造）ではシリコン等の材料を用いてウエハを製造する。ステップ４（ウエハプロセス）は前工程と呼ばれ、上記用意した露光制御データが入力された露光装置とウエハを用いて、リソグラフィ技術によってウエハ上に実際の回路を形成する。次のステップ５（組み立て）は後工程と呼ばれ、ステップ４によって作製されたウエハを用いて半導体チップ化する工程であり、アッセンブリ工程（ダイシング、ボンディング）、パッケージング工程（チップ封入）等の工程を含む。ステップ６（検査）ではステップ５で作製された半導体デバイスの動作確認テスト、耐久性テスト等の検査を行なう。こうした工程を経て半導体デバイスが完成し、これが出荷（ステップ７）される。
【００３１】
図１０は上記のウエハプロセスの詳細なフローを示す図である。ステップ１１（酸化）ではウエハの表面を酸化させる。ステップ１２（ＣＶＤ）ではウエハ表面に絶縁膜を形成する。ステップ１３（電極形成）ではウエハ上に電極を蒸着によって形成する。ステップ１４（イオン打込み）ではウエハにイオンを打ち込む。ステップ１５（レジスト処理）ではウエハに感光剤を塗布する。ステップ１６（露光）では上記説明した露光装置によって回路パターンをウエハに焼付露光する。ステップ１７（現像）では露光したウエハを現像する。ステップ１８（エッチング）では現像したレジスト像以外の部分を削り取る。ステップ１９（レジスト剥離）ではエッチングが済んで不要となったレジストを取り除く。これらのステップを繰り返し行なうことによって、ウエハ上に多重に回路パターンが形成される。
【００３２】
本実施形態の製造方法を用いれば、従来は製造が難しかった高集積度の半導体デバイスを低コストに製造することが可能になる。
【００３３】
【発明の効果】
以上説明したように本発明にかかる荷電粒子線露光装置によれば、荷電粒子線が形成される位置を高精度に、短時間に補正することが可能になる。
【００３４】
また、荷電粒子線露光装置のスループットを低下させることなく、高精度な補正を実現することが可能になる。
【００３５】
更に、本発明にかかる荷電粒子線露光装置を用いてデバイスを製造すれば、従来以上に高精度なデバイスを製造することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施形態に係る荷電粒子線露光装置の要部を概略的に示す図である。
【図２】制御系の構成を示すブロック図である。
【図３】静電偏向器アレイ１０７の配置を説明する図である。
【図４】アパチャー・アレイ１０３のXY面を示す図である。
【図５】基板１１０上におけるＬ字形状をした複数の位置検出用マーク１０９の配置と露光用電子線のブランカー・アレイの配置を示す図である。
【図６】基板１１０上に形成される位置検出用マーク１０９の断面を示す図である。
【図７】目標とする電子線位置(Ｘt(n),Ｙｔ(n)：ｎ＝１〜１６)と、実測された電子線位置（Ｘm(n),Ｙm(n)：ｎ＝１’〜１６’）を示す図である。
【図８】従来例における電子線露光装置の概略的な構成を示す図である。
【図９】デバイスの製造プロセスのフローを説明する図である。
【図１０】ウェハープロセスを説明する図である。
【符号の説明】
ＥＳ 電子源
１０１ 電子線
１０２ 照明光学系
１０３ アパチャー・アレイ
１０４ 位置検出用電子線
１０５ 露光用電子線
１０６ 静電レンズ・アレイ
１０７ 静電型偏向器アレイ
１０８ ブランカー・アレイ
１０９ 位置検出マーク
１１０ 基板
１１１ 上段ダブレット・レンズ
１１２ 下段ダブレット・レンズ
１１３ 縮小投影系
１１５ 主偏向器
１１６ ウェハー
１１７ 試料台
１１８ ステージ
２００ レンズ制御系
２０１ マルチ偏向器制御系
２０２ I/V増幅器
２０３ 光学特性演算回路
２０４ 位置演算回路
２０５ パラレル−シリアル変換器
２０６ マルチブランカー制御系
２０７ 主制御系
２０８ 記憶装置
４０１ 位置検出用の荷電粒子線アパチャー開口部
４０２ 露光用の荷電粒子線アパチャー開口部
５０２ 配線
６０１ 絶縁薄膜

Claims (9)

1. 荷電粒子線露光装置であって、
   電子源から放射された電子線を露光用の第１電子線に形成する第１開口部と、前記電子源から放射された電子線を位置検出用の第２電子線に形成する第２開口部とが形成されたアパチャー・アレイと、
   前記第２開口部により形成された前記第２電子線が結像する位置を、前記第１電子線が結像する共役面において検出し、前記検出された位置の位置情報を出力する位置検出手段と、
   前記位置情報と、前記第２電子線が結像するべき目標位置を示す目標位置情報とに基づき、前記第２電子線に関する平行移動量、線形伸縮量および回転角のうち少なくとも一つを演算する演算手段と、
   演算された前記平行移動量、前記線形伸縮量および前記回転角のうち少なくとも一つに基づいて、電子線が結像するべき目標位置への補正量を決定する決定手段と、
   前記決定手段が決定した前記補正量に基づき、電子線の結像位置を制御する制御手段と、
   を有することを特徴とする荷電粒子線露光装置。
2. 前記決定手段は、演算された前記平行移動量、前記線形伸縮量および前記回転角のうち少なくとも一つに基づいて、前記第２電子線が結像するべき目標位置への補正量を決定し、
   前記制御手段は、前記決定手段が決定した前記補正量に基づき、前記第１電子線の結像位置を制御することを特徴とする請求項１に記載の荷電粒子線露光装置。
3. 前記第２開口部の開口径＞前記第１開口部の開口径、であることを特徴とする請求項1に記載の荷電粒子線露光装置。
4. 前記第２開口部により形成される第２電子線は、前記第１開口部より形成される第１電子線より、大きな電流値を有することを特徴とする請求項1または３に記載の荷電粒子線露光装置。
5. 前記平行移動量、前記線形伸縮量および前記回転角のうち少なくとも一つに関する情報を格納するための格納手段を更に有し、
   前記決定手段は、前記格納手段に格納された前記平行移動量、前記線形伸縮量および前記回転角のうち少なくとも一つに関する情報を読み取り、前記補正量を決定することを特徴とする請求項１または２に記載の荷電粒子線露光装置。
6. 前記制御手段は、電子線の結像位置の制御を、露光処理中において実行することを特徴とする請求項１に記載の荷電粒子線露光装置。
7. 前記位置検出手段が電子線の位置を検出するための位置検出マークは、ブランカー・アレイが形成される基板面、または、縮小投影ユニットにおける結像面に配置されることを特徴とする請求項１に記載の荷電粒子線露光装置。
8. 前記決定手段は、前記補正量が設定可能な範囲外のデータになる場合、異常を報知する、または装置の稼動を停止させることを特徴とする請求項１または２に記載の荷電粒子線露光装置。
9. デバイス製造方法であって、
   請求項１乃至８のいずれか１項に記載の荷電粒子線露光装置を用いて半導体デバイスを製造する工程を有することを特徴とするデバイス製造方法。

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