JP4477433B2 - 電子ビーム露光装置及びマルチビーム電子光学系 - Google Patents

Description

本発明は、半導体デバイス製造のリソグラフィ工程において用いられるマルチ電子ビーム型の高速電子ビーム露光装置に関する。

半導体メモリデバイス製造の量産段階においては、高い生産性を持つ光ステッパが用いられてきたが、線幅が０．１μｍ以下の４ＧＤＲＡＭ以降のメモリデバイスの生産においては、光露光方式に代わる露光技術の１つとして、解像度が高く、生産性の優れた電子ビーム露光法が期待されている。

従来の電子ビーム露光法は、単一ビームのガウシアン方式と可変成形方式が用いられてきた。

近年、電子ビーム露光法の生産性を向上させる方法として、デバイス回路の繰り返しパターンをセルマスクとして備えた部分一括転写方式が開発され実用化されている。一方、全くマスクを使わないマスクレス露光装置として、ＢＡＡ（ブランキング・アパーチャ・アレイ）を用いた電子描画方式が提案されている（非特許文献１、H.Yasuda et,al.,J.Vac.Sci.Technol.B13(6),3813-3820,(1996)及びMuraki,et.al.,J.Vac.Sci.Technol.B18(6),3061-3066,(2000)参照）。これらの電子ビーム露光装置は、単一の電子源から放射した電子ビームのエネルギーを５０ｋｅＶに加速した後、電子ビームを平行化するためのコリメータレンズ、そして、マルチ電子ビームをＯＮ／ＯＦＦするためのＢＡＡ（ビームブランキングアレイ）、並びにマルチビームをウエハ上に照射する縮小投影レンズからなる電子光学系で構成されている。
特開平０９−２４５７０８号公報 H.Yasuda et,al.,J.Vac.Sci.Technol.B13(6),3813-3820,(1996) Muraki,et.al.,J.Vac.Sci.Technol.B18(6),3061-3066,(2000)

電子ビームの露光エネルギーを５０ｋｅＶとして、マルチビームブランキング方式を構成する場合、ＢＡＡに印加する電圧は５０ｋｅＶのマルチビームを遮蔽するための駆動電圧が必要とされるため、ＢＡＡ電極に高い電圧を印加する必要があった。そのために、ＢＡＡ電極の耐電圧性の問題、及び駆動速度の高速化等の技術が難しいとされていた。

本発明は、ＢＡＡ電極に高い電圧を印加する必要性をなくして耐電圧性の問題を解決するとともに、駆動速度の高速化を可能にした電子ビーム露光装置を、提供することを目的とする。

上記課題を解決するための本発明の電子ビーム露光装置は、電子ビームを露光対象上に照射して露光する電子ビーム露光装置において、電子源からの電子ビームを加速して放出する電子銃と、前記電子ビームを複数の電子ビームに分割するアパーチャアレイと、前記複数の電子ビームの前記露光対象上への照射をそれぞれ制御するブランキングアレイと、前記複数の電子ビームをそれぞれ収束させるレンズアレイと、前記複数の電子ビームの像を縮小投影する縮小投影系と、前記ブランキングアレイと前記露光対象との間に配置されて前記電子ビームを加速させる加速電極と、を備え、前記ブランキングアレイにおける加速電位は、前記露光対象上における電位よりも低く、前記ブランキングアレイは、前記アパーチャアレイと前記加速電極との間の定電位の空間に配置されていることを特徴とする。

単一電子源から放射した電子ビームを分割して、マルチ電子ビームを形成し、そのマルチビームをＯＮ／ＯＦＦするＢＡＡ（ブランキング手段）において、本発明は、電子ビームの加速電位の比較的低い領域にＢＡＡを設けたことで、駆動電圧を１／２から１／１０程度に下げることが出来るため、従来の１０Ｖ程度の電極間電圧に対して、１Ｖから５Ｖ程度の低い駆動電圧でＢＡＡを動作させることが出来る。従って、ＢＡＡの電極に掛かる電圧が低電圧化することで耐電圧に対して有利となるだけでなく、電極間の電圧に対するクロストークの影響が少なくなることから、ＢＡＡ電極やその配線構造をより集積化することが出来る。そしてまた、ＢＡＡの駆動電圧が下がることから、駆動回路の低コスト化と、高速化が可能となる。

以下、本発明を実施するための好ましい形態に係るマルチ電子ビーム駆動機能を備えたマルチ電子ビーム型露光装置の実施例について、図面を用いて説明する。

図１は、本発明の実施例１を示す。そして、図１（ａ）は、本実施例に係る電子ビーム型露光装置を示す構成図である。この電子ビーム型露光装置は、電子銃１００、照射系１１０、マルチビーム形成ユニット１２０、及び縮小投影系１３０を備えて構成され、露光対象であるウエハ１４０が配置されている。電子銃１００は、電子ビーム源であるＬａＢ６等の熱電子源１０１、ウエネルト電極１０２、アノード電極１０３の３極型の電子銃で
構成されており、電子源１０１から放出した電子ビームＥＢはクロースオーバーを形成しながら５０ｋＶに加速されて照射レンズ１１１に入射する。そこで、電子ビームは略平行化されてマルチビーム形成ユニット１２０に入射する。

マルチビーム形成ユニット１２０では、単一光源から放出した電子をマルチビームに分割するためのアパーチャアレイ１２１、電子ビームＥＢを５０ｋＶから２５ｋＶに減速するための減速電極２０、この減速されたマルチビームをそれぞれ独立に偏向する機能を備えたブランキング手段（ブランカー）を構成するＢＡＡ（ビーム・ブランキング・アレイまたはブランカーアレイ）１２２、この偏向された電子ビームを遮蔽するための遮蔽電極１２３、更に、この減速電界領域でマルチビームを独立に収束する機能を有するユニポテンシャルレンズからなる収束手段としてのレンズアレイ１２４がある。

そしてまた、減速した電子ビームを露光電子ビームのエネルギーまで加速させるための加速電圧部としての加速電極２１が設けてある。電子ビームを加速後は、マルチビームの位置変動を独立に補正する機能を有するマルチ偏向器１２５が構成され、更に、マルチビーム形成ユニット１２０を出たマルチビームは下段の縮小投影系１３０に入射され、レンズ１３１，１３２から成るダブレット型のレンズによって、レンズアレイ１２４で形成されるマルチビームの２次光源像をウエハ１４０上に投影する。

マルチ電子ビームを用いた描画は、縮小投影系１３０内に備えられた（図に記載なし）偏向器を用いてマルチ電子ビームを同時に走査し、そして、この走査に同期してＢＡＡ１２２がビームをＯＮ／ＯＦＦすることで任意のパターンが感光剤の塗布されたウエハ１４０上に露光される。

図１（ａ）の電子ビームの電位を決める各種電源は、電子銃１００のバイアス電圧を決める電源２０１、電子ビームの加速電位を決める電源２０２、マルチビーム形成ユニット１２０内の電子ビームの電位を決める減速用電源２０３、元の電子ビームの電位を戻すための加速用電源２０４から成っている。

図１（ｂ）は、図１（ａ）の電子源１０１からウエハ１４０までの電子ビームの電位の動きを示す図であり、電子源１０１から発生した電子が、電子銃で最終加速電子に加速された後、マルチビーム形成ユニット１２０の領域で一旦減速され、その後、縮小投影系１３０の前で元の電位に加速され、ウエハ１４０に到達することを示している。

図６に示す様に、ＢＡＡ１２２は、電極対をなす偏向電極１２２−１と、電極配線を備えた支持基板１２２−２で構成されている。電子ビームに対する偏向感度（偏向角α）は、ＢＡＡ１２２の偏向電極１２２−１の長さ２Ｌ、電子ビームが通過する開口部を形成する偏向電極間隔Ｇ，偏向電極間の電圧Ｖ、電子ビームＥＢの電位Ｖｏとすると 偏向角α＝Ｌ・Ｖ／（Ｇ・Ｖｏ）で決まることから、マルチビーム形成ユニット１２０に設けられたＢＡＡ１２２の偏向感度は、減速電極２０でマルチ電子ビームの電位を５０ｋＶから５ｋＶ〜２５ｋＶに下げることでその偏向感度を２〜１０倍にすることができる。このことは、従来の方式において、ＢＡＡ１２２の駆動電圧が１０Ｖの場合、本方式を採用することで１〜５Ｖの低い電圧でマルチ電子ビームを駆動することが出来る。

ここで採用する減速電極２０、及び加速電極２１は、図４（ａ）に示す様に電子ビームＥＢの減速および加速によってマルチ電子ビームの軌道に変化が生じない様に平行平板の電極から成っており、その電極にそれぞれ対応する減速電源２０３、及び加速電源２０４の電圧を印加している。図４（ｂ）は減速電極２０と加速電極２１を多段構造にしてマルチビームを加・減速する際に生ずる電子ビームの位置変動を小さくしていることを示す。また、減速電極２０、及び加速電極２１は、この多段構造電極構造により、減速電源を段別の電源２０５，２０６に分割し、また、加速電源を段別の電源２０７，２０８に分割してそれぞれの段に最適な電圧が印加される構造としている。

次に、本発明の実施例２について図２を用いて説明する。図２（ａ）は、前記図１（ａ）と同様の構成になっているが、電子銃１００を出た電子ビームは、一度に最終加速電位まで加速しないで、一旦、５ｋＶから２５ｋＶの中間電位の領域を設け、その領域にマルチビーム形成ユニット１２０を設置している。このことにより、低電位領域に置かれたＢＡＡ１２２をマルチ電子ビームが通過することになり、ＢＡＡ電極の偏向感度を２から１０倍向上させることが出来る。電子ビームを最終的な露光エネルギーの電位である５０ｋＶへ加速する加速手段は、加速電極２３を用いて、加速電源２０４で電圧を印加して行っている。この図２（ａ）に対する電子ビームの電位図を図２（ｂ）に示す。

図３は、前記実施例２に係る図２の変形例として本発明の実施例３を示したものである。電子銃１００から出た電子は実施例２と同様に中間的な電位に一旦加速される。そして、この領域にＢＡＡ１２２を設けることにより、ＢＡＡ電極に印加する駆動電圧の低減を実施しているが、ここでは、電子ビームの中間電位から露光ビームの電位に加速する加速領域を使って、加速形のバイポテンシャル型の作用を利用するためにレンズアレイ２２を設けている。これにより、実施例１、２で示したユニポテンシャル型のレンズアレイとして単独に設ける必要が無くなることから、電子銃１０１からウエハ１４０までのカラムの全長を短くすることが出来る。図３（ｂ）は図３（ａ）の電子ビームの電子源１０１からウエハ１４０までの各位置の電位状態を示したものである。

図５は、本実施例に係る加速電極型のレンズアレイの一例を示したものであり、前述の加速電極では平行平板電極を用いて均一性の高い平行電場を形成したのに対して、この加速型のレンズアレイは、電極２２−１と２２−２で構成されている。電極２２−１には電極２２−２との対向面に溝２２−３が設けてあり、そこで形成される電界分布２２−４により、それぞれのマルチ電子ビームに対して収束作用を持たせることが出来る。

ここでは、加速電極がマルチ電子ビームのレンズアレイ機能を兼ねるものとしたが、減速電極を利用してその減速電極が同様のレンズアレイ機能を兼ねるものにすることもできる。

次に、本発明の実施例４として、上記実施例１〜３のいずれかに係る露光装置を利用した半導体デバイスの製造プロセスを説明する。図７は半導体デバイスの全体的な製造プロセス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う。ステップ２（ＥＢデータ変換）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、上記露光制御データが入力された露光装置とウエハを用い、リソグラフィ技術を利用し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）等の組み立て工程を含む。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う。こうした工程を経て半導体デバイスが完成し、ステップ７でこれを出荷する。

上記ステップ４のウエハプロセスは以下のステップを有する。ウエハの表面を酸化させる酸化ステップ、ウエハ表面に絶縁膜を成膜するＣＶＤステップ、ウエハ上に電極を蒸着
によって形成する電極形成ステップ、ウエハにイオンを打ち込むイオン打ち込みステップ、ウエハに感光剤を塗布するレジスト処理ステップ、上記の露光装置によって回路パターンをレジスト処理ステップ後のウエハに焼付け露光する露光ステップ、露光ステップで露光したウエハを現像する現像ステップ、現像ステップで現像したレジスト像以外の部分を削り取るエッチングステップ、エッチングが済んで不要となったレジストを取り除くレジスト剥離ステップ。これらのステップを繰り返し行うことによって、ウエハ上に多重に回路パターンを形成する。

（ａ）は本発明の実施例１に係る電子ビーム露光装置の電子光学系の構成図であり、（ｂ）は実施例１に係る電子ビームの電位ポテンシャルを示す図である。 （ａ）は本発明の実施例２に係る電子ビーム露光装置の電子光学系の構成図であり、（ｂ）は実施例２に係る電子ビームの電位ポテンシャルを示す図である。 （ａ）は本発明の実施例３に係る電子ビーム露光装置の電子光学系の構成図であり、（ｂ）は実施例３に係る電子ビームの電位ポテンシャルを示す図である。 本発明の実施例に係る加減速電極の構成図であって、（ａ）は減速・加速電極の基本構成を示し、（ｂ）は多段構成の減速・加速電極構成を示す。 本発明の実施例に係る加速電極を用いたレンズアレイを示す図である。 本発明の実施例に係るＢＡＡ偏向の概念図である。 半導体デバイスの全体的な製造プロセスのフローを示す図である。

符号の説明

２０：減速電極、２１：加速電極、２２：バイポテンシャル型レンズアレイ、２２−１，２２−２：電極、２２−３：溝、２２−４：電界分布、１００：電子銃、１０１：電子源、１０２：ウエネルト電極、１０３：アノード電極、１１０：照射系、１２０：マルチビーム形成ユニット、１２１：アパーチャ−アレイ、１２２：ＢＡＡ、１２２−１：偏向電極、１２２−２：支持基板、１２３：遮蔽電極、１２４：レンズアレイ、１２５：マルチ偏向器、１３０：縮小投影系、１３１，１３２：レンズ、１４０：ウエハ、２０１，２０２，２０３，２０４：電源、ＥＢ：電子ビーム。

Claims (9)

1. 電子ビームを露光対象上に照射して露光する電子ビーム露光装置において、
   電子源からの電子ビームを加速して放出する電子銃と、
   前記電子ビームを複数の電子ビームに分割するアパーチャアレイと、
   前記複数の電子ビームの前記露光対象上への照射をそれぞれ制御するブランキングアレイと、
   前記複数の電子ビームをそれぞれ収束させるレンズアレイと、
   前記複数の電子ビームの像を縮小投影する縮小投影系と、
   前記ブランキングアレイと前記露光対象との間に配置されて前記電子ビームを加速させる加速電極と、を備え、
   前記ブランキングアレイにおける加速電位は、前記露光対象上における電位よりも低く、
   前記ブランキングアレイは、前記アパーチャアレイと前記加速電極との間の定電位の空間に配置されていることを特徴とする電子ビーム露光装置。
2. 前記電子銃と前記ブランキングアレイとの間に、前記電子ビームを減速させる減速電極を備えることを特徴とする請求項１に記載の電子ビーム露光装置。
3. 前記減速電極および前記加速電極のうち少なくとも１つは、多段の電極からなることを特徴とする請求項２に記載の電子ビーム露光装置。
4. 前記レンズアレイが、前記電子ビームの加速電位を加速させる機能を有していることを特徴とする請求項１乃至３のうちいずれか１項に記載の電子ビーム露光装置。
5. 請求項１乃至４のうちいずれか１項に記載の電子ビーム露光装置を用いて露光対象に露光を行う工程と、露光された前記露光対象を現像する工程と、を有するデバイス製造方法。
6. 電子ビームを複数の電子ビームに分割して試料上に照射するマルチビーム電子光学系において、
   電子源からの電子ビームを加速して放出する電子銃と、
   前記電子ビームを複数の電子ビームに分割するアパーチャアレイと、
   前記複数の電子ビームの前記試料上への照射をそれぞれ制御するブランキングアレイと、
   前記複数の電子ビームをそれぞれ収束させるレンズアレイと、
   前記複数の電子ビームの像を縮小投影する縮小投影系と、
   前記ブランキングアレイと前記試料との間に配置されて前記電子ビームを加速させる加速電極と、を備え、
   前記ブランキングアレイにおける電位は、前記試料上における電位よりも低く、
   前記ブランキングアレイは、前記アパーチャアレイと前記加速電極との間の定電位の空間に配置されていることを特徴とするマルチビーム電子光学系。
7. 前記電子銃と前記ブランキングアレイとの間に、前記電子ビームを減速させる減速電極を備えることを特徴とする請求項６に記載のマルチビーム電子光学系。
8. 前記減速電極および前記加速電極のうち少なくとも１つは、多段の電極からなることを特徴とする請求項７に記載のマルチビーム電子光学系。
9. 前記レンズアレイが、前記電子ビームの加速電位を加速させる機能を有していることを特徴とする請求項６乃至８のうちいずれか１項に記載のマルチビーム電子光学系。

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