JP4913521B2 - 荷電粒子線装置及びデバイス製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、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、半導体集積回路の製造過程で回路等のパターンを検査する走査型電子顕微鏡、電子線測長装置等の検査装置及び透過電子顕微鏡等の荷電粒子線装置およびその荷電粒子線装置を用いるデバイス製造方法に関するものである。

従来、光学設計において光学系の球面収差を低減させる方法として、屈折面の平均分担、高屈折率ガラスの利用、レンズパワーの分割、凹レンズの利用、非球面レンズの利用などが、例えば非特許文献１に開示されている。
また、電子光学系において電磁レンズの球面収差を低減させる方法として、磁極の強励磁化や多極子レンズの利用などが、例えば非特許文献２に開示されている。
さらに、特開２００４−３０３５４７号公報で、複数個の多極子レンズを組み合わせて対物レンズの球面収差を効率良く相殺させる方法が提案されている。
特開２００４−３０３５４７号公報 レンズデザインガイド 高野栄一著 写真工業出版社 Ｐ．３８−４１ 電子・イオンビーム光学 裏克巳著 共立出版 Ｐ．５３−８０、Ｐ．１１９−１２８

しかし、近年、半導体集積回路の微細化が進むことで、より精度の高い電子線露光装置やイオンビーム露光装置等の荷電粒子線露光装置や、より分解能の高い走査型電子顕微鏡や電子線測長装置等の検査装置や透過電子顕微鏡などが求められているにも関わらず、従来の電磁レンズでは、光学レンズのように凹レンズを簡単に作ることが困難なため、球面収差を大幅に低減することは難しい。そのため、従来の電磁レンズを用いて、より精度の高い荷電粒子線装置やより高分解能な検査装置を作製することは困難である。
そこで、本発明は、球面収差の小ささの点で有利な荷電粒子線装置、および、それを用いたデバイス製造方法を提供することを目的とする。

本発明の荷電粒子線装置は、電磁コイルを備え、第１開口を有する上端側の円周状の磁極と、第２開口を有する下端側の円周状の磁極とを有する第１の磁場レンズと、電磁コイルを備え、第３開口を有する上端側の円周状の磁極と、第４開口を有する下端側の円周状の磁極とを有し、光軸方向に沿って前記第１の磁場レンズの下側に配置された第２の磁場レンズと、を有し、前記第１ないし第４の開口は、前記第２開口の半径が最も大きく、前記第３開口の半径が最も小さく、前記第１開口の半径と前記第４開口の半径とが等しく、かつ、前記第１開口の半径と前記第２開口の半径との差の絶対値と前記第３開口の半径と前記第４開口の半径との差の絶対値とが等しくあるように、構成されている、ことを特徴とする。

本発明によれば、球面収差の小ささの点で有利な荷電粒子線装置、および、それを用いたデバイス製造方法を提供することができる。

以下、本発明を、その実施例に基づいて、図面を参照して説明する。

図１の断面図を参照して、本発明の実施例１の荷電粒子線装置を構成する磁場レンズを説明する。
本発明の実施例１の荷電粒子線装置では荷電粒子線として電子ビームを用いるが、電子ビームの代わりにイオンビームを用いても良い。
図示されない光源から照射される電子ビームは光軸１０１を有し、下方に図示されない像面が位置する。
第１の磁場レンズ６０２ａは、円周状に構成され上端側開口１０２ａおよび下端側開口１０２ｂを有する第１の磁極１０２および電磁コイル１０４を備える。電磁１０４に電流を流すことで磁場を発生させて電子ビームを収束させる。
第２の磁場レンズ６０２ｂは、円周状に構成され上端側開口１０３ａおよび下端側開口１０３ｂを有する第２の磁極１０３および電磁コイル１０５を備える。電磁コイル１０５に電流を流すことで磁場を発生させて電子ビームを収束させる。
さらに、第２の磁場レンズ６０２ｂは、第１の磁場レンズ６０２ａの光軸１０１方向の下側に隣接される。
また、第１の磁極１０２の下端側開口１０２ｂの内径の半径であるボア径Ｄ１Ｌは、第１の磁極１０２の上端側開口１０２ａの内径の半径であるボア径Ｄ１Ｕ、第２の磁極１０３の上端側開口１０３ａの内径の半径であるボア径Ｄ２Ｕ、および、第２の磁極１０３の下端側開口１０３ｂの内径の半径であるボア径Ｄ２Ｌのいずれよりも大きく構成される。

さらに、第２の磁極１０３の上端側開口１０３ａのボア径Ｄ２Ｕは、第１の磁極１０２の上端側開口１０２ａのボア径Ｄ１Ｕ、第１の磁極１０２の下端側開口１０２ｂのボア径Ｄ１Ｌ、および、第２の磁極１０３の下端側開口１０３ｂのボア径Ｄ２Ｌのいずれよりも小さく構成されることが好適である。
さらに、第１の磁極１０２の上端側開口１０２ａのボア径Ｄ１Ｕと第２の磁極１０３の下端側開口１０３ｂのボア径Ｄ２Ｌとは一致することが好適である。
さらに、第１の磁極１０２の下端側開口１０２ｂのボア径Ｄ１Ｌは第１の磁極１０２の上端側開口１０２ａのボア径Ｄ１Ｕより大きく、第２の磁極１０３の上端側開口１０３ａのボア径Ｄ２Ｕは第２の磁極１０３の下端側開口１０３ｂのボア径Ｄ２Ｌより小さく、これらの差の絶対値は一致することが好適である。

このように、２つの第１の磁場レンズ６０２ａおよび第２の磁場レンズ６０２ｂを設け、第１の磁極１０２および第２の磁極１０３のボア径を磁極毎に変えた理由について説明する。
光学レンズでの球面収差補正方法として一般的に行われている、（１）屈折面の平均分担、（２）レンズパワーの平均分担、の２つを磁場レンズに応用した。光学レンズにおける、（１）屈折面の平均分担とは、レンズの左右でガラス面の曲率半径を変えることで球面収差を低減させる方法である。磁場レンズの場合、２つの磁極のボア径を変えることで、磁場分布の形状を変化させ、（１）屈折面の平均分担と同様の効果を期待できる。次に、光学レンズにおける、（１）レンズパワーの平均分担とは、２つのレンズの合成焦点距離を変えずにレンズを２つ並べてレンズパワーを分散させることで球面収差を低減させる方法である。磁場レンズの場合、２つの磁場レンズを並べることで同様の効果を期待できる。

次に、第１の磁極１０２の上端側開口１０２ａのボア径Ｄ１Ｕと第２の磁極１０３の下端側開口１０３ｂのボア径Ｄ２Ｌとを一致させ、それらより第１の磁極１０２の下端側開口１０２ｂのボア径Ｄ１Ｌを大きく、第２の磁極１０３の上端側開口１０３ａのボア径Ｄ２Ｕを小さくさせた場合の球面収差量を、第１の磁場レンズ６０２ａおよび第２の磁場レンズ６０２ｂの光学収差計算から求めた。
図２は、第１の磁極１０２の上端側開口１０２ａのボア径Ｄ１Ｕと第２の磁極１０３の下端側開口１０３ｂのボア径Ｄ２Ｌとを一致させ、そのボア径を基準ボア径とし、Ｘ軸に第２の磁極１０３の上端側開口１０３ａのボア径Ｄ２Ｕと基準ボア径との差、Ｙ軸に第１の磁極１０２の下端側開口１０２ｂのボア径Ｄ１Ｌと基準ボア径との差、Ｚ軸に球面収差量を並べたグラフである。
２つの第１の磁場レンズ６０２ａおよび第２の磁場レンズ６０２ｂの合成焦点距離は１２５ｍｍ、電子ビームの開口数（ＮＡ）は１８．１ｍｒａｄ、磁極ギャップは３２ｍｍ、Ｄ１Ｕ及びＤ２Ｌは４０ｍｍとした。
図２から球面収差量は、Ｘ軸が−１６ｍｍ近傍、Ｙ軸が＋１６ｍｍ近傍に極小値を持つことが分かる。
図３は、第１の磁極１０２の上端側開口１０２ａのボア径Ｄ１Ｕと第２の磁極１０３の下端側開口１０３ｂのボア径Ｄ２Ｌとを一致させ、そのボア径を基準ボア径とし、基準ボア径を１０ｍｍから６０ｍｍまで５ｍｍ単位で変化させた場合の球面収差量を示すグラフである。
その時、第１の磁極１０２の下端側開口１０２ｂのボア径Ｄ１Ｌと基準ボア径との差分量の絶対値と第２の磁極１０３の下端側開口１０３ｂのボア径Ｄ２Ｌと基準ボア径との差分量の絶対値は一致しており、第２の磁極１０３の上端側開口１０３ａのボア径Ｄ２Ｕと基準ボア径との差をＸ軸としている。
Ｙ軸は、第２の磁極１０３の上端側開口１０３ａのボア径Ｄ２Ｕと基準ボア径との差がゼロであるときを１として規格化した球面収差量である。

図４は、図３と同様に、第１の磁極１０２の上端側開口１０２ａのボア径Ｄ１Ｕと第２の磁極１０３の下端側開口１０３ｂのボア径Ｄ２Ｌとを一致させ、そのボア径を基準ボア径とし、基準ボア径を２ｍｍから１０ｍｍまで２ｍｍ単位で変化させた場合の球面収差量を示すグラフである。
その時、図３と同様に、第１の磁極１０２の下端側開口１０２ｂのボア径Ｄ１Ｌと基準ボア径との差分量の絶対値と第２の磁極１０３の下端側開口１０３ｂのボア径Ｄ２Ｌと基準ボア径との差分量の絶対値は一致しており、第２の磁極１０３の上端側開口１０３ａのボア径Ｄ２Ｕと基準ボア径との差をＸ軸としている。
Ｙ軸は、第２の磁極１０３の上端側開口１０３ａのボア径Ｄ２Ｕと基準ボア径との差がゼロであるときを１として規格化した球面収差量である。
図２のときと同様に、２つの磁場レンズの合成焦点距離は１２５ｍｍ、電子ビームの開口数（ＮＡ）は１８．１ｍｒａｄ、磁極ギャップは３２ｍｍとした。
図３と図４とから、基準ボア径の値によって球面収差量の極小値はそれぞれ異なることが分かる。だが、いずれの基準ボア径においても、基準ボア径よりＤ１Ｌを大きく、基準ボア径より第２の磁極１０３の上端側開口１０３ａのボア径Ｄ２Ｕを小さくさせた場合の方が、基準ボア径と第１の磁極１０２の下端側開口１０２ｂのボア径Ｄ１Ｌ及び第２の磁極１０３の上端側開口１０３ａのボア径Ｄ２Ｕを一致させた場合よりも球面収差量は小さくなる。
具体的には、
０ｍｍ＜（Ｄ１Ｕ＝Ｄ２Ｌ）≦１０ｍｍのとき、
０ｍｍ＜（Ｄ１Ｌ−Ｄ１Ｕ）＝（Ｄ２Ｕ−Ｄ２Ｌ）≦５ｍｍとなるようにする。
１０ｍｍ＜（Ｄ１Ｕ＝Ｄ２Ｌ）≦２０ｍｍのとき、
０ｍｍ＜（Ｄ１Ｌ−Ｄ１Ｕ）＝（Ｄ２Ｕ−Ｄ２Ｌ）≦１４ｍｍとなるようにする。
２０ｍｍ＜（Ｄ１Ｕ＝Ｄ２Ｌ）≦３０ｍｍのとき、
０ｍｍ＜（Ｄ１Ｌ−Ｄ１Ｕ）＝（Ｄ２Ｕ−Ｄ２Ｌ）≦２２ｍｍとなるようにする。

３０ｍｍ＜（Ｄ１Ｕ＝Ｄ２Ｌ）≦４０ｍｍのとき、
０ｍｍ＜（Ｄ１Ｌ−Ｄ１Ｕ）＝（Ｄ２Ｕ−Ｄ２Ｌ）≦３２ｍｍとなるようにする。
４０ｍｍ＜（Ｄ１Ｕ＝Ｄ２Ｌ）≦５０ｍｍのとき、
０ｍｍ＜（Ｄ１Ｌ−Ｄ１Ｕ）＝（Ｄ２Ｕ−Ｄ２Ｌ）≦４１ｍｍとなるようにする。
以上のように数値を設定することで、基準ボア径と第１の磁極１０２の下端側開口１０２ｂのボア径Ｄ１Ｌ及び第２の磁極１０３の上端側開口１０３ａのボア径Ｄ２Ｕを一致させた場合よりも球面収差量を小さくすることが出来る。

図５は、基準ボア径と、球面収差量が最小値となる第２の磁極１０３の上端側開口１０３ａのボア径Ｄ２Ｕと基準ボア径との差分量の絶対値との関係を、基準ボア径に対する比で示したグラフである。
Ｘ軸は基準ボア径の大きさ、Ｙ軸は球面収差量が最小値となる第２の磁極１０３の上端側開口１０３ａのボア径Ｄ２Ｕと基準ボア径との差分量の絶対値を基準ボア径で割った値である。
２ｍｍから１０ｍｍまで、また、１０ｍｍから６０ｍｍまでを直線近似することにより、各基準ボア径における最適な第１の磁極１０２の下端側開口１０２ｂのボア径Ｄ１Ｌ及び第２の磁極１０３の上端側開口１０３ａのボア径Ｄ２Ｕを求めることが出来る。
上記した内容は、第１の磁場レンズ６０２ａと第２の磁場レンズ６０２ｂの電磁コイル形状に依存するものではなく、第１の磁場レンズ６０２ａと第２の磁場レンズ６０２ｂの電磁コイル形状を変えても同様に球面収差量を低減させることが出来る。
さらに、上記した内容は、第１の磁場レンズ６０２ａと第２の磁場レンズ６０２ｂの間の距離、第１の磁場レンズ６０２ａと第２の磁場レンズ６０２ｂの合成パワー、電子ビームの開口数（ＮＡ）、第１の磁場レンズ６０２ａと第２の磁場レンズ６０２ｂそれぞれの磁極ギャップが変化しても適用することができる。

次に、図６の要部概略図を参照して、上記した第１の磁場レンズ６０２ａと第２の磁場レンズ６０２ｂを用いた本発明の実施例２の電子ビーム露光装置について説明する。
この電子ビーム露光装置は、複数の電子ビームを用いてウエハなど被露光基板を露光する装置で、そのマルチソースモジュールは、複数の電子源像を形成し、その電子源像から電子ビームを放射し、５×５の２５個が２次元的に配列される。
電子銃から成る電子源６０１は、クロスオーバー像を形成するもので、この電子源６０１から放射される電子ビーム６０１ａは、２つの第１の磁場レンズ６０２ａと第２の磁場レンズ６０２ｂから成るコンデンサーレンズによって略平行な電子ビーム６１０ｂとなる。アパーチャアレイ６０３は、開口が２次元的に配列されて形成される。レンズアレイ６０４は、同一の光学パワーを有する静電レンズが２次元的に配されて形成される。マルチ偏向器アレイ６０５、６０６、６０７、６０８は、個別に駆動可能な静電偏向器が２次元的に配列されて形成される。ブランカーアレイ６０９は、個別に駆動可能な静電のブランカーが２次元的に配列さえて形成される。

次に、マルチソースモジュールの各機能について説明する。
第１の磁場レンズ６０２ａと第２の磁場レンズ６０２ｂから成るコンデンサーレンズからの略平行な電子ビーム６０１ｂは、アパーチャアレイ６０３によって複数の電子ビーム６０１ｃに分割される。分割された電子ビーム６０１ｃは、対応するレンズアレイ６０４の静電レンズを介して、ブランカーアレイ６０９の対応するブランカー上に、電子源６０１の中間像６２３を形成する。
この時、マルチ偏向器アレイ６０５、５０６、５０７、５０８は、ブランカーアレイ５０９上に形成される電子源６０１の中間像６２３の位置（光軸と直交する面内の位置）を個別に調整する。
また、ブランカーアレイ６０９で偏向された電子ビームは、ブランキングアパーチャ６１０によって遮断されるため、ウエハ６２０には照射されない。
一方、ブランカーアレイ５０９で偏向されない電子ビーム６０１ｄは、ブランキングアパーチャ６１０によって遮断されないため、ウエハ６２０には照射される。
マルチソースモジュールで形成された電子源の複数の中間像は、磁場レンズ６１５ａ、６１５ｂ、６１６ａ、６１６ｂ、６１７ａ、６１７ｂ、６１８ａ、６１８ｂの縮小投影系を介して、ウエハ６２０に投影される。
この時、複数の中間像がウエハ６２０に投影される際、焦点位置は、ダイナミックフォーカスレンズ（静電もしくは磁場レンズ）６１１、６１２で調整できる。主偏向器６１３、副偏向器５１４は，各電子ビーム６０１ｄを露光すべき個所へ偏向させるものである。反射電子検出器６１９はウエハ６２０上に形成された電子源の各中間像の位置を計測するためのである。ステージ５２１はウエハ６２０を移動させるものである。マーク６２２は電子ビーム６０１ｄの位置およびビーム形状を検出するためのである。
第１の磁場レンズ６０２ａと第２の磁場レンズ６０２ｂから成るコンデンサーレンズの球面収差が大きいと、平行な電子ビーム６０１ｂをアパーチャアレイ６０３に照射することができない。すると、電子ビーム６０１ｂのテレセン度（個々の電子ビームの傾き）が悪化し、フィールド内でのパターンの位置ずれや、フィールド間のつなぎ精度など描画性能を大きく低下させる。
電子ビームのテレセン度を向上させるため、上記した２つの第１の磁場レンズ６０２ａと第２の磁場レンズ６０２ｂから成り、球面収差を低減させたコンデンサーレンズを用いる必要がある。
また、本実施例２において、縮小投影系を構成する磁場レンズ６１５ａ、６１６ａ、６１７ａ、６１８ａを第１の磁場レンズ６０２ａ、磁場レンズ６１５ｂ、６１６ｂ、６１７ｂ、６１８ｂを第２の磁場レンズ６０２ｂから構成してもよい。
さらに、この第１の磁場レンズ６０２ａと第２の磁場レンズ６０２ｂは、電子線露光装置やイオンビーム露光装置等の荷電粒子線露光装置だけでなく、走査型電子顕微鏡や電子線測長装置等の検査装置、及び透過電子顕微鏡などの特に対物レンズなどに応用できる。

上記した磁場レンズを具備する電子ビーム露光装置を利用した本発明の実施例３のデバイス製造方法について説明する。
図７に微小デバイス（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。
ステップ７１（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７２（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７３（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７４（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７５（組み立て）は後工程と呼ばれ、ステップ７４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７６（検査）ではステップ７５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、これが出荷（ステップ７７）される。

図８は上記ウエハプロセスの詳細なフローを示す。
ステップ８１（酸化）ではウエハの表面を酸化させる。ステップ８２（ＣＶＤ）ではウエハ表面に絶縁膜を形成する。ステップ８３（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８４（イオン打込み）ではウエハにイオンを打ち込む。ステップ８５（レジスト処理）ではウエハに感光剤を塗布する。ステップ８６（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８７（現像）では露光したウエハを現像する。ステップ８８（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８９（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。
以上、説明したように本実施例３のデバイス製造方法を用いれば、高集積度の半導体デバイスのパターン寸法を精度良く製造することが出来る。

本発明の実施例１の荷電粒子線装置を構成する第１および第２の磁場レンズの断面図である。 第１の磁極の上端側開口のボア径Ｄ１Ｕと第２の磁極の下端側開口のボア径Ｄ２Ｌとを一致させ、そのボア径を基準ボア径とし、Ｘ軸に第２の磁極の上端側開口のボア径Ｄ２Ｕと基準ボア径との差、Ｙ軸に第１の磁極の下端側開口のボア径Ｄ１Ｌと基準ボア径との差、Ｚ軸に球面収差量を示すグラフである。 基準ボア径を１０ｍｍから６０ｍｍまで５ｍｍ単位で変化させたときの球面収差量を説明するグラフである。 基準ボア径を２ｍｍから１０ｍｍまで５ｍｍ単位で変化させたときの球面収差量を説明するグラフである。 基準ボア径と、球面収差量が最小値となる第２の磁場レンズの第２の磁極の上端側開口のボア径Ｄ２Ｕと基準ボア径との差分量の絶対値との関係を、基準ボア径に対する比で示したグラフである。 複数の電子ビームを用いてウエハなど被露光基板を露光する本発明の実施例２の電子ビーム露光装置の要部概略図である。 本発明の実施例３のデバイス製造方法による微小デバイスの製造フローの説明図である。 図７のデバイス製造方法のウエハプロセスの説明図である。

符号の説明

１０１ 光軸
６０２ａ 第１の磁場レンズ
６０２ｂ 第２の磁場レンズ
１０４、１０５ 電磁コイル
６０１ 電子源（クロスオーバー像）
６０３ アパーチャアレイ
６０４ レンズアレイ
６０５、６０６、６０７、６０８ マルチ偏向器アレイ
６０９ ブランカーアレイ
６１０ ブランキングアパーチャ
６１１、６１２ ダイナミックフォーカスレンズ
６１３ 主偏向器
６１４ 副偏向器
６１５ａ，６１６ａ，６１７ａ，６１８ａ 第１の磁場レンズ
６１５ｂ，６１６ｂ，６１７ｂ，６１８ｂ 第２の磁場レンズ
６１９ 反射電子検出器
６２０ ウエハ
６２１ ステージ
６２２ マーク
６２３ 中間像
６２４ レンズアレイパワー補正制御回路
６２５ 像

Claims (3)

1. 電磁コイルを備え、第１開口を有する上端側の円周状の磁極と、第２開口を有する下端側の円周状の磁極とを有する第１の磁場レンズと、
   電磁コイルを備え、第３開口を有する上端側の円周状の磁極と、第４開口を有する下端側の円周状の磁極とを有し、光軸方向に沿って前記第１の磁場レンズの下側に配置された第２の磁場レンズと、を有する荷電粒子線装置において、
   前記第１ないし第４の開口は、前記第２開口の半径が最も大きく、前記第３開口の半径が最も小さく、前記第１開口の半径と前記第４開口の半径とが等しく、かつ、前記第１開口の半径と前記第２開口の半径との差の絶対値と前記第３開口の半径と前記第４開口の半径との差の絶対値とが等しくあるように、構成されている、
   ことを特徴とする荷電粒子線装置。
2. 荷電粒子線で基板を露光する露光装置を含む、ことを特徴とする請求項１に記載の荷電粒子線装置。
3. 請求項２に記載の荷電粒子線装置を用いて基板を露光する工程と、
   前記工程で露光された前記基板を現像する工程と、
   を有することを特徴とするデバイス製造方法。

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