JP5117069B2

JP5117069B2 - 露光装置、及びデバイス製造方法

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Publication number: JP5117069B2
Application number: JP2007044651A
Authority: JP
Inventors: 進後藤; 理上村
Original assignee: Hitachi High Technologies Corp; Canon Inc
Current assignee: Canon Inc; Hitachi High Tech Corp
Priority date: 2007-02-23
Filing date: 2007-02-23
Publication date: 2013-01-09
Anticipated expiration: 2027-02-23
Also published as: JP2008210897A

Description

本発明は、電子線で試料を露光する露光装置、及びデバイス製造方法に関する。

一般に、特定の間隔で２次元的に配列された複数の電子線を用いるマルチビーム方式の電子線描画装置である露光装置においては、各電子線の光学調整が重要な技術の１つである。
従来においては、「ジャーナル・オブ・ヴァキューム・サイエンス・アンド・テクノロジー、１８巻６号（２０００年）、３０６１〜３０６６頁」（非特許文献１）により電子ビームを位置的に調整する方法が提案されている。
即ち、マルチビームが各々独立に制御できる正方格子状に配置された偏向器とレンズを有し、試料上でのマルチビームの平面方向の位置を電気的に移動することにより、マルチビームの各電子ビームを特定の位置に調整するという位置調整の方法である。

マルチビーム方式の電子線描画装置では、形成されたマルチビームを、２段の磁界レンズからなる対称型磁気ダブレット光学系により試料上に結像する。この際に全ての電子ビームは、２段の磁界レンズの間にあるブランキング絞りを通過する。
電子ビームのオンオフは、ブランカーアレイにより個々のビームを偏向し、ブランキング絞り上で遮断・非遮断を制御することにより行われる。
しかしながら、対称型磁気ダブレット光学系の１段目の磁界レンズに生じる球面収差により、全ての電子ビームが必ずしもブランキング絞り上に集束するとは限らない。
これは、マルチビーム方式では、画角が大きいために磁界レンズの幾何収差（主に球面収差）が顕著に現れるためであり、その影響は軸外のランディング角の劣化の原因となる。

従来、例えば、特開２００６−５０３４号公報（特許文献１）により、分割露光転写方式の荷電粒子線露光装置において、簡単な手法により、照明光学系からのレチクルへの照明光のランディング角を調整するという調整方法が提案されている。
しかし、マルチビームが試料面に対して垂直になるようにランディング角を高精度に調整する方法が求められている。
ジャーナル・オブ・ヴァキューム・サイエンス・アンド・テクノロジー、１８巻６号（２０００年）、３０６１〜３０６６頁特開２００６−５０３４号公報

そこで、本発明は、マルチビームが試料面に対して垂直になるように調整することができる露光装置、及びその露光装置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。

上記課題を解決するために本発明は、電子源から放出された電子線から平行ビームを形成する集束レンズと、前記平行ビームからマルチビームを形成するアパーチャアレイと、前記マルチビームを個別に偏向するブランカーアレイと、前記マルチビームを個別に偏向するマルチアライナーと、前記マルチビームを一括して偏向する一括偏向器と、前記マルチビームのうち前記ブランカーアレイにより偏向されたビームを遮断するブランキング絞りと、ダブレットレンズを含み、前記マルチビームを試料面に結像させる電子光学系と、を有し、前記マルチビームで前記試料面を露光する露光装置において、前記マルチビームのうち前記電子光学系の光軸により近い基準ビームを含む２本のビームが前記ブランキング絞りに入るように前記ブランカーアレイを制御し、前記ブランキング絞りに入る前記２本のビームにより前記ブランキング絞りを介して検出される電流の変化から前記ブランキング絞りに入る前記２本のビームの半値幅の検出を行い、前記２本のビームのうち前記基準ビームとは異なるビームを前記マルチアライナーで偏向して前記検出により得られる前記半値幅が、前記マルチアライナーによる偏向量の増大にともなって、該増大の前の半値幅から減少した後に該増大の前の半値幅に戻ったところの偏向量として、前記マルチアライナーによる前記偏向量を設定する、ことを特徴とする。

本発明によれば、マルチビームが試料面に対して垂直になるように調整することができる露光装置、及びその露光装置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は、対称型ダブレット光学系の磁界レンズの幾何収差（主に球面収差）による試料面上でのランディング角の劣化を説明する説明図である。以下、図１に基づいて、一般的なランディング角の劣化について説明する。
通常、対称型磁気ダブレットレンズの配置は、図１に示すように第１、第２の磁界レンズを各レンズの設定焦点距離によってレンズの光軸方向の配置に決定される。
そのような対称型磁気ダブレットレンズにおいて、物面より光軸と平行に射出された電子線は、第１の磁界レンズ（第１レンズ）によりダブレット光学系の瞳面上に配置された絞り位置で光軸をクロスする。
絞り位置で光軸がクロスされた電子線（光線４）は、第２の磁界レンズ（第２レンズ）に入射し、像面上に対して垂直ランディング条件を満足するように射出される。

しかしながら、各磁界レンズ（第１及び第２レンズ）は幾何収差（主に球面収差）を持っているために、ブランキング絞り位置で電子線は光軸と交差しない（クロスオーバ位置）。その結果、電子線（光線１）は像面においてランディング角が垂直にならない。
ランディング角が垂直条件を満足しないと、ダブレットレンズの幾何収差が増大して、解像性能が劣化するという問題がある。

次に、図１、図２を用いて磁界レンズの球面収差とランディング角の関係を説明する。図２は、マルチアライナーの偏向角とランディング角の関係を説明する説明図である。
図２に示したランディング角の値は０．０ｍｒａｄで垂直ランディングを示す。まず図１に示すように、物面から光軸の周辺から光軸に平行に射出された光線４が第１の磁界レンズ（第１レンズ）により絞り上の位置で集束するようにレンズ強度を設定する。
しかしながら、光軸からの離軸距離が大きい光線１は第１の磁界レンズ（第１レンズ）の球面収差により、光線１と光軸とのクロスポイントが絞り面から下記の数式１で示される距離だけ物面側に動く。
その結果、図中に示すように像面上でのランディング角が垂直にならず、そのクロスポイントのずれ量：ΔＺ１は、下記の数式１の計算で求めることができる。
ΔＺ１＝（３／４）Ｃｓ１×α^２（数式１）
Ｃｓ１：第１の磁界レンズの球面収差係数
α ：クロスポイントにおける電子線の集束半角

また、物面上の射出角の調整により、光線１をΔＺ１だけ物面側に調整して、光線２のように絞り面上に設定することが可能であるが、第２の磁界レンズ（第２レンズ）の球面収差により、像面上でのランディング角が垂直ならずに、調整は不十分である。
ランディング角を垂直に設定するためには、第２の磁界レンズ（第２レンズ）の球面収差によるランディング角の変化も補正する必要がある。
第１及び第２の磁界レンズの球面収差によるランディング角の変化を補正するための光軸と光線とのクロスポイントの全補正量は、下記の数式２の計算で求めることができる。
ΔＺ１＋ΔＺ２＝（３／４）（Ｃｓ１＋Ｃｓ２）×α^２（数式２）
Ｃｓ２：第２の磁界レンズの球面収差係数

一方、大画角を有する電子線露光装置の光学系には、一般的に磁気ダブレットレンズが用いられ、磁界レンズの構成として、対称型磁気ダブレットレンズが用いられる。
この種の対称型磁気ダブレットレンズを構成する２段の磁気レンズの磁極形状は設定倍率の比で相似形になるように決定される。その場合の第１及び第２の磁界レンズ（第１及び第２レンズ）の球面収差係数は等しい値となる。
従って前述（数式２に基づく）の補正量は、下記の数式３の計算で求めることも可能である。
ΔＺ１＋ΔＺ２＝２（３／４）Ｃｓ１×α^２（数式３）

物面での射出角と像面上でのランディング角の関係を数値計算した結果は図２に示すように明確な値を示す。
ランディング角が垂直（図２では０ｍｒａｄ）になる条件は、前述したように、第１、第２の投影レンズの球面収差による影響を補正した条件（光線１から光線３へ）であることが分かる。

次に、本発明の実施例に係る露光装置について説明する。図３は、実施例の露光装置の要部構成を説明する説明図であり、図４は、電子光学系を構成する上段のダブレットレンズを説明する説明図である。
電子銃（電子源）１１０から放出された電子線１１１は、集束レンズ１１２を通して基板に複数の開口の空いたアパーチャアレイ１１３を照射し、その後段にあるレンズアレイ１１４によりポイントビームの中間像に結像される。
尚、集束レンズ１１２は、磁界レンズ制御回路２０２により電圧が供給されてその動作が制御される。集束レンズ１１２は、電子源１１０から放出された電子線が通過することにより電子線を平行ビームに形成する。
また、アパーチャアレイ１１３は、集束レンズ１１２により形成された平行ビームが通過することによりマルチビームを形成する。

電子線１１１は、個別にオンオフ用偏向が可能なブランカーアレイ１１５と、個別にアライメント用偏向が可能な２段の静電偏向器で構成されたマルチアライナー１１６、１１７とを通過する。
ブランカーアレイ１１５は、マルチビームが個別に通過することにより、上記オンオフ用偏向を行ってマルチビームの遮断、非遮断を制御する。
マルチアライナー１１６、１１７は、２段に配置される偏向器で構成されるものであり、マルチビームが個別に通過することにより、マルチビームを個別にアライメント用偏向を行う。
前記マルチアライナー１１６，１１７は、ブランキング絞りに流入されるマルチビームの電流を検出し、試料面１２８に対してマルチビームのランディング角が垂直になるように調整する。

一方、レンズアレイ（静電レンズ）１１４は、基板に複数の開口の空いたレンズアレイ用アパーチャアレイを３枚組み合わせたもので（図示せず）、中間の基板に電圧を加えることで静電レンズの作用を起こす。
このようにして形成されたマルチポイントビームは、第１の磁界レンズ１１８と第２の磁界レンズ１２１からなる上段のダブレットレンズ１３０により縮小されて中間像面１２２上に結像される。
中間像はその下流にある２段の磁界レンズ１２３、１２７で構成された下段のダブレットレンズ１３１で試料面１２８に中間像面１２２上のマルチビームのスポット像を縮小投影する。

図３に示す磁界レンズ制御回路２１０は、磁界レンズ１２３に特定の電圧を供給してその動作を制御する。図３に示す磁界レンズ制御回路２１２は、磁界レンズ１２７に特定の電圧を供給してその動作を制御する。
一方、試料面１２８上に縮小投影されたマルチビームのスポット像は偏向器１２５で試料面上を走査することで特定のパターンを露光する。
尚、上段の対称型磁気ダブレット光学系１３０、及び下段の対称型磁気ダブレット光学系１３１により、マルチビームを個々に試料面１２８に結像させる電子光学系が構成される。

また、マルチアライナー１１６、１１７は、マルチアライナー制御回路２０５により制御され、対称型磁気ダブレット光学系１３０は、レンズ制御回路２０６、２０９により駆動され、偏向器１２５は、偏向制御回路２１１によって駆動される。
静電レンズ制御回路２０３は、静電レンズ１１４に特定の電圧を供給してその動作を制御する。ブランカーアレイ制御回路２０４は、ランカーアレイ１１５に特定の電圧を供給してその動作を制御する。
これらの設定値もデータ制御回路２０１から与えられる情報により決められる。尚、実施例においては、例えば１０２４本のマルチビームを形成する。このために、開口はそれぞれ１０２４個以上形成される。

一方、対称型磁気ダブレット光学系１３０、１３１には、各レンズ系の瞳面の位置に絞り１２０、１２６が配置されている。上段の絞り１２０はブランカーアレイ１１５によって各ビームのＯＮ・ＯＦＦ情報に基づいてマルチビームを偏向する。
即ち、ＯＦＦ情報に対応するビームは絞り１２０上に照射され、ビームのＯＦＦ状態に設定することができる。以下この絞り１２０のことをブランキング絞りと言う。
ブランキング絞り１２０に流入するビーム電流は電流制御回路２０８に送られ、吸収電子情報が得られる。
対称型磁気ダブレット光学系１３０を構成している上段の磁界レンズ１１８の周辺には、絞り面でのマルチビームの走査像を得るため、かつマルチビームを一括して偏向するための一括偏向器１１９が配置されており、マルチビームを一括して走査することができる。
尚、一括偏向器１１９は、偏向制御回路２０７により特定の電圧が供給されてその動作が制御される。

図１で示される対称型磁気ダブレット光学系の磁界レンズの球面収差によるランディング角の変化の様子が図４に示される本発明の実施例の露光装置において示される。
図４に示すように、磁界レンズの強度の設定は、収差量の小さい光軸に近い電子線１３４、１３５を用いて、ブランキング絞り上に集束するように磁界レンズ１１８の強度を設定することで行われる。
上段の対称型磁気ダブレット光学系１３０にマルチアライナー１１６，１１７で物面１２９での射出角を補正する前の軌道が実線で示す。この場合は前述したように中間像面１２２でのランディング角が垂直条件にはならない。下段の対称型磁気ダブレット光学系１３１の系においても同様である。

そこで図１で説明したように、光線（電子線）１３２の光軸とのクロスポイントの位置１３６を磁界レンズ１１８の球面収差の縦収差分の２倍の距離だけ中間像面側に設定すると電子線１３２から電子線１３３になる。
また、光軸とのクロスポイントは図４の１３６から１３７に移動し、中間像面１２２に対するランディングリング角は垂直になる。
電子線１３３のように偏向するのはマルチアライナー１１６、１１７で制御することができる。
一括偏向器１１９によってブランキング絞りの面上を走査し、ブランキング絞りに流入するマルチビームの電流の波形の半値幅により、マルチアライナー１１６，１１７が調整するアライメント偏向の偏向角を決定する。
また、マルチアライナー１１６，１１７のアライメント偏向の偏向角は、マルチビームの光軸からの距離の二乗に比例する値に設定する。詳しくは後述する。

次に、電子線をブランキング絞りの周辺の特定の位置に設定する方法について図５を用いて説明する。図５は、ブランキング絞りに至る偏向調整の構成を説明する説明図である。
例えば磁界レンズ１１８の強度は前述したように、光軸の周辺の電子線１３４、１３５をブランキング絞り面に集束させる。その条件でのレンズ強度に第１の磁界レンズ（第１レンズ：図１参照）を設定する。
マルチビームの電子線（最軸外ビーム）１３２と光軸の周辺の電子線１３４をマルチブランカーでＯＮして、偏向器１１９でブランキング絞り１２０上を走査する。
ブランキング絞り１２０に流入した電流を電子線検出回路(電流制御回路)２０８において微分処理及び信号増幅してデータ制御回路（図３参照）２０１に伝送する。

電子線検出回路２０８の出力信号波形の状態を図６に示す。マルチアライナー（図１参照）１１６、１１７で補正する前の信号は図６（ａ）に示す通りである。
この状態は図４に示した電子線１３２と１３４の軌道の電子であり、ブランキング絞りでは、主に球面収差のために２本の電子線に位置のずれが生じるために、２つのピークを持った波形となる。
次にマルチアライナー１１６、１１７で電子線１３４を偏向し、ブランキング絞り１２０上で光軸と交差する位置に設定すると、電子線のブランキング絞りの流入電子の波形は図６（ｂ）に示すような波形になる。
さらにマルチアライナー１１６、１１７で偏向量を大きくして、前述の光軸とのクロスポイントを１３７の位置（図４参照）に設定すると、検出波形は図６（ｃ）に示すように、初期の波形（図６（ａ））を反転させた波形（図６（ｃ））となる。
その波形の半値幅Ｄ２は図６（ａ）の半値幅Ｄ１と等しくなる。マルチアライナー１１６、１１７の電圧値をこの設定値に対応させることで前述した中間像面でのランディング角が垂直となる状態を得る。

下段のダブレットレンズ１３１に対する調整も同様の操作をすることで試料面１２８上で垂直になる条件に設定することができる。
下段のダブレットレンズ１３１の２段の磁気レンズは絞り１２６上の電子線の集束角が上段ダブレットレンズでの集束角に比べ、かなり小さな値であるために、ここでの球面収差によるランディング角の変化量は非常に小さな値である。
従って、絞り１２６上の電子線の集束角の補正は、上段のダブレットレンズ１３０での補正で十分である。
以上の説明は、光軸の周辺の電子線と最軸外の電子線を用いて、マルチアライナー１１６、１１７の例えば電圧値を設定する方法について詳述した。

次に、ＯＮ状態の他の電子線に対するマルチアライナー１１６、１１７の動作条件の決定方法について説明する。
ブランキング絞り１２０における電子線の入射角（図１中のα）は電子線の光軸との離軸距離Ｈに比例する。従って（数３）に示した補正量は、下記の数４を計算することで求めることができる。
ΔＺ１＋ΔＺ２＝２（３／４）Ｃｓ１×（Ｈ／Ｆ１）^２（数式４）
Ｈ：離軸距離

即ち、ランディング角のクロスポイントに対するずれ量の補正値は、離軸距離Ｈの二乗に比例した関係にある。
従って、前述した最外の電子線に対するマルチアライナー１１６、１１７のＸ方向、Ｙ方向の動作電圧Ｖｘ、Ｖｙは、下記の数５を計算することで求めることができる。

Ｖｘ＝Ｖｘｍａｘ×（Ｘ^２＋Ｙ^２）／（Ｘｍａｘ^２＋Ｙｍａｘ^２）×ｃｏｓθ
Ｖｙ＝Ｖｙｍａｘ×（Ｘ^２＋Ｙ^２）／（Ｘｍａｘ^２＋Ｙｍａｘ^２）×ｓｉｎθ （数式５）
Ｘｍａｘ：マルチビームのＸ座標の最大離軸距離
Ｙｍａｘ：マルチビームのＹ座標の最大離軸距離
Ｖｘｍａｘ：最大離軸距離の電子線のＸ方向マルチアライナー１１６、１１７の補正電圧
Ｖｙｍａｘ：最大離軸距離の電子線のＹ方向マルチアライナー１１６、１１７の補正電圧
Ｘ：マルチビームのマルチブランカー面でのＸ座標
Ｙ：マルチビームのマルチブランカー面でのＹ座標
θ ：マルチビームのマルチブランカー面でのＸ軸に対する角度

以上のように、数５を計算することで、マルチビームに対するマルチアライナー１１６、１１７の動作電圧を決定することができる。
従って、実施例の露光装置においては、マルチビームが試料面に対して垂直になるようにランディング角を高精度に調整することができ、その結果、解像性能が向上してマルチビームによる露光処理の信頼性を向上させることができる。
尚、実施例の露光装置は、荷電粒子線として、電子ビームや、イオンビームを適用する露光装置として利用することが可能である。

（デバイス製造方法の実施例）
次に、図７及び図８を参照して、上述の露光装置を利用したデバイス製造方法の実施例を説明する。
図７は、デバイス（例えばＩＣやＬＳＩなどの半導体チップ、ＬＣＤ、ＣＣＤ）の製造を説明するためのフローチャートである。ここでは、半導体チップの製造方法を例に説明する。
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（マスク製作）では設計した回路パターンに基づいてマスクを製作する。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、マスクとウエハを用いて、上記の露光装置により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。
ステップ５（組立）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）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、それが出荷（ステップ７）される。

図８は、上記ステップ４の上はプロセスの詳細なフローチャートである。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、ウエハの表面に絶縁膜を形成する。
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、上述の露光装置によってマスクの回路パターンをウエハに露光する。
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。

実施例のデバイス製造方法においては、マルチビームが試料面に対して垂直になるようにランディング角を高精度に調整することができる上記露光装置を用いるため、デバイス製造の信頼性を向上させることができる。

対称型磁気ダブレット光学系の磁界レンズの幾何収差（主に球面収差）による試料面上でのランディング角の劣化を説明する説明図である。マルチアライナーの偏向角とランディング角の関係を説明する説明図である。本発明の実施例における露光装置の要部構成を説明する説明図である。本発明の実施例における電子光学系を構成する上段のダブレットレンズを説明する説明図である。本発明の実施例におけるブランキング絞りに至る偏向調整（ランディング角調整）の構成を説明する説明図である。（ａ）は、マルチアライナーで補正する前の信号波形を説明する説明図である。（ｂ）は、電子線のブランキング絞りの流入電子の信号波形を説明する説明図である。（ｃ）は、ブランキング絞りでの電流の検出信号の波形を説明する説明図である。上記露光装置を使用したデバイス製造方法を説明するためのフローチャートである。図７に示すフローチャートのステップ４のウエハプロセスの詳細なフローチャートである。

符号の説明

１１０電子銃（電子源）１１１電子線
１１２集束レンズ１１３アパーチャアレイ
１１４レンズアレイ（静電レンズ）１１５ブランカーアレイ
１１６、１１７マルチアライナー
１１８第１の磁界レンズ１１９一括偏向器
１２０ブランキング絞り１２１第２の磁界レンズ
１２２中間像面１２３磁界レンズ
１２５偏向器１２６絞り
１２７磁界レンズ１２８試料面
１２９物面１３０上段ダブレット
１３１下段ダブレット
１３２，１３３，１３４，１３５電子線
１３６クロスポイント１３７クロスポイント
２０１データ制御回路２０２磁界レンズ制御回路
２０３静電レンズ制御回路
２０４ブランカーアレイ制御回路
２０５マルチアライナー制御回路
２０６レンズ制御回路２０７偏向制御回路
２０８電流制御回路２０９レンズ制御回路
２１０磁界レンズ制御回路
２１１偏向制御回路２１２磁界レンズ制御回路
Ｄ１，Ｄ２半値幅Ｈ離軸距離

Claims

電子源から放出された電子線から平行ビームを形成する集束レンズと、
前記平行ビームからマルチビームを形成するアパーチャアレイと、
前記マルチビームを個別に偏向するブランカーアレイと、
前記マルチビームを個別に偏向するマルチアライナーと、
前記マルチビームを一括して偏向する一括偏向器と、
前記マルチビームのうち前記ブランカーアレイにより偏向されたビームを遮断するブランキング絞りと、
ダブレットレンズを含み、前記マルチビームを試料面に結像させる電子光学系と、
を有し、前記マルチビームで前記試料面を露光する露光装置において、
前記マルチビームのうち前記電子光学系の光軸により近い基準ビームを含む２本のビームが前記ブランキング絞りに入るように前記ブランカーアレイを制御し、前記ブランキング絞りに入る前記２本のビームにより前記ブランキング絞りを介して検出される電流の変化から前記ブランキング絞りに入る前記２本のビームの半値幅の検出を行い、前記２本のビームのうち前記基準ビームとは異なるビームを前記マルチアライナーで偏向して前記検出により得られる前記半値幅が、前記マルチアライナーによる偏向量の増大にともなって、該増大の前の半値幅から減少した後に該増大の前の半値幅に戻ったところの偏向量として、前記マルチアライナーによる前記偏向量を設定する、ことを特徴とする露光装置。
前記マルチビームのうち前記２本のビームとは異なるビームに対しては、該ビームの前記光軸からの距離の二乗に比例する値に前記マルチアライナーによる前記偏向量を設定する、ことを特徴とする請求項１に記載の露光装置。
請求項１又は請求項２に記載の露光装置を用いてウエハを露光する工程と、
前記工程で露光されたウエハを現像する工程と、
を有する、ことを特徴とするデバイス製造方法。