JPH0376212A - 電子ビーム露光方法および装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［概要］ 高解像度と狭い焦点深度とを有する電子ビームによる露
光方法と露光装置に関し、 半導体ウェーハ表面に凹凸があったり、半導体ウェーハ
を載置するＸＹステージがＺ方向に変動しても、電子ビ
ームの焦点を半導体ウェーへの表面に正確に合わせるこ
とができる電子ビーム露光方法を提供することを目的と
し、 凹凸を有する表面上に電子ビームレジスト層を鑵えた基
板を準備する工程と、各露光領域内での前記凹凸に関す
るデータと露光すべき図形データとを準備する工程と、
前記凹凸に関するデータに基づき電子ビームの焦点距離
を調整しつつ、図形データに基づいて電子ビーム露光を
行う工程とを有するように構成する。

［産業上の利用分野］ 本発明は、電子ビームによる露光方法と露光装置に関し
、特に高解像度と狭い焦点深度とを有する電子ビームに
よる露光方法と露光装置に関する。

近年、半導体装置の高集積化・微細化に伴い、超微細な
レジストパターンの形成が要求されている。超微細レジ
ストパターンの形成には、光による露光より電子ビーム
（ＥＢ）による露光が有利である。このため電子ビーム
露光装置の開発研究が進められている。

半導体装置は高集積化とともに、多層配線等により表面
上の構造も複雑になっている。このため、平坦な表面上
のみでなく凹凸のある表面上のレジスト層を精度良く露
光する必要がある。

また、半導体ウェーハをＸＹステージに載置し、ＸＹ面
内で移動させつつ、露光を行うと、ＸＹステージにＺ方
向の変動が伴うことがある。このような条件下でもレジ
スト層を精度良く露光する必要がある。

〔従来の技術〕

半導体基板上に半導体装置を形成すると、半導体基板表
面上に何等かの立体構造が形成される。

高集積化に伴う複雑な配線を実現しようとして多層配線
を用いると、基板表面上の凹凸はますます大きなものに
なる。新たなパターンを形成しようとする際には、基準
とする平面よりも高い面や低い面を含む下地表面上に露
光を行わなければならない。

半導体ウェーハを載置するＸＹステージは機械的なａｍ
であり、移動等に件って振動等の位置変動を伴うことは
避けられない。

従来の電子ビーム露光装置においては、これらの露光表
面内の段差やＸＹステージの変動等は特に問題にはなら
なかった。電子ビーム露光装置の焦点深度、露光するパ
ターンの最小線幅がこれらの２方向の変動を十分カバー
する寸法を有していたからである。

ところが、形成されるレジストパターンの寸法がより微
細なものになるにつれ、解像力を向上させるために対物
レンズの開口数（ＮＡ）の増大が行われ、電子ビームの
焦点深度が小さくなってきた。さらに、半導体装置の高
集積化に伴い、基板上に形成される段差のアスペクト比
は大きくなっている。

第２図＜Ａ）、（Ｂ）に従来技術による電子ビーム露光
を示す、基板１の表面は標準となる表面２ｓ、それより
も高くなった表面２ｈ、標準となる表面２ｓよりも低く
なった表面２１１．標準となる表面２ｓとほぼ同等なレ
ベルにある表面２ｍ等の種々のレベルにある表面を有す
る。この上に電子ビームレジスト層３を形成し、電子ビ
ーム露光をすることを考える。従来は、露光領域内で電
子ビームの焦点距離は一定に保たれていた。

第２図（Ａ）に示すように、ｗＡ′？＃となる表面２Ｓ
に焦点を合わせれた電子ビーム４が標準となる表面２Ｓ
上、より高い表面２ｈ上、より低い表面２Ｑ上、標準と
なる表面とほぼ同等なレベルにある表面２ｍ上を照射し
てパターンを形成する。

ここで、より高い表面２ｈ上に照射された電子ビームは
、図に示すように末だ十分集束しない内に下地表面に衝
突する。

また、より低い表面２Ｑ上を照射する電子ビーム４は、
−旦集束をした後、再び発散しつつ発散していく途中で
表面を照射する。これらの場合には、点に集束すべき電
子ビームがスポット状に拡がっている。標準的な表面と
ほぼ同等なレベルにある表面２ｍ上では電子ビームはほ
ぼ最適の焦合状態にある。

これらの露光によって、現＠ｆ＆発生するネガ型パター
ンを第２図（Ｂ）に概略的に示す、標準となる表面２Ｓ
、およびそれとばば同等なレベルにある表面２ｍ上のレ
ジストパターン５ｓ、５ｍはほぼ所望の幅と高さを有す
る。これに対し、高いレベルの表面２ｈ上、および低い
レベルの表面２Ｑ上に形成されたレジストパターン５ｈ
、５Ｑはその幅が拡がったり、レジストパターンの厚さ
が所望の値より小さくなったりする。

電子ビームが照射した部分が除去されるポジ型パターン
の場合は、照射強度が不足すると、パターン寸法が小さ
くなったり、開口となるべき部分が開口とならず残って
しまったりする。

このように、露光面に焦点深度以上の高さ変動がある場
合には、現像後のパターンはその寸法が変化するのみで
なく、パターンの存在そのものも変化する可能性がある
。

［発明が解決しようとする課題］ このように、解像度向上のため電子ビーム露光装置の焦
点深度は高い開口数のため浅くなっている一方、半導体
基板上の凹凸はより大きなものとなる傾向にあり、ＸＹ
ステージの２方向変動も相対的に無視できない大きさを
有するようになった。

半導体基板上の凹凸やステージの変動に伴う高さ方向の
変動が焦点深度を越えると、十分正確な露光を行うこと
が出来ず、場合によっては所望のパターンが形成されな
い。

本発明の目的は、半導体ウェーハ表面に凹凸があったり
、半導体ウェー八をｆｌ置するＸＹステージが２方向に
変動しても、電子ビームの焦点を半導体ウェ一ハの表面
に正確に合わせることができる電子ビーム露光方法を提
供することである。

本発明の他の目的は、上述のような電子ビーム露光方法
を実施するための露光装置を提供することである。

［課題を解決するための手段］ 第１図（Ａ＞、（Ｂ）は本発明の原理説明、図を示す、
第１図（Ａ）において、半導体基板ｌの表面は凹凸を有
する。標準となるレベルにある表面２ｓＬニア′）他、
それよりも高い表面２ｈ、それよりも低い表面２Ｑ、は
ぼｍｓとなる表面と同じレベルになる表面２ｍ等を含む
、これらの凹凸を有する基板表面上に電子ビームレジス
ト層３が形成されている。このような凹凸を有する表面
上のレジスト層を露光する際、凹凸のデータを予め準備
し、電子ビームの焦点距離をｍ調整する。従って、標準
となる表面２ｓを照射する時の電子ビームの焦点距離と
より高い表面２ｈを照射する時の電子ビームの焦点距離
、より低いレベルの表面２９を照射する時の電子ビーム
４Ｑの焦点はそれぞれ興なる。

すなわち、各レベルの表面上を照射する際、電子ビーム
の焦点距離は＠調整され、それぞれの場合に表面で最適
な状態で焦合する。

このように露光された電子ビームレジスト層を現像する
と、第１図（Ｂ）に示すように、どのレベル上のパター
ンも同等の条件で露光されているため、所望の精度を有
するレジストパターン５Ｓ、５ｈ、５９．５ｍが実現さ
れる。

基板表面上の凹凸の場合で説明したが、ＸＹステージが
Ｚ方向に変動する場合も同等の取扱ができることは自明
であろう。

但し、変動が所定の値を越えるような場合には、変動が
大きな間は露光を待機して電子ビームを照射せず、変動
が小さくなってから照射するようにしても良い。

［作用〕 表面に凹凸を有する基板上のレジスト層を露光する際や
、ＸＹステージがＺ方向に変動する際に露光後のレジス
トパターンに所望の精度が得られなかったのは、照射し
ている表面が焦点深度外に外れたことに起因する。従っ
て、表面に凹凸があっても、表面がＺ方向に変動しても
、電子ビームの焦点距離を微調整することにより、常に
表面上に電子ビームが焦合するようにすれば、露光精度
の低下は防止できる。

このようにして、常に高精度の電子ビーム露光を行うこ
とができる。

［実施例］ 以下図面を参照して本発明の詳細な説明する。

第３図（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）は露光用のデータを説明
するための図である。

第３図（Ａ＞に示す図形パターンを、第３図（Ｂ）に示
す断面形状を有する下地上に形成したレジスト層に露光
する場合を説明する。

第３図（Ａ）には、高さの異なる面に露光すべき５つの
パターンが例示されている。各パターンのＸ方向の長さ
をａ、Ｙ方向の長さをｂとし、基準となる点の座標を（
ｘ、ｙ）とする。

露光用のデータとしてデータメモリに第３図（Ｃ）に示
すようなデータを記憶する。すなわち、各パターンの大
きさ（ａｌ　、ｂｌ　）、（ａｌ、ｂｌ）、（ａ３　、
ｂ３　）、〈ａ４、ｂ４）、（ａ５、ｂ５　）とそれぞ
れの基準位置（ｘｌ　、ｙｌ　）、（ｘ２　、ｙ２　）
、（ｘ３　、ｙ３　）、（ｘ４　、ｙ４　）（ｘ５　、
ｙ５　）と共にそれぞれのパターンが存在するレベル（
高さ）も記憶する。すなわち、０、十ｈ、−ｅ、−ｍ、
のレベルが各パターンと関連して記憶される。

これらのレベルは、設計Ｆ’１ｌ１１で製造プロセスを
考慮することによりほぼ算出される値を用いても良いが
、より精度を高めるためには、試作後実際に測定を行っ
て測定したレベルに基づいて作成する。また、露光時に
その場ｌ！京を行って、露光すべき位置のレベルをモニ
タし、データ化しても良い。

第４図は、第３図に示す露光用データを用いて電子ビー
ム露光をを行う電子ビーム露光装置を示す、メモリ１１
は第３図（Ｃ）に示す各パターンの大きさ、位置、レベ
ルを含むデータを記憶するデータメモリを含む、メモリ
１１がらの露光用データはデータ制御部１２に供給され
る。データ制御部１２はレベルに関するデータを扱うレ
ベルデータ制御部１２ａ、図形パターンの大きさと位置
に関するデータを扱う図形データ制御部１２ｂ、および
図形の大きさに基づくタイミングを取り扱うタイミング
データ制御部１２ｃを有する。レベルデータ制御部１２
ａによって取り込まれたレベルデータはＤ／Ａ７Ｒ換器
１３によってアナログ信号に変換され、アンプ１４で増
幅された後、対物レンズ１５に送られ、対物レンズ１５
の焦点距離を調整する６図形データ制御部１２ｂがら供
給された図形データはＤ／Ａ変換器１７によってアナロ
クデータに変換され、アンプ１８を介して電子ビームの
偏向制御を行う電子光学系１９へ供給される。電子光学
系１９では受は取った図形データに基づいて電子ビーム
露光を行う、電子ビーム露光はラスクスキャン、ベクト
ルスキャン等のスポットを操作する方式でも、可変矩形
パターンをショット露光する方式でも構わない。

Ｄ／Ａ変換器１３、アンプ１４、対物レンズ１５が電子
ビームの焦点距離を調整する対物レンズ制御部１６を形
成し、Ｄ／Ａ変換器１７、アンプ１８、電子光学系１９
が図形パターンを露光する電子光学系制御部２０を形成
する。なお、タイミングデータ制御部１２ｃからタイミ
ング制御回路２２に送られたタイミング信号によって、
電子ビーム露光装置の同期が取られている。すなわち、
図形の大きさ等によって定まる露光時間が、タイミング
制御回路２２で定められ、その時間の間たとえば電子ビ
ームのブランキングを解除するように、Ｄ／Ａ変換器１
３．１７を制御する。なお、レベルデータを受は取るＤ
／Ａ変換器１３には電子ビームの基準焦点を設定する設
定値も入力されている。

第４図に示す電子露光装置の動作を第５図のフローチャ
ートに示す、まず、レベル情報を含む露光データを作成
する（ステップＳ１）。

レベルデータは前述のように設計段階で求めても、試作
段階で求めても、その場ＩｌＩ察で求めても良い０次に
メモリへ露光データを転送する（ステップＳ２）、これ
で露光の準備が整ったことになる。

電子ビームレジスト層を鑵えた半導体ウェーハ上に電子
ビーム露光を行うため、ｎ番目の露光データをメモリか
ら読み取る（ステップＳ３）。

読み取ったデータの内からレベルデータを対物レンズ制
御部（第４図の１６）に出力する（ステップＳ４〉、ま
た、読み取ったデータの内から図形データを電子光学系
制御部（第４図の２０）へ出力する（ステップＳ５）、
さらに露光に要する時間を示すクロック数を読取りデー
タから収り出し、タイミング制御部（第４図の２２）へ
出力する（ステップＳ６）。

このタイミング制御部が電子ビームの照射時間（ｔ８）
を設定する（ステップＳ７）。

設定された照射時間に基づき電子ビームのブランキング
を解除しくステップ３８）、ｎ番目のパターンを露光し
くステップＳ９）、ｔＤ経過後、再び電子ビームをブラ
ンキングする（ステップ５１０）。

これでｎ番目のパターンが露光されたので、露光パター
ンが未だ残っているかどうかを調べ（ステップ５１１）
、残っていればｎの数を更新して（ステップ５１２）、
再びパターンの露光を行う。

もし露光パターンが残っていなければ一連の操作を終了
する（ステップ３１３）。

第６図（Ａ）、（Ｂ）に対物レンズの焦点距離の微調整
の方法を例示する。

第６図（Ａ）においては、基準設定値とレベルデータに
基づく微調整値とを加算器２４で加算した後、加算信号
で１つの対物レンズの焦点距離を調節する。

第６図は対物レンズを一定の焦点距離を有する主レンズ
と微調整を行う補助レンズに分けた例を示す、基ｉ１！
設定値を主対物レンズ制御部１６ａに供給して基準値に
設定された焦点距離を有する主レンズを形成し、基準と
なる面からの相対的なレベル変動を示すレベルデータに
基づく微調整値を補助する対物レンズ制御部１６ｂに供
給して焦点距離をｇ＆調節する補助対物レンズを形成す
る。たとえば、主対物レンズは磁界によって焦点距離を
制御するものであり、補助対物レンズは、最終段に配置
され、静電界によって焦点距離を微調整する静電レンズ
である。静電レンズは応答が速いのでウェーハ上の凹凸
等に対応させ迅速に焦点比ＡＩを微調節するのに適して
いる。

以上、主として、可変矩形パターンの電子ビームを露光
する場合について説明したが、マスクスキャンやベクト
ルスキャンで露光を行うこともできる。

露光するパターンが離散的な場合は、図形パターン毎に
レベルデータを準備し、パターン間の移動中に焦点距離
を微調整して、それぞれの図形に合わせた焦点距離で露
光を行えば良い。

連続走査によって高さの異なる領域を続けて操作しよう
とする場合は、段差部で焦点距離を調整する必要がある
。連続的に段差部を越えて走査を行う場合には、段差部
分で走査を遅くし、焦点距離を調節するのが好ましい。

より好ましくは、高さによってデータを分類して複数の
組とし、各組毎に焦点距離を微調整し、同一の組内では
一定の焦点距離で露光する。

レベル毎にデータを分類する手法および対物レンズの最
終段を静電レンズで構成する手法は、可変矩形のショッ
ト露光にも当然適応でき、露光時間の短縮に有効である
。

以上、半導体ウェーハの表面自身に凹凸がある場合を説
明したが、半導体ウェーハを載置するステージが上下に
変動する場合もある。この場合も、電子ビームにとって
露光すべき面が変化することに関しては同様であり、同
様の解決手段を講じることができる。但し、ステージの
上下変動はパターンと関連している訳ではなく、独立に
生じる。

第７図はステージの上下変動を検出するステージセンサ
を示す、レーザ３４から発したレーザ光３５がＸＹステ
ージ３６下面に設けられたミラー３７に当り反射し、反
射光３８を形成する。入射光３５の１部と反射光３８を
検出器３９で検出することにより、干渉によってミラー
３７の位置、ずなわちＸＹステージ３６の２方向位置を
モニタする。このようにして得たレベルデータに基づき
対物レンズの焦点距離を調整すれば、ＸＹステージ３６
がＺ方向に変位しても適正な露光を行うことができる。

第８図はステージのＺ方向モニタを行う本発明の他の実
施例を示す４図中、今までの実施例で説明した番号と同
等の番号は同等の部品または要素を示す、ＸＹステージ
３６の高さをモニタするステージセンサ部４０からＸＹ
ステージのレベルに関する情報がステージ信号処理部４
１に送られる。

これにより、ＸＹステージ３６のレベルを知ることがで
きる。

ところで、ＸＹステージ３６のＺ方向変動は、振動成分
を有する。すなわち、機械的構成部分であるＸＹステー
ジは、特有の低周波の固有振動数を有する振動を示す。

第９図にステージのＺ方向振動の例を示す。ここで、振
動の変位が時間軸を同方向に切る点ｔ１、ｔ２の間の距
離、すなわち周期はほぼ一定のらのとなる。従って、初
期の変動の様子を測定すれば、所定の周期および減衰特
性を考慮して、その後の変動を予測することができる。

ステージ信号処理部４１はモニタしたＸＹステージ３６
の２方向変動と、上に述べた変動周期や減衰特性に基づ
いてステージのその後の変動を予測し、対物レンズ制御
部１６および電子光学系制御部２０を制御する。すなわ
ち、制御が間に合う場合には、対物レンズ制御部１６を
制御して対物レンズの焦点距離を調整し、適正な露光を
行う。

変動が大きかったり速すぎたりして調整が不可能か困難
である場合には、電子光学系制御部を介して電子ビーム
をブランキングし、露光待ちを行う。

ＸＹステージ３６のレベルモニタにより、制御できる範
囲内に変動が治まった時に露光を再開する。

以上、実施例に沿って本発明を説明したが、本発明は実
施例に制限されるものではない、たとえば種々の変更、
改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろ
う。

［発明の効果］ 以上説明したように、本発明によれば、電子ビームの焦
点深度が浅くなる傾向にあり、高解像度を宥するにもか
かわらず、表面の凹凸やステージの上下変動等により露
光精度が低下することを、電子ビームの焦点距離をｍ調
整することによって防止する。

露光すべき表面が電子ビームに対して変動しても、電子
ビームがそれに追随して調整を行うので高精度の露光が
行える。

【図面の簡単な説明】

第１図（Ａ）、（Ｂ）は本発明の原理説明図であり、第
１図（Ａ）は露光工程を説明する概略断面図、第１図（
Ｂ）は現像工程後を説明する概略断面図、 第２図（Ａ＞、（Ｂ）は従来技術を説明する図であり、
第２図（Ａ）は露光工程を説明する概略断面図、第２図
（Ｂ）は現像工程後を説明する概略断面図、 第３図（Ａ＞、（Ｂ）、（Ｃ）は露光用データを説明す
る図であり、第３図（Ａ）は図形パターンを示す平面図
、第３図（Ｂ）は下地の凹凸を示す断面図、第３図（Ｃ
）はデータメモリのテーブルを示す線図、 第４図は本発明の実施例による電子ビーム露光装置を示
すブロック図、 第５図は第４図に示す電子ビーム露光装置の露光動作を
説明するためのフローチャート、第６図（Ａ＞、（Ｂ）
は対物レンズの焦点距離の微調整の２つの方式を示す線
図、 第７図は本発明のステージセンサを示すブロック図、 第８図は第７図のステージセンサを用いた本発明の他の
実施例による電子ビーム露光装置を示すブロック図、 第９図はＸＹステージの変動を説明するための線図であ
る。 図において、 １　　　　　　基板 １ ２ ６ ６ａ ６ｂ ０ ４ ２ ４ ６ ７ ０ １ 表面 電子ビームレジスト層 電子ビーム レジストパターン メモリ データ制御部 対物レンズ制御部 主対物レンズ制御部 補助対物レンズ制御部 電子光学系制御部 加算器 補助対物レンズ レーザ ＸＹステージ ミラー ステージセンサ部 ステージ信号処理部

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. （１）、凹凸を有する表面（２ｓ、２ｈ、２ｌ、２ｍ）
   上に電子ビームレジスト層（３）を鑵えた基板（１）を
   準備する工程と、 各露光領域内での前記凹凸に関するデータと露光すべき
   図形データとを準備する工程と、前記凹凸に関するデー
   タに基づき電子ビーム（４ｓ、４ｈ、４ｌ、４ｍ）の焦
   点距離を調整しつつ、図形データに基づいて電子ビーム
   露光を行う工程と を有する電子ビーム露光方法。
2. （２）、前記凹凸に関するデータを準備する工程が基板
   表面高さを複数の組に分類することを含み、前記露光工
   程が１つの基板表面高さの組の図形データをまとめて露
   光し、次に異なる基板表面高さの組の図形データをまと
   めて露光する工程を含む請求項１記載の電子ビーム露光
   方法。
3. （３）、前記電子ビーム露光工程において、、前記基板
   の該基板面とは垂直な方向への位置変動をモニタし、変
   動が規定値を越えた場合に、電子ビームの焦点補正ない
   し露光待機を行うことを特徴とする請求項１ないし２記
   載の電子ビーム露光方法。
4. （４）、凹凸面を有する基板を載置し、該基板面と平行
   な方向に移動可能なステージと、 該凹凸の高さと位置に関するデータを保持するデータ保
   持手段と、 電子ビーム源と、 該電子ビーム源が発生する電子ビームを集束させて前記
   基板面に送出する対物レンズと、前記データ保持手段が
   保持するデータに従い、該対物レンズの焦点距離を該基
   板面に合せる焦点距離制御手段とを有し、 前記基板面の凹凸に応じて焦点距離を合せ直しながら、
   該基板を電子ビーム露光する電子ビーム露光装置。
5. （５）、前記焦点距離制御手段が、 主制御信号を発生し、対物レンズの焦点距離を設定する
   主焦点距離制御手段と、 補助制御信号を発生し、対物レンズの焦点距離を微調整
   する補助焦点距離制御手段と を有することを特徴とする請求項４記載の電子ビーム露
   光装置。
6. （６）、前記対物レンズが、 前記主制御信号によって焦点調整される主対物レンズと
   、 前記補助制御信号によつて焦点調整される補助対物レン
   ズと を含む請求項５記載の電子ビーム露光装置。
7. （７）、前記基板の該基板面とは垂直な方向への位置変
   動をモニタし、変動が規定値を越えた場合に、電子ビー
   ムの焦点補正ないし露光待機を行う信号を送出するモニ
   タ手段を有することを特徴とする請求項４ないし５記載
   の電子ビーム露光装置。