JPH04137520A - 電子線描画装置および描画方法 - Google Patents

電子線描画装置および描画方法

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JPH04137520A
JPH04137520A JP2256899A JP25689990A JPH04137520A JP H04137520 A JPH04137520 A JP H04137520A JP 2256899 A JP2256899 A JP 2256899A JP 25689990 A JP25689990 A JP 25689990A JP H04137520 A JPH04137520 A JP H04137520A
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aperture
electron beam
pattern
beam lithography
lithography apparatus
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Yoshinori Nakayama
義則 中山
Shinji Okazaki
信次 岡崎
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Hitachi Ltd
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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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、ＬＳＩ製造プロセスにおける電子線リソグラ
フィ技術に係り、微細かつ高集積な素子の製造を目的と
した描画装置および描画方法に関する。
〔従来の技術〕 半導体メモリ素子を始めとする高集積素子は、ますます
その微細化と高集積化が進んでいる。これに伴いその作
製技術、特に、リソグラフィ技術での技術革新には目を
見張るものがある。最近の高集積素子の最小加工寸法は
、サブミクロンの領域に入ってきており、これに応える
リソグラフィ技術として電子線描画技術がある。この電
子線描画技術は、光学式等地のリングラフィ技術にくら
△微細なパターンが形成できるという特長がある。
その代表的な例が、特開昭５９−１６９１３］号公報に
開示されている。従来の電子線描画装置は、第１０図に
示したように、電子線を発生する電子銃１と、このビー
ムを矩形状に成形する２つのアパーチャ２，２６および
成形レンズ３，５．偏向器２７、縮小レンズ１１．対物
レンズ１２により構成されている。電子銃１で発生した
電子は、第１の矩形アパーチャ２で成形された均一な電
流分布をもつ矩形電子ビームを二つの成形レンズ３，５
により第２のアパーチャ２６上に結像される。この第２
の矩形若しくは任意形状のアパーチャにより成形された
電子線は、縮小レンズ１１．対物レンズ１２を通して試
料上に結像され、試料１３上のレジストを感光させる。
〔発明が解決しようとする課題〕
上記従来の電子線描画装置および描画方法では、高集積
素子パターンにみられるようなパターン密度の変化の多
い描画に対して十分な配慮がなされていなかった。描画
の際に、電子線をレジストに入射させた場合、レジスト
中の電子の前方散乱と基板表面からの反射による後方散
乱が引き起こす近接効果が起こる。このために、設計寸
法が同じパターンでも１周囲に配置されるパターン密度
の影響や基板材質によって現像後の寸法が異なるという
問題や同じパターンを繰り返し描画する場合でも、その
パターンの中央部と端部では、現像後の寸法が異なると
いう問題があった。これに対し、従来法では、寸法の大
きさに応じて電子線照射時間を変化させたり、パターン
密度に応じて電子線照射時間を変えるなど、描画をする
際のパターンデータのパラメータを操作して対応してい
た。しかにの方法では、パターンデータの増大を余儀な
くされてしまうためパターン準備時間及び、描画時間が
膨大なものになっていた。
また、上記従来の電子線描画装置では、開口面積の大き
なパターンを描画する場合、透過電子線量が大きくなる
。このため、電子光学系において結像位置が試料面から
ずれる空間電荷効果が生じる。従って、従来法では大き
なパターンを描画する場合には、上記の影響のない大き
さにパターンを分割しなければならなかった。
本発明の目的は、パターンの密度や基板材料の影響を考
慮した描画ができ、また、大きなパターンでも分割の少
ない描画を可能にする電子線描画装置および描画方法を
提供することにある。
〔課題を解決するための手段〕
上記目的は、試料上に結像されるビーム面内において電
流密度分布を設けることによって実現さ九る。ビーム面
内において電流密度分布を設ける手段としては、（ａ）
アパーチャ板内の開口パタ−ンに解像分解能より微少な
寸法の格子状遮蔽物を開口パターンの全面あるいは特定
領域に配置させる、（ｂ）アパーチャ板内の開口パター
ンに配置させた解像分解能より微少な寸法の格子状遮蔽
物の格子ピッチの粗密を設けることにより行う。
〔作用〕
本発明によれば、近接効果補正、空間電荷補正を簡単に
得ることができる。
以下に本発明の原理を示す。
第４図（ｂ）に示すパターン４０を描画する場合を例に
すると、従来法では、第３図に示したアパーチャ３９に
より繰返し露光する。この場合、パターンの中央部と端
部のレジスト内における蓄積エネルギーは、電子線の前
方散乱と基板からの反射による後方散乱により、第４図
（ｂ）に示すように分布を持ってしまう。この分布は、
電子線の加速電圧と基板の材料によって変化する。レジ
スト内における蓄積エネルギーは、照射電流密度と照射
時間の積で与えられる。照射電流密度はビーム内で均一
である従来の装置では、照射時間を制御することにより
上記問題を解決することができる。しかしながら、パタ
ーン−つ一つに描画時間を設定することは、事実上無理
である。
また、第６図に示すように、ビーム寸法の大きさすなわ
ち透過電流量が変化すると、それに応じて電子光学系の
焦点位置が変化する。このため、小さなパターンで焦点
をあわせると大きなパターンではボケが生じるという問
題があり、結局、小さなパターンに分割して描画せざる
を得ないという欠点があった。
そこで、本発明では、第２図の示すようにアパーチャ２
９に解像分解能より微少な寸法の格子状遮蔽物を開口パ
ターンの全面あるいは特定領域に配置させたり格子状遮
蔽物の格子ピッチの粗密を設ける。このアパーチャを透
過する電子線の電流密度は、ある面内分布を有する。こ
こで、基板材料やパターン構成等を考慮した電流面内分
布を想定し、上記アパーチャ２９でその電流面内分布を
実現することにより上記間層を解決できる。ここで、ア
パーチャ３０，３１，３２，３３，３４゜３５はそれぞ
れ面内均一な透過率を有するアパーチャで、その透過率
は、それぞれ１００％、９０％、８０％、７０％、６０
％、５０％となッテイる。これらのアパーチャを適宜選
択することにより、電子銃からの電流密度と照射時間を
変えることなく、ウェーハ上での電子線照射量を制御す
ることが可能である。例えば、ウェーハ上でのパターン
構成の密度の高い描画では、透過率の低いアパーチャを
用い、パターン構成の密度の低い描画では、透過率の高
いアパーチャを用いることにより照射時間を制御するこ
となしに近接効果を補正することができる。また、パタ
ーンが複雑で、狭い領域の中で粗密がある場合は、アパ
ーチャの格子のピッチに粗密の分布を設けたアパーチャ
３６゜３７．３８を用いる。
〔実施例〕
［実施例１］ 電流密度を制御するアパーチャを第１矩形アパーチヤと
第２成形アパーチヤの間に設定した可変成形描画法の場
合の実施例について述べる。
第１図には、本装置の概念図が示されている。
構成は、電子線を発生する電子銃ｌ、ビームの形状を制
御する２角アパーチャ２，８．電流分布を制御するアパ
ーチャア、アパーチャ内のパターンを選択する偏向器４
、移動機構５、および成形レンズ３，６、振り戻しレン
ズ９、縮小レンズ１０゜１１、対物レンズ１２からなる
。電流密度分布を制御する第３のアパーチャアは、第２
成形アパーチヤ８上に配置しである。
ここで、アパーチャ板８には、−柄図形パターン２０，
２１，２２．２３と可変成形用パターン２４が含まれて
いる。これらを用いた従来法による描画では、近接効果
補正については、照射時間の制御による方法でしか対応
できない。
これにたいして１本方法では、電流密度の分布を制御す
ることで対応できる。まず、電流密度を制御するアパー
チャアの作製方法について述べる。
第５図にその作製法を示す。シリコン基板４９上にレジ
スト５０を塗布しく第５図（ａ））、矩形メツシュパタ
ーンを電子線描画により形成する（第５図（ｂ））。パ
ターン形成後、ドライエツチング法により、２０μｍの
深さまでシリコン基板４９の表面のエツチングを行なっ
た（第５図（Ｃ））。その後、シリコン基板４９の裏面
に開口パターンを形成しく第５図（ｄ））　、異方性湿
式エツチングにより、シリコン薄膜部を形成し、所望の
アパーチャアを作製した（第５図（ｅ））。
メツシュの梁の部分の寸法設計について、第１図を用い
て説明する。メツシュの梁の部分は、ウェーハ１３上で
、０．１μｍ以下に設定する。第１図に示す今回用いた
電子線描画装置の縮小率は、２５分の１であるので、メ
ツシュの梁の部分の幅は、２．５μｍ以下にした。メツ
シュ間隔は、一つの開口パターン内１５，１６，１７，
１８゜１９では、均一にする。全開のパターン１４に対
して、電流透過が５０％から１０％刻みで６種類の開口
パターンを用意した。開口寸法は、第２成形アパーチヤ
の１２５μｍ口より大きい１５０μｍ口とした。
このアパーチャアを第１図に示す様に、第２成形アパー
チヤ８上に配置する。アパーチャア内のパターン選択は
、鏡筒にあるモータ５により機械的に行う。
第７図に示すようなパターン４１　（５μｍＸ５μｍ）
、４２　（７，５μｍＸ０．５μｍ）を描画した場合、
従来の方法では、第６図の０．５μｍ口以下の小さなパ
ターン４２に電子光学系の焦点位置を設定してしまうと
、５μｍ口のパターン４１では０．２μｍ以上のボケが
生じてしまう。各ショットごとに焦点位置を設定するこ
とは不可能であるので、０．１μｍ以下のボケに抑えて
描画するためには、大きなパターンについては、複数の
矩形に分割せざるをえない。全てのパターンを４μｍ口
以下のビームで描画せざるをえず、ショット回数が第７
図（ｂ）のように、３倍になって、描画時間が増大して
しまう。
これにだいし、本発明では、細いパターン４２では、ア
パーチャアにおいて、透過率１００％の開口部１４を選
択し、大きなパターン４１では、透過率５０％の開口部
１７を選択する。すると、実効的な透過総電流量は１／
２になるため、第６図に示すように５μｍ口の場合でも
ボケ量が０．１μｍ　となり、大小どちらのビームサイ
ズにおいても、ボケ量が０．１μｍ以下でパターン分割
なしに描画を行なうことができた（第７図（ａ））。
［実施例２］ 上記実施例では、第３のアパーチャアを設けたが、第１
矩形アパーチヤ２に組み込んでも同様の結果が得られる
。第１１図に示すように、複数の矩形開口部を有するア
パーチャ２５を実施例１と同様の作製方法で作る。この
アパーチャ２５のパターン内容も、実施例１に示したア
パーチャアと等価である。それぞれの透過率も実施例１
と同じに設定しである。第７図のパターンを可変成形法
により描画する場合、０．５μｍの辺を有する細いパタ
ーン４２については、偏向器５２により。
透過率１００％の矩形アパーチャ３０を選択して描画を
する。また太いパターン４１については、偏向器５２に
より透過率５０％のアパーチャ３５を選択して描画した
結果、実施例１と全く同じ結果を得ることができた。
［実施例３］ 第４図（ｂ）に示したライン＆スペースパターン４０を
描画する場合の実施例について述べる。
このパターンを従来の描画方法で描画すると、近接効果
のために、同じ電流照射でも、端部と内部でレジスト寸
法が変わってしまう。第４図（ｂ）はライン＆スペース
パターン４０のＡ−Ａ’断面の蓄積エネルギーを示した
ものである。これを現像すると、現像時間Ｂでは、中央
の２本のみが解像し、あとの４本は無くなってしまう。
これにだいし、現像時間の少ない現像時間Ｃでは、端部
の２本が解像するが、中央の４本は未解像となってしま
う。
第１１図に示す描画装置において、第１矩形アパーチヤ
２５には、実施例２と同様とその他に以下に述べる複数
の矩形開口部を設け、その中に、右端の透過率が５０％
で、左端にゆく程透過率の多くなり、左端では９０％の
透過率となるようなアパーチャ３７を、また他の開口部
のひとつに左右進の分布を設けたアパーチャ３６を実施
例１と同様の作製方法で作る。この透過率変化量につい
ては、電子線の加速電圧、基板材料等によって異なる。
第１５図に示したタングステン膜を含んだ試料に対し、
３０ｋＶの加速電圧の描画では、第２３図に示したよう
な分布曲線に示されるものを用いた。第２アパーチヤに
は、第３図で示したパターン３９を作り込んでおく。ま
ず、偏向器５２により、第１成形アパーチヤ３７を選択
した後、第２成形アパーチヤ３９上に電流分布をつけた
ビームを照射して、ウェーハ１３上に描画する。次に、
偏向器５２により、均一でかつ透過率５０％の矩形開口
部３５を選択し第２成形アパーチヤ３９上に均一な分布
を有するビームを照射して、偏向器５３により、先はど
のパターンの右隣に描画を行なう。最後に、偏向器５２
により、アパーチャ３６を選択して、同様に上記パター
ンの右隣に描画を行なう。すると、レジスト内に蓄積さ
れたエネルギーは第４図（ａ）のようにどのライン部で
も均一となる。従って、このウェーハを現像した結果、
設計通り、どのライン寸法もほとんど同じもの得られた
。
［実施例４コ 第２成形アパーチヤのパターン開口内に電流分布を設け
る場合についての実施例を説明する。第８図に示すよう
な、複雑なパターン４４では、パターン内の近接効果が
あるために第２成形アパーチヤの形状４４（第８図（ａ
））とこれを用いて連続描画を行なった結果得られた現
像後のレジストパターン４５（第８図（ｂ））は一致し
ない。
従って、この近接効果を補正するために第９図に示すよ
うにメツシュの密度を位置によって変化させた開口パタ
ーン４６，４７．４８を第１２図に示した第２成形アパ
ーチヤ５１に設ける。このアパーチャの作製方法は実施
例１と同じである。このアパーチャの透過率分布の設定
は、予め電子ビームの加速電圧や基板材料等のパラメー
タをもとにシミュレーションにより求めて設計する。上
記開口パターンを使いわけて描画することにより近接効
果のないパターンを実現できる。すなわち全体パターン
配列の端部では、開口パターン４６もしくは４７を用い
、全体パターン配列の中央部では開口パターン４８を用
いて描画することで上記問題が解決できる。
［実施例５］ 本発明を半導体メモリ作製に適用した例について述べる
。
ここでは、６４ＭｂｉｔＤＲＡＭの配線パターンとして
第８図（ａ）に示したパターン４４を、第１４図に示し
たポリシリコン膜５６上と第１５図に示したタングステ
ン膜５８上で加工する場合について述べる。６４Ｍｂｉ
ｔＤＲＡＭのパターン４４は、第１６図に示すように、
同じパターン４４の繰り返しであるメモリマット部６０
とその周囲に配置される周辺回路部６１で構成される。
まず、第１０図に示した可変成形法で描画した場合につ
いて述べる。可変成形法では、パターンをそれぞれ小さ
な矩形に分解して描画して行くためにショツト数が大き
くなり、描画時間が増大する。
さらに、メモリマット部６０の最外周では、近接効果が
有るために、第８図（ｂ）に示すように現像後のレジス
トパターン４５において、最外周から２〜３μｍ内側ま
でが内部よりもアンダー露光となるのでパターンがやせ
てしまう。この現象は、加工層の材料が重い元素で構成
されているほど電子線の後方散乱の影響が大きくなるの
で顕著になる。第１７図に比較的軽い元素であるポリシ
リコン膜を加工層とする場合と重い元素であるタングス
テン膜を加工層とする場合の、パターン位置に対するパ
ターン寸法を示す。この近接効果を低減するためには、
この周辺部の照射量を補正してやらなければならない、
この方法の一つには、周辺部を２回露光する方法がある
。２度目の補正露光照射量は、ポリシリコン膜の場合、
主露光の１０％であり、タングステン膜の場合、３０％
程度である。この補正を行なった結果を図１８に示す。
しかしいずれの場合にも露光時間の更なる増大につなが
って１チツプ当たり２０分以上かかる。これにたいし、
第１２図に示す一括図形照射法では。
−回の照射で数ビット分のメモリセルを露光できるので
描画時間を１０秒以下に短縮できる。しかにの手法にお
いても、近接効果は上記の例と同様に起こるので、補正
露光を周辺部に可変成形法で行なった場合、３０秒程度
の描画時間が必要となり主露光の時間を越えてしまう。
次に、本発明による実施例について述べる。
電流密度を変化させるアパーチャアは、第１３図に示す
ように第１アパーチヤ２と第２アパーチヤ５１のあいだ
に設ける。第３アパーチヤの各内容は、第１９図に示し
である。第２アパーチヤ５１には、中央に矩形口が有り
、周囲に半導体メモリの層毎のセルパターンが配置され
ている。第３アパーチヤアには、中央に透過率の低く−
様な分布の矩形口６３があり、その周囲には、中央にた
いして外側にいくほど透過率の高くなる分布を有した矩
形口が配置されている。例えば、右上にある矩形口６４
では、右上にゆくほど透過率の高い分布がつけられてい
る。また、中央上部の矩形ロア１では、上にゆくほど透
過率の高い分布が施されているにれら２つのアパーチャ
は、いずれも実施例１と同様にシリコン加工により作製
した。
各アパーチャ内のパターン選択は、電磁気的な偏向によ
り、それぞれ独立に行なった。
まず、第２アパーチヤ５１の中から配線層のパターンを
電磁偏向器５４で選択する。次に、第２０図に示したメ
モリマット部の領域Ａを描画する場合には、電磁偏向器
６により、透過率分布のある矩形口６４を選択して描画
を行なう。以下、領域Ｂ、Ｃ，Ｄ、Ｅ、Ｆ、Ｇ、Ｈ，Ｉ
に対応して、矩形口６５，６６．６７．６８，６９，７
０゜７１．６３を電磁偏向器６で選択して描画する。
加工材料がポリシリコン膜およびタングステン膜の場合
、透過率の設定は第２１．２２図に示したものを用いた
。
以上の方法によりえられたレジストパターンの寸法分布
は、メモリマット部のどの場所においても０．０５μｍ
以内のものが得られた。またこのときの描画時間は、１
チツプ当たり１０秒以内であった。
〔発明の効果〕
近接効果の影響は、下地基板の材料や、パターン密度等
によって異なる。従って、この近接効果を補正するため
には、各パターンに応じた照射量を設定する必要がある
。従来法では、この照射量設定を各パターンごとの照射
時間の設定により制御してきた。このために、パターン
データ量が膨大になったり、描画時間が増大してしまう
。これに対して、本発明では、様々な電流密度分布を設
けた開口パターンの内から近接効果補正に対応したアパ
ーチャを選択することにより、対処できるので、パター
ンデータや描画時間を増やさずに近接効果を補正するこ
とができる。
本発明は、電子線描画装置に関するものであるが、電子
線以外の荷電粒子線を用いた場合でも同様の効果が得ら
れる。
【図面の簡単な説明】
第１図は１本発明による描画装置の概略図、第２図は、
電流密度分布を作るアパーチャの平面図、第３図は、ア
パーチャパターンを示す図、第４図は、描画パターン例
とパターンＡ−Ａ’断面のレジスト内蓄積エネルギーを
示す図、第５図は、アパーチャ作製プロセスを示す構造
断面図、第６図は、空間電荷効果によるボケ量を示す図
、第７図は、描画パターンの例を示す平面図、第８，９
図は、アパーチャ及び描画パターンの平面図、第１０図
は、従来の描画装置、第１１．１２．１３図は、本発明
による描画装置の例を示す概略図、第１４．１５図は、
ポリシリコン膜、タングステン膜を有した加工用基板の
断面図、第１６図は。 ６４Ｍ　ｂ　ｉ　ｔ　ＤＲＡＭのパターン配置図、第１
７図は、メモリマット内の線幅分布を示す図、第１８図
は、補正露光を行なった場合の線幅分布を示す図、第１
９図は、第３アパーチヤの配置図、第２０図は、メモリ
マット部の領域分割例を示す図、第２１．２２図は、本
実施例に用いた、ポリシリコン加工用、タングステン加
工用の第３アパーチヤの各矩形口の透過率分布を等高線
で示す図。 第２３図は、アパーチャ内の透過率分布の変化量を示す
図である。 １・・・電子銃、２・・・第１成形アパーチヤ、３・・
・成形レンズ、４，５２．５４・・・偏向器、５・・モ
ータ、６・・・成形レンズ、７，２５・・・第３アパー
チヤ、８゜２６．５１・・第２成形アパーチヤ、９・・
・振り戻しレンズ、１ｏ・・・補助レンズ、１１・・・
縮小レンズ、１２・・・対物レンズ、１３・・・ウェー
ハ、１．４，２４゜３０・・・矩形開口アパーチャ、１
５，１６，１７゜１８．１９，３１，３２，３３，３４
，３５゜３６．３７，３８，６３，６４，６５，６６゜
６７．６８，６９，７０．７１・・・透過率変化開口ア
パーチャ、２０，２１，２２，２３，３９゜４４．４６
，４７．４８・・図形パターンアパーチャ、２７，２８
．５３・・・偏向器、２９・・・透過率変化開口アパー
チャ板、４０，４１，４２・、４３・・・描画パターン
、４５・・・レジストパターン、４９゜５７・・・シリ
コン基板、５０．５５・・・レジスト、５３・−・シリ
コンメツシュ、５６・・・ポリシリコン膜、５８・・・
タングステン膜、５９・・・周辺回路、６０・・・メモ
リマット部、６１・・・領域エリア、６２・・・配線パ
ターン。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 １、第１の矩形アパーチャを第２のアパーチャ上に結像
    して形成された複合像を試料上に結像することによりパ
    ターンを描画する描画装置において、上記結像パターン
    内の電子線照射量分布を制御する手段を有することを特
    徴とする電子線描画装置。 ２、上記電子線照射量分布を制御する手段は解像分解能
    より微小な寸法で分布のある遮蔽物を開口パターン部に
    有する第３のアパーチャ板であることを特徴とする特許
    請求の範囲第１項記載の電子線描画装置。 ３、上記遮蔽物は、解像分解能より微小な寸法の格子か
    らなり、該格子はピッチの粗密を有することを特徴とす
    る特許請求の範囲第２項記載の電子線描画装置。 ４、上記第３のアパーチャ板は、上記格子ピッチの異な
    る少なくとも二つ以上の開口パターンを有することを特
    徴とする特許請求の範囲第２項乃至第３項記載の電子線
    描画装置。５、上記第３のアパーチャ板内に設けられた
    複数の開口パターンの選択は、上記第３のアパーチャ板
    上部に設けられた電気的偏向手段により露光用電子ビー
    ムを偏向して行うことを特徴とした特許請求の範囲第４
    項記載の電子線描画装置。 ６、上記第３のアパーチャ板および遮蔽物は半導体材料
    で構成されていることを特徴とする特許請求の範囲第２
    項乃至第５項記載の電子線描画装置。 ７、上記第３のアパーチャ板は上記第２のアパーチャで
    あることを特徴とする特許請求の範囲第２項乃至第６項
    記載の電子線描画装置。 ８、上記第３のアパーチャ板は上記第１のアパーチャ板
    であることを特徴とする特許請求の範囲第２項乃至第６
    項記載の電子線描画装置。 ９、パターン要素を含んだアパーチャを用いて高集積回
    路パターンを描画する電子線描画方法において、繰り返
    しパターンで構成される高集積回路パターンの中央部と
    周辺部にたいして異なる電子線透過率のアパーチャを用
    いて描画することを特徴とする電子線描画方法。 １０、開口部を有する板と、該開口部に、解像分解能よ
    り微小な寸法の格子を有し、該格子はピッチの粗密を有
    することを特徴とする電子線描画用アパーチャ。 １１、半導体基板上にレジスト膜を塗布する工程と、該
    レジスト膜に繰り返しパターンを形成する工程とを有す
    るパターンの形成方法において、該繰り返しパターンの
    周辺部では透過率が高く、中央部では透過率の低いアパ
    ーチャを用いて露光することを特徴とするパターンの形
    成方法。
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