JPH04144119A - 電子線描画装置及びその調整法 - 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】 〔産業上の利用分野〕 電子線描画装置に係り、特に−括露光機能を持つ高速電
子線描画装置に関する。

〔従来の技術〕

従来の可変成形方式の電子線描画装置では２つのアパー
チャーを重ね合わせることにより任意の形の矩形を発生
させている。形成された矩形状の電子ビームは縮小レン
ズと対物レンズによってウェハ上に投影され、そのウェ
ハ上での矩形の寸法はアパーチャーの重ね合わせ量とレ
ンズの倍率により定まる。この投影像の形状寸法は、従
来「ダイジェスト　オブ　ペイバーズ　第３回マイクロ
プロセスコンファレンス　１９９０年　１７２ページ−
１７３ページＪ　　ｒＦ、Ｍｕｒａｉ　ｅｔ、ａｌ、　
Ｄｉｇｅｓｔｏｆ　Ｐａｐｅｒｓ　３ｒｄ　Ｍｊｃｒｏ
Ｐｒｏｃｅｓｓ　Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ　（１９９０）
ｐ１７２−１７３」に記載されている様に成形偏向の量
を変えることによりｍ１ｌＬでいた。

これに対して近年、矩形だけでない特定の図形のアパー
チャーを用いて電子ビームを投影する一括露光方式の電
子線描画装置の可能性が検討さ村始めている。−括露光
方式では第２図のような複雑な形をしたアパーチャーの
全面もしくはその１部を電子ビームにより照射して複雑
な形の電子ビームを形成する。従ってパターンが固定さ
れているアパーチャーを透過した電子ビームの図形の大
きさは一定に決まってしまうため、可変成形のように透
過電子の大きさを成形偏向の量で調整することは出来な
い。

図形寸法のずれは特に描画パターンの位置精度の劣化の
原因となる。図形寸法のずれはサブミクロン描画で０．
０５μｍ以下さらにディープサブミクロン描画では０．
０２μｍ以下に抑える必要がある。このために倍率は精
度良く調整しなければならない。

〔発明が解決しようとする課題〕

本発明は一括露光方式の電子線描画装置でのパターン図
形寸法を正確に調整するための電子線描画装置の構成と
その調整方法を提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記課題を解決するために、レンズの倍率に関する情報
を得る手段とその情報に従ってレンズの倍率を調整する
手段を電子線描画装置に設ける。

レンズの倍率に関する情報を得る手段としては１）レン
ズの像面上にパターンを有するマークを備え、−括露光
用アパーチャーの投影像でステージのマーク上を走査し
た時に得られる反射電子や透過電子・２次電子・光を検
出し、マークとアパーチャーの図形の相関をとる、２）
倍率を規定したいレンズの像面（像を結像する面）上の
図形の寸法を測る、３）レンズの像面上の図形の位置を
知る、等がある。また、レンズの倍率を調整する手段と
してはｌ）レンズの電流値を変える、２）ステージの位
置を変える、３）レンズの位置を変える、等がある。

これらの方法を用いればレンズの倍率のみならず、回転
や歪の調整を行なうことも可能である。

特に複数の図形からなる電子ビームを用いると従来以上
に精度が良く自動ＩＪＩＩに適したｒＪＲ１１方法が可
能となる。

〔作用〕

例えば第１図に示すフィードバック機能を有するとする
。ここでは透過電子信号を用いてＩＩ！Ｉを行なうが、
マークからの反射電子・２次電子や光、さらにマークに
流れる電流等を用いても調整は可能である。第３図に示
す等間隔の５本の縞状パターン３のマークの上を同一形
状のアパーチャーの投影像で走査すると、得られる信号
は第４図の様になる。この時の信号の振幅はマークと投
影像が正確に重なったときに最大となり、マーク上に転
写された投影像が回転していたりマークと大きさが異な
ったりしていると小さくなる。従って信号が最大となる
ように投影像を作るレンズの電流を調整すれば所望の大
きさの投影像、すなわち電子光学系において所望の回転
や倍率を得ることが出来る。

縮小レンズを２段として逆方向の電流を流せば像の回転
を生じずに倍率のみ変化させることが出来る。第１図の
ブロック図はこの方式の場合に特に有効である。

〔実施例〕

実施例１ 第５図はマーク形状の例である。（１１，０）シリコン
単結晶基板に０１μｍ幅の開口４を０．１μｍ間隔で２
Ｓ本並べた。パターンの形成は光の干渉露光とＫＯＨに
よる異方性エツチングを組合せて行なった。このパター
ン形成方法について以下に述べる。まず、（１１０）シ
リコン単結晶基板上に熱酸化により、２０ｎｍの酸化膜
を形成する。へに、スピン塗布機により、レジストを尾
さ０．１μｍ程度塗布する５この基板に対し、Ｈｅ−Ｃ
ｄレーザ（３２５ｎｍ）を用いたレーザ干渉露光装置に
より０．１μｍラインアンドスペースの回折格子像をレ
ジスト上に形成する。このレジストを現像した後、回折
格子パターンを酸化膜に転写する。転写には、ＨＦ　：
　ＮＨ，ＯＨ＝１＝６水溶液を用いた。次に、この酸化
膜をマスクとＬ７てＫＯＨ３０ｗｔ％水溶液（８０”Ｃ
）にて３μｍのシリコン異方性湿式エツチングを行ない
、所望のマークパターンを得る。この方法により２５本
の線の両端の間隔４．９μｍはｌｎｍ以下の精度で再現
できる。さらに、裏側からＫＯＨ水溶液による異方性湿
式エツチングにより３μｍの厚さまで薄くして、上記パ
ターン部を開ロバターンとする。このシリコンの表と裏
からＡｕを蒸着してウェハ面上での調整用マークとする
。同様の構造ながらパターンの横の寸法を２５倍に拡大
したものを調整用アパーチャーとした。アパーチャー材
料には、（１００）シリコン単結晶基板を用いる。まず
、基板上にスピン塗布機によりレジストを塗布する１次
に、電子線描画装置によりアパーチャーパターンを描画
する。このレジストパターンをマスクとして、ドライエ
ツチングにより２０μｍの深さまでエツチングを行なう
、さらに、裏側からＫＯＨ水溶液による異方性湿式エツ
チングにより基板を２０μｍの厚さまで薄くして、上記
パターン部を開ロバターンとする。

両者をそれぞれ第６図に示す電子線描画装置に取り付け
た。電子銃５より放出された電子は制限絞り６により成
形され転写レンズ７と転写偏向板８により上記アパーチ
ャー９に転写され、アパーチャー９の投影像は縮小レン
ズ１０・回転レンズ１１・対物レンズ１２によりステー
ジ１６の上のマーク１４上に形成される。アパーチャー
９とマーク１４を透過した電子はファラデーカップ１５
とにより検出されるので、偏向器１３によりアパーチャ
ーの投影像をマーク上で走査すると第７図に示す電流波
形が得られる。矢印で示したこの波形のピーク値は第８
図（Ｃ）に示すようにマーク上に縮小転写されたアパー
チャー像１８がマーク１７と完全に一致した時に最大と
なり１倍率の異なる場合（ａ）や回転のある場合（ｂ）
は小さくなる。従ってこのピークの値をモニターとする
ことにより倍率と回転の調整が可能となる。第９図は縮
小レンズの電流値と波形の高さの関係を示したものであ
る。この図から最適電流量は１．２Ａであることが分か
る。更に第１０図は回転レンズの電流値と波形の高さの
関係を示したものである。

この図から最適値は０．１４Ａ　であることが分かる。

レジストに描画した結果から、本方式では倍率で０．３
％、回転で５ｍｒａｄの精度で調整が出来たことが明ら
かとなった。この時の像面上の５μｍ角隅での位置ずれ
は０．０４μｍである。

電子光学系の調整はレンズ電流のみならずレンズやアパ
ーチャーの高さを調整することによっても可能である。

以上の調整方法は上記透過型のマーク以外にも適用可能
である。例えばマークの製作工程にてシリコンの湿式異
方性エツチングを０．２μｍに留め裏面をエツチングし
なければ第１１図に示す断面構造を持つシリコン１９の
マークとなる。このマークを用いてもマークからの反射
電子あるいは２次電子を信号として検出することにより
同様の調整が可能である。

寸法精度の良いマークはまた異種材料の積層によっても
形成が可能である。例えばＧ　ａ　Ａ　ｓ基板２０にＧ
ａＡＱＡｓ２１とＧａＡｓ２２をＭＯＣＶＤ法で交互に
薄膜成長させた多層膜結晶を形成し。

ＨＦ：ＮＨ４Ｆ　＝１：６水溶液によりＧａＡＱＡｓの
みを選択的に除去する。この基板を９０度傾けると第１
２図に示す断面構造を持つマークが形成される。ＭＯＣ
ＶＤ法は極めて膜厚制御性が良く寸法精度の良いマーク
となる。

実施例２ この実施例では第１１図に示す断面構造のマークと第１
３図に示す１２５本のライン構造のアパーチャーを用い
た。アパーチャーのパターン形成は実施例１で開示した
マークのパターン形成と同じ光干渉露光法により行なっ
た。１／２５に縮小されるためアパーチャーの精度は向
上し、ウェハ上の像の両端で５ｎｍの精度を得ることが
可能である。また本実施例ではマークからの反射電子を
検出して信号とした。この時得られる走査領域中央部の
信号波形を第１４図に示す。ラインの本数が１２５本と
多いため中央部では同一の信号波形が一定領域続くこと
になる。そして、この波形の振幅は回転と倍率に依存し
また周期は倍率に比例する１周波数解析により振幅と周
期を求め１回転と倍率の調整を行なった。特に本実施例
では周期より倍率を直接知ることが出来る点が特長であ
る。

この方式により倍率で０．２％回転で２ｍｒａｄの精度
を得ることが出来た。

本実施例のように透過電子以外の信号を用いる場合はＳ
ｉウェハ上にマークパターンを形成し通常の描画と同じ
状態で調整することも可能である。

実施例３ この実施例では調整用マークを１２５本のラインとし、
アパーチャーは２．５μｍライン５ｏ本とした。これか
ら得られる反射電子信号波形は第１４図と同様である。

しかし本実施例では波の周期は一定であり、振幅のみを
最大とすることにより回転と倍率を調整することになる
。本実施例では倍率で０．４％回転で５ｍｒａｄの精度
が得られた。

実施例４ 調整用マークを１２本の０．２μｍラインアンドスペー
スとした。これに対してアパーチャーは第１５図に示す
１４４個の５μｍ角の開口２３である。このアパーチャ
ーを用いれば垂直に並べた２つのマークと１つのアパー
チャーから２つの調整用信号を得ることが出来る。それ
ぞれ第７図と同様の信号波形が得られ、２つの信号の振
幅を最大にすれば倍率と回転の調整が更に精度良くでき
る。

本実施例でまたマークも２次元間ロバターンとすれば１
つずつのアパーチャーとマークで垂直２方向の走査信号
を得ることが出来る。

実施例５ アパーチャーとして２５μｍＸ２５μｍの矩形を用いた
。この投影像をステージ上にあるＳｉのナイフェツジ上
で走査して得られた透過信号を第１６図に示す。信号の
２階微分の極値を示すところが投影像の大きさを決める
。その大きさを例えば１μｍとなるようにレンズ電流・
レンズ位置・アパーチャー位置・ウェハ位置の何れかを
調整すれば倍率が正確に１／２５となる。

実施例６ 第１７図に示す構造の２つのナイフェツジ２４で実施例
５と同様の測定を行なった。ナイフェツジの間隔は電子
線測長装置により予め測定してあり、その間隔は２．０
１５μｍであった。走査により得られた信号を第１８図
に示す。ｂ）、ｃ）はそれぞれ信号を１階微分あるいは
２階微分した結果である。Ｃ）より明らかなようにビー
ムの大きさ１はナイフェツジの大きさＬで校正すること
が出来る。そして１を基準としてビーム寸法を１μｍと
し実施例５と同様に１／２５の縮小率を得ることが出来
た。この様に投影像を走査するマーク自体に寸法の基準
としての機能を持たせることにより、ビームの大きさの
測定精度を上げることが出来る。

実施例７ アパーチャーとして第１９図に示す２つの矩形からなる
パターンを用いた。このアパーチャーの投影像でＳｉの
ナイフェツジを走査し、透過電子の量から２つの矩形の
投影像の中心の相対位置を測定した。この結果第２０図
のようにステージのＸＹ軸を基準としてＸ方向に４．０
５μｍ、Ｙ方向に４，１５μｍ離れていることが分かっ
た。この結果から縮小率が１／２４．３８８　、ステー
ジに対する回転が１２．２ｍｒａｄ　　であることが計
算できる。アパーチャー上での２点間の距離をそれぞれ
ａ、ｂ投影像での２点間の距離をそれぞれＡ、Ｂとする
と倍率と角度の計算式は Ｍ２＝（Ａ２＋Ｂ”）／（ａ”＋ｂ”）ｔａｎθ＝（ａ
Ｂ−ｂＡ）／（ａＡ十ｂＢ）である。従来電子光学系の
調整は単一図形のビームによりのみ行なわれており、そ
の場合はビームのエツジの信号を用いることがほとんど
であった。

これに対して本実施例のように複数の図形からなる電子
ビームを用いればビームの中心位置を用いて電子光学系
の調整が可能である。一般にビームのエツジの位置を知
るよりも中心位置を知る方が精度が上がるため、複数ビ
ームは優れた調整方法を提供できる。

実施例８ 第２１図のパターンを持つアパーチャーを用いてショッ
ト接続精度を測定した。まず、測りたい偏向位置での２
点の座標を測定する。次に第２２図の様に５μｍ隣にさ
らにＸ軸方向に偏向して２点の座標を測定する。矩形Ｂ
−Ｃの間の距離がＸ方向に０．２μｍ、Ｙ方向に０μｍ
であればショット接続誤差はない。Ｘ方向２ｍ偏向の位
置でのＢ−Ｃの相対位置はＸ方向に０．２２μｍ、Ｙ方
向に０．０１μｍであった。従って接猜誤差はそれぞれ
０．０２μｍと０．０１μｍであることが分かる。

またこの方法は第２３図のＢのみを持つアパーチャーと
Ｃのみを持つアパーチャーを併用することによっても可
能である。

実施例９ 第２３図のパターンを持つアパーチャーを用いて図形歪
を測定した。第２４図に示す投影像の１゜２．３のパタ
ーンとＯとの相対位置をそれぞれ（ａｌ、　ｂｌ）、　
（ａ２．　ｂ２）、　（ａ３．　ｂ３）と表わす。回転
と拡大縮小以外の図形の形状変化を歪と考えることが出
来るため、歪量はバタメータＰ Ｐ”＝（ａ　２＋ｂ　１）２＋（ｂ　２−ａ　１）”＋
（ａ　２−ａ　１＋ｂ　ｌ）”＋（ｂ　２−ａ　１−ｂ
　１）”で評価出来る。第２５図は電磁アライナ−の電
流を変化させたときの歪の量の変化を示した結果である
。これにより精度の良い軸調整が可能となり歪を最小と
した。

更に本発明による調整方法は対物レンズの像面上のみな
らず全てのレンズの像面上で適用が可能である１例えば
第６図において制限絞り６にも調整用のアパーチャーを
用い、アパーチャー９との図形の相関をファラデーカッ
プで検出する電流量により調べることで転写レンズ７の
！ｉｌｌが可能となる。

実施例１゜ 一括露光方式は複雑な図形を１度に転写できるため、半
導体素子、特に繰返しパターンの多いメモリを有する素
子の高速製作に適している。前に述べたように本発明は
一括露光方式において欠かせない技術であり、本発明を
用いた電子線描画装置は従来にない高速高精度の半部体
製作方法を提供する。

本発明による電子線描画技術を用いて金属酸化物半導体
素子のゲート電極を製作した。第２６図にゲート電極の
製作工程を示す。基板２５上に電極となる金属Ｗ２６を
堆積し更に電子線レジスト２７を塗布する。このレジス
トを本発明による電子線描画装置で０．２μｍのパター
ンを描画する。

使用した一括露光用のアパーチャーのパターンを第２７
図に示す。電子線を照射したレジストを現像し、更にＷ
をエツチングすることでＷからなる電極パターンを形成
する。０．２μｍの寸法は光りソグラフィでは困難な値
である。他の工程は全て光りソグラフイを用いて行なっ
た。この結果、閾値電圧が５ｖ±０．０１　Ｖであった
。また−括露光方式を用いているために可変成形方式に
比べて数倍早い速度で描画が行なえる。これに対して本
発明による調整方法を行なわない場合は、−柄図形の投
影像の大きさの誤差がゲート電極の位置ずれとなり閾値
電圧が５．１Ｖ±０．ＩＶと大きな幅を持つようになっ
た。

以上の様に本発明を用いた半導体素子の製作方法は歩留
まりの良い高精度な描画を高速で実現できる。また本発
明は半導体素子のみならずフォトステッパー用のレチク
ルやＸ線マスクの製作にも適用できる。

〔発明の効果〕

以上のように本発明を用いることによって精度の良い電
子光学系の調整と電子線描画が可能となる。特に−括露
光方式では本発明は精度向上のために必須の技術である
。また、これに伴って半導体素子等の微細加工を行なう
ための電子線描画行程の生産性の向上に大きく寄与する
ことが出来る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による電子光学系の調整方法を表わした
ブロック図、第２図は一括図形露光のアパーチャー図、
第３図は本発明によるマークの１例を示す図、第４図は
マークにより得られる信号例を示す図、第５図は実施例
１において用いるマークの構造図、第６図はマークとア
パーチャーの配置図、第７図は実施例１において得られ
る信号波形図、第８図は調整不良による転写像のずれを
表わした図、第９図は縮小レンズ電流による信号強度の
変化を表わした図、第１０図は回転レンズ電流による信
号強度の変化を表わした図、第１１図は反射・２次電子
検出用のマークの構造図、第１２図は多層膜を利用して
形成したマークの構造図、第１３図は実施例２における
アパーチャーの構造図、第１４図は実施例２における信
号を示す図、第１５図は実施例４で用いたアパーチャー
の構造図、第１６図はナイフェツジを透過した電子の強
度を示す図、第１７図は２つのナイフェツジの構造図、
第１８図はナイフェツジを透過した電子を信号処理した
図、第１９図は２つの矩形からなるアパーチャー図、第
２０図は第１９図のアパーチャーの投影像図、第２１図
はショット接続評価用アパーチャー図、第２２図は第２
１゛図のアパーチャーの投影像図、第２３図は４つの矩
形からなるアパーチャー図、第２４図は第２３図のアパ
ーチャーの投影像図、第２５図は歪の極小化の結果を示
す図、第２６図は半導体素子の製作工程図、第２７図は
電極製作用アパーチャー図である。 符号の説明 １・・・アパーチャーパターン、２・・・電子ビーム照
射領域、３・・・調整用マークパターン、４・・・Ｓｉ
マ−り開ロバターン、５・・電子銃、６・・制限絞り、
７・・転写レンズ、８・・転写偏向板、９・・・アパー
チャ１０・・・縮小レンズ、１１　回転レンズ、１２・
偏向板、１３・・・対物レンズ、１４・・・マーク、１
５・・・ファラデーカップ、１６・・・ステージ、１７
・・・マークパターン、１８・・・アパーチャー像、１
９・・・シリコン、２０・・・ＧａＡｓ基Ｆｉ、２１・
・・ＧａＡＱＡｓ、２２−ＧａＡｓ、２３−・・角パタ
ーン、２４・・・Ｓｉナイフェツジ、２５・・・基板、
２６・・・Ｗ、２７・・・電子線レジスト。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、電子ビームをアパーチャーを透過させることにより
   任意の図形ビームを形成する電子線描画装置において、
   電子光学系の倍率または回転若しくはその両者に関する
   モニター機能を持ちそれぞれの調整が可能なフィードバ
   ック機能を有することを特長とする電子線描画装置。 ２、電子ビームをアパーチャーを透過させることにより
   任意の図形ビームを形成する電子線描画装置において、
   アパーチャーの最大サイズをＬ（μｍ）とし倍率をＭと
   すると倍率を０．０５／ＭＬ以下の精度で調整すること
   を特徴とする電子線描画装置。 ３、特許請求の範囲１及び２において、アパーチャーを
   透過した電子ビームをターゲットに照射して生じる反射
   電子・透過電子・２次電子若しくは光を検出するかター
   ゲットに流れる電流を検出することによって調整を行な
   うことを特徴とする電子線描画装置。 ４、電子ビームをアパーチャーを透過させることにより
   任意の図形ビームを形成する電子線描画装置において、
   レンズ像面上のマークとアパーチャーの投影像との図形
   の相関をモニターすることを特徴とする電子線描画装置
   。 ５、特許請求の範囲１及び２のいずれか記載の電線描画
   装置を用い、レンズ像面上のマークとアパーチャーの投
   影像との図形の相関をモニターとすることを特徴とする
   電子線描画装置の調整方法。 ６、特許請求の範囲１及び２のいずれか記載の電子線描
   画装置においてアパーチャーの投影像の大きさをモニタ
   ーとすることを特徴とする電子線描画装置。 ７、特許請求の範囲１及び２いずれか記載の電子線描画
   装置においてアパーチャーの投影像の位置をモニターと
   することを特徴とする電子線描画装置。 ８、請求項５記載の電子線描画装置の調整方法において
   マーク及びアパーチャーのどちらかが縞状または同一図
   形が２次元に等間隔で並んだパターンであり、マークと
   アパーチャーの投影像との図形の相関をモニターするこ
   とを特徴とする電子光学系の評価・調整方法。 ９、縞状または同一図形が２次元に等間隔で並んだパタ
   ーンを有することを特徴とする電子線描画装置調整用の
   アパーチャー及びマーク。 １０、請求項９記載のマークとアパーチャーを光干渉露
   光法により形成することを特徴とするマーク及びアパー
   チャーの製作方法。 １１、請求項９記載のマークとアパーチャーを異種の材
   料からなる多層膜を形成後選択的に決められた層のみを
   エッチングして形成することを特徴とする、マーク及び
   アパーチャーの製作方法。 １２、特許請求の範囲４の電子線描画装置において得ら
   れた信号波形を周波数解析することを特徴とする電子光
   学系の評価・調整方法。 １３、電子ビームをアパーチャーを透過させることによ
   り任意の図形ビームを形成する電子線描画装置において
   、アパーチャーのみにより大きさと形を定められた電子
   ビームを像面上にあるマーク上で操作し得られた反射電
   子や透過電子等をモニターとすることを特徴とする電子
   線描画装置の評価・調整法。 １４、電子ビームをアパーチャーを透過させることによ
   り任意の図形ビームを形成する電子線描画装置において
   、アパーチャーにより形成された複数の図形からなる電
   子ビームを像面上にあるマーク上で操作し得られた反射
   電子や透過電子等をモニターとすることを特徴とする電
   子線描画装置の評価・調整法。 １５、特許請求の範囲１から７のいずれかの電子線描画
   装置を用いた半導体装置の製造方法。 １６、特許請求の範囲１から７のいずれかの電子線描画
   装置を用いて製作した半導体装置。