KR20010014881A - 리소그래피 툴용 전자 에미터 - Google Patents

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Abstract

본 명세서에는 전자 빔 리소그래피를 위한 방법 및 장치가 기재되어 있고, 여기서, 웨넬트 전자 빔은 전자 빔의 균일성을 개선하기 위하여 수정된다. 웨넬트 개구 상의 바이어스는 종래 바이어스와 반대이며, 이에 따라 캐소드에 대해 포지티브 바이어스된다. 상기 웨넬트 개구에는 테이퍼 형성되어 있고, 디스크 에미터가 상기 테이퍼에 삽입된다. 이들 수정의 결과는 빔 단면에 걸쳐서 매우 균일한 저휘도의 전자빔 출력이 된다.

Description

리소그래피 툴용 전자 에미터{Electron emitters for lithography tools}
본 발명은 반도체 집적 회로의 제조용으로 사용되는 전자총 리소그래피 장치에 관한 것이다.
20 년 이상 동안에 반도체 처리에 있어서 리소그래피를 위해 전자빔 노광 툴이 사용되어 왔다. 최초 전자 노광 툴은 물체면 상에서 라스터 스캔되는 고초점 빔의 플라잉 스폿 개념을 기초로 하고 있었다. 상기 전자 빔은 빔 자체적으로 리소그래피 패턴을 발생하도록 주사할 때 변조된다. 이들 툴은 리소그래픽 마스크 마킹과 같은 고정밀 작업에 널리 사용되어 왔지만, 라스터 스캔 모드는 반도체 웨이퍼 처리에 필요한 높은 처리량이 가능하도록 하기에는 너무 느리다. 이 장치에서의 전자 소스는 전자 현미경에서 사용되는 것, 즉 작은 스폿 빔에 포커싱된 고휘도 소스와 유사하다.
보다 최근에, SCALPEL(SCattering with Angular Limitation Projection Electron-beam Lithography) 기술에 기초한 새로운 전자 빔 노광 툴이 개발되었다. 이 툴에서, 리소그래픽 마스크를 통해 물체 면 상에 넓은 영역 전자빔이 투사된다. 반도체 웨이퍼의 비교적 넓은 영역(예컨대, 1 mm2)이 한번에 노광될 수 있으므로, 처리양을 받아들일 수 있다. 이 툴의 고해상도는 초미세 라인 리소그래피, 즉 서브미크론에 매우 뛰어나다.
SCALPEL 노광 툴에서 전자 빔 소스에 대한 요건은 종래 포커싱 빔 노광 툴, 즉 종래 TEM 또는 SEM의 것과는 크게 다르다. 고해상도 촬상은 여전히 주요한 목표이지만, 이는 전자 웨이퍼 처리량을 실현하기 위하여 비교적 높은(100-1000μA) 총 전류(gun currents)에서 달성되어야 한다. 필요한 축 휘도는 일반적인 포커스 빔 소스의 105내지 108Acm-2sr-1에 비해 비교적 낮다. 즉, 103내지 104Acm-2sr-1이다. 하지만, 보다 넓은 영역 상에서의 빔 플럭스는 필요한 리소그래픽 도우즈 범위와 CD 제어를 얻기 위하여 매우 균일해야 한다.
SCALPEL 툴의 개발에 있어서 큰 장애는 비교적 넓은 영역에 걸쳐서 균일한 전자 플럭스를 제공하고, 비교적 낮은 휘도를 가지고 있으며, 과잉의 다운 시간을 회피하기에 충분한 시간을 가진 전자 에미터를 가지고 있는 전자총의 개발이었다. 수정된 웨넬트(Wehnelt) 전자총 배열의 란탄 헥사보라이드(LaB6) 에미터는 이 응용에 유망하며, 최초의 SCALPEL 툴에는 이들 전자 소스가 탑재되어 있다. 상기 LaB5의 표면 상에서의 전자 방출 프로파일의 균일성을 개선하려는 노력은 지속되고 있지만, 성공은 제한적이다. 상기 LaB6에미터를 간단한 탄탈 디스크로 대체하면, 표면 방출 균일성 및 안전성이 개선되는 것으로 밝혀졌다.
도 1은 SCALPEL 노광 시스템의 원리를 예시한 개략도.
도 2는 탄탈 디스크 에미터를 가진 종래 웨넬트 전자총의 개략도.
도 3은 본 발명에 따라 보정된 웨넬트 전자총의 개략도.
도 4는 종래 웨렌트 전자총의 캐소드로부터의 전자 방출 프로파일의 휘도 변화를 나타낸 도면.
도 5는 본 발명에 따라 역바이어스된 웨넬트로부터의 전자 방출 프로파일의 휘도 변화를 나타낸 도면.
도 6은 종래 웨넬트 전자총의 캐소드로부터의 전자 방출 프로파일을 나타낸 도면.
도 7은 본 발명의 수정된 웨렌트 전자총으로부터의 전자 방출 프로파일을 나타낸 도면.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
36 : 전자빔 에미터 37 : 웨넬트 전극
38 : 원형 개구
수정된 웨넬트 총 디자인을 사용하는 SCALPEL 시스템의 새로운 전자 빔 소스가 개발되었고, 여기서, 웨넬트 전극은 종래 SCALPEL 툴에서 사용된 웨넬트 총과 반대로 바이어스된다. 상기 수정된 웨넬트 총은 또한 테이퍼 형성된 개구를 가지고 있고, 전자 에미터가 이 테이퍼 형성된 개구에 리세스된다. 이 수정의 결과는 휘도가 낮고 본래 크로스오버가 없는 얇은 전자 빔이다. 이들 빔 특성은 인접 필드에서의 포커싱 광학을 필요로 하지 않는 SCALPEL 툴에서 이상적이다.
이하에서, 도면을 참조하여 본 발명에 대해 보다 구체적으로 설명하며, 이에 따라 종래 전자 빔 소스로부터 본 발명을 구별하는 특징을 보다 잘 이해할 수 있다.
위에서 언급한 바와 같이, 본 발명의 전자총은 SCALPEL 전자빔 리소그래피 머신의 전자총으로서 가장 유리하게 사용된다. 현재의 산업 분야에서 반도체 웨이퍼 상의 반도체 장치의 제조는 화학선의 방출, 전자 빔 방출의 미세 라인 패턴을 가진 폴리머 레지스트 재료의 노광을 고려한다. 이것은 리소그래픽 마스크를 통해 레지스트 도포된 기판 상에 화학선의 방출을 전달함으로써 종래 실시에서 달성된다. 상기 마스크는 인접 프린팅을 위해 상기 기판에 인접하게 위치되거나, 상기 기판으로부터 떨어져 배치될 수 있고, 프로젝션 프린팅을 위해 상기 기판 상에 마스크의 이미지가 투사된다.
SCALPEL 리소그래피 툴은 매우 작은 선폭, 즉 0.1μm 이하의 선폭에서의 높은 콘트라스트 이미지 패턴에 특징이 있다. 상기 툴은 광 투사 시스템의 높은 처리량과 결부되어, 넓은 처리 범위를 가진 고해상도 이미지를 생성한다. 이 높은 처리량은 웨이퍼의 비교적 넓은 영역을 노광하기 위하여 전자의 플러드 빔(flood beam)을 사용함으로써 가능해진다. 표준 자기장 빔 스티어링 및 포커싱을 구비한 전자 빔 광학 장치는 리소그래피 마스크에, 다음에 기판, 즉 레지스트 도포된 웨이퍼에 상기 플러드 빔을 촬상하는데 사용된다. 상기 리소그래피 마스크는 높은 전자 스캐터링의 영역과 낮은 전자 스캐터링의 영역으로 구성되어 있고, 이들 영역은 마스크 패턴에서 원하는 특성을 정의한다. 적합한 마스크 구조에 대해 상세한 것은 버거(Berger) 등의 미국 특허 제 5,079,112 호(1992.1.7)와 제 5,258,246 호(1993.11.2)에 기재되어 있다.
상기 SCALPEL 툴의 중요한 특징은 상기 리소그래픽 마스크와 기판 사이에 위치된 백 초점면(back focal plane) 필터이다. 상기 백 초점면 필터는 약하게 스캐터된 전자를 통과시키면서 높게 스캐터된 전자를 차단함으로써 상기 기판 상에 이미지 패턴을 형성한는 기능을 한다. 이와 같이, 상기 차단 필터는 상기 이미지에서 원하지 않는 방출을 흡수한다. 이는 이미지의 원하는 않는 방출이 마스크 자체에 의해 흡수되어, 상기 마스크의 가열 및 왜곡 및 감소된 마스크 수명에 기여하는 종래의 리소그래피 툴과 대조적이다.
SCALPEL 리소그래피 시스템이 동작하는 원리는 도 1에 예시되어 있다. 리소그래픽 마스크(12)가 100 keV 전자의 균일한 플러드 빔(11)에 의해 조사된다. 상기 멤브레인 마스크(12)는 높은 스캐터링 재료의 영역(13)과 낮은 스캐터링 재료의 영역을 구비하고 있다. 상기 빔의 약하게 스캐터된 부분, 즉 광선(11a)은 상기 백 초점면 차단 필터(16)의 개구(17)를 통해 자기 렌즈(15)에 의해 포커싱된다. 상기 백 초점면 필터(16)는 실리콘 웨이퍼 또는 전자를 차단하는데 적합한 다른 재료일 수 있다. 여기서, 광선(11b, 11c)에 의해 표현된 전자 빔의 고 스캐터 부분은 백 초점면 필터(16)에 의해 차단된다. 상기 백 초점면 차단 필터(16)를 통과한 전자 빔 이미지는 19에 의해 표현된 광학면에 위치된 레지스트 도포된 기판 상에 포커싱된다. 영역(20)은 리소그래픽 마스크(12)의 구성(14), 즉 노광될 영역을 복제한다. 영역(21)은 리소그래픽 마스크의 구성(13), 즉 노광되지 않을 영역을 복제한다. 이들 영역은 기술 분야에서 잘 알려진 바와 같이 네가티브 또는 포지티브 레지스트 패턴을 생성하기 위하여 상호 교환될 수 있다.
상기 SCAPEL 툴의 특성은 전자빔 이미지의 백 초점면에 또는 백 초점면 부근에 있는 차단 필터의 위치 결정이다. SCALPEL 시스템에 대한 추가적인 설명은 버거 등의 미국 특허 제 5,079,112 호(1992.1.7)와 제 5,258,246 호(1993.11.2)에 기재되어 있다. 이들 특허는 본 발명의 실시를 위해 유용할 수도 있는 그와 같은 설명을 위해 본 명세서의 참고 문헌이 된다.
도면은 개략적이고 실제 크기일 필요없음을 이해해야 한다. 장치 구성 등은 예로서 주어진 것이며, 장치 구조에 어떠한 제한을 두도록 의도된 것이 아니다.
종래 SCALPEL 툴의 전자 플러드 빔(11)은 일반적으로 에넬트 전자총에 의해 생성된다. 도 2를 참조하면, 베이스(23), 캐소드 지지 아암(24), 캐소드 필라멘트(25), 웨넬트 지지 아암(27)으로 구성된 웨넬트 전극, 종래 웨넬트 개구(28)를 가지고 있는 종래 웨넬트 전자총 어셈블리가 도시되어 있다. 상기 베이스(23)는 세라믹일 수 있고, 상기 지지 부재(24)는 탄탈, 강철 또는 몰리브덴일 수 있다. 상기 필라멘트(25)는 텅스텐 와이어일 수 있고, 상기 웨넬트 개구를 형성하는 재료는 강철 도는 탄탈일 수 있고, 상기 전자 에미터(26)는 예컨대 탄탈이다. 상기 전자 에미터의 유효 면적은 일반적으로 0.5-3.0 mm2의 범위에 있다. 상기 전자 에미터는 바람직하게 0.5 - 2.0 mm 범위의 직경을 가진 디스크이다. 상기 에미터는 일반적으로 0.1 - 1.0 mm 범위의 거리만큼, 도시된 바와 같이 상기 웨넬트 개구로부터 떨어져 있다. 간단히 하기 위하여, 상기 애노드와 빔 제어 장치는 도시되지 않았다. 이들 소자는 종래의 것이며 기술 분야에서 공지되어 있다.
종래 SCALPEL 툴의 상기 웨넬트 전자 총은 수백 볼트에 의해 애노드에 대해 네가티브로 캐소드, 즉 웨넬트 개구로 바이어스된다.
SCALPEL 노광 툴의 전자 소스의 중요한 특징은 위에서 언급한 바와 같이 비교적 낮은 전자 빔 휘도이다. 가장 효과적인 노광을 위해서, 빔 휘도가 104Acm-2sr-1이하의 값으로 제한된다. 이는 일반적으로 최대 휘도를 위해 최적화된 종래 주사 전자 빔 노광 툴과 대조된다. 리우(Lie) 등의 미국 특허 제 4,588,928 호(1988.5.13)를 참조하자.
본 발명에 따라 수정된 웨넬트 전자총이 도 3에 도시되어 있다. 상기 표준 SCALPEL 웨넬트로부터의 원리 출발은 상기 웨넬트 전극(37)이 2000-8000 V 범위의 바이어스로 포지티브 바이어스되어 있다는 점이다. 이는 상기 표준 SCALPEL 웨넬트에 비해 역바이어스이며, 이에 따라, 본래 평행한 전속 라인을 가진 얇은 출력빔(41)이 생기는데, 즉 전자 빔 패턴에 크로스오버가 거의 또는 아예 존재하지 않게 된다.
이 역바이어스로부터의 빔 특성을 개선하기 위하여, 웨넬트 컴퓨터 시뮬레이션으로부터 상기 웨넬트 개구에는 바람직하게 도 3에 도시된 바와 같이 테이퍼가 형성된다. 도 3에는 원형 개구(38)을 가진 디스크를 구비한 웨넬트 전극(37)이 도시되어 있다. 상기 디스크(37)는 제 1 면 및 제 2 면을 가지고 있고, 상기 개구는 원통형 부분과 원뿔형 부분을 구비하고 있으며, 상기 원통형 부분은 상기 디스크의 제 1 면에서부터 상기 개구의 거리(X)까지 뻗어 있고, 상기 원뿔형 부분은 상기 원통형 부분에서부터 상기 디스크의 다른 면까지 뻗어 있다. 상기 원뿔형 부분의 각도는 α로 지정되어 있다. 상기 전자 빔 에미터(36)는 도시된 바와 같이 상기 개구의 원뿔 부분 내에 위치되어 있다.
웨넬트 개구의 바람직한 디자인에서,
t = 1.5 - 3.5 mm이고, 바람직하게는 2.0 - 3.0 mm이다.
α = 15 - 40。
X = 0.2 - 0.6 mm,
d1: d2= 1.2 - 4.0
여기서, d1는 상기 웨넬트 개구의 직경이고, d2는 전자 에미터의 직경이다.
종래의 웨넬트 총의 출력 빔 특성을 본 발명의 역 바이어스된 웨텔트 총과 비교한 컴퓨터 시뮬레이션의 결과가 도 4 및 도 5에 도시되어 있다. 종래 웨넬트를 시뮬레이션한 도 4의 곡선(45)은 8.2 mrad 이하에서 크게 떨어진 빔 휘도를 나타낸다. 대조적으로, 본 발명의 수정된 웨넬트의 빔 휘도 곡선(46)은 14,609 mrad에 대해 균일하고 보다 낮은 빔 휘도를 나타낸다.
실제 컴퓨터 시뮬레이션에 의해 제조된 종래 웰넬트와 수정된 웨넬트간의 빔 프로파일들의 비교가 도 8 및 도 7에 도시되어 있다. 도 6에는 종래의 웨넬트의 빔 프로파일이 도시되어 있다. 상기 빔의 크로스오버가 명백하다. 도 7에는 본 발명의 수정된 웨넬트의 빔 프로파일이 도시되어 있으며, 크로스오버가 없는 것이 명백하다.
여기서, 정의를 위해, 특허청구범위에서, 용어 전자 에미터는 대략 평탄한 방출면을 가진 고체의 금속 몸체를 형성하도록 의도되어 있고, 상기 평탄한 방출면은 대칭인데, 즉 원 또는 통상적인 다각형의 형상을 가지고 있다. 또한, 정의를 위해, 용어 기판은 기판 상에 반도체 물품이 존재하는지의 여부에 따라 전자빔 노출 시스템의 물체면을 정의하기 위하여 여기서 사용된다. 용어 전자 광학면은 전자총의 전자 방출면과 전자 빔 이미지가 포커싱된 면, 즉 반도체 웨이퍼가 놓인 물체면 사이에서 전자 빔 노광 시스템의 공간에서 x-y 평면을 설명하는데 사용될 수 있다.
본 발명의 각종 부가적인 수정예는 당업자에게 가능하다. 기본적으로 기술을 진보시킨 원리 등에 의존하는 본 명세서의 특정 기술로부터의 모든 이탈은 설명되고 청구 범위에 청구된 본 발명의 범위 내에서 적절히 고려된다.

Claims (10)

  1. 렌즈 시스템을 사용하여, 패터닝된 전자빔이 레지스트 도포된 반도체 웨이퍼의 표면 상에 투사되는 적어도 하나의 리소그래픽 단계를 포함하고 있는 반도체 집적 회로 제조 방법으로서,
    (a) (ⅰ) 리소그래픽 마스크와 (ⅱ) 상기 전자 빔의 전자에 본래 투명한 백 초점면(back focal plane) 필터를 순차적으로 통해, 상기 레지스트 도포된 웨이퍼 상에 전자 빔을 투사하는 단계를 포함하고 있는 반도체 집적 회로 제조 방법에 있어서,
    상기 전자 빔은 전자 총에 의해 생성되고,
    상기 전자총은 (b)상기 전자 빔이 전자 에미터로부터 애노드쪽으로 흐르도록 상기 전자 에미터와 이 전자 에미터로부터 떨어진 상기 애노드 사이에 바이어스를 형성함으로써 동작하고, 상기 전자 총은 상기 전자 에미터의 주위에 웨넬트 개구를 더 가지고 있으며,
    상기 전자총은 (c)포지티브 바이어스된 상기 웨넬트 개구와 상기 애노드 사이에 바이어스를 형성함으로써 동작하는 반도체 집적 회로 제조 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 전자 빔은 104Acm-2sr-1이하의 휘도를 가지고 있는 반도체 집적 회로 제조 방법.
  3. (a) 전자 빔 에미터와,
    (b) 상기 전자 빔 에미터 주위의 웨넬트 전극과,
    (c) 애노드와,
    (d) 리소그래픽 마스크와,
    (e) 백 초점면 필터와,
    (f) 기판과,
    (g) 상기 전자 빔 에미터로부터 전자 빔을 생성하기 위한 바이어싱 수단을 포함하고 있는 수단과,
    (h) 상기 애노드, 상기 리소그래픽 마스크, 상기 백 초점면 필터를 순차적으토 통해 상기 전자 빔의 적어도 부분들을 상기 기판 상에 전달하는 수단과,
    (i) 상기 애노드에 대해 상기 웨넬트 전극을 포지티브 바이어싱하는 수단을 구비한 전자빔 노광 시스템.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 웨넬트 전극은 원형 개구를 가진 디스크를 구비한 전자빔 노광 시스템.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 디스크는 제 1 기판과 제 2 기판을 가지고 있고,
    상기 개구는 원통형 부분과 원뿔형 부분을 구비하고 있으며,
    상기 원통형 부분은 상기 개구에서 상기 디스크의 상기 제 1 표면에서부터 거리(X)까지 뻗어 있고,
    상기 원뿔형 부분은 상기 원통형 부분에서부터 상기 디스크의 다른 표면까지 뻗어 있는 전자빔 노광 시스템.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 전자빔 에미터는 디스크인 전자빔 노광 시스템.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 전자 빔 에미터는 상기 개구의 상기 원뿔형 부분 내에 위치되어 있는 전자빔 노광 시스템.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 개구는 직경(d1)을 가지고 있고,
    상기 전자빔 에미터는 직경(d2)을 가지고 있으며,
    상기 웨넬트 전극은 두께(t)를 가지고 있고,
    상기 원뿔형 부분의 각은 α이며,
    t = 1.5 - 3.5 mm
    X = 0.2 - 0.6 mm
    d1: d2= 1.2 - 4.0
    α = 15 - 40。 인 전자빔 노광 시스템.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 전자 에미터는 탄탈 디스크를 구비한 전자빔 노광 시스템.
  10. 제 3 항에 있어서,
    상기 바이어스 수단은 2000-8000 V의 전압원인 전자빔 노광 시스템.
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