JP3465469B2 - 電子ビーム描画方法および描画装置およびこれを用いた半導体集積回路装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は半導体素子などの製
造に用いられる電子ビーム描画に係り、特に、描画パタ
ーンに繰り返し現れる形状の電子ビームで一括に描画を
行う電子ビーム描画方法および装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】電子ビーム描画は、その解像性の高さと
パターンを発生可能という機能から半導体製造における
フォトマスクの製造や先端デバイスの研究開発に用いら
れている。近年、半導体素子の微細化に伴い、その加工
寸法は光露光の光源の波長と同じ程度となり解像限界に
近づいている。このため、超解像技術などを用いても光
露光で解像し難い層に、量産を行う生産ラインにも電子
ビーム描画が適用されつつある。特定の機能を持つ一ま
とまりの開口群を一度に照射する、一括ビーム描画方式
が実用化され描画速度は大幅に向上したにもかかわら
ず、電子ビーム描画にはさらに大きな描画速度の向上が
要求されている。

【０００３】一括ビーム方式の描画速度をさらに向上さ
せるための要因に、一括ビームの面積の拡大が上げられ
る。ところが、ある電子銃から放射されるビーム電流は
一定なので、一括ビームの面積を拡大すると結果として
電流密度が減少してしまう。また、一括ビームだけで半
導体素子の全てのパターンを描画することはできず、可
変成形方式と併用するのが実用的である。一括ビームの
面積を拡大し電子ビームの電流密度が減少すると、これ
とは反対に、可変成形ビームで描画を行う部分の描画速
度は低下してしまう。このため、通常は最大の描画速度
を得るためにレジスト感度や偏向整定待ち時間などの要
因を考慮し一括ビームの面積を最適化している。

【０００４】また、一括ビーム方式は複数のパターンを
一度に照射して描画を行う方式であるので、一度に照射
を行う範囲は照射量を変化させることはできない。これ
に対して、例えば特開平４―１３７５２０号公報に示さ
れているように、一括パターン開口とは別の網の目状の
開口を重ねることにより、照射量に分布を持たせる方法
も提案されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】一括ビーム方式の電子
ビーム描画で、スループットを向上させるためには一括
ビームの面積を拡大し、ショットの数を減少させること
が有効な手段である。ところが、電子銃から放射される
電流量は物性によって決まるので一定である。従って、
一括ビームの面積を拡大するとビームの電流密度が減少
することになる。感光剤の感度は電流密度と照射時間の
積で決定されるので、感光剤の感度が一定であれば、ビ
ームの面積に関わらず合計の照射時間は一定である。

【０００６】通常、一括ビーム方式の描画でも一括ビー
ムだけでは、繰り返し以外のパターンを描画することは
できない。従って、可変成形ビーム方式と併用するのが
実用的である。一括ビームの面積を拡大し電流密度が減
少すると、可変成形ビームの電流密度も減少してしま
う。そのため、可変成形ビームで描画する部分の描画速
度が減少し、総合的なスループットは低下してしまう。
すなわち、照射するビームの一部しか使用していないこ
とになり、開口以外に照射されたビームは描画に寄与し
ないため無駄を生じている。

【０００７】この問題は、一括ビーム部分の開口を照射
する場合と可変成形ビーム部分の開口を照射する場合で
ビームサイズを切り替えれば解決可能である。しかし、
ビームサイズの切り替えはレンズの収束条件を変更しな
ければならない。これに要する時間は、開口を選択する
のに比べて多大な時間を要するので、総合的なスループ
ットの向上にはならない。

【０００８】

【課題を解決するための手段】一括ビームの形状を決め
る絞りの上の開口選択用の偏向器を用い、または走査専
用の偏向器を配置し、特定の機能を持つ一まとまりの開
口群である一括ビーム形状より辺々の１／２以下、また
は面積で１／４以下の小さいビームで走査することによ
り、見かけ上の一括ビームの面積を拡大する。この面積
の小さいビームで可変成形ビームを形成することによっ
て、一括ビームパターン以外のパターンも高い電流密度
で描画ができる。また、走査の速度や回数を変化させる
ことにより、照射量を制御する。

【０００９】

【発明の実施の形態】一括ビーム方式の電子ビーム描画
で、スループットを向上させるためには一括ビームの面
積を拡大し、ショットの数を減少させることが有効な手
段である。一括ビームの面積を拡大するとビームの電流
密度が減少することになる。感光剤の感度が一定であれ
ば、ビームの面積に関わらず合計の照射時間は一定であ
る。通常、一括ビーム方式の描画でも一括ビームだけで
は全てのパターンを描画することはできない。従って、
可変成形ビーム方式と併用するのが実用的である。一括
ビームの面積を拡大し電流密度が減少すると、可変成形
ビームの電流密度も減少してしまう。その結果、可変成
形ビームで描画する部分の描画速度が減少し、総合的な
スループットは低下してしまう。

【００１０】一括ビームの形状を決める絞りの上の開口
選択用の偏向器を用い、または走査専用の偏向器を配置
し、特定の機能を持つ一まとまりの開口群である一括ビ
ーム形状より面積の小さいビームで走査することによ
り、見かけ上の一括ビームの面積を拡大する。

【００１１】一括ビーム形状より面積の小さいビームで
走査する場合に、一括ビームの領域の走査を行う最低限
の回数は往復２回なので、領域の１／２以下の寸法のビ
ームを用いることが有効である。１／２以上のビームを
用いた場合には、２回の走査で必要な走査領域に余る部
分が生じ、これは描画に寄与しない。なぜならば、１回
目と２回目で多重描画をすると照射むらが発生するた
め、重ならないように走査しなかればならないからであ
る。従って、走査する領域の辺々の１／２以下、面積で
１／４以下のビームを用いる。この面積の小さいビーム
で可変成形ビームを形成することによって、高い電流密
度で描画ができる。また、走査の速度や回数を変化させ
ることにより、照射量を制御する。

【００１２】（実施例１）図１は本発明の第１の実施例
を示した図である。

【００１３】電子源１から放出された電子ビーム２（結
像関係を示す）は１つ以上の集束レンズ３で収束され第
１アパーチャ４で成形された後、第１成形レンズ５と第
２成形レンズ７で収束され第２アパーチャ８上に結像さ
れる。この第２アパーチャ８上の像は対物レンズ９と対
物偏向器１０で投影偏向されて、感光剤の塗布された試
料１１上に照射され描画を行う。このとき第２アパーチ
ャ８にあらかじめ設けてある複数の描画すべきパターン
形状の開口を、偏向器６により選択する。

【００１４】電子源１の放射角電流密度は材料の物性に
依存して決まるので、ある一様な電流密度かつ特定の面
積をもつ電子ビームで描画に使用し得る電流値が一定に
なる。一括ビームの面積を拡大するためには、集束レン
ズ３を調節して開口角を広げて照射しなければならな
い。このため、例えば一括ビームの面積を２倍にすると
電流密度は１／２になる。通常、実際の半導体集積回路
のパターンは複雑で、一括ビームだけでは描画を行うこ
とはできないので、第２アパーチャ８には可変成型方式
用の開口をも設けて、パターンに応じて切り替えて描画
を行っている。通常、可変成形方式で描画を行うパター
ンは一括ビームの面積よりも小さいことが多いので、一
括ビーム用の電流密度の低いビームを用いると、試料に
到達せず描画に寄与しないビームが多くなることにな
る。

【００１５】この問題を解決するためには、集束レンズ
３の収束力を一括ビーム用と可変成型用で切り替えて、
それぞれ最適なビーム面積に設定すれば可能である。し
かし、通常集束レンズ３はインダクタンスの大きい電磁
レンズを用いるので、収束力の切り替えには偏向器６に
よる第２アパーチャ８上での開口の選択に比べて長い時
間を要する。この収束力の切り替えはは結果的には描画
速度の向上とはならない。

【００１６】従って、集束レンズ３により可変成形方式
に必要な電流密度を設定し、これより面積の大きい一括
ビームの部分はビームを走査すれば、面積の大きい一括
ビームが実現できることになる。また、このビーム面積
が一定であれば、集束レンズ３は不要になる場合もあ
る。試料１１上に塗布された感光剤の感度は、単位面積
当たりの電子ビーム照射量と等しく、電子ビームの電流
密度と滞在時間との積で決定される。感光剤の感度が一
定の場合、電流密度が低く面積が大きい場合の滞在時間
と電流密度が高いビームを連続的に走査した場合の合計
の滞在時間は等しくなる。従って、第２アパーチャ８上
の開口を一括ビームよりも面積の小さいビームで走査し
た場合も、一括ビームの面積を拡大した場合も要する時
間は同じである。

【００１７】一括ビームよりも面積の小さいビームで走
査を行った場合を図２に示す。第２アパーチャ８上の特
定の機能を持つ一まとまりの開口群である一括ビーム用
開口１２を、開口の面積よりも小さい電子ビーム２で走
査をする。このとき、可変成型ビーム用開口１３は電子
ビーム２の面積以上であればよい。これに対して、従来
の一括ビーム方式を図３に示す。第２アパーチャ８上の
一括ビーム用開口１２を、開口の面積よりも大きい電子
ビーム２で一括に照射していた。

【００１８】（実施例２）図４に電子ビーム２での走査
の経路を示す。図４（ａ）は電子ビーム２で第２アパー
チャ８上の一括ビーム用開口１２を、走査経路１４で走
査することを示す。このように、一括ビーム用開口１２
の全面積を電子ビーム２で走査すれば、一括ビーム用開
口１２はどのようなパターンでもよい。

【００１９】しかし、実際の半導体製造には、例えばホ
ール系のように描画する各々のパターンの面積が小さい
層がある。図４（ｂ）に示す例は、一括ビーム用開口１
２の中に占める開口１５の面積が小さく、開口以外の部
分に照射した電子ビーム２は描画に寄与しない。各々の
パターンの開口１５が小さくかつそれぞれの開口１５が
離れている場合には、走査経路１６のように開口部分だ
けを選択的に走査する。この場合には、有効に電子ビー
ム２の電流を使うことが可能となり、さらに描画速度が
向上する。この方法は、描画パターンが変わる度に走査
位置を変える必要がある。従って、第２アパーチャ８を
作製する際に位置情報を記録しておき、パターンが変わ
る度にパターン配置情報を読み出せばよい。

【００２０】開口１５の部分だけを選択して走査を行え
ば、電子ビーム２と一括ビーム用開口１２の面積の比だ
け描画速度を向上させることができる。

【００２１】（実施例３）図３に示されているような、
いわゆる一括ビーム方式は電子ビーム２のオンからオフ
までの時間で照射量を制御するのが通常の方法である。
これに対して、図２に示されている本描画方法では、照
射量を制御する方法は次の２種類が可能である。第１
は、一括ビーム用開口１２の上を電子ビーム２が１度だ
け走査を行う方式である。これは、必要な照射量と電子
ビーム２の電流密度から決定される電子ビーム２の滞在
時間に応じて走査の速度を変化させる。第２は、一括ビ
ーム用開口１２の上を複数回走査を行う方式である。こ
れは、１度の走査の速度は固定で、必要な照射量の回数
分だけ走査を行う。

【００２２】１度だけの走査で照射量を変える場合につ
いて詳述する。図４（ａ）に示すような、一括ビーム用
開口１２の全面積を電子ビーム２で走査する場合には、
走査の速度を必要な照射量に反比例して変化させればよ
い。また、図４（ｂ）に示すような、走査経路１６が開
口部分だけを選択的に走査する場合には、開口１５に電
子ビーム２が滞在している時間は走査を停止して、開口
から開口への移動は走査用偏向器の最高速度で走査を行
えばよい。さらに、電子ビーム２の面積が開口１５より
も大きい場合には、電子ビーム２と開口１５の走査方向
の長さの差の分だけ走査用偏向器の停止安定性は緩くす
ることが可能である。

【００２３】複数回走査する場合には、図４の（ａ）お
よび（ｂ）のいずれの場合も、照射量の多い部分だけ走
査回数を多くすればよい。

【００２４】本方法を用いた結果、一括図形内部の照射
量は任意に設定することが可能となり、特に照射量に依
存する近接効果補正を高精度に行うことができる。

【００２５】（実施例４）図５は第１成形レンズ５と第
２成形レンズ７の部分を拡大した図で、走査用の信号を
偏向器に重畳した例を示す。偏向器６に信号を送る選択
制御装置１７の信号に、走査信号発生装置１８からの走
査信号を加算することにより選択と走査を同じ偏向器６
で行う。

【００２６】（実施例５）図６は第１成形レンズ５と第
２成形レンズ７の部分を拡大した図で、走査用の偏向器
を新たに付加した例を示す。従来の偏向器６には選択制
御装置１７の信号が、走査用偏向器１９には走査信号発
生装置１８からの走査信号が供給され、選択と走査を独
立して行う。

【００２７】（実施例６）図７に本発明の電子ビーム描
画方法を用いた半導体集積回路の製造工程を示す。

【００２８】図７Ａから図７Ｄはその工程を示す素子の
断面図である。Ｎマイナスシリコン基板２０に通常の方
法でＰウエル層２１、Ｐ層２２、フィールド酸化膜２
３、多結晶シリコン／シリコン酸化膜ゲート２４、Ｐ高
濃度拡散層２５、Ｎ高濃度拡散層２６、などを形成した
（図７Ａ）。次に、リンガラス（ＰＳＧ）の絶縁膜２７
を被着し、絶縁膜２７をドライエッチングしてコンタク
トホール２８を形成した（図７Ｂ）。

【００２９】次に、通常の方法でＷ／ＴｉＮ電極配線３
０材を被着し、その上に感光剤２９を塗布し、本発明の
電子ビーム描画方法を用いて感光剤２９のパターンニン
グを行った（図７Ｃ)。そして、ドライエッチングなど
によりＷ／ＴｉＮ電極配線３０を形成した。

【００３０】次に層間絶縁膜３１を形成し、通常の方法
でホールパターン３２を形成した。ホールパターン３２
の中はＷプラグで埋め込み、Ａｌ第２配線３３を連結し
た（図７Ｄ）。以降のパッシベーション工程は従来法を
用いた。

【００３１】なお、本実施例では主な製造工程のみを説
明したが、Ｗ／ＴｉＮ電極配線形成のリソグラフィ工程
で本発明の電子ビーム描画方法を用いたこと以外は従来
法と同じ工程を用いた。以上の工程により、質が低下す
ることなくパターンを形成することができ、ＣＭＯＳＬ
ＳＩを高歩留まりで製造することが出来た。本発明の電
子ビーム描画方法を用い半導体集積回路を製作した結
果、描画速度が向上したことによる単位時間当たりの生
産量が増加した。

【００３２】

【発明の効果】特定の機能を持つ一まとまりの開口群で
ある一括ビーム形状より面積の小さいビームで一括ビー
ム開口を走査することにより、見かけ上の一括ビームの
面積を拡大し高速に描画を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例を示す図。

【図２】面積の小さいビームで走査を行った場合を示す
図。

【図３】従来の一括ビーム方式を示す図。

【図４】走査の経路を示す図。

【図５】走査用の信号を偏向器に重畳した例を示した
図。

【図６】走査用の偏向器を新たに付加した例を示す図

【図７】本発明の電子ビーム描画方法を用いた半導体集
積回路の製造工程を示す図。

【符号の説明】

１：電子源、２：電子ビーム、３：収束レンズ、４：第
１アパーチャ、５：第１成形レンズ、６：偏向器、７：
第２成形レンズ、８：第２アパーチャ、９：対物レン
ズ、１０：対物偏向器、１１：試料、１２：一括ビーム
用開口、１３：可変成形ビーム用開口、１４：走査経
路、１５：開口、１６：走査経路、１７：選択制御装
置、１８：走査信号発生装置、１９走査用偏向器、２
０：Ｎマイナスシリコン基板、２１：Ｐウエル層、２
２：Ｐ層、２３：フィールド酸化膜、２４：多結晶シリ
コン／シリコン酸化膜ゲート、２５：Ｐ高濃度拡散層、
２６：Ｎ高濃度拡散層、２７：絶縁膜、２８：コンタク
トホール、２９：感光剤、３０：Ｗ／Ｔｉ電極配線、３
１：層間絶縁膜、３２：ホールパターン、３３：アルミ
第２配線

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 中山 義則 東京都国分寺市東恋ケ窪１丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内 (72)発明者 斉藤 徳郎 東京都国分寺市東恋ケ窪１丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内 (56)参考文献 特開 平４−88626（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−124810（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−302132（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 21/027

Claims (6)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】電子ビームを放射する電子源と、前記電子
   ビームの形状を決定する機能をもつ一まとまりの開口群
   が複数配置されたアパーチャと、該アパーチャ上に配置
   された複数の一まとまりの開口群のうちの一つを選択し
   前記電子ビームを前記開口群に照射する第１の偏向器
   と、前記電子ビームを投影する１つ以上の電磁レンズと
   を用いて行う電子ビーム描画方法にあって、 前記一まとまりの開口群が占める領域の辺々の１／２以
   下の辺で構成される前記電子ビームで走査を行うことに
   より描画を行うことを特徴とする電子ビーム描画方法。
2. 【請求項２】請求項１に記載の電子ビーム描画方法にあ
   って、 前記一まとまりの開口群が占める領域の更に１／４以下
   の面積の電子ビームで走査を行うことにより描画を行う
   ことを特徴とする電子ビーム描画方法。
3. 【請求項３】請求項１または請求項２のいずれかに記載
   の電子ビーム描画方法にあって、 前記複数の一まとまりの開口群のいずれか１つの開口群
   が占める領域のうち、開口だけを選択して走査を行うこ
   とにより描画を行うことを特徴とする電子ビーム描画方
   法。
4. 【請求項４】請求項１または請求項２または請求項３の
   いずれかに記載の電子ビーム描画方法にあって、前記一
   まとまりの開口群の前記アパーチャ上での場所に応じて
   走査を行う速度または回数を変えることで電子ビーム照
   射量を変化させて描画を行うことを特徴とする電子ビー
   ム描画方法。
5. 【請求項５】請求項１から請求項４のいずれか１項に記
   載の電子ビーム描画方法を用いることを特徴とした電子
   ビーム描画装置にあって、 前記複数の特定形状の開口を選択する第１の偏向器に走
   査を行う信号を重畳させる機能を具備したことを特徴と
   する電子ビーム描画装置。
6. 【請求項６】請求項１から請求項４のいずれか１項に記
   載の電子ビーム描画方法を用いることを特徴とした電子
   ビーム描画装置にあって、試料上に 走査を行う第２の偏向器を設けたことを特徴と
   する電子ビーム描画装置。