(57)【要約】【課題】  電子ビーム露光装置の持つ光を越える優れた解像力と光ステッパの持つ高いスループットの双方を生かし、微細パターンを高いスループットで形成することができ、かつパターンの重ね合わせ精度の向上をはかる。【解決手段】  ウェハ５上に形成されたレジストに所望パターンを露光してレジストパターンを形成するパターン形成方法において、感光材が塗布された下地基板のパターンを、感光材に電子ビームを照射することにより該感光材から放出される二次電子の情報に基づいて検出し、該検出されたパターンに位置合わせして露光を行う。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被処理基板上に形成された感光材に所望パターンを露光して該感光材にパターンを形成するパターン形成方法において、
前記感光材が塗布された下地基板のパターンを、前記感光材に電子ビームを照射することにより該感光材から放出される二次電子の情報に基づいて検出し、該検出されたパターンに位置合わせして露光を行うことを特徴とするパターン形成方法。
【請求項２】
パターン露光の際の荷電ビームのレジスト中での飛程距離がレジスト膜厚よりも長く、下地パターン検出の際の電子ビームのレジスト中での飛程距離がレジスト膜厚よりも短いことを特徴とする請求項１記載のパターン形成方法。
【請求項３】
下地パターン検出の際の電子ビームのレジスト中での飛程距離より大なる厚さのレジストを除去した後に、現像処理を行うことを特徴とする請求項１記載のパターン形成方法。
【請求項４】
下地パターン検出のための電子ビームの感光材中への照射量を該感光材の感光照射量以下に設定したことを特徴とする請求項１記載のパターン形成方法。
【請求項５】
荷電ビーム源から放出された荷電ビームを集束すると共に、所定形状に成形して被処理基板に照射し、該基板上の感光材に所望パターンを露光する荷電ビーム露光装置において、
前記感光材下の基板中の下地パターンを、前記感光材に電子ビームを照射することにより該感光材から放出される二次電子の情報に基づいて検出する手段と、この検出手段からの情報に基づいて露光するパターンの位置を補正する手段とを具備してなることを特徴とする荷電ビーム露光装置。
【請求項６】
荷電ビーム源から放出された荷電ビームを集束すると共に、所定形状に成形して被処理基板に照射し、該基板上の感光材に所望パターンを露光する荷電ビーム露光装置において、
パターン露光用の光学系とは別にパターンモニタ用の光学系を備え、モニタ用光学系により前記感光材下の基板中の下地パターンを、前記感光材に電子ビームを照射することにより該感光材から放出される二次電子の情報に基づいて検出し、該検出された情報に基づいて露光用光学系により露光するパターンの位置を補正することを特徴とする荷電ビーム露光装置。
【請求項７】
被処理基板上に感光材を塗布すると共に、パターンが露光された感光材を現像する塗布・現像装置と、被処理基板上に塗布された感光材に所望パターンを露光する光ステッパと、被処理基板上に塗布された感光材に所望パターンを露光する荷電ビーム露光装置とを近接配置してなるリソグラフィシステムであって、
前記荷電ビーム露光装置は、感光材下の基板中の下地パターンを、前記感光材に電子ビームを照射することにより該感光材から放出される二次電子の情報に基づいて検出する手段と、この検出手段からの情報に基づいて露光するパターンの位置を補正する手段とを備え、
前記光ステッパ及び荷電ビーム露光装置は、同一感光材に対して現像プロセスを挟むことなく順次パターンの露光を行い、かつ光ステッパの解像限界以下のパターン露光を荷電ビーム露光装置で行うように構成され、
前記塗布・現像装置は、前記光ステッパ及び荷電ビーム露光装置の双方でパターン露光が行われた後に感光材を現像処理するよう構成されていることを特徴とするリソグラフィシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、微細なパターンを含む半導体集積回路パターンを高い重ね合わせ精度で、かつ高スループットで形成するパターン形成方法と、この方法を実現するための荷電ビーム露光装置及びリソグラフィ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体製造工程における光リソグラフィは、そのプロセス簡易性，低コストなどの利点により、広くデバイス生産に用いられてきた。常に技術革新が続けられており、近年では短波長化（ＫｒＦエキシマレーザ光源）により０．２５μｍ以下の素子の微細化が達成されつつある。さらに微細化を進めようと、より短波長のＡｒＦエキシマレーザ光源やレベンソン型の位相シフトマスクの開発が進められており、０．１５μｍルール対応の量産リソグラフィツールとして期待されている。しかし、これを実現するための課題も多く、その開発に係わる時間が長期化しており、デバイスの微細化のスピードに追いつかなくなることが心配されつつある。
【０００３】
これに対して、ポスト光リソグラフィの第一候補である電子ビームリソグラフィでは、細く絞ったビームを用いて０．０１μｍまでの加工できることが実証済みである。微細化という観点では、当面問題なさそうであるが、デバイス量産ツールとしてはスループットに問題がある。即ち、細かいパターンを一つ一つ順番に描いていくために、描画時間が長くなるのを避けられない。この描画時間を短縮するために、ＵＬＳＩパターンの繰り返し部分を部分的に一括して描画するセルプロジェクション方式など幾つかの装置が開発されている。しかしながら、これらの装置を用いても光リソグラフィのスループットに追いつくまでには至っていない。
【０００４】
電子ビームリソグラフィのスループットを増大させる方法として、同一レジストに対するパターン転写を光露光と電子ビーム露光で行い、電子ビーム露光の露光領域を少なくして電子ビーム描画装置が一時間当たりに処理できるウェハ枚数を増やすこと、いわゆる光と電子ビーム（ＥＢ）との同層のミックスアンドマッチが提案されている。
【０００５】
（特許文献１）では、パターン形成のリソグラフィ工程において、同一レジストに対するパターン転写を位相シフトマスクを用いた光露光と電子ビーム露光とを用いて行うことが開示されている。ここでは、素子を構成する殆どのパターンを位相シフトマスクで転写し、位相シフタの配置で不都合が生じた部分を電子ビーム描画で補修するようにして、電子ビーム描画の領域をできる限り小さくして電子ビーム描画装置が一時間当たりに処理できるウェハ枚数を増やしている。
【０００６】
しかし、この方法では、描画領域は少なくて済むものの、位相シフトマスクの限界解像度以下のパターン転写はできず、今後のデバイスの微細化には対応できない。さらに、同一レジストに対して光露光と電子ビーム露光との２回の露光を行うため、各々の露光間での位置ずれが大きな問題となる。
【０００７】
多品種少量の素子を製造する際、マスクの作製に時間がかかるため、これを解決する手段として（特許文献２）では、同一レジストに各種半導体に共通なひとかたまりの機能ブロックを光で露光し、各半導体素子に固有なパターンを電子ビームで描画する方法が開示されている。即ち、各種素子に共通な部分のマスクを予め作製しておき、その他パターンが替わった部分だけ電子ビーム描画を用いている。この方法では、各種マスク毎にマスクを作る必要がないため、素子の設計から製造までの期間を短縮することができる。
【０００８】
しかし、この方法の場合も上述の方法と同様に、機能ブロック内に光露光での限界解像度以下のパターンが存在する場合には適応できず、さらに電子ビームで描画するパターンは配線部分などであり、電子ビーム露光を適用するにはパターンを一つ一つ順番に描いていくためどうしても時間がかかってしまう。さらに、光露光と電子ビーム露光との位置ずれという問題も残っている。
【特許文献１】特開平４−１５５８１２号公報
【特許文献２】特開平１−２９３６１６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
このように、スループットを向上させるために従来実施されていた光とＥＢとの同層のミックスアンドマッチでは、電子ビーム露光の解像力を十分に引き出して使っていない、スループットが光ステッパと同等までに達していないなどの問題点があった。
【００１０】
本発明は、上記の事情を考慮して成されたもので、その目的とするところは、荷電ビーム露光装置の持つ光を越える優れた解像力と光ステッパの持つ高いスループットの双方を生かし、微細パターンを高いスループットで形成することができ、かつパターンの重ね合わせ精度の向上をはかり得るパターン形成方法を提供することにある。
【００１１】
また本発明の他の目的は、上記のパターン形成方法等を実施するための荷電ビーム露光装置及びリソグラフィシステムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
（構成）
上記課題を解決するために本発明は、次のような構成を採用している。
【００１３】
即ち本発明の一態様は、被処理基板上に形成された感光材に所望パターンを露光して該感光材にパターンを形成するパターン形成方法において、前記感光材が塗布された下地基板のパターンを、前記感光材に電子ビームを照射することにより該感光材から放出される二次電子の情報に基づいて検出し、該検出されたパターンに位置合わせして露光を行うことを特徴とする。
【００１４】
また、本発明の別の一態様は、荷電ビーム源から放出された荷電ビームを集束すると共に、所定形状に成形して被処理基板に照射し、該基板上の感光材に所望パターンを露光する荷電ビーム露光装置において、前記感光材下の基板中の下地パターンを、前記感光材に電子ビームを照射することにより該感光材から放出される二次電子の情報に基づいて検出する手段と、この検出手段からの情報に基づいて露光するパターンの位置を補正する手段とを具備してなることを特徴とする。
【００１５】
また、本発明の別の一態様は、荷電ビーム源から放出された荷電ビームを集束すると共に、所定形状に成形して被処理基板に照射し、該基板上の感光材に所望パターンを露光する荷電ビーム露光装置において、パターン露光用の光学系とは別にパターンモニタ用の光学系を備え、モニタ用光学系により前記感光材下の基板中の下地パターンを、前記感光材に電子ビームを照射することにより該感光材から放出される二次電子の情報に基づいて検出し、該検出された情報に基づいて露光用光学系により露光するパターンの位置を補正することを特徴とする。
【００１６】
また、本発明の別の一態様は、被処理基板上に感光材を塗布すると共に、パターンが露光された感光材を現像する塗布・現像装置と、被処理基板上に塗布された感光材に所望パターンを露光する光ステッパと、被処理基板上に塗布された感光材に所望パターンを露光する荷電ビーム露光装置とを近接配置してなるリソグラフィシステムであって、前記荷電ビーム露光装置は、感光材下の基板中の下地パターンを、前記感光材に電子ビームを照射することにより該感光材から放出される二次電子の情報に基づいて検出する手段と、この検出手段からの情報に基づいて露光するパターンの位置を補正する手段とを備え、前記光ステッパ及び荷電ビーム露光装置は、同一感光材に対して現像プロセスを挟むことなく順次パターンの露光を行い、かつ光ステッパの解像限界以下のパターン露光を荷電ビーム露光装置で行うように構成され、前記塗布・現像装置は、前記光ステッパ及び荷電ビーム露光装置の双方でパターン露光が行われた後に感光材を現像処理するよう構成されていることを特徴とする。
【００１７】
（作用）
本発明によれば、感光材が塗布された下地基板のパターンを検出し、該パターンに位置合わせして露光を行うことにより、下地基板内のパターンに対しての位置合わせを直接合わせで行うことができ、パターンの重ね合わせ精度の向上をはかることが可能となる。さらに、同一感光材に対するパターン転写を光露光と荷電ビーム露光との双方を用いて行い、光露光の限界解像度以下のパターン転写を荷電ビーム露光で行うことにより、パターン解像性に優れ、かつスループットの高いパターン形成ができる。即ち、荷電ビーム露光の持つ光リソグラフィを越える優れた解像力で光ステッパと同等のスループットを確保して微細パターンを形成することができる。
【００１８】
また、本発明のリソグラフィシステムを用いた半導体デバイスの製造方法によれば、光リソグラフィの限界解像度以下のパターンが容易に形成でき、かつ従来の光ステッパと同等のスループットでレジストパターンを形成することができる。さらに、荷電ビームを微細パターンの露光に使うことで素子領域と素子分離領域の間に必然的にできてしまう段差部に対しても焦点深度に余裕ができ、微細パターンを精度良く形成することができる。これは、光露光に必要となってきている段差低減のための平坦化工程を省略できることにもなり、従って製造工程の短縮に寄与することが可能である。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、感光材が塗布された下地基板のパターンを検出し、該パターンに位置合わせして露光を行うことにより、下地パターンとの直接合わせができ、パターンの重ね合わせ精度の向上をはかることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
まず、実施形態を説明する前に、本発明の基本となる光とＥＢのミックスアンドマッチについて説明する。
【００２１】
図１及び図２は、上記の考えに基づくパターン形成方法を説明するためのもので、図１はリソグラフィシステムの基本概念を示す図、図２はリソグラフィシステムの平面的な配置を示す図である。
【００２２】
これらの図において、１は光ステッパで、例えばエキシマレーザ光を用いたＤｅｅｐ−ＵＶステッパからなる。２はセルプロジェクション方式の電子ビーム露光装置であり、複数台配置されている。３はレジスト及び反射防止膜を塗布すると共に、パターンが露光されたレジストを現像するレジスト塗布・現像装置である。４はレジストをインラインプロセスで処理するために各装置１，２，３間を雰囲気制御された環境下で搬送するための搬送機構である。５は被処理基板としての半導体ウェハである。
【００２３】
また、光ステッパ１において、１ａは照射レンズ，１ｂはＬＳＩパターンの一部が形成されたフォトマスク、１ｃは投影レンズを示している。さらに、電子ビーム露光装置２において、２ａは電子銃，２ｂ，２ｃは成形アパーチャマスクを示し、成形アパーチャマスク２ｂ，２ｃの光学的重なりによって、矩形や三角形等の基本図形、更には繰り返しの基本となるセル形状のビームが成形されるようになっている。
【００２４】
このように構成されたリソグラフィシステムにおいて、レジスト塗布・現像装置３で反射防止膜及びレジストが塗布されたウェハ５は搬送機構４によって光ステッパ１に運ばれる。ここで、電子ビームで露光する際のチャージアップを防ぐため、レジスト及び反射防止膜の少なくとも一方は導電性であることが望ましい。光ステッパ１では、ウェハ５上の全面にレチクルのパターンが縮小されて順次露光される。つまり、ウェハ５上に形成すべきパターンの内の比較的寸法精度の緩いラフパターンが描画される。
【００２５】
露光が終了すると、ウェハ５は搬送機構４によって電子ビーム露光装置２に運ばれる。そして、電子ビームによってウェハ５全面の各チップに対して露光が順次成されていく。この際に、電子ビーム露光のスループットを高めるために繰り返しパターンはセルプロジェクション方式で露光するのが望ましい。
【００２６】
ここで、光ステッパ１のスループットに比べて電子ビーム露光装置２のスループットは一般的に低いことから、電子ビーム露光装置２を複数台配置してステッパの処理能力が電子ビーム装置の処理能力で律速されないようにシステムを構成して、ステッパ１から搬出されたウェハ５を複数台の電子ビーム露光装置２で並列処理できるようにしている。但し、システム全体としては、ウェハはシリーズに流れるためこれらの露光装置に対して１台のレジスト塗布・現像装置を配置する。これによって、電子ビーム露光の高い解像性とステッパの高いスループットが両立される。
【００２７】
なお、光ステッパ１のスループットに比べて電子ビーム露光装置２のスループットが高い場合は、複数台のステッパ１に対して電子ビーム露光装置２を１台とすればよい。
【００２８】
全てのパターンがウェハ５全面の全チップに対して描画された後、搬送機構４によってウェハ５は塗布・現像装置３に戻され、ここで現像されてパターン形成が完了する。このようなシステムで使うことができるレジストは、高い解像性と高い感度を有する化学増幅型のレジスト（ＵＶ２ＨＳやＵＶＮ−ＨＳ：シプレー社製）である。
【００２９】
このような化学増幅型のレジストは、空気中の様々な化学物質でその性能が簡単に劣化するため、搬送機構４を設置して各種装置１，２，３内及び各種装置１，２，３間で環境制御された環境下で取り扱うようにしている。この環境制御には、化学的汚染についてだけでなく、物理的汚染，温度，湿度等についても当然制御がされている。これによって、露光前後でのパターン寸法の変化などを抑えている。
【００３０】
上記のようにリソグラフィシステムを構成することによって、０．１μｍルールの微細パターンを含むデバイスパターンを高スループットで形成することができる。
【００３１】
図３は、このリソグラフィシステムを用いて０．５μｍ厚の化学増幅型ネガレジスト（ＵＶＮ）に形成した微細パターンの一例である。Ｄｅｅｐ−ＵＶステッパを用いて０．２５μｍまでのパターン形成を行い、０．２５μｍ以下のパターン形成を電子ビーム露光で行った。現像液はＴＮＡＨ水溶液、現像の条件は０．２７規定で６０秒であった。０．１μｍまでのパターンが確実に形成できており、解像力的にはこのリソグラフィシステムが十分な性能を持つことが分った。
【００３２】
下記の（表１）は本リソグラフィシステムのスループットを試算した結果である。
【表１】
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【００３３】
スループット試算に使った露光パターンは、０．１５μｍルールの２５６ＭビットＤＲＡＭのゲート層である。このパターンを８インチウェハ全面に１００チップ並べて露光したときのスループットを試算した。レジストの感度は１０μＣ／ｃｍ2 とした。試算に使った電子ビーム描画装置は日立製のＨＬ−８００Ｄである。
【００３４】
この装置の性能は、文献(1) Y.Nakayama etal.,J.Vac.Sci.Technol.,B8(6).1990,p1836.、(2) Y .Shoda etal.,J.Vac.Sci.Technol.,B9(6).1991,p2940.、(3) H.Itoh etal.,J.Vac.Sci.Technol.,B10(6).1992,p2799.を参照した。なお、この試算ではステッパと電子ビーム露光装置は１台ずつの構成とした。
【００３５】
セルプロジェクションを使って（セル数：５個）電子ビーム露光だけで露光した場合のスループットは０．３枚／ｈ、これに対して０．２５μｍルール以上のパターンはＤｅｅｐ−ＵＶステッパで露光し、それ以下のパターンをセルプロジェクションを使って（セル数：５個）電子ビームで露光した場合には２．８枚／ｈと遥かに高い値を示す。電子ビーム露光装置を３台配置して、ステッパからのウェハを並列で処理できるようにすれば十分に量産ツールとして使えるスループットを確保できると判断される。つまり、電子ビーム露光の持つ光を越える優れた解像力と光ステッパと同等のスループットを兼ね備えた光リソグラフィ以降の量産システムを実現することができる。
【００３６】
しかしながら、このパターン形成方法及びリソグラフィシステムでは、同層内において、光露光パターンと荷電ビーム露光パターンの位置合わせは、それぞれが同一マークに対して位置合わせを行うため間接合わせとなってしまう。また下地との合わせについても間接合わせとなってしまう。パターン寸法の微細化に伴って益々合わせ精度が厳しくなっていく際に直接合わせにより重ね合わせ精度が向上できないことは大きな問題となっている。
【００３７】
そこで本発明では、同層内における光露光パターンと荷電ビーム露光パターンと位置合わせ、場合によってはクリティカルな位置精度が要求される荷電ビーム露光パターンの下地基板内のパターンに対しての位置合わせを、直接合わせで行うことにより、パターンの重ね合わせ精度の向上をはかる。以下に、本発明の各実施形態を説明する。
【００３８】
以下、本発明の詳細を図示の実施形態によって説明する。
【００３９】
（第１の実施形態）
図４は、本発明の第１の実施形態における、同層内の光露光パターンと電子ビーム露光パターンとの直接合わせ法、及び下地パターンと電子ビーム露光パターンとの直接合わせ法の基本を説明するための図である。
【００４０】
図４において、１０は感光材下の基板のパターン、１１は感光材中に形成された光露光パターンの潜像、１２は潜像を観察するための検出ビ−ム、１３は潜像の位置を算出するための手段、１４は算出された位置を設計データと比べ電子ビーム露光時のパターン位置を補正制御するための手段、１５はパターンを露光するための電子ビーム、１６は電子ビ−ムによって形成された電子ビ−ム露光パターンの潜像である。
【００４１】
ここで、検出ビームと露光ビームとを別々に設けているのは、両者の作業を基板を載置したステージの動作中に並行して行われるようにして電子ビ−ム露光の処理能力を上げるためである。
【００４２】
次に、このように構成されたシステムを使っての、同層内の光露光パターンと電子ビ−ム露光パターンとの直接合わせ法と、下地パターンと電子ビ−ム露光パターンとの直接合わせ法について説明する。
【００４３】
（Ｉ）同層内の光露光パターンと電子ビーム露光パターンとの直接合わせ法
光とＥＢとの同層のミックスアンドマッチでは、最初に行われる光露光によって感光材中に潜像ができ上がる。この潜像をあたかも後から行う電子ビ−ム露光の位置合わせマークとして観察し、その検出信号から光露光パターン位置の設計値からのずれを読み取り、その読みとり値によって電子ビ−ム露光パターンの位置を設計値に対して補正を行い、露光していく。
【００４４】
この際に、潜像検出を電子ビ−ムで行う場合には、感光材に照射する電子ビ−ムの総量を感光材を露光するのに必要とされる電子ビームの総量以下に抑えなければならない。潜像検出を光で行う揚合には、光の波長が感光材の感光波長と異なる波長の光を使わなければならい。
【００４５】
このように、後から露光する電子ビ−ム露光のパターン位置を光露光で感光材中に形成される潜像をあたかも位置合わせマークのように使ってその位置を検出し、電子ビーム露光パターンの位置補正をすることで、同層内での両者のパターンが直接合わせで精度高く形成できることになる。
【００４６】
（II) 下地パターンと電子ビ−ム露光パターンとの直接合わせ法
上述の同層内の光露光パターンと電子ビ−ム露光パターンとの直接合わせ法では、両者を直接合わせで精度高く合わせることができることを述べたが、場合によってはクリティカルな位置精度が要求される電子ビ−ム露光パターンを下地基板内のパターン位置に対して合わせたいこともある。この場合には、最初に行われる光露光によってでき上がる感光材中の潜像ではなくて、感光材下の基板内のパターンをあたかも後から行う電子ビーム露光の位置合わせマークとして観察し、その検出信号から光露光パターン位置の設計値からのずれを読み取り、その読みとり値によって電子ビ−ム露光パターンの位置を設計値に対して補正を行い、露光していく。
【００４７】
この際も上述と同様に、感光材に照射する電子ビ−ムの総量を感光材を露光するのに必要とされる電子ビ−ムの総量以下に抑えなければならない。基板内パターン検出を光で行う場合には、光の波長が感光材の感光波長と異なる波長の光を使わなければならい。
【００４８】
このように、後から露光する電子ビ−ム露光のパターン位置を感光材下の基板内のパターンをあたかも位置合わせマークのように使ってその位置を検出し、電子ビ−ム露光パターンの位置補正をすることで、同層内での両者のパターンが直接合わせで精度高く形成できることになる。
【００４９】
（第２の実施形態）
本実施形態以降では同層のミックスアンドマッチリソグラフィシステムで使われる電子ビ−ム露光装置の詳細な構成を説明していく。
【００５０】
図５は、本発明の第２の実施形態に係わる電子ビ−ム露光装置の構成を示す図である。電子銃１０１から放出された電子ビ−ム１０２は照射レンズ１０３により所望の大きさ形状に成形され、対物レンズ１０４により試料上１０５にフォーカスされる。対物レンズ１０４内に試料面上の描画位置を制御する対物偏向器１０６があり、電子ビームは高速で偏向される。試料１０５はステージ１０７の上にあり、調整用マーク台１０８及びファラデ一カップ１０９と共に制御され移動する。
【００５１】
試料１０５と対物レンズ１０４間に、信号検出用検出器１１９があり、試料面からの信号を検出する。レーザ干渉計１１０により、ステージ位置は高精度にモニタされている。さらに、ステージ１０７はグランドから絶縁され、リターディング電圧印加手段により負の電圧１１１が印加できるようになっている。これによって、試料に入射する電子ビームを減速し、所望のエネルギーにすることができる。リターディング電圧１１１のｏｎ／ｏｆｆで試料面上でのビーム位置が変化するが、予めマーク台を用いて前記位置ずれを測定し、キャリブレーションしてある。
【００５２】
露光は設定位置にステージ１０７を移動し、対物偏向器１０６によりビ−ムを偏向し、描画位置を設定して行う。一方、潜像観察は予め行っておく。露光前に試料にリターディング電圧１１１を印加して所望の電子ビ−ム条件で電子ビ−ムを当てて、光露光で形成された潜像の位置を計測しておく。パターンの電子ビ−ム露光時には、この潜像位置情報を基に補正された露光パターンの位置を対物偏向器１０６により決定し、露光していく。
【００５３】
上記電子ビ−ム露光装置において、光露光した感光材中の潜像を観察した一例を図６に示す。図中でＬ字１２０に見えるところが光が当たって感光している部分（潜像）である。この揚合、観察しているレジストは現像処理等は一切行っておらず、レジスト表面には、凹凸などはなくレジストの感光／非感光による違いでコントラストができている。この観察を行ったビーム条件として、入射電子ビームのエネルギーは１８５０ｅＶであった。また、信号の検出には２次電子を使い、検出のために感光材に照射した電子ビ−ムの総量は感光電子ビ−ム総量以下である。
【００５４】
ここで、レジスト中に観察される潜像の現れるメカニズムについて説明する。図１８はそのメカニズムを説明する図である。レジスト３０４に電子ビーム３０２を照射した場合、照射する電子ビーム３０２の加速電圧の違いにより、図１８に示すように２次電子の発生効率が異なり、絶縁物のであるレジスト３０４の表面が正又は負にチャージアップする。
【００５５】
加速電圧を２ｋＶに設定し潜像観察を行った場合、図１８に示すように、レジスト３０４の感光されている部分３０６の抵抗値が低下しており、レジスト表面にチャージした電荷は抵抗値の低いレジスト中を移動していき基板へ移動し、その後グランドへ流れる。一方、未露光部分３０５は抵抗値が高く、電荷の移動が起こりづらく、レジスト表面が負にチャージアップすることになる。
【００５６】
このようにレジスト表面のチャージアップの状態が、露光部分３０６と未露光部分３０５で異なり、レジスト表面の電位の違いがＳＥＭ像のコントラストとして観察され、潜像が見える。負にチャージしている部分が白く、その部分より電位が高い部分が黒くコントラストが付き、潜像として観察されている。
【００５７】
次に、このような潜像検出法を使って、潜像の位置を求める方法を説明する。前記図５において、ステージ１０７の位置情報は、レーザ干渉計１１０で高精度にモニタされている。また、試料面上の位置を制御する対物偏向器１０６による偏向領域は、予めステージ１０７上に設置して有るマーク台１０８を用いて偏向感度（偏向位置の大きさ）と方向は共にキャリブレーションされている。即ち、ステージ座標と対物偏向器の偏向領域内のマーク検出位置の関係から、そのマークのある位置を知ることができる。
【００５８】
これと同様に、例えば図７に示すように、Ｌ字型の潜像１２０を観察し、設計上のＬ字潜像が有ると思われる位置にステージ位置を（Ｘ１，Ｙ１）移動し、そのステージ位置で対物偏向器１０６を駆動し、正確に潜像の位置を検出する。対物偏向器１０６の偏向領域内のＬ字潜像１２０の重心位置を（Ｘ２，Ｙ２）とすると、試料上でのＬ字潜像１２０の位置は（Ｘ＝Ｘ１＋Ｘ２，Ｙ＝Ｙ１＋Ｙ２）と求めることができる。この位置情報（Ｘ，Ｙ）を元にして、電子ビ−ム露光でのパターンの位置合わせを行う。また、潜像観察用の対物偏向器と描画時のビーム位置制御用の対物偏向器が同一であるため、潜像の位置情報と描画位置は同じ位置に描画される。
【００５９】
このように本実施形態では、光露光による潜像を電子ビ−ムで検出し、光露光による潜像を直接電子ビ−ム露光時のマークとして使用するため、マーク位置の誤差や光マーク検出誤差等が含まれず、光露光パターンと電子ビーム露光パターンを直接重ね合わせすることになり、同層内での両者の位置精度が極めて高いパターン形成ができる。
【００６０】
（第３の実施形態）
ここでは、感光材下の基板内のパターンと電子ビーム露光パターンとを直接合わせした実施形態について説明する。使用した電子ビ−ム露光装置は、前記図５に示したものと同様である。
【００６１】
本実施形態による露光は、ステージ１０７を設定位置に移動し、対物偏向器１０６によりビームを偏向し、描画位置を設定して行う。一方、下地パターン観察は予め行っておく。露光前に試料にリターディング電圧１１１をかけて所望の電子ビ−ム条件で電子ビ−ムを当てて、下地パターンの位置を計測しておく。パターンの電子ビ−ム露光時には、この下地パターン位置情報を基に補正された露光パターンの位置を対物偏向器１０６により決定し、露光していく。
【００６２】
上記の電子ビ−ム露光装置において下地パターンを観察した一例を、図８に示す。図中で白く見えるところが下地パターン１２１の部分である。この場合、レジスト表面には、下地パターン１２１に起因した凹凸などはなく、平坦なレジスト面から下地パターン１２１の観察ができている。この観察を行ったビーム条件として入射電子のエネルギーは１８５０ｅＶであり、ここではレジスト膜及び酸化シリコン膜下に形成された下地パターン１２１の文字マークを検出した例を示している。また、信号の検出には２次電子を使い、検出のために感光材に照射した電子ビ−ムの総量は感光電子ビ−ム総量以下である。
【００６３】
ここで、レジスト上で基板下地のパターンが観察されるメカニズムについて説明する。図１９は、そのメカニズムを説明する図である。レジスト４０５に低加速電子ビーム４０４を照射した場合、照射する電子ビーム４０４の加速電圧の違いにより、図２０に示すように２次電子の発生効率が異なり、絶縁物の表面が正又は負にチャージアップする。
【００６４】
一般的に、レジスト表面を低加速電子ビーム４０４で照射した場合、レジスト表面からレジストの抵抗値，静電容量に依存して、レジスト中を伝わって基板中に電子は逃げていく。しかし、図１９に示すように、下地基板４０６の表面形状が異なる場合、レジスト膜厚がレジスト下の基板形状に依存して変化する。レジストの厚さが異なることにより、レジストの抵抗値，静電容量値基板形状によって変化する。このようなレジストの表面を２ｋＶ加速電圧電子ビームで観察を行った場合、レジスト表面は負に帯電し、その電圧は基板下地形状に依存したレジストの抵抗値，静電容量値に依存して異なる。
【００６５】
このようなレジスト表面の電位の違いがＳＥＭ像のコントラストとして観察され、基板下地パターンとしてより負にチャージしている部分が白く、その部分より高い部分が黒くコントラストが付き、基板下地パターンとして観察される。従って、レジスト表面をチャージアップさせることにより、レジスト下の基板パターンを観察でき、この基板下地パターンを位置合わせマークのように使ってその位置を検出し、その位置情報を基に電子ビーム露光パターンの位置補正をすることで高い重ね合わせ精度を持つパターンを形成することができる。
【００６６】
次に、このような下地パターン検出法を使って、パターンの位置を求める方法を説明する。前記図５において、ステージ１０７の位置情報はレーザ干渉計１１０で高精度にモニタされている。また、試料面上の位置を制御する対物偏向器１０６による偏向領域は、予めステージ１０７上に設置してあるマーク台１０８を用いて偏向感度，位置の大きさ，方向は共にキャリブレーションされている。即ち、ステージ座標と対物偏向器の偏向領域内のマーク検出位置の関係から、そのマークのある位置を知ることができる。
【００６７】
また、前記図７に説明したのと同様に、下地パターン１２１を観察し、設計上の下地パターン１２１の位置にステージ位置を（Ｘ１，Ｙ１）移動し、そのステージ位置で対物偏向器１０６を駆動し、正確に潜像の位置を検出する。対物偏向器１０６の偏向領域内の下地パターン１２１の重心位置を（Ｘ３，Ｙ３）とすると、試料上での下地パターン１２１の位置は（Ｘ＝Ｘ１＋Ｘ３，Ｙ＝Ｙ１＋Ｙ３）と求めることができる。この位置情報（Ｘ，Ｙ）を元にして、電子ビ−ム露光でのパターンの位置合わせを行う。また、下地パターン観察用の対物偏向器と描画時のビ−ム位置制御用の対物偏向器が同一であるため、下地パターン１２１の位置情報と描画位置は同じ位置に描画される。
【００６８】
このように本実施形態では、下地パターン１２１を電子ビ−ムで検出し、下地パターン１２１を直接電子ビームのマークとして使用するため、マーク位置の誤差及び光マーク検出誤差が含まれず、下地パターン１２１と電子ビーム露光パターンを直接重ね合わせすることになり、異層間での両者の位置精度が極めて高いパターン形成ができる。
【００６９】
（第４の実施形態）
第１の実施形態と同様な構成を持ったリソグラフィシステムにおいて、露光の前後で、使用するレジストの静電容量が変化することを用いて露光パターンを形成した場合の潜像観察について説明する。
【００７０】
ここでは、露光された領域の静電容量が増加した例について説明を行う。図２１（ａ）は露光されていないレジスト表面の電圧が電子ビームにより変化する様子を示している。走査型電子顕微鏡等のスキャンは、図２１（ｃ）に示すように階段状に走査する。ある時間Δｔだけある点（未露光領域）に止まっていると、図２１（ａ）に示すように表面電位が変化し、Δｔ後にはＶ１まで電位が上昇する。一方、露光により、レジストの静電容量が変化した後は、図２１（ｃ）に示すようにある時間Δｔだけある点（露光領域）に止っていると、図２１（ｂ）に示すように表面電位が変化し、Δｔ時間後にはＶ２まで電位が上昇する。
【００７１】
このように、レジストが露光されているときの電位Ｖ２は、レジストが露光されていないときの電位Ｖ１とは異なる。つまり、露光・未露光により、レジスト表面の電位が変化し、その電位差をコントラストとして観察することにより、潜像が検出される。
【００７２】
このように、露光の前後により、静電容量が変化することを用いて、パターンを形成することにより、レジスト中の露光の情報をレジストを現像することなく潜像の観察ができ、この潜像をあたかも後工程の位置合わせマークのように使ってその位置を検出し、その位置情報を基に電子ビーム露光パターンの位置補正をすることで、前工程で露光した情報を検出することにより、次工程と前工程のパターンが直接合わせを行うことができ、デバイスを精度良く形成することができる。
【００７３】
（第５の実施形態）
第１の実施形態と同様な構成を持ったリソグラフィシステムにおいて、露光の前後で、レジストの抵抗値・静電容量が変化することを用いて露光パターンを形成した場合の潜像観察又は下地パターン観察における、レジスト膜厚と観察電子ビームとの関係について述べる。
【００７４】
潜像は、露光・未露光部の抵抗値・静電容量が変化することにより観察される。このとき、検出信号のＳ／Ｎ関係上潜像観察時にレジストを露光してしまう場合がある。レジスト内部まで露光されると、潜像観察時に被測定レジストを露光してしまい、露光・未露光部の抵抗値・静電容量の差がなくなり、レジスト表面の電位が一定となる。この場合、潜像を観察することができなくなる。
【００７５】
図２２は、膜厚５００ｎｍのレジストに対し、ビーム加速電圧を１ｋＶ，２ｋＶ，３ｋＶ，４ｋＶと変えて全面スキャンした後に、２ｋＶの加速電圧で潜像観察した結果を示す顕微鏡写真である。この図に示すように、４ｋＶ以上の加速電圧でレジスト表面を観察するとレジスト内部が感光してしまい、感光領域は黒く観察され、感光領域内の潜像が観察されなくなる。
【００７６】
これから、パターン形成用の電子ビームより、潜像観察用の電子ビームはエネルギーが低く、かつレジストの膜厚が潜像観察に用いられる電子ビームのレジスト中での飛程距離より厚くなければならないことが分る。この条件を満たしていないと、安定して潜像観察を行うことができないことが分る。また、パターン形成用の高加速電子ビームはレジストを十分透過し、パターンを形成する。
【００７７】
以上の条件を満足することにより、レジスト中の露光の情報をレジストを現像することなく潜像の観察ができ、この潜像をあたかも後工程の位置合わせマークのように使ってその位置を検出し、その位置情報を基に電子ビーム露光パターンの位置補正をすることで、前工程で露光した情報を検出することにより、次工程と前工程のパターン直接合わせを行うことができ、デバイスを精度良く形成することができる。
【００７８】
（第６の実施形態）
第１の実施形態と同様な構成を持ったリソグラフィシステムにおいて、露光の前後で、レジストの抵抗値・静電容量が変化するような物質を用いて露光した場合の潜像観察において、潜像又はレジスト下地パターン観察における、観察電子ビームの加速電圧の関係について述べる。
【００７９】
潜像は、露光・未露光部の抵抗値・静電容量が変化し、レジスト表面がチャージアップすることにより観察される。しかし、図２３に示すように、潜像観察時のビーム加速電圧に依存して潜像の観察状態が変化する。これは、前記図２０に示すように、絶縁物に電子ビームを照射した場合、加速電圧に依存して絶縁物の表面のチャージの条件が異なり、先の実施形態の条件においても加速電圧１ｋＶでは潜像を観察することができない。
【００８０】
絶縁物の表面が負にチャージした場合は、前記図１８に示すモデルのように潜像が観察される。一方、低加速電子ビーム５０２の照射により表面が正にチャージした場合は、図２４に示すモデルのように、チャージアップによりレジスト５０４の表面と基板間に電界５０８が生じ、その電界の力により表面に正の電荷５０３がレジスト５０４中を流れ、レジスト表面は正に帯電することができない。このため、レジスト５０４の感光されている部分５０６と未露光部分５０７でチャージアップの状態に明確な差を設けることはできず、潜像は観察されない。即ち、潜像の観察は図２０に示すＶ２より高い加速電圧、Ｖ１より低い加速電圧の電子ビームを用いて、レジストの表面を負にチャージアップさせたときに潜像が観察されることが分る。
【００８１】
以上の条件を満足することにより、レジスト中の露光の情報をレジストを現像することなく潜像の観察ができ、この潜像をあたかも後工程の位置合わせマークのように使ってその位置を検出し、その位置情報を基に電子ビーム露光パターンの位置補正することで、前工程で露光した情報を検出することにより、次工程と前工程のパターンが直接合わせを行うことができ、デバイスを精度良く形成することができる。
【００８２】
（第７の実施形態）
図９は、同層のミックスアンドマッチリソグラフィシステムで使われる他の電子ビ−ム露光装置の詳細な構成を説明するための図である。なお、ここでは潜像を使った直接合わせを例に挙げて実施形態を説明し、下地パターンを使っての直接合わせについては省略する。
【００８３】
電子銃１０１から放出された電子ビ−ム１０２は照射レンズ１０３により所望の大きさ形状に成形され、対物レンズ１０４により試料上１０５にフォーカスされる。対物レンズ１０４内に試料面上の描画位置を制御する対物偏向器１０６があり、電子ビームは高速で偏向される。試料はステージ１０７の上にあり、調整用マーク台１０８，ファラデ一カップ１０９と共に制御され移動する。試料１０５と対物レンズ１０４間に、信号検出用検出器１１９があり、試料面からの信号を検出する。
【００８４】
一方、潜像観察用低加速電子銃１３１から放出された電子ビーム１３２は、照射レンズ１３３により所望の大きさ形状に縮小され、対物レンズ１３４により試料上１０５にフォーカスされる。これと同時に、対物レンズ１３４内に設定されている偏向器１３６により、試料面１０５上で電子ビーム偏向走査し、潜像観察用検出器１３９により潜像を得る。
【００８５】
ステージ１０７の位置情報は、レーザ干渉計１１０で高精度にモニタされている。また、電子ビームによる試料面上の描画位置を制御する対物偏向器１０６は、予めステージ１０７上に設置して有るマーク台１０８を用いて、描画位置はキャリブレーションされている。同様に、潜像観察用の低加速電子ビ−ム用の偏向器１１５の偏向位置も、マーク台１０８を用いて偏向位置はキャリブレーションされている。
【００８６】
即ち、描画用の対物偏向器１０６と潜像検出用の偏向器１３６の相対的な位置関係は求められている。例えば図１０に示すように、低加速電子ビーム１３２でＬ字潜像１２０を観察し、Ｌ字潜像１２０のステージ位置を（Ｘ１，Ｙ１）、そのステージ位置で低加速電子ビーム１１８の偏向により正確に偏向領域内のＬ字潜像１２０の重心位置を求めると、（Ｘ４，Ｙ４）となる。試料１０５上での低加速電子ビ−ム系でのＬ字潜像の位置は（Ｘ＝Ｘ１＋Ｘ４，Ｙ＝Ｙ１＋Ｙ４）と求めることができる。
【００８７】
この位置情報（Ｘ，Ｙ）と描画用偏向器１０６と潜像観察用の偏向器１３６の相対的な位置関係から、次工程のパターン位置を対物偏向器１０６にデータを入力し、位置制御し描画を行い、前工程描画位置との位置合わせを行う。このときに使用される潜像観察用の偏向器１３６は、静電型の偏向器を用いても電磁型偏向器を用いても問題はないが、静電型の偏向器を用いた方が位置精度の再現性は良い。
【００８８】
光露光による潜像を電子ビ−ムで検出し、光露光による潜像を直接電子ビ−ムのマークとして使用するため、マーク位置の誤差及び光マーク検出誤差が含まれず、光露光パターンと電子ビ−ム露光パターンを直接重ね合わせすることになり、同層内での両者の位置精度が極めて高いパターン形成ができる。
【００８９】
（第８の実施形態）
上記構成による電子ビーム露光装置において、低加速電子ビ−ムの試料１０５に入射するエネルギーは、レジスト材質，レジスト膜厚により潜像観察に適切な値が存在する。
【００９０】
図１１はその一例で、同一ウェハを入射電子ビームのエネルギーが異なる場合の潜像の観察例である。図１１（ａ）は入射電子ビ−ムのエネルギーを１８５０Ｖに設定した場合であり、Ｌ字潜像１２０が鮮明に観察される。図１１（ｂ）は入射電子ビ−ムのエネルギーを８００Ｖに設定した場合であり、Ｌ字潜像１２０の鮮明さが劣化する。図１１（ｃ）は再び、電子ビ−ムのエネルギーを１８５０Ｖに設定した場合であり、Ｌ字潜像１２０が鮮明に観察できる。
【００９１】
（ａ）は（ｂ）と比較した場合、Ｌ字潜像１２０の情報が顕著に変化して観察される。Ｌ字潜像１２０が顕著に観察されることにより、位置情報をＳ／Ｎ良く観察することが可能となる。これら入射電子のエネルギーの変化は、電子銃部１３１での加速電圧は一定であり、試料に印加する電圧を変化し試料に入射する電子ビ−ムのエネルギーを変化させた。また、潜像観察用低エネルギー電子ビ−ム１３２の試料１０５への入射エネルギーは電子銃部の電子ビームの加速電圧を可変し変化させても良く。またはリターディング電圧１１１を変化させても同様の効果を得ることができる。
【００９２】
レジストの材質、膜厚に依存する潜像観察に最適な観察用の加速電圧を設定することにより、前工程の光露光によりレジスト中に形成されている潜像を電子ビームで鮮明に検出することができる。画質、即ちＳ／Ｎが向上すると潜像パターンの位置検出精度が向上するため、光露光パターンと電子ビーム露光パターンをより高い精度で直接重ね合わせすることになり、同層内での両者の位置精度が著しく高いパターン形成ができる。
【００９３】
（第９の実施形態）
図１２は、同層のミックスアンドマッチリソグラフィシステムで使われる他の電子ビーム露光装置の詳細な構成を説明するための図である。なお、ここでは潜像を使った直接合わせを例に挙げて実施形態の説明し、下地パターンを使っての直接合わせについては省略する。
【００９４】
パターン露光のための光学系は前記図５と基本的に同様である。本実施形態では、潜像観察用としてＨｅ−Ｎｅレーザ１４１を光源とするレーザ顕微鏡を組み込んである。顕微鏡から放出されたレーザ光１４２は光露光の潜像上をスキャンして、その反射光が検出器１４３に検出されて潜像イメージが取得される。ステージ１０７の位置情報はレーザ干渉計１１０で高精度にモニタされている。そして、潜像観察用のレーザ顕微鏡で得られるイメージの位置は、マーク台１０８を用いて予めレーザ干渉計との間でキャリブレーションされている。
【００９５】
例えば図１３に示すように、レーザ顕微鏡でＬ字潜像１２０を観察し、Ｌ字潜像１２０のステージ位置を（Ｘ１，Ｙ１）、そのステージ位置でレーザビーム１４２の走査により正確に走査領域内のＬ字潜像１２０の重心位置を求めると、（Ｘ５，Ｙ５）となる、試料１０５上でのレーザ顕微鏡でのＬ字潜像の位置は（Ｘ＝Ｘ１＋Ｘ５，Ｙ＝Ｙ１＋Ｙ５）と求めることができる。この位置情報（Ｘ，Ｙ）と描画用偏向器１０６とレーザ顕微鏡との相対的な位置関係から、次工程のパターン位置を対物偏向器１０６にデータを入力し、位置制御し描画を行い、前工程描画位置との位置合わせを行う。
【００９６】
本実施形態によれば、電子ビーム露光の持つ光を越える優れた解像力と光ステッパと同等のスループットを兼ね備えた光リソグラフィ以降の量産システムを提供することができる。
【００９７】
（第１０の実施形態）
図１４は、本発明における直接合わせ法を用いて同層のミックスアンドマッチリソグラフィシステムを実行する際の処理フローを示したものである。
【００９８】
デバイスパターンＣＡＤデータは、リソグラフィシステムで使う光ステッパの限界解像度より緩い解像寸法値を境界にして（これを以下境界寸法値と呼ぶ）、光露光用のレチクルＣＡＤデータと電子ビーム露光用のＣＡＤデータに分割される。
【００９９】
レチクルＣＡＤデータは一般のレチクル作製プロセスに送られ、レチクルが作製される。作製されたレチクルが光ステッパに装着され、上述の境界寸法値より大きなパターンを一括転写するために使われる。一方、電子ビーム露光用のＣＡＤデータは電子ビーム露光装置で使用できるようにデータ変換され、電子ビーム露光装置に送られる。
【０１００】
（Ｉ）図５に示した電子ビーム露光装置を使う場合
光ステッパによって一括露光されたウェハが電子ビーム露光装置に装着されると、電子ビームのエネルギーが潜像検出、又は下地パターン検出に適した値に調節される。まず、ウェハを連続移動させ、全面に電子ビームを照射して潜像の正確な位置を求める。この値とパターン設計データとの比較が行われ、電子ビーム露光で形成するパターンの位置が設計データに補正が加えられて最適値に修正される。この後、再びウェハが連続移動し、ウェハ全面に光露光では解像できないパターンが電子ビームによって形成される。全パターンの形成が完了した後、ウェハは現像装置に送られ、現像されて所望のレジストマスクが得られる。
【０１０１】
（II）図９又図１２に示した電子ビ−ム露光装置を使う場合
光ステッパによって一括露光されたウェハが電子ビ−ム露光装置に装着されると、電子ビ−ムのエネルギーが潜像検出、又は下地パターン検出に適した値に調節される。この装置では、潜像の位置検出と微細パターンの露光とがほぼ並行して行われる。露光用の電子ビ−ムと潜像／下地パターン検出用のビームは近接して並んでいるため、ウェハの連続移動が始まると検出ビ−ムがまずウェハに照射され、例えばフレーム当たりの潜像／下地パターンの検出を始め、それらが設計値からどれくらいずれているかが正確に求められる。次のフレームの検出を始めると同時に、露光用の電子ビ−ムが先のずれデータを基に電子ビーム露光のパターン位置が最適に補正されたデータを使って既に検査されたフレームの露光を並行して始める。
【０１０２】
このような方式の繰り返しで、ウェハ全面に光露光では解像できないパターンが電子ビ−ムによって形成される。全パターンの形成が完了した後、ウェハは現像装置に送られ、現像されて所望のレジストマスクが得られる。
【０１０３】
このように、本発明の実施形態では、光ステッパの限界解像度より緩い境界寸法のパターンは光露光で、それ以下の微細なパターンは電子ビ−ム露光で受け持ち、両者の合わせ／電子ビーム露光パターンと下地パターンとの合わせとも直接合わせで行うことで、光露光にとっては、限界解像力より緩いパターンの形成を受け持つことで、レチクル作製が簡単、露光プロセス裕度が広くなる、電子ビ−ム露光にとっては、境界寸法値以下のパターン形成だけを受け持つことで電子ビーム露光時間が大幅に短縮される、というメリットを持つ。従ってリソグラフィシステム全体としては、電子ビ−ム露光の持つ光を越える優れた解像力と光ステッパと同等のスループットと直接合わせによる超高精度合わせを兼ね備えた量産システムを実現することができる。
【０１０４】
（第１１の実施形態）
図１５は、本発明のリソグラフィシステムを用いたデバイスの作製に関する実施形態を説明するための図である。ここでは、ＭＯＳＦＥＴのゲート電極加工を例に挙げて説明する。
【０１０５】
図１５（ａ）は、本実施形態により製造される半導体デバイスの基本的な構造を示す図である。同図において、半導体基板２０１の表面には素子分離用酸化膜２０２とゲート酸化膜２０３が形成され、その上にはポリシリコン領域２０４とレジスト２０５が堆積されている。ここでは、Ｓｉ3 Ｎ4 を酸化マスクに使用する選択酸化法であるＬＯＣＯＳ（Local Oxidation of Silicon）による段差も示しているが、他の素子分離方法、例えばＳＴＩ（Shallow Trench Isolation）等における段差にも同様に適用できる。レジスト２０５は、Ｄｅｅｐ−ＵＶ光及び電子ビ−ムに感光するレジスト、例えばＶＮ−ＨＳでその厚さは５００ｎｍ程度である。
【０１０６】
図１５（ｂ）は、本実施形態により製造される半導体デバイスの他の構造を示す図である。同図において、ゲート電極領域がポリシリコン領域２０４とタングステンシリサイドなどの低抵抗層領域２０６から構成され、それらの上にタングステンシリサイドなどを反応性イオンエッチング（ＲＩＥ：Reactive Ion Etching）で加工するときのマスク材及びＳＡＣ（Self Align Contact）工程に使われるシリコン窒化膜領域２０７が堆積され、さらにレジスト領域２０５が堆積されている。上記マスク材としては、上記のほかにシリコン酸化膜などを用いてもよい。また、低抵抗層領域２０６はシリサイドに限定されず、タングステンなどの金属でもよい。
【０１０７】
図１５（ｃ）は、微細パターンのため電子ビ−ムで露光するゲートの電極のパターンの平面図である。同図において、２０８はコンタクトパターン、２０９はゲートパターン、２１０はソース・ドレインパターンを示している。電子ビームによる露光では焦点震度が数μｍ以上と深いため、通常のＤｅｅｐ−ＵＶ光による露光とは比較にならないほど段差に対する露光裕度がある。従って、素子領域と素子分離領域の間に生じている段差部においてもレジストが切れたりすることなく精度よくパターニングすることが可能である。
【０１０８】
以下、図１６（ａ）から（ｄ）を参照して、本実施形態によるリソグラフィシステムを使った半導体製造方法によりゲート電極を形成する工程を説明する。
【０１０９】
図１６（ａ）は、図１５（ａ）の状態を左の方から斜めに見た斜視図であり、半導体基板２０１の上には、ゲート酸化膜領域２０３及び素子分離酸化膜領域２０２、ポリシリコン領域２０４（２００ｎｍ）、レジスト領域２０５（５００ｎｍ）が順に積層されている。ここで、レジストはネガであり、ゲートのみを電子ビ−ム露光で、その他はＤｅｅｐ−ＵＶ光で露光して全パターンを形成する。
【０１１０】
まず、Ｄｅｅｐ−ＵＶ光によるパターン露光をする。図１６（ｂ）はレジスト中に光露光によって潜像２０８ができ上がっている様子を示す。次に、電子ビ−ム露光装置を用いて、潜像／下地パターンの検出を行い、それらの情報を基に電子ビ−ム露光のパターン位置を最適に修正し細線部分の露光を行う。これによってでき上がる電子ビ−ム露光の潜像２０９も合わせて図１６（ｂ）に示す。
【０１１１】
次いで、現像を行って図１６（ｃ）の状態を得る。ここで、レジストの現像にはＴＭＡＨ水溶液、０．２７規定のものを使っている。この後、このレジストパターンに基づいてＲＩＥ工程が行われ、図１６（ｄ）に示すようにゲート電極の形を得ることができる。
【０１１２】
なお、先に図１５（ｂ）に示したように、ＷＳｉ等の低抵抗シリサイド領域とポリシリコンの積層構造をゲート電極として用いる際には、レジストマスクで最後までＲＩＥを行うことがＲＩＥ選択比の関係から難しいことから、一度ＳｉＮ領域にパターン転写して、これをマスクにＷＳｉとポリシリコンを改めてＲＩＥすることになる。ポリシリコンのみの場合にはレジストとのＲＩＥの選択比が１０程度なので、レジストマスクのみで十分であることは勿論、ＳＡＣ工程のストッパ膜として使われる。
【０１１３】
このように本実施形態によれば、電子ビ−ム露光の持つ光を越える優れた解像力と光ステッパと同等のスループットと直接合わせによる超高精度合わせを兼ね備えてレジストパターンを形成することができる。さらに、電子ビ−ムを微細パターンの露光に使うことで素子領域と素子分離領域の間に必然的にできてしまう段差部に対しても焦点深度に余裕ができ、微細パターンを精度良く形成することができる。これは、光露光に必要となってきている段差低減のための平坦化工程を省略できることにもなり、工程短縮に寄与できる。この方法は、またＭＯＳＦＥＴのみではなく、バイポ−ラ型トランジスタの微細領域のパターニングにも応用できるものである。
【０１１４】
（第１２の実施形態）
図１７は本発明の第１２の実施形態を説明するための図である。上述してきたように本発明の特徴の一つは、現像前に下地パターン、光露光によって形成された潜像、電子ビーム露光によって形成された潜像の相互の位置関係を読みとれることにある。従って、このメリットをうまく使えばそれぞれの重ね合わせ精度、さらには予想解像度までチェックして、良いものだけを現像工程に送り出すことができる。これは製品の歩留まりを上げるうえで極めて大きなメリットとなる。
【０１１５】
図１７は、このメリットである機能をリソグラフィ工程に組み込んだ場合の処理フローを示したものである。本実施形態において、デバイスパターンＣＡＤデータからレチクル用ＣＡＤデータ及び電子ビーム露光用ＣＡＤデータを作成し、各々の露光装置に供給するまでは先の実施形態と同じであるので、その説明は省略する。
【０１１６】
同層のミックスアンドマッチリソグラフィによって電子ビーム露光まで完了したウェハのレジスト中には潜像が形成されている。このウェハを再度電子ビーム又は光によって検査すると電子ビーム露光によって形成された潜像の位置が求められる。この工程によって、下地パターン、光露光によって形成された潜像、電子ビーム露光によって形成された潜像の位置情報が全て求められたことになる。場合によっては下地パターン、光露光によって形成された潜像のどちらか一方だけしか求めていないこともあるので、その揚合には未計測のパターン又は潜像の位置検出が必要になる。
【０１１７】
その後、それらの位置が許容以内に入っているかどうかを判定する。この際に設計データをも組み入れて許容以内に入っているか否か判断する場合もある。判断の結果、合格したものだけが現像工程に送られる。不合格になったウェハはレジスト塗布工程に送り返され、既露光のレジストが剥離され、新たなレジストが塗布され、再び同層のミックスアンドマッチリソグラフィ工程でパターン形成が行われる。
【０１１８】
この工程において使われる装置は、上述の装置に下地パターン、光露光によって形成された潜像、電子ビーム露光によって形成された潜像の位置情報及びパターンの設計データを比較して許容値以内か否かを判断する手段を加えただけでよい。装置の動作としては電子ビーム露光の際にウェハに対して行われる動作と殆ど変わらず、露光に用いる電子ビームがウェハに照射されないことだけがことなる。
【０１１９】
また、予め潜像と現像後のレジストパターンとの比較を行っておけば、潜像データから仕上がり後のパターン形状を予測することもできる。さらに、潜像とあるプロセス条件における仕上がりレジスト寸法の関係を求めておけば、潜像データから仕上がりレジスト寸法の関係を求めることができる。
【０１２０】
これによって、さらに程度の悪いものをふるい落とせば現像後に得られるレジストパターンはその後のプロセスに取って何ら不具合のないレジストマスクとなる。従って、ますます歩留まりの向上に寄与することができる。
【０１２１】
また、同層のミックスアンドマッチを行って形成された潜像の観察は、上述した装置において行ってもよく、又は潜像観察用の装置で行い、位置精度，形状，潜像の寸法を求めても良い。その潜像データと設計データを比較し、許容値以内か否かを判断し、上述したように工程を進めていけばよい。この場合、描画装置を潜像の観察で占有することなく、描画装置は次のウェハ／転写用マスクの描画し、潜像の観察には専用の観察装置を用いるため、システム全体としての描画スループットのさらなる向上に寄与することができる。
【０１２２】
（第１３の実施形態）
図２５は、本発明の第１３の実施形態に係わるパターン形成方法の処理手順を示す図である。
【０１２３】
第１の実施形態と同様のリソグラフィシステムにおいて、露光の前後で、レジストの抵抗値・静電容量が変化するような物質を用いて露光した場合の潜像観察、又は下地基板パターン観察において、レジスト膜厚と観察電子ビームの関係について述べる。
【０１２４】
潜像は、露光・未露光部の抵抗値・静電容量が変化することによって観察される。このとき、検出信号のＳ／Ｎ関係上潜像観察時にレジストを露光してしまう場合がある。
【０１２５】
この条件で、潜像を観察し、後工程の位置合わせとして用いて、その後に現像処理を行った結果を、図２６の顕微鏡写真に示す。図中の７０１は５０ｋＶの電子ビームで露光したパターン、７０２は２ｋＶ電子ビームで露光したパターンである。このとき、潜像観察に用いた電子ビームは２ｋＶの加速電圧を用いた。高加速電子ビームでパターニングされたレジスト上の表面に２ｋＶで観察した後にレジストが、ネガレジストを用いたために餃子の皮のように残る。しかし、低加速観察により露光した下の領域には、高加速で形成されたパターンがあることが分る。
【０１２６】
このような場合、潜像観察を行った後、現像処理を行う前に、ウェット又はドライ技術を用いて、ウェハ全面を潜像観察に用いた加速電圧により露光された領域厚のレジストを除去する。具体的には、先の実施形態と同様に、低加速電子ビームにより潜像観察を行い（Ｓ１）、その結果に基づいて高加速電子ビームの位置補正（Ｓ２）及び高加速電子ビームによるパターンの露光（Ｓ３）を行う。次いで、任意のレジスト膜厚を除去（Ｓ４）した後に、通常の現像処理（Ｓ５）を行う。これにより、潜像観察により露光された図２６にあるような膜を除去することができ、希望とするパターンを得ることができる。
【０１２７】
また、ポジレジストを用いた場合は、ネガレジストとは逆に、潜像観察を行った領域は現像後に膜減りを起こすが、パターニングを形成する上では問題ない。従って、ポジレジストの場合は、必ずしも任意のレジスト膜を除去する工程（Ｓ４）は必要ない。但し、ポジレジストでネガレジスト同様の処理を行っても何等問題はない。
【０１２８】
なお、本発明は上述した各実施形態に限定されるものではない。光ステッパは必ずしもＤｅｅｐ−ＵＶステッパに限るものではなく、他の波長域のものを用いることができる。電子ビーム露光装置はセルプロジェクション方式が最も望ましいが、電子ビーム露光で形成するパターンが少ない場合には通常の描画方式を採用しても良い。また、インラインで使用する光ステッパ及び電子ビーム露光装置の台数は仕様に応じて適宜変更可能である。さらに、電子ビームの代わりにイオンビームを用いたイオンビーム露光装置を用いることも可能である。
【０１２９】
また、本発明は異なる装置で露光する場合に限らず、同一装置で露光する場合のずれ補正に適用することもできる。例えば、図２７（ａ）のようなパターンを８０１，８０２，８０３の順に高加速電子ビームで露光する場合、外乱により露光パターン８０２のみがずれたとすると、そのままでは図２７（ｂ）のように露光パターン８０２と露光パターン８０３が離れることになる。このような場合、低加速の電子ビームで露光パターン８０２の潜像を検出して、パターン８０３の露光位置を補正することにより、図２７（ｃ）のように露光パターン８０２，８０３を繋ぐことができる。
【０１３０】
また、実施形態では製造プロセスに関して、ＭＯＳＦＥＴのゲート電極について中心的に説明してきたが、同様の手法を例えば素子領域，コンタクトホール，金属配線層など全てのパタ−ニングに応用可能であることは勿論である。その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々変形して実施することができる。
【図面の簡単な説明】
【０１３１】
【図１】本発明のリソグラフィシステムの基本概念を示す図。
【図２】同システムの平面的な配置を示す図。
【図３】同システムを用いて形成したレジストパターンの一例を示す顕微鏡写真。
【図４】第１の実施形態における直接合わせ法の基本を説明するための図。
【図５】第２の実施形態に係わる電子ビ−ム露光装置の構成を示す図。
【図６】第２の実施形態において光露光した感光材中の潜像を観察した例を示す顕微鏡写真。
【図７】潜像の位置を求める方法を説明するための模式図。
【図８】第３の実施形態において下地パターンを観察した例を示す顕微鏡写真。
【図９】第７の実施形態に係わる電子ビ−ム露光装置の構成を示す図。
【図１０】第７の実施形態におけるＬ字潜像の位置観察の様子を示す図。
【図１１】第８の実施形態における入射エネルギーの違いによる潜像の変化を示す顕微鏡写真。
【図１２】第９の実施形態に係わる電子ビーム露光装置の構成を示す図。
【図１３】第９の実施形態における字潜像の観察の様子を示す図。
【図１４】第１０の実施形態において、直接合わせ法を用いて同層のミックスアンドマッチのリソグラフィシステムを実行する際の処理フローを示す図。
【図１５】第１１の実施形態において、リソグラフィシステムで処理するウェハ構造の例を示す図。
【図１６】第１１の実施形態において、半導体デバイスのゲート電極を形成する工程を示す図。
【図１７】第１２の実施形態において、直接合わせ法を用いて同層のミックスアンドマッチのリソグラフィシステムを実行する際の処理フローを示す図。
【図１８】レジスト中に観察される潜像の現れるメカニズムを説明するための図。
【図１９】レジスト中上で基板下地のパターンが観察されるメカニズムを説明するための図。
【図２０】加速電圧に対する２次電子の発生効率の変化を示す図。
【図２１】第４の実施形態を説明するためのもので、レジスト表面電位がビーム照射により変化する様子と、スキャン電圧と走査時間との関係を示す図。
【図２２】第５の実施形態を説明するためのもので、ビーム加速電圧とレジストの露光状態との関係を示す顕微鏡写真。
【図２３】第６の実施形態を説明するためのもので、潜像観察時のビーム加速電圧と潜像の観察状態との関係を示す顕微鏡写真。
【図２４】レジスト表面が正にチャージしずらいことを説明するための図。
【図２５】第１３の実施形態に係わるパターン形成方法の処理手順を示す図。
【図２６】潜像観察後に現像処理を行ったレジスト像を示す顕微鏡写真。
【図２７】本発明の変形例を説明するための模式図。
【符号の説明】
【０１３２】
１…光ステッパ
２…電子ビーム露光装置
３…レジスト塗布・現像装置
４…搬送機構
５…半導体ウェハ
１０…感光材下の基板のパターン
１１…光露光パターンの潜像
１２…潜像を観察用の検出ビ−ム
１３…潜像位置算出手段
１４…位置補正制御手段
１５…パターン露光用の電子ビーム
１６…電子ビ−ム露光パターンの潜像
１０１…電子銃
１０２…電子ビーム
１０３…照射レンズ
１０４…対物レンズ
１０５…試料
１０６…対物偏向器
１０７…ステージ
１０８…調整用マーク台
１０９…ファラデ一カップ
１１０…レーザ干渉計
１１１…リターディング電圧
１３１…潜像観察用電子銃
１３２…潜像観察用電子ビーム
１３３…潜像観察用照射レンズ
１３４…潜像観察用対物レンズ
１３６…潜像観察用偏向器
１３９…潜像観察用検出器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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