(57)【要約】【課題】本発明の課題は可変成形型電子ビーム描画装置における高分解能ビーム寸法補正方法を高速かつ低コストで提供し、高精度の電子ビーム露光を実現することである。【解決手段】本発明は、ビーム電流測定でビーム寸法を多項式で近似し、各次数でオフセットおよび回転係数の寄与の大きい微細寸法領域をあらかじめ校正して、ゲイン係数はｘｙ座標方向に独立にオフセット係数を加え、高次の台形係数はビーム寸法大領域でその傾斜歪が最小となるように校正するものである。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電子ビームを成形絞りを用いて矩形に成形しその寸法を描画データに応じて可変するビーム制御システムを有する電子ビーム描画装置において、
前記ビーム制御システムは、前記電子ビームの寸法の微小側から一定幅の寸法測定範囲を指定して前記成形絞りを透過または反射する電流を計測し、前記成形絞りで絞られたビーム面積で除算して電流密度として算定し、算定された電流密度と基準寸法電流密度との間の誤差比を最小とする寸法補正係数のオフセット係数および回転係数を合わせて補正することを特徴とする電子ビーム描画装置。
【請求項２】
請求項１記載の電子ビーム描画装置において、
前記寸法測定範囲は２次元座標の各軸方向にそれぞれ対称であることを特徴とする電子ビーム描画装置。
【請求項３】
請求項１記載の電子ビーム描画装置において、
前記ビーム制御システムは、前記得られた回転係数を設定し、更に前記寸法測定範囲より大きな一定の寸法を前記オフセット係数に加算し、電流計測し、前記誤差比が最小となる寸法補正のゲイン係数を求めて補正係数とし、電流密度比を補正することを特徴とする電子ビーム描画装置。
【請求項４】
請求項３記載の電子ビーム描画装置において、
前記ビーム制御システムは、前記加算後のオフセット係数、前記回転係数、および前記ゲイン係数を設定し、前記寸法測定範囲より大きな領域の複数の寸法を設定して電流計測し、前記寸法の電流密度比の一様な傾斜誤差が最小となるように台形歪係数を求めて補正係数とし、電流密度比を補正することを特徴とする電子ビーム描画装置。
【請求項５】
請求項３記載の電子ビーム描画装置において、
前記検出した電流密度比をヒストグラムや等高線で２次元表記し、求めた補正係数を選択して相当する測定点のビーム寸法補正量から電流誤差量を算出して重ねて表記する表示装置を具備することを特徴とする電子ビーム描画装置。
【請求項６】
請求項１記載の電子ビーム描画装置において、
検出感度をあらかじめ基準電流計で校正された反射電子検出器で電流強度を計測してビーム寸法補正することを特徴とする電子ビーム描画装置。
【請求項７】
請求項１記載の電子ビーム描画装置において、
電子ビームを発生させる電子源と、電子ビームの放射軸上に配置されその断面を矩形に成形する第一および第二成形開口と、第一の成形開口を第二成形開口に結像する成形レンズ群と、第一成形開口像を偏向して第二成形開口を透過するビーム形状を２次元に可変する成形偏向器およびその成形偏向器駆動回路と、成形偏向器および成形偏向器駆動回路のオフセット、ゲイン、回転、台形歪等の誤差を描画データに応じて多項式近似して補正制御する成形偏向補正回路と、断面形状すなわち２次元寸法が決定された成形ビームを縮小する縮小レンズ群と、縮小した成形ビーム像を試料面に収束する対物レンズ群と、該成形ビームを試料面にて所望の位置に偏向させる対物偏向器と、描画試料を搭載する試料ステージと、試料ステージ上に配置され成形ビーム電流を計測する電流測定器を具備することを特徴とする電子ビーム描画装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は半導体の製造分野において微細加工用技術に係わり、特に、電子ビームを用いた描画によって高精度のパターンの描画を実現する電子ビーム描画装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電子ビーム描画装置は光露光用マスク原版作成や、光露光等に比べマスク原版が不要であり、高解像で微細パターンの直接露光に好適である。そのため電子ビーム描画は半導体製造分野等で微細加工用のパターン形成技術として、重要度を増している。
【０００３】
近年の電子ビーム描画装置は、ビーム照射形状を制御してスループットを改善した可変成形方式が重要となっている。この可変成形方式では２段の成形絞りでビームを矩形に形成し、その透過位置すなわちビーム寸法を成形偏向器で選択する電子光学系が用いられる。微細な成形ビームを忠実に生成するためには、高精度のビーム成形偏向器制御すなわち寸法補正技術が必要となる。
【０００４】
従来の寸法補正技術としては試料面におかれたナイフエッヂやラインマークをビーム走査して、反射や透過電子を測定し、特許文献１（特許第２６２５２１９号公報）に示されるようにその微分処理した波形幅から寸法情報を得ていた。
【０００５】
現在の寸法設定精度は微細化が進み、その分解能１ｎｍレベルが要求されている。この方法では忠実な信号波形を得るために高度のマーク微細加工や検出回路技術が要求され、高価格化や計測処理時間の増加が問題となってくる。また本質的にマークの透過や反射コントラストでビーム寸法を計測する方法では、ビームぼけに加えてその有限な電子散乱幅の影響があり原理的な困難を伴う。
【０００６】
ナイフエッヂ等のマークを用いない方法としては、例えば、特許文献２（特公平７−１０７８９３号特許公報に示された成形ビーム電流を計測してビーム寸法の情報を得る電流計測法がある。
【０００７】
しかしながら、この方法では２次元量であるビーム寸法の積として電流が規定されるため、ｘｙ座標方向の分離が本質的に困難であったり、特殊な異形開口を用いる必要性があった。
【０００８】
すなわち、この電流計測法も矩形開口を用いた場合の寸法制御に対して、種々の誤差要因、すなわち寸法補正近似式の係数と電流計測結果との対応付けが無かったため、微細寸法でのオフセット補正等の限定された条件で実用化されていた。
【０００９】
このように寸法補正法の精度不足が、電子ビーム描画精度向上の大きな阻害要因となってきている。
【００１０】
【特許文献１】特許第２６２５２１９号公報。
【００１１】
【特許文献２】特公平７−１０７８９３号公報。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明は、可変成形型電子ビーム描画装置の高速かつ低コストの高分解能ビーム寸法補正法を提供し、高精度の電子ビーム描画を実現することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明は、電子ビームを成形絞りを用いて矩形に成形しその寸法を描画データに応じて可変するビーム制御システムを有する電子ビーム描画装置において、ビーム制御システムは、電子ビームの寸法の微小側から一定幅の寸法測定範囲を指定して成形絞りを透過または反射する電流を計測し、成形絞りで絞られたビーム面積で除算して電流密度として算定し、算定された電流密度と基準寸法電流密度との間の誤差比を最小とする寸法補正係数のオフセット係数および回転係数を合わせて補正することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、可変成形型電子ビーム描画装置の高速かつ低コストの高分解能ビーム寸法補正法を提供することができ、高精度の電子ビーム描画を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、図面を用いて、本発明の一実施例を説明する。図１は可変成形方式の電子ビーム描画装置の主要な構成を示す縦断面図で、紙面左方の断面図における真空室は省略してあり、右方の矩形は制御システムを示すブロック図である。なお、本発明とは直接的には無関係な電子ビームをオンオフするためのブランキング機構も省略されている。また、レンズ群は電磁レンズを用いているが、模式的に光学式レンズのような表現にしてある。
【００１６】
電子源１より放射された電子ビームは第一成形絞り２により断面形状が矩形に成形され、成形レンズ群４により第一成形開口像６が下段の同じく矩形形状の第二成形開口５上に結像される。ここで、成形偏向器３で第二成形開口５上の第一成形開口像６が偏向され、可変成形ビーム８の矩形断面形状が決定される。第二成形開口５を透過した成形ビーム８は、縮小レンズ７、対物レンズ１０により、描画試料の位置決めステージ１２上に数十分の一に縮小投影される。またステージ１２への投影位置は対物偏向器９と、試料ステージ１２で指定する。
【００１７】
制御計算機１９はパターン分割回路１８に描画データを転送し、ビーム成形可能な矩形ショットの寸法データや露光座標に分割する。また制御計算機１９はあらかじめ測定した成形ビーム寸法誤差から補正係数または補正偏差分そのものを計算し、寸法補正テーブル１４に設定する。次段の補正演算回路１７はこの寸法補正テーブル１４を参照して正しい寸法となるデータを成形偏向駆動回路１３のＤＡＣ等に設定する。またこれらの一連のビーム寸法設定と同期して、試料上のビーム照射位置を対物偏向制御回路１５に設定し、対物偏向器９で電子ビームを偏向して描画を実施する。
【００１８】
ビーム寸法は、一般に、成形偏向器３の製造時や取り付け時の機械的誤差や、成形偏向制御回路１３の偏向制御値の出力誤差の影響を受ける。そのため、寸法補正テーブル１４やビーム寸法を検証するためのファラディーカップ型の電流計１１と電流検出回路１６が設けられている。
【００１９】
この電流計１１は、均一な反射面からの反射電子強度を計測する反射電子検出器で代用することも可能である。図１に示す成形偏向器３を駆動し、電流計１１でビーム電流を測定し、成形偏向器の制御値に対するビーム電流の値、すなわち、電流変化率を測定し解析することで高精度のビーム寸法補正が可能である。
【００２０】
図２は、試料上に照射される電子ビームの領域を示す斜視図であり、ビームの電流測定範囲の一例を示すものである。電流計の精度が満たされる直線ＡＢ、ＡＤから最大ビーム範囲ＢＣ、ＣＤで囲まれた領域で寸法を可変して電流を測定可能となる。
【００２１】
すなわち微小領域＜ＡＢ、＜ＡＤでは電流計測オフセット誤差、大電流領域＞ＢＣ、＞ＣＤでは電流測定の非直線性を除く。
【００２２】
計測した電流Ｉから寸法（ｗ，ｈ）で電流密度Ｊ＝Ｉ／ｗｈが計算される。正しく寸法が設定されるとＪ＝Ｊｏ（一定）となる。以下は誤差比率Ｒ＝Ｊ／Ｊｏで議論する。
【００２３】
なお、Ｊｏは基準寸法電流密度である。
【００２４】
図１の寸法設定誤差要因からビーム寸法（ｗ，ｈ）に対する寸法補正量（ｘ，ｙ）を多項式で近似し、
ｘ＝ａ０＋ａ１ｗ＋ａ２ｈ＋ａ３ｗｈ
ｙ＝ｂ０＋ｂ１ｗ＋ｂ２ｈ＋ｂ３ｗｈ                                    （１）
とする。ここで係数は歪形状からオフセット（ａ０，ｂ０）、ゲイン（ａ１，ｂ２）、回転（ａ２，ｂ１）、台形（ａ３，ｂ３）に分類する。
ビーム電流測定値ＩからＪ、Ｊｏを補正前後の電流密度とすると、
Ｊ＝Ｉ／ｗｈ＝Ｊｏｘｙ／ｗｈ                                      （２）
表せる。式（１）からその誤差比Ｒを、
Ｒ＝Ｊ／Ｊｏ
＝ａ０ｂ０／ｗｈ＋（ａ１ｂ０＋ａ０ｂ１）／ｈ＋（ａ２ｂ０＋ａ０ｂ２）／ｗ＋（ａ３ｂ０＋ａ０ｂ３＋ａ１ｂ２＋ａ２ｂ１）＋ａ１ｂ１ｗ／ｈ＋ａ２ｂ２ｈ／ｗ＋（ａ１ｂ３＋ａ３ｂ１）ｗ＋（ａ２ｂ３＋ａ３ｂ２）ｈ＋ａ３ｂ３ｗｈ                                  （３）
と定義する。
【００２５】
ここで偏向器の回転やゲイン、成形開口位置があらかじめ調整され、係数のオーダー量をａ１〜ｂ２〜１００、ａ０〜ｂ０〜ａ２〜ｂ１〜１０−１、ａ３〜ｂ３〜１０−２とする。この条件で式（１）各項の係数のうち２次微小量を無視すると、
Ｒ＝ａ０ｂ０／ｗｈ＋（ａ１ｂ０＋ａ０ｂ１）／ｈ＋（ａ２ｂ０＋ａ０ｂ２）／ｗ＋ａ１ｂ２＋ａ１ｂ１ｗ／ｈ＋ａ２ｂ２ｈ／ｗ＋（ａ１ｂ３＋ａ３ｂ１）ｗ＋（ａ２ｂ３＋  ａ３ｂ２）ｈ＋ａ３ｂ３ｗｈ                                                          （４）
となる。
【００２６】
式（４）を基本の寸法補正式とする。
【００２７】
いま電流測定が可能な最小測定寸法を（ｗｏ，ｈｏ）、（ｗｏ，ｈｏ）からの測定幅をｄとする。すなわち図２のｗｏ≦ｗ≦ｗｏ＋ｄ，ｈｏ≦ｈ≦ｈｏ＋ｄで寸法を複数値で可変して十分多点で電流計測する。ｄが小さい領域では、式（４）でａ１＝ｂ２＝１，ａ３＝ｂ３＝０とおき、簡単に、
Ｒ〜ａ０ｂ０／ｗｈ＋（ｂ０＋ｂ１ｗ）／ｈ＋（ａ０＋ａ２ｈ）／ｗ＋Ｇ    （５）
となる。
【００２８】
ここで新たな項Ｇ＝ａ１ｂ２は式（５）で一定のオフセットを与える合わせ込み定数として、最小二乗法で目的のシフト係数（ａ０，ｂ０）、回転係数（ａ２，ｂ１）を計算すればよい。
【００２９】
式（５）でゲイン係数ａ１、ｂ２は２項の積として寄与し、誤差比Ｒの絶対値を不定としゲイン係数の分離ができない。そのためｘｙ方向に独立にオフセット係数にＳを加えてゲイン係数を校正する。回転補正が式（５）でなされた結果、ａ２＝ｂ１＝０とおくと式（４）は、
Ｒ〜ａ０ｂ０／ｗｈ＋ａ１ｂ０／ｈ＋ａ０ｂ２／ｗ＋Ｇ＋ａ１ｂ３ｗ＋ａ３ｂ２ｈ
＋ａ３ｂ３ｗｈ                                                          （６）
となる。オフセット係数に先の測定領域より大きな値Ｓを加え、やはりａ３＝ｂ３＝０、Ｇ＝ａ１ｂ２とすると、
Ｒ〜Ｓｂ２／ｗ＋Ｇ  ｆｏｒ  ａ０＝Ｓ，ｂ０＝０                      （７）
Ｒ〜Ｓａ１／ｈ＋Ｇ  ｆｏｒ  ａ０＝０，ｂ０＝Ｓ                      （８）
により、ゲイン係数（ａ１，ｂ２）を計算することができる。
【００３０】
式（４）から高次係数は寸法大の領域で影響が大きいことがわかる。オフセット、ゲイン、回転補正がなされた結果、ａ０＝ｂ０＝０、ａ２＝ｂ１＝０、ａ１＝ｂ２＝１として残差補正式、
Ｒ〜Ｇ＋ｂ３ｗ＋ａ３ｈ＋ａ３ｂ３ｗｈ                                （９）
により、例えば（ｗ，ｈ）全域で電流計測して台形係数（ａ３，ｂ３）を計算する。
【００３１】
前記の議論で示した通り、寸法補正を多項式（４）で表すと個々の係数で異なった影響を示す。図３および図４は、誤差比Ｒ（％）の計算例を示すグラフであり、図３はオフセット誤差、図４は回転誤差がある場合の結果を示すものである。
【００３２】
注目すべき点は図２の辺ＡＢ、ＡＤ付近でやはり誤差が大きいことである。
【００３３】
一方、式（４）からゲイン項は四角形ＡＢＣＤ領域でＪの一様オフセット、台形項は四角形ＡＢＣＤにおけるＪの傾斜量に大きな寄与となることがわかる。まず、オフセット係数および回転係数は辺ＡＢ、ＡＤ付近ｗｏ≦ｗ≦ｗｏ＋ｄ，ｈｏ≦ｈ≦ｈｏ＋ｄでＪの平面からの変位量を最小にすることで取り除くことが可能であることがわかる。
【００３４】
なお、オフセット係数や回転係数は、複数の寸法測定データから最小二乗法等で求められる。
【００３５】
図５は、電子ビームの寸法補正の手順を示すフローチャートである。
【００３６】
ステップ５０１で測定開始され、ｗｏ≦ｗ≦ｗｏ＋ｄまたはｈｏ≦ｈ≦ｈｏ＋ｄの領域で電流計測が行なわれる（ステップ５０２）。オフセット、回転補正が行なわれ（ステップ５０３）、Ａ０＝Ｓ、Ｂ０＝Ｓの電流計測（ステップ５０４）をしてゲイン補正が行なわれる（ステップ５０５）。これらの補正が残差小（ステップ５０６）になるまで繰り返し行なわれる。
【００３７】
残差小（ステップ５０６）が達成されたら、大領域で電流測定（ステップ５０７）に移行し、高次補正（ステップ５０８）を踏み、高次の補正が残差小（ステップ５０９）になるまで繰り返し行なわれる。残差が小さくなったら終了（ステップ５１０）。
【００３８】
さらに詳しく述べる。ここで具体的な電流測定は、例えば測定ピッチｐ、点数ｎとすると、最小二乗法で式（５）の係数を計算するために十分大きなｎであれば良い。
【００３９】
寸法が微小領域ではオフセットおよび回転誤差をとることで高精度の描画が可能である。しかしながら特にゲイン項を正しく補正しないと、大小寸法の直線性誤差、長寸法ビーム間の接続誤差となる他、本質的に真の電流密度Ｊｏ、すなわち露光量が定まらない不具合が発生する。
【００４０】
ゲイン項を評価するため微小領域で影響の大きいオフセットおよび回転項を補正後、オフセット係数（ａ０，ｂ０）に十分大きな値Ｓを加算して寸法補正テーブル１４に設定する。それぞれの条件で例えばｗｏ≦ｗ≦ｗｏ＋ｄまたはｈｏ≦ｈ≦ｈｏ＋ｄの領域で電流計測して式（７）、（８）からゲイン係数を最小二乗法で計算することができる。同様に台形歪等の高次の歪は計測領域ＡＢＣＤでの電流密度を一定とするように逐次に補正する。
【００４１】
電流計測への要求精度については以下の通りである。まず微小領域では実質的に設定寸法の最小値と分解能の比以下であれば良い。例えば最小寸法値１００ｎｍの分解能１ｎｍであれば１％の電流計測精度が要求される。例えばＪｏ＝１０Ａ／ｃｍ２で１００ｎｍ角ビーム電流は１ｎＡ程度となるが、精度１０−３程度の電流計測は比較的に容易である。
【００４２】
一方、大寸法領域では成形ビームショット間の接続精度が問題となる。例えば５μｍショットで５ｎｍの接続誤差が要求される場合は電流計測誤差は０．１％が要求されるが、一般に大寸法ではビーム電流が大となり通常は問題ない。
【００４３】
本発明によればこのように実パターン描画の寸法設定誤差を系統的に補正できる。マークエッヂをビーム走査してその波形を用いる方法と比べ、物理的な散乱による検出分解能の低下が発生せず、ビーム偏向走査する必要がないため走査ノイズや非直線性等の影響も無い。また電流計測はビーム走査や微分処理時間が不要で高速化や高精度化のための多数点測定が可能である。更にコスト的にも通常の電流計測法で動作するため高価な微細マークやビーム検出器および制御回路を必要とせず安価に実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明の実施例に係わるもので、可変成形方式の電子ビーム描画装置の主要な構成を示す縦断面図。
【図２】本発明の実施例に係わるもので、試料上に照射される電子ビームの領域を示す斜視図。
【図３】本発明の実施例に係わるもので、オフセット誤差がある場合の誤差比Ｒ（％）の計算例を示すグラフ。
【図４】本発明の実施例に係わるもので、回転誤差がある場合の誤差比Ｒ（％）の計算例を示すグラフ。
【図５】本発明の実施例に係わるもので、電子ビームの寸法補正の手順を示すフローチャート。
【符号の説明】
【００４５】
１…電子源、２…第一成形開口、３…成形偏向器、４…成形レンズ、５…第二成形開口、６…第一成形開口像、７…縮小レンズ、８…成形ビーム、９…対物偏向器、１０…対物レンズ、１１…ファラディーカップ電流計、１２…ステージ、１３…成形偏向駆動回路、１４…寸法補正テーブル、１５…対物偏向制御回路、１６…ビーム電流計測回路、１７…補正演算回路、１８…パターン分割回路、１９…制御計算機。
【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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