(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
感光面に荷電粒子線を照射して、前記感光面にパターンを転写する露光装置であって、
前記パターンに対応するように荷電粒子線透過部が形成されたマスクに、前記荷電粒子線を出射する荷電粒子線源と、
前記マスクを透過した荷電粒子のうち、特定のエネルギーをもつ荷電粒子を選別して前記感光面に入射させるエネルギー選別手段と
を有する露光装置であって、
前記エネルギー選別手段は、
前記マスクを透過した荷電粒子が入射され、当該入射された荷電粒子において前記マスクにて散乱された荷電粒子を排除する入射絞り面と、
前記入射絞り面を透過した荷電粒子の軌道をエネルギーに応じて分離するエネルギーフィルターと、
前記エネルギーフィルターによってエネルギーに応じて軌道が分離された荷電粒子において、特定のエネルギーを持つ荷電粒子を通過させるエネルギー選択スリットと
を含む
露光装置。
【請求項２】
前記荷電粒子は電子を含み、前記エネルギーフィルターはΩフィルターを含む
請求項１に記載の露光装置。
【請求項３】
前記荷電粒子は電子を含み、前記エネルギーフィルターはCastaing型フィルターを含む
請求項１に記載の露光装置。
【請求項４】
前記荷電粒子は電子を含み、前記エネルギーフィルターはウィーンフィルターを含む
請求項１に記載の露光装置。
【請求項５】
前記荷電粒子はイオンを含み、前記エネルギーフィルターは四重極質量フィルターを含む
請求項１に記載の露光装置。
【請求項６】
前記エネルギーフィルターは、偏向エネルギーアナライザーを含む
請求項１に記載の露光装置。
【請求項７】
前記荷電粒子は電子を含み、前記偏向エネルギーアナライザーは静電型偏向セクターを含む
請求項６に記載の露光装置。
【請求項８】
前記荷電粒子は電子を含み、前記偏向エネルギーアナライザーは磁場型偏向セクターを含む
請求項６に記載の露光装置。
【請求項９】
前記荷電粒子はイオンを含み、前記偏向エネルギーアナライザーは静電型偏向セクターを含む
請求項６に記載の露光装置。
【請求項１０】
前記荷電粒子はイオンを含み、前記偏向エネルギーアナライザーは磁場型偏向セクターを含む
請求項６に記載の露光装置。
【請求項１１】
前記偏向エネルギーアナライザーは、前記マスクを透過した荷電粒子において、内球と外球の半径および電圧差で定まるエネルギーを持つ荷電粒子を通過させる半球型エネルギーアナライザーである
請求項６に記載の露光装置。
【請求項１２】
所定のパターンで荷電粒子線透過部が形成されたマスクに、荷電粒子線を入射させる工程と、
前記マスクを透過した荷電粒子のうち、特定のエネルギーをもつ荷電粒子を選別する工程と、
選別された特定のエネルギーをもつ荷電粒子を感光面に入射させる工程と
を有する露光方法であって、
前記マスクに荷電粒子線を入射させる工程においては、特定のエネルギーの荷電粒子線を前記マスクに入射させ、
前記マスクを透過した荷電粒子を選別する工程においては、
前記マスクを透過した荷電粒子において前記マスクにて散乱された荷電粒子を、入射絞り面に排除させ、
前記入射絞り面を透過した荷電粒子の軌道をエネルギーフィルターによってエネルギーに応じて分離させ、
前記エネルギーフィルターによってエネルギーに応じて軌道が分離された荷電粒子において、特定のエネルギーを持つ荷電粒子をエネルギー選択スリットに通過させる
露光方法。
【請求項１３】
所定のパターンで荷電粒子線透過部が形成されたマスクに、荷電粒子線を入射させる工程と、
前記マスクを透過した荷電粒子のうち、特定のエネルギーをもつ荷電粒子を選別する工程と、
選別された特定のエネルギーをもつ荷電粒子をレジストに入射させ、前記レジストに前記パターンを転写する工程と
を有する半導体装置の製造方法であって、
前記マスクに荷電粒子線を入射させる工程においては、特定のエネルギーの荷電粒子線を前記マスクに入射させ、
前記マスクを透過した荷電粒子を選別する工程においては、
前記マスクを透過した荷電粒子において前記マスクにて散乱された荷電粒子を、入射絞り面に排除させ、
前記入射絞り面を透過した荷電粒子の軌道をエネルギーフィルターによってエネルギーに応じて分離させ、
前記エネルギーフィルターによってエネルギーに応じて軌道が分離された荷電粒子において、特定のエネルギーを持つ荷電粒子をエネルギー選択スリットに通過させる
半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は露光方法、露光装置および半導体装置の製造方法と、それらに用いられるマスクに関する。
【０００２】
【従来の技術】
電子ビームやイオンビームといった荷電粒子ビームを用いるリソグラフィーには、ビームの走査によりパターンをウェハ上に直接描画する直描型と、パターンが形成されたマスクを介して露光を行い、マスク上のパターンをウェハに転写する投影型とがある。スループットは後者の方が優れている（滝川他「ＵＬＳＩリソグラフィー技術の革新」（サイエンスフォーラム(1994)））。
【０００３】
投影型リソグラフィーで用いられるマスクには、パターン部分が空孔になっているステンシルマスク（H. C. Pfeiffer, Jpn. J. Appl. Phys. 34, 6658 (1995))と、パターン以外の部分に重金属を含む薄膜を形成した散乱マスク（L. R. Harriott, J. Vac. Sci. Technol B 15, 2130 (1997)）とがある。
【０００４】
図６は従来の露光方法の原理を示す概略図であり、例えば、イオンや電子といった荷電粒子を用いる投影型露光装置の一部を示す。図６に示すように、荷電粒子線源１０１から荷電粒子が放出され、マスク前段光学系１０２によってビームＢが平行化あるいは集束され、マスク１０３が露光される。
【０００５】
図６においては、一般化して説明するため、マスク前段光学系１０２を単一の光学レンズとして図示しているが、実際には、単一または複数の静電レンズや磁場レンズのように、荷電粒子にレンズ作用を及ぼすものを用いる。同様に、マスク後段光学系１０４も簡略化のため単一の光学レンズとして図示しているが、単一の光学レンズに限定されない。
【０００６】
また、図６にはマスク１０３として、所定のパターンで孔１０３ａを有するステンシルマスクを示したが、ステンシルマスクのかわりに散乱マスクであってもよい。マスク１０３に入射したビームＢは孔１０３ａ部分を透過して、実線ａで軌跡を示すように、マスク後段光学系１０４によって像面１０５に結像される。像面１０５はウェハ表面に対応する。マスクパターンは上記の転写原理でウェハに転写される。したがって、理想的には、像面１０５にはマスクパターンを正確に反映したパターン（図６に斜線で示すようなパターン）が転写される。
【０００７】
あるいは、特許第２９５７６６９号公報には、荷電ビームを反射する反射パターンが形成された反射マスクおよびこれを用いた荷電ビーム露光装置が開示されている。さらに、特開２０００−１８２９４３号公報には、表面に２次電子放出効率の異なる材料で所望のパターンが形成されているマスクと、これを用いた荷電ビーム露光装置および荷電ビーム露光方法が開示されている。これらの公報に記載されているように、荷電ビームが透過しないマスクを用いて、リソグラフィーを行うことも可能である。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の従来のマスクによれば、いずれも荷電粒子ビームがマスクを透過する時に、荷電粒子がマスクで散乱される。これにより、ビームのエネルギーと方向が変化するだけでなく、励起された２次粒子がマスクから放出され、ウェハに入射するビームの単色性と平行性が低下する（M. Kotera et al., Jpn. J. Appl. Phys. 39, 6861 (2000))。
【０００９】
例えば、図６に示す縮小投影系においては、モンテカルロシミュレーションで示されているように（M. Kotera et al., Jpn. J. Appl. Phys. 39, 6861 (2000))、マスクに入射した荷電粒子はマスクにより散乱され、エネルギーや進行方向が変化し、２次粒子を発生させる。マスク後段光学系１０４はマスク１０３に入射するビームと同じエネルギーをもつ荷電粒子線を結像させるために最適化されている。
【００１０】
したがって、マスクにおける散乱によりエネルギーを一部損失した荷電粒子は、図６に点線で示すような軌跡で像面１０５に入射し、実線ａで示す理想的な軌跡から外れる。このような色収差のため、実際にウェハに転写されるパターンは、実線ｂで示すようにぼやけて、パターンのコントラストと解像度が低くなる。
【００１１】
電子ビーム投影型リソグラフィーのうち、近接転写法ではマスクとウェハが近接して配置され、マスク上のパターンが通常、等倍でウェハに転写される。したがって、マスクを透過したビームの単色性や平行性が低下すると、パターンの解像度が顕著に低下する（T. Utsumi, J. Vac. Sci. Technol B 17, 2897 (1999))。
【００１２】
縮小投影系や反射型あるいは２次電子放出型の露光系においても、ビームエネルギーの拡がりは電子光学系の色収差を引き起こし、パターンの解像限界が制限されてしまう（裏克巳「電子光学」（共立全書 (1979))）。
本発明は上記の問題点に鑑みてなされたものであり、したがって本発明は、微細パターンの解像度を飛躍的に向上させることが可能である露光方法、露光装置、半導体装置の製造方法およびマスクを提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため、本発明の露光方法は、所定のパターンで荷電粒子線透過部が形成されたマスクに、荷電粒子線を入射させる工程と、前記マスクを透過した荷電粒子のうち、特定のエネルギーをもつ荷電粒子を選別する工程と、選別された特定のエネルギーをもつ荷電粒子を感光面に入射させる工程とを有することを特徴とする。
【００１４】
あるいは、本発明の露光方法は、電子ビームを透過させる薄膜と、前記薄膜の一部に所定のパターンで、前記薄膜を貫通するように形成された、前記薄膜と異なる物質からなるパターン部とを有するマスクに、所定のエネルギーの電子ビームを入射させる工程と、前記マスクを透過した電子のうち、前記パターン部を透過した電子ビームの電子エネルギー損失スペクトルのみに現れるピークのエネルギーをもつ電子を選別する工程と、選別された電子を感光面に入射させる工程とを有することを特徴とする。
【００１５】
あるいは、本発明の露光方法は、薄膜と、前記薄膜の一部に所定のパターンで形成された、前記薄膜と異なる物質からなるパターン部とを有し、所定のエネルギーのＸ線を照射したときに発生する電子のエネルギーが、前記薄膜と前記パターン部とで異なるマスクに、所定のエネルギーのＸ線を入射させる工程と、前記パターン部にＸ線が照射されることにより発生した電子を選別する工程と、選別された電子を感光面に入射させる工程とを有することを特徴とする。
【００１６】
上記の目的を達成するため、本発明の露光装置は、感光面に荷電粒子線を照射して、前記感光面にパターンを転写する露光装置であって、荷電粒子線を出射する荷電粒子線源と、前記荷電粒子線源から出射された前記荷電粒子線が入射するマスクであって、前記パターンで荷電粒子線透過部が形成されたマスクと、前記マスクを透過した荷電粒子のうち、特定のエネルギーをもつ荷電粒子を選別して前記感光面に入射させるエネルギー選別手段とを有することを特徴とする。
【００１７】
あるいは、本発明の露光装置は、感光面に電子ビームを照射して、前記感光面にパターンを転写する露光装置であって、電子ビームを出射する電子ビーム源と、前記電子ビーム源から出射された前記電子ビームが入射するマスクであって、電子ビームを透過させる薄膜と、前記薄膜の一部に所定のパターンで、前記薄膜を貫通するように形成された、前記薄膜と異なる物質からなるパターン部とを有し、所定のエネルギーの電子ビームを透過させて得られる電子エネルギー損失スペクトルが、前記薄膜と前記パターン部とで異なる前記マスクと、前記マスクを透過した電子ビームのうち、前記パターン部を透過した電子ビームの電子エネルギー損失スペクトルに現れるピークのエネルギーをもつ電子を選別して前記感光面に入射させるエネルギー選別手段とを有することを特徴とする。
【００１８】
あるいは、本発明の露光装置は、感光面に電子ビームを照射して、前記感光面にパターンを転写する露光装置であって、Ｘ線を出射するＸ線源と、前記Ｘ線源から出射された前記Ｘ線が入射するマスクであって、薄膜と、前記薄膜の一部に所定のパターンで形成された、前記薄膜と異なる物質からなるパターン部とを有し、前記Ｘ線を照射したときに発生する電子のエネルギーが前記薄膜と前記パターン部とで異なる前記マスクと、前記パターン部にＸ線が照射されることにより発生した電子を選別して前記感光面に入射させるエネルギー選別手段とを有することを特徴とする。
【００１９】
上記の目的を達成するため、本発明の半導体装置の製造方法は、所定のパターンで荷電粒子線透過部が形成されたマスクに、荷電粒子線を入射させる工程と、前記マスクを透過した荷電粒子のうち、特定のエネルギーをもつ荷電粒子を選別する工程と、選別された特定のエネルギーをもつ荷電粒子をレジストに入射させ、前記レジストに前記パターンを転写する工程とを有することを特徴とする。
【００２０】
あるいは、本発明の半導体装置の製造方法は、電子ビームを透過させる薄膜と、前記薄膜の一部に所定のパターンで、前記薄膜を貫通するように形成された、前記薄膜と異なる物質からなるパターン部とを有するマスクに、所定のエネルギーの電子ビームを入射させる工程と、前記マスクを透過した電子のうち、前記薄膜を透過した電子ビームの電子エネルギー損失スペクトルに現れず、前記パターン部を透過した電子ビームの電子エネルギー損失スペクトルに現れるピークのエネルギーをもつ電子を選別する工程と、選別された電子をレジストに入射させ、前記レジストに前記パターンを転写する工程とを有することを特徴とする。
【００２１】
あるいは、本発明の半導体装置の製造方法は、薄膜と、前記薄膜の一部に所定のパターンで形成された、前記薄膜と異なる物質からなるパターン部とを有し、前記Ｘ線を照射したときに発生する電子のエネルギーが前記薄膜と前記パターン部とで異なるマスクに、所定のエネルギーのＸ線を入射させる工程と、前記パターン部にＸ線が照射されることにより発生した電子を選別する工程と、選別された電子をレジストに入射させ、前記レジストに前記パターンを転写する工程とを有することを特徴とする。
【００２２】
上記の目的を達成するため、本発明のマスクは、電子ビームを透過させる薄膜と、前記薄膜の一部に所定のパターンで、前記薄膜を貫通するように形成された、前記薄膜と異なる物質からなるパターン部とを有し、所定のエネルギーの電子ビームを透過させて得られる電子エネルギー損失スペクトルが、前記薄膜と前記パターン部とで異なることを特徴とする。
【００２３】
あるいは、本発明のマスクは、薄膜と、前記薄膜の一部に所定のパターンで形成された、前記薄膜と異なる物質からなるパターン部とを有し、所定のエネルギーのＸ線を照射したときに発生する電子のエネルギーが、前記薄膜と前記パターン部とで異なることを特徴とする。
【００２４】
これにより、マスクで散乱されてエネルギーと軌跡が変化した荷電粒子が、感光面（またはレジスト）に入射するのを防止することが可能となる。本発明の露光方法、露光装置、半導体装置の製造方法およびマスクによれば、感光面に入射するビームの単色性と平行性が改善し、露光の解像度を飛躍的に向上させることができる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の露光方法、露光装置、半導体装置の製造方法およびマスクの実施の形態について、図面を参照して説明する。まず、本発明の露光方法の基本的原理を、図６に示す従来の露光方法と対比させて説明する。
【００２６】
図１は本発明の露光方法の原理を示す概略図であり、例えば、イオンや電子といった荷電粒子を用いる投影型露光装置の一部を示す。図１に示すように、荷電粒子線源１から荷電粒子が放出され、マスク前段光学系２によってビームＢが単色化される。また、マスク前段光学系２によってビームＢが平行化あるいは集束され、マスク３が露光される。
【００２７】
図１においては、一般化して説明するため、マスク前段光学系２を単一の光学レンズとして図示しているが、実際には、単一または複数の静電レンズや磁場レンズのように、荷電粒子にレンズ作用を及ぼすものを用いる。同様に、マスク後段光学系４も簡略化のため単一の光学レンズとして図示しているが、単一の光学レンズに限定されない。
【００２８】
また、図１にはマスク３として、所定のパターンで孔３ａを有するステンシルマスクを示したが、ステンシルマスクのかわりに散乱マスクであってもよい。マスク３に入射したビームＢは孔３ａ部分を透過して、実線ａで軌跡を示すように、マスク後段光学系４によって集束される。
【００２９】
マスク後段光学系４はマスク３に入射するビームと同じエネルギーをもつ荷電粒子線を結像させるために最適化されているため、マスクで発生した２次粒子は、実線ａで示すビームＢの理想的な軌跡から外れる。本発明の露光方法によれば、マスク３を透過した荷電粒子とマスクで発生した２次粒子は、マスク後段光学系４で集束されて、分光系５に入射する。
【００３０】
荷電粒子は分光系５によりエネルギー選別され、分光系５で設定された特定のエネルギー（パスエネルギー）を持つ荷電粒子のみが像面６に結像される。マスクで発生した２次粒子は、パスエネルギーとは異なるエネルギーを持つため、点線で示すように分光系５のプリズム５ａおよび絞り５ｂによって排除され、像面６に到達しない。したがって、像面６にはマスクパターンを正確に反映したパターン（図１に斜線で示すようなパターン）が転写される。
【００３１】
図１には、簡略化のため分光系５をプリズム５ａと絞り５ｂの組み合わせで示したが、分光系５はこのような構成に限定されず、荷電粒子に対して用いられる様々なエネルギーフィルターやエネルギーアナライザーを用いることができる。このような分光系５の詳細は後述する。
【００３２】
本発明の露光方法および露光装置によれば、パスエネルギーを持たない２次粒子等が分光系５によって排除されるため、マスク後段光学系４の色収差が小さくなる。また、像面６での解像度も向上する。上記のようなエネルギー選別を含む露光方法を、以下、スペクトロ・リソグラフィーとも称する。
【００３３】
（実施形態１）
通常の投影型荷電粒子ビーム露光装置にエネルギーフィルター光学系を組み込む場合、荷電粒子とエネルギーフィルターとの主要な組み合わせは、表１のようになる（日本学術振興会マイクロビームアナリシス第１４１委員会編「マイクロビームアナリシス」（朝倉書店 (1985) ））。
【００３４】
【表１】
0003956680.tif 000002
【００３５】
表１に示すエネルギーフィルターは電子顕微鏡や２次イオン質量分析器などに広く用いられているものであり、多くのバリエーションがある。また、表１で挙げた以外にもエネルギーを選別する光学系は数多くある。これらのエネルギーフィルターを露光に用いると、露光される荷電粒子の量（電流量）が減少し、スループットが低下する可能性がある。
【００３６】
しかしながら、すべてのパターンの露光にこのようなエネルギーフィルターを用いる必要はなく、極めて微細なパターンを露光する必要があるときのみ、スペクトロ・リソグラフィーを行えば、スループットを大幅に低下させることなく、解像度を飛躍的に向上させることができる。
【００３７】
一例として、表１で挙げたエネルギーフィルターのうち、Ω型エネルギーフィルター（Ωフィルター）を用いる場合について説明する。図２はΩフィルターの概略図である。図２に示すように、Ωフィルター１１は４個のセクター型電磁石１２ａ〜１２ｄを有する。セクター型電磁石１２ｂとセクター型電磁石１２ｃとの間には対称面１３が存在する。
【００３８】
入射絞り面（エントランスアパーチャー）１４に入射した電子ビームは、セクター型電磁石１２ａ〜１２ｄによって、エネルギー選択スリット１５に至るまでの軌道がΩ字状に偏向する。Ωフィルター１１によれば、電子のエネルギーの違いに応じて、電子ビームの軌道を分離させることができる。これにより、特定のエネルギーを持つ電子を選別できる。
【００３９】
図３は図２のΩフィルターを用いた露光方法を示す概略図である。図３に示すように、マスク３を透過した電子ビームＢは、対物・中間レンズ４ａを通過してビーム方向が制御され、エントランスアパーチャー１４に入射する。対物・中間レンズ４ａは図１のマスク後段光学系４に対応する。図示しないが、マスク３の前段には図１と同様にマスク前段光学系２が設けられる。
【００４０】
マスク３で散乱された電子のうち、進行方向を電子ビームＢの方向から大きく変えた電子は、対物・中間レンズ４ａによって電子ビームＢと同じ位置に結像されず、エントランスアパーチャー１４を通過しない。すなわち、マスク３での散乱により大きく方向を変えた電子は、対物・中間レンズ４ａとエントランスアパーチャー１４によって電子ビームＢから排除される。
【００４１】
エントランスアパーチャー１４を通過した電子ビームＢは、Ωフィルター１１を通過する。Ωフィルター１１を通過した電子は、エネルギーに応じてエネルギー選択スリット１５のスリット面上に分散し、特定のエネルギーを持つ電子のみがエネルギー選択スリット１５を通過する。したがって、エネルギー選択スリット１５の後段で行われるウェハの露光には、マスク３で散乱されずにマスク３を透過した電子のみが寄与する。
【００４２】
上記の本実施形態の露光方法および露光装置によれば、特定のエネルギーを持つ電子のみをウェハに入射させることができるため、対物・中間レンズ４ａの色収差が小さくなる。これにより、露光の解像度が向上し、マスクパターンを正確にウェハに転写することが可能となる。
【００４３】
図示しないが、上記の本実施形態において、Ωフィルターを表１に示す他のエネルギーフィルターに変更してもよい。Castaing型フィルターは、磁気プリズムの作用により、エネルギーの異なる電子ビームを分散させ、特定のエネルギーをもつ電子ビームのみをスリットにより選別する。
ウィーンフィルターは、フィルター内部の電場と磁場が直交する場を電子ビームが通過すると、エネルギーの異なる電子の軌道がずれることを利用して、電子のエネルギー選別を行うものである。
【００４４】
四重極質量フィルターは、四重極電極に直流と高周波交流を重ね合わせた電圧を印加して、四重極電極内を通過するイオンの選別を行うものである。四重極電極に入ったイオンは高周波電場の影響を受け、振動しながら電極内を進行する。印加電圧と電流の周波数に応じて、特定のイオンのみ振幅が増大せずに安定に振動して電極間を通過する。これにより、イオンは選別されて四重極質量フィルターから出射する。
【００４５】
本実施形態の半導体装置の製造方法は、ウェハ表面に塗布されたレジストに、上記の露光方法で露光を行い、パターンを転写する工程を含む。本実施形態の半導体装置の製造方法によれば、従来よりも微細化されたパターンをレジストに高精度に転写できる。したがって、半導体装置をさらに高集積化できる。
【００４６】
（実施形態２）
本実施形態の露光方法によれば、マスク透過後の荷電粒子をセクター型アナライザーで偏向させ、エネルギー選別する。この方法は、荷電ビーム露光に用いられた例はないが、光電子分光や２次イオン質量分析等の分光分析法においては広く用いられている。荷電粒子とエネルギーアナライザーとの主要な組み合わせを、表２に示す（前述の「マイクロビームアナリシス」(1985)参照）。
【００４７】
【表２】
0003956680.tif 000003
【００４８】
荷電粒子が電子の場合とイオンの場合のいずれも、静電型または磁場型のセクターアナライザーを組み合わせることが可能である。アナライザーの形状は特に限定されず、例えば半球型やトロイダル型のアナライザーを用いることができる。
【００４９】
表２で挙げたアナライザーのうち、静電半球型アナライザーを用いる場合について、図面を参照して説明する。図４に示すように、マスク３を透過した電子ビームは、入射レンズ系２１によりアナライザー２２の入口に導かれる。アナライザー２２は内球と外球の半径および電圧差で定まる特定のエネルギー（パスエネルギー）を持つ電子のみを通過させる。
【００５０】
したがって、アナライザー２２の出口で電子ビームは単色化されている。これを出射レンズ系２３でウェハ２４上に結像する。例えば、パスエネルギーをマスク３に入射する電子のエネルギーに設定すれば、マスク３で散乱されずにマスク３を透過した電子のみが、ウェハ２４へのパターン転写に寄与することになる。
【００５１】
本実施形態の半導体装置の製造方法は、ウェハ表面に塗布されたレジストに、上記の露光方法で露光を行い、パターンを転写する工程を含む。本実施形態の半導体装置の製造方法によれば、従来よりも微細化されたパターンをレジストに高精度に転写できる。したがって、半導体装置をさらに高集積化できる。
【００５２】
（実施形態３）
本実施形態の露光方法によれば、マスク透過後の荷電粒子を減速電界法によりエネルギー選別する。この方法によれば、板状またはメッシュ状の電極を配置することにより、荷電粒子ビームの径路上に荷電粒子の阻止電場を形成する。これにより、特定のエネルギー以下の荷電粒子がウェハに入射するのを抑制できる。本実施形態の方法は、実施形態１および２の方法に比較するとエネルギー分解能は劣るが、エネルギー選別を行わない従来の露光に比較すれば、パターンの解像度を向上させることができる。
【００５３】
（実施形態４）
実施形態１〜３においては、マスクで散乱されずにマスクを透過した荷電粒子を選別し、ウェハの露光に用いる。それに対し、本実施形態においては、マスクで荷電粒子が散乱される際のエネルギー損失を利用して、荷電粒子のエネルギー選別を行う。
【００５４】
図５は本実施形態のマスクの平面図である。本実施形態のマスクは電子ビームが入射するマスクの例である。図５に示すように、基材３１の一部にパターン部３２が形成されている。基材３１は電子ビームが透過する厚さの薄膜であり、パターン部３２は基材３１を貫通するように設けられる。パターン部３２は周囲の基材３１によって支持されている。パターン部３２も電子ビームが透過する厚さで形成される。
【００５５】
パターン部３２は第１の相補パターン部３３、第２の相補パターン部３４および非分割パターン部３５を含む。パターン部３２の形状や分布によっては、必ずしもこのように３種類のパターン部３３〜３５を形成する必要はなく、パターン部を２種類以下としてもよい。あるいは、必要に応じて４種類以上のパターン部を形成してもよい。後述するように、複数の種類のパターン部を設けた場合、露光装置に取り付けたマスクを交換せずに、異なるパターンの多重露光を行うことができる。
【００５６】
本実施形態のマスクは基材３１、第１の相補パターン部３３、第２の相補パターン部３４および非分割パターン部３５が互いに異なる物質からなる。これらのパターン部３３〜３５のそれぞれには、基材３１に含まれず、かつ他のパターン部に含まれない少なくとも１種類の元素を含有させる。但し、これらのパターン部のうちの少なくとも一つと基材３１が同一の元素を含有しても、その元素の化学結合の状態が異なっていればよい。
【００５７】
例えば、第１の相補パターン部３３の材料がシリコン（Ｓｉ）で、基材３１の材料が酸化シリコン（ＳｉＯ2 ）とすると、これらは同一の元素を含有するが、Ｓｉの化学結合の状態は異なる。したがって、第１の相補パターン部３３と基材３１における電子ビームのエネルギー損失は互いに異なる。これにより、電子ビームのエネルギー選別が可能となる。
【００５８】
従来の露光方法に用いられるステンシルマスクは、孔以外の部分で電子ビームを物理的に遮蔽する。それに対し、本実施形態のマスクは、パターン部と非パターン部での材料の化学的性質の違いを利用して、パターン部を透過する電子と非パターン部を透過する電子とをエネルギー選別する。このように基材と化学的性質の異なる材料でパターン部が形成されたマスクを、以下、化学マスクとも称する。
【００５９】
本実施形態の化学マスクに電子ビームが入射すると、基材３１および各パターン部３３〜３５にそれぞれ含有される元素によって、電子が散乱される。このとき、電子は衝突した元素あるいはその元素の化学結合の状態（化学的環境）に応じた固有のエネルギー損失を起こす。したがって、化学マスクを透過した電子ビームは、透過した部分の材料に応じて特有のエネルギー損失スペクトルを示す。
【００６０】
これらのエネルギー損失スペクトル間でのピーク位置のずれは、化学シフトと呼ばれる。原子核に特定のエネルギーの電磁波を照射すると、共鳴吸収が起こる。同種の原子核であっても、その周囲の化学的環境が異なった場合、共鳴吸収が起こるエネルギーは異なる。
【００６１】
これは主に、原子核の周辺に存在する電子や隣接する原子核によって小磁場が形成されることに起因する。化学シフトは、原子核の周囲の電子雲の密度だけでなく、例えば電子雲の球対称からのずれによる常磁性電流等、多様な因子の総和によって決定される。
【００６２】
材料に固有なエネルギー損失スペクトルを測定し、このスペクトルから材料に含有される元素を分析する方法は、電子エネルギー損失分光法（ＥＥＬＳ；electron energy loss spectroscopy)として広く知られている。図５の化学マスクの例では、各パターン部３３〜３５を透過した電子は、それぞれ異なるエネルギー分布を示す。
【００６３】
各パターン部３３〜３５のうち、特定のパターン部を含む領域を透過した電子ビームのエネルギー損失スペクトルには、他のパターン部または基材３１を透過した電子ビームのエネルギー損失スペクトルに現れない損失ピークが現れる。図３あるいは図４に示したスペクトロ・リソグラフィー装置で、パスエネルギーをそのような損失ピークのエネルギーに設定する。これにより、化学マスクのうちの特定のパターン部を透過した電子のみをエネルギー選別できる。したがって、単色化された電子を用いて高精度にパターン転写を行うことができる。
【００６４】
本実施形態の化学マスクによれば、スペクトロ・リソグラフィー装置に取り付けられたマスクを交換せずに、異なるパターンをウェハに多重露光することも可能である。例えば、図５に示す平行なライン状パターンを１枚のステンシルマスクに形成し、電子ビーム露光を行うと、パターン間隔が狭い場合には、孔を透過した電子が干渉し合い、パターンの解像度が低下することがある（近接効果）。
【００６５】
あるいは、ステンシルマスクの場合には、メンブレンのすべての部分が連続している必要があるために、例えばドーナツ状パターンのように１枚のマスクでは形成できないパターンがある。また、パターンの形状によっては、孔の形状に異方性の歪みが生じたり、メンブレンが破損しやすくなったりする。
【００６６】
このような場合、パターンを分割して２枚の相補マスクに振り分け、多重露光により相補的にパターンを転写する（例えば、U. Behringer and H. Engelke, J. Vac. Sci. Technol. B 11, 2400 (1993)）。これらの相補パターンを転写するには、露光装置での相補マスクの交換が必要となる。
【００６７】
一方、本実施形態の化学マスクによれば、図５に示すように、間隔の狭いパターンを第１の相補パターン部３３と第２の相補パターン部３４に分割し、それぞれのパターン部を異なる材料で形成する。一方のパターン部で特徴的な損失ピークが現れるように、第１の電子ビーム露光を行ってから、他方のパターン部で特徴的な損失ピークが現れるように、第２の電子ビーム露光を行う。したがって、マスクを交換せずに多重露光を行うことができる。
【００６８】
また、本実施形態の化学マスクによれば、メンブレンに孔を形成する場合と異なり、パターン部分が基材３１と異なる材料で埋め込まれる。したがって、パターン間隔が狭い場合にも、メンブレンの機械的強度が低下しにくく、パターンの位置ずれや歪みが抑制される。さらに、ステンシルマスクではパターンの分割が不可欠であるような形状のパターンであっても、１枚のマスクに形成することが可能となる。
【００６９】
本実施形態の半導体装置の製造方法は、ウェハ表面に塗布されたレジストに、上記の露光方法で露光を行い、パターンを転写する工程を含む。化学マスクに何種類のパターン部が形成されるかに関わらず、各パターン部に特徴的な損失ピークのエネルギーを持つ電子ビームが単色化される。したがって、本実施形態の半導体装置の製造方法によれば、従来よりも微細化されたパターンをレジストに高精度に転写でき、半導体装置をさらに高集積化できる。
【００７０】
（実施形態５）
本実施形態によれば、実施形態４の化学マスクに電子ビームではなくＸ線を照射して、パターン部３２から材料に応じた光電子を発生させる。発生した光電子を、例えば図４に示した偏向エネルギーアナライザーによりエネルギー選別する。偏向エネルギーアナライザーにより単色化された電子ビームを露光に用いることにより、パターンの解像度を向上させることができる。
【００７１】
本実施形態においても、実施形態４と同様に、化学マスクに形成されるパターン部３２は３種類に限定されない。ここでは、説明を容易とするため、図５に示すように３種類のパターン部３３〜３５が形成された化学マスクを用いることとする。
【００７２】
化学マスクにＸ線を照射すると、基材３１および各パターン部３３〜３５に含有される元素に固有なエネルギーを持った光電子が放出される。すなわち、基材３１および各パターン部３３〜３５から放出される光電子は、それぞれ異なるエネルギー分布を持つ。このような光電子をエネルギー分析すれば、含有されている元素を判別できる。これは光電子分光法（ＰＥＳ；photoelectron spectroscopy）として広く知られている。
【００７３】
本実施形態の露光方法によれば、図４に示す偏向エネルギーアナライザーを有するスペクトロ・リソグラフィー装置を用いる。偏向エネルギーアナライザーのアナライザー２２に印加する電圧を調整し、パスエネルギーを特定のパターン部から放出される光電子のエネルギーに設定しておく。
【００７４】
スペクトロ・リソグラフィー装置において、図５に示す化学マスクにＸ線を照射して、光電子を放出させる。放出された光電子は、偏向エネルギーアナライザーの入射レンズ系２１に取り込まれ、単色化された電子ビームが出射レンズ系２３から出射する。単色化された電子ビームによりウェハ２４が露光される。
【００７５】
本実施形態においても、相補パターンの多重露光を行うことができる。例えば、図５の第１の相補パターン部３３で光電子が発生するように、化学マスクに対して第１のＸ線照射を行ってから、第２の相補パターン部３４で光電子が発生するように、化学マスクに対して第２のＸ線照射を行う。これにより、スペクトロ・リソグラフィー装置に取り付けられた化学マスクを交換せずに、多重露光を行い、パターンを相補的に転写することができる。
【００７６】
上記の本実施形態の露光方法によれば、図４に示すように、化学マスクの一方の面にＸ線を照射して、他方の面から放出される光電子を偏向エネルギーアナライザーに入射させる。あるいは、図示しないが、化学マスクの一方の面にＸ線を照射して、その面から放出される光電子を偏向エネルギーアナライザーに入射させ、光電子のエネルギー選別を行うこともできる。
【００７７】
この構成は、電子ビームがマスクを透過しない点で、前述した特許第２９５７６６９号公報記載の反射マスクおよび特開２０００−１８２９４３号公報記載の２次電子を放出するマスクと共通する。しかしながら、これらの公報に記載されたマスクには荷電粒子ビームが照射されるのに対し、本実施形態の化学マスクにはＸ線が照射され、これにより光電子が放出される。したがって、上記の公報に記載された従来のマスクと本実施形態の化学マスクとは本質的に異なる。
【００７８】
本実施形態の半導体装置の製造方法は、ウェハ表面に塗布されたレジストに、上記の露光方法で露光を行い、パターンを転写する工程を含む。化学マスクに何種類のパターン部が形成されるかに関わらず、各パターン部で固有のエネルギーを持つ光電子を発生させる。
したがって、本実施形態の半導体装置の製造方法によれば、従来よりも微細化されたパターンをレジストに高精度に転写でき、半導体装置をさらに高集積化できる。
【００７９】
本発明の露光方法、露光装置、半導体装置の製造方法およびマスクの実施形態は、上記の説明に限定されない。例えば、実施形態５のスペクトロ・リソグラフィー装置において、図４に示すような電子光学系を採用するかわりに、光電子顕微鏡（ＰＥＥＭ；photoelectron energy microscope)に用いられるような拡大結像レンズ系を採用することも可能である。その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の変更が可能である。
【００８０】
【発明の効果】
本発明の露光方法および露光装置によれば、マスクを透過したビームの単色性が改善され、パターンの解像度が向上する。本発明の半導体装置の製造方法によれば、微細パターンを高精度に転写できるため、半導体装置を高集積化できる。本発明のマスクによれば、リソグラフィー工程において微細パターンを高精度に転写することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は本発明の露光方法の原理を示す概略図である。
【図２】図２は本発明の実施形態１に係る露光装置の一部を示す概略図である。
【図３】図３は本発明の実施形態１に係る露光装置の一部を示す概略図である。
【図４】図４は本発明の実施形態２に係る露光装置の一部を示す概略図である。
【図５】図５は本発明の実施形態４および５に係るマスクの平面図である。
【図６】図６は従来の露光方法の原理を示す概略図である。
【符号の説明】
１、１０１…荷電粒子線源、２、１０２…マスク前段光学系、３、１０３…マスク、４、１０４…マスク後段光学系、４ａ…対物・中間レンズ、５…分光系、６、１０５…像面、１１…Ωフィルター、１２ａ〜１２ｄ…セクター型電磁石、１３…対称面、１４…エントランスアパーチャー、１５…エネルギー選択スリット、２１…入射レンズ系、２２…アナライザー、２３…出射レンズ系、２４…ウェハ、３１…基材、３２…パターン部、３３…第１の相補パターン部、３４…第２の相補パターン部、３５…非分割パターン部。
【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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