(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板に位置合わせ露光の基準となるマークが形成されており、該マークを含む前記基板上に被加工膜が形成された試料に荷電粒子により第１のビーム照射を行い前記マークを含む前記試料表面を帯電させる工程と、
前記第１のビーム照射とは異なる条件により荷電粒子により第２のビーム照射を行い前記マークを走査して、前記試料表面からの２次電子を検出することにより前記マーク位置を求める工程と、
前記マーク位置に基づいて位置合わせ露光を行う工程と
を具備してなることを特徴とする荷電ビーム露光方法。
【請求項２】
基板に位置合わせ露光の基準となる第１のマークが形成されており、第１のマークを含む前記基板上に被加工膜が形成された試料に対して、第１のマークとの相対位置の計測に用いられ、前記基板表面部分の上に形成された第２のマークを含むパターンを位置合わせ露光によって形成する工程と、
第１のマーク及び第２のマークを有する前記試料に荷電粒子により第１のビーム照射を行い第１のマークを含む前記試料表面を帯電させる工程と、
前記第１のビーム照射とは異なる条件により荷電粒子により第２のビーム照射を行い第１及び第２のマークを走査して、前記試料表面からの２次電子を検出することにより第１及び第２のマーク位置を求める工程と、
第１及び第２のマーク位置に基づいて合わせずれ計測を行う工程と
を具備してなることを特徴とする荷電ビーム露光方法。
【請求項３】
第１のビーム照射により前記試料表面に照射される荷電粒子量に対して第２のビーム照射により前記試料表面に照射される荷電粒子量が少なくなるように、第１及び第２のビーム照射条件を変化させることを特徴とする請求項１又は２に記載の荷電ビーム露光方法。
【請求項４】
第１及び第２のビーム照射条件とは、加速電圧、ビームサイズ、ビーム電流密度、ビーム走査速度及びビーム走査位置のうちの少なくとも一つであることを特徴とする請求項３に記載の荷電ビーム露光方法。
【請求項５】
第１のビーム照射の後、帯電した前記試料表面からの２次電子を検出して前記マーク又は第１のマークのおおよその位置を求め、該位置に基づいて第２のビーム照射を行うことを特徴とする請求項１又は２に記載の荷電ビーム露光方法。
【請求項６】
第２のビーム照射は、前記試料上の位置に応じて加速電圧、ビームサイズ、ビーム電流密度、ビーム走査速度、ビーム走査位置及びビーム形状の少なくとも一つを変化させて行うことを特徴とする請求項５に記載の荷電ビーム露光方法。
【請求項７】
第２のビーム照射は、前記マーク、第１のマーク又は第２のマークのエッジ位置のみに走査して行うことを特徴とする請求項５に記載の荷電ビーム露光方法。
【請求項８】
第２のビーム照射は、前記マーク又は第１及び第２のマークに対して対称に互いに逆方向に交互に少なくとも１回走査することにより行うことを特徴とする請求項１又は２に記載の荷電ビーム露光方法。
【請求項９】
第１及び第２のビーム照射条件は、ビーム走査方向と垂直な方向に複数のビーム幅を有するビームを前記マーク、第１のマーク又は第２のマークの上を走査させて得られるマーク像に基づいて決定されることを特徴とする請求項１又は２に記載の荷電ビーム露光方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、荷電粒子ビームを用いて位置合わせ露光や合わせずれ計測を行う荷電ビーム露光方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の電子ビームによる位置合わせ露光の概念図を図１５に示す。図１５に示すように、位置合わせの対象とする試料は、シリコン基板１０１上に絶縁膜１０２及びレジスト１０３が積層形成され、シリコン基板１０１表面であって絶縁膜１０２内に下地マーク１０４が形成されている。
【０００３】
このように、レジスト１０３表面から深い位置にある下地マーク１０４に
対して電子ビーム１０５を走査し、下地マーク１０４から発生する反射電子１０６を検出器１０７により検出していた。しかしながら、電子ビーム１０５のエネルギーが低い場合には、電子の飛程が小さいため、レジスト１０３表面から深い位置にある下地マーク１０４まで電子が達しないとの問題があった。
【０００４】
そこで考案されたのが図１６に示す位置合わせ露光方法である。図１６（ａ）は位置合わせ露光の概念図である。位置合わせの対象とする試料は、図１５に示したものと同じである。
【０００５】
下地マーク１０４に対して所定の加速電圧を有する電子ビーム１０５を照射すると、電子ビーム１０５により試料表面に帯電した部分１１２が現れる。料表面から深い位置にあるマーク１０４が形成されている部分とそうでない部分にはパターンの凹凸や材質の差に起因する静的静電容量１１３及び１１４の差が生じ、試料表面における帯電が生じた部分１１２において表面電位差を引き起こして、電子ビーム１０５照射時の２次電子１１５の放出コントラスト像となって現れる。このコントラスト像を検出器１０７により検出することにより下地マーク１０４の位置を特定し、電子ビーム露光における位置合わせを行うことができる。
【０００６】
図１６（ｂ）は、試料を正に帯電せしめた場合の試料の表面電位を示す図である。表面電位が大きくなっている部分が、下地マーク１０４が形成されている部分に相当する。図１６（ｃ）は、試料を正に帯電せしめた場合の試料表面の電位差に基づく２次電子波形を示す図である。２次電子量が大きく減少している部分が下地マーク１０４が形成されている部分である。
【０００７】
同様の帯電現象を用いれば、半導体製造工程のリソグラフィ工程における合わせずれ計測を電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用いて行うことができる。図１３に帯電現象を用いた合わせずれ計測の概念図を示す。図１３（ａ）は、合わせずれ計測用マークの上面図であり、図１３（ｂ）は同合わせずれマークの断面図を示している。図中１５１はシリコン基板であり、１５２はシリコン窒化膜、１５３はシリコン酸化膜、１５４は反射防止膜、１５６は下地シリコン基板に形成された第１のマーク、１５７はフォトレジストで形成された第２のマークである。第１のマーク１５６は、シリコン基板及びシリコン窒化膜を彫り込んで形成されている。シリコン酸化膜１５３は第１のマーク１５６を埋め込むようにして、基板全面に成膜され、化学的機械研磨（ＣＭＰ）により平坦化されている。合わせずれ検査は、第１のマーク１５６及び第２のマーク１５７を横切るように電子ビームを走査し（図中１５８）、図１３（ｃ）のような２次電子の信号波形を得ることで可能になる。
【０００８】
しかしながら、この方法にも以下のような問題があった。
【０００９】
図１６（ｄ）は、この帯電現象を利用した従来の位置合わせ方法の問題点を示す図であり、照射時間と試料の表面電位との関係を示す図である。ここでは、試料を正に帯電せしめた場合について説明する。実線が下地マーク１０４が形成されていない部分の表面電位を、破線が下地マーク１０４が形成されている部分の表面電位を示す。位置合わせ用下地マーク１０４の位置のＳＮ比を高めるためには、下地マーク１０４上にビーム走査を複数回行い、検出信号を平均加算する必要がある。
【００１０】
しかしながら、帯電を利用した上述の現象は、図１６（ｃ）に示すように時間的に過渡的なものである。照射時間をｔ１〜ｔ３に分割した場合、ｔ２に示される時間が表面電位差が充分にあり、充分なコントラストを持ってマーク像を観察できる時間である。
【００１１】
帯電が過度に生じると照射時間ｔ３で示される時間帯となり、表面電位の差が生じにくくなり、マーク像が見えなくなる。逆に、ビーム照射量が不足している場合には帯電現象そのものが生じにくく、照射時間ｔ１で示される時間帯では、マーク像観察が困難となる。マーク像観察の際のビーム電流が大きすぎる場合には、過度の帯電が短時間で起こり、マーク像観察ができる時間ｔ２を充分に取ることができない。一方、ビーム電流が小さすぎる場合には、マーク像を観察できない無駄時間ｔ１が長くなり、高速なマーク像の観察ができなくなる。
【００１２】
最適なマーク検出条件は下地マーク１０４の上層に成膜される絶縁膜の厚さや種類によっても異なるが、上述した問題点からも分かるように、像観察条件の設定は極めて困難であるのが現状である。また、同様の問題は、位置合わせ露光のみならず、合わせずれ計測等においても生じる。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように従来の電子ビーム露光における位置合わせ方法では、帯電現象を利用することにより深い位置に形成されたマークも検出可能となったが、帯電現象は時間と共に変化しやすいものであるため、精度の高いマーク検出は困難であった。同様に帯電現象を用いた合わせずれ計測においても、精度の高いマーク検出は困難であった。
【００１４】
本発明は上記課題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、より高精度な位置合わせマークの検出又は計測を可能とする荷電ビーム露光方法を提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る荷電ビーム露光方法は、基板に位置合わせ露光の基準となるマークが形成されており、該マークを含む前記基板上に被加工膜が形成された試料に荷電粒子により第１のビーム照射を行い前記マークを含む前記試料表面を帯電させる工程と、前記第１のビーム照射とは異なる条件により荷電粒子により第２のビーム照射を行い前記マークを走査して、前記試料表面からの２次電子を検出することにより前記マーク位置を求める工程と、前記マーク位置に基づいて位置合わせ露光を行う工程とを具備してなることを特徴とする。
【００１６】
また、別の本発明に係る荷電ビーム露光方法は、基板に位置合わせ露光の基準となる第１のマークが形成されており、該第１のマークを含む前記基板上に被加工膜が形成された試料に対して、前記第１のマークとの相対位置の計測に用いられ、前記基板表面部分の上に形成された第２のマークを含むパターンを位置合わせ露光によって形成する工程と、第１のマーク及び第２のマークを有する試料に荷電粒子により第１のビーム照射を行い第１のマークを含む前記試料表面を帯電させる工程と、前記第１のビーム照射とは異なる条件により荷電粒子により第２のビーム照射を行い第１及び第２のマークを走査して、前記試料表面からの２次電子を検出することにより第１及び第２のマーク位置を求める工程と、第１及び第２のマーク位置に基づいて合わせずれ計測を行う工程とを具備してなることを特徴とする。
【００１７】
本発明の望ましい形態を以下に示す。
【００１８】
（１）第１及び第２のビーム照射は、それぞれ加速電圧、ビームサイズ、ビーム電流密度、ビーム走査速度及びビーム走査位置の少なくとも一つを変化させる。
【００１９】
（２）第１のビーム照射の後、帯電した前記試料表面からの２次電子を検出してマーク（以下、第１及び第２のマークを含む）のおおよその位置を求め、該位置に基づいて第２のビーム照射を行う。
【００２０】
（３）（２）において、第２のビーム照射は、前記試料上の位置に応じて加速電圧、ビームサイズ、ビーム電流密度、ビーム走査速度、ビーム走査位置及びビーム形状の少なくとも一つを変化させて行う。
【００２１】
（４）（２）において、第２のビーム照射は、マークのエッジ位置のみに走査して行う。
【００２２】
（５）第２のビーム照射は、マークに対して対称に互いに逆方向に交互に少なくとも１回走査することにより行う。
【００２３】
（６）第１及び第２のビーム照射条件は、ビーム走査方向と垂直な方向に複数のビーム幅を有するビームを前記マーク上を走査させて得られるマーク像に基づいて決定される。
【００２４】
（作用）
本発明では、マーク検出のためのビーム照射工程を第１及び第２のビーム照射の２工程に分割し、第１のビーム照射により試料表面を帯電させ、第２のビーム照射によりビーム走査して試料表面のマーク像を取得することにより、高精度のマーク像検出を行うことができる。すなわち、第１のビーム照射で、下地マーク近傍のレジスト表面が充分に帯電しているため、マーク上とそれ以外の部分で充分な電位コントラストが発生している。従って、第２のビーム照射によりマーク像を取得する場合には、高精度のマーク像の検出が可能となる。特に、帯電不足によって生じる電位コントラストの悪い状態でマーク像を検出することはない。なお、本発明のマーク像の検出は、位置合わせ露光、合わせずれ計測のいずれにおいても適用可能である。
【００２５】
試料を帯電せしめるためには、以下のようにする。図１０に、電子ビームの加速電圧と２次電子の放出効率の関係の一例を示す。ここで、試料はレジストであり、横軸は加速電圧、縦軸は試料表面からの２次電子の放出効率を示している。レジストにおいては、４００Ｖ〜１０００Ｖの範囲で、表面から放出される２次電子の量が１を上回るために正に帯電する。
【００２６】
一方、加速電圧４００Ｖ以下、若しくは１０００Ｖ以上にすると、２次電子の放出効率は１を下回り、負に帯電する。すなわち、試料を正に帯電せしめるためには、４００Ｖ〜１０００Ｖ程度の加速電圧を選択し、負に帯電せしめるためには、この範囲以外の加速電圧を選択すればよい。２次電子の放出効率が１を超える加速電圧を範囲は試料によって異なるが、加速電圧と２次電子の関係はおおよそ同じである。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態を説明する。
【００２８】
（第１実施形態）
図１は本発明の第１実施形態に係る荷電ビーム露光方法の対象とする試料の構成を示す図である。本実施形態乃至第４実施形態では、本発明を位置合わせ露光に適用する場合について説明する。
【００２９】
図１（ａ）は、位置合わせマークの上面図であり、試料に形成された位置合わせマークは十字型をしている。図１（ｂ）は、図１（ａ）のＡ−Ａ’部の試料断面を示している。図１（ｂ）に示すように、シリコン基板１の上にシリコン酸化膜２が１μｍの膜厚で形成され、このシリコン酸化膜２の上にパターン転写膜５として膜厚５０ｎｍのシリコン窒化膜が形成され、さらにその上にはレジスト３が５０ｎｍの膜厚で形成されている。また、シリコン基板１にはプラズマエッチングにより彫り込まれた深さ３００ｎｍの凹部にシリコン基板１とは異なる物質（例えばシリコン酸化膜）が埋め込まれることにより、下地マーク４が形成されている。
【００３０】
この図１に示した試料に対する荷電ビーム位置合わせ方法を図２に示すフローチャートを用いて説明する。
【００３１】
まず、位置合わせ露光の対象とする試料を図示しない電子ビーム露光装置の試料ステージに搬送する。本実施形態で使用する電子ビーム露光装置は、加速電圧は１ｋＶで、主副２段の静電偏向器を有している。主偏向幅及び副偏向サイズはそれぞれ１５００μｍ幅、５０μｍ角である。本装置を用いた場合、レジスト膜厚を５０ｎｍ以下とすると、電子銃から発せられる電子ビームの加速電圧が１ｋＶ程度であっても垂直な断面形状を持つレジストパターンを形成することが可能である。また、最大ビームサイズは１０μｍ、電流密度は１Ａ／ｃｍ2である。
【００３２】
そして、予め電子ビーム露光装置に設けられた制御計算機に入力された下地マーク４の試料上の位置に基づいて、この電子ビーム露光装置のビーム偏向領域の中心に下地マーク４を移動させる（Ｓ１）。
【００３３】
次に、第１のビーム照射を行うべく、第１のビーム照射条件を設定する（Ｓ２）。具体的には、ビームサイズを１０μｍとし、１ショット当たりのビーム照射時間を５００ｎｓ、アンプ整定時間を１００ｎｓとし、多重露光によって、総露光量を２０μＣ／ｃｍ2とする。
【００３４】
以上に示された第１のビーム照射条件に基づいて、第１のビーム照射を行う（Ｓ３）。この第１のビーム照射の概念図を図３（ａ）に示す。この第１のビーム照射は、下地マーク４を含んだ所定のビーム照射領域２１に電子ビーム１０５を照射する。この露光により、下地マーク４近傍のレジスト表面を充分に帯電させ、下地マーク４上とそれ以外の部分とで充分な電位コントラストを発生させる。また、アンプの整定時間は約１００ｎｓであるが、この第１のビーム照射ではアンプの整定はあまり考慮する必要が無い。この第１のビーム照射は下地マーク４近傍を帯電させることを目的としており、精度の高い信号波形を抽出することを目的とはしていないからである。従って、より短時間で高速なビーム照射が行われる。ここで、整定時間とは、電子ビーム露光装置を用いてビーム照射を行う場合、電子ビームが照射されてからアンプの過渡特性を無視することができるまでの時間を意味する。また、この第１のビーム照射の際には、ビーム照射領域同士の重なりはない。
【００３５】
次に、第２のビーム照射を行うべく、第２のビーム照射条件を設定する（Ｓ４）。具体的には、ビームサイズを第１の照射条件よりも小さく０．１μｍとし、ビーム照射時間を第１の照射時間よりも長く２００ｎｓとする。このようにビーム照射時間を長くすることにより、充分なアンプ整定時間をとり、次に行われるマーク像の検出の精度を高める。ここでは、アンプ整定時間を３００ｎｓとする。なお、第１のビーム照射により試料表面に照射される単位時間当たりの電子量が第２のビーム照射により試料表面に照射される電子量よりも多くなるように設定する。ここでいう単位時間とは、１ショット当たりのビーム照射時間とアンプ整定時間の和を示している。
【００３６】
以上に示された第２のビーム照射条件に基づいて、第２のビーム照射を行う（Ｓ５）。この第２のビーム照射では、下地マーク４上を電子ビームで走査する。この第２のビーム照射の概念図を図３（ｂ）に示す。このビーム照射は、マーク像検出のために行うため、下地マーク４の一部を横切るように細いビーム照射領域２２に電子ビーム１０５によりビーム走査を行う。なお、図３（ｂ）には第１のビーム照射におけるビーム照射領域２１を破線で示しているが、このビーム照射領域２１によりも第２のビーム照射領域２２は細い領域であることが分かる。
【００３７】
この第２のビーム照射後に、図示しない検出器を用いてマーク像を検出し、検出された信号波形について平均加算処理を行ってマーク像を取得する（Ｓ６）。このマーク像の取得の際には、第１のビーム照射により既に下地マーク４近傍のレジスト表面が充分に帯電しており、下地マーク４上とそれ以外の部分で充分なコントラストが発生している。従って、第２のビーム照射によるビーム走査でマーク像を取得する段階にあっては、高精度なマーク像の検出が可能となる。特に、帯電不足によって生じる電位コントラストの悪い状態におけるマーク像を検出することがない。なお、上記説明では、十字型をした位置合わせマークの一辺を用いて、Ｘ方向（横方向）のマーク検出について説明したが、同様の方法で、Ｙ方向（縦方向）のマーク位置検出を行うことで、位置合わせマークの位置を求めることができる。
【００３８】
そして、得られたマーク像に基づいて、電子ビーム露光装置の制御計算機でマーク位置を検出する（Ｓ７）。そして、試料に形成されているすべての下地マークについて上記Ｓ１〜Ｓ７に示される工程を経て、計算されたマーク位置情報に基づいて、露光すべきパターンの位置を決定する（Ｓ８）。そして、決定されたパターン位置に加速電圧１ｋＶでパターン露光を行う（Ｓ９）。
【００３９】
以上の工程でのマーク検出における電子ビームの照射時間と試料の表面電位との関係を図４に示す。ここでは、加速電圧が１ｋＶであるので、レジスト表面は正に帯電している。実線が下地マーク４が形成されていない部分の表面電位を、破線が下地マーク４が形成されている部分の表面電位を示す。時間０を第１のビーム照射開始時とし、時間をｔ１‘’〜ｔ３‘’に分割した場合、ｔ２‘’に示される時間が、表面電位差が充分にあり、充分なコントラストを持って像を観察できる時間である。従来法に基づく時間と試料の表面電位との関係を示す図１６（ｃ）と比較すれば分かるように、本実施形態では、試料が充分に帯電して表面電位差が充分になるまでの時間ｔ１’が従来のそれ（ｔ１）に比較して短くなっている。これは、第１のビーム照射を非常に高速に行った結果である。また、像を観察できる時間ｔ２’は、従来のそれ（ｔ２）に比較して充分に長くなっている。これは、第２のビーム照射により試料表面に照射される単位時間当たりの電子量を第１のビーム照射により試料表面に照射される電子量に対して少なくして行った結果である。また、第１のビーム照射領域が、第２のビーム照射領域に比較して充分に大きいことから、第２のビーム照射領域の近傍が一様に帯電している。この結果、高精度のマーク位置検出が可能となる。
【００４０】
このように、ビーム照射工程を第１及び第２のビーム照射の２工程に分割し、第１のビーム照射により試料表面を帯電させ、第２のビーム照射によりビーム走査して試料表面のマーク像を取得することにより、高精度のマーク像検出を行うことができる。すなわち、第１のビーム照射で、下地マーク近傍のレジスト表面が充分に帯電しているため、マーク上とそれ以外の部分で充分な電位コントラストが発生している。従って、第２のビーム照射によりマーク像を取得する場合には、高精度のマーク像の検出が可能となる。特に、帯電不足によって生じる電位コントラストの悪い状態でマーク像を検出することはない。
【００４１】
また、第１のビーム照射を高速に行っているため、従来法に比較してマーク像を高速に取得することができる。この結果、高精度で高速な位置合わせ露光が可能となる。
【００４２】
なお、上記実施形態では第１及び第２のビーム照射において、ビームサイズとビーム走査速度を変化させたが、ビーム電流密度、ビーム走査位置、ビーム形状等他のパラメータを変化させることでも上記と同様の効果を得ることができる。
【００４３】
（第２実施形態）
本実施形態は、第１実施形態の変形例に係わる。本実施形態の特徴点は、第１のビーム照射後に試料表面電位差に基づきおおよそのマーク位置を検出し、そのマーク位置に基づいて第２のビーム照射を行う点であり、第１実施形態と共通する工程の詳細な説明は省略する。使用する電子ビーム露光装置の構成及び試料の構成は第１実施形態と同じである。
【００４４】
まず、位置合わせの対象とする試料を図示しない電子ビーム露光装置の試料ステージに搬送し、予め電子ビーム露光装置の制御計算機に入力された下地マーク４の試料上の位置に基づいてビーム偏向領域の中心に下地マーク４を移動させる点は第１実施形態と同じである。
【００４５】
次に、第１のビーム照射を行うべく、第１のビーム照射条件を設定する。具体的には、１ショット当たりのビーム照射時間を５００ｎｓ、アンプ整定時間を１００ｎｓとし、多重露光によって、総露光量を２０μＣ／ｃｍ2とする点は第１実施形態と共通するが、ビームサイズを０．５μｍとする点が異なる。
【００４６】
この第１のビーム照射条件に基づいて第１のビーム照射を行う。この第１のビーム照射の概念図を図５（ａ）に示す。５１はこの第１のビーム照射におけるビーム照射領域である。電子ビーム１０５は矢印に示す方向に走査される。ビーム間の重なりは無く、高速でビーム照射を行う。ここで、ビームサイズを０．５μｍとしているため、０．５μｍの位置分解能でおおよそのマーク位置を検出することができる。
【００４７】
次に、この第１のビーム照射により帯電した試料表面からの２次電子を図示しない検出器で検出し、マーク像のコントラストからおおよそのマーク位置を検出する。
【００４８】
次に、第２のビーム照射を行う。図５（ｂ）は第２のビーム照射の概念図である。５２はこの第２のビーム照射におけるビーム照射領域であり、電子ビーム１０５が矢印の方向に走査される。第２のビーム照射は、第１実施形態と同様にビームサイズを０．１μｍ、ビーム照射時間を２００ｎｓとし、充分なアンプ整定時間をとってビーム位置精度が向上するように配慮する。また、第１のビーム照射により得られたおおよそのマーク位置に基づいて、下地マーク４のエッジ部分にのみビーム走査を行う。
【００４９】
そして、第２のビーム照射後に、図示しない検出器を用いてマーク像を検出し、信号処理を行いマーク像を取得する。そして、得られたマーク像に基づいてマーク位置を計算し、このマーク位置に基づいて加速電圧１ｋＶでパターン露光を行う。
【００５０】
このように、本実施形態によれば、第１実施形態と同様の効果を奏するとともに、以下の作用効果を奏する。すなわち、第１のビーム照射でおおよそのマーク位置を検出し、第２のビーム照射において下地マーク４のエッジ部分にのみビーム走査を行うことにより、レジスト表面の過剰な感光を防ぐことができる。また、エッジ部分にのみビーム走査を行うため、ビーム走査回数を減らすことができ、マーク検出のさらなる高速化が図れる。
【００５１】
（第３実施形態）
本実施形態は第２実施形態の変形例に係わる。なお、本実施形態では加速電圧を５ｋＶとし、試料表面を負に帯電させた場合について説明する。本実施形態では、下地マーク４に対して対称な位置に交互にビーム走査を行う点に特徴がある。なお、第１及び第２のビーム照射によりマーク検出を行う点は第２実施形態と同様である。
【００５２】
第１のビーム照射工程は第２実施形態と同じく、ビームサイズを０．５μｍとし、下地マーク４上の領域を一様に照射する。この際、ビーム照射領域同士の重なりはなく、１ショット当たりのビーム照射時間を５００ｎｓ、アンプ整定時間を１００ｎｓとし、多重露光によって、総露光量を２０μＣ／ｃｍ2として高速なビーム照射を行う。
【００５３】
この第１のビーム照射により、マーク像を取得し、そのコントラストからおおよそのマーク位置を検出する。
【００５４】
次いで、第２のビーム照射を行う。第２のビーム照射は、ビームサイズを０．１μｍとし、マーク上を電子ビームで走査する。また、ビーム照射時間は２００ｎｓとし、充分なアンプ整定時間をとってビーム位置精度が向上するようにする。
【００５５】
図６（ａ）は本実施形態における位置合わせ露光における第２のビーム照射の概念図である。６１ａ及び６１ｂはビーム照射領域であり、矢印の方向に交互にビーム走査される。例えば、ビーム照射領域６１ａからビーム照射領域６１ｂの位置までビーム走査し、その後ビーム照射領域６１ｂの位置からビーム照射領域６１ａの位置まで同じ経路を逆に辿ってビーム走査する。これらビーム照射領域６１ａ及び６１ｂはマーク位置に対して対称の位置にある。このようなビーム走査を繰り返し行う点が本実施形態の特徴である。
【００５６】
このようにして得られた信号に平均加算処理を施してマーク像を取得する。
【００５７】
そして、検出されたマーク像に基づいて図示しない電子ビーム露光装置の制御計算機でマーク位置を計算する。そして、すべてのマーク４について上記操作を行い得られたマーク位置の情報に基づいて加速電圧５ｋＶでパターン露光する。
【００５８】
以上説明したように、下地マーク４に対して対称かつ交互に繰り返しのビーム走査を行う利点を説明する。
【００５９】
図７は、単一の方向にビームを走査してマーク検出を行う場合の概念図を示す。２次電子１１５が放出されるマーク部とそれ以外の部分では表面電位が異なる。このため、電子ビーム照射によって生じた２次電子は、検出器１０７で検出されるような試料から離れた方向に飛来する２次電子１１５のみならず、図７（ａ）に示すように試料表面に再入射する現象が生じる（以下、この現象を２次電子の再配分と呼ぶ）。この２次電子の再配分により再配分２次電子１２１が再度試料表面に達すると、パターン周辺部に暗部が出現する。
【００６０】
図７（ｂ）は、ビーム走査位置と試料の表面電位との関係を示す図である。図７（ｂ）に示すように、下地マーク１０４の中心位置ｘ1を中心に、表面電位が減少しているが、その中心位置ｘ2からビームの走査方向に離れた位置ｘ2において、表面電位が相対的に増加する現象が生じる。図７（ｃ）はビーム走査位置と２次電子量との関係を示す図である。図７（ｃ）に示すように、下地マーク１０４の中心位置ｘ1を中心に、表面電位の小さくなった部分、すなわち負に帯電した領域で２次電子が増加しているが、その中心位置ｘ2からビームの走査方向に離れた位置ｘ2、すなわち表面電位が相対的に増加している部分において、２次電子が減少している。この減少した２次電子は検出器１０７により検出されると暗部となって観察される。
【００６１】
再配分２次電子１２１は下地マーク１０４に対して非対称に飛来する。これは、ビーム走査方向に対して下流側は、既に照射された電子により負に帯電している。これに対してビームの走査方向上流、すなわち未だビームが照射されていない部分では、若干の帯電はあるものの未だビーム照射がなされていないため、帯電量は下流側に比較して低くなっている。従って、再配分２次電子１２１はビーム走査方向に対して上流側に飛来する率が高くなる。これを下地マーク１０４近傍をビーム走査する場合で考えると、下地マーク１０４のビーム走査方向上流側の方が再配分２次電子１２１は多くなる。再配分２次電子は数十ｅＶのエネルギーを有しており、再配分２次電子の入射した部分、すなわちビーム走査方向上流側では２次電子の放出効率は大きくなる。２次電子の放出は負の帯電を緩和する方向に働くため、ビーム走査方向上流側の表面電位は相対的に正に帯電することになり、表面電位は下地マーク１０４に対して非対称となる。従って、図７（ｂ）で得られる２次電子波形も下地マーク１０４に対して非対称になり、マーク位置の読み取り誤差が発生する。
【００６２】
そこで、本実施形態のように、マークに対して対称に、左右交互にビーム走査を繰り返すことにより、レジスト表面の帯電が均等に生じ、再配分される２次電子の飛来方向も均一化される。従って、マーク像検出の際の暗部の左右非対称を解消することができ、高精度な位置合わせが実現できる。なお、逆方向の繰り返し走査は、それぞれ同じ経路を辿る必要はなく、前に走査された部分による試料面の非対称な帯電を打ち消すような範囲であれば、前に走査された経路とずれた経路を辿って走査させてもよい。
【００６３】
図６（ｂ）は、試料を負に帯電せしめた場合の試料の表面電位を示す図である。表面電位が小さくなっている部分が、下地マーク１０４が形成されている部分に相当する。
【００６４】
図６（ｃ）は本実施形態のビーム走査を用いて検出された２次電子量とビーム走査位置との関係を示す図である。横軸はビーム走査位置、縦軸は２次電子量である。単一の方向にビーム走査を行った場合に見られた破線に示す非対称な波形が解消され、左右対称な波形となっていることが分かる。
【００６５】
このように本実施形態では、第２実施形態と同様の効果を奏する。さらに本実施形態では、下地マークに対して対称な位置に交互にビーム走査を行っているため、レジスト表面の帯電が均等に生じる。従って、得られる２次電子信号波形のマークに対する非対称性を解消することができ、高精度な位置合わせが実現できる。
【００６６】
本発明は上記実施形態に限定されるものではない。
【００６７】
上記実施形態では第１及び第２のビーム照射でビームサイズを変える場合を示したが、加速電圧、ビーム電流密度、ビーム走査速度、ビーム走査位置、ビーム形状等を変える場合でも本発明の効果を奏する。ビーム電流密度を変える場合、第１のビーム照射に対して第２のビーム照射を小さい電流密度とするのが望ましい。また、ビーム速度を変える場合、第１のビーム照射に対して第２のビーム照射を高速にするのが望ましい。
【００６８】
なお、ビーム形状を変える場合の一例を図８（ａ）及び（ｂ）に示す。図８（ａ）は第１のビーム照射、図８（ｂ）は第２のビーム照射の概念図である。同図に示されるように、第１のビーム形状８１ａに対して第２のビーム形状８１ｂが、ビーム走査方向に対して細く絞られている。
【００６９】
また、ビーム走査位置を変える場合の一例を図９（ａ）及び（ｂ）に示す。図９（ａ）は第１のビーム照射、図９（ｂ）は第２のビーム照射の概念図である。同図に示されるように、第１のビーム照射におけるビーム照射領域は下地マーク４を中心とした正方形の領域９１ａであるのに対して、第２のビーム照射におけるビーム照射領域は下地マーク４のエッジ部分（９１ｂ）のみである。なお、このビーム走査位置を異ならしめる場合には、第２のビーム照射によりマーク位置を取得する位置（本例におけるエッジ部分に相当する）は第１のビーム照射領域の中であることが必要である。
【００７０】
また、加速電圧を変える場合について、望ましい方法を図１０を用いて説明する。まず、試料表面を正に帯電させる場合、第１のビーム照射においては試料をより正に帯電させるために加速電圧を図中Ｖ1とする。第２のビーム照射においては、第１のビーム照射よりも２次電子の放出効率を小さくした加速電圧Ｖ2もしくはＶ2’を選択する。このようにすれば、第２のビーム照射における正の帯電の増加は、第１のビーム照射よりも緩やかになり高精度のマーク検出が可能となる。
【００７１】
一方、試料表面を負に帯電させる場合には、第１のビーム照射においては、試料をより負に帯電させるために加速電圧を図中Ｖ4又はＶ4’とする。第２のビーム照射においては、第１のビーム照射よりも２次電子の放出効率を大きくした加速電圧Ｖ3又はＶ3’を選択する。このようにすれば、第２のビーム照射における負の帯電の増加は、第１のビーム照射よりも緩やかになり高精度のマーク検出が可能となる。
【００７２】
なお、これら種々のパラメータを変化させる形態は、上記した例に限定されるものではないことはもちろんである。
【００７３】
その他、本発明の本旨を逸脱しない範囲で種々変形して使用することができる。
【００７４】
（第４実施形態）
図１１は本発明の第４実施形態に係る電子ビーム位置合わせ露光のフローチャートを示す図である。本実施形態は、第１及び第２のビーム照射を行う電子ビーム位置合わせ露光において、ビーム照射条件の最適化を行う形態に関する。
【００７５】
本実施形態におけるビーム照射条件の最適化を図１１に沿って説明する。
【００７６】
まず、予め設定されたビーム走査条件を基にマーク走査を行う（Ｓ１１）。このマーク走査に用いられるビーム形状を図１２（ａ）に示す。同図に示すように、４段の階段状ビーム形状をなしている。このビーム形状は、矢印に示されるビーム走査方向と垂直な方向に４つのビーム幅ｄ1〜ｄ4を有している。
【００７７】
このビーム形状を有する電子ビームで下地マーク４上を走査することにより、マーク像４’を取得する（Ｓ１２）。マーク像４’から分かるように、４つのビーム幅ｄ1〜ｄ4のうち、ビーム幅の広い方から２段階まで（ｄ1〜ｄ2）はマーク像として検出できたが、ビーム幅の狭い２段階ビーム（ｄ3〜ｄ4）では、マーク像として検出できない。これは、図１２（ａ）の２次電子波形１１１（ビーム幅が広い場合）及び１１２（ビーム幅が狭い場合）にも示したように、得られる２次電子波形がビーム幅の広い場合には試料表面に充分な量の電子が照射され、マーク部とそうでない部分とで充分に２次電子量が異なるが、ビーム幅の狭い場合には試料表面に照射される電子量が充分でなく、マーク部とそうでない部分とで２次電子量があまり変わらないからである。
【００７８】
次に、得られたマーク像４’に基づいて、ビーム走査条件下でのビームサイズと信号波形のＳＮ比との関係曲線を求める（Ｓ１３）。得られた関係曲線を図１２（ｂ）に示す。横軸はビームサイズ、縦軸は信号波形のＳＮ比である。
【００７９】
そして、得られた関係曲線に基づいて良好なＳＮ比、すなわち像コントラストの得られるビーム照射時間を変化させ（Ｓ１４）、最適な像コントラストが得られるまで以上に示す工程（Ｓ１１〜Ｓ１３）を繰り返す。
【００８０】
そして、最適な像コントラストが得られた最適なビームサイズ及びビーム照射時間をマーク検出条件とし（Ｓ１５）、これによりマーク検出を行う（Ｓ１６）。なお、このマーク検出は、第１〜第３実施形態に示した第１及び第２のビーム照射をいう。さらにその後、第１〜第３実施形態と同様に、得られたマーク位置に基づいて位置合わせ露光を行う。
【００８１】
このようなビーム最適化を用いる作用効果は、以下に示す通りである。すなわち、ビーム面積、ビーム走査速度、ビーム走査ピッチ又はビーム電流等を１パラメータずつ変えた場合、各条件を４条件ずつ変化させると、４4＝２５６通りのビーム照射によりすべてのパラメータについて走査を行う必要がある。これに対して本実施形態のようにビーム走査方向と垂直な方向にビーム幅を４通りとしてマーク走査を行うことにより、一度の走査で単位面積当たりの帯電量が４通りについて走査していることとなる。従って、ビーム照射は６４通りで済む。このため、ビーム走査条件の最適化を高速に行うことが可能となる。
【００８２】
なお、本実施形態では階段状のビーム形状を用いたが、図１２（ｃ）及び（ｄ）に示すように、３角形のビーム形状や、１／４円のビーム形状としても構わない。ビーム走査方向と垂直な方向に複数のビーム幅を有するビーム形状を有していれば本発明を適用可能である。
【００８３】
（第５実施形態）
上記第１〜第４実施形態では本発明を位置合わせ露光に用いる場合を示したが、本実施形態では本発明をＳＥＭを用いた合わせずれ計測に適用する場合に関する。本実施形態では、加速電圧を２ｋＶとする。
【００８４】
本実施形態で測定の対象として用いられる試料の構造を図１３に示す。図１３（ａ）は上面図、（ｂ）は断面図、（ｃ）はこの試料を走査して得られるビーム走査位置と２次電子量との関係を示す図である。
【００８５】
図１３（ａ）に示すように、正方形の４辺に対応した位置に、ライン状の第１のマーク１５６が４本配置されている。従って、向かい合う２つの第１のマーク１５６は互いに平行に配置され、かつ隣り合う第１のマーク１５６同士は垂直である。また、この第１のマーク１５６が配置された正方形よりも大きな正方形の４辺に対応した位置に、ライン状の第２のマーク１５７が４本配置されている。この第２のマーク１５７は、下地マークである第１のマーク１５６に対して設計上同一の中心となるような平面構造となる。
【００８６】
このような第１のマーク１５６及び第２のマーク１５７の断面構造は、図３（ｂ）に示す通りである。シリコン基板１５１上にシリコン窒化膜１５２が形成されており、このシリコン窒化膜１５２を貫通してシリコン基板１５１内に達する凹部が形成されている。この凹部を含めてシリコン窒化膜１５２上にはシリコン酸化膜１５３が形成されており、さらのその上には反射防止膜１５４が形成されている。そして、この反射防止膜１５４の上には、選択的にフォトレジスト１５５が形成されている。そして、上記凹部に埋め込まれたシリコン酸化膜１５３が第１のマーク１５６として機能し、選択的に形成されたフォトレジスト１５５が第２のマーク１５７として機能する。
【００８７】
以上に示した試料（基板）を、ＳＥＭの試料室内に搬入し、第１及び第２のマーク１５６及び１５７をＳＥＭの電子ビーム偏向領域内に移動させる。次いで、観察倍率を１００００倍、ビーム電流を１０ｐＡ、走査周波数を１ｋＨｚとして、第１の電子ビーム照射を行う。ここで、第１のビーム照射領域は、図１４における領域１６１に相当し、シリコン基板１の表面から深い位置に形成された第１のマーク１５６とその近傍のみを帯電せしめる。
【００８８】
第２のビーム照射は、観察倍率を５０００倍、ビーム電流を５ｐＡ、走査周波数を１ｋＨｚとして行う。ここで、第２のビーム照射領域は図１４中の領域１６２に相当する。第２のビーム照射では、第１のマーク１５６とフォトレジストで形成された第２のマーク１５７を同時に走査する。この第２のビーム照射により得られる２次電子信号波形を図１３（ｃ）に示す。横軸はビーム走査位置、縦軸は２次電子量である。得られた２次電子信号波形に基づき、第１のマーク１５６及び第２のマーク１５７の相対的な位置ずれを測定することによって合わせずれ計測が可能となる。
【００８９】
このように、ビーム照射工程を第１及び第２のビーム照射工程に分割し、第１のビーム照射により試料表面を帯電させ、第２のビーム照射によりビーム走査して試料表面のマーク像を取得することにより、高精度のマーク像検出を行うことができる。すなわち、第１のビーム照射では、ビーム電流を１０ｐＡとして第１のマーク１５６近傍のレジスト表面が充分に帯電しているため、マーク１５６上とそれ以外の部分で充分な電位コントラストが発生している。従って、ビーム電流を５ｐＡとした第２のビーム照射によりマーク像を取得する場合には高速かつ高精度のマーク像の検出が可能となる。特に、帯電不足によって生じる電位コントラストの悪い状態でマーク像を検出することはない。
【００９０】
また、第１のビーム照射では観察倍率を１００００倍として、第１のマーク１５６近傍のみを帯電させ、第２のビーム照射では観察倍率を５０００倍として、第１及び第２のマーク１５６及び１５７を同時に取得しているが、第１のビーム照射において、第２のマーク１５７にビーム照射を行っていないため、第２のマーク像を取得する際にも、なんら悪影響を及ぼすことはない。この結果、高精度の合わせずれ計測が可能となる。
【００９１】
なお、上記実施形態では第１及び第２のビーム照射において、ビーム電流を変化させたが、ビーム走査速度、ビームサイズ、ビーム電流密度、ビーム宗七ビーム形状等他のパラメータを変化させることでも上記と同様の効果を奏することができる。
【００９２】
本発明は上記実施形態に限定されるものではない。
【００９３】
パターン露光の際の加速電圧を１ｋＶ又は５ｋＶとしたが、加速電圧５０ｋＶ以上でパターン露光を行う場合にも本発明を適用可能である。また、本発明は電子ビーム露光装置の種類に制限されるものではない。例えば、部分一括露光型電子ビーム露光装置や可変成形型電子ビーム露光装置、マルチビーム型電子ビーム露光装置、丸ビーム型電子ビーム露光装置、一括露光型電子ビーム露光装置でも、本発明を適用可能である。もちろん、試料に照射される物質は電子ビームではなくても、イオンビーム等、荷電粒子であれば何でもよい。さらに、露光装置ではなくても、例えば電子顕微鏡等でも合わせずれ計測に係わる本発明を適用可能である。
【００９４】
【発明の効果】
以上詳述したように本発明によれば、帯電現象を利用した位置合わせ露光又は合わせずれ計測において、帯電を生ぜしめるビーム照射とマーク検出のためのビーム照射とに位置合わせ露光ビーム照射工程を分割し、それぞれ異なる条件でビーム照射することにより、より高精度のマーク像検出ができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態に係る電子ビーム位置合わせ露光の対象とする試料の構成を示す断面図。
【図２】同実施形態に係る電子ビーム位置合わせ露光のフローチャートを示す図。
【図３】同実施形態に係る第１及び第２のビーム露光の概念図。
【図４】同実施形態に係る時間と試料の表面電位との関係を示す図。
【図５】本発明の第２実施形態に係る第１及び第２のビーム照射の概念図。
【図６】本発明の第３実施形態に係る第２のビーム照射の概念図。
【図７】単一方向にビーム走査する場合の問題点を説明するための図。
【図８】本発明の変形例における第１及び第２のビーム照射の概念図。
【図９】本発明の変形例における第１及び第２のビーム照射の概念図。
【図１０】電子ビームの加速電圧と試料表面から放出される電子放出効率の関係曲線を示す図。
【図１１】本発明の第４実施形態に係る電子ビーム位置合わせ露光のフローチャートを示す図。
【図１２】同実施形態に係るビーム最適化の手法を説明するための図。
【図１３】本発明の対象とする電子ビーム合わせずれ計測を説明するための図。
【図１４】同実施形態に係る合わせずれ計測の概念図。
【図１５】従来の電子ビームによる位置合わせ露光の概念図。
【図１６】帯電現象を利用した従来の位置合わせ露光を説明するための図。
【符号の説明】
１…シリコン基板
２…シリコン酸化膜
３…レジスト
４…下地マーク
４’…マーク像
２１，２２，５１，５２，６１ａ，６１ｂ，８１ａ，８１ｂ，９１ａ，９１ｂ…ビーム照射領域
１１１，１１２…２次電子検出波形
１５６…第１のマーク
１５７…第２のマーク
【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】
0003737656.tif 000014
【図１４】
0003737656.tif 000015
【図１５】
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【図１６】
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