JP4886169B2 - マスク及びその設計方法、露光方法、並びに、デバイス製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、一般には、露光に関し、特に、ＩＣ、ＬＳＩなどの半導体チップ、液晶パネルなどの表示素子、磁気ヘッドなどの検出素子、ＣＣＤなどの撮像素子といった各種デバイス、マイクロメカニクスで用いるマスク及びその製造方法、露光装置及び方法、デバイス製造方法、並びに、被露光体から製造されるデバイスに関する。ここで、マイクロメカニクスは半導体集積回路製造技術を微細構造体の製作に応用し、高度な機能を持ったミクロン単位の機械システムやそれを作る技術をいう。

フォトリソグラフィ技術を用いてデバイスを製造する際に、マスク（レチクル）に描画されたパターンを投影光学系によってウエハに投影してパターンを転写する投影露光装置が従来から使用されている。投影光学系はパターンからの回折光をウエハ上に干渉及び結像させ、通常の露光ではパターンからの０次及び±１次の回折光（即ち、三光束）を干渉させる。

マスクパターンは、近接した周期的なラインアンドスペース（Ｌ＆Ｓ）パターン、近接及び周期的な（即ち、ホール径と同レベルの間隔で並べた）コンタクトホール列、近接せずに孤立した孤立コンタクトホールその他の孤立パターン等を含むが、高解像度でパターンを転写するためには、パターンの種類に応じて最適な露光条件（照明条件や露光量など）を選択する必要がある。

投影露光装置の解像度Ｒは、光源の波長λと投影光学系の開口数（ＮＡ）を用いて以下のレーリーの式で与えられる。

ここで、ｋ_１は現像プロセスなどによって定まる定数であり、通常露光の場合にはｋ_１は約０．５〜０．７である。

近年のデバイスの高集積化に対応して、転写されるパターンの微細化、即ち、高解像度化が益々要求されている。高解像力を得るには、上式から開口数ＮＡを大きくすること、及び、波長λを小さくすることが有効であるが、これらの改善は現段階では限界に達しており、通常露光の場合にウエハに０．１５μｍ以下のパターンを形成することは困難である。そこで、パターンを経た回折光の中のうち二光束を干渉及び結像させる位相シフトマスク技術が従来から提案されている（例えば、特許文献１参照。）。位相シフトマスクは、マスクの隣接する光透過部分の位相を１８０°反転することによって０次回折光を相殺し、２つの±１次回折光を干渉させて結像するものである。かかる技術によれば、上式のｋ_１を実質的に０．２５にすることができるので、解像度Ｒを改善してウエハに０．１５μｍ以下のパターンを形成することができる。
米国特許出願公開第２００２／１７７０４８号明細書

しかし、解像限界に近いコンタクトホールの場合は隣り合う位相を１８０度変えると回折光が瞳面上では４５度の方向で、光軸から大きな角度で回折される為、投影系の瞳から外へ飛び出してしまい、投影レンズの瞳を通ることができず、解像されない。解像できるのは、Ｌ＆Ｓの限界線幅の√２倍の微細パターンまでである。

近年の半導体産業は、より高付加価値な、多種多様なパターンが混在するシステムチップに生産が移行しつつあり、マスクにも複数種類のコンタクトパターンを混在させる必要が生じ、Ｌ＆Ｓパターンの解像度と同等の解像度のコンタクトホールも必要となってきた。しかし、従来の位相シフトマスク技術だけではコンタクトホール列と孤立コンタクトが混在したコンタクトホールパターンを同時に解像度良く露光できなかった。これに対して、２枚のマスクを用いて異なる種類のパターンを別々に露光する二重露光（又は多重露光）を使用することが考えられるが、従来の二重露光は、２枚以上のマスクを必要とするのでコストアップを招き、２回の露光のためにスループットが低下し、マスク交換２回の露光の高い重ね合わせ精度を必要とするため実用上解決すべき問題が多い。

そこで、微細な（例えば、０．１５μｍ以下の）ホール径を持ち、一又は複数のホールを有するパターンを、マスクを交換せずに、高解像度で露光可能なマスク及びその製造方法、露光方法及び装置を提供することを本発明の例示的目的とする。

本発明の一側面としてのマスクは、複数のコンタクトホールパターンと、前記複数のコンタクトホールパターンよりも寸法が小さい複数の補助パターンとを有するマスクであって、前記マスクはバイナリーマスク又はハーフトーンマスクであって、前記複数のコンタクトホールパターン及び前記補助パターンの位相は同じであり、前記複数の補助パターンは、第１の補助パターンと複数の第２の補助パターンを含み、前記複数のコンタクトホールパターンの中心と前記第１の補助パターンの中心は直線上に等間隔に配置され、前記複数の第２の補助パターンの中心は、前記複数のコンタクトホールパターンのうち２つの隣接したパターンの中心から等距離にあり、前記複数の第２の補助パターンは、前記直線と前記第２の補助パターンの中心との距離が前記複数のコンタクトホールの周期に等しく、前記複数のコンタクトホールパターンの周期と同じ周期で前記直線の両側の前記直線と平行な直線上に配置されていることを特徴とする。

本発明の更なる目的又はその他の特徴は、以下添付図面を参照して説明される好ましい実施例によって明らかにされるであろう。

本発明によれば、微細なホール径を持ち、一又は複数のコンタクトホールを有するパターンを、マスクを交換せずに、高解像度で露光可能なマスク及びその製造方法、並びに、露光方法及び装置を提供することができる。

以下、添付図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。以下、露光装置として仮定されているものは、特に断らない限り、光源がＫｒＦエキシマレーザー（露光波長λ＝２４８ｎｍ）でその投影光学系の開口数が０．７３であり、縮小比４：１の縮小露光装置とする。投影露光装置は、縮小投影露光が一般的である。縮小投影露光の場合、作成したいパターンサイズとマスクパターンは露光装置に依存した倍率だけ異なる。露光装置の倍率はそれぞれの機種において様々であるので、以下においては、マスク上のパターンサイズをウエハ上の寸法に換算する。例えば、投影露光装置の倍率が０．２５倍であるとき、１２０ｎｍのパターンを作成したいとき、実際にはマスク上に４８０ｎｍのパターンを作成しなくてはならないし、投影露光装置の倍率が０．２０倍の場合はマスク上に６００ｎｍのパターンを作成しなくてはならない。しかし、以下では、これらの状況に対する区別をなくすためマスクパターンの大きさをウエハ上の寸法に換算し、１２０ｎｍのパターンと呼ぶ。また、各パターンは一又は複数のコンタクトホールから構成されているが、本出願においては、「パターン」という用語はパターンの一部又は一のコンタクトホールを意味する場合もある。

本発明者らは、バイナリーマスクの所望パターン周辺に、その所望パターンより寸法が小さく、解像しないくらいの大きさの補助パターンを配置し、かつ特殊な斜入射照明を行うことによって微細なコンタクトホールパターンをウエハ等の被露光体に露光することに既に成功している。一例をあげると、図３（ｃ）のような所望パターンにおいて、ホール径は１００ｎｍ、最小ホール間隔も１００ｎｍであったとする。

上述の投影露光装置を使用した場合、通常では、図３（ａ）に模式的に示したように、所望パターンに応じて透光部３１と遮光部３３を配置したマスクを用いて、円形状の照度分布の有効光源を有する照明でそのマスクを照明することにより、ウエハを露光するが、この方法ではパターンは解像しない。対して、図３（ｂ）に模式的に示したように、所望パターンに対する透光部３１の周囲に微小透光部３２を遮光部３３に配置したマスクと、図４（ａ）に示したように、十字型の遮光部４２Ａを持つ有効光源分布を有する照明系により、ウエハを露光したところパターンが図８に示すように解像した。

図３（ｂ）に示すマスクは、所望パターン３１と、その所望パターン３１の縦・横方向に周期的に配置され、その所望パターン３１よりも寸法が小さく解像しないくらいの大きさの補助パターン３２とを有するバイナリーマスクである。図４（ａ）において、白抜き部４１が光照射部を表し、黒で塗りつぶした部分４２は遮光部を表す。ウエハはシリコン基盤でレジストとしてＴＯＫ−ＤＰ７４６ＨＣを用いて膜厚を３５０ｎｍとした。

かかる露光方法は、所望のコンタクトホールパターンと、当該パターンのホール径よりも小さなホール径を有するダミーコンタクトホールパターンとが配列されたマスクを形成し、所望コンタクトホールパターン部のみを解像させるものである（本出願ではかかる露光方法を露光方法Ｉと呼ぶ場合もある）。また、本発明者らは、露光方法Ｉに使用される有効光源形状として、図４（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）に示したような照明を用いても同様の結果を得られることを確認した。

露光方法Ｉの基本的思想は、周期的に補助パターンを配置することである。例えば、図５（ａ）に示したようなコンタクトホールパターンを露光したいときは、図５（ｂ）のように所望パターンの縦・横に補助パターンを挿入することが考えられる。上記露光方法は通常の露光方法に比べて焦点深度も大きくなるし、パターン形成に必要な露光量も少なくて済み、そのためにいわゆるスループットも大きい。

本発明者らは、更なる解像力の向上、より大きい焦点深度、かつ、スループットの向上のために、上述の露光方法を更に研究した結果、図５（ｃ）のように補助パターンを配置したマスクを用いることが好ましいことを発見した。図５（ｃ）に示すマスクは以下のような幾つかの特徴を有する。まず、所望のコンタクトホールパターンの中心上に交点をもつ直交仮想格子を仮定した場合、直交仮想格子交点とは異なる位置に補助パターンの中心が存在する。次に、直交仮想格子上において所望のコンタクトホールから見て斜めに配置された補助パターンのうち最も近いコンタクトホールは、後述するように、０度から４５度の間（０度より大きく、４５度より小さい）にある。更に、所望のコンタクトホールパターンの周期に忠実な仮想格子において一行又は一列おきに、当該パターンよりも寸法が小さな補助パターンを仮想格子の交点からずらして配置している。

所望パターンの上下左右に補助パターンを挿入するのはごく自然のことにいえる。補助パターンそのものは解像しないものの、補助パターンは所望パターンに影響を及ぼすからこそ解像力が向上するのである。そう考えると、補助パターンを所望パターンの一番近傍、すなわち縦・横に配置するのが一番自然である。しかし、本発明者らは補助パターンを縦・横方向に配置するのではなく、互い違いに配置するほうが焦点深度をより大きくできることを突き止めた。すなわち、図５（ａ）のようなパターンに対しては、図５（ｂ）のように補助パターンを挿入するのではなく、図５（ｃ）のように補助パターンを配置したほうが焦点深度が大きいことを発見した。

以下、この原理について説明する。初めに、「通常の配置」と「互い違いな配置」という言葉について定義する。「通常の配置」とは、図６（ａ）に模式的に示すように、所望パターン６１の周期に忠実に仮想格子６３を考えて、各格子点に補助パターン６２を配置することである。これに対して、「互い違いな配置」とは、図６（ｂ）に模式的に示すように、所望パターン６１の周期に忠実な仮想格子６３において一行おきに、右もしくは左にずれた位置に補助パターンを配置することである。同様に、所望パターンの周期に忠実な仮想格子において一列おきに、上もしくは下にずれた位置に補助パターンを配置することも互い違いな配置である。

投影露光装置を使用して図９（ａ）に示すマスク９０Ａと図９（ｂ）に示すマスク９０Ｂのパターンをウエハに露光する場合について考える。マスク９０Ａにおいては、１２０ｎｍのホールがスペース１２０ｎｍで５行５列に並んでいる。マスク９０Ｂにおいては、マスク９０Ａの２行目と４行目のホール列が横に１２０ｎｍずれている。

マスク９０Ａ及び９０Ｂをコヒーレントに照明した場合の投影光学系の瞳面上での光の強度分布を見てみると、それぞれ図１０（ａ）及び図１０（ｂ）のようになる。図１０（ａ）及び図１０（ｂ）に示した座標の値は、λ／ＮＡで規格化（ｋ_１換算）してある。なお、図１０（ａ）、（ｂ）において半径１の円は瞳を表してあり、縦方向、横方向からのしかるべき斜入射照明によって、回折光をずらし瞳内に回折光を取り込む様子も同時に表している。

マスクパターンの違いにより回折光の現れ方も変わるので、瞳への回折光の入り方も変わる。マスク９０Ａを用いたときは、斜入射照明した場合、図１０（ｃ）又は図１０（ｄ）のようにしか回折光１０２が瞳１０１の中に入らない。これに対して、マスク９０Ｂを用いたときは、斜入射照明した場合、図１０（ｅ）又は図１０（ｆ）のように３つの回折光１０２が一直線上には並ばずに瞳１０１に入ることが理解される。このような瞳内での回折光の分布の違いが結像性能に決定的な違いをもたらすことになる。

まず、縦方向の解像の違いについて説明する。マスク９０Ａでは、縦方向の解像を決定する干渉は主に２種類ある。即ち、強度１．００の回折光１０１ａと強度０．４１の回折光１０２ａの干渉と、強度１．００の回折光１０１ａと強度０．４１の回折光１０３ａの干渉である。これに対して、マスク９０Ｂでは、縦方向の解像を決定する干渉は主に４種類ある。即ち、強度１．００の回折光１０１ｂと強度０．４１の回折光１０２ｂの干渉、強度１．００の回折光１０１ｂと強度０．４１の回折光１０３ｂの干渉、強度０．３３の回折光１０４ｂと強度０．３３の回折光１０５ｂの干渉、及び、強度０．３３の回折光１０６ｂと強度０．３３の回折光１０７ｂの干渉である。以上より、マスク９０Ａと９０Ｂの縦方向の解像を調べると、マスク９０Ｂのほうが、解像に寄与する光量が多いことが理解される。

次に、横方向の解像の違いについて説明する。マスク９０Ａでは、横方向の解像を決定する干渉は主に２種類ある。即ち、強度１．００の回折光１０１ａと強度０．４１の回折光１０４ａの干渉と、強度１．００の回折光１０１ａと強度０．４１の回折光１０５ａの干渉である。これに対して、マスク９０Ｂでは、縦方向の解像を決定する干渉は主に４種類ある。即ち、強度１．００の回折光１０１ｂと強度０．３３の回折光１０４ｂの干渉、強度１．００の回折光１０１ｂと強度０．３３の回折光１０５ｂの干渉、強度１．００の回折光１０１ｂと強度０．３３の回折光１０６ｂの干渉、及び、強度１．００の回折光１０１ｂと強度０．３３の回折光１０７ｂの干渉である。以上より、マスク９０Ａと９０Ｂの横方向の解像を調べてみても、マスク９０Ｂのほうが解像に寄与する光量が多いことがわかる。

次に、マスクの違いによるパターン形成について説明する。まず、マスク９０Ａによるパターン形成の様子を図１０（ｇ）に示す。回折光１０１ａと回折光１０２ａから生じた干渉、もしくは回折光１０１ａと回折光１０３ａから生じた干渉が光強度分布１０３ｇを形成し、縦方向のパターン形成に寄与する。回折光１０１ａと回折光１０４ａから生じた干渉、もしくは回折光１０１ａと回折光１０５ａから生じた干渉は光強度分布１０２ｇを形成するので横方向のパターン形成に寄与する。光強度分布１０２ｇと光強度分布１０３ｇは正弦波状の強度分布を持っているので、それらが互いに重なりあうとパターン１０１ｇは概略的に菱形になってしまうことが理解される。

次に、マスク９０Ｂによるパターン形成の様子を図１０（ｈ）に示す。回折光１０１ｂと回折光１０２ｂから生じた干渉、もしくは回折光１０１ｂと回折光１０３ｂから生じた干渉、もしくは回折光１０４ｂと回折光１０５ｂから生じた干渉、もしくは回折光１０６ｂと回折光１０７ｂから生じた干渉が光強度分布１０２ｈを形成し、縦方向のパターン形成に寄与する。回折光１０１ｂと回折光１０５ｂから生じた干渉、もしくは回折光１０１ｂと回折光１０６ｂから生じた干渉は光強度分布１０３ｈを、回折光１０１ｂと回折光１０４ｂから生じた干渉、もしくは回折光１０１ｂと回折光１０７ｂから生じた干渉は、光強度分布１０４ｈを形成するので、それぞれ斜め方向の解像に寄与する。光強度分布１０２ｈ、光強度分布１０３ｈ、そして、光強度分布１０４ｈは正弦波状強度分布を持っているため、それらが互いに重なり合うとパターン１０１ｈは概略的に六角形になる。

本来、コンタクトホールはマスクパターンに忠実に四角形になることが望ましい。しかし、露光の性質上角が丸まって円形ホールができてしまう。このように実際のホール形状が四角形からずれてしまう現象はある程度やむを得ない。しかるに、図１０（ｃ）に示すように、菱形のホールが形成されてしまうと、もともと期待していた四角形又は円形のホールよりもホールの面積がかなり小さくなってしまう。一方、図１０（ｄ）に示すように、六角形のホールだと菱形より面積が大きくなり、本来求めていたホールの面積に近づくためにより好ましいことが理解される。

上記の結果より、所望パターンの縦・横方向にだけ補助パターンを挿入するのではなくて互い違いに補助パターンを挿入したほうがよいことがわかる。

このように補助パターンを配置したとき、マスクがバイナリーマスク、もしくはハーフトーンマスクのときは中心部が暗い照明を用いるのが効果的である。中心部が暗い照明とは、図４（ｅ）に示す輪帯照明や図４（ｆ）に示す四重極照明、更には、図４（ａ）乃至（ｄ）に示すような照度分布を有する有効光源を形成する照明のことである。特に、図４（ａ）乃至（ｄ）記載の照明を用いる場合、０度方向と９０度方向に明るい部分がある。つまり、有効光源分布の形状をσ換算すると、０度方向と９０度方向に関して約１／（４×α）の部分が明るくなっている。ただし、ここでのαは、仮想格子の半周期をｋ_１換算したもの（＝半周期×ＮＡ／λ）であり、ここで言う「約」とはσ換算して、±０．０５の範囲である。隣り合うホールの位相差が１８０度であるような位相シフトマスクに対しては、いわゆる小σ照明でよい。

本実施形態において仮想格子が求まれば互い違いの配置で補助パターンを挿入することが可能となる。以下、仮想格子の決定方法を図２３を参照して説明する。ここで、図２３は、仮想格子の決定方法を説明するためのフローチャートである。

投影露光装置の解像力は、０．２５と√２という数字を境に変化することが多い。そのため、図２３においてはｇ１を０．２５以上０．２５×√２以下、ｇ２を０．２５×√２以上０．５以下、ｇ３を１．０以上√２以下、ｇ４を０．５×√２以上１．０以下、ｇ５を０．２５以上０．２５×√２以下とすればよい。なお、図８の実験結果は、ｇ１、ｇ２、ｇ３、ｇ４、ｇ５の値をそれぞれ０．２９、０．４０、１．２０、０．８０、０．２５としたときのものである。孤立パターンに仮想格子を設定するには、孤立パターンを適当な仮想格子上に載せて、互い違いの配置をすればよい。基本的に仮想格子の半周期は孤立パターンと同じにするとよいが、少し離れたところにある周期的なパターンが存在するときはその周期に合わせてもよい。

まず、所望のパターンのホール径Dをｋ_１換算したもの（つまり、Ｄ×ＮＡ／λ）が第１の閾値ｇ１未満であるかどうかを判断する（ステップ１２０２）。ステップ１２０２が、そうであると判断すれば異常終了する（ステップ１２０４）。一方、ステップ１２０２がそうでないと判断すれば、所望のパターンのホール径が第１の閾値ｇ１以上第２の閾値ｇ２以下であるかどうかを判断する（ステップ１２０６）。ここで、周期パターンの周期をＰ１とする。

ステップ１２０６が、第１の閾値ｇ１以上第２の閾値ｇ２以下であると判断した場合は、Ｐ２＝Ｐ１とおいた後、「ＰａｒｔＩ」に進み、更にＰ２をｋ_１換算した場合に第３の閾値ｇ３以上であるかどうかを判断する（ステップ１２１０）。

ステップ１２１０が第３の閾値ｇ３以上ではないと判断した場合に、仮想格子の周期をＰ２と決定する（ステップ１２１２）。ステップ１２１０が第３の閾値ｇ３以上であると判断すれば、ｉ＝ｉ＋１とおいて（ステップ１２１４）、Ｐ１をｉ分割したものをＰ２として（ステップ１２１６）、ステップ１２１０に帰還する。最終的には、仮想格子の周期をＰ２と決定する（ステップ１２１２）。

ステップ１２０６が第１の閾値ｇ１以上第２の閾値ｇ２以下でないと判断した場合に、Ｐ２＝Ｐ１とおいた後、「ＰａｒｔＩＩ」に進み、更にＰ２をｋ_１換算した場合に第４の閾値ｇ４以上であるかどうかを判断する（ステップ１２２０）。ステップ１２２０が第４の閾値ｇ４以上であると判断した場合には、Ｐ２からホール径Dをひいた値のｋ_１換算したものが第５の閾値ｇ５以下であるかどうかを判断し（ステップ１２２２）、そうでなければ、孤立パターンとして扱うか「ＰａｒｔＩ」に行く（ステップ１２２６）。一方、ステップ１１２０が第４の閾値ｇ４以上でないと判断した場合又はステップ１２２２が第５の閾値ｇ５以下であると判断した場合には仮想格子の周期をＰ２に決定する（ステップ１２２４）。

こうして求められた仮想格子において、一行おきに、右もしくは左にずれた位置に補助パターンを配置するか、同様に、所望パターンの周期に忠実な仮想格子において一列おきに、上もしくは下にずれた位置に補助パターンを配置すれば互い違いな配置を作成できる。このときのずらし量であるが、仮想格子の周期の６分の１以上半分以下であればよい。この点については、後に実施例で紹介する。補助パターンサイズも所望パターンの５０％から９０％以内にあればよい事が確かめられているが、通常は７５％程度でよい。

このように、非常に効果的な補助パターン挿入方法が明らかになった。以下、補助パターン挿入方法、及びそれに適した照明条件の決定方法を説明する。ここで，図２４は、マスクパターン及び照明条件を設定する方法を説明するためのフローチャートである。

図２４を参照するに、まず、始めに露光後に形成したいパターンに応じて所望パターンがないところの透過率を０とし、所望パターンがあるところの透過率を１として対応する所望パターンのデータ（Ｄｐｄ）を作成する（ステップ１４０２）。ここでは、ウエハに露光されるべき所望のパターンの寸法や配列を決定する。

次に、所望のパターンの設定後に使用されるマスクの種類（例えば、バイナリーマスク、ハーフトーンマスク、位相シフトマスクなど）が決定される（ステップ１４０４）。

ここで、ハーフトーンマスクとは、図２（ｃ）に断面図を模式的に示すように、バイナリーマスクの遮光部にあたる部分を、光強度を減衰させ、かつ、透光部との位相差を１８０度に保つような物質２４に変えたマスクである。ハーフトーンマスクは、バイナリーマスクよりは作成が困難であるが、現在も露光装置に使用されている。また、位相シフトマスクとは、マスクに入射する光が互いに隣り合った透光部を透過する際に、互いにある所定の位相差を持つように設計されたマスクで、通常はこの位相差を１８０度になるように設計する。図２（ａ）は位相シフトマスクの断面構造を模式的に示した図で、２３は隣り合う透光部との位相差を１８０度にするために導入された位相シフタである。位相シフトマスクには様々な種類が提案されており、位相シフトマスクの種類によっては、バイナリーマスクよりも約半分の線幅を実現することができる。これは互いに隣り合う光が位相差１８０度を保つことによって、互いに隣り合う光の中心部の振幅を打ち消し合うためである。

次いで、所望のパターンのデータに対して、挿入されるべき補助パターン（ダミーコンタクトホールパターン）と照明方法を決定する（ステップ１４０６）。

補助パターンの寸法は、Ｄｐｄをもとに必要なダミーコンタクトホールパターンデータ（Ｄｕｍ）を引き出し、露光方法Ｉに適したマスクデータ（Ｆｐｄ）を作成する第１のステップ、論理演算をもとにＤｕｍデータを作成し、Ｆｐｄを作成する第２のステップ、Ｆｐｄがマスクパターン設計ルールを満たしているかを判定する第３のステップを含む。通常は第１又は第２のステップあるいはその両方のステップ、第３のステップの順で必要に応じて繰り返される。

なお、本発明は所望のパターンが周期パターンであっても孤立パターンであっても適用することができる。ここで、「周期パターン」とは、直交２方向のいずれかの方向において整列する、少なくとも２つのコンタクトホールを有するパターンである。「孤立パターン」とは、一のコンタクトホールのみからなり、直交２方向のいずれの方向においても整列する他のコンタクトホールが存在しないパターンである。

照明方法の決定においては、演算を行い、照明条件をチェックし、照明条件が所定の設計ルール内に作成されていれば終了し、照明条件が所定の設計ルール内に作成されていなければ演算ステップに帰還することを所定回数だけ繰り返す。所定回数以内に照明条件の作成が合格と判断されなければ異常として終了する。代替的な照明方法の決定は、データベース（テーブルデータ）を引き出し、照明条件をチェックし、照明条件が所定の設計ルール内に作成されていれば終了し、照明条件が所定の設計ルール内に作成されていなければ演算ステップに帰還することを所定回数だけ繰り返す。所定回数以内に照明条件の作成が合格と判断されなければ異常として終了する。

ステップ１４０６は、後述するステップ１４２２から処理が帰還された場合に補助パターンの挿入方法及び／又は照明方法を補正する場合にも使用される。

次に、所望のパターンがチェックされる（ステップ１４０８）。ここでは、補助パターンが所望のパターンに挿入されることによって作成されたマスクパターンのデータと照明条件のデータに基づいて、所望のパターンが精度よく形成されるのかどうかが判断される。即ち、ステップ１４０８は、補助パターンが解像されずに所望のパターンのみが精度良く解像されるかどうかを判断する。精度の度合いは一定の基準に従い決まっているが、使用者が決めても良い。所望のパターンのみが解像される補助パターンや照明条件の候補が複数あれば、コントラストの大きい方、線幅（ＣＤ：クリティカルディメンジョン）の誤差ばらつきが小さい方が選択されることが好ましい。

ステップ１４０８が、所望のパターンが解像されないと判断すれば、補正がなされる（ステップ１４１２）。補正では、所望のパターン、補助パターン、その他が補正される。補助パターン及びその他の補正では、後述するステップ１４２２によって帰還したステップ１４０６において主として行なわれるが、微調節であればステップ１４１２で行われてもよい。

所望のパターンの補正は、光学近接補正や後述する実施例１において説明される。光学近接補正（以下、ＯＰＣ：Ｏｐｔｉｃａｌ Ｐｒｏｘｉｍｉｔｙ Ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎと呼ぶ）は、所望のパターンを精度良く転写可能にするための技術である。

例えば、転写されるべきパターンが所望の大きさより小さく作成されてしまうときのＯＰＣを考える。図２５（ａ）及び（ｂ）において、点線は所望のホール径であるが、他のパターンとの露光量の関係で所望の大きさより小さいパターンができてしまうので図２５（ａ）及び（ｂ）における実線部のようにマスクパターンを変更すればよい。図２５（ａ）記載のＯＰＣ技術は、パターンが疎であるときに有効であり、図２５（ｂ）記載のＯＰＣ技術は、パターンが密でマスクパターンを大きくすることが困難なときに有効であるがマスクデータが大きくなるという欠点もある。

また、補助パターンの寸法や形状を変更することも所望のパターンの補正につながる。例えば、所望のパターンの寸法が所望値より小さい場合、所望のパターンの周辺に配置された補助パターンの寸法を大きくしたり配置する周期（ピッチ）を小さくしたりする。逆に、所望パターンの寸法が所定値より大きい場合、所望のパターンの周辺に配置された補助パターンの寸法を小さくしたり配置する周期（ピッチ）を大きくしたりするなどの方法もある。

所望のパターンの周辺に配置された補助パターンのホール数を変更しても所望のパターンの補正につながる。例えば、所望のパターンの周辺に配置された補助パターンのホール数を減らせば所望パターンの光量を小さくさせることができ、補助パターンのホール数を増やせば所望のパターンの光量を大きくすることができる。

照明条件を変更しても所望のパターンの補正につながる。例えば、バイナリーマスクにおいては図４（ｂ）乃至（ｄ）に示す照度分布を有する有効光源を形成する照明を使用すると、焦点深度を図４（ａ）よりも更に深くすることができる。その他の補正は、最小ピッチ、マスクの種類、被露光体に塗布されるフォトレジストが感光する閾値、有効光源のコヒーレンスファクターσを変更してもよい。例えば、位相シフトマスクは焦点深度を延ばしたり、線幅誤差ばらつきを多少低減したりする効果があるのでバイナリーマスクで焦点深度が足りない場合には位相シフトマスクを変更することも効果的である。

補正後に所望のパターンが再度チェックされる（ステップ１４１４）。ステップ１４０８のチェックと同様に、補助パターンが解像されずに所望のパターンのみが精度良く解像されるかどうかを判断する。依然として、ステップ１４１４のチェックに合格しなければ、ステップ１４１２に帰還する処理が所定回数（ｋｍａｘ）繰り返される（ステップ１４１６、１４１８）。所定回数ｋｍａｘを超えるとステップ１４０６に帰還する処理が所定回数ｊｍａｘだけ繰り返される（ステップ１４２０、１４２２）。

ステップ１４０８又は１４１４によるチェックに合格しなければ処理は異常として終了する（ステップ１４２４）。ステップ１４０８又は１４１４によるチェックに最終的に合格すれば、マスクパターンデータと照明条件が決定される（ステップ１４１０）。

図２４に示す方法の大部分はコンピュータが実行可能であるから、作成者は最終的にレジスト上に形成したいパターンを作成して入力するのみで、その後のマスクパターンデータ及び照明条件の生成は上記手順でコンピュータにより自動的に行なうことができるので、大規模な半導体集積回路の設計においても最適なマスクパターン及び照明条件を効率よく作成することができる。膨大なマスクデータを一括して処理しなくとも、マスクパターンデータを分割して処理でき、最後に合成するという方法もとれるため、コンピュータにとっても都合がよい。

これらの原理はさまざまなパターンに応用できる。それらの例は、以下の実施例において明らかにされるであろう。

本実施形態による開口数ＮＡ＝０．７０、縮小比４：１のＡｒＦエキシマレーザー（露光波長１９３ｎｍ）縮小投影露光装置用における投影光学像について説明をする。ホール径の直径が１００ｎｍ、ホール間隔が１００ｎｍで１列に配置してあるパターンをバイナリーマスクを使用して露光することを考える。

図１１（ａ）に模式的に示したマスク１１０Ａは、所望パターン中心と補助パターン中心の距離は縦・横方向ともに２００ｎｍで、補助パターン中心と補助パターン中心との距離も縦・横方向ともに２００ｎｍであるとする。図１１（ｂ）のマスク１１０Ｂは、マスク１１０Ａにおいて１行目の横１列の補助パターンと３行目の横１列の補助パターンを、マスク１１０Ａのものと比べて右に１００ｎｍずらし、一番右側の補助パターンを削除したもので、いわゆる互い違いに補助パターンを配置してある。

バイナリーマスクであるので、マスク１１０Ａ及び１１０Ｂに、図４（ａ）のような概略形状を持つ照明を用いたときの結果が、それぞれ図１１（ｃ）と図１１（ｄ）である。図１１（ｃ）と図１１（ｄ）の比較により、互い違いに補助パターンを挿入したほうが光量が露光面において強く、焦点深度が大きいことがわかる。加えて、縦・横方向に補助パターンを入れると所望のコンタクトホール１１３Ａの外形が菱形のようになることが理解される。これに対して、互い違いに補助パターンを挿入すれば、所望のコンタクトホール１１３Ｂの外形は円に近くなっていることがわかる。これは、パターン形成に寄与する回折光の分布の違いによるものである。

もし、さらに光量を大きくしたいのならば、図１１（ｅ）、図１１（ｆ）の如く、所望パターンの周りに２周分補助パターンを挿入すればよい。図１１（ｅ）に示したように所望パターンの縦・横方向に補助パターンを挿入するよりも、互い違いに補助パターンを挿入したほうが、更に光量も多く焦点深度が大きいので、図１１（ｆ）に示したように補助パターンを挿入すればよい。

以上のように、互い違いに補助補助パターンを挿入することにより良い転写パターンをえることが可能となる。本実施例においては、マスクとしてバイナリーマスクを使用したが、以上の効果はマスクとしてハーフトーンマスクを使用しても同様に得ることができる。

本実施例は、開口数ＮＡ＝０．７３、縮小比４：１のＫｒＦエキシマレーザー（露光波長２４８ｎｍ）縮小投影露光装置を使用して矩形状のコンタクトホールのパターンをバイナリーマスクで露光した。このように、互い違いに補助パターンを配置する方法は、正方形のコンタクトホールのパターンに限らず、矩形状のコンタクトホールのパターン（ラインパターン）にも適用できることを示す。

照明条件は図４（ａ）に示す照度分布を有する有効光源を形成する条件であり、ターゲットパターンは幅１２０ｎｍ、長さ１２０×１３ｎｍのラインパターンであるとする。図１２（ａ）は縦・横規則的に補助パターン１２２を配置したマスク１２０Ａで、図１２（ｂ）及び（ｃ）は互い違いに補助パターンを配置したマスク１２０Ｂ、１２０Ｃである。図１２（ａ）乃至（ｃ）ともに横方向に間隔２４０ｎｍの仮想線がひかれ前記線上に所望パターン１２１と補助パターン１２２が配置されているが、図１２（ｂ）及び（ｃ）では補助パターン１２２が互い違いになっている。

シミュレーションを行ったところ、マスク１２０Ａを用いると、ベストフォーカスで幅１２０．０ｎｍ、長さが１４３９．８ｎｍになった。これに対して、マスク１２０Ｂを用いると、ベストフォーカスで幅１２０．０ｎｍ、長さが１４４３．７ｎｍになった。つまり、ベストフォーカス時では互い違いに補助パターンを配置したほうがパターン再現性が良いことが理解される。さらに、デフォーカス０．３μｍのとき、マスク１２０Ａでは幅７５．９ｎｍ、長さが１３３０．８ｎｍになった。これに対して、マスク１２０Ｂでは幅７８．３ｎｍ、長さが１３４２．３ｎｍになった。つまり、互い違いに補助パターンを配置したほうはデフォーカス時でも通常の補助パターン配置より優位性があることがわかる。

さらに特筆すべきは、通常の配置では補助パターンを３６個配置したのに対し、互い違いの配置では補助パターンを３２個しか配置していない。かつ、補助パターンを含めたマスクパターン領域の大きさを比較すると、通常の配置ではマスクパターン領域１２３ａは１０８０ｎｍ×２０４０ｎｍであるのに対し、互い違いの配置ではマスクパターン領域１２３ｂは１０８０ｎｍ×１９２０ｎｍと小さい。

パターン再現性、パターン領域、補助パターンの個数、それぞれの比較により互い違いの補助パターン配置はラインパターンにも効果的であることがわかる。なお、マスク１２０Ｂと１２０Ｃは同様の効果をもっている。

同様の効果は短いラインパターンのときにも当てはまる。例えば、短いラインパターンを図４（ａ）のような有効光源分布を形成するような照明でマスクを照明する場合は、図１３（ａ）もしくは（ｂ）のように補助パターンを挿入することも考えられるが、このような場合にも互い違いの補助パターン配置を適用することができ、例えば、図１３（ｃ）もしくは（ｄ）のように補助パターンを配置すればよい。図１３（ｃ）もしくは（ｄ）における補助パターン間隔ｄ１であるが、これは所望パターンサイズ及び補助パターンサイズによって決まるものである。大抵の場合は、波長を開口数で割った値の４分の１以上の値にするのがよい。マスクを設計どおりに作成できるのであれば、波長を開口数で割った値の８分の１くらいでも問題ないことを本発明者らは確認した。

本実施例では、ラインパターンへの補助パターン挿入方法の一例をあげたにすぎず、本実施例のラインパターンよりさらに長いラインパターンやさらに短いラインパターン、そして、本実施例のようにバイナリーマスクだけでなく、ハーフトーンマスクにも本発明を適用することが可能である。

パターン配置を互い違いにすることにより、回折光の現れ方が異なることが原因で結像性能が良くなることは、図９を使って説明したとおりである。本実施例では、バイナリーマスクを例にとりパターン配置をどれくらい変化させれば回折光の現れ方が変化するのか調べた。

今、開口数ＮＡ＝０．７３、縮小比４：１のＫｒＦエキシマレーザー（露光波長λ＝２４８ｎｍ）縮小投影露光装置を仮定する。図１４（ａ）のようなマスクパターンは、その径が１２０ｎｍのホールがスペース１２０ｎｍで５行５列に並んでいるとする。対して、図１４（ｂ）では図１４（ａ）の２行目と４行目のホール列の各ホールが１行目と３行目のホール列に比べて横にｄ２だけ相対的にずれているとする。

図１５（ａ）は、ｄ２が０ｎｍのマスクを照明した際の投影系の瞳面上での照明光の強度分布、図１５（ｂ）はｄ２が４０ｎｍのマスクを照明した際の投影系の瞳面上での照明光の強度分布、図１５（ｃ）はｄ２が８０ｎｍのマスクを照明した際の投影系の瞳面上での照明光の強度分布、そして、図１５（ｄ）はｄ２が１２０ｎｍのマスクを照明した際の投影系の瞳面上での照明光の強度分布である。なお、図１５の瞳面座標の値は、λ／ＮＡで規格化してあり、図中の黒丸が回折光を表し、その黒丸の大きさは回折光の強度を表している。

上記４種類の回折光の分布と強度を調べると、ｄ２が４０ｎｍ以上のときは、ｄ２が０ｎｍのときと比べて回折光の分布の変化が顕著になり、ｄ２が０ｎｍのときより光量が多くなることを突き止めた。

つまり、所望パターンより形成することが出来る仮想格子の周期に対して、ずらし量が周期ｐ１の６分の１以上、６分の５以下になるようにある方向に位置をずらして互い違いに補助パターンを配置することによって、通常の補助パターン配置よりも結像性能を向上させることができる。ずらし量が周期ｐ１の３分の１以上、３分の２以下になるようにすると更によく、また、ずらし量を周期ｐ１の略２分の１として補助パターンの開口が格子の交点と交点との中点に存在することとするとさらによい。なお、その仮想格子の考えを元にさらなる補助パターン挿入方法が明らかになる。すなわち、仮想格子を軸にしたとき、補助パターン中心と所望パターン中心を結んだ線が軸からある範囲の角度以内ということである。その様子を図２６に示す。図２６において斜線部は所望パターンを表し、点線は仮想格子を表す。図２６に示したように、補助パターン中心と所望パターン中心を結んだ線が仮想格子の軸となす角がθ１以上θ２以下であればよい、と考えることができる。ただし、θ１は９度でθ２は４０度である。

このことは、ホールサイズや露光装置とは独立なものであり、補助パターンによって生じる光束は、（−１，１／２）回折光、（−１，−１／２）回折光、（１，１／２）回折光、（１，−１／２）回折光、（１／２，１）回折光、（１／２，−１）回折光、（−１／２，１）回折光、（−１／２，−１）回折光の少なくとも一つを含むことが好ましいことが理解される。

ここで、上記の回折光の名前の定義は以下のとおりである。

通常の配置、すなわち縦・横方向にしかパターンが無い場合、図２７のようにパターンの周期に応じて碁盤の目状に回折光が現れる。瞳中心に現れる回折光を（０，０）次回折光とよび、ｘ方向にｎ番目、ｙ方向にｍ番目（ただし、ｎとｍは整数）として回折光に（ｎ，ｍ）次回折光と名前をつける。

互い違いの配置では、図２８のように、通常の配置とは異なった位置に回折光が現れる。特に、（ｎ，ｍ）次回折光と（ｎ，ｍ±１）次回折光の間に回折光が発生する。これらの回折光を本明細書では（ｎ，ｍ±１／２）次回折光と呼ぶ。同様に、（ｎ，ｍ）次回折光と（ｎ±１，ｍ）次回折光の間に発生する回折光は、（ｎ±１／２，ｍ）次回折光と呼んでいる。

以上、本実施例ではマスクとしてバイナリーマスクを使用したが、ハーフトーンマスクを使用してもよく、以上と同様の効果を奏する。

ホールが１列に並んでいるパターンを複数有するマスクパターンの場合を考える。例えば、図１６（ａ）に示したように、ホール径ｓ、ホール間隔ｓで横方向にホール１６１がならんだパターン１６２があり、さらに、ホール径ｓ、ホール間隔ｓで縦方向にホール１６１が並んだパターン１６３があるとする。パターン１６２とパターン１６３とのｘ方向の間隔は３ｓで、パターン１６２が形成する仮想格子点とパターン１６３が形成する仮想格子点は、ｙ方向に格子点間隔の半分だけずれているとする。バイナリーマスクまたはハーフトーンマスクを使用し、図４（ａ）のような照度分布を有する有効光源を形成する照明条件であるとする。

このような場合、通常の補助パターン配置では補助パターン挿入に矛盾が起きる（以下、補助パターンコンフリクトと呼ぶ）。よって、このようなパターン配置の場合、どちらか一方のパターンに互い違いに補助パターンを挿入すればよい。その例を図１６（ｂ）に示す。図１６（ｂ）では、パターン１６３に対して互い違いに補助パターンを挿入している
なお、互い違いに補助パターンを挿入したほうが光量が強いため、通常の補助パターン配置をしたパターンと光量が合わなくなる場合がある。その場合は、通常の補助パターン配置をした周辺の補助パターンの面積を、少し大きくすれば良い。その様子を図１６（ｃ）に示す。図１６（ｃ）では、補助パターンが２種類あり、補助パターン１６４は補助パターン１６５より面積が小さい。具体的には、開口数ＮＡ＝０．７０、縮小比４：１のＡｒＦエキシマレーザー（露光波長１９３ｎｍ）縮小投影露光装置用における投影光学像について、ホール径の直径が１００ｎｍ、ホール間隔が１００ｎｍで１列に配置してあるパターンだとすれば、例えば、補助パターン１６５は、補助パターン１６４よりも５〜１０ｎｍ程度大きく設定される。所望のパターンの５〜１０％に相当する大きさで補助パターンの大きさを変えればよく、面積でいうと１０％〜３０％程度大きくすればよい。

ここでは補助パターンの大きさを変えることによって、所望パターンがウエハ上に形成された際のそのサイズのばらつきを補正した。

しかし、そのように、補助パターンの大きさを変えるのではなく、マスク上での所望パターンの大きさを様々な大きさに変えることによって、所望パターンがウエハ上に形成された際のサイズばらつきを低減してもよい。

この場合は、前記露光条件において、マスク上の所望パターンのうち通常の補助パターンが配置された方のサイズを約１ｎｍから７ｎｍ程度大きくすればよい。この逆に、マスク上の所望パターンのうちの互い違いに補助パターンが配置された方のサイズを約−１ｎｍから−７ｎｍ程度小さくしてもよい。また、補助パターンのサイズを変更する前述の方法を併用しても良いのは言うまでもない。

ホールが１列に並んでいるパターンが組み合わさってマスクパターンを形成している場合を考える。図１７（ａ）を例にとれば、ホール径ｔ、ホール間隔ｔでホール１７１が１列に並んでいるパターン１７２、１７３、１７４があり、パターン１７３と１７２のｘ方向の間隔は０でｙ方向の間隔は３ｔ、パターン１７３と１７４のｘ方向の間隔は０でｙ方向の間隔は３ｔだとする。バイナリーマスクまたはハーフトーンマスクを使用し、図４（ａ）のような照度分布を有する有効光源を形成する照明条件であるとする。

このようなマスクパターン配置では、通常の補助パターン配置をすると補助パターンコンフリクトが生じるため、通常の補助パターン配置と互い違いな補助パターン配置を組み合わせればよい。その様子を図１７（ｂ）に示す。図１７（ｂ）では、パターン１７３に対して互い違いに補助パターンを挿入し、パターン１７２、１７４に対しては通常通り補助パターンを挿入している。

なお、互い違いに補助パターンを挿入したほうが光量が強いため、通常の補助パターン配置をしたパターンと光量が合わなくなる場合がある。その場合は、通常の補助パターン配置をした周辺の補助パターンの大きさを、少し大きくすれば良い。その様子を図１７（ｃ）に示す。図１７（ｃ）では、補助パターンが２種類あり、補助パターン１７５は補助パターン１７６より面積が小さい。具体的には、開口数ＮＡ＝０．７０、縮小比４：１のＡｒＦエキシマレーザー（露光波長１９３ｎｍ）縮小投影露光装置用における投影光学像について、ホール径の直径が１００ｎｍ、ホール間隔が１００ｎｍで１列に配置してある所望のパターンだとすれば、例えば、補助パターン１７６は、補助パターン１７５よりも５〜１０ｎｍ程度大きく設定される。つまり、所望のパターンの５〜１０％に相当する大きさで補助パターンの大きさを変えればよく、面積でいうと１０％〜３０％程度大きくすればよい。

互い違いな補助パターン配置の応用例を図１８（ａ）、（ｂ）を参照して説明する。図１８（ａ）のパターン１８１は所望パターンで、それらが仮想格子中の仮想四角形の各頂点に配置されているとする。仮想四角形のｘ方向の長さはｐａで、ｙ方向の長さはｐｂであるとする。ｐａ、ｐｂは補助パターンを挿入するには小さすぎ、かといって補助パターンを入れないときは他の密集パターンに比べて光量が足りないくらいの長さであるとする。言い換えると、仮想四角形の対角線の交点上若しくはその近傍に補助パターンを配置し、その対角線の方向に周期性を持たせるとよい。より具体的には、露光波長をλ、投影光学系の開口数をＮＡとしたとき、ｐａ、ｐｂが０．５×λ／ＮＡ以上、１．０×λ／ＮＡ以下のときにあてはまる（もちろん、ｐａ、ｐｂはこの範囲に限定はしない。前記範囲は一例である）。

このような場合、所望パターンの斜め方向周期の中点に補助パターン１８２を挿入し、その方向に周期的に補助パターンを挿入すればよい。これは互い違い配置の応用例である。バイナリーマスクまたはハーフトーンマスクを使用する場合には、図４（ａ）のような照度分布を有する有効光源を形成する照明条件とすればよい。

さらに、上記パターンに通常の補助パターン配置を加えることもできる。その様子を図１８（ｂ）に示す。補助パターン１８３は仮想四角形パターンを元に縦・横方向に補助パターンを通常配置したもので、補助パターン１８２は前述のように互い違い配置を施したものである。

上述のように補助パターンを配置することによって、所望パターンを丸くすることができ、光量も多くすることができた。

ホールが並んでいる場合を考える。図１９（ａ）は、たくさんのホールがひとつの列を形成しているときの右端部分での補助パターン１９２の挿入の仕方を示している。基本的には、所望パターン１９１のまわりに互い違いに補助パターン１９２を挿入していけばよいが、それでは端の部分の光量がどうしても落ちてしまう。そこで、パターン端の部分だけは他の部分より多く補助パターンを追加したほうがよい。追加されるべき補助パターンもやはり、互い違いに配置されるべきである。こうして得られたマスクパターンを示したものが図１９（ａ）である。

図１９（ｂ）もたくさんのホールがひとつの列を形成しているときの右端部分での補助パターン１９２の挿入の仕方を示している。基本的には、所望パターン１９１のまわりに互い違いに補助パターン１９２を挿入していけばよいが、それでは端の部分の光量がどうしても落ちてしまう。そこで、例えば、開口数ＮＡ＝０．７０、縮小比４：１のＡｒＦエキシマレーザー（露光波長１９３ｎｍ）縮小投影露光装置用における投影光学像について、ホール径の直径が１００ｎｍ、ホール間隔が１００ｎｍで１列に配置してあるパターンだとすれば、パターン端の部分に挿入すべき補助パターン１９３を他の補助パターンよりも５〜１０ｎｍ程度大きく設定している。つまり、所望のパターンの５〜１０％に相当する大きさで補助パターンの大きさを変えればよく、面積でいうと１０％〜３０％程度大きくすればよい。

必要に応じて、補助パターン挿入数を場所によって変更したり、補助パターンの大きさを変更したり、もしくはその両方を組み合わせることによって所望のパターンを精度よく形成することが可能になる。やはりこのときもバイナリーマスクまたはハーフトーンマスクを使用する場合には、図４（ａ）〜（ｅ）のような中心部が暗い有効光源分布を有するような斜入射照明がもっとも効果的である。

露光方法Ｉにおいて、焦点深度を増大させるには照明条件を工夫すればよいことがわかったので、有効光源分布の具体的な形状について紹介する。

本発明の原理は、図２０を使って説明される。図２０は、いわゆる２光束干渉の様子で、ある平面波２０２が光軸２０１と角度φ１で入射し、さらにある平面波２０３が角度φ２で入射し、それらがｚ＝０で干渉する様子を示している。ただし、ある角度φとδがあるとして、φ１＝φ−δ、φ２＝φ＋δであるとする。このとき、ｚ＝０での光強度分布Ｉ（ｘ）は以下の式で表すことができる。

もし、φ１とφ２が等しいならばδは０となり、その結果Ｉ（ｘ，ｚ）はｚに依存しない。すなわち、理論的には焦点深度が無限大となる。しかし、φ１とφ２が異なるときδは値を持つためＩ（ｘ，ｚ）はｚに依存することになる。Ｉ（ｘ，ｚ）のｚ依存性は、次式で繰り返される。

その結果δが小さければ小さいほど、すなわちφ１とφ２が等しければ等しいほど焦点深度は大きくなる。

以上の原理と斜入射照明の効果を踏まえれば、バイナリーマスクまたはハーフトーンマスクを用いたとき、図４（ａ）のような形状を持つ有効光源分布をさらに改良した図４（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）のような形状を持つ有効光源分布のほうが焦点深度が大きくなることがわかる。改良の要は、照明の縦・横方向に細い照度分布を設けることである。本発明者らの経験や蝿の目レンズの影響や照度を考えれば、縦・横方向の細い照度分布図、すなわち図４においてｂ３、ｃ３、ｄｄ３は照明のσに換算して０．０５から０．１５くらいの幅をもてばよい。

特に、マスクパターンに周期性が強い場合は以下のようにして容易に形状を求めることができる。パターンハーフピッチをｐ、投影光学系の開口数をＮＡ、波長をλとしたとき、ｋ_１ファクターはｐ×ＮＡ／λとなる。このとき、有効光源分布の形状はσ換算をしたとき、１／（４×ｋ_１ファクター）を中心として、ｂ３、ｃ３、ｄｄ３は０．１にすればよい。

図４（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）のような概形を持つ有効光源について、もう少し詳しく形状を述べる。図４（ｂ）においては、０．３≦ｂ１≦ｂ２＜１．０であればその効果を発揮できる。図４（ｃ）においては、０．１≦ｃ１≦ｃ２＜０．９であればその効果を発揮できる。図４（ｄ）においては、０．３＜ｄｄ１≦ｄｄ２＜１．０であればその効果を発揮できる。実際の露光装置において、σを１まで保証している装置は少ないが、実際はＮＡを絞ることによりσが１以上まで対応しているとみなすことができる。

孤立ホールに対する補助パターン挿入方法を考える。従来ならば、図２１（ａ）のように、所望パターン２１１の周りに補助パターン２１２を縦・横方向に挿入していた。しかるに、本発明である互い違いの配置を採用して、図２１（ｂ）のように所望パターン２１１の周りに補助パターン２１２を挿入した。マスクに応じた照明条件で照明したところ、図２１（ａ）より図２１（ｂ）のほうが焦点深度、露光量などの点で性能がよいことがわかった。即ち、本発明は孤立パターンにも適用することができる。孤立パターンに本発明を適用するには、孤立パターンを適当な仮想格子上に載せて、互い違いの配置をすればよい。基本的に仮想格子の半周期を孤立パターンのホール径と同じにするとよいが、少し離れたところにある周期的なパターンが存在するときはその周期に合わせてもよい。

ホールが２つ並んでいるときにも本発明を適用することができる。従来では、図２２（ａ）のように所望パターン２２１のまわりに補助パターン２２２を縦・横方向に配置していた。しかし、本発明にしたがって２つのホールからなる仮想格子を想定し、互い違いに補助パターン２２を配置した。適当な斜入射照明で照明したところ、図２２（ａ）より図２２（ｂ）のほうが焦点深度、露光量などの点で結像性能がよいことがわかった。即ち、本発明はホールが２つ並んでいるときにも適用することができる。

ホールが３つ以上並んでいるときに、同様に本発明を適用することができることはいうまでもない。

本実施例においては、露光装置として、ＫｒＦ（波長２４８ｎｍ）、開口数０．７３の装置を仮定する。このような条件下で、１２０ｎｍのコンタクトホールがスペース１２０ｎｍで１３個整列しているものを露光する場合を考える。この様子を図２９に示す。図２９はコンタクトホールパターン（所望のパターン）の配列を示すための図である。

さらに、マスクとして、パターン部を光透光部とし、パターン部以外を透過率が６％程度で前記光透光部を通り抜けた光と位相差を１８０度に保つような部材としたハーフトーンマスク（ａｔｔｅｎｎａｔｅｄ ｐｈａｓｅ ｓｈｉｆｔｉｎｇ ｍａｓｋ）を使用する。

横方向のパターン周期が２４０ｎｍなので縦方向も２４０ｎｍの周期とした仮想格子、つまり、縦方向、横方向の双方向に２４０ｎｍの仮想格子を考え、格子点上に大きさ９０ｎｍの補助パターンを配置した。

有効光源の形状が図４Ａのような形状となるような照明モードで露光したところ、図３０のような結果が得られた。図３０はウエハ面上での空中像の光強度分布を表すコンター図である。

図３０の結果をみればわかるとおり、所望パターン部の光強度がバックグラウンドの光強度と同程度になってしまい、所望パターンが解像されないことがわかる。補助パターンの配置を互い違いの配置としてみても結果は同じで所望パターンは解像しなかった。そこで、仮想格子の周期を変えることなく所望パターンに対応する光透光部の大きさを１４０ｎｍ（すなわちスペースは１００ｎｍ）にし、補助パターンの大きさを１１０ｎｍにして通常の配置にしたところ所望パターンに対応する光強度がバックグラウンドの光強度よりも強くなり、所望パターンが解像した。この結果を図３１に示す。図３１はウエハ面上での空中像の光強度分布を表すコンター図である。

同様に、補助パターンの配置を互い違いの配置とした場合においても所望パターンの大きさを１４０ｎｍ、補助パターンの大きさを１１０ｎｍにしたところパターンが解像した。

以上の結果より、ハーフトーンマスクを使用する場合には、マスク上の所望パターンサイズは、ウエハ上に転写しようとするパターンサイズに対応したパターンの大きさ（露光装置の投影光学系の倍率を掛けたサイズ）よりも、ある程度大きくしなくてはならないことがわかった。

しかしながら、大きくしすぎるとパターンが密になり、補助パターンの挿入が困難になることや、所望パターンそのものが近接しているパターンの影響で形がゆがんでしまうという。例えば、所望パターンを１８０ｎｍ、補助パターンを１５０ｍにしたときの結果を図３２に示す。このくらいであればまだ大丈夫であるが、ホールがやや横長になっていることがわかる（このことは、コントラストの低下に対応することを示している。）。

結局、所望のパターンとそれよりも寸法の小さい補助パターンとを有するハーフトーンマスクにおいては、前記所望のパターンの大きさは、基板（ウエハ）上に形成したい大きさに対応した大きさの１２０％以上１５０％以下であることが良いことが分かる。

次に、マスクとしてバイナリーマスクを使用した。本発明が提案する露光方法は仮想的に周期的パターンを作るという特徴がある。この場合、互いに干渉する回折光同士の強度比が空中像のコントラストに影響する。もちろん、干渉する回折光の強度比が１に近い方がコントラストは大きくなる。バイナリーマスクでは０次光の強度は１次光の強度より強い。１次光の強度を０次光の強度に近づけるには、マスク上の所望パターンサイズを転写すべきパターンサイズよりも小さくすればよい。その結果、空中像のコントラストは大きくなる。一例として、図２９のようなコンタクトホールパターンを露光することを考える。

まず、所望パターンサイズを１２０ｎｍ、補助パターンサイズの大きさを９０ｎｍにしたマスクによる空中像から見積もった中心ホールの横方向のコントラストは約３６％であった。対して、所望パターンを１４０ｎｍ、補助パターンの大きさを１１０ｎｍにしたマスクによる空中像から見積もった中心ホールの横方向のコントラストは約３１％であった。

つまり、バイナリーマスクのときは、前述のハーフトーンマスクのときとは逆に、マスク上の所望パターンサイズを、ウエハ上に転写しようとするパターンサイズに対応したパターンのサイズ（露光装置の投影光学系の倍率を掛けたサイズ）よりも小さく設定したほうが、像のコントラストが高くなるということがわかった。しかしながら、パターンサイズを小さくしすぎるとスループットが下がるしマスクの作成が困難になるので、限りなく小さくすれば良いということではない。現実的には小さくする下限は８０％程度がよい。

結局、所望のパターンとそれよりも寸法の小さい補助パターンとを有するバイナリーマスクにおいては、前記所望のパターンの大きさは、基板（ウエハ）上に形成したい大きさに対応した大きさの８０％以上９５％以下であることが良いことが分かる。

本実施例においては、露光装置として、ＫｒＦ（波長２４８ｎｍ）、開口数０．７３の装置を用いており、有効光源の形状が図４Ａに示すような形状となるような照明モードで露光を行っている。

このような条件下で、図３３記載のコンタクトホールパターンを露光することを考える。図３３では縦方向に周期２５０ｎｍで１２０ｎｍのコンタクトホールパターンが１１個並んでおり（図３３では、簡単のため、中心の３つのコンタクトホールパターンだけを示している）、そのようなコンタクトホール列が間隔５２０ｎｍで２列並んでいる。

図２３記載のフローチャートによれば、横方向には７６０ｎｍ÷３で約２５３ｎｍの周期で補助パターンを入れていけばよいことになる。しかしながら、本実施例においては、図３４のように所望パターンの周期を横方向にも適用した、すわなち、横方向にも周期２５０ｎｍで仮想格子を形成した。図３４は、図３３の所望のパターンに適用した仮想格子をあらわす図である。

このように仮想格子を構成し通常の配置で補助パターンを配置した場合でも所望パターンは解像した（図３５）。図３５は、ウエハ上における所望のパターンの空中像をあらわす図である。

次に、もともとホール径とスペースの寸法が１：１の場合は結像性能がよいということを利用して、図３６のように横方向には２４０ｎｍの周期で仮想格子を形成していった。このようにして形成した仮想格子に通常の配置で補助パターンを配置していったときでもやはり所望パターンは解像した（図３７）。図３７は、ウエハ上における所望のパターンの空中像をあらわす図である。

本実施例では、補助パターンを通常の配置とした結果だけを示したが、本実施例の補助パターン挿入方法は通常の配置に限定されるものではない。すなわち、本実施例に記載されているような方法で仮想格子を決定したあとに、格子点と補助パターン中心が互い違いとなる配置で補助パターンを配置していってもよい。

以上において、この発明の特定の実施例を説明したが、この発明を説明したのと別の方法で実施してもよいことが判るであろう。この説明は、本発明を制限することを意図しない。本発明をあらゆるマスクパターンに適用できることにはっきりと注目されるべきである。

本実施形態によれば、異なる周期を持つパターンを一括してウエハ上に転写することが可能になる。さらに副次的効果として所望パターン部だけを配置したマスクよりも解像力が良くなる。このように、本実施形態によれば従来のフォトマスクを用いた投影露光装置による微細加工が可能になる。

以下、図１を参照して、本発明のマスクを露光する露光装置３００について説明する。ここで、図１は、本発明の例示的な露光装置３００の概略ブロック断面図である。露光装置３００は、図１に示すように、上述のマスクを照明する照明装置３１０と、照明されたマスクパターンから生じる回折光をプレート３４０に投影する投影光学系３３０と、プレート３４０を支持するステージ３４５とを有する。

露光装置３００は、例えば、ステップアンドスキャン方式やステップアンドリピート方式でマスク３２０に形成された回路パターンをプレート３４０に露光する投影露光装置である。かかる露光装置は、サブミクロンやクオーターミクロン以下のリソグラフィー工程に好適であり、以下、本実施形態ではステップアンドスキャン方式（「スキャナー」とも呼ばれる。）を例に説明する。ここで、「ステップアンドスキャン方式」は、マスクに対してウエハを連続的にスキャン（走査）してマスクパターンをウエハに露光すると共に、１ショットの露光終了後ウエハをステップ移動して、次の露光領域に移動する露光方法である。「ステップアンドリピート方式」は、ウエハの一括露光ごとにウエハをステップ移動して次のショットの露光領域に移動する露光方法である。

照明装置３１０は、転写用の回路パターンが形成されたマスク３２０を照明し、光源部３１２と、照明光学系３１４とを有する。

光源部３１２は、例えば、光源としては、波長約１９３ｎｍのＡｒＦエキシマレーザー、波長約２４８ｎｍのＫｒＦエキシマレーザー、波長約１５７ｎｍのＦ２エキシマレーザーなどを使用することができるが、光源の種類はエキシマレーザーに限定されないし、その光源の個数も限定されない。また、光源部３１２にレーザーが使用される場合、レーザー光源からの平行光束を所望のビーム形状に整形する光束整形光学系、コヒーレントなレーザー光束をインコヒーレント化するインコヒーレント化光学系を使用することが好ましい。

照明光学系３１４は、マスク３２０を照明する光学系であり、レンズ、ミラー、ライトインテグレーター、絞り等を含む。例えば、コンデンサーレンズ、ハエの目レンズ、開口絞り、コンデンサーレンズ、スリット、結像光学系の順で整列する等である。照明光学系３１４は、軸上光、軸外光を問わずに使用することができる。ライトインテグレーターは、ハエの目レンズや２組のシリンドリカルレンズアレイ（又はレンチキュラーレンズ）板を重ねることによって構成されるインテグレーター等を含むが、光学ロッドや回折素子に置換される場合もある。

マスク３２０は、例えば、石英製で、その上には転写されるべき回路パターン（又は像）が形成され、図示しないマスクステージに支持及び駆動される。マスク３２０から発せられた回折光は、投影光学系３３０を通りプレート３４０上に投影される。マスク３２０とプレート３４０は、光学的に共役の関係にある。本実施形態の露光装置３００はスキャナーであるため、マスク３２０とプレート３４０を縮小倍率比の速度比でスキャンすることによりマスク３２０のパターンをプレート３４０上に転写する。なお、ステップアンドリピート方式の露光装置（「ステッパー」とも呼ばれる。）の場合は、マスク３２０とプレート３４０を静止させた状態で露光が行われる。かかるマスク３２０には、上述の所望のパターンと補助パターンが形成される。

投影光学系３３０は、複数のレンズ素子のみからなる光学系、複数のレンズ素子と少なくとも一枚の凹面鏡とを有する光学系（カタディオプトリック光学系）、複数のレンズ素子と少なくとも一枚のキノフォームなどの回折光学素子とを有する光学系、全ミラー型の光学系等を使用することができる。色収差の補正が必要な場合には、互いに分散値（アッベ値）の異なるガラス材からなる複数のレンズ素子を使用したり、回折光学素子をレンズ素子と逆方向の分散が生じるように構成したりする。

プレート３４０は、ウエハや液晶基板などの被処理体でありフォトレジストが塗布されている。フォトレジスト塗布工程は、前処理と、密着性向上剤塗布処理と、フォトレジスト塗布処理と、プリベーク処理とを含む。前処理は、洗浄、乾燥などを含む。密着性向上剤塗布処理は、フォトレジストと下地との密着性を高めるための表面改質（即ち、界面活性剤塗布による疎水性化）処理であり、ＨＭＤＳ（Ｈｅｘａｍｅｔｈｙｌ−ｄｉｓｉｌａｚａｎｅ）などの有機膜をコート又は蒸気処理する。プリベークは、ベーキング（焼成）工程であるが現像後のそれよりもソフトであり、溶剤を除去する。

ステージ３４５は、プレート３４０を支持する。ステージ３４５は、当業界で周知のいかなる構成をも適用することができるので、ここでは詳しい構造及び動作の説明は省略する。例えば、ステージ３４５は、リニアモーターを利用してＸＹ方向にプレートを移動することができる。マスク３２０とプレート３４０は、例えば、同期走査され、ステージ３４５と図示しないマスクステージの位置は、例えば、レーザー干渉計などにより監視され、両者は一定の速度比率で駆動される。ステージ３４５は、例えば、ダンパを介して床等の上に支持されるステージ定盤上に設けられ、マスクステージ及び投影光学系３３０は、例えば、床等に載置されたベースフレーム上にダンパ等を介して支持される図示しない鏡筒定盤上に設けられる。

露光において、光源部３１２から発せられた光束は、照明光学系３１４によりマスク３２０を、例えば、ケーラー照明する。マスク３２０を通過してマスクパターンを反映する光は、投影光学系３３０によりプレート３４０に結像される。露光装置３００が使用するマスク３２０は、補助パターンが所望のパターンの結像性能を高め（例えば、円形に近づける）、焦点深度を増加するので作業性を高めて従来よりも高品位なデバイス（半導体素子、ＬＣＤ素子、撮像素子（ＣＣＤなど）、薄膜磁気ヘッドなど）を提供することができる。

次に、図７（ａ）及び図７（ｂ）を参照して、上述の露光装置を利用したデバイスの製造方法の実施例を説明する。図７（ａ）は、デバイス（ＩＣやＬＳＩなどの半導体チップ、ＬＣＤ、ＣＣＤ等）の製造を説明するためのフローチャートである。ここでは、半導体チップの製造を例に説明する。ステップ１（回路設計）ではデバイスの回路設計を行う。ステップ２（マスク製作）では、設計した回路パターンを形成したマスクを製作する。ステップ３（ウエハ製造）ではシリコンなどの材料を用いてウエハを製造する。ステップ４（ウェハプロセス）は前工程と呼ばれ、マスクとウエハを用いて本発明のリソグラフィー技術によってウエハ上に実際の回路を形成する。ステップ５（組み立て）は後工程と呼ばれ、ステップ４によって作成されたウエハを用いて半導体チップ化する工程であり、アッセンブリ工程（ダイシング、ボンディング）、パッケージング工程（チップ封入）等の工程を含む。ステップ６（検査）では、ステップ５で作成された半導体デバイスの動作確認テスト、耐久性テストなどの検査を行う。こうした工程を経て半導体デバイスが完成し、これが出荷（ステップ７）される。

図７（ｂ）は、ステップ４のウェハプロセスの詳細なフローチャートである。ステップ１１（酸化）ではウエハの表面を酸化させる。ステップ１２（ＣＶＤ）では、ウエハの表面に絶縁膜を形成する。ステップ１３（電極形成）では、ウエハ上に電極を蒸着などによって形成する。ステップ１４（イオン打ち込み）ではウエハにイオンを打ち込む。ステップ１５（レジスト処理）ではウエハに感光剤を塗布する。ステップ１６（露光）では、露光装置によってマスクの回路パターンをウエハに露光する。ステップ１７（現像）では、露光したウエハを現像する。ステップ１８（エッチング）では、現像したレジスト像以外の部分を削り取る。ステップ１９（レジスト剥離）では、エッチングが済んで不要となったレジストを取り除く。これらのステップを繰り返し行うことによってウエハ上に多重に回路パターンが形成される。本実施例のデバイス製造方法によれば、従来よりも高品位のデバイスを製造することができる。

本発明の一実施形態としての露光装置の単純化された光路図である。 位相シフトマスクとバイナリーマスクとハーフトーンマスクの概略断面図である。 通常のマスクと本発明の一側面としての露光方法に用いられるマスクの概略平面図、及び、所望のコンタクトホールパターンを示す図である。 本発明の露光方法に適用可能な照明系の有効光源の形状を示す図である。 所望のコンタクトホールパターンと本発明の露光方法に適用可能なマスクパターンの模式図である。 本発明の露光方法に適用可能なマスクパターンの模式図である。 図１に示す露光装置を使用するデバイス製造方法を説明するためのフローチャート及びそのステップ４のウェハプロセスの詳細なフローチャートである。 本発明の露光方法による露光結果を示す図である。 本発明の露光方法に適用可能なマスクの概略平面図である。 図９に示すマスクから生じた瞳面上での回折光の分布及び結像を模式的に示す図である。 本発明の露光方法に適用可能なマスクパターンとその結像状態を示す模式図である。 本発明の露光方法に適用可能なマスクパターンの模式図である。 本発明の露光方法に適用可能なマスクパターンの模式図である。 本発明の露光方法に適用可能なマスクの概略平面図である。 図１４に示すマスクから生じた瞳面上での回折光の分布を示す図である。 本発明の露光方法に適用可能なマスクパターンの模式図である。 本発明の露光方法に適用可能なマスクパターンの模式図である。 本発明の露光方法に適用可能なマスクパターンの模式図である。 本発明の露光方法に適用可能なマスクパターンの模式図である。 ２光束干渉を説明するための模式図である。 本発明の露光方法に適用可能なマスクパターンの模式図である。 本発明の露光方法に適用可能なマスクパターンの模式図である。 本発明の仮想格子の決定方法を説明するためのフローチャートである。 本発明によるマスクパターン及び照明条件を設定する方法を説明するためのフローチャートである。 ＯＰＣを説明するための平面図である。 本発明の露光方法に適用可能なマスクパターン作成方法を模式的に示す図である。 回折光の名前の定義を説明するための図である。 回折光の名前の定義を説明するための図である。 パターンの配列を示すための図である。 ウエハ面上での空中像の光強度分布を表すコンター図である。 ウエハ面上での空中像の光強度分布を表すコンター図である。 露光結果を示す図である。 パターンの配列を示すための図である。 パターンの配列を示すための図である。 露光結果を示す図である。 パターンの配列を示すための図である。 露光結果を示す図である。

符号の説明

２１ マスク基盤
２２ 遮光部材
２３ 位相シフタ
２４ ハーフトーン部材
３１、３４、５１、５２、６１、１１１、１２１、１３１、１６１、１７１、１８１、１９１−１９３、２１１、２２１ 所望パターン
３２、５３、６２、１１２、１２２、１３２、１６４、１６５、１７５、１７６、１８２、１８３、２１２、２２２ 補助パターン
３３、９２、１４２ 遮光部
４１Ａ−４１Ｆ 照明系光透過部
４２Ａ−４２Ｆ 照明系光遮光部
６３ 仮想格子
９１、１４１ マスク透光部
１０１ 瞳
１０２、１０１ａ−１０７ｂ 回折光
１０１ｇ 形成されたパターンの概略形状
１０１ｈ−１０４ｈ、１０２ｇ−１０３ｇ 形成されたパターンの概略形状
１１３Ａ、１１３Ｂ 像断面図
１２３ａ、１２３ｂ パターン領域
１６２、１６３、１７２−１７４ 集合としてのパターン
２０１ 光軸
２０２、２０３ 平面波の進行方向

Claims (4)

1. 複数のコンタクトホールパターンと、前記複数のコンタクトホールパターンよりも寸法が小さい複数の補助パターンとを有するマスクであって、
   前記マスクはバイナリーマスク又はハーフトーンマスクであって、前記複数のコンタクトホールパターン及び前記補助パターンの位相は同じであり、
   前記複数の補助パターンは、第１の補助パターンと複数の第２の補助パターンを含み、
   前記複数のコンタクトホールパターンの中心と前記第１の補助パターンの中心は直線上に等間隔に配置され、
   前記複数の第２の補助パターンの中心は、前記複数のコンタクトホールパターンのうち２つの隣接したパターンの中心から等距離にあり、
   前記複数の第２の補助パターンは、前記直線と前記第２の補助パターンの中心との距離が前記複数のコンタクトホールの周期に等しく、前記複数のコンタクトホールパターンの周期と同じ周期で前記直線の両側の前記直線と平行な直線上に配置されていることを特徴とするマスク。
2. 前記複数のコンタクトホールパターンが解像され且つ前記複数の補助パターンの解像が抑制されるように請求項１に記載の前記マスクを斜入射照明で照明し、前記マスクからの光で被処理体を露光することを特徴とする露光方法。
3. 複数のコンタクトホールパターンと、
   第１の補助パターンと複数の第２の補助パターンを含み、前記複数のコンタクトホールパターンよりも寸法の小さな複数の補助パターンとを有するマスクの設計方法であって、
   前記マスクはバイナリーマスク又はハーフトーンマスクであって、前記複数のコンタクトホールパターン及び前記補助パターンの位相を同じとして、
   前記コンタクトホールパターンの中心と前記第１の補助パターンの中心が直線上に等間隔に並ぶように前記第１の補助パターンを配置するステップと、
   前記複数の第２の補助パターンの中心が、前記複数のコンタクトホールパターンのうち２つの隣接したパターンの中心から等距離となり、前記直線と前記第２の補助パターンの中心との距離が前記複数のコンタクトホールの周期に等しく、前記複数のコンタクトホールパターンの周期と同じ周期で前記複数の第２の補助パターンを前記直線の両側の前記直線と平行な直線上に配置するステップを有することを特徴とするマスク設計方法。
4. 請求項１に記載のマスクを用いて前記被処理体を露光するステップと、
   前記露光された被処理体を現像するステップとを有するデバイス製造方法。