JP2008041710A - 照明光学装置、露光方法及び設計方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ピッチの異なる微細なパターンが近接して混在するパターニングを行うための露光にも対応し、レベンソン型位相シフトマスクの如き製造プロセスが煩雑で製造コストの高いフォトマスクを用いることなく、十分な製造プロセスマージンで微細なパターンを精度良く形成する。
【解決手段】Ｌ＆Ｓパターン２１，２２に対応すべく、２重極照明１，２からなる照射光の光強度分布を形成する。２重極照明１は一対の照明モード１１ａ，１１ｂから、２重極照明２は一対の照明モード１２ａ，１２ｂから構成される。
【選択図】図１

Description

本発明は、被照射対象を照明する照明光学装置と、この照明光学装置を備え、半導体装置や液晶表示装置等の各種デバイスを製造するためのリソグラフィーにおいて用いられる露光装置及び方法と、デバイスの設計方法とに関するものである。

半導体素子の高集積化に伴い、リソグラフィーで形成するパターンの微細化が進んでいる。微細パターンを精度良く形成する手法として、レベンソン型位相シフトマスクを用いた多重露光プロセスが提案されている。

この多重露光プロセスの手法について、図２１を用いて説明する。
例えば、半導体装置のロジック回路におけるゲート層を形成する場合、図２１（ａ）に示すように、シリコン基板上には素子分離領域１０１と、この素子分離領域１０１により画定された活性領域１０２とが存在する。通常、ゲート層は活性領域１０２を横断するように形成される。

このゲート層を形成する際に、先ず、通常のクロムマスク又はハーフトーン位相シフトマスク等である第１のフォトマスク１０３を用いて、シリコン基板のフォトレジスト（不図示）上に第１のマスクパターン１０４を露光する。その後、図２１（ｂ）に示すように、レベンソン型位相シフトマスクである第２のフォトマスク１０５を用いて、フォトレジスト上に第２のマスクパターン１０６を第１のマスクパターン１０４と重なるように露光（２重露光）する。

レベンソン型位相シフトマスクは、隣り合うマスクパターンの位相がπ（１８０°）ずれるように構成されている。このレベンソン型位相シフトマスクを用いて露光すると、その光強度が非常に急峻となり、また、比較的小さな照明系を用いることによって、非常に広い焦点深度を得ることができる。結果として、図２１（ｃ）に示すように、活性領域１０２上のみで幅狭とされたゲート層１１１が形成される。このように、２重（多重）露光でゲート層を形成する場合、単一露光に比べて極めて広い露光マージンを得ることができる。

特開２００１−１２６９８３号公報

レベンソン型位相シフトマスクは、上記のように極めて広い露光マージンで所望の微細加工が可能となる反面、その製造プロセスが煩雑であり、製造コストが高いという大きな問題を抱えている。また、レベンソン型位相シフトマスクの３次元的な構造の問題も軽視できない。レベンソン型位相シフトマスクを製造する際に、０−π間の遮光膜の下部が庇形状になっている。これは、各開口部を透過する光強度のアンバランスを解消するため、３次元構造としたものである。しかしながら、加工寸法の微細化が進み、この遮光膜が小さくなると、フォトマスクの製造上の大きな問題となることが予想される。

この点、多重露光プロセスとして、特許文献１の技術が提案されている。この技術は、１つの層のパターンを形成する際に、マスクデータを２つに分割し、その分割されたパターンを、それぞれのパターンに最適な照明系及び光学条件を用い、少なくとも１つの照明系として２重極照明を用いて転写するという技術である。レベンソン型位相シフトマスクを用いない多重露光プロセスであり、製造コストが廉価であるという点で有利である。しかしながらこの手法では、多数のパターンを露光する際に、１つのパターンに１つのフォトマスクを用いるため、十分な製造プロセスマージンを得ることができないという問題がある。

更に近時では、加工寸法の微細化と共に、ピッチの異なる微細パターンが近接して混在するようにパターニングする必要性が高まっており、このような構成に十分に対応した露光プロセスが求められている。この要求に応え得る手法として、上記の多重露光プロセスも有望な手法の一つであるが、上述のように十分な製造プロセスマージンを得ることは困難である。

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、ピッチの異なる微細なパターンが近接して混在するパターニングを行う露光にも対応し、レベンソン型位相シフトマスクの如き製造プロセスが煩雑で製造コストの高いフォトマスクを用いることなく、十分な製造プロセスマージンで微細なパターンを精度良く形成することが可能な信頼性の高い照明光学装置、露光装置、露光方法及び設計方法を提供することを目的とする。

本発明の照明光学装置は、照射光を発生させる光源と、前記照射光を集光させる集光光学系と、前記集光光学系を通過した前記照射光を制御して被照射対象に照射させる照明制御機構とを含み、前記照明制御機構は、前記被照射対象を照射する前記照射光の光強度分布を、複数の２重極照明又は複数の４重極照明を相異なる位置で組み合わせた照明状態となるように調節する。

本発明の露光装置は、前記被照射対象であるフォトマスクのマスクパターンを被転写対象に露光転写する露光装置であって、前記照明光学装置と、前記フォトマスクの前記マスクパターンを通過した前記照射光を前記被転写対象に集光させる投影光学系とを含む。

本発明の照明制御方法は、照射光を制御して被照射対象に照射させるに際して、前記被照射対象を照射する前記照射光の光強度分布を、複数の２重極照明又は複数の４重極照明を相異なる位置で組み合わせた照明状態となるように調節する。

本発明の設計方法は、パターン形成を行う際の設計方法であって、前記パターン形成の設計データに基づいて見積もられた製造プロセスマージンが基準値を満たしていない場合に、前記設計データを得た際の前記照明状態において、許容範囲を満たすように前記パターンの設計レイアウトを変更する第１の工程と、前記設計データを得た際の前記パターンの設計レイアウトにおいて、当該設計レイアウトに適合するように、フォトマスクを照射する照射光の光強度分布を、複数の２重極照明又は複数の４重極照明を相異なる位置で組み合わせた照明状態に調節するシミュレーションを行い、前記照明状態を最適化する第２の工程とのうちの一方の工程を選択的に実行する。

本発明の露光方法は、前記設計方法で得られた前記設計レイアウト及び前記照明状態に従って、前記フォトマスクのマスクパターンを前記被転写対象に露光転写する。

本発明によれば、ピッチの異なる微細なパターンが近接して混在するパターニングを行うための露光にも対応し、レベンソン型位相シフトマスクの如き製造プロセスが煩雑で製造コストの高いフォトマスクを用いることなく、十分な製造プロセスマージンで微細なパターンを精度良く形成することが可能となる。

−本発明の基本骨子−
本発明では、様々なパターンに対応した光照射を１回の露光で実現すべく、被照射対象（フォトマスク）を照射する照射光の光強度分布を、複数の２重極照明又は複数の４重極照明を相異なる位置で組み合わせた照明状態となるように調節する照明制御機構を備えた照明光学装置を提示する。

先ず、ピッチの異なる微細パターンが近接して混在するパターニングを行うための露光に対応すべく、最頻出のパターンが一方向に延在する、ピッチの異なる数種類の帯状パターンである場合を対象とする。ここでは、このようなパターンに対処する、複数の２重極照明を相異なる位置で組み合わせた照明状態とする場合について説明する。なお本発明では、当該パターンとしてピッチのみならず線幅も異なるものにも対処できる。

２重極照明とは、フォトマスクにおけるマスクパターンの延在方向と直交する仮想線上に一対（２つ）の照明モードを備えた照明態様である。
先ず、図１（ａ）に示すように、フォトマスク１００ａにおけるマスクパターンが、仮想波線Ｌ１と平行な方向に延在する、ピッチの異なる２種類のライン＆スペース（Ｌ＆Ｓ）パターン２１，２２を光照射する場合について説明する。

本発明では、Ｌ＆Ｓパターン２１，２２に対応すべく、図１（ｂ）に示すように、２重極照明１，２からなる照射光の光強度分布を形成する。２重極照明１は一対の照明モード１１ａ，１１ｂから、２重極照明２は一対の照明モード１２ａ，１２ｂから構成される。ここで、一対の照明モード１１ａ，１１ｂ間の距離Ｄ１と、一対の照明モード１２ａ，１２ｂ間の距離Ｄ２とが異なり（Ｄ１＜Ｄ２）、これら照明モード１１ａ，１１ｂ，１２ａ，１２ｂが仮想波線Ｌ１と直交する仮想波線Ｌ２と平行に並ぶように、照射光の光強度分布を形成する。各照明モード１１ａ，１１ｂ，１２ａ，１２ｂにおいて光強度分布がピーク値をとり、その他の遮光部分では光強度分布は０となる。

離間距離の短い照明モード１１ａ，１１ｂからなる２重極照明１が、ピッチの広いＬ＆Ｓパターン２１に対応して最適化された光強度分布を形成する。一方、離間距離の長い照明モード１２ａ，１２ｂからなる２重極照明２が、ピッチの狭いＬ＆Ｓパターン２２に対応して最適化された光強度分布を形成する。このように、ピッチの異なるＬ＆Ｓパターン２１，２２に対してそれぞれ別個に最適化された光照射を、１回の露光で実現することが可能となる。従って、十分な製造プロセスマージンを得て微細なパターンを精度良く形成することができる。

同様に、図２（ａ）に示すように、フォトマスク１００ｂにおけるマスクパターンが、仮想波線Ｌ２と平行な方向に延在する、ピッチの異なる２種類のＬ＆Ｓパターン２３，２４を光照射する場合について説明する。

本発明では、Ｌ＆Ｓパターン２３，２４に対応すべく、図２（ｂ）に示すように、２重極照明３，４からなる照射光の光強度分布を形成する。２重極照明３は一対の照明モード１３ａ，１３ｂから、２重極照明４は一対の照明モード１４ａ，１４ｂから構成される。ここで、一対の照明モード１３ａ，１３ｂ間の距離Ｄ３と、一対の照明モード１４ａ，１４ｂ間の距離Ｄ４とが異なり（Ｄ３＜Ｄ４）、これら照明モード１３ａ，１３ｂ，１４ａ，１４ｂが仮想波線Ｌ２と直交する仮想波線Ｌ１と平行に並ぶように、照射光の光強度分布を形成する。各照明モード１３ａ，１３ｂ，１４ａ，１４ｂにおいて光強度分布がピーク値をとり、その他の遮光部分では光強度分布は０となる。

離間距離の短い照明モード１３ａ，１３ｂからなる２重極照明３が、ピッチの広いＬ＆Ｓパターン２３に対応して最適化された光強度分布を形成する。一方、離間距離の長い照明モード１４ａ，１４ｂからなる２重極照明４が、ピッチの狭いＬ＆Ｓパターン２４に対応して最適化された光強度分布を形成する。このように、ピッチの異なるＬ＆Ｓパターン２３，２４に対してそれぞれ別個に最適化された光照射を、１回の露光で実現することが可能となる。従って、十分な製造プロセスマージンを得て微細なパターンを精度良く形成することができる。

また、フォトマスクにおけるマスクパターンが、仮想波線Ｌ２と平行な方向に延在する、ピッチの異なる３種類のライン＆スペース（Ｌ＆Ｓ）パターンを光照射する場合について説明する。図３（ａ）に示すように、２重極照明５，６，７からなる照射光の光強度分布を形成する。２重極照明５は一対の照明モード１５ａ，１５ｂから、２重極照明６は一対の照明モード１６ａ，１６ｂから、２重極照明７は一対の照明モード１７ａ，１７ｂから構成される。

ここで、一対の照明モード１５ａ，１５ｂ間の距離Ｄ３と、一対の照明モード１６ａ，１６ｂ間の距離Ｄ６と、一対の照明モード１７ａ，１７ｂ間の距離Ｄ７とが異なり（Ｄ５＜Ｄ６＜Ｄ７）、これら照明モード１５ａ，１５ｂ，１６ａ，１６ｂ，１７ａ，１７ｂが仮想波線Ｌ１と直交する仮想波線Ｌ２と平行に並ぶように、照射光の光強度分布を形成する。各照明モード１５ａ，１５ｂ，１６ａ，１６ｂ，１７ａ，１７ｂにおいて光強度分布がピーク値をとり、その他の遮光部分では光強度分布は０となる。

離間距離の最も短い照明モード１５ａ，１５ｂからなる２重極照明５が、ピッチの最も広いＬ＆Ｓパターンに対応して最適化された光強度分布を形成する。また、離間距離が中程度である照明モード１６ａ，１６ｂからなる２重極照明６が、ピッチが中程度であるＬ＆Ｓパターンに対応して最適化された光強度分布を形成する。そして、離間距離の最も長い照明モード１７ａ，１７ｂからなる２重極照明７が、ピッチの最も狭いＬ＆Ｓパターンに対応して最適化された光強度分布を形成する。このように、ピッチの異なる３種類のＬ＆Ｓパターンに対してそれぞれ別個に最適化された光照射を、１回の露光で実現することが可能となる。従って、十分な製造プロセスマージンを得て微細なパターンを精度良く形成することができる。

同様に、フォトマスクにおけるマスクパターンが、仮想波線Ｌ１と平行な方向に延在する、ピッチの異なる３種類のＬ＆Ｓパターンを光照射する場合について説明する。

図３（ｂ）に示すように、２重極照明８，９，１０からなる照射光の光強度分布を形成する。即ち、２重極照明８を構成する一対の照明モード１８ａ，１８ｂ間の距離Ｄ８と、２重極照明９を構成する一対の照明モード１９ａ，１９ｂ間の距離Ｄ９と、２重極照明１０を構成する一対の照明モード２０ａ，２０ｂ間の距離Ｄ１０とが異なり（Ｄ８＜Ｄ９＜Ｄ１０）、これら照明モード１８ａ，１８ｂ，１９ａ，１９ｂ，２０ａ，２０ｂが仮想波線Ｌ３と直交する仮想波線Ｌ４と平行に並ぶように、照射光の光強度分布を形成する。各照明モード１８ａ，１８ｂ，１９ａ，１９ｂ，２０ａ，２０ｂにおいて光強度分布がピーク値をとり、その他の遮光部分では光強度分布は０となる。

離間距離の最も短い照明モード１８ａ，１８ｂからなる２重極照明８が、ピッチの最も広いＬ＆Ｓパターンに対応して最適化された光強度分布を形成する。また、離間距離が中程度である照明モード１９ａ，１９ｂからなる２重極照明９が、ピッチが中程度であるＬ＆Ｓパターンに対応して最適化された光強度分布を形成する。そして、離間距離の最も長い照明モード２０ａ，２０ｂからなる２重極照明１０が、ピッチの最も狭いＬ＆Ｓパターンに対応して最適化された光強度分布を形成する。このように、ピッチの異なる３種類のＬ＆Ｓパターンに対してそれぞれ別個に最適化された光照射を、１回の露光で実現することが可能となる。従って、十分な製造プロセスマージンを得て微細なパターンを精度良く形成することができる。

以上説明したように、本発明における照明制御機構では、フォトマスクを照射する照射光の光強度分布を、ピッチの異なる同一延在方向のＬ＆Ｓパターンの数Ｎ（Ｎは２以上の整数：上記の例ではＮ＝２，３）に対応して、Ｎ種の２重極照明を相異なる位置で組み合わせた状態となるように調節すれば良い。

次いで、ピッチの異なる微細パターンが近接して混在するパターニングを行うための露光に対応すべく、最頻出のパターンが、第１の方向に延在するピッチの異なる数種類の帯状パターンと、第１の方向と直交する第２の方向に延在するピッチの異なる数種類の帯状パターンとからなる場合に対処する、複数の４重極照明を相異なる位置で組み合わせた照明状態とする場合について説明する。

４重極照明とは、フォトマスクにおける一方のマスクパターンの延在方向である第２の方向と直交する第１の方向の仮想線上に一対（２つ）の照明モードと、他方のマスクパターンの延在方向である第１の方向と直交する第２の方向の仮想線上に一対（２つ）の照明モードとを備えた照明態様である。

図４（ａ）に示すように、フォトマスク１００ｃにおけるマスクパターンが、仮想波線Ｌ１と平行な方向に延在する、ピッチの異なる２種類のライン＆スペース（Ｌ＆Ｓ）パターン２１，２２と、仮想波線Ｌ１と直交する仮想波線Ｌ２と平行な方向に延在する、ピッチの異なる２種類のＬ＆Ｓパターン２３，２４とを光照射する場合について説明する。

本発明では、Ｌ＆Ｓパターン２１，２２，２３，２４に対応すべく、図４（ｂ）に示すように、４重極照明３１，３２からなる照射光の光強度分布を形成する。ここで、４重極照明３１は、一対の照明モード４１ａ，４１ｂと、一対の照明モード４１ｃ，４１ｄとが組み合わされて構成される。４重極照明３２は、一対の照明モード４２ａ，４２ｂと、一対の照明モード４２ｃ，４２ｄとが組み合わされて構成される。

ここで、照明モード４１ａ，４１ｂ間の距離Ｄ１１と、一対の照明モード４２ａ，４２ｂ間の距離Ｄ１２とが異なり（Ｄ１１＜Ｄ１２）、これら照明モード４１ａ，４１ｂ，４２ａ，４２ｂが仮想波線Ｌ２と平行に並ぶように、照射光の光強度分布を形成する。同様に、照明モード４１ｃ，４１ｄ間の距離Ｄ１３と、一対の照明モード４２ｃ，４２ｄ間の距離Ｄ１４とが異なり（Ｄ１３＜Ｄ１４）、これら照明モード４１ｃ，４１ｄ，４２ｃ，４２ｄが仮想波線Ｌ１と平行に並ぶように、照射光の光強度分布を形成する。各照明モード４１ａ，４１ｂ，４１ｃ，４１ｄ，４２ａ，４２ｂ，４２ｃ，４２ｄにおいて光強度分布がピーク値をとり、その他の遮光部分では光強度分布は０となる。

照明モード間の離間距離の短い４重極照明３１のうち、照明モード４１ａ，４１ｂが、ピッチの広いＬ＆Ｓパターン２１に対応して最適化された光強度分布を形成する。また、照明モード４１ｃ，４１ｄが、ピッチの広いＬ＆Ｓパターン２３に対応して最適化された光強度分布を形成する。

一方、照明モード間の離間距離の長い４重極照明３２のうち、照明モード４２ａ，４２ｂが、ピッチの狭いＬ＆Ｓパターン２２に対応して最適化された光強度分布を形成する。また、照明モード４２ｃ，４２ｄが、ピッチの狭いＬ＆Ｓパターン２４に対応して最適化された光強度分布を形成する。

このように、４重極照明３１，３２を用いることにより、ピッチ、更には延在方向の異なるＬ＆Ｓパターン２１，２２，２３，２４に対してそれぞれ別個に最適化された光照射を、１回の露光で実現することが可能となる。従って、十分な製造プロセスマージンを得て微細なパターンを精度良く形成することができる。

なお、Ｌ＆Ｓパターン２１，２２，２３，２４がそれぞれ回転移動、例えば４５°回転したようなパターンに対応するには、図５に示すように、４重極照明３１，３２を同様に４５°回転した照明状態を適用すれば良い。

同様に、フォトマスクにおけるマスクパターンが、仮想波線Ｌ１と平行な方向に延在する、ピッチの異なる３種類のライン＆スペース（Ｌ＆Ｓ）パターンと、仮想波線Ｌ２と平行な方向に延在する、ピッチの異なる３種類のＬ＆Ｓパターンとを光照射する場合について説明する。

本発明では、上記のＬ＆Ｓパターンに対応すべく、図６に示すように、４重極照明３３，３４，３５からなる照射光の光強度分布を形成する。ここで、４重極照明３３は、一対の照明モード４３ａ，４３ｂと、一対の照明モード４３ｃ，４３ｄとが組み合わされて構成される。４重極照明３４は、一対の照明モード４４ａ，４４ｂと、一対の照明モード４４ｃ，４４ｄとが組み合わされて構成される。４重極照明３５は、一対の照明モード４５ａ，４５ｂと、一対の照明モード４５ｃ，４５ｄとが組み合わされて構成される。

ここで、照明モード４３ａ，４３ｂ間の距離Ｄ２１と、一対の照明モード４４ａ，４４ｂ間の距離Ｄ２２と、一対の照明モード４５ａ，４５ｂ間の距離Ｄ２３とが異なり（Ｄ２１＜Ｄ２２＜Ｄ２３）、これら照明モード４４ａ，４４ｂ，４５ａ，４５ｂ，４５ａ，４５ｂが仮想波線Ｌ２と平行に並ぶように、照射光の光強度分布を形成する。同様に、照明モード４３ｃ，４３ｄ間の距離Ｄ２４と、一対の照明モード４４ｃ，４４ｄ間の距離Ｄ２５と、一対の照明モード４５ｃ，４５ｄ間の距離Ｄ２６とが異なり（Ｄ２４＜Ｄ２５＜Ｄ２６）、これら照明モード４３ｃ，４３ｄ，４４ｃ，４４ｄ，４５ｃ，４５ｄが仮想波線Ｌ１と平行に並ぶように、照射光の光強度分布を形成する。各照明モード４３ａ，４３ｂ，４３ｃ，４３ｄ，４４ａ，４４ｂ，４４ｃ，４４ｄ，４５ａ，４５ｂ，４５ｃ，４５ｄにおいて光強度分布がピーク値をとり、その他の遮光部分では光強度分布は０となる。

照明モード間の離間距離の最も短い４重極照明３３のうち、照明モード４３ａ，４３ｂが、ピッチの最も広いＬ＆Ｓパターン（仮想波線Ｌ２に平行）に対応して最適化された光強度分布を形成する。また、照明モード４３ｃ，４３ｄが、ピッチの最も広いＬ＆Ｓパターン（仮想波線Ｌ１に平行）に対応して最適化された光強度分布を形成する。

照明モード間の離間距離が中程度された４重極照明３４のうち、照明モード４４ａ，４４ｂが、ピッチが中程度されたＬ＆Ｓパターン（仮想波線Ｌ２に平行）に対応して最適化された光強度分布を形成する。また、照明モード４４ｃ，４４ｄが、ピッチが中程度されたＬ＆Ｓパターン（仮想波線Ｌ１に平行）に対応して最適化された光強度分布を形成する。

照明モード間の離間距離の最も長い４重極照明３５のうち、照明モード４５ａ，４５ｂが、ピッチの最も狭いＬ＆Ｓパターン（仮想波線Ｌ２に平行）に対応して最適化された光強度分布を形成する。また、照明モード４５ｃ，４５ｄが、ピッチの最も狭いＬ＆Ｓパターン（仮想波線Ｌ１に平行）に対応して最適化された光強度分布を形成する。

このように、４重極照明３３，３４，３５を用いることにより、ピッチ、更には延在方向の異なるＬ＆Ｓパターンに対してそれぞれ別個に最適化された光照射を、１回の露光で実現することが可能となる。従って、十分な製造プロセスマージンを得て微細なパターンを精度良く形成することができる。

以上説明したように、本発明における照明制御機構では、フォトマスクを照射する照射光の光強度分布を、ピッチ、延在方向の異なるＬ＆Ｓパターンの数Ｎ（Ｎは２以上の整数：上記の例ではＮ＝２，３）に対応して、Ｎ種の４重極照明を相異なる位置で組み合わせた状態となるように調節すれば良い。

なお、フォトマスクに対して、図１（ｂ），図２（ｂ），図３，図４（ｂ），図５，図６のような光強度分布を得るには、以下の２種類の手法が考えられる。ここでは、図１（ｂ）の場合を例に採って説明する。

第１の手法としては、照明制御機構において、各照明モード１１ａ，１１ｂ，１２ａ，１２ｂに対応する開口（但し、開口の位置、サイズ、形状等は可変であり、厳密に当該照明モードの形状に対応するものである必要はない。）を備えた照明絞りを用いる。
第２の手法としては、照明制御機構において、複数のプリズムを含む光学系を用い、所定の位置に設置されたプリズムを駆使して、各照明モード１１ａ，１１ｂ，１２ａ，１２ｂを合成的に形成する。

−本発明を適用した好適な実施形態−
以下、上記した基本骨子を踏まえ、本発明を適用した好適な実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。

（露光装置の概略構成）
図７は、本実施形態による露光装置の概略構成を示す模式図である。
この露光装置は、いわゆる縮小投影露光を行うものであり、露光光を照射する照明光源１０１と、照射された露光光をフォトマスクの所望部位へ集光する集光光学系１０２と、集光光学系１０２を通過した露光光を制御して、フォトマスク１１０に照射させる照明制御機構１０３と、フォトマスクが載置固定されるレチクルステージ１０４と、フォトマスク１１０のマスクパターンを通過した露光光を被転写体の所望部位へ投影する投影光学系１０５と、被転写体が載置固定されるウェーハステージ１０６とを備えて構成されている。

照明光源１０１は、例えばＡｒＦエキシマレーザであり、波長１９３ｎｍのＡｒＦエキシマレーザ光を露光光として照射する。
集光光学系１０２は、露光光を集光する各種のレンズと、露光光の照度を均一化するフライアイレンズとを備えて構成されている。

照明制御機構１０３は、フォトマスクを照射する露光光の光強度分布を、複数の２重極照明、或いは複数の４重極照明を相異なる位置で組み合わせた照明状態となるように調節する。当該照明状態としては、複数の２重極照明の場合には、例えば図１（ｂ），図２（ｂ），図３，図４のように、複数の４重極照明の場合には、例えば図４（ｂ），図５，図６のように照明モードを組み合わせてなるものがある。

照明制御機構１０３は、各照明モードのサイズ、位置、形状等を変えた照明状態に調節することもできる。具体例として、図１（ｂ）の照明状態では、その円盤状の中心部から、照明モード１１ａと１１ｂ、照明モード１２ａと１２ｂが等間隔に形成されており、図２（ｂ）の照明状態では、その円盤状の中心部から、照明モード１３ａと１３ｂ、照明モード１４ａと１４ｂがそれぞれ等間隔に形成されている。これらの状態を規準位置とする。以下、図１（ｂ）の照明状態を規準位置とした場合について説明する。

照明状態Ａ１では、図８（ａ）に示すように、２重極照明１の照明モード１１ａ，１１ｂに比して、２重極照明２の照明モード１２ａ，１２ｂのサイズが大きくなるように調節されている。また、図８（ｂ）に示すように、照明状態Ａ２では、２重極照明２の照明モード１２ａ，１２ｂに比して、２重極照明１の照明モード１１ａ，１１ｂのサイズが大きくなるように調節されている。

照明状態Ａ３では、図８（ｃ）に示すように、２重極照明１の照明モード１１ａ，１１ｂ、２重極照明２の照明モード１２ａ，１２ｂ共に、各照明モードの位置が照明状態の規準位置から外側にシフトするように調節されている。また、照明状態Ａ４では、図８（ｄ）に示すように、２重極照明１の照明モード１１ａ，１１ｂ、２重極照明２の照明モード１２ａ，１２ｂ共に、各照明モードの位置が照明状態の規準位置から内側にシフトするように調節されている。

照明状態Ａ５では、図８（ｅ）に示すように、２重極照明１の照明モード１１ａ，１１ｂに比して、２重極照明２の照明モード１２ａ，１２ｂの形状が縦方向に伸張されるように調節されている。また、照明状態Ａ６では、図８（ｆ）に示すように、２重極照明２の照明モード１２ａ，１２ｂに比して、２重極照明１の照明モード１１ａ，１１ｂの形状が縦方向に伸張されるように調節されている。

照明状態Ａ７では、図８（ｇ）に示すように、２重極照明１の照明モード１１ａ，１１ｂに比して、２重極照明２の照明モード１２ａ，１２ｂの形状が横方向に伸張されるように調節されている。また、照明状態Ａ８では、図８（ｈ）に示すように、２重極照明２の照明モード１２ａ，１２ｂに比して、２重極照明１の照明モード１１ａ，１１ｂの形状が横方向に伸張されるように調節されている。

照明制御機構１０３により、露光光を上記の照明状態に調節には、露光光を絞り込む照明絞り（照明σ）の形状を調節する手法がある。即ち、照明絞り板を設置して、この照明絞り板の開口態様を可変とし、所定の照明状態となるように調節する。また、複数のプリズムを含む光学系を用い、所定の位置に設置されたプリズムを駆使して、所定の照明状態となるように調節する。このように、照明制御機構１０３は、フォトマスクに照射される照明状態を実質的に形成することから、図７では図示の便宜上、照明絞りの如く描かれている。

レチクルステージ１０４は、縮小投影するための各種のマスクパターンを備えたフォトマスクが載置固定される。
ウェーハステージ１０６は、被転写体であるレジスト膜が表面に形成された被被転写対象、ここでは導体ウェーハ１１１が載置固定されるものである。

本実施形態では、上記の露光装置のうち、照明光源１０１、集光光学系１０２、及び照明制御機構１０３から、被照射対象であるフォトマスクを光照射する照明光学装置が構成される。

この露光装置では、照明光源１０１から発生した露光光は、集光光学系１０２を通過し、照明制御機構１０３において所定の照明状態に調節され、フォトマスク１１０を照射する。そして、フォトマスク１１０を通過した露光光（回折光）は、投影光学系１０５において集光され、半導体ウェーハ１１１の表面に形成されたレジスト膜に入射し、当該レジスト膜にフォトマスク１１０のマスクパターン（の縮小像）が転写させる。

（ＭＯＳトランジスタの設計方法）
以下、デバイス、ここでは半導体装置（例えばＭＯＳトランジスタ）の設計方法について説明する。
図９は、半導体装置の設計方法を示すフロー図である。

先ず、ＭＯＳトランジスタの設計を行う（ステップＳ１）。ここで、パターン形成に際してリソグラフィーで用いる露光装置において、上述の照明状態が考慮される。
続いて、上記の設計結果に基づき光学シミュレーション（例えばフォトリソグラフィー・シミュレーション）を行う（ステップＳ２）。その後、光学シミュレーションの結果に基づいて、上記の設計結果から製造プロセスマージンが見積もられる。例えば、フォーカスマージンの規準値が０．２μｍであれば、全てのパターンについてこのフォーカスマージンの規準値を満たすか否かが判定される。なお、この見積もりについては、製造プロセスマージンを確認する手段により自動的に行うこともできる。

続いて、製造プロセスマージンの見積もり結果に基づき、全てのパターンについて製造プロセスマージンが必要相当に確保されている場合には、当該設計データが実際の半導体装置の製造に供される（ステップＳ３）。

一方、全て又は一部のパターンについて製造プロセスマージンが必要相当に確保されていない場合には、以下のステップＳ４又はＳ５が選択的に実行される。

ステップＳ４では、設計データを得た際の照明状態において、所定の許容範囲を満たすようにパターンの設計レイアウトを変更する。設計レイアウトの許容範囲は、当該パターンの果たす機能や、当該パターンの配置状況、例えば素子分離構造（ＳＴＩ（Shallow Trench Isolation）やＬＯＣＯＳ等）やコンタクト孔及びビア孔等の配置を考慮した、設計レイアウト変更を要する当該パターンの他のパターンとの関係における配置状況等を考慮して決定される。設計レイアウトの変更としては、例えば当該パターン（Ｌ＆Ｓパターン）のピッチを変える等が考えられる。

ステップＳ５では、設計データを得た際のパターンの設計レイアウトにおいて、当該設計レイアウトに適合するように、フォトマスクを照射する露光光の光強度分布を、複数の２重極照明又は複数の４重極照明を相異なる位置で組み合わせた照明状態に調節するシミュレーションを行い、照明状態を最適化する。

具体的に、複数の２重極照明を組み合わせた照明状態としては、図１（ｂ）、図２（ｂ）、図３、図４、例えば図１（ｂ）の照明状態を規準位置とした場合を例にとれば、図８（ａ）の照明状態Ａ１、図８（ｂ）の照明状態Ａ２、図８（ｃ）の照明状態Ａ３、図８（ｄ）の照明状態Ａ４、図８（ｅ）の照明状態Ａ５、図８（ｆ）の照明状態Ａ６、図８（ｇ）の照明状態Ａ７、図８（ｈ）の照明状態Ａ８等がある。照明状態の最適化を要するパターンの形成位置、幅、ピッチ等の諸条件に応じてシミュレーションが行われ、最適な照明状態が例えばこれらのうちから選択される。

そして、ステップＳ４又はＳ５が選択的に実行され、設計データが変更された後、ステップＳ３において、当該設計データが実際の半導体装置の製造に供される。

ここで、本実施形態において、ステップＳ４，Ｓ５に優先順位を設け、これらを実行するようにしても良い。
ステップＳ４をステップＳ５に優先して行う場合の設計フローを図１０に示す。この場合、ステップＳ１〜Ｓ３については図９と同様である。

全て又は一部のパターンについて製造プロセスマージンが必要相当に確保されていない場合には、先ずステップＳ４が実行される。
続いて、所定許容範囲を満たす設計レイアウトの変更が可能か否かを判定する（ステップ１１）。可能であると判定された場合には、ステップＳ３において、当該設計データが実際の半導体装置の製造に供される。不可能であると判定された場合には、ステップＳ５に進み、照明状態の最適化が探索される。そして、設計データが変更された後、ステップＳ３において、当該設計データが実際の半導体装置の製造に供される。

一方、ステップＳ５をステップＳ４に優先して行う場合の設計フローを図１１に示す。この場合、ステップＳ１〜Ｓ３については図９と同様である。

全て又は一部のパターンについて製造プロセスマージンが必要相当に確保されていない場合には、先ずステップＳ５が実行される。
続いて、露光装置の照明制御機構により実現可能な照明状態の範囲内で、照明状態の最適化が可能か否かを判定する（ステップ１２）。可能であると判定された場合には、ステップＳ３において、当該設計データが実際の半導体装置の製造に供される。不可能であると判定された場合には、ステップＳ４に進み、設計レイアウトが変更される。そして、設計データが変更された後、ステップＳ３において、当該設計データが実際の半導体装置の製造に供される。

なお、図９，図１０，図１１において、ステップＳ４，Ｓ５のいずれによっても製造プロセスマージンの基準値を満たすことができない場合も考えられる。この場合には、例えばステップＳ１に戻り、再びＭＯＳトランジスタの設計を行う構成を採るのが好適である。

（第１のパターン形成方法）
本方法では、フォトリソグラフィー技術により半導体基板上のフォトレジストにゲート層パターン、ここではピッチの異なる２種類のＬ＆Ｓパターンを転写する場合を例示する。ここで、ゲート層とは、素子分離領域上から活性領域上へかけて帯状に延在する導電部材であり、説明の便宜上、活性領域上の部分をゲート電極、素子分離領域上の部分をゲート配線と称することにする。
図１２は、第１のパターン形成方法で用いる一組のフォトマスクを示す概略平面図であり、図１３及び図１４は、第１のパターン形成方法を説明するための概略平面図である。

本方法では、図１２に示すように、第１のフォトマスク５１と、第２のフォトマスク５２とを用いて２重露光することにより、ゲート層を形成する。

第１のフォトマスク５１は、通常のクロムマスク又はハーフトーン位相シフトマスク等であり、図１２（ａ）に示すように、第１のマスクパターン５１ａ，５１ｂが形成されてなるものである。

第１のマスクパターン５１ａは、形成するゲート配線に対応した幅とされたＬ＆Ｓパターンである。
第１のマスクパターン５１ｂは、同様にゲート配線に対応した幅とされたＬ＆Ｓパターンであるが、第１のマスクパターン５１ａよりもピッチの狭いものである。

第２のフォトマスク５２は、第１のフォトマスク５１と同様に、レベンソン型位相シフトマスクではない通常のクロムマスク又はハーフトーン位相シフトマスク等であり、図１２（ｂ）に示すように、第２のマスクパターン５２ａ，５２ｂが形成されてなるものである。

第２のマスクパターン５２ａは、第１のマスクパターン５１ａと重なるように、形成するゲート電極に対応した幅（ゲート配線よりも幅狭）及びピッチとされ、第１のマスクパターン５１ａよりも幅狭のＬ＆Ｓパターンである。
第２のマスクパターン５２ｂは、第１のマスクパターン５１ｂと重なるように、形成するゲート電極に対応した幅（ゲート配線よりも幅狭）及びピッチとされ、第１のマスクパターン５１ｂよりも幅狭のＬ＆Ｓパターンである。

図１３（ａ）に示すように、被転写体であるシリコン基板には、素子分離領域６１と、この素子分離領域６１により画定された活性領域６２とが形成されている。この状態で活性領域６２上にゲート絶縁膜を形成し、活性領域６２上を含む全面に多結晶シリコン膜、及びシリコン酸化膜等のエッチング用ハードマスク（共に不図示）を順次形成して、反射防止膜（不図示）を形成する。その後、フォトレジスト６３を全面に塗布形成する。

先ず、図１３（ｂ）に示すように、第１のフォトマスク５１を用いて、シリコン基板上のフォトレジスト６３に第１のマスクパターン５１ａ，５１ｂを露光する。この露光により、フォトレジスト６３には、第１のマスクパターン５１ａ，５１ｂ（の縮小投影像）に倣って活性領域６２を横断して延在するゲート配線パターン５３ａ，５３ｂの潜像が転写される。

続いて、第２のフォトマスク５２を用いて、活性領域６２上で第１のマスクパターン５１ａ，５１ｂと重なるように、フォトレジスト６３に第２のマスクパターン５２ａ，５２ｂを露光する。本方法では、この露光の際に２種の２重極照明を相異なる位置で組み合わせた照明状態となるように、第２のフォトマスク５２を照射する露光光の光強度分布が調節された照明系を用いる。

具体的には、第２のマスクパターン５２ａ，５２ｂに対応した図１（ｂ）の照明状態を採用し、露光を行う。ここで、図１（ｂ）の２重極照明１（一対の照明モード１１ａ，１１ｂ）が第２のマスクパターン５２ａに対応して最適化されたものであり、２重極照明２（一対の照明モード１２ａ，１２ｂ）が第２のマスクパターン５２ｂに対応して最適化されたものである。

露光されるマスクパターンが、例えばレベンソン型位相シフトマスクを用いることで精度良く形成される程度の極めて微細なものであっても、通常のクロムマスク又はハーフトーン位相シフトマスク等において最頻出パターンに最適化された複数（上記の例では２種）の２重極照明で露光することにより、レベンソン型位相シフトマスクを用いた場合と同等の極めて広い製造プロセスマージンで精度良くマスクパターンの転写が可能となる。

このように、第２のマスクパターン５２ａ，５２ｂにそれぞれ最適化された２重極照明１，２が組み合わされてなる照明状態に光強度分布を調節して露光することにより、レベンソン型位相シフトマスクの如き特別なフォトマスクを用いずとも、縦方向に延在し、ピッチの異なる第２のマスクパターン５２ａ，５２ｂのそれぞれに対して非常に急峻な光強度を得ることが可能となる。従って、レベンソン型位相シフトマスクを用いた場合と同等の極めて広い製造プロセスマージンで、しかもピッチの異なる２種の第２のマスクパターン５２ａ，５２ｂをそれぞれに最適化された状態で精度良くフォトレジスト６３へ転写することが可能となる。

上記の２重露光により、図１３（ｃ）に示すように、フォトレジスト６３において、素子分離領域６１上では、第１のマスクパターン５１ａ，５１ｂに第２のマスクパターン５２ａ，５２ｂが重畳されないためにゲート配線パターン５３ａ，５３ｂの潜像が残存する。一方、活性領域６２上では、第１のマスクパターン５１ａに第２のマスクパターン５２ａが、第１のマスクパターン５１ｂに第２のマスクパターン５２ｂがそれぞれ重畳される。そのため、第２のマスクパターン５２ａ，５２ｂ（の縮小投影像）に倣って活性領域６２上で延在するゲート電極パターン５４ａ，５４ｂの潜像がフォトレジスト６３に転写される。

なお、上記した２重極照明の機能を有する偏光照明系を用いて上記の露光を行うようにしても良い。偏光照明系とは通常の無偏光状態の光を用いる照明系とは異なり、フォトマスク（レチクル）に照射される光が直線偏光状態となっているように構成された照明系であり、当該偏光照明系に２重極照明の機能を組み合わせて露光することにより、無偏光状態の時よりも更に光強度のコントラストが向上するという効果を奏する。

そして、フォトレジスト６３の現像等を行うことにより、図１４に示すように、レジストパターン６４，６５が形成される。

レジストパターン６４は、素子分離領域６１上では幅広のゲート配線パターン５３ａに対応したパターン６４ａが位置し、活性領域６２上ではゲート電極パターン５４ａに対応した、パターン６４ａよりも幅狭のパターン６４ｂが位置するように、パターン６４ａ，６４ｂが一体形成されてなるものである。

レジストパターン６５は、素子分離領域６１上では幅広のゲート配線パターン５３ｂに対応したパターン６５ａが位置し、活性領域６２上ではゲート電極パターン５４ｂに対応した、パターン６５ａよりも幅狭のパターン６５ｂが位置するように、パターン６５ａ，６５ｂが一体形成されてなるものである。

ここで、ゲート電極パターン５４ａ，５４ｂは、上記の２種の２重極照明１，２を用いた露光により、それぞれ大きな製造プロセスマージンが確保され、極めて精度良くフォトレジスト６３に転写されたものであるため、パターン６４ｂ，６５ｂは所期の微細幅に精度良く形成される。

なお、第１のフォトマスク５１及び第２のフォトマスク５２の少なくとも一方について、いわゆる補助パターンを形成するようにしても良い。
具体的には、第１のフォトマスク５１（及び／又は第２のフォトマスク５２）の第１のマスクパターン５１ａ，５１ｂ（及び／又は第２のマスクパターン５２ａ，５２ｂ）と平行に縞状のピッチパターンとして並設された複数の補助マスクパターンを設ける。補助マスクパターンは、第１のマスクパターン５１ａ，５１ｂ（及び／又は第２のマスクパターン５２ａ，５２ｂ）を露光する際のプロセスマージンを更に向上させるべく形成されるものである。

以下では便宜上、第１のフォトマスク５１のみに補助マスクパターンを設けた場合を例に採って説明する。
通常、補助パターンは、マスクパターンの露光を補助するものであることから、自身は転写されない状態にある（例えば、露光限界以下の幅に形成されている）ことを要する。このように補助パターンは、極めて大きなプロセスマージンを得られる反面、そのサイズには大きな制約が課されるものである。これに対して上記の場合では、補助マスクパターンの露光部分は第２のフォトマスク５２の光透過部分に相当するため、補助マスクパターンを殊更に転写されない状態に形成する必要はない。従って、仮に第１のフォトマスク５１のみを用いた単独露光を行った場合に、第１のマスクパターン５１ａ，５１ｂと共に転写される程度のサイズに補助マスクパターンを形成することができる。即ちこの場合では、補助マスクパターンのサイズに制約が課されることなく、極めて大きなプロセスマージンを得られることになる。

（第２のパターン形成方法）
本方法では、フォトリソグラフィー技術により半導体基板上のフォトレジストにゲート層パターン、ここではピッチの異なる２種類の状態と、パターンの延在方向が互いに直交する２種類の状態とにより種別された、４種類のＬ＆Ｓパターンを転写する場合を例示する。
図１５は、第２のパターン形成方法で用いる一組のフォトマスクを示す概略平面図であり、図１６〜図１９は、第２のパターン形成方法を説明するための概略平面図である。

本方法では、図１５に示すように、第１のフォトマスク７１と、第２のフォトマスク７２とを用いて２重露光することにより、ゲート層を形成する。

第１のフォトマスク７１は、通常のクロムマスク又はハーフトーン位相シフトマスク等であり、図１５（ａ）に示すように、第１のマスクパターン７１ａ，７１ｂ，７１ｃ，７１ｄが形成されてなるものである。
第１のマスクパターン７１ａは、形成するゲート配線に対応した幅とされたＬ＆Ｓパターンである。
第１のマスクパターン７１ｂは、同様にゲート配線に対応した幅とされたＬ＆Ｓパターンであるが、第１のマスクパターン７１ａよりもピッチの狭いものである。
第１のマスクパターン７１ｃは、第１のマスクパターン７１ａと同様のピッチとされているが、延在方向がこれと直交する方向とされたものである。
第１のマスクパターン７１ｄは、第１のマスクパターン７１ｂと同様のピッチとされているが、延在方向がこれと直交する方向とされたものである。

第２のフォトマスク７２は、第１のフォトマスク７１と同様に、レベンソン型位相シフトマスクではない通常のクロムマスク又はハーフトーン位相シフトマスク等であり、図１５（ｂ）に示すように、第２のマスクパターン７２ａ，７２ｂ，７２ｃ，７２ｄが形成されてなるものである。

第２のマスクパターン７２ａは、第１のマスクパターン７１ａと重なるように、形成するゲート電極に対応した幅（ゲート配線よりも幅狭）及びピッチとされ、第１のマスクパターン７１ａよりも幅狭のＬ＆Ｓパターンである。
第２のマスクパターン７２ｂは、第１のマスクパターン７１ｂと重なるように、形成するゲート電極に対応した幅（ゲート配線よりも幅狭）及びピッチとされ、第１のマスクパターン７１ｂよりも幅狭のＬ＆Ｓパターンである。
第２のマスクパターン７２ｃは、第１のマスクパターン７１ｃと重なるように、形成するゲート電極に対応した幅（ゲート配線よりも幅狭）及びピッチとされ、第１のマスクパターン７１ｃよりも幅狭のＬ＆Ｓパターンである。
第２のマスクパターン７２ｄは、第１のマスクパターン７１ｄと重なるように、形成するゲート電極に対応した幅（ゲート配線よりも幅狭）及びピッチとされ、第１のマスクパターン７１ｄよりも幅狭のＬ＆Ｓパターンである。

図１６に示すように、被転写体であるシリコン基板には、素子分離領域６１と、この素子分離領域６１により画定された活性領域６２ａ，６２ｂ，６２ｃとが形成されている。この状態で、活性領域６２ａ，６２ｂ，６２ｃ上にゲート絶縁膜を形成し、活性領域６２ａ，６２ｂ，６２ｃ上を含む全面に多結晶シリコン膜、及びシリコン酸化膜などのエッチング用ハードマスク（共に不図示）を順次形成し、反射防止膜（不図示）を形成する。その後、フォトレジスト６３を全面に塗布形成する。

先ず、図１７に示すように、第１のフォトマスク７１を用いて、シリコン基板上のフォトレジスト６３に第１のマスクパターン７１ａ，７１ｂ，７１ｃ，７１ｄを露光する。この露光により、フォトレジスト６３には、第１のマスクパターン７１ａ，７１ｂ，７１ｃ，７１ｄ（の縮小投影像）に倣って活性領域６２ａを横断して延在するゲート配線パターン７３ａ，７３ｂと、活性領域６２ｂを横断して延在するゲート配線パターン７３ｃと、活性領域６２ｃを横断して延在するゲート配線パターン７３ｄの潜像が転写される。

続いて、第２のフォトマスク７２を用いて、活性領域６２上で第１のマスクパターン７１ａ，７１ｂ，７１ｃ，７１ｄと重なるように、フォトレジスト６３に第２のマスクパターン７２ａ，７２ｂ，７２ｃ，７２ｄを露光する。本方法では、この露光の際に２種の４重極照明を相異なる位置で組み合わせた照明状態となるように、第２のフォトマスク７２を照射する露光光の光強度分布が調節された照明系を用いる。

具体的には、第２のマスクパターン７２ａ，７２ｂ，７２ｃ，７２ｄに対応した図４（ｂ）の照明状態を採用し、露光を行う。ここで、図４（ｂ）の４重極照明３１（一対の照明モード４１ａ，４１ｂ）が第２のマスクパターン７２ａ，７２ｃに対応して最適化されたものであり、４重極照明３２（一対の照明モード４２ａ，４２ｂ）が第２のマスクパターン７２ｂ，７２ｄに対応して最適化されたものである。

露光されるマスクパターンが、例えばレベンソン型位相シフトマスクを用いることで精度良く形成される程度の極めて微細なものであっても、通常のクロムマスク又はハーフトーン位相シフトマスク等において最頻出パターンに最適化された複数（上記の例では２種）の４重極照明で露光することにより、レベンソン型位相シフトマスクを用いた場合と同等の極めて広い製造プロセスマージンで精度良くマスクパターンの転写が可能となる。

このように、第２のマスクパターン７２ａと７２ｃ，７２ｂと７２ｄにそれぞれ最適化された４重極照明３１，３２が組み合わされてなる照明状態に光強度分布を調節して露光することにより、レベンソン型位相シフトマスクの如き特別なフォトマスクを用いずとも、互いに直交する方向に延在し、ピッチの異なる第２のマスクパターン７２ａ，７２ｂ，７２ｃ，７２ｄにそれぞれに対して非常に急峻な光強度を得ることが可能となる。従って、レベンソン型位相シフトマスクを用いた場合と同等の極めて広い製造プロセスマージンで、しかも延在方向、ピッチの異なる４種の第２のマスクパターン７２ａ，７２ｂ，７２ｃ，７２ｄをそれぞれに最適化された状態で精度良くフォトレジスト６３へ転写することが可能となる。

上記の４重露光により、図１８に示すように、フォトレジスト６３において、活性領域６２ａを囲む素子分離領域６１上では、第１のマスクパターン７１ａ，７１ｂに第２のマスクパターン７２ａ，７２ｂが重畳されないためにゲート配線パターン７３ａ，７３ｂの潜像が残存する。一方、活性領域６２ａ上では、第１のマスクパターン７１ａに第２のマスクパターン７２ａが、第１のマスクパターン７１ｂに第２のマスクパターン７２ｂがそれぞれ重畳される。そのため、第２のマスクパターン７２ａ，７２ｂ（の縮小投影像）に倣って活性領域６２ａ上で延在するゲート電極パターン７４ａ，７４ｂの潜像がフォトレジスト６３に転写される。

同様に、上記の４重露光により、フォトレジスト６３において、活性領域６２ｂを囲む素子分離領域６１上では、第１のマスクパターン７１ｃに第２のマスクパターン７２ｃが重畳されないためにゲート配線パターン７３ｃの潜像が残存する。一方、活性領域６２ｂ上では、第１のマスクパターン７１ｃに第２のマスクパターン７２ｃが重畳される。そのため、第２のマスクパターン７２ｃ（の縮小投影像）に倣って活性領域６２ｂ上で延在するゲート電極パターン７４ｃの潜像がフォトレジスト６３に転写される。

同様に、上記の４重露光により、フォトレジスト６３において、活性領域６２ｃを囲む素子分離領域６１上では、第１のマスクパターン７１ｄに第２のマスクパターン７２ｄが重畳されないためにゲート配線パターン７３ｄの潜像が残存する。一方、活性領域６２ｃ上では、第１のマスクパターン７１ｄに第２のマスクパターン７２ｄが重畳される。そのため、第２のマスクパターン７２ｄ（の縮小投影像）に倣って活性領域６２ｃ上で延在するゲート電極パターン７４ｄの潜像がフォトレジスト６３に転写される。

なお、上記した４重極照明の機能を有する偏光照明系を用いて上記の露光を行うようにしても良い。偏光照明系とは通常の無偏光状態の光を用いる照明系とは異なり、フォトマスク（レチクル）に照射される光が直線偏光状態となっているように構成された照明系であり、当該偏光照明系に４重極照明の機能を組み合わせて露光することにより、無偏光状態の時よりも更に光強度のコントラストが向上するという効果を奏する。

そして、フォトレジスト６３の現像等を行うことにより、図１９に示すように、レジストパターン８１，８２，８３，８４が形成される。

レジストパターン８１は、素子分離領域６１上では幅広のゲート配線パターン７３ａに対応したパターン８１ａが位置し、活性領域６２ａ上ではゲート電極パターン７４ａに対応した、パターン８１ａよりも幅狭のパターン８１ｂが位置するように、パターン８１ａ，８１ｂが一体形成されてなるものである。

レジストパターン８２は、素子分離領域６１上では幅広のゲート配線パターン７３ｂに対応したパターン８２ａが位置し、活性領域６２ａ上ではゲート電極パターン７４ｂに対応した、パターン８２ａよりも幅狭のパターン８２ｂが位置するように、パターン８２ａ，８２ｂが一体形成されてなるものである。

レジストパターン８３は、素子分離領域６１上では幅広のゲート配線パターン７３ｃに対応したパターン８３ａが位置し、活性領域６２ｂ上ではゲート電極パターン７４ｃに対応した、パターン８３ａよりも幅狭のパターン８３ｂが位置するように、パターン８３ａ，８３ｂが一体形成されてなるものである。

レジストパターン８４は、素子分離領域６１上では幅広のゲート配線パターン７３ｄに対応したパターン８４ａが位置し、活性領域６２ｃ上ではゲート電極パターン７４ｄに対応した、パターン８４ａよりも幅狭のパターン８４ｂが位置するように、パターン８４ａ，８４ｂが一体形成されてなるものである。

ここで、ゲート電極パターン７４ａ，７４ｂ，７４ｃ，７４ｄは、上記の２種の４重極照明３１，３２を用いた露光により、それぞれ大きな製造プロセスマージンが確保され、極めて精度良くフォトレジスト６３に転写されたものであるため、パターン８１ｂ，８２ｂ，８３ｂ，８４ｂは所期の微細幅に精度良く形成される。

なお、第１のフォトマスク７１及び第２のフォトマスク７２の少なくとも一方について、いわゆる補助パターンを形成するようにしても良い。
具体的には、第１のフォトマスク７１（及び／又は第２のフォトマスク７２）の第１のマスクパターン７１ａ，７１ｂ，７１ｃ，７１ｄ（及び／又は第２のマスクパターン７２ａ，７２ｂ，７２ｃ，７２ｄ）と平行に縞状のピッチパターンとして並設された複数の補助マスクパターンを設ける。補助マスクパターンは、第１のマスクパターン７１ａ，７１ｂ，７１ｃ，７１ｄ（及び／又は第２のマスクパターン７２ａ，７２ｂ，７２ｃ，７２ｄ）を露光する際のプロセスマージンを更に向上させるべく形成されるものである。

以下では便宜上、第１のフォトマスク７１のみに補助マスクパターンを設けた場合を例に採って説明する。
通常、補助パターンは、マスクパターンの露光を補助するものであることから、自身は転写されない状態にある（例えば、露光限界以下の幅に形成されている）ことを要する。このように補助パターンは、極めて大きなプロセスマージンを得られる反面、そのサイズには大きな制約が課されるものである。これに対して上記の場合では、補助マスクパターンの露光部分は第２のフォトマスク７２の光透過部分に相当するため、補助マスクパターンを殊更に転写されない状態に形成する必要はない。従って、仮に第１のフォトマスク７１のみを用いた単独露光を行った場合に、第１のマスクパターン７１ａ，７１ｂ，７１ｃ，７１ｄと共に転写される程度のサイズに補助マスクパターンを形成することができる。即ちこの場合では、補助マスクパターンのサイズに制約が課されることなく、極めて大きなプロセスマージンを得られることになる。

（ＭＯＳトランジスタの製造方法）
本実施形態では、上記のパターン形成方法を用いてゲート層を形成し、当該ゲート層を備えた例えばＭＯＳトランジスタを作製する。ここでは、上記した第１のパターン形成方法を用いてゲート層を形成する場合について例示する。勿論、上記した第２のパターン形成方法を適用しても好適である。

図２０（ａ）は、作製されたＭＯＳトランジスタを示す概略断面図であり、図２０（ｂ）は、ゲート層が形成された様子を示す概略平面図である。ここでは上記した第１のパターン形成方法を用いるため、ピッチの異なる２種類のＬ＆Ｓパターンを転写するが、以下では図示等の便宜上、１種のゲート層のみを示す。

先ず、シリコン基板に、素子分離領域２１１として、例えばＳＴＩ（Shallow Trench Isolation）法により素子分離構造を形成し、活性領域２１２を画定する。
続いて、活性領域２１２の表面を例えば熱酸化して、薄いゲート絶縁膜２１３を形成する。このゲート絶縁膜２１３上を含む全面に導電膜、例えば多結晶シリコン膜（不図示）をＣＶＤ法等により堆積する。

続いて、上記した第１のパターン形成方法を用いてレジストパターン６４，６５を形成する。そして、このレジストパターン６４，６５をマスクとして用いたドライエッチングにより多結晶シリコン膜を加工し、レジストパターン６４，６５に倣った形状の２種のゲート層を形成する。ここでは、例えばレジストパターン６４に対応するゲート層２１４のみを示す。このゲート層２１４は、図２０（ｂ）に示すように、素子分離領域２１１上では幅広のゲート配線２１４ａが位置し、活性領域２１２上ではゲート絶縁膜２１３を介して、ゲート配線２１４ａよりも幅狭のゲート電極２１４ｂが位置するように、ゲート配線２１４ａとゲート電極２１４ｂとが一体形成されてなるものである。

続いて、レジストパターン６４，６５を灰化処理等により除去した後、ゲート電極２２２ｂをマスクとして活性領域２１２の表層に不純物（ＰＭＯＳトランジスタであればホウ素（Ｂ⁺）等、ＮＭＯＳトランジスタであればリン（Ｐ⁺）、砒素（Ａｓ⁺）等）を比較的低濃度にイオン注入し、ＬＤＤ領域２１５を形成する。

続いて、ゲート層２１４を覆うように全面に絶縁膜、例えばシリコン酸化膜（不図示）をＣＶＤ法等により堆積し、このシリコン酸化膜の全面を異方性エッチング（エッチバック）する。このエッチバックにより、ゲート電極２１４ｂの両側面のみにシリコン酸化膜を残し、サイドウォールスペーサ２１６を形成する。

続いて、ゲート電極２１４ｂ及びサイドウォールスペーサ２１６をマスクとして、活性領域２１２の表層に不純物（ＰＭＯＳトランジスタであればホウ素（Ｂ⁺）等、ＮＭＯＳトランジスタであればリン（Ｐ⁺）、砒素（Ａｓ⁺）等）を、ＬＤＤ領域２１５よりも高濃度にイオン注入し、ＬＤＤ領域２１５と一部重畳されるソース／ドレイン領域２１７を形成する。

しかる後、層間絶縁膜及びソース／ドレイン領域２１７と電気的に接続される配線層等の形成工程を経て、ＭＯＳトランジスタを完成させる。

以上説明したように、本実施形態によれば、ピッチの異なる微細なパターンが近接して混在するパターニングを行うための露光にも対応し、レベンソン型位相シフトマスクの如き製造プロセスが煩雑で製造コストの高いフォトマスクを用いることなく、十分な製造プロセスマージンで微細なパターンを精度良く形成することが可能となる。
このパターン形成方法を、ゲート層２１４の形成に適用することにより、所望の微細幅のゲート層２１４を備えた微細なＭＯＳトランジスタを精度良く作製することができる。

以下、本発明の諸態様を付記としてまとめて記載する。

（付記１）照射光を発生させる光源と、
前記照射光を集光させる集光光学系と、
前記集光光学系を通過した前記照射光を制御して被照射対象に照射させる照明制御機構と
を含み、
前記照明制御機構は、前記被照射対象を照射する前記照射光の光強度分布を、複数の２重極照明又は複数の４重極照明を相異なる位置で組み合わせた照明状態となるように調節することを特徴とする照明光学装置。

（付記２）前記照明状態は、当該照明状態を構成する一組の照明モードのサイズが前記照明状態毎に調節されてなることを特徴とする付記１に記載の照明光学装置。

（付記３）前記照明状態は、当該照明状態を構成する一組の照明モードの位置が前記照明状態の規準位置から内側又は外側にシフトするように前記２重極照明毎に調節されてなることを特徴とする付記１又は２に記載の照明光学装置。

（付記４）前記照明状態は、当該照明状態を構成する一組の照明モードの形状が前記照明状態毎に調節されてなることを特徴とする付記１〜３のいずれか１項に記載の照明光学装置。

（付記５）前記被照射対象であるフォトマスクのマスクパターンを被転写対象に露光転写する露光装置であって、
付記１〜４のいずれか１項に記載の照明光学装置と、
前記フォトマスクの前記マスクパターンを通過した前記照射光を前記被転写対象に集光させる投影光学系と
を含むことを特徴とする露光装置。

（付記６）前記照明光学装置は、前記２重極照明又は前記４重極照明の機能を有する偏光照明系を構成することを特徴とする付記５に記載の露光装置。

（付記７）照射光を制御して被照射対象に照射させるに際して、
前記被照射対象を照射する前記照射光の光強度分布を、複数の２重極照明又は複数の４重極照明を相異なる位置で組み合わせた照明状態となるように調節することを特徴とする照明制御方法。

（付記８）前記照明状態は、当該照明状態を構成する一組の照明モードのサイズが前記照明状態毎に調節されてなることを特徴とする付記７に記載の照明制御方法。

（付記９）前記照明状態は、当該照明状態を構成する一組の照明モードの位置が前記照明状態の規準位置から内側又は外側にシフトするように前記２重極照明毎に調節されてなることを特徴とする付記７又は８に記載の照明制御方法。

（付記１０）前記照明状態は、当該照明状態を構成する一組の照明モードの形状が前記照明状態毎に調節されてなることを特徴とする付記７〜９のいずれか１項に記載の照明制御方法。

（付記１１）パターン形成を行う際の設計方法であって、
前記パターン形成の設計データに基づいて見積もられた製造プロセスマージンが基準値を満たしていない場合に、
前記設計データを得た際の前記照明状態において、許容範囲を満たすように前記パターンの設計レイアウトを変更する第１の工程と、
前記設計データを得た際の前記パターンの設計レイアウトにおいて、当該設計レイアウトに適合するように、フォトマスクを照射する照射光の光強度分布を、複数の２重極照明又は複数の４重極照明を相異なる位置で組み合わせた照明状態に調節するシミュレーションを行い、前記照明状態を最適化する第２の工程と
のうちの一方の工程を選択的に実行することを特徴とする設計方法。

（付記１２）前記一方の工程を選択的に実行するに際して、前記第１の工程を実行し、
前記第１の工程で前記許容範囲を満たさない場合に、前記第２の工程を実行することを特徴とする付記１１に記載の設計方法。

（付記１３）前記一方の工程を選択的に実行するに際して、前記第２の工程を実行し、
前記第２の工程で前記設計レイアウトに適合する最適な前記照明状態が見出されない場合に、前記第１の工程を実行することを特徴とする付記１１に記載の設計方法。

（付記１４）前記照明状態は、当該照明状態を構成する一組の照明モードのサイズを、前記照明状態毎に調節するものであることを特徴とする付記１１〜１３のいずれか１項に記載の設計方法。

（付記１５）前記照明状態は、当該照明状態を構成する一組の照明モードの位置を、前記照明状態の規準位置から内側又は外側にシフトするように、前記２重極照明毎に調節するものであることを特徴とする付記１１〜１４のいずれか１項に記載の設計方法。

（付記１６）前記照明状態は、当該照明状態を構成する一組の照明モードの形状を、前記照明状態毎に調節するものであることを特徴とする付記１１〜１５のいずれか１項に記載の設計方法。

（付記１７）付記１１〜１６のいずれか１項に記載の設計方法で得られた前記設計レイアウト及び前記照明状態に従って、前記フォトマスクのマスクパターンを前記被転写対象に露光転写することを特徴とする露光方法。

（付記１８）第１のフォトマスクを用いて第１のマスクパターンを被転写体に露光する第１のステップと、
第２のフォトマスクを用いて第２のマスクパターンを、少なくとも一部が前記第１のマスクパターンと重畳されるように前記被転写体に露光する第２のステップと
を含み、前記第１のマスクパターンと前記第２のマスクパターンとの合成露光により、前記被転写体にパターンを転写するに際して、
前記第１のステップ及び前記第２のステップの少なくとも一方において、前記照明状態を用いて露光を行うことを特徴とする付記１７に記載の露光方法。

（付記１９）前記第２のステップにおいて、前記第２のフォトマスクとしてクロムマスク又はハーフトーン型位相シフトマスクを用い、前記各第１のマスクパターンよりも微細な前記各第２のマスクパターンを前記被転写体に露光することを特徴とする付記１８に記載の露光方法。

本発明における照明態様を説明するための模式図である。 本発明における照明態様を説明するための模式図である。 本発明における照明態様を説明するための模式図である。 本発明における照明態様を説明するための模式図である。 本発明における照明態様を説明するための模式図である。 本発明における照明態様を説明するための模式図である。 本実施形態による露光装置の概略構成を示す模式図である。 ２重極照明の各照明状態を示す模式図である。 本実施形態による半導体装置の設計方法を示すフロー図である。 本実施形態による半導体装置の設計方法の他の例を示すフロー図である。 本実施形態による半導体装置の設計方法の他の例を示すフロー図である。 第１のパターン形成方法で用いる一組のフォトマスクを示す概略平面図である。 図１２のフォトマスクのマスクパターンが転写される様子を示す概略平面図である。 第１のパターン形成方法により形成されたフォトレジストを示す概略平面図である。 第２のパターン形成方法で用いる一組のフォトマスクを示す概略平面図である。 第２のパターン形成方法によるパターン形成方法を説明するための概略平面図である。 第２のパターン形成方法によるパターン形成方法を説明するための概略平面図である。 第２のパターン形成方法によるパターン形成方法を説明するための概略平面図である。 第２のパターン形成方法により形成されたフォトレジストを示す概略平面図である。 作製されたＭＯＳトランジスタを示す模式図である。 従来の２重露光プロセスの一例を示す概略平面図である。

符号の説明

１〜１０ ２重極照明
１１ａ，１１ｂ，１２ａ，１２ｂ，１３ａ，１３ｂ，１４ａ，１４ｂ，１５ａ，１５ｂ，１６ａ，１６ｂ，１７ａ，１７ｂ，１８ａ，１８ｂ，１９ａ，１９ｂ，２０ａ，２０ｂ， ４１ａ，４１ｂ，４１ｃ，４１ｄ，４２ａ，４２ｂ，４２ｃ，４２ｄ，４３ａ，４３ｂ，４３ｃ，４３ｄ，４４ａ，４４ｂ，４４ｃ，４４ｄ，４５ａ，４５ｂ，４５ｃ，４５ｄ 照明モード
２１，２２，２３，３４ ライン＆スペース（Ｌ＆Ｓ）パターン
３１〜３５ ４重極照明
５１，７１ 第１のフォトマスク
５２，７２ 第２のフォトマスク
５１ａ，５１ｂ，７１ａ，７１ｂ，７１ｃ，７１ｄ 第１のマスクパターン
５２ａ，５２ｂ，７２ａ，７２ｂ，７２ｃ，７２ｄ 第２のマスクパターン
５３ａ，５３ｂ，７３ａ，７３ｂ，７３ｃ，７３ｄ ゲート配線パターン
５４ａ，５４ｂ，７４ａ，７４ｂ，７４ｃ，７４ｄ ゲート電極パターン
６１，２１１ 素子分離領域
６２，６２ａ〜６２ｃ，２１２ 活性領域
６３ フォトレジスト
６４，６５，８１〜８４ レジストパターン
１０１ 照明光源
１０２ 集光光学系
１０３ 照明制御機構
１０４ レチクルステージ
１０５ 投影光学系
１０６ ウェーハステージ
２３１ ゲート絶縁膜
２１４ ゲート層
２１４ａ ゲート配線
２１４ｂ ゲート電極
２１５ ＬＤＤ領域
２１６ サイドウォールスペーサ
２１７ ソース／ドレイン領域

Claims (9)

1. 照射光を発生させる光源と、
   前記照射光を集光させる集光光学系と、
   前記集光光学系を通過した前記照射光を制御して被照射対象に照射させる照明制御機構と
   を含み、
   前記照明制御機構は、前記被照射対象を照射する前記照射光の光強度分布を、複数の２重極照明又は複数の４重極照明を相異なる位置で組み合わせた照明状態となるように調節することを特徴とする照明光学装置。
2. 前記照明状態は、当該照明状態を構成する一組の照明モードのサイズ又は形状が、前記照明状態毎に調節されてなることを特徴とする請求項１に記載の照明光学装置。
3. 前記照明状態は、当該照明状態を構成する一組の照明モードの位置が前記照明状態の規準位置から内側又は外側にシフトするように前記２重極照明毎に調節されてなることを特徴とする請求項１又は２に記載の照明光学装置。
4. 照射光を制御して被照射対象に照射させるに際して、
   前記被照射対象を照射する前記照射光の光強度分布を、複数の２重極照明又は複数の４重極照明を相異なる位置で組み合わせた照明状態となるように調節することを特徴とする照明制御方法。
5. パターン形成を行う際の設計方法であって、
   前記パターン形成の設計データに基づいて見積もられた製造プロセスマージンが基準値を満たしていない場合に、
   前記設計データを得た際の前記照明状態において、許容範囲を満たすように前記パターンの設計レイアウトを変更する第１の工程と、
   前記設計データを得た際の前記パターンの設計レイアウトにおいて、当該設計レイアウトに適合するように、フォトマスクを照射する照射光の光強度分布を、複数の２重極照明又は複数の４重極照明を相異なる位置で組み合わせた照明状態に調節するシミュレーションを行い、前記照明状態を最適化する第２の工程と
   のうちの一方の工程を選択的に実行することを特徴とする設計方法。
6. 前記照明状態は、当該照明状態を構成する一組の照明モードのサイズ又は形状を、前記照明状態毎に調節するものであることを特徴とする請求項５に記載の設計方法。
7. 前記照明状態は、当該照明状態を構成する一組の照明モードの位置を、前記照明状態の規準位置から内側又は外側にシフトするように、前記２重極照明毎に調節するものであることを特徴とする請求項５又は６に記載の設計方法。
8. 請求項５〜７のいずれか１項に記載の設計方法により得られた前記設計レイアウト及び前記照明状態に従って、前記フォトマスクのマスクパターンを前記被転写対象に露光転写することを特徴とする露光方法。
9. 第１のフォトマスクを用いて第１のマスクパターンを被転写体に露光する第１のステップと、
   第２のフォトマスクを用いて第２のマスクパターンを、少なくとも一部が前記第１のマスクパターンと重畳されるように前記被転写体に露光する第２のステップと
   を含み、前記第１のマスクパターンと前記第２のマスクパターンとの合成露光により、前記被転写体にパターンを転写するに際して、
   前記第１のステップ及び前記第２のステップの少なくとも一方において、前記照明状態を用いて露光を行うことを特徴とする請求項８に記載の露光方法。

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