JP3708954B2 - フォトマスク及びその作成方法 - Google Patents

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Description

本発明は、半導体装置又は液晶表示装置の製造に用いられるパターン露光用のフォトマスク及びその作成方法に関する。
近年、半導体を用いることにより実現される大規模集積回路装置（以下、ＬＳＩと称する。）の微細化が進展した結果、ＬＳＩ製造工程の１つであるリソグラフィ工程において、マスクパターンと加工パターン（例えばレジスト膜に対するパターン転写により形成されたレジストパターン）との間の形状誤差又は寸法誤差が無視できなくなってきた。
また、ＬＳＩにおけるパターン寸法の微細化が、露光光の波長又は露光機の投影光学系の開口数等により定義される解像限界程度まで進んできた結果、ＬＳＩ製造における歩留に関わる製造余裕度、例えばフォーカス深度等も著しく低下してきている。
従来のパターン形成方法により所望の形状のパターンをウェハ上のレジストパターンとして形成する場合、例えばクロム等の金属よりなる遮光膜を用いて透過性基板上に所望の形状の遮光性パターンつまりマスクパターンを形成した後、該マスクパターンが形成された透過性基板をマスクとしてレジスト膜が塗布されたウェハに対して露光を行なう。この露光工程によって、遮光膜よりなるマスクパターンと相似した形状を有する光強度分布がレジスト膜中に投影される。また、この光強度分布によってレジスト膜中に蓄積エネルギーが生じると共に、レジスト膜における蓄積エネルギーが所定の大きさ以上となった部分に反応が生じる。ここで、レジスト膜が反応を生じる大きさの蓄積エネルギーと対応する光強度を臨界強度と呼ぶ。
レジスト膜として例えばポジ型レジストを用いる場合、レジスト膜を現像することによって、レジスト膜における臨界強度以上の光強度が生じた部分が除去される。すなわち、パターン露光により被露光材料に発生する光強度分布における臨界強度値の分布形状又は寸法を所望のパターン形状に合わせることにより、所望の形状のレジストパターンを形成することができる。
図５３（ａ）〜（ｄ）は従来のパターン形成方法の各工程を示す断面図である。
まず、図５３（ａ）に示すように、基板８００の上に金属膜又は絶縁膜等よりなる被加工膜８０１を形成した後、図５３（ｂ）に示すように、被加工膜８０１の上にポジ型のレジスト膜８０２を形成する。その後、図５３（ｃ）に示すように、透過性基板８１１上にクロム膜等よりなる所定形状のマスクパターン８１２が形成されてなるフォトマスク８１０を介してレジスト膜８０２に対して露光光８２０を照射する。これにより、レジスト膜８０２におけるマスクパターン８１２と対応する部分（臨界強度以下の光強度しか生じない部分）が非露光部８０２ａとなり、レジスト膜８０２におけるその他の部分（臨界強度以上の光強度が生じる部分）が露光部８０２ｂとなる。その後、図５３（ｄ）に示すように、レジスト膜８０２を現像することによって非露光部８０２ａよりなるレジストパターン８０３を形成する。
前述のようなパターン形成方法においては一般的に縮小投影露光機が用いられる。縮小投影露光機は、例えば形成しようとするレジストパターンの寸法を数倍に拡大したマスクパターンが形成された透過性基板、つまりフォトマスクを用いて、基板となるウェハ上に形成された感光性樹脂よりなるレジスト膜に対して縮小投影露光を行なうことによってパターン形成を行なう。以下、本明細書の説明において、各記号を次のように定義する。
ＮＡ：露光機の投影光学系の開口数（例えば０．６）
λ：露光光（光源）の波長（例えば０．１９３μｍ）
Ｍ：露光機の倍率（縮小率の逆数、例えば４又は５）
Ｌ：ウェハ（被露光材料）上でのパターン寸法（設計値）
例えばウェハ上で所望のパターン寸法（設計値）が０．１μｍの場合、Ｌ＝０．１μｍであり、このとき、倍率Ｍ＝４の露光機で用いられるフォトマスク上でのマスクパターン寸法は０．１×４＝０．４μｍとなる。尚、以下の説明を簡単にするために、フォトマスク上のマスクパターン寸法を表す場合においても、特別に断らない限り、ウェハ上での設計値つまりウェハ上での換算値（縮小率をかけた後の値）を用いる。
よく知られているように、光がその波長の半分以下の寸法を有するパターンによって遮光される場合、遮光像のコントラストは光の回折現象により低下してしまう。これは、縮小投影光学系において露光光の波長をλ、倍率をＭ、開口数をＮＡとしたときに、マスクパターンがＭ×λ／ＮＡで定義される値の半分よりも小さくなると、マスクパターンによって転写される像つまり遮光像のコントラストが低下することを意味している。
図５４（ａ）は、図５３（ｃ）に示す露光工程で用いるフォトマスク８１０上のマスクパターン８１２のレイアウトの一例を示している。図５４（ａ）に示すように、マスクパターン８１２は０．２６×Ｍ［μｍ］（Ｍ：露光工程で用いる露光機の倍率）の寸法（実寸）を有している。
図５４（ｂ）は、図５４（ａ）に示すフォトマスク８１０によってレジスト膜８０２に投影される光強度分布のシミュレーション結果を示している。シミュレーション条件は、露光光８２０の波長λ＝１９３ｎｍ、露光機の投影光学系の開口数ＮＡ＝０．６である。このとき、０．２６×Ｍ［μｍ］≒０．８×Ｍ×λ／ＮＡである。尚、図５４（ｂ）においては、２次元の相対座標系における相対光強度（露光光の光強度を１としたときの光強度）の等高線を用いて光強度分布を示している。図５４（ｂ）に示すように、レジスト膜８０２に転写される光強度分布はマスクパターン８１２の中心付近と対応する位置ではほとんど０に等しい。すなわち、マスクパターン８１２の遮光性は非常に良い。
図５４（ｃ）は図５４（ｂ）のＡＡ’線に沿った光強度分布のシミュレーション結果を示しており、図５４（ｄ）は図５４（ｂ）に示す光強度分布のシミュレーション結果からレジストパターン８０３の形状を予測した結果を示している。図５４（ｃ）に示すように臨界強度が０．３であるとすると、図５４（ｂ）に示す光強度分布における臨界強度値の分布形状がマスクパターン８１２の形状とほぼ一致する結果、図５４（ｄ）に示すようにほぼ所望の形状（破線で示す形状）を有するレジストパターン８０３（斜線部）を形成できる。
図５５（ａ）は、図５３（ｃ）に示す露光工程で用いるフォトマスク８１０上のマスクパターン８１２のレイアウトの他例を示している。図５５（ａ）に示すように、マスクパターン８１２は０．１３×Ｍ［μｍ］（Ｍ：露光工程で用いる露光機の倍率）の寸法（実寸）を有している。
図５５（ｂ）は、図５５（ａ）に示すフォトマスク８１０によってレジスト膜８０２に投影される光強度分布のシミュレーション結果を示している。シミュレーション条件は、図５４（ｂ）の場合と同様に、露光光８２０の波長λ＝１９３ｎｍ、露光機の投影光学系の開口数ＮＡ＝０．６である。このとき、０．１３×Ｍ［μｍ］≒０．４×Ｍ×λ／ＮＡである。尚、図５５（ｂ）においても、２次元の相対座標系における相対光強度の等高線を用いて光強度分布を示している。図５５（ｂ）に示すように、レジスト膜８０２に転写される光強度分布はマスクパターン８１２の中心付近と対応する位置でも臨界強度値（０．３）の半分程度の値に達している。すなわち、露光光８２０の回折現象の影響のために、マスクパターン８１２の遮光性が低下している。
図５５（ｃ）は図５５（ｂ）のＡＡ’線に沿った光強度分布のシミュレーション結果を示しており、図５５（ｄ）は図５５（ｂ）に示す光強度分布のシミュレーション結果からレジストパターン８０３の形状を予測した結果を示している。図５５（ｃ）に示すように臨界強度が０．３であるとすると、図５５（ｂ）に示す光強度分布における臨界強度値の分布形状がマスクパターン８１２の形状と相似しない結果、図５５（ｄ）に示すようにレジストパターン８０３（斜線部）の形状は所望の形状（破線で示す形状）から歪んでしまう。
すなわち、図５３（ａ）〜（ｄ）に示す従来のパターン形成方法においては、マスクパターンを例えば完全遮光膜を用いて形成したとしても、マスクパターンよってλ／ＮＡの半分以下の寸法を有する所望のパターンを形成することは困難である。従って、ウェハ上に形成することができるレジストパターンの寸法には限界が生じる。
そこで、マスクパターンによって生じる光強度分布のコントラストを強調してλ／ＮＡの半分以下の寸法を有する所望のパターンを形成できるようにするために、透過性基板上にマスクパターンとして遮光膜よりなるパターンを形成するだけではなく、透過性基板における透光部（マスクパターンが形成されていない部分）との間で露光光に対して１８０度の位相差を生じる位相シフターを形成する方法がＨ．Ｙ．Ｌｉｕ等により提案されている（非特許文献１）。この方法において、透光部と位相シフターとがλ／ＮＡの半分以下の寸法の遮光膜よりなるパターン（以下、遮光パターンと称する場合がある）を挟んで配置されている場合、透光部及び位相シフターのそれぞれを透過して遮光パターンの裏側に回折した光が互いに打ち消し合うので、遮光パターンの遮光性を向上させることができる。
以下、Ｈ．Ｙ．Ｌｉｕ等による方法について図面を参照しながら説明する。
図５６（ａ）は形成対象となる所望のパターン（レジストパターン）のレイアウトの一例を示している。図５６（ａ）に示すように、パターン８３０は、λ／ＮＡの半分以下の寸法を有する部分パターン８３０ａを有している。
図５６（ｂ）、（ｃ）は、図５６（ａ）に示すパターンを形成するために用いられる、従来の２枚のフォトマスクの平面図を示している。図５６（ｂ）に示すように、第１のフォトマスク８４０を構成する透過性基板８４１上には遮光膜８４２が形成されていると共に、遮光膜８４２には、透光部となる第１の開口部８４３及び位相シフターとなる第２の開口部８４４が、部分パターン８３０ａを形成するための遮光パターン８４２ａを挟んで設けられている。また、図５６（ｃ）に示すように、第２のフォトマスク８５０を構成する透過性基板８５１上には、第１のフォトマスク８４０の遮光パターン８４２ａとの組み合わせによって、パターン８３０（図５６（ａ）参照）を形成するための遮光パターン８５２が形成されている。
図５６（ｂ）、（ｃ）に示す２枚のフォトマスクを用いたパターン形成方法は次の通りである。
まず、図５６（ｂ）に示す第１のフォトマスクを用いて、ポジ型レジストよりなるレジスト膜が塗布された基板に対して露光を行なう。その後、第１のフォトマスクを用いた露光によって形成された潜像と、図５６（ｃ）に示す第２のフォトマスクを用いた露光によって形成される潜像とにより図５６（ａ）に示すパターンが形成されるように位置合わせを行なう。その後、図５６（ｃ）に示す第２のフォトマスクを用いて露光を行なった後、レジスト膜を現像してレジストパターンを形成する。これにより、第１のフォトマスクのみを用いた露光後に現像を行なった場合に形成されてしまう余分なパターン（図５６（ａ）に示すパターン以外の他のパターン）を、第２のフォトマスクを用いた露光により除去することができる。その結果、第２のフォトマスクのみを用いた露光によっては形成することができないλ／ＮＡの半分以下の寸法を有するパターンを形成することができる。
Ｈ．Ｙ．Ｌｉｕ等、Ｐｒｏｃ．ＳＰＩＥ、Ｖｏｌ．３３３４、Ｐ．２（１９９８）
ところで、Ｈ．Ｙ．Ｌｉｕ等による方法においては、遮光パターンを透光部と位相シフターとの間に挟むことによって、遮光パターンによって生じる遮光像のコントラストを向上させている。但し、この効果が生じるためには、透光部と位相シフターとがλ／ＮＡの半分以下の間隔で隣り合っていなければならない。一方、フォトマスク上で透光部と位相シフターとが遮光パターンを間に挟まずに連続して並んでいる場合においても、透光部と位相シフターとの境界と対応する光強度が臨界強度よりも小さくなってしまう。すなわち、透光部と位相シフターとの境界と対応した遮光像が形成されてしまう。従って、図５６（ｂ）に示すようなフォトマスクのみを用いた場合には、任意の形状の遮光分布（光強度分布における臨界強度よりも小さい領域の分布）を形成できないので、任意の形状のパターンを形成できない。その結果、通常のＬＳＩのパターンレイアウト等の様に複雑な形状を有するパターンを作成するためには、図５６（ｂ）に示すようなフォトマスク（第１のフォトマスク）に加えて、図５６（ｃ）に示すようなフォトマスク（第２のフォトマスク）を用いた露光が必須となる。その結果、マスク費用が増大すると共に、リソグラフィにおける工程数の増加に起因してスループットが低下したり又は製造コストが増大する。
また、Ｈ．Ｙ．Ｌｉｕ等による方法においては、次に説明するような別の問題もある。
図５７（ａ）は形成対象となる所望のパターン（レジストパターン）のレイアウトの他例を示している。図５７（ａ）に示すように、パターン８６０は、λ／ＮＡの半分以下の寸法を有するＴ字状の部分パターン８６０ａを有している。
図５７（ｂ）、（ｃ）は、図５７（ａ）に示すパターンを形成するために用いられる、従来の２枚のフォトマスクの平面図を示している。図５７（ｂ）に示すように、第１のフォトマスク８７０を構成する透過性基板８７１上には遮光膜８７２が形成されていると共に、遮光膜８７２には、透光部となる第１の開口部８７３と、位相シフターとなる第２の開口部８７４及び第３の開口部８７５とが、部分パターン８６０ａを形成するための遮光パターン８７２ａを挟んで設けられている。また、図５７（ｃ）に示すように、第２のフォトマスク８８０を構成する透過性基板８８１上には、第１のフォトマスク８７０の遮光パターン８７２ａとの組み合わせによって、パターン８６０（図５７（ａ）参照）を形成するための遮光パターン８８２が形成されている。
しかしながら、図５７（ｂ）に示すように、第１のフォトマスク８７０において、遮光パターン８７２ａの一部が位相シフター同士（第２の開口部８７４及び第３の開口部８７５）に挟まれてしまうため、言い換えると、遮光パターン８７２ａの全体を、互いに反対位相となる透光部と位相シフターとの間だけに設けることができないため、遮光パターン８７２ａの遮光性を向上させることができない。すなわち、位相シフターの効果を利用できるパターンレイアウトは制限される。
前記に鑑み、本発明は、１枚のフォトマスクを用いた露光によって、任意の寸法又は形状を有するパターンを形成できるようにすることを目的とする。
前記の目的を達成するために、本発明に係る第１のフォトマスクは、露光光に対して透光性を有する透過性基板上に、前記露光光に対して遮光性を有するマスクパターンが設けられたフォトマスクであって、前記マスクパターンは、前記露光光に対して所定の透過率を有する半遮光部と、前記半遮光部に設けられた開口部に配置された位相シフターとを備え、前記半遮光部は、前記マスクパターンと同じ外形形状を有し、前記位相シフターは、前記透過性基板における前記マスクパターンが形成されていない透光部との間で前記露光光に対して反対位相を生じる。
第１のフォトマスクにおいて、前記半遮光部の透過率は、前記露光光に対して１５％以下であってもよい。
第１のフォトマスクにおいて、前記半遮光部は、前記露光光に対してレジストを感光させない透過率を有していてもよい。
第１のフォトマスクにおいて、前記位相シフターは、前記透過性基板における前記マスクパターンが形成されていない透光部との間で前記露光光に対して（１５０＋３６０×ｎ）度以上で且つ（２１０＋３６０×ｎ）度以下（但しｎは整数）の位相差を生じてもよい。
第１のフォトマスクにおいて、前記半遮光部は、前記透過性基板における前記マスクパターンが形成されていない透光部との間で前記露光光に対して（ー３０＋３６０×ｎ）度以上で且つ（３０＋３６０×ｎ）度以下（但しｎは整数）の位相差を生じてもよい。
第１のフォトマスクにおいて、前記位相シフターを透過する前記露光光によって被露光材料上における前記マスクパターンと対応する遮光像形成領域の中心に生じる第１の光強度が、前記透過性基板における前記マスクパターンの周辺部を透過して前記マスクパターンの裏側に回り込む前記露光光によって前記遮光像形成領域の中心に生じる第２の光強度の４倍以下であってもよい。この場合、前記第１の光強度は、前記第２の光強度の０．５倍以上で且つ２倍以下であってもよい。
本発明に係る第１のフォトマスクの作成方法は、露光光に対して透光性を有する透過性基板上に、前記露光光に対して遮光性を有するマスクパターンが設けられたフォトマスクの作成方法であって、前記マスクパターンと同じ外形形状を有し且つ前記露光光に対して所定の透過率を持つ半遮光部に開口部を設けると共に該開口部に位相シフターを配置する工程を備え、前記位相シフターは、前記透過性基板における前記マスクパターンが形成されていない透光部との間で前記露光光に対して反対位相を生じる。
第１のフォトマスクの作成方法において、前記半遮光部の透過率は、前記露光光に対して１５％以下であってもよい。
第１のフォトマスクの作成方法において、前記半遮光部は、前記露光光に対してレジストを感光させない透過率を有していてもよい。
第１のフォトマスクの作成方法において、前記位相シフターは、前記透過性基板における前記マスクパターンが形成されていない透光部との間で前記露光光に対して（１５０＋３６０×ｎ）度以上で且つ（２１０＋３６０×ｎ）度以下（但しｎは整数）の位相差を生じてもよい。
第１のフォトマスクの作成方法において、前記半遮光部は、前記透過性基板における前記マスクパターンが形成されていない透光部との間で前記露光光に対して（ー３０＋３６０×ｎ）度以上で且つ（３０＋３６０×ｎ）度以下（但しｎは整数）の位相差を生じてもよい。
第１のフォトマスクの作成方法において、前記位相シフターを形成する工程は、前記透過性基板における前記マスクパターンの周辺部が半遮光部によって覆われているとしたときに前記フォトマスクを透過する前記露光光によって被露光材料上における前記マスクパターンと対応する遮光像形成領域の中心に生じる第１の光強度が、前記マスクパターンが半遮光部のみによって構成されているとしたときに前記フォトマスクを透過する前記露光光によって前記遮光像形成領域の中心に生じる第２の光強度に比例するように前記位相シフターを形成する工程を含んでいてもよい。この場合、前記位相シフターを形成する工程は、前記第１の光強度が前記第２の光強度の４倍以下になるように前記開口部の幅を決定する工程を含んでいてもよい。或いは、前記位相シフターを形成する工程は、前記第１の光強度が前記第２の光強度の０．５倍以上で且つ２倍以下になるように前記開口部の幅を決定する工程を含んでいてもよい。
本発明に係る第２のフォトマスクは、露光光に対して透光性を有する透過性基板上に、露光光に対して遮光性を有するマスクパターンが設けられたフォトマスクを前提とし、マスクパターンは、透過性基板におけるマスクパターンが形成されていない透光部との間で露光光に対して（１５０＋３６０×ｎ）度以上で且つ（２１０＋３６０×ｎ）度以下（但しｎは整数）の位相差を生じる位相シフターを有しており、位相シフターを透過する露光光によって被露光材料上におけるマスクパターンと対応する遮光像形成領域に生じる第１の光強度が、透過性基板におけるマスクパターンの周辺部を透過してマスクパターンの裏側に回り込む露光光によって遮光像形成領域に生じる第２の光強度の４倍以下である。
第２のフォトマスクによると、透過性基板上のマスクパターンに設けられた位相シフターを透過する露光光（以下、シフター透過光と称する）によって遮光像形成領域に生じる第１の光強度が、透過性基板におけるマスクパターンの周辺部を透過してマスクパターンの裏側に回り込む露光光（以下、マスクパターン回折光と称する）によって遮光像形成領域に生じる第２の光強度の４倍以下である。このとき、シフター透過光とマスクパターン回折光とは互いに１８０度の位相差を有するため、第１の光強度と第２の光強度とが互いに打ち消し合って、遮光像形成領域に最終的に生じる光強度は第２の光強度よりも小さくなる。従って、マスクパターンの遮光性を、完全遮光膜のみからなるマスクパターンよりも向上させることができるので、１枚のフォトマスクを用いた露光によって、任意の寸法又は形状を有するパターンを形成することができる。
本発明に係る第３のフォトマスクは、露光光に対して透光性を有する透過性基板上に、露光光に対して遮光性を有するマスクパターンが設けられたフォトマスクを前提とし、マスクパターンは、透過性基板におけるマスクパターンが形成されていない透光部との間で露光光に対して（１５０＋３６０×ｎ）度以上で且つ（２１０＋３６０×ｎ）度以下（但しｎは整数）の位相差を生じる位相シフターを有しており、位相シフターを透過する露光光によって被露光材料上におけるマスクパターンと対応する遮光像形成領域に生じる第１の光強度が、透過性基板におけるマスクパターンの周辺部を透過してマスクパターンの裏側に回り込む露光光によって遮光像形成領域に生じる第２の光強度の０．５倍以上で且つ２倍以下である。
第３のフォトマスクによると、シフター透過光によって遮光像形成領域に生じる第１の光強度が、マスクパターン回折光によって遮光像形成領域に生じる第２の光強度の０．５倍以上２倍以下である。このとき、シフター透過光とマスクパターン回折光とは互いに１８０度の位相差を有するため、第１の光強度と第２の光強度とが互いに打ち消し合って、遮光像形成領域に最終的に生じる光強度は非常に小さくなる。従って、マスクパターンの遮光性を飛躍的に向上させることができるので、１枚のフォトマスクを用いた露光によって、任意の寸法又は形状を有するパターンを形成することができる。
第２又は第３のフォトマスクにおいて、露光光に対して透過性基板とは異なる透過率を有する透過性膜が透過性基板上に形成されてなる位相シフターを用いてもよいし、又は、透過性基板が彫り込まれてなる位相シフターを用いてもよい。また、位相シフターが、マスクパターンと同じ外形形状の遮光膜に設けられた開口部に配置されていてもよい。このとき、マスクパターンと同じ外形形状の遮光膜が、露光光に対して１５％以下の透過率を持つと共に透光部との間で露光光に対して（ー３０＋３６０×ｎ）度以上で且つ（３０＋３６０×ｎ）度以下（但しｎは整数）の位相差を生じてもよい。
本発明に係る第１のパターン形成方法は、本発明に係る第２又は第３のフォトマスクを用いたパターン形成方法を前提とし、基板上にポジ型のレジスト膜を形成する工程と、レジスト膜にフォトマスクを介して露光光を照射する工程と、露光光を照射されたレジスト膜を現像して、レジスト膜におけるマスクパターンと対応する部分以外の他の部分を除去することにより、レジストパターンを形成する工程とを備え、レジスト膜におけるマスクパターンと対応する部分の幅をＬとしたときに、
Ｌ≦０．４×λ／ＮＡ
（但し、λは露光光の波長であり、ＮＡは露光機の縮小投影光学系の開口数である）
である。
第１のパターン形成方法によると、本発明に係る第２又は第３のフォトマスクを用いた露光を行なうため、従来と比べてレジストパターンの寸法精度を大きく向上させることができる。また、シフター透過光のデフォーカス特性とマスクパターン回折光のデフォーカス特性との違いを利用して、遮光像形成領域に最終的に生じる光強度分布におけるデフォーカス特性を向上できるので、パターン形成におけるフォーカスマージンを向上させることができる。
本発明に係る第２のパターン形成方法は、本発明に係る第２又は第３のフォトマスクを用いたパターン形成方法を前提とし、基板上にネガ型のレジスト膜を形成する工程と、レジスト膜にフォトマスクを介して露光光を照射する工程と、露光光を照射されたレジスト膜を現像して、レジスト膜におけるマスクパターンと対応する部分を除去することにより、レジストパターンを形成する工程とを備え、レジスト膜におけるマスクパターンと対応する部分の幅をＬとしたときに、
Ｌ≦０．４×λ／ＮＡ
（但し、λは露光光の波長であり、ＮＡは露光機の縮小投影光学系の開口数である）
である。
第２のパターン形成方法によると、本発明に係る第２又は第３のフォトマスクを用いた露光を行なうため、従来と比べてレジストパターンの寸法精度を大きく向上させることができる。また、シフター透過光のデフォーカス特性とマスクパターン回折光のデフォーカス特性との違いを利用して、遮光像形成領域に最終的に生じる光強度分布におけるデフォーカス特性を向上できるので、パターン形成におけるフォーカスマージンを向上させることができる。
第１又は第２のパターン形成方法において、露光光を照射する工程は斜入射照明法を用いることが好ましい。
このようにすると、孤立パターンの形成においても、小さい周期で配置されるパターンの形成においても最適な露光を行なえるので、任意のレイアウトを有する微細なパターンを高精度で形成することができる。
斜入射照明法を用いる場合、露光光のフォトマスクに対する入射方向は、レジスト膜に照射される露光光の強度が、レジスト膜におけるマスクパターンと対応する部分で最小値を有するように設定されていることが好ましく、このとき、該最小値がデフォーカス位置でベストフォーカス位置よりも小さくなるように設定されていることがさらに好ましい。
本発明に係る第２のフォトマスクの作成方法は、露光光に対して透光性を有する透過性基板上に、露光光に対して遮光性を有するマスクパターンが設けられたフォトマスクの作成方法を前提とし、マスクパターンとなる領域に、透過性基板におけるマスクパターンが形成されていない透光部との間で露光光に対して（１５０＋３６０×ｎ）度以上で且つ（２１０＋３６０×ｎ）度以下（但しｎは整数）の位相差を生じる位相シフターを形成する工程を備え、位相シフターを形成する工程は、位相シフターを透過する露光光によって被露光材料上におけるマスクパターンと対応する遮光像形成領域に生じる第１の光強度が、透過性基板におけるマスクパターンの周辺部を透過してマスクパターンの裏側に回り込む露光光によって遮光像形成領域に生じる第２の光強度に比例するように位相シフターを形成する工程を含む。
第２のフォトマスクの作成方法によると、マスクパターンとなる領域に位相シフターを、シフター透過光によって遮光像形成領域に生じる第１の光強度が、マスクパターン回折光によって遮光像形成領域に生じる第２の光強度に比例するように形成する。このとき、シフター透過光とマスクパターン回折光とは互いに１８０度の位相差を有するため、第１の光強度と第２の光強度とが互いに打ち消し合って、遮光像形成領域に最終的に生じる光強度を第２の光強度よりも小さくすることができる。従って、マスクパターンの遮光性を完全遮光膜のみからなるマスクパターンよりも向上させることができるので、１枚のフォトマスクを用いた露光によって、任意の寸法又は形状を有するパターンを形成することができる。
本発明に係る第３のフォトマスクの作成方法は、露光光に対して透光性を有する透過性基板上に、露光光に対して遮光性を有するマスクパターンが設けられたフォトマスクの作成方法を前提とし、マスクパターンとなる領域に、透過性基板におけるマスクパターンが形成されていない透光部との間で露光光に対して（１５０＋３６０×ｎ）度以上で且つ（２１０＋３６０×ｎ）度以下（但しｎは整数）の位相差を生じる位相シフターを形成する工程を備え、位相シフターを形成する工程は、透過性基板におけるマスクパターンの周辺部が遮光膜によって覆われているとしたときにフォトマスクを透過する露光光によって被露光材料上におけるマスクパターンと対応する遮光像形成領域に生じる第１の光強度が、マスクパターンが遮光膜のみによって構成されているとしたときにフォトマスクを透過する露光光によって遮光像形成領域に生じる第２の光強度に比例するように位相シフターを形成する工程を含む。
第３のフォトマスクの作成方法によると、マスクパターンとなる領域に位相シフターを、透過性基板におけるマスクパターンの周辺部が遮光膜によって覆われているとしたときにフォトマスクを透過する露光光（つまりシフター透過光）によって遮光像形成領域に生じる第１の光強度が、マスクパターンが遮光膜のみによって構成されているとしたときにフォトマスクを透過する露光光（つまりマスクパターン回折光）によって遮光像形成領域に生じる第２の光強度に比例するように形成する。このとき、シフター透過光とマスクパターン回折光とは互いに１８０度の位相差を有するため、第１の光強度と第２の光強度とが互いに打ち消し合って、遮光像形成領域に最終的に生じる光強度を第２の光強度よりも小さくすることができる。従って、マスクパターンの遮光性を、完全遮光膜のみからなるマスクパターンよりも向上させることができるので、１枚のフォトマスクを用いた露光によって、任意の寸法又は形状を有するパターンを形成することができる。また、シフター透過光及びマスクパターン回折光のそれぞれの光強度を独立して計算できるので、各光強度の計算が容易になる。
第３のフォトマスクの作成方法において、マスクパターンを構成する遮光膜が、露光光に対して１５％以下の透過率を持つと共に透光部との間で露光光に対して（ー３０＋３６０×ｎ）度以上で且つ（３０＋３６０×ｎ）度以下（但しｎは整数）の位相差を生じてもよい。
第２又は第３のフォトマスクの作成方法において、位相シフターは、露光光に対して透過性基板と異なる透過率を有しており、位相シフターを形成する工程は、第１の光強度が第２の光強度の４倍以下になるように位相シフターの形成位置及び透過率を決定する工程を含むことが好ましい。
このようにすると、遮光像形成領域に最終的に生じる光強度を第２の光強度よりも確実に小さくできるので、マスクパターンの遮光性を確実に向上させることができる。
第２又は第３のフォトマスクの作成方法において、位相シフターは、露光光に対して透過性基板と異なる透過率を有しており、位相シフターを形成する工程は、第１の光強度が第２の光強度の０．５倍以上で且つ２倍以下になるように位相シフターの形成位置及び透過率を決定する工程を含むことが好ましい。
このようにすると、遮光像形成領域に最終的に生じる光強度を非常に小さく小さくできるので、マスクパターンの遮光性を飛躍的に向上させることができる。
第２又は第３のフォトマスクの作成方法において、マスクパターンは同じ外形形状の遮光膜を有しており、位相シフターは遮光膜に設けられた開口部に配置されており、位相シフターを形成する工程は、第１の光強度が所定値と等しくなるように開口部の幅を決定する工程を含むことが好ましい。
このようにすると、位相シフターの透過率を単一にできるので、フォトマスクの作成が容易になる。
第２又は第３のフォトマスクの作成方法において、マスクパターンは同じ外形形状の遮光膜を有しており、位相シフターは遮光膜に設けられた開口部に配置されており、位相シフターを形成する工程は、第１の光強度が第２の光強度の４倍以下になるように開口部の幅を決定する工程を含むことが好ましい。
このようにすると、位相シフターの透過率を単一にできるので、フォトマスクの作成が容易になると共に、遮光像形成領域に最終的に生じる光強度を第２の光強度よりも確実に小さくできるので、マスクパターンの遮光性を確実に向上させることができる。
第２又は第３のフォトマスクの作成方法において、マスクパターンは同じ外形形状の遮光膜を有しており、位相シフターは遮光膜に設けられた開口部に配置されており、位相シフターを形成する工程は、第１の光強度が第２の光強度の０．５倍以上で且つ２倍以下になるように開口部の幅を決定する工程を含むことが好ましい。
このようにすると、位相シフターの透過率を単一にできるので、フォトマスクの作成が容易になると共に、遮光像形成領域に最終的に生じる光強度を非常に小さく小さくできるので、マスクパターンの遮光性を飛躍的に向上させることができる。
マスクパターンと同じ外形形状の遮光膜に設けられた開口部に位相シフターが配置される場合、マスクパターンの幅をＬｍとしたときに、
Ｌｍ≦（０．５×λ／ＮＡ）×Ｍ
（但し、λは露光光の波長であり、ＮＡは露光機の縮小投影光学系の開口数であり、Ｍは該縮小投影光学系の倍率である）
であることが好ましい。
このようにすると、開口部の面積が一定に保たれる範囲内で開口部形状を自由に設定できるので、遮光膜と基板との密着度等を考慮して開口部形状を選ぶことによりフォトマスクの信頼性を向上できる。
本発明に係る第４のフォトマスクの作成方法は、露光光に対して透光性を有する透過性基板上に、露光光に対して遮光性を有するマスクパターンが設けられたフォトマスクの作成方法を前提とし、マスクパターンとなる領域に、透過性基板におけるマスクパターンが形成されていない透光部との間で露光光に対して（１５０＋３６０×ｎ）度以上で且つ（２１０＋３６０×ｎ）度以下（但しｎは整数）の位相差を生じると共に露光光に対して透過率Ｔ（但し０＜Ｔ＜１）を有する位相シフターを形成する工程を備え、位相シフターを形成する工程は、マスクパターンが遮光膜のみによって構成されているとしたときにフォトマスクを透過する露光光によって被露光材料上におけるマスクパターンと対応する遮光像形成領域に生じる光強度Ｉａを計算する工程と、透過率Ｔが１であり、且つ透過性基板におけるマスクパターンの周辺部が遮光膜によって覆われているとしたときにフォトマスクを透過する露光光によって遮光像形成領域に生じる光強度Ｉｂを計算する工程と、４×Ｉａ≧Ｔ×Ｉｂが満たされるように位相シフターの形成位置及び前記透過率Ｔを決定する工程とを含む。
第４のフォトマスクの作成方法によると、シフター透過光の光強度（Ｔ×Ｉｂ）とマスクパターン回折光の光強度（Ｉａ）とを独立して計算できるので、各光強度の計算が容易になる。また、シフター透過光の光強度をマスクパターン回折光の光強度の４倍以下にするので、遮光像形成領域に最終的に生じる光強度は第２の光強度よりも小さくなる。従って、マスクパターンの遮光性を、完全遮光膜のみからなるマスクパターンよりも向上させることができるので、１枚のフォトマスクを用いた露光によって、任意の寸法又は形状を有するパターンを形成することができる。
本発明に係る第５のフォトマスクの作成方法は、露光光に対して透光性を有する透過性基板上に、露光光に対して遮光性を有するマスクパターンが設けられたフォトマスクの作成方法を前提とし、マスクパターンとなる領域に、透過性基板におけるマスクパターンが形成されていない透光部との間で露光光に対して（１５０＋３６０×ｎ）度以上で且つ（２１０＋３６０×ｎ）度以下（但しｎは整数）の位相差を生じると共に露光光に対して透過率Ｔ（但し０＜Ｔ＜１）を有する位相シフターを形成する工程を備え、位相シフターを形成する工程は、マスクパターンが遮光膜のみによって構成されているとしたときにフォトマスクを透過する露光光によって被露光材料上におけるマスクパターンと対応する遮光像形成領域に生じる光強度Ｉａを計算する工程と、透過率Ｔが１であり、且つ透過性基板におけるマスクパターンの周辺部が遮光膜によって覆われているとしたときにフォトマスクを透過する露光光によって遮光像形成領域に生じる光強度Ｉｂを計算する工程と、２×Ｉａ≧Ｔ×Ｉｂ≧０．５×Ｉａが満たされるように位相シフターの形成位置及び透過率Ｔを決定する工程とを含む。
第５のフォトマスクの作成方法によると、シフター透過光の光強度（Ｔ×Ｉｂ）とマスクパターン回折光の光強度（Ｉａ）とを独立して計算できるので、各光強度の計算が容易になる。また、シフター透過光の光強度をマスクパターン回折光の光強度の０．５倍以上２倍以下にするので、遮光像形成領域に最終的に生じる光強度は非常に小さくなる。従って、マスクパターンの遮光性を飛躍的に向上させることができるので、１枚のフォトマスクを用いた露光によって、任意の寸法又は形状を有するパターンを形成することができる。
第４又は第５のフォトマスクの作成方法において、マスクパターンを構成する遮光膜が、露光光に対して１５％以下の透過率を持つと共に透光部との間で露光光に対して（ー３０＋３６０×ｎ）度以上で且つ（３０＋３６０×ｎ）度以下（但しｎは整数）の位相差を生じてもよい。
本発明に係る第１のマスクパターン設計方法は、露光光に対して透光性を有する透過性基板上に、露光光に対して遮光性を有するマスクパターンが設けられたフォトマスクを作成するためのマスクパターン設計方法を前提とし、マスクパターンは、透過性基板におけるマスクパターンが形成されていない透光部との間で露光光に対して（１５０＋３６０×ｎ）度以上で且つ（２１０＋３６０×ｎ）度以下（但しｎは整数）の位相差を生じる位相シフターを有している。具体的には、本発明に係る第１のマスクパターン設計方法は、マスクパターンのレイアウトであるパターンレイアウトを作成すると共に位相シフターの透過率Ｔを決定する工程と、パターンレイアウトを分割して複数の分割パターンを生成する工程と、パターンレイアウトの全体に遮光膜が配置されているとしたときにフォトマスクを透過する露光光によって被露光材料上における各分割パターンと対応する遮光像形成領域に生じる光強度Ｉｃを算出する工程と、各分割パターンのうち対応する光強度Ｉｃが所定値よりも大きい分割パターンに開口部が配置され且つフォトマスクにおけるその他の部分の全体に遮光膜が配置されているとしたときにフォトマスクを透過する露光光によって遮光像形成領域に生じる光強度Ｉｏを算出する工程と、各分割パターンのうちＩｃ／Ｉｏ＞Ｔが成り立つ分割パターンには位相シフターを配置し、各分割パターンのうちＴ／４＞Ｉｃ／Ｉｏが成り立つ分割パターンには遮光部を配置し、各分割パターンのうちＴ≧Ｉｃ／Ｉｏ≧Ｔ／４が成り立つ分割パターンには、位相シフターとなる開口部を有する遮光部を配置する工程とを備えている。
第１のマスクパターン設計方法によると、マスクパターン回折光の光強度と、シフター透過光の光強度とをそれぞれ独立に計算して、各光強度の比率に基づいて、遮光性を最大にできる、位相シフターの透過率やマスクエンハンサーの開口部寸法を求めることができる。このため、マスクパターンの任意のレイアウトに対して、遮光性を最大にできる、位相シフターの透過率やマスクエンハンサーの開口部寸法を簡単に求めることができる。
本発明に係る第２のマスクパターン設計方法は、露光光に対して透光性を有する透過性基板上に、露光光に対して遮光性を有するマスクパターンが設けられたフォトマスクを作成するためのマスクパターン設計方法を前提とし、マスクパターンは、透過性基板におけるマスクパターンが形成されていない透光部との間で露光光に対して（１５０＋３６０×ｎ）度以上で且つ（２１０＋３６０×ｎ）度以下（但しｎは整数）の位相差を生じる位相シフターを有している。具体的には、本発明に係る第２のマスクパターン設計方法は、マスクパターンのレイアウトであるパターンレイアウトを作成すると共に位相シフターの透過率Ｔを決定する工程と、パターンレイアウトを分割して複数の分割パターンを生成する工程と、パターンレイアウトの全体に遮光膜が配置されているとしたときにフォトマスクを透過する露光光によって被露光材料上における各分割パターンと対応する遮光像形成領域に生じる光強度Ｉｃを算出する工程と、各分割パターンのうち対応する光強度Ｉｃが所定値よりも大きい分割パターンに開口部が配置され且つフォトマスクにおけるその他の部分の全体に遮光膜が配置されているとしたときにフォトマスクを透過する露光光によって遮光像形成領域に生じる光強度Ｉｏを算出する工程と、各分割パターンのうちＩｃ／Ｉｏ≧Ｔ／４が成り立つ分割パターンには位相シフターを配置し、各分割パターンのうちＴ／４＞Ｉｃ／Ｉｏが成り立つ分割パターンには遮光部を配置する工程とを備えている。
第２のマスクパターン設計方法によると、第１のマスクパターン設計方法の効果に加えて、次のような効果が得られる。すなわち、マスクパターンとして、マスクエンハンサーを用いないで、位相シフター及び遮光部のみを用いるので、十分な遮光性を実現できるマスクパターンデータを簡単に作成することができる。
本発明に係る第３のマスクパターン設計方法は、露光光に対して透光性を有する透過性基板上に、露光光に対して遮光性を有するマスクパターンが設けられたフォトマスクを作成するためのマスクパターン設計方法を前提とし、マスクパターンは、透過性基板におけるマスクパターンが形成されていない透光部との間で露光光に対して（１５０＋３６０×ｎ）度以上で且つ（２１０＋３６０×ｎ）度以下（但しｎは整数）の位相差を生じる位相シフターを有している。具体的には、本発明に係る第３のマスクパターン設計方法は、マスクパターンのレイアウトであるパターンレイアウトを作成すると共に位相シフターの透過率Ｔを決定する工程と、露光光に対して位相シフターの遮光効果が遮光膜よりも高くなる最大幅Ｌｍａｘを算出する工程と、パターンレイアウトのうち幅がＬｍａｘよりも大きい部分パターンには遮光部を配置し、パターンレイアウトのうち幅がＬｍａｘ以下の部分パターンには位相シフターを配置する工程とを備えている。
第３のマスクパターン設計方法によると、マスクデータを用いた光学シミュレーションを用いることなく、パターンレイアウトの幅に基づいて遮光性を向上できるマスクパターンの設計を行なうので、マスクパターン設計が簡単になる。
本発明に係る第４のマスクパターン設計方法は、露光光に対して透光性を有する透過性基板上に、露光光に対して遮光性を有するマスクパターンが設けられたフォトマスクを作成するためのマスクパターン設計方法を前提とし、マスクパターンは、透過性基板におけるマスクパターンが形成されていない透光部との間で露光光に対して（１５０＋３６０×ｎ）度以上で且つ（２１０＋３６０×ｎ）度以下（但しｎは整数）の位相差を生じる位相シフターを有している。具体的には、本発明に係る第４のマスクパターン設計方法は、マスクパターンのレイアウトであるパターンレイアウトを作成すると共に位相シフターの２種類の透過率Ｔ１及びＴ２（但しＴ１＞Ｔ２）を決定する工程と、パターンレイアウトを分割して複数の分割パターンを生成する工程と、パターンレイアウトの全体に遮光膜が配置されているとしたときにフォトマスクを透過する露光光によって被露光材料上における各分割パターンと対応する遮光像形成領域に生じる光強度Ｉｃを算出する工程と、各分割パターンのうち対応する光強度Ｉｃが所定値よりも大きい分割パターンに開口部が配置され且つフォトマスクにおけるその他の部分の全体に遮光膜が配置されているとしたときにフォトマスクを透過する露光光によって遮光像形成領域に生じる光強度Ｉｏを算出する工程と、各分割パターンのうちＩｃ／Ｉｏ≧Ｔ２／４が成り立つ分割パターンには位相シフターを配置し、各分割パターンのうちＴ２／４＞Ｉｃ／Ｉｏが成り立つ分割パターンには遮光部を配置する工程と、位相シフターが配置された各分割パターンのうちＩｃ／Ｉｏ＞（Ｔ１0.5 ＋Ｔ２0.5 ）×（Ｔ１0.5 ＋Ｔ２0.5 ）が成り立つ分割パターンにおいては位相シフターの透過率をＴ１に設定し、位相シフターが配置された各分割パターンのうちＩｃ／Ｉｏ≦（Ｔ１0.5 ＋Ｔ２0.5 ）×（Ｔ１0.5 ＋Ｔ２0.5 ）が成り立つ分割パターンにおいては位相シフターの透過率をＴ２に設定する工程とを備えている。
第４のマスクパターン設計方法によると、第１のマスクパターン設計方法の効果に加えて、次のような効果が得られる。すなわち、マスクパターンとして、マスクエンハンサーを用いないで、位相シフター及び遮光部のみを用いるので、十分な遮光性を実現できるマスクパターンデータを簡単に作成することができる。また、複数の透過率を有する位相シフターが使用可能な状況において、より高い遮光性が実現されるように各透過率を有する位相シフターを設定できるので、異なる透過率の位相シフターを適切な位置に配置することができる。
第１〜第４のマスクパターン設計方法において、パターンレイアウトに配置される遮光膜又は遮光部が、露光光に対して１５％以下の透過率を持つと共に透光部との間で露光光に対して（ー３０＋３６０×ｎ）度以上で且つ（３０＋３６０×ｎ）度以下（但しｎは整数）の位相差を生じてもよい。
本発明によると、マスクパターン回折光をシフター透過光によって打ち消すことができるため、マスクパターンの遮光性を向上させることができるので、１枚のフォトマスクを用いた露光によって、任意の寸法又は形状を有するパターンを形成することができる。また、シフター透過光のデフォーカス特性とマスクパターン回折光のデフォーカス特性との違いを利用して、遮光像形成領域に最終的に生じる光強度分布におけるデフォーカス特性を向上できるので、パターン形成におけるフォーカスマージンを向上させることができる。さらに、マスクパターン回折光の光強度と、シフター透過光の光強度とをそれぞれ独立に計算して、各光強度の比率に基づいて、遮光性を最大にできる、位相シフターの透過率やマスクエンハンサーの開口部寸法を求めることができるため、該透過率や開口部寸法を、マスクパターンの任意のレイアウトに対して簡単に求めることができる。
以下、本発明を実現するために創案した、完全遮光膜よりなるマスクパターンよりも実効的な遮光性の高いマスクパターンを位相０度の光と位相１８０度の光との干渉を用いて形成する方法について図面を参照しながら説明する。
まず、光露光を用いたパターン形成において形成可能なパターン寸法に下限が生じる理由について図１（ａ）〜（ｄ）を参照しながら説明する。
図１（ａ）は完全遮光膜よりなるマスクパターンを有するフォトマスクの平面図である。図１（ａ）に示すように、透過性基板１０上に完全遮光膜よりなる線幅Ｌのマスクパターン１１が形成されている。
図１（ｂ）は、図１（ａ）に示すフォトマスクを用いて露光を行なっている様子を示しており、図１（ｃ）は、図１（ａ）に示すフォトマスクを用いた露光において被露光材料上の図１（ａ）のＡＡ’線と対応する位置に転写される光強度分布を示している。図１（ｂ）に示すように、露光光１２はマスクパターン１１によって遮られるが、透過性基板１０におけるマスクパターン１１の周辺を透過した露光光１２つまり透過光１３はその一部がマスクパターン１１の裏側の領域Ｒに回折する。その結果、図１（ｃ）に示すように、被露光材料上におけるマスクパターン１１の中心部と対応する位置（横軸の０）においても光強度Ｉｃが０にならない。
図１（ｄ）は、図１（ａ）に示すフォトマスクを用いた露光においてマスクパターン１１の線幅Ｌを色々変化させた場合に被露光材料上に転写される光強度分布のシミュレーション結果を示している。尚、シミュレーションにおける光学条件は、露光光の波長λ＝０．１９３μｍ、露光機の投影光学系の開口率ＮＡ＝０．６、露光機の干渉度（コヒーレンス度）σ＝０．８である。このとき、０．４×λ／ＮＡの値が０．１３μｍ程度となる。図１（ｄ）に示すように、線幅Ｌが０．１４μｍから０．１μｍになったときに、被露光材料上におけるマスクパターン１１の中心部と対応する位置（横軸の０）において急激に光強度が高くなっている。すなわち、マスクパターン１１の線幅Ｌが小さくになるにつれて、マスクパターン１１の裏側に回り込む光が増加するために、マスクパターン１１の遮光性が劣化して、形成可能なパターン寸法に限界が生じる。具体的には、マスクパターン１１の線幅Ｌが０．８×λ／ＮＡ程度より小さくなると、マスクパターン１１の裏側に回り込む光が増加し始めると共に、マスクパターン１１の線幅Ｌが０．４×λ／ＮＡ程度より小さくなると、マスクパターン１１の裏側に回り込む光が急激に増加してパターン形成が困難になる。
図２は、フォトマスクを用いた露光においてマスクパターンの線幅を色々変化させた場合における、被露光材料（具体的にはレジスト膜）上に転写される光強度分布の変化、及びレジスト膜の現像後に形成されるレジストパターンの形状の変化をそれぞれ示している。
図２に示すように、小さい線幅のレジストパターンを形成するためにはマスクパターンの線幅を小さくする必要がある。また、マスクパターンＣのように線幅が十分に大きいマスクパターンの場合、露光光が十分に遮光されるので、所望の形状を有するレジストパターンＣが形成される。また、マスクパターンの線幅を小さくするに従って、マスクパターンの遮光性が低下して、レジスト膜上におけるマスクパターンと対応する領域における光強度が大きくなる。このとき、マスクパターンＢのように、遮光性が低下してもマスクパターン周辺からマスクパターンの裏側に回り込んだ光（以下、マスクパターン回折光と称する）によって光強度が臨界強度を越えない場合は、パターン解像が可能であり、マスクパターンの線幅を縮小することによって、レジストパターンの線幅も縮小できる。しかし、マスクパターンＡのように、マスクパターン回折光によって光強度が臨界強度を越えてしまう場合には、もはやレジストパターンを形成することはできない。
次に、前述のマスクパターン回折光を打ち消すことによって、マスクパターンの遮光性を完全遮光膜よりも実効的に高くし、それによって所望の光強度分布を実現する方法（以下、イメージ強調法）について図３及び図４を参照しながら説明する。
図３は本発明のイメージ強調法の原理を示す模式図である。
一般に、お互いに反対位相の関係にある光同士、つまり１８０度の位相差を有する光同士は位相空間上において正負反対の光強度を有する。そのため、１８０度の位相差を有する光同士を干渉させると、お互いの光強度を打ち消し合うことができる。この原理を利用して、マスクパターン周辺からの回折光をそれと反対位相の関係にある光と干渉させると、お互いの光強度を打ち消し合うことができるので、マスクパターンによって非常に高い遮光効果を実現できることになる。
図３に示す本発明のイメージ強調マスクにおいては、通常の透光部を透過する光に対して反対位相となる光を透過させる位相シフターをマスクパターンとして設けると共に、位相シフターを透過する光（以下、シフター透過光と称する）の強度を、位相シフター周辺つまりマスクパターン周辺の透光部からの回折光（つまりマスクパターン回折光）の強度と一致させる。これにより、マスクパターンの裏側で完全に光が遮光された状態が実現される。このとき、シフター透過光の強度の調節は、位相シフターの寸法又は透過率（露光光に対する）を調節することによって行なうことができる。
尚、イメージ強調マスクにおけるマスクパターン回折光の強度は、図３に示す遮光マスク（イメージ強調マスクの位相シフターに代えて完全遮光膜よりなる遮光部が設けられている）を用いて求めることができる。また、イメージ強調マスクにおけるシフター透過光の強度は、図３に示す位相シフト透過マスク（イメージ強調マスクの透光部に代えて完全遮光膜よりなる遮光部が設けられている）を用いて求めることができる。このとき、マスクパターン回折光の強度がＩｃであり、シフター透過光の強度がＩｏであるとすると、イメージ強調マスクのマスクパターンの裏側で完全に光が遮光された状態が実現される条件は、Ｉｃ＝Ｉｏである。
図４は、図３に示すイメージ強調マスクを用いた露光においてマスクパターンつまり位相シフターの線幅を色々変化させた場合に被露光材料上に転写される光強度分布のシミュレーション結果を示している。尚、各線幅の位相シフターを有するイメージ強調マスクにおいて、位相シフターの透過率は、マスクパターン回折光が反対位相のシフター透過光によって最も打ち消されるように最適化されている。また、シミュレーションにおける光学条件は、図１（ｄ）に示すシミュレーションの光学条件と同様である。
図４に示す結果と図１（ｄ）に示す結果とを比べてみると、イメージ強調マスクを用いた露光方法つまり本発明のイメージ強調法によって、線幅が０．８×λ／ＮＡ程度よりも小さいマスクパターンの遮光性が改善されており、それによって所望の光強度分布を実現できることがわかる。
（第１の実施形態)
以下、本発明の第１の実施形態に係るフォトマスク、その作成方法及びそのフォトマスクを用いたパターン形成方法について、図面を参照しながら説明する。
ところで、露光機の縮小投影光学系の倍率をＭとすると、通常は、露光光に対して完全遮光膜となるクロム等の材料を用いて、所望のパターン（一般的にはレジストパターン）の設計値のＭ倍の大きさを有するマスクパターンを、露光光に対して高い透過率を有する材料からなる基板（以下、透過性基板と称する）上に描くことによりフォトマスクを作成し、そのフォトマスクを用いて露光が行なわれる。露光光としては、ｉ線（波長３６５ｎｍ）、ＫｒＦエキシマレーザ光（波長２４８ｎｍ）、ＡｒＦエキシマレーザ光（波長１９３ｎｍ）、又はＦ2 エキシマレーザ光（波長１５７ｎｍ）等が用いられる。尚、本明細書においては、マスクパターンの寸法を表すときに、フォトマスク上の実寸（レジストパターンの寸法をＭ倍した値）に代えて、レジストパターンの寸法を用いて表す場合がある。
第１の実施形態の第１の特徴は、所望のパターンと対応するマスクパターンを遮光膜を用いて作成した場合において、露光時にマスクパターンによって被露光材料（具体的にはレジスト膜）に転写される光強度分布における光強度が十分に低下しない領域と対応する遮光膜部分を位相シフターで置き換えることによりマスクパターンを作成し、そのマスクパターンを有するフォトマスクを用いて露光を行なうことである。ここで、位相シフターとは、そこを透過する光の位相が通常の透光部を透過する光の位相に対して１８０度（具体的には（１５０＋３６０×ｎ）度以上で且つ（２１０＋３６０×ｎ）度以下（但しｎは整数））反転するような透光部を意味する。具体的には、位相シフターは、例えば露光光の波長の半分の光路差が生じる厚みを有する透過性膜等を用いて作成することができる。
また、第１の実施形態の第２の特徴は、マスクパターンとして設けられる位相シフターが複数の透過率を有していてもよく、遮光膜のみよりなるマスクパターンによって被露光材料に転写される光強度分布における光強度の低下度合いの弱い領域と対応する遮光膜部分ほど、高い透過率を有する位相シフターと置き換えるようにすることである。
図５（ａ）は、第１の実施形態における形成対象となる所望のパターン（レジストパターン）の設計レイアウトの一例を示している。図５（ａ）に示すように、パターン２０の幅は０．１３μｍである。
図５（ｂ）は、図５（ａ）に示すパターンを形成するために用いられる、第１の実施形態に係るフォトマスクの平面図を示している。図５（ｂ）に示すように、第１の実施形態に係るフォトマスクは、透過性基板３０上に、図５（ａ）に示すパターンと対応するマスクパターン４０が形成されてなる。マスクパターン４０は０．１３×Ｍ［μｍ］（Ｍ：露光機の縮小投影光学系の倍率）の寸法（実寸）を有している。また、マスクパターン４０は、クロム膜等の遮光膜よりなる遮光部４１と、透過率１０％の第１の位相シフター４２と、透過率５０％の第２の位相シフター４３とを有している。
尚、比較のため、図５（ａ）に示すパターンを形成するために用いられ、且つマスクパターンが遮光膜のみよりなる従来のフォトマスクの平面図を図５５（ａ）（「従来の技術」参照）に示し、図５５（ａ）に示すフォトマスクによってレジスト膜に投影される光強度分布のシミュレーション結果を図５５（ｂ）に示す。すなわち、図５（ｂ）に示すマスクパターン４０は、図５５（ａ）に示すマスクパターン８１２を構成する遮光膜のうち遮光性が十分である部分はそのまま遮光部４１として残し、該遮光膜のうち遮光性が十分でない部分を位相シフター（第１の位相シフター４２及び第２の位相シフター４３）で置き換えたものになっている。ここで、遮光性が特に弱いマスクパターン８１２の先端に相当する部分は、より透過率の高い位相シフター（第２の位相シフター４３）で置き換えている。
図６（ａ）〜（ｃ）は、第１の実施形態に係るパターン形成方法、具体的には、図５（ｂ）に示すフォトマスクを用いた露光によるパターン形成方法の各工程を示す断面図である。まず、図６（ａ）に示すように、基板５０の上に金属膜又は絶縁膜等よりなる被加工膜５１を形成した後、被加工膜５１の上にポジ型のレジスト膜５２を形成する。その後、図６（ｂ）に示すように、透過性基板３０上にマスクパターン４０が形成されてなる第１の実施形態に係るフォトマスク（図５（ｂ）参照）を介してレジスト膜５２に対して露光光５３を照射する。これにより、レジスト膜５２におけるマスクパターン４０と対応する部分が非露光部５２ａとなり、レジスト膜５２におけるその他の部分が露光部５２ｂとなる。その後、図６（ｃ）に示すように、レジスト膜５２を現像することによって非露光部５２ａよりなるレジストパターン５４を形成する。
図７（ａ）は、図５（ｂ）に示すフォトマスクによってレジスト膜５２に投影される光強度分布のシミュレーション結果を示している。シミュレーション条件は、露光光５３の波長λ＝１９３ｎｍ、露光機の投影光学系の開口数ＮＡ＝０．６、露光機の干渉度σ＝０．８である（以下、特に断らない限りシミュレーション結果を示す場合にはこのシミュレーション条件を用いている）。このとき、図５（ｂ）に示すマスクパターン４０の寸法について、０．１３×Ｍ［μｍ］≒０．４×Ｍ×λ／ＮＡの関係が成り立つ。尚、図７（ａ）においては、２次元の相対座標系における相対光強度の等高線を用いて光強度分布を示している。
図７（ａ）に示すシミュレーション結果と、図５５（ｂ）に示すシミュレーション結果とを比較すると、次のことがわかる。すなわち、マスクパターンが遮光膜のみよりなる従来のフォトマスクを用いた場合、マスクパターンの寸法がλ／ＮＡの半分程度以下まで細くなると、マスクパターンの先端部分等で遮光性が極度に低下する結果、光強度分布の形状が所望のパターン形状と著しく異なってしまう。それに対して、第１の実施形態に係るフォトマスクを用いた場合、マスクパターンにおける遮光膜によっては十分な遮光性が得られない部分に、より高い透過率の位相シフターを設けることにより、マスクパターン全体に亘って十分な遮光性を実現できるので、所望の形状により近い形状を有するレジストパターンを形成することができる。これは、位相０度の光と位相１８０度の光との干渉を利用することによって、位相シフターの実効的な遮光性が遮光膜よりも良くなる条件を用いたものである。
図７（ｂ）は図７（ａ）のＡＡ’線に沿った光強度分布のシミュレーション結果を示しており、図７（ｃ）は図７（ａ）に示す光強度分布のシミュレーション結果からレジストパターン５４の形状を予測した結果を示している。図７（ｂ）に示すように臨界強度が０．３であるとすると、図７（ａ）に示す光強度分布における臨界強度値の分布形状がマスクパターン４０の形状とほぼ一致する結果、図７（ｃ）に示すようにほぼ所望の形状（破線で示す形状）を有するレジストパターン５４（斜線部）を形成できる。
以上に説明したように、第１の実施形態によると、フォトマスク上のマスクパターンに位相シフターを設けることにより、シフター透過光によってマスクパターン回折光を打ち消している。このため、マスクパターンの遮光性を、完全遮光膜のみからなるマスクパターンよりも向上させることができるので、１枚のフォトマスクを用いた露光によって、任意の寸法又は形状を有するパターンを形成することができる。
以下、第１の実施形態に係るフォトマスクにマスクパターンとして設ける位相シフターの透過率及び線幅と、マスクパターンによって被露光材料上に投影される光強度分布との関係について詳しく説明する。
図８（ａ）は位相シフターよりなるマスクパターンを有するフォトマスクの平面図である。図８（ａ）に示すように、透過性基板６０上に、位相シフターとなる透過性膜よりなる線幅Ｌのマスクパターン６１が形成されている。
図８（ｂ）は、図８（ａ）に示すフォトマスクを用いて露光を行なっている様子を示している。図８（ｂ）に示すように、露光光６２は、透過性基板６０におけるマスクパターン６１の周辺を透過して第１の透過光６３となると共にマスクパターン６１を透過して第２の透過光６４となる。
図９（ａ）は、図８（ａ）に示すフォトマスクを用いた露光において位相シフターの透過率を色々変化させた場合に被露光材料上における図８（ａ）のＡＡ’線と対応する位置に転写される光強度分布のシミュレーション結果を示している。尚、シミュレーション条件は、露光光の波長λ＝０．１９３μｍ、露光機の投影光学系の開口率ＮＡ＝０．６、露光機の干渉度σ＝０．８、線幅Ｌ＝０．１μｍである。また、ＡＡ’線上の点Ｏはマスクパターン６１の中心に位置している。
図９（ａ）に示すように、位相シフターの透過率が高くなるに従って、被露光材料上におけるマスクパターン６１の中心Ｏと対応する位置（横軸の０）の光強度が低下しており、光強度分布の形状が良くなっている。また、マスクパターン６１が完全遮光膜（透過率０％）よりなる場合に、光強度分布の形状が最悪となっている。しかしながら、第１の実施形態において、常に位相シフターの透過率が高ければよいというわけではない。以下、その理由について説明する。
図９（ｂ）は、図８（ａ）に示すフォトマスクを用いた露光において位相シフターの透過率及びマスクパターンの線幅Ｌを色々変化させた場合に被露光材料上における図８（ａ）の点Ｏと対応する位置に生じる光強度のシミュレーション結果を示している。
図９（ｂ）に示すように、各透過率の位相シフターよりなるマスクパターンに対して、実効的な遮光性が最も高くなる線幅Ｌが存在していると共に、完全遮光膜よりも遮光性が劣化し始める線幅Ｌが存在している。ところで、図８（ａ）に示すフォトマスクにおいては、透過性基板６０におけるマスクパターン６１の周辺を透過してマスクパターン６１の裏側に回り込む光（つまりマスクパターン回折光）を、マスクパターン６１を透過する光（つまりシフター透過光）によって打ち消すことによって、マスクパターン６１の遮光性を向上させている。このため、マスクパターン回折光とシフター透過光とのバランスが最適化された場合にはマスクパターン６１の実効的な遮光性が最高となる。一方、マスクパターン回折光に対してシフター透過光が過剰になるとマスクパターン６１の実効的な遮光性は低下し、場合によっては完全遮光膜よりなるマスクパターンの遮光性よりも低くなることもある。
図９（ｃ）は、図８（ａ）に示すフォトマスクを用いた露光において位相シフターの透過率Ｔ及びマスクパターンの線幅Ｌを色々変化させた場合に被露光材料上における図８（ａ）の点Ｏと対応する位置に生じる光強度のシミュレーション結果を、透過率Ｔ及び線幅Ｌをそれぞれ縦軸及び横軸に取って光強度の等高線で表した様子を示している。
図９（ｃ）において網掛け模様で示している領域が、マスクパターンの実効的な遮光性を最大にする、マスクパターンの線幅Ｌと位相シフターの透過率Ｔとの組み合わせ条件を示している。すなわち、この組み合わせ条件が、マスクパターン回折光とシフター透過光とが相殺される条件である。従って、この組み合わせ条件に基づいて、各マスクパターンの線幅Ｌに対して、各マスクパターンの実効的な遮光性が最大になる位相シフターの透過率Ｔを定めていくことにより、マスクパターンによって被露光材料上に投影される光強度分布の形状を所望の形状に近づけてやることができる。
ところで、図９（ｃ）においては、色々なマスクパターンの線幅Ｌ及び位相シフターの透過率Ｔを用いて被露光材料上に転写される光強度分布を実際に計算することにより、マスクパターンの実効的な遮光性を最大にする線幅Ｌと透過率Ｔとの組み合わせ条件（遮光性最大化条件）を求めている。しかしながら、この方法で遮光性最大化条件を求めようとすると計算時間が非常に長くなるので、例えばマスクパターンの任意の線幅Ｌに対する位相シフターの最適な透過率Ｔを求めることが困難になる。
そこで、次に、本願発明者が見出した、遮光性最大化条件の簡単な計算方法、具体的にはマスクパターンの任意の線幅Ｌに対して位相シフターの最適な透過率Ｔを求める簡単な方法（以下、マスクパターン重ね合わせ法と称する）について説明する。
図１０は本発明のマスクパターン重ね合わせ法の原理を、透過率Ｔの位相シフターよりなる線幅Ｌのマスクパターンの場合について示した模式図である。
図１０に示すように、透過率Ｔの位相シフターよりなる線幅Ｌのマスクパターンを有するフォトマスク（イメージ強調マスク）を用いた露光において、被露光材料上におけるマスクパターンの中心と対応する位置に生じる光強度をＩｈ（Ｌ、Ｔ）とする。また、イメージ強調マスクの位相シフターに代えて完全遮光膜がマスクパターンとして設けられたフォトマスク（遮光マスク）を用いた露光において、被露光材料上におけるマスクパターンの中心と対応する位置に生じる光強度をＩｃ（Ｌ）とする。また、イメージ強調マスクの位相シフターに代えて通常の透光部が設けられ、且つイメージ強調マスクの透光部に代えて完全遮光膜よりなる遮光部が設けられたフォトマスク（透過マスク）を用いた露光において、被露光材料上におけるマスクパターンの中心と対応する位置に生じる光強度をＩｏ（Ｌ）とする。このとき、本発明のイメージ強調法の原理（図３参照）で説明したように、イメージ強調マスクにおいて、被露光材料上におけるマスクパターンの中心と対応する位置に生じるマスクパターン回折光の強度はＩｃ（Ｌ）に相当すると共に、被露光材料上におけるマスクパターンの中心と対応する位置に生じるシフター透過光の光強度はＴ×Ｉｏ（Ｌ）に相当する。従って、光強度Ｉｈ（Ｌ、Ｔ）は、光強度Ｉｃ（Ｌ）及び光強度Ｔ×Ｉｏ（Ｌ）をそれぞれ位相空間上での光強度に換算して重ね合わせ、その結果を２乗した値によって近似することができる。すなわち、
Ｉｈ（Ｌ、Ｔ）＝（（Ｉｃ（Ｌ））0.5 −（Ｔ×Ｉｏ（Ｌ））0.5 ）2
である。
従って、イメージ強調マスクにおいて、Ｉｈ（Ｌ、Ｔ）が最小となる条件つまりマスクパターンの遮光性が最大になる条件は、
Ｉｃ（Ｌ）＝Ｔ×Ｉｏ（Ｌ）
である。すなわち、マスクパターンの任意の線幅Ｌに対する位相シフターの最適な透過率Ｔは、
Ｔ＝Ｉｃ（Ｌ）／Ｉｏ（Ｌ）
により求めることができる。
図１１（ａ）〜（ｃ）は、図１０に示すイメージ強調マスクを用いた露光において位相シフターの透過率Ｔ及びマスクパターンの線幅Ｌを色々変化させた場合に被露光材料上におけるマスクパターンの中心と対応する位置に生じる光強度Ｉｈ（Ｌ、Ｔ）のシミュレーション結果を、透過率Ｔ及び線幅Ｌをそれぞれ縦軸及び横軸に取って光強度の等高線で表した様子を示している。ここで、図１１（ａ）〜（ｃ）のそれぞれにおいて、前述のＴ＝Ｉｃ（Ｌ）／Ｉｏ（Ｌ）の関係を表すグラフを重ね書きしている。尚、図１１（ａ）〜（ｃ）に示すシミュレーション結果はそれぞれ異なる露光光源を用いて得られたものであり、図１１（ａ）に示すシミュレーション結果は円形の光源を用いた通常露光により得られたものであり、図１１（ｂ）に示すシミュレーション結果は輪帯状の光源を用いた輪帯露光により得られたものであり、図１１（ｃ）に示すシミュレーション結果は対角座標上の４点に位置する光源を用いた四重極露光により得られたものである。また、その他のシミュレーション条件は、露光光の波長λ＝０．１９３μｍ、露光機の投影光学系の開口率ＮＡ＝０．６である。
図１１（ａ）〜（ｃ）に示すように、位相シフターの透過率Ｔ及びマスクパターンの線幅Ｌに対する光強度Ｉｈ（Ｌ、Ｔ）の依存性は、露光光源の形状によって若干異なっているが、光強度Ｉｈ（Ｌ、Ｔ）が最小となる条件は露光光源の形状に関わらずＴ＝Ｉｃ（Ｌ）／Ｉｏ（Ｌ）の関係で正確に表すことができる。
図１２は、マスクパターン重ね合わせ法の原理を、透過率Ｔの位相シフターよりなる正方形状（１辺の長さがＬ）のマスクパターンを有するイメージ強調マスクの場合について示した模式図である。図１２に示すイメージ強調マスクにおいても、被露光材料上におけるマスクパターンの中心と対応する位置に生じるマスクパターン回折光の光強度はＩｃ（Ｌ）に相当すると共に、被露光材料上におけるマスクパターンの中心と対応する位置に生じるシフター透過光の光強度はＴ×Ｉｏ（Ｌ）に相当する。従って、図１２に示すイメージ強調マスクにおいても、マスクパターンの任意の幅Ｌに対する位相シフターの最適な透過率Ｔは、
Ｔ＝Ｉｃ（Ｌ）／Ｉｏ（Ｌ）
により求めることができる。
図１３（ａ）〜（ｃ）は、図１２に示すイメージ強調マスクを用いた露光において位相シフターの透過率Ｔ及びマスクパターンの線幅Ｌを色々変化させた場合に被露光材料上におけるマスクパターンの中心と対応する位置に生じる光強度Ｉｈ（Ｌ、Ｔ）のシミュレーション結果を、透過率Ｔ及び線幅Ｌをそれぞれ縦軸及び横軸に取って光強度の等高線で表した様子を示している。ここで、図１３（ａ）〜（ｃ）のそれぞれにおいて、前述のＴ＝Ｉｃ（Ｌ）／Ｉｏ（Ｌ）の関係を表すグラフを重ね書きしている。尚、図１３（ａ）〜（ｃ）に示すシミュレーション結果はそれぞれ異なる露光光源を用いて得られたものであり、図１３（ａ）に示すシミュレーション結果は円形の光源を用いた通常露光により得られたものであり、図１３（ｂ）に示すシミュレーション結果は輪帯状の光源を用いた輪帯露光により得られたものであり、図１３（ｃ）に示すシミュレーション結果は対角座標上の４点に位置する光源を用いた四重極露光により得られたものである。また、その他のシミュレーション条件は、露光光の波長λ＝０．１９３μｍ、露光機の投影光学系の開口率ＮＡ＝０．６である。
図１３（ａ）〜（ｃ）に示すように、位相シフターの透過率Ｔ及びマスクパターンの幅Ｌに対する光強度Ｉｈ（Ｌ、Ｔ）の依存性は、露光光源の形状によって若干異なっているが、光強度Ｉｈ（Ｌ、Ｔ）が最小となる条件は露光光源の形状に関わらずＴ＝Ｉｃ（Ｌ）／Ｉｏ（Ｌ）の関係で正確に表すことができる。
すなわち、本発明のマスクパターン重ね合わせ法の適用が可能なマスクパターンの形状は特に限定されるものではない。
具体的には、本発明のイメージ強調法によって位相シフターよりなる任意形状のマスクパターンの実効的な遮光性を最大にする位相シフターの透過率Ｔの計算方法は次の通りである。
（１）イメージ強調マスクの位相シフターに代えて完全遮光膜が設けられた遮光マスクを用いた露光において被露光材料上におけるマスクパターンの中心付近と対応する位置ｒに生じる光強度Ｉｃ（ｒ）を計算する。
（２）イメージ強調マスクの位相シフターに代えて通常の透光部が設けられ、且つイメージ強調マスクの透光部に代えて完全遮光膜よりなる遮光部が設けられた透過マスクを用いた露光において、被露光材料上におけるマスクパターンの中心付近と対応する位置ｒに生じる光強度Ｉｏ（ｒ）を計算する。
（３）位相シフターの最適な透過率ＴをＴ＝Ｉｃ（Ｌ）／Ｉｏ（Ｌ）の関係に基づき求める。
尚、透過率Ｔの上限は１なので、Ｔ＝Ｉｃ（Ｌ）／Ｉｏ（Ｌ）により求められた透過率Ｔが１を越える場合には、最適な透過率Ｔは１となる。
また、以上の説明においては単純な形状を有するマスクパターンを対象としてきたが、マスクパターンが複雑な形状を有する場合には、該マスクパターンを単純な形状を有する複数のパターンに分割して、各パターン毎に本発明のマスクパターン重ね合わせ法を適用すればよい。これにより、分割された各パターン毎に、位相シフターの最適な透過率Ｔが定まる。
以上に説明したように、第１の実施形態に係るフォトマスクにおいては、マスクパターン回折光の強度を計算した後、シフター透過光の強度がマスクパターン回折光の強度と等しくなるように、位相シフターの透過率Ｔを計算することによって、マスクパターンの遮光性を最大化することができる。また、マスクパターンが複雑な形状を有する場合には、該マスクパターンを単純な形状を有する複数のパターンに分割して、各パターン毎に透過光の強度が回折光の強度と等しくなるように、位相シフターの透過率Ｔを計算することによって、マスクパターン全体に亘って遮光性を最大化することができる。
尚、第１の実施形態において、本発明のイメージ強調法の原理を考慮してマスクパターンの実効的な遮光性を最大化する場合には、Ｔ＝Ｉｃ（Ｌ）／Ｉｏ（Ｌ）の関係に基づいて位相シフターの透過率Ｔを決定すればよいが、マスクパターンの実効的な遮光性を完全遮光膜よりなるマスクパターンよりも高くするだけならば、Ｔ＝Ｉｃ（Ｌ）／Ｉｏ（Ｌ）の関係がほぼ満たされるように位相シフターの透過率Ｔを決定してもよい。具体的には、完全遮光膜を位相シフターに置き換えてもマスクパターンの遮光性が向上しなくなるのは、Ｔ＝Ｉｃ（Ｌ）／Ｉｏ（Ｌ）の関係から得られる最適な透過率Ｔの４倍以上の透過率を有する位相シフターをマスクパターンとして設けた場合である。この理由について以下に説明する。前述のように、線幅Ｌ、透過率Ｔの位相シフターよりなるマスクパターンを有するイメージ強調マスクによって被露光材料上におけるマスクパターンの中心と対応する位置に生じる光強度Ｉｈ（Ｌ、Ｔ）は、
Ｉｈ（Ｌ、Ｔ）＝（（Ｉｃ（Ｌ））0.5 −（Ｔ×Ｉｏ（Ｌ））0.5 ）2
の関係を用いて見積もることができる（但し、Ｉｃ（Ｌ）はマスクパターン回折光の光強度であり、Ｉｏ（Ｌ）はシフター透過光の光強度である）。ここで、Ｉｃ（Ｌ）とＴ×Ｉｏ（Ｌ）との重ね合わせは干渉性の重ね合わせなので、各光強度を位相空間上で足し合わせる必要がある。そのため、各光強度を位相空間上の値に変換するため、各光強度の平方根をとっている。そして、マスクパターン回折光及びシフター透過光のそれぞれの位相を考慮して各光強度の平方根を足し合わせた結果が位相空間上での各光強度の重ね合わせになり、さらに、その結果を通常の光強度に換算するために２乗している。
前述のように、Ｉｈ（Ｌ、Ｔ）つまり（（Ｉｃ（Ｌ））0.5 −（Ｔ×Ｉｏ（Ｌ））0.5 ）の２乗が最小になるときには、言い換えると、マスクパターンによる遮光効果が最も高くなるときには、Ｉｃ（Ｌ）＝Ｔ×Ｉｏ（Ｌ）が成り立つので、位相シフターの最適な透過率Ｔ（以下、最適透過率Ｔｂとする）を、
Ｔｂ＝Ｉｃ（Ｌ）／Ｉｏ（Ｌ）
により求めることができる。
一方、シフター透過光が過剰になって、マスクパターンの実効的な遮光性が完全遮光膜よりなるマスクパターンと同じになるまで低下する条件は、Ｉｈ（Ｌ、Ｔ）＝Ｉｃ（Ｌ）つまり、
−（（Ｉｃ（Ｌ））0.5 −（Ｔ×Ｉｏ（Ｌ））0.5 ）＝（Ｉｃ（Ｌ））0.5
であると考えることができる。このとき、
（Ｔ×Ｉｏ（Ｌ））0.5 ＝２×（Ｉｃ（Ｌ））0.5
であるので、
Ｔ×Ｉｏ（Ｌ）＝４×（Ｉｃ（Ｌ））
が成り立つ。すなわち、シフター透過光の光強度がマスクパターン回折光の光強度の４倍に達してしまうと、マスクパターンの実効的な遮光性が完全遮光膜よりなるマスクパターンと同じになってしまう。この条件を満たす位相シフターの透過率Ｔ（以下、限界透過率Ｔｗとする）は、
Ｔｗ＝４×Ｉｃ（Ｌ）／Ｉｏ（Ｌ）＝４×Ｔｂ
により求めることができる。従って、最適透過率Ｔｂの４倍以上の透過率を有する位相シフターを完全遮光膜に代えてマスクパターンとして設けた場合、マスクパターンの実効的な遮光性が完全遮光膜よりなるマスクパターンよりも低下する。言い換えると、位相シフターの透過率を最適透過率Ｔｂの４倍以下にすれば、完全遮光膜に代えて位相シフターをマスクパターンとして設けることにより、マスクパターンの実効的な遮光性を向上させることができる。
図１４（ａ）〜（ｃ）は、図１０に示すイメージ強調マスクを用いた露光において位相シフターの透過率Ｔ及びマスクパターンの線幅Ｌを色々変化させた場合にＩｈ（Ｌ、Ｔ）＝Ｉｃ（Ｌ）が成り立つ条件を示している。ここで、図１４（ａ）〜（ｃ）のそれぞれにおいて、前述のＴｗ＝４×Ｉｃ（Ｌ）／Ｉｏ（Ｌ）の関係を表すグラフ（図中ではＴｗをＴと表している）を重ね書きしている。尚、図１４（ａ）〜（ｃ）に示すシミュレーション結果はそれぞれ異なる露光光源を用いて得られたものであり、図１４（ａ）に示すシミュレーション結果は円形の光源を用いた通常露光により得られたものであり、図１４（ｂ）に示すシミュレーション結果は輪帯状の光源を用いた輪帯露光により得られたものであり、図１４（ｃ）に示すシミュレーション結果は対角座標上の４点に位置する光源を用いた四重極露光により得られたものである。また、その他のシミュレーション条件は、露光光の波長λ＝０．１９３μｍ、露光機の投影光学系の開口率ＮＡ＝０．６である。
図１４（ａ）〜（ｃ）に示すように、位相シフターの透過率Ｔ及びマスクパターンの線幅Ｌに対する、Ｉｈ（Ｌ、Ｔ）＝Ｉｃ（Ｌ）が成り立つ条件の依存性は、露光光源の形状によって若干異なっているが、Ｉｈ（Ｌ、Ｔ）＝Ｉｃ（Ｌ）が成り立つ条件は露光光源の形状に関わらずＴ＝４×Ｉｃ（Ｌ）／Ｉｏ（Ｌ）の関係で正確に表すことができる。
以上の説明において、マスクパターンの任意の線幅Ｌに対して位相シフターの限界透過率Ｔｗを求めたが、逆に、位相シフターの所定の透過率Ｔｏに対してマスクパターンの限界線幅Ｌｏを求めることもできる。具体的には、Ｉｃ（Ｌ）／Ｉｏ（Ｌ）はマスクパターンの線幅Ｌの増加と共に減少するので、位相シフターの所定の透過率Ｔｏに対して、Ｉｃ（Ｌ）／Ｉｏ（Ｌ）がＴｏ／４となる線幅Ｌを限界線幅Ｌｏとすると、限界線幅Ｌｏ以上の線幅を有するマスクパターンにおいては遮光膜に代えて位相シフターを用いる方がマスクパターンの実効的な遮光性が低下することになる。従って、任意のレイアウトを有するマスクパターンにおいて所定の透過率Ｔｏを有する位相シフターを設ける場合、Ｉｃ（Ｌ）／Ｉｏ（Ｌ）＝Ｔｏ／４の関係から定まる限界線幅Ｌｏ以下の線幅を有するマスクパターン部分には位相シフターを設けると共に、限界線幅Ｌｏ以上の線幅を有するマスクパターン部分には遮光膜を設けることが好ましい。このようにすると、マスクパターン全体が遮光膜によって形成されている場合と比べてマスクパターン全体の実効的な遮光性を向上させることができる。尚、位相シフターの配置と遮光膜の配置とを切り替える寸法は、必ずしもＩｃ（Ｌ）／Ｉｏ（Ｌ）＝Ｔｏ／４の関係から定まる限界線幅Ｌｏである必要はなく、限界線幅Ｌｏ以下の任意の線幅であってもよい。
また、以上の説明において、最適透過率Ｔを、Ｔｂ＝Ｉｃ（Ｌ）／Ｉｏ（Ｌ）により求めると共に、限界透過率Ｔｗを、Ｔｗ＝４×Ｉｃ（Ｌ）／Ｉｏ（Ｌ）＝４×Ｔｂにより求めたが、より一般的な状況に対応して、位相シフターの透過率Ｔを次のように定めても良い。すなわち、被露光材料上におけるマスクパターンの中心と対応する位置に生じる光強度Ｉｈを、マスクパターン回折光の強度Ｉｃの１／Ｄまで低減させたい場合、
−（（Ｉｃ）0.5 −（Ｔ×Ｉｏ））0.5 ）＜ （Ｉｃ／Ｄ）0.5
＜（（Ｉｃ）0.5 −（Ｔ×Ｉｏ））0.5 ）
が成り立つような透過率Ｔを用いればよい。この関係式から透過率Ｔの許容範囲として、
（Ｉｃ／Ｉｏ）×（（Ｄ−Ｄ0.5 ）／Ｄ）×（（Ｄ−Ｄ0.5 ）／Ｄ）＜ Ｔ
＜（Ｉｃ／Ｉｏ）×（（Ｄ＋Ｄ0.5 ）／Ｄ）×（（Ｄ＋Ｄ0.5 ）／Ｄ）
が得られる。具体的には、Ｄ＝３の場合、透過率Ｔの許容範囲は（Ｉｃ／Ｉｏ）の０．１８倍以上で且つ２．５倍以下である。また、Ｄ＝５の場合、透過率Ｔの許容範囲は（Ｉｃ／Ｉｏ）の０．３１倍以上で且つ２．１倍以下である。また、Ｄ＝１０の場合、透過率Ｔのの許容範囲は（Ｉｃ／Ｉｏ）の０．４８倍以上で且つ１．７倍以下である。実用的には必ずしも全てのマスクパターンの遮光性を最大にする必要はないので、位相シフターの透過率Ｔが（Ｉｃ／Ｉｏ）の１／３倍程度以上で且つ２倍程度以下の値であればマスクパターンの遮光性が十分に向上する。
また、例えば異なる透過率を有する２種類の位相シフターをマスクパターンとして用いることができる場合、いずれの透過率を有する位相シフターによって、より高い遮光性を実現できるかを、次のような方法によって判断することができる。すなわち、２種類の位相シフターの透過率がそれぞれＴ１及びＴ２（Ｔ１＞Ｔ２）である場合、透過率Ｔ１の位相シフターを用いることにより、透過率Ｔ２の位相シフターを用いるよりも高い遮光性が得られる条件は、
（Ｉｃ0.5 −（Ｔ１×Ｉｏ）0.5 ）×（Ｉｃ0.5 −（Ｔ１×Ｉｏ）0.5 ）
＜（Ｉｃ0.5 −（Ｔ２×Ｉｏ）0.5 ）×（Ｉｃ0.5 −（Ｔ２×Ｉｏ）0.5 ）
である。この式を整理すると、
Ｉｃ ／Ｉｏ＞（Ｔ１0.5 ＋Ｔ２0.5 ）×（Ｔ１0.5 ＋Ｔ２0.5 ）／２
が得られる。従って、
Ｉｃ ／Ｉｏ＞（Ｔ１0.5 ＋Ｔ２0.5 ）×（Ｔ１0.5 ＋Ｔ２0.5 ）／２
が成り立つマスクパターン部分においては透過率Ｔ１の位相シフターを選択し、
Ｉｃ ／Ｉｏ≦（Ｔ１0.5 ＋Ｔ２0.5 ）×（Ｔ１0.5 ＋Ｔ２0.5 ）／２
が成り立つマスクパターン部分においては透過率Ｔ２の位相シフターを選択すればよい。
また、第１の実施形態に係るパターン形成方法、つまり第１の実施形態に係るフォトマスクを用いたパターン形成方法において、レジスト膜としてはポジ型のものを用いてもよいし、又はネガ型のものを用いてもよい。ポジ型レジスト膜を用いる場合、露光光を照射されたポジ型レジスト膜を現像して、ポジ型レジスト膜におけるマスクパターンと対応する部分以外の他の部分を除去することにより、マスクパターン形状のレジストパターンを形成できる。ネガ型レジスト膜を用いる場合、露光光を照射されたネガ型レジスト膜を現像して、ネガ型レジスト膜におけるマスクパターンと対応する部分を除去することにより、マスクパターン形状の開口部を有するレジストパターンを形成できる。ポジ型レジスト膜を用いる場合であっても、ネガ型レジスト膜を用いる場合であっても、マスクパターン幅Ｌが０．４×λ／ＮＡ程度よりも小さくなると、従来と比べてレジストパターンの寸法精度を大きく向上させることができる。
（第２の実施形態)
以下、本発明の第２の実施形態に係るフォトマスク、その作成方法及びそのフォトマスクを用いたパターン形成方法について、図面を参照しながら説明する。
第２の実施形態の特徴は、第１の実施形態と同様に、所望のパターンと対応するマスクパターンを遮光膜を用いて作成した場合において、露光時にマスクパターンによって被露光材料（具体的にはレジスト膜）に転写される光強度分布における光強度が十分に低下しない領域と対応する遮光膜部分を位相シフターで置き換えることによりマスクパターンを作成し、そのマスクパターンを有するフォトマスクを用いて露光を行なうことである。
また、第２の実施形態が第１の実施形態と異なっている点は次の通りである。すなわち、第１の実施形態においては、シフター透過光の強度を位相シフターの透過率により制御するために、マスクパターンとして設けられる位相シフターの透過率が複数存在していた。それに対して、第２の実施形態においては、マスクパターンとして設けられる位相シフターは全て同じ透過率を有していると共に、シフター透過光の強度を、位相シフターを部分的に遮光膜によって覆うことにより制御する。
図１５（ａ）は、第２の実施形態における形成対象となる所望のパターン（レジストパターン）の設計レイアウトの一例を示している。図１５（ａ）に示すように、パターン７０の幅は０．１３μｍである。尚、パターン７０の設計レイアウトは、図５（ａ）に示す第１の実施形態における形成対象となるパターン２０の設計レイアウトと同じである。
図１５（ｂ）は、図１５（ａ）に示すパターンを形成するために用いられる、第２の実施形態に係るフォトマスクの平面図を示している。図１５（ｂ）に示すように、第２の実施形態に係るフォトマスクは、透過性基板８０上に、図１５（ａ）に示すパターンと対応するマスクパターン９０が形成されてなる。マスクパターン９０は０．１３×Ｍ［μｍ］（Ｍ：露光機の縮小投影光学系の倍率）の寸法（実寸）を有している。また、マスクパターン９０は、クロム膜等の遮光膜よりなる遮光部９１と、該遮光膜に設けられた開口部に配置された位相シフター９２とを有している。
図１５（ｂ）に示す第２の実施形態に係るフォトマスクと、図５（ｂ）に示す第１の実施形態に係るフォトマスクとを比較すると、次のことが分かる。すなわち、第２の実施形態においては、第１の実施形態で高い透過率を有する位相シフター（第２の位相シフター４３）が設けられいた領域に対しては、遮光部９１となる遮光膜に大きな開口部を設けて、該開口部を位相シフター９２としている。また、第１の実施形態で低い透過率を有する位相シフター（第１の位相シフター４２）が設けられいた領域に対しては、遮光部９１となる遮光膜に小さな開口部を設けて、該開口部を位相シフター９２としている。
図１６（ａ）〜（ｃ）は、第２の実施形態に係るパターン形成方法、具体的には、図１５（ｂ）に示すフォトマスクを用いた露光によるパターン形成方法の各工程を示す断面図である。まず、図１６（ａ）に示すように、基板１００の上に金属膜又は絶縁膜等よりなる被加工膜１０１を形成した後、被加工膜１０１の上にポジ型のレジスト膜１０２を形成する。その後、図１６（ｂ）に示すように、透過性基板８０上にマスクパターン９０が形成されてなる第２の実施形態に係るフォトマスク（図１５（ｂ）参照）を介してレジスト膜１０２に対して露光光１０３を照射する。これにより、レジスト膜１０２におけるマスクパターン９０と対応する部分が非露光部１０２ａとなり、レジスト膜１０２におけるその他の部分が露光部１０２ｂとなる。その後、図１６（ｃ）に示すように、レジスト膜１０２を現像することによって非露光部１０２ａよりなるレジストパターン１０４を形成する。
図１７（ａ）は、図１５（ｂ）に示すフォトマスクによってレジスト膜１０２に投影される光強度分布のシミュレーション結果を示している。シミュレーション条件は、露光光１０３の波長λ＝１９３ｎｍ、露光機の投影光学系の開口数ＮＡ＝０．６、露光機の干渉度σ＝０．８である。このとき、図１５（ｂ）に示すマスクパターン９０の寸法について、０．１３×Ｍ［μｍ］≒０．４×Ｍ×λ／ＮＡの関係が成り立つ。尚、図１７（ａ）においては、２次元の相対座標系における相対光強度の等高線を用いて光強度分布を示している。
図１７（ａ）に示す第２の実施形態のシミュレーション結果と、図７（ａ）に示す第１の実施形態のシミュレーション結果とを比較すると、次のことがわかる。すなわち、第２の実施形態に係るフォトマスクを用いた場合、マスクパターンにおける遮光膜によっては十分な遮光性が得られない部分に、より大きな開口部を設けて該開口部に位相シフターを設けることにより、マスクパターン全体に亘って十分な遮光性を実現できるので、第１の実施形態と同様に、所望の形状により近い形状を有するレジストパターンを形成することができる。
図１７（ｂ）は図１７（ａ）のＡＡ’線に沿った光強度分布のシミュレーション結果を示しており、図１７（ｃ）は図１７（ａ）に示す光強度分布のシミュレーション結果からレジストパターン１０４の形状を予測した結果を示している。図１７（ｂ）に示すように臨界強度が０．３であるとすると、図１７（ａ）に示す光強度分布における臨界強度値の分布形状がマスクパターン９０の形状とほぼ一致する結果、図１７（ｃ）に示すようにほぼ所望の形状（破線で示す形状）を有するレジストパターン１０４（斜線部）を形成できる。
以上に説明したように、第２の実施形態によると、フォトマスク上のマスクパターンに位相シフターを設けることにより、シフター透過光によってマスクパターン回折光を打ち消している。このため、マスクパターンの遮光性を、完全遮光膜のみからなるマスクパターンよりも向上させることができるので、１枚のフォトマスクを用いた露光によって、任意の寸法又は形状を有するパターンを形成することができる。
以下、第２の実施形態が第１の実施形態と比べて優れている点について説明する。前述のように、理論的には、所望のパターンと対応するマスクパターンを遮光膜を用いて作成した場合において、遮光膜における実効的な遮光性が低下してしまう部分を、最適な透過率を有する位相シフターによって置き換えることによって、マスクパターンの全体に亘って実効的な遮光性を向上できる。この場合、位相シフターを、露光光に対して透過性材料となる石英等よりなる透過性基板上の堆積膜として形成する必要があると共に、透過性基板上の異なる位置に異なる透過率を有する材料よりなる堆積膜を設ける必要がある。しかし、これは、マスク製造上の手間及びコストを考慮すると困難である。一方、堆積膜の材料に代えて堆積膜の厚みにより位相シフターの透過率を制御しようとしても、堆積膜の厚みは、位相差１８０度と対応する光路差を生じる厚みに限定される。このため、単一材料の堆積膜の厚みを変化させることにより、位相シフターの透過率をマスクパターンの各部分で変更することも困難である。それに対して、第２の実施形態においては、シフター透過光を、位相シフターの透過率ではなく、マスクパターンに設けられた開口部（具体的にはマスクパターンの外形形状を有する遮光膜に設けられた開口部）の大きさによって制御するので、開口部に配置される位相シフターの透過率を単一にすることができる。もちろん、このとき、位相シフターの透過率が複数存在していてもよい。
以下、第２の実施形態に係るフォトマスクのマスクパターンに設けられる開口部の幅と、マスクパターンによって被露光材料上に投影される光強度分布との関係について詳しく説明する。尚、第２の実施形態においても、マスクパターン回折光をシフター透過光によって打ち消すという、イメージ強調法の原理を用いている点は第１の実施形態と共通である。また、第１の実施形態においては、マスクパターン線幅に対して位相シフターの透過率を適切に設定したのに対して、第２の実施形態においては、マスクパターン線幅に対して開口部幅を適切に設定してやる。
図１８（ａ）は、遮光膜と、該遮光膜に設けられ且つ位相シフターとなる開口部とからなるマスクパターンを有するフォトマスクの平面図である。図１８（ａ）に示すように、透過性基板１１０上に、マスクパターン形状にパターン化されており且つ位相シフターとなる透過性膜１１１が形成されていると共に、透過性膜１１１を覆うようにクロム膜等の遮光膜１１２が形成されている。また、遮光膜１１２には開口部１１３が透過性膜１１１を露出させるように設けられており、それにより開口部１１３は位相シフターとして機能する。尚、図１８（ａ）において、透過性膜１１１の透過率（Ｔ）は５０％であり、マスクパターン線幅はＬであり、開口部１１３の幅（以下、開口部幅と称する）はＳである。
図１８（ｂ）は、図１８（ａ）に示すフォトマスクを用いて露光を行なっている様子を示している。図１８（ｂ）に示すように、露光光１１４は、透過性基板１１０におけるマスクパターン周辺を透過して第１の透過光１１５となると共に開口部１１３を透過して第２の透過光１１６となる。
図１９（ａ）は、図１８（ａ）に示すフォトマスクを用いた露光において開口部幅Ｓを色々変化させた場合に被露光材料上における図１８（ａ）のＡＡ’線と対応する位置に転写される光強度分布のシミュレーション結果を示している。尚、シミュレーション条件は、露光光の波長λ＝０．１９３μｍ、露光機の投影光学系の開口率ＮＡ＝０．６、露光機の干渉度σ＝０．８、マスクパターン線幅Ｌ＝０．１μｍである。また、ＡＡ’線上の点Ｏはマスクパターン中心に位置している。
図１９（ａ）に示すように、開口部幅Ｓが大きくなるに従って、被露光材料上におけるマスクパターン中心Ｏと対応する位置（横軸の０）の光強度が低下しており、光強度分布の形状が良くなっている。また、開口部幅Ｓが０の場合（マスクパターンが完全遮光膜よりなる場合）に、光強度分布の形状が最悪となっている。すなわち、図９（ａ）に示すシミュレーション結果と比べると、マスクパターンに設ける開口部の幅を増大させることは、マスクパターンに設ける位相シフターの透過率を増大させることと同様の効果をもたらすことがわかる。
図１９（ｂ）は、図１８（ａ）に示すフォトマスクを用いた露光においてマスクパターン線幅Ｌ及び開口部幅Ｓを色々変化させた場合に被露光材料上における図１８（ａ）の点Ｏと対応する位置に生じる光強度のシミュレーション結果を、マスクパターン線幅Ｌ及び開口部幅Ｓをそれぞれ縦軸及び横軸に取って光強度の等高線で表した様子を示している。
図１９（ｂ）において網掛け模様で示している領域が、マスクパターンの実効的な遮光性を最大にする、マスクパターン線幅Ｌと開口部幅Ｓとの組み合わせ条件を示している。すなわち、この組み合わせ条件が、マスクパターン回折光及びシフター透過光のそれぞれの光強度が相殺される条件である。従って、この組み合わせ条件に基づき、各マスクパターン線幅Ｌに対して、各マスクパターンの実効的な遮光性が最大になる開口部幅Ｓを定めていくことにより、マスクパターンによって被露光材料上に投影される光強度分布の形状を所望の形状に近づけてやることができる。
ところで、図１８（ａ）に示すフォトマスクにおいては、開口部幅Ｓがマスクパターン線幅Ｌに等しい場合にも（位相シフターとなる透過性膜１１１の上に遮光膜１１２が設けられていない場合にも）、シフター透過光の最大値は透過性膜１１１の透過率によって制限されることになる。一方、第２の実施形態においては、位相シフターの透過率の最大値を抑制する特別な理由がない限り、位相シフターの透過率は高い方が好ましい。
そこで、第２の実施形態においては、図１８（ａ）に示すようなフォトマスクに代えて、図２０（ａ）に示すようなフォトマスク、つまり位相差１８０度と対応する光路差を生じる厚みだけ透過性基板を彫り込むことによって形成される位相シフターが設けられたフォトマスクを用いる方が好ましい。この場合、位相シフターの透過率は、実質的に透過性基板の透過率と等しくなる。尚、本明細書においては、透過性基板の透過率を透過率の基準（１．０）として用いている。
図２０（ａ）は、遮光膜と、該遮光膜に設けられ且つ位相シフターとなる開口部とからなるマスクパターンを有するフォトマスクの平面図である。図２０（ａ）に示すように、透過性基板１２０上に、マスクパターンの外形形状を有するクロム膜等の遮光膜１２１が形成されている。また、遮光膜１２１には開口部１２３が設けられていると共に、透過性基板１２０における開口部１２３の下側には、位相シフターとなる彫り込み部１２２が形成されている。尚、図２０（ａ）において、マスクパターン線幅はＬであり、開口部１２３の幅（以下、開口部幅と称する）はＳである。
図２０（ｂ）は、図２０（ａ）に示すフォトマスクを用いて露光を行なっている様子を示している。図２０（ｂ）に示すように、露光光１２４は、透過性基板１２０におけるマスクパターン周辺を透過して第１の透過光１２５となると共に開口部１２３を透過して第２の透過光１２６となる。
図２１（ａ）は、図２０（ａ）に示すフォトマスクを用いた露光において開口部幅Ｓを色々変化させた場合に被露光材料上における図２０（ａ）のＡＡ’線と対応する位置に転写される光強度分布のシミュレーション結果を示している。尚、シミュレーション条件は図１９（ａ）の場合と同じである。また、ＡＡ’線上の点Ｏはマスクパターン中心に位置している。
図２１（ａ）に示すように、開口部幅Ｓが大きくなるに従って、被露光材料上におけるマスクパターン中心Ｏと対応する位置（横軸の０）の光強度が低下しており、光強度分布の形状が良くなっている。また、開口部幅Ｓが０の場合（マスクパターンが完全遮光膜よりなる場合）に、光強度分布の形状が最悪となっている。さらに、図１９（ａ）に示すシミュレーション結果と比べると、位相シフターの透過率が高くなったことに起因して、マスクパターンの遮光性がより向上している。
図２１（ｂ）は、図２０（ａ）に示すフォトマスクを用いた露光においてマスクパターン線幅Ｌ及び開口部幅Ｓを色々変化させた場合に被露光材料上における図２０（ａ）の点Ｏと対応する位置に生じる光強度のシミュレーション結果を、マスクパターン線幅Ｌ及び開口部幅Ｓをそれぞれ縦軸及び横軸に取って光強度の等高線で表した様子を示している。図２１（ｂ）に示すシミュレーション結果と図１９（ｂ）に示すシミュレーション結果とを比べると、図２１（ｂ）においては、位相シフターの透過率が高くなったことに起因して、より小さいマスクパターン線幅Ｌに対してもマスクパターンの実効的な遮光性が高く保たれていることが分かる。
図２１（ｂ）において網掛け模様で示している領域は、マスクパターンの実効的な遮光性を最大にする、マスクパターン線幅Ｌと開口部幅Ｓとの組み合わせ条件を示している。すなわち、この組み合わせ条件（以下、遮光性最大化条件と称する）が、マスクパターン回折光及びシフター透過光のそれぞれの光強度が相殺される条件である。
図２１（ｂ）に示すように、遮光性最大化条件においては、マスクパターン線幅Ｌが小さくなるほど開口部幅Ｓが大きくなる関係が成り立っている。すなわち、第２の実施形態においては、マスクパターン線幅Ｌが十分に大きい場合には、開口部幅Ｓを０とし、マスクパターン線幅Ｌが小さくなるに従って図２１（ｂ）に示す遮光性最大化条件に従って開口部幅Ｓを大きくしていき、マスクパターン線幅Ｌがある程度小さくなると、マスクパターンを位相シフターのみで構成することにより、言い換えると、マスクパターン線幅Ｌによってマスクパターンの構造を連続的に変化させることにより、マスクパターンの遮光性を常に最適化することができる。
図２１（ｃ）は、前述のようにマスクパターンの遮光性が最適化されたフォトマスク（図中の「最適化されたマスク」）を用いた露光においてマスクパターン線幅Ｌを色々変化させた場合に被露光材料上におけるマスクパターン中心と対応する位置に生じる光強度のシミュレーション結果を示している。尚、図２１（ｃ）には、比較のため、クロム膜等の完全遮光膜のみからなるマスクパターンが設けられた従来のフォトマスク（図中の「クロムマスク」）を用いた露光においてマスクパターン線幅Ｌを色々変化させた場合に被露光材料上におけるマスクパターン中心と対応する位置に生じる光強度のシミュレーション結果も示している。
図２１（ｃ）に示すように、クロムマスクを用いた露光においては、マスクパターン線幅Ｌが０．２μｍ程度以下になると、マスクパターンの遮光性が低下し始める。それに対して、最適化されたマスクを用いた露光においては、マスクパターン線幅Ｌが０．１μｍ程度以下になるまで、マスクパターンの遮光性の低下を防止することができる。
ところで、図１９（ｂ）又は図２１（ｂ）においては、色々なマスクパターン線幅Ｌ及び開口部幅Ｓを用いて被露光材料上に転写される光強度分布を実際に計算することにより、マスクパターンの実効的な遮光性を最大にする、マスクパターン線幅Ｌ及び開口部幅Ｓの組み合わせ条件（遮光性最大化条件）を求めている。しかしながら、この方法で遮光性最大化条件を求めようとすると計算時間が非常に長くなるので、例えば任意のマスクパターン線幅Ｌに対する最適な開口部幅Ｓを求めることが困難になる。
そこで、次に、本願発明者が見出した、遮光性最大化条件の簡単な計算方法、具体的には任意のマスクパターン線幅Ｌに対して最適な開口部幅Ｓを求める簡単な方法（以下、マスクパターン重ね合わせ法と称する）について説明する。但し、以下の説明において、位相シフターの透過率は、マスク基板となる透過性基板の透過率（１．０）と同じであるとして計算結果等を示していくが、位相シフターの透過率が透過性基板の透過率と同じでない場合には、透過率の差に基づいて、開口部を透過するシフター透過光の強度を換算すればよい。
図２２は、本発明のマスクパターン重ね合わせ法の原理を、開口部幅Ｓのマスクエンハンサーよりなる線幅Ｌのマスクパターンを有するイメージ強調マスクの場合について示した模式図である。尚、以下の説明においては、マスクパターン内の遮光膜に位相シフターとなる開口部が設けられた本発明の構造をマスクエンハンサーと称する。
図２２に示すように、開口部幅Ｓのマスクエンハンサーよりなる線幅Ｌのマスクパターンを有するフォトマスク（イメージ強調マスク）を用いた露光において、被露光材料上におけるマスクパターン中心と対応する位置に生じる光強度をＩｅ（Ｌ、Ｓ）とする。また、イメージ強調マスクのマスクエンハンサーに代えて完全遮光膜がマスクパターンとして設けられたフォトマスク（遮光マスク）を用いた露光において、被露光材料上におけるマスクパターン中心と対応する位置に生じる光強度をＩｃ（Ｌ）とする。また、イメージ強調マスクの開口部（透過率１．０の位相シフター）に代えて通常の透光部が設けられ、且つイメージ強調マスクの透光部に代えて完全遮光膜よりなる遮光部が設けられたフォトマスク（透過マスク）を用いた露光において、被露光材料上におけるマスクパターン中心と対応する位置に生じる光強度をＩｏ（Ｓ）とする。
このとき、イメージ強調マスクにおいて、被露光材料上におけるマスクパターン中心と対応する位置に生じるマスクパターン回折光の強度はＩｃ（Ｌ）に相当すると共に、被露光材料上におけるマスクパターン中心と対応する位置に生じるシフター透過光の光強度はＩｏ（Ｓ）に相当する。従って、光強度Ｉｅ（Ｌ、Ｓ）は、光強度Ｉｃ（Ｌ）及び光強度Ｉｏ（Ｓ）をそれぞれ位相空間上での光強度に換算して重ね合わせ、その結果を２乗した値によって近似することができる。すなわち、
Ｉｅ（Ｌ、Ｓ）＝（（Ｉｃ（Ｌ））0.5 −（Ｉｏ（Ｓ））0.5 ）2
である。
従って、イメージ強調マスクにおいて、Ｉｅ（Ｌ、Ｓ）が最小となる条件つまり遮光性最大化条件は、
Ｉｃ（Ｌ）＝Ｉｏ（Ｓ）
である。すなわち、遮光性最大化条件として、Ｉｃ（Ｌ）＝Ｉｏ（Ｓ）を満たすマスクパターン線幅Ｌ及び開口部幅Ｓを求めればよい。
図２３（ａ）〜（ｃ）は、図２２に示すイメージ強調マスクを用いた露光においてマスクパターン線幅Ｌ及び開口部幅Ｓを色々変化させた場合に被露光材料上におけるマスクパターンの中心と対応する位置に生じる光強度Ｉｅ（Ｌ、Ｓ）のシミュレーション結果を、開口部幅Ｓ及びマスクパターン線幅Ｌをそれぞれ縦軸及び横軸に取って光強度の等高線で表した様子を示している。ここで、図２３（ａ）〜（ｃ）のそれぞれにおいて、前述のＩｃ（Ｌ）＝Ｉｏ（Ｓ）の関係を表すグラフを重ね書きしている。尚、図２３（ａ）〜（ｃ）に示すシミュレーション結果はそれぞれ異なる露光光源を用いて得られたものであり、図２３（ａ）に示すシミュレーション結果は円形の光源を用いた通常露光により得られたものであり、図２３（ｂ）に示すシミュレーション結果は輪帯状の光源を用いた輪帯露光により得られたものであり、図２３（ｃ）に示すシミュレーション結果は対角座標上の４点に位置する光源を用いた四重極露光により得られたものである。また、その他のシミュレーション条件は、露光光の波長λ＝０．１９３μｍ、露光機の投影光学系の開口率ＮＡ＝０．６である。
図２３（ａ）〜（ｃ）に示すように、マスクパターン線幅Ｌ及び開口部幅Ｓに対する光強度Ｉｅ（Ｌ、Ｓ）の依存性は、露光光源の形状によって若干異なっているが、光強度Ｉｅ（Ｌ、Ｓ）が最小となる条件は露光光源の形状に関わらずＩｃ（Ｌ）＝Ｉｏ（Ｓ）の関係で正確に表すことができる。
図２４は、本発明のマスクパターン重ね合わせ法の原理を、開口部幅Ｓのマスクエンハンサーよりなる正方形状（１辺の長さがＬ）のマスクパターンを有するイメージ強調マスクの場合について示した模式図である。図２４に示すイメージ強調マスクにおいても、被露光材料上におけるマスクパターン中心と対応する位置に生じるマスクパターン回折光の光強度はＩｃ（Ｌ）に相当すると共に、被露光材料上におけるマスクパターン中心と対応する位置に生じるシフター透過光の光強度はＩｏ（Ｓ）に相当する。従って、図２４に示すイメージ強調マスクにおいても、Ｉｅ（Ｌ、Ｓ）を最小とするマスクパターン幅Ｌ及び開口部幅Ｓは、Ｉｃ（Ｌ）＝Ｉｏ（Ｓ）の関係から求めることができる。
図２５（ａ）〜（ｃ）は、図２４に示すイメージ強調マスクを用いた露光においてマスクパターン幅Ｌ及び開口部幅Ｓを色々変化させた場合に被露光材料上におけるマスクパターン中心と対応する位置に生じる光強度Ｉｅ（Ｌ、Ｓ）のシミュレーション結果を、開口部幅Ｓ及びマスクパターン幅Ｌをそれぞれ縦軸及び横軸に取って光強度の等高線で表した様子を示している。ここで、図２５（ａ）〜（ｃ）のそれぞれにおいて、前述のＩｃ（Ｌ）＝Ｉｏ（Ｓ）の関係を表すグラフを重ね書きしている。尚、図２５（ａ）〜（ｃ）に示すシミュレーション結果はそれぞれ異なる露光光源を用いて得られたものであり、図２５（ａ）に示すシミュレーション結果は円形の光源を用いた通常露光により得られたものであり、図２５（ｂ）に示すシミュレーション結果は輪帯状の光源を用いた輪帯露光により得られたものであり、図２５（ｃ）に示すシミュレーション結果は対角座標上の４点に位置する光源を用いた四重極露光により得られたものである。また、その他のシミュレーション条件は、露光光の波長λ＝０．１９３μｍ、露光機の投影光学系の開口率ＮＡ＝０．６である。
図２５（ａ）〜（ｃ）に示すように、マスクパターン幅Ｌ及び開口部幅Ｓに対する光強度Ｉｅ（Ｌ、Ｓ）の依存性は、露光光源の形状によって若干異なっているが、光強度Ｉｅ（Ｌ、Ｓ）が最小となる条件は露光光源の形状に関わらずＩｃ（Ｌ）＝Ｉｏ（Ｓ）の関係で正確に表すことができる。
すなわち、本発明のマスクパターン重ね合わせ法の適用が可能なマスクパターンの形状は特に限定されるものではない。
具体的には、マスクエンハンサーよりなる任意形状のマスクパターンを有するイメージ強調マスクにおける、マスクパターンの実効的な遮光性を最大にする開口部幅の計算方法は次の通りである。
（１）イメージ強調マスクのマスクエンハンサーに代えて完全遮光膜がマスクパターンとして設けられた遮光マスクを用いた露光において被露光材料上におけるマスクパターンの中心付近と対応する位置ｒに生じる光強度Ｉｃ（ｒ）を計算する。
（２）開口部を透過する光の強度がＩｃ（ｒ）と等しくなるように開口部幅を求めると共に、該開口部に位相シフターを設ける。
尚、開口部幅をマスクパターン幅よりも大きくすることはできないので、前述の方法により求められた開口部幅がマスクパターン幅を超えてしまう場合には、マスクパターン全体を位相シフターとする。また、マスクパターン全体を位相シフターとしても遮光性が不十分な場合、オリジナルのマスクパターンの寸法を拡大して、再び前述の方法により開口部幅を求めればよい。
また、以上の説明においては単純な形状を有するマスクパターンを対象としてきたが、マスクパターンが複雑な形状を有する場合には、該マスクパターンを単純な形状を有する複数のパターンに分割して、各パターン毎に本発明のマスクパターン重ね合わせ法を適用すればよい。これにより、分割された各パターン毎に、最適な開口部幅が定まる。
以上に説明したように、第２の実施形態に係るフォトマスクにおいては、マスクパターン回折光の強度を計算した後、シフター透過光の強度がマスクパターン回折光の強度と等しくなるように、マスクエンハンサーの開口部幅を計算することによって、マスクパターンの遮光性を最大化することができる。また、マスクパターンが複雑な形状を有する場合には、該マスクパターンを単純な形状を有する複数のパターンに分割して、各パターン毎に透過光の強度が回折光の強度と等しくなるように開口部幅を計算することによって、マスクパターン全体に亘って遮光性を最大化することができる。
ところで、第２の実施形態においては、シフター透過光を発生させるためのマスクエンハンサーの開口部の形状は、第１の実施形態の位相シフターの形状と異なり、マスクパターンの形状と一致させる必要はない。言い換えると、マスクエンハンサーの開口部の形状を、マスクパターン内に収まる範囲内で任意に設定することができる。また、本発明のイメージ強調法においては、第１の実施形態における位相シフターの透過率を変化させてシフター透過光を制御する方法は、第２の実施形態におけるマスクエンハンサーの開口部の大きさを変化させてシフター透過光を制御する方法の１つとして考えることができる。すなわち、所定の透過率を有する位相シフターよりなる一のマスクパターンは、該所定の透過率より高い透過率を有する位相シフターとなる開口部が一のマスクパターンと同じ外形形状の遮光膜に設けられた他のマスクパターンよって代用することができる。さらに、一般化して言うと、所定の透過率と所定の形状及び寸法とを有する開口部を、所定の透過率と異なる透過率と所定の形状及び寸法と異なる形状及び寸法を有する開口部と等価的に置き換えることができる。但し、これが成り立つのは、マスクパターンの寸法がλ／ＮＡの半分程度以下であることが条件である。ここで、重要な点は、微細なマスクパターンに設けられる開口部は、そこを透過する光の強度が同じであれば、開口部の形状によらず全く同じ光学的振る舞いをするということである。以下、このことを第２の実施形態で利用した場合に生じる効果について説明する。
図２６（ａ）は線幅Ｌ、透過率Ｔの半透明膜よりなる半透明パターンを示している。ここで、Ｌ＝０．１μｍであるとする。
図２６（ｂ）〜（ｄ）はそれぞれ透過性基板に透過率１．０の開口部が設けられてなる開口パターンを示しており、図２６（ｂ）は線幅Ｌの領域の中央に幅Ｓ（Ｓ＜Ｌ）の１本ラインの開口部が設けられてなる開口パターンを示しており、図２６（ｃ）は線幅Ｌの領域に幅Ｓ／２の２本ラインの開口部が均等に設けられてなる開口パターンを示しており、図２６（ｄ）は面積Ｌの領域の中央に面積Ｓの正方形の開口部が設けられてなる開口パターンを示している。
図２６（ｅ）は、寸法Ｓを０からＬまで変化させながら図２６（ｂ）〜（ｄ）のそれぞれに示す開口パターンに光を照射した場合における、開口部を透過した光の各開口パターン中心と対応する位置での光強度をシミュレーションで評価した結果を示している。尚、図２６（ｅ）においては、図２６（ａ）に示す半透明パターンに光を照射した場合における、半透明膜を透過した光の半透明パターン中心と対応する位置での光強度が、各開口パターン中心と対応する位置での光強度と等しくなるときの半透明膜の透過率Ｔ（縦軸）を用いて、各開口パターン中心と対応する位置での光強度を評価している。また、図２６（ｅ）において、各開口パターン中心と対応する位置での光強度を、開口面積率Ｓ／Ｌ（横軸）をパラメータとする関数としてプロットしている。
図２６（ｅ）に示すように、各開口パターンと等価な半透明パターンにおける半透明膜の透過率Ｔ（以下、等価透過率Ｔと称する）の開口面積率Ｓ／Ｌに対する依存性は、各開口パターンの形状によって若干異なっているが、いずれの開口パターンにおいても、等価透過率Ｔと開口面積率Ｓ／Ｌとの間には強い相関関係があることが分かる。
図２７（ａ）は、図２６（ａ）に示す半透明パターンに光を照射した場合における半透明膜を透過した光の強度分布を、透過率Ｔを０．５としてシミュレーションで評価した結果を示している。図２７（ａ）において、位置０（横軸の原点）は半透明パターンの中心と対応している。また、図２７（ａ）において、光強度分布のフォーカス特性のシミュレーション結果も合わせて示している。尚、フォーカス特性は、ベストフォーカス位置と、ベストフォーカス位置からそれぞれ０．１５、０．３０及び０．４５μｍずつデフォーカスした位置とについて評価している。
図２７（ｂ）〜（ｄ）は図２６（ｂ）〜（ｄ）のそれぞれに示す開口パターンに光を照射した場合における開口部を透過した光の強度分布を、等価透過率Ｔを０．５としてシミュレーションで評価した結果を示している。このとき、図２６（ｅ）から分かるように、図２６（ｂ）に示す開口パターンにおけるＳは０．０６８μｍであり、図２６（ｃ）に示す開口パターンにおけるＳは０．０７０μｍであり、図２６（ｄ）に示す開口パターンにおけるＳは０．０６９μｍである（但し、いずれの場合においてもＬは０．１０μｍである）。また、図２７（ｂ）〜（ｄ）において、位置０（横軸の原点）は各開口パターンの中心と対応している。また、図２７（ｂ）〜（ｄ）において、光強度分布のフォーカス特性のシミュレーション結果も合わせて示している。尚、フォーカス特性は、ベストフォーカス位置と、ベストフォーカス位置からそれぞれ０．１５、０．３０及び０．４５μｍずつデフォーカスした位置とについて評価している。
図２７（ｂ）〜（ｄ）に示すように、各開口パターンにおいては、その中心と対応する位置での光強度が一致していれば、その光学特性は全く同等であることが分かる。
また、マスクパターン回折光をシフター透過光によって打ち消す本発明のイメージ強調法においては、シフター透過光の実効的な強度だけを調整すればよく、その強度が同じであればシフター透過光を発生させる方法として最も実現が容易な方法を選べばよい。
さらに、開口面積率が同じであれば、開口部を透過するシフター透過光の強度の開口部形状に対する依存性は小さく、厳密ではないが、実用的にはシフター透過光の強度は開口面積率によってほぼ一意的に決定できる。
例えば、図２６（ｅ）に示すように、図２６（ｂ）〜（ｄ）に示す各開口パターンの等価透過率Ｔの開口面積率Ｓ／Ｌに対する依存性は、
Ｔ＝１．４５×（Ｓ／Ｌ）−０．４５
によって近似的に表すことができる。この近似は、０．１以下の低い透過率においては不正確であるが、０．２以上の透過率においてはかなり正確である。但し、上式において、（Ｓ／Ｌ）の係数（１．４５）や定数（０．４５）は、露光光の波長やマスクパターン寸法に依存して変化する。
従って、第２の実施形態に係るフォトマスクにおいては、マスクパターン内における開口部形状は開口面積率が一定に保たれる範囲で任意に変形可能である。例えば、実際にマスクパターンを形成する場合、遮光膜と基板との密着度等を考慮すると、極端に細長い遮光膜パターンが生じることは好ましくない。このような場合、例えば半径λ／ＮＡの範囲の領域毎に開口部をその開口面積率が変化しないように分割して配置する方法等により、細長い遮光膜パターンが単独で存在しないようにすればよい。
尚、第２の実施形態において、本発明のイメージ強調法の原理を考慮してマスクパターンの実効的な遮光性を最大化する場合には、Ｉｃ（Ｌ）＝Ｉｏ（Ｓ）の関係に基づいて開口部幅Ｓを決定すればよいが、マスクパターンの実効的な遮光性を完全遮光膜よりなるマスクパターンよりも高くするだけならば、Ｉｃ（Ｌ）＝Ｉｏ（Ｓ）の関係がほぼ満たされるように開口部幅Ｓを決定してもよい。
具体的には、前述のように、開口部幅Ｓのマスクエンハンサーよりなる線幅Ｌのマスクパターンを有するイメージ強調マスクによって被露光材料上におけるマスクパターンの中心と対応する位置に生じる光強度Ｉｅ（Ｌ、Ｓ）は、
Ｉｅ（Ｌ、Ｓ）＝（（Ｉｃ（Ｌ））0.5 −（Ｉｏ（Ｓ））0.5 ）2
の関係を用いて見積もることができる（但し、Ｉｃ（Ｌ）はマスクパターン回折光の光強度であり、Ｉｏ（Ｓ）はシフター透過光の光強度である）。従って、シフター透過光が過剰になって、マスクパターンの実効的な遮光性が完全遮光膜よりなるマスクパターンと同じになるまで低下する条件は、Ｉｅ（Ｌ、Ｓ）＝Ｉｃ（Ｌ）つまり、
−（（Ｉｃ（Ｌ））0.5 −（Ｉｏ（Ｓ））0.5 ）＝（Ｉｃ（Ｌ））0.5
であると考えることができる。このとき、
（Ｉｏ（Ｓ））0.5 ＝２×（Ｉｃ（Ｌ））0.5
であるので、
Ｉｏ（Ｓ）＝４×（Ｉｃ（Ｌ））
が成り立つ。すなわち、シフター透過光の光強度がマスクパターン回折光の光強度の４倍に達してしまうと、マスクパターンの実効的な遮光性が完全遮光膜よりなるマスクパターンと同じになってしまう。言い換えると、シフター透過光の光強度がマスクパターン回折光の光強度の４倍以下になるように開口部幅Ｓを設定することにより、マスクパターンの実効的な遮光性を、完全遮光膜よりなるマスクパターンよりも向上させることができる。
また、第２の実施形態において、より一般的な状況に対応して、開口部幅を次のように定めても良い。すなわち、被露光材料上におけるマスクパターン中心と対応する位置に生じる光強度Ｉｈを、マスクパターン回折光の強度Ｉｃの１／Ｄまで低減させたい場合、
−（（Ｉｃ）0.5 −（Ｉｏ））0.5 ）＜ （Ｉｃ／Ｄ）0.5
＜（（Ｉｃ）0.5 −（Ｉｏ））0.5 ）
が成り立つような開口部幅を用いればよい。具体的には、Ｄ＝３の場合、Ｉｏ（シフター透過光の光強度）がＩｃの０．１８倍以上で且つ２．５倍以下になるように開口部幅を設定する。また、Ｄ＝５の場合、ＩｏがＩｃの０．３１倍以上で且つ２．１倍以下になるように開口部幅を設定する。また、Ｄ＝１０の場合、ＩｏがＩｃの０．４８倍以上で且つ１．７倍以下になるように開口部幅Ｓを設定する。実用的には必ずしも全てのマスクパターンの遮光性を最大にする必要はないので、ＩｏがＩｃの１／３倍程度以上で且つ２倍程度以下になるように開口部幅を設定すればマスクパターンの遮光性が十分に向上する。
また、第２の実施形態に係るパターン形成方法、つまり第２の実施形態に係るフォトマスクを用いたパターン形成方法において、レジスト膜としてはポジ型のものを用いてもよいし、又はネガ型のものを用いてもよい。ポジ型レジスト膜を用いる場合、露光光を照射されたポジ型レジスト膜を現像して、ポジ型レジスト膜におけるマスクパターンと対応する部分以外の他の部分を除去することにより、マスクパターン形状のレジストパターンを形成できる。ネガ型レジスト膜を用いる場合、露光光を照射されたネガ型レジスト膜を現像して、ネガ型レジスト膜におけるマスクパターンと対応する部分を除去することにより、マスクパターン形状の開口部を有するレジストパターンを形成できる。ポジ型レジスト膜を用いる場合であっても、ネガ型レジスト膜を用いる場合であっても、マスクパターン幅Ｌが０．４×λ／ＮＡ程度よりも小さくなると、従来と比べてレジストパターンの寸法精度を大きく向上させることができる。
（第２の実施形態の変形例）
以下、本発明の第２の実施形態に係るフォトマスク、その作成方法及びそのフォトマスクを用いたパターン形成方法について、図面を参照しながら説明する。
第２の実施形態の変形例が第２の実施形態と異なっている点は次の通りである。すなわち、第２の実施形態においては、マスクエンハンサーよりなるマスクパターンを構成する遮光部は完全遮光部であることを暗黙のうちに想定してきたが、第２の実施形態の変形例においては、マスクパターンを構成する遮光部として、露光光に対して所定の透過率を有する半遮光部を用いる。尚、この半遮光部は、透光部との間で露光光に対して位相差を生じないことが理想的であるが、この位相差が（ー３０＋３６０×ｎ）度以上で且つ（３０＋３６０×ｎ）度以下（但しｎは整数）であれば無視できる程度であると考えられる。
第２の実施形態の変形例においては、イメージ強調法の原理は基本的に図３の場合と同様に考えることができるが、若干異なる効果が生じる。以下、マスクパターンを構成する遮光部として半遮光部を用いることにより生じる効果について図２８及び図２９を参照しながら説明する。ここで、図２８は、マスクエンハンサーよりなるマスクパターンの線幅Ｌが十分に細い場合、つまり線幅Ｌが０．８×λ／ＮＡ（λは露光光の波長、ＮＡは開口数）よりも小さい場合におけるイメージ強調法の原理を示す模式図であり、図２９は、マスクエンハンサーよりなるマスクパターンの線幅Ｌが十分に太い場合、つまり線幅Ｌが０．８×λ／ＮＡよりも大きい場合におけるイメージ強調法の原理を示す模式図である。
図２８及び図２９に示すように、イメージ強調マスクは、イメージ強調マスクのマスクパターンと対応する半遮光部が設けられた半遮光マスクと、マスク表面を覆う完全遮光部にイメージ強調マスクの位相シフターと対応する位相シフトパターンが設けられた位相シフト透過マスクとを重ねあわせた構造を有している。尚、図２８及び図２９においては、半遮光マスク、位相シフト透過マスク及びイメージ強調マスクのそれぞれを透過して線分ＡＡ’と対応する位置に転写される光の振幅強度を合わせて示している。
まず、図２８に示すように、マスクエンハンサーよりなるマスクパターンの線幅Ｌが０．８×λ／ＮＡよりも小さい場合において遮光部として半遮光部を用いた場合、イメージ強調法の原理は、遮光部として完全遮光部を用いた図３の場合とほぼ同じである。但し、半遮光マスクを透過した光の振幅強度に見られるように、半遮光部よりなる半遮光パターンの中心と対応する位置に転写される強度は、半遮光パターン周辺からの光によるものだけではなく、半遮光パターン内部を透過した光によるものも存在する。このため、図２８に示す半遮光パターンの中心と対応する位置に転写される光強度は、遮光部として完全遮光部を用いたときよりも、半遮光パターン内を透過する光の分だけ増加する。従って、該増加分を打ち消すためには、遮光部として完全遮光部を用いたときよりも、位相シフターの幅を大きくする必要がある。この点だけが、マスクパターンの線幅Ｌが０．８×λ／ＮＡよりも小さい場合における、遮光部として半遮光部を用いたときと、遮光部として完全遮光部を用いたときとの違いである。
ところで、完全遮光部よりなる完全遮光パターンは、その線幅が０．８×λ／ＮＡよりも大きくなると、パターン周辺からパターン裏側に回り込む光がほとんどなくなるので、完全遮光パターンの中心と対応する位置に転写される光の強度がほぼ０になる。従って、このような完全遮光パターン内に位相シフターを配置した場合には、その位相シフターの幅がどれだけ小さくてもコントラストの低下がもたらされる。
それに対して、図２９に示すように、マスクエンハンサーよりなるマスクパターンの線幅Ｌが０．８×λ／ＮＡよりも大きい場合において遮光部として半遮光部を用いた場合、線幅Ｌが０．８×λ／ＮＡよりもどれだけ大きくなろうと、イメージ強調マスクと対応する半遮光マスクの半遮光パターン内を透過する光が存在する。このため、半遮光パターンの中心と対応する位置に転写される光の強度は０にならない。従って、このときの半遮光パターン内を透過する光をちょうど打ち消す強度の光を透過させる寸法幅の位相シフターであれば、半遮光パターン内のどこに配置したとしてもコントラストを低下させることはない。また、マスクパターンの線幅Ｌが０．８×λ／ＮＡの２倍以上大きい場合、前述の寸法幅の位相シフターであれば０．８×λ／ＮＡ以上の距離離して配置するならば複数配置してもよいことになる。
次に、イメージ強調マスクにおいてマスクパターンを構成する遮光部として完全遮光部に代えて半遮光部を用いることによりマスク作成の上で生じる利点について説明する。
図３０（ａ）は、完全遮光部よりなる線幅Ｌの完全遮光パターンが設けられたフォトマスクの平面図と、該マスクを透過して線分ＡＡ’と対応する位置に転写される光の光強度とを示しており、図３０（ｂ）は、半遮光部よりなる線幅Ｌの半遮光パターンが設けられたフォトマスクの平面図と、該マスクを透過して線分ＡＡ’と対応する位置に転写される光の光強度とを示している。
完全遮光パターンの線幅Ｌが０．８×λ／ＮＡよりも大きくなった場合、図３０（ａ）に示すように、完全遮光パターンの中心と対応する位置に転写される光の強度は０となる。すなわち、イメージ強調マスクにおいてマスクパターンを構成する遮光部として完全遮光部を用いる場合には、図３０（ｃ）に示すように、完全遮光パターンの幅Ｌが大きくなるに従って位相シフターの幅は小さくなり、線幅Ｌが０．８×λ／ＮＡよりも大きくなった場合には位相シフターを消滅させる必要がある。しかしながら、実際にマスク作成を行なう際には、位相シフターの線幅の変化は、マスクグリッド（マスク寸法の調整が可能な最小幅：通常は１ｎｍ程度）の単位で変化させることになると共に、マスク加工上の制限から、作成可能な位相シフターの線幅の最小値にも制限が課せられる。このため、イメージ強調マスクにおいてマスクパターンを構成する遮光部として完全遮光部を用いていたのでは、遮光パターン内に常に最適な位相シフターを配置することは不可能である。
それに対して、図３０（ｂ）に示すように、半遮光パターンは０．８×λ／ＮＡよりも大きい線幅を有している場合でも、半遮光パターンの中心と対応する光強度が０にはならず、半遮光パターン内を透過する光による残留光強度が存在する。すなわち、この残留光強度と釣り合う線幅の位相シフターであれば、どんな線幅の半遮光パターン内でも配置可能である。具体的には、図３０（ｄ）に示すように、半遮光パターンの線幅Ｌが大きくなるに従って位相シフターの線幅は小さくなるが、位相シフターの線幅が前述の残留光強度と釣り合う寸法まで小さくなったら、位相シフターの線幅をそれ以上小さくする必要はない。このように、イメージ強調マスクにおいてマスクパターンを構成する遮光部として半遮光部を用いる場合には、所定の線幅の位相シフターを半遮光パターン内の任意の位置に配置できる。よって、半遮光部の透過率を、該半遮光部の残留光強度が実際のマスク上で作成可能な位相シフターの最小幅と対応するように調整すれば、任意の半遮光パターンにおいて最適な位相シフターを配置できるようになる。また、このときの半遮光部の透過率がレジストを感光させない程度に低いものであれば、線幅が０．８×λ／ＮＡ以上の半遮光パターンにおいては、位相シフターを配置するか又は消去するかも任意に決めることができる。さらに、半遮光パターン内で位相シフター同士の距離が０．８×λ／ＮＡ以上になれば半遮光パターン内に複数の位相シフターを配置できる。この場合、位相シフターを半遮光パターンの中心部ではなく半遮光パターンの周縁部に配置すれば、半遮光パターンの周縁部のコントラスト強調をも実現できる。
以上に説明したように、第２の実施形態の変形例によると、マスクエンハンサーよりなるマスクパターンを構成する遮光部として完全遮光部に代えて半遮光部を用いることにより、マスクパターンによる光強度のコントラストを強調する位相シフターの配置を任意のパターン形状について正確に実現できる。また、マスクパターンを構成する半遮光部を透過する光のために、マスクパターン内の任意の位置に位相シフターを配置することが可能となるので、位相シフターを配置することによってコントラストを強調する場所をマスクパターン内内において任意に設定することが可能になるという特有の効果も得られる。
尚、第２の実施形態の変形例において、マスクエンハンサーよりなるマスクパターンを構成する遮光部として用いる半遮光部の透過率は１５％程度以下であることが好ましい。その理由は、次の通りである。すなわち、光強度Ｉｔｈをレジスト膜が感光する臨界強度とし、光強度Ｉｂを半遮光部を透過する光のバックグラウンド強度とすると、Ｉｔｈ／Ｉｂが高い程パターン形成時にレジスト膜の膜減り等が発生しないことを意味し、この値が高いほど好ましい。一般に、Ｉｔｈ／Ｉｂの値は２以上あることが望まれている。ところが、Ｉｔｈ／Ｉｂは半遮光部の透過率が高くなるほど低くなるので、Ｉｔｈ／Ｉｂの向上には半遮光部の透過率が高くなりすぎると好ましくない。具体的には、半遮光部の透過率が１５％程度でＩｔｈ／Ｉｂは２よりも小さくなってしまうので、半遮光部の透過率は１５％程度以下であることが好ましい。
（第３の実施形態）
以下、本発明の第３の実施形態に係るパターン形成方法について、マスクエンハンサーよりなるマスクパターンを有するフォトマスク（第２の実施形態に係るフォトマスクの一例）を用いた露光によってフォーカスマージンを向上させる方法を例として、図面を参照しながら説明する。尚、第３の実施形態におけるフォーカスマージン向上効果は、マスクパターン回折光をシフター透過光によって相殺する本発明のイメージ強調法と露光方法との組み合わせによって実現されるものであり、第２の実施形態に係るフォトマスクにおいてマスクエンハンサーの開口部幅を増減させることと、第１の実施形態に係るフォトマスクにおいて位相シフターの透過率を増減させることとは同等な効果をもたらすものと考えることができる。すなわち、第３の実施形態に係るパターン形成方法は、第１又は第２の実施形態に係るフォトマスクのいずれかを用いることにより実現できるパターン形成方法である。
図３１（ａ）〜（ｇ）は、マスクエンハンサーを用いた露光によって被露光材料上に生じる光強度分布の、光源からフォトマスクまでの露光光の入射方向（以下、単に露光光入射方向と称する）に対する依存性を説明するための図である。具体的には、マスクパターン回折光をシフター透過光によって相殺することにより形成される光強度分布のプロファイル形状が、露光光入射方向によってどのような影響を受けるかを評価するために行なったシミュレーション結果を示している。より詳しくは、図３１（ａ）に示すような、光源座標のＹ軸に沿って平行に設けられたライン状のマスクエンハンサー（マスクパターン幅Ｌ、開口部幅Ｓ）を用いた露光によって被露光材料上に転写される光強度分布を、色々な露光光入射方向に対してシミュレーションにより計算して評価している。
図３１（ｂ）〜（ｄ）はシミュレーションに用いた小さな光源の光源座標上における配置位置を示しており、（ｂ）は露光光入射方向が光源座標の中心方向からの入射（垂直入射）になる光源であり、（ｃ）は露光光入射方向が光源座標のＸ軸方向又はＹ軸方向からの斜入射になる光源であり、（ｄ）は露光光入射方向が光源座標の４５度方向（Ｙ＝Ｘ又はＹ＝−Ｘの直線方向）からの斜入射になる光源である。ここで、シミュレーションで用いた、図３１（ｂ）〜（ｄ）に示す光源は、光源座標上で半径０．０５を有する円光源である。但し、光源座標上の数値は全て露光機の縮小投影光学系の開口数ＮＡにより規格化している。
図３１（ｅ）〜（ｇ）は、マスクパターンの構造を色々変えた露光によって被露光材料上における図３１（ａ）のＸ軸と対応する位置に生じる光強度分布を示している。図３１（ｅ）〜（ｇ）において、横軸（位置）の０はマスクパターン中心と対応する位置である。
ここで、図３１（ｅ）は幅Ｌ＝０．１２μｍのマスクパターンの全体が遮光膜よりなる場合（Ｓ＝０．０μｍ）における光強度分布を各露光光入射方向について示している。但し、露光光入射方向以外の光学条件は、露光光の波長λ＝１９３ｎｍ、開口数ＮＡ＝０．６で全て共通である。
図３１（ｅ）に示すように、露光光入射方向によってマスクパターンの実効的な遮光性が異なっており、４５度方向からの斜入射の場合の遮光性が最も悪くなっている。
また、図３１（ｆ）は、各露光光入射方向について図３１（ｅ）に示す光強度分布上の位置０の光強度が一致するようにマスクパターン幅Ｌを調整した場合における光強度分布を示している。
また、図３１（ｇ）は、各露光光入射方向について図３１（ｆ）に示すように幅Ｌが調整されたマスクパターンの実効的な遮光性が最大となるように位相シフターとなる開口部（幅Ｓ）を本発明のイメージ強調法により設けた場合における光強度分布を示している。ここでは、シフター透過光がマスクパターン回折光を打ち消すことにより光強度分布のプロファイル形状にどのような影響が生じるかを観察するために、図３１（ｂ）〜（ｄ）に示す各光源の配置位置におけるシフター透過光及びマスクパターン回折光のそれぞれの光強度を同一にして評価を行なっている。また、図３１（ｆ）及び図３１（ｇ）のそれぞれに示す光強度分布のプロファイル形状を比較しやすいように、図３１（ｇ）の縦軸（光強度）の目盛りを０．１だけオフセットしている。
図３１（ｆ）及び図３１（ｇ）のそれぞれに示す光強度分布のプロファイル形状を、露光光入射方向が光源座標の中心方向からである場合について比較すると、シフター透過光によってマスクパターン回折光を打ち消すことにより、光強度分布のプロファイル形状がマスクパターン中心と対応する位置で平坦になっていることがわかる。これは、マスクパターンの遮光性が向上している一方、光強度分布のプロファイル形状が鈍くなっている（悪化している）ことを意味する。
また、図３１（ｆ）及び図３１（ｇ）のそれぞれに示す光強度分布のプロファイル形状を、露光光入射方向が光源座標のＸ軸方向又はＹ軸方向からの斜入射である場合について比較すると、シフター透過光によってマスクパターン回折光を打ち消しても、光強度分布のプロファイル形状がほとんど変化していないことがわかる。
一方、図３１（ｆ）及び図３１（ｇ）のそれぞれに示す光強度分布のプロファイル形状を、露光光入射方向が光源座標の４５度方向からの斜入射である場合について比較すると、シフター透過光によってマスクパターン回折光を打ち消すことにより、光強度分布のプロファイル形状がマスクパターン中心と対応する位置で鋭くなっている（良くなっている）ことがわかる。
すなわち、シフター透過光によってマスクパターン回折光を打ち消すという本発明のイメージ強調法を用いることにより、どんな露光光入射方向に対してもマスクパターン中心と対応する位置での遮光性を最大にすることができるが、光強度分布のプロファイル形状に与える影響は露光光入射方向によって異なる。
以下、前述の、本発明のイメージ強調法において露光光入射方向として４５度方向からの斜入射を用いときに光強度分布のプロファイル形状が劣化しないことを利用して、マスクエンハンサーを用いた露光によるパターン形成におけるデフォーカス特性を向上させる方法について説明する。
図３２（ａ）〜（ｄ）及び図３３（ａ）〜（ｄ）は、マスクエンハンサーを利用したデフォーカス特性向上方法の原理を示す図である。尚、図３２（ａ）〜（ｄ）及び図３３（ａ）〜（ｄ）に示す光強度の計算結果は全て、図３１（ｄ）に示す、光源座標の４５度方向からの斜入射露光を用いたシミュレーション結果である。
図３２（ａ）は、幅Ｌの遮光膜及び幅Ｓの開口部がそれぞれ単独で設けられたフォトマスクを用いた露光において被露光材料上に投影される光強度分布を示している。尚、図３２（ａ）においては、Ｌ＝０．１５μｍの場合の結果と、Ｓ＝０．０４５μｍ、０．０６０μｍ、０．０７５μｍ、０．０９０μｍと変化させた場合の結果とを示している。また、図３２（ａ）において、横軸（位置）の０は、被露光材料上における遮光膜中心又は開口部中心と対応する位置である。
図３２（ｂ）は、図３２（ａ）に示す光強度分布における遮光膜中心又は開口部中心と対応する位置の光強度が露光におけるデフォーカスに対して変化する様子を示している。
図３２（ｂ）に示すように、遮光膜によって生じる光強度はデフォーカスが大きくなるに従って増加する一方、開口部によって生じる光強度はデフォーカスが大きくなるに従って減少する。
ところで、遮光膜に位相シフターとなる開口部を設けてマスクエンハンサー構造を作成することにより、マスクパターン回折光とシフター透過光とを互いに反対位相の光として干渉させた場合、マスクエンハンサーによって実現される光強度は、マスクパターン回折光の光強度とシフター透過光の光強度との差分に比例したものとなる。このとき、もし、ベストフォーカス（デフォーカスが０）においてシフター透過光の光強度がマスクパターン回折光の光強度よりも大きく設定されていた場合、各光強度の差はデフォーカスが大きくなるに従って減少して、あるデフォーカス量で該光強度差が０となり、その後、マスクパターン回折光の光強度がシフター透過光の光強度よりも大きくなると共に各光強度の差はデフォーカスが大きくなるに従って増加する。
第３の実施形態においては、この効果を利用してデフォーカス特性の向上が可能となる。例えば、開口部幅Ｓ（Ｓ＝０．０４５μｍ、０．０６０μｍ、０．０７５μｍ、０．０９０μｍ）のマスクエンハンサーよりなるパターン幅Ｌ（Ｌ＝０．１５μｍ）のマスクパターンが設けられたフォトマスクを用いた露光において被露光材料上におけるマスクパターン中心と対応する位置での光強度は、図３２（ｂ）に示す、遮光膜によって生じる光強度と、開口部によって生じる光強度とを位相空間上で足し合わせることによって得られる。このとき、まず、各光強度の平方根をとることによって、遮光膜及び開口部のそれぞれによって生じる位相空間上での光強度を求めることができる。また、位相シフターとなる開口部によって生じる位相空間上での光強度は位相を考慮して負の値とする。
図３２（ｃ）は、前述のようにして求められた、遮光膜及び開口部のそれぞれによって生じる位相空間上での光強度が露光におけるデフォーカスに対して変化する様子を示している。
また、図３２（ｄ）は、図３２（ｃ）に示す遮光膜及び開口部のそれぞれによって生じる位相空間上での光強度の合計値が露光におけるデフォーカスに対して変化する様子を示している。すなわち、図３２（ｄ）に示す結果は、開口部幅Ｓ（Ｓ＝０．０４５μｍ、０．０６０μｍ、０．０７５μｍ、０．０９０μｍ）のマスクエンハンサーよりなるパターン幅Ｌ（Ｌ＝０．１５μｍ）のマスクパターンが設けられたフォトマスクを用いた露光において被露光材料上におけるマスクパターン中心と対応する位置での光強度（位相空間上）のデフォーカス特性を表している。
図３２（ｄ）に示すように、開口部幅Ｓ＝０．０６μｍの場合、ベストフォーカスにおいてマスクパターン回折光とシフター透過光とが互いに完全に打ち消し合うので、マスクパターン中心と対応する位置での光強度（位相空間上）がほぼ０になっている。一方、開口部幅Ｓが０．０６μｍ以上になると、ベストフォーカスにおいてシフター透過光が過剰となってマスクパターン中心と対応する位置での光強度（位相空間上）が負の値を有するようになる。しかし、ベストフォーカスにおいてシフター透過光が過剰となる場合でも、デフォーカスが大きくなるに従って、マスクパターン回折光が過剰な状態へと変化する。
図３３（ａ）は、図３２（ｄ）に示す位相空間上での光強度を２乗することにより得られた実空間上の光強度（エネルギー強度と対応する）が露光におけるデフォーカスに対して変化する様子を示している。すなわち、図３３（ａ）に示す結果は、開口部幅Ｓ（Ｓ＝０．０４５μｍ、０．０６０μｍ、０．０７５μｍ、０．０９０μｍ）のマスクエンハンサーよりなるパターン幅Ｌ（Ｌ＝０．１５μｍ）のマスクパターンが設けられたフォトマスクを用いた露光において被露光材料上におけるマスクパターン中心と対応する位置での光強度（実空間上）のデフォーカス特性を表している。
図３３（ａ）に示すように、ベストフォーカスにおいてシフター透過光が過剰となるマスクエンハンサーの場合、デフォーカス状態において実効的な遮光性が最大となる。このとき、ベストフォーカスでの実効的な遮光性が最大ではなくても実用上問題ない範囲にあれば、遮光性が最大になるフォーカス位置がデフォーカス位置に移動した分だけ、デフォーカスに起因する遮光性の劣化が起こりにくくなる。すなわち、これが第３の実施形態におけるマスクエンハンサーを利用したデフォーカス特性向上方法の原理である。
図３３（ｂ）は、前述の各開口部幅Ｓを有するマスクエンハンサーをベストフォーカスで用いた場合における被露光材料上に投影される光強度分布を示している。図３３（ｂ）に示すように、シフター透過光が最適であっても過剰であっても、各開口部幅Ｓにおいて、ほぼ同等のコントラストを有する光強度分布が実現されている。すなわち、全ての開口部幅Ｓについて、マスクパターンの十分な遮光性が実現されている。
図３３（ｃ）は、開口部幅Ｓが０．０９μｍのマスクエンハンサーを色々なデフォーカス位置で用いた場合における被露光材料上に投影される光強度分布を示している。図３３（ｃ）に示すように、このマスクエンハンサーによると、マスクパターン領域外と対応する位置での光強度分布はデフォーカスによって変化しているにもかかわらず、マスクパターン領域内と対応する位置での光強度分布はデフォーカスによってほとんど変化していない。参考までに、マスクエンハンサーに代えて完全遮光膜をマスクパターンとして色々なデフォーカス位置で用いた場合における被露光材料上に投影される光強度分布を図３３（ｄ）示す。
以上に説明したように、第３の実施形態によると、マスクエンハンサーによってマスクパターン回折光に対してシフター透過光を制御できる作用を利用して、シフター透過光をマスクパターン回折光に対して過剰に設定することにより、光強度分布におけるデフォーカス特性を向上できるので、パターン形成におけるフォーカスマージンを飛躍的に向上させることができる。
尚、第３の実施形態において、シフター透過光をマスクパターン回折光に対して過剰に設定する場合に、完全遮光膜よりなるマスクパターンよりも遮光性を劣化させないという条件を設けるなら、シフター透過光のマスクパターン中心と対応する位置での光強度を、マスクパターン回折光のマスクパターン中心と対応する位置での光強度の４倍以上にしてはいけない。すなわち、マスクエンハンサーの開口部幅に対して（シフター透過光の制御のために位相シフターの透過率を調整する場合には該透過率に対して）、この条件より上限を定めることになる。
ここまで、図３２（ａ）〜（ｄ）及び図３３（ａ）〜（ｄ）を用いて、マスクエンハンサーを利用したデフォーカス特性向上方法の原理について説明してきたが、前述のようにマスクパターン回折光とシフター透過光とを合成して光強度分布を形成する場合には、そのプロファイル形状が露光光入射方向によって大きな影響を受ける（図３１（ｇ）参照）。そこで、以下、マスクエンハンサーを利用したデフォーカス特性向上方法が、露光光入射方向によってどのような影響を受けるのかについて説明する。
図３４（ａ）〜（ｃ）、図３５（ａ）〜（ｃ）及び図３６（ａ）〜（ｃ）は、デフォーカスによる光強度分布のプロファイル形状変化の露光光入射方向に対する依存性を説明するための図である。具体的には、図３１（ｂ）〜（ｄ）に示す各露光光入射方向を用いて、図３１（ｇ）に示すように各露光光入射方向に対する遮光性が最大になるように調整されたマスクエンハンサーのデフォーカス特性をシミュレーションにより求めた結果を示している。ここで、図３４（ａ）〜（ｃ）に示す結果は露光光入射方向を光源座標の中心方向からの入射とした場合に得られた結果であり、図３５（ａ）〜（ｃ）に示す結果は露光光入射方向を光源座標のＸ軸方向又はＹ軸方向からの斜入射とした場合に得られた結果であり、図３６（ａ）〜（ｃ）に示す結果は露光光入射方向を光源座標の４５度方向からの斜入射とした場合に得られた結果である。また、図３４（ａ）、図３５（ａ）、図３６（ａ）に示す結果は、マスクエンハンサーに代えて同一外形寸法の遮光膜をマスクパターンとして用いたときの光強度分布（つまりマスクパターン回折光による光強度分布）のデフォーカス特性を示しており、図３４（ｂ）、図３５（ｂ）、図３６（ｃ）に示す結果は、マスクエンハンサーの開口部と同一寸法の開口部が遮光膜に設けられているときの光強度分布（つまりシフター透過光による光強度分布）のデフォーカス特性を示しており、図３４（ｃ）、図３５（ｃ）、図３６（ｃ）に示す結果は、マスクエンハンサーを用いたときの光強度分布（つまりマスクパターン回折光とシフター透過光との合成光による光強度分布）のデフォーカス特性を示している。ここで、図３４（ｃ）、図３５（ｃ）、図３６（ｃ）に示す結果を、他の図に示す結果と比較しやすいように、図３４（ｃ）、図３５（ｃ）、図３６（ｃ）の縦軸（光強度）の目盛りを０．１だけオフセットしている。
図３４（ｂ）、図３５（ｂ）、図３６（ｂ）に示すように、シフター透過光による光強度分布のデフォーカス特性は露光光入射方向に対して依存性を有しているが、各露光光入射方向と対応するデフォーカス特性の差はさほど大きくない。しかし、図３４（ａ）、図３５（ａ）、図３６（ａ）に示すように、マスクパターン回折光による光強度分布のデフォーカス特性は露光光入射方向によって著しく異なる。特に、露光光入射方向が光源座標の中心方向である場合には、マスクパターン中心付近と対応する位置での光強度がデフォーカスによって局所的に増加するようなプロファイルとなる。そのため、露光光入射方向が光源座標の中心方向からの入射である場合にマスクパターン回折光にシフター透過光を付け加えると、このプロファイルが一層悪化することになる。実際に、図３４（ａ）に示す光強度分布のプロファイル形状のデフォーカス特性と、図３４（ｃ）に示す光強度分布のプロファイル形状のデフォーカス特性とを比較すると、マスクエンハンサーによる光強度分布のプロファイル形状がデフォーカスによって大きく劣化していることがわかる。一方、露光光入射方向が光源座標のＸ軸方向又はＹ軸方向からの斜入射である場合には、図３５（ａ）〜（ｃ）に示すように、マスクパターン回折光にシフター透過光を付け加えても、光強度分布のプロファイル形状は劣化もしないが向上もしない。また、露光光入射方向が光源座標の４５度方向からの斜入射である場合には、図３６（ａ）〜（ｃ）に示すように、マスクパターン回折光にシフター透過光を付け加えることによって、光強度分布のプロファイル形状が向上していることがわかる。
前述の結果を明確にするために、本願発明者は、マスクエンハンサーにおける位相シフターとなる開口部の寸法が異なるフォトマスクを用いて、各露光光入射方向からの露光を行なった場合のＤＯＦ（フォーカス深度）特性をシミュレーションによって計算してみた。図３７（ａ）〜（ｃ）はその結果を示しており、図３７（ａ）は露光光入射方向が光源座標の中心方向からの入射である場合の結果を示し、図３７（ｂ）は露光光入射方向が光源座標のＸ軸方向又はＹ軸方向からの斜入射である場合の結果を示し、図３７（ｃ）は露光光の入射方向が光源座標の４５度方向からの斜入射である場合の結果を示す。ここで、マスクエンハンサーとして、各露光光入射方向に対して遮光性が最大になるように調整された開口部幅（以下、最適開口部幅と称する）を有するマスクエンハンサーと、最適開口部幅よりも小さい開口部幅を有するマスクエンハンサーと、最適開口部幅よりも大きい開口部幅を有するマスクエンハンサーとを用いた。また、比較のために、マスクエンハンサーに代えて同一の外形形状を有する完全遮光膜をマスクパターンとして用いた場合におけるＤＯＦ特性についてもシミュレーションによって計算してみた。尚、ＤＯＦ特性は、各マスクパターンに対してベストフォーカス時に形成されるパターン（レジストパターン）の寸法が０．１２μｍとなる露光エネルギーを設定したときにデフォーカスによってパターン寸法がどのように変化するかを基準にして評価している。また、図３７（ａ）〜（ｃ）において、Ｌはマスクパターン幅、Ｓは開口部幅を示しており、フォーカス位置（横軸）０がベストフォーカス位置と対応している。
図３７（ａ）に示すように、露光光入射方向が光源座標の中心方向からの入射である場合、マスクエンハンサーの開口部幅を大きくするに従ってＤＯＦ特性は劣化しており、完全遮光膜をマスクパターンとして用いたとき（Ｌ／Ｓ＝０．１２／０μｍ）のＤＯＦ特性が最も優れている。
一方、図３７（ｂ）に示すように、露光光入射方向が光源座標のＸ軸方向又はＹ軸方向からの斜入射である場合、ＤＯＦ特性はマスクエンハンサーの開口部幅に依存しておらず、マスクエンハンサーを用いた場合も完全遮光膜を用いた場合（Ｌ／Ｓ＝０．１３／０μｍ）も同じＤＯＦ特性である。
しかし、図３７（ｃ）に示すように、露光光入射方向が光源座標の４５度方向からの斜入射である場合、マスクエンハンサーの開口部幅を大きくするに従ってＤＯＦ特性が向上しており、完全遮光膜をマスクパターンとして用いたとき（Ｌ／Ｓ＝０．１５／０μｍ）のＤＯＦ特性が最低である。
すなわち、４５度方向からの斜入射露光においてマスクパターン回折光とシフター透過光との干渉により生じる光強度分布のデフォーカス特性を向上させるためには、必要最低限の実効的な遮光性を実現できる範囲でシフター透過光を可能な限り増大させればよいことが分かる。
ここまで、４５度方向からの斜入射露光を用いた、マスクエンハンサーによるデフォーカス特性向上方法について説明してきたが、次に、実際にデフォーカス特性の向上効果が実現される光源位置の設定方法について説明する。
図３８（ａ）〜（ｃ）は、完全遮光膜よりなるマスクパターンを用いた露光における、色々な光源位置と対応するＤＯＦマップを示す図である。具体的には、ＤＯＦマップ評価用のマスクパターンとしては、図３８（ａ）に示すような、光源座標上のＹ軸と平行なライン状のマスクパターンを想定した。また、光源座標上のＸ軸と平行なライン状のマスクパターンと対応するＤＯＦマップが、図３８（ａ）に示すマスクパターンと同様の特性を生じるように、光源位置つまり露光光入射方向としては、図３８（ｂ）に示すような、光源座標上のＸ軸及びＹ軸に対して対称であり且つ４回転対称である光源位置を想定した。このとき、光源位置がＸ軸、Ｙ軸又は対角線（Ｙ＝Ｘ又はＹ＝−Ｘ）上である場合を除いて、必ず８点の光源位置が同時に存在することになる。ここで、光源座標上の数値は全て露光機の縮小投影光学系の開口数ＮＡにより規格化している。
図３８（ｃ）は、図３８（ｂ）に示す座標（ｘ，ｙ）の光源位置から半径０．０５の円光源を用いて露光を行なった場合における、完全遮光膜よりなるマスクパターン（幅Ｌ＝０．１５μｍ、開口部幅Ｓ＝０μｍ、図３８（ａ）参照）のＤＯＦを各光源位置に対してマッピングした結果を示している。ここでは、ベストフォーカス時に形成されるラインパターン（レジストパターン）の寸法が０．１２μｍとなるような露光強度で露光を行なっており、該露光時にフォーカス変動に対してパターン寸法が０．１２±０．０１２μｍの寸法に収まる最大フォーカス幅を用いてＤＯＦを定義している。また、露光光源としてＡｒＦ光源を用いると共に、露光機の縮小投影光学系の開口数として０．６を用いている。
図３８（ｃ）に示すように、様々な光源位置と対応するＤＯＦの平均値は０．３μｍ程度であり、原点（Ｘ＝０、Ｙ＝０）からの距離が１である光源位置を用いてパターン露光したときのＤＯＦが０．３μｍ程度である。また、ＤＯＦが平均よりも高くなる光源位置は座標（Ｘ＝０．５、Ｙ＝０．５）を中心とする位置と、該位置を原点中心に９０度、１８０度、２７０度ずつ回転させた位置とに局在しており、これら４つの光源位置からの斜入射露光を用いることによって、より優れたＤＯＦを得ることができる。しかし、図３８（ｃ）から分かるように、完全遮光膜よりなるマスクパターンの場合、例えば前述の光源位置を用いてＤＯＦが改善されたとしても、その程度はＤＯＦの平均値の２倍程度にすぎない。
図３９（ａ）〜（ｄ）及び図４０（ａ）〜（ｄ）は、マスクエンハンサーよりなるマスクパターンを用いた露光における、色々な光源位置と対応するＤＯＦマップを示す図である。具体的には、ＤＯＦマップ評価用のマスクパターンとしては、図３９（ａ）に示すような、マスクパターン幅がＬ（０．１５μｍ）であり、位相シフターとなる開口部の幅がＳ（０．０４μｍ、０．０８μｍ又は０．１０μｍ）であるマスクエンハンサーを想定した。ここで、前述のように、ＤＯＦマップは光源座標上の原点に対して４回転対称となるので、以下の説明においてはＤＯＦマップのうち光源座標上の第１象限（Ｘ≧０且つＹ≧０の領域）と対応する部分だけを示す。
図３９（ｂ）〜（ｄ）は、図３９（ａ）に示すマスクエンハンサーよりなるマスクパターンのＤＯＦを各光源位置に対してマッピングした結果を示しており、図３９（ｂ）は開口部幅Ｓを０．０４μｍとしたときに得られる結果であり、図３９（ｃ）は開口部幅Ｓを０．０８μｍとしたときに得られる結果であり、図３９（ｄ）は開口部幅Ｓを０．１０μｍとしたときに得られる結果である。ここで、露光光源としてＡｒＦ光源を用いると共に、露光機の縮小投影光学系の開口数として０．６を用いている。図３９（ｂ）〜（ｄ）に示すように、マスクエンハンサーの開口部幅Ｓが大きくなるに従って、光源位置が座標（Ｘ＝０．５、Ｙ＝０．５）の付近に存在するときの斜入射露光によって、ＤＯＦが著しく増大していることが分かる。
図４０（ａ）は、図３８（ｃ）及び図３９（ｂ）〜（ｄ）のそれぞれに示すＤＯＦマップにおけるＸ＝Ｙ線（対角線）上の光源位置と対応するＤＯＦ値をプロットした結果を示している。図４０（ａ）に示すように、４５度方向からの斜入射露光においては、光源座標上の原点からの距離が０．４以上で且つ０．８５以下である光源位置の斜入射露光を行なうことによって、マスクエンハンサーの開口部幅Ｓが大きくなるに従ってＤＯＦを飛躍的に向上させることができる。一方、４５度方向からの斜入射露光においては、光源座標上の原点からの距離が０．４以下である光源位置の斜入射露光を行なうと、マスクエンハンサーの開口部幅Ｓが大きくなるに従ってＤＯＦが低下してしまう。
図４０（ｂ）〜（ｄ）は、図３９（ｂ）〜（ｄ）のそれぞれに示すＤＯＦマップ（マスクエンハンサーよりなるマスクパターン）における、図３８（ｃ）に示すＤＯＦマップ（完全遮光膜よりなるマスクパターン）と比べて０．０５μｍ以上ＤＯＦが増加又は減少している領域を示している。図４０（ｂ）〜（ｄ）に示す結果から、座標（Ｘ＝０．５、Ｙ＝０．５）付近に光源位置が存在し、且つ光源座標上の原点からの距離が所定値（０．４程度）以下の領域における光源が取り除かれた露光が行なえるように露光機の縮小投影光学系の光学設定を行なうことによって、ＤＯＦを確実に向上させることができることがわかる。これが汎用的な傾向であるのか否かを確認するために、本願発明者は、完全遮光膜よりなるマスクパターン（Ｌ／Ｓ＝０．１５／０μｍ）のＤＯＦマップ、及びマスクエンハンサーよりなるマスクパターン（Ｌ／Ｓ＝０．１５／０．０２、０．０４、０．０６μｍ）のＤＯＦマップを、露光機の縮小投影光学系の開口数を０．６としてＫｒＦ光源及びＦ2 光源を用いた場合、並びに露光機の縮小投影光学系の開口数を０．７及び０．８としてＡｒＦ光源を用いた場合のそれぞれについて求めて、各ＤＯＦマップに基づいて、図４０（ａ）に示すような、対角線上の光源位置と対応するＤＯＦ値を求めてみた。図４１（ａ）〜（ｄ）はその結果を示しており、図４１（ａ）は露光機の縮小投影光学系の開口数を０．６としてＫｒＦ光源を用いた場合における対角線上の光源位置と対応するＤＯＦ値を示し、図４１（ｂ）は露光機の縮小投影光学系の開口数を０．６としてＦ2 光源を用いた場合における対角線上の光源位置と対応するＤＯＦ値を示し、図４１（ｃ）は露光機の縮小投影光学系の開口数を０．７としてＡｒＦ光源を用いた場合における対角線上の光源位置と対応するＤＯＦ値を示し、図４１（ｄ）は露光機の縮小投影光学系の開口数を０．８としてＡｒＦ光源を用いた場合における対角線上の光源位置と対応するＤＯＦ値を示す。図４１（ａ）〜（ｄ）に示す結果から、座標（Ｘ＝０．５、Ｙ＝０．５）付近に光源位置が存在する斜入射露光によってＤＯＦが向上する傾向は汎用的な傾向であることがわかる。
一般に、λ／ＮＡ程度以下の周期で配置されるパターンの形成に斜入射露光を用いた場合、ＤＯＦ特性が改善されることが知られている。しかし、孤立パターンの形成に斜入射露光を用いた場合、ＤＯＦ特性がほとんど改善されないと共に光強度分布のコントラストが低下するので、孤立パターンの形成に斜入射露光を用いることは好ましくないとされている。それに対して、第３の実施形態においては、孤立パターンを形成する場合にも、マスクエンハンサーのＤＯＦ向上効果及びコントラスト向上効果によって、斜入射露光が最適な露光方法となる。従って、第３の実施形態によると、孤立パターンの形成においても小さい周期で配置されるパターンの形成においても最適な露光方法が一致するので、任意のレイアウトを有する微細なパターンを高精度で形成することができる。
（第４の実施形態)
以下、本発明の第４の実施形態に係るマスクパターン設計方法、具体的には、第１又は第２の実施形態に係るフォトマスク、つまりマスクパターン回折光をそれと反対位相を有するシフター透過光によって打ち消すことにより露光時における光強度分布のコントラスト及びフォーカスマージンを向上させるフォトマスクを作成するためのマスクパターン設計方法について、図面を参照しながら説明する。
図４２は第４の実施形態に係るマスクパターン設計方法の各工程を示すフローチャートである。
まず、ステップＳ１において、所望のパターン（レジストパターン）を形成するためのマスクパターンのレイアウト（以下、パターンレイアウトと称する）を作成すると共に、マスクパターンに配置される位相シフターの透過率Ｔを設定する。図４３（ａ）は、ステップＳ１で作成されたパターンレイアウトの一例を示している。
次に、ステップＳ２において、ステップＳ１で作成されたパターンレイアウトを分割して、分割された各パターン（以下、分割パターンと称する）の中心付近に評価点ｒを設定する。図４３（ｂ）は、ステップＳ２で各分割パターンに評価点ｒを設定した様子を示している。
次に、ステップＳ３において、パターンレイアウト全体に遮光膜よりなる遮光パターンが配置されているとするマスクデータを作成する。これは、マスクパターン回折光の光強度を算出するための評価用マスクと対応する。図４３（ｃ）はステップＳ３で作成されたマスクデータと対応する評価用マスクの一例を示している。この評価用マスクを用いた露光において被露光材料上における各評価点ｒと対応する位置に投影転写される光強度Ｉｃ（ｒ）を、実使用時の露光機の光学条件を用いた光強度シミュレーション等により算出する。
次に、ステップＳ４において、ステップＳ３で算出したＩｃ（ｒ）が所定値Ｉｔよりも大きくなる評価点ｒを含有する分割パターン、つまり評価点ｒにおける遮光性が十分ではない分割パターンを抽出する。図４３（ｄ）はステップＳ４で抽出された、評価点ｒにおける遮光性が十分ではない分割パターンを示している。ステップＳ４で抽出された分割パターンは、そこに遮光膜を配置しても、該遮光膜の周辺を透過して該遮光膜の裏側に回り込む光が多いために十分な遮光性が得られない部分である。
次に、ステップＳ５において、ステップＳ４で抽出された分割パターンに開口部が配置され、且つフォトマスクにおけるその他の部分に遮光部が配置されているとするマスクデータを作成する。これは、シフター透過光の光強度の最大値を算出するための評価用マスクと対応する。図４３（ｅ）はステップＳ５で作成されたマスクデータと対応する評価用マスクの一例を示している。この評価用マスクを用いた露光において被露光材料上における各評価点ｒと対応する位置に投影転写される光強度Ｉｏ（ｒ）を、実使用時の露光機の光学条件を用いた光強度シミュレーション等により算出する。これにより、ステップＳ４で抽出された分割パターンに位相シフターが配置された場合におけるシフター透過光の光強度の最大値をＴ×Ｉｏ（ｒ）と見積もることができるので、マスクパターン回折光の光強度（光強度Ｉｃ（ｒ））を打ち消せるかどうかを判断することができる。
次に、ステップＳ６において、各評価点ｒにおける光強度Ｉｏ（ｒ）の値と光強度Ｉｃ（ｒ）の値とを用いて、シフター透過光及びマスクパターン回折光のそれぞれの光強度を評価することにより、遮光性を向上させるための条件判断を行なう。
ところで、前述のように、マスクエンハンサーを用いた場合、透過率Ｔの位相シフターを部分的に遮光膜により覆い隠すことによって、０からＴまでの任意の透過率と対応する位相シフターを形成できる。しかし、実際のマスク加工を考慮すると、開口部寸法に下限が生じてくるので、開口部に最小寸法を設定しておく必要がある。従って、この最小寸法を基づいて、実質的に生成できる最小透過率Ｔｍｉｎを想定しておく。この場合、各分割パターンにおいて、
Ｔｍｉｎ×Ｉｏ（ｒ）≧４×Ｉｃ（ｒ）
であれば開口部つまり位相シフターを設けない方が遮光性が高くなるので（第１又は第２の実施形態参照）、Ｚ４＝Ｔｍｉｎ／４となるＺ４に対して、Ｉｃ（ｒ）／Ｉｏ（ｒ）がＺ４より小さくなる分割パターンには遮光部を配置する。
一方、位相シフターを覆い隠す遮光膜の幅は開口部を大きくするほど小さくなるので、遮光部としてフォトマスク上に形成可能な寸法にも限界が生じる。すなわち、遮光膜中に設けられた位相シフターを透過する光には上限があるので、この上限に基づいて、実質的に生成できる最大透過率Ｔｍａｘ（Ｔｍａｘ＜Ｔ）を想定しておく。この場合、各分割パターンにおいて、
Ｉｃ（ｒ）≧Ｔｍａｘ×Ｉｏ（ｒ）
であれば部分的に遮光膜により部分的に覆われた位相シフター（つまりマスクエンハンサー）を設ける代わりに、位相シフターのみを設けた方が遮光性が高くなるので、Ｚ１＝ＴｍａｘとなるＺ１に対して、Ｉｃ（ｒ）／Ｉｏ（ｒ）がＺ１より大きくなる分割パターンには位相シフターを配置する。
すなわち、各分割パターンにおいて、Ｚ４＞Ｉｃ（ｒ）／Ｉｏ（ｒ）であれば遮光部を設定し、Ｚ１≧Ｉｃ（ｒ）／Ｉｏ（ｒ）≧Ｚ４であればマスクエンハンサーを設定し、Ｉｃ（ｒ）／Ｉｏ（ｒ）＞Ｚ１であれば位相シフターを設定する。但し、簡単のため、Ｔｍｉｎ及びＴｍａｘを想定しない場合には、Ｚ１＝Ｔ、Ｚ４＝Ｔ／４である。図４３（ｆ）は、ステップＳ４で抽出された、遮光性が十分ではない分割パターンに対して、ステップＳ６で位相シフター又はマスクエンハンサーが設定された様子を示している。
次に、ステップＳ７において、ステップＳ６で分割パターンに設定されたマスクエンハンサーにおける位相シフターとなる開口部の大きさを決定する。このとき、マスクエンハンサーにより実効的に生成される透過率Ｔｅが遮光効果を最大にする条件は、Ｔｅ＝Ｉｃ（ｒ）／Ｉｏ（ｒ）で表される。また、第２の実施形態で説明したように、開口部の等価透過率は開口面積率に比例した近似式で表される（図２６（ｅ）参照）。従って、透過率Ｔの位相シフターを実質的に透過率Ｔｅの位相シフターと同等にするには、開口部の面積をα×（Ｔｅ／Ｔ）＋βで表される規則に基づき縮小してやればよい。ここで、α、β等の係数は、第２の実施形態で説明したように、露光光の波長等の露光機の光学パタメータやマスクパターン寸法に依存して決まる値である。具体的には、前述の規則に従って、マスクエンハンサーが設定された分割パターンが実効的に透過率Ｔｅの位相シフターとなるように、開口面積率がα×（Ｉｃ（ｒ）／（Ｉｏ（ｒ）×Ｔ））＋βとなるような開口部を設定する。このとき、分割パターンの面積をＳｃ、開口部の面積をＳｏとすれば、
Ｓｏ＝Ｓｃ×（α×（Ｉｃ（ｒ）／（Ｉｏ（ｒ）×Ｔ））＋β）
である。また、開口部の形状は、開口面積率が所定値であれば特に限定されるものではないが、簡単には、開口面積率に合わせてパターンレイアウト形状を単純に縮小した形状を開口部の形状として用いてもよい。図４３（ｇ）は、ステップＳ６で分割パターンに設定されたマスクエンハンサーに対して、ステップＳ７でパターンレイアウト形状が縮小された形状の開口部が設定された様子を示している。
次に、ステップＳ８において、ステップＳ７までに設定された位相シフター（マスクエンハンサーの開口部を含む）をパターンレイアウトから取り除いたパターンを遮光部パターンとして作成する。
最後に、ステップＳ９において、遮光部パターンと位相シフターパターンとからなるマスクパターンデータを作成する。図４３（ｈ）は、ステップＳ９で作成されたマスクパターンデータの一例を示している。その後、マスクパターンデータを出力してマスクパターン設計を終了する。これにより、所望のパターンレイアウトの全体に遮光パターンを配置したときに遮光効果が十分に得られない領域においてマスクパターン回折光の反対位相を有するシフター透過光を利用することによって、遮光効果を向上させることができるマスク構造を実現するためのマスクパターンデータの作成が可能となる。
以上に説明したように、第４の実施形態によると、マスクパターン回折光の光強度と、シフター透過光の光強度とをそれぞれ独立に計算して、各光強度の比率に基づいて、遮光性を最大にできる、位相シフターの透過率やマスクエンハンサーの開口部寸法を求めることができる。このため、マスクパターンの任意のレイアウトに対して、遮光性を最大にできる、位相シフターの透過率やマスクエンハンサーの開口部寸法を簡単に求めることができる。
尚、第４の実施形態において、ステップＳ７でマスクエンハンサーに設定される開口部の形状として、開口面積率に合わせてパターンレイアウト形状を単純に縮小した形状を用いたが、開口部の形状は、開口面積率が所定値であって、パターンレイアウトの内部に収まる形状であればどんな形状であってもよい。つまり、開口部形状は、開口面積率又は所定の範囲に設けられる開口部の面積が同じである限り、変形させても構わない。但し、通常は、実際のマスク加工において困難が生じない形状が望ましい。例えば、遮光膜の基板からの剥がれを引き起こすような、細長い遮光部パターンが形成されるようなは開口部形状は好ましくない。図４４（ａ）は、図４３（ｇ）に示す開口部形状を、マスク上で遮光膜となるクロム膜が剥がれにくくなるように、つまり細長い遮光部パターンが生じないように変形させた結果を示している。また、図４４（ｂ）は、図４４（ａ）と対応するマスクパターンデータを示している。
また、第４の実施形態において、パターンレイアウト（分割パターンを含む）に配置される遮光膜又は遮光部は、露光光に対して１５％以下の透過率を持つと共に透光部との間で露光光に対して（ー３０＋３６０×ｎ）度以上で且つ（３０＋３６０×ｎ）度以下（但しｎは整数）の位相差を生じるものであってもよい。
（第４の実施形態の第１変形例）
以下、本発明の第４の実施形態の第１変形例に係るマスクパターン設計方法、具体的には、第１又は第２の実施形態に係るフォトマスクを作成するためのマスクパターン設計方法について、図面を参照しながら説明する。
図４５及び図４６は第４の実施形態の第１変形例に係るマスクパターン設計方法の各工程を示すフローチャートである。
第４の実施形態の第１変形例が第４の実施形態と異なっている点は、マスクエンハンサーの開口部面積の計算方法である。具体的には、第４の実施形態においては、マスクエンハンサーの開口部面積を開口面積率のみを用いた近似計算により求めたが、第４の実施形態の第１変形例においては、マスクエンハンサーの開口部面積をさらに正確に求めていく。
尚、図４５及び図４６に示すように、第４の実施形態の第１変形例におけるステップＳ１〜Ｓ６の各処理とステップＳ８及びＳ９の処理とは、図４２に示す、第４の実施形態におけるステップＳ１〜Ｓ６の各処理とステップＳ８及びＳ９の処理と全く同様である。すなわち、第４の実施形態の第１変形例においては、第４の実施形態におけるステップＳ７の処理が、ステップＳ１０〜Ｓ１４の各処理、具体的には、マスクエンハンサーの開口部が十分な遮光効果を実現できるかどうかを確認検証し、その結果に基づき開口部面積を修正する手順と置き換えられている。これにより、マスクエンハンサーにより十分な遮光性を実現できるマスクパターンデータの作成が可能となる。
以下、ステップＳ１０〜Ｓ１４までの処理について図４５及び図４６を参照しながら説明する。
ステップＳ１０においては、位相シフターの透過率Ｔと、マスクエンハンサーにおいて最大遮光効果を実現する最適透過率Ｔｅ（＝Ｉｃ（ｒ）／Ｉｏ（ｒ））との比のみを用いて開口面積率を設定し、該開口面積率に基づいてマスクエンハンサーの開口部の大きさを決定する。具体的には、分割パターンの面積をＳｃ、開口部の面積をＳｏとすれば、
Ｓｏ＝Ｓｃ×Ｉｃ（ｒ）／（Ｉｏ（ｒ）×Ｔ）
である。以下、図４３（ｇ）がステップＳ１０で設定された開口部を示しているものとして説明を行なう。
次に、ステップＳ１１において、ステップＳ１０までに位相シフター（マスクエンハンサーの開口部を含む）が設定された部分に開口部が配置され、且つフォトマスクにおけるその他の部分に遮光部が配置されているとするマスクデータを作成する。これは、シフター透過光の光強度を正確に算出するための評価用マスクと対応する。図４７はステップＳ１１で作成されたマスクデータと対応する評価用マスクの一例を示している。この評価用マスクを用いた露光において被露光材料上における各評価点ｒと対応する位置に投影転写される光強度Ｉｏ（ｒ）を、実使用時の露光機の光学条件を用いた光強度シミュレーション等により再計算する。これにより、シフター透過光の光強度をＴ×Ｉｏ（ｒ）により正確に見積もることができるので、マスクパターン回折光の光強度（光強度Ｉｃ（ｒ））を十分に打ち消せるかどうかを正確に判断することができる。
次に、ステップＳ１２において、ステップＳ１１で再計算されたＩｏ（ｒ）が最大遮光効果を実現するのに適切な強度になっているか否かを検証する。ここで、マスクエンハンサーの開口部の大きさが最大遮光効果を実現するのに適切な強度のＩｏ（ｒ）を実現している部分においては、そのままマスクエンハンサーの開口部を決定する。一方、そうでない部分においては、再び、位相シフターの透過率Ｔと、現時点でマスクエンハンサーにおいて最大遮光効果を実現する最適透過率Ｔｅ（＝Ｉｃ（ｒ）／Ｉｏ（ｒ））との比のみを用いて開口面積率を設定し、該開口面積率に基づいてマスクエンハンサーの開口部の大きさを決定する。具体的には、ステップＳ１０で求められた開口部の面積をＳｏとすれば、
Ｓｏ×Ｉｃ（ｒ）／（Ｉｏ（ｒ）×Ｔ）
で定義される面積Ｓｏ’を新たな開口部の面積として求める。ここで、マスクエンハンサーの開口部の大きさが最大遮光効果を実現しているかどうかは、マスクパターン回折光がシフター透過光によって十分に打ち消されているかどうかによって、言い換えると、Ｔ×Ｉｏ（ｒ）≒Ｉｃ（ｒ）が成り立つかどうかによって、判断することができる。従って、Ｓｏ’＝Ｓｏ×Ｉｃ（ｒ）／（Ｉｏ（ｒ）×Ｔ）に従って、シフター透過光が過剰なら開口部を小さくする修正を加えると共にシフター透過光が過小なら開口部を大きくする修正を加えることになる。
次に、ステップＳ１３において、ステップＳ１２で開口部面積の修正が行なわれたかどうかを判断し、開口部面積の修正が行なわれている場合には、ステップＳ１４において、開口部面積Ｓｏを開口部面積Ｓｏ’によって更新した後、ステップＳ１１に戻る。すなわち、開口部面積の修正内容に基づき、シフター透過光の光強度を正確に算出するための評価用マスクと対応するマスクデータを再作成して光強度Ｉｏ（ｒ）を再計算する処理を、Ｉｏ（ｒ）によってＩｃ（ｒ）が十分に打ち消されるまで繰り返し行なう。一方、開口部面積の更新が行なわれていない場合には、ステップＳ８以降の処理に進む。
第４の実施形態の第１変形例によると、第４の実施形態の効果に加えて、次のような効果が得られる。すなわち、マスクエンハンサーの開口部が十分な遮光効果を実現できるかどうかを確認検証し、その結果に基づき開口部面積を修正するので、マスクエンハンサーにより十分な遮光性を実現できるマスクパターンデータを確実に作成することができる。
尚、第４の実施形態の第１変形例において、パターンレイアウト（分割パターンを含む）に配置される遮光膜又は遮光部は、露光光に対して１５％以下の透過率を持つと共に透光部との間で露光光に対して（ー３０＋３６０×ｎ）度以上で且つ（３０＋３６０×ｎ）度以下（但しｎは整数）の位相差を生じるものであってもよい。
（第４の実施形態の第２変形例）
以下、本発明の第４の実施形態の第２変形例に係るマスクパターン設計方法、具体的には、第１又は第２の実施形態に係るフォトマスクを作成するためのマスクパターン設計方法について、図面を参照しながら説明する。
図４８は第４の実施形態の第２変形例に係るマスクパターン設計方法の各工程を示すフローチャートである。
第４の実施形態の第２変形例が第４の実施形態と異なっている点は次の通りである。すなわち、第４の実施形態においては、マスクパターンとして、位相シフター、マスクエンハンサー及び遮光部を用いたが、第４の実施形態の第２変形例においては、マスクパターンとして、マスクエンハンサーを用いないで、位相シフター及び遮光部のみを用いる。
尚、図４８に示すように、第４の実施形態の第２変形例におけるステップＳ１〜Ｓ５の各処理とステップＳ９の処理とは、図４２に示す、第４の実施形態におけるステップＳ１〜Ｓ５の各処理とステップＳ９の処理と全く同様である。すなわち、第４の実施形態の第２変形例においては、第４の実施形態におけるステップＳ６〜Ｓ８の各処理が、ステップＳ２０の処理と置き換えられている。具体的には、第４の実施形態におけるステップＳ６では、マスクエンハンサーによって実効的に生成される透過率Ｔｅの範囲を、０＜Ｔｍｉｎ≦Ｔｍａｘ＜Ｔで表されるＴｍｉｎからＴｍａｘまでに設定したが、第４の実施形態の第２変形例においてはＴｍｉｎ＝Ｔｍａｘ＝Ｔとなった状況を想定する。
すなわち、ステップＳ２０において、各評価点ｒにおける光強度Ｉｏ（ｒ）の値と光強度Ｉｃ（ｒ）の値とを用いて、シフター透過光及びマスクパターン回折光のそれぞれの光強度を評価することにより、遮光性を向上させるための条件判断を行なう。このとき、各分割パターンにおいて、Ｔ／４＞Ｉｃ（ｒ）／Ｉｏ（ｒ）であれば遮光部を設定し、Ｉｃ（ｒ）／Ｉｏ（ｒ）≧Ｔ／４であれば位相シフターを設定する。これにより、各分割パターンの遮光性が位相シフターを用いた方が高いか、又は遮光部を用いた方が高いかという簡単な判断に基づいて、各分割パターンの遮光性を向上させることができる。図４９（ａ）は、ステップＳ４で抽出された、遮光性が十分ではない分割パターンに対して、ステップＳ２０で位相シフターが設定された様子を示している。
尚、第４の実施形態の第２変形例においては、マスクエンハンサーの開口部を設定するステップ（第４の実施形態におけるステップＳ７の処理）、及びマスクエンハンサーの開口部を含む位相シフターをパターンレイアウトから取り除いて遮光部パターンを作成するステップ（第４の実施形態におけるステップＳ８の処理）は必要ない。
図４９（ｂ）は、第４の実施形態の第２変形例で作成されたマスクパターンデータの一例を示している。
第４の実施形態の第２変形例によると、第４の実施形態の効果に加えて、次のような効果が得られる。すなわち、マスクパターンとして、マスクエンハンサーを用いないで、位相シフター及び遮光部のみを用いるので、十分な遮光性を実現できるマスクパターンデータを簡単に作成することができる。
尚、第４の実施形態の第２変形例において、パターンレイアウト（分割パターンを含む）に配置される遮光膜又は遮光部は、露光光に対して１５％以下の透過率を持つと共に透光部との間で露光光に対して（ー３０＋３６０×ｎ）度以上で且つ（３０＋３６０×ｎ）度以下（但しｎは整数）の位相差を生じるものであってもよい。
（第４の実施形態の第３変形例）
以下、本発明の第４の実施形態の第３変形例に係るマスクパターン設計方法、具体的には、第１又は第２の実施形態に係るフォトマスクを作成するためのマスクパターン設計方法について、図面を参照しながら説明する。
図５０は第４の実施形態の第３変形例に係るマスクパターン設計方法の各工程を示すフローチャートである。
第４の実施形態の第３変形例が第４の実施形態と異なっている点は、次の通りである。すなわち、第４の実施形態においては、マスクデータを用いた光学シミュレーションの結果に基づいて、遮光性を向上できるマスクパターンの設計を行なった。それに対して、第４の実施形態の第３変形例においては、透過率Ｔの位相シフターが遮光膜よりも高い遮光性を実現する条件判断は完全ではないが、パターンレイアウト幅に基づいて、遮光性を向上できるマスクパターンの設計を行なう。
具体的には、まず、ステップＳ１において、第４の実施形態と同様に、所望のパターン（レジストパターン）を形成するためのマスクパターンのパターンレイアウトを作成すると共に、マスクパターンに配置される位相シフターの透過率Ｔを決定する。
次に、ステップＳ３０において、透過率Ｔ、幅Ｌの位相シフターよりなるマスクパターンを用いた露光において被露光材料上におけるマスクパターン中心と対応する位置に投影転写される光強度Ｉｈ（Ｔ，Ｌ）を、実使用時の露光機の光学条件を用いた光学シミュレーション等により算出する。また、幅Ｌの遮光膜よりなるマスクパターンを用いた露光において、被露光材料上におけるマスクパターン中心と対応する位置に投影転写される光強度Ｉｃ（Ｌ）を、同様の方法により算出する。そして、光強度Ｉｈ（Ｔ，Ｌ）が光強度Ｉｃ（Ｌ）よりも小さくなる最小幅Ｌ、言い換えると、位相シフターの遮光効果が遮光膜よりも高くなる最大幅Ｌを臨界幅Ｌｓとして算出する。
次に、ステップＳ３１において、パターンレイアウトから幅が臨界幅Ｌｓ以下となる部分パターンを抽出する。
次に、ステップＳ３２において、ステップＳ３１で抽出された部分パターンには位相シフターを配置すると共に、それ以外の部分には遮光部を配置する。
最後に、ステップＳ９において、第４の実施形態と同様に、遮光部パターンと位相シフターパターンとからなるマスクパターンデータを作成した後、マスクパターンデータを出力してマスクパターン設計を終了する。
第４の実施形態の第３変形例によると、マスクデータを用いた光学シミュレーションを用いることなく、パターンレイアウト幅に基づいて遮光性を向上できるマスクパターンの設計を行なうので、マスクパターン設計が簡単になる。
尚、第４の実施形態の第３変形例において、パターンレイアウト（分割パターンを含む）に配置される遮光膜又は遮光部は、露光光に対して１５％以下の透過率を持つと共に透光部との間で露光光に対して（ー３０＋３６０×ｎ）度以上で且つ（３０＋３６０×ｎ）度以下（但しｎは整数）の位相差を生じるものであってもよい。
（第４の実施形態の第４変形例）
以下、本発明の第４の実施形態の第４変形例に係るマスクパターン設計方法、具体的には、第１又は第２の実施形態に係るフォトマスクを作成するためのマスクパターン設計方法について、図面を参照しながら説明する。
図５１は第４の実施形態の第４変形例に係るマスクパターン設計方法の各工程を示すフローチャートである。
第４の実施形態の第４変形例が第４の実施形態と異なっている点は次の通りである。すなわち、第４の実施形態においては、位相シフターの透過率として１種類の透過率Ｔを用いたが、第４の実施形態の第４変形例においては、位相シフターの透過率として２種類の透過率Ｔ１及びＴ２（但しＴ１＞Ｔ２）を用いる。また、第４の実施形態においては、マスクパターンとして、位相シフター、マスクエンハンサー及び遮光部を用いたが、第４の実施形態の第４変形例においては、第４の実施形態の第２変形例と同様に、マスクパターンとして、マスクエンハンサーを用いないで、位相シフター及び遮光部のみを用いる。
尚、図５１に示すように、第４の実施形態の第４変形例におけるステップＳ２〜Ｓ５の各処理とステップＳ９の処理とは、図４２に示す、第４の実施形態におけるステップＳ２〜Ｓ５の各処理とステップＳ９の処理と全く同様である。すなわち、第４の実施形態の第４変形例においては、第４の実施形態におけるステップＳ１の処理が、ステップＳ４０の処理と置き換えられていると共に、第４の実施形態におけるステップＳ６〜Ｓ８の各処理が、ステップＳ４１及びＳ４２の処理と置き換えられている。
すなわち、ステップＳ４０において、所望のパターン（レジストパターン）を形成するためのマスクパターンのパターンレイアウトを作成すると共に、マスクパターンに配置される位相シフターの２種類の透過率Ｔ１及びＴ２（但しＴ１＞Ｔ２）を決定する。
また、ステップＳ２〜Ｓ５の各処理を行なった後、ステップＳ４１において、各評価点ｒにおける光強度Ｉｏ（ｒ）の値と光強度Ｉｃ（ｒ）の値とを用いて、シフター透過光及びマスクパターン回折光のそれぞれの光強度を評価することにより、遮光性を向上させるための条件判断を行なう。このとき、各分割パターンにおいて、Ｔ２／４＞Ｉｃ（ｒ）／Ｉｏ（ｒ）であれば遮光部を設定し、Ｉｃ（ｒ）／Ｉｏ（ｒ）≧Ｔ２／４であれば位相シフターを設定する。すなわち、使用可能な位相シフターの中で最も透過率の低い位相シフターを基準にして、該位相シフターを用いることによって遮光膜よりも遮光性を向上させられる部分を最初に抽出しておく。なぜなら、より高い透過率の位相シフターを用いることによって遮光膜よりも遮光性を向上させらる部分は、それより低い透過率の位相シフターを用いることによって遮光膜よりも遮光性を向上させらる部分の内側に限定されるからである。尚、ステップＳ４１の処理は、図４８に示す、第４の実施形態の第２変形例におけるステップＳ２０の処理において、単一の透過率Ｔを、使用可能な透過率の最低値（Ｔ２）に置き換えた処理になっている。
次に、ステップＳ４２において、位相シフターが設定された各分割パターンにおいて、どちらの透過率の位相シフターを用いるのが適切かを判断する。このとき、第１の実施形態で説明したように、
Ｉｃ ／Ｉｏ＞（Ｔ１0.5 ＋Ｔ２0.5 ）×（Ｔ１0.5 ＋Ｔ２0.5 ）／２
が成り立つマスクパターン部分においては透過率Ｔ１の位相シフターを選択し、
Ｉｃ ／Ｉｏ≦（Ｔ１0.5 ＋Ｔ２0.5 ）×（Ｔ１0.5 ＋Ｔ２0.5 ）／２
が成り立つマスクパターン部分においては透過率Ｔ２の位相シフターを選択すればよい。図５２（ａ）は、ステップＳ４で抽出された、遮光性が十分ではない分割パターンに対して、ステップＳ４１及びＳ４２で２種類の透過率Ｔ１及びＴ２を有する位相シフターが設定された様子を示している。
尚、第４の実施形態の第４変形例においては、マスクエンハンサーの開口部を設定するステップ（第４の実施形態におけるステップＳ７の処理）、及びマスクエンハンサーの開口部を含む位相シフターをパターンレイアウトから取り除いて遮光部パターンを作成するステップ（第４の実施形態におけるステップＳ８の処理）は必要ない。
図５２（ｂ）は、第４の実施形態の第４変形例で作成されたマスクパターンデータの一例を示している。
第４の実施形態の第４変形例によると、第４の実施形態の効果に加えて、次のような効果が得られる。すなわち、マスクパターンとして、マスクエンハンサーを用いないで、位相シフター及び遮光部のみを用いるので、十分な遮光性を実現できるマスクパターンデータを簡単に作成することができる。また、複数の透過率を有する位相シフターが使用可能な状況において、より高い遮光性が実現されるように各透過率を有する位相シフターを設定できるので、異なる透過率の位相シフターを適切な位置に配置することができる。
尚、第４の実施形態の第４変形例において、位相シフターの透過率が３種類以上であってもよい。
また、第４の実施形態の第４変形例において、パターンレイアウト（分割パターンを含む）に配置される遮光膜又は遮光部は、露光光に対して１５％以下の透過率を持つと共に透光部との間で露光光に対して（ー３０＋３６０×ｎ）度以上で且つ（３０＋３６０×ｎ）度以下（但しｎは整数）の位相差を生じるものであってもよい。
本発明は、フォトマスク及びその作成方法に関し、半導体装置又は液晶表示装置の製造に用いられるパターン露光用のフォトマスク及びその作成方法に適用した場合、１枚のフォトマスクを用いた露光によって任意の寸法又は形状を有するパターンを形成できると共にデフォーカス特性を向上できるという効果が得られ、非常に有用である。
（ａ）は完全遮光膜よりなるマスクパターンを有するフォトマスクの平面図であり、（ｂ）は（ａ）に示すフォトマスクを用いて露光を行なっている様子を示す図であり、（ｃ）は（ａ）に示すフォトマスクを用いた露光において被露光材料上に転写される光強度分布を示す図であり、（ｄ）は（ａ）に示すフォトマスクを用いた露光においてマスクパターン線幅Ｌを色々変化させた場合に被露光材料上に転写される光強度分布のシミュレーション結果を示す図である。 フォトマスクを用いた露光においてマスクパターンの線幅を色々変化させた場合における、レジスト膜上に転写される光強度分布の変化、及びレジスト膜の現像後に形成されるレジストパターンの形状の変化をそれぞれ示す図である。 本発明のイメージ強調法の原理を示す模式図である。 図３に示すイメージ強調マスクを用いた露光において位相シフターの線幅を色々変化させた場合に被露光材料上に転写される光強度分布のシミュレーション結果を示す図である。 （ａ）は本発明の第１の実施形態に係るパターン形成方法における形成対象となる所望のパターンの設計レイアウトの一例を示す図であり、（ｂ）は（ａ）に示すパターンを形成するために用いられる、本発明の第１の実施形態に係るフォトマスクの平面図である。 （ａ）〜（ｃ）は本発明の第１の実施形態に係るパターン形成方法の各工程を示す断面図である。 （ａ）は図５（ｂ）に示すフォトマスクによってレジスト膜に投影される光強度分布のシミュレーション結果を示す図であり、（ｂ）は（ａ）のＡＡ’線に沿った光強度分布のシミュレーション結果を示す図であり、（ｃ）は（ａ）に示す光強度分布のシミュレーション結果からレジストパターンの形状を予測した結果を示す図である。 （ａ）は位相シフターよりなるマスクパターンを有するフォトマスクの平面図であり、（ｂ）は（ａ）に示すフォトマスクを用いて露光を行なっている様子を示す図である。 （ａ）は図８（ａ）に示すフォトマスクを用いた露光において位相シフターの透過率を色々変化させた場合に被露光材料上に転写される光強度分布のシミュレーション結果を示す図であり、（ｂ）は図８（ａ）に示すフォトマスクを用いた露光において位相シフターの透過率及びマスクパターンの線幅Ｌを色々変化させた場合に被露光材料上に生じる光強度のシミュレーション結果を示す図であり、（ｃ）は図８（ａ）に示すフォトマスクを用いた露光において位相シフターの透過率Ｔ及びマスクパターン線幅Ｌを色々変化させた場合に被露光材料上に生じる光強度のシミュレーション結果を、透過率Ｔ及び線幅Ｌをそれぞれ縦軸及び横軸に取って光強度の等高線で表した様子を示す図である。 本発明のマスクパターン重ね合わせ法の原理を、透過率Ｔの位相シフターよりなる線幅Ｌのマスクパターンを有するイメージ強調マスクの場合について示した模式図である。 （ａ）〜（ｃ）は図１０に示すイメージ強調マスクを用いた露光において位相シフターの透過率Ｔ及びマスクパターン線幅Ｌを色々変化させた場合に被露光材料上に生じる光強度Ｉｈ（Ｌ、Ｔ）のシミュレーション結果を、透過率Ｔ及び線幅Ｌをそれぞれ縦軸及び横軸に取って光強度の等高線で表した様子を示す図である。 本発明のマスクパターン重ね合わせ法の原理を、透過率Ｔの位相シフターよりなる正方形状（１辺の長さがＬ）のマスクパターンを有するイメージ強調マスクの場合について示した模式図である。 （ａ）〜（ｃ）は図１２に示すイメージ強調マスクを用いた露光において位相シフターの透過率Ｔ及びマスクパターン幅Ｌを色々変化させた場合に被露光材料上に生じる光強度Ｉｈ（Ｌ、Ｔ）のシミュレーション結果を、透過率Ｔ及び幅Ｌをそれぞれ縦軸及び横軸に取って光強度の等高線で表した様子を示す図である。 （ａ）〜（ｃ）は図１０に示すイメージ強調マスクを用いた露光において位相シフターの透過率Ｔ及びマスクパターン線幅Ｌを色々変化させた場合にＩｈ（Ｌ、Ｔ）＝Ｉｃ（Ｌ）が成り立つ条件を示す図である。 （ａ）は本発明の第２の実施形態に係るパターン形成方法における形成対象となる所望のパターンの設計レイアウトの一例を示す図であり、（ｂ）は（ａ）に示すパターンを形成するために用いられる、本発明の第２の実施形態に係るフォトマスクの平面図である。 （ａ）〜（ｃ）は本発明の第２の実施形態に係るパターン形成方法の各工程を示す断面図である。 （ａ）は図１５（ｂ）に示すフォトマスクによってレジスト膜に投影される光強度分布のシミュレーション結果を示す図であり、（ｂ）は（ａ）のＡＡ’線に沿った光強度分布のシミュレーション結果を示す図であり、（ｃ）は（ａ）に示す光強度分布のシミュレーション結果からレジストパターンの形状を予測した結果を示す図である。 （ａ）は遮光膜と該遮光膜に設けられ且つ位相シフターとなる開口部とからなるマスクパターンを有するフォトマスクの平面図であり、（ｂ）は（ａ）に示すフォトマスクを用いて露光を行なっている様子を示す図である。 （ａ）は図１８（ａ）に示すフォトマスクを用いた露光において開口部幅Ｓを色々変化させた場合に被露光材料上に転写される光強度分布のシミュレーション結果を示す図であり、（ｂ）は図１８（ａ）に示すフォトマスクを用いた露光においてマスクパターン線幅Ｌ及び開口部幅Ｓを色々変化させた場合に被露光材料上に生じる光強度のシミュレーション結果を、マスクパターン線幅Ｌ及び開口部幅Ｓをそれぞれ縦軸及び横軸に取って光強度の等高線で表した様子を示す図である。 （ａ）は遮光膜と該遮光膜に設けられ且つ位相シフターとなる開口部とからなるマスクパターンを有するフォトマスクの平面図であり、（ｂ）は（ａ）に示すフォトマスクを用いて露光を行なっている様子を示す図である。 （ａ）は図２０（ａ）に示すフォトマスクを用いた露光において開口部幅Ｓを色々変化させた場合に被露光材料上に転写される光強度分布のシミュレーション結果を示す図であり、（ｂ）は図２０（ａ）に示すフォトマスクを用いた露光においてマスクパターン線幅Ｌ及び開口部幅Ｓを色々変化させた場合に被露光材料上に生じる光強度のシミュレーション結果を、マスクパターン線幅Ｌ及び開口部幅Ｓをそれぞれ縦軸及び横軸に取って光強度の等高線で表した様子を示す図であり、（ｃ）はマスクパターンの遮光性が最適化されたフォトマスクを用いた露光においてマスクパターン線幅Ｌを色々変化させた場合に被露光材料上に生じる光強度のシミュレーション結果を示す図である。 本発明のマスクパターン重ね合わせ法の原理を、開口部幅Ｓのマスクエンハンサーよりなる線幅Ｌのマスクパターンを有するイメージ強調マスクの場合について示した模式図である。 （ａ）〜（ｃ）は図２２に示すイメージ強調マスクを用いた露光においてマスクパターン線幅Ｌ及び開口部幅Ｓを色々変化させた場合に被露光材料上に生じる光強度Ｉｅ（Ｌ、Ｓ）のシミュレーション結果を、開口部幅Ｓ及びマスクパターン線幅Ｌをそれぞれ縦軸及び横軸に取って光強度の等高線で表した様子を示す図である。 本発明のマスクパターン重ね合わせ法の原理を、開口部幅Ｓのマスクエンハンサーよりなる正方形状（１辺の長さがＬ）のマスクパターンを有するイメージ強調マスクの場合について示した模式図である。 （ａ）〜（ｃ）は図２４に示すイメージ強調マスクを用いた露光においてマスクパターン幅Ｌ及び開口部幅Ｓを色々変化させた場合に被露光材料上に生じる光強度Ｉｅ（Ｌ、Ｓ）のシミュレーション結果を、開口部幅Ｓ及びマスクパターン幅Ｌをそれぞれ縦軸及び横軸に取って光強度の等高線で表した様子を示す図である。 （ａ）は線幅Ｌ、透過率Ｔの半透明膜よりなる半透明パターンを示す図であり、（ｂ）〜（ｄ）はそれぞれ透過性基板に透過率１．０の開口部が設けられてなる開口パターンを示す図であり、（ｅ）は、寸法Ｓを０からＬまで変化させながら（ｂ）〜（ｄ）のそれぞれに示す開口パターンに光を照射した場合における、開口部を透過した光の強度をシミュレーションで評価した結果を示す図である。 （ａ）は図２６（ａ）に示す半透明パターンに光を照射した場合における半透明膜を透過した光の強度分布を、透過率Ｔを０．５としてシミュレーションで評価した結果を示す図であり、（ｂ）〜（ｄ）は図２６（ｂ）〜（ｄ）のそれぞれに示す開口パターンに光を照射した場合における開口部を透過した光の強度分布を、等価透過率Ｔを０．５としてシミュレーションで評価した結果を示す図である。 マスクエンハンサーよりなるマスクパターンの線幅が０．８×λ／ＮＡよりも小さい場合においてマスクパターンを構成する遮光部として半遮光部を用いた場合における本発明のイメージ強調法の原理を示す模式図である。 マスクエンハンサーよりなるマスクパターンの線幅が０．８×λ／ＮＡよりも大きい場合においてマスクパターンを構成する遮光部として半遮光部を用いた場合における本発明のイメージ強調法の原理を示す模式図である。 （ａ）〜（ｄ）は、本発明のイメージ強調マスクにおいてマスクパターンを構成する遮光部として完全遮光部に代えて半遮光部を用いることの利点を説明する図である。 （ａ）〜（ｇ）はマスクエンハンサーを用いた露光によって被露光材料上に生じる光強度分布の露光光入射方向に対する依存性を説明するための図である。 （ａ）〜（ｄ）はマスクエンハンサーを利用したデフォーカス特性向上方法の原理を示す図である。 （ａ）〜（ｄ）はマスクエンハンサーを利用したデフォーカス特性向上方法の原理を示す図である。 （ａ）〜（ｃ）はデフォーカスによる光強度分布のプロファイル形状変化の露光光入射方向に対する依存性を説明するための図である。 （ａ）〜（ｃ）はデフォーカスによる光強度分布のプロファイル形状変化の露光光入射方向に対する依存性を説明するための図である。 （ａ）〜（ｃ）はデフォーカスによる光強度分布のプロファイル形状変化の露光光入射方向に対する依存性を説明するための図である。 （ａ）〜（ｃ）はマスクエンハンサーにおける位相シフターとなる開口部の寸法が異なるフォトマスクを用いて各露光光入射方向からの露光を行なった場合のＤＯＦ特性をシミュレーションによって計算した結果を示す図である。 （ａ）は光源座標上のＹ軸と平行なライン状のマスクパターンを示す図であり、（ｂ）は光源座標上のＸ軸及びＹ軸に対して対称であり且つ４回転対称である光源位置を示す図であり、（ｃ）は（ｂ）に示す座標（ｘ，ｙ）の光源位置から半径０．０５の円光源を用いて露光を行なった場合における、完全遮光膜よりなるマスクパターンのＤＯＦを各光源位置に対してマッピングした結果を示す図である。 （ａ）はマスクパターン幅がＬであり、位相シフターとなる開口部の幅がＳであるマスクエンハンサーを示す図であり、（ｂ）〜（ｄ）は（ａ）に示すマスクエンハンサーよりなるマスクパターンのＤＯＦを各光源位置に対してマッピングした結果を示す図である。 （ａ）は図３８（ｃ）及び図３９（ｂ）〜（ｄ）のそれぞれに示すＤＯＦマップにおける対角線上の光源位置と対応するＤＯＦ値をプロットした結果を示す図であり、（ｂ）〜（ｄ）は図３９（ｂ）〜（ｄ）のそれぞれに示すＤＯＦマップにおける図３８（ｃ）に示すＤＯＦマップと比べて０．０５μｍ以上ＤＯＦが増加又は減少している領域を示す図である。 （ａ）〜（ｄ）は完全遮光膜よりなるマスクパターン（Ｌ／Ｓ＝０．１５／０μｍ）のＤＯＦマップ、及びマスクエンハンサーよりなるマスクパターン（Ｌ／Ｓ＝０．１５／０．０２、０．０４、０．０６μｍ）のＤＯＦマップを、露光機の縮小投影光学系の開口数を０．６としてＫｒＦ光源及びＦ2 光源を用いた場合、並びに露光機の縮小投影光学系の開口数を０．７及び０．８としてＡｒＦ光源を用いた場合のそれぞれについて求めて、各ＤＯＦマップに基づいて対角線上の光源位置と対応するＤＯＦ値を求めた結果を示す図である。 本発明の第４の実施形態に係るマスクパターン設計方法の各工程を示すフローチャートである。 （ａ）〜（ｈ）は本発明の第４の実施形態に係るマスクパターン設計方法を説明するための図である。 （ａ）及び（ｂ）は本発明の第４の実施形態に係るマスクパターン設計方法を説明するための図である。 本発明の第４の実施形態の第１変形例に係るマスクパターン設計方法の各工程を示すフローチャートである。 本発明の第４の実施形態の第１変形例に係るマスクパターン設計方法の各工程を示すフローチャートである。 本発明の第４の実施形態の第１変形例に係るマスクパターン設計方法を説明するための図である。 本発明の第４の実施形態の第２変形例に係るマスクパターン設計方法の各工程を示すフローチャートである。 （ａ）及び（ｂ）は本発明の第４の実施形態の第２変形例に係るマスクパターン設計方法を説明するための図である。 本発明の第４の実施形態の第３変形例に係るマスクパターン設計方法の各工程を示すフローチャートである。 本発明の第４の実施形態の第４変形例に係るマスクパターン設計方法の各工程を示すフローチャートである。 （ａ）及び（ｂ）は本発明の第４の実施形態の第４変形例に係るマスクパターン設計方法を説明するための図である。 （ａ）〜（ｄ）は従来のパターン形成方法の各工程を示す断面図である。 （ａ）は図５３（ｃ）に示す露光工程で用いるフォトマスク上のマスクパターンのレイアウトの一例を示す図であり、（ｂ）は（ａ）に示すフォトマスクによってレジスト膜に投影される光強度分布のシミュレーション結果を示す図であり、（ｃ）は（ｂ）のＡＡ’線に沿った光強度分布のシミュレーション結果を示す図であり、（ｄ）は（ｂ）に示す光強度分布のシミュレーション結果からレジストパターンの形状を予測した結果を示す図である。 （ａ）は図５３（ｃ）に示す露光工程で用いるフォトマスク上のマスクパターンのレイアウトの他例を示す図であり、（ｂ）は（ａ）に示すフォトマスクによってレジスト膜に投影される光強度分布のシミュレーション結果を示す図であり、（ｃ）は（ｂ）のＡＡ’線に沿った光強度分布のシミュレーション結果を示す図であり、（ｄ）は（ｂ）に示す光強度分布のシミュレーション結果からレジストパターンの形状を予測した結果を示す図である。 （ａ）は従来のパターン形成方法において形成対象となる所望のパターンのレイアウトの一例を示す図であり、（ｂ）、（ｃ）は（ａ）に示すパターンを形成するために用いられる、従来の２枚のフォトマスクの平面図である。 （ａ）は従来のパターン形成方法において形成対象となる所望のパターンのレイアウトの他例を示す図であり、（ｂ）、（ｃ）は（ａ）に示すパターンを形成するために用いられる、従来の２枚のフォトマスクの平面図である。
符号の説明
１０ 透過性基板
１１ マスクパターン
１２ 露光光
１３ 透過光
２０ パターン
３０ 透過性基板
４０ マスクパターン
４１ 遮光部
４２ 第１の位相シフター
４３ 第２の位相シフター
５０ 基板
５１ 被加工膜
５２ レジスト膜
５２ａ 非露光部
５２ｂ 露光部
５３ 露光光
５４ レジストパターン
６０ 透過性基板
６１ マスクパターン
６２ 露光光
６３ 第１の透過光
６４ 第２の透過光
７０ パターン
８０ 透過性基板
９０ マスクパターン
９１ 遮光部
９２ 位相シフター
１００ 基板
１０１ 被加工膜
１０２ レジスト膜
１０２ａ 非露光部
１０２ｂ 露光部
１０３ 露光光
１０４ レジストパターン
１１０ 透過性基板
１１１ 透過性膜
１１２ 遮光膜
１１３ 開口部
１１４ 露光光
１１５ 第１の透過光
１１６ 第２の透過光
１２０ 透過性基板
１２１ 遮光膜
１２２ 彫り込み部
１２３ 開口部
１２４ 露光光
１２５ 第１の透過光
１２６ 第２の透過光
Ｌ マスクパターン幅
Ｓ 開口部幅
Ｔ 透過率
Ｒ マスクパターンの裏側の領域
Ｉｃ 光強度
Ｉｏ 光強度
Ｉｈ 光強度
Ｉｅ 光強度

Claims (13)

  1. 露光光に対して透光性を有する透過性基板上に、前記露光光に対して遮光性を有するマスクパターンが設けられたフォトマスクであって、
    前記マスクパターンは、前記露光光に対して所定の透過率を有する半遮光部と、前記半遮光部に設けられた開口部に配置された位相シフターとを備え、
    前記半遮光部は、前記マスクパターンと同じ外形形状を有し、
    前記位相シフターは、前記透過性基板における前記マスクパターンが形成されていない透光部との間で前記露光光に対して反対位相を生じ、
    前記半遮光部は、前記透過性基板における前記マスクパターンが形成されていない透光部との間で前記露光光に対して（ー３０＋３６０×ｎ）度以上で且つ（３０＋３６０×ｎ）度以下（但しｎは整数）の位相差を生じることを特徴とするフォトマスク。
  2. 請求項１に記載のフォトマスクにおいて、
    前記半遮光部の透過率は、前記露光光に対して１５％以下であることを特徴とするフォトマスク。
  3. 請求項１又は２に記載のフォトマスクにおいて、
    前記半遮光部は、前記露光光に対してレジストを感光させない透過率を有することを特徴とするフォトマスク。
  4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載のフォトマスクにおいて、
    前記位相シフターは、前記透過性基板における前記マスクパターンが形成されていない透光部との間で前記露光光に対して（１５０＋３６０×ｎ）度以上で且つ（２１０＋３６０×ｎ）度以下（但しｎは整数）の位相差を生じることを特徴とするフォトマスク。
  5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載のフォトマスクにおいて、
    前記位相シフターを透過する前記露光光によって被露光材料上における前記マスクパターンと対応する遮光像形成領域の中心に生じる第１の光強度が、前記透過性基板における前記マスクパターンの周辺部を透過して前記マスクパターンの裏側に回り込む前記露光光によって前記遮光像形成領域の中心に生じる第２の光強度の４倍以下であることを特徴とするフォトマスク。
  6. 請求項５に記載のフォトマスクにおいて、
    前記第１の光強度は、前記第２の光強度の０．５倍以上で且つ２倍以下であることを特徴とするフォトマスク。
  7. 露光光に対して透光性を有する透過性基板上に、前記露光光に対して遮光性を有するマスクパターンが設けられたフォトマスクの作成方法であって、
    前記マスクパターンと同じ外形形状を有し且つ前記露光光に対して所定の透過率を持つ半遮光部に開口部を設けると共に該開口部に位相シフターを配置する工程を備え、
    前記位相シフターは、前記透過性基板における前記マスクパターンが形成されていない透光部との間で前記露光光に対して反対位相を生じ、
    前記半遮光部は、前記透過性基板における前記マスクパターンが形成されていない透光部との間で前記露光光に対して（ー３０＋３６０×ｎ）度以上で且つ（３０＋３６０×ｎ）度以下（但しｎは整数）の位相差を生じることを特徴とするフォトマスクの作成方法。
  8. 請求項７に記載のフォトマスクの作成方法において、
    前記半遮光部の透過率は、前記露光光に対して１５％以下であることを特徴とするフォトマスクの作成方法。
  9. 請求項７又は８に記載のフォトマスクの作成方法において、
    前記半遮光部は、前記露光光に対してレジストを感光させない透過率を有することを特徴とするフォトマスクの作成方法。
  10. 請求項７〜９のいずれか１項に記載のフォトマスクの作成方法において、
    前記位相シフターは、前記透過性基板における前記マスクパターンが形成されていない透光部との間で前記露光光に対して（１５０＋３６０×ｎ）度以上で且つ（２１０＋３６０×ｎ）度以下（但しｎは整数）の位相差を生じることを特徴とするフォトマスクの作成方法。
  11. 請求項７〜１０のいずれか１項に記載のフォトマスクの作成方法において、
    前記位相シフターを形成する工程は、前記透過性基板における前記マスクパターンの周辺部が半遮光部によって覆われているとしたときに前記フォトマスクを透過する前記露光光によって被露光材料上における前記マスクパターンと対応する遮光像形成領域の中心に生じる第１の光強度が、前記マスクパターンが半遮光部のみによって構成されているとしたときに前記フォトマスクを透過する前記露光光によって前記遮光像形成領域の中心に生じる第２の光強度に比例するように前記位相シフターを形成する工程を含むことを特徴とするフォトマスクの作成方法。
  12. 請求項１１に記載のフォトマスクの作成方法において、
    前記位相シフターを形成する工程は、前記第１の光強度が前記第２の光強度の４倍以下になるように前記開口部の幅を決定する工程を含むことを特徴とするフォトマスクの作成方法。
  13. 請求項１１に記載のフォトマスクの作成方法において、
    前記位相シフターを形成する工程は、前記第１の光強度が前記第２の光強度の０．５倍以上で且つ２倍以下になるように前記開口部の幅を決定する工程を含むことを特徴とするフォトマスクの作成方法。
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