JP4646367B2 - 半導体装置の製造方法および半導体装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置の製造方法および半導体装置に関するものであり、特に半導体装置において微細パターンを形成するフォトリソグラフィ技術における半導体装置の製造方法および半導体装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、半導体集積回路における高集積化および微細化にはめざましいものがある。それに伴い、半導体基板（以下、単にウエハと称する）上に形成される回路パターンの微細化も急速に進んできている。
【０００３】
中でも、フォトリソグラフィ技術がパターン形成における基本技術として広く認識されるところである。よって、今日までに種々の開発、改良がなされてきている。しかし、パターンの微細化はとどまるところを知らず、パターンの解像度向上への要求もさらに強いものとなってきている。
【０００４】
このフォトリソグラフィ技術とは、ウエハ上に塗布されたフォトレジストにフォトマスク（原画）上のパターンを転写し、その転写されたフォトレジストを用いて下層の被エッチング膜をパターニングする技術である。
【０００５】
このフォトレジストの転写時においては、フォトレジストに現像処理が施されるが、この現像処理によって光の当たった部分のフォトレジストが除去されるタイプをポジ型、光の当たらない部分のフォトレジストが除去されるタイプをネガ型のフォトレジストという。
【０００６】
一般に、縮小露光方法を用いたフォトリソグラフィ技術における解像限界Ｒ（ｎｍ）は、
Ｒ＝ｋ1・λ／（ＮＡ）
と表わされる。ここで、λを使用する光の波長（ｎｍ）、ＮＡはレンズの投影光学系の開口数、ｋ1はレジストプロセスに依存する定数である。
【０００７】
上式からわかるように、解像限界Ｒの向上を図るためには、すなわち微細パターンを得るためには、ｋ1とλとの値を小さくし、ＮＡの値を大きくする方法が考えられる。つまり、レジストプロセスに依存する定数を小さくするとともに、短波長化や高ＮＡ化を進めればよいのである。
【０００８】
しかし、光源やレンズの改良は技術的に難しく、また短波長化および高ＮＡ化を進めることによって、光の焦点深度δ（δ＝ｋ2・λ／（ＮＡ）2）が浅くなり、かえって解像度の低下を招くといった問題も出てくる。
【０００９】
このような状況下において、半導体集積回路の製造においては、微細パターンを大きなプロセス裕度で形成することが必要である。密集パターンの形成に対しては変形照明法が有効であり、広く実用化されている。一方、孤立線パターンを大きなプロセス裕度で形成する方法としては、レベンソン型位相シフトマスクを用いる方法がある。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、レベンソン型位相シフトマスクの場合、露光光の位相を１８０°変換するための位相シフタを作製する必要があるため、マスクの作製が困難であるという問題点がある。また、レベンソン型位相シフトマスクは、位相の異なる透過光を積極的に干渉させることにより解像度の向上を図るため、投影露光装置のレンズ収差の影響を受けやすく、無収差では得られるはずの優れた特性が得られないなどの問題もある。このため、レベンソン型位相シフトマスクを用いた方法は実用化が進んでいない状況にある。
【００１１】
また、マスク上に解像しない線幅の線を本来の線パターンに沿わせて配置することによるプロセス裕度の改善方法（いわゆる補助パターン法）が考えられている。しかしながら、この方法では、マスクパターン寸法が極めて小さくなるため、マスクの欠陥検査が困難であるなどの問題がある。
【００１２】
それゆえ本発明の目的は、補助パターン法や位相シフトマスクなどを用いずとも微細パターンの形成が可能で、かつマスクの欠陥検査が容易な半導体装置の製造方法および半導体装置を提供することである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明の半導体装置の製造方法は、実質的に同一の線幅で互いに間隔を持って並走しかつ他の光透過用開口パターンから孤立した２本組の光透過用開口パターンを有する第１のフォトマスクを介して投影露光法によりウエハ表面の第１のフォトレジストを露光する第１の露光工程を備え、２本組の光透過用開口パターンの各々の線幅Ｗ１は、露光光の波長をλとし、投影光学系の開口数をＮＡとしたとき、０．３５＜Ｗ１／（λ／ＮＡ）＜０．６５の関係を満たし、２本組の光透過用開口パターンの間隔Ｗ２は、露光光の波長をλとし、投影光学系の開口数をＮＡとしたとき、０．３５＜Ｗ２／（λ／ＮＡ）の関係を満たし、露光された第１のフォトレジストを現像することでパターニングする工程と、パターニングされた第１のフォトレジストをマスクとして第１のフォトレジスト下の第１の被加工膜を加工する工程と、第１のフォトレジストを除去した後、第２のフォトレジストを塗布する工程と、２本組の光透過用開口パターンに挟まれる領域以外のその他の領域に対応する第２のフォトレジストの領域を露光する第２の露光工程と、露光された第２のフォトレジストを現像することでパターニングする工程と、パターニングされた第２のフォトレジストをマスクとして第２のフォトレジスト下の第１の被加工膜を加工する工程と、第１および第２のフォトレジストをフォトマスクとして加工された第１の被加工膜をマスクとして、第１の被加工膜下の第２の被加工膜をパターニングする工程とをさらに備えている。
本発明の半導体装置の製造方法によれば、微細パターンを大きなプロセス裕度で精度良く形成することができる。また複雑な微細パターンを被加工膜に精度良く転写することができる。また被加工膜をハードマスクとして、その下層をパターニングすることができる。
上記の半導体装置の製造方法において好ましくは、第１のフォトレジストを露光する際の、十分大きいマスク開口を持つパターンに与えられるエネルギで定義される露光量は、露光により第１のフォトレジストが現像液に対して溶解性から不溶解性になる露光エネルギ（境界の露光量）または不溶解性から溶解性になる露光エネルギ（境界の露光量）の４倍以上２０倍以下である。
【００１４】
これにより、２本組の光透過用開口パターンを有する第１のフォトマスクを介して、通常の露光よりも露光量を大きくした、いわゆる過露光により、第１のフォトレジストが露光される。これにより、フォーカスがある程度変化してもパターン寸法の変動の小さい微細なパターンを形成することができる。また、一定の結像性能を維持できる焦点範囲である焦点深度（ＤＯＦ：depth of focus）を大きくすることができる。よって、補助パターン法や位相シフトマスクを用いずに微細パターンを大きなプロセス裕度で精度良く形成することができる。
【００１７】
上記の半導体装置の製造方法において好ましくは、第１の露光は変形照明により行なわれる。
【００１８】
これにより、さらに解像度と焦点深度を向上させることができる。
上記の半導体装置の製造方法において好ましくは、変形照明は照明光学系に輪帯照明絞りを用いて行なわれる。
【００１９】
これにより、解像度と焦点深度を向上させることができる。
上記の半導体装置の製造方法において好ましくは、変形照明は照明光学系に４重極照明絞りを用いて行なわれる。
【００２０】
これにより、解像度と焦点深度を向上させることができる。
上記の半導体装置の製造方法において好ましくは、第１のフォトマスクは、２本組の光透過用開口パターンを有する半透過遮光膜を備えたハーフトーン型の位相シフトマスクである。半透過遮光膜は、半透過遮光膜を透過した後の露光光の位相が２本組の光透過用開口パターンを透過した後の露光光の位相と１８０度異なった位相となるように、かつ半透過遮光膜を透過した後の露光光の強度が２本組の光透過用開口パターンを透過した後の露光光の強度よりも小さくなるような材質よりなっている。
【００２１】
このようにハーフトーン型位相シフトマスクを用いることにより、さらに加工限界を高めることができる。
【００２２】
上記の半導体装置の製造方法において好ましくは、半透過遮光膜の露光光の透過率が２％以上１０％以下である。
【００２３】
これにより、位相シフトマスクの効果を効果的に発揮することができる。
また、半透過遮光膜の露光光の透過光が２％未満では、半透過遮光膜を透過した露光光の強度が小さくなり過ぎて、ハーフトーン型位相シフトマスクの効果を有効に得ることができない。また、半透過遮光膜の露光光の透過率が１０％を超えると、半透過遮光膜を透過した露光光により現像後のフォトレジストの膜厚が０になるか、もしくは膜減りしてしまい、フォトレジストをエッチングマスクに用いることができなくなる。
【００２４】
上記の半導体装置の製造方法において好ましくは、輪帯照明絞りを用いた露光において、照明光学系により形成される照明光の第１のフォトマスクへの最大入射角の正弦ａと投影光学系によるウエハ上への結像での最大入射光線角度の正弦Ｒとの比（ａ／Ｒ）に投射光学系の縮小倍率ｒを掛けたもの（ｒ×ａ／Ｒ）が、０．６以上０．９以下である。
【００２５】
これにより、良好な解像性を得ることができる。
上記の半導体装置の製造方法において好ましくは、輪帯照明絞りを用いた露光において、照明光学系により形成される照明光の第１のフォトマスクへの最小入射角の正弦ｂが最大入射角の正弦ａの１／２以上である。
【００２６】
これにより、良好な解像性を得ることができる。
上記の半導体装置の製造方法において好ましくは、４重極照明絞りを用いた露光において、照明光学系により形成される照明光の第１のフォトマスクへの最大入射角の正弦ａと投影光学系によるウエハ上への結像での最大入射光線角度の正弦Ｒとの比（ａ／Ｒ）に投射光学系の縮小倍率ｒを掛けたもの（ｒ×ａ／Ｒ）が、０．６以上０．９以下である。
【００２７】
これにより、良好な解像性を得ることができる。
上記の半導体装置の製造方法において好ましくは、４重極照明絞りを用いた露光において、照明光学系により形成される照明光の第１のフォトマスクへの最小入射角の正弦ｂと投影光学系によるウエハ上への結像での最大入射光線角度の正弦Ｒとの比（ｂ／Ｒ）に投射光学系の縮小倍率ｒを掛けたもの（ｒ×ｂ／Ｒ）が、０．３以上である。
【００２８】
これにより、良好な解像性を得ることができる。
【００３２】
上記の半導体装置の製造方法において好ましくは、２本組の光透過用開口パターンと他の光透過用開口パターンとの間隔Ｗ３は、０．７０＜Ｗ３／（λ／ＮＡ）の関係を満たす。
【００３３】
このように他の光透過用開口パターンとの間隔Ｗ３を保つことにより、微細パターンを大きなプロセス裕度で精度良く形成することができる。
【００３４】
上記の半導体装置の製造方法において好ましくは、２本組の光透過用開口パターンの各々の長さＬは、１．３＜Ｌ／（λ／ＮＡ）の関係を満たす。
【００３５】
このような長さＬの光透過用開口パターンにおいては、微細パターンを大きなプロセス裕度で精度良く形成することができる。
【００４０】
上記の半導体装置の製造方法において好ましくは、第１の被加工膜の材質はシリコン酸化膜を含み、第２の被加工膜の材質は多結晶シリコンを含む。
【００４１】
このように第１および第２の被加工膜の材質を選択することができる。
上記の半導体装置の製造方法において好ましくは、第１のフォトレジストを現像する前に第１の露光が複数回行なわれる。
【００４２】
これにより、複雑なパターンにも対応することができる。
上記の半導体装置の製造方法において好ましくは、第２のフォトレジストを現像する前に第２の露光が複数回行なわれる。
【００４３】
これにより、複雑なパターンにも対応することができる。
【００５０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図に基づいて説明する。
【００５１】
（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１におけるフォトマスクの構成を概略的に示す平面図であり、図２は図１のＩＩ−ＩＩ線に沿う概略断面図である。
【００５２】
図１および図２を参照して、本実施の形態のフォトマスク５は、たとえば石英などよりなる透明基板１と、たとえばクロムなどよりなる遮光膜２とを有している。遮光膜２は、図中中央部に実質的に同一の線幅Ｗ１で互いに間隔Ｗ２を持って並走するよう形成された２本組の光透過用開口パターン２ａを有している。
【００５３】
また遮光膜２は、このパターンだけでなく、図中左側に示された実質的に同一の線幅Ｗ１ａで互いに間隔Ｗ２ａを持って並走するよう形成された２本組の光透過用開口パターン２ａや、図中右側に示された実質的に同一の線幅Ｗ１ｂで互いに間隔Ｗ２ｂを持って並走するよう形成された２本組の光透過用開口パターン２ａなどを有していてもよい。
【００５４】
この各２本組の光透過用開口パターン２ａは、他の光透過用開口パターン２ａとの間に広い間隔Ｗ３を有しており、孤立している。
【００５５】
光透過用開口パターン２ａの線幅Ｗ１（またはＷ１ａ、Ｗ１ｂ）と、２本組の光透過用開口パターン２ａの間隔Ｗ２（またはＷ２ａ、Ｗ２ｂ）と、２本組の光透過用開口パターン２ａと他の光透過用開口パターン２ａとの間隔Ｗ３の各々は、０．５４＜Ｗ２／Ｗ１および１．０８＜Ｗ３／Ｗ１の関係を満たしている。
【００５６】
また２本組の光透過用開口パターン２ａの各々の線幅Ｗ１（またはＷ１ａ、Ｗ１ｂ）は、露光時における露光光の波長をλとし、投影光学系の開口数をＮＡとしたとき、０．３５＜Ｗ１／（λ／ＮＡ）＜０．６５の関係を満たす。また２本組の光透過用開口パターン２ａの間隔Ｗ２（またはＷ２ａ、Ｗ２ｂ）は、０．３５＜Ｗ２／（λ／ＮＡ）の関係を満たし、２本組の光透過用開口パターン２ａと他の光透過用開口パターン２ａとの間隔Ｗ３は、０．７０＜Ｗ３／（λ／ＮＡ）の関係を満たす。
【００５７】
また、２本組の光透過用開口パターン２ａの各々の長さＬは、１．３＜Ｌ／（λ／ＮＡ）の関係を満たす。
【００５８】
なお、図中左右の２本組の光透過用開口パターン２ａの線幅Ｗ１ａとＷ１ｂとは、中央の２本組の光透過用開口パターン２ａの線幅Ｗ１と同じ寸法であってもよく、また異なる寸法であってもよい。ただし、これらの線幅Ｗ１ａとＷ１ｂとの双方とも、０．３５＜Ｗ１／（λ／ＮＡ）＜０．６５の関係を満たす必要がある。また、線幅Ｗ１ａとＷ１ｂ同士も、上記関係を満たす限り同じ寸法であってもよく、また異なる寸法であってもよい。
【００５９】
また、図中左右の２本組の光透過用開口パターン２ａの間隔Ｗ２ａとＷ２ｂとは、中央の２本組の光透過用開口パターン２ａの間隔Ｗ２と同じ寸法であってもよく、また異なる寸法であってもよい。ただし、これらの間隔Ｗ２ａとＷ２ｂとの双方とも、０．３５＜Ｗ２／（λ／ＮＡ）の関係を満たす必要がある。また、間隔Ｗ１ａとＷ１ｂ同士も、上記関係を満たす限り同じ寸法であってもよく、また異なる寸法であってもよい。
【００６０】
また、図中中央および左側の２本組の光透過用開口パターン２ａの間隔Ｗ３と、図中中央および右側の２本組の光透過用開口パターン２ａの間隔Ｗ３についても、０．７０＜Ｗ３／（λ／ＮＡ）の関係を満たすのであれば、互いに同じ寸法であってもよく、また異なる寸法であってもよい。
【００６１】
また、図中中央部、左側部および右側部の各２本組の光透過用開口パターン２ａの長さＬは、互いに同じ寸法であってもよく、また異なる寸法であってもよい。ただし、これらの長さＬはすべて、１．３＜Ｌ／（λ／ＮＡ）の関係を満たす必要がある。
【００６２】
次に、図１および図２に示すフォトマスクを用いた半導体装置のパターン形成方法について説明する。
【００６３】
図３は、本発明の一実施の形態におけるマスクを用いた投影露光装置の構成を概略的に示す図である。図３を参照して、この投影露光装置は、フォトマスク上のパターンを縮小してウエハ２１表面のフォトレジスト２１ｂに投射するものである。また投影露光装置は、光源１１からフォトマスク５のパターンまでの照明光学系と、フォトマスク５のパターンからウエハ２１までの投影光学系とを有している。
【００６４】
照明光学系は、光源である水銀ランプ１１と、反射鏡１２と、集光レンズ１８と、フライアイレンズ１３と、絞り１４と、集光レンズ１６ａ、１６ｂ、１６ｃと、ブラインド絞り１５と、反射鏡１７とを有している。また投影光学系は望遠レンズ１９ａ、１９ｂと、瞳面絞り２５とを有している。
【００６５】
その露光動作においては、まず水銀ランプ１１から発せられた光１１ａは、反射鏡１２により、たとえばｇ線（波長：４３６ｎｍ）のみが反射されて、単波長の光となる。次に、光１１ａは、集光レンズ１８を通過して、フライアイレンズ１３の各フライアイ構成レンズ１３ａの各々に入射し、その後に絞り１４を通過する。
【００６６】
ここで、光１１ｂは、１個のフライアイ構成レンズ１３ａによって作り出された光路を示し、光１１ｃはフライアイレンズ１３によって作り出される光路を示している。
【００６７】
絞り１４を通過した光１１ａは、集光レンズ１６ａ、ブラインド絞り１５および集光レンズ１６ｂを通過して、反射鏡１７により所定角度で反射される。
【００６８】
反射鏡１７により反射された光１１ａは、集光レンズ１６ｃを透過した後、所定のパターンが形成されたフォトマスク５の全面を均一に照射する。この後、光１１ａは投影レンズ１９ａ、１９ｂにより所定の倍率に縮小され、半導体基板２１ａ上のフォトレジスト２１ｂを露光する。
【００６９】
本実施の形態においては、上記の露光は、過露光により行なわれる。つまり、フォトレジスト２１ｂを露光する際の露光量は、露光によりフォトレジスト２１ｂが現像液に対して溶解性から不溶解性になる境界の露光量または不溶解性から溶解性になる境界の露光量の４倍以上２０倍以下とされる。なお、通常の露光では、露光量は境界の露光量の２．５倍以上３．５倍以下程度である。
【００７０】
このようにして露光されたフォトレジスト２１ｂは現像によりパターニングされる。この現像においては、フォトレジスト２１ｂがポジ型の場合には所定の値以上の露光エネルギが入力された部分のフォトレジストのみが除去され、ネガ型の場合には所定の値以下の露光エネルギが入力された部分のみが除去される。このようにしてフォトレジスト２１ｂのパターンが形成される。
【００７１】
この後、フォトレジスト２１ｂのパターンをマスクとしてその下層の被加工膜をエッチングなどの加工をすることにより被加工膜がパターニングされる。
【００７２】
次に、上記で規定した露光光の強度について詳細に説明する。
たとえば図４（ａ）に示すフォトマスク５を透過した露光光の相対光強度分布は図４（ｂ）に示すようになる。つまり、十分に大きい開口パターン２ｂを透過した露光光の光強度が最も高くなり、２本組の開口部２ａを透過した露光光の光強度はそれよりも小さくなる。
【００７３】
ここで、図５（ａ）に示すように、十分に大きい開口パターン２ｂに対してフォトレジストに入力される露光エネルギが上記の境界の露光エネルギ（ここでは１．０とした）になる場合、図５（ｂ）に示すように開口パターン２ｂに対応する部分のフォトレジスト２１ｂのみが除去され、２本組の開口パターン２ａに対応するパターンは得られない。
【００７４】
そこで、図６（ａ）に示すように、十分に大きい開口パターンについてフォトレジストに入力される露光エネルギを、図５における十分に大きい開口パターンについてフォトレジストに入力される露光エネルギのたとえば５倍とすることにより、２本組の開口パターン２ａの透過光によりフォトレジストに入力される露光エネルギを境界の露光エネルギ（ここでは１．０）よりも大きくすることができる。これにより、図６（ｂ）に示すように２本組の開口パターン２ａに対応したパターンをフォトレジスト２１ｂに形成することができる。
【００７５】
つまり、上記の露光エネルギとは、フォトマスク５の十分大きい開口部２ｂを透過した露光光によりウエハ上の対応するパターンに与えられる露光エネルギが、フォトレジスト２１ｂが現像液に対して溶解性から不溶解性になる境界あるいは不溶解性から溶解性になる境界の露光エネルギの４倍以上２０倍以下になることを意味している。
【００７６】
このパターン形成方法において、露光は通常照明により行なわれてもよいが、変形照明により行なわれることが好ましい。通常照明の場合、図７に示すようにフォトマスク５に対して露光光が垂直に照射され、０次光および±１次光の３光束によりウエハ２１が露光される。しかし、フォトマスク５のパターンが微細になると、回折角度が大きくなるため、垂直照明では±１次光がレンズの中に入らなくなり、解像しなくなるおそれがある。
【００７７】
そこで、図８に示すように変形照明により照明光束がフォトマスク５に対して斜めに入射される。これにより、フォトマスク５により回折した０次光と＋１次あるいは−１次光の２光束のみで露光することができ、解像性を得ることができる。
【００７８】
この変形照明に用いられる絞り１４として、図９に示すように輪状の透過部１４ａを有する輪帯照明絞りや、図１０に示すように４つの透過部１４ａを有する４重極照明絞りが用いられてもよい。また図１１に示すように２本の透過部１４ａを有する２重極照明絞りが用いられてもよい。
【００７９】
また図１および図２に示すフォトマスク５は、図１２（ａ）に示すようにハーフトーン型の位相シフトマスクであってもよい。この場合、遮光膜２の代わりに、ある程度露光光を透過する半透過遮光膜２が用いられる。この半透過遮光膜２は、半透過遮光膜２を透過した後の露光光の位相が光透過用開口パターン２ａを透過した後の露光光の位相と実質１８０°異なった位相となるように位相シフタの機能を有し、かつ半透過遮光膜２を透過した後の露光光の強度が光透過用開口パターン２ａを透過した後の露光光の強度よりも小さくなるように露光光を減衰させる機能を有する。この半透過遮光膜２の露光光の透過率は２％以上１０％以下であることが好ましい。
【００８０】
これにより、図１２（ｂ）に示すように光透過用開口パターン２ａと遮光部の境界において逆位相の光が重なり合うことで光が互いに打ち消し合って露光パターンのエッジでの光強度を小さくすることができ、パターン像の解像度を上げることが可能となる。
【００８１】
また図１３に示すように瞳面絞りの半径Ｒは結像での光線の最大入射角の正弦（＝ＮＡ）に比例する。またフォトマスク５への最大入射角照明光線の瞳での位置ａは照明最大入射角の正弦に比例し、フォトマスク５への最小入射角照明光線の瞳での位置ｂは照明最小入射角の正弦に比例する。照明の干渉性指標のσ（coherency）は従来照明のとき、σ＝ａ／Ｒで与えられる。また変形照明の形状も、最大／最小入射角の正弦とＮＡの比であり、σout＝ａ／Ｒ、σin＝ｂ／Ｒで表現される。なお、この説明では等倍投影であり、投影光学系での縮小倍率ｒは１である。
【００８２】
輪帯照明絞りを用いた露光においては、最大入射角の正弦ａと投影光学系の最大入射光線角度の正弦Ｒとの比（ａ／Ｒ）が、０．６以上０．９以下であることが好ましい。また輪帯照明絞りを用いた露光においては、最小入射角の正弦ｂが最大入射角の正弦ａの１／２以上であることが好ましい。
【００８３】
また４重極照明絞りを用いた露光においては、最大入射角の正弦ａと投影光学系の最大入射光線角度の正弦Ｒとの比（ａ／Ｒ）が、０．６以上０．９以下であることが好ましい。また４重極照明絞りを用いた露光においては、最小入射角の正弦ｂと投影光学系の最大入射光線角度の正弦Ｒとの比（ｂ／Ｒ）が、０．３以上であることが好ましい。
【００８４】
本実施の形態では、２本組の光透過用開口パターン２ａを有するフォトマスク５を介して過露光によりフォトレジスト２１ｂを露光するため、フォーカスが変化してもレジスト寸法が変化し難く、微細パターンを大きなプロセス裕度で精度良く形成することが可能となる。本願発明者は、以下の実験などを行なうことにより上記効果の得られることを確認した。
【００８５】
図１および図２に示すフォトマスク５を遮光膜２にクロム（Ｃｒ）を用いた２値マスクとし、線幅Ｗ１を１７０ｎｍ、間隔Ｗ２を１７０ｎｍ、間隔Ｗ３を３６０ｎｍ（つまりピッチで８７０ｎｍ）とした。このフォトマスク５をＫｒＦエキシマレーザ光（波長：２４８ｎｍ）を用い、ＮＡを０．６５とし、２／３輪帯照明（σout／σin＝０．８０／０．５３）で露光すると、図１４に示すような相対光学像強度分布（relative image intensity）を持つ光学像が得られた。
【００８６】
図１４において光学像強度分布の左右両側の光強度の高い部分は２本組の光透過用開口パターン２ａに対応し、その間の光強度の低い部分は２本組の光透過用開口パターン２ａに挟まれる遮光部に対応する。この光学像強度分布はフォーカス位置を０〜０．５μｍの範囲で変えて示している。図中太線四角で囲んだ部分の拡大図を図１５に示す。
【００８７】
図１５を参照して、フォーカスが変化してもフォトレジストのパターン寸法が変化しない光強度（Iso-Focal Slice Level）が露光量の調整により得られることがわかる。また、この寸法変動のない光強度で像（パターン）の寸法を９０ｎｍ程度と微細にできることがわかる。つまり、図１および図２に示すフォトマスク５を用いて過露光をすることによりデフォーカスによる寸法変動の少ない微細なパターンを形成することができる。
【００８８】
また、ポジ型のフォトレジストにパターンを形成するためには、２本組の光透過用開口パターンにはさまれる遮光パターン部における光強度は、パターンエッジに比べて、あるレベル（Resolution Criteria）よりも小さいことが必要である。この結像の場合、０．５μｍのデフォーカスでそのレベルより光強度が大きくなることから、〜１．０μｍの焦点深度が得られることがわかる。
【００８９】
つまり、図１および図２に示すフォトマスク５を用いて過露光をすることにより、寸法変動が少なく微細なパターンの形成において、大きな焦点深度を確保できることがわかる。
【００９０】
図１６は、図１４および図１５の場合のＣＤ（critical dimension）値とフォーカスオフセットとの関係（ＣＤ−Ｆｏｃｕｓ特性）を示す図である。図１６からも明らかなように、ＣＤ値が８０〜９０ｎｍの範囲では、フォーカスが変化してもＣＤ値がほとんど変化せず、ＣＤ−Ｆｏｃｕｓ特性が良好であることがわかる。
【００９１】
図１７は、図１および図２に示すフォトマスクのパターンを上記の露光条件においてフォーカスオフセットと露光量（exposure dose）を変えてフォトレジストに転写したときのフォトレジストのパターンの上面を示すＳＥＭ写真である。図１７を参照して、写真中に付された数値はＣＤ値の測定値である。この結果からも、フォーカスが変化してもフォトレジストに実際に転写されたパターン寸法がほとんど変化しないことがわかる。
【００９２】
また図１８は、図１および図２に示すＣｒの遮光膜２を有するフォトマスク（２値マスク）５を用いて変形照明で露光を行なった場合のフォトレジストのパターンの線幅（resist line width）とフォーカスオフセットとの関係を示す図である。図１８を参照して、本実施の形態のパターン形成方法によれば線幅〜１００ｎｍのフォトレジストのパターンを、焦点深度〜１．０μｍの範囲で形成できることがわかる。
【００９３】
次に、フォトマスクに形成されたパターンがライン・アンド・スペース（Ｌ／Ｓ）パターン、孤立暗線パターンまたは孤立明線パターンの場合には、露光量を変えて線を細くしても本実施の形態のような良好な特性が得られないことについて説明する。
【００９４】
図１９、図２０および図２１は、０．１８μｍＬ／Ｓ（ライン幅とスペース幅の双方が０．１８μｍ）、０．１８μｍ幅の孤立暗線、および０．１８μｍ幅の孤立明線の各々においてフォーカスをパラメータにした相対光学像強度分布を示す図である。
【００９５】
これらの図１９〜図２１中の破線は、ベストフォーカスでマスク通り（０．１８μｍ）の寸法にするときの露光量に対応する光強度（Exp. level to Mask Width）と、０．１０μｍの寸法にするときの露光量に対応する光強度（Exp. level to 0.10μｍ Width）とを示している。これらの図１９〜図２１より、３つのパターンのどの場合においても、パターンの幅を細くしようとすると、フォーカスの変化に対して寸法の変動が大きくなることが予想される。
【００９６】
図２２、図２３および図２４は、０．１８μｍＬ／Ｓ、０．１８μｍ幅の孤立暗線および０．１８幅の孤立明線の各々において露光レベルを細かく変えたときのＣＤ−Ｆｏｃｕｓ特性を示す図である。図２２〜図２４に示すＣＤ値とフォーカスオフセットとの関係は、図１９〜図２１に示された像強度から予想される振る舞いとなる。つまり、寸法（ＣＤ値）を小さくすればするほど、フォーカスオフセットの変動に対するＣＤ値の変動が大きくなり、ＣＤ−Ｆｏｃｕｓ特性が良好でないことがわかる。また、０．１８μｍＬ／Ｓは、０．１８μｍ幅の孤立暗線および０．１８幅の孤立明線に比べると、フォーカスオフセットの変動に対するＣＤ値の変動が少ないが、それでも０．３μｍのデフォーカスに対して〜０．０２μｍの寸法変化が生じているため、本実施の形態に比較して悪いＣＤ−Ｆｏｃｕｓ特性となっている。
【００９７】
以上より、本実施の形態では、孤立した２本組の光透過用開口パターン２ａを有するパターンとしたことにより、他のパターンでは得られない良好なＣＤ−Ｆｏｃｕｓ特性の得られることがわかる。
【００９８】
次に、図１および図２に示す光透過用開口パターン２ａの各部の寸法について考察する。
【００９９】
図２５、図２６および図２７は、図１および図２に示すフォトマスクの各部の寸法Ｗ１、Ｗ２、Ｗ３の各々を変化させたときのＣＤ−Ｆｏｃｕｓ特性を示す図である。
【０１００】
図２５〜図２７の測定において、各マスクパターンに対して、フォーカスが０〜０．５μｍの範囲でパターンが解像できる像コントラストとなるように露光レベルを調整した。また最も小さい寸法においてＷ２／Ｗ１が一定になるように調整した。またマスクパターンを変えたときに、露光量を変えてもよいとして、そこでデフォーカス０．５μｍまで解像できる最小寸法（レジスト）パターンのＣＤ−Ｆｏｃｕｓ特性を求めた。
【０１０１】
まず図２５を参照して、寸法Ｗ２が０．１６〜０．２０μｍでは、ＣＤ値も小さく、フォーカスオフセットの変動によるＣＤ値の変動も少ない（つまりフォーカス特性がよい）。一方、寸法Ｗ２が、０．１４〜０．１２μｍでは、ＣＤ値が小さくなるが、フォーカスオフセットの変動に対してＣＤ値の変動が大きくなり、フォーカス特性が悪くなる。一方、寸法Ｗ２を０．２２〜０．２４μｍとすると、フォーカスオフセットの変動に対してＣＤ値の変動の少ない優れたフォーカス特性をもってＣＤ値を大きくできることがわかる。このような結果を鑑みて、露光時の露光光の波長λと投影光学系の開口数ＮＡとを考慮に入れると、寸法Ｗ２の好ましい範囲は、
０．３５＜Ｗ２／（λ／ＮＡ）
となる。
【０１０２】
次に図２６を参照して、寸法Ｗ３が０．３２μｍより大きい場合には、２本組の光透過用開口パターン２ａに挟まれる暗線の寸法（ＣＤ値）は小さくなり、かつフォーカスオフセットの変動に対するＣＤ値の変動も少なくフォーカス特性もよくなる。一方、寸法Ｗ３が０．２８および０．２４のときには、フォーカス特性は良好であるが、ＣＤ値が大きくなってしまう。この結果を鑑みて、露光時の露光光の波長λと投影光学系の開口数ＮＡを考慮に入れると寸法Ｗ３の好ましい範囲は、
Ｗ３＞０．７０×（λ／ＮＡ）
となる。
【０１０３】
次に図２７を参照して、寸法Ｗ１が０．２４以上ではＣＤ値が大きくなりすぎ、０．１０以下ではＣＤ値が大きくなるとともにフォーカスオフセットの変動に対するＣＤ値の変動が大きくなりフォーカス特性が悪くなる。この結果を鑑みて、露光時の露光光の波長λと投影光学系の開口数ＮＡを考慮に入れると寸法Ｗ１の好ましい範囲は、
０．３５＜Ｗ１／（λ／ＮＡ）＜０．６５
となる。
【０１０４】
上記関係式より、
Ｗ２／Ｗ１＞０．３５／０．６５≒０．５４
Ｗ３／Ｗ１＞０．７０／０．６５≒１．０８
となる。
【０１０５】
図１および図２に示す２本組の光透過用開口パターン２ａのパターン長Ｌについては、パターンの長手方向の両端部から０．３μｍ以下の領域では、寸法が変化してしまうため、近接効果補正（ＯＰＣ：マスクの寸法を端部で変えること）をしないとすると、少なくともパターン長Ｌは０．６μｍ以上必要になる。このことを考慮してパターン長Ｌの好ましい範囲を求めると、
１．３＜ｄ／（λ／ＮＡ）
となる。
【０１０６】
（実施の形態２）
実施の形態１と同様のフォトマスク５（図１および図２）を用いてＫｒＦエキシマレーザ光によりＮＡを０．６０として通常照明（σ＝０．８５）で露光をしたときの、計算による相対光学像強度分布を図２８に、ＣＤ−Ｆｏｃｕｓ特性を図２９に示す。
【０１０７】
図２８および図２９より、図１および図２のフォトマスク５を用いて過露光をすることにより、全く超解像法を用いなくとも、１４０ｎｍの線幅の線が、フォーカスに対してＣＤ値がほぼ変化しない特性で形成できることがわかる。
【０１０８】
（実施の形態３）
実施の形態１および２と同じ寸法ではあるが、図１２に示すように半透過遮光膜２が露光光の３％を透過するハーフトーン型位相シフトマスク（attenuating phase shift mask:Atten-PSM）を用いて、投影光学系の開口数ＮＡを０．６５とし、２／３輪帯照明（σout／σin＝０．８０／０．５３）により露光したときの、計算による光学像強度分布を図３０に示す。図３０の結果より、フォーカスの変動に対してフォトレジストのパターン寸法が変動しない寸法は８０μｍと、実施の形態１よりも小さくなっていることがわかる。また０．５μｍのデフォーカスでも、解像できる像質を保っていることがわかる。
【０１０９】
また実施の形態１で用いた２値マスク５と本実施の形態のハーフトーン型位相シフトマスクとに対して露光量のマージンを調べた結果を図３１に示す。図３１の横軸は相対露光量（relative exposure level）であり、縦軸は像のＣＤ値（image width）である。図３１中に示した式（ΔＣＤ（％）／ΔＥｘｐ．（％））で定義される露光裕度は２値マスクでは１．５、ハーフトーン型位相シフトマスクでは１．２である。どちらの露光裕度も実用に耐え得るものであるが、ハーフトーン型位相シフトマスクの方が露光裕度が改善されていることは明らかである。
【０１１０】
なお、上記式におけるΔＣＤ（％）はＣＤ値の変動分を示し、ΔＥｘｐ．（％）は露光量の変動分を示している。
【０１１１】
また実施の形態１で用いた２値マスクと本実施の形態のハーフトーン型位相シフトマスクとにおけるマスク寸法（mask line width）の変化によるＣＤ値の変化の様子を図３２に示す。図３２を参照して、微細フォトリソグラフィでは、ＭＥＦ（mask error enchancement factor）が大きくなり、大きな技術障壁（マスクの寸法均一性が厳しくなる）となっている。しかし、本願の技術によれば、２値マスクの場合で〜１．５、ハーフトーン型位相シフトマスクで〜１．３とＭＥＦは他の技術に比べて小さい。なお、通常のＭＥＦは１０もしくはそれ以上である。
【０１１２】
図３３は、図１および図２に示す２本組の光透過用開口パターン２ａの間隔Ｗ２のみを変え、他の寸法を一定にしたときの２本組の光透過用開口パターン２ａ間のマスク寸法の変化によるそれに対応した暗線像の線幅の変化を示す図である。図３３を参照して、本実施の形態の技術によれば、暗線像の線幅は、８０ｎｍまではマスクの線幅に比例している。従来法では、像の線幅が２００ｎｍでマスクの線幅に比例しなくなるため、本実施の形態の技術は従来法よりも格段に微細化に適していることがわかる。
【０１１３】
またレンズ収差によるＣＤ−Ｆｏｃｕｓ特性の劣化について本実施の形態の技術とレベンソン型位相シフトマスク（alternating phase shift mask:Alt-PSM）を用いた場合とで比較を行なった。
【０１１４】
図３４と図３５とは、レンズ収差がない場合の本実施の形態の技術とレベンソン型位相シフトマスクを用いた場合との各ＣＤ−Ｆｏｃｕｓ特性を示す図である。また図３６および図３７は、レンズ収差がある場合の本実施の形態の技術とレベンソン型位相シフトマスクを用いた場合とのＣＤ−Ｆｏｃｕｓ特性を示す図である。なお、収差は低次球面収差で０．０５λの大きさを仮定している。
【０１１５】
図３５および図３７から、レベンソン型位相シフトマスクを用いた場合には、収差によって像の線幅がフォーカスの変動とともに著しく変動する特性となっており、ＣＤ−Ｆｏｃｕｓ特性が大きく劣化することがわかる。これに対して、図３４および図３６から、本実施の形態の技術によれば、レンズ収差がある場合でも像の線幅はフォーカスの変動による変化量は少なく、ＣＤ−Ｆｏｃｕｓ特性の劣化はほとんどないことがわかる。
【０１１６】
（実施の形態４）
本実施の形態においては、図１および図２のフォトマスク５を過露光することにより実際のパターンを形成する方法について説明する。
【０１１７】
図３８（ａ）は、ＳＲＡＭ（static random access memory）のメモリセルを構成する各トランジスタのゲートパターンを示す平面図である。また図３８（ｂ）および（ｃ）は、図３８（ａ）のパターンを形成するために用いる第１および第２のフォトマスクのパターンを示す概略平面図である。
【０１１８】
また図３９は図３８（ａ）のＸＸＸＩＸ−ＸＸＸＩＸ線に沿う概略断面図であり、図４０は図３８（ｂ）のＸＬ−ＸＬ線に沿う概略断面図であり、図４１は図３８（ｃ）のＸＬＩ−ＸＬＩ線に沿う概略断面図である。
【０１１９】
まず図３８（ｂ）、（ｃ）に示す第１および第２のフォトマスク５、５５のパターンの設計方法について説明する。
【０１２０】
図３８（ａ）に示す設計パターンから微細線部分のみが抽出される。この抽出された微細線部分の線幅が拡大される。このとき、微細線部分の両側に、０．３５＜Ｗ１／（λ／ＮＡ）＜０．６５の寸法を付加して拡大させる。この拡大された線幅を有するパターンの中央部から０．３５＜Ｗ２／（λ／ＮＡ）の関係を満たす寸法Ｗ２を減ずることにより、図３８（ｂ）に示す２本組の光透過用開口パターン２ａが設計される。
【０１２１】
このため、第１のフォトマスク５は、図４０に示すように２本組の光透過用開口パターン２ａを複数個有する遮光膜（もしくは半透過遮光膜）２が透明基板１上に形成された構成を有する。
【０１２２】
さらに図３８（ａ）に示す設計パターンに、上述した０．３５＜Ｗ１／（λ／ＮＡ）＜０．６５の関係を満たす線幅Ｗ１の２本組のパターンを付すことによって図３８（ｃ）に示す遮光パターン５２が設計される。
【０１２３】
このため、第２のフォトマスク５５は、図４１に示すように上述した遮光パターンを構成する遮光膜５２が透明基板５１上に形成された構成を有している。
【０１２４】
次にこれら第１および第２のフォトマスク５、５５を用いたゲートパターンの形成方法について説明する。
【０１２５】
図４２〜図４６はゲートパターンの製造方法を工程順に示す図３９の断面に対応した概略断面図である。図４２を参照して、シリコンなどよりなる半導体基板１０１上に、ゲート絶縁膜となる絶縁層１０２が形成される。この絶縁層１０２上にゲート電極となる導電層１０３が形成される。この導電層１０３上にたとえばポジ型のフォトレジスト１１１が塗布される。なお、絶縁層１０２はたとえばシリコン酸化膜よりなり、導電層１０３はたとえば不純物がドープされた多結晶シリコン膜よりなっている。
【０１２６】
このフォトレジスト１１１が、図３８（ｂ）に示す第１のフォトマスク５を用いて第１の露光を施された後に現像される。この第１の露光の際には、通常の露光よりも露光量を大きくした過露光により露光が行なわれる。この過露光とは、実施の形態１で説明したようにフォトレジスト１１１を露光する際の露光量、すなわち十分大きい透過開口を有するパターンへの露光エネルギが、露光によりフォトレジスト１１１が現像液に対して不溶解性から溶解性になる境界の露光エネルギの４倍以上２０倍以下である。
【０１２７】
これにより、フォトレジスト１１１に、２本組の光透過用開口パターンに対応した微細開口パターン１１１ａが形成される。
【０１２８】
図４３を参照して、パターニングされたフォトレジスト１１１をマスクとしてその下層の導電層１０３および絶縁層１０２が順にエッチングされて、開口パターン１０３ａが形成される。この後、フォトレジスト１１１はたとえばアッシングなどにより除去される。
【０１２９】
図４４を参照して、このアッシングなどにより、導電層１０３の上面が露出する。
【０１３０】
図４５を参照して、表面全面にたとえばポジ型のフォトレジスト１１２が塗布された後、図３８（ｃ）に示す第２のフォトマスク５５を用いてフォトレジスト１１２が第２の露光を施された後に現像される。これにより、フォトレジスト１１２は、２本組の開口パターン１０３ａおよびその間に挟まれる部分上を覆うように残存される。このフォトレジスト１１２のパターンをマスクとして導電層１０３および絶縁層１０２が除去される。
【０１３１】
図４６を参照して、これにより、フォトレジスト１１２のパターンが形成されていない領域では半導体基板１０１の表面が露出する。この後、フォトレジスト１１２のパターンがたとえばアッシングなどにより除去されることで、図３８（ａ）および図３９に示す導電層１０３よりなるゲートパターンが形成される。
【０１３２】
なお、上記の第１の露光は、フォトレジスト１１１が現像されるまでに複数回行われても良い。また上記の第２の露光は、フォトレジスト１１２が現像されるまでに複数回行われても良い。
【０１３３】
また上記においては、フォトレジストのパターンを用いて直接ゲートパターンとなる導電層をパターニングにする場合について説明したが、ハードマスクを用いてゲートパターンとなる導電層をパターニングしてもよい。以下、そのことを説明する。
【０１３４】
図４７および図４８は、ハードマスクを用いてゲートパターンを形成する方法を工程順に示す概略断面図である。まず、上述した図４２〜図４６の方法により、ゲートパターンの代わりに、図４７に示すようにハードマスクパターン１２１が形成される。このハードマスクパターン１２１をマスクとしてその下層にあるゲート電極となる導電層１２２がエッチングされる。
【０１３５】
図４８を参照して、このエッチングにより、導電層１２２がパターニングされてゲートパターンが形成される。
【０１３６】
なお、ゲートパターンとなる導電層１２２の下のゲート絶縁層となる絶縁層は、説明の便宜上省略している。
【０１３７】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【０１３８】
【発明の効果】
本発明の半導体装置の製造方法によれば、微細パターンを大きなプロセス裕度で精度良く形成することができる。また複雑な微細パターンを被加工膜に精度良く転写することができる。また被加工膜をハードマスクとして、その下層をパターニングすることができる。
上記の半導体装置の製造方法において好ましくは、第１のフォトレジストを露光する際の、十分大きいマスク開口を持つパターンに与えられるエネルギで定義される露光量は、露光により第１のフォトレジストが現像液に対して溶解性から不溶解性になる露光エネルギ（境界の露光量）または不溶解性から溶解性になる露光エネルギ（境界の露光量）の４倍以上２０倍以下である。これにより、２本組の光透過用開口パターンを有する第１のフォトマスクを介して、通常の露光よりも露光量を大きくした、いわゆる過露光により、第１のフォトレジストが露光される。これにより、フォーカスがある程度変化してもパターン寸法の変動の小さい微細なパターンを形成することができる。また、一定の結像性能を維持できる焦点範囲である焦点深度を大きくすることができる。よって、補助パターン法や位相シフトマスクを用いずに微細パターンを大きなプロセス裕度で精度良く形成することができる。
【０１４０】
上記の半導体装置の製造方法において好ましくは、第１の露光は変形照明により行なわれる。これにより、さらに解像度と焦点深度を向上させることができる。
【０１４１】
上記の半導体装置の製造方法において好ましくは、変形照明は照明光学系に輪帯照明絞りを用いて行なわれる。これにより、解像度と焦点深度を向上させることができる。
【０１４２】
上記の半導体装置の製造方法において好ましくは、変形照明は照明光学系に４重極照明絞りを用いて行なわれる。これにより、解像度と焦点深度を向上させることができる。
【０１４３】
上記の半導体装置の製造方法において好ましくは、第１のフォトマスクは、２本組の光透過用開口パターンを有する半透過遮光膜を備えたハーフトーン型の位相シフトマスクである。半透過遮光膜は、半透過遮光膜を透過した後の露光光の位相が２本組の光透過用開口パターンを透過した後の露光光の位相と１８０度異なった位相となるように、かつ半透過遮光膜を透過した後の露光光の強度が２本組の光透過用開口パターンを透過した後の露光光の強度よりも小さくなるような材質よりなっている。このようにハーフトーン型位相シフトマスクを用いることにより、さらに加工限界を高めることができる。
【０１４４】
上記の半導体装置の製造方法において好ましくは、半透過遮光膜の露光光の透過率が２％以上１０％以下である。これにより、位相シフトマスクの効果を効果的に発揮することができる。
【０１４５】
上記の半導体装置の製造方法において好ましくは、輪帯照明絞りを用いた露光において、非回折照明光のウエハへの最大入射角の正弦ａと投影光学系の最大入射光線角度の正弦Ｒとの比（ａ／Ｒ）が、０．６以上０．９以下である。これにより、良好な解像性を得ることができる。
【０１４６】
上記の半導体装置の製造方法において好ましくは、輪帯照明絞りを用いた露光において、照明光の最小入射角の正弦ｂが照明光の最大入射角の正弦ａの１／２以上である。これにより、良好な解像性を得ることができる。
【０１４７】
上記の半導体装置の製造方法において好ましくは、４重極照明絞りを用いた露光において、非回折照明光のウエハへの最大入射角の正弦ａと投影光学系の最大入射光線角度の正弦Ｒとの比（ａ／Ｒ）が、０．６以上０．９以下である。これにより、良好な解像性を得ることができる。
【０１４８】
上記の半導体装置の製造方法において好ましくは、４重極照明絞りを用いた露光において、非回折照明光のウエハへの最小入射角の正弦ｂと投影光学系の最大入射光線角度の正弦Ｒとの比（ｂ／Ｒ）が、０．３以上である。これにより、良好な解像性を得ることができる。
【０１５１】
上記の半導体装置の製造方法において好ましくは、２本組の光透過用開口パターンと他の光透過用開口パターンとの間隔Ｗ３は、０．７０＜Ｗ３／（λ／ＮＡ）の関係を満たす。このように他の光透過用開口パターンとの間隔Ｗ３を保つことにより、微細パターンを大きなプロセス裕度で精度良く形成することができる。
【０１５２】
上記の半導体装置の製造方法において好ましくは、２本組の光透過用開口パターンの各々の長さＬは、１．３＜Ｌ／（λ／ＮＡ）の関係を満たす。このような長さＬの光透過用開口パターンにおいては、微細パターンを大きなプロセス裕度で精度良く形成することができる。
【０１５５】
上記の半導体装置の製造方法において好ましくは、第１の被加工膜の材質はシリコン酸化膜を含み、第２の被加工膜の材質は多結晶シリコンを含む。このように第１および第２の被加工膜の材質を選択することができる。
【０１５６】
上記の半導体装置の製造方法において好ましくは、第１のフォトレジストを現像する前に第１の露光が複数回行なわれる。これにより、複雑なパターンにも対応することができる。
【０１５７】
上記の半導体装置の製造方法において好ましくは、第２のフォトレジストを現像する前に第２の露光が複数回行なわれる。これにより、複雑なパターンにも対応することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施の形態１におけるフォトマスクの構成を概略的に示す平面図である。
【図２】 図１のＩＩ−ＩＩ線に沿う概略断面図である。
【図３】 本発明の実施の形態１におけるフォトマスクを用いた半導体装置のパターンの形成方法を説明するための図である。
【図４】 フォトマスクのパターン（ａ）と相対光学像強度分布（ｂ）との関係を示す図である。
【図５】 露光エネルギが小さい場合の露光エネルギ分布（ａ）とレジストパターン（ｂ）との関係を示す図である。
【図６】 露光エネルギが大きい場合の露光エネルギ分布（ａ）とレジストパターン（ｂ）との関係を示す図である。
【図７】 通常照明を説明するための図である。
【図８】 変形照明を説明するための図である。
【図９】 輪帯照明絞りの構成を示す平面図である。
【図１０】 ４重極照明絞りの構成を示す平面図である。
【図１１】 ２重極照明絞りの構成を示す平面図である。
【図１２】 本発明の実施の形態１におけるフォトマスクをハーフトーン型位相シフトマスクとした場合の構成（ａ）および透過光の強度分布（ｂ）を示す図である。
【図１３】 変形照明における各部の定義を説明するための図である。
【図１４】 本発明の実施の形態１におけるフォトマスクを過露光した場合の相対光学像強度分布を示す図である。
【図１５】 図１４の太線四角で囲んだ部分の拡大図である。
【図１６】 本発明の実施の形態１におけるフォトマスクを過露光した場合のＣＤ値とフォーカスオフセットとの関係を示す図である。
【図１７】 本発明の実施の形態１におけるフォトマスクを過露光した場合にフォーカスオフセットと露光量とを変えたときのレジストパターンの上面を撮影したＳＥＭ写真である。
【図１８】 レジストの線幅とフォーカスオフセットとの関係を示す図である。
【図１９】 ０．１８μｍＬ／Ｓにおける相対光学像強度分布を示す図である。
【図２０】 ０．１８μｍ幅の孤立暗線における相対光学像強度分布を示す図である。
【図２１】 ０．１８μｍ幅の孤立明線における相対光学像強度分布を示す図である。
【図２２】 ０．１８μｍＬ／ＳにおけるＣＤ値とフォーカスオフセットとの関係を示す図である。
【図２３】 ０．１８μｍ幅の孤立暗線におけるＣＤ値とフォーカスオフセットとの関係を示す図である。
【図２４】 ０．１８μｍ幅の孤立明線におけるＣＤ値とフォーカスオフセットとの関係を示す図である。
【図２５】 本発明の実施の形態１におけるフォトマスクの寸法Ｗ２を変えたときのＣＤ値とフォーカスオフセットとの関係を示す図である。
【図２６】 本発明の実施の形態１におけるフォトマスクの寸法Ｗ３を変えたときのＣＤ値とフォーカスオフセットとの関係を示す図である。
【図２７】 本発明の実施の形態１におけるフォトマスクの寸法Ｗ１を変えたときのＣＤ値とフォーカスオフセットとの関係を示す図である。
【図２８】 本発明の実施の形態２におけるフォトマスクを通常照明を用いて露光した場合の相対光学像強度分布を示す図である。
【図２９】 本発明の実施の形態２におけるフォトマスクを通常照明を用いて露光したときのＣＤ値とフォーカスオフセットとの関係を示す図である。
【図３０】 本発明の実施の形態３におけるハーフトーン型位相シフトマスクを用いて露光を行なったときの相対光学像強度分布を示す図である。
【図３１】 ２値マスクとハーフトーン型位相シフトマスクとにおいて、像幅と相対的露光量との関係を示す図である。
【図３２】 ２値マスクとハーフトーン型位相シフトマスクとにおいて、像幅とマスクの線幅との関係を示す図である。
【図３３】 本発明の実施の形態３におけるフォトマスクを用いて露光したときの暗線像の線幅とマスクの線幅との関係を示す図である。
【図３４】 レンズ収差がない場合の本発明の実施の形態３におけるフォトマスクを用いて露光したときの像の線幅とフォーカスオフセットとの関係を示す図である。
【図３５】 レンズ収差がない場合のレベンソン型位相シフトマスクを用いて露光したときの像の線幅とフォーカスオフセットとの関係を示す図である。
【図３６】 レンズ収差がある場合の本発明の実施の形態３におけるフォトマスクを用いて露光したときの像の線幅とフォーカスオフセットとの関係を示す図である。
【図３７】 レンズ収差がある場合のレベンソン型位相シフトマスクを用いて露光したときの像の線幅とフォーカスオフセットとの関係を示す図である。
【図３８】 ＳＲＡＭのゲートパターンを示す平面図（ａ）、第１のフォトマスクの平面図（ｂ）、および第２のフォトマスクの平面図（ｃ）である。
【図３９】 図３８（ａ）のＸＸＸＩＸ−ＸＸＸＩＸ線に沿う概略断面図である。
【図４０】 図３８（ｂ）のＸＬ−ＸＬ線に沿う概略断面図である。
【図４１】 図３８（ｃ）のＸＬＩ−ＸＬＩ線に沿う概略断面図である。
【図４２】 本発明の実施の形態４におけるフォトマスクを用いたパターンの形成方法の第１工程を示す概略断面図である。
【図４３】 本発明の実施の形態４におけるフォトマスクを用いたパターンの形成方法の第２工程を示す概略断面図である。
【図４４】 本発明の実施の形態４におけるフォトマスクを用いたパターンの形成方法の第３工程を示す概略断面図である。
【図４５】 本発明の実施の形態４におけるフォトマスクを用いたパターンの形成方法の第４工程を示す概略断面図である。
【図４６】 本発明の実施の形態４におけるフォトマスクを用いたパターンの形成方法の第５工程を示す概略断面図である。
【図４７】 ハードマスクを用いたパターンの形成方法の第１工程を示す概略断面図である。
【図４８】 ハードマスクを用いたパターンの形成方法の第２工程を示す概略断面図である。
【符号の説明】
１ 基板、２ 遮光膜、２ａ 光透過用開口部、２ｂ 十分大きい開口パターン、５，５５ フォトマスク、１４ 絞り、１４ａ 透過部、２１ ウエハ、２１ａ，１０１ 半導体基板、２１ｂ，１１１，１１２ フォトレジスト、５１ 透明基板、５２ 遮光膜、１０２ 絶縁層、１０３，１２２ 導電層、１０３ａ開口パターン、１１１ａ微細開口パターン、１２１ ハードマスクパターン。
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置の製造方法および半導体装置に関するものであり、特に半導体装置において微細パターンを形成するフォトリソグラフィ技術における半導体装置の製造方法および半導体装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、半導体集積回路における高集積化および微細化にはめざましいものがある。それに伴い、半導体基板（以下、単にウエハと称する）上に形成される回路パターンの微細化も急速に進んできている。
【０００３】
中でも、フォトリソグラフィ技術がパターン形成における基本技術として広く認識されるところである。よって、今日までに種々の開発、改良がなされてきている。しかし、パターンの微細化はとどまるところを知らず、パターンの解像度向上への要求もさらに強いものとなってきている。
【０００４】
このフォトリソグラフィ技術とは、ウエハ上に塗布されたフォトレジストにフォトマスク（原画）上のパターンを転写し、その転写されたフォトレジストを用いて下層の被エッチング膜をパターニングする技術である。
【０００５】
このフォトレジストの転写時においては、フォトレジストに現像処理が施されるが、この現像処理によって光の当たった部分のフォトレジストが除去されるタイプをポジ型、光の当たらない部分のフォトレジストが除去されるタイプをネガ型のフォトレジストという。
【０００６】
一般に、縮小露光方法を用いたフォトリソグラフィ技術における解像限界Ｒ（ｎｍ）は、
Ｒ＝ｋ1・λ／（ＮＡ）
と表わされる。ここで、λを使用する光の波長（ｎｍ）、ＮＡはレンズの投影光学系の開口数、ｋ1はレジストプロセスに依存する定数である。
【０００７】
上式からわかるように、解像限界Ｒの向上を図るためには、すなわち微細パターンを得るためには、ｋ1とλとの値を小さくし、ＮＡの値を大きくする方法が考えられる。つまり、レジストプロセスに依存する定数を小さくするとともに、短波長化や高ＮＡ化を進めればよいのである。
【０００８】
しかし、光源やレンズの改良は技術的に難しく、また短波長化および高ＮＡ化を進めることによって、光の焦点深度δ（δ＝ｋ2・λ／（ＮＡ）2）が浅くなり、かえって解像度の低下を招くといった問題も出てくる。
【０００９】
このような状況下において、半導体集積回路の製造においては、微細パターンを大きなプロセス裕度で形成することが必要である。密集パターンの形成に対しては変形照明法が有効であり、広く実用化されている。一方、孤立線パターンを大きなプロセス裕度で形成する方法としては、レベンソン型位相シフトマスクを用いる方法がある。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、レベンソン型位相シフトマスクの場合、露光光の位相を１８０°変換するための位相シフタを作製する必要があるため、マスクの作製が困難であるという問題点がある。また、レベンソン型位相シフトマスクは、位相の異なる透過光を積極的に干渉させることにより解像度の向上を図るため、投影露光装置のレンズ収差の影響を受けやすく、無収差では得られるはずの優れた特性が得られないなどの問題もある。このため、レベンソン型位相シフトマスクを用いた方法は実用化が進んでいない状況にある。
【００１１】
また、マスク上に解像しない線幅の線を本来の線パターンに沿わせて配置することによるプロセス裕度の改善方法（いわゆる補助パターン法）が考えられている。しかしながら、この方法では、マスクパターン寸法が極めて小さくなるため、マスクの欠陥検査が困難であるなどの問題がある。
【００１２】
それゆえ本発明の目的は、補助パターン法や位相シフトマスクなどを用いずとも微細パターンの形成が可能で、かつマスクの欠陥検査が容易な半導体装置の製造方法および半導体装置を提供することである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明の半導体装置の製造方法は、実質的に同一の線幅で互いに間隔を持って並走しかつ他の光透過用開口パターンから孤立した２本組の光透過用開口パターンを有する第１のフォトマスクを介して投影露光法によりウエハ表面の第１のフォトレジストを露光する第１の露光工程を備え、２本組の光透過用開口パターンの各々の線幅Ｗ１は、露光光の波長をλとし、投影光学系の開口数をＮＡとしたとき、０．３５＜Ｗ１／（λ／ＮＡ）＜０．６５の関係を満たし、２本組の光透過用開口パターンの間隔Ｗ２は、露光光の波長をλとし、投影光学系の開口数をＮＡとしたとき、０．３５＜Ｗ２／（λ／ＮＡ）の関係を満たし、露光された第１のフォトレジストを現像することでパターニングする工程と、パターニングされた第１のフォトレジストをマスクとして第１のフォトレジスト下の第１の被加工膜を加工する工程と、第１のフォトレジストを除去した後、第２のフォトレジストを塗布する工程と、２本組の光透過用開口パターンに挟まれる領域以外のその他の領域に対応する第２のフォトレジストの領域を露光する第２の露光工程と、露光された第２のフォトレジストを現像することでパターニングする工程と、パターニングされた第２のフォトレジストをマスクとして第２のフォトレジスト下の第１の被加工膜を加工する工程と、第１および第２のフォトレジストをフォトマスクとして加工された第１の被加工膜をマスクとして、第１の被加工膜下の第２の被加工膜をパターニングする工程とをさらに備えている。
本発明の半導体装置の製造方法によれば、微細パターンを大きなプロセス裕度で精度良く形成することができる。また複雑な微細パターンを被加工膜に精度良く転写することができる。また被加工膜をハードマスクとして、その下層をパターニングすることができる。
上記の半導体装置の製造方法において好ましくは、第１のフォトレジストを露光する際の、十分大きいマスク開口を持つパターンに与えられるエネルギで定義される露光量は、露光により第１のフォトレジストが現像液に対して溶解性から不溶解性になる露光エネルギ（境界の露光量）または不溶解性から溶解性になる露光エネルギ（境界の露光量）の４倍以上２０倍以下である。
【００１４】
これにより、２本組の光透過用開口パターンを有する第１のフォトマスクを介して、通常の露光よりも露光量を大きくした、いわゆる過露光により、第１のフォトレジストが露光される。これにより、フォーカスがある程度変化してもパターン寸法の変動の小さい微細なパターンを形成することができる。また、一定の結像性能を維持できる焦点範囲である焦点深度（ＤＯＦ：depth of focus）を大きくすることができる。よって、補助パターン法や位相シフトマスクを用いずに微細パターンを大きなプロセス裕度で精度良く形成することができる。
【００１７】
上記の半導体装置の製造方法において好ましくは、第１の露光は変形照明により行なわれる。
【００１８】
これにより、さらに解像度と焦点深度を向上させることができる。
上記の半導体装置の製造方法において好ましくは、変形照明は照明光学系に輪帯照明絞りを用いて行なわれる。
【００１９】
これにより、解像度と焦点深度を向上させることができる。
上記の半導体装置の製造方法において好ましくは、変形照明は照明光学系に４重極照明絞りを用いて行なわれる。
【００２０】
これにより、解像度と焦点深度を向上させることができる。
上記の半導体装置の製造方法において好ましくは、第１のフォトマスクは、２本組の光透過用開口パターンを有する半透過遮光膜を備えたハーフトーン型の位相シフトマスクである。半透過遮光膜は、半透過遮光膜を透過した後の露光光の位相が２本組の光透過用開口パターンを透過した後の露光光の位相と１８０度異なった位相となるように、かつ半透過遮光膜を透過した後の露光光の強度が２本組の光透過用開口パターンを透過した後の露光光の強度よりも小さくなるような材質よりなっている。
【００２１】
このようにハーフトーン型位相シフトマスクを用いることにより、さらに加工限界を高めることができる。
【００２２】
上記の半導体装置の製造方法において好ましくは、半透過遮光膜の露光光の透過率が２％以上１０％以下である。
【００２３】
これにより、位相シフトマスクの効果を効果的に発揮することができる。
また、半透過遮光膜の露光光の透過光が２％未満では、半透過遮光膜を透過した露光光の強度が小さくなり過ぎて、ハーフトーン型位相シフトマスクの効果を有効に得ることができない。また、半透過遮光膜の露光光の透過率が１０％を超えると、半透過遮光膜を透過した露光光により現像後のフォトレジストの膜厚が０になるか、もしくは膜減りしてしまい、フォトレジストをエッチングマスクに用いることができなくなる。
【００２４】
上記の半導体装置の製造方法において好ましくは、輪帯照明絞りを用いた露光において、照明光学系により形成される照明光の第１のフォトマスクへの最大入射角の正弦ａと投影光学系によるウエハ上への結像での最大入射光線角度の正弦Ｒとの比（ａ／Ｒ）に投射光学系の縮小倍率ｒを掛けたもの（ｒ×ａ／Ｒ）が、０．６以上０．９以下である。
【００２５】
これにより、良好な解像性を得ることができる。
上記の半導体装置の製造方法において好ましくは、輪帯照明絞りを用いた露光において、照明光学系により形成される照明光の第１のフォトマスクへの最小入射角の正弦ｂが最大入射角の正弦ａの１／２以上である。
【００２６】
これにより、良好な解像性を得ることができる。
上記の半導体装置の製造方法において好ましくは、４重極照明絞りを用いた露光において、照明光学系により形成される照明光の第１のフォトマスクへの最大入射角の正弦ａと投影光学系によるウエハ上への結像での最大入射光線角度の正弦Ｒとの比（ａ／Ｒ）に投射光学系の縮小倍率ｒを掛けたもの（ｒ×ａ／Ｒ）が、０．６以上０．９以下である。
【００２７】
これにより、良好な解像性を得ることができる。
上記の半導体装置の製造方法において好ましくは、４重極照明絞りを用いた露光において、照明光学系により形成される照明光の第１のフォトマスクへの最小入射角の正弦ｂと投影光学系によるウエハ上への結像での最大入射光線角度の正弦Ｒとの比（ｂ／Ｒ）に投射光学系の縮小倍率ｒを掛けたもの（ｒ×ｂ／Ｒ）が、０．３以上である。
【００２８】
これにより、良好な解像性を得ることができる。
【００３２】
上記の半導体装置の製造方法において好ましくは、２本組の光透過用開口パターンと他の光透過用開口パターンとの間隔Ｗ３は、０．７０＜Ｗ３／（λ／ＮＡ）の関係を満たす。
【００３３】
このように他の光透過用開口パターンとの間隔Ｗ３を保つことにより、微細パターンを大きなプロセス裕度で精度良く形成することができる。
【００３４】
上記の半導体装置の製造方法において好ましくは、２本組の光透過用開口パターンの各々の長さＬは、１．３＜Ｌ／（λ／ＮＡ）の関係を満たす。
【００３５】
このような長さＬの光透過用開口パターンにおいては、微細パターンを大きなプロセス裕度で精度良く形成することができる。
【００４０】
上記の半導体装置の製造方法において好ましくは、第１の被加工膜の材質はシリコン酸化膜を含み、第２の被加工膜の材質は多結晶シリコンを含む。
【００４１】
このように第１および第２の被加工膜の材質を選択することができる。
上記の半導体装置の製造方法において好ましくは、第１のフォトレジストを現像する前に第１の露光が複数回行なわれる。
【００４２】
これにより、複雑なパターンにも対応することができる。
上記の半導体装置の製造方法において好ましくは、第２のフォトレジストを現像する前に第２の露光が複数回行なわれる。
【００４３】
これにより、複雑なパターンにも対応することができる。
【００５０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図に基づいて説明する。
【００５１】
（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１におけるフォトマスクの構成を概略的に示す平面図であり、図２は図１のＩＩ−ＩＩ線に沿う概略断面図である。
【００５２】
図１および図２を参照して、本実施の形態のフォトマスク５は、たとえば石英などよりなる透明基板１と、たとえばクロムなどよりなる遮光膜２とを有している。遮光膜２は、図中中央部に実質的に同一の線幅Ｗ１で互いに間隔Ｗ２を持って並走するよう形成された２本組の光透過用開口パターン２ａを有している。
【００５３】
また遮光膜２は、このパターンだけでなく、図中左側に示された実質的に同一の線幅Ｗ１ａで互いに間隔Ｗ２ａを持って並走するよう形成された２本組の光透過用開口パターン２ａや、図中右側に示された実質的に同一の線幅Ｗ１ｂで互いに間隔Ｗ２ｂを持って並走するよう形成された２本組の光透過用開口パターン２ａなどを有していてもよい。
【００５４】
この各２本組の光透過用開口パターン２ａは、他の光透過用開口パターン２ａとの間に広い間隔Ｗ３を有しており、孤立している。
【００５５】
光透過用開口パターン２ａの線幅Ｗ１（またはＷ１ａ、Ｗ１ｂ）と、２本組の光透過用開口パターン２ａの間隔Ｗ２（またはＷ２ａ、Ｗ２ｂ）と、２本組の光透過用開口パターン２ａと他の光透過用開口パターン２ａとの間隔Ｗ３の各々は、０．５４＜Ｗ２／Ｗ１および１．０８＜Ｗ３／Ｗ１の関係を満たしている。
【００５６】
また２本組の光透過用開口パターン２ａの各々の線幅Ｗ１（またはＷ１ａ、Ｗ１ｂ）は、露光時における露光光の波長をλとし、投影光学系の開口数をＮＡとしたとき、０．３５＜Ｗ１／（λ／ＮＡ）＜０．６５の関係を満たす。また２本組の光透過用開口パターン２ａの間隔Ｗ２（またはＷ２ａ、Ｗ２ｂ）は、０．３５＜Ｗ２／（λ／ＮＡ）の関係を満たし、２本組の光透過用開口パターン２ａと他の光透過用開口パターン２ａとの間隔Ｗ３は、０．７０＜Ｗ３／（λ／ＮＡ）の関係を満たす。
【００５７】
また、２本組の光透過用開口パターン２ａの各々の長さＬは、１．３＜Ｌ／（λ／ＮＡ）の関係を満たす。
【００５８】
なお、図中左右の２本組の光透過用開口パターン２ａの線幅Ｗ１ａとＷ１ｂとは、中央の２本組の光透過用開口パターン２ａの線幅Ｗ１と同じ寸法であってもよく、また異なる寸法であってもよい。ただし、これらの線幅Ｗ１ａとＷ１ｂとの双方とも、０．３５＜Ｗ１／（λ／ＮＡ）＜０．６５の関係を満たす必要がある。また、線幅Ｗ１ａとＷ１ｂ同士も、上記関係を満たす限り同じ寸法であってもよく、また異なる寸法であってもよい。
【００５９】
また、図中左右の２本組の光透過用開口パターン２ａの間隔Ｗ２ａとＷ２ｂとは、中央の２本組の光透過用開口パターン２ａの間隔Ｗ２と同じ寸法であってもよく、また異なる寸法であってもよい。ただし、これらの間隔Ｗ２ａとＷ２ｂとの双方とも、０．３５＜Ｗ２／（λ／ＮＡ）の関係を満たす必要がある。また、間隔Ｗ１ａとＷ１ｂ同士も、上記関係を満たす限り同じ寸法であってもよく、また異なる寸法であってもよい。
【００６０】
また、図中中央および左側の２本組の光透過用開口パターン２ａの間隔Ｗ３と、図中中央および右側の２本組の光透過用開口パターン２ａの間隔Ｗ３についても、０．７０＜Ｗ３／（λ／ＮＡ）の関係を満たすのであれば、互いに同じ寸法であってもよく、また異なる寸法であってもよい。
【００６１】
また、図中中央部、左側部および右側部の各２本組の光透過用開口パターン２ａの長さＬは、互いに同じ寸法であってもよく、また異なる寸法であってもよい。ただし、これらの長さＬはすべて、１．３＜Ｌ／（λ／ＮＡ）の関係を満たす必要がある。
【００６２】
次に、図１および図２に示すフォトマスクを用いた半導体装置のパターン形成方法について説明する。
【００６３】
図３は、本発明の一実施の形態におけるマスクを用いた投影露光装置の構成を概略的に示す図である。図３を参照して、この投影露光装置は、フォトマスク上のパターンを縮小してウエハ２１表面のフォトレジスト２１ｂに投射するものである。また投影露光装置は、光源１１からフォトマスク５のパターンまでの照明光学系と、フォトマスク５のパターンからウエハ２１までの投影光学系とを有している。
【００６４】
照明光学系は、光源である水銀ランプ１１と、反射鏡１２と、集光レンズ１８と、フライアイレンズ１３と、絞り１４と、集光レンズ１６ａ、１６ｂ、１６ｃと、ブラインド絞り１５と、反射鏡１７とを有している。また投影光学系は望遠レンズ１９ａ、１９ｂと、瞳面絞り２５とを有している。
【００６５】
その露光動作においては、まず水銀ランプ１１から発せられた光１１ａは、反射鏡１２により、たとえばｇ線（波長：４３６ｎｍ）のみが反射されて、単波長の光となる。次に、光１１ａは、集光レンズ１８を通過して、フライアイレンズ１３の各フライアイ構成レンズ１３ａの各々に入射し、その後に絞り１４を通過する。
【００６６】
ここで、光１１ｂは、１個のフライアイ構成レンズ１３ａによって作り出された光路を示し、光１１ｃはフライアイレンズ１３によって作り出される光路を示している。
【００６７】
絞り１４を通過した光１１ａは、集光レンズ１６ａ、ブラインド絞り１５および集光レンズ１６ｂを通過して、反射鏡１７により所定角度で反射される。
【００６８】
反射鏡１７により反射された光１１ａは、集光レンズ１６ｃを透過した後、所定のパターンが形成されたフォトマスク５の全面を均一に照射する。この後、光１１ａは投影レンズ１９ａ、１９ｂにより所定の倍率に縮小され、半導体基板２１ａ上のフォトレジスト２１ｂを露光する。
【００６９】
本実施の形態においては、上記の露光は、過露光により行なわれる。つまり、フォトレジスト２１ｂを露光する際の露光量は、露光によりフォトレジスト２１ｂが現像液に対して溶解性から不溶解性になる境界の露光量または不溶解性から溶解性になる境界の露光量の４倍以上２０倍以下とされる。なお、通常の露光では、露光量は境界の露光量の２．５倍以上３．５倍以下程度である。
【００７０】
このようにして露光されたフォトレジスト２１ｂは現像によりパターニングされる。この現像においては、フォトレジスト２１ｂがポジ型の場合には所定の値以上の露光エネルギが入力された部分のフォトレジストのみが除去され、ネガ型の場合には所定の値以下の露光エネルギが入力された部分のみが除去される。このようにしてフォトレジスト２１ｂのパターンが形成される。
【００７１】
この後、フォトレジスト２１ｂのパターンをマスクとしてその下層の被加工膜をエッチングなどの加工をすることにより被加工膜がパターニングされる。
【００７２】
次に、上記で規定した露光光の強度について詳細に説明する。
たとえば図４（ａ）に示すフォトマスク５を透過した露光光の相対光強度分布は図４（ｂ）に示すようになる。つまり、十分に大きい開口パターン２ｂを透過した露光光の光強度が最も高くなり、２本組の開口部２ａを透過した露光光の光強度はそれよりも小さくなる。
【００７３】
ここで、図５（ａ）に示すように、十分に大きい開口パターン２ｂに対してフォトレジストに入力される露光エネルギが上記の境界の露光エネルギ（ここでは１．０とした）になる場合、図５（ｂ）に示すように開口パターン２ｂに対応する部分のフォトレジスト２１ｂのみが除去され、２本組の開口パターン２ａに対応するパターンは得られない。
【００７４】
そこで、図６（ａ）に示すように、十分に大きい開口パターンについてフォトレジストに入力される露光エネルギを、図５における十分に大きい開口パターンについてフォトレジストに入力される露光エネルギのたとえば５倍とすることにより、２本組の開口パターン２ａの透過光によりフォトレジストに入力される露光エネルギを境界の露光エネルギ（ここでは１．０）よりも大きくすることができる。これにより、図６（ｂ）に示すように２本組の開口パターン２ａに対応したパターンをフォトレジスト２１ｂに形成することができる。
【００７５】
つまり、上記の露光エネルギとは、フォトマスク５の十分大きい開口部２ｂを透過した露光光によりウエハ上の対応するパターンに与えられる露光エネルギが、フォトレジスト２１ｂが現像液に対して溶解性から不溶解性になる境界あるいは不溶解性から溶解性になる境界の露光エネルギの４倍以上２０倍以下になることを意味している。
【００７６】
このパターン形成方法において、露光は通常照明により行なわれてもよいが、変形照明により行なわれることが好ましい。通常照明の場合、図７に示すようにフォトマスク５に対して露光光が垂直に照射され、０次光および±１次光の３光束によりウエハ２１が露光される。しかし、フォトマスク５のパターンが微細になると、回折角度が大きくなるため、垂直照明では±１次光がレンズの中に入らなくなり、解像しなくなるおそれがある。
【００７７】
そこで、図８に示すように変形照明により照明光束がフォトマスク５に対して斜めに入射される。これにより、フォトマスク５により回折した０次光と＋１次あるいは−１次光の２光束のみで露光することができ、解像性を得ることができる。
【００７８】
この変形照明に用いられる絞り１４として、図９に示すように輪状の透過部１４ａを有する輪帯照明絞りや、図１０に示すように４つの透過部１４ａを有する４重極照明絞りが用いられてもよい。また図１１に示すように２本の透過部１４ａを有する２重極照明絞りが用いられてもよい。
【００７９】
また図１および図２に示すフォトマスク５は、図１２（ａ）に示すようにハーフトーン型の位相シフトマスクであってもよい。この場合、遮光膜２の代わりに、ある程度露光光を透過する半透過遮光膜２が用いられる。この半透過遮光膜２は、半透過遮光膜２を透過した後の露光光の位相が光透過用開口パターン２ａを透過した後の露光光の位相と実質１８０°異なった位相となるように位相シフタの機能を有し、かつ半透過遮光膜２を透過した後の露光光の強度が光透過用開口パターン２ａを透過した後の露光光の強度よりも小さくなるように露光光を減衰させる機能を有する。この半透過遮光膜２の露光光の透過率は２％以上１０％以下であることが好ましい。
【００８０】
これにより、図１２（ｂ）に示すように光透過用開口パターン２ａと遮光部の境界において逆位相の光が重なり合うことで光が互いに打ち消し合って露光パターンのエッジでの光強度を小さくすることができ、パターン像の解像度を上げることが可能となる。
【００８１】
また図１３に示すように瞳面絞りの半径Ｒは結像での光線の最大入射角の正弦（＝ＮＡ）に比例する。またフォトマスク５への最大入射角照明光線の瞳での位置ａは照明最大入射角の正弦に比例し、フォトマスク５への最小入射角照明光線の瞳での位置ｂは照明最小入射角の正弦に比例する。照明の干渉性指標のσ（coherency）は従来照明のとき、σ＝ａ／Ｒで与えられる。また変形照明の形状も、最大／最小入射角の正弦とＮＡの比であり、σout＝ａ／Ｒ、σin＝ｂ／Ｒで表現される。なお、この説明では等倍投影であり、投影光学系での縮小倍率ｒは１である。
【００８２】
輪帯照明絞りを用いた露光においては、最大入射角の正弦ａと投影光学系の最大入射光線角度の正弦Ｒとの比（ａ／Ｒ）が、０．６以上０．９以下であることが好ましい。また輪帯照明絞りを用いた露光においては、最小入射角の正弦ｂが最大入射角の正弦ａの１／２以上であることが好ましい。
【００８３】
また４重極照明絞りを用いた露光においては、最大入射角の正弦ａと投影光学系の最大入射光線角度の正弦Ｒとの比（ａ／Ｒ）が、０．６以上０．９以下であることが好ましい。また４重極照明絞りを用いた露光においては、最小入射角の正弦ｂと投影光学系の最大入射光線角度の正弦Ｒとの比（ｂ／Ｒ）が、０．３以上であることが好ましい。
【００８４】
本実施の形態では、２本組の光透過用開口パターン２ａを有するフォトマスク５を介して過露光によりフォトレジスト２１ｂを露光するため、フォーカスが変化してもレジスト寸法が変化し難く、微細パターンを大きなプロセス裕度で精度良く形成することが可能となる。本願発明者は、以下の実験などを行なうことにより上記効果の得られることを確認した。
【００８５】
図１および図２に示すフォトマスク５を遮光膜２にクロム（Ｃｒ）を用いた２値マスクとし、線幅Ｗ１を１７０ｎｍ、間隔Ｗ２を１７０ｎｍ、間隔Ｗ３を３６０ｎｍ（つまりピッチで８７０ｎｍ）とした。このフォトマスク５をＫｒＦエキシマレーザ光（波長：２４８ｎｍ）を用い、ＮＡを０．６５とし、２／３輪帯照明（σout／σin＝０．８０／０．５３）で露光すると、図１４に示すような相対光学像強度分布（relative image intensity）を持つ光学像が得られた。
【００８６】
図１４において光学像強度分布の左右両側の光強度の高い部分は２本組の光透過用開口パターン２ａに対応し、その間の光強度の低い部分は２本組の光透過用開口パターン２ａに挟まれる遮光部に対応する。この光学像強度分布はフォーカス位置を０〜０．５μｍの範囲で変えて示している。図中太線四角で囲んだ部分の拡大図を図１５に示す。
【００８７】
図１５を参照して、フォーカスが変化してもフォトレジストのパターン寸法が変化しない光強度（Iso-Focal Slice Level）が露光量の調整により得られることがわかる。また、この寸法変動のない光強度で像（パターン）の寸法を９０ｎｍ程度と微細にできることがわかる。つまり、図１および図２に示すフォトマスク５を用いて過露光をすることによりデフォーカスによる寸法変動の少ない微細なパターンを形成することができる。
【００８８】
また、ポジ型のフォトレジストにパターンを形成するためには、２本組の光透過用開口パターンにはさまれる遮光パターン部における光強度は、パターンエッジに比べて、あるレベル（Resolution Criteria）よりも小さいことが必要である。この結像の場合、０．５μｍのデフォーカスでそのレベルより光強度が大きくなることから、〜１．０μｍの焦点深度が得られることがわかる。
【００８９】
つまり、図１および図２に示すフォトマスク５を用いて過露光をすることにより、寸法変動が少なく微細なパターンの形成において、大きな焦点深度を確保できることがわかる。
【００９０】
図１６は、図１４および図１５の場合のＣＤ（critical dimension）値とフォーカスオフセットとの関係（ＣＤ−Ｆｏｃｕｓ特性）を示す図である。図１６からも明らかなように、ＣＤ値が８０〜９０ｎｍの範囲では、フォーカスが変化してもＣＤ値がほとんど変化せず、ＣＤ−Ｆｏｃｕｓ特性が良好であることがわかる。
【００９１】
図１７は、図１および図２に示すフォトマスクのパターンを上記の露光条件においてフォーカスオフセットと露光量（exposure dose）を変えてフォトレジストに転写したときのフォトレジストのパターンの上面を示すＳＥＭ写真である。図１７を参照して、写真中に付された数値はＣＤ値の測定値である。この結果からも、フォーカスが変化してもフォトレジストに実際に転写されたパターン寸法がほとんど変化しないことがわかる。
【００９２】
また図１８は、図１および図２に示すＣｒの遮光膜２を有するフォトマスク（２値マスク）５を用いて変形照明で露光を行なった場合のフォトレジストのパターンの線幅（resist line width）とフォーカスオフセットとの関係を示す図である。図１８を参照して、本実施の形態のパターン形成方法によれば線幅〜１００ｎｍのフォトレジストのパターンを、焦点深度〜１．０μｍの範囲で形成できることがわかる。
【００９３】
次に、フォトマスクに形成されたパターンがライン・アンド・スペース（Ｌ／Ｓ）パターン、孤立暗線パターンまたは孤立明線パターンの場合には、露光量を変えて線を細くしても本実施の形態のような良好な特性が得られないことについて説明する。
【００９４】
図１９、図２０および図２１は、０．１８μｍＬ／Ｓ（ライン幅とスペース幅の双方が０．１８μｍ）、０．１８μｍ幅の孤立暗線、および０．１８μｍ幅の孤立明線の各々においてフォーカスをパラメータにした相対光学像強度分布を示す図である。
【００９５】
これらの図１９〜図２１中の破線は、ベストフォーカスでマスク通り（０．１８μｍ）の寸法にするときの露光量に対応する光強度（Exp. level to Mask Width）と、０．１０μｍの寸法にするときの露光量に対応する光強度（Exp. level to 0.10μｍ Width）とを示している。これらの図１９〜図２１より、３つのパターンのどの場合においても、パターンの幅を細くしようとすると、フォーカスの変化に対して寸法の変動が大きくなることが予想される。
【００９６】
図２２、図２３および図２４は、０．１８μｍＬ／Ｓ、０．１８μｍ幅の孤立暗線および０．１８幅の孤立明線の各々において露光レベルを細かく変えたときのＣＤ−Ｆｏｃｕｓ特性を示す図である。図２２〜図２４に示すＣＤ値とフォーカスオフセットとの関係は、図１９〜図２１に示された像強度から予想される振る舞いとなる。つまり、寸法（ＣＤ値）を小さくすればするほど、フォーカスオフセットの変動に対するＣＤ値の変動が大きくなり、ＣＤ−Ｆｏｃｕｓ特性が良好でないことがわかる。また、０．１８μｍＬ／Ｓは、０．１８μｍ幅の孤立暗線および０．１８幅の孤立明線に比べると、フォーカスオフセットの変動に対するＣＤ値の変動が少ないが、それでも０．３μｍのデフォーカスに対して〜０．０２μｍの寸法変化が生じているため、本実施の形態に比較して悪いＣＤ−Ｆｏｃｕｓ特性となっている。
【００９７】
以上より、本実施の形態では、孤立した２本組の光透過用開口パターン２ａを有するパターンとしたことにより、他のパターンでは得られない良好なＣＤ−Ｆｏｃｕｓ特性の得られることがわかる。
【００９８】
次に、図１および図２に示す光透過用開口パターン２ａの各部の寸法について考察する。
【００９９】
図２５、図２６および図２７は、図１および図２に示すフォトマスクの各部の寸法Ｗ１、Ｗ２、Ｗ３の各々を変化させたときのＣＤ−Ｆｏｃｕｓ特性を示す図である。
【０１００】
図２５〜図２７の測定において、各マスクパターンに対して、フォーカスが０〜０．５μｍの範囲でパターンが解像できる像コントラストとなるように露光レベルを調整した。また最も小さい寸法においてＷ２／Ｗ１が一定になるように調整した。またマスクパターンを変えたときに、露光量を変えてもよいとして、そこでデフォーカス０．５μｍまで解像できる最小寸法（レジスト）パターンのＣＤ−Ｆｏｃｕｓ特性を求めた。
【０１０１】
まず図２５を参照して、寸法Ｗ２が０．１６〜０．２０μｍでは、ＣＤ値も小さく、フォーカスオフセットの変動によるＣＤ値の変動も少ない（つまりフォーカス特性がよい）。一方、寸法Ｗ２が、０．１４〜０．１２μｍでは、ＣＤ値が小さくなるが、フォーカスオフセットの変動に対してＣＤ値の変動が大きくなり、フォーカス特性が悪くなる。一方、寸法Ｗ２を０．２２〜０．２４μｍとすると、フォーカスオフセットの変動に対してＣＤ値の変動の少ない優れたフォーカス特性をもってＣＤ値を大きくできることがわかる。このような結果を鑑みて、露光時の露光光の波長λと投影光学系の開口数ＮＡとを考慮に入れると、寸法Ｗ２の好ましい範囲は、
０．３５＜Ｗ２／（λ／ＮＡ）
となる。
【０１０２】
次に図２６を参照して、寸法Ｗ３が０．３２μｍより大きい場合には、２本組の光透過用開口パターン２ａに挟まれる暗線の寸法（ＣＤ値）は小さくなり、かつフォーカスオフセットの変動に対するＣＤ値の変動も少なくフォーカス特性もよくなる。一方、寸法Ｗ３が０．２８および０．２４のときには、フォーカス特性は良好であるが、ＣＤ値が大きくなってしまう。この結果を鑑みて、露光時の露光光の波長λと投影光学系の開口数ＮＡを考慮に入れると寸法Ｗ３の好ましい範囲は、
Ｗ３＞０．７０×（λ／ＮＡ）
となる。
【０１０３】
次に図２７を参照して、寸法Ｗ１が０．２４以上ではＣＤ値が大きくなりすぎ、０．１０以下ではＣＤ値が大きくなるとともにフォーカスオフセットの変動に対するＣＤ値の変動が大きくなりフォーカス特性が悪くなる。この結果を鑑みて、露光時の露光光の波長λと投影光学系の開口数ＮＡを考慮に入れると寸法Ｗ１の好ましい範囲は、
０．３５＜Ｗ１／（λ／ＮＡ）＜０．６５
となる。
【０１０４】
上記関係式より、
Ｗ２／Ｗ１＞０．３５／０．６５≒０．５４
Ｗ３／Ｗ１＞０．７０／０．６５≒１．０８
となる。
【０１０５】
図１および図２に示す２本組の光透過用開口パターン２ａのパターン長Ｌについては、パターンの長手方向の両端部から０．３μｍ以下の領域では、寸法が変化してしまうため、近接効果補正（ＯＰＣ：マスクの寸法を端部で変えること）をしないとすると、少なくともパターン長Ｌは０．６μｍ以上必要になる。このことを考慮してパターン長Ｌの好ましい範囲を求めると、
１．３＜ｄ／（λ／ＮＡ）
となる。
【０１０６】
（実施の形態２）
実施の形態１と同様のフォトマスク５（図１および図２）を用いてＫｒＦエキシマレーザ光によりＮＡを０．６０として通常照明（σ＝０．８５）で露光をしたときの、計算による相対光学像強度分布を図２８に、ＣＤ−Ｆｏｃｕｓ特性を図２９に示す。
【０１０７】
図２８および図２９より、図１および図２のフォトマスク５を用いて過露光をすることにより、全く超解像法を用いなくとも、１４０ｎｍの線幅の線が、フォーカスに対してＣＤ値がほぼ変化しない特性で形成できることがわかる。
【０１０８】
（実施の形態３）
実施の形態１および２と同じ寸法ではあるが、図１２に示すように半透過遮光膜２が露光光の３％を透過するハーフトーン型位相シフトマスク（attenuating phase shift mask:Atten-PSM）を用いて、投影光学系の開口数ＮＡを０．６５とし、２／３輪帯照明（σout／σin＝０．８０／０．５３）により露光したときの、計算による光学像強度分布を図３０に示す。図３０の結果より、フォーカスの変動に対してフォトレジストのパターン寸法が変動しない寸法は８０μｍと、実施の形態１よりも小さくなっていることがわかる。また０．５μｍのデフォーカスでも、解像できる像質を保っていることがわかる。
【０１０９】
また実施の形態１で用いた２値マスク５と本実施の形態のハーフトーン型位相シフトマスクとに対して露光量のマージンを調べた結果を図３１に示す。図３１の横軸は相対露光量（relative exposure level）であり、縦軸は像のＣＤ値（image width）である。図３１中に示した式（ΔＣＤ（％）／ΔＥｘｐ．（％））で定義される露光裕度は２値マスクでは１．５、ハーフトーン型位相シフトマスクでは１．２である。どちらの露光裕度も実用に耐え得るものであるが、ハーフトーン型位相シフトマスクの方が露光裕度が改善されていることは明らかである。
【０１１０】
なお、上記式におけるΔＣＤ（％）はＣＤ値の変動分を示し、ΔＥｘｐ．（％）は露光量の変動分を示している。
【０１１１】
また実施の形態１で用いた２値マスクと本実施の形態のハーフトーン型位相シフトマスクとにおけるマスク寸法（mask line width）の変化によるＣＤ値の変化の様子を図３２に示す。図３２を参照して、微細フォトリソグラフィでは、ＭＥＦ（mask error enchancement factor）が大きくなり、大きな技術障壁（マスクの寸法均一性が厳しくなる）となっている。しかし、本願の技術によれば、２値マスクの場合で〜１．５、ハーフトーン型位相シフトマスクで〜１．３とＭＥＦは他の技術に比べて小さい。なお、通常のＭＥＦは１０もしくはそれ以上である。
【０１１２】
図３３は、図１および図２に示す２本組の光透過用開口パターン２ａの間隔Ｗ２のみを変え、他の寸法を一定にしたときの２本組の光透過用開口パターン２ａ間のマスク寸法の変化によるそれに対応した暗線像の線幅の変化を示す図である。図３３を参照して、本実施の形態の技術によれば、暗線像の線幅は、８０ｎｍまではマスクの線幅に比例している。従来法では、像の線幅が２００ｎｍでマスクの線幅に比例しなくなるため、本実施の形態の技術は従来法よりも格段に微細化に適していることがわかる。
【０１１３】
またレンズ収差によるＣＤ−Ｆｏｃｕｓ特性の劣化について本実施の形態の技術とレベンソン型位相シフトマスク（alternating phase shift mask:Alt-PSM）を用いた場合とで比較を行なった。
【０１１４】
図３４と図３５とは、レンズ収差がない場合の本実施の形態の技術とレベンソン型位相シフトマスクを用いた場合との各ＣＤ−Ｆｏｃｕｓ特性を示す図である。また図３６および図３７は、レンズ収差がある場合の本実施の形態の技術とレベンソン型位相シフトマスクを用いた場合とのＣＤ−Ｆｏｃｕｓ特性を示す図である。なお、収差は低次球面収差で０．０５λの大きさを仮定している。
【０１１５】
図３５および図３７から、レベンソン型位相シフトマスクを用いた場合には、収差によって像の線幅がフォーカスの変動とともに著しく変動する特性となっており、ＣＤ−Ｆｏｃｕｓ特性が大きく劣化することがわかる。これに対して、図３４および図３６から、本実施の形態の技術によれば、レンズ収差がある場合でも像の線幅はフォーカスの変動による変化量は少なく、ＣＤ−Ｆｏｃｕｓ特性の劣化はほとんどないことがわかる。
【０１１６】
（実施の形態４）
本実施の形態においては、図１および図２のフォトマスク５を過露光することにより実際のパターンを形成する方法について説明する。
【０１１７】
図３８（ａ）は、ＳＲＡＭ（static random access memory）のメモリセルを構成する各トランジスタのゲートパターンを示す平面図である。また図３８（ｂ）および（ｃ）は、図３８（ａ）のパターンを形成するために用いる第１および第２のフォトマスクのパターンを示す概略平面図である。
【０１１８】
また図３９は図３８（ａ）のＸＸＸＩＸ−ＸＸＸＩＸ線に沿う概略断面図であり、図４０は図３８（ｂ）のＸＬ−ＸＬ線に沿う概略断面図であり、図４１は図３８（ｃ）のＸＬＩ−ＸＬＩ線に沿う概略断面図である。
【０１１９】
まず図３８（ｂ）、（ｃ）に示す第１および第２のフォトマスク５、５５のパターンの設計方法について説明する。
【０１２０】
図３８（ａ）に示す設計パターンから微細線部分のみが抽出される。この抽出された微細線部分の線幅が拡大される。このとき、微細線部分の両側に、０．３５＜Ｗ１／（λ／ＮＡ）＜０．６５の寸法を付加して拡大させる。この拡大された線幅を有するパターンの中央部から０．３５＜Ｗ２／（λ／ＮＡ）の関係を満たす寸法Ｗ２を減ずることにより、図３８（ｂ）に示す２本組の光透過用開口パターン２ａが設計される。
【０１２１】
このため、第１のフォトマスク５は、図４０に示すように２本組の光透過用開口パターン２ａを複数個有する遮光膜（もしくは半透過遮光膜）２が透明基板１上に形成された構成を有する。
【０１２２】
さらに図３８（ａ）に示す設計パターンに、上述した０．３５＜Ｗ１／（λ／ＮＡ）＜０．６５の関係を満たす線幅Ｗ１の２本組のパターンを付すことによって図３８（ｃ）に示す遮光パターン５２が設計される。
【０１２３】
このため、第２のフォトマスク５５は、図４１に示すように上述した遮光パターンを構成する遮光膜５２が透明基板５１上に形成された構成を有している。
【０１２４】
次にこれら第１および第２のフォトマスク５、５５を用いたゲートパターンの形成方法について説明する。
【０１２５】
図４２〜図４６はゲートパターンの製造方法を工程順に示す図３９の断面に対応した概略断面図である。図４２を参照して、シリコンなどよりなる半導体基板１０１上に、ゲート絶縁膜となる絶縁層１０２が形成される。この絶縁層１０２上にゲート電極となる導電層１０３が形成される。この導電層１０３上にたとえばポジ型のフォトレジスト１１１が塗布される。なお、絶縁層１０２はたとえばシリコン酸化膜よりなり、導電層１０３はたとえば不純物がドープされた多結晶シリコン膜よりなっている。
【０１２６】
このフォトレジスト１１１が、図３８（ｂ）に示す第１のフォトマスク５を用いて第１の露光を施された後に現像される。この第１の露光の際には、通常の露光よりも露光量を大きくした過露光により露光が行なわれる。この過露光とは、実施の形態１で説明したようにフォトレジスト１１１を露光する際の露光量、すなわち十分大きい透過開口を有するパターンへの露光エネルギが、露光によりフォトレジスト１１１が現像液に対して不溶解性から溶解性になる境界の露光エネルギの４倍以上２０倍以下である。
【０１２７】
これにより、フォトレジスト１１１に、２本組の光透過用開口パターンに対応した微細開口パターン１１１ａが形成される。
【０１２８】
図４３を参照して、パターニングされたフォトレジスト１１１をマスクとしてその下層の導電層１０３および絶縁層１０２が順にエッチングされて、開口パターン１０３ａが形成される。この後、フォトレジスト１１１はたとえばアッシングなどにより除去される。
【０１２９】
図４４を参照して、このアッシングなどにより、導電層１０３の上面が露出する。
【０１３０】
図４５を参照して、表面全面にたとえばポジ型のフォトレジスト１１２が塗布された後、図３８（ｃ）に示す第２のフォトマスク５５を用いてフォトレジスト１１２が第２の露光を施された後に現像される。これにより、フォトレジスト１１２は、２本組の開口パターン１０３ａおよびその間に挟まれる部分上を覆うように残存される。このフォトレジスト１１２のパターンをマスクとして導電層１０３および絶縁層１０２が除去される。
【０１３１】
図４６を参照して、これにより、フォトレジスト１１２のパターンが形成されていない領域では半導体基板１０１の表面が露出する。この後、フォトレジスト１１２のパターンがたとえばアッシングなどにより除去されることで、図３８（ａ）および図３９に示す導電層１０３よりなるゲートパターンが形成される。
【０１３２】
なお、上記の第１の露光は、フォトレジスト１１１が現像されるまでに複数回行われても良い。また上記の第２の露光は、フォトレジスト１１２が現像されるまでに複数回行われても良い。
【０１３３】
また上記においては、フォトレジストのパターンを用いて直接ゲートパターンとなる導電層をパターニングにする場合について説明したが、ハードマスクを用いてゲートパターンとなる導電層をパターニングしてもよい。以下、そのことを説明する。
【０１３４】
図４７および図４８は、ハードマスクを用いてゲートパターンを形成する方法を工程順に示す概略断面図である。まず、上述した図４２〜図４６の方法により、ゲートパターンの代わりに、図４７に示すようにハードマスクパターン１２１が形成される。このハードマスクパターン１２１をマスクとしてその下層にあるゲート電極となる導電層１２２がエッチングされる。
【０１３５】
図４８を参照して、このエッチングにより、導電層１２２がパターニングされてゲートパターンが形成される。
【０１３６】
なお、ゲートパターンとなる導電層１２２の下のゲート絶縁層となる絶縁層は、説明の便宜上省略している。
【０１３７】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【０１３８】
【発明の効果】
本発明の半導体装置の製造方法によれば、微細パターンを大きなプロセス裕度で精度良く形成することができる。また複雑な微細パターンを被加工膜に精度良く転写することができる。また被加工膜をハードマスクとして、その下層をパターニングすることができる。
上記の半導体装置の製造方法において好ましくは、第１のフォトレジストを露光する際の、十分大きいマスク開口を持つパターンに与えられるエネルギで定義される露光量は、露光により第１のフォトレジストが現像液に対して溶解性から不溶解性になる露光エネルギ（境界の露光量）または不溶解性から溶解性になる露光エネルギ（境界の露光量）の４倍以上２０倍以下である。これにより、２本組の光透過用開口パターンを有する第１のフォトマスクを介して、通常の露光よりも露光量を大きくした、いわゆる過露光により、第１のフォトレジストが露光される。これにより、フォーカスがある程度変化してもパターン寸法の変動の小さい微細なパターンを形成することができる。また、一定の結像性能を維持できる焦点範囲である焦点深度を大きくすることができる。よって、補助パターン法や位相シフトマスクを用いずに微細パターンを大きなプロセス裕度で精度良く形成することができる。
【０１４０】
上記の半導体装置の製造方法において好ましくは、第１の露光は変形照明により行なわれる。これにより、さらに解像度と焦点深度を向上させることができる。
【０１４１】
上記の半導体装置の製造方法において好ましくは、変形照明は照明光学系に輪帯照明絞りを用いて行なわれる。これにより、解像度と焦点深度を向上させることができる。
【０１４２】
上記の半導体装置の製造方法において好ましくは、変形照明は照明光学系に４重極照明絞りを用いて行なわれる。これにより、解像度と焦点深度を向上させることができる。
【０１４３】
上記の半導体装置の製造方法において好ましくは、第１のフォトマスクは、２本組の光透過用開口パターンを有する半透過遮光膜を備えたハーフトーン型の位相シフトマスクである。半透過遮光膜は、半透過遮光膜を透過した後の露光光の位相が２本組の光透過用開口パターンを透過した後の露光光の位相と１８０度異なった位相となるように、かつ半透過遮光膜を透過した後の露光光の強度が２本組の光透過用開口パターンを透過した後の露光光の強度よりも小さくなるような材質よりなっている。このようにハーフトーン型位相シフトマスクを用いることにより、さらに加工限界を高めることができる。
【０１４４】
上記の半導体装置の製造方法において好ましくは、半透過遮光膜の露光光の透過率が２％以上１０％以下である。これにより、位相シフトマスクの効果を効果的に発揮することができる。
【０１４５】
上記の半導体装置の製造方法において好ましくは、輪帯照明絞りを用いた露光において、非回折照明光のウエハへの最大入射角の正弦ａと投影光学系の最大入射光線角度の正弦Ｒとの比（ａ／Ｒ）が、０．６以上０．９以下である。これにより、良好な解像性を得ることができる。
【０１４６】
上記の半導体装置の製造方法において好ましくは、輪帯照明絞りを用いた露光において、照明光の最小入射角の正弦ｂが照明光の最大入射角の正弦ａの１／２以上である。これにより、良好な解像性を得ることができる。
【０１４７】
上記の半導体装置の製造方法において好ましくは、４重極照明絞りを用いた露光において、非回折照明光のウエハへの最大入射角の正弦ａと投影光学系の最大入射光線角度の正弦Ｒとの比（ａ／Ｒ）が、０．６以上０．９以下である。これにより、良好な解像性を得ることができる。
【０１４８】
上記の半導体装置の製造方法において好ましくは、４重極照明絞りを用いた露光において、非回折照明光のウエハへの最小入射角の正弦ｂと投影光学系の最大入射光線角度の正弦Ｒとの比（ｂ／Ｒ）が、０．３以上である。これにより、良好な解像性を得ることができる。
【０１５１】
上記の半導体装置の製造方法において好ましくは、２本組の光透過用開口パターンと他の光透過用開口パターンとの間隔Ｗ３は、０．７０＜Ｗ３／（λ／ＮＡ）の関係を満たす。このように他の光透過用開口パターンとの間隔Ｗ３を保つことにより、微細パターンを大きなプロセス裕度で精度良く形成することができる。
【０１５２】
上記の半導体装置の製造方法において好ましくは、２本組の光透過用開口パターンの各々の長さＬは、１．３＜Ｌ／（λ／ＮＡ）の関係を満たす。このような長さＬの光透過用開口パターンにおいては、微細パターンを大きなプロセス裕度で精度良く形成することができる。
【０１５５】
上記の半導体装置の製造方法において好ましくは、第１の被加工膜の材質はシリコン酸化膜を含み、第２の被加工膜の材質は多結晶シリコンを含む。このように第１および第２の被加工膜の材質を選択することができる。
【０１５６】
上記の半導体装置の製造方法において好ましくは、第１のフォトレジストを現像する前に第１の露光が複数回行なわれる。これにより、複雑なパターンにも対応することができる。
【０１５７】
上記の半導体装置の製造方法において好ましくは、第２のフォトレジストを現像する前に第２の露光が複数回行なわれる。これにより、複雑なパターンにも対応することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施の形態１におけるフォトマスクの構成を概略的に示す平面図である。
【図２】 図１のＩＩ−ＩＩ線に沿う概略断面図である。
【図３】 本発明の実施の形態１におけるフォトマスクを用いた半導体装置のパターンの形成方法を説明するための図である。
【図４】 フォトマスクのパターン（ａ）と相対光学像強度分布（ｂ）との関係を示す図である。
【図５】 露光エネルギが小さい場合の露光エネルギ分布（ａ）とレジストパターン（ｂ）との関係を示す図である。
【図６】 露光エネルギが大きい場合の露光エネルギ分布（ａ）とレジストパターン（ｂ）との関係を示す図である。
【図７】 通常照明を説明するための図である。
【図８】 変形照明を説明するための図である。
【図９】 輪帯照明絞りの構成を示す平面図である。
【図１０】 ４重極照明絞りの構成を示す平面図である。
【図１１】 ２重極照明絞りの構成を示す平面図である。
【図１２】 本発明の実施の形態１におけるフォトマスクをハーフトーン型位相シフトマスクとした場合の構成（ａ）および透過光の強度分布（ｂ）を示す図である。
【図１３】 変形照明における各部の定義を説明するための図である。
【図１４】 本発明の実施の形態１におけるフォトマスクを過露光した場合の相対光学像強度分布を示す図である。
【図１５】 図１４の太線四角で囲んだ部分の拡大図である。
【図１６】 本発明の実施の形態１におけるフォトマスクを過露光した場合のＣＤ値とフォーカスオフセットとの関係を示す図である。
【図１７】 本発明の実施の形態１におけるフォトマスクを過露光した場合にフォーカスオフセットと露光量とを変えたときのレジストパターンの上面を撮影したＳＥＭ写真である。
【図１８】 レジストの線幅とフォーカスオフセットとの関係を示す図である。
【図１９】 ０．１８μｍＬ／Ｓにおける相対光学像強度分布を示す図である。
【図２０】 ０．１８μｍ幅の孤立暗線における相対光学像強度分布を示す図である。
【図２１】 ０．１８μｍ幅の孤立明線における相対光学像強度分布を示す図である。
【図２２】 ０．１８μｍＬ／ＳにおけるＣＤ値とフォーカスオフセットとの関係を示す図である。
【図２３】 ０．１８μｍ幅の孤立暗線におけるＣＤ値とフォーカスオフセットとの関係を示す図である。
【図２４】 ０．１８μｍ幅の孤立明線におけるＣＤ値とフォーカスオフセットとの関係を示す図である。
【図２５】 本発明の実施の形態１におけるフォトマスクの寸法Ｗ２を変えたときのＣＤ値とフォーカスオフセットとの関係を示す図である。
【図２６】 本発明の実施の形態１におけるフォトマスクの寸法Ｗ３を変えたときのＣＤ値とフォーカスオフセットとの関係を示す図である。
【図２７】 本発明の実施の形態１におけるフォトマスクの寸法Ｗ１を変えたときのＣＤ値とフォーカスオフセットとの関係を示す図である。
【図２８】 本発明の実施の形態２におけるフォトマスクを通常照明を用いて露光した場合の相対光学像強度分布を示す図である。
【図２９】 本発明の実施の形態２におけるフォトマスクを通常照明を用いて露光したときのＣＤ値とフォーカスオフセットとの関係を示す図である。
【図３０】 本発明の実施の形態３におけるハーフトーン型位相シフトマスクを用いて露光を行なったときの相対光学像強度分布を示す図である。
【図３１】 ２値マスクとハーフトーン型位相シフトマスクとにおいて、像幅と相対的露光量との関係を示す図である。
【図３２】 ２値マスクとハーフトーン型位相シフトマスクとにおいて、像幅とマスクの線幅との関係を示す図である。
【図３３】 本発明の実施の形態３におけるフォトマスクを用いて露光したときの暗線像の線幅とマスクの線幅との関係を示す図である。
【図３４】 レンズ収差がない場合の本発明の実施の形態３におけるフォトマスクを用いて露光したときの像の線幅とフォーカスオフセットとの関係を示す図である。
【図３５】 レンズ収差がない場合のレベンソン型位相シフトマスクを用いて露光したときの像の線幅とフォーカスオフセットとの関係を示す図である。
【図３６】 レンズ収差がある場合の本発明の実施の形態３におけるフォトマスクを用いて露光したときの像の線幅とフォーカスオフセットとの関係を示す図である。
【図３７】 レンズ収差がある場合のレベンソン型位相シフトマスクを用いて露光したときの像の線幅とフォーカスオフセットとの関係を示す図である。
【図３８】 ＳＲＡＭのゲートパターンを示す平面図（ａ）、第１のフォトマスクの平面図（ｂ）、および第２のフォトマスクの平面図（ｃ）である。
【図３９】 図３８（ａ）のＸＸＸＩＸ−ＸＸＸＩＸ線に沿う概略断面図である。
【図４０】 図３８（ｂ）のＸＬ−ＸＬ線に沿う概略断面図である。
【図４１】 図３８（ｃ）のＸＬＩ−ＸＬＩ線に沿う概略断面図である。
【図４２】 本発明の実施の形態４におけるフォトマスクを用いたパターンの形成方法の第１工程を示す概略断面図である。
【図４３】 本発明の実施の形態４におけるフォトマスクを用いたパターンの形成方法の第２工程を示す概略断面図である。
【図４４】 本発明の実施の形態４におけるフォトマスクを用いたパターンの形成方法の第３工程を示す概略断面図である。
【図４５】 本発明の実施の形態４におけるフォトマスクを用いたパターンの形成方法の第４工程を示す概略断面図である。
【図４６】 本発明の実施の形態４におけるフォトマスクを用いたパターンの形成方法の第５工程を示す概略断面図である。
【図４７】 ハードマスクを用いたパターンの形成方法の第１工程を示す概略断面図である。
【図４８】 ハードマスクを用いたパターンの形成方法の第２工程を示す概略断面図である。
【符号の説明】
１ 基板、２ 遮光膜、２ａ 光透過用開口部、２ｂ 十分大きい開口パターン、５，５５ フォトマスク、１４ 絞り、１４ａ 透過部、２１ ウエハ、２１ａ，１０１ 半導体基板、２１ｂ，１１１，１１２ フォトレジスト、５１ 透明基板、５２ 遮光膜、１０２ 絶縁層、１０３，１２２ 導電層、１０３ａ開口パターン、１１１ａ微細開口パターン、１２１ ハードマスクパターン。
Claims (17)
- 実質的に同一の線幅で互いに間隔を持って並走しかつ他の光透過用開口パターンから孤立した２本組の光透過用開口パターンを有する第１のフォトマスクを介して投影露光法によりウエハ表面の第１のフォトレジストを露光する第１の露光工程を備え、
前記２本組の光透過用開口パターンの各々の線幅Ｗ１は、露光光の波長をλとし、投影光学系の開口数をＮＡとしたとき、０．３５＜Ｗ１／（λ／ＮＡ）＜０．６５の関係を満たし、
前記２本組の光透過用開口パターンの間隔Ｗ２は、露光光の波長をλとし、投影光学系の開口数をＮＡとしたとき、０．３５＜Ｗ２／（λ／ＮＡ）の関係を満たし、
露光された前記第１のフォトレジストを現像することでパターニングする工程と、
パターニングされた前記第１のフォトレジストをマスクとして前記第１のフォトレジスト下の第１の被加工膜を加工する工程と、
前記第１のフォトレジストを除去した後、第２のフォトレジストを塗布する工程と、
前記２本組の光透過用開口パターンに挟まれる領域以外のその他の領域に対応する前記第２のフォトレジストの領域を露光する第２の露光工程と、
露光された前記第２のフォトレジストを現像することでパターニングする工程と、
パターニングされた前記第２のフォトレジストをマスクとして前記第２のフォトレジスト下の前記第１の被加工膜を加工する工程と、
前記第１および第２のフォトレジストをフォトマスクとして加工された前記第１の被加工膜をマスクとして、前記第１の被加工膜下の第２の被加工膜をパターニングする工程とをさらに備えた、半導体装置の製造方法。 - 前記第１のフォトレジストを露光する際の、十分大きいマスク開口を持つパターンに与えられるエネルギで定義される露光量は、露光により前記第１のフォトレジストが現像液に対して溶解性から不溶解性になる露光エネルギまたは不溶解性から溶
解性になる露光エネルギの４倍以上２０倍以下である、請求項１に記載の半導体装置の製造方法。 - 前記第１の露光を変形照明により行なう、請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記変形照明は照明光学系に輪帯照明絞りを用いて行なわれる、請求項３に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記変形照明は照明光学系に４重極照明絞りを用いて行なわれる、請求項３に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記第１のフォトマスクは、前記２本組の光透過用開口パターンを有する半透過遮光膜を備えたハーフトーン型の位相シフトマスクであり、
前記半透過遮光膜は、前記半透過遮光膜を透過した後の露光光の位相が前記２本組の光透過用開口パターンを透過した後の露光光の位相と１８０度異なった位相となるように、かつ前記半透過遮光膜を透過した後の露光光の強度が前記２本組の光透過用開口パターンを透過した後の露光光の強度よりも小さくなるような材質よりなる、請求項１に記載の半導体装置の製造方法。 - 前記半透過遮光膜の露光光の透過率が２％以上１０％以下である、請求項６に記載の半導体装置の製造方法。
- 輪帯照明絞りを用いた露光において、照明光学系により形成される照明光の前記第１のフォトマスクへの最大入射角の正弦ａと投影光学系によるウエハ上への結像での最大入射光線角度の正弦Ｒとの比（ａ／Ｒ）に投射光学系の縮小倍率ｒを掛けたもの（ｒ×ａ／Ｒ）が、０．６以上０．９以下である、請求項４に記載の半導体装置の製造方法。
- 輪帯照明絞りを用いた露光において、照明光学系により形成される照明光の前記第１のフォトマスクへの最小入射角の正弦ｂが最大入射角の正弦ａの１／２以上である、請求項４に記載の半導体装置の製造方法。
- ４重極照明絞りを用いた露光において、照明光学系により形成される照明光の前記第１のフォトマスクへの最大入射角の正弦ａと投影光学系によるウエハ上への結像での最大入射光線角度の正弦Ｒとの比（ａ／Ｒ）に投射光学系の縮小倍率ｒを掛けたもの（ｒ×ａ／Ｒ）が、０．６以上０．９以下である、請求項５に記載の半導体装置の製造方法。
- ４重極照明絞りを用いた露光において、照明光学系により形成される照明光の前記第１のフォトマスクへの最小入射角の正弦ｂと投影光学系によるウエハ上への結像での最大入射光線角度の正弦Ｒとの比（ｂ／Ｒ）に投射光学系の縮小倍率ｒを掛けたもの（ｒ×ｂ／Ｒ）が、０．３以上である、請求項５に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記２本組の光透過用開口パターンと前記他の光透過用開口パターンとの間隔Ｗ３は、０．７０＜Ｗ３／（λ／ＮＡ）の関係を満たす、請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記２本組の光透過用開口パターンの各々の長さＬは、１．３＜Ｌ／（λ／ＮＡ）の関係を満たす、請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記第１の被加工膜の材質はシリコン酸化膜を含み、前記第２の被加工膜の材質は多結晶シリコンを含む、請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記第１のフォトレジストを現像する前に前記第１の露光を複数回行なう、請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記第２のフォトレジストを現像する前に前記第２の露光を複数回行なう、請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
- 請求項１に記載の半導体装置の製造方法により製造される半導体装置。
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