(57)【要約】【課題】高精度な微細パターンを安定的に形成できるようにする。【解決手段】基板１上の被加工層４の表面に薄膜５を形成し、リソグラフィ工程（レジスト塗布、パターン露光、現像等）により薄膜５の表面に第１のパターン６を形成する。この第１のパターン６は被加工層４に最終的に形成すべき開口パターンにダミーパターンを付加した周期密集パターンであり、露光時にこれに最適な変形照明等の超解像技術を用いる。次に、第１のパターン６をマスクとして薄膜５をエッチングし、第１のパターン６を除去する。その後、薄膜５の表面にリソグラフィ工程により所望のパターンを包含する第２のパターン１１を形成する。最後に、薄膜５と第２のパターン１１とをマスクとして被加工層４をエッチングすることにより、被加工層４に所望のパターン１６を形成する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上の被加工層に所望のパターンを形成するパターン形成方法であって、
前記被加工層より上層に第１の薄膜を形成する第１工程と、
前記第１の薄膜より上層に第１のフォトレジスト層を形成し、前記第１のフォトレジスト層に、前記所望のパターンに対応する第１パターン要素と該第１パターン要素の周囲に配置された複数の補助パターン要素とを備える第１のパターン、あるいは前記第１パターン要素を包含する大きさで形成される第２パターン要素を備える第２のパターンのいずれか一方のパターンを形成する第２工程と、
前記第１のフォトレジスト層に形成された前記いずれか一方のパターンを用いて、前記第１の薄膜に前記いずれか一方のパターンを形成する第３工程と、
前記第１の薄膜の上層に第２のフォトレジスト層を形成し、前記第２のフォトレジスト層に、前記第１のパターンあるいは前記第２のパターンのいずれか他方のパターンを形成する第４工程と、
前記第３工程で形成された前記いずれか一方のパターンと、前記第４工程で形成された前記いずれか他方のパターンとを用いて、前記被加工層に前記所望のパターンを形成する第５工程とを含むことを特徴とするパターン形成方法。
【請求項２】
前記被加工層と前記第１の薄膜とは、エッチング特性の異なる膜であることを特徴とする請求項１に記載のパターン形成方法。
【請求項３】
前記第４工程における前記いずれか他方のパターンが形成された第２のフォトレジスト層は、前記第２工程における前記いずれか一方のパターンが形成された第１のフォトレジスト層が除去された後に、前記第１の薄膜の上に新たに形成されることを特徴とする請求項１または２に記載のパターン形成方法。
【請求項４】
前記被加工層は、二酸化珪素、リンを含有する二酸化珪素、ホウ素を含有する二酸化珪素、またはリンおよびホウ素を含有する二酸化珪素であることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載のパターン形成方法。
【請求項５】
前記第２パターン要素は、前記第１パターン要素を複数個包含する大きさを有することを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載のパターン形成方法。
【請求項６】
前記第１のパターンは、隣接する前記第１パターン要素と前記補助パターン要素との間、あるいは、さらに複数個の前記補助パターン要素のうち隣接するパターン間の透過光の位相を相互にずらす位相シフトマスクを用いることによって形成されることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載のパターン形成方法。
【請求項７】
前記位相シフトマスクを照明する際に、コヒーレンスファクターが、０．３以下の照明光を使用することを特徴とする請求項６に記載のパターン形成方法。
【請求項８】
前記第１のパターンが形成されたマスクは、前記第１パターン要素と前記補助パターン要素との配列条件に応じて設定された照明条件のもとで、照明されることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載のパターン形成方法。
【請求項９】
前記第１工程と前記第２工程との間で、前記第１の薄膜より上層に第２の薄膜を形成する工程をさらに含み、
前記第３工程は、前記第２工程において前記第１のフォトレジスト層に形成された前記いずれか一方のパターンを用いて、前記第２の薄膜に前記いずれか一方のパターンを形成する工程と、前記いずれか一方のパターンが形成された前記第２の薄膜を用いて、前記第１の薄膜に前記いずれか一方のパターンを形成する工程とを含むことを特徴とする請求項１から８のいずれか一項に記載のパターン形成方法。
【請求項１０】
前記第１の薄膜が、窒化珪素よりなることを特徴とする請求項１から９のいずれか一項に記載のパターン形成方法。
【請求項１１】
前記第１の薄膜が、有機物を含有する二酸化珪素よりなることを特徴とする請求項１から９のいずれか一項に記載のパターン形成方法。
【請求項１２】
前記第１の薄膜が有機物を含有する二酸化珪素よりなるとともに、前記第２の薄膜が二酸化珪素よりなることを特徴とする請求項９に記載のパターン形成方法。
【請求項１３】
前記第３工程と前記第４工程との間に、前記第１の薄膜より上層に第３の薄膜を形成する工程を含むことを特徴とする請求項１から１２のいずれか一項に記載のパターン形成方法。
【請求項１４】
前記第３の薄膜を形成する工程は、前記第３の薄膜の表面を平坦化する工程を含むことを特徴とする請求項１３に記載のパターン形成方法。
【請求項１５】
前記第３の薄膜は、二酸化珪素を主成分とする膜であることを特徴とする請求項１３または１４に記載のパターン形成方法。
【請求項１６】
前記請求項１〜１５のいずれか一項に記載のパターン形成方法を用いることを特徴とする電子デバイス製造方法。
【請求項１７】
前記請求項１６に記載の電子デバイス製造方法を用いて製造することを特徴とする電子デバイス。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体集積回路や液晶ディスプレイ等の電子デバイスの製造技術に関し、特に、当該電子デバイスの製造に用いられる微細パターンの形成技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体集積回路、液晶ディスプレイ等の電子デバイスを製造するための微細パターンの形成に際しては、形成すべきパターンを４〜５倍程度に比例拡大して描画した、レチクル（マスクまたはフォトマスクとも呼ぶ）上のパターンを投影露光装置を用いて、ウエハ等の感光基板上に縮小露光転写する方法が用いられている。
【０００３】
はじめにウエハ上には、回路パターンを形成すべき薄膜が形成され、その上にフォトレジスト（感光膜）が形成される。投影露光装置によって、ウエハのフォトレジスト上は、レチクルパターンの投影像に応じて感光される。次いで、現像により、フォトレジストの感光部（又は非感光部）が選択的に除去され、レチクルパターンは、フォトレジストに転写される。このフォトレジストパターンをマスク（基板をエッチングする際にエッチングを妨げる物体であり、上述したように、形成すべきパターンが描画されたレチクルと同義のマスクとは異なる）として、下層の薄膜をエッチングすることにより下層の薄膜をパターニングし、レチクル上のパターンと相似形状のパターンが、薄膜上に転写される。これらの一連の工程は、リソグラフィー工程と呼ばれている。
【０００４】
ところで、レチクル上のパターンの転写に使用する投影露光装置は、半導体集積回路の微細化の要請に対応するために、その露光波長を、より短波長側にシフトしてきた。現在、その波長はＫｒＦエキシマレーザー（波長２４８ｎｍ）が主流となっているが、より短波長のＡｒＦエキシマレーザー（波長１９３ｎｍ）も実用化段階に入りつつある。そして、さらに短波長のＦ２（フッ素）レーザー（波長１５７ｎｍ）やＡｒ２（アルゴン分子）レーザー（波長１２６ｎｍ）等の、いわゆる真空紫外域と呼ばれる波長帯の光源を使用する投影露光装置の提案も行われている。
【０００５】
一方、短波長化のみでなく、光学系の大開口数（ＮＡ）化によっても高解像度化は可能であるので、光学系のより一層の大ＮＡ化開発もなされている。この場合、光学系の露光視野（露光フィールド）が小さい方が大ＮＡ化に有利であるので、光学系自体の視野を小さくし、代わりに露光中に、マスクとウエハを相対走査して実質的に大視野を確保するスキャン型の露光装置も実用化されている。
【０００６】
現在の大規模半導体集積回路（ＬＳＩ）は、微細パターンを２０〜３０層に渡って積み重ねることにより製造される。ＬＳＩが設計通りに動作するには、各層間で、所望部分では電気的に導通し、それ以外の部分では絶縁する必要がある。従って、ＬＳＩの各配線層（配線パターンの形成された層）の間には、絶縁膜が形成され、その絶縁膜の所定の箇所には、その上層と下層の配線パターンの間を電気的に接続するための電極（プラグ）が埋め込まれたホールパターンが形成される。このようなホールパターンは、ＬＳＩの高性能化のために、近接して配置する必要もあれば孤立して配置する必要もある。
【０００７】
なお、露光装置での露光に際して使用するフォトレジストは、現像後に、光が照射された部分が溶解するポジ型と、光が照射されなかった部分が溶解するネガ型とがあるが、一般的にポジ型の方が高解像度である。このため、ホールパターンのような微小開口パターンの形成に際しては、遮光性のバックグラウンド上に透過性の微小開口パターンが描画されたレチクルと、ポジ型のフォトレジストを使用することが一般的である。
【０００８】
この場合、上記レチクル上の微小開口パターンの投影像に応じて、フォトレジストの対応する微小部分が感光され、これが現像されることにより、その感光された微小部分が除去される。そして、このレジスト（レジストパターン）をエッチングマスクとしてエッチングを行うと、その下層の該レジストが除去されている部分に対応する部分のみが掘り込まれ、微小開口が形成される。すなわち、レチクル上の微小開口パターンが、ホールパターンとして、基板上に転写される。
【０００９】
なお、投影露光装置の解像度を一層向上するために、いくつかの解像度向上技術が提案されている。そのうちの１つの技術は、位相シフトレチクルと呼ばれ、レチクル上の透過パターン要素のうち、近接したパターン間の透過光の位相を、相互に１８０度ずらすレチクルを使用して、光の振幅分布の相殺効果により高解像度を達成するものである。また他の技術として、変形照明と呼ばれる、転写すべきパターンの周期性に着目し、この周期に対して最適な方向からレチクルに照明を行うことで高解像化を達成する技術も実用化されている。しかしながら、これらの方法は、１つのパターンの周囲に他のパターンが近接して並ぶ密集パターンに対しては、解像度向上効果及び焦点深度拡大効果が得られるが、孤立的に存在するパターン（孤立パターン）に対しては、その効果は十分ではない。特に、孤立微小開口パターンに対しては、両技術ともに、殆ど効果を得ることができない。
【００１０】
このような孤立微小開口パターンに対しては、ハーフトーンレチクルと呼ばれる、周囲の遮光部が３〜１５％程度の透過率（ハーフトーン）を有し、かつ微小開口パターンからの透過光と周囲のハーフトーン部からの透過光の間に１８０度の位相差を生じさせるようなレチクルを用いることが効果的である。
【００１１】
なお、微小開口パターンに対してハーフトーンレチクルを用いる際には、パターンが孤立であるときには、露光装置の照明光をコヒーレンスファクターの小さな照明とする必要がある。そして、その値としては、σ値として、０．３程度以下（以後小σ照明と呼称する）が望ましい。一方、密集パターンに対しては、コヒーレンスファクターの大きな照明（以後大σ照明と呼称する）、あるいは輪帯照明や変形照明の使用が望ましい。
【００１２】
ホールパターンは、ＬＳＩ回路パターンに含まれるパターン中でも、もっとも形成が難しいパターンである。それは、ホールパターンを形成するためのリソグラフィー工程において、十分な焦点深度や露光量マージンが得にくいためである。
【００１３】
上述したように、ハーフトーンレチクルを使用することで、特定のホールパターンに対して、焦点深度や露光量マージンを改善することは可能であるが、実際のＬＳＩ回路パターンでは、ＬＳＩの高性能化のために、近接して配置されるホールパターンもあれば、孤立して配置されるホールパターンもある。すなわち１回の露光工程において、密集ホールパターンと孤立ホールパターンを共存して形成する必要がある。
【００１４】
一方、投影露光装置でのパターン転写に際して、ハーフトーンレチクルを使用する場合、上述の通り、孤立ホールパターンには小σ照明が適し、密集ホールパターンには変形照明等が適するので、両パターンを同時に含むレチクルを１度の露光で同時に、両者に最適の条件で露光することは難しく、十分な結像性能を得ることができない。
【００１５】
孤立ホールパターンと密集ホールパターンを、２枚のハーフトーンレチクルに分けて描画し、その２枚のハーフトーンレチクルを、それぞれで照明条件を異ならせて重ね合わせ露光（２重露光）する方法も提案されているが、密集ホールパターンと言っても、その周辺のホールパターンは半孤立的であり、変形照明使用下での結像性能は良好ではない。従って、この方法では、全てのホールパターンを十分な結像性能（焦点深度や露光量マージン）で転写し、良好なホールパターンを得ることは困難である。
【００１６】
なお、２００２年３月のＳＰＩＥマイクロリソグラフィ学会（米国）において、このように孤立ホールパターンと密集ホールパターンを同時に含むパターンに対する新規のパターン形成方法が提案されている（ＳＰＩＥ会報Ｖｏｌ．４６８８，ｐ．１１−２４）。この方法は、レチクル上の所望の孤立ホールパターンの周囲と、所望の密集ホールパターンの周辺部のホールパターンの周囲に、ダミーホールパターンを設けて、すべてのホールパターンを密集かつ周期的ホールパターンとして、その転写像の焦点深度を増大するものである。
【００１７】
ただし、これだけでは、回路パターンとして不要なダミーホールパターンも転写されてしまう。そこで、所定のフォトレジスト上に上記のダミーホールパターン付きの周期的ホールパターンを露光転写し、さらに現像した後に、その上に新たなフォトレジストを再塗布する。そして、所望のパターンのみを含み、かつそれらのパターンサイズがやや大きめに描画された別のレチクルを用いて上記新たなフォトレジストを露光することで、この２回の露光に際して、共通して露光された箇所だけに、ホールパターンを形成するというものである。
【００１８】
【非特許文献１】
ビー・ジェー・リン（Ｂ．Ｊ．Ｌｉｎ）著，「セミコンダクター・ファンドリー・リソグラフィー・アンド・パートナーズ（Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  Ｆｏｕｎｄｒｙ   Ｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ，  ａｎｄ  Ｐａｒｔｎｅｒｓ）」，ＳＰＩＥ（写真・光学計測技術者協会）会報，Ｖｏｌ．４６８８（２００２），ｐ．１１−２４
【００１９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した方法では、１度目の露光で使用した所定のフォトレジストが、２度目の露光に使用する新たなフォトレジストの塗布に際して、その溶剤により溶解し、すなわち１度目の露光で形成したパターンを消失する恐れがある上に、１度目の露光で使用した所定のフォトレジストが２度目の露光で感光し、現像によって溶解する可能性もあり、安定性に問題がある。
【００２０】
本発明は、上記課題の解決のためになされたものであり、高精度な微細パターンを安定的に形成することができるパターン形成方法を提供し、高集積かつ高精度な電子デバイスを製造できるようにすることを目的としている。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
以下、この項に示す説明では、本発明を、実施形態を表す図面に示す参照符号に対応付けて説明するが、本発明の各構成要件は、これら参照符号を付した図面に示すものに限定されない。
【００２２】
上述した課題を解決するため、本発明の第１の観点によると、基板（１）上の被加工層（４）に所望のパターン（１６）を形成するパターン形成方法であって、前記被加工層より上層に第１の薄膜（５）を形成する第１工程と、前記第１の薄膜より上層に第１のフォトレジスト層（６）を形成し、前記第１のフォトレジスト層に、前記所望のパターンに対応する第１パターン要素（８Ｃ）と該第１パターン要素の周囲に配置された複数の補助パターン要素（８Ｌ，８Ｒ）とを備える第１のパターン、あるいは前記第１パターン要素を包含する大きさで形成される第２パターン要素（１３）を備える第２のパターンのいずれか一方のパターンを形成する第２工程と、前記第１のフォトレジスト層に形成された前記いずれか一方のパターンを用いて、前記第１の薄膜に前記いずれか一方のパターンを形成する第３工程と、前記第１の薄膜の上層に第２のフォトレジスト層（１１）を形成し、前記第２のフォトレジスト層に、前記第１のパターンあるいは前記第２のパターンのいずれか他方のパターンを形成する第４工程と、前記第３工程で形成された前記いずれか一方のパターンと、前記第４工程で形成された前記いずれか他方のパターンとを用いて、前記被加工層に前記所望のパターンを形成する第５工程とを含むパターン形成方法が提供される。
【００２３】
なお、前記第２工程には、第１の薄膜上に第１のフォトレジスト層を塗布する塗布工程、露光装置を使用し、露光光のもとで、前記いずれか一方のパターンを前記第１のフォトレレジスト層上に露光する工程、前記第１のフォトレジスト層に露光された前記いずれか一方のパターンを現像する工程が含まれる。また、前記第４工程には、第１の薄膜上に第２のフォトレジスト層を塗布する塗布工程、露光装置を使用し、露光光のもとで、前記いずれか他方のパターンを前記第２のフォトレジスト層上に露光する工程、前記第２のフォトレジスト層に露光された前記いずれか他方のパターンを現像する工程が含まれる。
【００２４】
従来技術では、１度目の露光および現像を行ったフォトレジスト上にさらにフォトレジストを塗布して、２度目の露光および現像を行うので、２度目に使用する新たなフォトレジストの塗布に際して、１度目に使用したフォトレジストがその溶剤により溶解し、１度目の露光で形成したパターンを消失する恐れがある上に、１度目の露光で使用したフォトレジストが２度目の露光で感光し、現像によって溶解する可能性があった。これに対し、本発明では、被加工層上の第１の薄膜上に形成された第１のフォトレジスト層にパターンを形成し、該第１のフォトレジスト層のパターンをマスクとして該第１の薄膜にパターンを形成し、その後、該第１の薄膜上に形成した第２のフォトレジスト層にパターンを形成し、第１の薄膜のパターンと第２のフォトレジスト層のパターンをマスクとして、被加工層にパターンを形成するようにしており、従来のようにフォトレジストを重ねて形成することがないので、フォトレジストの重ね塗りに伴う溶解や不要な感光が防止される。従って、高精度な微細パターンを安定的に形成することができるようになる。
【００２５】
本発明において、前記被加工層（４）と前記第１の薄膜（５）は、エッチング特性の異なる膜とすることができる。また、前記第４工程における前記いずれか他方のパターンが形成された第２のフォトレジスト層（１１）は、前記第２工程における前記いずれか一方のパターンが形成された第１のフォトレジスト層（６）が除去された後に、前記第１の薄膜の上に新たに形成される。
【００２６】
本発明において、前記被加工層（４）としては、二酸化珪素、リンを含有する二酸化珪素、ホウ素を含有する二酸化珪素、またはリンおよびホウ素を含有する二酸化珪素を用いることができる。また、前記第２パターン要素は、前記第１パターン要素を複数個包含する大きさを有することができる。
【００２７】
本発明において、前記第１のパターンは、隣接する前記第１パターン要素と前記補助パターン要素との間、あるいは、さらに複数個の前記補助パターン要素のうち隣接するパターン間の透過光の位相を相互にずらす位相シフトマスクを用いることによって形成することができる。この場合において、前記位相シフトマスクを照明する際に、コヒーレンスファクターが、０．３以下の照明光を使用することが望ましい。
【００２８】
あるいは、前記第１のパターンおよび前記第２のパターンのいずれか一方のパターンは、透過部と遮光部からなる通常のレチクルに形成された原版パターン（７Ｃ，７Ｌ，７Ｒ，７Ｔ，７ＴＬ，７ＴＲ，７Ｄ，７ＤＬ，７ＤＲ）を投影露光装置を使用して形成してもよい。
【００２９】
本発明において、前記第１のパターンが形成されたマスク（Ｍ１）を、前記第１パターン要素と前記補助パターン要素との配列条件に応じて設定された照明条件のもとで、照明するようにできる。
【００３０】
本発明において、前記第１工程と前記第２工程との間に、前記第１の薄膜（５）より上層に第２の薄膜（５Ａ）を形成する工程をさらに含み、前記第３工程は、前記第２工程において前記第１のフォトレジスト層（６）に形成された前記いずれか一方のパターンを用いて、前記第２の薄膜に前記いずれか一方のパターンを形成する工程と、前記いずれか一方のパターンが形成された前記第２の薄膜を用いて、前記第１の薄膜に前記いずれか一方のパターンを形成する工程とを含むことができる。
【００３１】
前記第１の薄膜（５）としては、窒化珪素よりなる薄膜または有機物を含有する二酸化珪素よりなる薄膜を用いることができる。前記第１の薄膜（５）が有機物を含有する二酸化珪素よりなる薄膜である場合には、前記第２の薄膜（５Ａ）として二酸化珪素よりなる薄膜を用いることができる。
【００３２】
本発明において、前記第３工程と前記第４工程との間に、前記第１の薄膜（５）より上層に第３の薄膜（７０）を形成する工程を含むことができる。この場合において、前記第３の薄膜を形成する工程は、前記第３の薄膜（７０）の表面を平坦化する工程を含むことができる。前記第３の薄膜としては、二酸化珪素を主成分とする膜を用いることができる。
【００３３】
本発明の第２の観点によると、前記本発明の第１の観点に係るパターン形成方法を用いる電子デバイス製造方法が提供される。
【００３４】
本発明の第３の観点によると、前記本発明の第２の観点に係る電子デバイス製造方法を用いて製造された電子デバイスが提供される。
【００３５】
前記第２および第３の観点に係る発明では、前記第１の観点に係るパターン形成方法を用いているので、高精度な微細パターンを安定的に形成することができるようになり、より高性能で高集積の電子デバイスを製造することができるようになる。
【００３６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面を用いて説明する。
【００３７】
図５は、本発明の実施形態においてパターンの露光転写に用いられる露光装置の概略構成を示す図であり、この露光装置は、ステップ・アンド・スキャン型（走査型）の投影露光装置である。
【００３８】
図５（Ａ）において、３１は光源であり、光源３１から射出された光束（ここでは、ＫｒＦエキシマレーザ光とする）としての照明光（紫外パルス光）３２は、照明光学系３３〜４４との間で光路を位置的にマッチングさせるための可動ミラー等を含む不図示のビームマッチングユニットを介して、照明光学系３３〜４４に入射される。
【００３９】
照明光学系において、照明光３２は、所定の光軸に沿って配置されるリレーレンズ系３３、３４よりなるビーム整形光学系を経て、フライアイレンズ、ロッドインテグレータ（内面反射型インテグレータ）、あるいは回折光学素子等からなる第１インテグレータ３５に入射する。第１インテグレータ３５により照度分布が均一化された照明光３２は、リレーレンズ３６、反射ミラー３７、リレーレンズ３８を経て、さらに照度分布均一性を高めるために、フライアイレンズ等のマイクロレンズアレイからなる第２インテグレータ３９に入射される。
【００４０】
第２インテグレータ３９の射出面、即ちレチクルＭのパターン面に対する光学的なフーリエ変換面（照明系の瞳面又はその近傍）には、照明開口絞り（σ絞り）系が配置されている。開口絞り系は、回転可能に支持された円板状のレボルバ４１およびモータ等の駆動機構４０から構成されている。レボルバ４１には、通常照明用の円形の開口絞り、図５（Ｂ）に示すような小さいコヒーレンスファクタ（σ値）用の小円形の開口絞り４１ｂ、図５（Ｃ）に示すような複数（例えば４極）の偏心した小開口よりなる変形照明用の開口絞り４１ａ、輪帯照明用の開口絞り等が配置されている。主制御系は駆動機構４０を制御し、レボルバ４１を適宜に回転・位置決めして、所望の開口絞りを照明光３２の光路上に設定することにより、基板Ｗ上に転写すべきパターンに応じてレチクルＭの照明条件、即ち、照明光学系の瞳面（レチクルＭのパターン形成面に対するフーリエ変換面）上での照明光の光量分布（第２インテグレータ３９によって形成される２次光源の形状や大きさ等）を変更する。なお、小σ照明用の開口絞り４１ｂを、半径が可変な円形絞り（虹彩絞り）としてもよい。
【００４１】
第２インテグレータ３９から射出されて照明開口絞り系（レボルバ４１）の所定の開口絞りを通過した照明光３２は、不図示の固定スリット板の矩形状のスリットによって整形された後、コンデンサレンズ系４２，４３、反射ミラー４４を介して、照明光４５として照明光学系３３〜４４から射出される。
【００４２】
照明光学系３３〜４４から射出された照明光４５は、レチクルステージ４６に保持されたレチクルＭの回路パターン領域上で固定スリット板のスリットと相似な照明領域を照明し、これによりレチクルＭのスリット状の照明領域内のパターンの像は、投影光学系５０を介して縮小倍率１／α（αは、例えば、５又は４等）で、基板Ｗの表面に投影される。
【００４３】
レチクルステージ４６は、レチクルステージ用のベース４９上で、保持しているレチクルＭをＸＹ平面（投影光学系５０の光軸に沿う方向をＺ軸として、このＺ軸に直交する水平面）内で回転方向及び並進方向に微動して、その姿勢を調整することができる。また、走査方向（Ｙ軸方向とする）に一定速度で往復移動できるようになっている。レチクルステージ４６の上部には移動鏡４７が固定されており、この移動鏡４７に対向してレーザ干渉計４８が配置されている。
【００４４】
レチクルステージ４６の上部に固定された移動鏡４７、及びこれに対向して配置されたレーザ干渉計４８によってレチクルステージ４６のＸ座標、Ｙ座標、及び回転角が計測され、この計測値が主制御系に供給される。主制御系は、その計測値及び各種の制御情報に基づいて、レチクルステージ４６の駆動モータ（リニアモータやボイスコイルモータ等）の動作を制御することにより、その走査速度及び位置を制御する。レチクルＭの回転誤差は、レチクルステージ４６を微少回転することにより補正される。
【００４５】
一方、基板Ｗは、基板ステージ５２に基板ホルダ（不図示）を介して吸着保持されている。基板ステージ５２は、基板ステージ用のベース５４上に配置されており、基板ステージ５２上には、不図示の位置決め用の基準マーク部材や照度分布検出センサ（いわゆる照度ムラセンサ）が固定されている。
【００４６】
基板ステージ５２の上部には移動鏡５４が固定されており、この移動鏡５４に対向してレーザ干渉計５３が配置されている。なお、図１においては、図示を簡略化しているが、移動鏡５４として、基板ステージ５２上においてＸ方向に延びた移動鏡とＹ方向に延びた移動鏡とが設けられており、各々の移動鏡に対向してレーザ干渉計が設けられている。
【００４７】
基板ステージ５２の上部に固定された移動鏡５４、及びこれに対向して配置されたレーザ干渉計５３によって基板ステージ５２のＸ座標、Ｙ座標、及び回転角が計測され、この計測値が主制御系に供給される。主制御系は、その計測値及び各種の制御情報に基づいて、基板ステージ５２の駆動モータ（リニアモータやボイスコイルモータ等）の動作を制御することにより、その走査速度及び位置を制御する。基板Ｗの回転誤差は、基板ステージ５２を微少回転することにより補正される。
【００４８】
また、投影光学系５０の側部には、基板Ｗ上のマークの位置検出を行うために、オフ・アクシス方式で、画像処理方式のアライメントセンサ（アライメント顕微鏡）５１が備えられている。アライメントセンサ５１は、フォトレジストに対して非感光性で広帯域の照明光で被検マークを照明し、被検マークの像をＣＣＤカメラ等の２次元の撮像素子で撮像し、撮像信号を主制御系に供給する。なお、アライメントセンサ５１の検出中心とレチクルＭのパターンの投影像の中心（露光中心）との間隔（ベースライン量）は、基準マーク部材上の所定の基準マークを用いて予め求められて、主制御系内に記憶されている。
【００４９】
さらに、図示は省略するが、投影光学系５０の光軸方向（Ｚ方向）に関する基板Ｗの位置を検出する送光系及び受光系を有する斜入射方式のフォーカスセンサ（多点焦点位置検出系）が設けられている。このフォーカスセンサは、投影光学系５０の視野内でパターンの縮小像が投影される露光領域の内部、及びＹ方向に関する露光領域の両側に設定される複数の計測点にそれぞれ光ビームを照射するとともに、基板Ｗで反射された光をそれぞれ独立に受光して、各計測点における基板ＷのＺ方向の位置を検出するものである。このフォーカスセンサの計測値は主制御系に供給され、主制御系はその計測値に基づいて基板ステージ５２を駆動し、基板Ｗのフォーカス位置（Ｚ方向の位置）、及び傾斜角の制御（フォーカス及びレベリング調整）を行う。これにより、投影光学系５０の露光領域内で投影光学系５０の像面と基板Ｗ上の各ショット領域の表面とがほぼ合致する、即ち、露光領域内でショット領域の表面が投影光学系５０の焦点深度内に設定されることになる。
【００５０】
主制御系は、レチクルステージ４６及び基板ステージ５２のそれぞれの移動位置、移動速度、移動加速度、位置オフセット等の各種情報に基づいて、レチクルステージ４６及び基板ステージ５２を制御する。走査露光時には、レチクルステージ４６と基板ステージ５２とが同期駆動され、照明光学系３３〜４４によって照明光４５が照射される照明領域に対してレチクルＭが走査方向に沿う＋Ｙ方向（又は−Ｙ方向）に速度Ｖｒで移動されるのに同期して、投影光学系５０によって照明光が照射される露光領域（照明領域内のパターン像が形成される投影領域）に対して基板Ｗが−Ｙ方向（又は＋Ｙ方向）に速度（１／α）・Ｖｒ（αは、例えば、５又は４）で移動される。これにより、レチクルＭのパターン領域の全面が照明光で照明されるとともに、基板Ｗ上の１つのショット領域が照明光で走査露光され、そのショット領域にレチクルＭのパターンが転写される。
【００５１】
なお、投影光学系５０は、ここでは屈折系（ジオプトリック系）であるが、反射屈折系（カタジオプトリック系）、又は反射系（カトプトリック系）としてもよい。
【００５２】
また、照明光学系３３〜４４は、気密性の良好な不図示のサブチャンバ内に収容されており、サブチャンバ内は、光路中の光損失を低減するため、温度調節された清浄なドライエアー、又は窒素、ヘリウム等の不活性ガスで置換（パージ）されるようになっている。投影光学系５０の鏡筒内も同様となっている。さらに、照明光学系３３〜４４の一部、投影光学系５０、レチクルステージ４６、基板ステージ５２等を含む露光装置本体部分は、全体を覆う箱状の環境チャンバ内に収容され、環境チャンバ内も温度制御された気体（例えば、窒素）がフロー供給されている。
【００５３】
主制御系は、磁気ディスク装置等の記憶装置（不図示）を有しており、記憶装置に、露光データファイルが格納されている。露光データファイルには、レチクルＭに関する情報やアライメント情報等が記録されている。
【００５４】
次に、本発明によるパターン形成方法の第１の実施形態について、図１〜図４を参照して説明する。
【００５５】
図１（Ａ）〜（Ｅ）は、シリコンウエハ等の基板１上の被加工層としての絶縁膜４に目的とするホールパターン（所望のパターン）１６を形成する過程を段階的に示す断面図である。なお、本実施形態のパターン形成方法が適用される電子デバイスの種類によっては、基板１は、他の半導体基板やガラス基板、プラスチック基板等の他の材料からなる基板とすることができる。
【００５６】
図１（Ａ）に示す通り、基板１上の被加工層としての絶縁膜４より下層には、一般には以前の工程で形成されたパターン２，３が形成されている。ここで、パターン２は、例えば、ＬＳＩ中の電界効果型トランジスタ（ＦＥＴ）を構成するゲートパターンであり、パターン３はゲートパターン２と同じ工程で形成された位置合わせ用のアライメントパターンである。
【００５７】
図４のフローチャートに示す通り、始めに、絶縁膜４を基板１及び基板１に既に形成されたパターン２，３上に一様に形成する（Ｓｔｅｐ１０）。絶縁膜４を電子デバイス中の絶縁層として使用する場合には、その材料は、二酸化珪素（ＳｉＯ２）、二酸化珪素にリンを添加した物質、二酸化珪素にホウ素を添加した物質、あるいは二酸化珪素にリンおよびホウ素を添加した物質で形成することが好ましい。絶縁膜４の形成には、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｏｐｏｓｉｔｉｏｎ）などの成膜方法を用いる。なお、既存のパターン２，３等の厚さ（段差）などが原因で、絶縁膜４の表面にも段差が生じてしまう場合には、絶縁膜４を形成した後に、この表面をＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）やエッチバック等の平坦化処理方法を用いて平坦化することが好ましい。
【００５８】
続いてＳｔｅｐ２０に進み、絶縁膜４より上層に、第１のハードマスク層（第１の薄膜）５を形成する。ハードマスク層とは、一般に、それより下層に形成された膜のエッチング加工に際して、エッチングマスクとして機能する層のことをいう。
【００５９】
なお、この第１のハードマスク層５をハードマスクとして機能させるためには、まず、第１のハードマスク層５自体を、所望の形状にパターニングする必要がある。そのために、この第１のハードマスク層５の形成後（Ｓｔｅｐ２０の後）に、第１のハードマスク層５よりもさらに上層に、第１のハードマスク層５をパターニングするためのエッチングマスクの形成工程（第１のリソグラフィー工程）が必要である。
【００６０】
本実施形態では、このエッチングマスクの形成工程において、第１のハードマスク層５上に、フォトレジスト層（第１の感光膜）を塗布する。すなわち、図４のフローチャートのＳｔｅｐ３０において、図１（Ａ）に示す通り、第１のハードマスク層５の上にフォトレジスト６を塗布し、後述する第１のパターンを形成するためのパターン像８Ｒ，８Ｃ，８Ｌでフォトレジスト層６を露光し、その後、現像を行う。この露光及び現像によりパターニングされたフォトレジスト６を、第１のハードマスク層５のパターニングの際のエッチングマスクとする。なお、この露光処理は、上述した投影露光装置を使用して、レチクルＭ上のパターンの縮小像をフォトレジスト層６に転写することにより行われる。
【００６１】
基板１上に形成されるＬＳＩ等が正確に動作するためには、レチクルＭ上のパターンは、基板１上の既存パターン２，３に対して所定の位置関係で転写される必要がある。このため、図５に示した投影露光装置に付属されたアライメントセンサ５１により基板１上のアライメントパターン（図１（Ａ）〜（Ｅ）中のアライメントパターン３等）の位置が正確に検出され、その位置情報に基づいて、回路パターン（図１（Ａ）〜（Ｅ）中のゲートパターン２等）に対して、所定の位置でレチクルＭ上のパターンを露光転写する。
【００６２】
図２（Ａ）は、フォトレジスト層６に対してパターンを露光転写するために用いられるレチクルＭ１を示している。レチクルＭ１上には、前述した第１のパターンの原版としての主パターン要素７Ｃ、補助パターン要素７Ｌ，７Ｒ，７Ｔ，７ＴＬ，７ＴＲ，７Ｄ，７ＤＬ，７ＤＲが形成されている。
【００６３】
レチクルＭ１はガラス、合成石英、あるいはフッ素を含有する合成石英からなる透明基板であり、その表面のほぼ全面にはクロム等の遮光性の膜Ｓ１が形成されている。その中に、主パターン要素である開口（透過）パターン要素７Ｃ、補助パターン要素である開口（透過）パターン要素７Ｌ，７Ｒ，７Ｔ，７ＴＬ，７ＴＲ，７Ｄ，７ＤＬ，７ＤＲが、所定の大きさＤ１および所定の間隔Ｐをもって周期的に、３×３（＝９個）配置されている。
【００６４】
ただし、これらのパターン要素７Ｃ，７Ｌ，７Ｒ，７Ｔ，７ＴＬ，７ＴＲ，７Ｄ，７ＤＬ，７ＤＲのうち、最終的に絶縁膜４に転写、形成されるべき所望のパターンに対応するパターン要素は、上記パターン配列の中心に存在するパターン７Ｃのみである。そして、その周囲の８個のパターン要素７Ｌ，７Ｒ，７Ｔ，７ＴＬ，７ＴＲ，７Ｄ，７ＤＬ，７ＤＲは、最終的に絶縁膜４に形成されない補助パターン要素である。所望のパターン要素７Ｃは、補助パターン要素７Ｌ，７Ｒ，７Ｔ，７ＴＬ，７ＴＲ，７Ｄ，７ＤＬ，７ＤＲがその近傍に配置されることで、周期的パターンあるいは密集パターンとなる。この結果、本来は孤立パターンである所望のパターン要素７Ｃに対しても、位相シフトレチクルや変形照明といった超解像技術を適用することができ、焦点深度や露光量マージンが増大され、良好な結像性能を得ることができるようになる。
【００６５】
超解像技術として、位相シフトレチクルを採用する場合には、レチクルＭ１を、パターン要素７Ｃ，７Ｌ，７Ｒ，７Ｔ，７ＴＬ，７ＴＲ，７Ｄ，７ＤＬ，７ＤＲのうち、隣り合う補助パターン要素間、あるいは補助パターン要素と主パターン要素７Ｃとの間の透過光の位相を相互に１８０度ずらす位相シフトレチクルとする。これは例えば、レチクルＭ１を構成するガラス基板のうち、１つおきに配列する１つのパターン要素群７Ｌ，７Ｔ，７Ｄ，７Ｒ部分を所定の深さに掘り込んで、他のパターン要素群７ＴＬ，７ＤＬ，７Ｃ，７ＴＲ，７ＤＲからの透過光との間に１８０度の位相差を付けることで製造する。
【００６６】
従来の技術の項で述べた通り、位相シフトレチクルを採用すると、このような密集パターンの結像性能（焦点深度や露光量マージン）を大幅に改善することができる。従って、従来の方法に比べて、より微細なパターンの露光転写が可能になる。
【００６７】
なお、このような位相シフトレチクルの効果を一層引き出すには、この位相シフトレチクルを露光する際の照明光のコヒーレンスファクター（σ値）は、より小さいほうが好ましい。従って、図５（Ａ）に示した露光装置中の照明開口絞り（σ絞り）系のレボルバ４１を回転させて、図５（Ｂ）に示した小σ照明用の開口絞り４１ｂを照明光３２の光路中に挿入する。この場合のσ値（照明光学系の開口数（ＮＡ）と投影光学系の開口数（ＮＡ）の比）は、０．３以下であることが好ましい。
【００６８】
なお、位相シフトレチクルでない、通常のレチクル上に周期的に配置されたパターン要素７Ｃ，７Ｌ，７Ｒ，７Ｔ，７ＴＬ，７ＴＲ，７Ｄ，７ＤＬ，７ＤＲの露光には、超解像技術としての変形照明を適用することもできる。この場合には、図５（Ａ）に示した露光装置中の照明開口絞り（σ絞り）系のレボルバ４１を回転させて、図５（Ｃ）に示した変形照明用の開口絞り４１ａを照明光３２の光路中に挿入する。その際、変形照明用の開口絞り４１ａ中の４つの開口部の位置は、パターン要素の配置の周期Ｐに対して、特開平４−２２５５１４等で開示されるような位置に配置されることが望ましい。さらに、周期的に配置されたパターン要素７Ｃ，７Ｌ，７Ｒ，７Ｔ，７ＴＬ，７ＴＲ，７Ｄ，７ＤＬ，７ＤＲの露光に際して、輪帯照明を使用することもできる。この場合には、図５（Ａ）に示した露光装置中の照明開口絞り（σ絞り）系のレボルバ４１を回転させて、輪帯照明用の開口絞りを照明光３２の光路中に挿入する。
【００６９】
また、上記の通り変形照明や輪帯照明をを使用して、周期的に配置された各パターン要素７Ｃ，７Ｌ，７Ｒ，７Ｔ，７ＴＬ，７ＴＲ，７Ｄ，７ＤＬ，７ＤＲを露光する際には、レチクルＭ１として、そのバックグラウンドＳ１を遮光部ではなく、５〜２０％程度の透過率を有し、かつその透過光の位相が、パターン要素７Ｃ，７Ｌ，７Ｒ，７Ｔ，７ＴＬ，７ＴＲ，７Ｄ，７ＤＬ，７ＤＲからの透過光の位相に対して１８０度ずらす、いわゆるハーフトーンレチクルとすると、結像性能の向上に一層効果的である。
【００７０】
上述のようにして、図５（Ａ）に示した如き露光装置を使用して、図２（Ａ）に示した如き周期的に配置されたパターン要素７Ｃ，７Ｌ，７Ｒ，７Ｔ，７ＴＬ，７ＴＲ，７Ｄ，７ＤＬ，７ＤＲを、図１（Ａ）に示した如く基板１上のフォトレジスト層６に露光転写し、これを現像すると、その感光部分（パターン要素７Ｃ，７Ｌ，７Ｒ，７Ｔ，７ＴＬ，７ＴＲ，７Ｄ，７ＤＬ，７ＤＲが投影された部分）は除去され、フォトレジスト層６上に第１のパターン（９Ｌ，９Ｃ，９Ｒ）が形成される（Ｓｔｅｐ３０）。
【００７１】
続いて、Ｓｔｅｐ４０にて、この第１のパターンが形成されたフォトレジスト層６をエッチングマスクとして、第１のハードマスク層５をエッチングによりパターニングする。図１（Ｂ）は、このエッチングが完了した状態、すなわちＳｔｅｐ４０が完了した状態での基板１の断面図を表す。上記エッチングに際して、第１のハードマスク層５のうち、その表面がフォトレジスト層６で覆われた部分は、フォトレジスト層６で保護（マスク）されるためエッチングされない。一方、第１のハードマスク層５のうち、その表面がフォトレジストで覆われていない部分（フォトレジスト層６が除去された部分であり、図１（Ｂ）ではレジスト除去部９Ｌ，９Ｃ，９Ｒに対応する部分）は、エッチングされ、除去される。これにより、第１のハードマスク層５には除去部１０Ｌ，１０Ｃ，１０Ｒが形成され、即ちパターニングされ、第１のハードマスク層５に第１のパターンと実質的に同じパターンが形成される。
【００７２】
図１（Ｂ）は断面図であるため、３個の除去部１０Ｌ，１０Ｃ，１０Ｒが示されるのみであるが、実際には、図２（Ａ）に示した９個のパターン要素７Ｃ，７Ｌ，７Ｒ，７Ｔ，７ＴＬ，７ＴＲ，７Ｄ，７ＤＬ，７ＤＲに対応する９個の除去部が、第１のハードマスク層５に形成される。
【００７３】
図２（Ｂ）は、図１（Ｂ）に断面図で示した状態（Ｓｔｅｐ４０完了時）の基板１の上面を示している。基板１の表面のほぼ全面は、図中斜線部で示した、第１のハードマスク層５およびフォトレジスト層６の積層構造により覆われている。ただし、図２（Ｂ）中では、フォトレジスト層６と第１のハードマスク層５の位置は、完全に合致するため、簡略化のために、フォトレジスト層６の図示を省略している。
【００７４】
図２（Ｂ）に示す通り、レチクルＭ１上の所望のパターン７Ｃの転写パターンである１０Ｃのみでなく、レチクルＭ１上に補助パターン要素として設けた７Ｌ，７Ｒ，７Ｔ，７ＴＬ，７ＴＲ，７Ｄ，７ＤＬ，７ＤＲの転写パターンも、それぞれパターン１０Ｌ，１０Ｒ，１０Ｔ，１０ＴＬ，１０ＴＲ，１０Ｄ，１０ＤＬ，１０ＤＲとしてハードマスク層５上に転写される。なお、図１（Ｂ）は、図２（Ｂ）中のＡ−Ａ’線に沿って切断した断面図であるため、図２（Ｂ）のＡ−Ａ’線に沿って存在するパターン１０Ｃ，１０Ｌ，１０Ｒが表示されるのみとなっている。
【００７５】
ハードマスク層５上に転写されたパターン１０Ｃ，１０Ｌ，１０Ｒ，１０Ｔ，１０ＴＬ，１０ＴＲ，１０Ｄ，１０ＤＬ，１０ＤＲの配列は、その原版であるレチクルＭ１上パターン７Ｃ，７Ｌ，７Ｒ，７Ｔ，７ＴＬ，７ＴＲ，７Ｄ，７ＤＬ，７ＤＲの配列におおむね等しい。ただし、使用する露光装置が縮小投影型であれば、パターンの大きさＤ１，Ｄ２および間隔Ｐは、その縮小倍率に従って縮小される。また、転写後のパターンの大きさＤ２は、露光時の露光量に応じても変動するので、レチクル上のパターンの大きさＤ１との関係は、必ずしも上記の縮小倍率に従うものではない。
【００７６】
前述の通り、補助パターン要素１０Ｌ，１０Ｒ，１０Ｔ，１０ＴＬ，１０ＴＲ，１０Ｄ，１０ＤＬ，１０ＤＲは、所望のパターン１０Ｃの形成に際して、リソグラフィー工程の結像性能（焦点深度、露光量マージン）の向上のために付設されたものである。また、最終的に形成される電子デバイスには不要なものである。本実施形態においては、これらの補助パターン要素１０Ｌ，１０Ｒ，１０Ｔ，１０ＴＬ，１０ＴＲ，１０Ｄ，１０ＤＬ，１０ＤＲは、ハードマスク層５上には転写されるが、後述する通り、これらの補助パターン要素が、最終的な加工対象である絶縁膜４に形成されることは無い。
【００７７】
なお、第１のハードマスク層５の材料として、例えば窒化珪素（ＳｉＮｘ）を使用することができる。フォトレジスト層６とハードマスク層５を構成する窒化珪素のエッチング特性は異なるので、例えばフッ化窒素（ＮＦ３）を主成分とする反応ガスを使用してドライエッチングを行うことで、フォトレジスト層６をエッチングマスクとして、窒化珪素からなるハードマスク層５をパターニングすることができる。
【００７８】
上記エッチング工程（Ｓｔｅｐ４０）終了後、フォトレジスト層６を、ウエットエッチングや酸素を主成分とするガスによるドライエッチング等で除去する。
【００７９】
続いて、Ｓｔｅｐ５０に進み、第２のリソグラフィー工程を行う。この工程では、図１（Ｃ）に示す通り、第１のパターンがパターニングされた第１のハードマスク層５上へのフォトレジスト層１１（第２の感光膜）の塗布を行い、この上に第２のパターン要素１３を露光転写した後に現像する。第２のパターン要素１３の露光は、上述の第１のリソグラフィー工程と同様に、図５（Ａ）に示した如き投影露光装置を使用して行う。
【００８０】
図３（Ａ）は、第２のリソグラフィー工程で、基板１上に転写すべきパターン原版を含むマスクＭ２を表す図である。マスクＭ２上には、遮光性のあるいはハーフトーンのバックグラウンドＳ２上に、１辺をＤ３とする概ね正方形の透過パターン要素１２が形成されている。第２のリソグラフィー工程では、この透過パターン要素１２を、基板１上の第１のハードマスク層５に形成された除去部１０Ｃ，１０Ｌ，１０Ｒ，１０Ｔ，１０ＴＬ，１０ＴＲ，１０Ｄ，１０ＤＬ，１０ＤＲのうち、所望のパターンである１０Ｃに位置合わせして露光転写する。
【００８１】
図３（Ｂ）は、図３（Ａ）のマスクＭ２上のパターン１２をフォトレジスト層１１に露光転写し、さらに現像した後の基板１の上面図を表す。基板１上に形成された絶縁膜４の表面の全面には、第１のハードマスク層５が形成され、さらにその上層にはフォトレジスト層１１が形成されている。第１のハードマスク層５に形成された第１のパターン中の所望のパターン１０Ｃおよびその近傍に対応する部分には、上述のようにマスクＭ２上のパターン要素１２が転写され、さらに現像することによって、一辺の寸法がＤ４の概略正方形の第２のパターン１４が形成されている。
【００８２】
第２のリソグラフィー工程で形成するパターン１４のサイズ（１辺）Ｄ４は、第１のリソグラフィー工程で形成したパターン９ＣのサイズＤ２に比べて、２倍程度の大きさであるので、それが孤立パターンであっても通常の露光方法によって十分な焦点深度をもって露光することが可能である。従って、マスクＭ２上のパターンを、周期構造とする必要はない。
【００８３】
また、第２のリソグラフィー工程は、位置合わせ精度についても、上述の第１のリソグラフィー工程に比べて、その要求精度は低い。従って、第２のリソグラフィー工程で使用する露光装置は、前述の第１のリソグラフィー工程で使用する露光装置に比べて低解像度のものでもよいので、前世代の露光装置及びその関連装置を使用する等により、コストを低減することも可能である。
【００８４】
続いてＳｔｅｐ６０に進み、フォトレジスト層１１及び第１のハードマスク層５をエッチングマスクとして、絶縁膜４をエッチングによりパターニングする。第２のリソグラフィー工程の完了時には、第１のハードマスク層５に形成されている第１のパターンのうち、補助パターン要素である１０Ｌ，１０Ｒ，１０Ｔ，１０ＴＬ，１０ＴＲ，１０Ｄ，１０ＤＬ，１０ＤＲは、エッチングマスクとなるフォトレジスト層１１に覆われており、Ｓｔｅｐ６０でのエッチングに際して、絶縁膜４のこれらの補助パターン要素１０Ｌ，１０Ｒ，１０Ｔ，１０ＴＬ，１０ＴＲ，１０Ｄ，１０ＤＬ，１０ＤＲに対応する部分がエッチングされることはない。
【００８５】
一方、図１（Ｄ）に示す通り、第１のハードマスク層５上に形成されている所望のパターン１０Ｃの周囲には、それより大きなフォトレジスト層１１の除去部１４が形成されているが、Ｓｔｅｐ６０のエッチングにおいては、フォトレジスト層１１のみでなく、第１のハードマスク層５もエッチングマスクとして機能するため、フォトレジスト層１１の除去部（第２のパターン１４）と、第１のハードマスク層５の除去部として形成されている所望のパターン１０Ｃとの重複部分においてのみ、その下層の絶縁膜４がエッチングされることになる。
【００８６】
すなわち、絶縁膜４は、所望のパターン１０Ｃに対応する部分のみがエッチングされ、図１（Ｄ）に示す通り、所望のパターン１０Ｃがホールパターン（開口パターン）として形成される。
【００８７】
なお、このエッチングに際しては、絶縁膜４が二酸化珪素、リンを含有する二酸化珪素、ホウ素を含有する二酸化珪素、またはリンおよびホウ素を含有する二酸化珪素を主成分とする膜であり、第１のハードマスク層５が、上記に例示した窒化珪素の場合には、一例としてフッ化炭素（ＣＦ４，Ｃ２Ｆ６等）を主成分とする反応ガスでドライエッチングを行うことができる。
【００８８】
Ｓｔｅｐ６０のドライエッチングの終了の後、Ｓｔｅｐ７０に進み、フォトレジスト層１１の除去及び必要に応じて、第１のハードマスク層５の除去を行う。なお、第１のハードマスク層５が窒化珪素である場合には、その比誘電率が高く、その膜が残存した場合に、完成した電子デバイスの動作特性に悪影響を与える恐れがあるので、除去を行った方が望ましい。その除去には、加熱したリン酸系のウエット処理を行うと良い。
【００８９】
以上により、図１（Ｅ）に示す通り、基板１上の絶縁膜４に、孤立した微小なホールパターン（開口パターン）１６を形成することができる。
【００９０】
なお、上述の第１の実施形態においては、第１のリソグラフィー工程におけるフォトレジスト層６を、図１（Ａ）に示した如く単層レジストとしたが、これを多層からなるものとすることもできる。例えば、フォトレジスト層６の下層を反射防止層とすることもできる。あるいは、上記の第１のハードマスク層５とフォトレジスト層６のエッチング特性がほぼ同様である場合に、第１のハードマスク層５とフォトレジスト層６の間に第２のハードマスク層を形成しても良い。
【００９１】
以下、第２のハードマスク層を使用する本発明の第２の実施形態について説明する。
【００９２】
図７のフローチャートに示す通り、本第２の実施形態は、上述の第１の実施形態中の、第１のハードマスク層５の形成（Ｓｔｅｐ２０）と第１のフォトレジスト層６の塗布・露光・現像（Ｓｔｅｐ３０）の間に、第２のハードマスク層５Ａの形成（Ｓｔｅｐ２１）を追加し、第１のフォトレジスト層６の塗布・露光・現像（Ｓｔｅｐ３０）と第１のハードマスク層５のエッチング（Ｓｔｅｐ４０）の間に、第２のハードマスク層５Ａのエッチング（Ｓｔｅｐ３１）を追加したものである。そして、それ以前及び以後の工程は、上述の第１の実施形態と同様である。
【００９３】
図６（Ａ）に示す基板１の断面図の通り、第１のハードマスク層５の上に、Ｓｔｅｐ２１において、第２のハードマスク層５Ａが形成される。そしてＳｔｅｐ３０において、その上にフォトレジスト層６が塗布され、第１のパターンに対応するパターン像８Ｌ，８Ｃ，８Ｒが露光転写される。
【００９４】
これを現像すると、図６（Ｂ）に示す基板１の断面図の通り、フォトレジスト層６の感光部分が除去され、第１のパターン８０Ｌ，８０Ｃ，８０Ｒが形成される。Ｓｔｅｐ３１において、この第１のパターン（レジストパターン）８０Ｌ，８０Ｃ，８０Ｒを用いて、第２のハードマスク層５Ａをエッチングして、パターニングする。引き続き、Ｓｔｅｐ４０において、第２のハードマスク層５Ａをエッチングマスクとして、第１のハードマスク層５をエッチングして、パターニングする（図６（Ｃ）参照）。そして、以降の工程は、上述の第１の実施形態と同様である。
【００９５】
この第２の実施形態では、第１のハードマスク層５の材料として、フォトレジスト層６とその成分が似た材料を使用することが可能になるメリットがある。このような材料の例として、例えばＳｉＯＣと呼ばれる如き有機物を含有する二酸化珪素がある。この材料は比誘電率が低いため、本発明における開口パターンの形成後に、第１のハードマスク層５を除去しなくとも、完成した電子デバイスの動作特性に与える悪影響が少ないというメリットがある。
【００９６】
第１のハードマスク層５の材料として、有機物を含有する二酸化珪素を使用する場合には、第２のハードマスク層５Ａとして例えば二酸化珪素を使用する。この場合、まずフッ化炭素（ＣＦ４，Ｃ２Ｆ６等）を主成分とする反応ガスを使用してドライエッチングを行うことで、フォトレジスト層６をエッチングマスクとして二酸化珪素からなる第２のハードマスク層５Ａをエッチングし、この第２のハードマスク層５Ａをエッチングマスクとして、有機物を含有する二酸化珪素からなる第１のハードマスク層５をエッチングして、パターニングすることになる。
【００９７】
なお、第１のハードマスク層５及び第２のハードマスク５Ａの材料は、上述の例に限定されるものではなく、必要に応じて、各種の材料を選定して使用することができることは言うまでも無い。
【００９８】
上記エッチング工程（Ｓｔｅｐ４０）終了後、フォトレジスト層６や、あるいはさらに第２のハードマスク層５Ａを、ウエットエッチングや酸素ガスによるドライエッチング等で除去する。ただし、第２のハードマスク層５Ａについては、それが二酸化珪素の如く熱的に安定な絶縁材料であるなら、必ずしも除去する必要はない。
【００９９】
第１のハードマスク層５についても、その材料が熱的に不安定であり、以降のプロセス（工程）での高温処理に耐えられない場合には、絶縁膜４のエッチング（Ｓｔｅｐ６０）後に、Ｓｔｅｐ７０にて除去を行った方が望ましい。
【０１００】
以下、本発明の第３の実施形態について説明する。この第３の実施形態は、図９に示すフローチャートの通り、上述の第１の実施形態の工程中の、第１のハードマスク層５のエッチング（Ｓｔｅｐ４０）と第２のフォトレジスト層１１の塗布・露光・現像（Ｓｔｅｐ５０）の間に、平坦化層７０の成膜及び平坦化（Ｓｔｅｐ４１）を追加し、第２のフォトレジスト層１１の塗布・露光・現像（Ｓｔｅｐ５０）と絶縁膜４のエッチング（Ｓｔｅｐ６０）の間に、平坦化層７０Ａのエッチング（Ｓｔｅｐ５１）を追加したものである。ただし、これらの２工程（Ｓｔｅｐ４１，５１）を、上述の第２の実施形態に追加しても良い。
【０１０１】
上述の第１及び第２の実施形態では、パターニングされた第１のハードマスク層５上に直接フォトレジスト層１１を塗布しているが、パターニングにより第１のハードマスク層５には、それ自身の厚さに相当する１００ｎｍ程度の段差が生じる。本第３の実施形態では、その段差を解消するために、Ｓｔｅｐ４１として、第１のハードマスク層５上に、ＣＶＤにより二酸化珪素の平坦化層７０を形成する。平坦化層７０形成直後の基板１の断面図を、図８（Ａ）に示す。平坦化層７０の表面は、第１のハードマスク層５の凹凸を反映して、穏やかな凹凸が存在している。
【０１０２】
続いて、平坦化層７０の表面をＣＭＰ等で平坦化して平坦化層７０Ａとし、その上にフォトレジスト層１１を塗布する。このときの基板１の断面図を、図８（Ｂ）に示す。
【０１０３】
平坦化された平坦化層７０Ａにより、ハードマスク層５自身による上記段差は緩和され、フォトレジスト層１１の表面もきわめて平坦化される。これにより、第２のリソグラフィー工程における第２のパターンに対応するパターン像１３の露光転写に際しても、良好な結像性能を得ることができる。
【０１０４】
第２のリソグラフィー工程（Ｓｔｅｐ５０）において、フォトレジスト層１１に第２のパターン１７が形成された後、第２のパターン１７が形成されたフォトレジスト層１１をエッチングマスクとして、平坦化された平坦化層７０Ａをエッチングしてパターニングする（Ｓｔｅｐ５１）。引き続き、フォトレジスト層１１（平坦化層７０Ａを含む）と第１のハードマスク層５をエッチングマスクとして、絶縁膜４をエッチングしてパターニングする（Ｓｔｅｐ６０）。
【０１０５】
なお、上記に例示したように、平坦化層７０と絶縁膜４を共に二酸化珪素とするなら、平坦化層７０Ａと絶縁膜４のエッチング工程を、同一の工程とすることができる。
【０１０６】
絶縁膜４のエッチングが完了した状態の基板１の断面図を、図８（Ｃ）に示す。なお、本例においても、絶縁膜４のエッチングが完了した後に、フォトレジスト層１１、第１のハードマスク層５及び平坦化層７０Ａは、必要に応じて除去することが望ましい（Ｓｔｅｐ７１）。
【０１０７】
以上の第１、第２および第３の実施形態においては、いずれも第１のリソグラフィー工程において、所望のパターンと補助パターン要素とが周期的に配置されたパターン（第１のパターン）を形成し、第２のリソグラフィー工程においては、所望のパターンを包括するやや大きめのパターン（第２のパターン）を形成するものとしたが、第１および第２のリソグラフィー工程で形成するパターンの関係が、この逆であっても本発明の効果を得ることができる。
【０１０８】
第１の実施形態の工程を使用して、第１および第２のリソグラフィー工程で形成するパターンの関係を逆転させた実施形態（第４の実施形態）について、その基板１の断面図を、図１０（Ａ）〜（Ｅ）に示す。
【０１０９】
図１０（Ａ）に示す通り、第１のハードマスク５上に塗布されたフォトレジスト層６上に、図３（Ａ）に示した如き、所望のパターン８Ｃより大きく形成されたパターン要素１３を露光する。このフォトレジスト層６を現像し、パターニングされたフォトレジスト層６をエッチングマスクとして、第１のハードマスク５をエッチングして、ここに所望のパターン８Ｃより大きめのパターン２０を開口パターン（膜除去部）として形成する（図１０（Ｂ）参照）。
【０１１０】
フォトレジスト層６除去後、フォトレジスト層１１を塗布し、ここに、所望のパターン８Ｃと補助パターン要素８Ｌ，８Ｒ等からなる周期的に配置されたパターンを露光転写する（図１０（Ｃ）参照）。現像により、フォトレジスト層１１には除去部２２Ｃ，２２Ｌ，２２Ｒ等が形成される。
【０１１１】
このパターニングされたフォトレジスト層１１及びパターニングされた第１のハードマスク層５の両者をエッチングマスクとして、被加工層としての絶縁膜４をエッチングすれば、上記の第１及び第２のリソグラフィー工程で重複してパターンが形成された部分、すなわち所望のパターン８Ｃ部分にのみ開口パターン１６が形成される（図１０（Ｄ）参照）。
【０１１２】
なお、上述の各実施形態では、基板１上の絶縁膜４に形成する孤立開口パターン１６を、１個のみとしているが、パターンの個数は、勿論これに限るわけではない。すなわち、離散的な多数の孤立開口パターンに対しても、本発明を適用することは可能である。すなわち離散的な多数の孤立開口パターンのそれぞれの周囲に補助パターン要素を設けたマスクを用いて第１の露光を行い、かつ第１のハードマスク層のパターニングを行い、それに重ね合わせて、離散的な多数の孤立開口パターンのそれぞれを含み、それよりやや大きめの離散的な多数の孤立開口パターンを設けたマスクを用いて第２の露光を行うことで、多数のパターンの形成にも本発明が適用可能である。
【０１１３】
また、上述の各実施形態では、基板１上の絶縁膜４に形成する開口パターン１６は全て孤立パターンであるとしたが、本発明は、密集開口パターンと孤立開口パターンが混在するパターンの形成にも、適用することが可能である。
【０１１４】
図１１は、本発明の第５の実施形態として、そのようなパターンに適用する際に使用すべき、第１のパターン及び第２のパターンに対応するパターン要素を表す図である。
【０１１５】
図１１（Ａ）中のレチクルＭ３には、遮光部のバックグラウンドＳ３上に、第１のリソグラフィー工程で露光転写する、所望のパターン（図中黒丸添付のパターン７１，７２等）と補助パターン要素７３，７４等が、周期的に配置された第１のパターンが形成されている。図１１（Ａ）に示したパターン要素においても、補助パターン要素７３，７４等は、所望のパターン７１，７２等を周期的パターンとするために付加されたものである。
【０１１６】
そして、このレチクルＭ３を位相シフトレチクルとすることで、所望のパターン７１，７２等に対する焦点深度や露光量マージンを拡大することができる。
【０１１７】
レチクルＭ３は、位相シフトレチクルであるので、互いに近接して配置されるパターン間の透過光の位相が、１８０度ずれるように設定されている。すなわち、図中の斜線を付加した各パターン７２，７４等の部分は、レチクルＭ３が所定量掘り込まれている。その結果、これらのパターンからの透過光の位相は、斜線が付加されていない各パターン７１，７３等からの透過光の位相に比べて、１８０度ずれている。
【０１１８】
図１１（Ｂ）中のレチクルＭ４には、遮光部のバックグラウンドＳ４上に、第２リソグラフィー工程で露光転写される第２のパターンが形成されている。すなわち、レチクルＭ４には、所望のパターン（図中黒丸部分）を包含する大き目のパターン７１ａ，７２ａ等及び１２１，１２２が形成されている。
【０１１９】
なお、パターン１２１，１２２は、その内部に、所望のパターン相当部分を２個含むパターンである。
【０１２０】
上述の第１、第２および第３の実施形態の工程に従って、これらのパターンを露光し、成膜及びエッチングを行うと、最終的に基板１上の絶縁膜４には、図１１（Ｃ）に示す通り、両パターンの重複部分であるパターン１６１，１６２，１６３等が微小開口パターンとして形成される。そして、孤立パターンであるパターン１６１，１６２と、比較的密集したパターンである１６３は、同時にかつ十分な焦点深度及び露光量マージンを持って、形成されることになる。
【０１２１】
なお、上記の例では、第２のパターンの中のパターン１２１，１２２は、その内部に、所望のパターン相当部分を２個含むパターンであるとしたが、所望のパターンが、より多くの密集したパターンを含む場合には、第２のパターン中の１つのパターンに、より多くの所望のパターン相当部分を包含させることができることは言うまでもない。
【０１２２】
なお、本第５の実施形態においても、上述の第４の実施形態と同様に、周期的に配置されたパターンを第２のリソグラフィー工程にて形成し、所望のパターン相当部分を包含する大き目のパターンを第１のリソグラフィー工程にて形成するように、パターンの形成順序を逆転することができる。
【０１２３】
本発明の以上の実施形態において、絶縁膜４に対して、微小開口パターンを形成することができる。そして、このパターン形成方法を用いて、電子デバイスを製造することができる。
【０１２４】
例えばＣＭＯＳ半導体集積回路（ＬＳＩ）を製造するのであれば、シリコン（珪素）単結晶ウエハに対して、リソグラフィー及びイオン注入工程によりｐウエル、ｎウエルを形成した後、ＳＴＩ（Ｓｈａｌｌｏｗ  Ｔｒｅｃｈ  Ｉｓｏｌａｔｉｏｎ）等により素子分離を行う。そしてその上に、ポリシリコン等でゲートパターン（図１（Ａ）〜（Ｅ）中の２）を形成し、ゲートの側壁に絶縁材料によるサイドウォールを形成した後、イオン注入を行って、ソース、ドレインを形成する。
【０１２５】
その上に、二酸化珪素あるいはリンまたはホウ素を含有する二酸化珪素で絶縁膜４を形成し、上記本発明によるパターン形成方法を用いて絶縁膜４中に微小開口パターンを形成する。この微小開口パターンに、タングステンまたは窒化チタン及びアルミニウムを埋め込み、導通電極（プラグ）を形成し、その上に金属等で配線層を形成する。
【０１２６】
高集積なＬＳＩの場合にも、この配線層を多層に渡って形成する必要があるので、それらの配線層間にも絶縁膜を形成し、またその絶縁膜内にも微小開口パターンを形成して、そこに導通電極を埋め込む必要が生じる。上述の微小開口パターン形成方法は、この配線層間の配線層における開口パターンの形成にも適用することができる。多数層の配線層の形成により半導体集積回路は、完成する。
【０１２７】
なお、上述の実施形態では、本発明のパターン形成方法の被加工層は、全て絶縁膜４であるとしたが、被加工層が、電子デバイス中の導通層または電極層となる場合にも、本発明のパターン形成方法を適用できることは勿論である。
【０１２８】
上述した実施形態では露光用照明光としてＫｒＦエキシマレーザ光（波長２４８ｎｍ）を用いているが、ｇ線（波長４３６ｎｍ）、ｉ線（波長３６５ｎｍ）、ＡｒＦエキシマレーザ光（波長１９３ｎｍ）、Ｆ２レーザ光（波長１５７ｎｍ）、又はＡｒ２レーザ光（波長１２６ｎｍ）などを用いることができる。Ｆ２レーザを光源とする露光装置では、例えば投影光学系として反射屈折光学系が採用されるとともに、照明光学系や投影光学系に使われる屈折光学部材（レンズエレメント）は全て蛍石とされ、かつレーザ光源、照明光学系、及び投影光学系内の空気は、例えばヘリウムガスで置換されるとともに、照明光学系と投影光学系との間、及び投影光学系と基板との間などもヘリウムガスで満たされる。
【０１２９】
Ｆ２レーザを用いる露光装置では、レチクルや濃度フィルタは、蛍石、フッ素がドープされた合成石英、フッ化マグネシウム、ＬｉＦ、ＬａＦ３、リチウム・カルシウム・アルミニウム・フロライド（ライカフ結晶）又は水晶等から製造されたものが使用される。
【０１３０】
エキシマレーザの代わりに、例えば波長２４８ｎｍ、１９３ｎｍ、１５７ｎｍのいずれかに発振スペクトルを持つＹＡＧレーザなどの固体レーザの高調波を用いるようにしてもよい。
【０１３１】
また、ＤＦＢ半導体レーザ又はファイバーレーザから発振される赤外域、又は可視域の単一波長レーザを、例えばエルビウム（又はエルビウムとイットリビウムの両方）がドープされたファイバーアンプで増幅し、非線形光学結晶を用いて紫外光に波長変換した高調波を用いてもよい。また、レーザプラズマ光源、又はＳＯＲから発生する軟Ｘ線領域、例えば波長１３．４ｎｍ、又は１１．５ｎｍのＥＵＶ（Ｅｘｔｒｅｍｅ  Ｕｌｔｒａ  Ｖｉｏｌｅｔ）光を用いるようにしてもよい。さらに、電子線又はイオンビームなどの荷電粒子線を用いてもよい。
【０１３２】
また、上述した実施形態では、パターンの露光転写を行う露光装置は、ステップ・アンド・スキャン方式のものを例示したが、ステップ・アンド・リピート方式の露光装置を用いてもよい。
【０１３３】
さらに、本発明は半導体素子又は液晶表示素子などを含むディスプレイの製造のみでなく、薄膜磁気ヘッド、撮像素子（ＣＣＤなど）、マイクロマシン、及びＤＮＡチップなどの製造のために用いることができる。
【０１３４】
半導体集積回路は、デバイスの機能・性能設計を行うステップ、この設計ステップに基づいて、レチクルを製造するステップ、シリコン材料からウエハを製造するステップ、上述したパターン形成方法等によりウエハにパターンを形成するステップ、デバイス組み立てステップ（ダイシング工程、ボンディング工程、パッケージ工程を含む）、検査ステップ等を経て製造される。
【０１３５】
なお、本発明は、上述した各実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内で種々に改変することができることは言うまでもない。
【０１３６】
【発明の効果】
以上、本発明によれば、微細なホールパターンのようなパターンの形成に際し、そのリソグラフィー工程における焦点深度及び露光量マージンを大幅に拡大することができる。これによって、微小開口パターンの生産工程における歩留まりを大幅に向上することができる。
【０１３７】
また、特に、孤立開口パターンと密集開口パターンの双方を同時に含むようなリソグラフィー工程においても、安定して高歩留まりなパターン形成を実現できる。
【０１３８】
また以上の効果により、電子デバイスの歩留まりを大幅に向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の第１の実施形態のパターンの形成工程を示す断面図である。
【図２】  本発明の第１の実施形態の第１のパターンの原版を示す図（Ａ）および基板上に形成された第１のパターンを示す図（Ｂ）である。
【図３】  本発明の第１の実施形態の第２のパターンの原版を示す図（Ａ）および基板上に形成された第２のパターンを示す図（Ｂ）である。
【図４】  本発明の第１の実施形態の処理を示すフローチャートである。
【図５】  本発明の実施形態で用いた露光装置の概略構成を示す図（Ａ）、小σ照明用の開口絞りの形状を示す図（Ｂ）および変形照明用の開口絞りの形状を示す図（Ｃ）である。
【図６】  本発明の第２の実施形態のパターンの形成工程を示す断面図である。
【図７】  本発明の第２の実施形態の処理を示すフローチャートである。
【図８】  本発明の第３の実施形態のパターンの形成工程を示す断面図である。
【図９】  本発明の第３の実施形態の処理を示すフローチャートである。
【図１０】  本発明の第４の実施形態のパターンの形成工程を示す断面図である。
【図１１】  本発明の第５の実施形態のパターンの形成工程を示す上面図である。
【符号の説明】
１，Ｗ…基板
４…絶縁膜（被加工層）
５…第１のハードマスク層（第１の薄膜）
６…第１のフォトレジスト層
１１…第２のフォトレジスト層
１６…ホールパターン（所望のパターン）
３１…光源
４１…開口絞りレボルバ
Ｍ，Ｍ１，Ｍ２…レチクル
５０…投影光学系
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
2006156422.tif 000010
【図９】
2006156422.tif 000011
【図１０】
2006156422.tif 000012
【図１１】
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