(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体素子の製造工程で用いられる投影露光用フォトマスクであって、
開口パターンの少なくとも１つが、前記開口パターンの周辺部に対称に配置された微小開口パターンによって置き換えられたことを特徴とする投影露光用フォトマスク。
【請求項２】
投影露光装置の縮小倍率をＭ、露光光源の波長をλ、投影レンズの開口数をＮＡとしたとき、微小開口パターンの中心位置間の距離ｄｒが、下記（数１）の関係を満たす請求項１に記載の投影露光用フォトマスク。
［数１］
（λ／ＮＡ）・Ｍ＜ｄｒ
【請求項３】
微小開口パターンの中心位置と、本来の開口パターンの中心位置との距離ｄを、パターンを形成する位置の基板上の高さに応じて変化させた請求項１に記載の投影露光用フォトマスク。
【請求項４】
投影露光装置の縮小倍率をＭ、露光光源の波長をλ、マスク設計データから推定される基板段差高さをｆｗとしたとき、微小開口パターンの中心位置間の距離ｄｒが、下記（数１Ａ）の関係を満たす請求項３に記載の投影露光用フォトマスク。
［数１Ａ］
ｆｗ＝（ｄｒ／Ｍ）／２ｔａｎ（ｓｉｎ-1（λ／（ｄｒ／Ｍ）））
【請求項５】
微小開口パターンの最小開口幅をＬｗとしたとき、開口パターンの外周部に同一の最小開口幅Ｌｗを有する前記微小開口パターンが、２重に配置された請求項１に記載の投影露光用フォトマスク。
【請求項６】
半導体素子の製造工程で用いられる投影露光用フォトマスクであって、
開口パターンの少なくとも１つが、前記開口パターンの周辺部に対称に配置された微小開口パターンによって囲まれ、
投影露光装置の縮小倍率をＭ、露光光源の波長をλ、投影レンズの開口数をＮＡ、マスク設計データから推定される基板段差高さをｆｗとしたとき、前記微小開口パターンの中心位置間の距離ｄｒが、下記（数１Ｂ）及び（数１Ｃ）の関係を満たすことを特徴とする投影露光用フォトマスク。
［数１Ｂ］
（λ／ＮＡ）・Ｍ＜ｄｒ
［数１Ｃ］
ｆｗ＝（ｄｒ／Ｍ）／２ｔａｎ（ｓｉｎ-1（λ／（ｄｒ／Ｍ）））
【請求項７】
開口パターン及び微小開口パターンは、ｘ−ｙ直交座標系で定義される請求項１〜６のいずれか１項に記載の投影露光用フォトマスク。
【請求項８】
半導体基板上に所望のパターンを形成するために用いられる投影露光用フォトマスクのマスクデータの生成方法であって、
前記所望のパターンを形成するまでに前記半導体基板に施された加工に用いられるフォトマスクのマスクデータから前記所望のパターンを形成すべき各々の位置の前記半導体基板上の高さを推定し、その高さに応じて本来の開口パターンを前記開口パターンの周辺部に対称に配置された微小開口パターンによって置き換えることを特徴とする投影露光用フォトマスクのマスクデータの生成方法。
【請求項９】
投影露光用フォトマスクを用いて露光する投影露光方法であって、
前記投影露光用フォトマスクは、開口パターンの少なくとも１つが、前記開口パターンの周辺部に対称に配置された微小開口パターンによって置き換えられ、
投影露光装置の縮小倍率をＭ、露光光源の波長をλ、投影レンズの開口数をＮＡ、マスク設計データから推定される基板段差高さをｆｗとしたとき、前記微小開口パターンの中心位置間の距離ｄｒが、下記（数１Ｄ）及び（数１Ｅ）の関係を満たすことを特徴とする投影露光方法。
［数１Ｄ］
（λ／ＮＡ）・Ｍ＜ｄｒ
［数１Ｅ］
ｆｗ＝（ｄｒ／Ｍ）／２ｔａｎ（ｓｉｎ-1（λ／（ｄｒ／Ｍ）））
【請求項１０】
投影露光用フォトマスクを用いて露光する投影露光方法であって、
前記投影露光用フォトマスクは、開口パターンの少なくとも１つが、前記開口パターンの周辺部に対称に配置された微小開口パターンによって置き換えられ、
前記微小開口パターンの最小開口幅をＬｗとしたとき、前記開口パターンの外周部に同一の最小開口幅Ｌｗを有する前記微小開口パターンが、２重に配置されていることを特徴とする投影露光方法。
【請求項１１】
投影露光用フォトマスクを用いて露光する投影露光方法であって、
前記投影露光用フォトマスクは、開口パターンの少なくとも１つが、前記開口パターンの周辺部に対称に配置された微小開口パターンによって囲まれ、
投影露光装置の縮小倍率をＭ、露光光源の波長をλ、投影レンズの開口数をＮＡ、マスク設計データから推定される基板段差高さをｆｗとしたとき、前記微小開口パターンの中心位置間の距離ｄｒが、下記（数１Ｆ）及び（数１Ｇ）の関係を満たすことを特徴とする投影露光方法。
［数１Ｆ］
（λ／ＮＡ）・Ｍ＜ｄｒ
［数１Ｇ］
ｆｗ＝（ｄｒ／Ｍ）／２ｔａｎ（ｓｉｎ-1（λ／（ｄｒ／Ｍ）））
【請求項１２】
投影露光用フォトマスクを用いて露光する投影露光方法であって、
前記フォトマスクの開口パターンの少なくとも１つを、前記開口パターンの周辺部に対称に配置された微小開口パターンによって置き換えたフォトマスクを用い、
投影露光装置の照明光の可干渉度を０．５以下にすることを特徴とする投影露光方法。
【請求項１３】
開口パターンの少なくとも１つを、前記開口パターンの周辺部に対称に配置された微小開口パターンによって置き換えた投影露光用フォトマスクを用いて、半導体基板上に所望のパターンを形成する半導体素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体素子の製造工程で用いられる投影露光用フォトマスク、そのマスクデータの生成方法、そのフォトマスクを用いた投影露光方法及び半導体素子の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、半導体技術の発展が目ざましく、半導体素子の最小の加工寸法が０．５μｍサイズのものが量産されるようになってきた。このような微細化は、『リソグラフィ技術』と呼ばれる微細パターンの形成技術の飛躍的な進歩に根ざしている。
【０００３】
リソグラフィ技術は、大きく分けて、レジスト塗布工程、露光工程、現像工程の３つの工程からなっている。パターンの微細化は、レジストの材料、投影露光装置、露光方法及び現像方法等の改良によって達成されている。特に、投影露光装置及び露光方法の改良により、パターンの微細化が顕著に進められてきた。
【０００４】
パターンの微細化は、主として投影露光装置の露光波長の短波長化と投影レンズの高ＮＡ化によって達成されてきた。しかし、このような高解像度化は、同時に焦点深度を小さくする方向に働く。実際の半導体製造工程では１〜１．５μｍ程度の焦点深度が必要とされるが、現状ではこの焦点深度を確保することは困難な状況となってきている。
【０００５】
焦点深度を大きくするために、フォトマスク上で透過光の位相を制御する『位相シフトマスク』を用いる方法や、投影露光装置の照明系の形状を変化させる『変形照明法』等の様々な超解像技術が開発されてきた。また、これらの方法とは別に、大きな段差を有する半導体基板上の全面で良好なパターンを形成するために、パターンを形成する半導体基板上の位置に応じて焦点位置を変えることにより、実効的に利用できる焦点範囲を大きくする試みがなされている（例えば、特開平１−１４７４５８号公報）。
【０００６】
以下に、図１２を参照しながら、従来技術についてさらに具体的に説明する。図１２（ａ）に示すように、ガラス基板２０上に形成された遮光膜２１には、その中央部に開口パターン２２が設けられており、開口パターン２２の周辺には微細開口パターン２３が配置されている。微細開口パターン２３上には、この微細開口パターン２３を透過する光の位相差を変化させる透明膜からなる位相シフト層２４が設けられている。以上により、投影露光用のフォトマスクが構成されている。そして、微細開口パターン２３を透過する光の位相差を変化させることにより、図１２（ｂ）に示すように、微細開口パターン２３を透過する光の焦点位置を広範囲に制御することができる。位相差を１８０°に設定した場合の焦点位置が投影レンズの焦点位置である。従って、このような構成のフォトマスクを用いれば、パターンを形成する場所の半導体基板上の高さに応じて、半導体基板上にパターンを形成することができる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、フォトマスク上の微細開口パターンを透過する光の位相差を変化させることにより、微細開口パターンを透過する光の焦点位置を制御することができる。しかし、この方法には、以下に述べるような問題点がある。すなわち、フォトマスク上に位相シフト層を形成する必要があり、位相シフト層を形成するためには、透明膜の堆積、レジストの塗布、下地パターンに位置合わせをしたイメージ露光、レジストの現像、透明膜のエッチング、レジストの除去といった工程が必要となる。そして、以上の工程を、焦点制御の数だけ繰り返す必要があるため、フォトマスクの製造工程が複雑となり、フォトマスクのコストの大幅な増加につながる。量産用のフォトマスクを用いて焦点制御を行う場合、従来のフォトマスクの製造工程を大幅に変えることは、品質保証を困難とし、フォトマスクの価格の上昇、フォトマスクの納期の長期化といった問題を発生させるからである。このため、従来のフォトマスクの製造工程を大幅に変えることなく、焦点位置を制御することが可能なフォトマスクが求められている。
【０００８】
本発明は、従来技術における前記課題を解決するためになされたものであり、従来のフォトマスクの製造工程を利用して、高精度にかつ広範囲に焦点位置を制御する機能を有する投影露光用フォトマスク、そのマスクデータの生成方法、そのフォトマスクを用いた投影露光方法及び半導体素子の製造方法を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するため、本発明に係る投影露光用フォトマスクの第１の構成は、半導体素子の製造工程で用いられる投影露光用フォトマスクであって、開口パターンの少なくとも１つが、前記開口パターンの周辺部に対称に配置された微小開口パターンによって置き換えられたことを特徴とする。この投影露光用フォトマスクの第１の構成によれば、従来のフォトマスクの製造工程を大幅に変えることなく、焦点位置を制御することが可能な投影露光用フォトマスクを実現することができる。すなわち、開口パターンの周辺部に対称に配置された状態で置き換えられた微小開口パターンを透過する光の焦点位置は、前記開口パターンを透過する光の本来の焦点位置からずれた場所に存在することとなるので、焦点位置を制御することが可能となる。
【００１０】
また、前記本発明の投影露光用フォトマスクの第１の構成においては、投影露光装置の縮小倍率をＭ、露光光源の波長をλ、投影レンズの開口数をＮＡとしたとき、微小開口パターンの中心位置間の距離ｄr が、下記（数２）の関係を満たすのが好ましい。
【００１１】
【数２】
0004197362.tif 000002
【００１２】
この好ましい例によれば、微小開口パターンによる回折光が十分に投影レンズを通過することとなる。
【００１３】
また、前記本発明の投影露光用フォトマスクの第１の構成においては、微小開口パターンの中心位置と、本来の開口パターンの中心位置との距離ｄｒを、パターンを形成する位置の半導体基板上の高さに応じて変化させるのが好ましい。この好ましい例によれば、パターンを形成すべき位置の半導体基板上の高さに応じて焦点位置を制御することが可能となるので、段差を有する半導体基板上に所望のパターンを形成することができる。
【００１４】
また、この場合には、投影露光装置の縮小倍率をＭ、露光光源の波長をλ、マスク設計データから推定される基板段差高さをｆｗとしたとき、微小開口パターンの中心位置間の距離ｄｒが、下記（数２Ａ）の関係を満たすのが好ましい。
［数２Ａ］
ｆｗ＝（ｄｒ／Ｍ）／２ｔａｎ（ｓｉｎ-1（λ／（ｄｒ／Ｍ）））
また、前記本発明の投影露光用フォトマスクの第１の構成においては、微小開口パターンの最小開口幅をＬｗとしたとき、開口パターンの外周部に同一の最小開口幅Ｌｗを有する前記微小開口パターンが、２重に配置されているのが好ましい。
【００１５】
また、本発明に係る投影露光用フォトマスクの第２の構成は、半導体素子の製造工程で用いられる投影露光用フォトマスクであって、開口パターンの少なくとも１つが、前記開口パターンの周辺部に対称に配置された微小開口パターンによって囲まれ、投影露光装置の縮小倍率をＭ、露光光源の波長をλ、投影レンズの開口数をＮＡ、マスク設計データから推定される基板段差高さをｆｗとしたとき、前記微小開口パターンの中心位置間の距離ｄｒが、下記（数２Ｂ）及び（数２Ｃ）の関係を満たすことを特徴とする。
［数２Ｂ］
（λ／ＮＡ）・Ｍ＜ｄｒ
［数２Ｃ］
ｆｗ＝（ｄｒ／Ｍ）／２ｔａｎ（ｓｉｎ-1（λ／（ｄｒ／Ｍ）））
また、前記本発明の投影露光用フォトマスクの第１又は第２の構成においては、開口パターン及び微小開口パターンは、ｘ−ｙ直交座標系で定義されるのが好ましい。
【００１６】
また、本発明に係る投影露光用フォトマスクのマスクデータの生成方法は、半導体基板上に所望のパターンを形成するために用いられる投影露光用フォトマスクのマスクデータの生成方法であって、前記所望のパターンを形成するまでに前記半導体基板に施された加工に用いられるフォトマスクのマスクデータから前記所望のパターンを形成すべき各々の位置の前記半導体基板上の高さを推定し、その高さに応じて本来の開口パターンを前記開口パターンの周辺部に対称に配置された微小開口パターンによって置き換えることを特徴とする。この投影露光用フォトマスクのマスクデータの生成方法によれば、所望のパターンを形成すべき位置の半導体基板上の高さに応じて焦点位置を制御することが可能な投影露光用フォトマスクを容易に得ることができる。
【００１７】
また、本発明に係る第１の投影露光方法は、投影露光用フォトマスクを用いて露光する投影露光方法であって、前記投影露光用フォトマスクは、開口パターンの少なくとも１つが、前記開口パターンの周辺部に対称に配置された微小開口パターンによって置き換えられ、投影露光装置の縮小倍率をＭ、露光光源の波長をλ、投影レンズの開口数をＮＡ、マスク設計データから推定される基板段差高さをｆｗとしたとき、前記微小開口パターンの中心位置間の距離ｄｒが、下記（数２Ｄ）及び（数２Ｅ）の関係を満たすことを特徴とする。
［数２Ｄ］
（λ／ＮＡ）・Ｍ＜ｄｒ
［数２Ｅ］
ｆｗ＝（ｄｒ／Ｍ）／２ｔａｎ（ｓｉｎ-1（λ／（ｄｒ／Ｍ）））
また、本発明に係る第２の投影露光方法は、投影露光用フォトマスクを用いて露光する投影露光方法であって、前記投影露光用フォトマスクは、開口パターンの少なくとも１つが、前記開口パターンの周辺部に対称に配置された微小開口パターンによって置き換えられ、前記微小開口パターンの最小開口幅をＬｗとしたとき、前記開口パターンの外周部に同一の最小開口幅Ｌｗを有する前記微小開口パターンが、２重に配置されていることを特徴とする。
【００１８】
また、本発明に係る第３の投影露光方法は、投影露光用フォトマスクを用いて露光する投影露光方法であって、前記投影露光用フォトマスクは、開口パターンの少なくとも１つが、前記開口パターンの周辺部に対称に配置された微小開口パターンによって囲まれ、投影露光装置の縮小倍率をＭ、露光光源の波長をλ、投影レンズの開口数をＮＡ、マスク設計データから推定される基板段差高さをｆｗとしたとき、前記微小開口パターンの中心位置間の距離ｄｒが、下記（数２Ｆ）及び（数２Ｇ）の関係を満たすことを特徴とする。
［数２Ｆ］
（λ／ＮＡ）・Ｍ＜ｄｒ
［数２Ｇ］
ｆｗ＝（ｄｒ／Ｍ）／２ｔａｎ（ｓｉｎ-1（λ／（ｄｒ／Ｍ）））
【００１９】
また、本発明に係る第５の投影露光方法は、投影露光用フォトマスクを用いて露光する投影露光方法であって、前記フォトマスクの開口パターンの少なくとも１つを、前記開口パターンの周辺部に対称に配置された微小開口パターンによって置き換えたフォトマスクを用い、投影露光装置の照明光の可干渉度を０．５以下にすることを特徴とする。この第５の投影露光方法によれば、結像コントラストを高く維持した状態で、段差を有する半導体基板上に所望のパターンを形成することができる。
【００２０】
また、本発明に係る半導体素子の製造方法は、開口パターンの少なくとも１つを、前記開口パターンの周辺部に対称に配置された微小開口パターンによって置き換えた投影露光用フォトマスクを用いて、半導体基板上に所望のパターンを形成することを特徴とする。この半導体素子の製造方法によれば、開口パターンの周辺部に対称に配置された状態で置き換えられた微小開口パターンを透過する光の焦点位置は、前記開口パターンを透過する光の本来の焦点位置からずれた場所に存在することとなるので、所望のパターンを形成すべき位置の半導体基板上の高さに応じて、開口パターンによる回折光と微小開口パターンによる回折光を使い分けることにより、段差を有する半導体基板上に所望のパターンを形成することができる。その結果、従来の複雑なフォトマスクを用いることなく、所望の構成を有する半導体素子を容易に作製することができる。
【００２１】
【本発明の実施の形態】
以下に、実施の形態を用いて本発明をさらに具体的に説明する。
【００２２】
まず、本発明の原理について説明する。
【００２３】
光の回折作用を利用することにより、平板上の開口パターンによってレンズ作用を実現することができる。このようなレンズは、フレネル回折を利用したレンズであることから、『フレネルゾーンプレート』と呼ばれる。図２（ａ）に、２次元のフレネルゾーンプレートの一例を示す。図２（ａ）に示すように、このフレネルゾーンプレート１は同心円状の遮光パターン２によって構成されており、図２（ｂ）に示すような透過率分布を有する。ここで、遮光パターン２の同心円の半径Ｒｎは、光の波長をλ、主焦点距離をｆとして、下記（数３）のように表記される。
【００２４】
【数３】
0004197362.tif 000003
【００２５】
ここで、ｎは正の整数である。図２（ｃ）に示すように、このような遮光パターン２を有するフレネルゾーンプレート１に平行光線３を照射すると、フレネルゾーンプレート１には集光作用があるため、フレネルゾーンプレート１から距離ｆの位置に集光する。
【００２６】
次に、このフレネルゾーンプレート１を投影露光装置のフォトマスクとして用いる場合について考える。図３に示すように、集光レンズ５とフレネルゾーンプレート１を順次透過した光は、フレネルゾーンプレート１の近傍（フレネル領域）で集光される（主焦点距離ｆ）。このフレネルゾーンプレート１の焦点面の像は、投影レンズ４によって再生される。すなわち、フレネルゾーンプレート１の面から離れた位置に集光された輝点は、投影レンズ４を通って投影レンズ４の本来の焦点位置から距離ｆw だけずれた位置に結像する。実際には、半導体素子を製造するための投影露光装置として縮小投影型の露光装置が用いられるため、半導体基板上へ投影される像の寸法は縮小倍率をＭとして１／Ｍとなり、焦点位置はほぼ１／Ｍ2 となる。以下の説明においては、混乱を避けるため、フレネルゾーンプレート（フォトマスク）側の寸法、焦点位置については添字ｒを、投影像側の寸法、焦点位置については添字ｗを付して区別する。
【００２７】
上述したように、フレネルゾーンプレート１をフォトマスクとして用いることにより、投影レンズ４の本来の焦点位置以外で焦点を持たせることができる。ここで注意すべきことは、図３に示すように、回折光が両側に広がるため、投影される焦点が投影レンズ４の本来の焦点位置の両側に存在することである。すなわち、投影レンズ４の本来の焦点位置を中心として両側に焦点（集光点；光強度が最大となる点）が存在する。投影レンズ４の本来の焦点位置からずれた場所にはフレネルゾーンプレート１のフレネル回折像が結像される。このことを利用することにより、段差を有する基板上に所望のパターンを形成することができる。すなわち、フレネル回折式を用いて所望のパターンがフレネル回折像として得られるようなパターンを計算し、このパターンをマスクパターンとして用い、投影露光装置のベストフォーカス（デフォーカス量：０μｍ）から外れた位置で露光することにより、段差を有する基板上に所望のパターンを形成することができる。例えば、図２に示す２次元のフレネルゾーンプレートを用いることにより、デフォーカス露光によって輝点像を得ることができる。デフォーカス量は、上記（数３）によってＲｎの関数として表示される。
【００２８】
図２に示すフレネルゾーンプレート１は、上述したようにデフォーカス露光によって輝点像を得るのに有効であるが、このパターンは半導体素子を製造するためのマスクパターンとしては問題がある。第１に、上記（数３）に示されるように、フレネルゾーンプレート１は外周部にゆくほど遮光パターン２の幅が小さくなるため、フォトマスクの製作が困難となる。第２に、外周部を増やすほどフレネルゾーンプレート１単体の集光特性は向上するが、フレネルゾーンプレート１からの回折光を投影レンズ４を用いて結像する場合、投影レンズ４の開口数の制約により、外周部での回折光は投影レンズ４を通過することができず、結像には寄与しない。第３に、現在の半導体素子を製造するためのマスクデータ処理システムはｘ−ｙ直交座標系で定義されているため、円形のデータを用いると、データ量が膨大となり、フォトマスクの製造が困難となる。以上の理由により、現実的には、フレネルゾーンプレート１を単純化し、ｘ−ｙ直交座標系で定義可能なパターンに近似することが必要となる。図１（ａ）〜（ｄ）に示したマスクパターンは、フレネルゾーンプレート１を近似したパターンである。図１に示した例では、中心部が遮光され、中心対称に微小開口が配置された構成となっている。中心部を遮光しているのは、０次光（直接光）の寄与を無くし、一次回折光による像のコントラストを向上させるためである。図４に、図１に示したマスクパターンによるフレネル回折像の形成を単純化して示す。一次回折光は、回折角をθr 、中心対称に配置された微小開口間の距離をｄr として、下記（数４）の関係を満たす方向に生じる。
【００２９】
【数４】
0004197362.tif 000004
【００３０】
ここで、フォトマスク側の焦点距離ｆr は、下記（数５）の関係を満たす。
【００３１】
【数５】
0004197362.tif 000005
【００３２】
従って、フォトマスク側の焦点距離ｆr は、下記（数６）のように表記される。
【００３３】
【数６】
0004197362.tif 000006
【００３４】
一方、投影像側の焦点距離ｆw は、下記（数７）のように表記される。
【００３５】
【数７】
0004197362.tif 000007
【００３６】
ここで、ｄw は投影像側に換算されたマスクパターンのピッチであり、ｄw ＝ｄr ／Ｍなる関係を満たす。下記（表１）に、ｄw とｆw との関係を示す。
【００３７】
【表１】
0004197362.tif 000008
【００３８】
すでに述べたように、半導体素子の製造には、縮小投影型の露光装置が用いられることが多く、原図となるフォトマスク側と投影像側とで寸法が異なるために混乱が生じ易い。以下においては、特に断らない限り、投影像側に換算した寸法及び距離(ｄw 、ｆw 等)を用いて説明を行う。フォトマスク上の実際の寸法は投影像側のＭ倍となるが、フォトマスクを設計する際にも、投影倍率を考慮に入れず、投影時の寸法で設計することが一般的であるため、投影像側に換算した値で議論する方が実用的だからである。
【００３９】
図５に、本発明のフォトマスクを用いて得られる投影像の光学シミュレーションの結果を示す。図５は、図１（ｃ）に示したマスクパターンを用いた場合の光学シミュレーションの結果である。光学シミュレーションの条件は、波長３６５ｎｍ、投影レンズの開口数０．５７、照明光の可干渉度（σ値）０．２である。図５には、（ｂ）ｄw ＝０．９μｍ、Ｌw ＝０．２８μｍの場合、（ｃ）ｄw ＝１．２μｍ、Ｌw ＝０．３５μｍの場合と併せて、比較のために（ａ）通常のマスク（０．４μｍ×０．４μｍの開口）の場合を示している。いずれのフォトマスクを用いた場合にも、ベストフォーカス（デフォーカス量：０μｍ）を中心としてプラス・マイナス両デフォーカス方向に対称に投影像が形成される。図５には、プラス側にデフォーカスした場合の投影像を示している。通常のフォトマスクを用いた場合には（図５（ａ））、ベストフォーカス時に光強度が最も高く、デフォーカスに伴って投影像が劣化してゆく。これに対し、本発明のフォトマスクを用いた場合には（図５（ｂ）、（ｃ））、フォトマスクの中心部における光強度はデフォーカス時に最大となる。図５（ｂ）の場合には、デフォーカス量が１．５μｍのときに光強度が最大となり、図５（ｃ）の場合には、デフォーカス量が２μｍのときに光強度が最大となる。図６に、実際に図５（ａ）、（ｂ）、（ｃ）のフォトマスクを用いて、露光して得られたパターン寸法を示す。光学シミュレーションの結果から予測される値とよく一致している。一方、上記（表１）に示した単純な回折光の場合の計算結果とは若干ずれている。これは、周期性が低いこと、それぞれの微小開口の形状が四角形であり、大きさを持っていることに起因していると考えられる。しかし、上記（表１）に示した計算結果とのずれはそれほど大きくなく、大まかな見通しを得るためには有効である。
【００４０】
次に、本発明の焦点位置の制御を行うフォトマスクの設計手法について説明する。まず、パターンを形成すべき基板の最大段差を推定し、この高さの差に相当する焦点変動量ｆw を与えるｄw 又はｄr を、上記（数６）、（数７）から求める。ここで、ｄr が小さすぎる場合には、回折光が投影レンズを通過することができないので、回折パターンは形成されない。回折光が十分に投影レンズを通過するためには、下記（数８）の関係を満たすのが望ましい。
【００４１】
【数８】
0004197362.tif 000009
【００４２】
一方、十分な回折光強度を得ることができ、かつ、フォトマスクを容易に製造することができることから、図１にＬとして示した微小開口の寸法（あるいは幅）は、下記（数９）の関係を満たすのが望ましい。
【００４３】
【数９】
0004197362.tif 000010
【００４４】
これまで述べてきた例では、焦点位置の制御を目的としてフォトマスクを設計する場合について説明した。これに対し、焦点位置の制御以外の目的でフレネルゾーンプレートを利用することもできる。フレネルゾーンプレートはレンズとして機能する。すなわち、フレネルゾーンプレートには光を集光する機能がある。投影露光用のフォトマスクとしてフレネルゾーンプレートを用いることにより、通常のフォトマスクを用いた場合よりもはるかに高い光強度を有する投影像を得ることが可能となる。この場合、より大きな光強度を得ることを目的としているため、図７（ａ）〜（ｅ）に示すような、中心部に開口パターンを有するフォトマスクが有効である。また、図７（ｆ）〜（ｈ）に示すような、外周部に２重以上の開口パターンを配置したフォトマスクも有効である。但し、すでに述べたように、フレネルゾーンプレートは外周部ほど微細パターンとなり、高い空間周波数成分となるため、外周部からの回折光は投影レンズを通過することができなくなる。このため、実用的には、マスクパターンの設計は上記（数３）に従わず、外側の開口パターンの幅、及び内側の開口パターンとの間隔を広くとることが必要となる。このように設計したフォトマスクを用いた場合にも、高い光強度を有する投影像を得ることができる。図８（ａ）にマスクパターン、図８（ｂ）にこのマスクパターンを用いた場合の投影像を示す。フォトマスクの遮光パターンの幅を０．４μｍ、開口パターンの幅を０．３μｍとした。投影露光装置の条件としては前記と同じ条件を用い、デフォーカス量を０μｍから３μｍまで変化させた。図８に示すように、ベストフォーカス時（デフォーカス量：０μｍ）には、フォトマスク上のパターンがそのまま投影される。デフォーカスに伴って、フレネル回折パターンが投影されるようになる。デフォーカス量が１〜２μｍの場合に光強度はピークを持っており、そのときのピークの相対光強度は２以上となっている。ここで、相対光強度とは、十分に広い開口部での光強度で規格化した光強度のことであり、この値が１を超えているということは、光が集光されていることを意味する。露光工程のスループットは露光時間に比例するので、同一の露光装置を用いて照射エネルギーを増すことができれば、スループットを向上させることができる。この方法では、形成できるパターンに制限があるが、この方法は孤立したパターンを形成しようとする場合に有効な方法である。
【００４５】
本発明においては、光の干渉を利用することによってパターンが形成される。従って、照明光の可干渉度（σ値）を制御することが重要となる。通常、投影露光装置のσ値は、照明光学系のレンズの開口数ＮＡｉと投影レンズの開口数ＮＡとの比として、下記（数１０）のように表記される。
【００４６】
【数１０】
0004197362.tif 000011
【００４７】
図９に、σ値を０．１から０．６まで変化させた場合の光強度分布の光学シミュレーションの結果を示す。光学シミュレーションの条件は、波長３６５ｎｍ、投影レンズの開口数０．５７、デフォーカス量１．５μｍである。フォトマスクとしては、図１（ｃ）に示す８個の正方形状の微小開口パターンからなるフォトマスク（ｄw ＝０．９μｍ，Ｌw ＝０．２８μｍ）を想定した。図９に示すように、干渉性の低い照明を用いた場合には、十分な集光効果を得ることができないことが分かる。σ値が０．５以上では、結像コントラストが低いため、本発明のフォトマスクを用いて露光する場合には、投影露光装置のσ値を０．５以下、特に望ましくは０．３以下にする必要がある。従来においては、σ値が０．５〜０．６程度に固定された縮小投影型の露光装置が主流であった。このような従来の露光装置であっても、照明絞りを径の小さいものに替えることにより、σ値を小さくすることは可能であった。しかし、この方法には、照射エネルギーの低下（照射エネルギーはσ値の二乗に比例）、照度の均一性の低下、レンズ歪みの増加などの問題があり、現実的ではなかった。最新の縮小投影型の露光装置は、投影レンズの開口数とσ値を変化させることができるように設計されており、このような露光装置を用いれば、上記のような問題を引き起こすことなく、σ値を小さくした状態で露光することが可能となる。
【００４８】
集積回路は、平坦な半導体基板に加工を施し、様々な機能を有する素子を組み合わせることによって作製される。この場合、半導体基板に施される加工は、主として基板上への膜の堆積と、堆積した膜の選択的なエッチングである。このため、エッチングされた部分と残った部分には高さの差が生じる。その差は半導体素子の製造工程を経るに従って大きくなる。図１０に、半導体素子の断面図を模式的に示す。図１０に示す半導体素子は、以下のようにして作製される。まず、平坦な半導体基板（シリコン基板）６を選択的に酸化することにより、素子間を分離するためのシリコン酸化膜７（膜厚ｔ1 ）を形成する。次いで、その上にポリシリコン膜８（膜厚ｔ2 ）を堆積し、部分的にエッチングすることにより、ゲート電極を形成する。さらに、その上に層間膜としてシリコン酸化膜９を堆積した後、シリコン酸化膜７上のポリシリコン膜８の上と半導体基板６の上にそれぞれコンタクトホール９ａ、９ｂを開口する。次いで、その上にアルミ膜１０（膜厚ｔ3 ）を堆積し、部分的にエッチングすることにより、配線層を形成する。次いで、層間膜（シリコン酸化膜１１）と配線層のパターン形成を繰り返して、半導体素子を作製する。通常、ＬＳＩにおいては、配線層は２〜５層程度形成されるが、配線層の数が多くなるほど、半導体基板６上の段差は大きくなる。また、超ＬＳＩにおいては、半導体素子の数が１万個を超えるような複雑な回路が構成される。このような場合には、半導体基板上の段差に応じて、本発明のマスクパターンを利用しようとしても、個々のコンタクトホールを形成すべき場所の高さを推定し、１つずつパターンを置き換えることは容易ではない。このような場合には、マスクデータから基板上の高さ分布を推定し、単純な矩形のマスクパターンから本発明のマスクパターンに自動的に変換するような手順が必要となる。
【００４９】
図１０に示すように、層間膜（シリコン酸化膜９等）に対しては、コンタクトホールを開口するだけで、大面積のパターンをエッチングすることがないため、高さの差が生ずるのは、主として素子分離パターン（シリコン酸化膜７）、ゲートパターン（ポリシリコン膜８）、配線パターン（アルミ膜１０）によってである。従って、２層目以降の配線層の膜厚をｔ4 、ｔ5 、・・・とすれば、基板上の最大高低差は、下記（数１１）のように表記される。
【００５０】
【数１１】
0004197362.tif 000012
【００５１】
従って、各配線層へのコンタクトホールの形成を想定した場合、それぞれのコンタクトホールを形成する場所の高さは、それまでに施された加工に用いられたマスクデータから推定することが可能となる。素子分離パターンを形成するためのフォトマスクのマスクデータをＭ１、ゲートパターンを形成するためのフォトマスクのマスクデータをＭ２、コンタクトホールを形成しようとしている基板にすでに使用された配線パターンを形成するためのフォトマスクのマスクデータを順番にＭ３、Ｍ４、Ｍ５、・・・、Ｍｎとすれば、Ｍ１からＭｎまでのマスクデータのすべてが重なり合う領域（ＡＮＤ領域）として表されるデータ領域が基板上で最も高い領域となる。一方、Ｍ１〜Ｍｎ間でマスクデータが全く存在しない領域（ＯＲ領域のＮＯＴ部分）が基板上で最も低い領域となる。簡単な例を挙げれば、上述のマスクデータがすべて重なり合う領域（ＡＮＤ領域）に存在するコンタクトホールのみを本発明のマスクパターンに変換することができる。あるいは逆に、マスクデータが全く存在しない領域（ＯＲ領域のＮＯＴ部分）に存在するコンタクトホールのみを本発明のマスクパターンに変換してもよい。実際には、Ｍ１からＭｎまでのマスクデータ間の簡単な演算処理により、さらにきめ細かな高さの推定が可能となり、それに応じた細かなコンタクトホールパターンデータの生成が可能となる。具体的には、それぞれの層の膜厚を重ね合わせによって計算することにより、高さをいくつかの段階に分けて、それぞれに最も適したマスクパターンを選択的に配置することも可能である。
【００５２】
以下に、マスクデータの具体的な生成方法、そのマスクデータを有するフォトマスクを用いた露光方法について説明する。図１１の最上段に、半導体素子を製造するための加工の原図となるマスクデータを示す。Ｍ１〜Ｍ４は上記各層に相当するマスクデータであり、マスクデータＭ４を有するフォトマスクを用いて形成した配線層の上にコンタクトホールを形成する場合を想定する（元マスクデータ：Ｈ１）。Ｍ１からＭ４までのマスクデータの共通部分（ＡＮＤ領域）をＭＲで示す。このＭＲ部分が基板上で最も高い位置に相当する。このＭＲとＨ１の共通のマスクデータ（ＡＮＤ領域）をＨ２とすれば、Ｈ２は基板上の最も高い位置に形成すべきコンタクトホールに対応したマスクデータとなる。さらに、この最も高い位置に形成すべきコンタクトホールに対応したマスクデータＨ２を、図１に示す本発明のマスクパターンで置き換えたマスクデータをＨ３とする。Ｈ１からＨ２を引いたマスクデータをＨ１′とし、Ｈ１′とＨ３を足したマスクデータをＨ４とすれば、このＨ４が、マスクデータＭ４を有するフォトマスクを用いて形成した配線層の上にコンタクトホールを形成する場合の露光に用いられるべきフォトマスクのマスクデータとなる。
【００５３】
実際には、Ｍ１〜Ｍ４に対応する層の膜厚ｔ1 〜ｔ4 は、ｔ1 ＝０．１μｍ、ｔ2 ＝０．５μｍ、ｔ3 ＝０．７μｍ、ｔ4 ＝０．７μｍであり、総合段差（これらの層がすべて除去された部分との高低差）は２μｍである。投影露光装置の焦点深度ＤＯＦは、投影レンズの開口数の二乗に反比例し、露光波長に比例する（ＤＯＦ＝λ／ＮＡ2 ）ので、開口数の大きい投影レンズを備えた投影露光装置を用いた場合に得られる焦点深度は１〜１．５μｍ程度しかない。このため、このような段差の上下で微細なコンタクトホールを形成することは困難であった。本発明のフォトマスク（マスクデータＨ４を有するフォトマスク）を用いれば、最大段差上においてはフレネル回折を利用したフォトマスクによって、それ以外の部分においては通常のフォトマスクによってどちらも良好なコンタクトホールパターンを形成することができる。マスクデータＨ３としては、図５（ｂ）に示したのと同じ、ｄr ＝０．９μｍ、Ｌr ＝０．２８μｍのマスクパターンを用いた。
【００５４】
２層目のアルミ配線層を形成した後、層間膜として膜厚０．５μｍのＢＰＳＧ膜を堆積した半導体基板上に、膜厚１μｍのポジ型フォトレジストを塗布した。次いで、ｉ線ステッパ（ＮＡ＝０．５７、σ＝０．３）によりマスクデータＨ４を有するフォトマスクを用いて露光した。これにより、０．５μｍのコンタクトホールを段差の上下で１．２μｍの焦点範囲で形成することができた。一方、マスクデータＨ１を有するフォトマスク（通常のフォトマスク）を用いて同一の基板上にパターンを形成した場合には、段差の上下で同時に０．５μｍのコンタクトホールが形成される焦点範囲は０．３μｍであった。
【００５５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、従来のフォトマスクの製造工程を大幅に変えることなく、焦点位置を制御することが可能な投影露光用フォトマスクを実現することができるので、段差を有する半導体基板上に所望のパターンを形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の投影露光用フォトマスクのマスクパターンを示す平面図である。
【図２】本発明の投影露光用フォトマスクの原理を示す説明図である。
【図３】本発明のイメージ形成の原理を示す説明図である。
【図４】本発明の投影露光用フォトマスクによるフレネル回折像の形成を示す説明図である。
【図５】本発明の投影露光用フォトマスクを用いて得られる投影像の光学シミュレーションの結果を示す説明図である。
【図６】本発明の投影露光用フォトマスク用いて、露光して得られたパターン寸法を示す図である。
【図７】本発明の投影露光用フォトマスクのマスクパターンの他の例を示す平面図である。
【図８】本発明の投影露光用フォトマスクを用い、デフォーカス量を変化させた場合の投影像を示す図である。
【図９】本発明の投影露光用フォトマスクを用い、照明光の可干渉度（σ値）を変化させた場合の光強度分布の光学シミュレーションの結果を示す図である。
【図１０】本発明の投影露光用フォトマスクを用いて作製された半導体素子を示す断面図である。
【図１１】本発明の投影露光用フォトマスクのマスクデータの生成方法を示す説明図である。
【図１２】（ａ）は従来技術における投影露光用フォトマスクを示す断面図、（ｂ）は従来技術の投影露光用フォトマスクによる効果を示す図である。
【符号の説明】
１  フレネルゾーンプレート
２  遮光パターン
３  平行光線
４  投影レンズ
５  集光レンズ
６  半導体基板（シリコン基板）
７  シリコン酸化膜（素子分離層）
８  ポリシリコン膜（ゲート電極）
９、１１  シリコン酸化膜（層間膜）
９ａ、９ｂ  コンタクトホール
１０  アルミ膜（配線層）
【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】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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