JP2012203357A - フォトマスク及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】パターン端部を有する場合でも均一な寸法のパターンを作製することができるフォトマスク及びその製造方法を提供すること。
【解決手段】本発明の一態様であるフォトマスク１００は、基板及び遮光膜を有する。基板に入射する露光光線は被転写体へ向けて透過する。遮光膜は、基板上に形成され、露光光線を遮光する。遮光膜の通常パターン領域１５とパターンが形成されない空白領域１６との間のパターン端部領域１４には、第１の開口部１１が形成される。遮光膜の通常パターン領域１５には、第１の開口部１１とは面積が異なる第２の開口部１２が形成される。
【選択図】図２

Description

本発明はフォトマスク及びその製造方法に関し、特に半導体製造プロセスで用いられるフォトマスク及びその製造方法に関する。

半導体素子の製造プロセスでは、基板上に半導体素子のパターンを形成するプロセスが存在する。一般に、半導体素子のパターン形成技術として、フォトリソグラフィ技術が知られている。近年では、素子の寸法の小型化が進展しているため、フォトリソグラフィ技術に起因する困難が克服されなければ、半導体素子及びその製造技術の発展は妨げられると考えられる。

レイリーの解像力基準によると、光学システムが識別できる最小幅（即ち、解像度）は、光線の波長（λ）に比例し、開口数に逆比例する。波長が短い露光光源又は開口数が大きいレンズを用いると、理論的には解像度が向上し、より小さなパターン幅を実現することができる。しかし、この場合、焦点深度が小さくなるという問題が生じる。

また、フォトリソグラフィ処理における超解像技術（Ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ Ｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ：ＲＥＴ）として、変型照明（Ｏｆｆ−Ａｘｉｓ Ｉｌｌｕｍｉｎａｔｉｏｎ：ＯＡＩ）、位相シフトマスク（Ｐｈａｓｅ Ｓｈｉｆｔ Ｍａｓｋ：ＰＳＭ）及び光近接効果補正（Ｏｐｔｉｃａｌ Ｐｒｏｘｉｍｉｔｙ Ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ：ＯＰＣ）などが知られている。

光近接効果補正（ＯＰＣ）は、光の回折による影響を補償する技術である。パターンの開口幅が露光光線の波長に近い場合、露光光線は、フォトマスクを透過するときに回折効果を生ずることがある。その結果、回折光の集積により、露光したパターンに歪みが生じる。光近接効果補正（ＯＰＣ）は、回折効果を考慮し、露光したパターンの歪みを補償する。具体的には、フォトマスク上のパターンを修正することにより、フォトレジスト上に重ね合わされた回折光が所要の分布となるようにする。

また、他にも超解像技術が提案されている（特許文献１及び２）。例えば、特許文献１では、フォトニック結晶を用いたマスクが提案されている。特許文献１に記載のマスクは、露光光線を遮光する領域に、その露光波長をフォトニックバンドギャップとするフォトニック結晶を有する。これにより、的確な遮光が可能となり、透光部を透過する露光光線の回折効果を低減させることができる。

特許文献２では、位相マスクが提案されている。特許文献２に記載の位相マスクには、特定波長の露光光線が入射する。そして、位相マスクから出射した０次光と±１次光とによりパターンが形成される。これにより、±１次光の干渉を利用した周期構造と０次光による一様な構造とを同時に作製できる。

近年、半導体素子の微細化に起因したフォトリソグラフィにおける課題は、先端のＣＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ：ＣＭＯＳ）に限ったことではなくなってきている。光通信や光情報処理に適用する半導体光デバイス分野では、微細な屈折率の周期構造（フォトニック結晶構造）を用いることで、特性の著しい改善や新しい機能創出を狙った提案が数多くなされている。フォトニック結晶構造の作製技術としては、例えば、電子線描画（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｂｅａｍ ｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ：ＥＢ）による２次元又は３次元の屈折率周期構造（多次元回折格子）の作製方法が示されている（特許文献３）。

特開２００９−２１１０７２号公報 特開２００５−９１７０２号公報 特開２０００−１９３８１１号公報

ところが、発明者らは、半導体光デバイスにおける微細構造パターンの作製においては、以下のような課題が有ることを見出した。上述のフォトニック結晶のような使用波長に比べて十分小さい周期的なパターンを有する構造においては、パターンを無限に続けて形成することはできない。よって、有限の領域内に、必ずパターン端部が形成される。上述のようなフォトマスクを用いた縮小投影露光やＥＢ露光により形成されるパターンは、有限の大きさを有する単位領域がマトリックス状に配置されたものとみなせる。よって、マトリックスの外縁に配置された単位領域は、パターン形成がされていない領域と隣接することとなる。

図１３は、一般的なフォトマスク４００の要部を拡大した上面図である。フォトマスク４００は、図１３に示すように、円形の開口部４１が三角形の格子状に形成されている。遮光部４２は、開口部４１の間を覆っている。

フォトマスク４００では、開口部４１が形成されていない中央の空白領域４５に隣接する開口部４１と下端の開口部４１とが、パターン端部領域４３となる。なお、図示しないが、図１３の上側及び左右外側には、開口部４１が連続して形成されている。ここでは、開口部４１の直径をｄ４とし、開口部４１の中心間距離を周期ａ４とする。以下では、パターン端部領域４３及び空白領域４５以外の、開口部４１が形成されている領域を通常パターン領域４４と称する。パターン端部領域４３は、開口部４１が形成された通常パターン領域４４及び開口部４１が形成されていない空白領域４５と隣接する。換言すれば、パターン端部領域４３では、通常パターン領域４４及び空白領域４５を画すように、複数の開口部４１が、列状に形成されている。そのため、被転写体上における開口部４１透過後のレジスト膜中の露光光線の強度が、被転写体上のパターン中心を通る軸に対し、パターン端部側と通常パターン部側で非対称となる。その結果、被転写体上におけるパターンの寸法や形状に揺らぎが生じる。

図１４は、フォトマスク４００を用いて露光した場合の被転写体上におけるレジスト形状を示す電子顕微鏡写真である。図１４に示すように、パターン端部領域４３のレジスト形状は、通常パターン領域４４と比べて、歪みが生じる。レジストをマスクとしたエッチングによりフォトニック結晶を形成する場合には、空白領域４５は光導波路として機能する。特に、空白領域４５の左右に隣接するパターン端部領域４３でのレジスト形状には揺らぎが生じ、通常パターン領域４４と比べて大きくなっている。これにより、光導波路を伝搬する導波光に対する実効的な屈折率が設計値と異なってしまう。その結果、フォトニック結晶を作製しても、所要の光学特性を得ることができない。

これまで、フォトニック結晶の構造は微細であるため、普及している安価なステッパ縮小投影露光装置（例えば、ｉ線ステッパ縮小投影露光装置）とバイナリマスクでは解像力が不足する。そのため、フォトニック結晶の作製へのフォトリソグラフィ工程の適用は困難であった。その結果、上述の様な、露光強度の非対称性に起因したパターン揺らぎの課題は顕在化してこなかった。

しかし、フォトニック結晶をはじめとした微細な半導体光デバイスを量産するためには、ＥＢ露光に比べて優れたスループットを有するステッパ縮小投影露光装置の適用が不可欠である。一方で、フォトリソグラフィの高解像度化のために、先端ＣＭＯＳで使われているＡｒＦやＫｒＦなどのエキシマレーザを光源とするステッパ縮小投影露光装置、位相シフトマスク及び光近接効果補正マスクの導入は、非常に高コストである。さらに、ステッパ縮小投影露光装置に適合する基板の寸法が限定されてしまう。よって、現状の半導体光デバイスの販売価格と半導体光デバイスの作製に用いる基板とを考慮すると、現実的ではない。従って、普及している安価なステッパ縮小投影露光装置及びバイナリマスクにより形成されるパターン揺らぎを抑制する手法の開発が必須である。

換言すれば、微細な半導体光デバイスの量産工程に適応可能であり、パターン端部での寸法や形状の揺らぎを抑制して理想的な光学特性を有するフォトニック結晶を作製できる手法は、現状では確立されていない。

本発明は、上記の事情に鑑みて為されたものであり、本発明の目的は、均一な寸法のパターンを作製することができるフォトマスク及びその製造方法を提供することである。

本発明の一態様であるフォトマスクは、入射する露光光線が被転写体へ向けて透過する基板と、前記基板上に形成された、前記露光光線を遮光する遮光膜と、を備え、前記遮光膜の通常パターン領域とパターンが形成されない空白領域との間のパターン端部領域には、第１の開口部が形成され、前記遮光膜の前記通常パターン領域には、前記第１の開口部とは面積が異なる第２の開口部が形成されるものである。

本発明の一態様であるフォトマスクの製造方法は、入射する露光光線が被転写体へ向けて透過する基板上に、前記露光光線を遮光する遮光膜を形成し、前記遮光膜の通常パターン領域とパターンが形成されない空白領域との間のパターン端部領域に、第１の開口部を形成し、前記遮光膜の前記通常パターン領域に、前記第１の開口部とは面積が異なる第２の開口部を形成するものである。

本発明によれば、パターン端部を有する場合でも均一な寸法のパターンを作製することができるフォトマスク及びその製造方法を提供することができる。

フォトマスクを用いた露光プロセスの概要を説明するための一般的な半導体露光装置５００の要部の断面図である。 実施の形態１にかかるフォトマスク１００の要部を拡大した上面図である。 フォトマスク４００を用いて露光した場合の被転写体上における２次元的な光強度分布の計算結果を示す平面図である。 図３に示す被転写体上のＩＶａ−ＩＶｂ線、ＩＶｃ−ＩＶｄ線及びＩＶｅ−ＩＶｆ線における光強度分布を示すグラフである。 フォトマスク１００を用いて露光した場合の被転写体上における２次元的な光強度分布の計算結果を示す平面図である。 図５に示す被転写体上のＶＩａ−ＶＩｂ線、ＶＩｃ−ＶＩｄ線及びＶＩｅ−ＶＩｆ線における光強度分布を示すグラフである。 第１の開口部１１の面積が第２の開口部１２の面積より小さいフォトマスク１００を用いて露光した場合の被転写体上における２次元的な光強度分布の計算結果を示す平面図である。 第１の開口部１１の面積が第２の開口部１２の面積より大きいフォトマスク１００を用いて露光した場合の被転写体上における２次元的な光強度分布の計算結果を示す平面図である。 半導体基板を用いて作製されたフォトニック結晶構造３００の要部を拡大した上面図である。 実施の形態２にかかるフォトマスク２００の要部を拡大した上面図である。 フォトマスク２００を用いて露光した場合の被転写体上における２次元的な光強度分布の計算結果を示す平面図である。 図９に示す被転写体上のＸａ−Ｘｂ線、Ｘｃ−Ｘｄ線及びＸｅ−Ｘｆ線における光強度分布を示すグラフである。 任意の凸多角形の開口部の配置例を示す上面図である。 一般的なフォトマスク４００の要部を拡大した上面図である。 フォトマスク４００を用いて露光した場合の被転写体上でのレジスト形状を示す電子顕微鏡写真である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。各図面においては、同一要素には同一の符号が付されており、必要に応じて重複説明は省略される。

まず、本発明を理解するための準備として、フォトマスクを用いた露光プロセスの概要について説明する。図１は、フォトマスクを用いた露光プロセスの概要を説明するための一般的な半導体露光装置５００の要部の断面図である。一般的な半導体露光装置としては、ステッパやスキャナなどの縮小投影露光装置が広く用いられる。縮小投影露光装置は、フォトマスクに描画されたパターンを被転写体に縮小投影することにより、露光パターンを形成する。半導体基板１は、半導体露光装置内のステージ（不図示）上に保持され、高精度に位置制御される。例えば、半導体基板１は、Ｓｉ、ＳｉＧｅ、ＩｎＰ又はＧａＡｓなどの材料からなる。

図１に示すように、半導体基板１上には、誘電体膜２が成膜されている。誘電体膜２上には、使用する露光光線の波長に対して感光性を有したフォトレジスト膜３が形成されている。フォトレジスト膜３は、例えば、スピン塗付により形成される。但し、フォトレジスト膜３の形成方法については、スピン塗付に限定されない。

フォトレジスト膜３の上方には、例えばマスクホルダー（不図示）により、フォトマスク１０が固定される。フォトマスク１０は、透過性基板４上に遮光膜５が形成されている。透過性基板４は、露光光線６を透過させる基板であり、一般に、ガラスや合成石英により構成される。遮光膜５は、露光光線６を遮光する膜であり、一般に、クロムにより構成される。

つまり、露光光線６は、遮光膜５が形成されていない部分である開口部７を透過して、フォトレジスト膜３に到達する。また、露光光線６は、遮光膜５が形成されている部分である遮光部８によって遮られる。従って、露光光線６は、遮光部８の下方のフォトレジスト膜３には到達しない。これにより、フォトレジスト膜３には、開口部７を透過した露光光線６が明暗パターンとして照射される。これにより、現像後のフォトレジスト膜３には、フォトマスク１０に対応した露光パターンが形成される。

なお、開口部７は、厳密には露光光線６のすべてを透過させる必要はなく、フォトレジスト膜３が露光される以上の量の露光光線を透過させればよい。すなわち、フォトレジスト膜３が露光される光の量を「感光しきい値Ｉｔｈ」、露光光線６の量に対する透過光の量の比を「透過率」と定義すると、開口部７の透過率は、感光しきい値Ｉｔｈを露光光線６の量で割った値以上であればよい。

また、遮光膜５も、厳密には露光光線６のすべてを遮光する必要はなく、感光しきい値Ｉｔｈよりも少ない量の露光光線であれば透過させてもよい。すなわち、露光光線６の量に対する、遮光光される露光光線の量の比を「遮光率」と定義すると、開口部７の遮光率は、Ｉｔｈを露光光線６の量で割った値よりも小さい値であればよい。

なお、図１は半導体露光装置の模式図である。従って、図１に示す半導体露光装置５００は、実際の半導体露光装置とは異なる寸法比率で示されている。また、図面の簡略化のため、図１では、露光光線６が通過するコンデンサレンズや投影レンズなどが省略されている。

実施の形態１
本発明の実施の形態１にかかるフォトマスク１００について説明する。上述で説明したように、理想的なフォトニック結晶構造を得るためには、パターン端部領域と通常パターン領域の形状の差異、すなわち平均的な屈折率の差を低減する必要がある。そのため、本実施の形態にかかるフォトマスク１００では、パターン端部領域に形成された第１の開口部と、通常パターン領域に形成された第２の開口部とが、それぞれ異なる面積を有する。特に、本実施の形態では第１の開口部及び第２の開口部の形状は相似形であり、かつその寸法が異なる。以下、本実施の形態にかかるフォトマスク１００の構成について、具体的に説明する。

図２は、実施の形態１にかかるフォトマスク１００の要部を拡大した上面図である。フォトマスク１００は、図２に示すように、第１の開口部１１及び第２の開口部１２を有する。第１の開口部１１は、パターン端部に相当する凸ｎ（ｎは、３以上の整数）角形の各頂点を中心として形成される。第２の開口部１２は、通常パターンに相当する凸ｎ角形の外心を中心として形成される。遮光部１３は、第１の開口部１１と第２の開口部１２との間を覆っている。第１の開口部１１が形成されている領域が、パターン端部領域１４である。第２の開口部１２が形成されている領域が、通常パターン領域１５である。パターン端部領域１４の周囲が、空白領域１６である。

図２では、基本となる単位格子の一例としてｎ＝３の場合、すなわち正三角形の頂点を中心とする３個の第１の開口部１１を配置した場合を示す。以下、第１の開口部１１の直径をｄ１１、第２の開口部１２の直径をｄ１２、第１の開口部１１及び第２の開口部１２の中心間の距離を周期ａ１とする。フォトマスク１００のその他の構成は、フォトマスク１０と同様であるので、説明を省略する。

図２では、フォトマスク１００の第１の開口部１１及び第２の開口部１２の形状は真円形であるが、開口部の形状はこれに限定されない。すなわち、開口部の形状は、真円形ではなく、楕円形であってもよい。また、図２では、パターン端部領域１４及び通常パターン領域１５の最小構成の例を表している。そのため、フォトマスク１００にかかる構成を現実的な素子に適用する場合には、本最小構成を単位格子として、単位格子を組み合わせた構成とすることができる。なお、本実施の形態では正三角形の頂点を中心とする３個の第１の開口部１１を配置する例について説明するが、第１の開口部１１の配置はこの例に限られない。よって、任意の凸ｎ（ｎは、３以上の整数）角形の頂点を中心とするｎ個の第１の開口部１１を配置することが可能である。さらに、パターン端部領域及び通常パターン領域の配置はこれに限定されない。すなわち、図１２に示すように、パターン端部領では、通常パターン領域及び空白領域を画すように、複数の第１の開口部が、列状に形成されていればよい。

以下、本実施の形態１にかかるフォトマスク１００を適用した場合の効果を計算によって検証した結果を示す。

一般に、フォトマスク１００における第１の開口部１１の直径ｄ１１及び第２の開口部１２の直径ｄ１２を露光光線の波長λの近傍まで小さくすると、露光光線の回折効果が大きくなるため、回折効果を取り入れて計算を行う必要がある。ここで、フォトマスク１００から被転写体（例えば、図１のフォトレジスト膜３）までの実効的な焦点距離をＲとする。また、被転写体上における露光光線の光軸からの距離をｒとする。この場合、１つの真円形の第１の開口部１１又は第２の開口部１２を透過した露光光線の被転写体上における光強度分布Ｉ（ｒ）は、以下の式（１）及び（２）で表される。
なお、式（１）において、Ｊ１は第１種１次Ｂｅｓｓｅｌ関数を示す。

式（１）で表される光強度分布Ｉ（ｒ）は、一般にエアリーディスクと呼ばれ、同心円上に光強度分布が広がる。この広がりの尺度を示す、光強度の最初の零点の光軸からの距離ｒ_０は、以下の式（３）で表される。

実際の被転写体上の光強度分布は、複数の第１の開口部１１と第２の開口部１２とを透過した露光光線の重ね合わせである。よって、実際の被転写体上での光強度分布Ｉｔｏｔａｌは、以下の式（４）及び（５）で表される。

式（３）より、第１の開口部１１の直径ｄ１１及び第２の開口部１２の直径ｄ１２が露光光線の波長λに対して十分大きくない場合には、被転写体上における光強度分布Ｉ（ｒ）の開口径（第１の開口部１１の直径ｄ１１及び第２の開口部１２の直径ｄ１２）に対する広がりが顕著になる。

ここで、一般的なフォトマスク４００を用いて露光した場合の被転写体上における２次元的な光強度分布を求めるため、式（４）を用いて計算を行った。なお、この計算においては、開口部４１の直径ｄ４を１．２μｍ、周期ａ４を２．１μｍとした。また、露光光線の波長λを３６５ｎｍ（水銀ランプのｉ線の露光波長）、露光に使用する縮小投影露光装置の縮小倍率を１／５とした。以下、特に断りが無い限り、上記と同様の露光光線の波長及び縮小倍率を適用した計算結果を示すこととする。なお、同一のパターンでの効果の差異を確認するために、パターン端部領域及び通常パターン領域の配置及び開口部の形状は、本実施の形態１にかかるフォトマスク１００と同一とした。ただし、フォトマスク４００では、パターン端部領域４３の開口部４１及び通常パターン領域４４の開口部４１の面積及び形状が同じであるので、これらの直径も同じとなる。

図３は、フォトマスク４００を用いて露光した場合の被転写体上における２次元的な光強度分布の計算結果を示す平面図である。図３に示すように、パターン端部領域４３に形成される正三角形の頂点を中心とする開口部と、通常パターン領域４４に形成される正三角形の外心を中心とする開口部とでは、光強度分布が顕著に異なることがわかる。

図４は、図３に示す被転写体上のＩＶａ−ＩＶｂ線、ＩＶｃ−ＩＶｄ線及びＩＶｅ−ＩＶｆ線における光強度分布を示すグラフである。図４に示すＩｔｈは、被転写体であるフォトレジストの感光しきい値を示す。光強度分布が感光しきい値Ｉｔｈよりも大きい領域では、フォトレジストが感光する。そのため、光強度分布を示すピークと感光しきい値Ｉｔｈを示す直線とが交わる２つの交点間の距離が、パターン寸法となる。なお、図４での感光しきい値Ｉｔｈの大きさは例示に過ぎない。また、光強度分布の縦軸方向、すなわち光強度の絶対値は、露光装置によって制御することが可能である。

フォトマスク４００を用いた場合には、図４に示すように、光強度の絶対値や感光しきい値Ｉｔｈをどのように調整しても、ＩＶａ−ＩＶｂ線、ＩＶｃ−ＩＶｄ線及びＩＶｅ−ＩＶｆ線における光強度分布を一致させることができない。そのため、等しい感光寸法を得ることはできない。すなわち、上述の計算により、パターン端部と通常パターンとでは、レジスト形状に差異が生じることが理解できる。

続いて、実施の形態１にかかるフォトマスク１００を用いて露光した場合の被転写体上における２次元的な光強度分布を求めるため、式（４）を用いて計算を行った。フォトマスク１００では、パターン端部の第１の開口部１１と通常パターンの第２の開口部１２とで面積が異なる。つまり、第１の開口部１１の直径ｄ１１は、第２の開口部１２のｄ１２と異なる。ここでは、直径ｄ１１を１．２５μｍ、直径ｄ１２を１．２μｍ、周期ａ１を２．１μｍとして計算を行った。

図５は、フォトマスク１００を用いて露光した場合の被転写体上における２次元的な光強度分布の計算結果を示す平面図である。図５に示すように、パターン端部領域１４に形成された正三角形の頂点を中心とする第１の開口部１１と、通常パターン領域１５に形成された正三角形の外心を中心とする第２の開口部１２とでは、光強度分布が近似することがわかる。なお、図５での感光しきい値Ｉｔｈの大きさは例示に過ぎない。また、光強度分布の縦軸方向、すなわち光強度の絶対値は、露光装置によって制御することが可能である。

図６は、図５に示す被転写体上のＶＩａ−ＶＩｂ線、ＶＩｃ−ＶＩｄ線及びＶＩｅ−ＶＩｆ線における光強度分布を示すグラフである。図６に示すＩｔｈは、図４と同様、被転写体であるフォトレジストの感光しきい値を示す。図６に示すように、ＶＩａ−ＶＩｂ線、ＶＩｃ−ＶＩｄ線及びＶＩｅ−ＶＩｆ線の光強度分布はほぼ等しい。従って、ほぼ等しいパターン寸法が得られる。すなわち、フォトマスク１００を用いることにより、パターン形状の揺らぎを抑制し、パターン端部と通常パターンとで、ほぼ等しいレジスト形状を得ることができる。

さらに、第１の開口部と第２の開口部の面積の関係について、計算結果を示して説明する。以下ではフォトマスク４００と同様の正６角形格子が組み合わされて配置され、左端と下端がパターン端部となっている場合について説明する。図７Ａは、第１の開口部１１の面積が第２の開口部１２の面積より小さいフォトマスク１００を用いて露光した場合の被転写体上における２次元的な光強度分布の計算結果を示す平面図である。図７Ａにおいては、第１の開口部１１の直径ｄ１１を１．２５μｍ、第２の開口部１２の直径ｄ１２を１．３５μｍ、周期ａ１を２．１μｍとして計算を行った。図７Ａに示すように、パターン端部と通常パターンとで、大きな光強度の揺らぎが生じていることがわかる。

一方、図７Ｂは、第１の開口部１１の面積が第２の開口部１２の面積より大きいフォトマスク１００を用いて露光した場合の被転写体上における２次元的な光強度分布の計算結果を示す平面図である。図７Ｂにおいては、第１の開口部１１の直径ｄ１１を１．４５μｍ、第２の開口部１２の直径ｄ１２を１．３５μｍ、周期ａ１を２．１μｍとして計算を行った。図７Ｂに示すように、パターン端部と通常パターン部とで光強度分布の差が少なく、一様であることから、ほぼ等しいレジスト形状を得ることができると考えられる。

ここで、フォトマスク１００を用いて露光を行った場合の物理的効果について、詳細に説明する。以下では、微細な屈折率の周期構造の例として、半導体基板を用いて作製されたフォトニック結晶構造３００について説明する。図８は、半導体基板を用いて作製されたフォトニック結晶構造３００の要部を拡大した上面図である。フォトニック結晶構造３００は、半導体基板３０に、第１の屈折率領域３１及び第２の屈折率領域３２が形成されている。第１の屈折率領域３１及び第２の屈折率領域３２の屈折率は、半導体基板３０の屈折率と異なる。第１の屈折率領域３１は、パターン端部領域に相当し、その形状は真円形である。第１の屈折率領域３１のそれぞれは、凸ｎ（ｎは、３以上の整数）角形の各頂点を中心として形成される。第２の屈折率領域３２は、通常パターン領域に相当し、その形状は真円形である。第２の屈折率領域３２は、凸ｎ角形の外心を中心として形成される。以下では、第１の屈折率領域３１の面積をＳ_３１とし、第２の屈折率領域３２の面積をＳ_３２とする。図８では、基本となる単位格子の一例として、基本となる単位格子の一例としてｎ＝３の場合、すなわち正三角形の頂点を中心とする３個の第１の屈折率領域３１が形成された場合を示す。

フォトニック結晶構造３００は、第１の単位領域３３及び第２の単位領域３４を有する。第１の単位領域３３は、第１の屈折率領域３１を含み、第１の屈折率領域３１の周辺部分は半導体基板３０により構成される。第２の単位領域３４は、第２の屈折率領域３２を含み、第２の屈折率領域３２の周辺部分は半導体基板３０により構成される。すなわち、第１の単位領域３３及び第２の単位領域３４は、屈折率が異なる少なくとも２つの領域により構成される。フォトニック結晶構造３００では、第１の単位領域３３及び第２の単位領域３４は互いの辺が接する正六角形である。また、第１の単位領域３３の面積は第１の単位領域３４の面積と等しく、その面積をＳ_０とする。

ここで、半導体基板３０は、ＩｎＰ基板により構成されているものとし、ＩｎＰの屈折率をｎ_ＩｎＰとする。また、第１の屈折率領域３１及び第２の屈折率領域３２は、それぞれエッチング加工により形成された空孔（開口部）であるものとし、開口部の屈折率をｎ_Ａｉｒとする。以上の条件のもとでは、第１の単位領域３３の平均屈折率＜ｎ_１＞及び第２の単位領域３４の平均屈折率＜ｎ_２＞は、それぞれ式（６）及び（７）で表される。
ここで、ΔＳは第１の屈折率領域３１の面積を補正するための項である。

フォトマスク１００を用いて露光を行った場合、被転写体上におけるパターン端部領域及び通常パターン領域で同等の光学特性を得るためには、式（８）に示すように、平均屈折率＜ｎ_１＞及び＜ｎ_２＞が等しければよい。
式（６）及び（７）を式（８）に代入して整理すると、式（９）が得られる。

よって、式（９）が成立するようにΔＳを定めることにより、パターン端部の第１の屈折率領域３１の面積Ｓ_３１と通常パターンである第１の屈折率領域３２の面積Ｓ_３２との差異を補償することができる。ΔＳの値の調整は、第１の屈折率領域３１の形状をそのままとして寸法を変えるか、又は第１の屈折率領域３１の形状を変えることで実現することができる。

フォトニック結晶構造３００では、第１の屈折率領域３１及び第２の屈折率領域３２の形状を真円形としているが、第１の屈折率領域３１及び第２の屈折率領域３２の形状はこれに限定されない。第１の屈折率領域３１及び第２の屈折率領域３２の形状は、凸ｍ角形（ｍは、３以上の整数）であってもよい。また、図８では、パターン端部と通常パターンを含んだ最小の構成を表している。そのため、実際のフォトニック結晶構造では、本最小の構成である単位格子を組み合わせた構成とすることができる。なお、本実施の形態では正三角形の頂点を中心とする３個の第１の屈折率領域３１を配置する例について説明するが、第１の屈折率領域３１の配置はこの例に限られない。よって、任意の凸ｎ（ｎは、３以上の整数）角形の頂点を中心とするｎ個の第１の屈折率領域３１を配置することが可能である。

フォトニック結晶構造３００の第１の屈折率領域３１は、フォトマスク１００の第１の開口部１１に相当する。フォトニック結晶構造３００の第２の屈折率領域３２は、フォトマスク１００の第２の開口部１２に相当する。つまり、フォトマスク１００においては、ΔＳを調整することは、第１の開口部１１の面積を第２の開口部１２の面積と異ならせることに相当する。従って、フォトマスク１００は、被転写体上におけるパターン端部領域及び通常パターン領域の光学的効果を等しくすることができる。その結果、本実施の形態にかかるフォトマスク１００によれば、パターン端部領域のパターン形状の揺らぎを抑制し、パターン形状を均一化することができる。

また、本実施の形態にかかるフォトマスク１００は、通常のフォトマスク作製方法により、第１の開口部１１及び第２の開口部１２の形状及び寸法を変更するのみで作製することができる。つまり、位相シフトマスクなどの高価なマスクや、電子線照射装置、先端プロセスに適用される露光装置などの高価な装置を要することなく、フォトニック結晶を作製することができる。従って、本実施の形態にかかるフォトマスク１００を微細な半導体光デバイスの量産工程に適用することにより、安価にパターン端部での寸法及び形状の揺らぎが抑制されたフォトニック結晶を得ることができる。

実施の形態２
次に、本発明の実施の形態２にかかるフォトマスクについて、具体的な構成例を示して説明する。図９は、実施の形態２にかかるフォトマスク２００の要部を拡大した上面図である。フォトマスク２００は、パターン端部領域での開口部の形状と通常パターン領域の開口部の形状が異なる。フォトマスク２００は、図９に示すように、第１の開口部２１及び第２の開口部２２を有する。第１の開口部２１は正六角形の形状を有し、凸ｎ（ｎは、３以上の整数）角形の各頂点を中心として形成される。第２の開口部２２は真円形の形状を有し、凸ｎ角形の外心を中心として形成される。遮光部２３は、第１の開口部２１と第２の開口部２２との間を覆っている。第１の開口部２１が形成されている領域が、パターン端部領域２４である。第２の開口部２２が形成されている領域が、通常パターン領域２５である。パターン端部領域２４の周囲が、空白領域２６である。

図９では、基本となる単位格子の一例としてｎ＝３の場合、すなわち正三角形の頂点を中心とする３個の第１の開口部２１を配置した場合を示す。本実施の形態では、パターン端部領域２４の第１の開口部２１の最大径をｄ２１、通常パターン領域２５の第２の開口部２２の直径をｄ２２、第１の開口部２１の中心と第２の開口部２２の中心との間の距離を周期ａ２とする。なお、第１の開口部２１の最大径ｄ２１は、正六角形の最も長い対角線の長さを示す。フォトマスク２００のその他の構成は、フォトマスク１００と同様であるので、説明を省略する。

上述の例では、フォトマスク２００の第１の開口部２１の形状を正六角形としているが、第１の開口部２１の形状はこれに限定されない。すなわち、第１の開口部２１の形状は、正六角形ではなく、凸ｍ角形（ｍは、３以上の整数）であってもよい。また、図９では、パターン端部と通常パターンを含んだ最小の構成を表している。そのため、フォトマスク１００にかかる構成を現実的な素子に適用する場合には、本最小の構成を単位格子として、単位格子を組み合わせた構成とすることができる。なお、本実施の形態では正三角形の頂点を中心とする３個の第１の開口部２１を配置する例について説明するが、第１の開口部２１の配置はこの例に限られない。よって、任意の凸ｎ（ｎは、３以上の整数）角形の頂点を中心とするｎ個の第１の開口部２１を配置することが可能である。

以下、本実施の形態２にかかるフォトマスク２００を適用した場合の効果を計算によって検証した結果を示す。なお、計算の基本となる手法は、実施の形態１にかかるフォトマスク１００の場合と同じであるため、ここでは説明を省略する。

フォトマスク２００では、フォトマスク１００と同様に、パターン端部領域２４の第１の開口部２１の面積は、通常パターン領域２５の第２の開口部２２の面積と異なる。但し、第１の開口部２１及び第２の開口部２２の面積の相違は、第１の開口部２１及び第２の開口部２２の形状の差異によって実現されている。ここでは、最大径ｄ２１を１．２５μｍ、直径ｄ２２を１．２μｍ、周期ａ２を２．１μｍとして計算を行った。

図１０は、フォトマスク２００を用いて露光した場合の被転写体上における２次元的な光強度分布の計算結果を示す平面図である。図１０に示すように、パターン端部領域２４に形成された正三角形の頂点を中心とする第１の開口部２１と、通常パターン領域２５に形成された正三角形の外心を中心とする第２の開口部２２とでは、光強度分布が近似することがわかる。なお、図１０での感光しきい値Ｉｔｈの大きさは例示に過ぎない。また、光強度分布の縦軸方向、すなわち光強度の絶対値は、露光装置によって制御することが可能である。

図１１は、図１０に示す被転写体上のＸａ−Ｘｂ線、Ｘｃ−Ｘｄ線及びＸｅ−Ｘｆ線での光強度分布を示すグラフである。図１１に示すＩｔｈは、図４と同様、被転写体であるフォトレジストの感光しきい値を示す。図１１に示すように、Ｘａ−Ｘｂ線、Ｘｃ−Ｘｄ線及びＸｅ−Ｘｆ線の光強度分布はほぼ等しい。従って、露光量を適切に調整することで、ほぼ等しいパターン寸法が得られることが理解できる。すなわち、フォトマスク２００を用いることにより、パターン形状の揺らぎを抑制し、パターン端部と通常パターンとで、ほぼ等しいレジスト形状を得ることができる。

実施の形態１で説明したフォトニック結晶構造３００の第１の屈折率領域３１は、フォトマスク２００の第１の開口部２１に相当する。フォトニック結晶構造３００の第２の屈折率領域３２は、フォトマスク２００の第２の開口部２２に相当する。つまり、フォトマスク２００においては、ΔＳを調整することは、第１の開口部２１の面積を第２の開口部２２の面積と異ならせることに相当する。フォトマスク２００では、第１の開口部２１の形状を第２の開口部２２の形状と変えることで、第１の開口部２１の面積を第２の開口部２２の面積と異ならせている。従って、フォトマスク２００は、被転写体上におけるパターン端部領域と通常パターン領域の光学的効果を等しくすることができる。その結果、本実施の形態にかかるフォトマスク２００によれば、パターン端部領域におけるパターン形状の揺らぎを抑制し、パターン形状を均一化することができる。

また、本実施の形態にかかるフォトマスク２００は、実施の形態１にかかるフォトマスク１００と同様に、通常のフォトマスク作製方法により、第１の開口部２１及び第２の開口部２２の形状及び寸法を変更するのみで作製することができる。つまり、位相シフトマスクなどの高価なマスクや、電子線照射装置、先端プロセスに適用される露光装置などの高価な装置を要することなく、フォトニック結晶を作製することができる。従って、本実施の形態にかかるフォトマスク２００を微細な半導体光デバイスの量産工程に適用することにより、実施の形態１にかかるフォトマスク１００と同様に、安価にパターン端部での寸法及び形状の揺らぎが抑制されたフォトニック結晶を得ることができる。

その他の実施の形態
なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。例えば、上述の実施の形態では、周期的なフォトニック結晶構造を形成するためのパターンを示したが、あくまで例示であって、本発明のフォトマスクに形成するパターンはこれに限定されない。例えば、一般的な電子回路に加え、イメージセンサや液晶パネルなど大面積を端部まで高精度にパターンニングする際に有効である。

上述の実施の形態におけるフォトマスクの断面構成及び材料はあくまで例示であって、フォトマスクの構成及び材料はこれに限定されない。

上述の実施の形態における露光光線の波長を３６５ｎｍとしたが、あくまで例示である。すなわち、水銀ランプのｇ線又はｈ線又はエキシマレーザ（例えば、ＡｒＦ、ＫｒＦ又はＦ２）によるレーザ光などの、他の波長の露光光線を用いることができる。また縮小倍率を１／５としたが、あくまで例示であって、他の縮小倍率も適用可能である。一般に、縮小倍率が低い方が、解像度が高くなる。

以上の説明から明らかなように、上述の実施の形態にかかるフォトマスクは、パターン端部領域及び通常パターン領域において、パターンの周囲を含んだ単位領域の平均屈折率が互いに等しくなるように、開口部の面積又は寸法を変えるだけでよく、パターンの配置、数、形状等は、原理的には特に限定されない。すなわち、パターンの形状は、正ｎ角形や真円形に限定されず、多角形や楕円形であってもよい。ただし、多角形は凸多角形であることが望ましい。一般の凸多角形の場合は、最も長い対角線の長さを開口部の最大径とすればよい。図１２は、任意の凸多角形の開口部の配置例を示す上面図である。例えば、フォトマスク上に、図１２に示すようなパターン端部領域の第１の開口部６１ａ〜６１ｃ及び通常パターン領域の第２の開口部６２を形成することも可能である。

上記の実施の形態の一部又は全部は、以下の付記のようにも記載され得るが、以下には限られない。

（付記１）入射する露光光線が被転写体へ向けて透過する基板と、前記基板上に形成された、前記露光光線を遮光する遮光膜と、を備え、前記遮光膜の通常パターン領域とパターンが形成されない空白領域との間のパターン端部領域には、第１の開口部が形成され、
前記遮光膜の前記通常パターン領域には、前記第１の開口部とは面積が異なる第２の開口部が形成される、フォトマスク。

（付記２）前記第１の開口部の面積は、前記第２の開口部の面積よりも大きいことを特徴とする、付記１に記載のフォトマスク。

（付記３）前記パターン端部領域には、前記通常パターン領域と前記空白領域を画するように、複数の前記第１の開口部が列状に形成されていることを特徴とする、付記２に記載のフォトマスク。

（付記４）前記第１の開口部の形状は、前記第２の開口部の形状の相似形であることを特徴とする、付記２又は３に記載のフォトマスク。

（付記５）前記第１の開口部及び前記第２の開口部の形状は真円形であり、前記第１の開口部の直径は、前記第２の開口部の直径よりも大きいことを特徴とする、付記４に記載のフォトマスク。

（付記６）前記第１の開口部及び前記第２の開口部の形状は凸ｍ（ｍは、３以上の整数）角形であり、前記第１の開口部の最長の対角線は、前記第２の開口部の最長の対角線よりも長いことを特徴とする、付記４に記載のフォトマスク。

（付記７）前記第１の開口部の形状は、前記第２の開口部の形状と異なることを特徴とする、付記２又は３に記載のフォトマスク。

（付記８）前記第１の開口部の形状は凸ｍ（ｍは、３以上の整数）角形であり、前記第２の開口部の形状は真円形であることを特徴とする、付記７に記載のフォトマスク。

（付記９）前記遮光膜の前記パターン端部領域には、正ｎ（ｎは、３以上の整数）角形の頂点のそれぞれを中心とするｎ個の前記第１の開口部が形成され、前記遮光膜の前記通常パターン領域には、前記正ｎ角形の外心を中心として前記第２の開口部が形成され、前記ｎ個の前記第１の開口部及び前記第２の開口部は、単位格子を形成することを特徴とする、付記１乃至８のいずれか一に記載のフォトマスク。

（付記１０）複数の前記単位格子が、前記空白領域を介してアレイ状に配置されることを特徴とする、付記９に記載のフォトマスク。

（付記１１）入射する露光光線が被転写体へ向けて透過する基板上に、前記露光光線を遮光する遮光膜を形成し、前記遮光膜の通常パターン領域とパターンが形成されない空白領域との間のパターン端部領域に、第１の開口部を形成し、前記遮光膜の前記通常パターン領域に、前記第１の開口部とは面積が異なる第２の開口部を形成する、フォトマスクの製造方法。

１ 半導体基板
２ 誘電体膜
３ フォトレジスト膜
４ 透過性基板
５ 遮光膜
６ 露光光線
７、４１ 開口部
８、４２ 遮光部
１０ フォトマスク
１１、２１、６１ａ〜６１ｃ 第１の開口部
１２、２２、６２ 第２の開口部
１３、２３ 遮光部
１４、２４ パターン端部領域
１５、２５ 通常パターン領域
１６、２６ 空白領域
３０ 半導体基板
３１ 第１の屈折率領域
３２ 第２の屈折率領域
３３ 第１の単位領域
３４ 第２の単位領域
４３ パターン端部領域
４４ 通常パターン領域
４５ 空白領域
１００、２００、４００ フォトマスク
３００ フォトニック結晶構造
５００ 半導体露光装置
ａ１、ａ２、ａ４ 周期
ｄ１１、ｄ１２、ｄ２２、ｄ４ 直径
ｄ２１ 最大径

Claims (10)

1. 入射する露光光線が被転写体へ向けて透過する基板と、
   前記基板上に形成された、前記露光光線を遮光する遮光膜と、を備え、
   前記遮光膜の通常パターン領域とパターンが形成されない空白領域との間のパターン端部領域には、第１の開口部が形成され、
   前記遮光膜の前記通常パターン領域には、前記第１の開口部とは面積が異なる第２の開口部が形成される、
   フォトマスク。
2. 前記第１の開口部の面積は、前記第２の開口部の面積よりも大きいことを特徴とする、
   請求項１に記載のフォトマスク。
3. 前記パターン端部領域には、前記通常パターン領域と前記空白領域を画するように、複数の前記第１の開口部が列状に形成されていることを特徴とする、
   請求項２に記載のフォトマスク。
4. 前記第１の開口部の形状は、前記第２の開口部の形状の相似形であることを特徴とする、
   請求項２又は３に記載のフォトマスク。
5. 前記第１の開口部及び前記第２の開口部の形状は真円形であり、
   前記第１の開口部の直径は、前記第２の開口部の直径よりも大きいことを特徴とする、
   請求項４に記載のフォトマスク。
6. 前記第１の開口部及び前記第２の開口部の形状は凸ｍ（ｍは、３以上の整数）角形であり、
   前記第１の開口部の最長の対角線は、前記第２の開口部の最長の対角線よりも長いことを特徴とする、
   請求項４に記載のフォトマスク。
7. 前記第１の開口部の形状は、前記第２の開口部の形状と異なることを特徴とする、
   請求項２又は３に記載のフォトマスク。
8. 前記第１の開口部の形状は凸ｍ（ｍは、３以上の整数）角形であり、
   前記第２の開口部の形状は真円形であることを特徴とする、
   請求項７に記載のフォトマスク。
9. 前記遮光膜の前記パターン端部領域には、正ｎ（ｎは、３以上の整数）角形の頂点のそれぞれを中心とするｎ個の前記第１の開口部が形成され、
   前記遮光膜の前記通常パターン領域には、前記正ｎ角形の外心を中心として前記第２の開口部が形成され、
   前記ｎ個の前記第１の開口部及び前記第２の開口部は、単位格子を形成することを特徴とする、
   請求項１乃至８のいずれか一項に記載のフォトマスク。
10. 入射する露光光線が被転写体へ向けて透過する基板上に、前記露光光線を遮光する遮光膜を形成し、
    前記遮光膜の通常パターン領域とパターンが形成されない空白領域との間のパターン端部領域に、第１の開口部を形成し、
    前記遮光膜の前記通常パターン領域に、前記第１の開口部とは面積が異なる第２の開口部を形成する、
    フォトマスクの製造方法。