JPH065487A - シミュレーション方法及び投影光学設計方法 - Google Patents

シミュレーション方法及び投影光学設計方法

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JPH065487A
JPH065487A JP4184811A JP18481192A JPH065487A JP H065487 A JPH065487 A JP H065487A JP 4184811 A JP4184811 A JP 4184811A JP 18481192 A JP18481192 A JP 18481192A JP H065487 A JPH065487 A JP H065487A
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 従来の投影露光方式に加え、斜入射照明方式
による投影露光のコントラストや露光強度分布も計算で
きるようにする。 【構成】 物面マスク上のパターンを投影光学系を介し
てウエハ上に投影露光する投影露光法の像露光強度特性
をシミュレーションする方法において、任意の光源の条
件で、かつ任意の入射瞳条件で、マスクの空間波数を変
えてコントラストおよび/または(最大露光強度+最小
露光強度)/2で表される平均露光強度を算出する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、LSI等の微細パター
ンをマスクと投影レンズを用いて基板上に投影露光する
する投影露光法において、投影光学系の特性および像形
成特性を解析するシミュレーション方法及び投影光学設
計方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】投影露光法によるパターン形成の分野で
は、任意の光学系やパターンの条件により像露光強度分
布をシミュレーションして光学系の設計指針を得たり、
シミュレーションした像露光強度分布をもとに、さらに
レジストパターンの形成特性をシミュレーションして微
細パターン形成条件を予測するなど、像露光強度分布の
シミュレーションが広く、かつ重宝に使われている。
【0003】一方、従来よりLSI等の微細パターンを
形成するための投影露光装置には、高い解像力が要求さ
れている。そのため、最近の投影露光装置の投影レンズ
は、光の波長から決まる理論限界に近い解像度を有して
いる。それにもかかわらず、近年のLSIパターンの微
細化に対応するため、さらに高解像力が要求される。こ
の要求に応えるため近年、レチクル上の隣り合う光透過
部に180度に近い位相差を設けることにより、遮光部
での光強度を0に近づける位相シフト法が提案され、解
像度が向上することが示された。
【0004】しかし、位相シフト法は、L&Sパターン
(ラインアンドスペースパターン)のように隣り合う光
透過部で180度の位相差を容易に設けることができる
パターンでは高い微細化の効果が得られるのに対して、
ランダムパターンではこの条件を満たすことが困難とな
るため効果が低下する。すなわち、パターンの種類によ
り解像性向上の効果が異なる。このため、ランダムパタ
ーンに対する効果的なシフト配置法やシフタ製作および
検査、修正などの技術的な困難性やレチクル製作費が大
幅に増加するなどの困難があった。これに対して、特願
平3−135317号「微細パターン投影露光装置」
は、レチクルに入射する光を投影光学系の開口数に対応
した角度だけ光軸から傾けて照射することにより位相シ
フト法と同等の解像性を実現したもので、斜入射照明方
式として知られている。この方法は、位相シフト法とは
異なり、解像性向上の効果がパターンの種類によらず、
しかも従来マスクがそのまま使えるため、位相シフト法
に比べて大きな利点を有している。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
投影露光法における光源は単純な円形であり、入射瞳に
フィルタがなかったのに対して、上記した斜入射照明方
式では光源を円環形状や、場合によっては複数の円形や
矩形形状に配置し、さらにこれらの光源配置に対応した
形状で、入射瞳にフィルタを配置し、そのフィルタに透
過率分布を持たせたものである。これらの光源条件や入
射瞳条件が像露光強度分布を左右するため、光源条件や
入射瞳条件を任意に設定してコントラストや露光強度分
布をシミュレーションする必要が生じていた。しかしな
がら、従来の投影露光法にかかわるシミュレーターでは
上記目的を実現することはできなかった。
【0006】したがって、本発明は上記したような従来
の問題点に鑑みてなされたもので、その目的とするとこ
ろは、従来の投影露光方式に加え、斜入射照明方式によ
る投影露光のコントラストや露光強度分布も計算できる
シミュレーション方法及び投影光学設計方法を提供する
ことにある。
【0007】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、請求項1に記載された本発明に係るシミュレーショ
ン方法は、物面マスク上のパターンを投影光学系を介し
てウエハ上に投影露光する投影露光法の像露光強度特性
をシミュレーションする方法において、任意の光源の条
件で、かつ任意の入射瞳条件で、マスクの空間波数を変
えてコントラストおよび/または(最大露光強度+最小
露光強度)/2で表される平均露光強度を算出するもの
である。また、請求項2に記載のシミュレーション方法
は、上記発明において、ウエハがフォーカス面にある位
置から、任意の距離だけデフォーカスした面でコントラ
ストおよび/または(最大露光強度+最小露光強度)/
2で表される平均露光強度を算出するものである。さら
に、請求項3に記載のシミュレーション方法は、上記発
明において、シミュレーションするマスクパターンの振
幅透過率分布A(x)を、kを空間波数とするとき、A
(x)=A0+A1(eikx+e-ikx)=A0+2A1 ・c
oskxで与えてコントラストおよび/または(最大露
光強度+最小露光強度)/2で表される平均露光強度を
算出するものである。請求項1に記載された本発明に係
る投影光学設計方法は、kを空間波数、Dをデフォーカ
ス量、Zを規格化デフォーカス量、Wをラインアンドス
ペースパターンのライン幅またはスペース幅、NAを投
影レンズの開口数、λを光源の波長とするとき、 k=(λ/NA)2W Z=2D/(λ/NA2) から、Wを W=(λ・D/2)0.5/(k・Z0.5) で与え、上記請求項1記載のシミュレーション方法を用
いて、所定の規格化デフォーカス量Zで求めたMTFカ
ーブ(縦軸:コントラスト、横軸:空間波数)が所定の
コントラストと交わる点の空間波数をkOPとしたとき、
OP・Z0.5 の値が最大となる光学系を得るようにした
ものである。
【0008】
【作用】本発明において、シミュレーション条件とし
て、従来の投影露光方式の光学条件に加え、斜入射照明
方式で必要とする光源条件や入射瞳条件を任意に設定可
能とした。コントラストや平均露光強度分布は、空間波
数kについて図示すると、対象とする光学系の解像性や
デフォーカス特性の概要が即座に把握できる。また、マ
スクパターンおよびデフォーカス量が光源の波長λおよ
び投影レンズの開口数NAで規格化してあるため、λや
NAについていちいち計算する必要がなく、対象とする
光学系で、一度計算しておけば、異なるλやNAの数値
に対して簡単な計算でコントラストや平均露光強度の具
体的数値を得ることができる。また、本発明に係る投影
光学設計方法においては、上記シミュレーション方法を
用いてMTFカーブを求め、カーブが所望のコントラス
トと交わる点の空間波数をkOP とすると、上記式より
OP・Z0.5を最大とする光学系がWの最小値、すなわ
ち、解像度を与える。
【0009】
【実施例】先ず、本発明の目的に合った、モジュレーシ
ョン・トランスファ・ファンクション(MTF)の算出
式を導出する。投影露光装置で投影光学系の結像特性を
正確に取り扱うには、部分的コヒーレント光の理論を用
いる必要がある。マスクの振幅透過率をA(x)、その
フーリエ変換をA(k)、kをNA/λで規格化した空
間波数とすると、像面強度I(x)は次式で与えられ
る。
【0010】 I(x)=∬A(k)A*(k’)J(k;k’)ei(k-k')xdkdk’ ・・(1) ここで、A* はAの複素共役、J(k;k’)は相互伝
達係数と呼ばれるもので、次式で与えられる。 J(k;k’)=∫J0(kS)K(k−kS)K*(k’−kS)dkS ・・(2)
【0011】ここでJ0(kS)は瞳空間で表された光
源、K(k)は瞳関数を表す。(ボルン、ウォルフ「光
学の原理I、II、III」(草川、横田訳)東海大学
出版会参照)光学的伝達関数(OTF)は、上記(2)
式を用いて、概ねJ(k;0)で評価でき、完全インコ
ヒーレント光の場合には強度で重ね合わせるという原理
にしたがい、それぞれのOTFの周波数依存性を明確に
定義することが可能であるが、部分的コヒーレント光の
場合では(1)、(2)式に示すように2つの周波数
(k;k’)の関数で表され、周波数k、k’の波の干
渉したものの重ね合わせの表現になる。(1)式から判
るように、像面強度における周波数成分はマスクパター
ンの周波数分布A(k)にも依存するため、この式のま
までは照明系および投影光学系の性能の客観評価が困難
である。そこでMTFの周波数依存性の評価に関しては
マスクパターンの種類を限定、単純化して、A0 =1/
2、A1=1/4とし、
【0012】 A(x)=A0+A1(eikx+e-ikx)=A0+2A1coskx ・・(3) とすると便利である。このとき像面強度I(x)は、次
式 I(x)=A0 2J(0;0)+A1 2{J(k;0)+J(−k;−k)} +2A01{J(k;0)+J(−k;0)}coskx+2AJ1 2J(k;−k)cos2kx ・・(4)
【0013】となる。コントラストMは、定義式M=
(Imax−Imin)/(Imax+Imin)か
ら、
【0014】
【数1】
【0015】で与えられる。
【0016】しかしながら、実際のLSIなどの微細パ
ターン形成プロセスでは、パターンを形成する基板面の
凹凸や露光面の基準面からのずれなどによりフォーカス
面のずれが生じる。このため、実際のプロセスに対応し
たシミュレーションを行なうには任意のデフォーカス量
に対してコントラストが計算できる必要がある。
【0017】次に、(数1)で示した(5)式をもと
に、デフォーカス量を考慮したMTFの算出式を導出す
る。ここで、λ/2NA2 で規格化したデフォーカス量
を±Zとおき、(2)式の瞳関数を(6)式のように変
形する。 J(k;k’)=∫J0(kS)K(k−kS)K*(k’−kS)eifdkS ・・(6) ここで、fは f=(πz/2)(k−k’)(k+k’−2kS)+(k−k’)x で表される。上記(6)式を用いてI(x)を計算し、
先に示したMTFの定義に基づいて計算すればよい。結
果は、次の(数2)式
【0018】
【数2】 で与えられる。
【0019】ここで、P、Q、P’、Q’は、次式 C(k;0)=A100(kS)K(k−kS)K(−kS) C(k;−k)=A1 20(kS)K(k−kS)K(k+kS) とおいたとき、以下で与えられる量である。 P=∫[C(k;0)cos{(π/2)kZ(2kS−k)}+C(−k;0 )cos{(π/2)kZ(2kS+k)}]dkS Q=∫[C(k;0)sin{(π/2)kZ(2kS−k)}+C(−k;0 )sin{(π/2)kZ(2kS+k)}]dkS P’=∫C(k;−k)cos{(2πkZkS)dkS Q’=∫C(k;−k)sin{(2πkZkS)dkS
【0020】一方、平均露光強度Iaveはマスクがあ
る時の光源光強度の積分値である(数2)で示した
(7)式の分母を、次の(8)式で表されるマスクがな
いときの光源光強度の積分値で規格化した(9)式で表
される。 S=∫J0(kS)dkS ・・(8) T=A0 2J(0:0)+A1 2[J(k;k)+J(−k;−k)+2{(P2 − Q2)P’+2PQQ’}/(P2+Q2)] と置くと、 Iave=T/S ・・(9) 上記(数2)の(7)および(9)式で、J(kS )を
光源の形状や強度分布を表す関数とし、K(k)を瞳フ
ィルタの形状、透過率分布および位相分布を表す関数と
して、任意のデフォ−カス量zについてkS空間で積分
すれば、目的とするコントラストおよび規格化平均露光
強度が得られる。
【0021】次に、(数2)の(7)および(9)式を
用いて従来法や種々の斜入射照明方式からなる光学系に
ついてコントラストおよび規格化平均露光強度を計算す
る方法の実施例について述べる。 (1)J(kS)の設定例 図1は従来の投影露光方式および典型的な斜入射照明方
式の光源について、マスクがないときに開口絞り面でみ
た光源像とそれぞれに対応したJ(kS )の設定例を示
したものである。図中、斜線部分が光源を表している。
RやRsなどの寸法を表す量はすべて開口絞りの半径、
すなわち開口数NAで規格化してある。S1はコヒーレ
ンスファクターをRとする従来の投影露光法と同等の光
源である。S2は一点斜入射照明光源を示す。Rが光源
円の中心までの距離、Rsは光源円の半径である。この
場合、複数セットのφ、R、RsについてJ(kS )を
設定すれば、多点斜入射照明光源とすることができる。
S3は円環光源の例である。S4は円環の中心を最大値
とするガウス分布強度をもつ円環光源を表している。以
上示したような方法で光源の形状や強度分布を設定する
ことにより、あらゆる形状や強度分布を有する光源への
対応が可能となる。
【0022】(2)K(k)の設定例 図2は種々の形状や透過率、透過率分布、位相を持つ瞳
フィルタについて瞳関数K(k)を設定した例を示す。
ここでもRやRsなどの寸法を表す量はすべて開口絞り
の半径、すなわち開口数NAで規格化してあり、透過率
Tは振幅透過率を表している。F1、F2はそれぞれ円
状、円点状に振幅透過率Tを有する瞳フィルタである。
F3は複数の透過率を円環状に配置した瞳フィルタの場
合である。また、F4は円環状のフィルタが円環の中心
を最大値とするガウス分布の振幅透過率を有する場合を
示す。このF4は通常、斜入射照明方式で、S4と組合
せて用いるものではなく、フィルタが透過率分布を有す
る場合のK(k)設定例として示したものである。F5
は円環状フィルタが振幅透過率Tと位相θを有する場合
を示している。
【0023】以上示したような方法で、瞳フィルタの透
過率や透過率分布あるいは位相を設定することにより、
種々の形状や透過率およびその分布、位相を有する瞳フ
ィルタへの対応可能となる。
【0024】(3)計算例 図1に示した光源および、これらの光源と図2に示した
瞳フィルタとの組合せにより実際にコントラストおよび
規格化平均露光強度を計算した例について説明する。先
ず、刻限の形状を変えた例について説明する。図3はS
1のみの場合で、R=0.5である。(a)図はコント
ラストを、(b)図は平均露光強度を示す。コヒーレン
スフィルタσ=0.5で用いられている従来の投影露光
方式の特性を模擬するものである。図4はS2のみの場
合で、φ=0°とφ=90°の特性を併記してある。
(a)図はコントラストを、(b)図は平均露光強度を
示す。φ=0°ではzを変えてもコントラストが殆ど変
化しないユニークな特性を示している。また、平均露光
強度はいずれの場合もzで変化しない特性となってい
る。図5はS3のみの場合で、(a)図はコントラスト
を、(b)図は平均露光強度を示す。以上により、各種
の光源形状や配置に対して目的とするシミュレーション
が可能であることがわかる。
【0025】次に、斜入射照明方式の原理である光源配
置に対応して瞳フィルタを配置した光学系についての計
算例を示す。図6はS3光源とF3フィルタを組合せた
場合で、(a)図はコントラストを、(b)は平均露光
強度を示したものである。この場合、円環光源の半径を
変化させ、これに対応して瞳フィルタの半径も変化させ
てある。図7はθ=0°、θ=90°、θ=180°、
θ=270°の4点に円状のS2光源とF3の瞳フィル
タを組合せた多点斜入射照明光学系であり、(a)図は
コントラストを、(b)図は平均露光強度を示す。この
場合、平均露光強度はzにより変わらないことが明らか
である。以上説明したように、本発明によれば斜入射照
明方式について任意の光源の形状に対し、これに対応し
た瞳フィルタを設定して目的とするコントラストおよび
平均露光強度が計算できることがわかる。
【0026】本発明ではマスクパターンの振幅透過率分
布を表す(3)式を次の(10)式のように変形するこ
とにより、隣り合うパターンで位相差がπのレベンソン
型位相シフト法についても同様、対象とする光学系につ
いてコントラストと平均露光強度を計算することができ
る。
【0027】 A(x)=A1cos(kx/2) ・・(10)
【0028】(4)斜入射照明方式光学系の設計例 次に、本発明によるシミュレーション方法を使って、斜
入射照明方式の最適光学系を設計した例を示す。設計に
あたっては、光学系が使用されるプロセスの要求条件と
してコントラストMTFと、デフォーカス量DOFを設
定してこれを満足することを第一義とし、解像度が最も
高くなるような光学系を本発明によるシミュレーション
により求めた。前述した空間波数kおよび規格化デフォ
ーカス量Zの定義より、 k=(λ/NA)2W ・・(11) Z=2D/(λ/NA2) ・・(12) ここで、Wはラインアンドスペースのライン幅またはス
ペース幅、Dはデフォーカス量である。(11)式と
(12)式よりNAを消去すれば、 W=(λ・D/2)0.5/(k・Z0.5) ・・(13) で表される。所定の光学パラメータおよびプロセスで必
要とするデフォーカス量を用いて本発明によるシミュレ
ーションでMTFカーブを求め、カーブがプロセスで必
要とするコントラストと交わる点の空間波数をkOPとす
ると、上記(13)式より、kOP・Z0.5 を最大とする
光学系がWの最小値、すなわち、解像度を与えることに
なる。
【0029】図8は、斜入射照明方式の光学条件で、Z
を変えてMTFカーブを算出した例で、Zは0、0.0
5、1、1.5、2である。結果として、MTF=0.
7に対しては、Z=1でkOP・Z0.5=1.21の最
大値が、MTF=0.6に対しては、Z=1.5でkOP
・Z0.5=1.58の最大値が得られる。ここで、λ
=0.248μm、D=0.75μmを与えれば、(1
2)式より、MTF=0.7に対しては、NA=0.4
1、W=0.25μm、MTF=0.6に対してはNA
=0.50、W=0.19μmの最適値が得られる。さ
らに、光学パラメータセットを変えて同様の計算を行
い、Wのより小さなパラメータセットを求めることによ
り最適な光学系が設計できる。
【0030】
【発明の効果】以上説明したように本発明に係るシミュ
レーション方法によれば、任意の光源の条件で、かつ任
意の入射瞳条件で、マスクの空間波数を変えてコントラ
ストおよび/または(最大露光強度+最小露光強度)/
2で表される平均露光強度を算出するようにしたので、
シミュレーション条件として従来の投影露光方式に光学
条件を加え、斜入射照明方式で必要とする光源条件や入
射瞳条件を任意に設定することができる。また、本発明
で得られるコントラストや平均露光強度分布は実施例で
示した通り、空間波数kについて図示するなどすれば、
対象とする光学系の解像性やデフォーカス特性の概要が
即座に把握できる利点がある。また、マスクパターンお
よびデフォーカス量が光源の波長λおよび投影レンズの
開口数NAで規格化してあるため、λやNAについてい
ちいち計算する必要がなく、対象とする光学系で一度計
算しておけば、異なるλやNAの数値に対して簡単な計
算でコントラストや平均露光強度の具体的数値を得るこ
とができる利点がある。また、本発明に係る投影光学設
計方法は、上記シミュレーション方法を用いて斜入射照
明方式の光学系を設計しているので、解像度が最も高く
なるような光学系を設計し得る。以上説明した利点によ
り、本発明からなるシミュレーション方法及び投影光学
設計方法は斜入射照明方式による光学系の設計や最適
化、さらにはパターン形成特性の把握や従来方式との性
能比較などに効果が発揮できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】各種光源について(kS)の設定例を示す図で
ある。
【図2】種々の形状や透過率、透過率分布、位相を持つ
瞳フィルタについて瞳関数K(k)を設定した例を示す
図である。
【図3】S1光源のみの場合で、(a)はコントラスト
を、(b)は平均露光強度を示す図である。
【図4】S2光源のみの場合で、(a)はコントラスト
を、(b)は平均露光強度を示し、それぞれφ=0°、
φ=90°の特性が併記された図である。
【図5】S3光源のみの場合で、(a)はコントラスト
を、(b)は平均露光強度を示す図である。
【図6】S3光源とF3フィルタを組合せた場合で、
(a)はコントラストを、(b)は平均露光強度を示す
図である。
【図7】θ=0°、θ=90°、θ=180°、θ=2
70°の4点に円状のS2光源とF3の瞳フィルタを組
合せた多点斜入射照明光学系であり、(a)はコントラ
ストを、(b)は平均露光強度を示す図である。
【図8】斜入射照明方式の光学条件で、Zを変えてMT
Fカーブを算出した例を示す図である。
【符号の説明】
S1〜S4 光源 F1〜F4 フィルタ

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 物面マスク上のパターンを投影光学系を
    介してウエハ上に投影露光する投影露光法の像露光強度
    特性をシミュレーションする方法において、任意の光源
    の条件で、かつ任意の入射瞳条件で、マスクの空間波数
    を変えてコントラストおよび/または(最大露光強度+
    最小露光強度)/2で表される平均露光強度を算出する
    ことを特徴とするシミュレーション方法。
  2. 【請求項2】 請求項1記載のシミュレーション方法に
    おいて、ウエハがフォーカス面にある位置から、任意の
    距離だけデフォーカスした面でコントラストおよび/ま
    たは(最大露光強度+最小露光強度)/2で表される平
    均露光強度を算出することを特徴とするシミュレーショ
    ン方法。
  3. 【請求項3】 請求項1記載のシミュレーション方法に
    おいて、シミュレーションするマスクパターンの振幅透
    過率分布A(x)を、kを空間波数とするとき、A
    (x)=A0+A1(eikx+e-ikx)=A0+2A1 ・c
    oskxで与えてコントラストおよび/または(最大露
    光強度+最小露光強度)/2で表される平均露光強度を
    算出することを特徴とするシミュレーション方法。
  4. 【請求項4】 kを空間波数、Dをデフォーカス量、Z
    を規格化デフォーカス量、Wをラインアンドスペースパ
    ターンのライン幅またはスペース幅、NAを投影レンズ
    の開口数、λを光源の波長とするとき、 k=(λ/NA)2W Z=2D/(λ/NA2) から、Wを W=(λ・D/2)0.5/(k・Z0.5) で与え、上記請求項1記載のシミュレーション方法を用
    いて、所定の規格化デフォーカス量Zで求めたMTFカ
    ーブ(縦軸:コントラスト、横軸:空間波数)が所定の
    コントラストと交わる点の空間波数をkOPとしたとき、
    OP・Z0.5 の値が最大となる光学系を得るようにした
    ことを特徴とする投影光学設計方法。
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