JP2006100456A

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Publication number: JP2006100456A
Application number: JP2004282961A
Authority: JP
Inventors: Takaaki Kozuki; 貴晶上月; Hiroko Nakamura; 寛子中村
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2004-09-29
Filing date: 2004-09-29
Publication date: 2006-04-13

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method for measuring surface step capable of largely improving a throughput while maintaining measurement accuracy, and an apparatus for measuring surface step for carrying out the method. <P>SOLUTION: The surface measurement method is performed for measuring the surface step on the flattened surface obtained by covering a substrate with a flattening film to fill between underlying patterns formed on the substrate. The method includes steps of calculating an occupied area ratio of the underlying pattern in each mesh region obtained by dividing a measurement region on the flattened surface into meshes of a predetermined area (S1-S3). A predetermined number of mesh regions from the highest occupied ratio and a predetermined number of mesh regions from the lowest ratio are selected based on the occupied area ratios which have been calculated (S4). Only the surface step distribution of the selected mesh regions is measured (S5). <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

Translated fromJapanese

本発明は表面段差測定方法および表面段差測定装置に関し、特には半導体装置の製造工程において平坦化処理が施された処理表面のグローバル段差の測定に好適な表面段差測定方法およびこの方法に用いる表面段差測定装置に関する。 The present invention relates to a surface level difference measuring method and a surface level difference measuring apparatus, and more particularly to a surface level difference measuring method suitable for measuring a global level difference on a processed surface that has been flattened in a manufacturing process of a semiconductor device, and a surface level difference used in this method. It relates to a measuring device.

高集積化および高機能化が進展した半導体装置においては、素子が形成された半導体基板の上部に複数の配線層を積層してなる多層配線構造とすることが一般的である。このような半導体装置の製造工程では、先ず、例えばゲート電極を備えた素子を半導体基板の表面側に形成した後、ゲート電極を十分に埋め込む膜厚で層間絶縁膜を形成する。次に、化学機械研磨法（chemical mechanical polishing：以下ＣＭＰと記す）により、層間絶縁膜の表面に生じた凹凸を平坦化する平坦化処理を行う。 2. Description of the Related Art In a semiconductor device that has been highly integrated and highly functional, it is common to have a multilayer wiring structure in which a plurality of wiring layers are stacked on a semiconductor substrate on which elements are formed. In the manufacturing process of such a semiconductor device, first, for example, after an element having a gate electrode is formed on the surface side of the semiconductor substrate, an interlayer insulating film is formed with a film thickness that sufficiently embeds the gate electrode. Next, a flattening process is performed to flatten the unevenness generated on the surface of the interlayer insulating film by chemical mechanical polishing (hereinafter referred to as CMP).

このような平坦化処理を伴う工程においては、処理表面の平坦性が要求レベルを満たしているか否かを確認する必要がある。このため、平坦化処理工程においては、その工程中や工程後に、例えば原子間力顕微鏡（Atomic Force Microscope：ＡＦＭ）のような測定装置を用いて処理表面の表面段差分布の測定を行っている。この場合、ＡＦＭの探針を、測定領域の表面においてＸ方向およびＹ方向にスキャンさせ、測定領域内の表面段差（凹凸の段差量であり凸部と凹部の最大差）を得ている（以上、下記特許文献１参照）。 In a process involving such a flattening process, it is necessary to confirm whether or not the flatness of the processing surface satisfies a required level. For this reason, in the flattening process, during the process or after the process, the surface step distribution on the processing surface is measured using a measuring device such as an atomic force microscope (AFM). In this case, the AFM probe is scanned in the X direction and the Y direction on the surface of the measurement region to obtain a surface step in the measurement region (the uneven step amount, which is the maximum difference between the protrusion and the recess). , SeePatent Document 1 below).

特開２００３−５３６５９号公報JP 2003-53659 A

近年、さらなる素子構造の微細化および高精度化にともない、上述した表面段差の測定にも高い精度が求められている。ところが、例えば上述したＡＦＭを用いた表面段差分布の測定において、測定精度の向上を図るためには、測定領域内における測定ポイントを増加させて解像度の高める必要がある。このたため、例えば２０ｍｍ×２０ｍｍの１チップ分の測定領域について、精度の高い表面段差分布の測定を行うべく、探針を２⁹ライン分だけスキャンさせた場合、８〜９時間もの測定時間が必要になる。In recent years, with further miniaturization and higher precision of the element structure, high accuracy is also required for the measurement of the surface step described above. However, for example, in the measurement of the surface step distribution using the above-described AFM, in order to improve the measurement accuracy, it is necessary to increase the resolution by increasing the number of measurement points in the measurement region. For this reason, for example, the measurement area of one chip of 20 mm × 20 mm, to perform the measurement with high precision surface difference distribution, when the probe is scanned by two^nine lines, required measurement time even 8-9 hours become.

これは、表面処理工程におけるスループットの低下を招くばかりではなく、半導体プロセスの開発時間を長期化させる要因にもなっている。 This not only causes a reduction in throughput in the surface treatment process, but also increases the development time of the semiconductor process.

そこで本発明は、測定精度を確保しつつも、スループットを大幅に向上することが可能な表面段差測定方法、およびこの方法を行うための表面段差測定装置を提供することを目的とする。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a surface level difference measuring method capable of significantly improving throughput while ensuring measurement accuracy, and a surface level difference measuring apparatus for performing this method.

このような目的を達成するための本発明は、基板上に形成された下地パターン間を埋め込む状態で当該基板上を平坦化膜で覆ってなる平坦化表面の表面段差を測定する表面段差測定方法と、この測定方法を行う測定装置に関する。 In order to achieve such an object, the present invention provides a surface step measuring method for measuring a surface step on a flattened surface in which the substrate is covered with a flattened film in a state in which a space between base patterns formed on the substrate is embedded. And a measuring apparatus for performing this measuring method.

そして、本発明の表面段差測定方法は次の手順で行うことを特徴としている。先ず、平坦化表面における測定領域内を所定面積にメッシュ分割してなるメッシュ領域毎に前記下地パターンの専有面積率を算出する。その後、算出された専有面積率に基づき、専有面積率の高い側から所定数分のメッシュ領域と専有面積率の低い側から所定数分のメッシュ領域とを選択する。そして、選択されたメッシュ領域の表面段差分布のみを測定する。 And the surface level | step difference measuring method of this invention is characterized by performing with the following procedure. First, the exclusive area ratio of the base pattern is calculated for each mesh area obtained by dividing the measurement area on the flattened surface into a predetermined area. Thereafter, based on the calculated exclusive area ratio, a predetermined number of mesh areas are selected from the side with a high exclusive area ratio and a predetermined number of mesh areas are selected from the side with a low exclusive area ratio. Then, only the surface step distribution of the selected mesh region is measured.

通常、平坦化膜で覆われた平坦化表面は、下地パターンなどによる下地段差の影響を受けた凹凸形状を備えている。特にＣＭＰ等の平坦化処理が施された平坦化表面は、下地パターンの配置密度（専有面積率）に依存した段差形状（いわゆるグローバル段差）が生じることが知られている。すなわち、平坦化処理された表面の高さ位置は、凸状の下地パターンの専有面積率が大きい部分ほど高く、反対に下地パターンの専有面積率が小さい部分ほど低くなるのである。 Usually, the flattened surface covered with the flattening film has a concavo-convex shape affected by a base step due to a base pattern or the like. In particular, it is known that a flattened surface subjected to a flattening process such as CMP has a step shape (so-called global step) depending on the arrangement density (exclusive area ratio) of the base pattern. In other words, the height position of the planarized surface is higher as the area of the convex base pattern is larger, and conversely, it is lower as the area of the base pattern is smaller.

そして、上述した本発明構成の表面段差測定方法では、下地パターンの専有面積率が高い側と低い側のメッシュ領域のみで、表面段差分布を測定する構成である。このため、測定領域の全領域について表面段差分布を測定することなく、平坦化表面の最も高い部分と最も低い部分とを含むメッシュ領域の段差分布を高解像度で測定することで、精度良好に測定領域における表面段差（例えば凸部と凹部の最大差）を得ることができる。 And in the surface level | step difference measuring method of this invention structure mentioned above, it is the structure which measures a surface level | step difference distribution only in the mesh area | region of the side with a high exclusive area rate of a base pattern, and a low side. Therefore, it is possible to measure with high accuracy by measuring the step distribution of the mesh area including the highest and lowest parts of the flattened surface with high resolution without measuring the surface step distribution for the entire measurement area. A surface step (for example, the maximum difference between the convex portion and the concave portion) in the region can be obtained.

また、本発明の表面段差測定装置は、以上の手順を実行する各部として、演算部、選択部、段差測定部を備えている。演算部では、平坦化表面における測定領域内を所定面積にメッシュ分割してなるメッシュ領域毎に前記下地パターンの専有面積率を算出する。選択部では、演算部で算出された専有面積率に基づき、専有面積率の高い側から所定数分のメッシュ領域と専有面積率の低い側から所定数分のメッシュ領域とを選択する。段差測定部では、選択部で選択されたメッシュ領域の表面段差分布のみを測定する。 Moreover, the surface level | step difference measuring apparatus of this invention is provided with the calculating part, the selection part, and the level | step difference measuring part as each part which performs the above procedure. The calculation unit calculates the exclusive area ratio of the ground pattern for each mesh region obtained by dividing the measurement region on the flattened surface into a predetermined area. The selection unit selects a predetermined number of mesh regions from the side with a high exclusive area rate and a predetermined number of mesh regions from the side with a low exclusive area rate based on the exclusive area rate calculated by the calculation unit. The step measurement unit measures only the surface step distribution in the mesh region selected by the selection unit.

以上説明したように本発明の表面段差測定方法によれば、測定領域の全領域について表面段差分布を測定することなく、精度良好に測定領域における表面段差（例えば凸部と凹部の最大差）を得ることができる。このため、表面段差の測定において、測定精度を確保しつつも、大幅にスループットの向上を図ることが可能になる。またこれにより、半導体プロセスの開発時間の短縮を図ることも可能になる。 As described above, according to the surface level difference measuring method of the present invention, the surface level difference in the measurement region (for example, the maximum difference between the convex portion and the concave portion) can be accurately obtained without measuring the surface level difference distribution over the entire measurement region. Obtainable. For this reason, in the measurement of the surface level difference, it is possible to significantly improve the throughput while ensuring the measurement accuracy. This also makes it possible to shorten the development time of the semiconductor process.

そして本発明の表面段差測定装置によれば、上述した測定方法を実行することが可能になる。 And according to the surface level | step difference measuring apparatus of this invention, it becomes possible to perform the measuring method mentioned above.

以下、本発明の表面段差測定方法および表面段差測定装置に関する実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。 DESCRIPTION OF EMBODIMENTS Embodiments relating to a surface level difference measuring method and a surface level difference measuring apparatus according to the present invention will be described below in detail with reference to the drawings.

尚、本実施形態では、一例として図１に示す構成の検査体１における表面段差を測定する方法を説明する。すなわち、この検査体１は半導体ウェハであり、半導体からなる基板２上に、ゲート電極が下地パターン３として設けられている。そして、この下地パターン３間を埋め込む状態で、酸化シリコンなどの絶縁性材料からなる平坦化膜４が設けられた構成となっている。 In this embodiment, as an example, a method for measuring a surface step in theinspection object 1 having the configuration shown in FIG. 1 will be described. That is, theinspection body 1 is a semiconductor wafer, and a gate electrode is provided as abase pattern 3 on a substrate 2 made of a semiconductor. Then, theplanarizing film 4 made of an insulating material such as silicon oxide is provided in a state in which the space between theunderlying patterns 3 is embedded.

このうち、下地パターン３は、基板２上に形成された材料膜を、リソグラフィー法によって形成されたレジストパターンをマスクに用いてエッチング加工してなるものである。また、平坦化膜４は、例えばＣＶＤ法やその他の成膜法によって下地パターン３を十分に埋め込む所定の成膜膜厚ｔで形成された材料膜４ａを、ＣＭＰ法等によって平坦化処理してなる膜である。 Among these, thebase pattern 3 is formed by etching a material film formed on the substrate 2 using a resist pattern formed by a lithography method as a mask. Further, theplanarizing film 4 is obtained by planarizing amaterial film 4a formed with a predetermined film thickness t that sufficiently embeds theunderlying pattern 3 by, for example, a CVD method or another film forming method by a CMP method or the like. It is a film.

以上のような構成の検査体１の表面（すなわち平坦化膜４の表面であり平坦化表面Ａ）には、下地パターン３の配置密度（専有面積率）に依存したグローバル段差が生じることが知られている。そこで、本実施形態においては、このような検査体１における平坦化表面Ａの表面段差を測定するための表面段差測定方法、およびこの方法に用いる表面段差測定装置の詳細な構成を説明する。 It is known that a global level difference depending on the arrangement density (exclusive area ratio) of thebase pattern 3 occurs on the surface of theinspection body 1 having the above-described configuration (that is, the surface of theplanarization film 4 and the planarization surface A). It has been. Therefore, in the present embodiment, a detailed description will be given of a surface level difference measuring method for measuring the surface level difference of the flattened surface A in such aninspection body 1 and a surface level difference measuring apparatus used for this method.

＜表面段差測定方法＞
図２は、実施形態の表面段差測定方法を示すフローチャートであり、次にこの図の各ステップＳ１〜Ｓ７の順に従って、その他の図を参照しつつ実施形態の表面段差測定方法を説明する。<Surface step measurement method>
FIG. 2 is a flowchart showing the surface level difference measuring method according to the embodiment. Next, the surface level difference measuring method according to the embodiment will be described according to the order of steps S1 to S7 in this figure with reference to other figures.

先ず、ステップＳ１では、表面段差を測定する検査体における測定領域をメッシュ分割する。ここでは、図３に示すように、半導体ウェハからなる検査体１に設けられた複数チップのうちの所定のチップ領域を測定領域６とする。そして、図中矢印で引き出した拡大図に示すように、この測定領域６をメッシュ分割する。図示した例においては、２ｍｍ×２ｍｍの測定領域（チップ領域）６を、０．１ｍｍ×０．１ｍｍの各メッシュ領域７，７，…に４００分割する。 First, in step S1, the measurement region in the inspection object for measuring the surface level difference is divided into meshes. Here, as shown in FIG. 3, a predetermined chip region of a plurality of chips provided on theinspection body 1 made of a semiconductor wafer is set as ameasurement region 6. Then, as shown in the enlarged view drawn by the arrow in the figure, themeasurement region 6 is divided into meshes. In the illustrated example, a measurement area (chip area) 6 of 2 mm × 2 mm is divided into 400mesh areas 7, 7,... Of 0.1 mm × 0.1 mm.

次に、ステップＳ２では、検査体における下地パターンのリサイズを行う。ここでは、図４に示すように、下地パターン３の平面形状を全周方向に拡大するようにリサイズを行う。この際、平坦化処理前における平坦化膜（つまり図１に示した材料膜４ａ）の成膜膜厚ｔの分だけ、下地パターン３の平面形状を全周方向に拡大する。例えば、平坦化膜（材料膜）の成膜膜厚ｔ＝４５０ｎｍであれば、下地パターン３の平面形状を全周方向に４５０ｎｍ分だけ拡大する。 Next, in step S2, the base pattern on the inspection body is resized. Here, as shown in FIG. 4, resizing is performed so that the planar shape of thebase pattern 3 is expanded in the entire circumferential direction. At this time, the planar shape of thebase pattern 3 is expanded in the entire circumferential direction by the film thickness t of the flattening film (that is, thematerial film 4a shown in FIG. 1) before the flattening process. For example, if the film thickness t of the planarization film (material film) is t = 450 nm, the planar shape of thebase pattern 3 is enlarged by 450 nm in the entire circumferential direction.

また、このリサイズによって拡大した複数の下地パターン３ａ同士が重なりを持つ場合には、これらの重なりを持った複数の下地パターン３ａ，３ａを１つの下地パターン３ａとする処理を行うこととする。 In addition, when a plurality ofbase patterns 3a enlarged by this resizing have an overlap, a process is performed in which the plurality ofbase patterns 3a, 3a having the overlap are used as onebase pattern 3a.

以上のような下地パターン３のリサイズは、下地パターン３の設計データ、例えば下地パターン形成で用いた露光マスクのマスクデータに対して演算処理を加えることで行われる。 The resize of thebase pattern 3 as described above is performed by applying arithmetic processing to design data of thebase pattern 3, for example, mask data of an exposure mask used in base pattern formation.

尚、図面においては、１つのメッシュ領域７のみを図示したが、このリサイズは測定領域６内に配置される全ての下地パターン３に対して実行される。また、以上のステップＳ１とステップＳ２とは、逆の順に実行しても良く、平行して実行しても良い。 Although only onemesh region 7 is shown in the drawing, this resizing is executed for all thebase patterns 3 arranged in themeasurement region 6. Moreover, the above step S1 and step S2 may be performed in the reverse order, and may be performed in parallel.

そして、以上のステップＳ１およびステップＳ２が終了した後のステップＳ３では、ステップＳ１でメッシュ分割した各メッシュ領域について、ステップＳ２でリサイズした下地パターン３ａの専有面積率σを算出する。ここでは、図５に示すように、各メッシュ領域７の面積（０．１ｍｍ×０．１ｍｍ）に占める、下地パターン３ａの総面積Ｓ(3a)の割合を専有面積率σとして算出する。これは、測定領域における全てのメッシュ領域７で同様に行う。この際、先のステップＳ２においてリサイズした下地パターン３ａの専有面積率σを算出するようにしたことで、平坦化処理に与える影響をより正確に数値化した値として専有面積率σの算出を行うことができる。 Then, in step S3 after step S1 and step S2 are completed, the exclusive area ratio σ of thebase pattern 3a resized in step S2 is calculated for each mesh region divided in step S1. Here, as shown in FIG. 5, the ratio of the total area S (3a) of thebase pattern 3a to the area (0.1 mm × 0.1 mm) of eachmesh region 7 is calculated as the exclusive area ratio σ. This is similarly performed for allmesh regions 7 in the measurement region. At this time, the exclusive area ratio σ of theground pattern 3a resized in the previous step S2 is calculated, so that the exclusive area ratio σ is calculated as a value obtained by more accurately quantifying the influence on the flattening process. be able to.

次いで、ステップＳ４では、ステップＳ３で算出された各メッシュ領域７の専有面積率σに基づき、表面段差分布を測定するメッシュ領域を選択する。ここでは、図６に示すように、専有面積率σの高い側から所定数分の高密度メッシュ領域７ａ，７ａ，…、および専有面積率σの低い側から所定数分の低密度メッシュ領域７ｂ，７ｂ，…とを選択する。 Next, in step S4, based on the exclusive area ratio σ of eachmesh region 7 calculated in step S3, a mesh region for measuring the surface step distribution is selected. Here, as shown in FIG. 6, a predetermined number of high-density mesh regions 7a, 7a,... From the side with a high exclusive area rate σ, and a lowdensity mesh region 7b with a predetermined number from the side with a low exclusive area rate σ. , 7b,...

この際、例えば専有面積率σの高い側から所定割合（例えば上位２０％）の数の高密度メッシュ領域７ａ，７ａ，…と、専有面積率σの低い側から所定割合（例えば下位２０％）の数の低密度メッシュ領域７ｂ，７ｂ，…を選択するようにしても良い。この場合、全メッシュ領域７が４００個であるとすると、高密度メッシュ領域７ａとして４０箇所、低密度メッシュ領域７ｂとして４０箇所のメッシュ領域がそれぞれ選択される。また、専有面積率σが所定値以上（例えば８０％以上）の高密度メッシュ領域７ａ，７ａ，…と、専有面積率σが所定値以下（例えば２５％以下）の高密度メッシュ領域７ｂ，７ｂ，…とを選択するようにしても良い。ただしこの場合、高密度メッシュ領域７ａと低密度メッシュ領域７ｂとが、それぞれ１つ以上選択されるように設定する。 In this case, for example, a predetermined ratio (for example, the upper 20%) of the highdensity mesh regions 7a, 7a,... From the higher dedicated area ratio σ and a predetermined ratio (for example, the lower 20%) from the lower dedicated area ratio σ. The number of lowdensity mesh regions 7b, 7b,... May be selected. In this case, assuming that the total number ofmesh regions 7 is 400, 40 mesh regions are selected as the high-density mesh region 7a and 40 mesh regions are selected as the low-density mesh region 7b, respectively. Further, the high-density mesh regions 7a, 7a,... Having a dedicated area ratio σ of a predetermined value or more (for example, 80% or more) and the high-density mesh regions 7b, 7b having a dedicated area ratio σ of a predetermined value or less (for example, 25% or less). ,... May be selected. However, in this case, it is set so that one or more of the high-density mesh region 7a and the low-density mesh region 7b are selected.

その後、ステップＳ５では、先のステップＳ４で選択した各メッシュ領域７ａ，…，７ｂ，…の表面段差分布を測定する。ここでは、例えばＡＦＭを用い、選択した各メッシュ領域７ａ，…，７ｂ，…の全面をスキャニング測定し、それぞれの領域における表面段差分布を測定する。この際、表面段差分布の測定精度（解像度）を上げるためには、ｘ方向へのスキャニング測定をｙ方向にずらす間隔を狭くし、１つのメッシュ領域におけるスキャニング測定の本数を増加させる。尚、測定機器の一例として用いられるＡＦＭによる表面段差分布の測定の詳細については、表面段差測定装置の構成として以降に詳細に説明する。 Thereafter, in step S5, the surface level difference distribution of eachmesh region 7a,..., 7b,. Here, for example, using AFM, the entire surface of each selectedmesh region 7a,..., 7b,... Is scanned and the surface step distribution in each region is measured. At this time, in order to increase the measurement accuracy (resolution) of the surface step distribution, the interval for shifting the scanning measurement in the x direction in the y direction is narrowed, and the number of scanning measurements in one mesh region is increased. The details of the measurement of the surface level difference distribution by the AFM used as an example of the measuring instrument will be described in detail below as the configuration of the surface level difference measuring device.

また、ステップＳ６では、選択された先のステップＳ４で選択されたメッシュ領域７ａ，…，７ｂ，…のそれぞれにおいて、平坦化膜の膜厚を測定する。ここでは、図１に示すように、下地パターン３の下部における基板２上の平坦化膜４の膜厚ｔ１を、各メッシュ領域７ａ，…，７ｂ，…の１箇所で測定する。この際、例えばエリプソメータを用いた膜厚測定を行う。 In step S6, the film thickness of the planarizing film is measured in each of themesh regions 7a,..., 7b,. Here, as shown in FIG. 1, the film thickness t1 of theplanarizing film 4 on the substrate 2 below thebase pattern 3 is measured at one location of eachmesh region 7a,. At this time, for example, film thickness measurement using an ellipsometer is performed.

尚、以上のステプＳ５とステップＳ６とは、逆の順に実行しても良く、平行して実行しても良い。 The above step S5 and step S6 may be executed in the reverse order or may be executed in parallel.

そして、以上のステップＳ５およびステップＳ６を行った後のステップＳ７では、ステップＳ５で測定した各メッシュ領域７ａ，…，７ｂ，…の表面段差分布を、ステップＳ６で測定した各メッシュ領域７ａ，…，７ｂ，…における平坦化膜の膜厚ｔ１に基づいて補正する。この際、各メッシュ領域７ａ，…，７ｂ，…が分散配置されることで生じる表面段差分布の測定ばらつき（測定機器による測定ばらつき）を、各メッシュ領域７ａ，…，７ｂ，…で測定された平坦化膜の膜厚ｔ１の差に基づいて補正する。 Then, in step S7 after performing the above steps S5 and S6, the surface step distribution of eachmesh region 7a, ..., 7b, ... measured in step S5 is changed to eachmesh region 7a, ... measured in step S6. , 7b,... Is corrected based on the film thickness t1 of the planarizing film. At this time, the measurement variation (measurement variation by the measuring device) of the surface step distribution caused by the dispersion and arrangement of themesh regions 7a, ..., 7b, ... was measured in themesh regions 7a, ..., 7b, .... Correction is made based on the difference in the film thickness t1 of the planarizing film.

以上により得られた各メッシュ領域７ａ，…，７ｂ，…の表面段差分布を、測定領域６の中の全体を代表する表面段差分布とする。また必要に応じて、得られた表面段差分布から、例えば精度良好に測定領域における段差ばらつき（例えば凸部と凹部の最大差）を得る。 The surface step distribution of eachmesh region 7a,..., 7b,... Obtained as described above is a surface step distribution representing theentire measurement region 6. Further, if necessary, from the obtained surface step distribution, for example, a step variation in the measurement region (for example, the maximum difference between the convex portion and the concave portion) is obtained with good accuracy.

尚、各メッシュ領域７ａ，…，７ｂ，…が測定領域６内に分散配置されることで生じる表面段差分布の測定ばらつき（測定機器による測定ばらつき）を考慮する必要のない場合には、ステップＳ６，Ｓ７を行う必要はない。 If it is not necessary to take into account the measurement variation of the surface step distribution (measurement variation due to the measuring device) caused by themesh regions 7a,..., 7b,. , S7 need not be performed.

以上説明した表面段差測定方法によれば、測定領域６を分割した各メッシュ領域７のうちから選択された高密度メッシュ領域７ａ，７ａ，…と低密度メッシュ領域７ｂ，７ｂ，…とについてのみ、表面段差分布を測定する構成である。これらの選択されたメッシュ領域７ａ，…，７ｂ，…のうち、高密度メッシュ領域７ａ，７ａ，…は、下地パターン３の専有面積率が高い領域であるため、平坦化膜４に施されるＣＭＰのような平坦化処理が進み難く表面位置が高めになる。一方、低密度メッシュ領域７ｂ，７ｂ，…は、下地パターン３の専有面積率が低い領域であるため、平坦化処理が進み易く表面位置が低めになる。 According to the surface level difference measuring method described above, only the highdensity mesh regions 7a, 7a,... And the lowdensity mesh regions 7b, 7b,. This is a configuration for measuring the surface step distribution. .. Of the selectedmesh regions 7a,..., 7b,... Are regions that have a high exclusive area ratio of thebase pattern 3, and are therefore applied to theplanarizing film 4. A planarization process such as CMP is difficult to proceed, and the surface position is increased. On the other hand, the low-density mesh regions 7b, 7b,... Are regions where thebase pattern 3 has a low exclusive area ratio, so that the planarization process easily proceeds and the surface position becomes low.

このため、測定領域６の全領域について表面段差分布を測定することなく、平坦化表面Ａにおける最も高い位置部分と平坦化表面Ａにおける最も低い位置部分とを確実に含む領域で、表面段差分布の測定が成されることになる。したがって、これらの選択されたメッシュ領域７ａ，…，７ｂ，…について、高解像度で表面段差分布を測定することで、測定時間を大幅に削減しつつも、精度良好に測定領域における表面段差（凸部と凹部の最大差）を得ることができる。 For this reason, the surface level difference distribution of the entire region of themeasurement region 6 is surely included in the region including the highest position portion on the flattened surface A and the lowest position portion on the flattened surface A without measuring the surface step distribution. Measurements will be made. Therefore, by measuring the surface step distribution at a high resolution for the selectedmesh regions 7a,..., 7b,. Maximum difference between the portion and the recess).

これにより、表面段差の測定において、測定精度を確保しつつも、大幅にスループットの向上を図ることが可能になる。またこの結果、半導体プロセスの開発時間の短縮を図り、半導体プロセス技術の向上を図ることができる。そして特に、ゲート線幅６５ｎｍ世代以降の半導体プロセス開発においては、本発明の表面段差測定方法による測定時間の削減が必要不可欠となる。 Thereby, in the measurement of the surface level difference, it is possible to greatly improve the throughput while ensuring the measurement accuracy. As a result, the development time of the semiconductor process can be shortened and the semiconductor process technology can be improved. In particular, in the development of a semiconductor process with a gate line width of 65 nm or later, it is indispensable to reduce the measuring time by the surface step measuring method of the present invention.

＜表面段差測定装置＞
図７は、実施形態の表面段差測定装置の構成図である。以下、この図７と先の図２のフローチャートに基づいて、本実施形態の表面段差測定装置の構成を説明する。<Surface level difference measuring device>
FIG. 7 is a configuration diagram of the surface level difference measuring apparatus according to the embodiment. Hereinafter, the configuration of the surface level difference measuring apparatus according to the present embodiment will be described with reference to FIG. 7 and the flowchart of FIG.

この図に示す表面段差測定装置２０は、先に図１〜図６を用いて説明した表面段差測定方法を実行するための装置であり、入力部２１、演算部２３、選択部２５、段差測定部２７、および出力部２９を備えている。 A surface level difference measuring apparatus 20 shown in this figure is an apparatus for executing the surface level difference measuring method described above with reference to FIGS. 1 to 6, and includes aninput unit 21, acalculation unit 23, aselection unit 25, and a level difference measurement. A unit 27 and anoutput unit 29 are provided.

このうち、入力部２１は、上述した表面段差測定方法に必要な下地パターンに関する設計データ（マスクデータＤ）、測定条件などの情報を入力する部分である。この入力部２１から入力される測定条件としては、ステップＳ１で行うメッシュ分割の分割数や、ステップＳ２で行う下地パターンのリサイズの量（平坦化膜の成膜膜厚ｔ）や、さらにはステップＳ４で行うメッシュ領域の選択条件等である。 Among these, theinput unit 21 is a part for inputting information such as design data (mask data D) and measurement conditions related to the base pattern necessary for the above-described surface level difference measuring method. The measurement conditions input from theinput unit 21 include the number of mesh divisions performed in step S1, the amount of base pattern resize (deposition film thickness t of the planarization film) performed in step S2, and further steps. This is the mesh area selection condition performed in S4.

そして、演算部２３は、入力部２１から入力された情報に基づいて、上述したステップＳ１からステップＳ３までを行う部分である。すなわち、この演算部２３では、入力部２１から入力された情報に基づいて、表面段差測定方法の平坦化表面における測定領域内を所定面積にメッシュ分割してなるメッシュ領域毎に下地パターンの専有面積率σを算出するまでを行う。 And the calculatingpart 23 is a part which performs from step S1 mentioned above to step S3 based on the information input from theinput part 21. FIG. That is, in thiscalculation unit 23, based on the information input from theinput unit 21, the exclusive area of the ground pattern for each mesh region obtained by dividing the measurement region on the planarized surface of the surface level difference measurement method into a predetermined area Until the rate σ is calculated.

また、選択部２５は、入力部２１から入力された情報と、演算部２３で算出された各メッシュ領域における下地パターンの専有面積率σとに基づき、上述したステップＳ４を行う部分である。このため、この選択部２５では、入力部２１から入力された情報と、演算部２３で算出された専有面積率σとに基づき、次に説明する段差測定部２７において表面段差分布の測定を行うメッシュ領域を選択する。 Theselection unit 25 is a part that performs step S4 described above based on the information input from theinput unit 21 and the exclusive area ratio σ of the ground pattern in each mesh region calculated by thecalculation unit 23. For this reason, in thisselection part 25, based on the information input from theinput part 21, and the exclusive area rate (sigma) calculated in the calculatingpart 23, the level | step difference distribution part 27 demonstrated below measures a surface level | step difference distribution. Select the mesh area.

そして段差測定部２７は、上述したステップＳ５を測定する部分であり、選択部２５で選択されたメッシュ領域のみについて表面段差分布を測定する。 The level difference measuring unit 27 measures the above-described step S5, and measures the surface level difference distribution only for the mesh region selected by theselection unit 25.

この段差測定部２７は、例えばＡＦＭであり、図１に示した測定対象である検査体（半導体ウェハ）１を載置するステージ３１を備えている。このステージ３１には、ステージ３１を水平面内においてＸ−Ｙ方向に駆動する駆動部３１ａが備えられている。 The step measurement unit 27 is, for example, an AFM, and includes astage 31 on which the inspection object (semiconductor wafer) 1 that is a measurement target illustrated in FIG. 1 is placed. Thestage 31 is provided with adrive unit 31a that drives thestage 31 in the XY direction in a horizontal plane.

そして、ステージ３１上には、このステージ３１上に載置保持された検査体１の平坦化表面Ａにおいて自在にスキャニングされる探針３２が設けられている。この探針３２は、平坦化表面Ａと探針６３との間に掛かる力が数ｎｍＮの一定に制御される。 On thestage 31, aprobe 32 that is freely scanned on the flattened surface A of theinspection object 1 placed and held on thestage 31 is provided. Theprobe 32 is controlled so that the force applied between the flattened surface A and the probe 63 is constant at several nmN.

また、探針３２の上端にはカンチレバー３３が接続されている。このカンチレバー３３の上方には、カンチレバー３３にレーザ光を照射するレーザ発信器３４と、カンチレバー３３で反射したレーザ光を検出する光学顕微鏡３５とが設けられている。これらのレーザ発信器３４と光学顕微鏡３５とは、平坦化表面Ａにおいて探針３２をスキャンさせることで、平坦化表面Ａの表面段差によってカンチレバー３３が変位した場合、この変位量がレーザ光の検出によって連続的に測定される構成となっている。そして、これらの探針３２、カンチレバー３３、レーザ発信器３４、光学顕微鏡３５には、これらを一体にＸ−Ｙ方向に駆動する駆動部３７が設けられている。 Acantilever 33 is connected to the upper end of theprobe 32. Above thecantilever 33, alaser transmitter 34 for irradiating thecantilever 33 with laser light and anoptical microscope 35 for detecting the laser light reflected by thecantilever 33 are provided. Thelaser transmitter 34 and theoptical microscope 35 scan theprobe 32 on the flattened surface A, and when thecantilever 33 is displaced by the surface step of the flattened surface A, the amount of displacement is detected by the laser beam. Is configured to be continuously measured. Theprobe 32, thecantilever 33, thelaser transmitter 34, and theoptical microscope 35 are provided with adrive unit 37 that integrally drives them in the XY direction.

各駆動部３１ａ，３７には、上述した選択部２５が接続されている。これにより、選択部２５で選択されたメッシュ領域のみの平坦化表面Ａ上において、探針３２がスキャニングされる構成となっている。 Theselection unit 25 described above is connected to each of thedrive units 31a and 37. Thereby, theprobe 32 is scanned on the flattened surface A of only the mesh region selected by theselection unit 25.

さらにこれらの駆動部３１ａ，３７および光学顕微鏡３５は、出力部２９に接続されており、駆動部３１ａ，３７から得られる測定部の位置と、光学顕微鏡３５から得られるカンチレバー３３の変位量とを関係づけた情報が、測定されたメッシュ領域における表面段差分布として出力される。また必要に応じて、この出力部２９が演算部を有しており、表面段差分布が測定された全てのメッシュ領域のうちの凸部と凹部の最大差を出力させるようにしても良い。 Furthermore, thesedrive units 31a and 37 and theoptical microscope 35 are connected to theoutput unit 29, and the position of the measurement unit obtained from thedrive units 31a and 37 and the displacement amount of thecantilever 33 obtained from theoptical microscope 35 are obtained. The related information is output as a surface step distribution in the measured mesh region. In addition, if necessary, theoutput unit 29 may include a calculation unit, and the maximum difference between the convex part and the concave part among all the mesh regions in which the surface level difference distribution is measured may be output.

またここでの図示は省略したが、以上説明した構成の他にも、選択されたメッシュ領域について前記平坦化膜の膜厚を測定する膜厚測定部と、膜厚測定部で測定された各メッシュ領域の膜厚に基づいて段差測定部２７で測定された各メッシュ領域の表面段差分布を補正する補正部とをさらに備えても良い。 Although illustration is omitted here, in addition to the configuration described above, the film thickness measurement unit that measures the film thickness of the planarization film for the selected mesh region, and each of the film thickness measurement units measured by the film thickness measurement unit You may further provide the correction | amendment part which correct | amends the surface level | step difference distribution of each mesh area | region measured by the level | step difference measurement part 27 based on the film thickness of a mesh area | region.

以上説明した構成の表面段差測定装置２０は、通常の段差測定機器で構成される段差測定部２７に対して、さらに上述したステップＳ１〜ステップＳ３を実行する演算部２３、およびステップＳ４を実行する選択部２５を設け、この選択部２５で選択されたメッシュ領域のみにおいて表面段差分布が測定される構成となっている。したがって、上述したように、測定精度を確保しつつも、大幅にスループットの向上を図ることが可能な表面段差測定を実行することが可能である。 The surface level difference measuring apparatus 20 having the configuration described above further executes thecalculation unit 23 and step S4 for executing the above-described steps S1 to S3 with respect to the level difference measurement unit 27 configured by a normal level difference measurement device. Aselection unit 25 is provided, and the surface step distribution is measured only in the mesh region selected by theselection unit 25. Therefore, as described above, it is possible to perform surface level difference measurement that can significantly improve throughput while ensuring measurement accuracy.

尚、本発明で表面段差を測定する平坦化膜としては、成膜後に平坦化処理が施されたものに限定されることはない。例えば、フロー性を有する成膜条件で成膜されることで成膜した時点である程度の平坦性を有する膜であっても良い。また、このような平坦性を備えず下地パターンに追従した表面形状を有する膜であっても良い。 Note that the planarization film for measuring the surface level difference in the present invention is not limited to a film that has been planarized after the film formation. For example, a film having a certain degree of flatness may be used when the film is formed under film forming conditions having flow properties. Moreover, the film | membrane which does not have such flatness but has the surface shape which followed the base pattern may be sufficient.

表面段差を測定する検査体の一構成例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows one structural example of the test body which measures a surface level | step difference.実施形態の表面段差測定方法を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the surface level | step difference measuring method of embodiment.検査体における測定領域とメッシュ領域を示す平面図である。It is a top view which shows the measurement area | region and mesh area | region in a test body.下地パターンのリサイズを説明する平面図である。It is a top view explaining resizing of a ground pattern.下地パターンの専有面積率の算出を説明する平面図である。It is a top view explaining calculation of the exclusive area rate of a ground pattern.メッシュ領域の選択を説明する平面図である。It is a top view explaining selection of a mesh field.実施形態の表面段差測定装置の構成を示す概略構成図である。It is a schematic block diagram which shows the structure of the surface level | step difference measuring apparatus of embodiment.

符号の説明Explanation of symbols

１…基板、３…下地パターン、３ａ…下地パターン（リサイズ後）、４…平坦化膜、７…メッシュ領域、７ａ…高密度メッシュ領域、７ｂ…低密度メッシュ領域、２０…表面段差測定装置、２３…演算部、２５…選択部、２７…段差測定部、Ａ…平坦化表面 DESCRIPTION OFSYMBOLS 1 ... Substrate, 3 ... Base pattern, 3a ... Base pattern (after resize), 4 ... Flattened film, 7 ... Mesh region, 7a ... High density mesh region, 7b ... Low density mesh region, 20 ... Surface level | step difference measuring apparatus, 23 ... Calculation unit, 25 ... Selection unit, 27 ... Step measurement unit, A ... Flattening surface

Claims

Translated fromJapanese

基板上に形成された下地パターン間を埋め込む状態で当該基板上を平坦化膜で覆ってなる平坦化表面の表面段差を測定する表面段差測定方法であって、
前記平坦化表面における測定領域内を所定面積にメッシュ分割してなるメッシュ領域毎に前記下地パターンの専有面積率を算出し、
前記算出された専有面積率に基づき、専有面積率の高い側から所定数分のメッシュ領域と専有面積率の低い側から所定数分のメッシュ領域とを選択し、
前記選択されたメッシュ領域の表面段差分布のみを測定する
ことを特徴とする表面段差測定方法。A surface level difference measuring method for measuring a level difference of a flattened surface formed by covering the substrate with a leveling film in a state of being embedded between base patterns formed on the substrate,
Calculate the exclusive area ratio of the ground pattern for each mesh region obtained by dividing the measurement region in the planarized surface into a predetermined area,
Based on the calculated exclusive area ratio, select a predetermined number of mesh areas from the high exclusive area ratio side and a predetermined number of mesh areas from the low exclusive area ratio side,
Only the surface level difference distribution of the selected mesh region is measured.

請求項１記載の表面段差測定方法において、
前記下地パターンの専有面積率として、平坦化処理前における前記平坦化膜の成膜膜厚分だけ平面形状を全周方向に拡大するように当該下地パターンをリサイズし、当該リサイズした下地パターンの専有面積率を算出する
ことを特徴とする表面段差測定方法。In the surface level | step difference measuring method of Claim 1,
As the exclusive area ratio of the base pattern, the base pattern is resized so that the planar shape is enlarged in the entire circumferential direction by the film thickness of the planarizing film before the flattening process, and the resized base pattern is exclusively used. A method for measuring a surface level difference, comprising calculating an area ratio.

請求項２記載の表面段差測定方法において、
前記リサイズした複数の下地パターン同士が重なりを持つ場合には、当該複数の下地パターンを１つの下地パターンとして前記専有面積率を算出する
ことを特徴とする表面段差測定方法。In the surface level | step difference measuring method of Claim 2,
When the plurality of resized base patterns overlap each other, the exclusive area ratio is calculated using the plurality of base patterns as one base pattern.

請求項１記載の表面段差測定方法において、
前記下地パターンの専有面積率は、当該下地パターンの設計データに基づいて算出される
ことを特徴とする表面段差測定方法。In the surface level | step difference measuring method of Claim 1,
The surface level difference measuring method, wherein the exclusive area ratio of the base pattern is calculated based on design data of the base pattern.

請求項１記載の表面段差測定方法において、
前記選択されたメッシュ領域について、前記平坦化膜の膜厚を測定し、
前記測定された各メッシュ領域の膜厚に基づいて、当該各メッシュ領域の表面段差分布を補正する
ことをと特徴とする表面段差測定方法。In the surface level | step difference measuring method of Claim 1,
For the selected mesh region, measure the thickness of the planarization film,
Based on the measured film thickness of each mesh region, the surface step distribution of each mesh region is corrected.

基板上に形成された下地パターン間を埋め込む状態で当該基板上を平坦化膜で覆ってなる平坦化表面の表面段差を測定するための表面段差測定装置であって、
前記平坦化表面における測定領域内を所定面積にメッシュ分割してなるメッシュ領域毎に前記下地パターンの専有面積率を算出する演算部と、
前記演算部で算出された専有面積率に基づき、専有面積率の高い側から所定数分のメッシュ領域と専有面積率の低い側から所定数分のメッシュ領域とを選択する選択部と、
前記選択部で選択されたメッシュ領域の表面段差分布のみを測定する段差測定部とを備えた
ことを特徴とする表面段差測定装置。A surface level difference measuring apparatus for measuring a level difference of a flattened surface formed by covering the substrate with a flattened film in a state of being embedded between base patterns formed on the substrate,
A calculation unit that calculates a dedicated area ratio of the ground pattern for each mesh region obtained by dividing the measurement region in the planarized surface into a predetermined area;
Based on the exclusive area ratio calculated by the calculation unit, a selection unit that selects a predetermined number of mesh regions from the side with a high exclusive area rate and a predetermined number of mesh regions from the side with a low exclusive area rate;
A surface level difference measuring device comprising: a level difference measuring unit that measures only the surface level difference distribution of the mesh region selected by the selection unit.

請求項６記載の表面段差測定装置において、
前記演算部では、平坦化処理前における前記平坦化膜の成膜膜厚分だけ平面形状を全周方向に拡大するように当該下地パターンをリサイズし、当該リサイズした下地パターンの専有面積率を、前記下地パターンの専有面積率として算出する
ことを特徴とする表面段差測定装置。In the surface level | step difference measuring apparatus of Claim 6,
In the arithmetic unit, the base pattern is resized so as to enlarge the planar shape in the entire circumferential direction by the film thickness of the flattening film before the flattening process, and the exclusive area ratio of the resized base pattern is The surface level difference measuring device, which is calculated as an area ratio occupied by the base pattern.

請求項７記載の表面段差測定装置において、
前記演算部では、前記リサイズした複数の下地パターン同士が重なりを持つ場合には、当該複数の下地パターンを１つの下地パターンとして前記専有面積率を算出する
ことを特徴とする表面段差測定装置。In the surface level | step difference measuring apparatus of Claim 7,
When the plurality of resized base patterns overlap each other, the arithmetic unit calculates the exclusive area ratio using the plurality of base patterns as one base pattern.

請求項６記載の表面段差測定装置において、
前記演算部では、前記下地パターンの設計データに基づいて当該下地パターンの専有面積率を算出する
ことを特徴とする表面段差測定装置。In the surface level | step difference measuring apparatus of Claim 6,
The surface level difference measuring apparatus characterized in that the calculation unit calculates a dedicated area ratio of the base pattern based on the design data of the base pattern.

請求項６記載の表面段差測定装置において、
前記選択されたメッシュ領域について前記平坦化膜の膜厚を測定する膜厚測定部と、
前記膜厚測定部で測定された前記各メッシュ領域の膜厚に基づいて、前記段差測定部で測定された前記各メッシュ領域の表面段差分布を補正する補正部とをさらに備えた
ことをと特徴とする表面段差測定装置。
In the surface level | step difference measuring apparatus of Claim 6,
A film thickness measurement unit for measuring the film thickness of the planarization film for the selected mesh region;
And a correction unit that corrects the surface step distribution of each mesh region measured by the step measurement unit based on the film thickness of each mesh region measured by the film thickness measurement unit. A surface level difference measuring device.