表面段差測定方法および表面段差測定装置
【課題】基板自体のうねりや反り、さらには機械的な精度等による測定誤差等の疑似段差成分を精度良好に除去することができ、これにより高精度な表面段差分布を得ることが可能な表面段差測定方法を提供する。
【解決手段】基板の表面段差分布を測定する表面段差測定方法であり、表面段差分布を測定する測定領域とその周辺領域とを含む領域において表面段差のない平坦部における基板の表面高さを測定することにより、測定領域に関して表面段差の影響を含まない第１の表面段差分布を得る（Ｓ１）。測定領域内の全面において基板の表面高さを測定することにより、測定領域に関して前記表面段差の影響を含む第２の表面段差分布を測定する（Ｓ２）。第２の表面段差分布から第１の表面段差分布を取り除くことにより、測定領域における基板の表面段差分布を得る（Ｓ３）。
【解決手段】基板の表面段差分布を測定する表面段差測定方法であり、表面段差分布を測定する測定領域とその周辺領域とを含む領域において表面段差のない平坦部における基板の表面高さを測定することにより、測定領域に関して表面段差の影響を含まない第１の表面段差分布を得る（Ｓ１）。測定領域内の全面において基板の表面高さを測定することにより、測定領域に関して前記表面段差の影響を含む第２の表面段差分布を測定する（Ｓ２）。第２の表面段差分布から第１の表面段差分布を取り除くことにより、測定領域における基板の表面段差分布を得る（Ｓ３）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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）。
【０００４】
ところで、上述のＡＦＭを用いた表面段差分布の測定値には、基板自体の「うねり」や「反り」、さらには測定装置の機械的精度などによる測定誤差が含まれることが知られている。このため、ＡＦＭによって表面段差分布を測定した後には、測定値を高速フーリエ変換処理することにより、基板自体の「うねり」や「反り」に起因する低周波の段差成分を測定値から除去する処理を行っている。
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−５３６５９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
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。例えば、ゲート電極形成後に行われる層間絶縁膜のＣＭＰによる平坦化工程では、チップ内の凹凸段差を２０ｎｍ以下に加工しなければならない。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、チップ内の凹凸段差をさらに小さく抑える必要がある。しかしながら、上述したＡＦＭによる表面段差分布をフーリエ変換処理する処理方法では、基板自体の「うねり」や「反り」、さらには測定装置の機械的精度などによる測定誤差を、精度良好に取り除くことはできなかった。
【０００７】
そこで本発明は、基板自体のうねりや反り、さらには機械的な精度等による測定誤差成分を精度良好に除去し、さらに高精度な表面段差分布を得ることが可能な表面段差測定方法および表面段差測定装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
このような目的を達成するための本発明は、表面段差を有する基板において当該表面段差に起因する当該基板の表面段差分布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。
【０００９】
そして、本発明の第１の測定方法は、次の手順で行うことを特徴としている。先ず第１工程では、表面段差分布を測定する測定領域とその周辺領域とを含む領域において前記表面段差のない平坦部における基板の表面高さを測定することにより、当該測定領域に関して当該表面段差の影響を含まない第１の表面段差分布を得る。また、第２工程では、測定領域内の全面において基板の表面高さを測定することにより、当該測定領域に関して前記表面段差の影響を含む第２の表面段差分布を測定する。以上の第１工程および第２工程の後の第３工程では、第２の表面段差分布から前記第１の表面段差分布を取り除くことにより、測定領域における基板の表面段差分布を得る。
【００１０】
このような第１の測定方法では、その第１工程で、測定領域とその周辺領域とを含む領域の平坦部において実際に測定した基板の表面高さから、表面段差の影響を含まない第１の表面段差分布を得ている。そして、第３工程では、第２工程で得られた表面段差の影響を含む第２の表面段差分布から、第１工程で得られた表面段差の影響を含まない第１の表面段差分布を取り除いている。このため、この第３工程で得られる基板の表面段差分布は、表面段差の影響のみによる表面段差分布となる。
【００１１】
つまり、表面段差分布の測定を行う基板は、基板表面に存在する凹凸形状の表面段差以外に、基板自体の「うねり」や「反り」等、表面段差分布の測定に影響を及ぼす疑似段差成分を有している場合がある。また測定装置にも、表面段差分布に影響を及ぼすような測定誤差等の疑似段差成分を有している場合がある。このような場合、測定領域において測定された表面段差分布（すなわち第２の表面段差分布）には、表面段差に加えて疑似段差成分が含まれることになる。このため、上述した第１の測定方法のように、測定領域について測定された表面段差の影響を含む第２の表面段差分布から、表面段差の影響を含まない第１の表面段差分布、すなわち疑似段差成分からなる第１の表面段差分布を取り除くことにより、表面段差のみに起因する表面段差分布が得られるのである。
【００１２】
また、本発明の第２の測定方法は、次の手順で行うことを特徴としている。先ず第１工程では、第１の製造方法と同様に行い測定領域に関して当該表面段差の影響を含まない第１の表面段差分布を得る。そして次の第２工程では、第１の表面段差分布が取り除かれるように基板の高さ位置を調整しつつ、測定領域内の全面において基板の表面高さを測定することにより、表面段差に起因する当該基板の表面段差分布を第２の表面段差分布として得る。
【００１３】
このような第２の測定方法では、第１の測定方法と同様に、その第１工程において実際に測定した表面高さから表面段差の影響を含まない、すなわち疑似段差成分からなる第１の表面段差分布を得ている。そして、第２工程においては、このような表面段差の影響を含まない第１の表面段差分布を除去するように基板の表面高さを調整しつつ、測定領域内における基板の表面高さが測定される。つまり、この第２工程では、第１の測定方法での説明したような疑似段差成分からなる第１の表面段差分布を取り除くように、測定領域内における基板の表面高さが測定される。このため、の第２工程で得られる基板の表面段差分布は、第１の方法と同様に、表面段差のみに起因する表面段差分布となる。
【００１４】
そして本発明の第１の測定装置は、上述した第１の差測定方法を実行するための装置であり、段差測定部、制御部、および演算部を備えている。このうち、段差測定部は、基板表面における測定位置自在に当該基板の表面高さを測定する部分である。また、制御部は、段差測定部での測定を制御する部分である。この制御部では、表面段差分布を測定する測定領域とその周辺領域とを含む領域において表面段差のない平坦部における前記基板の表面高さを測定する第１の測定と、測定領域内の全面において基板の表面高さを測定する第２の測定とを行うように、段差測定部での測定を制御する。さらに演算部は、段差測定部で測定された結果に基づいて、測定領域における前記基板の表面段差分布を得る部分である。この演算部では、段差測定部での第１の測定の結果に基づいて測定領域に関して表面段差の影響を含まない第１の表面段差分布を得、段差測定部での第２の測定の結果に基づいて測定領域に関して表面段差の影響を含む第２の表面段差分布を得ると共に、当該第２の表面段差分布から第１の表面段差分布を取り除くことにより測定領域における基板の表面段差分布を得る。
【００１５】
また本発明の第２の測定装置は、上述した第２の測定方法を実行するための装置であり、ステージ、段差測定部、第１制御部、および第２制御部を備えている。このうちステージは、測定対象となる基板を高さ位置自在に載置する。また、段差測定部は、ステージ上に載置された基板表面に対して測定位置自在に当該基板の表面高さを測定する。さらに第１制御部は、表面段差分布を測定する測定領域とその周辺領域とを含む領域において表面段差のない平坦部における基板の表面高さを測定する第１の測定を行うように段差測定部での測定を制御する。そして第２制御部は、段差測定部とステージとを連動させて駆動する部分である。この第２制御部では、第１の測定の結果に基づいて測定領域に関して表面段差の影響を含まない第１の表面段差分布を得ると共に、当該第１の表面段差分布を取り除くように基板の高さ位置を調整しつつ、測定領域内の全面において基板の表面高さを測定するにように段差測定部とステージとを連動させて駆動する。
【発明の効果】
【００１６】
以上説明したように本発明の第１および第２の測定方法によれば、実際に測定した基板の表面高さに基づいて表面段差の影響を含まない（疑似段差成分からなる）第１の表面段差分布を得、表面段差の影響を含む第２の表面段差分布から第１の表面段差分布を取り除く様にしたことで、表面段差のみに起因する表面段差部分を、疑似段差成分から精度良好に分離することが可能になる。したがって、表面段差に起因する精度の高い表面段差分布を得ることが可能になる。
【００１７】
そして本発明の第１の測定装置によれば、上述した第１の測定方法を実行することが可能になる。また本発明の第２の測定装置によれば、上述した第２の測定方法を実行することが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
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。
【００１９】
尚、本実施形態では、一例として図１に示す構成の基板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、この基板１は、半導体基板２上にゲート電極が下地パターン３として設けられており、さらに下地パターン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。
【００２０】
このうち、下地パターン３は、半導体基板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。
【００２１】
以上のような構成の基板１の表面（すなわち平坦化膜４の表面であり基板表面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（すなわち表面段差）５が生じることが知られている。また通常、図２に示すように、基板１は、それ自体が「うねり」や「反り」等を有しており、基板の表面高さを測定する場合には、これらの「うねり」や「反り」等が疑似段差成分として測定値に影響を及ぼすことが知られている。そこで、本実施形態においては、基板１の「うねり」や「反り」等の疑似段差成分を除去し、基板表面Ａの表面段差５のみに起因する表面段差分布を得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。
【００２２】
＜表面段差測定方法−１＞
図３は、測定方法の実施形態の第１例を示すフローチャートであり、次にこの図の各工程Ｓ１〜Ｓ３の順に従って、その他の図を参照しつつ第１の測定方法を説明する。
【００２３】
先ず、第１工程Ｓ１では、表面段差を測定する基板の測定領域について、表面段差の影響を含まない第１の表面段差分布を得る。
【００２４】
ここで、図４（１）の平面図および図４（２）の拡大図に示すように、表面段差分布を測定する基板１には、複数のチップ領域６，６，…が設けられている。これらのチップ領域６，６，…は、基板１の表面に縦横に配置されたライン領域７で分離されている。このライン領域７は、いわゆるスクライブラインである。このため、このライン領域７には、下地パターン３が形成されておらず、平坦化膜４（図１参照）の下地は平坦部で構成され、したがって、このライン領域７における基板表面Ａも下地パターンの影響のない、すなわち表面段差のない平坦部となる。そして本実施形態においては、このようなライン領域７で分離された複数のチップ領域６，６，…のうちの１つを、表面段差分布の測定を行う測定領域６ａとする。
【００２５】
そして第１工程Ｓ１においては、この測定領域６ａについて、表面段差の影響を含まない第１の表面段差分布を得る。ここでは、例えばＡＦＭを用い、測定領域６ａに隣接して配置されたライン領域７において、測定位置をスキャニングさせながら基板１の表面高さを測定する。この際、図４（２）中の破線矢印の測定ライン９で示すように、測定領域６ａに沿った２方向に、測定領域６ａの端部間にわたって測定位置をスキャニングさせながら基板の表面高さを測定する。この測定は、いわゆる本測定前のプリスキャンとして行う。
【００２６】
以上のような表面高さの測定から得られた測定位置と、その測定位置での表面高さとから、測定領域６ａに関する第１の表面段差分布を得る。このようにして得た第１の表面段差分布は、図１を用いて説明した表面段差の影響を含まず、基板１の「うねり」や「反り」、さらには測定装置の測定誤差等の、疑似段差成分に起因するものとなる。ここで、図１を用いて説明した基板１の「うねり」や「反り」等の疑似段差成分は低周波である。このため、測定領域６ａに沿った２方向に、測定領域６ａの端部間にわたって測定位置をスキャニングして表面高さを得ることにより、低周波の疑似段差成分で構成される第１の表面段差分布が得られる。尚、このような第１の表面段差分布の測定は、ライン領域における基板の表面高さの測定に限定されることはなく、表面段差のない平坦部であれば測定領域６ａ内で行っても良い。ただし、精度の高い第１の表面段差分布を得るためには、測定領域６ａの端部間にわたる２方向に測定位置をスキャニングさせながら基板の表面高さを測定することが好ましい。また、このような第１の表面段差分布を得る測定機器の一例として用いられるＡＦＭ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。
【００２７】
次に、第２工程Ｓ２では、測定領域６ａについて、表面段差（すなわち上述したグローバル段差）の影響を含む第２の表面段差分布を得る。
【００２８】
この第２工程Ｓ２においては、例えばＡＦＭを用い、表面段差を有する測定領域６ａ内の全面において、測定位置を２次元にスキャニングさせながら基板の表面高さを測定する。そして、測定位置とその測定位置での表面高さとから、測定領域６ａに関して、表面段差の影響を含む第２の表面段差分布を得る。この際、第２の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。
【００２９】
尚、以上の第１工程Ｓ１と第２工程Ｓ２とは、逆の順に実行しても良い。
【００３０】
次に、以上の第１工程Ｓ１および第２工程Ｓ２が終了した後の第３工程Ｓ３では、第２の表面段差分布から第１の表面段差分布を取り除く処理を行う。ここでは、表面段差の影響を含む第２の表面段差分布から、表面段差の影響を含まない（疑似段差成分からなる）第１の表面段差分布を取り除くように、第２の表面段差分布を補正する。そして、この補正した表面段差分布を、測定領域における表面段差分布として得る。
【００３１】
以上説明した表面段差測定方法によれば、第１工程Ｓ１で、測定領域６ａに隣接して配置されたライン領域７、いわゆるスクライブラインであり表面段差が配置されない段差平坦部において実際に測定した基板の表面高さから、表面段差の影響を含まない第１の表面段差分布を得ている。このようにして得られた第１の表面段差分布には、表面段差の影響を含まないが、それ以外の段差成分、すなわち基板自体の「うねり」や「反り」、さらには測定装置における測定誤差の疑似段差成分、特に低周波の疑似段差成分を含んでいる。
【００３２】
そして、第３工程Ｓ３では、第２工程Ｓ２で得られた表面段差と共に疑似段差成分の影響を含む第２の表面段差分布から、第１工程Ｓ１で得られた疑似段差成分からなる第１の表面段差分布を取り除いている。このため、この第３工程Ｓ３で得られる基板の表面段差分布は、表面段差の影響のみによる表面段差分布となる。
【００３３】
したがって、上述した測定方法によれば、実際に測定した基板の表面高さに基づいて得られた疑似段差成分からなる第１の表面段差分布を、更に実際に測定した基板の表面高さに基づいて得られた表面段差の影響を含む第２の表面段差分布から取り除くことで表面段差の影響のみによる表面段差分布が得られることになる。これにより、表面段差のみに起因する表面段差部分を、疑似段差成分から精度良好に分離することが可能になる。したがって、表面段差に起因する精度の高い表面段差分布を得ることが可能になる。
【００３４】
そして、このように精度の高い表面段差分布を得ることが可能になるため、例えばＣＭＰのような平坦化加工技術の精度も向上し、良い開発循環が得られ半導体プロセス技術の向上を図ることも可能になる。また、半導体プロセス開発のスピードアップも可能になる。またこれにより、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って精度の高い半導体プロセスを確立することが必要不可欠となる。
【００３５】
＜表面段差測定方法−２＞
図５は、測定方法の実施形態の第２例を示すフローチャートであり、次にこの図の各工程Ｓ１’〜Ｓ２’の順に従って、その他の図を参照しつつ第２の測定方法を説明する。
【００３６】
先ず、第１工程Ｓ１’では、表面段差を測定する基板の測定領域について、表面段差の影響を含まない（疑似段差成分からなる）第１の表面段差分布を得る。この第１の表面段差分布の測定は、図３を用いて説明した測定方法の第１実施形態における第１工程Ｓ１と同様に行う。
【００３７】
次に第２工程Ｓ２’では、例えばＡＦＭを用い、測定領域６ａ内の全面において、測定位置を２次元にスキャニングさせながら基板の表面高さを測定する。この際、表面段差の影響を含まない（疑似段差成分からなる）第１の表面段差分布が取り除かれるように各測定位置において基板の高さ位置を調整しつつ、当該各測定位置における基板の表面高さを測定する。
【００３８】
例えば、第１の表面段差分布に基づく表面高さが基準高さよりも高い測定位置においては、表面高さが基準高さとなるように基板の高さ位置を下げ、これにより第１の表面段差分布を打ち消した状態として基板の表面高さを測定する。これに対して、第１の表面段差分布に基づく表面高さが基準高さよりも低い測定位置においては、表面高さが基準高さとなるように基板の高さ位置を上げ、これにより第１の表面段差分布を打ち消した状態として基板の表面高さを測定する。
【００３９】
そして、以上のような測定位置とその測定位置で測定された基板の表面高さとから、測定領域６ａに関して、表面段差の影響を含まない（疑似段差成分からなる）第１の表面段差分布が取り除かれた第２の表面段差分布、すなわち表面段差の影響のみに起因する基板の表面段差分布を得る。この際、第２の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。
【００４０】
以上のような第２の測定方法であっても、実際に測定した基板の表面高さに基づいて得られた表面段差の影響を含まない（疑似段差成分からなる）第１の表面段差分布を取り除くことで、疑似段差の影響のみによる表面段差分布が得られることから、第１の測定方法と同様に、表面段差に起因する精度の高い表面段差分布を得ることが可能になる。したがって、第１の測定方法と同様の効果を得ることができる。
【００４１】
尚、以上で説明した第１の測定方法および第２の測定方法においては、得られた基板の表面高さ分布を、さらに高速フーリエ変換処理することで、さらに誤差成分を取り除く工程を行っても良い。このような工程を行うことにほり、さらに高精度に表面段差のみに起因する表面段差分布を得ることが可能になる。
【００４２】
＜表面段差測定装置−１＞
図６は、測定装置の実施形態の第１例を示す構成図である。以下、この図６と先の図３のフローチャートに基づいて、第１の測定装置の構成を説明する。
【００４３】
この図に示す表面段差測定装置２０は、先に図３を用いて説明した第１の測定方法を実行するための装置であり、入力部２１、制御部２３、段差測定部２５、演算部２７、および出力部２９を備えている。
【００４４】
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、測定対象となる基板１における測定領域やこれを囲んで配置されるライン領域のアドレス等が入力される。
【００４５】
そして、制御部２３は、入力部２１から入力された情報に基づいて、上述した第１工程Ｓ１と第２工程Ｓ２の測定を行うように、段差測定部２５の駆動を制御する部分である。すなわち、この制御部２３では、入力部２１から入力された情報に基づいて、表面段差の影響を含まない第１の表面段差分布を得るための第１の測定（Ｓ１）と、表面段差の影響を含む第２の表面段差分布を得るための第２の測定（Ｓ２）とを行うように、段差測定部２５の駆動を制御する。
【００４６】
そして段差測定部２５は、上述した第１工程Ｓ１と第２工程Ｓ２の測定を実際に行う部分である。
【００４７】
この段差測定部２５は、例えばＡＦＭであり、図１に示した測定対象である基板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。
【００４８】
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基板１の基板表面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、基板表面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。
【００４９】
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、基板表面Ａにおいて探針３２をスキャンさせることで、基板表面Ａの高さ位置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。
【００５０】
各駆動部３１ａ，３７には、上述した制御部２３が接続されている。これにより、上述したような制御部２３での制御により、上述した第１工程Ｓ１と第２工程Ｓ２の測定が行われる構成となっている。
【００５１】
また演算部２７は、上述した段差測定部２５の駆動部３１ａ，３７および光学顕微鏡３５に接続されており、駆動部３１ａ，３７から得られる測定位置と、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から、上述した第３工程Ｓ３を行う部分である。すなわち、この演算部２７では、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に基づいて、第２の表面段差分布から第１の表面段差分布を取り除く処理を行い、これによって基板１の処理領域６ａにおける表面段差分布を得る演算処理を行う。
【００５２】
そして、出力部２９は、演算部２７での演算処理によって得られた基板１の処理領域６ａにおける表面段差分布を出力する。
【００５３】
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２５に対して、さらに上述した第１工程Ｓ１〜第２工程Ｓ３を実行するための制御部２３および演算部２７を設けた構成となっている。したがって、上述したように、表面段差以外の疑似段差成分を精度良好に除去し、表面段差のみに依存した高精度な基板の表面段差分布を得ることが可能な第１の測定方法を実行することが可能である。
【００５４】
＜表面段差測定装置−２＞
図７は、測定装置の実施形態の第２例を示す構成図である。以下、この図７と先の図５のフローチャートに基づいて、第２の測定装置の構成を説明する。
【００５５】
この図に示す表面段差測定装置２０’は、先に図５を用いて説明した第２の測定方法を実行するための装置である。この表面段差測定装置２０’が、先の図６で示した表面段差測定装置２０と異なるところは、制御部２３’、段差測定部２５におけるステージ３１’、および演算部２７’の構成にある。
【００５６】
すなわち制御部２３’は、入力部２１から入力された情報に基づいて、上述した第１工程Ｓ１’の測定を行うように、段差測定部２５の駆動を制御する部分である。すなわち、この制御部２３’は、入力部２１から入力された情報に基づいて、表面段差の影響を含まない第１の表面段差分布を得るための第１の測定を行うように、段差測定部２５の駆動を制御する第１制御部となる。
【００５７】
また、段差測定部２５のステージ３１’は、水平面内においてＸ−Ｙ方向に駆動自在であると共に、高さ方向（Ｚ方向）にも駆動自在であり、測定対象となる基板を高さ位置自在に載置する。
【００５８】
このようなステージ３１’は、例えば図８に示すように、ステージ３１’の本体を高さ方向（Ｚ方向）に自在に駆動する駆動手段４１を備えた構成を例示できる。この駆動手段４１は、制御部２３’によってその駆動状態が制御される。また、この駆動手段４１は、ステージ３１’の本体における基板１の保持面を所定の角度に傾ける機能を有していても良い。
【００５９】
また、ステージ３１’の他の例としては、図９に示すように、ステージ３１’の本体における基板１の載置面に対して突出自在な複数のピン４３を設けたものであっても良い。これらのピン４３は、ステージ３１’の載置面上に載置された基板１を安定的に保持した状態で高さ方向（Ｚ方向）に突出自在であり、制御部２３’によってその駆動状態が制御される。
【００６０】
そして、本第２の測定装置における演算部２７’は、上述した段差測定部２５の駆動部３１ａ，３７および光学顕微鏡３５に接続されており、上述した第１工程Ｓ１’での測定において駆動部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から、上述した第２工程Ｓ２’の測定が行われるように、段差測定部２５の駆動制御手順を演算処理によって算出する部分である。
【００６１】
尚、この演算部２７’での演算処理によって算出された駆動制御手順は、先の制御部２３’に送られ、この制御部２３’からの指示により、上述した第２工程Ｓ２’の測定を行うようにステージ３１’を含む段差測定部２５の駆動が制御される。このような構成では、演算部２７’と制御部２３’とが、第２の表面段差分布を得るための第２の測定を行うように段差測定部２５の駆動を制御する第２制御部となる。
【００６２】
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２５に対して、さらに上述した第１工程Ｓ１’〜第２工程Ｓ２’を実行するための制御部２３’および演算部２７’、さらにはこれらによって高さ方向（Ｚ方向）に自在に駆動されるステージ３１’を設けた構成となっている。したがって、上述したように、表面段差以外の疑似段差星群を精度良好に除去し、表面段差のみに起因した高精度な基板の表面段差分布を得ることが可能な第２の測定方法を実行することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】表面段差を測定する基板の一構成例を示す断面図である。
【図２】表面段差を測定する基板の状態を示す断面図である。
【図３】第１の測定方法を示すフローチャートである。
【図４】測定領域および表面段差分布の測定を説明する平面図である。
【図５】第２の測定方法を示すフローチャートである。
【図６】第１の測定装置の構成を示す概略構成図である。
【図７】第２の測定装置の構成を示す概略構成図である。
【図８】第２の測定装置におけるステージの構成例１を示す図である。
【図９】第２の測定装置におけるステージの構成例２を示す図である。
【符号の説明】
【００６４】
１…基板、６…チップ領域、６ａ…測定領域、７…ライン領域（平坦部）、２０，２０’…表面段差測定装置、２３，２３’…制御部、２５…段差測定部、２７，２７’…演算部、３１’…ステージ
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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）。
【０００４】
ところで、上述のＡＦＭを用いた表面段差分布の測定値には、基板自体の「うねり」や「反り」、さらには測定装置の機械的精度などによる測定誤差が含まれることが知られている。このため、ＡＦＭによって表面段差分布を測定した後には、測定値を高速フーリエ変換処理することにより、基板自体の「うねり」や「反り」に起因する低周波の段差成分を測定値から除去する処理を行っている。
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−５３６５９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
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。例えば、ゲート電極形成後に行われる層間絶縁膜のＣＭＰによる平坦化工程では、チップ内の凹凸段差を２０ｎｍ以下に加工しなければならない。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、チップ内の凹凸段差をさらに小さく抑える必要がある。しかしながら、上述したＡＦＭによる表面段差分布をフーリエ変換処理する処理方法では、基板自体の「うねり」や「反り」、さらには測定装置の機械的精度などによる測定誤差を、精度良好に取り除くことはできなかった。
【０００７】
そこで本発明は、基板自体のうねりや反り、さらには機械的な精度等による測定誤差成分を精度良好に除去し、さらに高精度な表面段差分布を得ることが可能な表面段差測定方法および表面段差測定装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
このような目的を達成するための本発明は、表面段差を有する基板において当該表面段差に起因する当該基板の表面段差分布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。
【０００９】
そして、本発明の第１の測定方法は、次の手順で行うことを特徴としている。先ず第１工程では、表面段差分布を測定する測定領域とその周辺領域とを含む領域において前記表面段差のない平坦部における基板の表面高さを測定することにより、当該測定領域に関して当該表面段差の影響を含まない第１の表面段差分布を得る。また、第２工程では、測定領域内の全面において基板の表面高さを測定することにより、当該測定領域に関して前記表面段差の影響を含む第２の表面段差分布を測定する。以上の第１工程および第２工程の後の第３工程では、第２の表面段差分布から前記第１の表面段差分布を取り除くことにより、測定領域における基板の表面段差分布を得る。
【００１０】
このような第１の測定方法では、その第１工程で、測定領域とその周辺領域とを含む領域の平坦部において実際に測定した基板の表面高さから、表面段差の影響を含まない第１の表面段差分布を得ている。そして、第３工程では、第２工程で得られた表面段差の影響を含む第２の表面段差分布から、第１工程で得られた表面段差の影響を含まない第１の表面段差分布を取り除いている。このため、この第３工程で得られる基板の表面段差分布は、表面段差の影響のみによる表面段差分布となる。
【００１１】
つまり、表面段差分布の測定を行う基板は、基板表面に存在する凹凸形状の表面段差以外に、基板自体の「うねり」や「反り」等、表面段差分布の測定に影響を及ぼす疑似段差成分を有している場合がある。また測定装置にも、表面段差分布に影響を及ぼすような測定誤差等の疑似段差成分を有している場合がある。このような場合、測定領域において測定された表面段差分布（すなわち第２の表面段差分布）には、表面段差に加えて疑似段差成分が含まれることになる。このため、上述した第１の測定方法のように、測定領域について測定された表面段差の影響を含む第２の表面段差分布から、表面段差の影響を含まない第１の表面段差分布、すなわち疑似段差成分からなる第１の表面段差分布を取り除くことにより、表面段差のみに起因する表面段差分布が得られるのである。
【００１２】
また、本発明の第２の測定方法は、次の手順で行うことを特徴としている。先ず第１工程では、第１の製造方法と同様に行い測定領域に関して当該表面段差の影響を含まない第１の表面段差分布を得る。そして次の第２工程では、第１の表面段差分布が取り除かれるように基板の高さ位置を調整しつつ、測定領域内の全面において基板の表面高さを測定することにより、表面段差に起因する当該基板の表面段差分布を第２の表面段差分布として得る。
【００１３】
このような第２の測定方法では、第１の測定方法と同様に、その第１工程において実際に測定した表面高さから表面段差の影響を含まない、すなわち疑似段差成分からなる第１の表面段差分布を得ている。そして、第２工程においては、このような表面段差の影響を含まない第１の表面段差分布を除去するように基板の表面高さを調整しつつ、測定領域内における基板の表面高さが測定される。つまり、この第２工程では、第１の測定方法での説明したような疑似段差成分からなる第１の表面段差分布を取り除くように、測定領域内における基板の表面高さが測定される。このため、の第２工程で得られる基板の表面段差分布は、第１の方法と同様に、表面段差のみに起因する表面段差分布となる。
【００１４】
そして本発明の第１の測定装置は、上述した第１の差測定方法を実行するための装置であり、段差測定部、制御部、および演算部を備えている。このうち、段差測定部は、基板表面における測定位置自在に当該基板の表面高さを測定する部分である。また、制御部は、段差測定部での測定を制御する部分である。この制御部では、表面段差分布を測定する測定領域とその周辺領域とを含む領域において表面段差のない平坦部における前記基板の表面高さを測定する第１の測定と、測定領域内の全面において基板の表面高さを測定する第２の測定とを行うように、段差測定部での測定を制御する。さらに演算部は、段差測定部で測定された結果に基づいて、測定領域における前記基板の表面段差分布を得る部分である。この演算部では、段差測定部での第１の測定の結果に基づいて測定領域に関して表面段差の影響を含まない第１の表面段差分布を得、段差測定部での第２の測定の結果に基づいて測定領域に関して表面段差の影響を含む第２の表面段差分布を得ると共に、当該第２の表面段差分布から第１の表面段差分布を取り除くことにより測定領域における基板の表面段差分布を得る。
【００１５】
また本発明の第２の測定装置は、上述した第２の測定方法を実行するための装置であり、ステージ、段差測定部、第１制御部、および第２制御部を備えている。このうちステージは、測定対象となる基板を高さ位置自在に載置する。また、段差測定部は、ステージ上に載置された基板表面に対して測定位置自在に当該基板の表面高さを測定する。さらに第１制御部は、表面段差分布を測定する測定領域とその周辺領域とを含む領域において表面段差のない平坦部における基板の表面高さを測定する第１の測定を行うように段差測定部での測定を制御する。そして第２制御部は、段差測定部とステージとを連動させて駆動する部分である。この第２制御部では、第１の測定の結果に基づいて測定領域に関して表面段差の影響を含まない第１の表面段差分布を得ると共に、当該第１の表面段差分布を取り除くように基板の高さ位置を調整しつつ、測定領域内の全面において基板の表面高さを測定するにように段差測定部とステージとを連動させて駆動する。
【発明の効果】
【００１６】
以上説明したように本発明の第１および第２の測定方法によれば、実際に測定した基板の表面高さに基づいて表面段差の影響を含まない（疑似段差成分からなる）第１の表面段差分布を得、表面段差の影響を含む第２の表面段差分布から第１の表面段差分布を取り除く様にしたことで、表面段差のみに起因する表面段差部分を、疑似段差成分から精度良好に分離することが可能になる。したがって、表面段差に起因する精度の高い表面段差分布を得ることが可能になる。
【００１７】
そして本発明の第１の測定装置によれば、上述した第１の測定方法を実行することが可能になる。また本発明の第２の測定装置によれば、上述した第２の測定方法を実行することが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
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。
【００１９】
尚、本実施形態では、一例として図１に示す構成の基板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、この基板１は、半導体基板２上にゲート電極が下地パターン３として設けられており、さらに下地パターン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。
【００２０】
このうち、下地パターン３は、半導体基板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。
【００２１】
以上のような構成の基板１の表面（すなわち平坦化膜４の表面であり基板表面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（すなわち表面段差）５が生じることが知られている。また通常、図２に示すように、基板１は、それ自体が「うねり」や「反り」等を有しており、基板の表面高さを測定する場合には、これらの「うねり」や「反り」等が疑似段差成分として測定値に影響を及ぼすことが知られている。そこで、本実施形態においては、基板１の「うねり」や「反り」等の疑似段差成分を除去し、基板表面Ａの表面段差５のみに起因する表面段差分布を得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。
【００２２】
＜表面段差測定方法−１＞
図３は、測定方法の実施形態の第１例を示すフローチャートであり、次にこの図の各工程Ｓ１〜Ｓ３の順に従って、その他の図を参照しつつ第１の測定方法を説明する。
【００２３】
先ず、第１工程Ｓ１では、表面段差を測定する基板の測定領域について、表面段差の影響を含まない第１の表面段差分布を得る。
【００２４】
ここで、図４（１）の平面図および図４（２）の拡大図に示すように、表面段差分布を測定する基板１には、複数のチップ領域６，６，…が設けられている。これらのチップ領域６，６，…は、基板１の表面に縦横に配置されたライン領域７で分離されている。このライン領域７は、いわゆるスクライブラインである。このため、このライン領域７には、下地パターン３が形成されておらず、平坦化膜４（図１参照）の下地は平坦部で構成され、したがって、このライン領域７における基板表面Ａも下地パターンの影響のない、すなわち表面段差のない平坦部となる。そして本実施形態においては、このようなライン領域７で分離された複数のチップ領域６，６，…のうちの１つを、表面段差分布の測定を行う測定領域６ａとする。
【００２５】
そして第１工程Ｓ１においては、この測定領域６ａについて、表面段差の影響を含まない第１の表面段差分布を得る。ここでは、例えばＡＦＭを用い、測定領域６ａに隣接して配置されたライン領域７において、測定位置をスキャニングさせながら基板１の表面高さを測定する。この際、図４（２）中の破線矢印の測定ライン９で示すように、測定領域６ａに沿った２方向に、測定領域６ａの端部間にわたって測定位置をスキャニングさせながら基板の表面高さを測定する。この測定は、いわゆる本測定前のプリスキャンとして行う。
【００２６】
以上のような表面高さの測定から得られた測定位置と、その測定位置での表面高さとから、測定領域６ａに関する第１の表面段差分布を得る。このようにして得た第１の表面段差分布は、図１を用いて説明した表面段差の影響を含まず、基板１の「うねり」や「反り」、さらには測定装置の測定誤差等の、疑似段差成分に起因するものとなる。ここで、図１を用いて説明した基板１の「うねり」や「反り」等の疑似段差成分は低周波である。このため、測定領域６ａに沿った２方向に、測定領域６ａの端部間にわたって測定位置をスキャニングして表面高さを得ることにより、低周波の疑似段差成分で構成される第１の表面段差分布が得られる。尚、このような第１の表面段差分布の測定は、ライン領域における基板の表面高さの測定に限定されることはなく、表面段差のない平坦部であれば測定領域６ａ内で行っても良い。ただし、精度の高い第１の表面段差分布を得るためには、測定領域６ａの端部間にわたる２方向に測定位置をスキャニングさせながら基板の表面高さを測定することが好ましい。また、このような第１の表面段差分布を得る測定機器の一例として用いられるＡＦＭ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。
【００２７】
次に、第２工程Ｓ２では、測定領域６ａについて、表面段差（すなわち上述したグローバル段差）の影響を含む第２の表面段差分布を得る。
【００２８】
この第２工程Ｓ２においては、例えばＡＦＭを用い、表面段差を有する測定領域６ａ内の全面において、測定位置を２次元にスキャニングさせながら基板の表面高さを測定する。そして、測定位置とその測定位置での表面高さとから、測定領域６ａに関して、表面段差の影響を含む第２の表面段差分布を得る。この際、第２の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。
【００２９】
尚、以上の第１工程Ｓ１と第２工程Ｓ２とは、逆の順に実行しても良い。
【００３０】
次に、以上の第１工程Ｓ１および第２工程Ｓ２が終了した後の第３工程Ｓ３では、第２の表面段差分布から第１の表面段差分布を取り除く処理を行う。ここでは、表面段差の影響を含む第２の表面段差分布から、表面段差の影響を含まない（疑似段差成分からなる）第１の表面段差分布を取り除くように、第２の表面段差分布を補正する。そして、この補正した表面段差分布を、測定領域における表面段差分布として得る。
【００３１】
以上説明した表面段差測定方法によれば、第１工程Ｓ１で、測定領域６ａに隣接して配置されたライン領域７、いわゆるスクライブラインであり表面段差が配置されない段差平坦部において実際に測定した基板の表面高さから、表面段差の影響を含まない第１の表面段差分布を得ている。このようにして得られた第１の表面段差分布には、表面段差の影響を含まないが、それ以外の段差成分、すなわち基板自体の「うねり」や「反り」、さらには測定装置における測定誤差の疑似段差成分、特に低周波の疑似段差成分を含んでいる。
【００３２】
そして、第３工程Ｓ３では、第２工程Ｓ２で得られた表面段差と共に疑似段差成分の影響を含む第２の表面段差分布から、第１工程Ｓ１で得られた疑似段差成分からなる第１の表面段差分布を取り除いている。このため、この第３工程Ｓ３で得られる基板の表面段差分布は、表面段差の影響のみによる表面段差分布となる。
【００３３】
したがって、上述した測定方法によれば、実際に測定した基板の表面高さに基づいて得られた疑似段差成分からなる第１の表面段差分布を、更に実際に測定した基板の表面高さに基づいて得られた表面段差の影響を含む第２の表面段差分布から取り除くことで表面段差の影響のみによる表面段差分布が得られることになる。これにより、表面段差のみに起因する表面段差部分を、疑似段差成分から精度良好に分離することが可能になる。したがって、表面段差に起因する精度の高い表面段差分布を得ることが可能になる。
【００３４】
そして、このように精度の高い表面段差分布を得ることが可能になるため、例えばＣＭＰのような平坦化加工技術の精度も向上し、良い開発循環が得られ半導体プロセス技術の向上を図ることも可能になる。また、半導体プロセス開発のスピードアップも可能になる。またこれにより、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って精度の高い半導体プロセスを確立することが必要不可欠となる。
【００３５】
＜表面段差測定方法−２＞
図５は、測定方法の実施形態の第２例を示すフローチャートであり、次にこの図の各工程Ｓ１’〜Ｓ２’の順に従って、その他の図を参照しつつ第２の測定方法を説明する。
【００３６】
先ず、第１工程Ｓ１’では、表面段差を測定する基板の測定領域について、表面段差の影響を含まない（疑似段差成分からなる）第１の表面段差分布を得る。この第１の表面段差分布の測定は、図３を用いて説明した測定方法の第１実施形態における第１工程Ｓ１と同様に行う。
【００３７】
次に第２工程Ｓ２’では、例えばＡＦＭを用い、測定領域６ａ内の全面において、測定位置を２次元にスキャニングさせながら基板の表面高さを測定する。この際、表面段差の影響を含まない（疑似段差成分からなる）第１の表面段差分布が取り除かれるように各測定位置において基板の高さ位置を調整しつつ、当該各測定位置における基板の表面高さを測定する。
【００３８】
例えば、第１の表面段差分布に基づく表面高さが基準高さよりも高い測定位置においては、表面高さが基準高さとなるように基板の高さ位置を下げ、これにより第１の表面段差分布を打ち消した状態として基板の表面高さを測定する。これに対して、第１の表面段差分布に基づく表面高さが基準高さよりも低い測定位置においては、表面高さが基準高さとなるように基板の高さ位置を上げ、これにより第１の表面段差分布を打ち消した状態として基板の表面高さを測定する。
【００３９】
そして、以上のような測定位置とその測定位置で測定された基板の表面高さとから、測定領域６ａに関して、表面段差の影響を含まない（疑似段差成分からなる）第１の表面段差分布が取り除かれた第２の表面段差分布、すなわち表面段差の影響のみに起因する基板の表面段差分布を得る。この際、第２の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。
【００４０】
以上のような第２の測定方法であっても、実際に測定した基板の表面高さに基づいて得られた表面段差の影響を含まない（疑似段差成分からなる）第１の表面段差分布を取り除くことで、疑似段差の影響のみによる表面段差分布が得られることから、第１の測定方法と同様に、表面段差に起因する精度の高い表面段差分布を得ることが可能になる。したがって、第１の測定方法と同様の効果を得ることができる。
【００４１】
尚、以上で説明した第１の測定方法および第２の測定方法においては、得られた基板の表面高さ分布を、さらに高速フーリエ変換処理することで、さらに誤差成分を取り除く工程を行っても良い。このような工程を行うことにほり、さらに高精度に表面段差のみに起因する表面段差分布を得ることが可能になる。
【００４２】
＜表面段差測定装置−１＞
図６は、測定装置の実施形態の第１例を示す構成図である。以下、この図６と先の図３のフローチャートに基づいて、第１の測定装置の構成を説明する。
【００４３】
この図に示す表面段差測定装置２０は、先に図３を用いて説明した第１の測定方法を実行するための装置であり、入力部２１、制御部２３、段差測定部２５、演算部２７、および出力部２９を備えている。
【００４４】
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、測定対象となる基板１における測定領域やこれを囲んで配置されるライン領域のアドレス等が入力される。
【００４５】
そして、制御部２３は、入力部２１から入力された情報に基づいて、上述した第１工程Ｓ１と第２工程Ｓ２の測定を行うように、段差測定部２５の駆動を制御する部分である。すなわち、この制御部２３では、入力部２１から入力された情報に基づいて、表面段差の影響を含まない第１の表面段差分布を得るための第１の測定（Ｓ１）と、表面段差の影響を含む第２の表面段差分布を得るための第２の測定（Ｓ２）とを行うように、段差測定部２５の駆動を制御する。
【００４６】
そして段差測定部２５は、上述した第１工程Ｓ１と第２工程Ｓ２の測定を実際に行う部分である。
【００４７】
この段差測定部２５は、例えばＡＦＭであり、図１に示した測定対象である基板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。
【００４８】
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基板１の基板表面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、基板表面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。
【００４９】
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、基板表面Ａにおいて探針３２をスキャンさせることで、基板表面Ａの高さ位置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。
【００５０】
各駆動部３１ａ，３７には、上述した制御部２３が接続されている。これにより、上述したような制御部２３での制御により、上述した第１工程Ｓ１と第２工程Ｓ２の測定が行われる構成となっている。
【００５１】
また演算部２７は、上述した段差測定部２５の駆動部３１ａ，３７および光学顕微鏡３５に接続されており、駆動部３１ａ，３７から得られる測定位置と、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から、上述した第３工程Ｓ３を行う部分である。すなわち、この演算部２７では、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に基づいて、第２の表面段差分布から第１の表面段差分布を取り除く処理を行い、これによって基板１の処理領域６ａにおける表面段差分布を得る演算処理を行う。
【００５２】
そして、出力部２９は、演算部２７での演算処理によって得られた基板１の処理領域６ａにおける表面段差分布を出力する。
【００５３】
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２５に対して、さらに上述した第１工程Ｓ１〜第２工程Ｓ３を実行するための制御部２３および演算部２７を設けた構成となっている。したがって、上述したように、表面段差以外の疑似段差成分を精度良好に除去し、表面段差のみに依存した高精度な基板の表面段差分布を得ることが可能な第１の測定方法を実行することが可能である。
【００５４】
＜表面段差測定装置−２＞
図７は、測定装置の実施形態の第２例を示す構成図である。以下、この図７と先の図５のフローチャートに基づいて、第２の測定装置の構成を説明する。
【００５５】
この図に示す表面段差測定装置２０’は、先に図５を用いて説明した第２の測定方法を実行するための装置である。この表面段差測定装置２０’が、先の図６で示した表面段差測定装置２０と異なるところは、制御部２３’、段差測定部２５におけるステージ３１’、および演算部２７’の構成にある。
【００５６】
すなわち制御部２３’は、入力部２１から入力された情報に基づいて、上述した第１工程Ｓ１’の測定を行うように、段差測定部２５の駆動を制御する部分である。すなわち、この制御部２３’は、入力部２１から入力された情報に基づいて、表面段差の影響を含まない第１の表面段差分布を得るための第１の測定を行うように、段差測定部２５の駆動を制御する第１制御部となる。
【００５７】
また、段差測定部２５のステージ３１’は、水平面内においてＸ−Ｙ方向に駆動自在であると共に、高さ方向（Ｚ方向）にも駆動自在であり、測定対象となる基板を高さ位置自在に載置する。
【００５８】
このようなステージ３１’は、例えば図８に示すように、ステージ３１’の本体を高さ方向（Ｚ方向）に自在に駆動する駆動手段４１を備えた構成を例示できる。この駆動手段４１は、制御部２３’によってその駆動状態が制御される。また、この駆動手段４１は、ステージ３１’の本体における基板１の保持面を所定の角度に傾ける機能を有していても良い。
【００５９】
また、ステージ３１’の他の例としては、図９に示すように、ステージ３１’の本体における基板１の載置面に対して突出自在な複数のピン４３を設けたものであっても良い。これらのピン４３は、ステージ３１’の載置面上に載置された基板１を安定的に保持した状態で高さ方向（Ｚ方向）に突出自在であり、制御部２３’によってその駆動状態が制御される。
【００６０】
そして、本第２の測定装置における演算部２７’は、上述した段差測定部２５の駆動部３１ａ，３７および光学顕微鏡３５に接続されており、上述した第１工程Ｓ１’での測定において駆動部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から、上述した第２工程Ｓ２’の測定が行われるように、段差測定部２５の駆動制御手順を演算処理によって算出する部分である。
【００６１】
尚、この演算部２７’での演算処理によって算出された駆動制御手順は、先の制御部２３’に送られ、この制御部２３’からの指示により、上述した第２工程Ｓ２’の測定を行うようにステージ３１’を含む段差測定部２５の駆動が制御される。このような構成では、演算部２７’と制御部２３’とが、第２の表面段差分布を得るための第２の測定を行うように段差測定部２５の駆動を制御する第２制御部となる。
【００６２】
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２５に対して、さらに上述した第１工程Ｓ１’〜第２工程Ｓ２’を実行するための制御部２３’および演算部２７’、さらにはこれらによって高さ方向（Ｚ方向）に自在に駆動されるステージ３１’を設けた構成となっている。したがって、上述したように、表面段差以外の疑似段差星群を精度良好に除去し、表面段差のみに起因した高精度な基板の表面段差分布を得ることが可能な第２の測定方法を実行することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】表面段差を測定する基板の一構成例を示す断面図である。
【図２】表面段差を測定する基板の状態を示す断面図である。
【図３】第１の測定方法を示すフローチャートである。
【図４】測定領域および表面段差分布の測定を説明する平面図である。
【図５】第２の測定方法を示すフローチャートである。
【図６】第１の測定装置の構成を示す概略構成図である。
【図７】第２の測定装置の構成を示す概略構成図である。
【図８】第２の測定装置におけるステージの構成例１を示す図である。
【図９】第２の測定装置におけるステージの構成例２を示す図である。
【符号の説明】
【００６４】
１…基板、６…チップ領域、６ａ…測定領域、７…ライン領域（平坦部）、２０，２０’…表面段差測定装置、２３，２３’…制御部、２５…段差測定部、２７，２７’…演算部、３１’…ステージ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板の表面段差分布を測定する表面段差測定方法であって、
表面段差分布を測定する測定領域とその周辺領域とを含む領域において表面段差のない平坦部における前記基板の表面高さを測定することにより、当該測定領域に関して当該表面段差の影響を含まない第１の表面段差分布を得る第１工程と、
前記測定領域内の全面において前記基板の表面高さを測定することにより、当該測定領域に関して前記表面段差の影響を含む第２の表面段差分布を測定する第２工程と、
前記第２の表面段差分布から前記第１の表面段差分布を取り除くことにより、前記測定領域における前記基板の表面段差分布を得る第３工程とを行う
ことを特徴とする表面段差測定方法。
【請求項２】
請求項１記載の表面段差測定方法において、
前記基板には、前記表面段差のない平坦部からなるライン領域で分離された複数のチップ領域が設けられており、
前記第１工程では、前記測定領域に隣接して配置された前記ライン領域において、当該測定領域にそって前記第１の表面段差分布を得るための表面高さの測定を行う
ことを特徴とする表面段差測定方法。
【請求項３】
請求項１記載の表面段差測定方法において、
前記第１工程では、少なくとも２方向に測定位置をスキャニングさせながら前記第１の表面段差分布を得るための表面高さの測定を行う
ことを特徴とする表面段差測定方法。
【請求項４】
請求項１記載の表面段差測定方法において、
前記第１工程では、前記測定領域の端部間に渡って測定位置をスキャニングさせながら前記第１の表面段差分布を得るための表面高さの測定を行う
ことを特徴とする表面段差測定方法。
【請求項５】
基板の表面段差分布を測定する表面段差測定方法であって、
表面段差分布を測定する測定領域とその周辺領域とを含む領域において表面段差のない平坦部における前記基板の表面高さを測定することにより、当該測定領域に関して当該表面段差の影響を含まない第１の表面段差分布を得る第１工程と、
前記第１の表面段差分布が取り除かれるように前記基板の高さ位置を調整しつつ、前記測定領域内の全面において基板の表面高さを測定することにより、前記表面段差に起因する当該基板の表面段差分布を第２の表面段差分布として得る第２工程とを行う
ことを特徴とする表面段差測定方法。
【請求項６】
請求項５記載の表面段差測定方法において、
前記基板には、前記表面段差のない平坦部からなるライン領域で分離された複数のチップ領域が設けられており、
前記第１工程では、前記測定領域に隣接して配置された前記ライン領域において、当該測定領域にそって前記第１の表面段差分布を得るための表面高さの測定を行う
ことを特徴とする表面段差測定方法。
【請求項７】
請求項５記載の表面段差測定方法において、
前記第１工程では、少なくとも２方向に測定位置をスキャニングさせながら前記第１の表面段差分布を得るための表面高さの測定を行う
ことを特徴とする表面段差測定方法。
【請求項８】
請求項５記載の表面段差測定方法において、
前記第１工程では、前記測定領域の端部間に渡って測定位置をスキャニングさせながら前記第１の表面段差分布を得るための表面高さの測定を行う
ことを特徴とする表面段差測定方法。
【請求項９】
基板の表面段差分布を測定する表面段差測定装置であって、
基板表面における測定位置自在に当該基板の表面高さを測定する段差測定部と、
表面段差分布を測定する測定領域とその周辺領域とを含む領域において前記表面段差のない平坦部における前記基板の表面高さを測定する第１の測定と、当該測定領域内の全面において前記基板の表面高さを測定する第２の測定とを行うように、前記段差測定部での測定を制御する制御部と、
前記第１の測定の結果に基づいて前記測定領域に関して前記表面段差の影響を含まない第１の表面段差分布を得、前記第２の測定の結果に基づいて前記測定領域に関して前記表面段差の影響を含む第２の表面段差分布を得ると共に、当該第２の表面段差分布から第１の表面段差分布を取り除くことにより前記測定領域における前記基板の表面段差分布を得る演算部とを備えた
ことを特徴とする表面段差測定装置。
【請求項１０】
基板の表面段差分布を測定する表面段差測定装置であって、
測定対象となる基板を高さ位置自在に載置するステージと、
前記ステージ上に載置された基板の表面に対して測定位置自在に当該基板の表面高さを測定する段差測定部と、
表面段差分布を測定する測定領域とその周辺領域とを含む領域において前記表面段差のない平坦部における前記基板の表面高さを測定する第１の測定を行うように前記段差測定部での測定を制御する第１制御部と、
前記第１の測定の結果に基づいて前記測定領域に関して前記表面段差の影響を含まない第１の表面段差分布を得ると共に、当該第１の表面段差分布を取り除くように前記基板の高さ位置を調整しつつ、前記測定領域内の全面において基板の表面高さを測定するにように前記段差測定部と前記ステージとを連動させて駆動する第２制御部とを備えた
ことを特徴とする表面段差測定装置。
【請求項１】
基板の表面段差分布を測定する表面段差測定方法であって、
表面段差分布を測定する測定領域とその周辺領域とを含む領域において表面段差のない平坦部における前記基板の表面高さを測定することにより、当該測定領域に関して当該表面段差の影響を含まない第１の表面段差分布を得る第１工程と、
前記測定領域内の全面において前記基板の表面高さを測定することにより、当該測定領域に関して前記表面段差の影響を含む第２の表面段差分布を測定する第２工程と、
前記第２の表面段差分布から前記第１の表面段差分布を取り除くことにより、前記測定領域における前記基板の表面段差分布を得る第３工程とを行う
ことを特徴とする表面段差測定方法。
【請求項２】
請求項１記載の表面段差測定方法において、
前記基板には、前記表面段差のない平坦部からなるライン領域で分離された複数のチップ領域が設けられており、
前記第１工程では、前記測定領域に隣接して配置された前記ライン領域において、当該測定領域にそって前記第１の表面段差分布を得るための表面高さの測定を行う
ことを特徴とする表面段差測定方法。
【請求項３】
請求項１記載の表面段差測定方法において、
前記第１工程では、少なくとも２方向に測定位置をスキャニングさせながら前記第１の表面段差分布を得るための表面高さの測定を行う
ことを特徴とする表面段差測定方法。
【請求項４】
請求項１記載の表面段差測定方法において、
前記第１工程では、前記測定領域の端部間に渡って測定位置をスキャニングさせながら前記第１の表面段差分布を得るための表面高さの測定を行う
ことを特徴とする表面段差測定方法。
【請求項５】
基板の表面段差分布を測定する表面段差測定方法であって、
表面段差分布を測定する測定領域とその周辺領域とを含む領域において表面段差のない平坦部における前記基板の表面高さを測定することにより、当該測定領域に関して当該表面段差の影響を含まない第１の表面段差分布を得る第１工程と、
前記第１の表面段差分布が取り除かれるように前記基板の高さ位置を調整しつつ、前記測定領域内の全面において基板の表面高さを測定することにより、前記表面段差に起因する当該基板の表面段差分布を第２の表面段差分布として得る第２工程とを行う
ことを特徴とする表面段差測定方法。
【請求項６】
請求項５記載の表面段差測定方法において、
前記基板には、前記表面段差のない平坦部からなるライン領域で分離された複数のチップ領域が設けられており、
前記第１工程では、前記測定領域に隣接して配置された前記ライン領域において、当該測定領域にそって前記第１の表面段差分布を得るための表面高さの測定を行う
ことを特徴とする表面段差測定方法。
【請求項７】
請求項５記載の表面段差測定方法において、
前記第１工程では、少なくとも２方向に測定位置をスキャニングさせながら前記第１の表面段差分布を得るための表面高さの測定を行う
ことを特徴とする表面段差測定方法。
【請求項８】
請求項５記載の表面段差測定方法において、
前記第１工程では、前記測定領域の端部間に渡って測定位置をスキャニングさせながら前記第１の表面段差分布を得るための表面高さの測定を行う
ことを特徴とする表面段差測定方法。
【請求項９】
基板の表面段差分布を測定する表面段差測定装置であって、
基板表面における測定位置自在に当該基板の表面高さを測定する段差測定部と、
表面段差分布を測定する測定領域とその周辺領域とを含む領域において前記表面段差のない平坦部における前記基板の表面高さを測定する第１の測定と、当該測定領域内の全面において前記基板の表面高さを測定する第２の測定とを行うように、前記段差測定部での測定を制御する制御部と、
前記第１の測定の結果に基づいて前記測定領域に関して前記表面段差の影響を含まない第１の表面段差分布を得、前記第２の測定の結果に基づいて前記測定領域に関して前記表面段差の影響を含む第２の表面段差分布を得ると共に、当該第２の表面段差分布から第１の表面段差分布を取り除くことにより前記測定領域における前記基板の表面段差分布を得る演算部とを備えた
ことを特徴とする表面段差測定装置。
【請求項１０】
基板の表面段差分布を測定する表面段差測定装置であって、
測定対象となる基板を高さ位置自在に載置するステージと、
前記ステージ上に載置された基板の表面に対して測定位置自在に当該基板の表面高さを測定する段差測定部と、
表面段差分布を測定する測定領域とその周辺領域とを含む領域において前記表面段差のない平坦部における前記基板の表面高さを測定する第１の測定を行うように前記段差測定部での測定を制御する第１制御部と、
前記第１の測定の結果に基づいて前記測定領域に関して前記表面段差の影響を含まない第１の表面段差分布を得ると共に、当該第１の表面段差分布を取り除くように前記基板の高さ位置を調整しつつ、前記測定領域内の全面において基板の表面高さを測定するにように前記段差測定部と前記ステージとを連動させて駆動する第２制御部とを備えた
ことを特徴とする表面段差測定装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２００６−９８１５０（Ｐ２００６−９８１５０Ａ）
【公開日】平成１８年４月１３日（２００６．４．１３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００４−２８２９６０（Ｐ２００４−２８２９６０）
【出願日】平成１６年９月２９日（２００４．９．２９）
【出願人】（０００００２１８５）ソニー株式会社 (34,172)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年４月１３日（２００６．４．１３）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年９月２９日（２００４．９．２９）
【出願人】（０００００２１８５）ソニー株式会社 (34,172)
【Ｆターム（参考）】
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