(57)【要約】【課題】  ウェーハの平坦度測定装置に関し、パターン付きウェーハの表面段差を非接触・非破壊で容易に計測可能にするとともに、測定結果をリアルタイムでの表示を可能にする。【解決手段】  オートフォーカス機能を有する走査型電子顕微鏡１に測定箇所を任意に設定可能な座標ナビゲーション機能と、計測したデータに基づいて厚さ分布を描画する出力機能を搭載することによりウェーハの平坦度の測定する。【選択図】          図１
2008211087.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
オートフォーカス機能を有する走査型電子顕微鏡に測定箇所を任意に設定可能な座標ナビゲーション機能と、計測したデータに基づいて厚さ分布を描画する出力機能を搭載することによりウェーハの平坦度を測定することを特徴とするウェーハの平坦度測定装置。
【請求項２】
上記測定点を登録するマップ表示機能と座標登録機能が、ウェーハに設けるチップサイズやウェーハ面内の焼付けレイアウト情報を登録することでウェーハレイアウトを生成する機能を有することを特徴とする請求項１記載のウェーハの平坦度測定装置。
【請求項３】
測定したフォーカス値を上記座標登録において登録した位置座標テーブルに書き込んで位置座標とフォーカス値をデータベース構造のレコードデータとして保存する機能を有することを特徴とする請求項２記載のウェーハの平坦度測定装置。
【請求項４】
上記厚さ分布を描画する機能として、厚さ分布を３次元分布として表示する機能を有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のウェーハの平坦度測定装置。
【請求項５】
上記厚さ分布を描画する機能が、ウェーハ面内の厚さ分布の描画と、前記ウェーハ内に設けたチップのチップ面内の厚さ分布の描画との切替え描画機能を有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のウェーハの平坦度測定装置。
【請求項６】
上記オートフォーカス機能を有する走査型電子顕微鏡が、観察走査型電子顕微鏡或いは自動欠陥観察走査型電子顕微鏡のいずれかであることを特徴とするウェーハの平坦度測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はウェーハの平坦度測定装置に関するものであり、特に、ＬＳＩウェーハプロセスに伴うウェーハの平坦度を自動的に取得するための構成に特徴のあるウェーハの平坦度測定装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、ＬＳＩ配線技術の多層化が進み、今日では、配線１０層構造以上の製品も珍しくない。
これは、ＣＭＰ（化学機械研磨）プロセスの導入によってグローバル段差やローカル段差の低減が可能になったことから、多層化配線層においても、短波長化や大開口ＮＡ化による高解像フォトリソグラフィー技術の適用が進み、高密度配線の多層化技術に拍車がかかったためと言える。
【０００３】
安定した高解像フォトリソグラフィー技術には、タイトな焦点深度マージンを伴うことから、チップ（デバイス）表面のグローバル段差やローカル段差の把握と、これら段差の平坦化調整技術は必須となっているため、簡便で精度の伴った段差測定技術が必要になる。
【０００４】
また、グローバル段差や、局所的なローカル段差の発生には、下層配線のパターン粗密依存が伴うことから、所望する領域をピンポイントで測定できる測定サイトナビゲーションの機能も必要となる。
【０００５】
また、予測困難な研磨分布の問題も考慮し、１つのチップの中を多点測定できる機能も必要となる。
例えば、ＣＭＰ後の平坦性に主眼をおいた場合、チップ内で生じる段差（ローカル段差やグローバル段差）やウェーハ面内段差等も考慮すると、計測レンジと分解能は、およそ０．１〜２０μｍの範囲で、±０．０５μｍ相当の段差測定性能が必要となる。
【０００６】
この段差計測要求は、デバイスルールとステッパー露光機の持つ焦点深度性能に依存するため、画一的な値で示すことは難しいが、ＣＭＰ装置の研磨性能を考えると、大凡として、上述の性能が必要になる。
【０００７】
従来の平坦度測定装置では、ＬＳＩパターン形成されたウェーハの平坦度測定、特に、ＣＭＰを行った後の、チップ内段差（グローバル段差やローカル段差）やウェーハ面内段差を測定できる適当な装置が存在しないというのが現状である。
【０００８】
例えば、デバイスが作り込まれていないベアウェーハの場合には、反射レーザ法や静電容量法等の技術を搭載した平坦度測定装置により平坦度の測定が可能になる。
【０００９】
また、パターン付きウェーハの場合には、原子間力顕微鏡や接触式段差計で代替する案も報告されているが、原子間力顕微鏡の場合、測定距離が短く、１０ｍｍ□サイズのチップのグローバル段差測定などには適さず、主にローカル段差測定や表面粗度測定の場面で使用されている。
【００１０】
また、接触式段差計は試料表層を破壊することや、接触針のリニアトレースが難しく、精度と再現性の問題を抱えている。
【００１１】
一方、ＣＭＰ研磨における平坦度をシミュレーションする際に、ＣＭＰ研磨後のウェーハの平坦度を走査型電子顕微鏡を利用して測定することも提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００３−２５７９１５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかし、上述の走査型電子顕微鏡を利用した平坦度の測定においては、走査型電子顕微鏡のどの様な機能を利用して、どのような手順でウェーハの面内平坦度を測定するのかについては、全く開示がなされておらず、且つ、微小領域であるチップ内段差（グローバル段差やローカル段差）の測定が可能か否かも全く不明である。
【００１３】
一方、パターン付きウェーハのローカル段差やグローバル段差の計測を可能にするためには、
ａ．パターン付きウェーハの表面段差を容易に計測可能であること、
ｂ．非接触での段差測定が可能であること、
ｃ．ウェーハ内、チップ内の所望の箇所の計測が可能であること、
ｄ．多点測定が可能であること（多点測定によって、ローカル段差やグローバル段差の計    測を可能にする）、
ｅ．測定結果の解析が装置の内部処理で可能である
等の性能が必要になる。
【００１４】
しかし、上述の走査型電子顕微鏡を利用した平坦度の測定においては、ｂの要件は当然に備えているが、特段の構成の開示がない以上、マニュアル操作でウェーハ内、チップ内の所望の箇所での多点測定を行い、且つ、測定結果を別途、パーソナルコンピュータ等に入力して解析することになると推定され、パターン付きウェーハのローカル段差やグローバル段差を自動的に且つリアルタイムで把握することができないという問題がある。
【００１５】
したがって、本発明は、パターン付きウェーハの表面段差を非接触・非破壊で容易に計測可能にするとともに、測定結果をリアルタイムでの表示を可能にすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
図１は本発明の原理的構成図であり、ここで図１を参照して、本発明における課題を解決するための手段を説明する。
なお、図における符号２は、下記の各種の機能を有するパーソナルコンピュータ等の制御装置である。
図１参照
上記の課題を解決するために、本発明は、平坦度測定装置において、オートフォーカス機能を有する走査型電子顕微鏡１に測定箇所を任意に設定可能な座標ナビゲーション機能と、計測したデータに基づいて厚さ分布を描画する出力機能を搭載することによりウェーハの平坦度を測定することを特徴とする。
【００１７】
昨今、自動で画像取得できる観察走査型電子顕微鏡（通称：ＡＤＲ  ＳＥＭ）が主流となりつつあるが：画像の自動取得を成し得た技術的な背景としては、ステージメカの精度向上やオートフォーカス性能の向上、更に、ウェーハ面内の厚さばらつきに対応するための、面内フォーカス補正機能( 通称：フォーカスマッピング) 等の精度向上が挙げられる。
【００１８】
特に、オートフォーカス機能の進歩は目覚しく、複数のＳＥＭ検出器（垂直方向検出器と斜方検出器）を併用することで、フォーカスの精度を高めており、このような観察ＳＥＭの性能を利用することによって、従来は不可能であったウェーハ面内からチップ面内に至る精密なウェーハ面内段差を測定することが可能になる。
【００１９】
また、この様な観察ＳＥＭに、座標ナビゲーション機能と、計測したデータに基づいて厚さ分布を描画する出力機能を搭載することによりウェーハの平坦度を非接触・非破壊で容易に計測することが可能になるとともに、測定結果をリアルタイムで表示することが可能になる。
【００２０】
この場合、測定点を登録するマップ表示機能と座標登録機能に、ウェーハに設けるチップサイズやウェーハ面内の焼付けレイアウト情報を登録することでウェーハレイアウトを生成する機能を持たせることが望ましい。
【００２１】
このような構成を採用することによって、表示装置にウェーハマップを発生させ、このウェーハマップにおける任意のチップを選択することによりナビゲーション機構を構成する光学顕微鏡の対物レンズを選択したチップ直上まで自動的にナビゲーションすることができる。
【００２２】
また、測定したフォーカス値を座標登録において登録した位置座標テーブルに書き込んで位置座標とフォーカス値をデータベース構造のレコードデータとして保存する機能を持たせることが望ましく、それによって、測定結果をリアルタイムで表示することが可能になる。
【００２３】
また、厚さ分布を描画する機能に、厚さ分布を３次元分布として表示する機能を持たせることが望ましく、それによって、ウェーハ或いはチップの表面の凹凸の状態を立体的・視覚的に把握することが可能になる。
【００２４】
また、厚さ分布を描画する機能としては、ウェーハ面内の厚さ分布の描画と、ウェーハ内に設けたチップのチップ面内の厚さ分布の描画との切替え描画機能を有することが望ましく、それによって、ウェーハの平坦度の全体観察と局所観察とをリアルタイムで任意に行うことが可能になる。
【００２５】
なお、本発明に用いる走査型電子顕微鏡１としては、測長走査型電子顕微鏡（測長ＳＥＭ）を除く、通常の観察走査型電子顕微鏡（観察ＳＥＭ）或いは自動欠陥観察走査型電子顕微鏡（自動欠陥観察ＳＥＭ）のいずれでも良い。
【発明の効果】
【００２６】
本発明によれば、任意の測定箇所を多点登録できることで、ウェーハ或いはチップのグローバル段差やローカル段差の計測を簡便に、且つ、スピーディーに行うことができ、且つ、測定結果をリアルタイムに視覚的に把握することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
本発明は、オートフォーカス機能を有する観察ＳＥＭや自動欠陥観察ＳＥＭ等の走査型電子顕微鏡に測定箇所を任意に設定可能な座標ナビゲーション機能、特に、測定点を登録するマップ表示機能と座標登録機能に、ウェーハに設けるチップサイズやウェーハ面内の焼付けレイアウト情報を登録することでウェーハレイアウトを生成する機能を持たせることにより表示装置にウェーハマップを発生させ、このウェーハマップにおける任意のチップを選択することによりナビゲーション機構を構成する光学顕微鏡の対物レンズを選択したチップ直下まで自動的にナビゲーションする機能と、計測したデータに基づいて厚さ分布を描画する出力機能、特に、厚さ分布を３次元分布として表示する機能を搭載することによりウェーハの平坦度を測定するものである。
【実施例１】
【００２８】
ここで、図２乃至図６を参照して、本発明の実施例１の観察ＳＥＭを用いたウェーハの平坦度測定装置を説明する。
図２参照  
図２は、本発明の実施例１の観察ＳＥＭを用いたウェーハの平坦度測定装置のシステム構成図であり、オートフォーカス機能を有する観察ＳＥＭ１１と段差計測用の付加機能を有する制御装置１２とからなり、この場合の制御装置１１は、例えば、データベース機能を有するパーソナルコンピュータ或いはワークステーションとからなる。
【００２９】
この場合の段差計測用付加機能の主な内容としては、
ａ．ウェーハマップ生成
ｂ．ウェーハレベル、チップレベルの計測位置座標登録
ｃ．計測位置座標を記憶するデータベース機能
ｄ．計測位置座標に被測定ウェーハを自動ナビゲーションするための観察ＳＥＭ間との通    信機能
ｅ．フォーカス測定データを観察ＳＥＭから受け取るための通信機能
ｆ．計測位置座標データに、実際の計測データ、即ち、フォーカス値を追加するデータベ    ースへの記述追加機能
が挙げられる。
【００３０】
このような、機能はパーソナルコンピュータ或いはワークステーションに組み込む一般的なデータ処理ソフトウエア（プログラム）を段差計測用に改変することによって遂行可能になる。
【００３１】
次に、図３を参照して、測定点を登録するためのマップ表示と座標登録の機能と精密ナビゲーション機能とフォーカスマッピング機能とを説明する。
図３参照  
図３は、マップ表示と測定位置座標登録のワークフロー概略図であり、マップ表示と座標登録の機能に、チップサイズやウェーハ内の焼付けレイアウト情報を登録することで、被測定サンプルのウェーハレイアウトを生成し、マップ表示装置にウェーハマップを発生させる。
【００３２】
また、このマップ表示装置を用いて、チップ面内と、ウェーハ面内に対する測定位置座標情報を登録する。
この場合、図に示すように、表示されたウェーハマップ内の任意のチップを選択し、この選択したチップを光学顕微鏡の対物レンズの直下までナビゲーションし、その位置において拡大表示を行い、拡大画像を見ながら計測箇所を登録する。
【００３３】
次いで、予め登録した位置座標まで被測定ウェーハをナビゲーションし、その位置座標毎にオートフォーカス（計測）を行い、オートフォーカスによって取得したフォーカス量のデータをその都度後述のデータベースに転送する。
なお、オートフォーカスが難しい場合に備え、マニュアルフォーカス手段も併設しておく。
【００３４】
次に、図４を参照して、フォーカス値を記憶するデータベースについて説明する。
図４参照  
図４は、データベース内でのデータ格納例をイメージとして図示したものであり、測定したフォーカス値を登録した位置座標テーブルに書き込みを行うことにより、測定位置座標とフォーカス値をデータベース構造のレコードデータとして保存する。
【００３５】
図は、（ｘ，ｙ）座標が（−２０，４）のチップにおいて、まず、ｘ位置を０としてｙ方向に４２０μｍずつステップ的に移動させて測定したフォーカス値をテーブルに書込み、ｙ位置が４２００μｍ（＝４．２ｍｍ）の位置まで到達すると、ｘ位置を４２０μｍ移動させて再びｙ方向に４２０μｍずつステップ的に移動させて測定したフォーカス値をテーブルに書込んだ例を示している。
【００３６】
次に、図５及び図６を参照して、フォーカス値を面内分布として表示する出力装置について説明する。
図５参照  
図５は、上述のフォーカス値を記憶したデータベースに基づいてチップ内の平坦度の面内分布を表示したものであり、上図は出力装置に面内分布を二次元分布として模式的に表し、下図は面内分布を三次元分布として模式的に表したものである。
なお、この場合の一区画の単位は、例えば、５００μｍ×５００μｍである。
【００３７】
図６参照  
図６は、上述のフォーカス値を記憶したデータベースに基づいてウェーハ内の平坦度の面内分布を表示したものであり、上図は出力装置に面内分布を二次元分布として模式的に表し、下図は面内分布を三次元分布として模式的に表したものである。
なお、この場合の一区画の単位は、例えば、４０００μｍ×４０００μｍである。
【００３８】
以上、本発明の実施例１を説明したが、本発明は実施例１に示した構成、条件、数値に限られるものではなく、各種の変更が可能であり、例えば、上記の実施例１においては、測定手段としてオートフォーカス機能を有する観察ＳＥＭを用いているが、狭義の観察ＳＥＭに限られるものではなく、自動欠陥観察ＳＥＭを用いても良いものである。
【００３９】
また、上記の実施例１においては、フォーカス値を４２０μｍピッチで取得しているが、このような測定ピッチは任意であり、測定対象となるウェーハ或いはウェーハ内に設けられたチップのサイズと必要とされる平坦度とに応じて、測定に必要な時間との兼ね合いでピッチを適宜決定すれば良いものである。
【００４０】
また、上記の実施例１においては、測定結果を描画する出力装置として、パーソナルコンピュータのモニタ等を前提としているが、プリンターにより印字出力するように構成しても良いものである。
【００４１】
ここで、再び図１を参照して、改めて、本発明の詳細な特徴を説明する。
再び、図１参照  
（付記１）  オートフォーカス機能を有する走査型電子顕微鏡１に測定箇所を任意に設定可能な座標ナビゲーション機能と、計測したデータに基づいて厚さ分布を描画する出力機能を搭載することによりウェーハの平坦度を測定することを特徴とするウェーハの平坦度測定装置。
（付記２）  上記測定点を登録するマップ表示機能と座標登録機能に、ウェーハに設けるチップサイズやウェーハ面内の焼付けレイアウト情報を登録することでウェーハレイアウトを生成する機能を有することを特徴とする付記１記載のウェーハの平坦度測定装置。
（付記３）  測定したフォーカス値を上記座標登録において登録した位置座標テーブルに書き込んで位置座標とフォーカス値をデータベース構造のレコードデータとして保存する機能を有することを特徴とする付記２記載のウェーハの平坦度測定装置。
（付記４）  上記厚さ分布を描画する機能が、厚さ分布を３次元分布として表示する機能を有することを特徴とする付記１乃至３のいずれか１に記載のウェーハの平坦度測定装置。
（付記５）  上記厚さ分布を描画する機能が、ウェーハ面内の厚さ分布の描画と、前記ウェーハ内に設けたチップのチップ面内の厚さ分布の描画との切替え描画機能を有することを特徴とする付記１乃至４のいずれか１に記載のウェーハの平坦度測定装置。
（付記６）  上記オートフォーカス機能を有する走査型電子顕微鏡１が、観察走査型電子顕微鏡或いは自動欠陥観察走査型電子顕微鏡のいずれかであることを特徴とするウェーハの平坦度測定装置。
【産業上の利用可能性】
【００４２】
本発明の活用例としては、ＬＳＩウェーハプロセスにおけるパターン付き半導体ウェーハの平坦度測定装置が典型的なものであるが、測定対象は半導体ウェーハに限られるものではなく、超伝導デバイスウェーハ、強誘電体光デバイスウェーハ、或いは、薄膜磁気ヘッドを形成したＡｌ2 Ｏ3 −ＴｉＣウェーハ等の製造工程においてＣＭＰ研磨工程を有する各種のデバイスの製造工程における平坦度の測定にも適用されるものである。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明の原理的構成の説明図である。
【図２】本発明の実施例１の観察ＳＥＭを用いたウェーハの平坦度測定装置のシステム構成図である。
【図３】マップ表示と測定位置座標登録のワークフロー概略図である。
【図４】データベース内でのデータ格納例のイメージ図である。
【図５】チップ内の平坦度の面内分布の説明図である。
【図６】ウェーハ内の平坦度の面内分布の説明図である。
【符号の説明】
【００４４】
１  走査型電子顕微鏡
２  制御装置
１１  観察ＳＥＭ
１２  制御装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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