CN100366386C - 用于控制衬底的化学机械式抛光的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明揭露出衬底(121)的化学机械式抛光(CMP)，而且特别是，金属化层的化学机械式抛光所用的方法与控制器(150)。在CMP工艺的线性模型中，要处理的金属化层的蚀减通过该过度抛光时间计算，并可能由用来抛光该介电层的个别抛光平台上的额外抛光时间求出，其中该CMP固有特征是由凭经验得到的灵敏度参数所表示。再且，将控制操作设计成为即使随着由于微细工艺变化的灵敏度参数的某种不精确性，也能得到合理的控制器反应。

Description

用于控制衬底的化学机械式抛光的方法及装置

技术领域

本发明通常涉及集成电路的制造领域，尤其是涉及在集成电路的各制造阶段内，譬如金属化层的材料层的化学机械式抛光(ChemicalMechanical Polishing，CMP)的工艺。

背景技术

在精密集成电路的制造中，庞大数目的半导体组件，譬如场效应晶体管、电容器、以及类似物，被制造在多片芯片区域(晶粒)上，该些芯片遍及衬底的全部表面而延伸。由于个别半导体组件的结构尺寸持续缩小，所以有必要提供各种材料层，这些材料层被尽可能均匀地配置于全部衬底表面上，并呈现尽可能符合底层的某种表面形状，以确保随后的图形化工艺，譬如光刻、刻蚀与类似情形所需要的品质。最近，化学机械式抛光在平坦化存在的材料层以用作随后材料层沉积的制备程序上，已经变为广泛使用的技术。化学机械式抛光特别着眼于所谓的金属化层的形成，也就是说，包括譬如通孔与沟槽的凹入部份的层，这些凹入部份被充填适当的金属，以形成金属线来连接各个的半导体组件。在先前技术中，铝已经被用作较佳的金属化层，而且在精密的集成电路中，有可能必须设置多达十二层的金属化层的情形，以得到在半导体组件之间所需数目的连接。由于铜的电迁移以及传导率比铝优异，半导体制造业者现在正开始以铜替代铝。一般而言，因为铜与铝相比具有较高的传导率而铜线可被制成较小的截面，通过使用铜，可减少为了所需功能而需要的金属化层数目。不过，个别金属化层的平坦化仍然非常重要。一般使用的用于形成铜金属化线的技术称为金属镶嵌方法(damascene process)，其中通孔与沟槽形成在绝缘层里，而铜则随后填充入通孔与沟槽内。此后，多余的金属则在金属沉积之后由化学机械式抛光移除，由此而能获得平坦化的金属化层。虽然CMP成功地使用在半导体工业中，但是已经证实该方法复杂且操作困难，尤其当大量的大直径衬底将要处理的时候更加困难。

在CMP工艺中，衬底，譬如支承半导体组件的晶片，是安装在称为抛光头的适当形成的载体上，而且载体相对于抛光垫片移动，而晶片表面则与抛光垫片接触。在此工艺期间，将包含一化学合成物的研磨剂应用到抛光垫片，该化学合成物则与该层的该种材料或该些材料反应，例如，通过将金属转换成一氧化物而平坦化，而该反应产物，譬如氧化铜，则通过包含在研磨剂与抛光垫片中的粘结剂而予以机械式移除。CMP工艺有一问题，是起因于在该工艺的某阶段上，不同材料可能出现在该层上以同时予以抛光的事实。例如，在将大多数多余的铜移除之后，必需将例如二氧化硅等绝缘材料层，以及铜与氧化铜，通过由研磨剂、抛光垫片以及研磨剂内的粘结剂而同时予以化学式与机械式地处理。通常，选择研磨剂的组成物以显示对特定材料的最佳抛光特性。一般而言，不同材料显示不同的移除率，以致于能够例如将铜与氧化铜比周围绝缘材料更快速地予以移除。结果，在金属线顶部形成相对于周围绝缘材料凹入的部分。此效果通常称为″碟形凹陷(dishing)″。而且，在存在绝缘材料的情形下同时将多余金属移除的期间内，也可同样地将绝缘材料移除，虽然绝缘材料的移除率比铜的移除率低，最初沉积绝缘层的厚度则因此而减少。绝缘层厚度的减少通常称为″蚀减″(erosion)。

然而，蚀减与碟形凹陷，不仅取决于包含绝缘层与金属层的材料的差异性，而且也可能沿衬底表面而改变，甚至可能与将被平坦化的图案一致而在单一芯片区域内改变。也就是说，该金属与绝缘材料的移除率是依据各种因子而求出，譬如例如研磨剂的种类、抛光垫片的构造、抛光头的结构与类型、抛光垫片与衬底之间的相对移动量、当相对抛光垫片而移动时施加到衬底的压力、衬底上的位置、要抛光的特征图案的样式、以及底层绝缘层与金属层的均匀性等等。

出于以上考虑，有多个相关参数明显地影响最后获得的金属化层的表面形状。于是，已经进行大量的努力，以发展CMP工具与方法，以改善CMP工艺的可靠度与坚实度。例如，在精密的CMP工具中，安装抛光头以提供可能施加一可调节的压力到该衬底的两或更多部分，从而控制摩擦力以及在对应这些不同头部分的衬底区域上的移除率。再且，采用在整个表面区域能得到尽可能均匀的移除率的此种方式，将运载抛光垫片的抛光平台以及抛光头彼此相对地移动，以便将在操作期间逐渐磨损的抛光垫片的使用寿命最大化。为了此目的，将所谓的垫片调节器额外地设置于CMP工具中，该CMP工具在抛光垫片上移动并且修订该抛光表面，以致于对尽可能多的衬底能维持类似的抛光情况。以充分均匀地调节抛光垫片，而同时垫片调节器却不干扰抛光头的移动的方式，控制垫片调节器的移动。

由于CMP工艺的复杂性，必须在不同的抛光平台上实施两个或更多个工艺步骤，以得到满足制造尖端半导体器件上严格的必要条件的抛光结果。例如，在制造金属化层时，必须将个别金属线的最小截面根据设计规则而建立，以得到希望的电阻。个别金属线的电阻取决于材料型态、线长以及截面。虽然在制造工艺期间内，两个前面的因素并没有实质改变，但是金属线的截面可能会明显地改变，并从而因为在相关CMP工艺中产生的蚀减与抛光而影响金属线的电阻与品质。于是，半导体设计者必须考虑这些变化，并且实施一额外的金属线″安全″厚度，以致于在完成抛光操作之后，使各金属线的截面可靠地处于特定容差的范围内。

如由以上考虑所能明白的是，正在进行大量的努力，以改善该衬底的化学机械式抛光的成品率，而同时仍维持高品质的标准。由于CMP工艺的特性，予以移除的层的厚度的原位测量以及/或者移除率，在预测上非常困难。实际上，在预定数目的产品衬底已经被加工处理之前或者之后，使用多片仿造衬底来调节以及/或者校准该CMP工具。因为该仿造晶片的加工处理极其成本密集以及耗时，所以它最近则已经尝试通过实施合适的控制机制而明显降低试样测定的数目，以维持CMP工艺的性能。一般而言，人们高度希望的是具有一控制工艺，在该工艺中，将具体CMP参数依据已经予以加工处理的衬底的测量结果而操作，以致于能精确地维持规格内的最后层厚度以及碟形凹陷与蚀减。为了在此生产线上完成此种所谓的″一批接一批″控制，那么必须至少满足两种情况。首先，必须将恰当的度量衡工具(metrology)实施到生产线内，以致于已经完成CMP工艺的各衬底能够立即接受测量，其结果则必须在CMP工艺之前或者至少紧接着衬底的CMP工艺的最后阶段之前，提供到该CMP工具。第二，必须建立CMP工艺的一模型，以揭露出恰当的操作变量，得到希望的抛光结果。

第一情况不可能在没有明显不利地影响其它制造工艺参数，譬如生产量以及因此的成本效应的情形下完成。于是，实际上，使多片衬底经过CMP加工，直到最初加工的衬底的第一测量结果有效为止。也就是说，该控制循环包含一特定量的延迟，该特定量的延迟必须在以测量结果为基础来调整工艺参数的时候予以考虑。

关于第二项，已经建立了多个CMP模型，以考虑这些操作变量依据过时的反馈结果而受到控制的事实。例如，在2001年AEC/APC第八次座谈会的会议记录中，″CMP用的R2R控制算法与测量延迟的比较″，Chamness等人揭露出在延迟测量反馈的情况下操作时，三种CMP模型的比较结果。在此份论文中，作者显示当该测量结果设有对CMP工具的某种程度的延迟时，仅一种预言性模型的过程控制可避免控制功能中的任何不稳定性。

有鉴于此先前技术，一般而言，需要一预言性模型，譬如在以上所引用的论文与一组实验数据中所说明的模型，以取得能操作以得到CMP工艺的希望输出的工艺变量，譬如施加到衬底的压力，研磨剂组成等等。

虽然将CMP工艺控制成功地应用于许多半导体设备中，不过由到目前为止所产生的考虑，精密集成电路所用的可靠与结实的CMP工艺包含关于工艺工具与控制操作的大量努力，因此人们高度希望的是具有一简化却仍然有效的CMP控制工艺与控制系统，而却能同样地确保加工的衬底所需要的高品质标准。

本发明提出有关可能解决或者至少减少一些或所有上述问题的方法。

发明内容

大致上，本发明是关于通过操作可简单使用的一工艺参数而允许CMP工艺的控制的方法与控制器，由此，明确的工艺特征通过凭经验求出的参数来说明，然而，其精确性对适当的控制功能而言并不重要。

于是，在本发明的说明性具体实施例中，控制衬底的化学机械式抛光的方法包含凭经验获得第一灵敏度参数，其定量地说明第一材料层的过度抛光时间与相关于第一材料层的控制变量之间的关系，以及凭经验地获得第二灵敏度参数，其定量地说明相关于第二材料层的控制变量与相关于先前衬底的第二材料层的控制变量之间的关系。此外，该方法包括从线性模型的第一材料层的过度抛光时间的计算，该线性模型包括相关于第二材料层的控制变量、第一灵敏度参数、第二灵敏度参数、控制变量用的指令值、第二材料层的过度抛光时间、第二材料层的控制变量以及相关于先前衬底第二材料层的控制变量，其中该过度抛光时间是由加权移动平均所求出。此外，将第一材料层的过度抛光时间调整到算出的过度抛光时间。

根据进一步的说明性具体实施例，在衬底中控制第一金属化层的化学机械式抛光的方法包含凭经验求出的灵敏度参数α，该灵敏度参数定量地说明过度抛光时间T_op对相关于第一金属化层的控制变量E_first的影响。此外，凭经验地求出灵敏度参数γ，其定量地说明该衬底的第二金属化层的控制变量E_second以及先前衬底的第二金属化层的控制变量E_p，second对控制变量E_first的影响。再者，该方法包含从一线性模型计算第一金属化层的过度抛光时间T_op，该一线性模型至少包括以下项：E_first、E_p，first、α(T_op-T_p，op)、γ(E_second-E_p，second)，其中T_p，op是先前衬底的过度抛光时间。此外，将化学机械式抛光工艺的实际过度抛光时间调节到算出的过度抛光时间T_op。

依照进一步的说明性具体实施例，该衬底的化学机械式抛光所用的控制器包含一输入部分，用来输进灵敏度参数与控制变量的测量值的至少其中一个，以及一输出部分，用来输出一过度抛光时间以及作为一操作变量的最后抛光时间的至少其中一个。该控制器进一步包含一计算部分，用于算出来自线性模型的第一材料层的过度抛光时间，其中该线性模型包括除了第一材料层外，关于第二材料层的控制变量、第一灵敏度参数、第二灵敏度参数、控制变量的指令值、第二材料层的过度抛光时间、关于第二材料层的控制变量、以及先前衬底的第二材料层的控制变量。此外，安装计算部分，以通过一加权移动平均数来求出该操作变量。

根据进一步的说明性具体实施例，衬底的第一金属化层的化学机械式抛光所用的控制器包含输入部分，用来输进一灵敏度参数α、灵敏度参数γ以及至少一控制变量E_first的一测量值，其中控制变量E_first代表蚀减与碟形凹陷的其中一个。此外，该控制器包含一输出部分，用来输出作为操作变量的至少一过度抛光时间T_op，以用来控制化学机械式抛光。此外，该控制器包含计算部分，其用于从该CMP工艺的线性模型，算出至少第一金属化层的过度抛光时间T_op。由此，线性模型至少包括以下项：E_first、E_p，first、α(T_op-T_p，op)、γ(E_second-E_p，second)，其中E_p，first代表相关于先前衬底的第一金属化层的控制变量，T_p，op代表先前衬底的过度抛光时间，E_second代表衬底的第二金属化层的控制变量，而且E_p，second代表关于先前衬底的第二金属化层的控制变量。

附图说明

本发明可通过参考与附图相关的下述说明而予以理解，其中相同的参考数字代表相同的组件，而且其中：

图1显示一示范性CMP工具的概略图式，表示实施本发明的说明性具体实施例；

图2描述代表控制CMP所用的方法的一具体实施例的流程图；

图3为代表图2所示的具体实施例的细节的流程图；以及

图4为显示根据图2所示的具体实施例计算操纵参数的进一步细节的流程图。

具体实施方式

本发明的说明性具体实施例被说明如下。为使说明清楚，并非将真实实施的所有特征在本说明书中说明。当然将令人理解的是，在任何这样的真实具体实施例的发展中，必须确定各种明确的实施，以达到发展者的明确目标，譬如服从与系统相关的以及与企业相关的限制，其根据不同的具体实施例而改变。并且，应当理解的是，此发展努力可能既复杂且耗时，不过对于从本发明的公开获得益处的本领域普通技术人员来讲其不过是所能实施的例行工作。

一般而言，目前所说明的具体实施例以及将于下文说明的具体实施例，取决于可能维持衬底的材料层的碟形凹陷与蚀减的发现，譬如金属化层，通过适当调整CMP工艺中的过度抛光时间而维持在严密设定容许的误差。通常，过度抛光时间表示在一测量之后CMP工艺持续的时间周期，已经表示该材料在衬底上的预定区域被移除。检测特定区域的空隙的过程同样被称为端点检测，并且被应用于制造金属化层所使用的CMP工艺中。此外，如先前所解释的，在高端集成电路中镶嵌金属化层的CMP工艺，其经常被设计成为多重步骤工艺，在此，例如该工艺的最后步骤，在将金属移除之后，在介电层上执行抛光操作。于是，通过调整最后抛光步骤的工艺时间，蚀减与碟形凹陷的程度就可能予以控制。为了可靠地预测最后CMP步骤的合适的过度抛光时间以及/或者工艺时间，发明者建议一CMP工艺的线性模型，该线性模型取决于相同的先前金属化层与先前衬底的蚀减以及/或者碟形凹陷以及/或者层厚度。在此模型中，工艺固有的机械由两个或更多个灵敏度参数所表示，该些灵敏度参数可能由实验以及/或者计算与实验所求出，其中在某些具体实施例中，灵敏度参数的精确性则不因为控制功能的″头尾一致的″设计而对成功的控制操作来说不可或缺。因此，相对例如在本申请的背景金属部分所说明的已知控制策略，在本发明中，可简易使用与可精确调整的工艺参数被选作该控制操作的操作变量。

参考图1，将说明典型的CMP工具以及工艺，其可能连同在此所说明的说明性具体实施例而被使用。在图1中，其描述了CMP系统100的概略图，该系统100包含CMP工具110、度量衡工具130以及CMP控制器150。CMP工具110包括一输入部分111，其用来接收予以加工处理的衬底，以及一输出部分112，用来在CMP工艺被完成之后接收与储存衬底。CMP工具110进一步包含一工艺箱113，其包括三个抛光平台114、115与116，其分别被称为平台I、平台II、平台III。在各平台114、115与116上，设有垫片调节器117、研磨剂供应器118、以及抛光头119。在平台II上，将测量构件120配置与组装，以检测CMP工艺的终点。为了简化起见，将衬底从输入部分111输送到平台I，或者从平台I输送到平台II等等的任何进一步构件，以及反馈气体、液体、譬如水、研磨剂与类似物所用的任何构件，并没有描述于图式中。

在操作中，包含一或更多金属化层的衬底121，其附着到平台I的抛光头。应注意的是，衬底121代表″现有″衬底，而用以说明的控制工艺的操纵参数将予以建立，以用于该衬底，也就是说，操作变量代表一工艺参数，该参数值被改变以得到一控制变量的希望值，譬如碟形凹陷、蚀减以及最后层厚度。由CMP工具110所立即处理的衬底121的金属化层则同样被称为第一金属化层，然而在第一金属化层之下而且已经经受CMP工艺的衬底121的任何金属化层同样被称为第二金属化层。此外，已经经受CMP的任何衬底被称为先前衬底，而对应现有衬底121的金属化层的先前衬底的金属化层也被称为第一与第二金属化层，如同在现有衬底121中。

在衬底121以预定工艺参数，譬如预定研磨剂组成物、抛光头119与平台114之间的预定相对移动、CMP工艺的持续时间以及类似物，而已经在平台I上完成CMP工艺之后，对于第二CMP步骤，该衬底121则可能以不同工艺参数而通到平台II，直到该测量装置120表示出达到该工艺终点为止。如先前所解释的，以及将参考图2而详细说明的一样，衬底121的抛光在平台II持续一过度抛光时间T_op，该过度抛光时间T_op由控制器150所求出。在过度抛光时间T_op消逝之后，则将衬底121传送到平台III，在此第一金属化层的绝缘材料的抛光以适当的工艺参数来实施，譬如研磨剂组成、平台116与抛光头119之间的相对移动，以产生施加到衬底121的压力以及类似物。在图1所示的具体实施例中，在平台III的工艺时间，同样被称为T_III，其由控制器150所求出。在将平台III上的抛光步骤完成之后，将衬底121输送到输出部分112，并可能输送到度量衡工具130，有关于第一金属化层的测量结果则以此工具而得到，譬如层厚度、蚀减、以及碟形凹陷。在所说明的种种具体实施例中，层厚度、蚀减、以及碟形凹陷，其将被单独或合并地视为CMP工艺的控制变量，然而T_op与/或者T_III的作用则如同操作变量。一般而言，控制变量的测量结果是由众所皆知的光学测量技术而获得，其说明则将予以省略。

参照图2，将说明用来得到操作变量T_op与T_III的说明性具体实施例。在图2中，在第一步骤210中，将灵敏度参数求出，在一具体实施例中，该灵敏度参数则依据先前所加工处理之测试衬底或者产品衬底的实验而得到。由此求出第一灵敏度参数α，并且说明过度抛光时间T_op对控制变量的影响，例如蚀减、碟形凹陷程度、金属化层厚度以及类似物。第二灵敏度参数β也可能被求出，以具体说明在平台III所进行的CMP工艺的抛光时间T_III对控制变量的影响。此外，将第三灵敏度参数γ求出，以数量化地说明先前金属化层的控制变量，例如先前层的碟形凹陷以及/或者蚀减，如何影响现有，也就是第一金属化层的控制变量，该先前层也将如先前所注意的被称为第二金属化层。特别是，灵敏度参数α与β包括固有的CMP机制，譬如移除速率，从而例如因为抛光垫片的降解、研磨剂的饱和以及类似情形而可能在实际的CMP工艺期间内改变。在一特别的具体实施例中，如将于稍后所详细说明，令α与β代表用于简单线性CMP模型的好处的单独数字，认为α与β的特定工艺上的变动实质上对最后的结果不会有不利的影响，相对应地设计剩下的控制操作而不考虑α与β的任何改变。在进一步的具体实施例中，鉴于工艺情况的微细改变，依照时间，也就是依照已经予以加工处理或者正在加工处理的衬底数目，而选定灵敏度参数α与β。

在步骤220中，用于操作变量(称为T^* _op，T^* _III)的中间值，是从线性CMP模型所计算的。在此方面，将线性模型理解为说明各种变量，譬如操作变量T_op、T_III以及控制变量的关系的数学表示式，其中该变量以不具有譬如T2_op，T3_op等等的任何较高阶项的线性项出现。

参照图3，将说明用来求出T^* _op与T^* _III的说明性具体实施例。在图3中，步骤220被再分为第一副步骤221，描述CMP工艺的线性模型。根据本方法，第一金属化层的控制变量以E_first表示，其中应该注意的是，控制变量可能表示蚀减、碟形凹陷、金属化层厚度、以及类似物的任一者，而且E_first由以下列之方程式表示：

E_first＝E_p，first+ α(T_op-T_p，op)+β(T_III-T_p，III)+[γ](E_second-E_p，second)(1)

其中指数p表示一变量，指的是先前衬底，而指数first与second则分别指的是正在进行加工处理的第一金属化层以及已经过加工处理的第二金属化层。于是，α的符号则最好选择为正，然而β的符号则最好选择为负。γ的大小与符号由实验所求出。此外，如先前所说明的，在一特定的具体实施例中，假使在平台III上没有使用最终CMP步骤，只有单一操作变量，则可能使用T_op来控制全部的CMP工艺。如从方程式1所能明了的是，就一个特定E_p，first来说，例如相对于先前衬底T_p，op的第一金属化层而使第一金属化层的过度抛光时间T_op增加的第一金属化层的蚀减，将使E_first增加一数量，该数量由这些过度抛光时间(T_op-T_p，op)乘以灵敏度参数α的差距所求出。因此明显的是，由单一数目α所表示的CMP工艺的固有机制的改变或者求出α的某一不精确性，可能影响E_first的结果，并因而产生一T_op值，该值在某些情况下可能被视为不适合用来获得一所希望的E_target，在此E_target为控制变量的目标值。对灵敏度参数β而言也是相同的。

于是，在一具体实施例中，如先前所提及的，在副步骤222中，参数α与β可能被选作为依时(time-depent)参数，或者更适当地，被选作为取决于予以加工的衬底数目的参数。以此方式而可能将抛光垫片、研磨剂组成物以及类似物降解的一般倾向列入考虑，以致使可能对α与β的系统变化予以补偿。也就是，因为加工衬底的数目增加，所以随着时间的抛光率的有系统的降低则可能通过相应地增加α以及/或者降低β而列入考虑。因此，α以及/或者β可能被选作为方程式α＝α(i)以及/或者β＝β(i)，其中(i)代表加工过的衬底的数目。此特征透露出对CMP控制的某种程度的预告能力，这种情形可能在如先前所述的控制器必须因应测量结果而可能具有相关于现有加工过的衬底的明显延迟的时候有好处。

在副步骤223中，在平台III的操作变量过度抛光时间以及抛光时间所用的中间值，是响应步骤221的模型而获得。用于求出中间变量T^* _op、T^* _III的原因存在于控制操作应该″消除″在CMP工艺中的任何短暂变动，并且应该以″柔和″的方式来对应先前加工过衬底的测量结果而不用显示极度不足与过度的事实。此种控制操作的行为可能仅仅在每衬底的一小数目测量结果有效的时候方便，以致使从一先前衬底到另一先前衬底的测量结果可能显示一明显的变动。也就是，表示E_p，first的测量结果，其由先前衬底上预先求出的之单一位置的单独测量所获得。因此，在真实操作变量T_op、T_III之前，将中间操作变量T^* _op与T^* _III求出。

在副步骤223中，是用于以下时候的例子

E_p，first+γ(E_second-E_p，second)＝E_target  (2)

这意味着公共值E_target在相对于先前衬底的过度抛光时间而没有改变过度抛光时间以及相对于先前衬底的平台III上的抛光时间而没有改变抛光时间的情形下获得。结果，T^* _op相等T_p，op，而且T^* _III相等T_p，III。

在副步骤224中，将T^* _op以及T^* _III算出，以用于以下情形：

E_p，first+γ(E_second-E_p，second)＜E_target  (3)

那种情形意味着取决于E所真实代表的先前衬底的第一金属化层的蚀减以及/或者碟形凹陷，以及现有衬底与先前衬底的第二金属化层的蚀减效果，导致比希望还小的蚀减以及或者碟形凹陷以及/或者层厚度。明显地，现有衬底用的过度抛光时间必须相等或者大于先前衬底的过度抛光时间，而且在平台III上的抛光时间必须相等或者小于先前衬底的抛光时间。因此，

T^* _op≥T_p，op；T^* _III≤T_p，III    (4)

更甚的是，一般来说，最大与最小过度抛光时间T_op，T_op以及平台III上的最大与最小抛光时间T_III、T_III，其可能响应工艺需求而予以事先设定。这些用于过度抛光时间以及平台III抛光时间的限制可能由实验或者经验而求出。例如，最大与最小过度抛光时间T_op_，T_op个别可能选择为个别的大约30秒以及5秒。平台III上的最大与最小抛光时间T_III、T_III个别可能选择为分别的大约120秒以及20秒。在将过度抛光时间T_op以及平台III抛光时间T_III同时使用作为操作变量的具体实施例中，求出中间值T^* _op与T^* _III则令人希望，以致于该些数值妥当地分别位于最小与最大过度抛光时间以及平台III抛光时间所给予的可允许范围内。在一具体实施例中，中间过度抛光时间T^* _op与平台III抛光时间T^* _III则求出以绕着相对应可允许范围中央而放于中间，其中必须同时将T^* _op与T^* _III选定，以致使CMP模型提供指令值E_target，因此T^* _op与T^* _III由以下所求出：

E_p，first+α(T^* _op-T_p，op)+β(T^* _III-T_p，III)+γ(E_second-E_p，second)＝E_target(5)

放置于个别可允许范围中间的T^* _op与T^* _III，其可能经由算出以下表示式的最小值而获得：

${(\frac{T_{\mathrm{op}}^{*}-T_{\mathrm{op}}}{\stackrel{\‾}{T_{\mathrm{op}}}-\underset{\‾}{T_{\mathrm{op}}}}-\frac{1}{2})}^2+w{(\frac{T_{\mathrm{III}}^{*}-T_{\mathrm{III}}}{\stackrel{\‾}{T_{\mathrm{III}}}-\underset{\‾}{T_{\mathrm{III}}}}-\frac{1}{2})}^2\→\mathrm{Minimum}---\left(6\right)$

其中方程式4与5因此是用于发现最小T^* _op与T^* _III的次要条件。

以类似的方式，在副步骤225中，将T^* _op与T^* _III算出，以用于以下情形：

E_p，first+γ(E_second-E_p，second)＞E_target  (7)

这种情形意味着先前衬底的第一金属化层以及并入的第二金属化层的蚀减超过所希望的蚀减值。于是，中间过度抛光时间必须选定为相等或者小于先前衬底的过度抛光时间，而中间平台III抛光时间必须选定为相等或者大于先前衬底的平台III抛光时间。结果，

T^* _op≤T_p，op；T^* _III≥T_p，III    (8)

类似在副步骤224中所进行的计算，同样在此情形中，表示式(6)的最小值以次要条件(5)与(8)所求出。

为了定性概括用来获得中间过度抛光时间T^* _op以及中间平台III抛光时间T^* _III的以上副步骤，应该注意的则是当在第二金属化层的先前衬底的测量结果，或者个别地，因此的计算值，表示出该预期蚀减等于希望蚀减，然后中间过度抛光时间T^* _op以及平台III抛光时间T^* _III则对应先前衬底的过度抛光时间T_p，op以及平台III抛光时间T_p，III。就先前衬底以及现有衬底221与先前衬底的第二金属化层的蚀减值并没有屈服于希望的蚀减值E_target的情形而言，将中间抛光时间求出以致于将该些值绕着可允许范围的中间而置于中央，然而却同时满足次要条件(5)与(6)，也就是该中间抛光时间必须屈服于希望的蚀减值E_target而且也必须遵守情况(4)与(8)。特别是，次要条件(4)与(8)确保任何T^* _op的改变没有经由平台III抛光时间的相对应改变而补偿。相对应的行为有可能在根据(6)而求出最小值时，导致更简单的解答，不过，但却导致在不精确参数α与β所甩的错误方向中的一控制操作，并且从而使控制功能不稳定。

应该理解的是，实际上，该计算可能以预定的精确度来进行，因此，有关解答方程式的任何说明当然会经受取决于算法的某种程度的″变异″以及可容忍程度的″不精确性″。因此，在此所说明的计算结果一般则以概略的数目来取得，而概略的程度由譬如有效的计算功率、需要的精确性，以及类似物的因子来求出。例如，在许多的应用中，过度抛光时间与平台III时间的大约1秒的精确度是足够的，因为一秒内的抛光活动导致可能恰当地处于测量变动范围内的蚀减量变化。

在表示式(6)中求出最小值的加权因子可能选定为：

$w=(\frac{\stackrel{\‾}{T_{\mathrm{III}}}}{\stackrel{\‾}{T_{\mathrm{op}}}}-\frac{\underset{\‾}{T_{\mathrm{III}}}}{\underset{\‾}{T_{\mathrm{op}}}})\frac{\left|\mathrm{\β}\right|}{\left|\mathrm{\α}\right|}$

加权因子亦可能以经验为基础而求出。

此外，应该注意的是，在仅仅使用一操作变量，例如过度抛光时间T_op的时后，并不需要通过计算最小值而求出中间值。

再次参照图2，在步骤230中，过度抛光时间以及平台III抛光时间所用的真实输出数值是从先前衬底的中间过度抛光时间与中间平台III抛光时间以及过度抛光时间与平台III抛光时间来算出。取决于所使用的算法，这种情形确保过度抛光时间与平台III抛光时间的相当稳定地适应于先前衬底的过度抛光时间与平台III抛光时间的″进展″。

参照图4，说明性具体实施例被显示用来在步骤230中获得过度抛光时间以及平台III抛光时间。在第一副步骤231中，可能可检测出T^* _op以及/或者T^* _III是否处于预定范围内，该预定范围可能不同于由最小与最大过度抛光时间与平台III抛光时间所界定的范围。通过这些预定范围，可能检测出控制操作是否倾向于系统化地移出恰当定义的范围，该范围表示这些参数α与β、以及因此的CMP情况已经明被显地改变。

在此情形下，在副步骤232中，它可能表示出，在考虑下所进行的″接近未来″的CMP工艺里，CMP工艺的线性模型不再有效，或者变得无效。这种表示可采用作为CMP固有机制的任何预料外的改变已经发生的迹象。令人注意到的是，副步骤231是选择性的，并且可省略。

在副步骤233中，过度抛光时间以及平台III抛光时间是通过来自先前衬底的过度抛光时间与中间过度抛光时间T^* _op的加权移动平均数而算出的，而平台III抛光时间则从先前衬底的平台III抛光时间以及中间平台III抛光时间T^* _III而计算作为一加权移动平均数。如在233中所描述的，过度抛光时间T_op由下式表示：

T_op＝λT^* _op+(1-λ)T_p，op

其中λ为在0至1范围内的参数。通过参数λ，可能将相关于过度抛光时间的先前发展的控制摆动的自适″速度″予以调整。类似地，平台III抛光时间可能通过以下公式获得：

T_III＝μ T^* _III+(1-μ)T_p，III

其中参数μ调整相关于先前衬底的平台III抛光时间的自适速度。明显地，当例如先前衬底的测量结果表示出与指令值E_target的相当大偏差值时，入与μ接近1的值则导致过度抛光时间与平台III抛光时间的立即响应。另一方面，选择入与μ作为相当低的值，将仅仅导致对CMP工艺中任何变化的非常慢响应。在一特别具体实施例中，应用被称为指数加权移动平均(exponentially weighted moving average，EWMA)的算法，其中相同入值被用于过度抛光时间以及平台III抛光时间。以此EWMA模型，可能比任何″过时″的工艺情况还更有效地将CMP工艺的最近进展的效果列入考虑。当没有源自先前衬底的测量结果的不明显延迟出现时，包括EWMA的相对应具体实施例尤其适合，也就是，仅有一些或没有衬底在现有衬底121与先前衬底之间被加工处理。

再次参照图2，在步骤240中，将在步骤230中算出的过度抛光时间以及平台III时间输送到图1中的CMP工具110，以调整目前被加工处理的衬底121的相对应加工时间。

在步骤250中，将衬底输送到度量衡工具130，以得到控制变量用的测量值。这些测量结果随后可能用于E_second、E_p，second、E_p，以用于以下衬底的计算。如先前所说明的，可能会有某种程度的延迟，直到该测量结果对控制器150来说有效为止，而且在此情形中，可能有利地使用关于副步骤222而说明的具体实施例，其中灵敏度参数α与β取决于已经加工过的与正加工的衬底数目的参数而产生，因为随后控制器150显示一″预言性″行为，并且可能输出可靠的数值，以用于过度抛光时间以及平台III抛光时间，甚至用于在控制循环中的一可考虑延迟。此外，当将此一预言性模型应用时，测量操作的数目则可能显著地降低。

在目前所说的具体实施例中，目前予以加工的衬底以及先前衬底被称为单一衬底，但是，在一说明性具体实施例中，现有衬底与先前衬底则可能代表多个衬底，譬如很多衬底，其中控制变量E_first、E_p，first、E_second、E_p，second以及操作变量T_op与T_III代表相对应多个衬底的中间值。相对应配置已经证明在生产线中特别有用，其中将已经妥当建立的CMP工艺设置，并且在定义的多个之内的从衬底至衬底的偏差值妥当地置于可接受的工艺参数内。于是，可用一简单、然而有效的方式将工艺控制以量对量为基础来实施，以用于大多数的衬底。

在一具体实施例中，如图1所示，参照图2至4来说明的说明性具体实施例的其中之一而进行控制操作的控制器150，包含一输入部分151、一计算部分152、以及一输出部分153，其中该输入部分151被操作上连接到度量衡工具130，而输出部分153则操作上连接到CMP工具110。当以衬底对衬底为基础而控制CMP工艺时，度量衡工具130与控制器150则作为直插式装置来实施，以致于将衬底的输送最小化，并加速测量结果输入到输入部分151内。在进一步的具体实施例中，较佳地，当通过多片的过度抛光时间以及/或者平台III抛光时间的中间值而来控制多片衬底时，度量衡工具130以及或者控制器150则可能设置在生产线外面。

该控制器150可实施作为单一芯片微处理器，因为微控制器具有模拟或者数字信号可能直接从度量衡工具130供应的输入，或者可能是部分的外部计算机，譬如PC或者工作站，或者它可能是一般使用于半导体制造之工厂中的管理系统。特别是，计算步骤220与230可能通过任何数值算法而进行，该算法则包括用来解答相关方程式、模糊逻辑、桌面参数的使用、尤其是用于EWMA的分析方法，而且相对应的操作码可能设置在控制器150中。此外，因为只有获得灵敏度参数α以及/或者β是必要的，所以上述具体实施例可能可轻易地自适应于任何已知的CMP工具，其说明相对应CMP工具以及在此工具上所进行的基本CMP工艺的固有特性。

以上所揭露的特定具体实施例仅作说明，虽然本发明可能以那些本领域技术人员所明了的不同但却等同的方式来修改与实施而仍具有其中学说的好处。例如，以上所述的工艺步骤可能以不同的顺序来进行。此外，除了说明在以下的权利要求之外，并无意图将在此所示的结构或设计的细节限制住。因此明了的是，可能将以上所揭露的特别具体实施例改变或者修改，而且所有此种改变均视为在本发明的范围与精神内。于是，在此所寻求的保护则陈述于以下的权利要求中。

Claims (14)

1.一种控制衬底的化学机械式抛光的方法，该方法包含：

获得第一灵敏度参数，用于定量地说明抛光衬底的第一材料层所用的过度抛光时间与相关于第一材料层的控制变量之间的关系；

获得第二灵敏度参数，用于定量地说明相关于衬底的事先抛光第二材料层与相关于先前衬底的抛光第二材料层以及相关于该第一材料层三者的控制变量间的关系；

从该化学机械式抛光工艺的线性模型计算出第一材料层的该过度抛光时间，其中，该模型至少包括：相关于先前衬底的第一材料层的控制变量、第一灵敏度参数、第二灵敏度参数、衬底的第一材料层用的指令值、先前衬底的过度抛光时间、相关于第二材料层的控制变量，以及相关于该先前衬底的第二材料层的该控制变数；

计算出第一材料层的过度抛光时间的加权移动平均数；以及

在对应于该计算出的过度抛光时间的该衬底的该化学机械式抛光期间内，调整第一材料层的该过度抛光时间。

2.如权利要求1所述的方法，其中该控制变量代表蚀减、碟形凹陷与材料层厚度的至少其中之一者。

3.如权利要求1所述的方法，其进一步包含：通过测量先前衬底的第一与第二材料层的至少其中一者，以求出蚀减、碟形凹陷以及材料层厚度的至少其中之一者。

4.如权利要求1所述的方法，其中，每一个控制变量都代表多片衬底用的中间值。

5.如权利要求1所述的方法，其中第一灵敏度参数取决于已加工的衬底数目以及待加工的衬底数目的其中之一者。

6.如权利要求1所述的方法，其中该化学机械式抛光工艺包含：最后抛光步骤，以可调整的额外抛光时间在分离的抛光平台上实施。

7.如权利要求6所述的方法，其进一步包含：获得第三灵敏度参数，用于定量地说明该等控制变量与该额外抛光时间之间的关系。

8.如权利要求7所述的方法，其进一步包含：从该线性模型计算出该额外抛光时间。

9.如权利要求8所述的方法，其中该过度抛光时间与该额外抛光时间的计算包括求出中间过度抛光时间以及中间额外抛光时间，如此中间过度抛光时间与中间额外抛光时间距离对应的可允许范围的中间点的复合偏差值近似于最小值。

10.如权利要求9所述的方法，其中该最小值在下列条件下求出：当相对于先前衬底的各值时，中间过度抛光时间与中间额外抛光时间在一不同方向改变，以及中间过度抛光时间与中间额外抛光时间产生实质上相等于该指令值的相关于第一材料层的控制变量值。

11.一种控制衬底中的第一金属化层的化学机械式抛光的方法，该方法包含：

求出灵敏度参数α，用于定量地说明在检测一端点之后，使用于化学机械式抛光的过度抛光时间T_op对相关于第一金属化层的控制变量E_first的影响；

求出灵敏度参数γ，用于定量地说明相关于该衬底的第二金属化层的控制变量E_second以及相关于先前衬底的第二金属化层的控制变量E_p，second对控制变量E_first的影响；

从线性模型计算出第一金属化层的过度抛光时间T_op，该线性模型至少包括下列各项：

E_first、E_p，first、α(T_op-T_p，op)、γ(E_second-E_p，second)，其中T_p，op为先前衬底的过度抛光时间，而E_p，first为关于先前衬底的第一金属化层的控制变量；

在该衬底的第一金属化层的化学机械式抛光期间内，选择已计算出的过度抛光时间T_op作为实际的过度抛光时间。

12.如权利要求11所述的方法，其中计算T_op包括：

计算中间过度抛光时间T^* _op，该中间过度抛光时间对获得该控制变量E_first的希望值E_target而言是必要的；以及从先前衬底T_p，op的过度抛光时间与该中间过度抛光时间T^* _op计算出T_op，以作为加权移动平均数。

13.一种用于衬底的化学机械式抛光的装置，该装置包含：

抛光工具，其具有至少一抛光平台；

端点检测器，其供应指示该抛光端点的端点信号；以及

控制器，在该端点信号已被供应之后，事先求出具有待加工的第一材料层的现有衬底的过度抛光时间；

其中该控制器包含计算部分依据下列的基础计算该过度抛光时间：

先前衬底的第一材料层的蚀减、碟形凹陷，与层厚度的至少其中之一者，

该先前衬底的第二材料层的蚀减、碟形凹陷，与层厚度的至少其中之一者，

该现有衬底的第二材料层的蚀减、碟形凹陷，与层厚度的至少其中之一者，以及

凭经验求出的灵敏度参数，其代表该抛光工艺的固有机制。

14.如权利要求13所述的装置，进一步包含一最后抛光平台，其置于该至少一抛光平台的下游，其中该控制器用来求出该最后抛光平台上的抛光时间。

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