JP2005520317A - 半導体ウェハの表面平坦化方法及びその装置 - Google Patents

半導体ウェハの表面平坦化方法及びその装置 Download PDF

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Abstract

（ａ）複数の領域をウェハ上に形成し、かつ研磨プロセスの研磨工程における個々の領域のウェハ材料除去速度を識別するウェハ研磨モデルを提供するステップであって、研磨プロセスが複数の研磨工程を含むステップと、（ｂ）入りウェハ厚さプロファイルに基づく第１の研磨製法を使用してウェハを研磨するステップと、（ｃ）ステップ（ｂ）の研磨後におけるウェハのウェハ厚さプロファイルを決定するステップと、（ｄ）目標ウェハ厚さプロファイルを維持するべく、ステップ（ｃ）のウェハ厚さプロファイルおよびステップ（ａ）のモデルに基づいて更新研磨製法を計算するステップとを含む、研磨操作におけるウェハ表面非一様性制御方法である。研磨有効性に対するツール状態の影響がモデルによって形成される。この方法を使用して複数のプラテンステーションにフィードバックを提供することができる。

Description

本発明は、半導体ウェハの表面平坦化方法及びその装置に関し、より詳細には、除去速度プロファイルを操作することができる化学機械研磨装置のフィードバック制御である平坦化プロセスのフィードバック制御を提供するための半導体ウェハの表面平坦化方法及びその装置に関する。
一般に、化学機械研磨（ＣＭＰ；chemical mechanical planarization）は、完全に平坦化した半導体ウェハを得るべく半導体製造プロセスで使用されている。この方法には、ウェハ（通常、機械接触および化学侵食を使用した二酸化ケイ素（ＳｉＯ2））から材料、例えば、犠牲表面材料層を除去するステップが含まれている。高い形状領域（山）の方が低い形状領域（谷）より速く除去されるため、研磨によって高さの差が平坦化される。
通常、ＣＭＰには、機械的作用と化学的作用の組合せによってウェハの表面を平坦化するべく、アルカリ溶液または酸性溶液中に分散した研磨泥状物が利用されている。ＣＭＰツールには、通常、研磨パッドが取り付けられた回転可能円形プラテン上に配置された研磨装置（研磨すべきウェハが取り付けられる）が含まれている。使用に際しては、プラテンが回転し、研磨パッド上に研磨泥状物が導入される。研磨泥状物が研磨パッドに加えられると、回転ヘッドに下向きの力が印加され、取り付けられているウェハが研磨パッドに押し付けられる。研磨パッドにウェハが押し付けられると、機械的および化学的にウェハが研磨される。
ＣＭＰプロセスの有効性は、ＣＭＰプロセスの研磨速度、及び得られる基板表面の仕上げ（小規模粗さ（small-scale roughness）が存在しないこと）及び平面度（大規模形状が存在しないこと）によって測定される。研磨速度、仕上げ及び平面度は、パッドと泥状物の組合せ、基板とパッドの間の相対速度、及び基板を研磨パッドに押し付ける力を始めとする様々な要因によって決定される。
半導体プロセスの縮小に伴い、製造プロセスに対するＣＭＰの重要性が増している。詳細には、ウイズインウェハ（within wafer）（ＷＴＷ）厚さ非一様性を制御し、かつ、最小化する重要性が増している。様々な要因によって研磨中にウェハ表面全体に及ぶ変化がもたらされる。例えば、表面形状の変化は、ＣＭＰ装置の処理条件の変動によるものである。通常、ＣＭＰ装置は、特定のプロセス用に最適化されているが、プロセスに対する化学的および機械的変化、例えば研磨中における研磨パッドの変化、プロセス消耗品の劣化およびその他の要因により、ＣＭＰプロセスがその最適状態から変動する。処理の変動に加えて、ＣＭＰプロセスを施すウェハ表面が非一様である可能性があり、研磨後における表面全体のプロセス誘導変化をさらに悪化させている。
プロセスの変動を補正するための最近の試行にはフィードバック制御が含まれており、処理中に生成される情報を使用してフィーチャ処理の実行が調整されている。研磨工程におけるこのようなフィードバック制御に使用されている制御変数の１つは、研磨ツールのアーム発振長（arm oscillation length）である。また、フィードバックループは、研磨パッドの調整を最適化するためにも開発されているが、これらのスキームは、今日の製造環境においては、前述の影響を十分に補償するためには依然として不適切である。
本発明は、上述した１つまたは複数の問題の影響を克服し、あるいは少なくとも軽減することを対象としたものである。
Ljung L., System Identification - Theory for the User, Prentice Hall, Upper Saddle River, N. J. 2nd edition, 1999
本発明は、ウェハ厚さプロファイルのランツーラン制御を改善するための、基板の表面、例えば、半導体ウェハの表面平坦化方法及びその装置並びに記録媒体に関している。本発明には、ウェハ表面全体に渡る材料除去を予測し、かつ、ウイズインウェハ厚さ一様性を改善するべく、平坦化プロセスのモデル（単一モデルまたは多重モデルとして実施することができる）が使用されている。予測結果からの偏差を使用して新しい研磨パラメータがセットされ、処理の結果を改善するべくプロセスにフィードバックされる。
本発明は、このような状況に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、除去速度プロファイルを操作することができる化学機械研磨装置のフィードバック制御である平坦化プロセスのフィードバック制御を提供するための半導体ウェハの表面平坦化方法及びその装置を提供することにある。
本発明の一実施態様では、研磨操作における一様なウェハ厚さプロファイルを生成する方法には、（ａ）複数の領域をウェハ上に形成し、かつ研磨工程における個々の領域のウェハ材料除去速度を識別するウェハ研磨モデルを提供するステップと、（ｂ）個々の領域に対する目標厚さプロファイルを生成する研磨製法を使用してウェハを研磨するステップが含まれている。
本発明の他の実施態様では、研磨操作におけるウェハ表面の非一様性を制御する方法には、（ａ）複数の領域をウェハ上に形成し、かつ研磨プロセスの研磨工程における個々の領域のウェハ材料除去速度を識別するウェハ研磨モデルを提供するステップであって、研磨プロセスが複数の研磨工程を含むステップと、（ｂ）入りウェハ厚さプロファイル（incoming wafer thickness profile）に基づく第１の研磨製法を使用してウェハを研磨するステップと、（ｃ）ステップ（ｂ）の研磨後におけるウェハのウェハ厚さプロファイルを決定するステップと、（ｄ）目標ウェハ厚さプロファイルを維持するべく、ステップ（ｃ）のウェハ厚さプロファイルおよびステップ（ａ）のモデルに基づく更新研磨製法を計算するステップが含まれている。
本発明の少なくともいくつかの実施形態では、第１の研磨製法は、目標ウェハ厚さプロファイルを得るべくステップ（ａ）のモデルに基づいているか、あるいは実験によって決定される。
本発明の少なくともいくつかの実施形態では、ステップ（ａ）のモデルの複数の領域には、ウェハの中心点から半径方向を外側に向かって延びた領域が含まれている。モデルには４つ以上の領域を持たせることができる。
本発明の少なくともいくつかの実施形態では、ステップ（ｂ）の研磨には、複数の研磨ステーションでウェハを研磨するステップが含まれている。研磨ステップは、３つの研磨ステーションで実施することができる。
本発明の少なくともいくつかの実施形態では、研磨製法は、少なくとも２つの研磨ステーションで同じである。
本発明の少なくともいくつかの実施形態では、研磨製法は、少なくとも２つの研磨ステーションで異なっている。
本発明の少なくともいくつかの実施形態では、ステップ（ｄ）の更新研磨製法の計算には、複数の研磨ステーションの各々に対する更新研磨製法を計算するステップが含まれている。
本発明の少なくともいくつかの実施形態では、複数の研磨ステーションの各々に対する更新研磨製法には、個々の研磨ステーションのツール状態が補償されている。連続する研磨ステーションの各々に対するウェハ厚さプロファイルは、先行するステーションからの予測によって提供することができる。
本発明の少なくともいくつかの実施形態では、モデルを提供するステップには、（ｅ）１つまたは複数のウェハ上に形成されている複数の領域の各々の予備研磨済みウェハ厚さを測定するステップと、（ｆ）１つまたは複数のウェハを研磨するステップであって、１つまたは複数のウェハを複数の研磨工程で研磨するステップを含むステップと、（ｇ）ステップ（ｆ）における個々の研磨工程の後、複数の領域の各々における１つまたは複数のウェハに対するウェハ材料除去速度を測定するステップと、（ｈ）研磨有効性に対するツール状態の影響を明確にするモデルを提供するステップと、（ｉ）個々の領域に対する予備研磨済みおよび研磨後のウェハ厚さを記録媒体に記録するステップが含まれている。モデルには、さらに、ウェハの１つの領域の材料除去速度と重要な研磨パラメータの間の関係を確立する線形または非線形曲線にデータを当てはめるステップを持たせることができる。
本発明の少なくともいくつかの実施形態では、研磨パラメータには研磨時間が含まれている。研磨パラメータには、さらに、研磨時間、研磨パッドダウンフォース（polishing pad down force）および速度、泥状物流量および組成、調整時間、調整ディスクダウンフォースおよび速度、調整ディスクおよびウェハキャリアの両方の発振速度からなるグループから選択されるパラメータを持たせることができる。
本発明の少なくともいくつかの実施形態では、ステップ（ａ）のモデルにおける領域ｊ（ＡＲ’j）に対するウェハ除去は、次の方程式に従って決定されている。
ＡＲ’j＝（ｃ11j≒ｘ1＋ｃ12j）≒ｔ1＋（ｃ21j≒ｘ2＋ｃ22j）≒ｔ2＋（ｃ31j≒ｘ3＋ｃ32j）≒ｔ3＋（ｃ41j≒ｘ4＋ｃ42j）≒ｔ4＋（ｃ51j≒ｘ5＋ｃ52j）≒ｔ5
上式で、ｘ1、ｘ2、ｘ3、ｘ4およびｘ5は、それぞれ研磨工程１、２、３、４および５の追加パラメータ値であり、ｔ1、ｔ2、ｔ3、ｔ4およびｔ5は、それぞれ研磨工程１、２、３、４および５の研磨時間である。また、ｃa1jは、領域ｊの研磨工程ａにおける変数ｘのウェハ除去に対する寄与を表し、ｃa2jは、研磨工程ａにおける研磨時間のウェハ除去に対する寄与を表している。ウェハ材料除去速度プロファイルは、スケーリング因子、
（１＋ｋp・ｔp＋ｋd・ｔd＋ｋpd・ｔp・ｔd）
を使用してプロファイルをスケーリングすることによってツール状態を補償することができる。上式で、項ｔpおよびｔdは、それぞれ時間を単位としたパッドおよびディスクの寿命を表し、項ｋp、ｋdおよびｋpdは、実験的に決定される、パッドおよびディスクの寿命を除去速度に関連付ける係数である。
本発明の少なくともいくつかの実施形態では、更新研磨製法は、次の方程式を解くことによって得られる。
Figure 2005520317
ｘは、時間のベクトルおよび研磨製法に対応する他の処理パラメータである。ｇ（ｘ）は研磨プロセスのモデルであり、ｙspは、所望する平均領域ウェハ厚さのベクトルである。また、ｆ（ｙsp、ｇ（ｘ））は、モデル予測ｇ（ｘ）と所望する厚さのｙspの間の偏差にペナルティを課すための損失関数である。
本発明の他の態様では、ウェハ厚さプロファイルのモデルを決定する方法には、（ａ）１つまたは複数のウェハ上に形成された複数の領域の各々の予備研磨済みウェハ厚さを測定するステップと、（ｂ）１つまたは複数のウェハを研磨するステップであって、１つまたは複数のウェハを複数の研磨工程で研磨するステップを含むステップと、（ｃ）ステップ（ｂ）における個々の研磨工程の後、複数の領域の各々における１つまたは複数のウェハに対するウェハ材料除去速度を測定するステップと、（ｄ）研磨有効性に対するツール状態の影響を明確にするモデルを提供するステップと、（ｅ）個々の領域に対する予備研磨済みおよび研磨後のウェハ厚さを記録媒体に記録するステップが含まれている。モデルには、ウェハの１つの領域の材料除去速度と重要な研磨パラメータの間の関係を確立する線形または非線形曲線にデータを当てはめるステップを持たせることができる。
本発明の少なくともいくつかの実施形態では、研磨パラメータには研磨時間が含まれている。研磨パラメータには、研磨時間、研磨パッドダウンフォースおよび速度、泥状物流量および組成、調整時間、調整ディスクダウンフォースおよび速度、調整ディスクおよびウェハキャリアの両方の発振速度からなるグループから選択されるパラメータを持たせることができる。
本発明の少なくともいくつかの実施形態では、ステップ（ａ）のモデルにおける領域ｊ（ＡＲ’j）に対するウェハ材料除去は、次の方程式に従って決定されている。
ＡＲ’j＝（ｃ11j≒ｘ1＋ｃ12j）≒ｔ1＋（ｃ21j≒ｘ2＋ｃ22j）≒ｔ2＋（ｃ31j≒ｘ3＋ｃ32j）≒ｔ3＋（ｃ41j≒ｘ4＋ｃ42j）≒ｔ4＋（ｃ51j≒ｘ5＋ｃ52j）≒ｔ5
上式で、ｘ1、ｘ2、ｘ3、ｘ4およびｘ5は、それぞれ研磨工程１、２、３、４および５の追加パラメータ値であり、ｔ1、ｔ2、ｔ3、ｔ4およびｔ5は、それぞれ研磨工程１、２、３、４および５の研磨時間である。また、ｃa1jは、領域ｊの研磨工程ａにおける変数ｘのウェハ除去に対する寄与を表し、ｃa2jは、研磨工程ａにおける研磨時間のウェハ除去に対する寄与を表している。ウェハ材料除去速度プロファイルは、スケーリング因子、
（１＋ｋp・ｔp＋ｋd・ｔd＋ｋpd・ｔp・ｔd）
を使用してプロファイルをスケーリングすることによってツール状態を補償することができる。上式で、項ｔpおよびｔdは、それぞれ時間を単位としたパッドおよびディスクの寿命を表し、項ｋp、ｋdおよびｋpdは、実験的に決定される、パッドおよびディスクの寿命を除去速度に関連付ける係数である。
本発明の少なくともいくつかの実施形態では、モデルは、９つ以下のウェハを使用して決定されている。
本発明の一実施態様では、複数の研磨パッドの複数の平坦化表面に対して位置決め可能な、ウェハを保持するための複数のアームを有するキャリアアセンブリと、研磨プロセスの動作パラメータを制御することができる制御手段と、制御手段に動作結合されたコントローラとを有する、基板の平坦化に使用される研磨パッドを調整するための装置が提供される。コントローラは、研磨プロセスの動作パラメータをウェハ厚さプロファイルのモデルの関数として調整するべく制御手段を動作させている。ウェハ厚さプロファイルのモデルには、複数の領域をウェハ上に形成し、かつ研磨プロセスの研磨工程における個々の領域のウェハ材料除去速度を識別する研磨モデルを形成するステップが含まれており、研磨プロセスには複数の研磨工程が含まれている。
本発明の少なくともいくつかの実施形態では、モデルは、次の方程式に従ってウェハ材料除去速度モデルの領域ｊ（ＡＲ’j）に対するウェハ除去を形成している。
ＡＲ’j＝（ｃ11j≒ｘ1＋ｃ12j）≒ｔ1＋（ｃ21j≒ｘ2＋ｃ22j）≒ｔ2＋（ｃ31j≒ｘ3＋ｃ32j）≒ｔ3＋（ｃ41j≒ｘ4＋ｃ42j）≒ｔ4＋（ｃ51j≒ｘ5＋ｃ52j）≒ｔ5
上式で、ｘ1、ｘ2、ｘ3、ｘ4およびｘ5は、それぞれ研磨工程１、２、３、４および５の追加パラメータ値であり、ｔ1、ｔ2、ｔ3、ｔ4およびｔ5は、それぞれ研磨工程１、２、３、４および５の研磨時間である。また、ｃa1jは、領域ｊの研磨工程ａにおける変数ｘのウェハ除去に対する寄与を表し、ｃa2jは、研磨工程ａにおける研磨時間のウェハ除去に対する寄与を表している。
本発明の他の実施態様では、コンピュータ読み取り可能な記録媒体には、コンピュータによって実行される命令が含まれており、命令には、化学機械研磨プロセスのためのコンピュータ実施ソフトウェアアプリケーションが含まれている。また、プロセスを実施するための命令には、（ａ）化学機械研磨プロセスで処理する少なくとも１つのウェハのウェハ除去速度に関連するデータを化学機械研磨ツールから受け取るステップと、（ｂ）ステップ（ａ）で受け取ったデータから更新研磨製法を計算するステップであって、ウェハ材料除去速度モデルの出力とステップ（ａ）で受け取ったデータの差を決定することによって更新研磨製法を計算するステップが含まれている。
本発明の少なくともいくつかの実施形態では、ウェハ材料除去速度のモデルは、複数の領域をウェハ上に形成し、かつ、研磨プロセスの研磨工程における個々の領域のウェハ材料除去速度を識別している。研磨プロセスには複数の研磨工程が含まれている。
本発明の少なくともいくつかの実施形態では、ウェハ材料除去速度モデルにおける領域ｊ（ＡＲ’j）に対するウェハ除去は、次の方程式に従って決定されている。
ＡＲ’j＝（ｃ11j≒ｘ1＋ｃ12j）≒ｔ1＋（ｃ21j≒ｘ2＋ｃ22j）≒ｔ2＋（ｃ31j≒ｘ3＋ｃ32j）≒ｔ3＋（ｃ41j≒ｘ4＋ｃ42j）≒ｔ4＋（ｃ51j≒ｘ5＋ｃ52j）≒ｔ5
上式で、ｘ1、ｘ2、ｘ3、ｘ4およびｘ5は、それぞれ研磨工程１、２、３、４および５の追加パラメータ値であり、ｔ1、ｔ2、ｔ3、ｔ4およびｔ5は、それぞれ研磨工程１、２、３、４および５の研磨時間である。また、ｃa1jは、領域ｊの研磨工程ａにおける変数ｘのウェハ除去に対する寄与を表し、ｃa2jは、研磨工程ａにおける研磨時間のウェハ除去に対する寄与を表している。
「目標ウェハ厚さプロファイル」という用語は、ＣＭＰプロセスにおける所望の処理結果を意味している。プロファイルには若干の裕度が組み込まれているため、フィードバック制御システムによる目標プロファイルおよび目標プロファイルに対する許容可能標準偏差を形成することができる。このような偏差には研磨製法の更新の必要はない。目標ウェハ厚さプロファイルという用語の使用には、目標および目標に対する標準偏差が包含されている。
ウェハという用語は一般的な意味で使用されており、研磨すべき実質的に平らなすべての対象が包含されている。ウェハには、モノリシック構造の他に、１つまたは複数の層すなわち薄膜が蒸着された基板が含まれている。ウェハおよび薄膜という用語は、特記なき場合、本明細書を通して交換可能に使用されている。
「ツール状態」という用語は、ＣＭＰ装置の消耗品または可変性コンポーネントの状態を意味している。この用語は、パッドの寿命およびアイドル時間を常に変化させる調整ディスクおよび研磨パッドの状態を表すべく使用されることがほとんどである。典型的な調整ディスクの寿命は約６０時間であり、また、典型的な研磨パッドの寿命は約３０時間である。
本発明の様々な目的、特徴および利点については、添付図面を参照して行う本発明についての以下の詳細な説明により、より良く理解され、より完全に認識されるであろう。また、図中の同一の参照番号は、同一の構成要素を表している。また、添付図面は、単に説明を目的としたものに過ぎず、本発明の制限を意図したものではない。本発明の技術的範囲については、特許請求の範囲の各請求項に示されている。
以下、図面を参照して本発明の実施の態様について説明する。
図１は、１つまたは複数の基板を研磨するための典型的なＣＭＰ装置の斜視図である。ＣＭＰ装置１００は、一連の研磨ステーション１０１および基板を搬入し、かつ搬出するための移送ステーション１０２を備えている。研磨ステーションの各々は、研磨パッド１０４が置かれた回転可能プラテン１０３を備えている。研磨パッド１０４に研磨液１１１を供給するための研磨液源１１２を設けることができる。研磨ステーションの各々は、研磨パッドの研磨状態を維持するための関連するパッド調整装置１０５を備えることができる。
回転可能多重ヘッド回転ラック１０６は、中央ポスト１０７によって支持され、その周りを回転している。回転ラック１０６は、独自の軸の周りを個々に回転することができる複数のキャリアヘッド１０８を備えている。キャリアヘッド１０８は、移送ステーション１０２から基板を受け取り、かつ移送ステーション１０２へ基板を引き渡している。キャリアヘッドは、研磨ステーションとキャリアヘッドが係合すると、基板を研磨パッドに押し付けるべく、制御可能な荷重すなわち圧力を基板に提供している。
いくつかのキャリアヘッドは、基板を保持し、研磨荷重の提供を補助するための保持リング１０９を備えている。研磨を実現するために、プラテン１０３を回転させることができる（通常、一定の回転速度で）。また、例えば、保持リング圧を調整することにより、個々に変更することができるダウンフォースを個々のキャリアヘッド１０８によって印加することができる。基板１１０を保持しているキャリアヘッド１０８は、軸１１３軸上を回転させ、スロット１１４中を前後に発振させることができる。
あるタイプのＣＭＰプロセスでは、ウェハは一連の研磨工程で研磨される。
図２は、直径２００ｍｍの単一ウェハに対する８つの連続する研磨工程２０１ないし２０８のＣＭＰプロファイルを示した図である。研磨工程の各々は、研磨すべき総材料のサブセットを基板表面から除去している。また、プロファイル２０１と２０８を比較すると分かるように、各研磨工程によって生成される厚さプロファイルは異なっていても良い。最終薄膜厚さプロファイルは、個々の研磨工程厚さプロファイルの合計であり、一様なウェハ厚さが表面全体に渡って有利に生成される。
ＣＭＰプロセスは、サンプルを研磨ステーション（プラテン）から研磨ステーション（プラテン）へ移送することができる。あるタイプのＣＭＰプロセスでは、ウェハ除去を様々なプラテンの間で分散しており、個々のプラテン毎に所望の材料除去を達成するべく、プラテンの各々はフルセットの研磨工程を有しており、あらゆる組合せの除去が可能である。したがって、一例として合計６０００Åの材料を除去することが望ましい場合、プラテン１の研磨ステーションで３０００Åを除去し、プラテン２で１０００Åを除去し、プラテン３で２０００Åを除去することができる。プラテンの各々に対する研磨製法は、同じ製法であっても、あるいは異なる製法であっても良い。
上述したＣＭＰプロセスをモデル化し、平坦化プロセスを改善するためのフォーマットを提供することができる。モデルは、システムを反映する生データとして表すことができ、あるいは方程式、例えば、システムの変数間の関係を表す多重入力−多重出力の線形方程式、二次方程式および非線形方程式によって表すことができる。モデルを使用することにより、ウイズインウェハ厚さ一様性を改善することができ、あるいは非モデル化効果または研磨プロセス条件の変動を補正するべく、ウェハの研磨中に研磨パラメータを調整することによってランツーランを維持することができる。一例として、研磨操作中に、研磨製法を予測し、かつ、最適化するフィードバックループおよびフィードフォワードループで、研磨時間、研磨パッドダウンフォースおよび速度、泥状物流量および組成、調整時間、調整ディスクダウンフォースおよび速度、調整ディスクおよびウェハキャリアの両方の発振速度を調整することができる。
本発明の少なくともいくつかの実施形態によれば、初期モデルは、工程系統図に示すように、ウェハ研磨プロセスの知識に基づいて展開されている。
図３は、モデル展開の概要を示す工程系統図である。
まず、ステップ３００でシステムの初期知識が獲得され、その知識を使用してステップ３１０の実験計画法（ＤＯＥ；design of experiment）が設計され、実行される。ＤＯＥは、制御を希望する処理出力、例えばウェハ厚さに強い影響を及ぼし、かつ、予測可能な変数間の関係を確立するべく設計されることが望ましい。ＤＯＥにより、プロセスパラメータおよびプロセス結果に関連するデータが提供され、次にステップ３２０で先回りプロセス制御システムにロードされる。先回り処理制御システムは、モデルを生成し、かつ、更新するためのデータを使用するコントローラまたはコンピュータである。ステップ３２５で出力目標などの処理要求事項およびプロセス仕様がユーザによって決定され、ワーキングモデルを生成するべくステップ３３０でＤＯＥデータと結合される。
次に、モデル展開の実例について説明する。本発明の少なくともいくつかの実施形態によれば、ウェハ材料除去速度（研磨）プロファイルをＣＭＰプロセスにおける独立した工程としてモデル化するモデル構造が形成されている。上述したように（図２）、一様な最終ウェハ厚さを得るべく個々の工程を組み合わせることができる。また、モデルに使用するべき工程を除去速度プロファイルのサブセットとして形成することができる。つまり、類似の特性を有する除去速度プロファイルのファミリで１つの工程を構成することができる。除去速度プロファイルの個々のファミリに対する研磨パラメータが識別され、場合によっては変更され、かつ結果に対するそれらの効果が決定される。このモデルに持たせることができる例示的研磨変数には、それらに限定されないが、研磨時間、研磨パッドダウンフォースおよび速度、泥状物流量および組成、調整時間、調整ディスクダウンフォースおよび速度、および調整ディスクおよびウェハキャリアの両方のスイープ速度がある。
本発明の少なくともいくつかの実施形態では、モデルには、ウェハの領域に基づく除去速度プロファイルが利用されている。
図４は、厚さプロファイルモデル用に形成された領域を示すウェハを示す略図である。ウェハは、幅および面積が異なる放射状領域４０１ないし４０５に分割することができる。領域の数はモデルに対してセットされず、また、研磨プロファイルに基づいて選択することができる。したがって、例えば、図２では８つの領域がウェハ全体に渡って指示され、一方、図４には５つの領域が示されている。また、領域のサイズおよび位置は変更が可能であり、その領域内のウェハに対する特定の研磨パラメータの効果に基づいて選択することができる。
領域の数、サイズおよび位置は、ウェハ材料除去速度プロファイルの複雑性に基づいて選択することができる。少なくともいくつかの実施形態では、任意の所与の領域におけるプロファイルは、特に、領域平均化厚さプロファイルを形成するべく領域内における多数のウェハ厚測値を平均する場合、実質的に一様であることが望ましい。したがって、縁効果が劇的である縁部分では、外側領域のみを包含する狭い領域を選択することができる。研磨効果が把握し難いウェハの中央付近では、より広い領域を形成することができる。ＣＭＰツールは方位変化を補正することができないため、領域は、すべての方位変化が平均化されるように形成される。ウェハの領域内で取得された膜厚測値は、その領域の平均厚さを得るべく平均化される。
ＤＯＥデータを取得するべく研磨工程が実行され、例えば、予備研磨および研磨後ウェハ厚測値などの入り測値および処理パラメータ値に基づいて、除去速度プロファイルあるいは等価的にウェハ厚さプロファイルが領域毎に決定される。従来、データは、パラメータ値の有効範囲に対して、また、研磨パッドおよび調整ディスクの寿命に対して一連の実験を実施することによって実験的に取得されている。このような手法によっては、研磨操作の処理特性に関する仮定を得ることができないため、モデルを形成するべくデータが適当な曲線に当てはめられている。この手法には極めて多数のウェハが必要であり、４工程プロセスに対して少なくとも３０枚のウェハが必要である。また、この手法には多大な時間が必要である（典型的なディスクの寿命は約６０時間である）。
本発明の少なくともいくつかの実施形態では、ＤＯＥデータを取得するための修正手法が使用されている。この修正手法には、データを線形曲線に当てはめることができ、かつ重ね合わせが有効であることが仮定されている。重ね合わせには、例えば、一定の時間の間、第１の工程を実施し、次に一定時間の間、第２の工程を個別に、かつ第１の工程に引き続いて実施することにより、２つの工程を同時に実施することによって得られる結果と同じ結果が得られることが仮定されている。また、この手法には、パッドおよびディスクの寿命を研磨性能に関連付けるべく、確立されたモデルが使用されている。これらの仮定により、システムを適切にモデル化するために必要なデータの量（延いてはサンプル数）が著しく減少している。本発明の少なくともいくつかの実施形態では、モデルを適切に展開するためには、最大９回の実行で、かつ、６〜８枚のウェハで十分である。１つの例に過ぎないが、ＤＯＥには５つ〜７つの研磨工程を持たせることができ、また、研磨製法は、少しのウェハ、例えば１枚のウェハに対して実行することができ、あるいは、例えば５〜８枚のウェハに対して実行することができる。研磨製法の研磨工程の数が多くなるほど、多くのウェハが必要である。
一例として、上述した重要な研磨システムに対しては、ウェハ材料除去速度プロファイルと研磨時間および他の重要なパラメータとの間の関係を決定するための一連の実験を実施することができる。調査中の１つまたは複数のパラメータを除き、すべての研磨パッドおよびウェハ状態を一定に維持した状態で標準の研磨手順を使用することができる。一定に維持することができる例示的な研磨パラメータには、研磨パッドサイズ、研磨パッド組成、ウェハ組成、パッド調整時間、研磨パッドの回転速度およびウェハの回転速度がある。本発明の少なくともいくつかの実施形態では、調査中のパラメータには、研磨製法における個々の研磨工程の少なくとも研磨時間、および保持リング圧によって形成される研磨ダウンフォース（Ｐ）が含まれている。以下の解析でさらに詳細に示すように、追加パラメータをモデルに組み込むことができる。
ＤＯＥを実行することによってデータが取得されると、モデルを展開することができる。５つの研磨工程を有するモデルは、次のように形成される。
ＡＲ’j＝ｃ1j≒ｔ1+ｃ2j≒ｔ2＋ｃ3j≒ｔ3＋ｃ4j≒ｔ4＋ｃ5j≒ｔ5 ・・・（１）
上式（１）で、ＡＲ’jは、ウェハの領域ｊに対する材料除去量であり、ｔ1、ｔ2、ｔ3、ｔ4およびｔ5は、それぞれ研磨工程１、２、３、４および５の研磨時間である。また、ｃ1j、ｃ2j、ｃ3j、ｃ4jおよびｃ5jは、それぞれ研磨工程１、２、３、４および５の領域ｊに対する除去速度である。
モデルには追加パラメータを持たせることができ、その場合、モデルは次のように形成される。
ＡＲ’j＝（ｃ11j≒ｘ1＋ｃ12j）≒ｔ1＋（ｃ21j≒ｘ2＋ｃ22j）≒ｔ2＋（ｃ31j≒ｘ3＋ｃ32j）≒ｔ3＋（ｃ41j≒ｘ4＋ｃ42j）≒ｔ4＋（ｃ51j≒ｘ5＋ｃ52j）≒ｔ5・・・（２）
上式（２）で、ｘ1、ｘ2、ｘ3、ｘ4およびｘ5は、それぞれ研磨工程１、２、３、４および５の追加パラメータ値であり、ｔ1、ｔ2、ｔ3、ｔ4およびｔ5は、それぞれ研磨工程１、２、３、４および５の研磨時間である。また、ｃa1jは、領域ｊの研磨工程ａにおける変数ｘのウェハ除去速度に対する寄与を表し、ｃa2jは、研磨工程ａにおける研磨時間のウェハ除去速度に対する寄与を表している。したがって無限の数の処理パラメータをモデルに持たせることができる。
本発明の少なくともいくつかの実施形態では、ツール状態の影響を持たせるべくモデルをさらに強化することができる。ツール状態は、ツールに対する摩耗、使用および経年変化の影響を表しており、ディスク寿命およびパッド寿命によって表される調整ディスクおよび研磨パッドの状態が含まれている。また、ツール状態にはアイドル時間が含まれている。この機能は、スケーリング因子として表現することができる。方程式（３）は、パッド寿命およびディスク寿命を考慮した例示的スケーリング因子を示したものである。
Figure 2005520317
項ｔpおよびｔdは、それぞれ時間を単位としたパッドおよびディスクの寿命を表し、項ｋp、ｋdおよびｋpdは、実験的に決定される、パッドおよびディスクの寿命を除去速度あるいは等価的に材料除去量に関連付ける係数である。ｔp＝０およびｔd＝０におけるＡＲ’jは、初期研磨条件下における材料除去量である。
上述したようなモデルを使用することにより、領域平均化最終ウェハ厚さに対する予測を計算することができ、入り厚さ、パッドおよびディスクの寿命、研磨工程時間、およびパラメータを変更する工程のための他のあらゆる選択パラメータの値が得られる。
プロセスモデルの展開および最適化は、特定の研磨システムを参照して実施される。つまり、イウズインウェハ一様性をもたらす条件は、研磨するウェハのタイプ、研磨に使用する泥状物および研磨パッドの組成に固有である。ウェハ／泥状物／研磨パッドシステムが識別されると、本発明に従って展開されたモデルを使用してシステムが特性化される。本発明の少なくともいくつかの実施形態では、泥状物／研磨パッド／ウェハの組合せ毎に（つまり、タイプ／ブランドの異なる泥状物毎に、かつ、所与のタイプのウェハを使用した製造に使用することができる個々のタイプ／ブランドのパッド毎に）、個別モデル（あるいは少なくとも複合モデルの補遺）が生成されることが意図されている。
また、本発明の少なくともいくつかの実施形態では、並列もしくは直列の複数のプラテンでの研磨に適応可能なウェハ研磨モデルが意図されている。ＣＭＰプロセスは、同時に動作する複数のプラテンからなっていることが多い。通常、除去すべき材料の総除去量の一部を個々のプラテンが除去している。プラテンからプラテンへウェハが移送され、個々のプラテンは、そのプラテンで実行する研磨工程時間および工程毎の保持リング圧などの他の処理パラメータを決定する個別製法を有している。
図６は、ウェハ厚さプロファイルに対して類似の研磨工程または異なる研磨工程を実行する複数のプラテンの影響を補償するプロセスモデルを示した図である。モデルの第１のフェーズ６００で、プラテン−１（６２０）に対する研磨製法６１０（ここでは６工程）が決定される（「第１研磨プロセス」）。予備研磨済みウェハの形成領域に対する入りウェハ厚さ、ディスク寿命およびパッド寿命などのプロセス入力データ６３０がモデルに入力される。ウェハが研磨され、ウェハ領域毎に最終ウェハ厚さ６４０が測定される。モデル展開の第２のフェーズ６４５への入力データとして、第１の研磨プロセスによる研磨後領域厚さ６４０が使用される。プラテン−２（６６０）で第２の研磨製法６５０が実行される。第２の研磨製法６５０は、プラテン−１（６２０）で実行される製法と同じ製法であっても、あるいは異なる製法であっても良い。また、モデルにはプラテン−２（６６０）に使用されているパッドおよび調整ディスクに関連するパッド寿命およびディスク寿命係数６５５が含まれている。最終厚さ測値６７０が測定され、モデル展開に使用される。したがって、本発明による方法は、ツール状態が異なる複数のプラテンに複数の研磨プロセスを必要とするモデルに適応することができ、また、プラテン−１およびプラテン−２にプラテン固有フィードバック６８０および６９０をそれぞれ提供することができる。モデルは著しく汎用性に富んでおり、高度に複雑な研磨シナリオに適応することができる。
本発明の少なくともいくつかの実施形態によれば、上述した方法で展開された初期モデルは、研磨プロセスのランツーラン一様性を制御し、かつ研磨製法を更新するためのフィードバックループを提供するべく、本発明の少なくともいくつかの実施形態に使用されている。
図５は、本発明の少なくともいくつかの実施形態が意図している、ＣＭＰ研磨操作に使用されるフィードバックループの工程系統図である。簡潔に表現すると、第１の研磨製法に従って１つまたは複数のウェハが処理される。ウェハ厚さプロファイルを得るべく、研磨済みウェハ全体に渡って厚さ測値が測定され、得られたウェハ厚さプロファイルは、モデルによって計算された予測ウェハ厚さプロファイルと比較される。測定したウェハ厚さプロファイルが所望する結果からの偏差を示している場合、最適化プロセスでこれらの偏差が使用され、研磨製法が更新される。次に、研磨製法を継続的に最適化するべく、フィードバックループにこの更新製法が使用され、それによりウイズインウェハ膜厚一様性が改善または維持される。
図５に示す処理工程系統図によれば、ステップ５００で、初期処理条件、例えば、所望のウェハ除去速度プロファイルを提供することができるツール状態およびウェハ状態が識別される。この初期条件は実験によって決定することができ、あるいは本発明による少なくとも１つの実施形態の処理モデルを使用することによって決定することができる。処理モデルを使用する場合、ステップ５１０に示すように、コントローラがこのモデルを使用して、入りプロファイルを所望の厚さを備えた目標平坦プロファイルに研磨するための工程時間および処理パラメータを計算することができる。ステップ５２０でＣＭＰツール内の初期研磨プロファイルに従ってウェハが研磨される。ステップ５３０で研磨済みウェハの厚さが測定され、予測厚さからの偏差が決定される。ステップ５４０で、偏差が確立済み裕度を超過しているかどうか判定される。偏差が許容範囲内である場合、研磨製法は何ら変更されず、コントローラはステップ５５０で既存の製法を再使用するべくツールに命令する。偏差が許容限度外である場合、ステップ５６０で新しい目標パラメータがセットされる。ステップ５７０で新しい目標パラメータがコントローラにフィードバックされ、予測値から偏差を考慮した更新モデルに従って研磨製法が最適化される。この研磨工程は反復することができ、研磨製法をさらに更新することができる。
本発明による少なくとも１つの実施形態に従ってＣＭＰプロセスをプロセス制御することにより、ウェハ表面全体に渡る一連の領域ｊに対するウェハ除去速度を最適化することができる。ウェハの領域ｊに対して個々に最適化することにより、表面全体に対するより優れた制御を達成することができ、延いてはより優れたウイズインウェハ一様性が達成される。
更新研磨製法を決定するための更新モデルの決定に使用することができる例示的最適化方法により、次の方程式の解が得られる。
Figure 2005520317
上式（４）で、ｘは、時間のベクトルおよび研磨製法に対応する他の処理パラメータである。ｇ（ｘ）は、方程式（１）〜（３）に関連して上で説明したＣＭＰプロセスのモデルであり、ｙspは、所望する平均領域ウェハ厚さのベクトルである。また、ｆ（ｙsp、ｇ（ｘ））は、モデル予測ｇ（ｘ）と所望する厚さｙspの間の偏差にペナルティを課すための関数である。
したがって、最適化方法は、予測値からの偏差を１００％補正する必要のないモデルを提案している。損失関数を使用することにより、測定パラメータまたは計算パラメータの不確実性を反映し、あるいは速すぎるパラメータ変化または大きすぎるパラメータ変化の影響をある程度「抑制」することができる。例えば、モデルは、測定された偏差を過剰補償し、それによりその過剰補償に反応するべく他の調整を強いることが可能である。それにより急激に変化するプロセスが最適化され、最適化された状態が実現する前にいくつかの相互作用が生じる。
この最適化方法に基づいて、研磨後のウェハ厚さが測定され、予測厚さと最終厚さの差が決定される。次に、予測最終厚さと実際の最終厚さがより緊密に整合するよう、偏りとしても知られている予測誤差がモデルに直線的に付加される。この偏りは個々の領域ｊに付加され、次の方程式で示すようにモデル化される。
ＦＴj＝ＩＴj−ＡＲj＋ｂj ・・・（５）
上式（５）で、ＦＴjは領域ｊの予測最終厚さであり、ＩＴjは領域ｊの入り厚さである。また、ＡＲjは、１組の製法パラメータが与えられた領域ｊから除去される予測量であり、ｂjは、領域ｊから除去される予測量と実際の除去量の間の差によって生じる偏り項である。モデル予測と実際の測値の差に基づいて、偏り項を使用してモデルを直線的に更新するプロセスは、本発明の少なくともいくつかの実施形態における少なくともいくつかのフィードバック制御部分である。
本発明の少なくともいくつかの実施形態では、フィードバック制御は、個々のプラテンの平均ツール状態を使用してプラテンを単一モデルに結合している。この単一モデルは、上で説明したフィードバック手法を使用して、異なるプラテン全体に何らかの所定の方法で偏り調整を割り当てることが可能である。
また、本発明の少なくともいくつかの実施形態では、フィードバック制御スキームには、フィードバックをすべてのプラテンに個別に分配するべく、最終厚さ測値が使用されている。
図６は、異なるプラテンが個々にモデル化され、モデル中に要素化される研磨プロセスをモデル化するための方法の１つを示した図である。個々のプラテンは個々に取り扱うことができるため、例えばパッド寿命およびディスク寿命などのツール状態およびアイドル時間をモデルに持たせることができ、また、フィードバックをプラテンおよび研磨製法に固有のフィードバックにすることができる。このフィードバック制御スキームは、異なる研磨製法が個々のプラテンで実行されている場合、とりわけ有用である。個々のプラテンを個々にモデル化することができるため、それにより他のプラテンの処理製法をそのままの状態に維持し、特定の１つのプラテンの処理製法を変更する（研磨プロセスにおける１つのステージの間に）ことができるため、より柔軟な処理が提供される。
本発明の少なくともいくつかの実施形態では、コントローラは、個々のキャリアヘッドに個別にフィードバックを印加している。個々のキャリアヘッドは独自の方法で実行し、研磨製法の更新に際して、個々のウェハキャリアの過去の性能を個別にレビューし、かつ、個別にレビューした結果に応じて更新パラメータを調整することができる。
フィードバック制御アルゴリズムおよびフィードフォワード制御アルゴリズムは、上記モデルに基づいて様々な方法を使用して上記制御プロセスに使用するべく構築されている。これらのアルゴリズムを使用することにより、帰納的パラメータ予測などの様々な方法を使用してパラメータを最適化することができる。帰納的パラメータ予測は、入出力データの受信と同時にモデルをオンラインにすることが望ましい場合に使用される。帰納的パラメータ予測は、適応制御または適応予測などのオンライン決定に適している。識別アルゴリズムおよび識別理論についての詳細については、例えば、非特許文献１を参照されたい。
本発明の少なくともいくつかの実施形態では、研磨製法は、モデルによって展開されるアルゴリズムの中で定義される離散増分すなわちステップで更新することができる。また、本発明の少なくともいくつかの実施形態では、更新研磨製法は、適切なパラメータへの補間によって決定することができる。
フィードフォワードループおよびフィードバックループを実施するために利用される追加装置には、ウェハ材料除去速度の計算に必要な厚さデータを提供するための膜厚測定（度量衡学）ツールが含まれている。膜厚測定ツールは、インライン測値、インサイチュー測値を提供するべく研磨装置上に配置することができ、あるいは研磨装置から離れた位置に置くこともできる。光、電気、音響または機械的測定方法を使用した膜厚測定ツールを使用することができる。適切な厚み測定デバイスは、Ｎａｎｏｍｅｔｒｉｃｓ（Ｃａｌｉｆｏｒｎｉａ州Ｍｉｌｐｉｔａｓ）またはＮｏｖａ Ｍｅａｓｕｒｉｎｇ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ（Ａｒｉｚｏｎａ州Ｐｈｏｅｎｉｘ）から入手することができる。コンピュータを利用することにより、本発明によって提供されるモデルおよびアルゴリズムを使用して、測定膜厚および計算除去速度に基づく最適パッド調整製法を計算することができる。適切な集積コントローラおよび研磨装置（ｉＡＰＣを備えたＭｉｒｒａまたはｉＡＰＣを備えたＭｉｒｒａ Ｍｅｓａ）は、Ｃａｌｉｆｏｒｎｉａ州にある本願特許出願人から入手することができる。
本明細書において考察した概念を使用して研磨することができる例示的半導体ウェハには、それらに限定されないが、ケイ素、タングステン、アルミニウム、銅、ＢＰＳＧ、ＵＳＧ、熱酸化膜、ケイ素関連膜、低ｋ誘電体およびそれらの混合物でできたウェハがある。
本発明は、任意の数の様々なタイプの従来型ＣＭＰ研磨パッドを使用して実践することができる。当分野には、一般にはウレタン製または他の重合体製の多数の研磨パッドが存在している。例示的研磨パッドには、Ｅｐｉｃ（商標）研磨パッド（Ｃａｂｏｔ Ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ、Ｉｌｌｉｎｏｉｓ州Ａｕｒｏｒａ）、Ｒｏｄｅｌ（登録商標）ＩＣ１０００、ＩＣ１０１０、ＩＣ１４００研磨パッド（Ｒｏｄｅｌ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ、Ｄｅｌａｗａｒｅ州Ｎｅｗａｒｋ）、ＯＸＰシリーズ研磨パッド（Ｓｙｃａｍｏｒｅ Ｐａｄ）、およびＴｈｏｍａｓ Ｗｅｓｔ Ｐａｄ７１１、８１３、８１５、８１５−Ｕｌｔｒａ、８１７、８２６、８２８、８２８−ＥＩ（Ｔｈｏｍａｓ Ｗｅｓｔ）がある。
また、任意の数の様々な種類の泥状物を本発明の態様と共に使用することができる。当分野には、一般に半導体ウェハ中の特定の種類の金属を研磨するようになされた多数のＣＭＰ研磨泥状物が存在している。例示的泥状物には、Ｓｅｍｉ−Ｓｐｅｒｓｅ（登録商標）（Ｓｅｍｉ−Ｓｐｅｒｓｅ（登録商標）１２、Ｓｅｍｉ−Ｓｐｅｒｓｅ（登録商標）２５、Ｓｅｍｉ−Ｓｐｅｒｓｅ（登録商標）Ｄ７０００、Ｓｅｍｉ−Ｓｐｅｒｓｅ（登録商標）Ｄ７１００、Ｓｅｍｉ−Ｓｐｅｒｓｅ（登録商標）Ｄ７３００、Ｓｅｍｉ−Ｓｐｅｒｓｅ（登録商標）Ｐ１０００、Ｓｅｍｉ−Ｓｐｅｒｓｅ（登録商標）Ｗ２０００およびＳｅｍｉ−Ｓｐｅｒｓｅ（登録商標）Ｗ２５８５として市販されている）（Ｃａｂｏｔ Ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ、Ｉｌｌｉｎｏｉｓ州Ａｕｒｏｒａ）、Ｒｏｄｅｌ ＩＬＤ１３００、Ｋｌｅｂｅｓｏｌシリーズ、Ｅｌｅｘｓｏｌ ＭＳＷ１５００、ＭＳＷ２０００シリーズ、ＣＵＳシリーズおよびＰＴＳ（Ｒｏｄｅｌ）がある。
図７は、本発明の少なくともいくつかの実施形態に使用するためのツール表現およびアクセス制御を備えたコンピュータシステムのブロック図である。コンピュータによる制御が可能な本発明の様々な態様は、図７に示すエンティティを含む任意の数の制御／コンピュータエンティティにすることができる（かつ／または図７に示すエンティティを含む任意の数の制御／コンピュータエンティティによって制御することができる）。
図７を参照すると、バス７５６は、システム７１１の他のコンポーネントを相互接続する主情報幹線通信路として機能している。ＣＰＵ１１５８はシステムの中央処理装置であり、本発明による実施形態のプロセスおよび他のプログラムを実行するために必要な計算および論理演算を実行している。リードオンリメモリ（ＲＯＭ）７６０およびランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）７６２は、システムの主記録装置を構成している。ディスクコントローラ７６４は、１つまたは複数のディスクドライブをシステムバス７５６にインタフェースしている。これらのディスクドライブは、例えば、フロッピー（登録商標）ディスクドライブ７７０であり、あるいはＣＤ ＲＯＭまたはＤＶＤ（ディジタルビデオディスク）ドライブ７６６であり、もしくは内部または外部ハードドライブ７５８である。これらの様々なディスクドライブおよびディスクコントローラは、任意選択デバイスである。
ディスプレイインタフェース７７２は、ディスプレイ７４８をインタフェースし、ディスプレイ７４８によるバス７５６からの情報の表示を可能にしている。ディスプレイ７４８は、グラフィカルユーザインタフェースの表示に使用することができる。上述したシステムの他のコンポーネントなどの外部デバイスとの通信は、例えば、通信ポート７７４を利用して実施することができる。外部デバイスと通信ポート７７４の間の移送媒体として、光ファイバおよび／または電気ケーブルおよび／または導線および／または光通信（例えば赤外線等）および／または無線通信（例えば無線周波数（ＲＦ）等）を使用することができる。周辺インタフェース７５４は、キーボード７５０およびマウス７５２をインタフェースし、バス７５６への入力データの送信を可能にしている。システム７１１は、これらのコンポーネントに加えて任意選択でさらに赤外線トランスミッタおよび／または赤外線レシーバを備えている。赤外線トランスミッタは、コンピュータシステムが、赤外線信号伝送を介してデータを送／受信する１つまたは複数の処理コンポーネント／ステーションと共に使用される場合に任意選択で利用される。コンピュータシステムは、赤外線トランスミッタまたはレシーバを利用する代わりに、任意選択で低出力無線トランスミッタ７８０および／または低出力無線レシーバ７８２を使用することもできる。低出力無線トランスミッタは、製造プロセスのコンポーネントが受信する信号を送信し、かつ、製造プロセスのコンポーネントからの信号を、低出力無線レシーバを介して受信している。低出力無線トランスミッタおよび／または低出力無線レシーバは、業界における標準デバイスである。
図７には、単一プロセッサ、単一ハードディスクドライブおよび単一局部記録装置を有するシステム７１１が示されているが、システム７１１は、任意の数または任意の組合せのプロセッサまたは記録装置を任意選択で適切に装備することができる。例えば、システム７１１は、本発明による実施形態の原理に従って動作する、高性能計算器、ハンドヘルドラップトップ／ノートブック小型メインフレームスーパコンピュータおよびその処理システムネットワークコンビネーションを含む任意の適切な処理システムとの置換またはそれらとの組合せが可能である。
図８は、コンピュータ可読コードまたは命令の記録に利用することができる例示的コンピュータ読み取り可能な記録媒体を示した図である。一例として、記録媒体８８４は、図７に示すディスクドライブと共に使用することができる。通常、フロッピー（登録商標）ディスクあるいはＣＤ ＲＯＭもしくはディジタルビデオディスクなどの記録媒体には、例えば、１バイト言語のための多重バイトロケール（multi-byte locale）および上記システムを制御するためのプログラム情報が含まれており、コンピュータによる、本明細書において説明した機能の実行を可能にしている。他の方法としては、図７に示すＲＯＭ７６０および／またはＲＡＭ７６２を使用して、瞬時処理（instant process）に関連するオペレーションを実行するべく中央処理装置１１５８に命令するために使用されるプログラム情報を記録することもできる。情報を記録するための適切なコンピュータ読み取り可能な記録媒体の他の例には、磁気記録装置、電子記録装置、光（ホログラフィックを含む）記録装置、それらのいくつかの組合せ等がある。また、本発明の少なくともいくつかの実施形態では、記録媒体を伝送の形態（例えば、ディジタル信号または伝搬信号）にすることが意図されている。
一般的には、本発明による実施形態の様々なコンポーネントは、ハードウェア、ソフトウェアまたはそれらの組合せで実施することができることを強調しておかなければならない。このような実施形態では、様々なコンポーネントおよびステップは、本発明による機能を実行するべく、ハードウェアおよび／またはソフトウェアで実施することができる。本発明によるこのような実施形態には、現在利用可能な、あるいは将来的に開発される任意のコンピュータソフトウェア原語および／または任意のハードウェアコンポーネントを使用することができる。例えば、上述した機能の少なくともいくつかは、使用する１つまたは複数のプロセッサの観点から適切であるＣ原語、Ｃ＋＋原語または任意のアセンブリ原語を使用して実施することができる。また、Ｊａｖａ（登録商標）などの解釈環境で作成し、様々なユーザに対して複数の宛先に移送することも可能である。
以上、本明細書において本発明の開示が組み込まれた様々な実施形態を示し、かつ、詳細に説明したが、当分野技術者には、これらの開示が組み込まれた他の多くの変形実施形態を容易に工夫することができよう。
１つまたは複数の基板を研磨するための典型的なＣＭＰ装置の斜視図である。 研磨製法における一連の研磨工程に対する基板表面全体の酸化物材料除去（Å）をプロットしたグラフを示す図である。 モデル展開の概要を示す工程系統図である。 厚さプロファイルモデル用に形成された領域を示すウェハを示す略図である。 本発明の少なくともいくつかの実施形態が意図している、ＣＭＰ研磨操作に使用されるフィードバックループの工程系統図である。 本発明の少なくともいくつかの実施形態が意図している、異なる研磨製法を備えた２つのプラテンを使用したＣＭＰプロセスのためのモデル展開を示す略図である。 本発明の少なくともいくつかの実施形態に使用するためのツール表現およびアクセス制御を備えたコンピュータシステムのブロック図である。 本発明の少なくともいくつかの実施形態によるソフトウェアの様々な部分を記録することができるフロッピー（登録商標）ディスクを示す図である。

Claims (32)

  1. 研磨操作における一様なウェハ厚さのプロファイル生成方法を有する半導体ウェハの表面平坦化方法であって、前記プロファイル生成方法が、
    （ａ）複数の領域をウェハ上に形成し、かつ研磨工程における個々の領域のウェハ材料の除去速度を識別するウェハ研磨モデルを提供するステップと、
    （ｂ）個々の領域に対する目標厚さプロファイルを生成する研磨製法を使用してウェハを研磨するステップと
    を備えたことを特徴とする半導体ウェハの表面平坦化方法。
  2. 研磨操作におけるウェハ表面の非一様性制御方法を有する半導体ウェハの表面平坦化方法であって、前記非一様性制御方法が、
    （ａ）複数の領域をウェハ上に形成し、かつ研磨プロセスの研磨工程における個々の領域のウェハ材料除去速度を識別するウェハ研磨モデルを提供するステップであって、前記研磨プロセスが複数の研磨工程を有するステップと、
    （ｂ）入りウェハ厚さプロファイルに基づく第１の研磨製法を使用してウェハを研磨するステップと、
    （ｃ）前記ステップ（ｂ）の研磨後におけるウェハのウェハ厚さプロファイルを決定するステップと、
    （ｄ）目標ウェハ厚さプロファイルを維持するべく、前記ステップ（ｃ）の前記ウェハ厚さプロファイル及び前記ステップ（ａ）の前記モデルに基づく更新研磨製法を計算するステップと
    を備えたことを特徴とする半導体ウェハの表面平坦化方法。
  3. 前記第１の研磨製法は、前記目標ウェハ厚さプロファイルを得るべく前記ステップ（ａ）の前記モデルに基づいていることを特徴とする請求項２に記載の半導体ウェハの表面平坦化方法。
  4. 前記第１の研磨製法は、実験によって決定されることを特徴とする請求項２に記載の半導体ウェハの表面平坦化方法。
  5. 前記ステップ（ａ）のモデルの前記複数の領域は、前記ウェハの中心点から半径方向を外側に向かって延びた領域を備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体ウェハの表面平坦化方法。
  6. 前記モデルは、４つ以上の領域を備えることを特徴とする請求項５に記載の半導体ウェハの表面平坦化方法。
  7. 前記ステップ（ｂ）の研磨は、複数の研磨ステーションで前記ウェハを研磨するステップを含むことを特徴とする請求項１に記載の半導体ウェハの表面平坦化方法。
  8. 前記研磨ステップは、３つの研磨ステーションで実施されることを特徴とする請求項７に記載の半導体ウェハの表面平坦化方法。
  9. 少なくとも２つの研磨ステーションの前記研磨製法が同じであることを特徴とする請求項７に記載の半導体ウェハの表面平坦化方法。
  10. 少なくとも２つの研磨ステーションの前記研磨製法が異なることを特徴とする請求項７に記載の半導体ウェハの表面平坦化方法。
  11. 前記ステップ（ｄ）の更新研磨製法の計算は、前記複数の研磨ステーションの各々に対する更新研磨製法を計算するステップを含むことを特徴とする請求項１に記載の半導体ウェハの表面平坦化方法。
  12. 前記複数の研磨ステーションの各々に対する前記更新研磨製法は、個々の研磨ステーションのツール状態を補償することを特徴とする請求項１１に記載の半導体ウェハの表面平坦化方法。
  13. 前記ステップ（ｂ）の研磨は、複数の研磨ステーションで実行され、連続する研磨ステーションの各々に対する前記ウェハ厚さプロファイルは、先行するステーションからの予測によって提供されることを特徴とする請求項９又は１０に記載の半導体ウェハの表面平坦化方法。
  14. ウェハ磨済モデルを提供する前記ステップは、
    （ｅ）１つ又は複数のウェハ上に形成されている複数の領域の各々の予備研磨済みウェハ厚さを測定するステップと、
    （ｆ）前記１つ又は複数のウェハを複数の研磨工程で研磨するステップと、
    （ｇ）前記ステップ（ｆ）における個々の研磨工程の後、前記複数の領域の各々における前記１つ又は複数のウェハに対する前記ウェハ材料除去速度を測定するステップと、
    （ｈ）研磨有効性に対するツール状態の影響を明確にするモデルを提供するステップと、
    （ｉ）前記個々の領域に対する前記予備研磨済み及び研磨後のウェハ厚さを記録媒体に記録するステップと
    を備えたことを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体ウェハの表面平坦化方法。
  15. 前記ウェハの１つの領域の前記材料の除去速度と重要な研磨パラメータの間の関係を確立する線形又は非線形曲線にデータを当てはめるステップを備えたことを特徴とする請求項１４に記載の半導体ウェハの表面平坦化方法。
  16. 前記研磨パラメータは、研磨時間からなることを特徴とする請求項１４に記載の半導体ウェハの表面平坦化方法。
  17. 前記研磨パラメータは、研磨時間、研磨パッドダウンフォース及び速度、泥状物流量及び組成、調整時間、調整ディスクダウンフォース及び速度、調整ディスク及びウェハキャリアの両方の発振速度からなるグループから選択されるパラメータからなることを特徴とする請求項１６に記載の半導体ウェハの表面平坦化方法。
  18. 前記ステップ（ａ）のモデルにおける領域ｊ（ＡＲ’j）に対する前記ウェハ除去は、ｘ1、ｘ2、ｘ3、ｘ4及びｘ5が、それぞれ研磨工程１、２、３、４及び５の追加パラメータ値であり、ｔ1、ｔ2、ｔ3、ｔ4及びｔ5が、それぞれ研磨工程１、２、３、４及び５の研磨時間であり、また、ｃa1jが領域ｊの研磨工程ａにおける変数ｘのウェハ除去に対する寄与を表し、ｃa2jが、研磨工程ａにおける研磨時間のウェハ除去に対する寄与を表す方程式、
    ＡＲ’j＝（ｃ11j≒ｘ1＋ｃ12j）≒ｔ1＋（ｃ21j≒ｘ2＋ｃ22j）≒ｔ2＋（ｃ31j≒ｘ3＋ｃ32j）≒ｔ3＋（ｃ41j≒ｘ4＋ｃ42j）≒ｔ4＋（ｃ51j≒ｘ5＋ｃ52j）≒ｔ5
    に従って決定されることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体ウェハの表面平坦化方法。
  19. 前記ウェハ材料除去速度プロファイルは、項ｔp及びｔdがそれぞれ時間を単位としたパッド及びディスクの寿命を表し、項ｋp、ｋd及びｋpdが実験的に決定される、パッド及びディスクの寿命を除去速度に関連付ける係数であるスケーリング因子、
    （１＋ｋp・ｔp＋ｋd・ｔd＋ｋpd・ｔp・ｔd）
    を使用してプロファイルをスケーリングすることによってツール状態を補償することを特徴とする請求項１８に記載の半導体ウェハの表面平坦化方法。
  20. 更新研磨製法は、ｘが時間のベクトル及び前記研磨製法に対応する他の処理パラメータであり、ｇ（ｘ）が前記研磨プロセスのモデルであり、ｙspが所望する平均領域ウェハ厚さのベクトルであり、また、ｆ（ｙsp、ｇ（ｘ））がモデル予測ｇ（ｘ）と所望する厚さのｙspの間の偏差にペナルティを課すための損失関数である方程式、
    Figure 2005520317
     を解くことによって得られることを特徴とする請求項２に記載の半導体ウェハの表面平坦化方法。
  21. ウェハ厚さプロファイルのモデル決定方法を有する半導体ウェハの表面平坦化方法であって、前記モデル決定方法が、
    （ａ）１つ又は複数のウェハ上に形成された複数の領域の各々の予備研磨済みウェハ厚さを測定するステップと、
    （ｂ）前記１つ又は複数のウェハを複数の研磨工程で研磨するステップと、
    （ｃ）前記ステップ（ｂ）における個々の研磨工程の後、前記複数の領域の各々における前記１つ又は複数のウェハに対するウェハ材料除去速度を測定するステップと、
    （ｄ）研磨有効性に対するツール状態の影響を明確にするモデルを提供するステップと、
    （ｅ）前記個々の領域に対する前記予備研磨済み及び研磨後のウェハ厚さを記録媒体に記録するステップと
    を備えたことを特徴とする半導体ウェハの表面平坦化方法。
  22. 前記ウェハの１つの領域の前記材料除去速度と重要な研磨パラメータの間の関係を確立する線形又は非線形曲線にデータを当てはめるステップを備えたことを特徴とする請求項２１に記載の半導体ウェハの表面平坦化方法。
  23. 前記研磨パラメータは、研磨時間からなることを特徴とする請求項２２に記載の半導体ウェハの表面平坦化方法。
  24. 前記研磨パラメータは、研磨時間、研磨パッドダウンフォース及び速度、泥状物流量及び組成、調整時間、調整ディスクダウンフォース及び速度、調整ディスク及びウェハキャリアの両方の発振速度からなるグループから選択されるパラメータからなることを特徴とする請求項２３に記載の半導体ウェハの表面平坦化方法。
  25. 前記ステップ（ａ）の前記モデルにおける領域ｊ（ＡＲ’j）に対する前記ウェハ材料除去は、ｘ1、ｘ2、ｘ3、ｘ4およびｘ5が、それぞれ研磨工程１、２、３、４及び５の追加パラメータ値であり、ｔ1、ｔ2、ｔ3、ｔ4及びｔ5が、それぞれ研磨工程１、２、３、４及び５の研磨時間であり、また、ｃa1jが領域ｊの研磨工程ａにおける変数ｘのウェハ除去に対する寄与を表し、ｃa2jが、研磨工程ａにおける研磨時間のウェハ除去に対する寄与を表す方程式、
    ＡＲ’j＝（ｃ11j≒ｘ1＋ｃ12j）≒ｔ1＋（ｃ21j≒ｘ2＋ｃ22j）≒ｔ2＋（ｃ31j≒ｘ3＋ｃ32j）≒ｔ3＋（ｃ41j≒ｘ4＋ｃ42j）≒ｔ4＋（ｃ51j≒ｘ5＋ｃ52j）≒ｔ5
    に従って決定されることを特徴とする請求項２１に記載の半導体ウェハの表面平坦化方法。
  26. 前記ウェハ材料除去速度プロファイルは、項ｔp及びｔdがそれぞれ時間を単位としたパッド及びディスクの寿命を表し、項ｋp、ｋd及びｋpdが実験的に決定される、パッド及びディスクの寿命を除去速度に関連付ける係数であるスケーリング因子、
    （１＋ｋp・ｔp＋ｋd・ｔd＋ｋpd・ｔp・ｔd）
    を使用してプロファイルをスケーリングすることによってツール状態を補償することを特徴とする請求項２１に記載の半導体ウェハの表面平坦化方法。
  27. 前記モデルが、最大９枚のウェハを使用して決定されることを特徴とする請求項２２に記載の半導体ウェハの表面平坦化方法。
  28. 基板の平坦化に使用される研磨パッドの調整装置を有する半導体ウェハの表面平坦化装置であって、前記調整装置が、
    複数の研磨パッドの複数の平坦化表面に対して位置決め可能な、ウェハを保持するための複数のアームを有するキャリアアセンブリと、
    研磨プロセスの動作パラメータを制御することができる制御手段と、
    該制御手段に動作結合された、前記研磨プロセスの前記動作パラメータをウェハ厚さプロファイルのモデルの関数として調整するべく前記制御手段を動作させるコントローラとを備え、前記モデルは、
    複数の領域をウェハ上に形成し、かつ研磨プロセスの研磨工程における個々の前記領域のウェハ材料除去速度を識別する研磨モデルを形成するステップであって、前記研磨プロセスが複数の研磨工程を含むステップを備えたことを特徴とする半導体ウェハの表面平坦化装置。
  29. 前記ウェハ材料の除去速度モデルにおける領域ｊ（ＡＲ’j）に対するウェハ除去を形成する前記モデルは、ｘ1、ｘ2、ｘ3、ｘ4及びｘ5が、それぞれ研磨工程１、２、３、４及び５の追加パラメータ値であり、ｔ1、ｔ2、ｔ3、ｔ4及びｔ5が、それぞれ研磨工程１、２、３、４及び５の研磨時間であり、また、ｃa1jが領域ｊの研磨工程ａにおける変数ｘのウェハ除去に対する寄与を表し、ｃa2jが研磨工程ａにおける研磨時間のウェハ除去に対する寄与を表す方程式、
    ＡＲ’j＝（ｃ11j≒ｘ1＋ｃ12j）≒ｔ1＋（ｃ21j≒ｘ2＋ｃ22j）≒ｔ2＋（ｃ31j≒ｘ3＋ｃ32j）≒ｔ3＋（ｃ41j≒ｘ4＋ｃ42j）≒ｔ4＋（ｃ51j≒ｘ5＋ｃ52j）≒ｔ5
    に従って決定されることを特徴とする請求項２８に記載の半導体ウェハの表面平坦化装置。
  30. コンピュータによって実行される命令機能をプログラムしたコンピュータ読み取り可能な記録媒体であって、前記命令機能には、化学機械研磨プロセスのためのコンピュータ実施ソフトウェアアプリケーションが含まれ、また、前記プロセスを実施するための前記命令機能には、
    （ａ）化学機械研磨プロセスで処理する少なくとも１つのウェハのウェハ除去速度に関連するデータを化学機械研磨ツールから受け取るステップと、
    （ｂ）前記ステップ（ａ）で受け取ったデータから更新研磨製法を計算するステップであって、ウェハ材料の除去速度モデルの出力とステップ（ａ）で受け取った前記データの差を決定することによって前記更新研磨製法を計算するステップとを含まれていることを特徴とするコンピュータ読み取り可能な記録媒体。
  31. 前記ウェハ材料除去速度のモデルは、複数の領域をウェハ上に形成し、かつ研磨プロセスの研磨工程における前記個々の領域に対する前記ウェハ材料の除去速度を識別し、前記研磨プロセスは複数の研磨ステップを含むことを特徴とする請求項３０に記載のコンピュータ読み取り可能な記録媒体。
  32. 前記ウェハ材料除去速度のモデルにおける領域ｊ（ＡＲ’j）に対する前記ウェハ除去は、ｘ1、ｘ2、ｘ3、ｘ4及びｘ5が、それぞれ研磨工程１、２、３、４及び５の追加パラメータ値であり、ｔ1、ｔ2、ｔ3、ｔ4及びｔ5が、それぞれ研磨工程１、２、３、４及び５の研磨時間であり、また、ｃa1jが領域ｊの研磨工程ａにおける変数ｘのウェハ除去に対する寄与を表し、ｃa2jが、研磨工程ａにおける研磨時間のウェハ除去に対する寄与を表す方程式、
    ＡＲ’j＝（ｃ11j≒ｘ1＋ｃ12j）≒ｔ1＋（ｃ21j≒ｘ2＋ｃ22j）≒ｔ2＋（ｃ31j≒ｘ3＋ｃ32j）≒ｔ3＋（ｃ41j≒ｘ4＋ｃ42j）≒ｔ4＋（ｃ51j≒ｘ5＋ｃ52j）≒ｔ5
    に従って決定されることを特徴とする請求項３０に記載のコンピュータ読み取り可能な記録媒体。
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