JP4880512B2 - モデル予測制御を用いた、半導体製作における個別部品の生産を制御するための方法およびコントローラ装置 - Google Patents
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Description
ここでykはバッチkにおける出力、Bはプロセスのゲイン、uk|k-1はバッチk−1までの情報から算出されたバッチkにおける入力、ck|k-1は切片に対する推定値、ekはシステムに入る未知のプロセスノイズである。典型的には、システムのゲインおよび切片の初期値は設計された実験から先験的にモデル化される。
ck|k-1=λ*(yk-1−B*uk-1|k-2)+(1−λ)*ck-1|k-2 [2]
ここでλはオブザーバの指数的な重み付け因子または調整パラメータである。重み付け因子λは0から1の値をとり、オブザーバの所望の特性に基づいて選択される。更新された切片を用いて、バッチkに対する入力(uk|k-1)は以下の関係から決定される。
ここでTは目標の出力の厚みである。
切片に対する新たな予測は次の式から得られる。
EWMAおよびPCCコントローラを用いても、ツール出力のばらつきは半導体製作およびデバイスの性能になおも大きな悪影響を与える。半導体デバイスの大きさがさらに減少することによってこの悪影響の重要性も増す。その結果、半導体製造業者は半導体ウェハの製造をより正確に制御するためのシステムおよび方法を求めている。
ツール入力および前のツールプロセス状態に関連付けるモデルに依存する最適化方程式を最小化することによって定められる。次いでツール入力は第2のウェハ1処理分を処理するために製造ツールに与えられる。この態様で、その後の処理分に対するツール入力の決定においてツールによる処理またはツールの寿命が考慮に入れられる。このことによって1処理分ごとのツール出力のばらつきを減少でき、最終的に形成された半導体デバイスの特性を改善できる。そのツールはたとえば化学機械研磨ツールであってもよく、ツール出力は1処理分のためのCMPツールに関する研磨後のウェハ層の厚みであり、そのツール入力は研磨時間である。
この発明は一般的に、モデル予測制御を用いて半導体ウェハの製造を1処理分ごとに制御するためのシステムおよび方法を提供する。この発明は、化学機械研磨(CMP)ツールによる絶縁層などのウェハ層の研磨後の厚みを制御するために特に好適である。
ルの研磨アームのキャリアヘッドに載せられ、ウェハ群は予め定められた研磨時間を用いて研磨され、各ウェハのウェハ層の少なくとも一部分が取除かれる。研磨時間はブロック310においてコントローラ230によって算出されるか(後述)、または最初の1処理分に対してはオペレータが予め定めてもよい。研磨は典型的には、各アーム上に予め定められた下向きの力を用いて、予め定められたテーブル速度にて行なわれる。しかし所望の場合には、コントローラ230を用いて各アームの下向きの力を定めてもよい。マルチアーム研磨ツールの研磨アームにおける下向きの力を制御する技術については、代理人書類番号11729.219US01の、「多数アーム研磨ツールを制御するためのシステムおよび方法(System and Method for Controlling a Multi-Arm Polishing Tool)」と題する同時出願の、同一の譲受人に譲渡された米国特許出願に記載されており、その内容をここに引用により援用する。
zk+1は1処理分k+1において除去される材料の予測量であり、zkは1処理分k+1において除去される材料の量であり、ukは研磨時間入力(例、研磨時間または公称研磨時間からの偏差)を表わし、wkはプロセスのノイズを表わし、aはプロセスが時間またはドリフトにわたって変化するあらゆる傾向を説明し、bは研磨時間入力を材料の除去量に関係付けるものである。項azkを使用し、パッドの劣化からくるツールのドリフトなどのプロセス力学を考慮に入れて、研磨時間入力がこうしたプロセス力学に基づいて定められるようにすることが有利である。固定された係数aは将来の研磨プロセスにおける1つの研磨プロセスの効果を考慮したメモリ効果係数として見てもよい。
ここでfk+1は1処理分k+1において予測される入来する厚みであり、fkは1処理分kにおける入来する厚みである。典型的には、入来する厚みレベルfkは1処理分kにおいて処理されたウェハの入来する厚みの平均値である。要素αは上流プロセスにおけるドリフト(たとえば蒸着ツールにおけるドリフト)を説明する。多くの適用に対してαは1に等しくてもよく、これは次に入来する厚みfk+1の最良の推定値は最後に入来した厚みfkであることを示す。このような測定されたフィードフォワード外乱(disturbance)モデルを用いることによって、コントローラの性能をさらに上げることができる。
ここでdk+1およびdkは、それぞれ1処理分k+1およびkにおける未知の外乱である。典型的には、1処理分kにおけるツールに対する未知の外乱レベル(dk)は、1処理分kに対して期待される研磨後の厚みレベルと測定された研磨後の厚みレベルとの差である。値dkは、所望のときにはフィルタリングされてもよい。要素βは未知の外乱におけるドリフトを説明するために用いられてもよい。多くの適用に対してβは1に等しくてもよく、これは次に入来する未知の外乱dk+1の最良の推定値は最後の未知の外乱dkであることを示す。このような未知の外乱モデルを用いることによってコントローラの性能をさらに促進できる。
fk+1=fk [10]
dk+1=dk
システムの出力の研磨後の厚みykは次の式によってモデルされる。
Claims (20)
- 半導体製作設備における半導体研磨ツールの1処理分ごとの制御のための方法であって、前記方法はコントローラによって使用され、ツール出力はウェハを処理する前記半導体研磨ツールの結果を特徴付けるパラメータであり、ツール入力は前記半導体研磨ツールの制御局面を特徴付けるパラメータであり、前記方法は、
第1のウェハ1処理分に基づいて、前記半導体研磨ツールの実際のツール出力を定めるステップと、
前記コントローラにより、前記実際のツール出力の関数として少なくとも一つの将来の処理分についての前記半導体製造の予測されるツール出力を定めるステップと、
前記実際のツール出力と前記予測されるツール出力との間の予め定められた関係を含むウェハプロセスモデルに基づく方程式を解くことによって、前記コントローラが、その後のウェハ1処理分に対する前記半導体研磨ツールのツール入力を定めるステップとを含み、前記モデルは、前記少なくとも一つの将来の処理分における一つ又はそれ以上の制約を受けており、
前記ツール入力を前記半導体研磨ツールに与えることによって前記その後のウェハ1処理分を処理するステップを含む、方法。 - 前記ツール入力を定めるステップは、2つまたはそれ以上の将来の処理分の関数である、請求項1に記載の方法。
- 前記モデルはツール入力の変化の割合の関数である、請求項1に記載の方法。
- 前記モデルはツール入力の関数である、請求項3に記載の方法。
- 前記モデルは、ツール出力に対する重み付け係数とツール入力の変化の割合とを含む、請求項3に記載の方法。
- 前記ツール出力を定めるステップは、前記第1のウェハ1処理分における各ウェハに対する個々のツール出力を平均化するステップを含む、請求項1に記載の方法。
- 前記モデルは次の関係を含み、
zk+1=f(azk,buk)
zk+1は1処理分k+1に対して予測されるツール出力を表わし、zkは1処理分kにおける前記実際のツール出力を表わし、ukは1処理分kに対する前記ツール入力を表わし、係数aはツールのドリフトに関連する固定された係数を表わし、係数bはツール入力ukを予測されるツール出力zk+1に関連付ける係数を表わす、請求項1に記載の方法。 - 前記モデルはフィードフォワード外乱モデルをさらに含み、前記フィードフォワード外乱モデルは、ウェハを処理する一つ以上の他のツールから前記半導体研磨ツールに入力されるウェハのばらつきを表わす、請求項7に記載の方法。
- 前記モデルは未知の状態外乱モデルをさらに含み、前記未知の状態外乱モデルは前記半導体研磨ツールに入力されるウェハのばらつきを表わす、請求項7に記載の方法。
- 前記実際のツール出力は除去された材料の量を表わし、前記ツール入力は研磨時間を表わし、前記予測されるツール出力は、将来の1処理分において除去されるべき予測される材料の量を表わす、請求項1に記載の方法。
- 半導体研磨ツールを制御するための1処理分ごとのコントローラ装置であって、前記コントローラ装置はコンピュータベースの回路装置を有し、ツール出力はウェハを処理する前記半導体研磨ツールの出力を特徴付けるパラメータであり、ツール入力は前記半導体研磨ツールの制御局面を特徴付けるパラメータであり、前記コントローラ装置は、
前記コンピュータベースの回路装置の一部として、第1のウェハ1処理分に基づいて前記半導体研磨ツールの実際のツール出力を定める手段と、
前記コンピュータベースの回路装置の一部として、前記実際のツール出力の関数として少なくとも一つの将来の処理分についての前記半導体研磨ツールの予測されるツール出力を定める手段と、
前記コンピュータベースの回路装置の一部として、前記実際のツール出力と前記予測されるツール出力との間の予め定められた関係を含むウェハプロセスモデルに基づく方程式を解くことによってその後のウェハ1処理分に対する前記半導体研磨ツールのツール入力を定める手段とを含み、前記モデルは、前記少なくとも一つの将来の処理分における一つ又はそれ以上の制約を受けており、さらに、
前記コンピュータベースの回路装置の一部として、前記ツール入力を前記半導体研磨ツールに与えることによって前記その後のウェハ1処理分を処理する手段を含む、コントローラ装置。 - 前記ツール入力を定める手段は、2つまたはそれ以上の将来の処理分に基づく、請求項11に記載のコントローラ装置。
- 前記モデルはツール出力の重み付けされた関数に基づく、請求項11に記載のコントローラ装置。
- 前記モデルはツール入力の変化の割合の重み付けされた関数である、請求項13に記載のコントローラ装置。
- 前記モデルはツール入力の重み付けされた関数である、請求項14に記載のコントローラ装置。
- 前記ツール出力を定める手段は、前記第1のウェハ1処理分における各ウェハに対する個々のツール出力を平均化する手段を含む、請求項11に記載のコントローラ装置。
- 前記モデルは次の関係を含み、
zk+1=f(azk,buk)
zk+1は1処理分k+1に対して予測されるツール出力を表わし、zkは1処理分kにおける実際のツール出力を表わし、ukは1処理分kに対する前記実際のツール入力を表わし、係数aはツールのドリフトに関連する固定された係数を表わし、係数bはツール入力ukを予測されるツールzk+1に関連付ける係数を表わす、請求項11に記載のコントローラ装置。 - 前記モデルはフィードフォワード外乱モデルをさらに含み、前記フィードフォワードモデルは、ウェハを処理する一つ以上の他のツールから前記半導体研磨ツールに入力されるウェハのばらつきを表わす、請求項17に記載のコントローラ装置。
- 前記モデルは未知の状態外乱モデルをさらに含み、前記未知の状態外乱モデルは前記半導体研磨ツールに入力されるウェハのばらつきを表わす、請求項17に記載のコントローラ装置。
- 前記実際のツール出力は除去された材料の量を表わし、前記ツール入力は研磨時間を表わし、前記予測されるツール出力は、将来の1処理分において除去されるべき予測される材料の量を表わす、請求項11に記載のコントローラ装置。
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