KR100517671B1 - 다수 암 연마 툴을 제어하는 시스템 및 방법 - Google Patents

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Abstract

다수의 암들을 갖는 연마 툴을 제어하는 시스템 및 방법이 개시된다. 일 실시예에 따르면, 제 1 웨이퍼 런에 기초하여 각 암에 대한 제 1 제거율이 결정된다. 이후, 각 암에 대한 하향력 조정 입력이 암들에 대한 프로세스 모델에 기초하여 결정되는바, 상기 프로세스 모델은 각각의 제 1 제거율을 이용하여 소정의 암에 대한 제거율을 상기 각 암에 대한 하향력 조정들에 관련시킨다. 각 암에 대한 하향력 조정 입력은 후속 런을 연마하기 위해 연마 툴에 제공된다. 이와 같이, 본 발명의 방법은 하향력 조정들에 대한 각 암의 제거율의 의존성을 모든 암들에 대해 고려한다. 이는 암들 간의 제거율 편차 및 웨이퍼 로트들 간의 제거율 편차를 줄임으로써, 최종적으로 형성되는 반도체 디바이스들의 특성을 향상시킨다.

Description

다수 암 연마 툴을 제어하는 시스템 및 방법{SYSTEM AND METHOD FOR CONTROLLING A MULTI-ARM POLISHING TOOL}
본 발명은 일반적으로 반도체 웨이퍼들의 평탄화에 관한 것으로서, 특히 다수의 암들을 갖는 연마 툴을 제어하는 시스템 및 방법에 관한 것이다.
화학 기계적인 연마(CMP)는 반도체 웨이퍼들 위의 실리콘 산화물 및 다른 종류의 층들의 평탄화 수단으로서 널리 이용된다. 화학 기계적인 연마는 전형적으로 알칼리성 또는 산성 용액에 용해된 연마제 슬러리를 이용하여, 화학 기계적인 작용의 결합을 통해 웨이퍼의 표면을 평탄화한다. 전형적인 화학 기계적인 연마 툴은 연마 패드가 장착된 회전가능한 원형 압반(rotatable circular platen) 또는 테이블을 포함하며, 연마 장치가 상기 연마 패드 위에 위치된다. 상기 연마 장치는 1개 이상의 회전 캐리어 헤드들을 포함하며, 웨이퍼들은 전형적으로 진공 압력을 이용하여 상기 헤드들에 고정될 수 있다. 이용시, 압반이 회전되어, 연마 패드 위에 연마제 슬러리가 발라진다. 일단 연마 패드 위에 슬러리가 발라지면, 회전 캐리어 헤드 각각에 하향력(downforce)이 가해져, 그 웨이퍼를 연마 패드에 압착시킨다. 웨이퍼가 연마 패드에 압착되면, 웨이퍼의 표면이 화학 기계적으로 연마된다.
반도체 디바이스들의 규모가 작아짐에 따라, 제조 공정에 있어서 화학 기계적인 평탄화의 중요성이 증가한다. 특히, 웨이퍼들 간의 제거율(removal rate)의 편차를 제어하는 것이 점점 중요해지고 있다. 제거율의 편차는 연마되는 층들의 두께에 영향을 미친다. 층 두께들에 있어서의 편차는, 예를 들어 리소그래피와 같은 이후의 제조 단계들에 악영향을 미치며, 디바이스 성능을 저하시킨다. 문제를 더욱 복잡하게 하는 것은, 연마 툴의 복잡성이 또한 증가한다는 것이다. 예를 들어, 화학 기계적인 연마 툴은 단일 암 연마 툴로부터, 예를 들어 5개의 웨이퍼들을 동시에 연마하는 다수 암 연마 툴로 변천되었다. 다수의 연마 암들의 이용 또한 웨이퍼들 간의 제거율의 편차의 원인이 된다. 화학 기계적인 평탄화의 중요성 및 복잡성이 증가함에 따라, 반도체 제조업자들은 화학 기계적인 연마 툴들을 제어하는 시스템 및 방법을 요구하고 있다.
도 1은 다수의 연마 암들을 갖는 종래의 연마 툴을 도시한다.
도 2는 종래의 연마 기술을 이용하여 암들 간의 제거율의 편차를 나타낸 그래프이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 예시적인 연마 시스템을 도시한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 연마 툴을 제어하는 예시적인 프로세스를 나타낸 흐름도이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따라 연마 툴을 제어하는 예시적인 프로세스를 나타낸 흐름도이다.
도 6은 예시적인 제어 시스템의 성능 이득을 도시한다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 예시적인 연마 시스템을 예시한다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 연마 툴을 제어하는 예시적인 프로세스를 나타낸 흐름도이다.
본 발명은 다수의 암들을 갖는 연마 툴을 제어하는 시스템 및 방법을 제공한다. 일 실시예에 따른 방법은, 제 1 웨이퍼 런에 기초하여 각 암에 대한 제 1 제거율을 결정하는 단계와; 암들에 대한 프로세스 모델(process model)에 기초하여 각 암에 대한 하향력 조정 입력을 결정하는 단계와, 여기서 상기 프로세스 모델은 각각의 제 1 제거율을 이용하여 소정의 암에 대한 제거율을 각 암의 하향력 조정에 관련시키며; 그리고 후속 런을 연마하기 위해 각 암에 대한 하향력 조정 입력을 연마 툴에 제공하는 단계를 포함한다. 이러한 방식으로, 상기 방법은 모든 암들에 대해 하향력 조정들에 대한 각 암의 제거율 의존성을 고려한다. 이는 암들 간의 제거율 편차 및 웨이퍼들 간의 제거율 편차를 감소시킬 수 있으며, 최종적으로 형성되는 반도체 디바이스들의 특성을 향상시킨다.
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본 발명의 다른 실시예에 따른 연마 시스템은 다수 암들을 갖는 연마 툴, 및 이 연마 툴에 연결되어, 웨이퍼들 위의 층들의 연마전 두께 및 연마후의 두께를 측정하는 1개 이상의 계측 툴들을 포함한다. 연마 시스템은 또한, 상기 연마 툴 및 1개 이상의 계측 툴들에 결합된 제어기를 포함한다. 제어기는 제 1 웨이퍼 런의 웨이퍼들의 측정된 연마전 두께 및 연마후 두께 정보를 수신하고, 측정된 연마전 및 연마후 두께를 이용하여 각 암에 대한 제거율을 결정하며, 암들에 대한 프로세스 모델에 기초하여 각 암에 대한 하향력 조정 입력을 결정하고, 여기서 상기 프로세스 모델은 상기 각각의 제 1 제거율을 이용하여 소정의 암에 대한 제거율을 각 암에 대한 하향력 조정들에 관련시키며, 그리고 후속 런을 연마하기 위해 각 암에 대한 하향력 조정 입력을 연마 툴에 제공하도록 구성된다.
상기 본 발명의 개요는 예시된 본 발명의 각 실시예 또는 구현만을 설명하고자 의도된 것은 아니다. 이하의 도면들 및 상세한 설명은 이러한 실시예들을 보다 특정하게 예시한다.
본 발명은 첨부 도면을 참조하여 설명되는 본 발명의 다양한 실시예들에 대한 하기의 상세한 설명을 고려함으로써 보다 명확히 이해될 것이다.
본 발명은 많은 변형들 및 대안적인 형태들을 가질 수 있지만, 그 특정한 실시예를 도면에 예시적으로 도시하여 이에 대해 상세히 설명할 것이다. 그러나, 주목할 사항으로서, 본 발명은 설명되는 특정한 실시예들에 한정되지 않는다. 본 발명은 첨부된 청구항들에 의해 정의되는 본 발명의 정신 및 범위 내에 포함되는 모든 변형들, 등가들 및 대안들을 포함한다.
본 발명은 일반적으로 다수의 암들을 갖는 연마 툴을 제어하는 시스템 및 방법에 관련된다. 본 발명은 특히, 각 암에 의해 가해지는 하향력을 고려하여 각 암의 제거율을 제어하는 기술을 제공한다. 이러한 방식으로, 암들 간의 제거율 편차 및 웨이퍼들 간의 제거율 편차가 감소될 수 있다. 하기의 상세한 설명(본원 발명이 이에만 한정되는 것은 아님)을 읽음으로써 본 발명을 보다 완전하게 이해할 수 있을 것이다.
예로서, 도 1은 예시적인 다수 암 연마 툴을 도시한다. 이 예시적인 연마 툴(100)은 일반적으로 압반(112) 위에 설치된 연마 패드(110), 및 이 연마 패드(110) 위에 위치된 다수 헤드 캐리어(multi-head carrier)(120)를 포함한다. 이 다수 헤드 캐리어(120)는 전형적으로 다수의 회전가능한 연마 암들(122)을 포함하는바, 이 연마 암들(122)은 각각 헤드(124)를 포함한다. 웨이퍼들은 진공 압력 등의 공지된 기술에 의해 캐리어 헤드들(124)에 고정될 수 있다. 또한, 연마 유체(미도시)의 소스가 제공되어, 연마 유체를 연마를 위해 패드(110)에 공급한다. 연마 툴(100)은 단지 예로서 도시한 것임을 유념하자. 5암 연마 툴 또한 예로서 도시한 것이다. 본 발명은 1개 이상의 암들을 갖는 모든 다수 암 연마 툴의 제어를 망라한다.
연마를 실행하기 위해, 압반(112)은 전형적으로 일정한 테이블 속도로 회전하며, 기대 제거율(expected removal rate)들에 기초하여 각 연마 암에 소정 시간 동안 하향력이 가해진다. 종래에는, 제거율의 편차를 제어하기 위해, 연마층들의 연마후 두께를 측정한 다음 목표 연마후 두께와 비교했다. 어떠한 소정의 암에 대해 측정된 연마후 두께와 목표 연마후 두께 간의 차이가 소정의 임계치를 초과하면, 연마 툴이 제조로부터 꺼내지고 암들에 대한 하향력이 조정된다. 이러한 조정들은, 툴 위에 일련의 모니터 웨이퍼들을 런시키고, 암들에 서로 다른 하향력들을 인가하여, 개별적인 암에 가해진 하향력에 기초하여 개별적인 암의 제거율을 결정함으로써 결정된다. 이렇게 되면, 프로세스의 중심을 다시 잡고자하는(re-centering) 시도로 각 암에 대한 하항력이 독립적으로 조정된다.
이러한 종래의 제어 프로세스는 몇 시간 동안 툴을 제거하여, 제조 비용을 증가시킨다. 이 프로세스는 또한 소정의 연마 암의 제거율에 영향을 주는 중요한 팩터(factor)를 고려하지 않는다. 특히, 이 프로세스는 연마 암들 간의 상호작용으로부터 비롯되는 제거율의 편차를 고려하지 않는다. 결과적으로, 종래의 연마 기술들은 상당한 암들 간의 제거율 편차를 겪게 된다. 예시로서, 도 2는 종래의 연마 기술들을 이용하는 5암 연마 툴의 암들에 대한 제거율의 편차를 도시한 예시적인 그래프이다. 보다 구체적으로, 도 2는 암들의 제거율들의 범위 및 표준 편차를 로트 번호(lot number)의 함수로서 도시한 것이다. 알 수 있는 바와 같이, 소정의 웨이퍼 로트에 대해, 암들 간의 제거율은 약 3Å/s의 표준 편차로 최대 약 7Å/s까지 변할 수 있다. 연마 시간에 의존하여, 이러한 제거율의 편차는 목표 연마후 두께로부터 최대 20%까지 변하는 연마후 두께를 야기시킬 수 있다. 본 발명은, 암들 간의 상호작용을 고려하여, 예를 들어 암들 간의 제거율의 편차를 줄일 수 있는 연마 툴 제어 기술을 제공한다.
결정된 바와 같이, 다수 암 연마 툴들에 있어서, 연마 암들 간의 상호작용은 암들 간의 제거율의 편차에 중요한 역할을 한다. 특히, 연마 툴의 암들중 어느 암에 대한 하향력 조정이 연마 압반/패드의 물리적인 조건에 영향을 주게 되어, 연마 툴의 나머지 암들의 연마 특성들, 예를 들어 제거율들의 변화를 가져온다. 본 발명에 따르면, N개의 암들을 갖는 연마 툴의 암들 간의 상호작용은 하기의 관계로 모델링될 수 있다:
여기서, j는 연마 암을 나타내고, Δx는 암(j)의 웨이퍼 위의 제거되는 물질의 양을 나타내며, Δt는 연마 시간을 나타내고, Rj는 연마 암(j)에 대한 제거율을 나타내며, ΔFi는 연마 암(i)에 대한 (공칭 하향력으로부터의) 하향력 조정치(downforce adjustment)를 나타내고, 그리고 Ki는 연마 암(i)의 하향력 조정치(ΔFi)와 연마 암(j)(Rj)에 대한 제거율을 관련시키는 연마 암(i)에 대한 계수이다.
각 암의 하향력에 대한 각 암의 제거율의 의존성을 모델링한 상기 관계는 1개 이상의 암들을 갖는 연마 툴들의 제어를 지배하는 데에 이용될 수 있다. 다수 암 연마 툴에 대한 프로세스 모델은 다음과 같이 편차 형태로 다시 쓰여질 수 있다:
여기서, Rk+1은 런(k+1)에 대한 각 암에서의 제거율들을 나타내는 벡터이고, Rk는 런(k)에 대한 각 암에서의 제거율을 나타내며, ΔFk는 암들에 대한 하향력 조정치들을 나타내는 벡터이고, 그리고 계수 매트릭스 K는 제거율 변화 (Rk+1-Rk)와 하향력 조정치(ΔFk) 간의 관계를 정의한다. 주목할 사항으로서, 하향력 조정치 벡터(ΔFk)는 런(k)에서 연마 툴에 입력되고 런(k+1)에 가해져, 제거율 벡터(Rk+1)에 영향을 준다. 본원에서 이용되는 런은 동일한 하향력 조정치를 이용하여 연마되는 웨이퍼의 1개 이상의 배치(batch)들의 그룹을 나타낸다. 웨이퍼 배치라는 용어는 연마 암 위에 적재된 웨이퍼들의 그룹을 나타낸다. 웨이퍼 배치는 제조 웨이퍼들 및 비제조 웨이퍼들을 포함할 수 있다. 상기 프로세스 모델은 유익하게는 각 암에 대한 제거율 변화를 결정하는 데에 모든 암들에 대한 하향력 조정을 고려하며, 이러한 방식으로 연마 암들 간의 상호 작용을 고려한다.
도 3은 다수의 암들을 갖는 연마 툴을 제어하는 예시적인 시스템을 도시한다. 이 예시적인 시스템(300)은 2개의 계측 툴들(310 및 312)을 포함하는바, 이들은 각각 웨이퍼 층들(예를 들어, 절연층들)의 연마전 두께 및 연마후 두께를 측정한다. 여기에서는 2개의 계측 툴들을 도시했지만, 단일 계측 툴을 이용하여 연마전 두께 및 연마후 두께를 모두 측정할 수 있음을 유념하자. 이 2개의 계측 툴들(310 및 312)은 연마 툴(320)에 결합된다. 많은 적용들을 위한 적절한 계측 툴은 서마 웨이브사(Therma-Wave, Inc.)의 옵티프루브 계측 툴(Optiprobe metrology tool)이다. 본 시스템은 또한 연마 툴을 제어하기 위해 연마 툴(320)에 결합된 제어기(330)를 포함한다. 이 제어기(330)는 일반적으로 계측 툴들(310 및 312)로부터 연마전 두께 및 연마후 두께 측정값들을 받은 다음, 이 두께 측정값들을 이용하여 연마 툴(320)을 제어한다. 예시적인 제어기(330)는 연마 툴(320)에 대한 하향력 조정이 언제 필요한 지를 결정하는 "제어 불능(out of control)" 모듈(OOC 모듈)(332)과, 그리고 툴이 제어 불능 상태로 동작할 때, 비제조 웨이퍼 두께 데이터를 이용하여 연마 툴(320)에 대한 새로운 하향력 조정을 결정하는 최적화기 모듈(optimizer module)(334)을 포함한다. 제어기는, 예를 들어 매트랩 옵티마이제이션 툴박스 루틴(MatLab Optimization Toolbox routine)들을 이용하여 구현되는 모델 예측 제어기(model predictive controller)가 될 수 있다. 제어기(330)는, 예를 들어 어드밴스 프로세스 컨트롤 프레임워크 인터페이스(Advance Process Control Framework interface)를 이용하여 연마 툴(320)과 인터페이스될 수 있다.
도 4는 시스템(300)에 대한 예시적인 프로세스 흐름도를 도시한다. 예로서, 이 예시적인 프로세스는 5암 연마툴(320)을 이용하여 도시된다. 블록(402)에서, 제 1 웨이퍼 배치(예를 들어, 5암 연마 툴에 대한 5개의 웨이퍼들)가, 계측 툴(310)에 제공되며, 연마되는 웨이퍼 층들의 연마전 두께를 측정한다. 연마전 두께는 제어기(330)에 제공되며, 전형적으로 이 제어기(330)에 저장된다. 이후, 웨이퍼들의 배치가 툴의 연마 암들의 캐리어 헤드들 위에 적재되며, 블록(404)으로 나타낸 바와 같이, 웨이퍼 배치는 각 암에 대한 소정의 하향력 조정치를 이용하여 연마된다. 하향력 조정 블록(412)에서 최적화기 모듈(334)에 의해 계산되거나(이에 대해서는 하기에서 설명됨), 또는 초기의 런에 대해 오퍼레이터에 의해 미리 정의될 수 있다. 연마는 전형적으로 소정의 테이블 속도 및 선택된 시간으로 수행되는바, 이 선택된 시간은 기대 제거율에 기초하여 소정량의 물질의 제거를 규정한다. 기대 제거율은 (예를 들어 블록 412에서) 최적화기 모듈(334)에 의해 계산되는 암들에 대한 평균 예측 제거율이며, 연마 툴(320)에 입력된다. 블록(406)에서는, 웨이퍼 배치의 연마후 두께가 결정되어 제어기(320)에 제공된다.
블록들(408 및 410)에서, OOC 모듈(332)은 연마 공정이 제어 불능인 지를 결정한다. 도시된 실시예에서, 이는 각 암에 대해, 암의 웨이퍼에 대한 연마후 두께와 목표 두께 간의 차이를 결정하고, 블록(408)으로 나타낸 바와 같이 상기 차이에 의해 암에 대한 누적 합(CUSUM)을 갱신함으로써 이루어진다. 이후, OOC 모듈(332)은 블록(410)으로 나타낸 바와 같이 어느 암에 대한 CUSUM이 소정의 임계치를 초과하는 지를 결정하기 위해 체크한다. 어느 암에 대한 CUSUM이 소정의 임계치를 초과하지 않으면, 제어는 블록(402)으로 진행되어, 동일한 하향력 조정치를 이용하여 다른 웨이퍼 배치를 처리한다. 어느 암에 대한 CUSUM 데이터가 소정의 임계치를 초과하면, 제어는 블록(412)으로 진행되는바, 여기서 최적화기 모듈(334)은 비제조 테스트 웨이퍼들을 이용하여 암들에 대해 새로운 하향력 조정치(이는 후속의 제조 웨이퍼 런에 인가된다)를 결정한다. 각 암에 대한 CUSUM 또한 리셋된다. 이후 웨이퍼 런에 대한 평균 예측 제거율 또한 새로운 하향력 조정치를 이용하여 결정될 수 있다. 블록(410)의 세부 내용은 도 5에 도시된다. 이후, 제어는 블록(414)으로 진행되어, 새로운 하향력 조정치들이 연마 툴(320)에 제공된다. 평균 예측 제거율이 또한 연마 툴(320)에 제공되며, 이에 의해 툴은 연마 시간을 계산할 수 있다. 이후, 블록(412)에서는, 최적화기 모듈(334)에 의해 결정된 하향력 조정치들에 의해 조정된 하향력들을 이용하여 다른 웨이퍼 배치를 처리한다.
도 5는 테스트 웨이퍼들을 이용하여 하향력 조정치들을 결정하는 예시적인 프로세스 흐름도를 도시한다. 테스트 웨이퍼들은, 예를 들어 상부에 비교적 두꺼운(예를 들어, 20,000Å) 산화물의 블랭킷층을 갖는 베어(bare) 실리콘 웨이퍼들이 될 수 있다. 블록(502)에서는, 테스트 웨이퍼들의 1개 이상의 배치들이 연마된다. 이후, 블록(504)으로 나타낸 바와 같이, 각 암에 대한 제거율이 결정된다. 이는, 테스트 웨이퍼 배치(들)에 대한 연마전 두께 측정치, 연마후 두께 측정치 및 각 웨이퍼 배치에 대한 연마 시간을 이용하여 이루어진다. 예를 들어, 소정의 암에 대한 제거율은 간단히, 암에 의해 연마된 웨이퍼에 대한 연마후 두께와 연마전 두께의 차이를 연마 시간으로 나눈 것이 될 수 있다. 연마 시간은 연마 툴(320)로부터 제어기(320)에 제공될 수 있다. 다수의 배치들이 연마되는 경우, 각 암에 대한 평균 제거율이 결정된다. 최적화기 모듈(334)을 이용하여, 블록(506)으로 나타낸 바와 같이 암들에 대한 새로운 하향력 조정치들이 결정된다. 전형적으로, 최적화기 모듈(334)은 블록(504)에서 결정된 제거율들과, 그리고 암 제거율들과 암 하향력 조정치들 간의 관계를 이용하여 최적화 방정식을 푼다. 예시적인 최적화 방정식의 세부 내용은 하기에서 설명된다. 요구되는 경우, 새로운 하향력 조정치들이 제조 웨이퍼 배치들을 연마하는 데에 이용될 수 있다. 도시된 실시예에서, 테스트 웨이퍼들의 확인 배치는 상기 새로운 하향력 조정치들을 이용하여 연마되어, "제어(in control)" 상태로의 리턴을 확인한다. 이러한 확인은 어느 확인 배치 웨이퍼층의 연마후 두께와 기대 두께 간의 차이가 소정의 임계치 미만인 지를 결정함으로써 수행될 수 있다. 차이가 소정의 임계치 미만이 아니라면, 제어는 블록(414)으로 이동되어, 후속 제조 웨이퍼 런을 연마하기 위해 새로운 하향력 조정치들이 연마 툴(320)에 제공된다. 상기 차이가 소정의 임계치 미만이라면, 제어는 블록(502)으로 리턴되어 새로운 하향력 조정치들을 다시 계산한다.
상기 설명한 바와 같이, 최적화 방정식을 푸는 것으로써 새로운 하향력 조정치들이 결정된다. 이 최적화 방정식은 전형적으로 하향력 조정치들 및 제거율들에 의존한다. 후속 런에 대한 예측 제거율들의 편차를 최소화하는 1개의 적절한 최적화 방정식은 다음과 같다:
여기서, 는 예측 제거율들의 평균이다. 상기 최적화 방정식 [3]은, 런(k)에서의 제거율들의 평균을 런(k+1)에 대한 바람직한 평균 제거율로서 이용하여, 연마 암들에 걸쳐서 런(k+1)에 대한 예측 제거율들의 편차를 최소화하도록 풀려질 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 하향력 조정치들은 프로세스 모델 [2] 및 동작상의 제약(operational constraint)들을 조건으로서 필요로 하는 최적화 방정식 [3]을 이용하여 결정된다. 상기 동작상의 제약은, 예를 들어 하향력 조정치들의 합이 0이 되고(ΣΔFk,i=0), 그리고/또는 각 하향력(Fk=Fnominal+Fk)이 상위 경계 및 하위 경계에 의해 구속될 것을(BL≤Fk≤BU) 요구할 수 있다.
프로세스 모델
및 프로세스 제약
을 최적화 방정식 [3]으로 통합하고, 이 최적화 방정식 [3]을 하향력 조정치들에 대해 특징화하면, 다음과 같은 최적화 방적식을 얻을 수 있다.
을 조건으로 하는
여기서,
이다. 이후, 상기 최적화 방정식은 소정의 계수 매트릭스(K) 및 런(k)에 대한 제거율 벡터(RK)를 이용하여, 후속 런(k+1)에 대한 하향력 조정치들(ΔFk)에 대해 풀려질 수 있다.
삭제
계수 매트릭스(K)는 연마 툴 및 연마되는 층에 따라 달라질 수 있다. 소정의 연마 툴에 대해, 계수 매트릭스(K)는 테스트 웨이퍼들을 이용하여 결정될 수 있다. 예를 들어, 테스트 웨이퍼들(예를 들어, 약 20,000Å의 산화물이 증착되어 있는 베어 실리콘 웨이퍼들)를 이용하여, 연마 툴에 대한 계수 매트릭스(K)를 실험적으로 결정할 수 있다. 이는, 각 연마 암들에 대해 다양한 하향력 조정치들을 가지고 다수의 테스트 웨이퍼 배치들을 연마하고, 공지된 기술들을 이용하여 하향력 조정치들의 함수로서 암 제거율들을 결정함으로써 이루어질 수 있다. 하나의 적절한 기술은 MatLatTM 시스템 확인 툴 박스에서 제공되는 외부 입력들에 의한 자기 회귀 모델링 함수(arx)를 이용하는 것이다.
도 6은, 종래의 제어기 기술과 비교된, 도 3 내지 5에 도시된 제어 시스템 및 프로세스의 성능 이득을 도시한 예시적인 그래프이다. 보다 구체적으로, 도 6은 종래의 제어기 기술과 비교된, 도 3 내지 도 5에 도시된 제어 시스템 및 프로세스를 이용할 때의 제거율 편차 범위의 감소 및 표준 편차의 감소를 보여준다. 알 수 있는 바와 같이, 상기 설명된 제어 시스템 및 프로세스는 각 실험 마다 제거율들의 범위 및 표준 편차를 모두 감소시켰다. 결과들이 프로세스에 있어서의 큰 자연 편차로 인해 변동하기는 했지만, 각 실험 마다 개선이 이루어졌다. 13회의 실험을 통해, 제거율의 범위 및 표준 편차 모두가 평균 42% 감소되었음을 알 수 있다.
도 7은 다수의 암들을 갖는 연마 툴을 제어하는 다른 예시적인 시스템을 도시한다. 이 예시적인 시스템(700)은 유익하게는 테스트 웨이퍼 데이터 보다는 제조 웨이퍼 데이터를 이용하여, 연마 툴의 각 암에 대한 하향력 조정치를 제어한다. 시스템(700)은 연마 툴(720)에 결합된 2개의 계측 툴들(710 및 712)을 포함하는바, 이들은 각각 연마전 두께 및 연마후 두께를 측정한다. 시스템(700)은 또한 연마 툴(720)에 결합된 제어기(730)를 포함하는바, 이 제어기는 제조 웨이퍼 두께 데이터에 기초하여 연마 툴을 제어한다. 제어기(730)는 일반적으로 계측 툴들(710 및 712)로부터 제조 웨이퍼들의 연마전 두께 및 연마후 두께 측정치들을 받은 다음, 이 두께 측정치들을 이용하여 연마 툴(720)을 제어한다. 예시적인 제어기(730)는 툴(720)에 대한 연마 암들의 하향력들을 언제 조정할 지를 결정하는 게이팅 모듈(732) 및 최적화기 모듈(734)을 포함하는바, 상기 최적화기 모듈(734)은 상기 게이팅 모듈에 의해 허가되었을 때, 제조 웨이퍼 두께 데이터에 기초하여 연마 툴(720)에 대한 하향력 조정치들을 결정한다. 제어기(730)는, 예를 들어 매트랩 옵티마이제이션 툴박스 루틴 및 어드밴스 프로세스 컨트롤 프레임워크 인터페이스를 이용하여 구현되는 모델 에측 제어기가 될 수 있다.
도 8은 시스템(700)에 대한 예시적인 프로세스 흐름도를 도시한다. 단지 예로서, 이 프로세스 흐름도 또한 5암 연마 툴(720)과 관련하여 설명될 것이다. 블록(802)에서, 제 1 웨이퍼 배치(예를 들어, 5암 연마 툴에 대한 5개의 웨이퍼들)의 각 웨이퍼층에 대한 토폴로지 팩터(topology factor)가 제어기(730)에 제공된다. 하기에 설명되는 바와 같이, 이 토폴로지 팩터는 웨이퍼의 각 층에 관련된 소정의 팩터로서, 테스트 웨이퍼들과 비교하여 각 웨이퍼층에 대한 다른 계수 매트릭스(K)를 고려한다. 블록(802)에서는, 제 1 웨이퍼 배치가 연마되는 계측 툴(710)에 제공되어, 웨이퍼 층들의 연마전 두께가 측정된다. 이 연마전 두께는 제어기(730)에 제공된다. 이후, 웨이퍼들의 배치는 툴의 연마 암들의 캐리어 헤드들 위에 적재되며, 블록(806)으로 나타낸 바와 같이 각 암에 대한 하향력 조정치를 이용하여 웨이퍼들이 연마된다. 하향력 조정치들은 (하기에 설명되는 바와 같이) 블록(814)에서 최적화기 모듈(734)에 의해 계산되거나, 또는 예를 들어 처음 런에 대해, 오퍼레이터에 의해 미리 규정될 수 있다. 연마는 전형적으로 소정의 테이블 속도 및 선택된 시간으로 수행되는바, 상기 선택된 시간은 기대 제거율에 기초하여 소정량의 물질의 제거를 규정한다. 기대 제거율은 (예를 들어 블록 814에서) 최적화기 모듈(734)에 의해 계산되는 암들에 대한 평균 예측 제거율이 될 수 있으며, 이는 연마 툴(720)에 입력된다.
블록(808)에서는, 웨이퍼 배치의 연마후 두께가 결정되어 제어기(720)에 제공된다. 연마후 두께 데이터 및 연마전 두께 데이터를 이용하여, 게이팅 모듈(732)은 블록(810)으로 나타낸 바와 같이 각 암에 대한 누적 합(CUSUM) 챠트를 갱신한다. 이 CUSUM 챠트는, 각 암에 대해, 암에 의해 연마된 웨이퍼의 연마후 두께와 목표 두께 간의 차이를 결정한 다음, 이 차이를 암에 대한 CUSUM 챠트에 추가함으로써 갱신될 수 있다. 이후, 게이팅 모듈(732)은, 블록(812)으로 나타낸 바와 같이, 어느 암에 대한 CUSUM 챠트가 소정의 임계치를 초과하는 지를 결정하기 위해 체크한다. 만일 어느 암에 대한 CUSUM 챠트가 소정의 임계치를 초과하지 않는 다면, 제어는 블록(802)으로 진행되어, 동일한 하향력 조정 입력치들을 이용하여 다른 웨이퍼 배치를 처리한다. 만일 어느 암에 대한 CUSUM 챠트가 소정의 임계치를 초과한다면, 제어는 블록(814)으로 진행되는바, 여기에서 최적화기 모듈(734)은 제조 웨이퍼 토폴로지 팩터들과 연마전 제조 웨이퍼 두께 데이터 및 연마후 제조 웨이퍼 두께 데이터를 이용하여 암들에 대한 새로운 하향력 조정치들을 결정한다. 각 암에 대한 CUSUM 챠트가 또한 리셋된다. 전형적으로, 최적화기 모듈(734)은 암 제거율들과, 이 암 제거율들과 암 하향력 조정치들 간의 관계를 이용하여 (제조 웨이퍼들에 대한 프로세스 모델을 기초하여) 최적화 방정식을 푼다. 암 제거율들은, 예를 들어 상기 설명된 바와 같이, 제조 웨이퍼들에 대한 연마후 두께 데이터, 연마전 두께 데이터 및 연마 시간을 이용하여 결정될 수 있다. 1개의 런 동안 다수의 배치들이 연마되는 경우에는, 암들에 대한 평균 제거율들이 이용될 수 있다. 예시적인 최적화 방정식의 상세 내용은 하기에서 설명된다. 이후, 제어는 블록(816)으로 진행되어, 하향력 조정 입력들이 연마 툴(720)에 제공된다. 다음 런에 대한 평균 예측 제거율이 또한 제공되며, 이에 따라 연마 툴은 연마 시간을 계산할 수 있게 된다. 이후, 새로운 하향력 조정 입력들에 의해 조정된 하향력들을 이용하여 다른 런을 처리한다.
제조 웨이퍼 데이터를 이용하여 연마 툴을 제어하는 프로세스 모델은 복잡한데, 그 이유는 연마되는 각 웨이퍼층이 유일한(unique) 계수 매트릭스(K)와 관련된다는 사실 때문이다. 제조하는 동안 발견된 다른 계수 매트릭스들에 대처하기 위해, 제조 웨이퍼들의 제거율들과 테스트 또는 블랭킷 웨이퍼들(예를 들어, 산화물 블랭킷층을 갖는 베어 실리콘 웨이퍼들)의 제거율들 간의 관계가 다음과 같이 모델링될 수 있다:
여기서, Tf는 소정의 웨이퍼층 및 웨이퍼에 관련된 토폴로지 팩터이다. 각 웨이퍼의 각 층에 대한 토폴로지 팩터(Tf)는 제어 시스템을 구현하기 전에 실험적으로 결정될 수 있다. 상기 토폴로지 모델 [7]을 이용하여, 제어 시스템에 대한 적절한 프로세스 모델은 다음과 같이 될 수 있다.
이러한 프로세스 모델을 이용하여, 하향력 조정치들 및 제거율들에 의존하는 최적화 방정식이 결정될 수 있다. 제어기에 의해 이용될 수 있는 하나의 최적화 방정식은 로트(k+1)에서 예측 제거율의 편차를 최소화하며, 다음과 같이 표현된다.
여기서, 은 런(k+1)에서의 예측 블랭킷 제거율의 평균이다. 상기 최적화 방정식 [9]는, 런(k)에서의 제거율들의 평균을 런(k+1)에 대한 바람직한 평균 제거율들로서 이용함으로써, 연마 암들에 걸쳐 런(k+1)에 대한 예측 제거율의 편차를 최소화하도록 풀려질 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 하향력 조정치들은 프로세스 모델 [9] 및 동작상의 제약(예를 들어 (ΣΔFk,i=0) 및 (BL≤Fk≤BU))을 조건으로서 필요로 하는 최적화 방정식 [9]를 이용하여 결정된다.
프로세스 모델
와 동작상의 구속
을 통합하고, 최적화 방정식 [9]을 하향력 조정치들에 대해 나타내면 다음과 같다.
을 조건으로 하는
이며, 여기서,
이다. 최적화 함수는 (예를 들어, 블랭킷 테스트 웨이퍼에 대한) 소정의 계수 매트릭스(K) 및 런(k)에서의 블랭킷 제거율들(Rk)을 이용하여, 후속 런(k+1)에 대한 하향력 조정치들(ΔFk)에 대해 최적화기 모듈(734)에 의해 풀어질 수 있다.
다른 실시예에서, 제어기(730)는 필터를 이용하여 노이즈의 영향을 줄인다. 필터를 통합하는 예시적인 프로세스 모델은 다음과 같다.
여기서, λ는 시스템 내에 노이즈를 받아들이지 않는 필터 파라미터이다. 파라미터 (λ)의 범위는 0 내지 1이며, 전형적으로 프로세스 변화를 고려하여 선택된다. 모델 잉여(modelresidual)들 간의 높은 상관성을 갖는 시스템들에 대해서는, 전형적으로 보다 큰 값(예를 들어, 0.7 내지 1.0)의 λ가 이용된다. 자연적인 변화가 잉여들 간의 상관성을 지배하는 시스템들에서는, 전형적으로 보다 작은 값(예를 들어, 0.1 내지 3)의 λ가 이용된다. 상기 프로세스 모델을 이용하여, 적절한 최적화 방정식이 결정되어, 연마 암들의 하향력 조정치들을 제어하도록 적용될 수 있다.
상기 제어 시스템을 이용하여, 다수 암 연마 툴의 연마 암들 간의 상호작용이 고려되며, 암들 간의 제거율들의 편차들이 종래의 연마 툴 제어 기술과 비교하여 감소된다. 또한, 제조 웨이퍼 데이터에 의거하여 연마를 제어함으로써, 상기 시스템은 보다 효율적인 연마 프로세스를 제공하며, 웨이퍼 처리량을 개선시킨다. 게이팅 모듈을 이용하게 되면, 제어 시스템에 데드밴드(deadband)를 부가함으로써 연마 툴의 제어를 한층 더 강화한다. 그러나, 요구되는 경우, 게이팅 모듈은 생략될 수 있다.
상기 설명한 바와 같이, 본 발명은 다수의 암들을 갖는 모든 연마 툴의 제어에 적용할 수 있다. 따라서, 본 발명은 상기 설명된 특정한 예들에 한정되지 않으며, 첨부된 청구항들에서 명백하게 제시되는 본 발명의 모든 양상들을 망라한다는 것을 유념하자. 본원을 읽음으로써, 본 발명이 적용될 수 있는 많은 변형들, 등가의 프로세스들 및 많은 구조들이 당업자에게 명백해질 것이다. 청구항들은 이러한 변형들 및 장치들을 포함한다.

Claims (28)

  1. 다수의 암들을 갖는 연마 툴을 제어하는 방법으로서,
    제 1 웨이퍼 런에 기초하여 각 암에 대한 제 1 제거율을 결정하는 단계와;
    암들에 대한 프로세스 모델에 기초하여 상기 각 암에 대한 하향력 조정 입력을 결정하는 단계와, 여기서 상기 프로세스 모델은 상기 각각의 제 1 제거율을 이용하여 소정의 암에 대한 제거율을 각 암의 하향력 조정들에 관련시키며; 그리고
    후속 런을 연마하기 위해, 상기 각 암에 대한 하향력 조정 입력을 상기 연마 툴에 제공하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 하향력 조정 입력을 결정하는 단계는 상기 프로세스 모델 및 상기 후속 런에 대한 예측 제거율들에 기초하여 최적화 방정식을 최소화하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 최적화 방정식을 최소화하는 단계는 상기 후속 런에 대한 예측 제거율들의 편차를 최소화하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 예측 제거율들의 편차는 1개 이상의 제약들을 조건으로 하여 최소화되는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 제약들중 하나는, 상기 각 암 마다, 상기 하향력 조정을 하위 한계와 상위 한계 사이에 속박하는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 제약들중 하나는 상기 모든 암들에 대한 하향력 조정들의 합이 0이 될 것을 요구하는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 각 런은 웨이퍼들의 1개 이상의 배치들을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 각 암에 대한 제 1 제거율을 결정하는 단계는 상기 웨이퍼들의 다수의 배치들에 대해 각 암에 대한 개별적인 제거율들을 평균하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 각 암에 대한 제 1 제거율을 결정하는 단계는,
    한 런의 각 웨이퍼층에 관련된 토폴로지 팩터를 제공하는 단계와; 그리고
    상기 제 1 제거율을 결정하기 위해 상기 각 토폴로지 팩터를 이용하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 프로세스 모델은:
    이며, 여기서 Rk+1은 런(k+1)에 대한 예측 제거율들을 나타내는 벡터이고, Rk는 런(k)에 대한 제거율들을 나타내며, ΔFk는 런(k)에 대한 하향력 조정치들을 나타내는 벡터이고, 그리고 K는 암 제거율들을 암 하향력 조정치들에 관련시키는 계수 매트릭스인 것을 특징으로 하는 방법.
  11. 다수의 암들을 갖는 연마 툴을 제어하는 제어기로서,
    제 1 웨이퍼 런에 기초하여 각 암에 대한 제 1 제거율을 결정하는 수단과;
    암들에 대한 프로세스 모델에 기초하여 상기 각 암에 대한 하향력 조정 입력을 결정하는 수단과, 여기서 상기 프로세스 모델은 상기 각각의 제 1 제거율을 이용하여 소정의 암에 대한 제거율을 상기 각 암의 하향력 조정들에 관련시키며; 그리고
    후속 런을 연마하기 위해, 상기 각 암에 대한 하향력 조정 입력을 상기 연마 툴에 제공하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 제어기.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 하향력 조정 입력을 결정하는 수단은 상기 프로세스 모델 및 상기 후속 런에 대한 예측 제거율에 기초하여 최적화 방정식을 최소화하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 제어기.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 최적화 방정식을 최소화하는 수단은 상기 후속 런에 대한 예측 제거율들의 편차를 최소화하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 제어기.
  14. 제 11 항에 있어서,
    상기 각 암에 대한 제 1 제거율을 결정하는 수단은 웨이퍼들의 다수의 배치들에 대해 각 암에 대한 개별적인 제거율들을 평균하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 제어기.
  15. 제 11 항에 있어서,
    상기 각 암에 대한 제 1 제거율을 결정하는 수단은, 상기 제 1 제거율을 결정하기 위해 한 런의 각 웨이퍼층에 관련된 토폴로지 팩터를 이용하는 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 제어기.
  16. 제 11 항에 있어서, 상기 프로세스 모델은:
    이며, 여기서 Rk+1은 런(k+1)에 대한 예측 제거율들을 나타내는 벡터이고, Rk는 런(k)에 대한 제거율들을 나타내며, ΔFk는 런(k)에 대한 하향력 조정치들을 나타내는 벡터이고, 그리고 K는 암 제거율들을 암 하향력 조정치들에 관련시키는 계수 매트릭스인 것을 특징으로 하는 제어기.
  17. 다수의 암들을 갖는 연마 툴을 제어하는 제어기로서,
    암들에 대한 프로세스 모델에 기초하여 각 암에 대한 하향력 조정 입력을 결정하는 최적화기와, 여기서 상기 프로세스 모델은 상기 암들에 대한 각각의 제거율을 이용하여 소정의 암에 대한 제거율을 상기 각 암에 대한 하향력 조정들과 관련시키며; 그리고
    웨이퍼들의 런을 연마하기 위해 상기 각 암에 대한 하향력 조정 입력을 상기 연마 툴에 제공하는 인터페이스를 포함하는 것을 특징으로 하는 제어기.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 최적화기는 프로세스 모델 및 후속 런에 대한 예측 제거율들에 기초하여 최적화 방정식을 최소화함으로써 상기 하향력 조정 입력을 결정하는 것을 특징으로 하는 제어기.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 최적화기는 상기 후속 런에 대한 예측 제거율들의 편차를 최소화함으로써 상기 최적화 방정식을 최소화하는 것을 특징으로 하는 제어기.
  20. 제 17 항에 있어서,
    상기 최적화기는 웨이퍼들의 다수의 배치들에 대해 상기 각 암에 대한 개별적인 제거율들을 평균함으로써 상기 각 암에 대한 상기 제 1 제거율을 결정하는 것을 특징으로 하는 제어기.
  21. 제 17 항에 있어서,
    상기 최적화기는 한 런의 각 웨이퍼층에 관련된 토폴로지 팩터를 이용하여 상기 각 암에 대한 상기 제 1 제거율을 결정하는 것을 특징으로 하는 제어기.
  22. 제 17 항에 있어서, 상기 프로세스 모델은:
    이며, 여기서 Rk+1은 런(k+1)에 대한 예측 제거율들을 나타내는 벡터이고, Rk는 런(k)에 대한 제거율들을 나타내며, ΔFk는 런(k)에 대한 하향력 조정치들을 나타내는 벡터이고, 그리고 K는 암 제거율들을 암 하향력 조정치들에 관련시키는 계수 매트릭스인 것을 특징으로 하는 제어기.
  23. 다수의 암들을 갖는 연마 툴과;
    상기 연마 툴에 연결되어, 웨이퍼들 위의 층들의 연마전 두께 및 연마후 두께를 측정하는 1개 이상의 계측 툴들과; 그리고
    상기 연마 툴 및 상기 1개 이상의 계측 툴들에 결합된 제어기를 포함하며,
    상기 제어기는 제 1 웨이퍼 런의 웨이퍼들에 대해 측정된 연마전 두께 및 연마후 두께 정보를 수신한 다음, 이 정보를 이용하여 각 암에 대한 제거율을 결정하고,
    암들에 대한 프로세스 모델에 기초하여 상기 각 암에 대한 하향력 조정 입력을 결정하고, 여기서 상기 프로세스 모델은 각각의 제 1 제거율을 이용하여 소정의 암에 대한 제거율을 상기 각 암에 대한 하향력 조정들에 관련시키며, 그리고
    후속 런을 연마하기 위해 상기 각 암에 대한 하향력 조정 입력을 상기 연마 툴에 제공하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 연마 시스템.
  24. 제 23 항에 있어서,
    상기 제어기는 상기 프로세스 모델 및 상기 후속 런에 대한 예측 제거율들에 기초하여 최적화 방정식을 최소화함으로써 상기 하향력 조정 입력을 결정하는 것을 특징으로 하는 연마 시스템.
  25. 제 23 항에 있어서,
    상기 제어기는 상기 후속 런에 대한 예측 제거율들의 편차를 최소화함으로써 상기 최적화 방정식을 최소화하는 것을 특징으로 하는 연마 시스템.
  26. 제 23 항에 있어서,
    상기 제어기는 웨이퍼들의 다수의 배치들에 대해 상기 각 암에 대한 개별적인 제거율들을 평균함으로써 상기 각 암에 대한 상기 제 1 제거율을 결정하는 것을 특징으로 하는 연마 시스템.
  27. 제 23 항에 있어서,
    상기 제어기는 한 런의 각 웨이퍼층에 관련된 토폴로지 팩터를 더 이용하여 상기 각 암에 대한 상기 제 1 제거율을 결정하는 것을 특징으로 하는 연마 시스템.
  28. 제 23 항에 있어서, 상기 프로세스 모델은:
    이며, 여기서 Rk+1은 런(k+1)에 대한 예측 제거율들을 나타내는 벡터이고, Rk는 런(k)에 대한 제거율들을 나타내며, ΔFk는 런(k)에 대한 하향력 조정치들을 나타내는 벡터이고, 그리고 K는 암 제거율들을 암 하향력 조정치들에 관련시키는 계수 매트릭스인 것을 특징으로 하는 연마 시스템.
KR10-2000-7014748A 1998-06-26 1998-12-18 다수 암 연마 툴을 제어하는 시스템 및 방법 KR100517671B1 (ko)

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US09/105,980 1998-06-26

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