KR100572039B1 - 모델예측제어를 사용하는 반도체 제조에서 개별부품들의 제조를 제어하는 시스템 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 모델예측제어를 사용하는 반도체웨이퍼의 제조를 제어하는 시스템과 방법에 관한 것이다. 일 실시예에 따르면, 상기 제조툴의 툴출력은 제 1 웨이퍼 런에 기초하여 결정된다. 이 툴출력을 사용하여, 후속하는 웨이퍼 런에 대한 툴입력을 결정하는데 이 결정은 툴출력을 툴프로세스 상태와 관련시키고 툴프로세스 상태를 툴입력과 이전의 툴프로세스 상태와 관련시키는 모델에 기초하여 최적화 방정식을 최소화시킴에 의해 한다. 그 다음 이 툴입력을 제 2 웨이퍼 런을 위해 상기 제조툴에 제공된다. 상기와 같은 방법으로, 툴 또는 툴수명에 의한 처리가 후속하는 런에 대하여 툴입력을 결정할 시에 고려된다. 이에 의해 런별로부터의 툴출력의 편차들을 감소시킬 수 있고 궁극적으로 형성된 반도체 디바이스의 특성을 개선해줄 수 있다. 상기 툴은 예를 들어, 툴입력을 연마시간으로 하고 툴출력을 1 런에 대하여 CMP 툴과 관련된 연마 이후 웨이퍼층의 두께로 하는 화학적 기계적 연마툴이어도 좋다.

Description

모델예측제어를 사용하는 반도체 제조에서 개별부품들의 제조를 제어하는 시스템 및 방법{SYSTEM AND METHOD FOR CONTROLLING THE MANUFACTURE OF DISCRETE PARTS IN SEMICONDUCTOR FABRICATION USING MODEL PREDICATIVE CONTROL}
본 발명은 일반적으로 모델예측제어를 사용하는 개별부품들의 제조에 관한 것으로서, 특히 모델예측제어를 사용하여 반도체웨이퍼들의 제조를 제어하는 시스템 및 방법에 관한 것이다.
많은 제조공정들은 개별부품들의 제조를 포함한다. 반도체 제조는 예를 들어, 웨이퍼들을 처리하기 위한 런(run) 또는 배치(batch)와 같은 개별부품들의 제조를 포함하고, 상기 부품들 각각은 유사한 공정을 사용하여 제조되는 하나 이상의 웨이퍼들을 포함한다. 반도체 제조에서의 하나의 과제는 런에서부터 런까지의 장치 입력(equipment input)들을 제어하는 것이다. 런별(run-to-run) 제어에서의 과제는 소정의 주어진 웨이퍼 또는 한 그룹의 웨이퍼들을 처리하는 동안의 처리상태들과 출력상태들, 진입하는 웨이퍼의 다양한 입력 상태들에 대한 실시간 정보의 부족으로부터 생긴다.
화학기계연마(Chemical-mechanical polishing: CMP)는 반도체웨이퍼들의 제조에서 반도체웨이퍼들 상의 이산화실리콘 및 그밖의 다른 종류의 층들을 평탄화시키기 위해 사용되는 일반적이면서도 급속도로 성장하는 프로세스이다. 화학기계연마는 전형적으로 알카리 또는 산성용제중에 투여되는 연마슬러리를 사용하여 기계동작과 화학동작의 조합을 통하여 웨이퍼의 표면을 평탄화시킨다. 전형적인 화학기계연마툴은 회전형 원형 평판 또는 테이블을 포함하며, 그 위에 연마패드가 부설되고 그 패드 위에 연마 디바이스가 놓여진다. 그 연마 디바이스는 하나 이상의 회전캐리어헤드들을 포함하고, 전형적으로 그 회전캐리어헤드들에는 진공압력의 사용에 의해 웨이퍼들이 고정될 수 있다. 사용시에는, 평판이 회전되고 연마패드 상에 연마슬러리가 투여된다. 슬러리가 연마패드에 투여되자마자, 하향력(downforce)이 각 회전캐리어헤드들에 가해져서 연마패드 상에 웨이퍼를 가압한다. 웨이퍼가 연마패드 상에 가압되면, 웨이퍼의 표면은 기계적 및 화학적으로 연마된다. 제조동작에 있어서, 통상의 조절 파라메터 또는 툴입력에는 연마시간이 있다(몇몇 동작들에서는, 캐리어 하향력도 또한 입력이다). 예를 들어, 테이블 속도 및 캐리어 하향력등의 그밖의 다른 파라메터는 프로세스에 대하여 고정된다.
반도체 디바이스들이 축소될 수록, 런별 제어의 중요성이 증가된다. 특히, 툴출력들의 편차가 후속하는 제조단계들에 악영향을 줘서 디바이스 성능을 저하시킴에 따라, 툴출력 제어의 중요성이 더욱 증가하고 있다. CMP에서는, 연마 이후의 두께에서의 편차들이 예를 들어, 석판인쇄와 같은 후속되는 공정단계들을 현저하게 열화시키기 때문에 예를 들어, 연마된 층들의 연마 이후 (post-polish)의 두께와 같은 툴출력들이 정밀하게 제어되어야만 한다.
예를 들어, CMP 툴과 같은 툴들을 제조하는 종래의 런별 제어는 전형적으로 지수적으로 가중된 이동평균(Exponentially Weighted Moving Average: EWMA) 제어기들의 사용을 동반한다. EWMA 제어기들은 하기와 같은 선형회기처리모델(linear regression process model)을 사용한다:
[방정식 1]
Figure 112003043048916-pct00001
상기 식에서, yk가 배치(batch) k의 출력이고, B는 프로세스 이득이고, uk｜k-1은 배치 k-1을 통하여 정보로부터 산정된 배치 k에서의 입력이고, ck｜k-1은 인터셉트(intercept)의 추정치(estimate)이고, ek는 시스템으로 진입하는 알려지지 않은 프로세스 노이즈이다. 전형적으로, 시스템 이득과 인터셉트의 초기값은 설계된 실험으로부터 선험적(priori)으로 얻어진다.
인터셉트는 하기와 같은 형태의 옵서버(observer)에 의해 귀납적으로 갱신된다:
[방정식 2]
Figure 112003043048916-pct00002
상기 식에서, λ는 옵서버의 지수형 가중인자 또는 조정(tuning) 파라메터이다. 가중 인자 λ는 0 과 1 사이의 값으로 정해지고 옵서버의 원하는 특성에 기초하여 선택된다. 그 갱신된 인터셉트를 사용하여, 배치 k(uk｜k-1) 에 대한 입력은 하기의 관계식으로부터 결정된다:
[방정식 3]
Figure 112003043048916-pct00003
상기 식에서, T는 목표출력두께(target output thickness)이다.
예를 들면 예측정정제어기(predictor-corrector controller: PCC)와 같은 그밖의 다른 제어기들이 런별 제어를 위해 제안 되어 있다. PCC는 제 2 지수형 필터를 사용하여 인터셉트가 장래에 어떻게 변화할지를 예측하는 시도로 상기 추정된 인터셉트에서 그 경향을 예상하는, 반면에 표준 EWMA 제어기는 그 인터셉트가 단순히 일정하게 유지된다고 가정한다. PCC의 부가적인 옵서버 방정식은 하기와 같다:
[방정식 4]
Figure 112003043048916-pct00004
상기 식에서,
Figure 112003043048916-pct00005
는 인터셉트가 평활화되는 경향이다. 이러한 변경에 의해, 모델예측방정식은 하기와 같이 된다:
[방정식 5]
Figure 112003043048916-pct00006
인터셉트에 대한 새로운 예측은 하기와 같이 주어진다:
[방정식 6]
Figure 112003043048916-pct00007
삭제
EWMA 및 PCC를 사용함에도 불구하고, 툴출력에서의 편차들은 반도체 제조 및 디바이스의 성능에 현저한 악영향을 미친다. 이 악영향의 현저성은 반도체 디바이스의 지속적인 크기의 축소와 더불어 증가된다. 결과적으로, 반도체 제조업자들은 반도체웨이퍼들의 제조를 보다 더 정밀하게 제어하는 시스템들과 방법들을 추구하게되었다.
EP-A-0,643,344는 런별 프로세스제어시스템을 개시하며, 여기서, 소정의 프로세스에 대한 기계 설정들(CMP 프로세스에서 연마시간등)이 예측된 프로세스 모델로부터의 일련의 모델 출력들에 기초하여 제어기에 의해 선택되며, 상기 모델 출력들은 프로세스 동작을 설명하는 방정식들을 나타낸다. 그 다음 제어기는 상기 작동하는 기계로부터 획득된 출력에 따라 상기 모델 출력들을 조정한다.
US-A-5,595,601은 반도체 표면을 평탄화시키는 CMP 방법을 개시한다. 여기서는 연마된 필름의 두께가 측정되고, 이 측정된 두께에 기초하여 다음 웨이퍼의 연마시간이 산정된다.
US-A-5,655,951은 CMP 프로세스에서 사용된 연마패드의 평탄화 표면을 선택적으로 수리하는 방법을 개시한다. 패드를 수리하기 위해 바람직한 연마속도를 특정 기판에 대한 일련의 파라메터들에 기초하여 선택한 다음, 패드두께 상의 소망하는 변화를 추정하여 소망하는 연마속도를 성취한다. 그 다음 패드두께 상의 소망하는 변화와 거의 동일한 두께를 갖는 상기 평탄화 표면으로부터 재료의 층을 제거한다.
본 발명은 모델예측제어를 사용하여 반도체웨이퍼들의 제조를 제어하는 시스템 및 방법을 제공한다. 일 실시예에 따르면, 제조툴의 툴출력을 제 1 웨이퍼 런에 기초하여 결정한다. 그 결정된 툴출력을 사용하여, 후속하는 웨이퍼 런에 대한 툴입력을 결정하는데, 그 결정은 툴출력을 툴프로세스 상태와 관련시키고 또한 툴프로세스 상태를 툴입력과 이전의 툴프로세스 상태와 관련시키는 모델에 의존하는 최적화 방정식을 최소화함에 의해 된다. 그 다음 이 툴입력을 제조툴에 제공하여 제 2 웨이퍼 런을 처리한다. 이러한 방법으로, 툴이나 또는 툴 수명(tool age)을 고려하여 후속하는 런에 대한 툴입력을 결정한다. 그럼으로써 런별의 툴출력에서의 편차들을 감소시켜서 최종적으로 형성되는 반도체 디바이스들의 특성들을 향상시킬 수 있다. 툴은 예를 들면, 런에 대한 CMP 툴과 관련하여 연마시간을 툴입력으로 하고, 연마 이후의 웨이퍼 층 두께를 툴출력으로 하는 화학적 기계적 연마툴이어도 좋다.
본 발명의 이와 같은 요약은 본 발명의 각 도해된 실시예 또는 구현을 설명하기 위한 것이 아니며, 아래와 같은 후속 도면과 상세한 설명에 의해 실시예들을 더욱 구체화할 것이다.
본 발명은 하기의 도면과 관련하여 다양한 실시예를 상세히 설명함으로써 명확하게 이해될 것이다:
도 1은 종래 기술인 다수의 연마암(polishing arm)의 사시도이다.
도 2는 본 발명에 따른 일실시예인 연마툴에 대한 제어시스템의 개략도이다.
도 3은 본 발명에 따른 일실시예인 연마툴을 제어하는 프로세스를 나타낸 순서도이다.
본 발명은 다양한 변형과 대응 형태로 수정될 수 있고, 도면에서 예로서 명확하게 도시되고 상세히 설명될 것이다. 그러나, 본 발명은 개시된 특정 실시예에 한정되는 것은 아니다. 반대로, 본 발명은 첨부된 청구항에 의해 한정된 본 발명의 정신과 영역 내에서의 모든 변경들과, 균등물들과, 대응안을 포함한다.
본 발명은 모델예측제어를 사용하여 반도체웨이퍼 제조의 런별제어를 하기 위한 시스템과 방법을 제공하는 것이다. 본 발명은 예를 들면, 절연층인 웨이퍼층들의 연마 이후의 두께들을 화학적 기계적 연마(CMP) 툴들에 의해 제어하는 것에 적합하다. 본 발명의 보다 전체적인 이해는 하기의 상세한 설명을 통하여 실행될 것이다. 그러나 본 발명이 그렇게 제한되는 것은 아니다.
도 1은 예로서 본 발명에서 사용될 수 있는 연마툴을 도시한다. 연마툴(100)은 평판(112) 위에 놓여진 연마패드(110)와 그 연마패드(110) 위에 놓여진 다중헤드캐리어(120)를 일반적으로 구비한다. 다중헤드캐리어(120)는 전형적으로 다수의 회전형 연마암(122)을 구비하고, 각 회전형 연마암(122)은 헤드(124)를 구비한다. 웨이퍼들은 예를 들면 진공압력과 같은 종래기술에 의해 캐리어헤드(124)에 고정될 수 있다. 또한 연마용액(도시되지 않음)의 공급원(source)이 구비되어 있어서, 연마용액이 연마를 위해 패드(110)에 공급된다. 연마툴(100)은 단지 예로서 도시되는 것으로 이해되어야 한다. 하나 이상의 연마암을 구비한 다른 연마툴도 본 발명에서 사용될 수 있다.
도 2는 본 발명에 따른 실시예로서 상술된 연마툴을 제어하는 제어시스템을 예시한다. 이 제어시스템(200)은 웨이퍼층들의 연마 이전의 두께와 연마 이후의 두께를 측정하는 두개의 계측툴(metrology tool)(210,212)을 포함한다. 두개의 계측툴이 도시되어 있지만, 단일 계측툴로도 연마 이전 및 연마 이후의 두께의 측정을 수행할 수 있다. 상기 두개의 계측툴(210,212)은 연마툴(220)에 연결된다. 다양한 응용을 하기에 적절한 계측툴로는 써마웨이브(Thermawave)사의 옴티프로브(Optiprobe) 계측툴이 있다.
상기 시스템은 예를 들어 연마툴(220)의 연마시간과 같은, 입력들을 제어하기 위해 연마툴(220)과 연결되는 제어기(230)를 추가적으로 구비한다. 이 제어기(230)는 웨이퍼 런에 대하여 계측툴(210,212)로부터 연마 이전 및 연마 이후의 두께 측정치들을 수신하고, 이 두께 측정치를 사용해서 후속하는 웨이퍼 런에 대한 연마툴(220)로의 연마시간입력을 제어한다. 이 연마시간입력은 예를 들어, 공칭연마시간으로부터의 편차이어도 좋다. 이 제어기는 예를 들면 상표명 매트랩 최적화 툴박스(Matlab Optimization Toolbox?) 루틴들을 사용하여 구현된 모델예측제어기이어도 좋다. 이 제어기(230)는 예를 들면 어드밴스 프로세스 컨트롤 프레임워크 인터페이스(Advance Process Control Framework interface)를 사용하여, 연마툴(220)과 접속되어도 좋다.
이 시스템(200)의 실시예인 공정 순서도는 도 3에 도시된다. 단계(302)에서, 제 1 웨이퍼 그룹(예를 들면, 다수의 연마암에 의존하는 하나 이상의 웨이퍼들)이 계측툴(210)에 제공되어 있어 연마될 각 웨이퍼층의 연마 이전의 두께를 측정한다. 그 다음 측정된 각각의 연마 이전의 두께는 제어기(230)에 의해 접근가능한 데이터베이스에 일반적으로 저장된다. 그 다음 단계 304에서, 이 웨이퍼 그룹은 상기 툴의 연마암(들)의 캐리어헤드로 옮겨지며, 그 다음 이 웨이퍼 그룹은 미리 결정된 연마시간을 사용하여 연마되어 각 웨이퍼의 웨이퍼층의 적어도 일부가 제거된다. 이 연마시간은 단계(310)에서 제어기(230)에 의해 산정되거나(하기에서 설명됨), 또는 초기 런에 대해서는 운전자가 사전에 결정한다. 통상적으로 이 연마는 각 암 상에서 미리 결정된 하향력과 미리 결정된 테이블 속도로 일반적으로 수행된다. 이 제어기(230)는 원한다면 각 암의 하향력들을 결정하도록 사용되어도 좋다. 다중암 연마툴의 연마암들 상의 하향력을 제어하는 기술은 대리인 문서 번호 11729.219US01의 제목 "다중암 연마툴을 제어하는 시스템 및 방법" 이며, 이는 동시 계류중이며, 공동양수된 미국 특허 출원에서 개시되어 있으며, 이 내용을 참고로 여기에 원용한다.
이 웨이퍼 그룹을 연마한 이후에, 단계(306)에서 각 웨이퍼의 연마된 층의 연마 이후의 두께는 계측툴(212)에 의해 결정된다. 각 웨이퍼에 대한 상기 연마 이후의 두께는 일반적으로 제어기(230)에 의해 접근가능한 데이터베이스에 저장된다. 단계(308)에서, 이 제어기(230)는 상기 웨이퍼 런이 종료되었는가를 결정한다. 만약 종료되지 않았으면, 제어는 단계(302)로 진행하고 다른 웨이퍼 그룹이 그 동일한 연마시간입력을 사용하여 연마된다. 만약 런이 종료하였으면, 제어는 단계(310)로 진행하여 새로운 연마시간입력(후속하는 웨이퍼 런에 적용되는)이 제어기(230)에 의해 결정된다. 일반적으로, 제어기(230)는 예측된 제거량과 현재의 제거량간의 미리 결정된 관계식을 포함하는 모델에 기초한 최적화 방정식을 풀어냄으로써 연마툴(220)에 대한 새로운 연마시간입력을 결정한다. 제어기(230)에 의해 사용되는 프로세스 모델과 최적화 방정식에 대해서는 하기에서 상세히 설명된다. 그 다음 제어는 단계(312)로 진행하여, 새로운 연마시간입력이 연마툴(220)에 제공된다. 그 다음 단계(310)에서 다른 웨이퍼 런이 제어기(230)에 의해 결정된 새로운 연마시간입력들을 사용하여 연마된다.
상술된 바와 같이, 새로운 연마시간입력은 프로세스 모델에 기초한 최적화 방정식을 풀어냄으로써 결정된다. 연마툴을 위한 실시예인 많은 응용들에 적합한 프로세스 모델은 아래와 같다:
[방정식 7]
Figure 112003043048916-pct00008
상기 식에서, zk+1 은 런 k+1에서 제거된 재료의 예측량이고, zk 는 런 k+1에서 제거된 재료의 양이고, uk 는 연마시간입력(예를 들면 연마시간 또는 공칭의 연마시간), wk 는 프로세스 노이즈를 나타내고, a는 상기 프로세스가 시간 또는 드리프트(drift)에 따라 변화하는 경향을 설명하고, b는 연마시간입력을 제거된 재료의 양에 관련시킨다. 항 azk의 사용은 패드 악화로부터 유발하는 툴 드리프트와 같은 프로세스 역학을 고려하고, 그 프로세스 역학에 기초하여 연마시간입력이 결정되도록 한다. 고정된 계수 a는 후속하는 연마 프로세스 상에서 하나의 연마 프로세스의 효과를 설명하는 메모리 효과 계수로 보는 것도 좋다.
노이즈(wk) 뿐만 아니라 a 및 b의 값은 프로세스에 의존적이다. 예를 들면, 연마툴에서, a 및 b는 연마툴의 형태, 테이블 속도, 암의 하향력, 슬러리 및 상기 연마된 웨이퍼의 모양에 의존하여 변화할 수 있다. 일반적으로, 계수 a와 b 및 노이즈(wk)는 시험용 웨이퍼들을 사용하여 소정의 연마툴에 대하여 실험적으로 결정된다. 적절한 실험 기술은 종래의 실험 설계(DOE) 또는 의사랜덤이진시퀀스시스템 식별기술을 포함한다. 예로서, 많은 연마 응용들을 위해, a의 적절한 값은 -1에서 1사이이고, b의 적절한 값은 40에서 250 옹스트롱/초(Angstroms/second) 사이의 범위이다. 노이즈(wk)는 일반적으로 예를 들면 목표출력 두께의 약 5-10%로 평균적으로 분포된 랜덤변수이다.
상기 실시예인 프로세스 모델은 예를 들면 런들간의 연마 이전의 층 두께와 같은 프로세스의 상류 편차들(upstream variations)을 설명하는 피드포워드모델(feed forward model)을 추가적으로 포함할 수도 있다. 예를 들면, 전형적인 제조 시설에서, 증착 및 연마 단계들이 치밀하게 연결되어 있지 않으므로 연마툴은 다수의 상이한 증착툴들로부터 웨이퍼들을 수취하게 된다. 결과적으로, 웨이퍼의 연마 이전의 두께가 일반적으로(그리고 종종 실질적으로) 런별로 변화하게 된다. 많은 응용들에 적합한 피드포워드모델은 하기와 같다:
[방정식 8]
Figure 112003043048916-pct00009
상기 식에서, fk+1은 런 k+1에서의 예측된 들어오는(incoming) 두께이고, fk는 런 k에서의 들어오는 두께이다. 전형적으로, 들어오는 두께 레벨(fk)은 런 k에서 처리되는 웨이퍼(들)의 들어오는 두께의 평균치이다. 인자(
Figure 112003043048916-pct00010
)는 상승 프로세스(예를 들면 증착툴에서의 드리프트)에서의 드리프트를 설명한다. 많은 응용들에서
Figure 112003043048916-pct00011
는 1(일)과 동일해도 좋고, 다음에 들어오는 두께의 최량의 추정치는 최후로 들어오는 두께(fk)임을 뜻한다. 측정된 피드포워드외란모델(disturbance model)의 사용은 제어기의 성능을 더 향상시킬 수 있다.
상기 실시예인 프로세스 모델은 슬러리교환, 패드교환 등과 같은 알려지지 않은 상태외란을 설명하는 미지상태외란모델(unknown state disturbance model)을 추가적으로 포함할 수도 있다. 많은 응용들에 적합한 미지상태외란모델은 하기와 같다:
[방정식 9]
Figure 112003043048916-pct00012
상기 식에서, dk+1와 dk은 각각 런 k+1 및 k에서의 미지외란이고, 런 k(dk)에서의 툴의 미지외란 레벨은 런 k 에 대해 예상되는 연마 이후의 두께와 측정된 연마 이후의 두께 레벨간의 차이이다. 값(dk)은 원한다면 필터링될 수도 있다. 인자(
Figure 112003043048916-pct00013
)는 미지외란에서의 드리프트를 설명하기 위해 사용되어도 좋다. 많은 응용들에서
Figure 112003043048916-pct00014
는 1(일)이고, 다음의 들어오는 미지외란(dk+1)의 최량의 추정치는 최후의 미지외란(dk)임을 뜻한다. 미지외란모델의 사용은 제어기 성능을 더 향상시킬 수 있다.
상기 시스템의 실시예인 프로세스 모델은, 피드포워드모델과 미지외란모델을 사용하며, 하기와 같다 :
[방정식 10]
Figure 112003043048916-pct00015
Figure 112000027900585-pct00016
Figure 112000027900585-pct00017
상기 시스템의 출력, 연마 이후의 두께(yk)는 하기 식에 의해 모델화 된다 :
[방정식 11]
Figure 112003043048916-pct00018
삭제
이 출력모델은 층 두께를 측정하기 위해 필요한 시간때문에 계측툴들의 피드백에서 지연되는 시간을 고려하여 수정될 수도 있다. 하나의 적절한 출력모델은 하기와 같은 2 유닛들(즉, 2 런들)의 지연시간을 포함하며, 하기와 같다.
[방정식 12]
Figure 112003043048916-pct00019
제어기에 대한 실시예인 최적화 방정식은 상기 방정식 [10] 및 [11]을 받아서 하기와 같이 되어도 좋다.:
[방정식 13]
Figure 112003043048916-pct00020
Figure 112003043048916-pct00021
상기 식에서, yT는 목표출력이고, Q는 출력에러(런 k+j+1에서의 연마 이후의 두께와 목표연마 이후의 두께(yT)간의 차이)의 가중치이고, S는 입력(
Figure 112003043048916-pct00022
)의 변화율의 가중치이고, R은 입력(
Figure 112003043048916-pct00023
)의 가중치이고, uN은 방정식[3]의 해답으로서 산정되는 N 입력 이동의 시퀀스이다. N은 런 k에서의 해답을 산정할 때, 제어기가 살피도록 된 런들의 수에 의존하여 적절하게 선택된다. 특정의 실시예들에서, 제어기는 장래 이동 N의 시퀀스를 1(일)로 사용하여 단순화시켜도 좋다. 상기 경우에, 상기 최적화 방정식은 방정식[10] 및 [11]을 받아서 하기와 같이 환산된다:
[방정식 14]
Figure 112003043048916-pct00024
Figure 112003043048916-pct00025
상기 식에서, 가중치(Q), (R)(적절하다면) 및 (S)는 상기 각 함수들(즉, 출력 에러들, 입력들, 상기 입력들의 변화율)의 바람직한 가중치에 기초하여 적절하게 선택되어도 좋다. 그럼으로써 상기 연마툴의 제어는 바람직한 성능을 위해 조정되도록 한다. 예를 들면, 목표로부터 출력 편차들을 초소화시키는 또는 연마시간의 변화들을 최소화시키는 등의 성능은 가중치 (Q) 및 (S)를 변화시킴으로써 조정될 수 있다. 제어기(230)의 최적화 방정식(예를 들면 상기 방정식[13] 또는 [14])은 입력들(N), 즉, 연마시간(uk)에 대하여 해를 구해도 좋다. 이 연마시간(uk)은 입력들(N)의 시퀀스에 대한 최적화 방정식을 최소화시켜준다.
이 최적화 방정식은 연마툴 상의 제약을 고려하여 N개의 장래 런들(future runs)에 대한 최적화 방정식(예를 들면 방정식[13] 또는 [14])을 최소화시키는 연마시간에 대하여 추가적으로 해를 구해도 좋다. 이 제약들은 전형적으로 처리 상의 배려에 의해서 필연적으로 규정되고, 예를 들면 특정 값(예를 들면 uk < 시간max)보다 더 작은 연마시간입력을 필요로 하는 것 또는 런들간의 연마시간입력들의 변화가 상측 경계 및 하측 경계(예를 들면, BL < uk+1 - uk < BU)간에 놓여야 하는 것을 포함해도 좋다.
동작 중에, 단계(310)에서 제어기(230)는 현재의 런(런 k)에 대해서 연마 이후의 두께 레벨(yk) 및 연마 이전의 두께 레벨(fk)을 결정한다. 다중 웨이퍼들의 경우에, 툴의 연마 이전 및 연마 이후의 두께(fk , yk)는 런(k)에 대해 연마된 웨이퍼(들)의 평균된 연마 이전 및 연마 이후의 두께이어도 좋다. 미지외란모델을 사용하는 모델의 경우, 툴에 대한 미지외란값(dk)도 또한 결정된다. 런(k)에서의 툴에 대한 값(dk)은 런(k)에 대해 예측된 연마 이후의 두께 및 런(k)에서의 측정된 연마 이후의 두께 레벨 간의 차이일 수도 있다. 측정된 연마 이전 및 연마 이후의 두께 레벨(fk, yk)(및 원하는 경우에, 상기 미지외란, dk)을 사용하여, 제어기(230)는 미리 결정된 장래 입력들(N)에 대한 제약을 받는 최적화 방정식을 최소화시키는 새로운 연마시간(uk)(다음 런, 런(k+1)에 대해 적용될)에 대한 최적화 방정식(예를 들면, 방정식[13] 또는 [14])의 해를 구한다.
상기 제어시스템을 사용하면, 연마 이후의 두께에서의 런별 편차들이 종래 제어기술(EWMA 또는 PCC 기술)과 비교하여 감소될 수 있다. 상기 제어시스템은 예를 들어 장래 프로세스 출력과 입력들을 결정하는 프로세스의 드리프트를 고려함으로써 런별 편차들을 감소시킨다. 특히 드리프트의 고정된 양(방정식[7]에서 a)을 제어기에 편입시킴으로써 연마툴을 보다 더 정밀하게 제어할 수 있다. 런별 편차들에서의 장래 감소들은 측정된 피드포워드외란(예를 들면 두께외란) 및 미지외란 모델들을 상기 프로세스 모델 및 제어기의 최적화 방정식에 대입시킴으로써 더 감소될 수도 있다.
상기 실시예들은 CMP 툴들과 같은 연마툴들의 런별제어를 예시하나, 본 발명은 연마툴들의 제어에 국한되는 것이 아니라, 런별 제조에 사용되는 제조툴에 까지 확장한다. 본 발명이 적용될 수 있는 다른 시스템들 또는 툴들은 예를 들면 화학기상증착(CVD) 및 스퍼터(sputter) 증착툴들을 포함한다. 예를 들면, CVD 증착툴에서는, 툴출력이 증착 두께이고, 프로세스 상태는 증착실의 청정도이어도 좋다. 스퍼터 증착툴들에서, 툴출력은 증착두께이고 프로세스 상태는 목표수명 또는 청정도이어도 좋다.
상술된 바와 같이, 본 발명은 여러 다수의 다른 제조툴들의 런별 제어에 적용될 수 있다. 따라서, 본 발명은 상술된 특정 예들로 한정되는 것이 아니고 첨부된 청구항들에서 개시된 본 발명의 모든 특성들을 포함하는 것으로 이해 되어야 한다. 본 발명이 적용될 수 있는 수 많은 구조들뿐 만아니라, 다양한 변경들과 균등 프로세스들이 본 명세서의 검토에 의해 본 발명이 속하는 기술 분야에 종사하는 자에게는 명백할 것이다. 청구항들은 상기 변경들과 디바이스들을 포함하는 것으로 의도된다.

Claims (41)

  1. 반도체 제조설비에서의 반도체 제조툴 - 이 반도체 제조툴은 웨이퍼를 제조하는 동안 웨이퍼 취급단계들에 각각 대응하는 복수의 프로세스 상태를 가지며, 툴출력은 프로세스 상태결과를 나타내는 파라메터이고 그리고 툴입력은 프로세스 상태의 제어상황을 나타내는 파라메터이며 - 의 런별 제어방법에 있어서,
    제 1 웨이퍼 런에 기초하여 반도체 제조툴(220)의 툴출력을 결정하는 단계와;
    상기 툴출력을 사용하여 최적화 방정식을 최소화시킴으로써 후속하는 웨이퍼 런에 대하여 상기 반도체 제조툴의 툴입력을 결정하는 단계 - 여기서 상기 최적화 방정식은 툴출력을 툴프로세스 상태에 관련시키고 또한 툴프로세스 상태를 툴입력과 이전의 프로세스 상태에 관련시키는 모델에 의존하며 - 와; 그리고
    상기 후속하는 웨이퍼 런을 처리하기 위해 상기 반도체 제조툴에 툴입력을 제공하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 제조설비에서의 반도체 제조툴의 런별 제어방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 툴입력을 결정하는 단계는 하나 이상의 장래 런들에 대한 상기 최적화 방정식을 최소화시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 제조설비에서의 반도체 제조툴의 런별 제어방법
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 툴입력을 결정하는 단계는 둘 이상의 장래 런들에 대한 상기 최적화 방정식을 최소화시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 제조설비에서의 반도체 제조툴의 런별 제어방법.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 최적화 방정식은 툴출력의 함수인 것을 특징으로 하는 반도체 제조설비에서의 반도체 제조툴의 런별 제어방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 최적화 방정식은 툴입력의 변화율의 함수인 것을 특징으로 하는 반도체 제조설비에서의 반도체 제조툴의 런별 제어방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 최적화 방정식은 툴입력의 함수인 것을 특징으로 하는 반도체 제조설비에서의 반도체 제조툴의 런별 제어방법.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 최적화 방정식은 툴입력의 변화율과 툴출력에 대한 가중치 계수들을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 제조설비에서의 반도체 제조툴의 런별 제어방법.
  8. 제 2 항에 있어서,
    상기 최적화 방정식을 최소화시키는 단계는 하나 이상의 제약을 받는 상기 최적화 방정식을 최소화시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 제조설비에서의 반도체 제조툴의 런별 제어방법.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 툴출력을 결정하는 단계는 상기 제 1 런에서 각 웨이퍼에 대한 개별적인 툴출력을 평균화시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 제조설비에서의 반도체 제조툴의 런별 제어방법.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 모델은 하기 관계식를 포함하며:
    Figure 112003043048916-pct00032
    상기 식에서, zk+1은 런 k+1 에 대하여 예측된 툴프로세스 상태를 나타내고, zk는 런 k에서의 측정된 툴프로세스 상태를 나타내고, uk는 런 k 에 대한 입력값을 나타내고, 계수 a는 툴 드리프트와 관련된 고정된 계수를 나타내고, 계수 b는 툴입력(uk)을 툴프로세스 상태(zz+1)에 관련시키는 계수를 나타내는 것을 특징으로 하는 반도체 제조설비에서의 반도체 제조툴의 런별 제어방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 모델은 피드포워드외란모델을 추가적으로 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 제조설비에서의 반도체 제조툴의 런별 제어방법.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 모델은 미지상태외란모델을 추가적으로 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 제조설비에서의 반도체 제조툴의 런별 제어방법.
  13. 제 10 항에 있어서,
    상기 모델은 출력모델을 추가적으로 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 제조설비에서의 반도체 제조툴의 런별 제어방법.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 출력모델은 시간 지연을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 제조설비에서의 반도체 제조툴의 런별 제어방법.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 반도체 제조툴은 연마툴이고, 상기 툴출력은 연마 이후 웨이퍼층의 두께 레벨을 나타내고, 상기 툴입력은 연마시간을 나타내고, 상기 툴프로세스 상태는 제거량 레벨을 나타내는 것을 특징으로 하는 반도체 제조설비에서의 반도체 제조툴의 런별 제어방법.
  16. 반도체 제조설비에서의 반도체 제조툴 - 이 반도체 제조툴은 웨이퍼를 제조하는 동안 웨이퍼 취급단계들에 상응하는 다수의 프로세스 상태를 가지며, 툴출력은 프로세스 상태결과를 나타내는 파라메터이고 그리고 툴입력은 프로세스 상태의 제어상황을 나타내는 파라메터이며 - 을 제어하는 런별 제어기에 있어서,
    제 1 웨이퍼 런에 기초하여 반도체 제조툴(220)의 툴출력을 결정하는 수단(212)과;
    상기 툴출력을 사용하여 최적화 방정식을 최소화시킴으로써 후속하는 웨이퍼 런에 대하여 상기 반도체 제조툴의 툴입력을 결정하는 수단(210) - 여기서 상기 최적화 방정식은 툴출력을 툴프로세스 상태에 관련시키고 또한 툴프로세스 상태를 툴입력과 이전의 프로세스 상태에 관련시키는 모델에 의존하며 - 과; 그리고
    상기 후속하는 웨이퍼 런을 처리하기 위해 상기 반도체 제조툴에 툴입력을 제공하는 수단(230)을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 제조설비에서의 반도체 제조툴을 제어하는 런별 제어기.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 툴입력을 결정하는 수단(210)은 하나 이상의 장래 런들에 대한 최적화 방정식을 최소화시키는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 제조설비에서의 반도체 제조툴을 제어하는 런별 제어기.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 툴입력을 결정하는 수단(210)은 둘 이상의 장래 런들에 대한 최적화 방정식을 최소화시키는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 제조설비에서의 반도체 제조툴을 제어하는 런별 제어기.
  19. 제 17 항에 있어서,
    상기 최적화 방정식은 툴출력의 가중 함수인 것을 특징으로 하는 반도체 제조설비에서의 반도체 제조툴을 제어하는 런별 제어기.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 최적화 방정식은 툴입력의 변화율의 가중 함수인 것을 특징으로 하는 반도체 제조설비에서의 반도체 제조툴을 제어하는 런별 제어기.
  21. 제 20 항에 있어서,
    상기 최적화 방정식은 툴입력의 가중 함수인 것을 특징으로 하는 반도체 제조설비에서의 반도체 제조툴을 제어하는 런별 제어기.
  22. 제 17 항에 있어서,
    상기 툴입력을 결정하는 수단(210)은 하나 이상의 제약을 받는 최적화 방정식을 최소화시키는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 제조설비에서의 반도체 제조툴을 제어하는 런별 제어기.
  23. 제 16 항 내지 제 22 항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 툴출력을 결정하는 수단(212)은 상기 제 1 런에서의 각 웨이퍼에 대한 개별적인 툴출력을 평균화시키는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 제조설비에서의 반도체 제조툴을 제어하는 런별 제어기.
  24. 제 16 항에 있어서,
    상기 모델은 하기 관계식를 포함하며:
    Figure 112003043048916-pct00033
    상기 식에서, zk+1은 런 k+1 에 대해 예측된 툴 상태를 나타내고, zk는 런 k에서의 측정된 툴프로세스 상태를 나타내고, uk는 런 k 에 대한 입력값을 나타내고, 계수 a는 툴 드리프트와 관련된 고정된 계수를 나타내고, 계수 b는 툴입력(uk)을 툴프로세스 상태(zz+1)에 관련시키는 계수를 나타내는 것을 특징으로 하는 반도체 제조설비에서의 반도체 제조툴을 제어하는 런별 제어기.
  25. 제 24 항에 있어서,
    상기 모델은 피드포워드외란모델을 추가적으로 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 제조설비에서의 반도체 제조툴을 제어하는 런별 제어기.
  26. 제 24 항에 있어서,
    상기 모델은 미지상태외란모델을 추가적으로 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 제조설비에서의 반도체 제조툴을 제어하는 런별 제어기.
  27. 제 24 항에 있어서,
    상기 모델은 출력모델을 추가적으로 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 제조설비에서의 반도체 제조툴을 제어하는 런별 제어기.
  28. 제 16 항에 있어서,
    상기 반도체 제조툴(220)은 연마툴이고, 상기 툴출력은 연마 이후 웨이퍼층의 두께 레벨을 나타내고, 상기 툴입력은 연마시간을 나타내고, 상기 툴프로세스 상태는 제거량 레벨을 나타내는 것을 특징으로 하는 반도체 제조설비에서의 반도체 제조툴을 제어하는 런별 제어기.
  29. 연마툴(220)과;
    웨이퍼들 위의 층들의 연마 이전의 두께 및 연마 이후의 두께를 측정하기 위해 상기 연마툴과 연결된 하나 이상의 계측툴(210, 212)과; 그리고
    상기 연마툴 및 상기 하나 이상의 계측툴들과 연결된 런별 제어기(230) - 상기 제어기는;
    제 1 웨이퍼 런에 대하여 상기 연마툴과 관련된 연마 이후의 두께를 결정하고,
    상기 제 1 웨이퍼 런에 대하여 상기 연마툴과 관련된 연마 이전의 두께를 결정하고,
    상기 연마 이후의 두께와 연마 이전의 두께를 사용하여 최적화 방정식을 최소화시킴으로써 후속하는 웨이퍼 런에 대하여 상기 연마툴의 연마시간입력을 결정하고 - 상기 최적화 방정식은 연마 이후의 두께를 제거량에 관련시키고 또한 그 제거량을 이전의 제거량과 관련시키는 모델에 의존하고, 그리고
    상기 후속하는 웨이퍼 런을 처리하기 위해 상기 연마툴에 상기 연마시간입력을 제공하도록 되어 있으며 - 를 포함하는 것을 특징으로 하는 연마시스템.
  30. 제 29 항에 있어서,
    상기 제어기(230)는 하나 이상의 장래 런들에 대한 최적화 방정식을 최소화시킴으로써 상기 툴입력을 결정하는 것을 특징으로 하는 연마시스템.
  31. 제 29 항에 있어서,
    상기 제어기(230)는 둘 이상의 런들에 대한 최적화 방정식을 최소화시킴으로써 상기 툴입력을 결정하는 것을 특징으로 하는 연마시스템.
  32. 제 29 항에 있어서,
    상기 최적화 방정식은 툴출력의 함수인 것을 특징으로 하는 시스템.
  33. 제 32 항에 있어서,
    상기 최적화 방정식은 툴입력의 변화율의 함수인 것을 특징으로 하는 시스템.
  34. 제 33 항에 있어서,
    상기 최적화 방정식은 툴입력의 함수인 것을 특징으로 하는 연마시스템.
  35. 제 33 항에 있어서,
    상기 최적화 방정식은 툴출력에 대한 가중계수와 툴입력의 변화율을 포함하는 것을 특징으로 하는 연마시스템.
  36. 제 30 항에 있어서,
    상기 제어기는 하나 이상의 제약을 받는 최소화 방정식을 최소화시키는 것을 특징으로 하는 연마시스템.
  37. 제 29 항에 있어서,
    상기 제어기는 상기 제 1 런에서의 각 웨이퍼에 대한 개별적인 툴출력을 평균화시킴으로써 상기 툴출력을 결정하는 것을 특징으로 하는 연마시스템.
  38. 제 29 항에 있어서,
    상기 모델은 상기 관계식를 포함하며:
    Figure 112003043048916-pct00034
    상기 식에서, zk+1은 런 k+1 에 대하여 예측된 툴 상태를 나타내고, zk는 런 k에서의 측정된 툴프로세스 상태를 나타내고, uk는 런 k 에 개한 입력값을 나타내고, 계수 a는 툴 드리프트와 관련된 고정계수를 나타내고, 계수 b는 툴입력(uk)을 툴프로세스 상태(zz+1)에 관련시키는 계수를 나타내는 것을 특징으로 하는 연마시스템.
  39. 제 38 항에 있어서,
    상기 모델은 피드포워드외란모델을 추가적으로 포함하는 것을 특징으로 하는 연마시스템.
  40. 제 38 항에 있어서,
    상기 모델은 미지상태외란모델을 추가적으로 포함하는 것을 특징으로 하는 연마시스템.
  41. 제 38 항에 있어서,
    상기 모델은 출력모델을 추가적으로 포함하는 것을 특징으로 하는 연마시스템.
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