KR100904866B1 - 컨디셔닝을 위한 컴퓨터 구현 방법, 컨디셔닝 장치 및 컴퓨터 판독가능 매체 - Google Patents

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Abstract

평탄화 표면을 컨디셔닝하는 방법, 장치 및 매체는, 연마될 웨이퍼를 연마 패드(1080) 및 컨디셔닝 디스크(1030)를 갖는 화학적 기계적 연마(CMP) 장치(100)에 장착하는 단계, 웨이퍼 재료 제거율을 미리 선택된 최소 및 최대 제거율로 유지하도록 선택된 제1 세트의 패드 컨디셔닝 파라미터 하에서 웨이퍼를 연마하는 단계, 연마 단계 중에 생기는 웨이퍼 재료 제거율을 측정하는 단계, 갱신된 패드 컨디셔닝 파라미터를 계산하여 웨이퍼 재료 제거율을 최대 및 최소 제거율 이내로 유지하는 단계, 및 갱신된 패드 컨디셔닝 파라미터를 사용하여 연마 패드(1080)를 컨디셔닝하는 단계를 포함하고, 갱신된 패드 컨디셔닝 파라미터는 컨디셔닝 하향력 및 컨디셔닝 디스크의 회전 속도 등의 컨디셔닝 파라미터에 기초하여 연마 패드의 웨이퍼 재료 제거율을 예측하는 패드 웨어 및 컨디셔닝 모델을 사용하여 계산된다.
패드 컨디셔닝 파라미터, 웨이퍼 재료 제거율, 컨디셔닝 디스크

Description

컨디셔닝을 위한 컴퓨터 구현 방법, 컨디셔닝 장치 및 컴퓨터 판독가능 매체{A COMPUTER IMPLEMENTED METHOD FOR CONDITIONING, CONDITIONING APPARATUS AND COMPUTER-READABLE MEDIUM}
본 출원은, 2001년 6월 19일자로 제출되고 "Advanced Process Control for Semiconductor Manufacturing Process"로 명명된 미국특허출원 제60/298,878호, 2001년 7월 16일자로 제출되고 "Feedforward and Feedback Control for Conditioning of Chemical Mechanical Polishing Pad"로 명명된 미국특허출원 제60/305,782호, 2001년 9월 12일자로 제출되고 "Feedforward and Feedback Control for Conditioning of Chemical Mechanical Polishing Pad"로 명명된 미국특허출원 제60/318,741호, 및 2001년 11월 30일자로 제출되고 "Feedforward and Feedback Control for Conditioning of Chemical Mechanical Polishing Pad"로 명명된 미국특허출원 제09/998,384호로부터 우선권 주장되어 있고, 본 명세서에서는 상기한 모든 우선권을 참조하여 구체화하고 있다.
본 발명은 일반적으로 연마 패드의 수명을 향상시키기 위한 연마 영역 및 방법에 관한 것이다.
화학적 기계적 연마(CMP)는 반도체 웨이퍼의 완전한 평탄화를 얻기 위한 반 도체 제조 공정에서 사용된다. 이 방법은 기계적 접촉 및 화학적 부식(예를 들면, 슬러리로 포화된 이동형 연마 패드)을 사용하여, 웨이퍼(통상, 이산화 실리콘(SiO2))로부터 재료(예를 들면, 표면 재료의 희생층)를 제거하는 것을 포함한다. 연마는, 높은 지형의 영역(hill)을 낮은 지형의 영역(valley)보다도 빠르게 제거하기 때문에, 높이차를 평평하게 한다. 도 1a는 CMP 기기(100)의 상면도를 나타내고, 도 1b는 도 1a의 A-A선에 따른 측면도를 나타낸다. CMP 기기(100)는 웨이퍼를 연마하기 위해 제공된다. 통상, CMP 기기(100)는 암(arm)(101)으로 웨이퍼(105)를 집어 들어 회전식 연마 패드(102) 상에 놓는다. 연마 패드(102)는 탄력성(resilient) 재료로 이루어지고, 연마 공정을 돕도록 텍스쳐를 갖는 경우도 있다. 연마 패드(102)는 플래튼(platen)(104) 또는 연마 패드(102) 바로 아래에 놓이는 턴 테이블 상에서 소정 속도로 회전한다. 웨이퍼(105)는 암(101)에 의해 연마 패드(102) 상에 제자리에 보유된다. 웨이퍼(105)의 하면은 연마 패드(102)에 대향하도록 위치한다. 웨이퍼(105)의 상면은 암(101)의 웨이퍼 캐리어(106)의 하면에 대향하고 있다. 연마 패드(102)가 회전함에 따라, 암(101)은 소정 속도로 웨이퍼(105)를 회전시킨다. 암(101)은 소정양의 하향력(down force)으로 웨이퍼(105)를 연마 패드(102) 내에 구속시킨다. CMP 기기(100)는 또한 연마 패드(102)의 반경을 횡단하여 연장되는 슬러리 디스펜스 암(slurry dispense arm)(107)을 포함한다. 슬러리 디스펜스 암(107)은 슬러리의 흐름을 연마 패드(102) 상에 분배한다.
주어진 연마 패드에 의해 제공되는 재료 제거율은 도 2에 나타낸 바와 같이 시간이 지남에 따라 기하급수적으로 감소되는 것이 알려져 있다. 그 결과, 연마 사이클 사이에서 (예를 들면, 컨디셔닝 디스크(108)를 사용하여) 연마 패드를 컨디셔닝해야만 한다. 이렇게 함으로써, 패드의 표면을 거칠게 하여 적어도 일시적으로 원래의 재료 제거율로 복원시킨다. 패드를 더 이상 보수(recondition)할 수 없으면 교체한다.
종래의 컨디셔닝 방법은 오버컨디션, 예를 들어 평탄화 표면을 닳아 없어지게 하여, 연마 패드의 패드 수명을 감소시킬 수 있다는 문제점이 있다. 패드 간의 재료 제거율의 변동 때문에, CMP 툴은 패드가 변경될 때마다 원하는 재료 제거율을 달성하도록 재교정되어야만 한다. 패드 변경 중에 소실된 제조 시간은 처리를 지연시키고 효율을 저하시킨다.
패드의 수명을 연장시키는 시도로서, 연마 패드를 선택적으로 컨디셔닝하고, 평탄화 표면을 횡단하는, 있을 수 있는 인식된 허용할 수 없는 패드 컨디션의 분포에 기초하여 CMP 패드의 표면을 따라 컨디셔닝 소자(예를 들면, 컨디셔닝 디스크(108))의 하향력을 가변시키는 다양한 방법이 보고되어 있다. 다른 방법으로는, 연마 패드 불균일에 따라서 연마 패드의 표면을 횡단하여 컨디셔닝 레시피(recipe)를 가변하는 방법이 보고되어 있다. 그러나, 이들 보고된 CMP 공정들은 통상 CMP 공정을 향상시키는 것, 예를 들어 패드 수명의 연장보다는 웨이퍼내 불균일을 개선하는 것에 보다 더 역점을 두고 있다.
패드 수명을 연장함으로써 패드 교체 빈도를 줄이고자 하는 방법 및 장치는 웨이퍼 제조 공정에 상당한 비용 절감을 제공한다.
본 발명은 패드의 작업 수명을 연장하기 위해서 연마 패드의 평탄화 표면을 컨디셔닝하는 방법, 장치 및 매체에 관한 것이다. 본 발명은 연마 패드 성능을 예측하여 패드 수명을 연장하기 위해서 패드 웨어(pad wear) 및 평탄화 공정의 물리적 화학적 모델(단일 모델 또는 다중 모델로 구현될 수 있음)을 사용한다. 이렇게 함으로써, 단일 연마 패드로 연마될 수 있는 반도체 웨이퍼 또는 다른 기판의 수를 증가시켜, CMP 공정에서 상당한 비용 절감을 제공하고, 필요한 패드 수를 감소시킴과 동시에 패드 교체에 걸리는 시간도 감소시킨다.
모델은 컨디셔닝 공정의 "컨디셔닝" 동작 파라미터에 기초하여 연마 유효성(웨이퍼 재료 제거율)을 예측한다. 본 발명의 적어도 일부 실시예에서, 컨디셔닝 파라미터는 압력(컨디셔닝 디스크 하향력) 및 속도(컨디셔닝 디스크의 회전 속도)를 포함하고, 또한 컨디셔닝 빈도, 컨디셔닝 지속기간 및 패드 표면을 횡단하는 컨디셔닝 디스크의 이송 속도 등의 다른 팩터도 포함할 수 있다. 모델은 허용가능한 웨이퍼 재료 제거율을 제공하면서 패드를 오버컨디셔닝하지 않는 범위 내에서 연마 패드 컨디셔닝 파라미터를 선택하고 나서 유지한다. 이와 같이, 본 발명은 CMP 연마 공정의 피드포워드 및 피드백 제어 공정을 제공한다. 본 발명은 표면이 침식(abrading)되고 패드에 대하여 밀려 이동되는 디스크의 사용에 대하여 설명했지만, 본 발명의 기술은 다른 컨디셔닝 기구에 적용될 수도 있다.
본 발명의 제1 형태에서는, 웨이퍼가 재료의 제거를 위해 연마 패드에 위치되고, 컨디셔닝 디스크가 상기 연마 패드의 컨디셔닝을 위해 상기 연마 패드에 위치되는 연마 패드를 갖는 화학적 기계적 연마(CMP) 장치에서의 평탄화 표면을 컨디셔닝하는 컴퓨터 구현 방법이 제공된다. 이 방법은, 웨이퍼 재료 제거율을 최대 및 최소값을 갖는 적어도 하나의 패드 컨디셔닝 파라미터의 함수로서 정의하는 패드 웨어 및 컨디셔닝 모델을 제공하고, 상기 컨디셔닝 파라미터는 컨디셔닝 디스크 하향력, 컨디셔닝 디스크의 회전 속도, 컨디셔닝의 빈도, 컨디셔닝의 지속시간, 및 컨디셔닝 디스크의 이송 속도로 이루어지는 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 파라미터를 포함하는 단계; 웨이퍼 재료 제거율을 미리 선택된 최대 및 최소 제거율 이내로 유지하도록 선택된 제1 세트의 패드 컨디셔닝 파라미터 하에서 상기 CMP 장치 내의 웨이퍼를 연마하는 단계; 상기 연마 단계 중에 생기는 웨이퍼 재료 제거율을 측정하는 단계; 상기 단계 에서 결정된 웨이퍼 재료 제거율 및 패드 웨어 및 컨디셔닝 모델에 기초하여, 갱신된 패드 컨디셔닝 파라미터를 계산하여, 웨이퍼 재료 제거율을 최대 및 최소 제거율 이내로 유지하는 단계; 및 상기 갱신된 컨디셔닝 파라미터를 사용하여 연마 패드를 컨디셔닝하는 단계를 포함한다.
적어도 일부 실시예에서, 상기 방법은 웨이퍼 재료 제거율을 미리 선택된 최소 및 최대 제거율(적어도 일부 실시예에서는 연마와 동시에 컨디셔닝이 생김) 이내로 유지하도록 선택된 제1 세트의 패드 컨디셔닝 파라미터 하에 CMP 장치 내의 웨이퍼를 연마하는 단계; 연마 단계 중에 생기는 웨이퍼 재료 제거율을 측정하는 단계; 웨이퍼 재료 제거율에 기초하여 갱신된 패드 컨디셔닝 파라미터를 계산하여, 웨이퍼 재료 제거율을 최대 및 최소 제거율 이내로 유지하는 단계; 및 갱신된 패드 컨디셔닝 파라미터를 사용하여 연마 패드를 컨디셔닝하는 단계를 포함한다. 적어도 일부 실시예에서, 상기 연마 단계는 1개의 웨이퍼를 연마하는 것을 포함하거나, 2개 이상의 웨이퍼를 연마하는 것, 즉 연마 사이클을 포함한다. 웨이퍼 재료 제거율은 평균화될 수 있고, 또는 최종 연마된 웨이퍼 재료 제거율이 패드 컨디셔닝 파라미터를 갱신하는데 사용될 수 있다.
갱신된 패드 컨디셔닝 파라미터는, 웨이퍼 재료 제거율을 컨디셔닝 디스크 하향력 및 컨디셔닝 디스크의 속도를 포함하는 패드 컨디셔닝 파라미터의 함수로서 결정하고, 계산된 그리고 측정된 웨이퍼 재료 제거율 간의 차이를 결정하며, 상기 차이를 줄이도록 갱신된 패드 컨디셔닝 파라미터를 계산함으로써 패드 웨어 및 컨디셔닝 모델을 사용하여 계산되고, 갱신 패드 컨디셔닝 파라미터는 식 k=(k1 )+g*(k-(k1 ))에 따라 갱신되고, 여기서 k는 측정된 웨이퍼 재료 제거율이고, k1 은 계산된 웨이퍼 재료 제거율이며, g는 이득이고, (k-(k1 ))은 예측 오차(prediction error)이다.
적어도 일부 실시예에서, 제1 세트의 패드 컨디셔닝 파라미터는 실험적으로(empirically), 또는 이력 데이터(historical data)를 사용하거나, 모델을 정의하는데 사용되는 실험 세트인 실험 설계(DOE: design of experiment)의 결과를 사용하여 결정된다.
적어도 일부 실시예에서, 패드 웨어 및 컨디셔닝 모델의 패드 컨디셔닝 파라미터는 컨디셔닝 빈도, 컨디셔닝 시간, 또는 컨디셔닝 중 컨디셔닝 디스크의 이송 속도(디스크 회전과 다른 디스크의 동작 속도)를 포함한다.
적어도 일부 실시예에서, 웨이퍼 재료 제거율은 연마 전후에 웨이퍼 두께를 측정하는 것을 포함한다. 갱신된 패드 컨디셔닝을 계산하는 단계는 순환적 최적화 공정(recursive optimization process)을 행하는 것을 포함한다.
적어도 일부 실시예에서, 이득 g는 측정된 파라미터의 변화도 또는 신뢰도를 표시하기 위해 사용되는 값이다.
적어도 일부 실시예에서, 패드 수명은 다음의 식에 따라 정의되고,
Figure 112003048590250-pct00001
여기서, F disk 는 컨디셔닝 중에 컨디셔닝 디스크에 의해 CMP 패드에 인가되는 하향력이고, ω disk 는 연마 패드의 컨디셔닝 중에 컨디셔닝 디스크의 각속도이며, t 는 컨디셔닝 시간이고, f는 컨디셔닝 빈도이며, T 2는 컨디셔닝 중의 컨디셔닝 디스크의 스위프(sweep) 속도이다.
적어도 일부 실시예에서, 상기 웨이퍼 재료 제거율은 다음의 식으로 정의되고,
Figure 112003048590250-pct00002
여기서, F disk 는 컨디셔닝 중에 컨디셔닝 디스크에 의해 CMP 패드에 인가되는 하향력이고, ω disk 는 연마 패드의 컨디셔닝 중에 컨디셔닝 디스크의 각속도이며, t 는 컨디셔닝 시간이고, f는 컨디셔닝 빈도이며, T 2는 컨디셔닝 중의 컨디셔닝 디스크의 스위프 속도이다. 적어도 일부 실시예에서, 웨이퍼 재료 제거율의 최대값은 웨이퍼 재료 제거율 대 컨디셔닝 하향력 곡선의 포화점이고, 즉 하향력의 증가는 제거율에 영향을 미치지 않는다. 적어도 일부 실시예에서, 웨이퍼 재료 제거율 및 최소 허용가능한 컨디셔닝 파라미터는 최대 허용가능한 웨이퍼 연마 시간에 의해 정의된다.
적어도 일부 실시예에서, 웨이퍼 재료 제거율은 다음의 식에 따라 정의되고,
Figure 112003048590250-pct00003
여기서,
Figure 112003048590250-pct00004
는 컨디셔닝 파라미터 x i 의 웨이퍼 재료 제거율이고,
Figure 112003048590250-pct00005
는 기울기이며, I i 는
Figure 112003048590250-pct00006
와 x i 간의 관계를 정의하는 곡선의 절편(intercept)이고, 웨이퍼 연마에 영향을 미칠 수 있는 다른 팩터들은 일정하게 유지된다.
적어도 일부 실시예에서, 갱신된 패드 컨디셔닝 파라미터 x i +는 다음의 식을 품으로써 결정되고,
Figure 112003048590250-pct00007
여기서,
Figure 112008082901710-pct00008
는 목표 웨이퍼 재료 제거율이고, Wi 은 컨디셔닝 파라미터 xi 의 가중 계수(weighting coefficient)이며, Δy는 웨이퍼 재료 제거율의 예측 오차이다.
본 발명의 적어도 일부 형태에서, 재료의 제거에 의해 기판을 평탄화하는데 사용되는 연마 패드를 컨디셔닝하는 장치는, 연마 패드의 평탄화 표면 상에 위치할 수 있는 암을 갖는 캐리어 어셈블리; 캐리어 어셈블리에 부착된 컨디셔닝 디스크; 컨디셔닝 디스크의 동작 파라미터를 제어할 수 있는 액추에이터(actuator); 및 액 추에이터에 작동적으로(operatively) 결합되는 제어기를 포함하고, 상기 제어기는 액추에이터를 동작시켜 컨디셔닝 디스크의 동작 파라미터를, 연마 패드 및 웨이퍼 파라미터에 기초하여 연마 패드의 웨이퍼 재료 제거율을 예측하는 패드 웨어 및 컨디셔닝 모델의 함수로서 조정한다. 컨디셔닝 디스크의 컨디셔닝 하향력 및 회전 속도는 웨이퍼 재료 제거율을 컨디셔닝 디스크 하향력 및 컨디셔닝 디스크 회전 속도를 포함하는 패드 컨디셔닝 파라미터의 함수로서 결정함으로써 모델에 의해 예측된다.
적어도 일부 실시예에서, 웨이퍼 재료 제거율은 다음의 식에 따라 정의되고,
Figure 112003048590250-pct00009
여기서,
Figure 112003048590250-pct00010
는 컨디셔닝 파라미터 x i 의 웨이퍼 재료 제거율이고,
Figure 112003048590250-pct00011
는 기울기이며, I i 는
Figure 112003048590250-pct00012
와 x i 간의 관계를 정의하는 곡선의 절편이다.
적어도 일부 실시예에서, 갱신된 패드 컨디셔닝 파라미터 x i +는 다음의 식을 품으로써 결정되고,
Figure 112003048590250-pct00013
여기서,
Figure 112008082901710-pct00014
는 목표 웨이퍼 재료 제거율이고, Wi 은 컨디셔닝 파라미터 xi 의 가중 계수이며, Δy는 웨이퍼 재료 제거율의 예측 오차이다.
따라서, 웨이퍼 재료 제거율의 허용 범위 이내로 유지하면서 소망의 컨디셔 닝 디스크 하향력 및 각속도를 사용하고, 제거율이 허용가능한 제거율 이하로 떨어지더라도 컨디셔닝 파라미터를 조정함으로써 연마 패드 수명이 연장된다. 종래의 공정은 패드 컨디셔닝 파라미터에 "하나의 크기로 모든 경우를 맞추는(one size fits all)" 접근 방법을 적용함으로써(예를 들면, 실제 웨이퍼 재료 제거율의 변화를 고려하지 않고서 컨디셔닝 파라미터를 결정함으로써), 과잉 보상하여, 패드 재료를 필요 이상으로 제거하여 패드 웨어를 가속시킨다. 따라서, 본 발명은 보다 최적의 컨디셔닝 파라미터, 즉 손상된 패드를 보수하는데 필요한 힘(force)만을 제공한다.
본 발명의 다양한 목적, 특징 및 이점은 첨부된 도면과 연계했을 때 본 발명의 상세한 설명을 참조하여 더욱 완전하게 명백해질 수 있다.
도 1a 및 도 1b는 종래의 CMP 기기를 나타내는 도면으로, 도 1a는 종래의 CMP 기기의 상면도이고, 도 1b는 도 1a의 A-A선에 따른 종래 기술의 CMP 기기의 측단면도이다.
도 2는 도 3b와 도 3c 간에 생기는 웨이퍼 재료 제거율의 지수형 감쇠 및 제거율의 평형 상태를 나타내는 도면이다.
도 3a 내지 도 3c는 연마 패드와 연마 슬러리 간에 생기는 화학 반응을 나타내는 도면으로, 도 3a는 일반적으로 폴리우레탄 연마 패드의 화학 구조 및 NCO 그룹 간에 형성되는 이온 결합을 나타내고, 도 3b는 일반적으로 폴리우레탄 합성물 내의 NCO 그룹 간의 이온 결합을 항복(breakdown)시킴으로써 폴리우레탄 연마 패드 와 물이 이온 결합을 형성하는 방법을 나타내고, 도 3c는 일반적으로 실리콘 슬러리가 물 및 폴리우레탄 연마 패드와 수소 결합을 형성하는 방법을 나타내는 도면이다.
도 4a 내지 도 4c는 연마 패드의 횡단면도로서, 도 4a는 새로운 연마 패드의 도면이고, 도 4b는 오래된 연마 패드의 도면이며, 도 4c는 오래된 연마 패드를 계속 사용하기 위해 재활용하는 방법을 나타내는 도면이다.
도 5는 CMP 공정 최적화에서 사용되는 피드백 루프의 흐름도이다.
도 6은 패드 웨어 및 컨디셔닝 모델의 데이터 수집 및 생성을 나타내는 흐름도이다.
도 7은 일반적으로 컨디셔닝 디스크에 의해 연마 패드 상에 가해지는 압력을 고려하여 웨이퍼 재료 제거율을 나타내는 그래프이다.
도 8은 일반적으로 컨디셔닝 디스크에 의해 연마 패드 상에 가해지는 회전 속도를 고려하여 웨이퍼 재료 제거율을 나타내는 그래프이다.
도 9는 다음의 웨이퍼 제거를 위한 제거율을 예측하여 변경시키는 도 7 및 도 8에 기초한 모델이다.
도 10은 본 발명의 적어도 일부 실시예의 방법에서 사용하는 CMP 기기의 측단면도이다.
도 11은 본 발명의 적어도 일부 실시예에서 사용하는 툴 표시 및 액세스 제어를 포함하는 컴퓨터 시스템의 블럭도이다.
도 12는 본 발명의 적어도 일부 실시예에 따른 소프트웨어의 각부를 저장할 수 있는 플로피 디스크를 나타내는 도면이다.
여기서는, 연마 패드의 수명을 최대화하기 위한 CMP 공정의 피드포워드 및 피드백 제어의 새로운 방법에 대하여 설명한다. 패드 수명의 연장에 의해서 CMP 공정을 위한 시간이 감소되는데, 그 이유는 연마 패드가 필요한 교체나 조정(예를 들면, 패드의 제거)없이 장기간에 걸쳐서 보다 많은 웨이퍼를 연마할 수 있기 때문이다. 상기 웨이퍼란 용어는 일반적인 관점에서 연마를 받는 소정의 대체로 평탄한 객체를 포함하여 사용된다. 웨이퍼는 모놀리식 구조와 함께, 하나 이상의 층 또는 상부에 퇴적되는 박막을 갖는 기판을 포함한다.
대부분의 CMP 패드 재료는 물에 노출되었을 때에 유연해지는 우레탄 또는 그 외의 폴리머를 포함한다. 도 3a 내지 도 3c에 나타낸 패드에 관한 화학 반응은 유연성(softening)이 생길 수 있는 공정을 설명한다. 특히, 새로운 브랜드 패드의 우레탄 내의 이소시안산염(NCO) 그룹은 통상 도 3a에 나타낸 바와 같이 수소 결합을 통하여 교차 결합(cross-link)된다. 연마 슬러리부터의 물이 패드와 접촉하면, 물은 도 3b에 나타낸 바와 같이 교차 결합된 우레탄 구조 내의 수소 결합을 중단시켜 우레탄과의 수소 결합을 형성한다. 물이 교차 결합된 우레탄 구조를 치환시키면, 패드는 유연해진다. 또한, 도 3b의 구조는 슬러리 내의 실리카(SiO2)(연마 공정으로부터 제거된 물질로부터의)와 반응하여 도 3c에 나타낸 바와 같이 우레탄 패드 내의 NCO 그룹과 추가적인 수소 결합을 생성할 수 있다. 실리카가 우레탄 구 조와 화학적으로 반응함으로써 패드는 "기능을 잃게(poisoned)" 된다. 슬러리로부터 물이 증발하면, 실리카는 패드를 경화시킨다. 슬러리 조성과 패드의 수소 결합은 패드 내의 슬러리 이동의 평균 자유 행로(mean free path)를 차단하고 물과 패드 간의 활성 접촉 영역을 감소시켜, 최종 연마된 웨이퍼에서 웨이퍼의 제거율 및 표면 균일성이 감소된다. 도 2는 도 3b 및 도 3c에 나타낸 화학 반응에서 생기는 평형 상태를 고려하여 시간이 지남에 따라 제거율이 감소하는 것을 나타낸다. 평형 상태에 일단 도달하면, 패드 연마는 정지할 것이다.
도 4a, 도 4b 및 도 4c는 패드 컨디셔닝을 나타내는 간단한 모델이다. 도 4a에 나타낸 바와 같이, 활성 패드 사이트(site)(2)의 높이(또는 깊이(1)를 패드(3)의 수명과 동등하다고 가정한다. 높이(1)가 감소할수록, 예상되는 패드(3)의 수명도 감소한다. 도 4b의 패드(3)의 기능 상실(poisoned) 영역(4)은 평형 상태에서 생기고, 도 2b 및 도 2c에서 화학적으로 표현되어 있다. 기능 상실 영역(4)은 일반적으로 패드 컨디셔닝에 의해 도 4c에 나타낸 바와 같이 물리적으로 제거되어, 새로운 활성 사이트(2)가 재차 노출될 것이다. 도 4a, 도 4b 및 도 4c에 나타낸 공정은 활성 사이트를 더이상 사용할 수 없을 때까지 패드의 전체 수명 사이클동안 반복된다.
연마 패드의 평탄화 및 컨디셔닝 중에 상기한 화학적 기계적 공정은 평탄화 공정의 최적화를 위한 모델을 제공한다. 이 모델을 사용함으로써, 패드 수명은 웨이퍼 연마 중에 컨디셔닝 파라미터를 조정하여 웨이퍼 재료 제거율과의 절충없이 연장될 수 있다. 특히, 컨디셔닝 디스크 하향력(F) 및 컨디셔닝 디스크 회전(또는 각) 속도(RPM), 그리고 선택적으로 그외의 컨디셔닝 파라미터, 예를 들어 컨디셔닝 빈도, 디스크 이송 속도, 및 컨디셔닝 지속기간은, 패드 컨디셔닝 동작 파라미터를 예측하고 나서 최적화하는 피드백 및 피드포워드 루프의 연마 동작 중에 조정된다.
본 발명의 적어도 일부 실시예에 따르면, 초기 모델은 웨이퍼 연마 공정의 정보에 기초하여 전개되고, 흐름도(도 5)에 나타낸 바와 같이 본 발명의 적어도 일부 실시예에서 사용된다. 주어진 웨이퍼 연마 레시피의 초기 모델에 기초하여, 예를 들어 웨이퍼 및 연마 패드 파라미터가 일정하게 유지되고, 초기 처리 조건이 식별되어, 소정의 컨디셔닝 파라미터 세트에 대해서 미리 선택된 최소값과 최대값 사이에서 웨이퍼 제거율을 제공하게 되는데, 이후 이것을 웨이퍼 재료 제거율의 "허용가능한(acceptable)" 범위라 한다. 이러한 조건은 패드의 오버컨디셔닝을 방지하기 위해서 선택된다. 단계 500에서, 웨이퍼들은 초기 패드 컨디셔닝 파라미터를 사용하여 주어진 웨이퍼 연마 레시피에 따라 연마된다. 단계 510에서, 상기 연마된 웨이퍼의 두께가 측정되고, 웨이퍼 재료 제거율이 계산되는데, 그 정보는 피드백 루프에서 웨이퍼 재료 제거율을 허용가능한 범위 내로 유지하도록 사용된다. 실제 제거율은 (패드 웨어 모델로부터 유도된) 예측 제거율과 비교된다. 편차, 즉 예측 오차는 본 발명의 모델에 따라 단계 520에서 패드 컨디셔닝 파라미터를 계산하여, 모델에서의 식별에 따라서 연마 패드의 연마 능력 감소를 보상하거나 및/또는 소정의 모델링되지 않은 결과를 정정하기 위해 사용된다. 연마 패드는 단계 530에서 갱신된 컨디셔닝 파라미터에 따라 컨디셔닝된다. 연마는 단계 540에서 반복되고, 그 연마 결과는 단계 510~530을 반복함으로써 연마 상태를 더 갱신하기 위 해 사용된다.
웨이퍼 재료 제거율 및 컨디셔닝 파라미터를 미리 선택된 최소와 최대 범위 내로 유지함으로써, 패드의 오버컨디셔닝이 방지되는데, 즉, 컨디셔닝 파라미터는 연마 패드의 효율을 회복하기에는 충분하지만, 패드를 부적절하게 손상시키지는 않는다. 동작시에는, 최소의 허용가능한 제거율에 근접한 웨이퍼 재료 제거율로 되는 패드 컨디셔닝 파라미터를 선택하여, 상기 컨디셔닝력을 보다 약화시키고, 따라서 연마 패드의 오버컨디셔닝을 회피할 가능성을 높일 수 있는 것이 바람직하다. 그러나, 패드 상태의 급격한 열화는 웨이퍼 재료 제거율을 최소의 허용가능한 제거율 아래로 떨어뜨릴 수 있기 때문에, 최소 제거율에 너무 근접한 곳에서 동작하는 것에 대해서 주의(또는, 적어도 인식)하고 있어야 한다.
상기한 바와 같이, 종래기술의 CMP 공정은 예를 들어 컨디셔닝 이벤트마다 표면에 걸처 균일한 컨디셔닝 하향력(즉, 컨디셔닝 디스크에 의해 패드 상에 가해지는 압력) 또는 회전 속도를 변경하지 못한다. 여기서, 단일의 컨디셔닝 이벤트는 예를 들어 연마 패드 전체 또는 연마 중에 웨이퍼와 접촉하는 연마 패드의 일부분의 컨디셔닝일 수 있다. "하나의 크기로 모든 경우를 맞추는" 접근 방법을 패드 컨디셔닝 파라미터에 적용함으로써, 종래의 공정은 과잉 보상하여, 패드 재료를 필요 이상으로 제거하여 패드 웨어를 가속시킨다. 따라서, 본 발명은 더욱 더 최적의 컨디셔닝 파라미터를 제공한다.
패드 컨디셔닝 최적화는 특정한 연마 시스템과 관련하여 수행된다. 즉, 패드 수명을 향상시키는 조건이 연마되는 웨이퍼의 형태, 연마에 사용되는 슬러리 및 연마 패드의 구성에 지정된다. 일단, 웨이퍼/슬러디/연마 패드 시스템이 식별되면, 시스템은 전개된 본 명세서에서 설명한 모델을 사용하여 특정지워진다. 연마 패드와 웨이퍼 파라미터의 일례로는, 연마 패드 크기, 연마 패드 조성, 슬러리 조성, 웨이퍼 조성, 연마 패드의 회전 속도, 연마 패드 압력, 및 웨이퍼의 회전 및 이송 속도를 포함한다.
본 발명의 적어도 일부 실시예에서는, 독립적 모델(또는, 적어도 합성 모델에 추가한 모델)이 각 슬러리/연마 패드 웨이퍼 조합(즉, 소정 형태의 웨이퍼로 제조시에 사용될 수 있는 각 슬러리의 다른 형태/브랜드 및 각 패드의 형태/브랜드)마다 생성됨을 감안하였다.
도 6은 본 발명의 적어도 일부 실시예에서 패드 웨어와 컨디셔닝 모델의 개발에 사용되는 단계의 흐름도를 나타낸다. 본 발명의 적어도 일부 실시예로부터 기대되는 바와 같이 모델 개발의 제1 단계 600에서는, 웨이퍼 재료 제거율과 제 1 컨디셔닝 파라미터 x1 간의 관계, 예를 들면 컨디셔닝 디스크 하향력(F disk )은 선택된 연마 시스템에서 결정된다. 이 관계는 일정하게 유지되는 연마력, 연마 기간 등의 웨이퍼 파라미터에 의해 다른 컨디셔닝 하향력에서 웨이퍼 재료 제거율을 측정함으로써 결정된다. 따라서, 웨이퍼는, 예를 들면 특정한 시간동안, 특정한 연마 패드와 웨이퍼 속도 등의 특정한 조건하에서 연마될 수 있어, 그 재료 제거율이 결정될 수 있다. 패드 컨디셔닝 및 웨이퍼 연마("연마 이벤트")는 도 10에 나타낸 바와 같은 장치를 사용하여 동시에 수행되거나, 또는 패드 컨디셔닝에 이어서 웨이 퍼 연마가 수행될 수 있다. 컨디셔닝 하향력은 일정하게 유지되는 모든 다른 파라미터에 의해 웨이퍼마다(또는, 두께 측정시마다) 증분해서 증가하여, 웨이퍼 제거율이 다시 결정된다. 소정의 연마 시스템의 웨이퍼 재료 제거율(다른 모든 파라미터는 일정하게 유지)에 대한 컨디셔닝 디스크 하향력의 효과를 예시한 도 7에 나타낸 바와 같은 곡선이 생성된다.
도 7을 참조하면, 곡선(700)의 제1 부분에서, 기울기는 하향력의 변화에 대한 선형 응답을 나타내고, 각도 θ 1로 나타낸다. θ 1의 값은 컨디셔닝 하향력에 대한 연마 공정의 응답을 나타낸다. θ 1의 값이 클수록, 컨디셔닝 하향력에 대하여 곡선의 기울기가 보다 가파르며, 평탄화 공정이 보다 민감하다. 곡선(720)의 제2 영역에서, 곡선은 평탄하게 되고 컨디셔닝 하향력의 증가에 실질적으로 반응하지 않게 된다. 이것을 포화점이라 칭한다. 포화의 개시는 θ 2로 표시되어 있다. θ 2의 값이 클수록, 포화(기능 상실)의 개시가 보다 점진적이다.
모델 변수의 최소 및 최대값은 도 6의 단계 610에서 결정된다. 포화점은 다른 모든 연마 파라미터가 일정하게 유지되는 연마 시스템의 최대(또는 실질적으로 최대) 제거율을 식별한다. 마찬가지로, 추가적인 압력이 패드를 오버컨디셔닝하여 실질적으로 연마율을 향상시키지 못하기 때문에, 최대 컨디셔닝 하향력을 식별한다. 최소의 웨이퍼 처리율(throughput rate)이 필요하기 때문에, 최소 재료 제거율은 생산 목표에 의해 지시된다. 따라서, 최소의 컨디셔닝 하향력도 처리량에 기초하여 정의된다. 컨디셔닝 하향력의 최소 및 최대값이 일단 정의되면, 범위는 컨 디셔닝 하향력의 허용가능한 작업 범위를 포함하는 n 단계, 예를 들면 n의 같은 단계로 분리된다. n의 값은 피드백 제어 알고리즘의 모델 파라미터를 갱신하는데 사용하기 위해서, 한단계의 값이, 예들 들어 x 내지 x+1의 값이 의미있는 값이 되도록 선택된다.
단계 620에서, 본 발명의 적어도 일부 실시예에 의해 기대되는 바와 같이, 웨이퍼 재료 제거율과 제2 컨디셔닝 파라미터 x2, 예를 들어 컨디셔닝 디스크 회전 속도 간의 관계는 컨디셔닝 하향력에 대하여 상기한 바와 같이 동일한 연마 시스템으로 결정된다. 도 8을 참조하면, 곡선은 웨이퍼 재료 제거율에 대한 패드 회전 속도의 영향을 나타내도록 생성될 수 있다(다른 모든 파라미터는 일정하게 유지됨). 재차, 인가된 회전 속도가 점진적으로 증가되어 웨이퍼 재료 제거율은 각 연마 이벤트마다 측정된다. 영역(800)은 패드 회전 속도의 변화에 대한 선형 응답을 나타내고 각도 θ3로 나타낸다. 영역(820)에서, 곡선은 평탄하게 되어 회전 속도의 증가에 실질적으로 반응하지 않게 된다. 이것을 포화점이라 칭하고, 각도 θ4로 나타낸다. 도 6의 단계 630에서, 최대 웨이퍼 재료 제거율 및 최대 회전 속도는 이 연마 시스템의 포화점으로 정의되고, 다른 모든 연마 파라미터는 일정하게 유지된다. 최소 회전 속도는 생산시 확립된(production-established) 웨이퍼 재료 제거율에 의해 결정되고, 예를 들면 처리량을 고려한 것에 기초한다. 상기한 컨디셔닝 하향력과 같이, 디스크 회전 속도의 허용가능한 범위는 피드백 제어 알고리즘의 모델 파라미터를 갱신하는데 사용하기 위해서 m 단계, 예를 들면 같은 값으로 분할될 수 있다.
이 모델은 최대 및 최소 웨이퍼 재료 제거율, 최대 및 최소 패드 하향력, 및 최대 및 최소 패드 회전 속도를 제공한다. 또한, 상수값 θ1 -θ4 가 결정된다. 상기 실험 설계가 파라미터 진폭의 증가와 함께 웨이퍼 제거율이 증가함을 증명하는 컨디셔닝 파라미터를 나타내고 있지만, 이와 반대의 관계가 존재할 수 있어서, 최소 파라미터 값으로 최대 웨이퍼 제거율을 생성할 수 있음을 이해하여야 한다. 이에 따라 상기 모델이 조정될 수 있다. 최대와 최소 조건은 공지된 연마 패드, 웨이퍼 및 연마 슬러리의 소정의 조합으로 결정될 수 있다. xi까지의 부가적 패드 컨디셔닝 파라미터가 상기 모델에 포함될 수 있고, 그 최대값과 최소값은 단계 640 및 650에 나타낸 바와 같이 결정된다.
상기 모델은 시스템을 반영하는 원(raw) 데이터로서 나타나거나, 또는 예를 들면, 시스템의 변수간의 관계를 설명하는 다중 입력-다중 출력 선형, 2차 및 비선형 방정식에 의해 표시될 수 있다. 피드백 및 피드포워드 제어 알고리즘은 다양한 방법들을 사용하여 상기한 모델에 기초해서 단계 660에서 구성될 수 있다. 알고리즘은 순환 파라미터 추정 등의 다양한 방법을 사용하여 컨디셔닝 파라미터를 최적화하기 위해 사용될 수 있다. 순환 파라미터 추정은 상기한 바와 같은 상황에서 사용되는데, 여기서는 입력-출력 데이터가 수신되는 동시에 온라인으로 모델링하는 것이 바람직하다. 순환 파라미터의 추정은 적응적 제어 또는 적응적 예측 등의 온라인 결정에 적합하다. 상기한 식별 알고리즘 및 이론에 관한 보다 상세한 것은, 「Ljung L., System Identification - Theory for the User, Prentice Hall, Upper Saddle River, N.J. 2nd, 1999」를 참조한다.
연마 패드의 착용 및 보수는 식 1에 의해 모델링될 수 있다.
[식 1]
Figure 112003048590250-pct00015
여기서, F disk 는 컨디셔닝 중에 컨디셔닝 디스크에 의해 연마 패드에 인가되는 하향력이고, ω disk 는 연마 패드의 컨디셔닝 중에 컨디셔닝 디스크의 각속도이며, t 는 컨디셔닝 시간이고, f는 컨디셔닝 빈도이며, T 2는 도 10의 일례의 CMP 장치에 나타낸 바와 같이(또한, 이후 상세하게 설명) 컨디셔닝 홀더의 스위핑 속도이다. 패드는 도 10에 나타낸 바와 같이 별도의 단계에서 또는 웨이퍼가 연마되는 동안에 컨디셔닝될 수 있다. 빈도는 컨디셔닝 이벤트들 간의 간격, 예를 들어 연마된 웨이퍼의 수로서 측정된다. 예를 들면, 1의 빈도는 패드가 웨이퍼마다 컨디셔닝되는 것을 의미하고, 한편 3의 빈도는 패드가 3개의 웨이퍼마다 컨디셔닝되는 것을 의미한다. 스위핑 속도는 컨디셔닝 디스크가 연마 패드의 표면을 횡단하여 이동하는 속도이다. 이 동작을 도 10에서 화살표 T2로 표시하고 있다. 최초 검사를 위해서, 본 발명의 적어도 일부 실시예에서는 t(시간), T2(스위핑 속도), 및 f(주파수)를 상수로 가정하고 있다.
본 발명의 적어도 일부 실시예에서, 웨이퍼 재료 제거율은 식 2로 정의된다.
[식 2]
Figure 112003048590250-pct00016
여기서, F disk , ω disk , t conditioning , T 2, θ 1, θ 2, θ 3 , θ 4는 상기와 같의 정의된다. 목적 함수는 컨디셔닝 디스크 하향력, 디스크의 rpm을 제어하고, 선택적으로 컨디셔닝의 빈도 및 지속기간, 및 패드 표면을 횡단하는 컨디셔닝 디스크의 이송 속도 T2 등의 다른 팩터들을 제어함으로써 제거율을 최소 및 최대 허용율("acceptable rate") 이내로 유지하는 것이다.
상기 모델로부터의 CMP 파라미터(변수) 및 상수는 컴퓨터 내에 프로그램된 다음, 처리하는 동안 상기 파라미터를 계속 모니터하고, 적절하게 변화시켜서, 도 9에 나타낸 바와 같이 웨이퍼 재료 제거율과 패드 수명을 향상시킬 수 있다. 기초 연구로부터의 파라미터(901)가 웨이퍼 연마 공정을 행하는 컴퓨터 또는 다른 제어기(902) 및 그 공정 파라미터를 모니터하고 변화시키는 추정기(903)에 입력된다. 실제 출력(즉, 측정된 제거율)(904)이 모니터되고, 추정기(903)에 의해 계산된 예측 출력(즉, 목표 제거율)과 비교된다. 실제 출력(904)과 예측 출력(905) 사이의 차이(906)가 결정되어 추정기(903)에 보고(907)된 다음, 프로세스(902)용 갱신 파라미터(908)를 적절하게 생성한다. 피드백 제어를 위한 갱신 모델 파라미터는 식 3에 기초한다.
[식 3]
Figure 112003048590250-pct00017
여기서, k는 현재 파라미터이고, k1은 이전 파라미터 추정치이고, g는 이득이고, (k-(k1))은 예측 오차이다. 이득은 사용자에 의해 선택되는 상수로서, 기기 오차 또는 변화의 측정치로서 사용된다. 이득 팩터는 실험적으로 또는 통계적 방법을 사용하여 결정될 수 있다.
일례로서, 웨이퍼 재료 제거율과 컨디셔닝 하향력 및 컨디셔닝 디스크 회전 속도 간의 관계를 결정하기 위하여, 일련의 곡선이 상술한 바와 같은 관심 연마 시스템에 대해서 생성될 수 있다. 곡선은 검사 시의 파라미터(들) 이외에 일정하게 유지되는 모든 연마 패드 및 웨이퍼 조건과 함께 표준 연마 절차를 사용하여 생성된다. 일정하게 유지되는 연마 패드와 웨이퍼 파라미터의 일례로서는, 연마 패드 크기, 연마 패드 조성, 웨이퍼 조성, 연마 시간, 연마력, 연마 패드의 회전 속도 및 웨이퍼의 회전 속도를 포함한다. 검사 시의 가변 파라미터는 적어도 컨디셔닝 하향력 및 컨디셔닝 디스크의 각속도를 포함한다. 다음과 같은 분석에서 보다 상세하게 나타내는 바와 같이, 부가적인 파라미터가 상기 모델에 포함될 수 있다. 도 6에 나타낸 바와 같은 모델 개발 및 도 7 및 도 8에 나타낸 바와 같이 생성된 곡선을 사용하여, θ1-θ4의 값, 웨이퍼 재료 제거율의 최소와 최대값, 컨디셔닝 하향력 및 컨디셔닝 디스크 회전 속도가 결정된다. 웨이퍼 평탄화를 모델링한 알고리즘이 정의되고, 실험적으로 또는 과거의 데이터나 DOE로부터의 데이터를 사용하여 관심 연마 시스템에 대한 패드 컨디셔닝 파라미터의 제 1 세트가 결정될 수 있다.
패드 웨어 및 패드 회복 처리를 모델링한 알고리즘은 추정기에 입력되고, 예측된 웨이퍼 재료 제거율은 상기 모델에 기초하여 계산된다. 그 실제 결과는 예측된 결과와 비교되고, 예측 오차는 추정기로 피드백되어 상기 모델을 리파인(refine)한다. 이 후, 새로운 컨디셔닝 파라미터가 결정된다. 여기서 설명한 모델에 기초하면, 상기 파라미터들은 오버컨디셔닝없이 패드 표면을 회복시키기에 충분하다. 따라서, 모델 기준에 맞는 컨디셔닝 파라미터의 최소 증가치가 갱신된 컨디셔닝 파라미터마다 선택된다. 갱신된 모델의 후속 추정을 통해 얼마나 적합한가를 결정할 수 있고, 필요하다면 그 처리가 최적화될 때까지 다른 변형이 이루어질 수 있다.
본 발명의 적어도 일부 실시예에서, 컨디셔닝 파라미터는 도 7 및 도 8에 나타낸 증분 곡선에 의해 일례로서 정의된 불연속 증분이나 스텝으로 갱신된다. 적합한 곡선 수는 컨디셔닝 파라미터에 최소 조정이 이루어질 수 있을 정도로 스텝이 충분히 작게 생성된다.
또한, 본 발명의 적어도 일부 실시예에서, 갱신된 컨디셔닝 파라미터는 곡선 사이에 놓일 수 있는 적절한 파라미터와의 보간에 의해서 결정될 수 있다. 보간은 보다 적은 수의 곡선이 초기에 생성되는 경우에 적절할 수 있으며, 그 실험 결과는 파라미터의 정밀한 분석을 제공하지 못한다.
예측 비율로부터의 편차는 부분적으로 상기 처리에 기여하는 모든 팩터를 고려할 수 없는 모델의 무능력을 반영하지만(이것은 피드백 처리의 계속적인 반복에 의해 개선될 수 있음), 시간에 따라 예측된 웨이퍼 재료 제거율로부터의 편차는 CMP 패드 연마의 열화를 나타낸다. 연마 성능의 상기한 일시적인 변화를 고려하기 위하여 패드 컨디셔닝 처리를 식별하고 변화시킴으로써, 최적의 웨이퍼 재료 제거율을 컨디션 패드의 오버컨디셔닝없이, 예를 들면 상기한 시스템의 포화점 아래에서 동작함으로써 유지한다.
상기 방법의 부가적인 특징은 식(3)에 나타낸 바와 같이 예측 오차의 적격화를 위해 이득 팩터를 사용하는 것이다. 따라서, 상기 방법은 모델이 예측된 값으로부터 편차의 100%까지 정확할 필요가 없도록 한다. 이득 팩터는 측정되거나 또는 계산된 파라미터의 불확실성을 반영하기 위해서나, 또는 너무 빨리 또는 너무 큰 범위로 파라미터를 변화시킨 결과를 "댐프(damp)"시키기 위해 사용될 수 있다. 예를 들면, 모델이 예측 오차에 대한 과대 보상을 할 수 있어서, 이 과대 보상에 대해 반응하는 다른 조정을 필요로 한다. 이것은 급변하는 최적화 처리를 유도하고, 최적화된 상태가 실현될 때까지 여러 차례 반복한다. 피드백 제어를 위한 파라미터를 갱신시의 이득 팩터의 사용을 통해서 모델이 예측 오차에 반응하는 범위를 정한다.
일단 기본 시스템이 이해되고 최적화되면, 다른 컨디셔닝 동작 파라미터를 실험적으로 변화시켜서, 패드 컨디셔닝 및 웨이퍼 연마에 대한 그 영향을 액세스할 수 있다. 초기 연구에서 상수값으로 설정되어 있는 파라미터는 증가(또는 감소)될 수 있다. 상기 시스템은 상기한 변화가 시스템에서 갖는 영향을 결정하기 위해 모니터된다. 패드 웨어 및 컨디셔닝과 관련된 다른 팩터가 상기한 방식으로 추정될 수 있음은 자명하다. 예를 들면, 초기 연구에서 1로 설정될 수 있는 컨디셔닝 빈 도는 2(2개의 웨이퍼마다), 3(3개의 웨이퍼마다) 등으로 증가될 수 있다. 이 시스템은 열화가 시작되는 지점을 결정하도록 모니터되어, 공정이 이 지점 직전으로 후퇴될 수 있다. 컨디셔닝 이벤트 간의 간격이 클수록, 패드 수명은 길어진다. 연마 품질의 손실없이 이 간격을 최대화하는 것이 본 발명의 방법의 특징으로서 기대된다.
패드 웨어 및 컨디셔닝과 관련된 다른 팩터가 상기한 방식으로, 실험적으로 또는 수학적 모델링에 의해 추정될 수 있음은 자명하다. 일례로서, 컨디셔닝 시간(패드 상의 디스크의 잔류 시간), 컨디셔닝 디스크 이송 속도 등은 상기한 방식으로 검사될 수 있다.
본 발명의 적어도 일부 실시예는 도 10에 나타낸 것과 같은 장치(1000)를 사용하여 실행될 수 있다. 이 장치는 캐리어 어셈블리(1020), 이 캐리어 어셈블리에 장착된 컨디셔닝 디스크(1030), 및 상기 캐리어 어셈블리와 작동적으로 연결되어 컨디셔닝 디스크의 하향력(F) 및 회전 속도(ω)를 제어하는 제어기(1040)를 포함하는 컨디셔닝 시스템(1010)을 갖는다. 캐리어 어셈블리는 컨디셔닝 디스크(1030)가 장착된 암(1050), 및 컨디셔닝 디스크를 평탄한 표면 내외로 접촉해서 이동시키는 수단(1060a-d)을 구비할 수 있다. 예를 들면, 제어기(1040)는 상기 이동 수단과 작동적으로 결합되어 컨디셔닝 디스크를 운반하는 암(1060a, 1060b, 1060c, 1060d)의 높이와 위치를 조정할 수 있다. 웨이퍼의 위치와 이동을 제어하기 위한 마찬가지의 제어도 또한 존재할 수 있다. 동작 중, 제어기는 웨이퍼 재료 제거율의 변화에 응답하여, 예를 들면 하향력과 회전률 등의 컨디셔닝 디스크의 동작 파라미터를 조정한다. 제어기는 계산된 컨디셔닝 레시피에 따른 컨디셔닝을 자동적으로 제공하기 위해 제어되는 컴퓨터일 수 있다. 따라서, 상기 장치는 웨이퍼(1090)의 평탄화 공정과의 절충없이 패드 수명을 연장시키기 위하여 패드(1080)의 동작 수명에 걸쳐서 패드 컨디셔닝 파라미터를 선택적으로 변경하기 위한 수단을 제공한다. 예를 들어, 다른 구성요소가 조정되는 장치의 높이, 위치 및/또는 회전을 갖는 다른 형태의 장치가 본 발명의 적어도 일부 실시예에 의해서 고려된다.
피드포워드 및 피드백 루프를 실행하기 위해 사용되는 부가적인 장치는 웨이퍼 재료 제거율을 계산하기 위해 필요한 두께 데이터를 제공하기 위한 막 두께 측정 도구를 포함한다. 상기 도구는 원위치(in situ)에서의 인라인 측정을 제공할 수 있도록 연마 장치 상에 위치되거나, 또는 연마 장치로부터 원격으로 위치될 수 있다. 상기 도구는 광학적, 전기적, 음향적 또는 기계적 측정 방법을 사용할 수 있다. 적합한 두께 측정 장치로는 나노메트릭스(Milpitas, CA) 또는 노바 측정 기구(Phoenix, AZ)의 장치를 이용할 수 있다. 컴퓨터는 본 발명에 따라 제공된 모델 및 알고리즘을 사용하여 측정된 막 두께 및 계산된 제거율에 기초해서 최적의 패드 컨디셔닝 레시피를 계산하기 위해 사용될 수 있다. 적절히 통합된 제어기 및 연마 장치(iAPC를 갖는 Mirra 또는 iAPC를 갖는 Mirra Mesa)는 캘리포니아 소재의 어플라이드 머티리얼즈사의 장치를 이용할 수 있다.
본 명세서에서 설명된 개념을 사용하여 연마될 수 있는 반도체 웨이퍼의 일례로는, 실리콘, 텅스텐, 알루미늄, 동, BPSG, USG, 열산화물, 실리콘계 막 및 낮은 k 유전체 및 그 혼합물을 포함하지만, 이것들에 한정되지는 않는다.
본 발명은 소정 수의 다른 형태의 종래 CMP 연마 패드를 사용하여 예측될 수 있다. 일반적으로는, 우레탄이나 다른 폴리머로 이루어진 기술의 수 많은 CMP 연마 패드가 있다. 그러나, 보수될 수 있는 소정의 패드가 본 발명을 사용하여 평가되고 최적화될 수 있다. 연마 패드의 일례로서 EpicTM 연마 패드(Cabot Microelectronics Corporation, Aurora IL) 및 Rodel
Figure 112003048590250-pct00018
IC1000, IC1010, IC1400 연마 패드(Rodel Corporation, Newark, DE), OXP 시리즈 연마 패드(Sycamore Pad), 토마스 웨스트 패드 711, 813, 815, 815-Ultra, 817, 826, 828, 828-E1(토마스 웨스트)를 포함한다.
또한, 소정 수의 다른 형태이 슬러리가 본 발명의 방법에서 사용될 수 있다. 일반적으로 반도체 웨이퍼 내의 특수한 형태의 금속을 연마하기 위해 이루어진 기술의 수 많은 CMP 공정 슬러리가 있다. 슬러리의 일례로는 Semi-Sperse
Figure 112003048590250-pct00019
(Semi-Sperse
Figure 112003048590250-pct00020
12, Semi-Sperse
Figure 112003048590250-pct00021
25, Semi-Sperse
Figure 112003048590250-pct00022
D7000, Semi-Sperse
Figure 112003048590250-pct00023
D7100, Semi-Sperse
Figure 112003048590250-pct00024
D7300, Semi-Sperse
Figure 112003048590250-pct00025
P1000, Semi-Sperse
Figure 112003048590250-pct00026
W2000 및 Semi-Sperse
Figure 112003048590250-pct00027
W2585)(Cabot Microelectronics Corporation, Aurora IL), Rodel ILD1300, Klebesol 시리즈, Elexsol, MSW1500, MSW2000 시리즈, CUS 시리즈 및 PTS(Rodel)을 포함한다.
웨이퍼 재료 제거율 데이터로부터 컨디셔닝 레시피를 계산하는 알고리즘의 일례는 다음과 같이 정의될 수 있다.
[식 4]
Figure 112003048590250-pct00028
여기서,
Figure 112003048590250-pct00029
는 컨디셔닝 파라미터 x i 의 웨이퍼 재료 제거율이고,
Figure 112003048590250-pct00030
는 기울기이며, I i 는
Figure 112003048590250-pct00031
와 x i 간의 관계를 정의하는 곡선의 절편이다. x 1 =F disk , x 2 =ω disk , x 3 =f, x 4 =t conditioning , 및 x 5 =T 2 로 하면, 다음과 같은 관계가 모델로부터 확립될 수 있다.
[식 5]
Figure 112003048590250-pct00032
[식6]
Figure 112003048590250-pct00033
[식 7]
Figure 112003048590250-pct00034
[식 8]
Figure 112003048590250-pct00035
[식 9]
Figure 112003048590250-pct00036
여기서,
Figure 112003048590250-pct00037
는 예측 제거율이고, ρ는 기울기이며 I는 각 식의 절편이다. N 및 N +는 특정 패드 컨디셔닝 파라미터의 상부 및 하부 경계 컨디션을 나타낸다. 본 발명의 모델들은 이들 패드 컨디셔닝 파라미터의 전체 또는 부분 집합을 포함할 수 있다.
웨이퍼 재료 제거율에 기여하는 각각의 패드 컨디셔닝 팩터는 단일식으로 조합될 수 있고, 이 단일식은 각 팩터의 웨이퍼 재료 제거율에 대한 가중 기여도를 정의한다. 웨이퍼 재료 제거율은 식 10으로 정의될 수 있다.
[식 10]
Figure 112003048590250-pct00038
여기서, Wi는 가중 팩터이고, W T =W 1 +W 2 +W 3 +W 4 +W 5 이다. 가중 팩터는 식 10의
Figure 112003048590250-pct00039
를 충족시키기 위한 x i와 연관되는 임의의 페널티(penalty), 예를 들면 재료 결함, 퇴적 불균일 등을 최소화함으로써 결정된다. 페널티 함수는 실험적으로 또는 이력 데이터를 사용하여 결정될 수 있다.
웨이퍼 재료 제거율
Figure 112003048590250-pct00040
의 예측 오차는 식 11에 나타낸 예측 제거율
Figure 112003048590250-pct00041
과 측정 제거율 y 간의 차이이다.
[식 11]
Figure 112003048590250-pct00042
예측 오차는 갱신된 웨이퍼 재료 제거율
Figure 112003048590250-pct00043
를 생성하는데 사용된다. 피드 백 식 12에 기초한 새로운 예측은 다음과 같고,
[식 12]
Figure 112003048590250-pct00044
최적화 파라미터 x i+는 식 13에 의해 결정된다.
[식 13]
Figure 112003048590250-pct00045
여기서,
Figure 112003048590250-pct00046
는 목표 웨이퍼 재료 제거율이다.
최적화 파라미터는 차후의 연마 단계에서 사용하기 위해 툴로 보내는 새료운 CMP 연마 레시피를 갱신하는데 사용된다. 따라서, 모델은 공정 상의 임의의 외부 제어없이 공정을 개선하기 위해 많은 데이터를 수신할 때에 적합할 수 있다.
컴퓨터 또는 다른 제어기(902)를 포함한 컴퓨터에 의해 제어될 수 있는 본 발명의 다른 형태는, 도 11에 나타낸 것을 포함한 소정 수의 제어/컴퓨터 실체일 수 있다. 도 11을 참조하면, 버스(1156)는 시스템(1111)의 다른 구성요소를 상호접속하는 주요한 정보 고속도로로서 작용한다. CPU(1158)는 시스템의 중앙 처리 장치로서, 다른 프로그램과 함께 본 발명의 실시예의 처리를 실행하기 위해 필요한 계산 및 논리 연산을 수행한다. 판독 전용 메모리(ROM)(1160) 및 랜덤 액세스 메모리(RAM)(1162)는 시스템의 주 메모리를 구성한다. 디스크 제어기(1164)는 하나 이상의 디스크 드라이브를 시스템 버스(1156)와 인터페이스한다. 상기 디스크 드 라이브로는, 예를 들면 플로피 디스크 드라이브(1170) 또는 CD ROM, 또는 DVD(디지털 비디오 디스크) 드라이브(1166) 또는 내장이나 외장 하드 드라이브(1168)가 있다. 상기한 여러 가지 디스크 드라이브와 디스크 제어기는 선택적 장치이다.
디스플레이 인터페이스(1172)는 디스플레이(1148)와 인터페이스하여, 버스(1156)로부터의 정보가 디스플레이(1148)상에 디스플레이되도록 한다. 디스플레이(1148)는 그래픽 유저 인터페이스를 디스플레이할 때 사용될 수 있다. 상술한 시스템의 다른 구성요소 등의 외부 장치와의 통신은, 예를 들면 통신 포트(1174)를 사용하여 이루어질 수 있다. 광섬유 및/또는 전기 케이블 및/또는 도체 및/또는 광 통신(예를 들면, 적외선 등) 및/또는 무선 통신(예를 들면, 무선 주파수(RF) 등)이 외부 장치와 통신 포트(1174) 사이의 전송 매체로서 사용될 수 있다. 주변 인터페이스(1154)는 키보드(1150) 및 마우스(1152)와 인터페이스하여, 입력 데이터가 버스(1156)에 전송되도록 한다. 상기한 구성요소와 더불어, 시스템(1111)은 또한 적외선 송신기 및/또는 적외선 수신기를 선택적으로 포함한다. 적외선 송신기는 컴퓨터 시스템이 적외선 신호 전송을 통해 송수신하는 하나 이상의 처리 구성요소/스테이션과 함께 사용될 때 선택적으로 이용된다. 적외선 송신기 또는 적외선 수신기를 사용하는 대신에, 컴퓨터 시스템은 또한 저전력 무선 송신기(1180) 및/또는 저전력 무선 수신기(1182)를 선택적으로 사용할 수 있다. 저전력 무선 송신기는 제조 공정의 구성요소에 의해 수신을 위한 신호를 송신하고, 저전력 무선 수신기를 통해 상기 구성요소로부터의 신호를 수신한다. 저전력 무선 송신기 및/또는 수신기는 산업 표준 장치이다.
도 11의 시스템(1111)이 단일 프로세서, 단일 하드 디스크 드라이브 및 단일 로컬 메모리를 구비한 것으로 예시하였지만, 시스템(1111)은 다수의 프로세서나 스토리지 장치 또는 이들의 조합체를 선택적으로 적절히 구비한다. 예를 들면, 시스템(1111)은 정교한 계산기, 휴대용 랩탑 노트북, 미니, 메인프레임 및 슈퍼 컴퓨터를 포함한 본 발명의 실시예의 원리에 따라 동작하는 소정의 적절한 처리 시스템뿐만 아니라 이들의 프로세싱 시스템 네트워크 조합으로 대체되거나 조합될 수 있다.
도 12는 컴퓨터 판독가능한 코드 또는 명령을 기억하는데 사용가능한 컴퓨터 판독가능 메모리 매체(1284)의 일례를 나타낸다. 그 일례로서, 매체(1284)는 도 11에 예시된 디스크 드라이브와 함께 사용될 수 있다. 일반적으로, 플로피 디스크 또는 CD ROM 또는 디지털 비디오 디스크 등의 메모리 매체는, 예를 들면 컴퓨터가 본 명세서에서 설명한 기능을 수행할 수 있도록 상기 시스템을 제어하기 위한 프로그램 정보 및 단일 바이트 언어용의 멀티-바이트 로케일(locale)을 포함한다. 또한, 도 11에 예시한 ROM(1160) 및/또는 RAM(1162)은 또한 중앙 처리 장치(1158)에 지시해서 인스턴트 공정과 연관된 동작을 수행하기 위해 사용되는 프로그램 정보를 기억하기 위해 사용될 수 있다. 정보를 기억하기 위한 적절한 컴퓨터 판독가능 매체의 다른 예로서는, 자기, 전기 또는 광학적(홀로그래픽을 포함함) 스토리지 및 그 조합체 등을 포함한다. 또한, 본 발명의 적어도 일부 실시예에서는, 상기한 매체가 전송 형태(예를 들면, 디지털 또는 전파 신호)일 수 있음을 고려한다.
일반적으로, 본 발명의 실시예의 다양한 구성요소들은 하드웨어, 소프트웨어 또는 이들의 조합으로 구현될 수 있다. 이러한 실시예들에서, 다양한 구성요소들 과 단계들은 하드웨어 및/또는 소프트웨어에서 구현되어 본 발명의 기능을 수행하게 된다. 소정의 현재 이용가능한 또는 향후에 개발되는 컴퓨터 소프트웨어 언어 및/또는 하드웨어 구성요소들은 본 발명의 상기한 실시예들에서 이용될 수 있다. 예를 들면, 상술한 기능들 중 적어도 일부는 C, C++ 또는 사용되는 프로세서(들) 관점에서 적합한 소정의 어셈블리 언어를 사용하여 구현될 수 있다. 또한, 자바 등의 해석 환경에서 기입되어 다양한 유저에게 다수의 수신자로 전송될 수 있다.
본 발명의 개념을 구체화한 다양한 실시예들을 본 명세서에 나타내고 설명하였지만, 당업자들은 상기한 개념을 구체화한 많은 다른 변경된 실시예를 용이하게 계획할 수 있다.

Claims (38)

  1. 웨이퍼가 웨이퍼로부터 재료의 제거를 위해 연마 패드에 위치되고, 컨디셔닝(conditioning) 디스크가 상기 연마 패드의 컨디셔닝을 위해 상기 연마 패드에 위치되는 화학적 기계적 연마(CMP) 장치에서의 연마 패드의 평탄화 표면을 컨디셔닝하는 컴퓨터 구현 방법에 있어서,
    a) 웨이퍼 재료 제거율을, 최대 및 최소값을 갖는 적어도 하나의 패드 컨디셔닝 파라미터의 함수로서 정의하는 패드 웨어 및 컨디셔닝 모델(pad wear and conditioning model) 을 제공하고, 상기 컨디셔닝 파라미터는 컨디셔닝 디스크 하향력, 컨디셔닝 디스크의 회전 속도, 컨디셔닝의 빈도, 컨디셔닝의 지속시간, 및 컨디셔닝 디스크의 이송 속도로 이루어지는 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 파라미터를 포함하는 단계;
    b) 웨이퍼 재료 제거율을 미리 선택된 최대 및 최소 제거율 이내로 유지하도록 선택된 패드 컨디셔닝 파라미터에 대한 초기값의 세트 하에서 상기 CMP 장치에서 웨이퍼를 연마하는 단계;
    c) 상기 연마 단계 중에 생기는 웨이퍼 재료 제거율을 측정하는 단계;
    d) 상기 단계 c)에서 측정된 웨이퍼 재료 제거율과, 상기 패드 웨어 및 컨디셔닝 모델에 기초하여, 웨이퍼 재료 제거율을 최대 및 최소 제거율 이내로 유지하도록 패드 컨디셔닝 파라미터에 대해 갱신된 값을 계산하는 단계; 및
    e) 상기 컨디셔닝 파라미터에 대해 갱신된 값을 사용하여 연마 패드를 컨디셔닝하는 단계를 포함하는 컴퓨터 구현 방법.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 패드 컨디셔닝 파라미터에 대해 갱신된 값을 계산하는 단계는 상기 패드 컨디셔닝 파라미터에 대해 갱신된 값이 상기 결정된 최소 및 최대값 이내에 있도록 패드 컨디셔닝 파라미터에 대해 갱신된 값을 계산하는 단계를 포함하는 컴퓨터 구현 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 패드 컨디셔닝 파라미터에 대해 갱신된 값은 상기 패드 웨어 및 컨디셔닝 모델의 출력과 단계 c)의 상기 측정된 웨이퍼 재료 제거율 간의 차이에 기초하여 계산되고, 상기 차이는 패드 컨디셔닝 파라미터에 대해 갱신된 값을 계산하기 전에 이득을 사용하여 조정되는 컴퓨터 구현 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 패드 컨디셔닝 파라미터에 대해 갱신된 값은 식 k=(k1 )+g*(k-(k1 ))에 따라 갱신되고, 여기서, k는 측정된 웨이퍼 재료 제거율이고, k1 은 계산된 웨이퍼 재료 제거율이며, g는 이득이고, (k-(k1 ))은 예측 오차(prediction error)인 컴퓨터 구현 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 패드 컨디셔닝 파라미터에 대한 초기값의 세트는 이력 데이터(historical data) 또는 상기 모델을 개발하는데 사용되는 실험 설계(DOE: design of experiment)의 결과의 적어도 하나를 사용하여 결정되는 컴퓨터 구현 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    웨이퍼 재료 제거율의 최대값은 웨이퍼 재료 제거율 대 컨디셔닝 디스크 하향력 곡선의 포화점이고, 상기 웨이퍼 재료 제거율의 최소값은 최대 허용가능한 웨이퍼 연마 시간에 기초하여 정의되는 컴퓨터 구현 방법.
  9. 제1항에 있어서,
    단계 d)의 상기 갱신된 패드 컨디셔닝 파라미터를 계산하는 단계는 순환적 최적화 공정(recursive optimization process)을 행하는 단계를 포함하는 컴퓨터 구현 방법.
  10. 제1항에 있어서,
    패드 수명은 상기 컨디셔닝 디스크 하향력, 상기 연마 패드의 컨디셔닝 동안 상기 컨디셔닝 디스크의 회전 속도, 상기 컨디셔닝의 지속시간, 상기 컨디셔닝의 빈도, 및 컨디셔닝 동안 상기 컨디셔닝 디스크의 스위핑(sweeping) 속도 중 적어도 하나에 의해 결정되는 컴퓨터 구현 방법.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 웨이퍼 재료 제거율은 상기 컨디셔닝 디스크 하향력, 상기 연마 패드의 컨디셔닝 동안 상기 컨디셔닝 디스크의 회전 속도, 상기 컨디셔닝의 지속시간, 상기 컨디셔닝의 빈도, 및 컨디셔닝 동안 상기 컨디셔닝 디스크의 스위핑 속도 중 적어도 하나에 의해 결정되는 컴퓨터 구현 방법.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 웨이퍼 재료 제거율은 다음의 식에 따라 정의되고,
    Figure 112008082901710-pct00086
    여기서,
    Figure 112008082901710-pct00087
    는 컨디셔닝 파라미터 xi 의 웨이퍼 재료 제거율이고,
    Figure 112008082901710-pct00088
    는 기울기이며, Ii 는
    Figure 112008082901710-pct00089
    와 xi 간의 관계를 정의하는 곡선의 절편(intercept)인 컴퓨터 구현 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 패드 컨디셔닝 파라미터에 대해 갱신된 값 xi +는 다음의 식을 풀어서 결정되고,
    Figure 112008082901710-pct00090
    여기서,
    Figure 112008082901710-pct00091
    는 목표 웨이퍼 재료 제거율이고, Wi 은 컨디셔닝 파라미터 xi 의 가중 계수(weighting coefficient)이며,
    Figure 112008082901710-pct00092
    는 웨이퍼 재료 제거율의 예측 오차인 컴퓨터 구현 방법.
  14. 기판으로부터 재료의 제거에 의해 상기 기판을 평탄화하는데 사용되는 연마 패드를 컨디셔닝하는 장치에 있어서,
    연마 패드의 평탄화 표면 상에 위치할 수 있는 암(arm)을 갖는 캐리어 어셈블리;
    상기 캐리어 어셈블리에 부착된 컨디셔닝 디스크;
    상기 컨디셔닝 디스크의 동작 파라미터를 제어할 수 있는 액추에이터(actuator); 및
    상기 액추에이터에 작동적으로(operatively) 결합되어, 상기 액추에이터를 동작시켜 패드 웨어 및 컨디셔닝 모델에 기초하여 상기 컨디셔닝 디스크의 동작 파라미터를 조정하는 제어기를 포함하고,
    상기 패드 웨어 및 컨디셔닝 모델은 패드 컨디셔닝 파라미터의 함수로서 웨이퍼 재료 제거율을 정의하고, 상기 패드 컨디셔닝 파라미터는 컨디셔닝 디스크 하향력과 컨디셔닝 디스크 회전율을 포함하는 컨디셔닝 장치.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 웨이퍼 재료 제거율은 다음의 식에 따라 정의되고,
    Figure 112007043520397-pct00093
    여기서,
    Figure 112007043520397-pct00094
    는 컨디셔닝 파라미터 xi 의 웨이퍼 재료 제거율이고,
    Figure 112007043520397-pct00095
    는 기울기이며, Ii 는
    Figure 112007043520397-pct00096
    와 xi 간의 관계를 정의하는 곡선의 절편인 컨디셔닝 장치.
  16. 제15항에 있어서,
    패드 컨디셔닝 파라미터에 대한 값 xi +는 다음의 식을 풀어서 결정되고,
    Figure 112008082901710-pct00097
    여기서,
    Figure 112008082901710-pct00098
    는 목표 웨이퍼 재료 제거율이고, Wi 은 컨디셔닝 파라미터 xi 의 가중 계수이며,
    Figure 112008082901710-pct00099
    는 웨이퍼 재료 제거율의 예측 오차인 컨디셔닝 장치.
  17. 제14항에 있어서,
    패드 컨디셔닝 파라미터에 대한 값은 식 k=(k 1)+g*(k-(k 1))에 따라 갱신되고, 여기서, k는 측정된 웨이퍼 재료 제거율이고, k 1은 계산된 웨이퍼 재료 제거율이며, g는 이득이고, (k-(k 1))은 예측 오차인 컨디셔닝 장치.
  18. 화학적 기계적 연마 공정을 위한 컴퓨터 실행 소프트웨어 애플리케이션을 포함하고, 컴퓨터에 의해 실행되는 명령(instruction)을 구비하는 컴퓨터 판독가능 매체로서,
    상기 명령은,
    a) 화학적 기계적 연마 툴(tool)로부터 화학적 기계적 연마 공정에서 처리된 적어도 하나의 웨이퍼의 웨이퍼 제거율에 관한 데이터를 수신하는 단계; 및
    b) 단계 a)의 상기 데이터로부터, 정의된 최대 및 최소값 이내에서 패드 컨디셔닝 파라미터에 대해 갱신된 값을 계산하는 단계를 포함하는 공정을 구현하기 위한 것이고,
    상기 패드 컨디셔닝 파라미터에 대해 갱신된 값은 패드 웨어 및 컨디셔닝 모델의 출력과 단계 a)의 상기 데이터 간의 차이에 기초하여 계산되고,
    상기 패드 웨어 및 컨디셔닝 모델은 패드 컨디셔닝 파라미터의 함수로서 웨이퍼 재료 제거율을 정의하고, 상기 패드 컨디셔닝 파라미터는 컨디셔닝 디스크 하향력과 컨디셔닝 디스크 회전율을 포함하는 컴퓨터 판독가능 매체.
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