1.1. 研究動機
隨著電子科技產品的日新月異，如何提高晶圓廠的產能與降低製程的的關鍵尺寸 (Critical Dimension, CD)，便成為了晶圓製造廠最主要降低成本的方法，此時如何改善生 產線的製程控制，以提升產品的良率便成為了主要的研究課題，因此生產線上的製程控 制(Process Control)便受到晶圓製造業者相當的重視。
DRAM(動態隨機存取記憶體)產品的應用也越來越廣泛，DRAM產品為了能夠提供 較大的電容容量，在製程構造上目前可區分為兩大主流，堆疊式(Stack)構造與溝槽式 (Trench)構造等兩大類別，其中又以溝槽式DRAM的單位面積較小，可以在相同的晶圓尺 寸上產出較多的顆粒(Chips)，在溝槽式DRAM中的電容，便是以深溝(Deep Trench)的結 構作為電容，溝槽的深度愈深，則電容量愈大，以目前的製程能力而言，溝槽式製程的 深溝深度約為6~8微米(Micrometer, m
μ
)，而欲達到此要求，深溝多晶遮罩開口製程(Deep Trench Poly Hard Mask Open, DTPHMO)便顯得格外重要，因為DTPHMO製程可以說是整 個深溝製程結構的最初製程，後續的深溝結構皆是依據DTPHMO製程所定義出來，而 DTPHMO的關鍵尺寸大小，則影響了後續的深溝孔徑大小。為了控制恰當的深溝孔徑，便需要穩定的製程以及合適的製程控制方法，若是無法控制適當的深溝孔徑大小，則後 續的製程做得再好都會因為電容的容量不足或是漏電(Leakage)而功虧一簣。
影響DTPHMO的孔徑大小主要係來自於微影製程與蝕刻製程，當微影製程控制的關 鍵尺寸在某一規格範圍後，蝕刻製程除了要將孔徑的大小控制在某一穩定的製程規格之 外，還需要消彌不同微影機台之間的差異性與微影製程偶爾發生的規格不良，以使得最 終的DTPHMO的孔徑可以在製程規格中心，因為後續的製程皆是以DTPHMO的開口大小 作為基礎。
1.2. 研究目的
對於DRAM半導體的溝槽式製程而言，DTPHMO蝕刻製程技術是決定深溝孔徑的 CD是否能維持在適當的製程規格內最重要的關鍵製程之一，而微影製程的穩定性與蝕刻 製程的穩定控制製程參數便顯得相對的重要。本論文主要目的是設計一套適用於
DTPHMO製程CD控制的先進製程控制(Advanced Process Control, APC)之批次控制器 (Run-to-Run controller)，利用深溝微影製程量測(Deep Trench Litho Critical Dimension, DT Litho CD)的輸出結果作為前饋(Feed-Forward)項目和深溝多晶遮罩開口製程量測(Deep Trench Poly Hard Mask Open Critical Dimension, DTPHMO CD)的輸出結果作為回饋 (Feedback)項目，藉由這兩個控制區塊控制蝕刻製程的氣體流量，以達到改善DTPHMO CD之穩定性與準確性，使其可進一步提供後續製程較佳的製程參考基礎。其主要的功能 大致如下：
一、 設計一控制方法來過濾並消除因隨機誤差的干擾所造成錯誤的調整，以避 免使原本沒有發生偏移的製程產生偏移。
二、 針對實際製程會有不同大小的偏移及漂移干擾，提供一套適合的回饋控制 法來達到快速的補償與控制，使製程所受到干擾的影響降至最低。
三、 當前製程(Pre-Process)發生重大變異，使得深溝微影製程量測結果嚴重偏離 製程規格中心時，仍能夠透過批次控制(R2R Control)方法，調整蝕刻製程 的氣體流量將DTPHMO CD的量測結果修正回製程規格中心。
本論文主要目的為研究一套，可以穩定控制且可以動態調整，因為微影製程與蝕刻 製程的漂移或是異常事件的發生造成規格不佳的關鍵尺寸，使其可以有效的控制關鍵尺 寸大小，期能在DT Litho CD量測和DTPHMO CD量測察覺到CD發生偏移(Shift)或是漂移 (Drift)的時候，加以控制蝕刻時的氣體流量，讓DTPHMO的蝕刻製程能夠應付微影製程 所發生的漂移與偏移，且能夠降低蝕刻製程本身的製程漂移與偏移，使得產品的CD能夠 修正到製程規格的中心，以求有較接近製程規格中心的關鍵尺寸，降低後續製程因為前
製程不佳而需要修正規格的幅度與困難度。
批次控制(R2R)目前已經廣泛的運用在半導體的生產製程上，如微影(Lithography)製 程、蝕刻(Etching)製程、化學機械研磨(Chemical Mechanical Polishing, CMP)製程、沉積 (Deposition)製程等。近來也逐漸推廣到光電產業的TFT-LCD產業，相信未來R2R可以應 用的領域將會愈來愈廣。
1.3. 文獻回顧
半導體晶圓廠的晶圓(Wafer)生產過程是以一個又一個的批次進入各個生產站點，如 同傳統工業的生產線一般，進行著反覆的薄膜沉積、曝光顯影、蝕刻、濺鍍、研磨、離 子植入與清洗等程序。由於生產製程同時會存在著漂移與偏移的現象，近年來已有許多 學術研究在探討如何發展出更有效的製程控制方法。
近年來，多位統計學者相繼提出許多相關於製程控制演算法的理論與研究。1976年 Box和Jenkin [1]提出了時間序列分析-預測與控制(Time Series Analysis– Forecasting and Control) EWMA(Exponentially Weighted Moving Average)控制器的理論；EWMA控制器是 將輸出值與目標值的差距，依其時點與現今時點的不同，給予不同的權重，此權重是呈 現一遞減的幾何分配，亦即距現今時點越近的資料點，所給予的資料點權重就越大。
1993 年 Ingolfsson and Sachs [2]提出 Single EWMA 控制器來調整製程設定，並討論製程 產出之穩定性與敏感度研究。
1995年Sachs and Ingolfsson [3]提出了APC的相關研究，認為傳統的統計製程管制 (Statistical Process Control, SPC)系統只會偵測製程的異常，卻不會自動採取適當地矯正措 施，而回饋控制不斷地調整輸入的製程參數，使量測值和目標值的差距逐漸縮小，但卻 可能造成過度控制，反而增加製程的變異；而針對IC產業的特殊生產型態，提出了R2R 的概念。R2R結合了前饋控制(Feed-Forward control)與回饋控制(Feedback control)，利用 前製程與後製程的量測資料並參考歷史資料來計算下一批次製程的參數設定，可以降低 因為機台之間的變異、機台的漂移、製程的偏移等條件的改變所造成的製程變異，因此 R2R是未來製程控制的發展趨勢。
到了1997年Smith和Boning [4]提出自我調整控制方法，探討在CMP製程中研磨率 (Polishing Rate)與不均勻度(Non-Uniformity)會產生的漂移現象，利用類神經網路計算當 時期漂移與雜訊值來修正EWMA的權值，再利用EWMA控制器修正漂移現象，這些學者 都提出了如何使用EWMA來改善製程上的輸出結果；1997年Castillo and Hurwitz [5]對 R2R控制方法做有系統的回顧，並在Single-Input-Single-Output (SISO)製程模型中提出自 我調整控制器(self-tuning controller)來調整投入參數，且討論在不同製程干擾下，採用自 我調整控制器的穩定性質。
1998年Castillo et al. [6]提出了一種適合線性與非線性半導體製程的R2R最佳化控制 器，針對半導體製程當中的線性製程與非線性製程，提出了適合R2R控制器的最佳化方 法。
1999年Guo et al. [7]更提出了一種能夠偵測並使用修正權值方法，使發生大偏移製程 能快速回到穩定狀態的Self-Tuning EWMA控制器。經由蒙地卡羅模擬大偏移及漂移狀況 驗證後，證明能有效處理製程中所發生的偏移及漂移現象。
2001年Christopher Gould [8]提出一個完整的微影製程的批次控制的理論架構，包含 回饋、前饋及前饋與回饋結合(FF/FB Combination)三種控制模組，分別由四個區塊所組 成；Wafer進入微影製程，製程(Process)結束後；由量測機台(Measurement tool)量取後測 結果，再將後測結果傳入控制器中，計算實際結果與目標值之差異，並求出最佳建議參 數；最後將所得到的參數回饋至下一批次之製程配方(Process Recipe)中，此即為回饋控 制模組。
2002年Christopher Gould [9]再提出一個結合Fault Detection Classification (FDC)及 R2R)的先進微影製程管制方法，其中針對關鍵尺寸的R2R控制部份，乃利用EWMA控制 理論來做為回饋控制的方法。但此控制方法只能針對小的製程偏移作有效的控制，對於 大的偏移，則無法有效的控制。
2002年Tseng, Chou and Lee[10]針對MIMO(Multi-Input- Multi -Output)製程和兩種常 見製程干擾 (white noise及IMA(1,1))下，如何採用Single EWMA 控制器來調整投入參 數，並探討製程的穩定性和敏感度分析。同年Tseng, Chou and Lee[11]繼續提出針對具有
線性漂移現象的SISO系統，在製程干擾為ARIMA(p,d,q)下，提出Double EWMA控制器的 產出公式以及穩定條件；並在重製率(Rework Rate)極小化準則下，討論此控制器之最適 權重。
在國內也有2001年詹韻玉[12]在SISO模型中，針對不同的製程干擾模型和要求有限 批量之總均方差 (Total Mean Square Error)極小化的限制下，如何決定 Single EWMA 控 制器之最適權重。
1.4. 研究方法
本篇研究概分成下述六個主要步驟進行研究，並如下圖1-1所示，
圖1-1 深溝多晶遮罩開口 R2R 研究流程圖
1.4.1. 步驟一：資料收集與相關性分析
以深溝多晶遮罩開口製程中最關鍵之蝕刻機台來做為研究的對象。首先，收集生產 線上的前製程與後製程的量測資料，以及製程機台的可調變製程參數，利用相關性分析
法找出蝕刻機台製程配方中可供調整的製程輸入參數，找出蝕刻製程的可調整製程參數 與DTPHMO CD之間的關係。
1.4.2. 步驟二：迴歸分析與製程模型的建立
利用步驟一所找出的關係建立製程模型的關係，利用迴歸分析法建立投入變數與產 出變數的輸入與輸出模型，挑出適當的輸入與輸出模型參數並求出各個參數所需的相關 係數值，據此建立FF + EWMA製程模型，用以模擬與實作。
1.4.3. 步驟三：設定製程參數與係數規格上下限
根據產品的前製程規格(DT Litho CD)、後製程規格(DTPHMO CD)與製程配方參數 (Recipe Parameter)對產品後製程規格的敏感度來訂定製程配方參數規格的上下界限，同 時設定控制器所需之相關係數與每次調整製程參數的最大與最小幅度，以降低過度修正 或是修正不足的現象。
1.4.4. 步驟四：補償及回饋機制
建立EWMA的更新模型(EWMA Update Model)，動態地根據DT Litho CD結果與製程 站點的氧氣流量，搭配DTPHMO CD的回饋，隨時修正下一個Lot所要使用的製程配方參 數值。同時預測未來應用於生產線上效能，以了解模型的功能與正確性。此步驟係為了 定期自動計算與更新EWMA 控制器所需要的相關係數，當機台發生故障或是例行性的 保養時，會伴隨發生相關部品與耗材的更新或汰換，或是機台的相關製程參數都會隨著 時間而有不盡相同的製程表現，因此設計了讓EWMA控制器可以有兩種更新模型。
一、在發現機台做了例行性的保養或是維修之後，藉由接收製程機台所報出的相關
一、在發現機台做了例行性的保養或是維修之後，藉由接收製程機台所報出的相關