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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Untersuchen von
Prozeßdefekten
bei einer Halbleitervorrichtung, und insbesondere ein Verfahren
zum Untersuchen von Prozeßdefekten
bei einer Halbleitervorrichtung, welche Positiv-Fotolack-Filmmuster und Negativ-Fotolack-Filmmuster
basierend auf einem Phänomen,
daß, sogar
falls ein Belichtungsprozeß unter
Benutzung von Lichtabschirm-Filmmustern mit derselben Dimension
zum Strukturieren eines Fotolackfilms durchgeführt wird, Muster des Fotolackfilms
verschiedene Dimensionen an verschiedenen Positionen in einem Bereich
(nämlich
einem Feldbereich), in dem der Fotolackfilm Licht beim einmaligen
Durchführen
des Belichtungsprozesses ausgesetzt ist, aufweisen können.
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Im
allgemeinen beeinflussen Prozeßdefekte bei
Halbleitervorrichtungen die Zuverlässigkeit und die Ausbeute dieser
Halbleitervorrichtungen beträchtlich.
Dementsprechend ist es notwendig, eine Defektuntersuchung während einer
Zeitspanne zwischen aufeinanderfolgenden Bearbeitungsschritten bei
der Herstellung der Halbleitervorrichtungen durchzuführen.
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Der
bei der Herstellung von Halbleitervorrichtungen verwendete Lithographieprozeß weist
einen Proximity-Effekt insofern auf, als daß, sogar wenn eine Belichtungsmaske,
die mit Lichtabschirm-Filmmustern mit der gleichen Dimension versehen
ist, benutzt wird, auf einem Wafer gebildete Muster verschiedene
Dimensionen aufgrund einer Schwankung in der Brechungsrate vom durch
die Belichtungsmaske durchtretenden Licht ab hängig von der Dichte der Lichtabschirm-Filmmuster
der Belichtungsmaske und einer Interferenz zwischen Lichtstrahlen,
die jeweils durch benachbarte Muster der Belichtungsmaske treten,
haben. Um Muster mit erwünschter
Dimension unter Berücksichtigung
solch eines Proximity-Effekts zu bilden, werden die Muster zunächst auf
einem Substrat unter Benutzung einer Belichtungsmaske, die mit Lichtabschirm-Filmmustern
mit der gleichen Dimension versehen ist, gebildet, und eine Differenz
in der kritischen Dimension dieser Muster, die vom Proximity-Effekt
herrührt,
wird dann erfaßt.
Der erfaßte
Wert wird dann rückgekoppelt,
um eine Belichtungsmaske, die mit Lichtabschirm-Filmmustern mit
verschiedenen Dimensionen versehen ist und in der Lage ist, die
Differenz in der kritischen Dimension zu kompensieren, zu bilden.
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Im
Fall hochintegrierter Speichervorrichtungen, wie z.B. DRAMs vom
64-Mega-Typ oder größer oder
ASIC-Vorrichtungen mit Linien verschiedener Dimensionen jedoch ist
es unpraktisch, eine Differenz in der kritischen Dimension auf die
oben erwähnte
Art und Weise zu kompensieren, da diese Vorrichtungen eine sehr
große
Anzahl von Mustern, die eine komplexe und umfangreiche Berechnung
erfordern, aufweisen.
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Aus
diesem Grund wird die Bildung von Mustern durchgeführt, wobei
der oben erwähnte
Proximity-Effekt ignoriert wird oder in Übereinstimmung mit üblichen
Verfahren für
bestimmte Musterbereiche kompensiert wird.
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In Übereinstimmung
mit solchen üblichen Verfahren
jedoch können
Prozeßdefekte
in verschiedenen Bereichen einer Halbleitervorrichtung, die letztlich
erhalten wird, auftreten, da die Berechnung und Kompensierung einer
Differenz in der kritischen Dimension nicht für alle Muster der Vorrichtung
eh durchgeführt
wird, sondern lediglich für
einen Teil der Muster durchgeführt
wird. Solch ein Problem wird um so gravierender, wenn die Halbleitervorrichtung
eine hochintegrierte Struktur aufweist oder Muster mit verschiedenen
Dimensionen aufweist. Daraus resultierend tritt eine Verschlechterung
in der Prozeßausbeute
auf. Weiterhin wird eine Menge Zeit zur Kompensation benötigt, wodurch
die Herstellungskosten ansteigen.
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Die
Druckschrift
DE 44
20 408 A1 beschreibt eine Fotomaske zur Messung der Linienbreite
einer Halbleitervorrichtung, wobei die Fotomaske ein erstes Hilfsmusterteil
und ein zweites Hilfsmusterteil aufweist. Das erste Hilfsmusterteil
weist mehrere, beabstandete, erste Hilfsmuster auf, welche dieselbe
Linienbreite wie ein objektives, zu messendes Muster aufweisen.
Das zweite Hilfsmusterteil ist unterhalb des ersten Hilfsmusterteils
angeordnet und weist mehrere, beabstandete, zweite Hilfsmuster mit
der selben Linienbreite wie beim ersten Hilfsmuster auf, welche
auf solche Weise angeordnet sind, dass sie eine unterschiedliche
Entfernung vom ersten Hilfsmuster aufweisen, wobei eine Seite zumindest
eines der zweiten Hilfsmuster mit jener eines der ersten Hilfsmuster
zusammenfällt.
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Demzufolge
ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die oben erwähnten Probleme
zu lösen
und ein Verfahren zum Untersuchen von Prozeßdefekten bei einer Halbleitervorrichtung
zu schaffen, welches die Dichte und die Dimensionen von hochreflektierenden ätzbaren
Schichtmustern, die auf einem Halbleitersubstrat aufgrund einer
Differenz in der kritischen Dimension zwischen unterschiedlichen
Bereichen einer benutzten Belichtungsmaske zurückgelassen werden, durch Ausnutzung
des Phänomens,
daß, sogar
falls ein Belichtungsprozeß unter
Benutzung von Lichtabschirm-Filmmustern mit der gleichen Dimension
zum Strukturieren eines Fotolackfilms durchgeführt wird, Muster des Fotolackfilms
verschiedene Dimensionen an verschiedenen Positionen im Feldbereich
aufweisen, erfaßt,
so daß eine
Verbesserung in der Prozeßausbeute
und in der Betriebszuverlässigkeit
erhalten werden kann, wodurch die Herstellungskosten sinken.
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In Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung wird diese Aufgabe durch ein Verfahren
zum Untersuchen von Prozeßdefekten
bei einer Halbleitervorrichtung gelöst, welches folgende Schritte
aufweist: Bilden einer ersten ätzbaren
Schicht über
einem Halbleitersubstrat; Bilden eines Positiv-Fotolackfilms über der
ersten ätzbaren
Schicht; Belichten des Positiv-Fotolackfilms mit Licht unter Benutzung einer
Belichtungsmaske mit Linien-/Zwischenraum-Mustern eines Lichtabschirm-Films,
um dadurch Muster des Positiv-Fotolackfilms derart zu bilden, daß die Positiv-Fotolack-Filmmuster
verschiedene Dimensionen an verschiedenen Positionen in einem Feldbereich
aufgrund eines Proximity-Effekts aufweisen; Ätzen der ersten ätzbaren
Schicht unter Benutzung der Positiv-Fotolack-Filmmuster als Maske,
um dadurch Muster des ersten ätzbaren
Schichtmusters zu bilden, und Beseitigen der Positiv-Fotolack-Filmmuster;
Bilden eines Negativ-Fotolackfilms über der gesamten oberen Oberfläche der
resultierenden Struktur, die nach Entfernen der Positiv-Fotolack-Filmmuster
erhalten wird; Belichten des Negativ-Fotolackfilms unter Verschieben
der Belichtungsmaske um einen erwünschten Abstand derart, daß die Lichtabschirm-Filmmuster bezüglich der
entsprechenden ersten ätzbaren
Schichtmustern fehlausgerichtet werden, um dadurch Muster des Negativ-Fotolackfilms
zu bilden; Bilden von Mustern einer zweiten ätzbaren Schicht mit einem Unterschied
in der Ätzselektivität zur ersten ätzbaren
Schicht unter teilweisem Freilegen der Negativ-Fotolack-Filmmuster; Entfernen
der freigelegten Negativ-Fotolack-Filmmuster, um dadurch Bereiche
der ersten ätzbaren Schicht
freizulegen, die unter den entfernten Negativ-Fotolack-Filmmustern
angeordnet sind; Entfernen der freigelegten Bereiche der ersten ätzbaren Schicht,
wobei die Bereiche der ersten ätzbaren Schicht,
die unter den zweiten ätzbaren
Schichtmustern angeordnet sind, als verbleibende Schichtbereiche
zurückgelassen
werden; Beseitigen der zweiten ätzbaren
Schichtmuster; und Untersuchen der resultierenden Struktur, die
nach Entfernen der zweiten ätzbaren
Schichtmuster erhalten wird, um die verbleibenden Schichtbereiche
zur Untersuchung der Dichte und der Dimensionen der erfaßten verbleibenden Schichtbereiche
zu erfassen, um dadurch eine Differenz in der kritischen Dimension
in Zusammenhang mit der Belichtungsmaske basierend auf dem Resultat
der Untersuchung zu berechnen.
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In Übereinstimmung
mit diesem Verfahren ist es möglich,
in quantitativer Weise die Differenz in der kritischen Dimension
der Muster an verschiedene Positionen im Feldbereich zu messen.
Die Meßwerte werden
rückgekoppelt,
um einen Fehler, der in den Lichtabschirm-Filmmustern der Belichtungsmaske auftritt,
zu korrigieren. Dementsprechend ist es möglich, die Zeit zu reduzieren,
die zur Untersuchung der Prozeßdefekte
erforderlich ist.
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Weitere
Aspekte der Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung der
Ausführungsformen mit
Bezug auf die begleitenden Zeichnung klar erscheinen.
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In
den Figuren zeigen:
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1 eine
schematische Ansicht zum Illustrieren einer, Schwankung in der Lichtintensität abhängig von
der Position einer Belichtungsmaske;
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2 eine
Querschnittsansicht zum Illustrieren einer, Halbleitervorrichtung,
die mit Positiv-Fotolack- Filmmustern
unter Benutzung der Belichtungsmaske von 1 versehen
worden ist;
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3 eine
Querschnittsansicht zum Illustrieren einer Halbleitervorrichtung,
die mit Negativ-Fotolack-Filmmustern
unter Benutzung der Belichtungsmaske von 1 versehen
worden ist; und
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4A bis 4E Querschnittsansichten jeweils
zum Illustrieren sequentieller Schritte eines Verfahrens zum Bilden
eines Musters, das zum Untersuchen von Prozeßdefekten bei einer Halbleitervorrichtung
in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung benutzt wird.
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Die 1 bis 3 sind
Ansichten zum Erklären
des Prinzips eines Verfahrens zum Untersuchen von Prozeßdefekten
bei einer Halbleitervorrichtung in Übereinstimmung mit der vorliegenden
Erfindung. Dieses Prinzip wird in Zusammenhang mit den 1 bis 3 beschrieben.
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Mit
Bezug auf 1 wird eine Belichtungsmaske 1 gezeigt,
welche ein transparentes Substrat 2, hergestellt aus Quarz
oder Glas, aufweist. Die Belichtungsmaske 1 weist ebenfalls
eine Vielzahl von Lichtabschirm-Filmmustern 3, die auf
dem transparenten Substrat 2 gebildet sind, auf. Die Lichtabschirm-Filmmuster 3 haben
dieselben Linien/Zwischenräume
und bestehen aus einer Chromschicht.
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Die
Belichtungsmaske 1 weist verschiedene Intensitäten und
Breiten der Lichtübertragung
aufgrund der Differenz in der kritischen Dimension zwischen verschiedenen
Bereichen der Belichtungsmaske 1, beispielsweise zwischen
den Zentral- und Randbereichen C und E des Feldbereichs, auf. Solche
Differen zen in der Intensität
und Breite hängen von
der Art der benutzten Linse, der Dichte der Muster und dem Grad
der Defokussierung oder der Energie des zur Belichtung benutzten
Lichts ab.
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Wenn
die oben erwähnte
Belichtungsmaske 1 benutzt wird, werden Muster in einer
Art und Weise gebildet, daß sie
verschiedene Dimensionen an verschiedenen Positionen davon aufweisen.
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Mit
anderen Worten wird ein Halbleitersubstrat 10 mit einem ätzbaren
Material beschichtet, um eine ätzbare
Schicht 11 zu bilden. Ein Positiv-Fotolackfilm 12 und
ein Negativ-Fotolackfilm 13 werden dann sequentiell über der ätzbaren
Schicht 11 gebildet. Nach dem Strukturieren dieser Fotolackfilme 12 und 13 und
der Belichtung der Belichtungsmaske 1 werden Muster gebildet,
welche verschiedene Dimensionen aufgrund einer Differenz in der
kritischen Dimension bei der Belichtungsmaske aufweisen, wie in 2 und 3 gezeigt.
Die vorliegende Erfindung bildet ein Muster, welches eine Untersuchung von
Prozeßdefekten
unter Ausnutzung solch einer Eigenschaft ermöglicht.
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4A bis 4E sind
Querschnittsansichten zum jeweiligen Illustrieren sequentieller
Schritte eines Verfahrens zum Bilden eines Musters, das zum Untersuchen
von Prozeßdefekten
bei einer Halbleitervorrichtung in Übereinstimmung mit der vorliegenden
Erfindung benutzt wird. In diesem Fall besteht das Substrat aus
einem Halbleitersubstrat.
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In Übereinstimmung
mit diesem Verfahren wird eine Schicht aus ätzbarem Material, wie z.B.
ein Oxidfilm, Nitridfilm oder eine Schicht aus einem anderen Material über einem
Halbleitersubstrat 10 aufgetragen, um dadurch eine erste ätzbare Schicht 11A zu
bilden. Ein Positiv-Fotolackfilm 12 wird dann über der
ersten ätzbaren
Schicht 11A aufgebracht. Darauffolgend wird der Positiv-Fotolackfilm 12 selektiv unter
Benutzung einer Belichtungsmaske 1, die die Struktur von 1 aufweist
und mit Linien/Zwischenräumen
mit der gleichen Dimension versehen ist, belichtet. Der Fotolackfilm 12 wird
dann entwickelt, um Muster des Fotolackfilms 12 auszubilden.
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Obwohl
die Belichtungsmaske 1 die Lichtabschirm-Filmmuster mit
derselben Dimension aufweist, haben die Positiv-Fotolack-Filmmuster verschiedene
Dimensionen an verschiedenen Positionen davon, welche jeweils verschiedenen
Bereichen des Feldbereichs der Belichtungsmaske 1 entsprechen,
beispielsweise den Zentral- und Randbereichen C und E des Feldbereichs,
und zwar aufgrund einer Differenz in der kritischen Dimension in
Zusammenhang mit der Belichtungsmaske 1. Dies wird am besten
in 4A gezeigt.
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Darauf
werden die Bereiche der ersten ätzbaren
Schicht 11A, die nicht mit den Mustern des Positiv-Fotolackfilms 12 bedeckt
sind, entfernt, wobei diese Muster als eine Maske benutzt werden,
um dadurch Muster der ersten ätzbaren
Schicht 11A zu erzeugen. Der verbleibende Positiv-Fotolackfilm 12 wird
dann vollständig
entfernt.
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Über der
gesamten oberen Oberfläche
der resultierenden Struktur wird dann ein Negativ-Fotolackfilm 13 aufgebracht.
Der Negativ-Fotolackfilm 13 wird dann selektiv unter Benutzung
der Belichtungsmaske 1, die in 1 gezeigt
ist, zur Strukturierung belichtet.
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Die
Belichtung für
den Negativ-Fotolackfilm 13 wird unter der Bedingung ausgeführt, daß die Belichtungsmaske 1 bezüglich des
Halbleitersubstrats 10 in einer Richtung senkrecht zur
Längsrichtung
der Muster um einen Abstand entsprechend "(n + 1/2) × Teilungsmaß" (n: natürliche Zahl)
fehlausgerichtet ist. Nach Entwickeln des Negativ-Fotolackfilms 13 werden
Muster des Negativ-Fotolackfilms 13 erhalten, welche eine
große
Dimension aufweisen, die ausreicht, um vollständig zugehörige Muster der ersten ätzbaren
Schicht 11A im Zentralbereich C des Feldbereichs zu bedecken,
und welche eine kleine Dimension aufweisen, die ausreicht, um gegenüberliegende
Seitenränder
der Muster der ersten ätzbaren Schicht 11A am
Randbereich E des Feldbereichs freizulegen. Dies ist am besten in 4A gezeigt. Der
Fehlausrichtungsabstand kann optionell eingestellt werden. In dem
Fall der Bildung von Linien-/Zwischenraum-Mustern entspricht der
Fehlausrichtungsabstand entweder "(n + 1/2) × Teilungsmaß" oder "(n + 1/4) × Teilungsmaß" (n: natürliche Zahl).
In diesem Fall können
die Linien-/Zwischenraum-Muster der Belichtungsmaske eine Dimension
aufweisen, welche folgender Gleichung genügt: S = L × n (S: Dimension jedes Zwischenraums
der Linien-/Zwischenraum-Muster; L: Dimension jeder Linie der Linien-/Zwischenraum-Muster;
und n: natürliche
Zahl (n = 1, 2, 3, ...)).
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Darauffolgend
wird eine zweite ätzbare Schicht 11B über der
gesamten oberen Oberfläche der
resultierenden Struktur aufgebracht, wie in 4B gezeigt.
Die zweite ätzbare
Schicht 11B ist aus einem Material mit einer hohen Ätzselektivität gegenüber der
ersten ätzbaren
Schicht 11A, beispielsweise TiN oder WSi, hergestellt,
um so eine hohe Ätzselektivität beim Durchführen eines
folgenden Ätzprozesses
zu erhalten.
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Darauf
werden die Bereiche der zweiten ätzbaren
Schicht 11B, die jeweils über den Mustern des Negativ-Fotolackfilms 13 angeordnet
sind, in Übereinstimmung
mit einem geeigneten Verfahren, wie z.B. einem anisotropen Ganzflächen-Ätzverfahren entfernt,
wie in 4C gezeigt. Daraus resultierend werden
Muster der zweiten ätzbaren
Schicht 11B ausgebildet, welche die oberen Oberflächen der
Negativ-Fotolack-Filmmuster freilegen.
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Die
Muster des Negativ-Fotolackfilms 13 werden dann vollständig entfernt,
um dadurch die Muster der ersten ätzbaren Schicht 11A,
die unter den Negativ-Fotolack-Filmmustern angeordnet sind, freizulegen,
wie in 4D gezeigt. Darauffolgend werden
die freigelegten Bereiche der ersten ätzbaren Schicht 11A beseitigt.
Daraus resultierend wird die erste ätzbare Schicht 11A teilweise
in Form der verbleibenden Schichten mit einer kleinen Dimension am
Randbereich E des Feldbereichs, wo sie mit den Mustern der zweiten ätzbaren
Schicht 11B überlappt, zurückgelassen.
Dies ist am besten in 4E gezeigt.
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Für die resultierende
Struktur mit der oben erwähnten
Struktur wird dann eine Untersuchung der Prozeßdefekte unter Benutzung einer
Defekt-Untersuchungsvorrichtung durchgeführt. D.h. die Defekt-Untersuchungsvorrichtung
mißt Positionen, Dichte
und Dimensionen der verbleibenden Schichtbereiche der ersten ätzbaren
Schicht 11A. Dementsprechend ist es möglich, die Differenz in der
kritischen Dimension der Muster an verschiedenen Positionen im Feldbereich
zu messen. Es ist ebenfalls möglich,
leicht Bereiche zu bestimmen, in denen eine Kompensation erforderlich
ist. Zum Ermöglichen
einer leichten Untersuchung ist die erste ätzbare Schicht 11A aus
einem Material mit einem hohen Reflexionsfaktor, beispielsweise
Aluminium, hergestellt, so daß sie
durch die Defekt-Untersuchungsvorrichtung erfaßt werden kann.
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Der
Unterschied in der Ätzselektivität zwischen
der ersten ätzbaren
Schicht 11A und dem Substrat kann durch Bilden einer zusätzlichen ätzbaren Schicht
aus einem Boro-Phospho-Silikatglas(BPSG)-Film, Oxidfilm oder Nitridfilm
unter der ersten ätzbaren
Schicht 11A mit einer Dicke von etwa 10 bis 100 nm anwachsen.
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Dabei
weist, obwohl nicht gezeigt, die Defekt-Untersuchungsvorrichtung,
die die Prinzipien der Optik ausnützt, eine Lichtquelle zum Aussenden
von Lichtstrahlen auf. Diese Lichtstrahlen werden entlang eines
erwünschten
optischen Weges ausgegeben und dann auf einen Wafer gestrahlt, auf
dem Muster einer ätzbaren
Schicht gebildet werden. Eine Signalsensoreinheit erfaßt die Lichtstrahlen,
die von dem Wafer reflektiert werden, in Form von Musterbildern.
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Für jedes
Musterbild des Wafers, das an die Signalsensoreinheit gesendet wird,
wird dann seine Helligkeit/Dunkelheit oder sein Farbindex basierend auf
dem Reflexionsindex des Musterbildes abgeleitet. Die Daten über den
Farbindex, die auf die obige Art und Weise erhalten werden, werden
in entsprechende elektrische Signale mit Werten im Bereich von 0
bis 255 umgewandelt. Unter den Musterbildern werden diejenigen mit
einer Helligkeit/Dunkelheit-Differenz oberhalb eines vorbestimmten
Werts, nämlich eines
Schwellwerts, mit Mustern, die jeweils eine Kompensation erfordern,
assoziiert.
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Wie
oben erwähnt,
werden Muster einer ätzbaren
Schicht auf einem Halbleitersubstrat derart ausgebildet, so daß eine Belichtungsmaske
mit Linien/Zwischenräumen
mit einem bestimmten Teilungsmaß im
Bezug auf die Halbleitervorrichtung fehlausgerichtet wird. Wenn
eine Kontaktlochmaske benutzt wird, ist es jedoch möglich, eine
Differenz in der kritischen Dimension der Muster, die durch den
Proximity-Effekt verursacht wird, ohne das Erfordernis einer Fehlausrichtung
zwischen der Belichtungsmaske und dem Halbleitersubstrat beim Bilden
der Muster eines Negativ-Fotolackfilms zu erfassen. In diesem Fall
werden ringförmige
Muster einer ätzbaren Schicht und
Bereiche des Halbleitersubstrats gebildet, an denen die Kontaktlöcher jeweils
gebildet werden.
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Wie
aus der obigen Beschreibung klar erscheint, schafft die vorliegende
Erfindung ein Verfahren zum Untersuchen von Prozeßdefekten
bei einer Halbleitervorrichtung, welches das Phänomen ausnützt, daß, sogar falls Lichtabschirm-Filmmuster
benutzt werden, Muster einer ätzbaren
Schicht verschiedene Dimensionen an verschiedenen Positionen im
Feldbereich aufweisen. In Übereinstimmung mit
der vorliegenden Erfindung wird eine erste ätzbare Schicht über einem
Halbleitersubstrat gebildet und dann unter Benutzung von Mustern
eines Positiv-Fotolackfilms
strukturiert, welche unter Benutzung einer Belichtungsmaske gebildet
werden. Muster eines Negativ-Fotolackfilms werden dann auf der ersten ätzbaren
Schicht unter der Bedingung gebildet, daß das Substrat von der Belichtungsmaske
um einen Abstand entsprechend entweder "(n + 1/2) × Teilungsmaß" oder "(n + 1/4) × Teilungsmaß" (n: natürliche Zahl)
beim Durchführen
einer zweiten Belichtung zur Bildung dieser Muster fehlausgerichtet
sind. Die erste ätzbare
Schicht wird dann unter Benutzung der Negativ-Fotolack-Filmmuster
in Form der verbleibenden Schichten strukturiert. Die Defekt-Untersuchungsvorrichtung
mißt Positionen,
Dichte und Dimensionen der verbleibenden Schichtbereiche der ersten ätzbaren
Schicht. Dementsprechend ist es möglich, in quantitativer Weise
die Differenz einer kritischen Dimension der Muster an verschiedenen
Positionen im Feldbereich zu messen. Die Meßwerte werden rückgekoppelt,
um einen Fehler, der in den Lichtabschirm-Filmmustern der Belichtungsmaske auftritt,
zu korrigieren. Dementsprechend ist es möglich, die Zeit zu reduzieren;
die für
die Untersuchung der Prozeßdefekte
notwendig ist. Dies resultiert in einer Verbesserung in der Prozeßausbeute
und in der Betriebszuverlässigkeit.