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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Durchführen einer
Ausrichtungsmessung von zwei Strukturen in verschiedenen Schichten
auf einem Halbleiterwafer, das ein Satz von Belichtungsfeldern umfaßt, wobei
eine feste Anzahl von Feldern für
die Ausrichtungsmessung ausgewählt
ist, wobei jedes der Belichtungsfelder mit mindestens einer Ausrichtungsstruktur
versehen ist.
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Im
ganzen vorliegenden Dokument bezieht sich der Ausdruck Ausrichtungsstruktur
auf eine beliebige Meßmarke,
die zum Identifizieren von absoluten oder relativen Positionen auf
einem Halbleiterwafer verwendet wird, zum Beispiel Ausrichtungsmarken
zum Ausrichten eines Wafers auf einem Tisch in einem Belichtungsgerät oder Überdeckungsziele zum
Vergleichen der Abweichung von zwei Strukturen in verschiedenen
Schichten oder Registriermarken zum Messen von absoluten Positionen
auf einem Wafer durch Vergleich mit Referenzdaten, die aus einer
Bibliothek oder von einem Referenzwafer stammen können.
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Aufgrund
der schnell abnehmenden kleinsten Strukturgrößen integrierter Schaltungen
werden strenge Anforderungen an die kleinste Belichtung eines Halbleiterwafers
mit einer Maskenstruktur gestellt. Eine präzise Überdeckung erreicht man im
allgemeinen durch Ausrichten einer eigenen Ausrichtungsmarke, die
in einem vorausgegangenem Belichtungsschritt auf der Waferoberfläche strukturiert worden
ist, das heißt
der jüngsten
Schicht, auf eine andere Ausrichtungsmarke, die einer Maskenstruktur zugeordnet
ist, die in dem aktuellen Schritt auf den Wafer projiziert werden
soll.
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Bei
einem Belichtungsgerät
erfolgt diese Ausrichtung des Halbleiterwafers vor der Belichtung durch
einen Positionsvergleich der strukturierten Ausrichtungsmarke der
jüngsten
Schicht mit der virtuellen, noch nicht projizierten Ausrichtungsmarke der
aktuellen Schicht.
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Nach
der Belichtung kann die Präzision
der durchgeführten
Ausrichtung in einem Überdeckungswerkzeug überwacht
werden, in dem die Position der zugeordneten Ausrichtungsmarken,
die beide nun in aufeinanderfolgenden Schichten strukturiert sind,
in der x- und y-Richtung gemessen werden kann und die Differenz
zwischen ihnen dann mit einem Schwellwert verglichen werden kann.
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Aktuelle Überdeckungsspezifikationen
erfordern eine größte Überdeckungstoleranz
von 35–50 nm
im Fall von High-end-Produkten. Die Ausrichtungsmarken, deren Positionsdifferenzen
während der
Belichtungsausrichtung oder Überdeckungssteuerung
gemessen werden, sind üblicherweise
in den Ritzgräben
oder Ritzrahmen jedes Belichtungsfeld auf dem Wafer positioniert.
Eine übliche
Ausrichtungsprozedur während
der Belichtung besteht darin, einen Satz von in dem vorausgegangenen
Belichtungsschritt bereits strukturierten Belichtungsfeldern mit
einer vordefinierten Anzahl von Positionen auszuwählen. In
jedem von diesen, zum Beispiel neun, Belichtungsfeldern werden vier
Ausrichtungsmarken in x- und y-Richtung gemessen und durch die Optik
hindurch mit ihrem virtuellen Gegenstück verglichen. Nach dem Bestimmen
der Positionsdifferenzen sind die Verschiebung, Skalierung und Rotation
der zu projizierenden aktuellen Schicht bezüglich der vorausgegangenen
Schicht bekannt und die Position und Bewegung des Wafertischs kann
justiert werden. Eine derartige Prozedur ist im Dokument
US 6,043,134 beschrieben.
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Die
Informationen, die dem für
die Ausrichtung bestimmten ausgewählten Satz von Belichtungsfeldern
zugeordnet sind, werden üblicherweise von
der Ausrichtungssteuersoftware tabuliert und ausgelesen, die jeder
der Ausrichtungsmeßschritte automatisch
durchführt.
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Eine ähnliche
Prozedur gilt für
die Überdeckungssteuerung.
Bei mehreren Nachbearbeitungsschritten wie etwa dem chemisch-mechanischen
Polieren (CMP) oder Ätzen
werden die in einem vorausgegangenen Belichtungsschritt strukturierten
Ausrichtungsmasken oftmals beschädigt
oder verdeckt, insbesondere wenn es zu einer gewissen Prozeßänderung
kam. In diesen Fällen
muß die
Struktur der Ausrichtungsmarken an den Prozeß angepaßt werden, weshalb Änderungen
zu verschlechterten Ausrichtungsmarken führen können. Deshalb ist in vielen Fällen eine
ausreichende Ausrichtungsprozedur oder Überdeckungssteuerung insbesondere
dann nicht durchführbar,
wenn die oben beschriebenen Prozesse systematisch auftreten, zum
Beispiel an den Waferkanten. Deshalb nimmt die Ausrichtungsqualität ab, was
zu einer reduzierten Waferausbeute führt.
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Um
dies zu umgehen, lösen Überdeckungs- oder
Ausrichtungssteuerprogramme üblicherweise andere
Signale aus, wenn im voraus ausgewählte Belichtungsfelder und
Ausrichtungsmarken nicht detektiert werden können oder zwei schlechte Meßsignale
ergeben. Das System benötigt
dann leider eine Bedienereingabe, wie es in dem vorliegenden Fall weiter
verfahren soll, was wertvolle Zeit benötigt und mehr Bedienungspersonal
erfordert.
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Eine
Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung besteht deshalb darin, die
für eine
Ausrichtungsmessung oder Überdeckungsmessung
eines Halbleiterwafers benötigte
Zeit zu reduzieren und die Waferausbeute zu erhöhen.
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Gelöst wird
die Aufgabe durch ein Verfahren zum Durchführen einer Ausrichtungsmessung
von zwei Strukturen in verschiedenen Schichten auf einem Halbleiterwafer,
das einen Satz von Belichtungsfeldern umfaßt, wobei eine feste Anzahl
für die Ausrichtungsmessung
ausgewählt
ist, wobei jedes der Ausrichtungsfelder mit mindestens einer Ausrichtungsstruktur
versehen ist, mit den folgenden Schritten:
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Bereitstellen
des Halbleiterwafers für
ein Bearbeitungswerkzeug zum Durchführen der Ausrichtungsmessung,
Auswählen
einer ersten Ausrichtungsstruktur in einem ersten des Satzes von
Belichtungsfeldern mit einer festen Anzahl, Durchführen einer
Offsetmessung unter Verwendung der ersten Ausrichtungsstruktur mit
Ausgabe eines den Fall darstellenden Fehlersignals, daß die Offsetmessung entweder
wegen einer schlechten Ausrichtungsstrukturqualität nicht
durchführbar
ist oder ein Offset jenseits eines Toleranzbereichs liefert, Auswählen eines zweiten
Belichtungsfelds als Reaktion auf das Fehlersignal als Ersatz, der
mit Ausnahme des ersten Belichtungsfelds nicht in dem Satz von Belichtungsfeldern
auf dem Halbleiterwafer enthalten ist, Auswählen einer zweiten Ausrichtungsstruktur
in dem zweiten Belichtungsfeld, Durchführen einer Offsetmessung unter
Verwendung der zweiten Ausrichtungsstruktur und Fortsetzen des Messens
eines zweiten relativen Offsets einer Ausrichtungsstruktur in einem
nächsten
Belichtungsfeld des Satzes von Belichtungsfeldern.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird eine andere Ausrichtungsstruktur oder gleichwertige
Ausrichtungsmarke ausgewählt,
wenn die Messung des Positionsoffsets nicht durchgeführt werden
kann. Dies kann beispielsweise, wie oben erwähnt, auf die verdeckenden oder
beschädigenden
Effekte zurückzuführen sein.
Anstatt einen Alarm an den Bediener zum Beispiel zum Unterbrechen
des Belichtungsprozesses abzugeben, wird eine Ersatzausrichtungsstruktur
gewählt,
die eine immer noch ausreichende Datenmenge zum Durchführen der
Justierungsbestimmung während
des Ausrichtungsschritts oder eine vollständige Charakterisierung der Überdeckungsqualität in einer
Meßinspektion
liefert.
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Um
die Positionen der Ausrichtungsmarke über die Waferkarte hinweg soweit
wie möglich
konstant zu halten, kann die ausgewählte zweite Ausrichtungsstruktur
aus dem gleichen Belichtungsfeld gewählt werden, in dem der Fehler
auftrat. Da die Messung einer zusätzlichen Ausrichtungsmarke
unter Beibehaltung der Gesamtqualität nur einige Sekunden erfordert,
spart man im Vergleich zu einem Eingriff durch einen Bediener viel
Zeit ein.
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Besonders
bevorzugt weist die aus dem gleichen Belichtungsfeld gewählte Ausrichtungsmarke eine
Position in der Nähe
der beschädigten
oder verdeckten Ausrichtungsstruktur auf. Jedoch kann die Ausrichtungsstruktur
auch aus einem anderen Belichtungsfeld ausgewählt werden, das nicht Teil
des im voraus ausgewählten
Satzes von Belichtungsfeldern ist. In diesem Fall wird die Gesamtzahl
ausgewählter
Belichtungsfelder ebenfalls beibehalten, wodurch die Menge von Positionsinformationen,
die zum Durchführen
der Ausrichtung erforderlich ist, konstant gehalten wird.
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Das
vorliegende Verfahren wird bevorzugt in Überdeckungs- oder Ausrichtungssteuerprogrammen
implementiert, die die erforderlichen Belichtungsfelder und Ausrichtungsmarkenpositionen
aus einer gespeicherten Tabelle wählen. Wenn das Fehlersignal
ausgegeben wird, das das Problem einer schlechten Ausrichtungsstrukturqualität oder einer Offsettoleranzverletzung
darstellt, ein Ersatzbelichtungsfeld und Ausrichtungsmarkenposition,
die bevorzugt zuvor in der gleichen Tabelle gespeichert wurden,
dadurch dem anfänglichen
festen Satz von Belichtungsfeldern und Ausrichtungsmarken zugeordnet.
Bei einem derartigen Beispiel weist jedes Belichtungsfeld des Satzes
von Belichtungsfeldern sein eigenes Ersatzbelichtungsfeld auf.
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Das
vorliegende Verfahren läßt sich
auf jede Ausrichtungs- oder Überdeckungsmessung
eines Bearbeitungswerkzeugs bei der Halbleiterwaferherstellung anwenden.
Es ist nicht auf Belichtungsgeräte
oder Überdeckungsmeßwerkzeuge
beschränkt, sondern
kann zum Beispiel auch in Ausrichtungsprozeduren für andere
Meßwerkzeuge
wie Defektuntersuchung, Rasterelektronen-mikroskope oder Be arbeitungswerkzeuge,
die eine Aus-richtung benötigen, weil
sie unterschiedliche Teile der Waferoberfläche beeinflussen, benötigen.
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Die
Position des zweiten Belichtungsfelds bezüglich des ersten Belichtungsfelds
kann vorteilhafterweise auf das Problem angepaßt werden, das durch den beschädigenden
oder verdeckenden Prozeß zu
erwarten ist, beispielsweise kann es das nächste Belichtungsfeld in der
gleichen Reihe der Waferkarte sein, oder es kann allgemein als das nächste Belichtungsfeld
in der Richtung der Wafermitte oder umgekehrt gewählt werden.
Es ist außerdem
möglich,
daß das
zweite Belichtungsfeld zufällig gewählt wird,
wobei immer berücksichtigt
wird, daß ein
Belichtungsfeld, das bereits ein Element der festen Anzahl von im
voraus ausgewählten
Belichtungsfeldern ist, nicht zweimal gemessen werden darf. Bei einem
weiteren Aspekt wird der Fall berücksichtigt, daß die zweite
Ausrichtungsmarke ebenfalls Probleme mit Verdeckung oder Beschädigung offenbart. Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird dann ein drittes Belichtungsfeld mit einer dritten
Ausrichtungsstruktur für
die Durchführung
der Offsetmessung der Ausrichtungsmarken von den verschiedenen Schichten
ausgewählt.
Die Prozedur, als Ersatz noch weitere Belichtungsfelder auszuwählen, kann
fortgeführt werden
bis eine Schwellwertanzahl von Ersatzfeldern erreicht ist, was den
Fall darstellt, daß offensichtlich
jede Ausrichtungsmarke verdeckt ist oder vielleicht eine falsche
Maskenstruktur auf die bereits strukturierte Waferoberfläche projiziert
wird.
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Ein
Verfahren zum Verfeinern der Idee der vorliegenden Erfindung hinsichtlich
eines selbstlernenden Systems unter Verwendung der Ergebnisse des
wiederholten Durchführens
des Verfahrens der vorliegenden Erfindung als Eingabe in ein neuronales
Netz wird betrachtet. Das neuronale Netz wird unter Verwendung der
Schritte gemäß dem Verfahren der
vorliegenden Erfindung trainiert. Falls beispielsweise ausgewählte Belichtungsfelder
wie derholt zu einer Falschmessung oder einem Ausreißer führen, die
zu einer Fehlausrichtung führen,
reagiert es durch Ändern
der Auswahl der Ersatzfelder oder sogar des vordefinierten Satzes
von Belichtungsfeldern. Das gleiche gilt für die Auswahl der Ausrichtungsmarken in
einem Belichtungsfeld. Diese Idee kann auch durch Fuzzy-Logik implementiert
werden.
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Da
aufgrund der Auswahl von Belichtungsfeldern und ihren Ersatzbelichtungsfeldern
die Ausrichtungs- und Überdeckungsqualität beibehalten oder
sogar verbessert werden kann, wird die Waferausbeute erhöht und die
mit der Systemwartung oder Reparatur verbrachte Zeit vorteilhafterweise
reduziert.
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Weitere
Vorteile und Aspekte ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
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Ein
besseres Verständnis
der Erfindung ergibt sich durch Bezugnahme auf die folgende Beschreibung
von Ausführungsformen
der Erfindung in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen. Es zeigen:
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1 eine
erste Ausrichtungsstruktur mit schlechter Qualität, die eine Auswahl einer anderen Ausrichtungsstruktur
in dem gleichen Feld (links unten) oder in einem anderen Feld (rechts
unten) einleitet,
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2 eine
Belichtungsfeldkarte eines Halbleiterwafers, wobei eine 1 Belichtungsfelder
mit für eine
Messung ausgewählten
Ausrichtungsmarken und eine 2 oder 3 Ersatzbelichtungsfelder bezeichnen,
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3 eine
graphische Darstellung, angefertigt für das Anpassen von Ersatzzielen
auf Standardziele.
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In
dem oberen Teil von 1 ist eine Ausrichtungsstruktur 20 gezeigt,
die als ein Überdeckungsziel
zur Messung in einem Meßwerkzeug
verkörpert
ist, das aufgrund vorausgegangener Bearbeitungsschritte eine schlechte
Qualität
aufweist. Die Ausrichtungsstruktur 20 ist in der linken
oberen Ecke des Ritzgrabens jedes Belichtungsfelds 2 eines
Halbleiterwafers 1 positioniert. Bei diesem Beispiel besteht
die Ausrichtungsstruktur 20 aus a) vier quadratisch angeordneten
Zwillingsgräben,
die in einer zuvor strukturierten Tiefgrabenschicht einer 0,14 μm DRAM-Struktur
zur Ausbildung eines Referenzziels 31 ausgebildet sind,
und b) vier kleineren, gleichmäßig strukturierten
Stäben
in einer Resistschicht, die die Gatekontaktschicht ist, innerhalb
des in a) gegebenen Quadrats, um ein Resistziel 30 zu liefern.
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Eine Überdeckungsmessung
umfaßt
das Messen einer Abweichung der Mitte des Resistziels 30 bezüglich des
bereits strukturierten Referenzziels 31 der zuvor ausgebildeten
Schicht. Wenngleich die Resiststruktur 30 auf dem REM-Bild
im oberen Teil der 1 deutlich sichtbar ist, zeigt
das Referenzziel 31 der zuvor strukturierten Schicht einen
schlechten Strukturkontrast, weil zum Beispiel ein lokaler Fokusfleck
während
einer jüngsten
Belichtung aufgetreten ist, oder wegen eines chemisch-mechanischen
Polierens (CMP), wodurch er ausgelöscht wird.
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Wenn
die Ausrichtungsstruktur 20 sich in einem Belichtungsfeld 2 befindet,
das Teil des Satzes von für
eine Ausrichtungsmessung ausgewählten Belichtungsfeldern 10 ist,
wie in 2 gezeigt, ist es schwierig, die Messung von x-y-Abweichungen
in Mittelpositionen der jeweiligen Schichtstrukturen 30, 31 durchzuführen. Insbesondere
ist es schwierig, die Mittelposition des Referenzziels 31 der
zuvor hergestellten Struktur zu bestimmen. Die Steuereinheit des Meßwerkzeugs
erzeugt deshalb ein Fehlersignal, das anzeigt, daß eine Offsetmessung
nicht möglich ist,
da die Ausrichtungsstruktur entweder eine schlechte Qualität liefert
oder überhaupt
nicht detektiert werden kann. Das Fehlersignal wird dann von dem
Steuerprogramm ausgewertet, das Zugang auf eine Tabelle besitzt,
die die Position einer zweiten Ausrichtungsstruktur 21b in
einem Ersatzbelichtungsfeld 11 umfaßt, das dem vorausgegangenen Belichtungsfeld 10 eindeutig
zugeordnet ist. Die relative Position in dem Belichtungsfeld 10, 11 ist
die gleiche für
beide Ausrichtungsstrukturen 20, 21b.
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Wenn
besonders lokale Phänomene
wie Fokusflecken zum Problem der Auslöschung der Ausrichtungsstruktur 20 führen, dann
ist die Wahrscheinlichkeit, daß eine
Ausrichtungsmessung in der entsprechenden Ausrichtungsstruktur 21b eines
ausreichend entfernten Belichtungsfelds durchgeführt werden kann, erheblich
größer als
im ersten Belichtungsfeld. Im Fall der Ausrichtungsstruktur 21b in
der rechten unteren Ecke von 1 können beide
Mittelpositionen, das heißt
die Mittelposition des Resistziels 30 und des Zwillingsgraben-Referenzziels 31b,
leicht gemessen werden, weshalb man eine präzise Überdeckungsbestimmung erhalten
kann. Durch die Änderung 101 innerhalb
des Felds in 1, wie durch das Meßwerkzeug-Steuerprogramm
als Reaktion auf das Fehlersignal durchgeführt, erhält man somit einen hohen Automatisierungsgrad
und spart dadurch Zeit und verbessert die Produktqualität.
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In 1 ist
eine weitere Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung in der linken unteren Ecke gezeigt. Das Steuerprogramm
des Meßwerkzeugs
erkennt anhand des Fehlersignalinhalts, der von einer Detektion
schlechter Qualität
in der Ausrichtungsstruktur 20 herrührt, daß das Problem mit dem Zwillingsgraben-Referenzziel 31 insbesondere auf
Effekte des chemisch-mechanischen Polierens (CMP) zurückzuführen ist.
Das Problem kann umgangen werden, indem von dem Ausrichtungsziel 20 mit
Zwillingsgraben-Referenzzielen 31 mit einer Strukturbreite
von 0,4 μm
zu einer anderen Ausrichtungsstruktur 21a in einem Belichtungsfeld 11 umgeschaltet
wird, das dem Belichtungsfeld 10 im wesentlichen gleich
ist, das ein Grabenreferenzziel 31a mit einer Strukturbreite
von 1,2 μm
(mit einem einzigen Graben) aufweist.
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Dies
kann vorteilhaft sein, wenn größere Strukturgrößen nicht
so stark leiden wie im Fall von kleineren Strukturgrößen. Bei
dieser Ausführungsform
weist die zweite Ausrichtungsstruktur 21a von der ersten
Ausrichtungsstruktur 20 mit schlechter Qualität eine Entfernung
von etwa 60 μm
auf. Die Position dieser zweiten Ausrichtungsstruktur 21a wird ebenfalls
in einer Referenztabelle gespeichert, die von dem Meßwerkzeug-Steuerprogramm verwendet wird,
um die Optik auf diese Position zu bewegen.
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Zusammen
mit den Vorteilen einer fortgeschrittenen Prozeßsteuerung, die Informationen über mögliche Probleme
liefert, die während
jüngster
Prozesse einschließlich
CMP oder Belichtung auftraten können,
ist das Steuerprogramm des Meßwerkzeugs somit
in der Lage zu bestimmen, ob eine Änderung 101 zwischen
Feldern oder eine Änderung 100 innerhalb
des Felds durchgeführt
werden soll.
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Es
ist außerdem
möglich,
beide Änderungen 100, 101 zu
kombinieren, das heißt,
zuerst Änderungen 100 innerhalb
des Felds auszuprobieren, und wenn diese Änderung zu keiner Verbesserung
führt, dann
darauf zweitens eine Änderung 101 zwischen Feldern
folgen zu lassen.
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Eine
weitere Verbesserung erzielt man durch Anwenden von Korrekturen
aufgrund eines gemessenen reproduzierbaren Offsets zwischen den
Ersatzzielen 21a innerhalb des Felds und den Standardzielen 20 bei
der Steuerüberdeckungsmessung. Eine
entsprechende Messung ist in 3 gezeigt. Dort
wurde ein Offset von –1
nm bei der Überdeckungsgenauigkeit
zwischen der Gatekontaktausrichtungsstruktur 30a der Ausrichtungsstruktur 21a als
Ersatz und der entsprechenden Gatekontaktstruktur 30 der
Standardausrichtungsstruktur 20 bestimmt. Die entsprechende
Differenz in y-Richtung beträgt
+4 nm. Diese Ergebnisse können
als Eingabekorrekturen für
jene Ausrichtungsmessungen verwendet werden, bei denen die erste
Ausrichtungsstruktur 20 aufgrund schlechter Qualität nicht
gemessen werden kann und deshalb zugunsten der Ersatzausrichtungsstruktur 21a übersprungen
wird. Wie erwartet sind diese Offsets erheblich kleiner als typische Überdeckungsspezifikationen 200,
die +/–60
nm betragen. Die oben gelieferten Werte wurden für die gleiche Charge gemessen,
wo beide Ausrichtungsstrukturen 20, 21a verwertbare
Messungen lieferten.
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Wie
auch in 2 gezeigt ist, erfordern die zweiten
Ersatzbelichtungsfelder 11 der neun ausgewählten Belichtungsfelder 10 keine
relativen Positionen zu dem Ursprungsbelichtungsfeld 10,
die systematisch angeordnet sind, das heißt in allen Fällen das
nächste
Feld auf der rechten Seite. Vielmehr können sie nach Erfahrung individuell
oder durch Implementieren von neuronalen Netzen gewählt werden.
Dies ist besonders vorteilhaft, wenn bestimmte Belichtungsfelder
wiederholt Falschmessungen liefern oder wenn eine bestimmte relative
Position eines Ersatzbelichtungsfelds 11 wiederholt qualitativ
hochwertige Überdeckungsmessungen
liefert. Der ausgewählte
Satz kann dann geändert
werden, indem das Ersatzbelichtungsfeld 11 in den Satz
eingearbeitet wird, oder indem das bisher eindeutig ihm zugeordnete
Belichtungsfeld 10 aussortiert wird.
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Als
Nebenprodukt wird ein Bediener implizit darüber informiert, daß bestimmte
Belichtungsfelder mit Problemen behaftet sind, was auf vorausgegangene
Bearbeitung zurückzuführen ist.
Dadurch kann die Ursache schneller identifiziert werden, zum Beispiel
lokal verstärkte
Teilchenkontamination, Halterungsprobleme, Objektivprobleme usw.
des Belichtungsgerätes
oder eines beliebigen anderen Bearbeitungswerkzeugs bei der Herstellung.