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Hintergrund
der Erfindung 1. Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft
das Gebiet der Halbleiterherstellung und betrifft insbesondere eine
Justierstruktur; die in der fotolithografischen Herstellung von
Halbleiterstrukturen und/oder bei der Justierung und Messung mittels
Messtechnik/Defektinspektionsgeräten
verwendet wird.
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2. Beschreibung des Stands
der Technik
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Der Herstellungsvorgang für integrierte Schaltungen
beinhaltet die Erzeugung zahlreicher Halbleiterelemente auf einem
einzelnen Substrat, das im Allgemeinen als Wafer bezeichnet wird,
mittels eines Lithografievorganges. In der Mikrolithografie werden
Strukturelemente der Halbleiterelemente, etwa von Feldeffekttransistoren,
auf eine Fotolackschicht gedruckt, die anschließend zur Erzeugung eines Fotolackmusters
entwickelt wird. Dieses Muster wird dann als ein Maske für einen
weiteren Prozess, beispielsweise einen Ätzprozess, verwendet, um das benötigte Strukturelement
in der Materialschicht, die unterhalb des strukturierten Fotolacks
liegt, zu erzeugen. Gegenwärtig
werden in modernen integrierten Schaltungen Halbleiterelemente mit
einer minimalen Strukturgröße von ungefähr 018 Mikrometer
erzeugt. Somit müssen
die Lithografievorrichtungen und die Anlagen, die zum Übertragen
eines Bildes von einer Maske auf den Wafer verwendet werden, zum
Strukturieren entsprechender Strukturelemente die Fähigkeit
aufweisen, zuverlässig
und reproduzierbar Strukturgrößen mit
Toleranzen zu erzeugen, die durch sehr strikte Entwurfsregeln vorgeschrieben
sind.
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Zusätzlich zur Qualität des Lithografieabbildungsvorganges
und der Prozesse, die beim Strukturieren der Schaltkreiselemente
beteiligt sind, ist die Genauigkeit, mit der ein Bild auf der Oberfläche des Wafers
positioniert werden kann, von vergleichbarer Bedeutung, da mehrere
fotolithografische Schritte auszuführen sind, d.h. eine Sequenz
von Maskierungsschichten erforderlich ist um die vollständig integrierte
Schaffung zu erhalten. Die auf aufeinanderfolgenden Schichten strukturierten
Strukturelemente müssen
eine Lage beziehung zueinander enthalten, um die Funktionalität des kompletten
Elements sicherzustellen. Folglich muss jede Ebene präzise zu einer
oder mehreren der vorhergehenden Ebenen ausgerichtet sein: Aufgrund
unvermeidlicher Ungenauigkeiten in den Vor– gängen zum Übertragen und Strukturieren
von Strukturmerkmalen muss eine minimale Justiertoleranz zwischen
den Rändern
eines Strukturelements einer gegebenen Ebene mit Bezug zu einer
vorhergehenden Ebene zulässig
sein. Diese minimale Toleranz ist eine der zuvor erwähnten Entwurfsregeln,
die bei der Gestaltung der Schaltungsmuster für eine spezifizierte integrierte
Schaltung verwendet werden. Daher werden zahlreiche messtechnische
Prozesse ausgeführt,
um in effizienter Weise die diversen Herstellungsstadien des Halbleiterelements
hinsichtlich der einzelnen Prozessschritte; die zum Übertragen
und Strukturieren der Schaltungsstrukturen notwendig sind, zu überwachen.
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Die Messtechniksysteme, die zur Überwachung
der diversen Stadien bei der Herstellung des Halbleiterelements
angewendet werden, müssen
zuverlässig
genaue Messergebnisse produzieren, wodurch ein hoher Durchsatz aufgrund ökonomischer Zwänge zu erreichen
ist. In den meisten Messtechniksystemen muss der Wafer genau mit
Bezug zu der Messvorrichtung ausgerichtet werden, um die erforderliche
Information zu erhalten. Beispielsweise kann ein Defektinspektionsgerät verwendet
werden, um die Anzahl, die Größe und die
genaue Position beliebiger Defekte zu identifizieren, die bei dem
zu untersuchenden Herstellungsvorgang erzeugt wurden. Ferner sind
viele der Messtechniksysteme automatisiert oder halbautomatisiert,
um einen hohen Durchsatz und eine hohe Genauigkeit zu erreichen.
Beispielsweise kann ein automatisiertes Überlagerungsmesssystem 50 bis
60 Wafer pro Stunde bearbeiten, wobei eine hohe Messgenauigkeit
geliefert wird, wohingegen lediglich 10 – 15 Wafer pro Stunde manuell gemessen
werden können.
Aufgrund des automatisierten Messvorganges müssen die zu inspizierenden
Wafer entsprechend in der Messvorrichtung mittels einer entsprechenden
Justiermarke auf dem Wafer justiert werden. Für gewöhnlich werden Lithografiesysteme
mit schrittweiser wiederholter und schrittweiser abtastender Belichtung
in der Herstellung moderner integrierter Schaltungen verwendet,
so dass eine große
Anzahl von Belichtungsfeldern, wovon jedes das Gebiet eines fertigen
Chips repräsentiert,
erzeugt werden, wobei entsprechende Justiermarken in jedem Belichtungsfeld
notwendig sind, um jedes einzelne Belichtungsfeld vollständig zu
kennzeichnen, insbesondere in einem Gebiet, in dem vier Belichtungsfelder
miteinander in Berührung
kommen.
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DE 100 25 209 A1 offenbart eine Halbleitereinrichtung,
die in den Ecken der Belichtungsbereiche Überlagerungsprüfmarken
aufweist. In einer Ausführungsform
werden die Überlagerungsprüfmarken
in einer Öffnung
des Zwischenschichtisolierfilms durch mehrere parallel angeordnete
Gatestrukturen gebildet.
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US 5 917 205 A offenbart photolithographisch
gebildete Ausrichtungsmarken, die mit Schaltkreiselementmustern
gebildet sind. Eine Vielzahl dieser Muster wird zu schrägverlaufenden
Ausrichtungsmarken angeordnet.
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Folglich besteht ein Bedarf für eine effiziente Justierstruktur,
die vorteilhaft in automatisierten Messtechnikvorrichtungen, etwa
in Defektinspektionsgeräten,
verwendet werden kann, die deutlich die Belichtungsfeldecke kennzeichnet
und nicht mit anderen Strukturen in dem Belichtungsfeld verwechselt werden
kann.
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Überblick über die
Erfindung
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Erfindungsgemäß umfasst eine Halbleiterelementstruktur
ein Chipgebiet, das durch ein Belichtungsfeld einer zur Herstellung
des Halbleiterelements verwendeten Lithografievorrichtung definiert ist,
wobei das Chipgebiet eine Materialschicht mit einer darin ausgebildeten
Eckenstruktur, die an einer Ecke des Chipgebiets in beabstandeter
Beziehung zu einem Rand des Chipgebiets angeordnet ist, aufweist.
Die Halbleiterelementstruktur umfasst ferner ein Abgrenzungsgebiet,
das die Eckenstruktur umschließt
und das mehrere in der Materialschicht gebildete längliche
Muster umfasst, wobei das Abgrenzungsgebiet mit Bezug auf Punktsymmetrie
und Achsensymmetrie asymmetrisch ist, einen Abstand zu entsprechenden
Rändern
des zugeordneten Chipgebiets aufweist und ebenfalls ein inneres
Gebiet der Eckenstruktur definiert. Ferner weist das Abgrenzungsgebiet
mehrere Winkel mit ungefähr
90° auf, die
durch zumindest einige der länglichen
Muster definiert sind.
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Aufgrund der einzigartigen Form der
durch das Abgrenzungsgebiet definierten Eckenstruktur ohne Punkt-
und Achsensymmetrie ist die Eckenstruktur eindeutig und leicht in
einer beliebigen Art von Apparatur, die optische Justierung verwendet, etwa
Messgeräte
für Messtechnik-
und Defektinspektionsgeräte,
detektierbar. Ferner kann das innere Gebiet der Eckenstruktur mit
einem geeigneten Muster gefüllt werden,
das mit den Entwurfsregeln für
die Herstellung des Halbleiterelements verträglich ist, wodurch die Identifizierung
spezifischer Prozessschichten und das Überwachen der Prozessqualität möglich ist.
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Weitere Vorteile der vorliegenden
Erfindung gehen aus der folgenden detaillierten Beschreibung und
den angefügten
Patentansprüchen
hervor, wenn diese mit Bezug zu den begleitenden Zeichnungen betrachtet
werden. Es zeigen:
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1 eine
schematische Draufsicht auf einen Teil einer Halbleiterelementstruktur,
wobei benachbarte Eckenbereiche von vier benachbarten Belichtungsfeldern
gezeigt sind;
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2a und 2b vergrößerte Ansichten unterschiedlicher
Abgrenzungsgebiete der in 1 dargestellten
Ausführungsformen;
und
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3 zeigt
eine einzelne Eckenstruktur mit einem inneren Gebiet, das mit einem
Muster aus dichten Linien gefüllt
ist.
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Detaillierte
Beschreibung der Erfindung
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Mit Bezug zu den 1 bis 3 wird
nun eine beispielhafte Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung beschrieben. In 1 umfasst eine Halbleiterelementstruktur 100 eine
Materialschicht 101, etwa eine leicht dotierte Siliziumschicht,
die als eine Grundschicht zum Herstellen von MOS-Feldeffekttransistoren
dient. Die Halbleiterelementstruktur 100 umfasst weiterhin
mehrere Belichtungsfelder 102, 103, 104 und 105,
von denen lediglich entsprechende Eckenbereiche in 1 dargestellt sind. Die Belichtungsfelder 102 bis 105 können ein
oder mehrere Chipbereiche enthalten, die eine komplette Schaltung
für die
letztlich fertiggestellte integrierte Schaltung enthalten.
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Die Größe eines einzelnen Belichtungsfelds hängt von
der Art der zu bildenden integrierten Schaltung und von dem Leistungsvermögen der
zum Übertragen
der Schaltungselemente von einer Maske auf dem Produktwafer verwendeten
Lithografievorrichtung ab. Für
ein typisches System mit schrittweiser wiederholter Belichtung beträgt die Größe des Belichtungsfelds
ungefähr
22 × 22
mm. Für
ein fortgeschrittenes System mit schrittweiser und abtastender Belichtung
kann das Belichtungsfeld eine Fläche
von ungefähr
25 × 32
mm mit einer Auflösung
von 0,25 μm
abdecken.
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Die Eckenbereiche der Belichtungsfelder 102 bis 105,
wie sie in 1 dargestellt
sind, enthalten Eckenstrukturen 106, 107, 108 und 109,
die entsprechende Abgrenzungsgebiete 110, 111, 112 und 113 umfassen.
Die Abgrenzungsgebiete 110, 111, 112 und 113 definieren
im Wesentlichen den Umriss jeder der Eckenstrukturen 106 bis 109.
Ferner definieren die Abgrenzungsgebiete 110 bis 113 einen
Abstand zu entsprechenden Rändern
der zugeordneten Belichtungsfelder 102 bis 105.
Der Einfachheit halber ist in 1 ein
inneres Gebiet jedes der Eckenstrukturen 106 bis 109,
die als die Gebiete definiert sind, die durch ihre entsprechenden
Abgrenzungsgebiete 110 bis 113 umschlossen sind,
ohne ein Muster gezeigt und die Abgrenzungsgebiete 110 bis 113 sind als
geschlossene Linien dargestellt. Das heißt, die Eckenstrukturen 106, 107, 108, 109 in 1 sind als ein nichtstrukturierter
Bereich der Materialschicht 101 jeweils innerhalb der Abgrenzungsgebiete 110, 111, 112, 113 definiert.
Die Abgrenzungsgebiete 110, 111, 112, 113 können wiederum
als Strukturlinien ausgebildet sein, die in die Materialschicht 101 eingeätzt sind.
In vielen Fällen
weist das innere Gebiet der Eckenstrukturen 106 bis 109 ein
wohldefiniertes Muster auf, das in und/oder auf der Materialschicht 101 gemäß den Prozesssequenzen
gebildet ist, die zur Erzeugung tatsächlicher Elementstrukturen
verwendet werden. Diese wohldefinierten Strukturelemente können zusätzlich Informationen
enthalten und/oder für
messtechnische Prozesse verwendet werden, wie anschließend erläutert wird.
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Die Abgrenzungsgebiete 110 bis 113 und
damit die entsprechenden Eckenstrukturen 106 bis 109 zeigen
keine Punktsymmetrie oder Achsensymmetrie, wenn sie als einzelne
Elemente betrachtet werden, zeigen jedoch eine Achsensymmetrie hinsichtlich
der horizontalen und vertikalen Richtung, die durch die Ränder der
Belichtungsfelder 102 bis 105 gekennzeichnet ist.
Somit kennzeichnet jede der Eckenstrukturen 106 bis 109 eindeutig
die Art des Eckenbereichs der entsprechenden Belichtungsfelder 102 bis 105.
Das heißt,
die Eckenstruktur 106 bezeichnet klar und eindeutig den
unteren rechten Eckenbereich des Belichtungsfelds 102 und
die Eckenstruktur 107 kennzeichnet den unteren linken Eckenbereich
des Belichtungsfelds 103. In ähnlicher Weise kennzeichnet
die Eckenstruktur 109 die obere rechte Ecke des Belichtungsfelds 105 und
die Eckenstruktur 108 kennzeichnet die obere linke Ecke
des Belichtungsfelds 104. In der vorlie genden Ausführungsform
liegt ein typischer Abstand zwischen dem Belichtungsfeldrand 134 und
einer entsprechenden Eckenstruktur im Bereich von ungefähr 3 bis
10 μm und
in einer Ausführungsform
im Bereich von ungefähr
6 bis 8 μm.
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Die 2a und 2b zeigen eine vergrößerte Ansicht
eines Teils des Abgrenzungsgebiets 112, das in 1 dargestellt ist. In 2a ist die Form der Eckenstruktur 108 durch
das Abgrenzungsgebiet 112 definiert, das in dem vorliegenden
Beispiel einen Graben 160 aufweist, der in der Materialschicht 101 gebildet
ist. In diesem anschaulichen Beispiel beträgt der Abstand 150 von
dem äußeren Rand 133 des
Abgrenzungsgebiets 112 zu dem Belichtungsfeldrand 134 ungefähr 1 μm, die laterale
Ausdehnung 151 des Grabens 160 beträgt ungefähr 3 μm, wobei
sich ein unstrukturiertes Gebiet mit einer seitlichen Ausdehnung 152 von
ungefähr
1 μm anschließt. Die
seitliche Ausdehnung 152 definiert eine Grenze zwischen dem
Abgrenzungsgebiet 112 und einem möglichen Muster, das in der
Eckenstruktur 108 gebildet werden kann, wie im Folgenden
erläutert
wird. Anzumerken ist jedoch, dass die vorliegende Erfindung nicht
auf die oben spezifizierten Abmessungen beschränkt ist. Beispielsweise könnte der
Gesamtabstand von dem Belichtungsfeldrand 134 zu dem inneren
Gebiet der Eckenstruktur 108, d.h. die Summe der Abstände 150, 151 und 152,
im Bereich von 3 bis 10 μm
liegen, wobei die seitliche Ausdehnung 151 des das Abgrenzungsgebiet 112 repräsentierenden
Grabens von ungefähr
2 bis ungefähr
8 μm variieren
kann. In einer Ausführungsform
werden die Abmessungen so gewählt,
dass das resultierende Muster einen starken Kontrast ergibt und
deutlich erkennbar ist, wenn dieses einer Justierungsprozedur eines
entsprechenden Messtechnikgerätes,
etwa einem Defektinspektionsgerät,
unterzogen wird. Die das Abgrenzungsgebiet 112 bildenden
länglichen
Muster repräsentieren
ein typisches Strukturelement, wie es in dem restlichen Chipgebiet
erzeugt wird, so dass eine Prozessänderung bei der Bildung der
Schaltungsstrukturelemente ebenfalls in dem Strukturelement der
Abgrenzungsgebiete 112 detektierbar ist.
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2b zeigt
ein weiteres Beispiel der Eckenstruktur 108 und des Abgrenzungsgebiets 112.
In diesem Beispiel umfasst das Abgrenzungsgebiet 112 Strukturlinien 162.
In einer Ausführungsform
werden diese Linien gemäß einem
Prozess zum Herstellen von lokalen Verbindungsleitungen erzeugt.
In Übereinstimmung
mit dem entsprechenden Herstellungsprozess können zusätzlich Kontaktmuster (nicht
gezeigt) über
den Strukturlinien 162 gebildet werden. In dieser anschaulichen
Ausführungsform
sind die Abmessun gen der Eckenstruktur 108 einschließlich des Abgrenzungsgebiets 112 wie
folgt: der Abstand 155 zwischen dem Abgrenzungsgebiet 112 und
dem Belichtungsfeldrand 134 beträgt ungefähr 2,2 μm, die seitliche bzw. laterale
Ausdehnung 156 des Abgrenzungsgebiets 112, d.h.
die seitliche Ausdehnung 156 eines Abstandes und zweier
Strukturlinien 162, beträgt ungefähr 1,8 μm, und die seitliche Ausdehnung 157 des
Gebiets zwischen dem Abgrenzungsgebiet 112 und dem inneren
Gebiet der Eckenstruktur 108, d.h. das Gebiet, das ein
zusätzliches
Muster aufweisen kann, beträgt
ungefähr
1 μm. Zu
erwähnen
ist, dass eine einzelne Strukturlinie 162 oder mehr als zwei
Strukturlinien 162 in dem Abgrenzungsgebiet 112 gebildet
werden können.
Vorteilhafterweise erstrecken sich die Strukturlinien 162 benachbart
zu der Eckenstruktur 108 und im Wesentlichen entlang der
gesamten Länge.
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3 zeigt
die Eckenstruktur 108 und das Abgrenzungsgebiet 112,
das die Eckenstruktur 108 vollständig umschließt. Wie
aus 3 zu erkennen ist,
definiert das Abgrenzungsgebiet 112 mehrere Winkel α von ungefähr 90° und Winkel β, γ mit ungefähr 45° und 135°. In dem
dargestellten Beispiel können
die länglichen
Muster 121 bis 127, die das Abgrenzungsgebiet 112 definieren,
die folgenden Längsabmessungen
aufweisen: das längliche
Muster 121 ungefähr
60 μm, das
längliche
Muster 122 ungefähr
60 μm, das
längliche
Muster 123 ungefähr
30 μm, das
längliche
Muster 124 ungefähr
15 μm, das längliche
Muster 125 ungefähr
20 μm, das
längliche Muster 126 ungefähr 30 μm und das
längliche
Muster 127 ungefähr
35,7 μm.
Diese Abmessungen sind lediglich Beispiele und können entsprechend zu spezifischen
Gestaltungserfordemissen variiert werden, solange die kombinierten
länglichen
Muster 121 bis 127 ein inneres Gebiet der Eckenstruktur 108 ohne Punktsymmetrie
und Achsensymmetrie definieren. Beispielsweise können in 3 die vertikalen länglichen Muster 122 und 112 entsprechend
zur Gestaltungsanforderungen gestreckt oder gekürzt werden. Das Gleiche gilt
für die
horizontalen länglichen
Muster 121 und 123. Die Begriffe "horizontal" und "vertikal" beziehen sich nur
auf die Orientierungen, die in den 1 bis 3 dargestellt sind, und sind
nicht in einem absoluten Sinne aufzufassen. Die Eckenstruktur 108 kann
daher um beispielsweise 90°,
180° oder 270° gedreht
werden, und liefert dennoch die Vorteile.
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Wie zuvor erläutert ist, ist in einer Ausführungsform
die Eckenstruktur 108 mit einem Muster gefüllt, das
unter Verwendung von Mess- und Defektinspektionsgeräten sichtbar ist,
und zugleich ein Muster ist, das keine Entwurfsregeln verletzt.
Ein anschauliches Muster zum verfüllen der Eckenstruktur 108 ist
ein Muster aus dichten Linien und Ab ständen, wobei die Orientierung
und/oder das Muster der Linien die entsprechende Prozessebene des
Wafers kennzeichnet. Beispielsweise kann die Eckenstruktur 108 mit
einer in 3 dargestellten
Struktur 131 gefüllt
werden, die beispielsweise die Schichten STI (Flachgrabenisolation),
M1, M3, M5 (Metallisierungsschicht 1, etc.), kennzeichnet, oder
alternativ kann die Eckenstruktur 108 mit einem Muster 132 gefüllt werden,
das beispielsweise die Polysiliziumschicht oder die Schichten M2,
M4, M6 kennzeichnet. Im Falle von Metallisierungsschichten sollten
Kontaktöffnungen
unterhalb der Linienmuster 131 und 132 gebildet
werden, um die in den Schaltungsmustern verwendeten Strukturen nachzubilden.
Somit sind die das innere Gebiet der Eckenstruktur 108 füllenden Muster 131 und 132 bei
Verwendung von Mess/Defektinspektionsgeräten detektierbar und die erforderliche
Information über
die Prozessqualität
hinsichtlich der durch die Eckenstruktur repräsentierten Prozessebene kann
erhalten werden. Ferner können
die Linienmuster 131 und 132 so präpariert
werden, um deutlich eine entsprechende Waferschicht oder Ebene zu
identifizieren. Beispielsweise können
gewisse Linien weggelassen werden, um die betrachtete Schicht eindeutig
zu kennzeichnen. Somit können die
Muster 131 und 132 eine Art eines Identifizierungs-"Strichcodes" repräsentieren,
der eindeutig einige oder alle Waferschichten oder Ebenen über die diversen
Herstellungsstadien hinweg kennzeichnet. Vorzugsweise stimmen die
Orientierungen der Linienmuster 131 und 132 mit
einer der linearen Bewegungsrichtungen einer Belichtungsquelle überein,
die während
der fotolithografischen Strukturierung der Materialschicht 101 verwendet
wird. In diesem Falle ist sichergestellt, dass beliebige Positionsfehler
oder Unzulänglichkeiten
in dem Fotolithografievorgang ebenfalls in dem Linienmuster 131 und 132,
die die Eckenstruktur 108 füllen, auftreten.
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Zusammenfassend: Die vorliegende
Erfindung stellt eine Halbleiterelementstruktur bereit mit einer
durch ein Abgrenzungsgebiet definierten Eckenstruktur, die für die Anwendung
mit zahlreichen messtechnischen Vorrichtungen, die ein automatisches
Justiersystem beinhalten, anpassbar ist. Ferner zeigt die Eckenstruktur
einen starken Kontrast, selbst wenn der Wafer einem Vorgang mit
chemisch-mechanischem Polieren (CMP) unterzogen wird, der zu einer
deutlichen Reduzierung der
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Eckenstruktur führt. Das innere Gebiet der Eckenstruktur
ist mit einem Muster gefüllt,
das keine Entwurfsregeln verletzt und das geeignet verwendet werden
kann, um die Qualitätsstandardwerte
der Herstellungsvorgänge
zu überwachen.
Gleichzeitig kann das das innere Gebiet der Eckenstruktur füllende Muster
eine Information beinhalten, die einige oder alle Prozessschichten
des Wafers kennzeichnet. Ferner ist die Form der durch die länglichen
Muster des Abgrenzungsgebiets definierten Eckenstruktur eindeutig
identifizierbar und kann nicht mit Schaltkreismustern verwechselt
werden, wobei die Art des Eckenbereichs eines Belichtungsfelds aufgrund
der fehlenden Punkt- und Achsensymmetrie durch die Form der Eckenstruktur
bestimmt ist. Vorzugsweise zeigen zwei benachbarte Eckenstrukturen
in zwei benachbarten Belichtungsfeldern, die durch entsprechende
Ränder
der Belichtungsfelder getrennt sind, eine Achsensymmetrie hinsichtlich
der Mittellinie der entsprechenden Ränder. Somit können an
einem Ort, an dem vier Belichtungsfelder aufeinandertreffen, die
einzelnen Ecken der Belichtungsfelder identifiziert werden.