CN106325005B - 一种光刻工艺窗口的测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光刻工艺窗口的测量方法，包括：提供一晶圆，所述晶圆具有通过光刻聚焦值与曝光能量矩阵形成的多个阵列排布的待测结构；通过电子束显微镜获取所述待测结构的线条成像图；通过多像素阈值方法对所述线条成像图进行分析，获取线条一维方向的边缘分布曲线，根据所述边缘分布曲线计算线条粗糙度，绘制像素值与线条粗糙度的关系曲线；以连续变化的最小线条粗糙度对应的边缘像素值作为线条边缘位置基准，根据所述线条边缘位置基准计算线条基准宽度；对所有所述待测结构的所述线条基准宽度、所述最小线条粗糙度进行数据分析，计算光刻工艺窗口的数值范围。该测量方法提高了光刻工艺窗口的测量的准确度。

Description

一种光刻工艺窗口的测量方法

技术领域

本发明涉及集成电路技术领域，更具体的说，涉及一种光刻工艺窗口的测量方法。

背景技术

在集成电路新产品研发和制造工艺中，确定光刻最佳工艺窗口，即确定最佳曝光能量、最佳聚焦值及其范围是最重要的工艺过程，而该工艺高度依赖于准确的电子束扫描成像。随着集成电路集成度的不断提高，器件的特征尺寸不断减小，电子束显微镜(SEM)对纳米尺度线条的成像受到电子束边缘效应影响，使得成像误差增大。特别是测量包含聚焦值与曝光能量矩阵(Focus Energy Matrix，FEM)的晶圆中的待测结构时，不同聚焦值或不同曝光能量形成的待测结构的SEM的成像结果可能具有不同的随机噪声或测量噪声，造成较大的测量误差，使得难以精确确定最佳的光刻工艺窗口。

现有技术在确定最佳光刻工艺窗口时，通过SEM成像在线测量待测结构的线宽从而确定最佳聚焦值、最佳曝光能量及其范围。对待测结构进行SEM量测时，一般固定线条边缘像素值，或仅使用不超过32个点的单线条量测方法。这种方法对于线条宽度较大，例如100纳米及以上的线条宽度，具有较小的测量误差比例。但是当线条宽度小于100纳米，特别是使用双重或多重光刻技术之后，光刻之后的线条宽度已经远小于100纳米，再经过刻蚀裁剪或其他工艺之后，最小线条宽度可能降至50纳米以下，从而导致SEM成像过程中的边沿效应异常显著。在此情形下，现有技术在确定最佳光刻工艺窗口时存在很大误差，特别是轻微的边缘阈值波动或图像噪声起伏都将出现几个纳米的测量宽度变化，从而很难实现如大尺寸线条确定FEM工艺窗口时的有规律的关系曲线，导致测量结果准确性和可比性下降，线条宽度随曝光能量或聚焦值的关系曲线出现严重波动。

通过上述描述可知，只依赖于线条宽度与曝光能量以及聚焦值关系的现有测量方法，随着待测结构线条的越来越窄，越来越难以精确测量最佳光刻工艺窗口。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种光刻工艺窗口的测量方法，提高了光刻工艺窗口的测量的准确度。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种光刻工艺窗口的测量方法，该测量方法包括：

提供一具有待测结构的晶圆，所述晶圆具有通过光刻聚焦值与曝光能量矩阵形成的多个阵列排布的待测结构；

通过电子束显微镜获取所述待测结构的线条成像图；

通过多像素阈值方法对所述线条成像图进行分析，获取线条一维方向的边缘分布曲线，根据所述边缘分布曲线计算线条粗糙度，绘制像素值与线条粗糙度的关系曲线；

以连续变化的最小线条粗糙度对应的边缘像素值作为线条边缘位置基准，根据所述线条边缘位置基准计算线条基准宽度；

对所有所述待测结构的所述线条基准宽度、所述最小线条粗糙度进行数据分析，计算光刻工艺窗口的数值范围。

优选的，在上述测量方法中，所述通过多像素阈值方法对所述线条成像图进行分析，获取线条一维方向的边缘分布曲线，根据所述边缘分布曲线计算线条粗糙度，绘制像素值与线条粗糙度的关系曲线包括：

获取所述线条成像图中线条边缘沿宽度方向的像素值分布；

根据所述像素值分布选择多个像素值；

确定每个像素值下的边缘分布曲线，计算所述线条粗糙度；

绘制像素值与线条粗糙度的关系曲线。

优选的，在上述测量方法中，所述计算线条粗糙度包括：

采用功率谱密度方法，并选择低频和/或中频功率谱面积作为粗糙度值。

优选的，在上述测量方法中，所述线条成像图具有N条线条，N为正整数；在绘制所述关系曲线时，

若N不小于3，在所述线条成像图中选择具有至少3条线条区域作为待测图形区域，对所述待测图像区域中的多个边缘分布曲线的线条粗糙度进行平均处理，获取所述线条成像图的平均线条粗糙度，根据所述平均线条粗糙度绘制像素值与线条粗糙度的关系曲线；

若N小于3，选择所述待测图像区域中具有长度不小于500nm的区域作为待测图形区域，根据所述待测图像区域中的边缘分布曲线计算线条粗糙度，绘制像素值与线条粗糙度的关系曲线。

优选的，在上述测量方法中，所述对所有所述待测结构的所述线条基准宽度、所述最小线条粗糙度进行数据分析，计算光刻工艺窗口的数值范围包括：

获取线条宽度与聚焦值曲线、线条宽度与曝光能量曲线、线条宽度与曝光能量和聚焦值的工艺窗口数据表格、线条粗糙度与聚焦值曲线、线条粗糙度与曝光能量曲线、线条粗糙度与曝光能量和聚焦值的工艺窗口数据表格中的至少一个，计算光刻工艺窗口的数值范围。

优选的，在上述测量方法中，所述对所有所述待测结构的所述线条基准宽度、所述最小线条粗糙度进行数据分析，计算光刻工艺窗口的数值范围包括：

确定第一预设区间内的线条宽度对应的第一聚焦值与能量矩阵分布，确定第二预设区间内的线条粗糙度对应的第二聚焦值与能量矩阵分布，以所述第一聚焦值与能量矩阵分布与所述第二聚焦值与能量矩阵分布的交集作为目标工艺窗口。

优选的，在上述测量方法中，所述第一预设区间为[90％*a，110％*a]，或[92％*a，108％*a]，或[95％*a，105％*a]；

所述第二预设区间为(0，20％*a]，或(0，10％*a]，或(0，5％*a]；

其中，a为线条的目标宽度。

优选的，在上述测量方法中，所述线条粗糙度为指线条宽度粗糙度、或线条边缘粗糙度、或间隙宽度粗糙度。

优选的，在上述测量方法中，所述待测结构包括

经过光刻之后的光刻胶图形结构，或经过刻蚀转移的中间图形结构或半导体器件图形结构。

优选的，在上述测量方法中，所述电子束显微镜对不同所述待测结构进行成像时的设置参数相同。

通过上述描述可知，本发明技术方案提供的光刻工艺窗口的测量方法通过多像素阈值方法对线条图像进行分析，获取线条一维方向的边缘分布曲线，进而计算线条的粗糙度，根据像素值与线条粗糙度的关系曲线计算线条基准宽度，最后根据所有图像单元的线条基准宽度以及线条粗糙度的数据分析计算出光刻工艺窗口的数值范围。可见，在该测量方法中，采用多像素阈值的方法，每次测试中对所有像素值下的线条粗糙度进行比较，选择线条粗糙度连续变化时的最小值作为待测结构的线条粗糙度，该线条粗糙度为最佳像素值下的测量值，各个图像单元的线条基准宽度以及线条粗糙度计算更加准确，能够获取最佳的线条基准宽度以及线条粗糙度。因此，根据所有图像单元的线条基准宽度以及线条粗糙度数据分析的光刻工艺窗口的数值范围更加准确。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种光刻工艺窗口的测量方法的流程示意图；

图2为具有待测结构的晶圆的SEM成像图；

图3a为根据本发明实施例的测量方法获得的线条成像图及灰度分布；

图3b为根据本发明实施例的测量方法获得的边缘分布曲线的示意图；

图4为本发明实施例提供的一种多像素阈值方法的流程示意图

图5为基于多像素阈值方法所获得的线条宽度粗糙度与边界阈值之间的关系曲线；

图6a为根据本发明实施例的测量方法获得的线条宽度与聚焦值的曲线图；

图6b为根据本发明实施例的测量方法获得的线条宽度与曝光能量的曲线图；

图7a为根据本发明实施例的测量方法获得的中频LWR与聚焦值的曲线图；

图7b为根据本发明实施例的测量方法获得的中频LWR与曝光能量的曲线图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

正如背景技术中所述，现有测量方法中只依赖于线条宽度与曝光能量以及聚焦值关系的现有测量方法，随着待测结构线条的越来越窄，越来越难以精确测量最佳光刻工艺窗口。

发明人研究发现导致上述问题的原因是随着待测结构线条的越来越窄，测量误差以及测量方法中的噪声异常对测量结果的影响越来越大，导致越来越难以精确测量最佳光刻工艺窗口。

为了解决上述问题，本发明实施例提供了一种光刻工艺窗口的测量方法，该测量方法包括：

提供一具有待测结构的晶圆，所述晶圆具有通过光刻聚焦值与曝光能量矩阵形成的多个阵列排布的待测结构；

通过电子束显微镜获取所述待测结构的线条成像图；

通过多像素阈值方法对所述线条成像图进行分析，获取线条一维方向的边缘分布曲线，根据所述边缘分布曲线计算线条粗糙度，绘制像素值与线条粗糙度的关系曲线；

以连续变化的最小线条粗糙度对应的边缘像素值作为线条边缘位置基准，根据所述线条边缘位置基准计算线条基准宽度；

对所有所述待测结构的所述线条基准宽度、所述最小线条粗糙度进行数据分析，计算光刻工艺窗口的数值范围。

在该测量方法中，采用多像素阈值的方法，每次测试中对所有像素值下的线条粗糙度进行比较，选择线条粗糙度连续变化时的最小值作为待测结构的线条粗糙度，该线条粗糙度为最佳像素值下的测量值，各个图像单元的线条基准宽度以及线条粗糙度计算更加准确，能够获取最佳的线条基准宽度以及线条粗糙度。因此，根据所有图像单元的线条基准宽度以及线条粗糙度数据分析的光刻工艺窗口的数值范围更加准确。

为了使本发明实施例提供的技术方案更加清楚，下面结合附图对上述方案进行详细描述。

参考图1，图1为本发明实施例提供的一种光刻工艺窗口的测量方法的流程示意图，该测量方法包括：

步骤S11：提供一具有待测结构的晶圆，晶圆具有通过光刻聚焦值与曝光能量矩阵形成的多个阵列排布的待测结构。

该待测结构包括：经过光刻之后的光刻胶图形结构，或经过刻蚀转移的中间图形结构或半导体器件图形结构。具体的，待测结构可以是经过光刻工艺之后所获得的光刻图形结构，光刻工艺是在光刻胶上形成图形结构，该图形结构进一步用于刻蚀的掩膜层；待侧结构也可以是通过刻蚀工艺对待刻蚀层进行刻蚀之后获得中间图形结构或目标半导体器件的图形结构，待刻蚀层可以为栅材料层、衬底、介质材料层或金属层等任何需要刻蚀的材料层，刻蚀工艺可以为湿法刻蚀或干法刻蚀；待测结构还可以是进行其他的工艺之后的需要测量线条宽度或粗糙度的图形结构。

待测结构的最小宽度小于100纳米，由于电子束成像过程中该结构边缘对电子束的散射作用明显，即边沿效应显著，此时现有的测量方法无法准确测量光刻工艺窗口的数值范围。本发明实施例所述测量方法在测量待测结构最小宽度小于100nm时精确测量光刻工艺窗口的数值范围。

待测结构可以为一维方向的图形结构，即图形结构中的图案沿沿一个方向排列，例如线条、沟槽，也可以为其他包含两维方向的图形结构，例如T型结构图案或U型结构图案等。

步骤S12：通过电子束显微镜获取待测结构的线条成像图。

在本发明的测量方法中，待测结构中可以仅包含一维方向图形结构，也可以包含两维方向图形结构。

该测量方法针对待测结构中的一维方向图案采集SEM图像，该SEM图像通常为待测结构的局部图像，包含一定长度的几条线条图形，如可以为3-6条，对于待测结构为一维方向的图形结构，获得的SEM图像中包含该一维方向的图案，对于待测结构为两维方向的图形结构，在SEM图像中需要仅保留其中一个维度方向的图案，可以通过对原始的SEM图像进行剪切，来获得具有一维方向图案的SEM图像，该SEM图像为一维方向所在平面内的图像，为待测结构的俯视图。

本发明实施例中，根据不同的待测结构以及所使用的图形结构，提供设备，可以通过对光刻或刻蚀或其他工艺后的晶片的特定区域进行SEM扫描，来直接获得待测结构中一维方向图案的SEM图像，也可以在进行SEM扫描之后，进一步对原始的SEM图像进行进一步处理后，获得所需要的待测结构中一维方向图案的SEM图像，进一步处理例如降噪、剪切、旋转或去干扰等中的一种或多种。

如图2所示，图2为具有待测结构的晶圆的SEM成像图，通过FEM工艺方法将该晶圆21划分为多个曝光区域22，每一个曝光区域22固定聚焦值和曝光能量，整个晶圆21通过有规律地改变聚焦值和曝光能量，形成光刻聚焦值与曝光能量矩阵，以形成阵列分布的待测结构，每一个曝光区域22用于形成一个待测结构。

SEM是获取纳米尺度线条宽度的快速测量方法，在该步骤中，为尽可能保证不同聚焦值和曝光能量下的待测结构的线条成像图(SEM俯视图)具有可对比性，需要使用相同的电子束显微镜成像参数设置，也就是说电子束显微镜对不同待测结构进行成像时的设置参数相同。

第三，对于当前待成像的待测结构，调节最佳的电子束束斑尺寸、电子束能量、电子束聚焦深度、电子束成像范围、电子束成像图片像素值等参数值。一般的，应保证在电子束成像视野范围内的一维图形结构具有最佳的成像效果。

为了确定最佳SEM成像参数，保证成像效果，在设置SEM成像参数时，遵循如下原则：

首先，光刻聚焦值与曝光能量矩阵在晶圆上对应多个阵列排布的曝光区域。对于任意一曝光区域，选择视野范围较好的区域作为待测结构，一般的，根据工程师经验，该待测结构通常位于该曝光区域的中间附近区域。

其次，选择待测结构中的一维图形结构，确定该位置所处曝光区域中的相对位置，并以此相对位置和一维图形结构作为所有待测结构中的SEM成像区域。

设定，所述线条成像图具有N条线条，N为正整数。在绘制所述关系曲线时，若N不小于3，在所述线条成像图中选择具有至少3条线条区域作为待测图形区域，对所述待测图像区域中的多个边缘分布曲线的线条粗糙度进行平均处理，获取所述线条成像图的平均线条粗糙度，根据所述平均线条粗糙度绘制像素值与线条粗糙度的关系曲线，以准确绘制像素值与线条粗糙度的关系曲线。

若N小于3，即所述线条成像图中为独立的一条线条结构或是为双线条结构，为了准确绘制像素值与线条粗糙度的关系曲线，选择所述待测图像区域中具有长度不小于500nm条线条结构的区域作为待测图形区域，根据所述待测图像区域中的边缘分布曲线计算线条粗糙度，绘制像素值与线条粗糙度的关系曲线。

如果N小于3，则电子束成像视场范围内的线条成像质量应较高，线条长度方向实际对应的长度不小于500nm，以获取更准确的线条宽度和线条粗糙度平均值，减小截断误差对量测的影响。

本申请实施例中，电子束成像图片像素值应不小于512×512，较高的图像像素数量能够保证在后续功率谱密度分析时具有更高分辨率的中低频信息，保证测量方法的准确性。

本实施例中，如图3a与图3b所示，图3a为根据本发明实施例的测量方法获得的线条成像图及灰度分布，图3b为根据本发明实施例的测量方法获得的边缘分布曲线的示意图。可以设置电子束成像的图片像素值为512×512，图像横向和纵向的尺寸约500纳米，线条宽度在40纳米左右，如线条宽度可以为20nm-50nm，包括端点值，具体的可以为20nm或是45nm等。在进行电子束成像同时可以通过配套的显示装置显示SEM图像，电子束成像之后，在垂直于线条的方向上，SEM图像边缘灰度值变化相对范围非常大，也即稍微改变边缘像素值，则由此得到的宽度值将明显变化，使得很难精确给出最佳的线条宽度值。

步骤S13：通过多像素阈值方法对线条成像图进行分析，获取线条一维方向的边缘分布曲线，根据边缘分布曲线计算线条粗糙度，绘制像素值与线条粗糙度的关系曲线。

在步骤S13中，所述多像素阈值方法如图4所示，图4为本发明实施例提供的一种多像素阈值方法的流程示意图，所述多像素阈值方法包括：

步骤S21：获取所述线条成像图中线条边缘沿宽度方向的像素值分布。

步骤S22：根据所述像素值分布选择多个像素值。

步骤S23：确定每个像素值下的边缘分布曲线，计算所述线条粗糙度。

步骤S24：绘制像素值与线条粗糙度的关系曲线。

根据SEM图像的灰度分布选择初始的像素阈值，并在初始的像素阈值两侧分别选择多个像素值作为其他的像素阈值，初始的像素阈值为灰度分布中间点的像素点或者灰度分布最大值的像素点。

此处的初始的像素阈值为根据经验确定的最佳像素点，对于边缘侧壁倾角接近90°的一维方向图形结构，该最佳像素点基本为SEM图像的灰度分布中间点的像素值。如对于宽度为40nm的线条图形结构，初始的像素阈值为130，选择的像素阈值例如可以分别为100、110、120、130、140、150、160、170以及180。可以理解的是，灰度分布中间点的像素值并不是绝对的中间点的像素值，可以为这些位置处附近范围的像素值，可以根据具体的需要进行具体的选择和设置。

准确获取线条边缘分布曲线是本发明实施例所述测量方法非常关键的步骤，在本实施例中，对于线条宽度只有约40纳米的线条图形结构而言，通常选择线条边缘的外侧阈值作为最佳边界计算阈值，如上述选择外侧边缘像素值从最低到最高的连续9个值，具体如图5横坐标所示，分别为100、110、120、130、140、150、160、170以及180。根据每个像素阈值确定下的最佳边缘像素阈值，计算每条线条的线条粗糙度，并对所有线条结果取平均值。其中，图5为基于多像素阈值方法所获得的线条宽度粗糙度与边界阈值之间的关系曲线。

计算每一种曝光能量、聚焦值下的待测结构的线条粗糙度时，采用功率谱密度方法(PSD)，并选择低频和/或中频功率谱面积作为粗糙度值，即忽略高频粗糙度值以及降低噪声的影响。本实施例计算的线条粗糙度为线条宽度粗糙度(LWR)，为抑制图像处理过程中选择不同去噪算法对粗糙度的影响，选择中频功率谱密度面积作为评价参数，即图5纵坐标所示的中频LWR值作为线条粗糙度。从图5可以看出，选择不同的像素阈值，得到的粗糙度有较大变化，当边界选用的像素值为130时，中频LWR值最小。

一般的，对于不同FEM的待测图形区域的SEM图像，其最小粗糙度对应的边界阈值存在略微差别。为计算方便，在确定其他FEM图像的最小粗糙度及其对应的最佳像素值时，以上述的130像素值为中心，选择3到5个边界像素值作为计算范围，以减小计算量，提高计算速度。

步骤S14：以连续变化的最小线条粗糙度对应的边缘像素值作为线条边缘位置基准，根据线条边缘位置基准计算线条基准宽度。

为获取步骤S14的最佳的线条基准宽度，通常需要对不少于3条线条进行计算取平均值，或单根线条长度不少于1微米，以尽量降低测量误差带来的影响。线条基准宽度为工艺要求的最佳线条宽度，在其附近预设范围的线条宽度区间为满足工艺要求的线条宽度。

本实施例中，图4所示的最佳边缘位置为边界阈值130对应的线条，该线条计算的宽度值作为该聚焦值、曝光能量下的宽度值。如果线条根数超过5根，则可以对每根线条进行线条宽度均匀性分析，确定线条宽度平均值和变化区间。

步骤S15：对所有待测结构的线条基准宽度、最小线条粗糙度进行数据分析，计算光刻工艺窗口的数值范围。

在步骤S15中，对所有待测结构的线条基准宽度、最小线条粗糙度进行数据分析，计算光刻工艺窗口的数值范围包括：获取线条宽度与聚焦值曲线、线条宽度与曝光能量曲线、线条宽度与曝光能量和聚焦值的工艺窗口数据表格、线条粗糙度与聚焦值曲线、线条粗糙度与曝光能量曲线、线条粗糙度与曝光能量和聚焦值的工艺窗口数据表格中的至少一个，计算光刻工艺窗口的数值范围。

本实施例中线条宽度与聚焦值曲线如图6a所示，线条宽度与曝光能量曲线如图6b所示。从图6a可以看到，随着聚焦值改变，致密曲线的最佳线条宽度呈现二次型规律，当聚焦值处于[-2，1]区间时，线条宽度随聚焦值变化量最小；以39纳米的线条基准宽度为中心，线条宽度在线条基准宽度附近变化±8％时(此时线条宽度范围为[35.9nm，42.1nm])的最佳聚焦值范围为[-4，2]。从图6b可以看到，随着曝光能量的改变，对于均能够成功曝光的待测结构，线条基准宽度随曝光量增加而逐渐减小，这与正显影工艺的结果一致，即增大曝光能量，有效拓宽了刻蚀沟槽范围，使得线条宽度变窄。在图6a、图6b所示实施方式中，线条宽度的FEM分布如下表1所示。在±8％的合理宽度范围内的可用的聚焦值范围是[-4，2]，可用曝光能量范围是[-1，3]。

表1

本实施例中线条中频LWR与聚焦值关系曲线如图7a所示，线条中频LWR与曝光能量关系曲线如图7b所示。以中频LWR不超过3nm为界，图7a所示的结果显示最佳聚焦值范围为[-4，1]，图7b所示的结果显示最佳曝光能量范围为[-5，4]。在图7a以及图7b所示实施方式中，中频LWR的FEM分布如下表2所示。在中频LWR不超过3nm的合理范围内的可用的聚焦值范围是[-4，1]，可用曝光能量范围是[-5，4]。

表2

综合表1和表2的数据可知，在±8％的合理宽度范围，以及中频LWR不超过3nm的合理范围内的可用的聚焦值范围是[-4,1]，可用的曝光能量范围是[-1,3]。

根据表1以及表2的数据统计原理可知，在本发明实施例的测量方法中，所述对所有所述待测结构的所述线条基准宽度、所述最小线条粗糙度进行数据分析，计算光刻工艺窗口的数值范围包括：确定第一预设区间内的线条宽度对应的第一聚焦值与能量矩阵分布，确定第二预设区间内的线条粗糙度对应的第二聚焦值与能量矩阵分布，以所述第一聚焦值与能量矩阵分布与所述第二聚焦值与能量矩阵分布的交集作为目标工艺窗口。第一预设区间以及第二预设区间可以根据工艺制程需求设定，在此不再限定其具体区间范围。

通过上述描述可知，本发明实施例仅以中间垂直两种情形为例，其中，水平方向为固定聚焦值，改变曝光能量；垂直方向为固定曝光能量，改变聚焦值，如表1和表2所示。不失一般性，表1和表2其他区域按照所述方法和所述合理区间取值即可。结合这两者的交集部分，即为最大的光刻聚焦值范围和最大的曝光能量范围；而最佳的光刻聚焦值和曝光能量值对应待测线宽变化率最小的位置取值。

一般的，线条宽度的合理区间指宽度变化为线条目标宽度值的±10％，或±8％，或±5％，或其他范围。表1中以±8％为例进行说明；线条粗糙度合理区间指粗糙度上限为线条目标宽度值的20％，或10％，或5％，或其他值。表2中，如果线条目标宽度为40nm，设定粗糙度上限为线条目标宽度值的7.5％。根据该处范围设定，第一预设区间为[90％*a，110％*a]，或[92％*a，108％*a]，或[95％*a，105％*a]；第二预设区间为(0，20％*a]，或(0，10％*a]，或(0，5％*a]；其中，a为线条的目标宽度。

除本发明例以中频LWR作为粗糙度判据之外，还可以使用中低频LWR、低频LWR、中频LER、中低频LER、低频LER，或全部LWR、全部LER等作为测量光刻工艺窗口的测量判据。

特别需要指出的是，本发明的方法不仅适用于以上实施例中的硅基集成电路制造中的先进量测，也适用于光电子器件、硅锗集成电路、三五族集成结构或微机电系统结构中的任意工艺过程中所形成的线条结构的粗糙度量测。

需要说明的是，在本发明实施中在本发明中，线条粗糙度可以是线条边缘粗糙度(Line Edge roughness，LER)、线条宽度粗糙度(Line Width Roughness，LWR)、或间隙宽度粗糙度(Space Width Roughness,SWR)中的一种粗糙度或两种粗糙度或三种粗糙度。

本发明实施例提出了一种精确寻找最佳光刻工艺窗口的测量方法，在测量该方法中，首先通过确定多个像素阈值及各个像素阈值下的边缘分布，寻找最小的线条宽度粗糙度并确定最佳的线条宽度。像素阈值连续变化以寻找最小粗糙度及最佳线条宽度的方法，能够避免不同FEM区域待测结构在SEM量测过程中的测量误差影响。

进一步，为降低SEM噪声及图像处理的影响，该测量方法基于功率谱密度方法获取最小粗糙度，即尽量使用中频功率谱密度积分值，或中低频功率谱密度积分值作为最小粗糙度数值。

同时，该测量方法在获取最佳线条宽度时，为提高准确性，采用逐像素计算平均宽度，以及对多条线条宽度取平均等操作，从而极大地提高了测量准确性。

并且为避免宽度量测过程中侧壁形貌较差所带来的工艺误差，该测量方法将宽度FEM分布矩阵与粗糙度FEM分布矩阵进行综合分析，以两者的交集作为最佳的工艺窗口。该测量方法对于线条宽度远小于100纳米的微纳结构具有较高的测量精度，测量结果所确定的线条宽度与曝光能量、聚焦值的曲线起伏降低、呈现准连续性，能够真实反映最佳的光刻工艺窗口，有利于提高产品研发质量，并提高产品的良率和性能。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (9)

1.一种光刻工艺窗口的测量方法，其特征在于，包括：

提供一晶圆，所述晶圆具有通过光刻聚焦值与曝光能量矩阵形成的多个阵列排布的待测结构；

通过电子束显微镜获取所述待测结构的线条成像图；

通过多像素阈值方法对所述线条成像图进行分析，获取线条一维方向的边缘分布曲线，根据所述边缘分布曲线计算线条粗糙度，绘制像素值与线条粗糙度的关系曲线；

以连续变化的最小线条粗糙度对应的边缘像素值作为线条边缘位置基准，根据所述线条边缘位置基准计算线条基准宽度；

对所有所述待测结构的所述线条基准宽度、所述最小线条粗糙度进行数据分析，计算光刻工艺窗口的数值范围；

其中，所述通过多像素阈值方法对所述线条成像图进行分析，获取线条一维方向的边缘分布曲线，根据所述边缘分布曲线计算线条粗糙度，绘制像素值与线条粗糙度的关系曲线包括：

获取所述线条成像图中线条边缘沿宽度方向的像素值分布；

根据所述像素值分布选择多个像素值；

确定每个像素值下的边缘分布曲线，计算所述线条粗糙度；

绘制像素值与线条粗糙度的关系曲线。

2.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，所述计算线条粗糙度包括：

采用功率谱密度方法，并选择低频和/或中频功率谱面积作为粗糙度值。

3.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，所述线条成像图具有N条线条，N为正整数；在绘制所述关系曲线时，

若N不小于3，在所述线条成像图中选择具有至少3条线条区域作为待测图形区域，对所述待测图像区域中的多个边缘分布曲线的线条粗糙度进行平均处理，获取所述线条成像图的平均线条粗糙度，根据所述平均线条粗糙度绘制像素值与线条粗糙度的关系曲线；

若N小于3，选择所述待测图像区域中具有长度不小于500nm的区域作为待测图形区域，根据所述待测图像区域中的边缘分布曲线计算线条粗糙度，绘制像素值与线条粗糙度的关系曲线。

4.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，所述对所有所述待测结构的所述线条基准宽度、所述最小线条粗糙度进行数据分析，计算光刻工艺窗口的数值范围包括：

获取线条宽度与聚焦值曲线、线条宽度与曝光能量曲线、线条宽度与曝光能量和聚焦值的工艺窗口数据表格、线条粗糙度与聚焦值曲线、线条粗糙度与曝光能量曲线、线条粗糙度与曝光能量和聚焦值的工艺窗口数据表格中的至少一个，计算光刻工艺窗口的数值范围。

5.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，所述对所有所述待测结构的所述线条基准宽度、所述最小线条粗糙度进行数据分析，计算光刻工艺窗口的数值范围包括：

确定第一预设区间内的线条宽度对应的第一聚焦值与能量矩阵分布，确定第二预设区间内的线条粗糙度对应的第二聚焦值与能量矩阵分布，以所述第一聚焦值与能量矩阵分布与所述第二聚焦值与能量矩阵分布的交集作为目标工艺窗口。

6.根据权利要求5所述的测量方法，其特征在于，所述第一预设区间为[90％*a，110％*a]，或[92％*a，108％*a]，或[95％*a，105％*a]；

所述第二预设区间为(0，20％*a]，或(0，10％*a]，或(0，5％*a]；

其中，a为线条的目标宽度。

7.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，所述线条粗糙度指线条宽度粗糙度、或线条边缘粗糙度、或间隙宽度粗糙度。

8.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，所述待测结构包括：

经过光刻之后的光刻胶图形结构，或经过刻蚀转移的中间图形结构或半导体器件图形结构。

9.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，所述电子束显微镜对不同所述待测结构进行成像时的设置参数相同。