随着集成电路制造业的迅速发展,芯片内的刻线宽度作为其工艺特征尺寸已下降到100nm以下量级。对纳米尺度刻线尺寸越来越严格的控制要求使得半导体刻线边缘粗糙度(Line edge roughness,LER)的测量与控制成为光刻工艺和集成电路制造业关注的热点问题之一。原子力显微镜(Atomic force microscopy,AFM)以其良好的三维成像精度以及对样本和测量环境的广泛适用性而成为纳米尺度线边缘粗糙度测量研究的重要工具,本文针对目前AFM测量LER所存在的一些问题,进行了纳米尺度线边缘粗糙度测量与表征方法的研究。由于目前LER仍没有公认的明确定义,无法进行测量结果的有效比较,这对加工工艺的监控及优化、器件性能仿真模型的建立与测试、线宽测量精度的控制和提高极为不利。为解决这一问题,本文从半导体制造工艺与LER的形成、LER对线宽测量和器件电气性能的影响三个方面对测量需求进行分析,从测量学角度提出了一个新的线边缘粗糙度定义,并结合线边缘粗糙度的自身特点与应用要求给出了具体的表征参数,包括幅值参数均方根粗糙度RMS、频谱分析参数功率谱密度函数PSD和空间评定参数自相关函数R(τ)。根据所提出的LER定义并考虑到AFM扫描图像的特点,建立了一个合理的LER测量模型,其主要任务包括确定线边缘位置和评定基准以提取LER特征。首先研究了基于图像处理技术的线边缘确定方法,该方法综合考虑了侧墙形貌及其形位信息,确定出由边缘检测算子和高度阈值所决定的局部高度范围内的线边缘。由于该方法中人为选取参数会对LER测量结果产生影响,因此又提出了一种基于关键点的线边缘确定方法,利用相邻数据点之间的变化率确定出每一条扫描线上的6个关键点,并通过所有扫描线上的关键点构成不同局部高度区域的线边缘。采用最小二乘中线作为评定基准来提取LER特征,并计算出表征参数,包括左、右单线边缘及线宽均方根粗糙度值σL、σR和σLWR,以及左、右线边缘相关长度LcL、LcR。用上述两种方法对同一样本的AFM测量数据进行处理,对测量结果进行了比较和分析。针对现有LER表征参数不能完全满足测量要求这一问题,提出了一种基于冗余第二代小波变换的LER多尺度表征方法,该方法将LER特征分解到各尺度包含不同空间频率成分的独立频带中,对各尺度重构信号作进一步分析,从而确定出粗糙度指数R、各尺度上重构信号的空间频率分布特性及均方根值,并用最小尺度空间的细节信号估计测量噪声的影响。采用随机轮廓仿真数据对LER多尺度表征方法进行了验证,结果表明,对具有相近幅值的线边缘,粗糙度指数R可以有效反映出刻线边缘的不规则程度,并能较直观地提供LER空间频率的分布信息。单晶硅刻线样本实验数据的分析结果进一步表明,LER多尺度表征方法可以有效分析对IC器件性能影响较大的LER高频成分,并可以对具体空间频率范围的LER幅值进行量化表征,从而为半导体制造工艺的监控与优化提供更完善的测量基础。根据AFM扫描方式和成像特点,对AFM测量LER的影响因素,如探针针尖尺寸与形状、AFM扫描图像的噪声、压电晶体驱动精度、扫描采样间隔等进行了理论研究和实验分析。对各因素的影响程度进行了探讨并分别提出了抑制及修正方法,从而减小测量误差,提高测量结果的可信度。