CN1505110A - 化学机械研磨方法和化学机械研磨装置 - Google Patents

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CN1505110A CNA200310118802A CN200310118802A CN1505110A CN 1505110 A CN1505110 A CN 1505110A CN A200310118802 A CNA200310118802 A CN A200310118802A CN 200310118802 A CN200310118802 A CN 200310118802A CN 1505110 A CN1505110 A CN 1505110A
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Abstract

一种化学机械研磨方法及化学机械研磨装置，在研磨形成在衬底(13)上的铜和阻碍金属，形成嵌入铜布线的CMP工序中，使打磨压力为29g/cm2，打磨研磨布(12)，而使研磨布的表面粗糙度为3μm以上5μm以下。由此，在不使铜或阻碍金属的研磨速度下降的前提下，比以往降低铜布线的凹陷。

Description

化学机械研磨方法和化学机械研磨装置
技术领域
本发明涉及在半导体集成电路的多层布线工序或元件分离工序中使用的化学机械研磨方法和化学机械研磨装置。
背景技术
化学机械研磨方法(CMP)是使衬底面平坦的技术，在嵌入铜布线的形成或STI(Shallow trench isolation)的形成中是必须的技术。
图8(a)～(d)和图9(a)～(c)是表示使用CMP的一般的嵌入铜布线形成方法的剖视图。下面，参照这些图说明一般的嵌入铜布线的形成方法。
首先，如图8(a)所示，在半导体衬底上形成集成电路，在衬底上形成层间绝缘膜1。另外，为了简化说明，只图示层间绝缘膜1。
接着，如图8(b)所示，使用众所周知的光刻技术和蚀刻技术，在层间绝缘膜1上形成布线沟2。
然后，如图8(c)、(d)所示，通过溅射在包含布线沟2的层间绝缘膜1的上面上形成阻碍金属3，接着在阻碍金属3上形成由铜(Cu)构成的晶种层4。这里，阻碍金属3由在化学上稳定的氮化钽(TaN)或钽(Ta)、或它们的层叠膜构成。
接着，如图9(a)所示，通过电解镀，在晶种层4上形成铜膜，以便充分掩埋布线沟2。在以后的工序中，把该铜膜和晶种层4一起称作铜膜5。
接着，如图9(b)所示，进行铜膜5的退火处理后，把衬底转移到化学机械研磨装置内，为了除去多余的铜，进行CMP。由此，形成铜布线5a。这时，研磨铜膜5直到阻碍金属3露出。
接着，如图9(c)所示，研磨阻碍金属3直到层间绝缘膜1露出。这时，为了防止铜残留在层间绝缘膜1上，引起布线不良，常常进行过研磨。
经过以上的工序，形成嵌入铜布线。
这样，在一般的嵌入铜布线的形成方法中，通常，进行图9(b)、(c)所示的两阶段的研磨。这是因为阻碍金属的材料即氮化钽或钽与铜相比，很难研磨除去，所以有必要用不同的条件研磨。
即在图9(b)所示的第一阶段的研磨中，为了选择性地除去铜，使用把铜氧化熔解的研磨液，使铜的研磨速度为阻碍金属3或层间绝缘膜1的100倍以上，进行研磨。此外，图9(c)所示的第二阶段的研磨中，使用与第一阶段的研磨不同的研磨液进行研磨，使阻碍金属的研磨速度与铜的研磨速度同等以上。
下面，说明以往的化学机械研磨方法和其中使用的研磨装置。
图10是表示以往的化学机械研磨装置结构的示意图。如图10所示，以往的化学机械研磨装置具有：在上面安装研磨布的研磨底板106、用于保持研磨对象的衬底108的保持台109、用于使研磨布107的上面变粗糙的打磨器(dresser)111。
当研磨衬底108时，在把衬底108的欲研磨的面向着研磨布107保持的保持台109上作用负载使之降下来。然后一边向研磨布107上滴下研磨液110，一边使研磨底板106和保持台109双方旋转。
此外，在研磨前或与研磨同时对研磨布107进行打磨。打磨是指使固定了数十至数百μm的钻石粒子的圆盘形的打磨器11旋转，使研磨布107的表面变粗糙的工序。通常，研磨布107是二层构造，对与研磨的衬底108相接触的上层使用硬质的发泡聚氨酯，对与研磨底板106接合的下层使用软质的无纺布。在以往的CMP中，通过作用约70g/cm2的压力，进行打磨，增大上层的硬质的发泡聚氨酯上面的粗糙度。
通过进行打磨，能防止研磨的衬底108向研磨布107的紧贴，所以来自化学机械研磨装置的衬底108的搬出变得容易，能提高输送可靠性。此外，研磨液110中包含的研磨磨粒良好地保持在研磨布107上，所以能实现高研磨速度、衬底面内偏移的减少、衬底间偏移的减少等。
如果使用以往的CMP，就能良好地使均质的衬底面变平坦。可是，在形成嵌入铜布线时，存在铜布线的上面与周围的层间绝缘膜上面相比凹陷下去的问题。把由于CMP而产生的该表面的阶梯称作凹陷。如果凹陷增大，则除了导致布线电阻的上升或同一布线层内的布线电阻的偏移的扩大，还在多层化时的上层部产生研磨残留物，引起布线不良。
以往，认为发生凹陷的主要原因是研磨液的选择比、研磨布的弹性变形、用于除去铜的研磨的过研磨等。以下，说明研磨液的选择比、研磨布的弹性变形、用于除去铜的研磨中的过研磨对凹陷发生的影响。
首先，说明研磨液的选择比。用于除去铜的研磨液，如上所述被调整为铜的研磨速度为阻碍金属或层间绝缘膜的研磨速度的100倍以上。其结果，在研磨除去层间绝缘膜上的铜后，因为铜的选择性研磨，铜布线部分比周围的阻碍金属部分凹陷更大，产生由于铜的减少引起的表面阶梯即凹陷。而在阻碍金属的研磨除去中使用的研磨液被调整为阻碍金属的研磨速度与铜以及层间绝缘膜的研磨速度成为同等以上。因此，通过阻碍金属的研磨，稍微缓和凹陷，但是无法消除凹陷。
下面，说明研磨布的弹性变形的影响。与衬底接触的研磨布由发泡聚氨酯构成，按照作用的压力弹性变形。因此，如果在布线部分产生凹陷，则沿着凹陷的布线图案，研磨布弹性变形，凹陷进一步增大。布线宽度越宽，研磨布越容易追随布线图案，所以布线宽度越宽，凹陷变得越大。
下面，说明用于除去铜的研磨中的过研磨的影响。过研磨是在铜的研磨结束后，为了完全除去在衬底表面局部残留的铜而进行的。为了防止由残留的铜引起的布线间的短路问题，过研磨是必要的，但是如果过度进行，则引起铜布线的高度的减少即凹陷的扩大。
如上所述，在以往的方法中，由于各种原因，在研磨后发生凹陷，所以在具有铜布线的微细化的集成电路中，很难确保充分的可靠性。
此外，这样的凹陷不仅在铜布线的形成时，而且在形成STI时的CMP工序中也发生。
发明内容
本发明的目的在于：提供使凹陷减少的化学机械研磨方法和其中使用的化学机械研磨装置。
本发明之一的化学机械研磨方法，是使用了包括：具有旋转机构的研磨底板、安装在所述研磨底板上的研磨布、具有旋转机构和加压结构并且用于保持被研磨构件的保持台、具有旋转机构和加压结构的打磨器的化学机械研磨装置的化学机械研磨方法，该化学机械研磨方法包括：使所述打磨器和所述研磨布接触，进行打磨的工序(a)；在具有在上部形成沟的衬底区域、设置在所述衬底区域上并且掩埋所述沟的物质膜的图案形成衬底中，使用表面粗糙度6μm以上8μm以下的所述研磨布研磨所述物质膜的工序(b)。
根据该方法，在工序(b)中，用表面粗糙度适当的研磨布进行研磨，所以与以往的方法相比，不会降低研磨速度或输送可靠性，并能减小物质膜上产生的凹陷。因此，本方法适合应用于嵌入铜布线的形成时或沟分离绝缘膜的形成时等。
在所述工序(a)中，通过在所述打磨器上作用18g/cm2以上40g/cm2以下的打磨压力，能使研磨布的表面粗糙度适当。
在所述工序(a)中，通过在所述打磨器上作用24g/cm2以上34g/cm2以下的打磨压力，能进一步减少物质膜的凹陷，并且能延长打磨器的寿命。
所述物质膜具有铜膜和阻碍金属；在所述工序(b)中，研磨所述铜膜和所述阻碍金属，在所述衬底区域上形成嵌入铜布线。由此，铜布线的凹陷比以往减小，所以能减少布线电阻，或能抑制布线不良的发生率。
通过同时进行所述工序(a)和所述工序(b)，在研磨时间成为工序所需时间的决定因素时，缩短工序所需时间。此外，通过工序(b)的期间，能把研磨布的表面粗糙度保持在恰当程度。
本发明之二的化学机械研磨方法，是使用了包括：具有旋转机构的研磨底板、安装在所述研磨底板上的研磨布、具有旋转机构和加压结构并且用于保持被研磨构件的保持台、具有旋转机构和加压结构的打磨器的化学机械研磨装置的化学机械研磨方法，所述化学机械研磨方法包括：在所述打磨器上作用18g/cm2以上40g/cm2以下的打磨压力，使所述打磨器和所述研磨布接触，进行所述研磨布的打磨的工序(a)；在具有衬底区域和物质膜的图案形成衬底中，使用所述研磨布研磨所述物质膜的工序(b)，所述衬底区域在其上部形成了沟，所述物质膜被设置在所述衬底区域上并且掩埋所述沟。
根据该方法，在所述工序(a)中，能使研磨布的表面粗糙度在适当的范围内，所以在工序(b)中，与以往相比，能减少物质膜中产生的凹陷。此外，与以往的方法相比，物质膜的研磨速度或衬底的输送可靠性几乎不变。
在所述工序(a)中，在所述打磨器上作用24g/cm2以上34g/cm2以下的打磨压力。
本发明之一的化学机械研磨装置，包括：具有旋转机构的研磨底板；安装在所述研磨底板上，用于研磨被研磨构件的研磨部；具有旋转机构和加压机构，用于保持所述被研磨构件的保持台；具有旋转机构和加压机构，用于使所述研磨布的上面变粗糙的打磨器；设置在所述打磨器上，用于测定所述打磨器和所述研磨布之间产生的旋转扭矩的扭矩测定装置；用于监视由所述扭矩测定装置测定的旋转扭矩的扭矩监视器。
根据该结构，能监视打磨时的旋转扭矩，所以如果适当的旋转扭矩范围是已知的，就能在观测的旋转扭矩偏离适当的范围时发出警报，或中止打磨。因此，根据本发明之一的化学机械研磨装置，能稳定地进行适当的打磨，能抑制研磨的偏移。
本发明之二的化学机械研磨装置，包括：具有旋转机构的研磨底板；安装在所述研磨底板上，用于研磨被研磨构件的研磨部；具有旋转机构和加压机构，用于保持所述被研磨构件的保持台；具有旋转机构和加压机构，用于使所述研磨布的上面变粗糙的打磨器；用于向所述研磨布的上面照射激光光线或电磁波的照射装置；用于检测由所述研磨布的上面反射的所述激光光线或电磁波的检测装置；根据由所述检测装置检测出的所述激光光线或电磁波的强度，控制作用于所述打磨器上的压力的控制装置。
根据该结构，从由研磨布反射的激光光线或电磁波的强度能知道研磨布上面的粗糙度是否适当，根据该结果，控制装置能够把打磨压力控制为适当值。因此，根据本发明之二的化学机械研磨装置，始终能使研磨布保持在适当的打磨状态，所以在形成嵌入铜布线时等，能稳定地减少铜布线的凹陷。
本发明之三的化学机械研磨装置，包括：具有旋转机构的研磨底板；安装在所述研磨底板上，用于研磨被研磨构件的研磨布；具有旋转机构和加压机构，用于保持所述被研磨构件的保持台；具有旋转机构和加压机构，用于使所述研磨布的上面变粗糙的打磨器；安装在所述打磨器上，用于向所述研磨布照射电磁波的信号发射器；用于接收由所述研磨布反射的所述电磁波的接收器；连接在所述接收器上，用于计测由所述信号发射器发出所述电磁波到该电磁波被所述接收器接收为止的时间的时间计测器。
根据该结构，能在打磨停止时将打磨器和研磨布的间隔控制为保持一定，所以能在打磨器上可靠地作用设定的打磨压力。结果，能稳定地进行适当的打磨，所以能稳定形成凹陷减少了的嵌入铜布线或元件分离用绝缘膜。
附图说明
图1是表示在本发明实施方式1的化学机械研磨方法中使用的化学机械研磨装置的概略结构的图。
图2是表示测定无图案衬底的打磨压力和铜的除去速度的关系以及它的面向偏移后得到的结果的图。
图3是表示测定无图案衬底的打磨压力和阻碍金属的除去速度的关系以及它的面向偏移后得到的结果的图。
图4是表示对于具有嵌入铜布线的衬底，测定打磨压力和凹陷的关系后得到的结果的图。
图5是表示本发明实施方式2的化学机械研磨装置的概略结构的图。
图6是表示实施方式2的化学机械研磨装置的变形例的概略结构的图。
图7是表示本发明实施方式3的化学机械研磨装置的概略结构的图。
图8(a)～(d)是表示使用CMP的一般嵌入铜布线的形成方法中的，到阻碍金属的堆积工序为止的剖视图。
图9(a)～(c)是表示使用CMP的一般嵌入铜布线的形成方法的剖视图。
图10是表示以往的化学机械研磨装置结构的示意图。
图11(a)～(c)分别是模式地表示打磨过大、适当、过小时的研磨布的剖视图，(d)是模式地表示具有包含起伏成分的上面的研磨布的剖视图。
其中：1—层间绝缘膜；2—布线沟；3—阻碍金属；4—晶种层；5—铜膜；5a—铜布线；11—研磨底板；12—研磨布；13—衬底；14—保持台；15—研磨液；16—打磨器；17—扭矩测定装置；18—扭矩监视器；19—电磁波收发器；20—时间计测器。
具体实施方式
-对凹陷发生原因的探索-
本申请的发明者们为了发现能减少由于CMP而产生的凹陷的条件，改变条件，进行各种实验。在该过程中，发现研磨布的表面粗糙度对凹陷的发生产生极大的影响。下面，关于本申请的发明者们对研磨布的表面粗糙度进行的研究按顺序加以说明。
图11(a)～(c)分别是模式地表示打磨过大、适当、过小时的研磨布12的剖视图，(d)是模式地表示具有包含起伏成分的上面的研磨布12的剖视图。
此外，在实际的研磨布12的上面，如图11(d)所示，根据部分，起毛的底部高度不同。把这样的研磨布12的上面的凹凸称作“起伏”。即图11(a)所示的研磨布12的上面是从图11(d)所示的研磨布12的上面除去起伏成分后得到的。另外，在以下的说明书中，“表面粗糙度(上面粗糙度)”是指从表面部分的截面曲线求出除去起伏成分后的粗糙度曲线时的该粗糙度曲线的山顶线和谷底线的距离(例如，图11(a)所示的h)。
研磨布12的表面粗糙度由打磨决定。从本申请发明者们的研究结果可知，当打磨过大时或过小时，分别产生问题。
当打磨进行得过大时，如图11(a)所示，研磨布12上面的“起毛”的密度升高，并且表面粗糙度增大。这里，起毛的密度能从同一图所示的起毛的间隔p计算出。
过大的打磨通过使打磨负载增加，或使研磨布12和打磨器的相对速度增加，或延长打磨时间而进行。这时，有提高研磨速度、改善研磨过的衬底的面内偏移、改善衬底间偏移、提高输送可靠性等优点。这除了归因于物理上的效果，还要归因于可容易保持研磨液中的磨粒、可防止衬底向研磨布12的紧贴。当研磨在上面不具有图案的衬底时，即使打磨过大，也没问题。而当研磨在上面具有图案的衬底时，如果研磨布的表面粗糙度增大，则在铜布线等中产生的凹陷增大。因此，布线电阻上升，或有可能在多层布线的上层部分产生研磨残留物。并且，打磨的强化促进研磨布或打磨器等的磨损，使耗材的更换频率增加，所以引起生产性下降、生产成本增加等问题。此外，这时的打磨负载例如是70g/cm3。
此外，如图11(b)所示，进行适当的打磨时，研磨速度能充分高速化，并且产生改善面内偏移、改善衬底间偏移、提高输送可靠性等优点。并且，如后所示，可减少铜布线的凹陷。
另外，如图11(c)所示，当打磨过小时，起毛的密度减小，表面粗糙度减小。具体而言，通过降低打磨负载下降，或降低打磨的相对速度，或缩短打磨时间，使打磨变得过小。研磨后的研磨布12的上面的实际硬度下降，通过接受适当的打磨，再次出现切削力高的崭新的上面。可是，如果打磨过小，则因未除去切削力变弱的上面，所以研磨力显著下降。因此，在初期把铜布线的凹陷抑制在较小，但是产生研磨速度下降、面向偏移增加、衬底间偏移增加、输送可靠性的下降等问题。如果进行数次以上过小的打磨，则研磨布的上面保持软质化，不被除去，所以凹陷反而增大。
从以上的研究结果产生了70g/cm2的以往的打磨压力是否实际上过大的疑问。
另外，这里说明的打磨强度和凹陷的大小的关系并不局限于嵌入铜布线形成时，也能应用于半导体器件的沟分离形成时。
-打磨压力的研究-
如上所述，在形成嵌入铜布线等时，选择适当的打磨条件与凹陷的减少有关。在打磨条件中，打磨压力对研磨布12的表面形状产生大的影响。因此，本申请发明者们为了发现适当的打磨条件，特别在以往以下的范围中，改变打磨压力，测定铜或阻碍金属的研磨速度、和形成嵌入铜布线时的凹陷的大小等。此外，化学机械研磨装置使用与以往相同的。
首先，本申请发明者们通过对未在研磨面上形成图案的衬底进行测定，确认可取得适当的研磨(除去)速度的打磨压力范围。
图2是表示没有图案的衬底的打磨压力(Dressing Pressure)和铜的除去速度(Removal Rate)的关系、以及其面内偏移(Non-Uniformity)的测定结果的图。另外，图3是表示没有图案的衬底的打磨压力和阻碍金属的除去速度之间关系、以及其面内偏移的测定结果的图。在本测定中，使用图10所示的以往的化学机械研磨装置，打磨的相对速度为约1015mm/sec。在图2和图3中，在一个晶片内近似均匀地取27个测定点，并表示在这些测定点测定的除去速度的最大值、最小值和平均值。面内偏移由100×{(最大测定值)-(最小测定值)}/{2×(平均测定值)}算出。
从图2所示的结果可知，打磨压力为以往的70g/cm2的情况下，和打磨压力为18g/cm2以上～40g/cm2的情况下，铜的除去速度没有变化。从前后的测定值考虑到打磨压力40g/cm2以上～70g/cm2时也将得到同样的结果，从而，在打磨压力为18g/cm2以上～低于70g/cm2时，可以说铜的除去速度与以往几乎相同。并且，在打磨压力低于70g/cm2时，观察到晶片内的除去速度的偏移稍微减少的倾向。此外，当打磨压力低于18g/cm2时，很难由化学机械研磨装置进行高精度的控制，所以没有测定。
此外，从图3所示的结果可知，关于阻碍金属的除去速度，在打磨压力为以往的70g/cm2的情况下，和打磨压力为18g/cm2以上～小于70g/cm2的情况下几乎没有变化。关于除去速度的面内偏移，在打磨压力为18g/cm2以上～70g/cm2以下的范围内未发现变化。
在上述的实验中，在打磨压力为18g/cm2以上～70g/cm2以下的范围中，不发生衬底粘贴在研磨布上的输送故障。因此，在打磨压力为18g/cm2以上～70g/cm2以下的范围中，可以说维持了对铜和阻碍金属的研磨特性、输送可靠性。
接着，本申请发明者们对在上部形成嵌入铜布线的衬底，测定打磨压力和在铜布线产生的凹陷大小的关系。
图4是表示对具有嵌入铜布线的衬底，测定打磨压力和凹陷的关系后得到的结果的图。这时的打磨相对速度与图2以及图3的测定相同，铜布线的宽度约为80μm。这里表示的结果为晶片上的多个点的测定值的平均值，错误条(error bar)表示最大测定值和最小测定值。此外，使用原子力显微镜进行凹陷的检测。
从图4的结果可知，当打磨压力为18g/cm2以上40g/cm2以下时，与70g/cm2时相比，凹陷在统计上有意减小。另外，打磨压力为70g/cm2时的表面粗糙度大于10μm而在12μm以下。
从该结果可知，在以往的条件下，打磨压力过大，如果打磨压力为18g/cm2以上小于70g/cm2，则维持研磨特性，并能进一步减小凹陷。特别是如果打磨压力为18g/cm2以上40g/cm2以下，则可使凹陷显著减小。此外，如果考虑到打磨器寿命的延长或化学机械研磨装置的稳定性等，则打磨压力最好是24g/cm2以上34g/cm2以下。
这样，通过使打磨压力为适当的值，能减小凹陷。此外，通过使打磨压力低于以往，能延长打磨器寿命，也能降低半导体器件的制造成本。
(实施方式1)
下面，说明应用了从上述实验结果导出的最佳打磨条件的CMP的实施例。另外，包含CMP工序的嵌入铜布线的形成工序全体与图8(a)～(d)、图9(a)～(c)中说明的方法相同，所以以下说明CMP工序的内容。
图1是表示在本发明实施方式1的化学机械研磨方法中使用的化学机械研磨装置的概略结构的图。如图1所示，在本实施方式的化学机械研磨方法中使用的化学机械研磨装置与以往相同。
即，在本实施方式中使用的化学机械研磨装置包括：在上面安装了研磨布12的研磨底板11；具有旋转机构和加压机构，用于保持研磨对象的衬底13的保持台14；具有旋转机构和加压机构，用于使研磨布12的上面变粗糙的打磨器16。在本实施方式的化学机械研磨方法中，在研磨铜膜时，在研磨衬底的同时或在研磨衬底前，进行打磨压力为29g/cm2的打磨。就打磨时间而言，打磨与研磨分别进行时，为15sec左右，与研磨同时进行时，为与研磨相同的时间(约45sec)。由此，研磨布12的上面的粗糙度成为6μm以上8μm以下。该表面粗糙度是例如由探针型的表面粗糙度计测定的值。另外，在图1中表示同时进行打磨和研磨的例子，打磨的相对速度例如为1015mm/sec。此外，如图9所示，衬底13在研磨面一侧设置例如宽度10μm的沟，成为在包含该沟的衬底上面依次层叠有阻碍金属和铜的状态。
在本实施方式的化学机械研磨方法中的铜膜的研磨工序中，在把衬底13的研磨面向着研磨布12保持的保持台14上作用载荷将其降下来。然后，一边在研磨布12上滴下研磨液15，一边使研磨底板11和保持台14双方旋转。这里，研磨液15包含氧化、溶解铜的成分，由此，研磨衬底13上的铜膜，直到阻碍金属露出。
在接着的阻碍金属的研磨工序中，从该化学机械研磨装置取出衬底13，在阻碍金属研磨用的化学机械研磨装置内设置衬底13。该化学机械研磨装置也与图1所示的化学机械研磨装置具有相同的结构。在该装置中，通过以29g/cm2的打磨压力进行15秒或45秒作用的打磨，使研磨布12的表面粗糙度成为6μm以上8μm以下。打磨的相对速度与研磨铜时相同。这里使用的研磨液15包含氧化·溶解阻碍金属氧化的成分，阻碍金属的研磨速度成为与铜同等以上。
另外，铜膜的研磨和阻碍金属的研磨可以用同一化学机械研磨装置进行。可是，当用不同的研磨装置进行铜膜和阻碍金属的研磨时，具有很难受到残存研磨液的污染的优点。
根据本实施方式的化学机械研磨方法，可用与以往的方法几乎相同的研磨时间制造出凹陷减少的半导体装置。由此，能减少布线间的短路或布线不良的可能性。
另外，降低打磨的相对速度，或把打磨时间从45秒缩短到30秒，也同样能减少凹陷的大小。
此外，在本实施方式的化学机械研磨方法中，如上所述，可以在研磨铜膜或阻碍金属的工序之前进行打磨工序，也可以同时进行。可是，同时进行打磨和研磨的情况下，能缩短全体工序所需的时间，并且通过研磨工序，容易把研磨布的表面粗糙度保持在适当。
此外，当使用图1所示的化学机械研磨装置时，18～40g/cm2为适当的打磨压力，但是当使用不同规格的化学机械研磨装置时，适合的打磨压力范围有可能变化。这时，通过使研磨布的表面粗糙度成为6μm以上8μm以下，能进行适当的打磨。
另外，本实施方式的化学机械研磨方法也能应用于形成STI时。这时，在形成了沟的衬底上形成SiO2膜后，对该SiO2膜进行研磨。由此，能比以往减小元件分离用绝缘膜上产生的凹陷。此外，能把研磨的面内偏移抑制在比以往的方法小。并且，能延长打磨器的寿命，所以能抑制CMP所需的成本。并且，也能使输送可靠性与以往相同。
(实施方式2)
图5是表示本发明实施方式2的化学机械研磨装置的概略结构的图。本实施例的化学机械研磨装置的特征在于：在研磨前或与研磨同时进行的打磨中，监视(monitoring)研磨布表面的粗糙度。下面，将详细地进行说明。
本实施方式中使用的化学机械研磨装置与实施方式1中使用的装置相同，具有：在上面安装了研磨布12的研磨底板11；用于保持研磨对象的衬底13的保持台14；用于使研磨布12的上面变粗糙的打磨器16。此外，在本发明的化学机械研磨装置的打磨器16上安装有连接在扭矩监视器18上的扭矩测定装置17。
在研磨衬底13时，在把衬底13的研磨面向着研磨布12保持的保持台14上作用载荷，使它降下来。然后，一边在研磨布12上滴下研磨液15，一边使研磨底板11和保持台14双方旋转。此外，对研磨前或研磨中的研磨布12进行打磨。
在本实施方式的化学机械研磨装置中，通过设置扭矩测定装置17，能间接地监视打磨时研磨布12的上面是否具有适当的粗糙度。扭矩是表示力的力矩的向量，它的大小用旋转半径×旋转力表示。
研磨布12的上面粗糙度(表面粗糙度)能按如下监视。
首先，当打磨在适当地进行时，扭矩波形的振幅在某一定值稳定。
而例如打磨压力由于某种原因增加。这样，为了按设定维持打磨器16的旋转，就必须使打磨器的旋转力增加。另外，如果打磨压力增加，则打磨变为过剩。因此，若打磨压力过剩，则打磨器16的旋转扭矩也增加，所以监视的旋转扭矩波形的振幅变大。
相反，例如打磨压力由于某种原因减少。这样，为了按设定维持打磨器16的旋转，就要用比此前小的旋转力。此外，如果打磨压力变小，则打磨变得过小。因此，当打磨过小即未充分打磨时，打磨器16的旋转扭矩减小，监视的旋转扭矩波形的振幅也减少。
这样，通过测定旋转扭矩波形，就知道打磨是否适当地进行着。在本实施方式中，旋转扭矩波形由扭矩监视器18监视。此外，在扭矩监视器中也附加有当波形振幅偏离某规格宽度的上下限时，就发出警报，使装置一侧中断处理的扭矩控制装置。即，当旋转扭矩波形稳定时，研磨布的表面粗糙度也变为一定，所以能获得稳定的铜布线的化学机械研磨。这里，设定打磨压力例如为18～40g/cm2那样的扭矩范围。
如上所述，根据本实施方式的化学机械研磨装置，通过至少在研磨中间接地监视接受打磨的研磨布的表面粗糙度，把打磨的旋转扭矩保持恒定，能以良好精度控制打磨压力。结果，能稳定地减小铜布线的凹陷，所以能稳定地供给可靠性高的半导体集成电路。
-实施方式2的变形例-
图6是表示本发明实施方式2的化学机械研磨装置的概略结构的图。
在本发明的实施方式2的化学机械研磨装置中，控制为通过扭矩测定装置和扭矩监视器能进行适当的打磨，但是用此外的部件，也能将研磨布的打磨控制得适当。
例如，当在化学机械研磨装置中附加有激光照射装置、用于检测由研磨布12反射的激光的激光检测装置、用于放大检测信号的放大器、用于控制打磨压力的控制装置时，也能控制为进行适当的打磨。
在打磨中或打磨后，从激光照射装置向研磨布12照射例如波长633nm的激光，用激光检测装置检测由研磨布12反射的激光。
在图6所示的例子中，在打磨器16的中心部设有激光照射装置和激光检测装置成为一体化的激光发射/接收机29。此外，通过连接在激光发射/接收机29上的放大器30，能把来自激光发射/接收机29的检测信号放大。
研磨布12的表面粗糙度越大，则激光的散乱越大，所以用激光检测装置检测出的激光强度变弱。因此，预先设定适当的激光强度范围，当由激光检测装置(激光发射/接收机29)检测的激光强度从适当的范围偏离时，控制装置就发出警报，或通过改变打磨压力，能进行适当的打磨。
此外，表示了把激光照射装置和激光检测装置一体化的例子，但是也可以分别设置两个装置。
(实施方式3)
图7是表示本发明实施方式3的化学机械研磨装置的概略结构的图。本实施方式的化学机械研磨装置的特征在于：静止状态的打磨器和研磨布的距离总保持一定。下面将进行详细的说明。
如图7所示，本实施方式的化学机械研磨装置与实施方式1中使用的装置相同，具有：在上面安装了研磨布12的研磨底板11；用于保持研磨对象的衬底13的保持台14；用于使研磨布12的上面变粗糙的打磨器16。此外，在打磨器16上安装有连接在时间计测器20上的电磁波收发器19。
在研磨衬底13时，在把衬底13的研磨面向着研磨布12保持的保持台14上作用负载使其下降。然后，一边在研磨布12上滴下研磨液15，一边使研磨底板11和保持台14双方旋转。此外，对研磨前或研磨中的研磨布12进行打磨。
在本发明的化学机械研磨装置中，为了测定静止状态的打磨器16和研磨布12的距离，在圆形的打磨器16的中心部安装进行微波等电磁波的发送和接收的电磁波收发器19，该电磁波收发器19连接在用于计测电磁波的移动时间的时间计测器20上。
当打磨动作为停止状态时，打磨器16的钻石粒附着的面与研磨布12隔开一定距离静止。而且，在工作状态，开始向打磨器16输送空气，打磨器16接触研磨布12的上面。这时，以打磨器16的移动距离一定为前提，校正空气压力和打磨载荷输出之间的关系。因此，为了进行适当的打磨，移动距离即打磨器16的打磨面和研磨布12的距离有必要始终保持一定。例如，当打磨器16和研磨布12的距离比设定值还大时，打磨压力比设定值小，成为过小的打磨。此外，当打磨器16和研磨布12的距离比设定值还小时，打磨压力比设定值大，成为过剩的打磨。
在以往的化学机械研磨装置中，以手动进行静止时的打磨器16的对位，所以有时不能进行按照设定的打磨。与此相比，在本实施方式的化学机械研磨装置中，通过电磁波收发器19和时间计测器20的功能，能使静止时的打磨器16在给定位置静止，所以能减少打磨的误差。
这里，具体说明电磁波收发器19和时间计测器20的功能。如上所述，本实施方式的电磁波收发器19同时具有发射微波等电磁波的发射功能和接收该电磁波的接收功能。
首先，在研磨结束，把打磨器16向上方抬起时，或打磨器16静止时，电磁波收发器19对研磨布12照射微波。这样，该微波由用水分湿润的研磨布12的上面反射，再被电磁波收发器19接收。这里，之所以使用以微波为首的电磁波，是因为这些电磁波在导电率不同的物质界面上发生反射现象。在本实施方式的例中，包含水分的研磨布12的上面比大气中的导电率高，所以发生反射现象。
接着，如果电磁波收发器19接收到微波，就通过电磁波收发器19计测从发射电磁波到接收之间所需时间。这里把计测的时间称作微波的传播时间。此外，微波的传播速度依存于该微波传播的大气中的温度和湿度，所以通过测定计测时的大气温度和湿度，能计算出微波的传播速度。从这样获得的微波的传播时间和传播速度计算出打磨器16的移动距离。具体而言，由
(打磨器的移动距离)＝(传播速度)×(传播时间)÷2    (1)求出。该计算由时间计测器20进行。通过用控制装置(未图示)等进行控制，以使这样求得的距离总为一定，可始终维持适当的打磨。
如上所述，根据本实施方式的化学机械研磨装置，在打磨停止时，通过使打磨器和研磨布的间隔始终保持一定，可始终维持适当的打磨条件。例如，在打磨压力为18～40g/cm2的条件下，通过使用本实施方式的化学机械研磨装置，可稳定地生产铜布线的凹陷减少的半导体器件。
此外，根据本实施方式的化学机械研磨装置，除了在用于形成嵌入铜布线的研磨工序以外，而且在形成沟分离时的研磨工序或层间绝缘膜的研磨工序等各种工序中，可使打磨压力保持在最佳状态。并且，可抑制研磨的偏移。
本实施方式中说明的电磁波收发器和时间计测器，对于不具有测定载荷的负载单元的类型的化学机械研磨装置特别有效。例如，在因为面积小，所以不能设置负载单元的装置等中，优选应用本实施方式的化学机械研磨装置结构。
另外，在本实施方式的化学机械研磨装置中，可以分开设置电磁波的发射器和接收器。这时，可以在可高效接收由衬底反射的电磁波的位置上设置接收器。
此外，表示了电磁波收发器19设置在打磨器16的中心部的例子，但是例如也可以设置在圆盘形的打磨器16的边缘部等上。
根据本发明的化学机械研磨方法，通过使打磨载荷为24g/cm2～34g/cm2，而使研磨布的上面粗糙度为6～8μm，所以能比以往减小铜布线的凹陷。
此外，本发明的化学机械研磨装置通过设置测定打磨时的旋转扭矩的扭矩测定装置、用于监视测定的旋转扭矩位于给定范围内的扭矩监视器，能稳定进行适当的条件下的打磨。结果，能稳定地生产铜布线的凹陷减少了的半导体集成装置。
此外，当本发明的化学机械研磨装置具有用于把研磨布和打磨面的距离保持一定的电磁波收发器和时间计测器时，能够始终维持适当的打磨，可稳定地减少铜布线的凹陷。

Claims (10)

1.一种化学机械研磨方法，是使用了包括具有旋转机构的研磨底板、安装在所述研磨底板上的研磨布、具有旋转机构和加压结构并且用于保持被研磨构件的保持台、具有旋转机构和加压结构的打磨器的化学机械研磨装置的化学机械研磨方法，该化学机械研磨方法包括：使所述打磨器和所述研磨布接触，进行打磨的工序(a)；在具有在上部形成了沟的衬底区域、设置在所述衬底区域上并且掩埋所述沟的物质膜的图案形成衬底中，使用表面粗糙度6μm以上8μm以下的所述研磨布研磨所述物质膜的工序(b)。
2.根据权利要求1所述的化学机械研磨方法，其中：
在所述工序(a)中，在所述打磨器上作用18g/cm2以上40g/cm2以下的打磨压力。
3.根据权利要求2所述的化学机械研磨方法，其中：
在所述工序(a)中，在所述打磨器上作用24g/cm2以上34g/cm2以下的打磨压力。
4.根据权利要求1所述的化学机械研磨方法，其中：
所述物质膜具有铜膜和阻碍金属；
在所述工序(b)中，研磨所述铜膜和所述阻碍金属，在所述衬底区域上形成嵌入铜布线。
5.根据权利要求1～4中任意一项所述的化学机械研磨方法，其中：同时进行所述工序(a)和所述工序(b)。
6.一种化学机械研磨方法，是使用了包括具有旋转机构的研磨底板、安装在所述研磨底板上的研磨布、具有旋转机构和加压结构并且用于保持被研磨构件的保持台、具有旋转机构和加压结构的打磨器的化学机械研磨装置的化学机械研磨方法，包括：
在所述打磨器上作用18g/cm2以上40g/cm2以下的打磨压力，使所述打磨器和所述研磨布接触，进行所述研磨布的打磨的工序(a)；
在具有在上部形成了沟的衬底区域、设置在所述衬底区域上并且掩埋所述沟的物质膜的图案形成衬底中，使用所述研磨布研磨所述物质膜的工序(b)。
7.根据权利要求6所述的化学机械研磨方法，其中：
在所述工序(a)中，在所述打磨器上作用24g/cm2以上34g/cm2以下的打磨压力。
8.一种化学机械研磨装置，包括：
具有旋转机构的研磨底板；
安装在所述研磨底板上，用于研磨被研磨构件的研磨布；
具有旋转机构和加压机构，用于保持所述被研磨构件的保持台；
具有旋转机构和加压机构，用于使所述研磨布的上面变粗糙的打磨器；
设置在所述打磨器上，用于测定所述打磨器和所述研磨布之间产生的旋转扭矩的扭矩测定装置；
用于监视由所述扭矩测定装置测定的旋转扭矩的扭矩监视器。
9.一种化学机械研磨装置，包括：
具有旋转机构的研磨底板；
安装在所述研磨底板上，用于研磨被研磨构件的研磨布；
具有旋转机构和加压机构，用于保持所述被研磨构件的保持台；
具有旋转机构和加压机构，用于使所述研磨布的上面变粗糙的打磨器；
用于向所述研磨布的上面照射激光光线或电磁波的照射装置；
用于检测由所述研磨布的上面反射的所述激光光线或电磁波的检测装置；
根据由所述检测装置检测出的所述激光光线或电磁波的强度，控制作用于所述打磨器上的压力的控制装置。
10.一种化学机械研磨装置，包括：
具有旋转机构的研磨底板；
安装在所述研磨底板上，用于研磨被研磨构件的研磨布；
具有旋转机构和加压机构，用于保持所述被研磨构件的保持台；
具有旋转机构和加压机构，用于使所述研磨布的上面变粗糙的打磨器；
安装在所述打磨器上，用于向所述研磨布照射电磁波的信号发射器；
用于接收由所述研磨布反射的所述电磁波的接收器；
连接在所述接收器上，用于计测所述电磁波由所述信号发射器发出到被所述接收器接收为止的时间的时间计测器。
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