JP2013080786A - Silicon device - Google Patents

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Takanari Nagahata
隆也 長畑
Akira Sawamura
陽 沢村
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a silicon device having a structure which inhibits or prevents metal atoms in a ferroelectric layer from diffusing in a silicon layer and achieves the downsizing and the improvement of characteristics.SOLUTION: An ink jet printer head 1 serving as a silicon device includes: a silicon substrate 2; a silicon oxide layer 5B formed on the silicon substrate 2; a diffusion prevention film 70 formed on the silicon oxide layer 5B; and a piezoelectric element 6 provided on the diffusion prevention film 70. A compression chamber 62 serving as an ink accumulation part is formed on the silicon substrate 2, and a thin silicon layer 5A and the silicon oxide layer 5B, located on a top plate part of the compression chamber 62, form a vibration film 5. The piezoelectric element 6 includes: a lower electrode 7 contacting with the diffusion prevention film 70; a piezoelectric layer 8 provided on the lower electrode 7; and an upper electrode 9 provided on the piezoelectric layer 8. The diffusion prevention film 70 prevents the diffusion of metal atoms in the piezoelectric layer 8.

Description

この発明は、シリコン層および強誘電体層を有するシリコン装置に関する。このような装置には、強誘電体層をキャパシタ膜としたキャパシタを含むもの、強誘電体層を圧電体としたアクチュエータまたはセンサを含むものなどがある。   The present invention relates to a silicon device having a silicon layer and a ferroelectric layer. Such devices include those including a capacitor having a ferroelectric layer as a capacitor film, and those including an actuator or sensor having a ferroelectric layer as a piezoelectric body.

特許文献1は、圧電方式のインクジェットプリンタヘッドを開示している。これは、シリコン装置で構成されたアクチュエータの一例である。特許文献1のインクジェットプリンタヘッドは、シリコン基板と、シリコン基板上に形成された酸化シリコン膜からなる振動膜と、振動膜上に設けられた圧電素子とを含む。シリコン基板には、エッチングによって加圧室が形成されており、この加圧室に振動膜が臨んでいる。加圧室にはインクが導入されるようになっている。圧電素子は、振動膜上に形成された下部電極と、下部電極上に形成された圧電体と、圧電体上に形成された上部電極とを含む。圧電体は、PZT(チタン酸ジルコン酸鉛Pb(Zr,Ti)O)で構成されている。上部電極および下部電極の間に電圧を印加して圧電素子を駆動することにより、振動膜が振動する。これにより、加圧室の容積が変化し、加圧室内のインクをノズルから押し出して吐出できる。 Patent Document 1 discloses a piezoelectric inkjet printer head. This is an example of an actuator composed of a silicon device. The ink jet printer head of Patent Document 1 includes a silicon substrate, a vibration film made of a silicon oxide film formed on the silicon substrate, and a piezoelectric element provided on the vibration film. A pressure chamber is formed in the silicon substrate by etching, and a vibration film faces the pressure chamber. Ink is introduced into the pressure chamber. The piezoelectric element includes a lower electrode formed on the vibration film, a piezoelectric body formed on the lower electrode, and an upper electrode formed on the piezoelectric body. The piezoelectric body is made of PZT (lead zirconate titanate Pb (Zr, Ti) O 3 ). When the piezoelectric element is driven by applying a voltage between the upper electrode and the lower electrode, the vibrating membrane vibrates. As a result, the volume of the pressurizing chamber changes, and the ink in the pressurizing chamber can be ejected from the nozzle.

特許文献2は、強誘電体キャパシタを開示している。強誘電体キャパシタは、シリコン基板上に形成された下部電極と、下部電極上に形成された強誘電体容量膜と、強誘電体容量膜上に形成された上部電極とを含む。強誘電体容量膜は、SBT(タンタル酸ビスマスストロンチウムSrBiTa)、BST(チタン酸バリウムストロンチウム(Ba,Sr)TiO)などからなる。 Patent Document 2 discloses a ferroelectric capacitor. The ferroelectric capacitor includes a lower electrode formed on the silicon substrate, a ferroelectric capacitor film formed on the lower electrode, and an upper electrode formed on the ferroelectric capacitor film. The ferroelectric capacitor film is made of SBT (bismuth strontium tantalate SrBi 2 Ta 2 O 9 ), BST (barium strontium titanate (Ba, Sr) TiO 3 ), or the like.

特開2011−56939号公報JP 2011-56939 A 特開2009−272319号公報JP 2009-272319 A

PZT、SBT、BSTに代表される強誘電体は、金属原子を含んでいる。この金属原子は、電極膜を透過して拡散し、シリコン基板にまで至ることがある。
より具体的に説明すると、旧来のインクジェットプリンタヘッドにおいて用いられてきた圧電素子では、シリコン層およびその上に形成された酸化シリコン層の全体で50μm程度の厚さの振動膜上に、圧電体(PZT)の厚さが100μm程度の圧電素子が配置されていた。この構造では、酸化シリコン層およびシリコン層への金属原子(PZTの場合はPb)の拡散が生じても、振動膜が十分に厚いため、振動膜の特性が許容できないほど悪化することはなかった。また、圧電体も厚く形成されているため、金属原子が抜け出しても、許容できないほどの特性変化が生じることはなかった。
Ferroelectric materials represented by PZT, SBT, and BST contain metal atoms. This metal atom may diffuse through the electrode film and reach the silicon substrate.
More specifically, in the piezoelectric element used in the conventional ink jet printer head, the piezoelectric material (on the vibration film having a thickness of about 50 μm as a whole of the silicon layer and the silicon oxide layer formed thereon) A piezoelectric element having a thickness of about 100 μm was disposed. In this structure, even when metal atoms (Pb in the case of PZT) diffuse into the silicon oxide layer and the silicon layer, the vibration film is sufficiently thick, so that the characteristics of the vibration film are not unacceptably deteriorated. . In addition, since the piezoelectric body is also formed thick, even if metal atoms escape, there is no unacceptable change in characteristics.

ところが、最近のインクジェットプリンタヘッドには、多数色のインクの微小液滴を吐出することが求められている。そのため、各色のインクを吐出するためにプリンタヘッドに組み込まれるノズルユニットを小さくする必要があり、かつ圧電体および振動膜を薄くして微小液滴を吐出できるようにする必要がある。このような薄い圧電体から金属原子が抜け出すと、十分な駆動力が得られないおそれがある。また、薄い振動膜中に金属原子が拡散すると、振動膜の脆性が悪化し、耐久性が損なわれる。さらに、シリコン基板上に、プリンタヘッドだけでなく、その駆動回路等を構成するトランジスタ等の素子をも作り込む場合には、シリコン基板へと拡散した金属原子が、それらの素子の特性を著しく悪化させる。とくに、圧電体形成のための熱処理時に金属原子が拡散しやすい。   However, recent ink jet printer heads are required to eject fine droplets of many colors of ink. For this reason, it is necessary to make the nozzle unit incorporated in the printer head small in order to eject ink of each color, and it is necessary to thin the piezoelectric body and the vibration film so that fine droplets can be ejected. If metal atoms escape from such a thin piezoelectric body, a sufficient driving force may not be obtained. Further, if metal atoms diffuse into the thin vibration film, the vibration film becomes brittle and the durability is impaired. Furthermore, when not only the printer head but also elements such as transistors constituting the drive circuit are built on the silicon substrate, the metal atoms diffused into the silicon substrate significantly deteriorate the characteristics of these elements. Let In particular, metal atoms are likely to diffuse during heat treatment for forming a piezoelectric body.

インクジェットプリンタヘッドだけでなく、シリコン基板に形成した振動膜上に圧電素子を有する装置には、同様の課題がある。
さらにまた、SBT、BSTを強誘電体キャパシタ膜として用いた強誘電体キャパシタ素子においても同様の課題がある。すなわち、強誘電体キャパシタ膜中の金属原子(SBTの場合は、ストロンチウムおよびビスマス。BSTの場合は、バリウムおよびストロンチウム)が、電極を透過してシリコン基板へと拡散すると、強誘電体キャパシタ膜の誘電率が低下したり、シリコン基板に作り込まれた他の素子の特性を著しく変化させたりする恐れがある。とくに、装置全体が小型になるほど、強誘電体キャパシタ素子はシリコン基板中の他の素子の近くに配置されることになるから、この問題が顕在化する。
A device having a piezoelectric element on a vibration film formed on a silicon substrate as well as an inkjet printer head has the same problem.
Furthermore, the same problem occurs in the ferroelectric capacitor element using SBT and BST as the ferroelectric capacitor film. That is, when metal atoms in the ferroelectric capacitor film (strontium and bismuth in the case of SBT and barium and strontium in the case of BST) penetrate the electrode and diffuse to the silicon substrate, the ferroelectric capacitor film There is a possibility that the dielectric constant may be lowered or the characteristics of other elements built in the silicon substrate may be significantly changed. In particular, the smaller the overall device is, the more the ferroelectric capacitor element is disposed near other elements in the silicon substrate, and this problem becomes apparent.

そこで、この発明は、強誘電体層中の金属原子がシリコン層に拡散することを抑制または防止して、小型化および特性の向上を図ることができる構造のシリコン装置を提供する。   Therefore, the present invention provides a silicon device having a structure that can suppress or prevent the metal atoms in the ferroelectric layer from diffusing into the silicon layer, thereby reducing the size and improving the characteristics.

上記の目的を達成するための請求項1記載の発明は、シリコン層と、前記シリコン層に積層された金属層と、前記金属層に積層され、金属原子を含む強誘電体層と、前記シリコン層と前記強誘電体層との間に介在するように積層され、前記強誘電体層中の金属原子の前記シリコン層への拡散を防止する拡散防止膜とを含む、シリコン装置である。
この構成によれば、シリコン層と強誘電体層との間に拡散防止膜が介在しており、この拡散防止膜によって、強誘電体層中の金属原子がシリコン層に拡散することが抑制または防止される。これにより、強誘電体層およびシリコン層の特性(とくに脆性)が悪化したり、シリコン層に作り込まれた素子の特性が悪化したりすることを回避できる。これにより、強誘電体層およびシリコン層を薄くしたり、シリコン層中の素子と強誘電体層との距離を短くしたりすることができるから、小型で、かつ良好な特性を有するシリコン装置を提供できる。
In order to achieve the above object, an invention according to claim 1 includes a silicon layer, a metal layer laminated on the silicon layer, a ferroelectric layer laminated on the metal layer and containing metal atoms, and the silicon A silicon device including a diffusion preventing film that is laminated so as to be interposed between a layer and the ferroelectric layer and prevents diffusion of metal atoms in the ferroelectric layer into the silicon layer.
According to this configuration, the diffusion preventing film is interposed between the silicon layer and the ferroelectric layer, and the diffusion preventing film suppresses diffusion of metal atoms in the ferroelectric layer into the silicon layer or Is prevented. As a result, it is possible to avoid deterioration of the characteristics (particularly brittleness) of the ferroelectric layer and the silicon layer and deterioration of the characteristics of the element formed in the silicon layer. As a result, the ferroelectric layer and the silicon layer can be thinned, and the distance between the element in the silicon layer and the ferroelectric layer can be shortened, so that a silicon device having a small size and good characteristics can be obtained. Can be provided.

シリコン層と前記金属層との間に、酸化シリコン層等の絶縁膜が形成されていてもよい。この場合、絶縁膜と前記金属層との間に前記拡散防止膜が介在していてもよい。
請求項2記載の発明は、厚部と薄部とを有するシリコン基板の前記薄部が前記シリコン層を含む振動膜を形成しており、前記強誘電体層が、圧電体層であって、下部電極としての前記金属層と上部電極との間に前記圧電体層が積層されて圧電素子が構成されている、請求項1に記載のシリコン装置である。
An insulating film such as a silicon oxide layer may be formed between the silicon layer and the metal layer. In this case, the diffusion prevention film may be interposed between the insulating film and the metal layer.
In the invention according to claim 2, the thin part of the silicon substrate having a thick part and a thin part forms a vibration film including the silicon layer, and the ferroelectric layer is a piezoelectric layer, 2. The silicon device according to claim 1, wherein the piezoelectric element is configured by laminating the piezoelectric layer between the metal layer as a lower electrode and an upper electrode.

この構成によれば、シリコン基板の薄部が、シリコン層を含む振動膜を構成しており、この振動膜に圧電素子が接している。振動膜をなすシリコン層と圧電体層との間には、拡散防止膜が介在しているので、圧電体層中の金属原子が振動膜を構成するシリコン層へと拡散することを回避できる。これにより、金属原子の拡散に起因して振動膜の特性、とりわけ脆性が悪くなることを回避できる。さらに、シリコン基板に素子が形成されている場合には、当該素子の特性の悪化を回避できる。   According to this configuration, the thin part of the silicon substrate constitutes the vibration film including the silicon layer, and the piezoelectric element is in contact with the vibration film. Since a diffusion preventing film is interposed between the silicon layer forming the vibration film and the piezoelectric layer, it is possible to avoid diffusion of metal atoms in the piezoelectric layer into the silicon layer constituting the vibration film. As a result, it is possible to avoid deterioration of the characteristics of the diaphragm, particularly brittleness, due to the diffusion of metal atoms. Furthermore, when an element is formed on the silicon substrate, deterioration of the characteristics of the element can be avoided.

圧電体層は、PZT(チタン酸ジルコン酸鉛Pb(Zr,Ti)O)層、またはKNN(ニオブ酸カリウムナトリウム(K,Na)NbO)層であってもよい。PZT層の場合、金属原子としての鉛原子の拡散が拡散防止膜によって抑制または防止される。KNN層の場合、金属原子としてのナトリウム原子の拡散が拡散防止膜によって抑制または防止される。 The piezoelectric layer may be a PZT (lead zirconate titanate Pb (Zr, Ti) O 3 ) layer or a KNN (potassium sodium niobate (K, Na) NbO 3 ) layer. In the case of the PZT layer, diffusion of lead atoms as metal atoms is suppressed or prevented by the diffusion preventing film. In the case of the KNN layer, diffusion of sodium atoms as metal atoms is suppressed or prevented by the diffusion preventing film.

シリコン層と前記下部電極との間に酸化シリコン層等の絶縁層が形成されていて、この絶縁層が前記シリコン層とともに前記振動膜を形成していてもよい。この場合に、前記拡散防止膜は、前記絶縁層と前記下部電極との間に介在されてもよい。
請求項3記載の発明は、前記下部電極、前記圧電体層および前記上部電極が、前記振動膜を変形させるアクチュエータを構成している、請求項2に記載のシリコン装置である。
An insulating layer such as a silicon oxide layer may be formed between the silicon layer and the lower electrode, and this insulating layer may form the vibration film together with the silicon layer. In this case, the diffusion prevention film may be interposed between the insulating layer and the lower electrode.
A third aspect of the present invention is the silicon device according to the second aspect, wherein the lower electrode, the piezoelectric layer, and the upper electrode constitute an actuator that deforms the vibration film.

この構成によれば、下部電極および上部電極間に駆動電圧を印加することによって、逆圧電効果によって、圧電体層を膨張/収縮させることができ、これによって、振動膜を変形(振動)させることができる。圧電体層中の金属原子が振動膜へと拡散することを回避できるので、圧電体層は十分な駆動力を発生することができる。そればかりでなく、振動膜の特性、とりわけ脆性が悪化することを回避できるから、振動膜を有するアクチュエータの耐久性を向上できる。   According to this configuration, by applying a driving voltage between the lower electrode and the upper electrode, the piezoelectric layer can be expanded / contracted by the inverse piezoelectric effect, thereby deforming (vibrating) the vibrating membrane. Can do. Since the metal atoms in the piezoelectric layer can be prevented from diffusing into the vibration film, the piezoelectric layer can generate a sufficient driving force. In addition, since it is possible to avoid deterioration of the characteristics of the diaphragm, particularly brittleness, the durability of the actuator having the diaphragm can be improved.

請求項4記載の発明は、前記振動膜によって区画されるインク溜まりが形成されており、前記シリコン装置が、前記振動膜を変形させることによって、前記インク溜まりのインクを加圧して吐出させるインクノズルを構成している、請求項3に記載のシリコン装置である。
この構成によれば、振動膜を変形(振動)させることにより、インク溜まりのインクを加圧して吐出する構造のインクノズルを提供できる。このインクノズルは、インクジェットプリンタヘッドに適用することができる。小型化および微小液滴吐出のために圧電体層および振動膜を薄くする場合であっても、圧電体層中の金属原子の拡散に起因する駆動力の低下を回避でき、かつ振動膜の脆性悪化を回避して十分な耐久性を実現できる。
According to a fourth aspect of the present invention, there is formed an ink reservoir partitioned by the vibration film, and the silicon device deforms the vibration film to pressurize and discharge ink in the ink pool. The silicon device according to claim 3, comprising:
According to this configuration, it is possible to provide an ink nozzle having a structure in which the ink in the ink reservoir is pressurized and discharged by deforming (vibrating) the vibration film. This ink nozzle can be applied to an inkjet printer head. Even when the piezoelectric layer and the diaphragm are made thinner for miniaturization and micro droplet ejection, it is possible to avoid a decrease in driving force due to diffusion of metal atoms in the piezoelectric layer, and the diaphragm is brittle Deterioration can be avoided and sufficient durability can be realized.

インクノズルの他にも、マイクロホン(とくにMEMS(Micro Electro Mechanical Systems)技術により作製されるシリコンマイク)も、アクチュエータの一例である。
請求項5記載の発明は、前記下部電極、前記圧電体層および前記上部電極が、前記振動膜の変形によって前記圧電体層が発生する電圧を取り出すセンサを構成している、請求項2に記載のシリコン装置である。
In addition to ink nozzles, microphones (particularly silicon microphones manufactured by MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) technology) are examples of actuators.
According to a fifth aspect of the present invention, the lower electrode, the piezoelectric layer, and the upper electrode constitute a sensor that extracts a voltage generated by the piezoelectric layer due to deformation of the vibration film. This is a silicon device.

この構成によれば、振動膜が変形(振動)することによって圧電体層に歪みが生じると、圧電効果によって、上部電極と下部電極との間に電圧が発生する。この電圧を取り出すようにして、センサが構成されている。拡散防止膜による金属原子拡散防止効果によって、圧電体層の特性悪化を回避でき、かつ振動膜の特性悪化を回避できる。
センサの例は、圧力センサ、加速度センサ、角速度センサ、超音波センサ、マイクロホンを含む。たとえば、圧力センサは、振動膜の一方側を圧力測定対象空間に臨ませ、振動膜の他方側を基準圧力空間に臨ませ、振動膜の両側の圧力差に応じた振動膜の変形を圧電素子によって検出する構造とすることができる。また、加速度センサは、たとえば、振動膜に錘を形成しておき、加速度による慣性力による振動膜の変形を圧電素子によって検出する構成とすることができる。
According to this configuration, when the piezoelectric film is distorted due to deformation (vibration) of the vibration film, a voltage is generated between the upper electrode and the lower electrode due to the piezoelectric effect. The sensor is configured to extract this voltage. Due to the metal atom diffusion preventing effect of the diffusion preventing film, it is possible to avoid the deterioration of the characteristics of the piezoelectric layer and the deterioration of the characteristics of the vibration film.
Examples of the sensor include a pressure sensor, an acceleration sensor, an angular velocity sensor, an ultrasonic sensor, and a microphone. For example, in a pressure sensor, one side of a vibrating membrane faces a pressure measurement target space, the other side of the vibrating membrane faces a reference pressure space, and deformation of the vibrating membrane according to a pressure difference between both sides of the vibrating membrane It can be set as the structure detected by. The acceleration sensor can be configured, for example, such that a weight is formed on the vibration film, and the deformation of the vibration film due to the inertial force due to the acceleration is detected by a piezoelectric element.

請求項6記載の発明は、前記強誘電体層が鉛を含む、請求項1〜5のいずれか一項に記載のシリコン装置である。
この構成によれば、鉛原子がシリコン層へと拡散することを拡散防止膜で防止できるので、シリコン層の特性(とくに脆性)が悪化したり、シリコン層に形成された素子(トランジスタ素子など)の特性が悪化したりすることを回避できる。
A sixth aspect of the present invention is the silicon device according to any one of the first to fifth aspects, wherein the ferroelectric layer contains lead.
According to this configuration, since the diffusion preventing film can prevent the lead atoms from diffusing into the silicon layer, the characteristics (particularly brittleness) of the silicon layer are deteriorated, or an element (transistor element, etc.) formed in the silicon layer. It is possible to avoid the deterioration of the characteristics.

鉛を含む強誘電体層は、PZTであってもよい。
請求項7記載の発明は、前記拡散防止膜がアルミナ膜である、請求項1〜6のいずれか一項に記載のシリコン装置である。
アルミナは原子が高密度に詰まった結晶構造を有しているので、強誘電体層中の金属原子の移動を制限して、その拡散を防止できる。
The ferroelectric layer containing lead may be PZT.
The invention according to claim 7 is the silicon device according to any one of claims 1 to 6, wherein the diffusion prevention film is an alumina film.
Since alumina has a crystal structure in which atoms are densely packed, the movement of metal atoms in the ferroelectric layer can be restricted to prevent its diffusion.

アルミナの他にも、酸化マグネシウムや炭化シリコンなども、同様に、原子が高密度に詰まった結晶構造を有しているので、拡散防止膜として適用することができる。
強誘電体層としては、前述のような圧電体層の他にも、強誘電体キャパシタ素子の容量膜として用いられる強誘電体キャパシタ膜を例示できる。強誘電体キャパシタ膜は、SBT(タンタル酸ビスマスストロンチウムSrBiTa)膜やBST(チタン酸バリウムストロンチウム(Ba,Sr)TiO)膜で構成することができる。
In addition to alumina, magnesium oxide, silicon carbide, and the like can similarly be applied as a diffusion preventing film because they have a crystal structure in which atoms are densely packed.
As the ferroelectric layer, in addition to the piezoelectric layer as described above, a ferroelectric capacitor film used as a capacitor film of a ferroelectric capacitor element can be exemplified. The ferroelectric capacitor film can be composed of an SBT (bismuth strontium tantalate SrBi 2 Ta 2 O 9 ) film or a BST (barium strontium titanate (Ba, Sr) TiO 3 ) film.

図1は、この発明の第1の実施形態に係るインクジェットプリンタヘッドの模式的な断面図である。FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of an ink jet printer head according to a first embodiment of the present invention. 図2は、圧電素子の近傍の構成を拡大して示す部分拡大断面図である。FIG. 2 is a partially enlarged cross-sectional view showing an enlarged configuration in the vicinity of the piezoelectric element. 図3Aは、図1に示すインクジェットプリンタヘッドの製造工程を示す模式的な断面図である。3A is a schematic cross-sectional view showing a manufacturing process of the ink jet printer head shown in FIG. 図3Bは、図3Aに続く工程を示す模式的な断面図である。FIG. 3B is a schematic cross-sectional view showing a step that follows FIG. 3A. 図3Cは、図3Bに続く工程を示す模式的な断面図である。FIG. 3C is a schematic cross-sectional view showing a step that follows FIG. 3B. 図3Dは、図3Cに続く工程を示す模式的な断面図である。FIG. 3D is a schematic cross-sectional view showing a step that follows FIG. 3C. 図3Eは、図3Dに続く工程を示す模式的な断面図である。FIG. 3E is a schematic cross-sectional view showing a step that follows FIG. 3D. 図3Fは、図3Eに続く工程を示す模式的な断面図である。FIG. 3F is a schematic cross-sectional view showing a step that follows FIG. 3E. 図3Gは、図3Fに続く工程を示す模式的な断面図である。FIG. 3G is a schematic cross-sectional view showing a step that follows FIG. 3F. 図3Hは、図3Gに続く工程を示す模式的な断面図である。FIG. 3H is a schematic cross-sectional view showing a step that follows FIG. 3G. 図3Iは、図3Hに続く工程を示す模式的な断面図である。FIG. 3I is a schematic cross-sectional view showing a step that follows FIG. 3H. 図3Jは、図3Iに続く工程を示す模式的な断面図である。FIG. 3J is a schematic cross-sectional view showing a step that follows FIG. 3I. 図3Kは、図3Jに続く工程を示す模式的な断面図である。FIG. 3K is a schematic cross-sectional view showing a step that follows FIG. 3J. 図3Lは、図3Kに続く工程を示す模式的な断面図である。FIG. 3L is a schematic cross-sectional view showing a step that follows FIG. 3K. 図3Mは、図3Lに続く工程を示す模式的な断面図である。FIG. 3M is a schematic cross-sectional view showing a step that follows FIG. 3L. 図3Nは、図3Mに続く工程を示す模式的な断面図である。FIG. 3N is a schematic cross-sectional view showing a step that follows FIG. 3M. 図3Oは、図3Nに続く工程を示す模式的な断面図である。FIG. 3O is a schematic cross-sectional view showing a step that follows FIG. 3N. 図3Pは、図3Oに続く工程を示す模式的な断面図である。FIG. 3P is a schematic cross-sectional view showing a step that follows FIG. 3O. 図3Qは、図3Pに続く工程を示す模式的な断面図である。FIG. 3Q is a schematic cross-sectional view showing a step that follows FIG. 3P. 図3Rは、図3Qに続く工程を示す模式的な断面図である。FIG. 3R is a schematic cross-sectional view showing a step that follows FIG. 3Q. 図3Sは、図3Rに続く工程を示す模式的な断面図である。FIG. 3S is a schematic cross-sectional view showing a step that follows FIG. 3R. 図4は、この発明の第2の実施形態に係る超音波センサの構成を説明するための模式的な断面図である。FIG. 4 is a schematic cross-sectional view for explaining the configuration of an ultrasonic sensor according to the second embodiment of the present invention. 図5は、この発明の第3の実施形態に係る高周波回路装置の構成を説明するための模式的な断面図である。FIG. 5 is a schematic cross-sectional view for explaining the configuration of the high-frequency circuit device according to the third embodiment of the present invention.

以下では、この発明の実施の形態を、添付図面を参照して詳細に説明する。
図1は、この発明の第1の実施形態に係るインクジェットプリンタヘッドの模式的な断面図である。インクジェットプリンタヘッド1は、シリコン基板2、キレビティプレートと、10A,10B,10Cとを備えている。
シリコン基板2には、ノズル形成領域3および回路形成領域4が設定されている。さらに、シリコン基板2には、インク溜まりとしての加圧室62が形成されている。キャビティプレート10Aは、たとえばシリコンプレートからなる。このキャビティプレート10Aは、シリコン基板2の裏面に貼り合わされ、インク通路10a,11aを形成するように構成されている。インク通路10aは、加圧室62に連通し、この加圧室62にインクを供給するインク供給路である。インク通路11aは、インク通路10aとは別の位置で加圧室62に連通しており、インク吐出通路11の一部を形成している。キャビティプレート10B,10Cは、プラスチック板またはステンレス板で構成されていてもよい。キャビティプレート10Bは、キャビティプレート10Aに貼り合わされており、キャビティプレート10Aのインク通路11aと整合するインク通路11bが、厚さ方向に貫通して形成されている。キャビティプレート10Cは、キャビティプレート10Bに貼り合わされており、キャビティプレート10Bのインク通路11bと整合するノズル通路11cが厚さ方向に貫通して形成している。インク通路11a,11bおよびノズル通路11cは、インク吐出通路11を形成している。加圧室62からインク吐出通路11を通って、ノズル通路11cの先端に形成された吐出口11dから、インクが吐出される。インク通路11aおよび11bは、それぞれの入口から出口まで一様な流路断面を有している。ノズル通路11cは、インク通路11bの出口に整合する入口を有し、吐出口11dに向かって流路断面がテーパー状に絞られている。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of an ink jet printer head according to a first embodiment of the present invention. The ink jet printer head 1 includes a silicon substrate 2, a chirality plate, and 10A, 10B, and 10C.
A nozzle formation region 3 and a circuit formation region 4 are set on the silicon substrate 2. Further, a pressure chamber 62 as an ink reservoir is formed on the silicon substrate 2. The cavity plate 10A is made of, for example, a silicon plate. The cavity plate 10A is bonded to the back surface of the silicon substrate 2 so as to form ink passages 10a and 11a. The ink passage 10 a is an ink supply passage that communicates with the pressurizing chamber 62 and supplies ink to the pressurizing chamber 62. The ink passage 11 a communicates with the pressurizing chamber 62 at a position different from the ink passage 10 a and forms a part of the ink discharge passage 11. The cavity plates 10B and 10C may be made of a plastic plate or a stainless plate. The cavity plate 10B is bonded to the cavity plate 10A, and an ink passage 11b aligned with the ink passage 11a of the cavity plate 10A is formed so as to penetrate in the thickness direction. The cavity plate 10C is bonded to the cavity plate 10B, and a nozzle passage 11c aligned with the ink passage 11b of the cavity plate 10B is formed so as to penetrate in the thickness direction. The ink passages 11 a and 11 b and the nozzle passage 11 c form an ink discharge passage 11. Ink is discharged from the pressure chamber 62 through the ink discharge passage 11 and from the discharge port 11d formed at the tip of the nozzle passage 11c. The ink passages 11a and 11b have a uniform flow path cross section from each inlet to the outlet. The nozzle passage 11c has an inlet that is aligned with the outlet of the ink passage 11b, and the cross section of the flow passage is tapered toward the ejection port 11d.

ノズル形成領域3において、シリコン基板2の表面には、振動膜5が形成されている。振動膜5は、シリコン層5Aと、絶縁膜である酸化シリコン(SiO)層5Bとからなる。振動膜5の厚さは、たとえば、0.5μm〜2μmである。より具体的には、シリコン層5Aの厚さがたとえば0.3μm〜1.4μm程度であり、酸化シリコン層5Bの厚さがたとえば0.2μm〜0.6μm程度である。シリコン層5Aは、ノズル形成領域3において、シリコン基板2を裏面側から部分的にエッチングして加圧室62を形成し、その加圧室62の天面部に薄部を残すことによって形成されている。すなわち、シリコン基板2は、加圧室62以外の部分の厚部(厚さ50μm〜60μm)と、加圧室62の天面部である薄部とを有しており、その薄部が振動膜5を構成するシリコン層5Aをなしている。 In the nozzle formation region 3, a vibration film 5 is formed on the surface of the silicon substrate 2. The vibration film 5 includes a silicon layer 5A and a silicon oxide (SiO 2 ) layer 5B which is an insulating film. The thickness of the vibration film 5 is, for example, 0.5 μm to 2 μm. More specifically, the thickness of the silicon layer 5A is, for example, about 0.3 μm to 1.4 μm, and the thickness of the silicon oxide layer 5B is, for example, about 0.2 μm to 0.6 μm. The silicon layer 5 </ b> A is formed by partially etching the silicon substrate 2 from the back surface side in the nozzle formation region 3 to form the pressurizing chamber 62 and leaving a thin portion on the top surface portion of the pressurizing chamber 62. Yes. That is, the silicon substrate 2 has a thick portion (thickness 50 μm to 60 μm) other than the pressurizing chamber 62 and a thin portion that is a top surface portion of the pressurizing chamber 62, and the thin portion is a vibration film. 5 A constituting the silicon layer 5 is formed.

ノズル形成領域3において、振動膜5の表面、すなわち酸化シリコン層5Bの表面には、図2に拡大して示すように、アルミナ(Al)からなる拡散防止膜70が積層されている。拡散防止膜70の膜厚は、たとえば50Å〜1μmである。この拡散防止膜70上には、圧電素子6が配置されている。圧電素子6は、拡散防止膜70上に形成された下部電極7と、下部電極7上に形成された圧電体層8と、圧電体層8上に形成された上部電極9とを備えている。言い換えれば、圧電素子6は、圧電体層8を上部電極9および下部電極7で上下から挟むことにより形成されている。そして、下部電極7と振動膜5(より具体的には酸化シリコン層5B)との間に、拡散防止膜70が介在している。こうして、圧電体層8とシリコン層5Aとの間に、拡散防止膜70が介在された構造が形成されている。 In the nozzle formation region 3, a diffusion prevention film 70 made of alumina (Al 2 O 3 ) is laminated on the surface of the vibration film 5, that is, the surface of the silicon oxide layer 5 B as shown in an enlarged view in FIG. . The film thickness of the diffusion preventing film 70 is, for example, 50 μm to 1 μm. On the diffusion prevention film 70, the piezoelectric element 6 is disposed. The piezoelectric element 6 includes a lower electrode 7 formed on the diffusion preventing film 70, a piezoelectric layer 8 formed on the lower electrode 7, and an upper electrode 9 formed on the piezoelectric layer 8. . In other words, the piezoelectric element 6 is formed by sandwiching the piezoelectric layer 8 between the upper electrode 9 and the lower electrode 7 from above and below. A diffusion prevention film 70 is interposed between the lower electrode 7 and the vibration film 5 (more specifically, the silicon oxide layer 5B). Thus, a structure in which the diffusion preventing film 70 is interposed between the piezoelectric layer 8 and the silicon layer 5A is formed.

下部電極7は、Ti(チタン)層およびPt(プラチナ)層(たとえば100nm〜150nm厚)を振動膜5側から順に積層した2層構造を有している。この他にも、Au(金)膜、Cr(クロム)膜、Ni(ニッケル)膜などの単膜で下部電極を形成することもできる。Ti/Pt積層構造膜で下部電極7を構成する場合、Ti層はPt層を拡散防止膜70に接着させるための接着層として機能し、Ti層と拡散防止膜70との界面には、TiO層が形成される。下部電極7は、圧電体層8に接する本体部7Aと、この本体部7Aから側方に延びた延長部7Bとを有している。 The lower electrode 7 has a two-layer structure in which a Ti (titanium) layer and a Pt (platinum) layer (for example, 100 nm to 150 nm thickness) are sequentially stacked from the vibration film 5 side. In addition, the lower electrode can be formed of a single film such as an Au (gold) film, a Cr (chromium) film, or a Ni (nickel) film. When the lower electrode 7 is composed of a Ti / Pt laminated structure film, the Ti layer functions as an adhesive layer for adhering the Pt layer to the diffusion prevention film 70, and the interface between the Ti layer and the diffusion prevention film 70 has TiO Two layers are formed. The lower electrode 7 has a main body portion 7A in contact with the piezoelectric layer 8 and an extension portion 7B extending laterally from the main body portion 7A.

圧電体層8は、下部電極7の本体部7Aと平面視同形状に形成されている。圧電体層8は、たとえば、PZT(チタン酸ジルコン酸鉛:Pb(Zr,Ti)O)からなる。すなわち、圧電体層8は、金属元素であるPbを含む。拡散防止膜70は、Pb原子の拡散を防ぎ、Pb原子がシリコン層5Aに達することを抑制または防止する。圧電体層8の厚さは、1μm〜5μmが好ましい。振動膜5の全体の厚さは、圧電体層8の厚さと同程度か、圧電体層8の厚さの2/3程度とすることが好ましい。圧電体層8は、KNN(ニオブ酸カリウムナトリウム(K,Na)NbO)層で構成されていてもよい。この場合、金属原子としてのナトリウム原子の拡散が拡散防止膜70によって抑制または防止される。 The piezoelectric layer 8 is formed in the same shape as the main body portion 7A of the lower electrode 7 in plan view. The piezoelectric layer 8 is made of, for example, PZT (lead zirconate titanate: Pb (Zr, Ti) O 3 ). That is, the piezoelectric layer 8 contains Pb which is a metal element. The diffusion preventing film 70 prevents the diffusion of Pb atoms and suppresses or prevents the Pb atoms from reaching the silicon layer 5A. The thickness of the piezoelectric layer 8 is preferably 1 μm to 5 μm. The total thickness of the vibration film 5 is preferably about the same as the thickness of the piezoelectric layer 8 or about 2/3 of the thickness of the piezoelectric layer 8. The piezoelectric layer 8 may be composed of a KNN (potassium sodium niobate (K, Na) NbO 3 ) layer. In this case, the diffusion of sodium atoms as metal atoms is suppressed or prevented by the diffusion preventing film 70.

上部電極9は、圧電体層8と平面視同形状に形成されている。上部電極9は、IrO(酸化イリジウム)層およびIr(イリジウム)層を圧電体層8側から順に積層した2層構造を有している。
ノズル形成領域3において、振動膜5および圧電素子6の表面は、水素バリア膜13により覆われている。水素バリア膜13は、Al(アルミナ)からなる。これにより、圧電体層8の水素還元による特性劣化を防止することができる。水素バリア膜13上には、層間絶縁膜14が積層されている。層間絶縁膜14は、SiOからなる。層間絶縁膜14上には、配線15,16が形成されている。配線15,16は、Al(アルミニウム)を含む金属材料からなる。
The upper electrode 9 is formed in the same shape as the piezoelectric layer 8 in plan view. The upper electrode 9 has a two-layer structure in which an IrO 2 (iridium oxide) layer and an Ir (iridium) layer are sequentially laminated from the piezoelectric layer 8 side.
In the nozzle formation region 3, the surfaces of the vibration film 5 and the piezoelectric element 6 are covered with a hydrogen barrier film 13. The hydrogen barrier film 13 is made of Al 2 O 3 (alumina). Thereby, characteristic deterioration due to hydrogen reduction of the piezoelectric layer 8 can be prevented. An interlayer insulating film 14 is laminated on the hydrogen barrier film 13. Interlayer insulating film 14 is made of SiO 2. On the interlayer insulating film 14, wirings 15 and 16 are formed. The wirings 15 and 16 are made of a metal material containing Al (aluminum).

配線15の一端部は、下部電極7の延長部7Bの先端部の上方に配置されている。配線15の一端部と延長部7Bとの間において、水素バリア膜13および層間絶縁膜14を連続して貫通する貫通孔17が形成されている。配線15の一端部は、貫通孔17内に入り込み、貫通孔17内で延長部7Bと接続されている。
配線16の一端部は、上部電極9の周縁部の上方に配置されている。配線16の一端部と上部電極9との間において、水素バリア膜13および層間絶縁膜14を連続して貫通する貫通孔18が形成されている。配線16の一端部は、貫通孔18内に入り込み、貫通孔18内で上部電極9と接続されている。
One end of the wiring 15 is disposed above the tip of the extension 7 </ b> B of the lower electrode 7. A through hole 17 that continuously penetrates the hydrogen barrier film 13 and the interlayer insulating film 14 is formed between one end of the wiring 15 and the extension 7B. One end of the wiring 15 enters the through hole 17 and is connected to the extension 7 </ b> B in the through hole 17.
One end of the wiring 16 is disposed above the peripheral edge of the upper electrode 9. A through hole 18 is formed between the one end of the wiring 16 and the upper electrode 9 so as to continuously penetrate the hydrogen barrier film 13 and the interlayer insulating film 14. One end of the wiring 16 enters the through hole 18 and is connected to the upper electrode 9 in the through hole 18.

配線15,16の各他端部は、後述する駆動回路72に接続されている。
回路形成領域4には、たとえば、NチャネルMOSFET(Negative-channel Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)21およびPチャネルMOSFET(Positive-channel Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)22を含む集積回路(CMOS集積回路)が形成されている。この集積回路は、圧電素子6を駆動するための駆動回路72を含む。
The other end portions of the wirings 15 and 16 are connected to a drive circuit 72 described later.
In the circuit formation region 4, for example, an integrated circuit (CMOS integrated circuit) including an N-channel MOSFET (Negative-Channel Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) 21 and a P-channel MOSFET (Positive-Channel Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) 22. Is formed. This integrated circuit includes a drive circuit 72 for driving the piezoelectric element 6.

回路形成領域4において、NチャネルMOSFET21が形成されるNMOS領域23と、PチャネルMOSFET22が形成されるPMOS領域24とは、素子分離部25により、それぞれ周囲から絶縁分離されている。素子分離部25は、シリコン基板2の表面から比較的浅く掘り下がった溝(たとえば、深さ0.2μm〜0.5μmのシャロートレンチ)26の内面に形成された熱酸化膜27と、熱酸化膜27の内側を埋め尽くす絶縁体28とを備えている。絶縁体28は、たとえば、SiOからなる。絶縁体28の表面は、シリコン基板2の表面と面一をなしている。 In the circuit formation region 4, the NMOS region 23 in which the N-channel MOSFET 21 is formed and the PMOS region 24 in which the P-channel MOSFET 22 is formed are insulated and isolated from each other by the element isolation unit 25. The element isolation portion 25 includes a thermal oxide film 27 formed on the inner surface of a groove (for example, a shallow trench having a depth of 0.2 μm to 0.5 μm) dug relatively shallowly from the surface of the silicon substrate 2, and thermal oxidation. And an insulator 28 filling the inside of the film 27. The insulator 28 is made of, for example, SiO 2 . The surface of the insulator 28 is flush with the surface of the silicon substrate 2.

NMOS領域23には、P型ウェル31が形成されている。P型ウェル31の深さは、溝26の深さよりも大きい。P型ウェル31の表層部には、チャネル領域32を挟んで、N型のソース領域33およびドレイン領域34が形成されている。ソース領域33およびドレイン領域34のチャネル領域32側の端部は、その深さおよび不純物濃度が小さくされている。すなわち、NチャネルMOSFET21では、LDD(Lightly Doped Drain)構造が適用されている。   A P-type well 31 is formed in the NMOS region 23. The depth of the P-type well 31 is larger than the depth of the groove 26. In the surface layer portion of the P-type well 31, an N-type source region 33 and a drain region 34 are formed with a channel region 32 interposed therebetween. The depth and impurity concentration of the end portions of the source region 33 and the drain region 34 on the channel region 32 side are reduced. That is, in the N-channel MOSFET 21, an LDD (Lightly Doped Drain) structure is applied.

チャネル領域32上には、ゲート絶縁膜35が形成されている。ゲート絶縁膜35は、SiOからなる。ゲート絶縁膜35上には、ゲート電極36が形成されている。ゲート電極36は、N型ポリシリコンからなる。ゲート絶縁膜35およびゲート電極36の周囲には、サイドウォール37が形成されている。サイドウォール37は、SiNからなる。
ソース領域33、ドレイン領域34およびゲート電極36の表面には、それぞれシリサイド38,39,40が形成されている。
A gate insulating film 35 is formed on the channel region 32. The gate insulating film 35 is made of SiO 2. A gate electrode 36 is formed on the gate insulating film 35. The gate electrode 36 is made of N-type polysilicon. Sidewalls 37 are formed around the gate insulating film 35 and the gate electrode 36. The sidewall 37 is made of SiN.
Silicides 38, 39, and 40 are formed on the surfaces of the source region 33, the drain region 34, and the gate electrode 36, respectively.

PMOS領域24には、N型ウェル41が形成されている。N型ウェル41の深さは、溝26の深さよりも大きい。N型ウェル41の表層部には、チャネル領域42を挟んで、P型のソース領域43およびドレイン領域44が形成されている。ソース領域43およびドレイン領域44のチャネル領域42側の端部は、その深さおよび不純物濃度が小さくされている。すなわち、PチャネルMOSFET22では、LDD構造が適用されている。   An N-type well 41 is formed in the PMOS region 24. The depth of the N-type well 41 is larger than the depth of the groove 26. In the surface layer portion of the N-type well 41, a P-type source region 43 and a drain region 44 are formed with a channel region 42 interposed therebetween. The depth and impurity concentration of the end portions of the source region 43 and the drain region 44 on the channel region 42 side are reduced. That is, the LD channel structure is applied to the P-channel MOSFET 22.

チャネル領域42上には、ゲート絶縁膜45が形成されている。ゲート絶縁膜45は、SiOからなる。ゲート絶縁膜45上には、ゲート電極46が形成されている。ゲート電極46は、P型ポリシリコンからなる。ゲート絶縁膜45およびゲート電極46の周囲には、サイドウォール47が形成されている。サイドウォール47は、SiNからなる。
ソース領域43、ドレイン領域44およびゲート電極46の表面には、それぞれシリサイド48,49,50が形成されている。
A gate insulating film 45 is formed on the channel region 42. The gate insulating film 45 is made of SiO 2. A gate electrode 46 is formed on the gate insulating film 45. The gate electrode 46 is made of P-type polysilicon. A sidewall 47 is formed around the gate insulating film 45 and the gate electrode 46. The side wall 47 is made of SiN.
Silicides 48, 49, and 50 are formed on the surfaces of the source region 43, the drain region 44, and the gate electrode 46, respectively.

回路形成領域4において、シリコン基板2の表面上には、層間絶縁膜51が形成されている。層間絶縁膜51は、SiOからなる。層間絶縁膜51上には、配線52,53,54が形成されている。配線52,53,54は、Alを含む金属材料からなる。
配線52は、ソース領域33の上方に形成されている。配線52とソース領域33との間において、層間絶縁膜51には、それらを電気的に接続するためのコンタクトプラグ55が貫通して設けられている。コンタクトプラグ55は、W(タングステン)からなる。
配線53は、ドレイン領域34およびドレイン領域44の上方に、それらに跨るように形成されている。配線53とドレイン領域34との間において、層間絶縁膜51には、それらを電気的に接続するためのコンタクトプラグ56が貫通して設けられている。また、配線53とドレイン領域44との間において、層間絶縁膜51には、それらを電気的に接続するためのコンタクトプラグ57が貫通して設けられている。コンタクトプラグ56,57は、Wからなる。配線54は、ソース領域43の上方に形成されている。配線54とソース領域43との間において、層間絶縁膜51には、それらを電気的に接続するためのコンタクトプラグ58が貫通して設けられている。コンタクトプラグ58は、Wからなる。
In the circuit formation region 4, an interlayer insulating film 51 is formed on the surface of the silicon substrate 2. Interlayer insulating film 51 is made of SiO 2. On the interlayer insulating film 51, wirings 52, 53, and 54 are formed. The wirings 52, 53, 54 are made of a metal material containing Al.
The wiring 52 is formed above the source region 33. Between the wiring 52 and the source region 33, the interlayer insulating film 51 is provided with a contact plug 55 for electrically connecting them. The contact plug 55 is made of W (tungsten).
The wiring 53 is formed above the drain region 34 and the drain region 44 so as to straddle them. Between the wiring 53 and the drain region 34, the interlayer insulating film 51 is provided with a contact plug 56 for electrically connecting them. In addition, between the wiring 53 and the drain region 44, a contact plug 57 is provided through the interlayer insulating film 51 to electrically connect them. The contact plugs 56 and 57 are made of W. The wiring 54 is formed above the source region 43. Between the wiring 54 and the source region 43, the interlayer insulating film 51 is provided with a contact plug 58 for electrically connecting them. The contact plug 58 is made of W.

インクジェットプリンタヘッド1の最表面には、表面保護膜61が形成されている。表面保護膜61は、SiNからなる。層間絶縁膜14,51および配線15,16,52,53,54は、表面保護膜61により覆われている。
そして、シリコン基板2には、圧電素子6と対向する位置に、その裏面側に開口する加圧室62が形成されている。加圧室62は、たとえば、シリコン基板2の表面側ほど幅(開口面積)が小さくなる断面略台形形状に形成されている。加圧室62には、図示しないインクタンクからインク通路10aを通って供給されるインクが充填される。前述の振動膜5は、加圧室62の天面部を区画していて、加圧室62に臨んでいる。振動膜5は、シリコン基板2の加圧室62の周囲の部分(厚部)によって支持されており、加圧室62に対向する方向(換言すれば振動膜5の厚さ方向)に振動可能な可撓性を有している。
A surface protective film 61 is formed on the outermost surface of the inkjet printer head 1. The surface protective film 61 is made of SiN. The interlayer insulating films 14 and 51 and the wirings 15, 16, 52, 53 and 54 are covered with a surface protective film 61.
In the silicon substrate 2, a pressurizing chamber 62 that opens to the back side is formed at a position facing the piezoelectric element 6. The pressurizing chamber 62 is formed, for example, in a substantially trapezoidal shape with a smaller width (opening area) toward the surface side of the silicon substrate 2. The pressurizing chamber 62 is filled with ink supplied from an ink tank (not shown) through the ink passage 10a. The vibration film 5 described above partitions the top surface portion of the pressurizing chamber 62 and faces the pressurizing chamber 62. The vibrating membrane 5 is supported by a portion (thick part) around the pressurizing chamber 62 of the silicon substrate 2 and can vibrate in a direction facing the pressurizing chamber 62 (in other words, the thickness direction of the vibrating membrane 5). Flexible.

駆動回路72から圧電素子6に駆動電圧が印加されると、逆圧電効果によって、圧電体層8が変形する。これにより、圧電素子6とともに振動膜5が変形し、それによって、加圧室62内に容積変化がもたらされ、加圧室62内のインクが加圧される。加圧されたインクは、インク吐出通路11を通って、吐出口11dから微小液滴となって吐出される。
このインクジェットプリンタヘッド1においては、シリコン基板2と圧電体層8との間に拡散防止膜70が介在しており、この拡散防止膜70によって、圧電体層8中の金属原子がシリコン基板2中に拡散することが抑制または防止される。これにより、圧電体層8の圧電特性が悪化したり、シリコン層5Aの特性(とくに脆性)が悪化したりすることがなく、さらに、シリコン基板2に作り込まれたMOSFET21,22の特性が悪化したりすることを回避できる。これにより、圧電体層8およびシリコン層5Aを薄くしたり、シリコン基板2内のMOSFET21,22と圧電体層8との距離を短くしたりすることができるから、小型で、かつ良好な特性を有するインクジェットプリンタヘッド1を提供できる。すなわち、圧電素子6は必要な駆動力を発生することができ、シリコン層5Aを含む振動膜5は十分な耐久性を有することができ、MOSFET21,22は良好な素子特性を有することができる。
When a drive voltage is applied from the drive circuit 72 to the piezoelectric element 6, the piezoelectric layer 8 is deformed by the inverse piezoelectric effect. As a result, the vibrating membrane 5 is deformed together with the piezoelectric element 6, thereby causing a volume change in the pressurizing chamber 62 and pressurizing the ink in the pressurizing chamber 62. The pressurized ink passes through the ink discharge passage 11 and is discharged as fine droplets from the discharge port 11d.
In the ink jet printer head 1, a diffusion prevention film 70 is interposed between the silicon substrate 2 and the piezoelectric layer 8, and the diffusion prevention film 70 allows metal atoms in the piezoelectric layer 8 to be in the silicon substrate 2. It is suppressed or prevented from diffusing. Thereby, the piezoelectric characteristics of the piezoelectric layer 8 are not deteriorated, and the characteristics (particularly brittleness) of the silicon layer 5A are not deteriorated, and further, the characteristics of the MOSFETs 21 and 22 built in the silicon substrate 2 are deteriorated. Can be avoided. As a result, the piezoelectric layer 8 and the silicon layer 5A can be thinned, and the distance between the MOSFETs 21 and 22 and the piezoelectric layer 8 in the silicon substrate 2 can be shortened. An inkjet printer head 1 having the above can be provided. That is, the piezoelectric element 6 can generate a necessary driving force, the vibration film 5 including the silicon layer 5A can have sufficient durability, and the MOSFETs 21 and 22 can have good element characteristics.

図3A〜3Sは、図1に示すインクジェットプリンタヘッドの製造工程を順に示す模式的な断面図である。図3A〜3Sでは、導体および圧電体層の部分にのみハッチングが付され、その他の部分に対するハッチングの付与が省略されている。
インクジェットプリンタヘッド1の製造工程は、回路形成領域4に素子を作り込む工程(図3A〜3J)と、ノズル形成領域3にインクジェットノズル構造を作り込む工程(図3K〜3S)とを含む。
3A to 3S are schematic cross-sectional views sequentially showing manufacturing steps of the ink jet printer head shown in FIG. In FIGS. 3A to 3S, only the conductor and the piezoelectric layer are hatched, and the other portions are not hatched.
The manufacturing process of the ink jet printer head 1 includes a process of creating an element in the circuit forming area 4 (FIGS. 3A to 3J) and a process of creating an ink jet nozzle structure in the nozzle forming area 3 (FIGS. 3K to 3S).

まず、図3Aに示すように、熱酸化法またはCVD(Chemical Vapor Deposition:化学的気相成長)法により、シリコン基板2の表面上に、SiOからなる酸化膜81が形成される。つづいて、CVD法により、SiN(窒化シリコン)からなる窒化膜82が形成される。フォトリソグラフィにより、窒化膜82上に、レジストパターン83が形成される。レジストパターン83は、シリコン基板2における溝26が形成されるべき部分のみを露出させ、その他の部分を覆い隠す。 First, as shown in FIG. 3A, an oxide film 81 made of SiO 2 is formed on the surface of the silicon substrate 2 by a thermal oxidation method or a CVD (Chemical Vapor Deposition) method. Subsequently, a nitride film 82 made of SiN (silicon nitride) is formed by CVD. A resist pattern 83 is formed on the nitride film 82 by photolithography. The resist pattern 83 exposes only the portion of the silicon substrate 2 where the groove 26 is to be formed and covers the other portions.

次に、図3Bに示すように、レジストパターン83をマスクとするエッチングにより、窒化膜82、酸化膜81およびシリコン基板2の表層部が順に選択的に除去される。その結果、シリコン基板2の表層部に、溝26が形成される。溝26の形成後、レジストパターン83は除去される。
その後、図3Cに示すように、熱酸化法により、溝26の内面に、熱酸化膜27が形成される。次いで、CVD法により、熱酸化膜27および窒化膜82上に、絶縁体28の材料が堆積される。そして、CMP(Chemical Mechanical Polishing:化学的機械的研磨)法により、その堆積された材料および窒化膜82が研磨される。この研磨は、酸化膜81の表面が露出するまで続けられる。その結果、熱酸化膜27上に、絶縁体28が得られる。この時点で、絶縁体28は、酸化膜81の表面と面一をなしている。
Next, as shown in FIG. 3B, the nitride film 82, the oxide film 81, and the surface layer portion of the silicon substrate 2 are selectively removed in order by etching using the resist pattern 83 as a mask. As a result, a groove 26 is formed in the surface layer portion of the silicon substrate 2. After the formation of the groove 26, the resist pattern 83 is removed.
Thereafter, as shown in FIG. 3C, a thermal oxide film 27 is formed on the inner surface of the groove 26 by a thermal oxidation method. Next, the material of the insulator 28 is deposited on the thermal oxide film 27 and the nitride film 82 by the CVD method. Then, the deposited material and the nitride film 82 are polished by a CMP (Chemical Mechanical Polishing) method. This polishing is continued until the surface of the oxide film 81 is exposed. As a result, an insulator 28 is obtained on the thermal oxide film 27. At this point, the insulator 28 is flush with the surface of the oxide film 81.

その後、フォトリソグラフィにより、絶縁体28および酸化膜81上に、レジストパターン84が形成される。レジストパターン84は、絶縁体28および酸化膜81上におけるPMOS領域24以外の全域に形成される。そして、イオン注入法により、レジストパターン84をマスクとして、PMOS領域24に、N型不純物(たとえば、P(リン))が注入される。その結果、図3Dに示すように、PMOS領域24に、N型ウェル41が形成される。N型不純物の注入後、レジストパターン84は除去される。   Thereafter, a resist pattern 84 is formed on the insulator 28 and the oxide film 81 by photolithography. The resist pattern 84 is formed over the entire region other than the PMOS region 24 on the insulator 28 and the oxide film 81. Then, an N-type impurity (for example, P (phosphorus)) is implanted into the PMOS region 24 by ion implantation using the resist pattern 84 as a mask. As a result, an N-type well 41 is formed in the PMOS region 24 as shown in FIG. 3D. After the implantation of the N-type impurity, the resist pattern 84 is removed.

次いで、フォトリソグラフィにより、絶縁体28および酸化膜81上に、レジストパターン85が形成される。レジストパターン85は、絶縁体28および酸化膜81上におけるNMOS領域23以外の全域に形成される。そして、イオン注入法により、レジストパターン85をマスクとして、NMOS領域23に、P型不純物(たとえば、B(ボロン))が注入される。その結果、図3Eに示すように、NMOS領域23に、P型ウェル31が形成される。P型不純物の注入後、レジストパターン85は除去される。   Next, a resist pattern 85 is formed on the insulator 28 and the oxide film 81 by photolithography. The resist pattern 85 is formed over the entire region other than the NMOS region 23 on the insulator 28 and the oxide film 81. Then, by ion implantation, a P-type impurity (for example, B (boron)) is implanted into the NMOS region 23 using the resist pattern 85 as a mask. As a result, a P-type well 31 is formed in the NMOS region 23 as shown in FIG. 3E. After the implantation of the P-type impurity, the resist pattern 85 is removed.

その後、ウエットエッチングにより、酸化膜81が除去される。このとき、絶縁体28の上端部もエッチングされ、絶縁体28は、シリコン基板2の表面とほぼ面一になる。この後、熱酸化法またはCVD法により、シリコン基板2の表面全域に、酸化シリコン膜86が形成される。
つづいて、図3Fに示すように、CVD法により、酸化シリコン膜86上に、ポリシリコン層87が形成される。
Thereafter, the oxide film 81 is removed by wet etching. At this time, the upper end portion of the insulator 28 is also etched, and the insulator 28 becomes substantially flush with the surface of the silicon substrate 2. Thereafter, a silicon oxide film 86 is formed over the entire surface of the silicon substrate 2 by thermal oxidation or CVD.
Subsequently, as shown in FIG. 3F, a polysilicon layer 87 is formed on the silicon oxide film 86 by the CVD method.

その後、図3Gに示すように、フォトリソグラフィにより、ポリシリコン層87上に、レジストパターン88が形成される。レジストパターン88は、ポリシリコン層87におけるゲート電極36,46となるべき部分のみを覆い隠す。
そして、レジストパターン88をマスクとするエッチングにより、ポリシリコン層87がパターニングされる。これにより、図3Hに示すように、ゲート電極36,46が形成される。ポリシリコン層87のパターニング後、レジストパターン88は除去される。その後、イオン注入法により、P型ウェル31の表層部およびゲート電極36に、N型不純物が注入される。また、イオン注入法により、N型ウェル41の表層部およびゲート電極46に、P型不純物が注入される。
Thereafter, as shown in FIG. 3G, a resist pattern 88 is formed on the polysilicon layer 87 by photolithography. Resist pattern 88 covers only the portions of polysilicon layer 87 that are to become gate electrodes 36 and 46.
Then, the polysilicon layer 87 is patterned by etching using the resist pattern 88 as a mask. As a result, gate electrodes 36 and 46 are formed as shown in FIG. 3H. After the patterning of the polysilicon layer 87, the resist pattern 88 is removed. Thereafter, N-type impurities are implanted into the surface layer portion of the P-type well 31 and the gate electrode 36 by ion implantation. Also, P-type impurities are implanted into the surface layer portion of the N-type well 41 and the gate electrode 46 by ion implantation.

次いで、図3Iに示すように、ゲート電極36,46をマスクとするエッチングにより、酸化シリコン膜86が選択的に除去され、シリコン基板2上に、ゲート絶縁膜35,45が得られる。その後、CVD法により、シリコン基板2上の全域にSiNが堆積される。そして、そのSiNの堆積層がエッチバックされることにより、サイドウォール37,47が形成される。   Next, as shown in FIG. 3I, the silicon oxide film 86 is selectively removed by etching using the gate electrodes 36 and 46 as masks, and the gate insulating films 35 and 45 are obtained on the silicon substrate 2. Thereafter, SiN is deposited on the entire area of the silicon substrate 2 by the CVD method. Then, the sidewalls 37 and 47 are formed by etching back the deposited layer of SiN.

サイドウォール37,47の形成後、図3Jに示すように、イオン注入法により、P型ウェル31の表層部に、N型不純物が先に注入されたN型不純物よりも深い位置まで注入され、ソース領域33およびドレイン領域34が形成される。また、イオン注入法により、N型ウェル41の表層部に、P型不純物が先に注入されたP型不純物よりも深い位置まで注入され、ソース領域43およびドレイン領域44が形成される。その後、シリサイド38,39,40,48,49,50が形成される。こうして、NMOS領域23にNチャネルMOSFET21が形成され、PMOS領域24にPチャネルMOSFETが形成される。   After the formation of the sidewalls 37 and 47, as shown in FIG. 3J, the surface layer of the P-type well 31 is implanted to a position deeper than the N-type impurity into which the N-type impurity has been previously implanted by ion implantation. A source region 33 and a drain region 34 are formed. Further, by ion implantation, a source region 43 and a drain region 44 are formed in the surface layer portion of the N-type well 41 up to a position deeper than the P-type impurity into which the P-type impurity has been previously implanted. Thereafter, silicides 38, 39, 40, 48, 49, 50 are formed. Thus, the N channel MOSFET 21 is formed in the NMOS region 23 and the P channel MOSFET is formed in the PMOS region 24.

次に、図3Kに示すように、CVD法により、酸化シリコン膜が形成され、ノズル形成領域3における酸化シリコン層5Bおよび回路形成領域4における層間絶縁膜51となる。さらに、それらの上に、たとえばスパッタ法によって、アルミナ膜からなる拡散防止膜70が形成される。
その後、図3Lに示すように、スパッタ法により、拡散防止膜70上の全域に、下部電極7と同じ積層構造の膜89が形成される。また、スパッタ法またはゾルゲル法により、膜89の全域上に、圧電体層8と同じ材料の膜90(たとえばPZT膜)が形成される。さらに、スパッタ法により、膜90の全域上に、上部電極9と同じ積層構造の膜91が形成される。ゾルゲル法による圧電体層8の材料膜90の形成では、基板を700℃〜800℃に加熱した状態で50nm〜100nmの厚さの材料素膜を形成する工程を繰り返し行って、必要膜厚まで材料素膜が積層される。一方、スパッタ法による圧電体層8の材料膜90の形成では、基板を300℃〜400℃に加熱した状態で行うスパッタリングによって、基板上に圧電体材料が堆積させられる。いずれの方法であっても基板が加熱されるので、拡散防止膜70がなければ、圧電体材料中の金属原子がシリコン基板2にまで拡散し、振動膜5を形成しているシリコン層5Aを脆弱化させ、かつ回路形成領域4に形成されている素子21,22の特性を悪化させるおそれがある。
Next, as shown in FIG. 3K, a silicon oxide film is formed by a CVD method to become a silicon oxide layer 5B in the nozzle formation region 3 and an interlayer insulating film 51 in the circuit formation region 4. Further, a diffusion prevention film 70 made of an alumina film is formed thereon by, for example, sputtering.
Thereafter, as shown in FIG. 3L, a film 89 having the same laminated structure as that of the lower electrode 7 is formed on the entire region of the diffusion preventing film 70 by sputtering. Further, a film 90 (for example, a PZT film) made of the same material as that of the piezoelectric layer 8 is formed on the entire area of the film 89 by sputtering or sol-gel method. Further, a film 91 having the same laminated structure as that of the upper electrode 9 is formed over the entire area of the film 90 by sputtering. In the formation of the material film 90 of the piezoelectric layer 8 by the sol-gel method, a process of forming a material base film having a thickness of 50 nm to 100 nm is performed in a state where the substrate is heated to 700 ° C. to 800 ° C. A material base film is laminated. On the other hand, in forming the material film 90 of the piezoelectric layer 8 by sputtering, the piezoelectric material is deposited on the substrate by sputtering performed while the substrate is heated to 300 ° C. to 400 ° C. In any method, since the substrate is heated, if there is no diffusion prevention film 70, the metal atoms in the piezoelectric material diffuse to the silicon substrate 2, and the silicon layer 5 A forming the vibration film 5 is formed. There is a possibility that the characteristics of the elements 21 and 22 formed in the circuit formation region 4 are deteriorated.

次いで、図3Mに示すように、フォトリソグラフィにより、膜91上に、レジストパターン92が膜91における上部電極9となる部分を覆い隠すように形成される。
その後、図3Nに示すように、レジストパターン92をマスクとするエッチングにより、膜91がパターニングされ、上部電極9が形成される。つづいて、エッチングにより、膜90がパターニングされ、圧電体層8が形成される。圧電体層8の形成後、レジストパターン92は除去される。次に、フォトリソグラフィにより、膜89上に、新たなレジストパターン(図示せず)が膜89における下部電極7となる部分を覆い隠すように形成される。そして、新たなレジストパターンをマスクとするエッチングにより、膜89がパターニングされ、下部電極7が形成される。下部電極7の形成後、レジストパターンは除去される。
Next, as shown in FIG. 3M, a resist pattern 92 is formed on the film 91 so as to cover the portion of the film 91 that becomes the upper electrode 9 by photolithography.
Thereafter, as shown in FIG. 3N, the film 91 is patterned by etching using the resist pattern 92 as a mask, and the upper electrode 9 is formed. Subsequently, the film 90 is patterned by etching, and the piezoelectric layer 8 is formed. After the formation of the piezoelectric layer 8, the resist pattern 92 is removed. Next, by photolithography, a new resist pattern (not shown) is formed on the film 89 so as to cover the part of the film 89 that becomes the lower electrode 7. Then, the film 89 is patterned by etching using a new resist pattern as a mask, and the lower electrode 7 is formed. After the formation of the lower electrode 7, the resist pattern is removed.

その後、フォトリソグラフィおよびエッチングによって、回路形成領域4における拡散防止膜70が除去され、この拡散防止膜70はノズル形成領域3に選択的に残される。
その後、フォトリソグラフィおよびエッチングにより、層間絶縁膜51におけるソース領域33,43およびドレイン領域34,44と対向する部分に、層間絶縁膜51を厚さ方向に貫通する貫通孔が形成される。そして、CVD法により、各貫通孔内にWが供給され、各貫通孔がWで埋め尽くされる。これにより、図3Oに示すように、コンタクトプラグ55〜58が形成される。その後、スパッタ法により、シリコン基板2上の全域に、アルミナ膜93が形成される。さらに、CVD法により、アルミナ膜93上の全域に、酸化シリコン膜94が形成される。
Thereafter, the diffusion prevention film 70 in the circuit formation region 4 is removed by photolithography and etching, and this diffusion prevention film 70 is selectively left in the nozzle formation region 3.
Thereafter, through holes that penetrate the interlayer insulating film 51 in the thickness direction are formed in portions of the interlayer insulating film 51 facing the source regions 33 and 43 and the drain regions 34 and 44 by photolithography and etching. Then, W is supplied into each through hole by the CVD method, and each through hole is filled with W. As a result, as shown in FIG. 3O, contact plugs 55 to 58 are formed. Thereafter, an alumina film 93 is formed on the entire area of the silicon substrate 2 by sputtering. Further, a silicon oxide film 94 is formed over the entire area of the alumina film 93 by the CVD method.

次いで、図3Pに示すように、フォトリソグラフィおよびエッチングにより、酸化シリコン膜94およびアルミナ膜93が回路形成領域4上から除去されるとともに、下部電極7の延長部7B上および上部電極9上から選択的に除去される。これにより、アルミナ膜93および酸化シリコン膜94がそれぞれ水素バリア膜13および層間絶縁膜14となり、その水素バリア膜13および層間絶縁膜14を連続的に貫通する貫通孔17,18が形成される。   Next, as shown in FIG. 3P, the silicon oxide film 94 and the alumina film 93 are removed from the circuit forming region 4 by photolithography and etching, and selected from the extension 7B of the lower electrode 7 and the upper electrode 9 Removed. As a result, the alumina film 93 and the silicon oxide film 94 become the hydrogen barrier film 13 and the interlayer insulating film 14, respectively, and through holes 17 and 18 that continuously penetrate the hydrogen barrier film 13 and the interlayer insulating film 14 are formed.

その後、スパッタ法により、層間絶縁膜14,51上に、Al膜が形成される。そして、フォトリソグラフィおよびエッチングにより、Al膜がパターニングされ、図3Qに示すように、配線15,16,52,53,54が形成される。
その後、図3Rに示すように、CVD法により、層間絶縁膜14,51上に、表面保護膜61が形成される。
Thereafter, an Al film is formed on the interlayer insulating films 14 and 51 by sputtering. Then, the Al film is patterned by photolithography and etching, and wirings 15, 16, 52, 53, and 54 are formed as shown in FIG. 3Q.
Thereafter, as shown in FIG. 3R, a surface protective film 61 is formed on the interlayer insulating films 14 and 51 by the CVD method.

表面保護膜61の形成後、フォトリソグラフィにより、シリコン基板2の裏面上に、レジストパターン(図示せず)が形成される。このレジストパターンは、シリコン基板2における加圧室62となる部分を露出させ、その他の部分を覆い隠す。そして、レジストパターンをマスクとするウエットエッチングにより、図3Sに示すように、シリコン基板2に加圧室62が形成される。すなわち、薄いシリコン層5Aを残すように、シリコン基板2が裏面側からエッチングされることにより、加圧室62が形成される。同時に、薄いシリコン層5Aと酸化シリコン層5Bとを積層した振動膜5が、加圧室62の天井部に形成される。   After the surface protective film 61 is formed, a resist pattern (not shown) is formed on the back surface of the silicon substrate 2 by photolithography. This resist pattern exposes a portion to be the pressurizing chamber 62 in the silicon substrate 2 and covers other portions. Then, as shown in FIG. 3S, a pressurizing chamber 62 is formed in the silicon substrate 2 by wet etching using the resist pattern as a mask. That is, the pressure chamber 62 is formed by etching the silicon substrate 2 from the back side so as to leave the thin silicon layer 5A. At the same time, the vibration film 5 in which the thin silicon layer 5 </ b> A and the silicon oxide layer 5 </ b> B are stacked is formed on the ceiling portion of the pressurizing chamber 62.

その後は、図1に示すように、予めインク通路10a,11aが形成されたキャビティプレート10Aがシリコン基板2の裏面に貼り付けられる。さらに、そのキャビティプレート10Aの裏面に、予めインク通路11bが形成されたキャビティプレート10Bが貼り付けられ、そのキャビティプレート10Bの裏面に、予めノズル通路11cが形成されたキャビティプレート10Cが貼り付けられる。こうして、インクジェットプリンタヘッド1が得られる。   Thereafter, as shown in FIG. 1, a cavity plate 10 </ b> A in which ink passages 10 a and 11 a are formed in advance is attached to the back surface of the silicon substrate 2. Further, a cavity plate 10B in which an ink passage 11b is formed in advance is attached to the back surface of the cavity plate 10A, and a cavity plate 10C in which a nozzle passage 11c is formed in advance is attached to the back surface of the cavity plate 10B. Thus, the ink jet printer head 1 is obtained.

このようにして、シリコン基板2を利用して、NチャネルMOSFET21およびPチャネルMOSFET22などの半導体素子を形成することができる。また、シリコン基板2上に層間絶縁膜51を挟んで配線52,53,54が形成され、この配線52,53,54がコンタクトプラグ55〜58を介してNチャネルMOSFET21およびPチャネルMOSFET22に接続されることにより、インクジェットプリンタヘッド1は、駆動回路72等の回路と同じチップ内に形成できる。すなわち、圧電素子6に電圧を印加する駆動回路72を、振動膜5が設けられたシリコン基板2に形成しているので、インクジェットプリンタヘッド1の本体部分と、その駆動回路72とを1チップで構成すること(1チップ化)が可能となる。   In this manner, semiconductor elements such as the N-channel MOSFET 21 and the P-channel MOSFET 22 can be formed using the silicon substrate 2. Further, wirings 52, 53, 54 are formed on the silicon substrate 2 with an interlayer insulating film 51 interposed therebetween, and these wirings 52, 53, 54 are connected to the N-channel MOSFET 21 and the P-channel MOSFET 22 through contact plugs 55-58. Thus, the ink jet printer head 1 can be formed in the same chip as the circuit such as the drive circuit 72. That is, since the drive circuit 72 for applying a voltage to the piezoelectric element 6 is formed on the silicon substrate 2 provided with the vibration film 5, the main body portion of the ink jet printer head 1 and the drive circuit 72 are formed in one chip. Configuration (single chip) is possible.

一方、拡散防止膜70が、圧電体層8中の金属原子(PZTの場合は鉛原子)がシリコン基板2へと拡散することを防止する。これにより、圧電体層8は良好な特性を有することができ、振動膜5を構成するシリコン層5Aへの金属原子の拡散を防止して、その脆性が悪化することを回避できる。そればかりでなく、シリコン基板2の回路形成領域4への金属原子の拡散が防止されることにより、回路形成領域4に形成された素子21,22の特性が悪化することを回避できる。したがって、インクジェットプリンタヘッド1の本体部分と駆動回路72等とを1チップ化でき、かつ駆動回路72等を構成する素子は良好な特性を有することができる。   On the other hand, the diffusion preventing film 70 prevents the metal atoms (lead atoms in the case of PZT) in the piezoelectric layer 8 from diffusing into the silicon substrate 2. As a result, the piezoelectric layer 8 can have good characteristics, and the diffusion of metal atoms to the silicon layer 5A constituting the vibration film 5 can be prevented, and deterioration of the brittleness can be avoided. In addition, since the diffusion of metal atoms to the circuit formation region 4 of the silicon substrate 2 is prevented, it is possible to avoid deterioration of the characteristics of the elements 21 and 22 formed in the circuit formation region 4. Therefore, the main body portion of the ink jet printer head 1 and the drive circuit 72 can be integrated into one chip, and the elements constituting the drive circuit 72 can have good characteristics.

図4は、この発明の第2の実施形態に係る超音波センサの構成を説明するための模式的な断面図である。超音波センサ180は、SOI(Silicon on Insulator)基板181と、SOI基板181上に形成された絶縁膜である酸化シリコン層182と、酸化シリコン層182上に形成された拡散防止膜183と、拡散防止膜183上に形成された圧電素子184とを含む。   FIG. 4 is a schematic cross-sectional view for explaining the configuration of an ultrasonic sensor according to the second embodiment of the present invention. The ultrasonic sensor 180 includes an SOI (Silicon on Insulator) substrate 181, a silicon oxide layer 182 that is an insulating film formed on the SOI substrate 181, a diffusion prevention film 183 formed on the silicon oxide layer 182, a diffusion And a piezoelectric element 184 formed on the prevention film 183.

SOI基板181は、下地シリコン基板185と、下地シリコン基板185の表面に形成された埋め込み酸化膜186と、埋め込み酸化膜186上に形成されたシリコン層187とを含む。下地シリコン基板185は、その裏面側(シリコン層187とは反対側)から掘り込まれており、これによって、断面視略台形状のキャビティ191が形成されている。埋め込み酸化膜186において、キャビティ191に臨む部分も除去されていて、キャビティ191の天面は、シリコン層187によって区画されている。これにより、キャビティ191の天面部には、シリコン層187と酸化シリコン層182とを積層した振動膜192が形成されている。振動膜192は、キャビティ191の周囲の厚いSOI基板181によって支持されている。すなわち、シリコン層187および酸化シリコン層182は、キャビティ191の天面部の全域を覆い、さらにその周囲に延びて形成されている。   The SOI substrate 181 includes a base silicon substrate 185, a buried oxide film 186 formed on the surface of the base silicon substrate 185, and a silicon layer 187 formed on the buried oxide film 186. The base silicon substrate 185 is dug from the back side (the side opposite to the silicon layer 187), thereby forming a substantially trapezoidal cavity 191 in cross section. The portion of the buried oxide film 186 that faces the cavity 191 is also removed, and the top surface of the cavity 191 is partitioned by the silicon layer 187. Thus, a vibration film 192 in which the silicon layer 187 and the silicon oxide layer 182 are stacked is formed on the top surface portion of the cavity 191. The vibration film 192 is supported by a thick SOI substrate 181 around the cavity 191. That is, the silicon layer 187 and the silicon oxide layer 182 cover the entire top surface portion of the cavity 191 and further extend around the periphery.

圧電素子184は、拡散防止膜183に接する下部電極188と、下部電極188上に積層された圧電体層189と、圧電体層188上に積層された上部電極190とを含む。すなわち、下部電極188および上部電極190の間に圧電体層188が挟まれた状態で、それらが拡散防止膜183上に積層されている。
下部電極188は、たとえば、拡散防止膜183に接するPt層と、このPt層上に積層されたTi層とを積層した積層構造膜からなる。圧電体層189は、たとえば、PZTまたはKNNからなる。上部電極190は、たとえば、Pt層からなる。
The piezoelectric element 184 includes a lower electrode 188 in contact with the diffusion prevention film 183, a piezoelectric layer 189 stacked on the lower electrode 188, and an upper electrode 190 stacked on the piezoelectric layer 188. That is, in a state where the piezoelectric layer 188 is sandwiched between the lower electrode 188 and the upper electrode 190, they are stacked on the diffusion prevention film 183.
The lower electrode 188 is made of, for example, a laminated structure film in which a Pt layer in contact with the diffusion prevention film 183 and a Ti layer laminated on the Pt layer are laminated. The piezoelectric layer 189 is made of, for example, PZT or KNN. The upper electrode 190 is made of, for example, a Pt layer.

下部電極188は、キャビティ191の天面部の全域を覆い、さらに、その周囲にまで延びて形成されている。圧電体層189も同様に、キャビティ191の天面部の全域を覆い、さらにその周囲にまで延びて形成されている。圧電体層189において、キャビティ191よりも外側の領域には、下部電極188を露出させる開口が形成されている。この開口から露出した下部電極188の表面は、外部接続のためのパッド188aとなる。上部電極190は、この実施形態では、キャビティ191の天面部の中央領域の上方に形成されている。   The lower electrode 188 covers the entire top surface of the cavity 191 and further extends to the periphery thereof. Similarly, the piezoelectric layer 189 covers the entire top surface of the cavity 191 and further extends to the periphery thereof. In the piezoelectric layer 189, an opening that exposes the lower electrode 188 is formed in a region outside the cavity 191. The surface of the lower electrode 188 exposed from the opening serves as a pad 188a for external connection. In this embodiment, the upper electrode 190 is formed above the central region of the top surface portion of the cavity 191.

この構成により、超音波によって振動膜192が振動すると、それに応じて圧電体層189が変形する。この変形に伴う圧電効果によって、下部電極188と上部電極190との間に電圧が生じる。この電圧を取り出して増幅等の適切な処理を施すことによって、超音波に対応した電気信号を得ることができる。
拡散防止膜183は、たとえば、アルミナ膜からなる。この拡散防止膜183は、PZTまたはKNNからなる圧電体層189中の金属原子の拡散を防止する。これにより、振動膜192を構成するシリコン層187中に金属原子が拡散することを回避できるので、圧電体層189の特性が良好に保たれるうえに、振動膜192の脆性が悪化することを防いで、超音波センサの耐久性を向上できる。
With this configuration, when the vibration film 192 is vibrated by ultrasonic waves, the piezoelectric layer 189 is deformed accordingly. Due to the piezoelectric effect accompanying this deformation, a voltage is generated between the lower electrode 188 and the upper electrode 190. An electrical signal corresponding to the ultrasonic wave can be obtained by taking out this voltage and performing an appropriate process such as amplification.
The diffusion prevention film 183 is made of an alumina film, for example. The diffusion prevention film 183 prevents diffusion of metal atoms in the piezoelectric layer 189 made of PZT or KNN. As a result, metal atoms can be prevented from diffusing into the silicon layer 187 constituting the vibration film 192, so that the characteristics of the piezoelectric layer 189 can be maintained well and the brittleness of the vibration film 192 is deteriorated. This can improve the durability of the ultrasonic sensor.

シリコン層187には、超音波センサ180が形成された領域以外に設けた回路形成領域に、トランジスタ素子等の半導体素子を作り込むことができる。この場合、拡散防止膜183の働きにより、回路形成領域のシリコン層187へと金属原子が拡散することを回避できる。それによって、回路形成領域に形成された素子の特性が悪化することを回避できる。回路形成領域には、超音波センサ180の出力を処理する処理回路を形成してもよい。これにより、処理回路を1チップ化した超音波センサを提供できる。   In the silicon layer 187, a semiconductor element such as a transistor element can be formed in a circuit formation region provided in a region other than the region where the ultrasonic sensor 180 is formed. In this case, the diffusion preventing film 183 can prevent the metal atoms from diffusing into the silicon layer 187 in the circuit formation region. Thereby, it is possible to avoid deterioration of the characteristics of the element formed in the circuit formation region. A processing circuit for processing the output of the ultrasonic sensor 180 may be formed in the circuit formation region. Thereby, the ultrasonic sensor which made the processing circuit 1 chip | tip can be provided.

図5は、この発明の第3の実施形態に係るキャパシタ素子を含む高周波回路装置の構成を説明するための模式的な断面図である。この図5において、前述の図1に示された各部に対応する部分には、同一参照符号を付して示す。
高周波回路装置100は、シリコン基板2上に、回路形成領域4と、キャパシタ形成領域103とを有している。回路形成領域4には、NチャネルMOSFET21と、PチャネルMOSFET22とが形成されており、これにより、回路形成領域4は、CMOS集積回路を形成している。たとえば、回路形成領域4は、スイッチング回路111を形成している。キャパシタ形成領域103には、強誘電体キャパシタ素子105が形成されている。強誘電体キャパシタ素子105は、たとえば、フィルタ回路112の構成素子として利用される。
FIG. 5 is a schematic cross-sectional view for explaining the configuration of a high-frequency circuit device including a capacitor element according to the third embodiment of the present invention. In FIG. 5, parts corresponding to the parts shown in FIG. 1 are given the same reference numerals.
The high-frequency circuit device 100 has a circuit formation region 4 and a capacitor formation region 103 on the silicon substrate 2. In the circuit formation region 4, an N-channel MOSFET 21 and a P-channel MOSFET 22 are formed, whereby the circuit formation region 4 forms a CMOS integrated circuit. For example, the circuit formation region 4 forms a switching circuit 111. A ferroelectric capacitor element 105 is formed in the capacitor forming region 103. The ferroelectric capacitor element 105 is used as a constituent element of the filter circuit 112, for example.

キャパシタ形成領域103において、シリコン基板2の表面には、絶縁膜である酸化シリコン層109が形成されている。酸化シリコン層109の厚さは、たとえば、0.2μm〜0.6μm程度である。さらに、キャパシタ形成領域103において、酸化シリコン層109の表面には、アルミナ(Al)からなる拡散防止膜110が積層されている。この拡散防止膜110上に、強誘電体キャパシタ素子105が配置されている。 In the capacitor formation region 103, a silicon oxide layer 109 that is an insulating film is formed on the surface of the silicon substrate 2. The thickness of the silicon oxide layer 109 is, for example, about 0.2 μm to 0.6 μm. Further, in the capacitor formation region 103, a diffusion prevention film 110 made of alumina (Al 2 O 3 ) is laminated on the surface of the silicon oxide layer 109. A ferroelectric capacitor element 105 is disposed on the diffusion prevention film 110.

強誘電体キャパシタ素子105は、拡散防止膜110上に形成された下部電極106と、下部電極106上に形成された強誘電体層107(強誘電体キャパシタ膜)と、強誘電体層107上に形成された上部電極108とを備えている。言い換えれば、強誘電体キャパシタ素子105は、強誘電体層107を上部電極108および下部電極106で上下から挟んだ構造を有している。そして、下部電極106とシリコン基板2(より具体的には酸化シリコン層109)との間に、拡散防止膜110が介在している。こうして、強誘電体キャパシタ素子105とシリコン基板2との間に、拡散防止膜110が介在された構造が形成されている。   The ferroelectric capacitor element 105 includes a lower electrode 106 formed on the diffusion prevention film 110, a ferroelectric layer 107 (ferroelectric capacitor film) formed on the lower electrode 106, and the ferroelectric layer 107. The upper electrode 108 is formed. In other words, the ferroelectric capacitor element 105 has a structure in which the ferroelectric layer 107 is sandwiched between the upper electrode 108 and the lower electrode 106 from above and below. A diffusion prevention film 110 is interposed between the lower electrode 106 and the silicon substrate 2 (more specifically, the silicon oxide layer 109). Thus, a structure in which the diffusion preventing film 110 is interposed between the ferroelectric capacitor element 105 and the silicon substrate 2 is formed.

下部電極106は、たとえば、Ti(チタン)層からなる。
強誘電体層107は、たとえば、SBT(タンタル酸ビスマスストロンチウムSrBiTa)膜、またはBST(チタン酸バリウムストロンチウム(Ba,Sr)TiO)膜からなる。すなわち、強誘電体層107は、金属元素(SBTの場合は、ストロンチウムおよびビスマス。BSTの場合は、バリウムおよびストロンチウム)を含む。拡散防止膜110は、金属原子の拡散を防ぎ、金属原子が強誘電体層107から抜け出ることを防ぎ、かつ金属原子がシリコン基板2内に達することを防止する。
The lower electrode 106 is made of, for example, a Ti (titanium) layer.
The ferroelectric layer 107 is made of, for example, an SBT (bismuth strontium tantalate SrBi 2 Ta 2 O 9 ) film or a BST (barium strontium titanate (Ba, Sr) TiO 3 ) film. That is, the ferroelectric layer 107 contains a metal element (strontium and bismuth in the case of SBT, barium and strontium in the case of BST). The diffusion prevention film 110 prevents diffusion of metal atoms, prevents metal atoms from escaping from the ferroelectric layer 107, and prevents metal atoms from reaching the silicon substrate 2.

上部電極108は、強誘電体層107上に形成されている。上部電極108は、たとえば、Pt(プラチナ)層からなる。
キャパシタ形成領域103において、強誘電体キャパシタ素子105および酸化シリコン層109の表面は、層間絶縁膜114により覆われている。層間絶縁膜114は、SiOからなる。層間絶縁膜114上には、配線115,116が形成されている。配線115,116は、Al(アルミニウム)を含む金属材料からなる。
The upper electrode 108 is formed on the ferroelectric layer 107. The upper electrode 108 is made of, for example, a Pt (platinum) layer.
In the capacitor formation region 103, the surfaces of the ferroelectric capacitor element 105 and the silicon oxide layer 109 are covered with an interlayer insulating film 114. Interlayer insulating film 114 is made of SiO 2. On the interlayer insulating film 114, wirings 115 and 116 are formed. The wirings 115 and 116 are made of a metal material containing Al (aluminum).

配線115の一端部は、下部電極106の延長部113の先端部の上方に配置されている。配線115の一端部と延長部113との間には、層間絶縁膜114を貫通する貫通孔117が形成されている。配線115の一端部は、貫通孔117内に入り込み、貫通孔117内で延長部113と接続されている。
配線116の一端部は、上部電極108の周縁部の上方に配置されている。配線116の一端部と上部電極108との間には、層間絶縁膜114を貫通する貫通孔118が形成されている。配線116の一端部は、貫通孔118内に入り込み、貫通孔118内で上部電極108と接続されている。
One end of the wiring 115 is disposed above the tip of the extension 113 of the lower electrode 106. A through hole 117 that penetrates the interlayer insulating film 114 is formed between one end of the wiring 115 and the extension 113. One end of the wiring 115 enters the through hole 117 and is connected to the extension 113 in the through hole 117.
One end of the wiring 116 is disposed above the peripheral edge of the upper electrode 108. A through hole 118 penetrating the interlayer insulating film 114 is formed between one end of the wiring 116 and the upper electrode 108. One end of the wiring 116 enters the through hole 118 and is connected to the upper electrode 108 in the through hole 118.

図5に表した回路形成領域4の構成は、図1に示した構成と同様であるので、説明を省略する。ただし、回路形成領域4に形成された半導体素子(MOSFET21,22)などは、スイッチング回路を構成しており、その回路構成は、図1に示した駆動回路72とは異なる。
以上のとおり、この実施形態によれば、強誘電体キャパシタ素子105とシリコン基板2との間に拡散防止膜110が介在しており、強誘電体層107中の金属原子のシリコン基板2への拡散が防止される。これにより、強誘電体層107の特性を保持でき、かつシリコン基板2の回路形成領域4に形成された半導体素子21,22の特性が悪化することを回避できる。すなわち、強誘電体キャパシタ素子105と半導体素子21,22とを同一シリコン基板2上に形成して1チップ化しながら、強誘電体キャパシタ素子105および半導体素子21,22は、いずれも優れた素子特性を有することができる。
The configuration of the circuit formation region 4 shown in FIG. 5 is the same as the configuration shown in FIG. However, the semiconductor elements (MOSFETs 21 and 22) and the like formed in the circuit formation region 4 constitute a switching circuit, and the circuit configuration is different from the drive circuit 72 shown in FIG.
As described above, according to this embodiment, the diffusion prevention film 110 is interposed between the ferroelectric capacitor element 105 and the silicon substrate 2, and the metal atoms in the ferroelectric layer 107 are applied to the silicon substrate 2. Diffusion is prevented. Thereby, the characteristics of the ferroelectric layer 107 can be maintained, and the deterioration of the characteristics of the semiconductor elements 21 and 22 formed in the circuit formation region 4 of the silicon substrate 2 can be avoided. That is, while the ferroelectric capacitor element 105 and the semiconductor elements 21 and 22 are formed on the same silicon substrate 2 to form one chip, both the ferroelectric capacitor element 105 and the semiconductor elements 21 and 22 have excellent element characteristics. Can have.

以上、この発明のいくつかの実施形態について説明してきたが、この発明は、さらに他の形態で実施することもできる。たとえば、前述の実施形態では、酸化シリコン層5B,182,109と、圧電素子6,184または強誘電体キャパシタ素子105との間に、拡散防止膜70,183,110を介在させた構造を示したが、酸化シリコン層5B,182,109とシリコン層(シリコン基板2またはシリコン層187)との間に同様な拡散防止膜を介在させた構造とすることもできる。このような構造によっても、強誘電体層(圧電体層8,189、強誘電体層107)中の金属原子がシリコン層へと拡散することを回避できる。   As mentioned above, although several embodiment of this invention has been described, this invention can also be implemented with another form. For example, in the above-described embodiment, a structure in which the diffusion prevention films 70, 183, and 110 are interposed between the silicon oxide layers 5B, 182, and 109 and the piezoelectric elements 6, 184 or the ferroelectric capacitor element 105 is shown. However, a similar diffusion preventing film may be interposed between the silicon oxide layers 5B, 182, and 109 and the silicon layer (silicon substrate 2 or silicon layer 187). Even with such a structure, it is possible to avoid the diffusion of metal atoms in the ferroelectric layer (piezoelectric layers 8, 189, ferroelectric layer 107) into the silicon layer.

さらに、この発明は、インクジェットプリンタヘッド、超音波センサ、強誘電体キャパシタ素子以外にも、シリコン層上に強誘電体層を有する他の装置に対しても適用することができる。このような装置としては、前述の例の他、MEMS技術を用いて作製されるシリコンマイク、マイクロスピーカ、圧力センサ、加速度センサ等に代表されるマイクロ構造装置を例示できる。   Further, the present invention can be applied to other devices having a ferroelectric layer on a silicon layer in addition to an inkjet printer head, an ultrasonic sensor, and a ferroelectric capacitor element. As such a device, in addition to the above-described example, a micro structure device represented by a silicon microphone, a micro speaker, a pressure sensor, an acceleration sensor, and the like manufactured using the MEMS technology can be exemplified.

その他、特許請求の範囲に記載された事項の範囲で種々の設計変更を施すことが可能である。   In addition, various design changes can be made within the scope of matters described in the claims.

1 インクジェットプリンタヘッド
2 シリコン基板
3 ノズル形成領域
4 回路形成領域
5 振動膜
5A シリコン層
5B 酸化シリコン層
6 圧電素子
7 下部電極
8 圧電体層
9 上部電極
21 NチャネルMOSFET(半導体素子)
22 PチャネルMOSFET(半導体素子)
23 NMOS領域
24 PMOS領域
31 P型ウェル
41 N型ウェル
51 層間絶縁膜
61 表面保護膜
62 加圧室
70 拡散防止膜(アルミナ膜)
72 ドライバ(駆動回路)
100 高周波回路装置
103 キャパシタ形成領域
105 強誘電体キャパシタ素子
106 下部電極
107 強誘電体層
108 上部電極
109 酸化シリコン層
110 拡散防止膜
111 スイッチング回路
112 フィルタ回路
114 層間絶縁膜
180 超音波センサ
181 SOI基板
182 酸化シリコン層
183 拡散防止膜
184 圧電素子
185 下地シリコン基板
186 埋め込み酸化膜
187 シリコン層
188 下部電極
189 圧電体層
190 上部電極
191 振動膜
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Inkjet printer head 2 Silicon substrate 3 Nozzle formation area 4 Circuit formation area 5 Vibration film 5A Silicon layer 5B Silicon oxide layer 6 Piezoelectric element 7 Lower electrode 8 Piezoelectric layer 9 Upper electrode 21 N channel MOSFET (semiconductor element)
22 P-channel MOSFET (semiconductor element)
23 NMOS region 24 PMOS region 31 P-type well 41 N-type well 51 Interlayer insulating film 61 Surface protective film 62 Pressurization chamber 70 Diffusion prevention film (alumina film)
72 Driver (Drive circuit)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 100 High frequency circuit apparatus 103 Capacitor formation area 105 Ferroelectric capacitor element 106 Lower electrode 107 Ferroelectric layer 108 Upper electrode 109 Silicon oxide layer 110 Diffusion prevention film 111 Switching circuit 112 Filter circuit 114 Interlayer insulation film 180 Ultrasonic sensor 181 SOI substrate 182 Silicon oxide layer 183 Diffusion prevention film 184 Piezoelectric element 185 Underlying silicon substrate 186 Embedded oxide film 187 Silicon layer 188 Lower electrode 189 Piezoelectric layer 190 Upper electrode 191 Vibration film

Claims (7)

シリコン層と、
前記シリコン層に積層された金属層と、
前記金属層に積層され、金属原子を含む強誘電体層と、
前記シリコン層と前記強誘電体層との間に介在するように積層され、前記強誘電体層中の金属原子の前記シリコン層への拡散を防止する拡散防止膜とを含む、シリコン装置。
A silicon layer;
A metal layer laminated on the silicon layer;
A ferroelectric layer stacked on the metal layer and containing metal atoms;
A silicon device, comprising: a diffusion preventing film that is laminated so as to be interposed between the silicon layer and the ferroelectric layer and prevents diffusion of metal atoms in the ferroelectric layer into the silicon layer.
厚部と薄部とを有するシリコン基板の前記薄部が前記シリコン層を含む振動膜を形成しており、
前記強誘電体層が、圧電体層であって、
下部電極としての前記金属層と上部電極との間に前記圧電体層が積層されて圧電素子が構成されている、請求項1に記載のシリコン装置。
The thin part of the silicon substrate having a thick part and a thin part forms a vibration film including the silicon layer;
The ferroelectric layer is a piezoelectric layer,
The silicon device according to claim 1, wherein the piezoelectric element is configured by laminating the piezoelectric layer between the metal layer as a lower electrode and an upper electrode.
前記下部電極、前記圧電体層および前記上部電極が、前記振動膜を変形させるアクチュエータを構成している、請求項2に記載のシリコン装置。   The silicon device according to claim 2, wherein the lower electrode, the piezoelectric layer, and the upper electrode constitute an actuator that deforms the vibration film. 前記振動膜によって区画されるインク溜まりが形成されており、
前記シリコン装置が、前記振動膜を変形させることによって、前記インク溜まりのインクを加圧して吐出させるインクノズルを構成している、請求項3に記載のシリコン装置。
An ink reservoir partitioned by the vibrating membrane is formed;
The silicon device according to claim 3, wherein the silicon device constitutes an ink nozzle that pressurizes and discharges ink in the ink reservoir by deforming the vibration film.
前記下部電極、前記圧電体層および前記上部電極が、前記振動膜の変形によって前記圧電体層が発生する電圧を取り出すセンサを構成している、請求項2に記載のシリコン装置。   The silicon device according to claim 2, wherein the lower electrode, the piezoelectric layer, and the upper electrode constitute a sensor that extracts a voltage generated by the piezoelectric layer due to deformation of the vibration film. 前記強誘電体層が鉛を含む、請求項1〜5のいずれか一項に記載のシリコン装置   The silicon device according to claim 1, wherein the ferroelectric layer contains lead. 前記拡散防止膜がアルミナ膜である、請求項1〜6のいずれか一項に記載のシリコン装置。   The silicon device according to claim 1, wherein the diffusion prevention film is an alumina film.
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