JP2020049685A - Substrate for liquid discharge head, manufacturing method of the same, liquid discharge head, and liquid discharge device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、液体を吐出するための吐出エネルギー発生素子を備えた液体吐出ヘッド用基板、その製造方法、液体吐出ヘッドおよび液体吐出装置に関する。 The present invention relates to a substrate for a liquid ejection head including an ejection energy generating element for ejecting liquid, a method for manufacturing the same, a liquid ejection head, and a liquid ejection device.
吐出エネルギー発生素子として発熱抵抗素子を用いて液体を吐出する液体吐出ヘッドでは、発熱抵抗素子と、発熱抵抗素子を駆動する駆動回路とが半導体基板上に形成されている。特許文献1では、基板上において発熱抵抗素子を高密度配置しつつ回路駆動の信頼性を確保するために、駆動回路を構成するMOS型トランジスタを、タングステンを用いた金属プラグによって配線層と電気的に接続する技術が開示されている。 2. Description of the Related Art In a liquid ejection head that ejects liquid using a heating resistor as an ejection energy generating element, a heating resistor and a drive circuit that drives the heating resistor are formed on a semiconductor substrate. In Patent Document 1, in order to ensure the reliability of circuit driving while arranging heating resistors at high density on a substrate, a MOS transistor constituting a driving circuit is electrically connected to a wiring layer by a metal plug using tungsten. Is disclosed.
この金属プラグを形成する際には、まず、駆動回路などの下層配線層が形成された半導体基板上に層間絶縁膜が形成され、層間絶縁膜に下層配線層に達するビアホールを形成する。次に、コンタクトメタル、バリアメタルを順次積層してメタル膜を成膜し、その後、ビアホールを埋めるように金属プラグ材料を堆積させる。そして、エッチバック法あるいはCMP(Chemical Mechanical Polish:化学機械研磨)法によって、メタル膜とともにビアホール外の金属プラグ材料を除去する。こうして形成された金属プラグおよび層間絶縁膜上には発熱抵抗素子などの上層配線層が形成され、金属プラグを介して上層配線層と下層配線層とが電気的に接続される。 When forming the metal plug, first, an interlayer insulating film is formed on a semiconductor substrate on which a lower wiring layer such as a drive circuit is formed, and a via hole reaching the lower wiring layer is formed in the interlayer insulating film. Next, a contact metal and a barrier metal are sequentially laminated to form a metal film, and then a metal plug material is deposited so as to fill the via hole. Then, the metal plug material outside the via hole is removed together with the metal film by an etch back method or a CMP (Chemical Mechanical Polish) method. An upper wiring layer such as a heating resistor element is formed on the metal plug and the interlayer insulating film thus formed, and the upper wiring layer and the lower wiring layer are electrically connected via the metal plug.
一般的なエッチバック法やCMP法では、層間絶縁膜と金属プラグ材料とで、エッチングレートや研磨レートが異なる。このため、層間絶縁膜の上面と金属プラグの上面とが同一平面とはならず、金属プラグ部分が凹んだ形状となる。金属プラグおよび層間絶縁膜上に形成される上層配線層は、通常、スパッタリングにより成膜されたメタル膜をパターニングして形成される。 In a general etch-back method or CMP method, an etching rate or a polishing rate differs between an interlayer insulating film and a metal plug material. Therefore, the upper surface of the interlayer insulating film and the upper surface of the metal plug are not flush with each other, and the metal plug portion has a concave shape. The upper wiring layer formed on the metal plug and the interlayer insulating film is usually formed by patterning a metal film formed by sputtering.
従って、上層配線層を形成するためのメタル膜が、金属プラグにおける凹み部分の凹み量に対して十分に厚い膜厚で成膜される場合には、凹み部分にメタル膜が確実に埋め込まれるため、金属プラグと上層配線層との電気的な接続に問題は生じ難い。しかしながら、上層配線層を形成するためのメタル膜が、凹み量と同等あるいはそれ以下の薄膜で形成される場合には、金属プラグと上層配線層との電気的な接続に問題が生じる虞がある。 Therefore, when the metal film for forming the upper wiring layer is formed with a film thickness sufficiently large with respect to the concave amount of the concave portion in the metal plug, the metal film is surely embedded in the concave portion. The problem is hardly caused in the electrical connection between the metal plug and the upper wiring layer. However, when the metal film for forming the upper wiring layer is formed as a thin film having a thickness equal to or less than the recess amount, a problem may occur in the electrical connection between the metal plug and the upper wiring layer. .
即ち、スパッタリングは段差部分の被覆性が低いため、成膜されたメタル膜は、凹みの段差部分において、配線の段切れが生じたり、マイグレーションによる断線が生じ易くなる。このため、金属プラグと上層配線層との接続が不安定になり、下層配線層に対して上層配線層を電気的に安定して接続することができなくなる虞がある。 That is, since the sputtering has low coverage of the step portion, the formed metal film is liable to cause disconnection of the wiring or disconnection due to migration in the recessed step portion. For this reason, the connection between the metal plug and the upper wiring layer becomes unstable, and there is a possibility that the upper wiring layer cannot be electrically stably connected to the lower wiring layer.
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、下層配線層に対して、薄膜の上層配線層を電気的に安定して接続することが可能な技術を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above problems, and has as its object to provide a technique capable of electrically stably connecting an upper wiring layer of a thin film to a lower wiring layer.
上記目的を達成するために、本発明は、基板上に形成された第1配線層と、絶縁膜を介して前記第1配線層の上層に形成された第2配線層と、前記絶縁膜において前記第1配線層に達するよう形成された穴部内に設けられ、前記第1配線層と前記第2配線層とを電気的に接続可能なプラグとを備えた液体吐出ヘッド用基板であって、前記第2配線層は、前記穴部の内部および前記絶縁膜上に形成され、前記プラグは、前記穴部において前記第2配線層上に形成されることを特徴とする。 In order to achieve the above object, the present invention provides a semiconductor device comprising: a first wiring layer formed on a substrate; a second wiring layer formed on the first wiring layer via an insulating film; A liquid ejection head substrate provided in a hole formed so as to reach the first wiring layer and comprising a plug capable of electrically connecting the first wiring layer and the second wiring layer, The second wiring layer is formed inside the hole and on the insulating film, and the plug is formed on the second wiring layer in the hole.
本発明によれば、薄膜の上層配線層を下層配線層に電気的に安定して接続することができるようになる。 According to the present invention, the upper wiring layer of the thin film can be electrically and stably connected to the lower wiring layer.
以下、添付の図面を参照しながら、本発明による液体吐出ヘッド用基板、その製造方法、液体吐出ヘッドおよび液体吐出装置の一例を詳細に説明する。なお、以下の説明では、液体吐出ヘッドから液体を吐出する液体吐出装置として、インクジェット記録装置(以下、「記録装置」と適宜に称する。)を例として説明することとする。 Hereinafter, an example of a substrate for a liquid ejection head, a method for manufacturing the same, a liquid ejection head, and a liquid ejection device according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the following description, an ink jet recording apparatus (hereinafter, appropriately referred to as a “recording apparatus”) will be described as an example of a liquid ejection apparatus that ejects liquid from a liquid ejection head.
図1は、本発明による液体吐出装置である記録装置の概略構成図である。この図1に示す記録装置10は、搬送される記録媒体Mに対して、搬送方向と交差(本実施形態では直交)する方向に走査する記録ヘッドユニット16からインクを吐出して記録する、所謂、シリアルスキャン方式のインクジェット記録装置である。
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a recording apparatus which is a liquid ejection apparatus according to the present invention. The
記録装置10は、記録媒体Mの搬送方向と交差する走査方向に延設されたガイドシャフト12に沿って移動可能に設けられたキャリッジ14と、キャリッジ14に着脱可能に搭載された記録ヘッドユニット16とを有している。また、搬送ローラ(不図示)により搬送方向に搬送される記録媒体Mを支持するプラテン18と、搬送ローラに記録媒体Mを給送する給送部20と、記録された記録媒体Mが排出される排出部22とを有している。さらに、キャリッジ14の移動領域における走査方向の一方の端部側には、記録ヘッドユニット16における吐出口46(後述する)からのインクの吐出性能を良好に維持および回復するための回復ユニット24を有している。なお、記録装置10の全体の動作については、制御部(不図示)により制御される。
The
より詳細には、キャリッジ14は、モータ(不図示)により駆動するベルト(不図示)に連結され、当該ベルトの駆動によってガイドシャフト12に沿って走査方向を往復移動する。従って、記録ヘッドユニット16は、キャリッジ14を介して走査方向に往復移動可能な構成となっている。キャリッジ14には、複数の記録ヘッドユニット16が搭載され、各記録ヘッドユニット16からは、それぞれ異なる種類のインクが吐出される。即ち、記録装置10は、記録媒体Mを搬送方向に搬送する搬送動作と、記録ヘッドユニット16を走査方向に移動させつつインクを吐出する記録動作とを、間欠的に繰り返しながら記録媒体上に所望の記録を行うこととなる。
More specifically, the
回復ユニット24は、例えば、記録ヘッドユニット16においてインクを吐出する吐出口46が形成された吐出口面(後述する記録ヘッド26の一方の面26a)を保護するキャップ(不図示)を備えている。また、回復ユニット24は、例えば、各吐出口46を含む所定の領域を払拭するワイパ(不図示)を備えている。
The
図2(a)は、記録ヘッドユニット16の概略構成図であり、図2(b)は、記録ヘッド26の一部を切断して示す概略構成図である。記録ヘッドユニット16は、記録ヘッド26とインクタンク28とが一体化してなるカートリッジ形態のユニットである。この記録ヘッドユニット16は、吐出口46がプラテン18に対向するようにキャリッジ14に搭載される。
FIG. 2A is a schematic configuration diagram of the
記録ヘッドユニット16は、キャリッジ14に対して装着および取り外し可能に構成されている。記録ヘッドユニット16には、記録ヘッド26に接続され、記録ヘッド26に設けられた素子に電力を供給するための端子を有するTAB(Tape Automated Bonding)用のテープ部材30が貼り付けられている。キャリッジ14に装着された記録ヘッドユニット16では、テープ部材30に設けられた接点32から記録ヘッド26へ電力が供給されることとなる。
The
記録ヘッド26は、記録ヘッド用基板34の一方の面34aに、流路形成部材36が形成されている。流路形成部材36には、内部にインクを貯留することが可能な複数の圧力室38が形成されている。この圧力室38には、外部にインクを吐出するための吐出口46が形成されている。そして、圧力室38は、吐出口46と対向する面が記録ヘッド用基板34により構成され、記録ヘッド用基板34における吐出口46と対向する位置に発熱抵抗素子48が設けられている。
The
記録ヘッド用基板34には、一方の面34aから他方の面34bに貫通するインク供給口40が形成されている。そして、流路形成部材36には、このインク供給口40に連通するように共通液室42が形成されている。共通液室42は、流路形成部材36において、各圧力室38とインク流路44を介して連通されている。なお、こうした流路形成部材36は、例えば、複数の部材から構成されている。
The
インクタンク28から記録ヘッド26にインクが供給される際には、記録ヘッド用基板34におけるインク供給口40を通って、共通液室42にインクが供給される。共通液室42に供給されたインクは、インク流路44を通って各圧力室38に供給される。このとき、共通液室42内のインクは、毛管現象によりインク流路44および圧力室38に供給され、吐出口46にてメニスカスを形成することによりインクの液面が安定して保持される。
When ink is supplied from the
記録ヘッド用基板34は、各圧力室38に対応する位置に発熱抵抗素子48を備えている。吐出口46からインクを吐出する際には、発熱抵抗素子48に通電する。この通電により発熱抵抗素子が発熱して圧力室38内のインクを加熱し、加熱されたインクの膜沸騰による気泡の成長、収縮(キャビテーション現象)によって生じる圧力変化を利用して吐出口46からインクを吐出することとなる。
The
ここで、図3を参照しながら、記録ヘッド用基板34の比較例としての記録ヘッド用基板134について説明する。なお、この記録ヘッド用基板134については、例えば、特許文献1に開示された公知の技術により作製されることとなる。図3(a)〜(g)は、比較例としての記録ヘッド用基板134の金属プラグの形成工程および上層配線層の形成工程を説明する図である。
Here, a recording head substrate 134 as a comparative example of the
比較例としての記録ヘッド用基板134では、下層配線層102が形成された、シリコンなどの基板100上に層間絶縁膜104を成膜する。なお、以下の説明では、成膜などの各種の処理については、公知の技術を用いることができるため、その詳細な説明は適宜に省略することする。成膜された層間絶縁膜104は、その表面104aをCMP法により平坦に研磨される(図3(a)参照)。
In a recording head substrate 134 as a comparative example, an
そして、フォトリソグラフィ技術により感光性レジストをパターニングし、層間絶縁膜104に下層配線層102まで達するビアホール106を形成する(図3(b)参照)。その後、表面104aおよびビアホール106内に、コンタクトメタル、拡散防止膜などのバリアメタルなどのメタル膜108を成膜する(図3(c)参照)。
Then, a photosensitive resist is patterned by a photolithography technique, and a via
次に、金属プラグ材料110をCVD(Chemical vapor deposition)法などにより、ビアホール106内が十分に埋まる膜厚で成膜する(図3(d)参照)。そして、CMP法により、ビアホール106内の金属プラグ材料110を残しながら、バリアメタルなどのメタル膜108とともにメタル膜108上の金属プラグ材料110を、研磨して除去する(図3(e)参照)。なお、金属プラグ材料110の除去方法については、エッチバック法を用いるようにしてもよい。
Next, the
これにより、ビアホール106内に金属プラグ112が形成される。ここで、CMP法およびエッチバック法では、上記したように、層間絶縁膜104と金属プラグ材料110とで研磨レートおよびエッチングレートが異なる。このため、形成された金属プラグ112は、その表面112aが層間絶縁膜104の表面104aよりも凹んで形成することとなる(図3(e)参照)。
As a result, the
その後、層間絶縁膜104の表面104aおよび金属プラグ112の表面112aにバリアメタルや配線層などのメタル膜114を成膜する(図3(f)参照)。そして、メタル膜114をパターニングして上層配線層116を形成する(図3(g)参照)。
After that, a
このように記録ヘッド用基板134では、金属プラグ112の表面112a上に上層配線層116が形成される。これにより、上層配線層116は金属プラグ112を介して下層配線層102に電気接続されることとなる。なお、記録ヘッド用基板134では、金属プラグ112の表面112aは、層間絶縁膜104の表面104aに対して凹んで形成されている。
Thus, in the recording head substrate 134, the
通常、上層配線層116は、金属プラグ112と層間絶縁膜104とにより形成された凹み段差に対して十分に厚膜な金属膜で構成される。しかしながら、詳細は後述するが、上層配線層116として発熱抵抗素子やインクの吐出が正常になされているか否かを判断するための温度検知素子を構成する場合には、凹み段差における凹み量と同等あるいはそれ以下の薄膜で形成することが求められる。本実施形態において、薄膜とは、例えば、10nm〜300nmの膜とする。
Normally,
この場合、段差部分における被覆性が低いスパッタリングによりメタル膜114を薄膜で成膜しているため、金属プラグ112と層間絶縁膜104との間に生じた段差部分では、不均一に成膜されたり、あるいは、膜が形成されない部分が生じたりする虞がある。即ち、段差部分では、メタル膜114から形成される上層配線層116において、配線の段切れが生じたり、あるいは、マイグレーションによる断線が生じ易くなり、電気的な接続を安定して確保することが困難となる。
In this case, since the
また、金属プラグ112が形成されるビアホール106は複数存在する。これら複数のビアホール106において形成される金属プラグ112では、層間絶縁膜104とにより形成された凹み段差の凹み量はばらつきがある。このため、所定条件のスパッタリングよってメタル膜114を薄膜で成膜する際には、適切に成膜されている段差部分と、適切に成膜されていない段差部分とが混在してしまう虞がある。
Further, there are a plurality of via
そこで、本発明による記録ヘッド用基板34では、下層配線層102に対して上層配線層を電気的に安定して接続可能とするために、上層配線層を金属プラグ112の底面112bおよび側面112cで接続するようにした。即ち、ビアホール106において、上層配線層上に金属プラグ112を形成するようにした。換言すると、ビアホール106の内面(層間絶縁膜104および下層配線層102により形成される)と金属プラグ112との間に上層配線層が位置するようにした。
Therefore, in the
具体的には、ビアホール106形成後に成膜するメタル膜を利用して上層配線層を形成することで、被覆率が低下する凹み段差部分を金属プラグ112により被覆するようにした。なお、以下の説明では、金属プラグおよび上層配線層の形成を中心に説明するが、その他の各部材(層)の形成方法については、例えば、特許文献1などの公知の技術を用いることができるため、その説明は適宜に省略することとする。
Specifically, by forming an upper wiring layer using a metal film formed after the formation of the via
ここで、図4を参照しながら、記録ヘッド用基板34の金属プラグ112と上層配線層216との形成について説明する。図4(a)〜(f)は、本発明による記録ヘッド用基板34の金属プラグの形成工程および上層配線層の形成工程を説明する図である。
Here, the formation of the
記録ヘッド用基板34は、ビアホール106を形成する工程までは、記録ヘッド用基板134と同様の処理がなされる。即ち、まず、下層配線層102(第1配線層)が形成された基板100上に層間絶縁膜104(絶縁膜)を成膜し、その表面104aをCMP法により平坦に研磨する(図4(a)参照)。次に、観光性レジストをパターニングし、層間絶縁膜104において下層配線層102に達するビアホール106(穴部)を形成する(図4(b)参照)。
The same processing as that of the recording head substrate 134 is performed on the
その後、表面104aおよびビアホール106内(穴部内)に、バリアメタルと上層配線層とを兼ねるメタル膜214(金属膜)を成膜する(図4(c)参照)。メタル膜214は、ビアホール106内への膜の被覆性が向上するため、ロングスロー方式のスパッタリングにより成膜することが好ましい。ビアホール106内への被覆性をさらに向上させたい場合には、成膜粒子の直進性を確保するために、電極中間としてコリメータを配置するようにしてもよい。
Thereafter, a metal film 214 (metal film) serving as both a barrier metal and an upper wiring layer is formed on the
なお、メタル膜214(上層配線層216)としては、異なる特性を備えた複数の膜を積層して形成するようにしてもよい。積層する膜としては、ビアホール106の底部において下層配線層102との電気的な接続を向上するコンタクトメタル膜を含む。また、層間絶縁膜104との密着性を向上する密着性向上膜を含む。さらに、エレクトロ・ストレスマイグレーション耐性に優れた拡散防止膜を含む。さらにまた、フォトリソグラフィ工程での下地からの反射を防止するための反射防止膜を含む。
Note that the metal film 214 (the upper wiring layer 216) may be formed by stacking a plurality of films having different characteristics. The film to be laminated includes a contact metal film for improving electrical connection with the
メタル膜214(上層配線層216)は、コンタクトメタル膜と、バリアメタル膜の二層から構成されるようにしてもよい。例えば、チタンを用いたコンタクトメタル膜により下層配線層102とのコンタクト抵抗を抑制するとともに、窒化チタンを用いたバリアメタル膜により拡散防止性を向上することができる。
The metal film 214 (upper wiring layer 216) may be composed of two layers: a contact metal film and a barrier metal film. For example, the contact metal film using titanium can suppress the contact resistance with the
次に、金属プラグ材料110をCVD法などにより、ビアホール106内が十分に埋まる膜厚で成膜する(図4(d)参照)。そして、エッチバック法により、ビアホール106内の金属プラグ材料110とともにメタル膜214を残しながら、それ以外の金属プラグ材料110を除去する(図4(e)参照)。これにより、ビアホール106内のメタル膜214上に金属プラグ112が形成されるとともに、層間絶縁膜104の表面104aにメタル膜214が残される。その後、メタル膜214をパターニングすることで、上層配線層216(第2配線層)を形成する(図4(f)参照)。
Next, a
金属プラグ112の形成には、CMP法を用いるようにしてもよいが、記録ヘッド用基板34では、エッチバック法を用いることが好ましい。エッチバック法を用いる際には、上層配線層216(メタル膜214の材料)に対してエッチング選択比を大きく確保できる金属プラグ材料110と上層配線材料との組み合わせ、および、エッチバック時のエッチング条件が重要となる。
Although the CMP method may be used for forming the
このように、記録ヘッド用基板34では、層間絶縁膜104の表面104aとともにビアホール106内に上層配線層216となるメタル膜214を成膜し、その後、ビアホール106内のメタル膜214上に金属プラグ112を形成するようにした。これにより、スパッタリングによるメタル膜214の成膜時に、ビアホール106の側面106a(段差部分)に対するメタル膜214の被覆率が低くても、ビアホール106内のメタル膜214は金属プラグ112により被覆される。このため、メタル膜214から形成される上層配線層216は、金属プラグ112を介して下層配線層102に電気的に安定して接続された状態となる。
As described above, in the
また、記録ヘッド用基板34では、ビアホール106を形成後に成膜するメタル膜214をパターニングして上層配線層216としている。このため、メタル膜114と上層配線層116とを別工程で成膜していた記録ヘッド用基板134と比較して、製造工程数を削減することができる。
In the
次に、上層配線層216として、薄膜に形成されることが求められる温度検知素子および発熱抵抗素子が形成される記録ヘッド用基板34の形成方法について詳細に説明する。なお、温度検知素子とは、発熱抵抗素子によるインクの吐出が正常になされて否かを判断するための温度情報を検知するための素子である。
Next, a method of forming the
(温度検知素子の構成)
まず、上層配線層216として温度検知素子を構成する場合について説明する。温度検知素子については、例えば、特開2007−290361号公報に開示されている。即ち、特開2007−290361号公報では、吐出エネルギー発生素子としてのヒータ(発熱抵抗素子)がシリコン基板上に形成され、ヒータ直下には層間絶縁膜を介して薄膜の温度検知素子を形成するようにした技術が開示されている。また、特開2007−290361号公報に開示された技術では、温度検出回路により各温度検知素子から温度情報を検出し、吐出不良による温度変化と正常にインクを吐出した時の温度変化とを比較し、インクの吐出が正常であるか否かを判断するようにしている。なお、温度検知は、温度変化に応じた温度検知素子の電気抵抗値の変化をモニタすることで行われている。
(Configuration of temperature sensing element)
First, a case where a temperature sensing element is configured as the
こうした温度検知素子は、薄膜で熱容量が小さいことが好ましい。この理由としては、温度検知素子は、発熱抵抗素子の直下に配置されるため、厚膜で熱容量が大きいと、発熱抵抗素子を駆動した際の熱が温度検知素子に吸収されてしまう。これにより、発熱抵抗素子の温度上昇が妨げられ、吐出効率が低下してしまう。また、温度検知素子の熱容量が大きい場合、温度検知素子自体が温度変化し難くなり、センサとしての応答性や感度が低下するため、良好な検知特性が得られなくなる。 It is preferable that such a temperature sensing element is a thin film and has a small heat capacity. The reason for this is that the temperature detecting element is disposed immediately below the heat generating resistance element, so that when the heat resistance is driven by a thick film, heat generated by driving the heat generating resistance element is absorbed by the temperature detecting element. As a result, an increase in the temperature of the heating resistor element is prevented, and the ejection efficiency is reduced. Further, when the heat capacity of the temperature detecting element is large, the temperature of the temperature detecting element itself hardly changes, and the responsiveness and sensitivity of the sensor are reduced, so that good detection characteristics cannot be obtained.
以上の理由から、温度検知素子は、薄膜で熱容量が小さいことが好ましく、吐出効率の低下を招かない範囲で発熱抵抗素子の近傍に配置されることが好ましい。このため、例えば、温度検知用の薄膜抵抗層を用いた温度検知素子に対し、金属プラグを用いて下層に位置する配線層と接続し、上面に平坦化された層間絶縁膜を介して発熱抵抗素子を配置する構成が有効となる。 For the above reasons, it is preferable that the temperature detecting element is a thin film and has a small heat capacity, and it is preferable that the temperature detecting element is disposed near the heating resistor element within a range that does not cause a decrease in ejection efficiency. For this reason, for example, a temperature detection element using a thin film resistance layer for temperature detection is connected to a lower wiring layer using a metal plug, and a heating resistance is connected via an interlayer insulating film planarized on the upper surface. The configuration in which the elements are arranged is effective.
なお、温度検知素子では、一定の電流を流して両端電圧を捉えることで温度検知素子の電気抵抗値をモニタして温度を検知する構成となっている。このため、温度感度を向上させるには、発熱抵抗素子の直下に位置する温度を検知するための領域において、その抵抗が、引き回しの配線部の配線抵抗よりも十分に大きいことが望ましい。このため、当該領域では、線状パターンを複数折り返した構成として、抵抗を稼ぐようにしてもよい。 Note that the temperature detecting element has a configuration in which a constant current is applied to capture the voltage between both ends, thereby monitoring the electric resistance value of the temperature detecting element to detect the temperature. Therefore, in order to improve the temperature sensitivity, it is desirable that the resistance in the region for detecting the temperature located immediately below the heating resistance element is sufficiently larger than the wiring resistance of the wiring part of the wiring. For this reason, in the region, a configuration may be employed in which a plurality of linear patterns are folded to increase the resistance.
また、上記領域では、温度変化に対応して電気抵抗が変化する特性が求められる。こうした特性の度合いは抵抗温度係数(TCR:Temperature Coefficient of Resistance)で示される。TCRの値が大きいほど、温度変化を検知する感度が高いことを示す。一般的に、半導体製造に用いられる金属は、薄膜に成形された状態では、バルク状態のときよりもTCRが小さくなる。 Further, in the above-mentioned region, a characteristic in which the electric resistance changes according to the temperature change is required. The degree of such characteristics is indicated by a Temperature Coefficient of Resistance (TCR). The higher the value of TCR, the higher the sensitivity for detecting a temperature change. Generally, a metal used for semiconductor manufacturing has a smaller TCR in a state of being formed into a thin film than in a bulk state.
本実施形態では、温度検知素子としての上層配線層に用いる金属として、チタンを用いる。チタンは、数百nmオーダーの薄膜においてもTCRが2000ppm/K以上と高い。このため、チタン薄膜は高いセンサ特性を有することとなる。 In this embodiment, titanium is used as the metal used for the upper wiring layer as the temperature sensing element. Titanium has a high TCR of 2000 ppm / K or more even in a thin film of the order of several hundred nm. Therefore, the titanium thin film has high sensor characteristics.
通常、上層配線層と下層配線層とを金属プラグにより接続する場合において、チタン膜は、層間絶縁膜にビアホールを開口後に下層配線層との電気接続性を得るためのコンタクトメタルとして一般的に用いられる材料である。なお、コンタクトメタル上には拡散防止膜として窒化チタン膜が成膜される。 Normally, when an upper wiring layer and a lower wiring layer are connected by a metal plug, a titanium film is generally used as a contact metal for obtaining electrical connectivity with the lower wiring layer after opening a via hole in the interlayer insulating film. Material. Note that a titanium nitride film is formed as a diffusion prevention film on the contact metal.
本実施形態では、温度検知素子としての上層配線層を形成するメタル膜として、チタン膜と窒化チタン膜との積層膜を用いるようにしてもよい。窒化チタン膜は、TCRが低いが、チタン膜に対して比抵抗が高い。このため、上記積層膜に対して電流を印加した場合にはより抵抗が低いチタン膜に電流が流れることとなる。また、上記積層膜を用いた場合には、チタン膜が高いTCRを示すため、温度検知素子としてはより優れたチタン膜の特性が支配的に表れる。 In the present embodiment, a stacked film of a titanium film and a titanium nitride film may be used as a metal film for forming an upper wiring layer as a temperature sensing element. The titanium nitride film has a low TCR, but has a higher specific resistance than the titanium film. Therefore, when a current is applied to the laminated film, the current flows through the titanium film having a lower resistance. Further, when the above-mentioned laminated film is used, the titanium film exhibits a high TCR, so that the characteristics of the titanium film, which is more excellent as a temperature sensing element, are dominantly exhibited.
また、チタン膜と窒化チタン膜との積層膜を用いる場合、チタン膜の高いTCRを温度検知素子として利用するため、窒化チタン膜の膜厚に対してチタン膜の膜厚を厚くすることが好ましい。なお、この場合、抵抗が低くなるため、線状パターンを複数折り返す構成とするなどして抵抗を稼ぐようにしてもよい。 In the case where a stacked film of a titanium film and a titanium nitride film is used, the thickness of the titanium film is preferably larger than the thickness of the titanium nitride film in order to use a high TCR of the titanium film as a temperature detecting element. . In this case, since the resistance is reduced, the resistance may be increased by, for example, folding the linear pattern a plurality of times.
上層配線層を形成するメタル膜の成膜時の条件を最適化することで、同じ膜厚でも高いTCRを示すように成膜することができる。従って、温度検知素子としての上層配線層に用いる金属としては、チタンのほか、タングステン、アルミ、ニッケル、白金などを用いることができる。また、上層配線層は、メタル膜に換えて、タングステン窒化珪素膜、タンタル窒化珪素膜を用いるようにしてもよい。タングステン窒化珪素膜およびタンタル窒化珪素膜は、金属膜とは異なりTCRはマイナスを示し、温度が上昇するほど抵抗が低くなる特性であるが、こうした特性を利用して温度検知素子として用いることができる。 By optimizing the conditions at the time of forming the metal film for forming the upper wiring layer, it is possible to form a film having a high TCR even with the same film thickness. Therefore, as the metal used for the upper wiring layer as the temperature detecting element, in addition to titanium, tungsten, aluminum, nickel, platinum and the like can be used. Further, as the upper wiring layer, a tungsten silicon nitride film or a tantalum silicon nitride film may be used instead of the metal film. Unlike a metal film, a tungsten silicon nitride film and a tantalum silicon nitride film have a negative TCR, and the resistance decreases as the temperature rises. These characteristics can be used as a temperature sensing element. .
(温度検知素子の形成)
次に、記録ヘッド用基板34における温度検知素子の形成方法について説明する。
(Formation of temperature sensing element)
Next, a method of forming the temperature detecting element on the
シリコン基板100上に、公知の半導体製造技術を用いて形成したMOS駆動回路やロジック回路に接続される下層配線層102を形成するメタル膜を成膜する。このメタル膜は、アルミ(Al)に銅(Cu)を1.0at.%添加したアルミ−銅合金を用い、アルゴンガスを用いた2極直流スパッタリング成膜により基板100上に成膜する。
On the
次に、メタル膜をパターニングするためのエッチングマスクをフォトリソグラフィ技術によりメタル膜上に形成した。具体的には、マスクとなるポジ型感光性レジスト材料を基板100(メタル膜)上にスピン塗布してレジスト膜を成膜する。そして、このレジスト膜に対して、配線パターンが描画されたフォトマスクを介してi線露光を行い、アルカリ現像液を用いて現像することでメタル膜上にレジストパターンを形成する。 Next, an etching mask for patterning the metal film was formed on the metal film by a photolithography technique. Specifically, a positive photosensitive resist material serving as a mask is spin-coated on the substrate 100 (metal film) to form a resist film. Then, the resist film is subjected to i-line exposure through a photomask on which a wiring pattern is drawn, and is developed using an alkaline developer to form a resist pattern on the metal film.
その後、メタル膜においてレジストパターンでマスクされていない領域を、ドライエッチングにより除去して所定のパターンの下層配線層102を形成する。具体的には、エッチングガスとして塩素ガスを用い、反応性イオンエッチング(RIE:Reactive Ion Etching)によりメタル膜を異方性エッチングする。その後、酸素ガスを導入してレジストパターンをプラズマアッシングにより除去する。
Thereafter, a region of the metal film which is not masked by the resist pattern is removed by dry etching to form a
続いて、下層配線層102が形成された基板100の一方の面に対して、一酸化二窒素(N2O)とシラン(SiH4)とを原料ガスに用いたプラズマCVD法により、層間絶縁膜104としてシリコン酸化膜を成膜する。このとき、バイアススパッタの要素を重畳させたHDP(High Density Plasma)酸化膜も下層部に併用してシリコン酸化膜からなる層間絶縁膜104を成膜した。これにより、下層配線層102におけるパターン間の微細な隙間にも空隙なくシリコン酸化膜を埋め込むことができるようになる。
Subsequently, an interlayer insulating is performed on one surface of the
次に、シリカ粒子を含むアルカリ溶液をスラリーとして用いた酸化膜CMP法によってシリコン酸化膜(層間絶縁膜104)を研磨して、層間絶縁膜104の表面104aを平坦化する(図4(a)に相当)。続いて、層間絶縁膜104の金属プラグ112を形成する箇所にビアホール106を形成するために、フォトリソグラフィ技術によりビアホール106部分が開口したレジストパターンを形成する。この工程で用いられるフォトリソグラフィ技術は、例えば、上記した下層配線層102を形成する際に用いた技術でもよいし、他の公知の技術を用いてもよい。
Next, the silicon oxide film (interlayer insulating film 104) is polished by an oxide film CMP method using an alkaline solution containing silica particles as a slurry to planarize the
そして、四フッ化炭素(CF4)をエッチングガスとして用いた誘導結合型プラズマ(ICP:Inductively Coupled Plasma)リアクティブイオンエッチングによって層間絶縁膜104にビアホール106を形成した。その後、酸素ガスを導入して、レジストパターンをプラズマアッシングにより除去する(図4(b)に相当)。
Then, via
その後、層間絶縁膜104の表面104aおよびビアホール106内にメタル膜214を形成する。即ち、アルゴンガスを用いたロングスロー方式の直流スパッタリング成膜によって、チタン膜および窒化チタン膜を積層した積層膜を成膜する(図4(c)に相当)。なお、積層膜は、エッチバックプロセスに対して耐性のある窒化チタン膜を、チタン膜上に積層する構成とすることにより、金属プラグ112を形成する際のエッチバック時のダメージに対応している。続いて、原料ガスとして六フッ化タングステン(WF6)を用いて、減圧CVD法により、金属プラグ材料110としてタングステン膜をビアホール106内が十分に埋まる膜厚でブランケット成膜する(図4(d)に相当)。
After that, a
次に、六フッ化硫黄(SF6)をエッチングガスとしてプラズマエッチングによって、ビアホール106内に埋め込まれた金属プラグ材料110(タングステン膜)を残し、それ以外の金属プラグ材料110を除去する。これにより、ビアホール106内に金属プラグ112が形成される(図4(e)に相当)。なお、この処理では、メタル膜214は除去されず、層間絶縁膜104上(絶縁膜上)に残される。
Next, the metal plug material 110 (tungsten film) embedded in the via
その後、フォトリソグラフィ技術を用いてメタル膜214上(金属膜上)にレジストマスクを形成する。そして、ドライエッチングによりレジストマスクが被覆されていない領域のメタル膜214を除去し、プラズマアッシングによりレジストマスクを除去することで上層配線層216を形成する(図4(f)に相当)。なお、フォトリソグラフィ技術としては、例えば、上記した下層配線層102を形成する際に用いた技術でもよいし、他の公知の技術を用いてもよい。
After that, a resist mask is formed on the metal film 214 (on the metal film) by using a photolithography technique. Then, the
(発熱抵抗素子の構成)
次に、上層配線層216として発熱抵抗素子48を構成する場合について説明する。発熱抵抗素子を駆動させるために必要な駆動電流を抑制するためには、発熱抵抗素子の抵抗を大きくすることが望ましい。このため、発熱抵抗素子を薄膜に形成することが好ましく、一般的に、発熱抵抗素子は数十ナノメートル程度で形成される。また、発熱抵抗素子は、繰り返して駆動されるため発熱抵抗素子自体の昇温、降温は急峻であることが望ましい。このため、発熱抵抗素子は、薄膜抵抗体で構成し、熱容量は極力小さく抑えることが好ましい。
(Configuration of heating resistor element)
Next, a case where the
発熱抵抗素子としては、タンタル窒化珪素あるいはタングステン窒化珪素など、高温環境でも安定した抵抗特性を示す材料を用いることができる。これらの材料は発熱抵抗素子として使用されるが、ビアホール開口後に成膜するメタル膜(バリアメタル)としても使用可能な材料である。即ち、上層配線層としての発熱抵抗素子を、タンタル窒化珪素を用いてバリアメタルを兼ねて構成するようにしてもよい。 As the heat generating resistance element, a material such as tantalum silicon nitride or tungsten silicon nitride that exhibits stable resistance characteristics even in a high temperature environment can be used. These materials are used as heat generating resistance elements, but can also be used as a metal film (barrier metal) formed after opening a via hole. That is, the heating resistance element as the upper wiring layer may be configured using tantalum silicon nitride and also serving as a barrier metal.
(発熱抵抗素子の形成)
次に、記録ヘッド用基板34における発熱抵抗素子の形成方法について説明する。
(Formation of heating resistor element)
Next, a method of forming the heating resistance element on the
まず、シリコン基板100上に形成された下層配線層102上に層間絶縁膜104を形成し(図4(a)に相当)、層間絶縁膜104に下層配線層102に達するビアホール106を形成する(図4(b)に相当)。なお、ここまでの処理については、上記した温度検知素子の形成工程と同じであるため、その詳細な説明は省略する。
First, an
次に、層間絶縁膜104の表面104aおよびビアホール106内にメタル膜214を形成する。即ち、アルゴンガスと窒素とを反応ガスとして用いた反応性スパッタリング成膜によって、タンタル窒化珪素膜を成膜する(図4(c)に相当)。続いて、原料ガスとして六フッ化タングステン(WF6)を用いて、減圧CVD法により、金属プラグ材料110としてタングステン膜をビアホール106内が十分に埋まる膜厚でブランケット成膜する(図4(d)に相当)。
Next, a
その後、六フッ化硫黄(SF6)をエッチングガスとしてプラズマエッチングによって、ビアホール106内に埋め込まれた金属プラグ材料110(タングステン膜)を残し、それ以外の金属プラグ材料110を除去する。これにより、ビアホール106内に金属プラグ112が形成される(図4(e)に相当)。なお、この処理では、メタル膜214は除去されず、層間絶縁膜104上に残される。
After that, the metal plug material 110 (tungsten film) embedded in the via
続いて、フォトリソグラフィ技術を用いてメタル膜214上にレジストマスクを形成する。そして、ドライエッチングによりレジストマスクが被覆されていない領域のメタル膜214を除去し、プラズマアッシングによりレジストマスクを除去することで上層配線層216を形成する(図4(f)に相当)。なお、フォトリソグラフィ技術としては、例えば、上記した下層配線層102を形成する際に用いた技術でもよいし、他の公知の技術を用いてもよい。
Subsequently, a resist mask is formed on the
以上において説明したように、記録ヘッド用基板34では、下層配線層102に達するビアホール106が形成された層間絶縁膜104およびビアホール106内に成膜される薄膜のメタル膜214を上層配線層216とした。そして、ビアホール106内のメタル膜214(上層配線層216)の上に金属プラグ112を形成するようにした。
As described above, in the
これにより、段差部分への被覆性が低いスパッタリングによりメタル膜214が薄膜で成膜されても、ビアホール106内のメタル膜214は、金属プラグ112により被覆されている。即ち、適正にメタル膜214が成膜されていない虞のある段差部分は、金属プラグ112により被覆されている。このため、メタル膜214から形成される上層配線層216は、下層配線層102と電気的に安定して接続された状態となる。従って、本発明によれば、薄膜で形成されることが求められる発熱抵抗素子および温度検知素子について、駆動回路などの配線層と電気的に安定して接続することができるようになる。
Thus, even if the
また、バリアメタルなどのメタル膜を上層配線層として利用しているため、メタル膜と上層配線層とを別々に形成する場合と比較して、工程数が減少し、製造コストを抑制することができる。 Also, since a metal film such as a barrier metal is used as the upper wiring layer, the number of steps is reduced and the manufacturing cost is reduced as compared with a case where the metal film and the upper wiring layer are separately formed. it can.
(他の実施形態)
なお、上記実施形態は、以下の(1)乃至(3)に示すように変形してもよい。
(Other embodiments)
The above embodiment may be modified as shown in the following (1) to (3).
(1)上記実施形態では、特に記載しなかったが、記録ヘッド用基板34では温度検知素子および発熱抵抗素子の両方について、上層配線層216上(第2配線層上)に金属プラグ112を形成する構成するようにしてもよい。
(1) Although not specifically described in the above embodiment, the
図5(a)は、記録ヘッド用基板34における吐出口46に対応して設けられた温度検知素子および発熱抵抗素子を示す図である。図5(b)は、図5(a)の温度検知素子を、線状パターンが折り返す構造とした図である。図6は、図5(a)のVI−VI線断面図である。
FIG. 5A is a diagram illustrating a temperature detection element and a heating resistance element provided corresponding to the
まず、上記実施形態に記載した方法により温度検知素子50を形成する。次に、温度検知素子50の上層に、層間絶縁膜を成膜し、CMP法により層間絶縁膜の上面を平坦化する。その後、上記実施形態に記載した方法により発熱抵抗素子48を形成する。そして、シリコン窒化膜などのパッシベーション膜、タンタルなどの耐キャビテーション膜などの保護膜200を形成して記録ヘッド用基板34が作製されることとなる。
First, the
その後、記録ヘッド用基板34上に、フォトリソグラフィ技術を用いて、感光性樹脂により流路形成部材36を形成する。このとき、圧力室38および吐出口46が形成される。さらに、シリコン異方性エッチングなどを用いて、基板の裏面、つまり、記録ヘッド用基板34の他方の面34bからインクを供給するためのインク供給口40を形成することとで記録ヘッド26が作製される。
After that, the flow
(2)上記実施形態では、記録ヘッドユニット16は、インクタンク28が一体化されるようにしたが、これに限定されるものではない。例えば、記録ヘッド26とインクタンク28とを別々に構成するようにしてもよい。これにより、インクタンク28内のインクがなくなったときに、インクタンク28のみを交換することができる。また、例えば、記録ヘッド26とインクタンク28とが離間した位置に配置され、これらの間をチューブなどを介して接続して、インクタンク28から記録ヘッド26に対してインクを供給するようにしてもよい。上記実施形態では、記録装置10は、キャリッジ14を介して記録ヘッドユニット16が走査方向に移動しながら記録するシリアルスキャン方式としたが、これに限定されるものではない。即ち、記録媒体の全幅に対応した範囲に亘って延在する記録ヘッドにより記録するフルライン方式としてもよい。
(2) In the above embodiment, the
(3)上記実施形態では、メタル膜214(上層配線層216)の材料として、チタンおよび窒化チタンを用いるようにしたが、これに限定されるものではない。即ち、タンタルおよび窒化タンタルを用いるようにしてもよい。この場合、メタル膜214は、タンタル膜と窒化タンタル膜との積層膜となる。また、上記実施形態では、メタル膜214を薄膜で成膜するようにしたが、これに限定されるものではない。即ち、メタル膜214を300nmよりも厚い膜で成膜するようにしてもよい。
(3) In the above embodiment, titanium and titanium nitride are used as the material of the metal film 214 (upper wiring layer 216), but the material is not limited to this. That is, tantalum and tantalum nitride may be used. In this case, the
34 記録ヘッド用基板
102 下層配線層
104 層間絶縁膜
106 ビアホール
112 金属プラグ
216 上層配線層
34
Claims (17)
絶縁膜を介して前記第1配線層の上層に形成された第2配線層と、
前記絶縁膜において前記第1配線層に達するよう形成された穴部内に設けられ、前記第1配線層と前記第2配線層とを電気的に接続可能なプラグと
を備えた液体吐出ヘッド用基板であって、
前記第2配線層は、前記穴部の内部および前記絶縁膜上に形成され、
前記プラグは、前記穴部において前記第2配線層上に形成される
ことを特徴とする液体吐出ヘッド用基板。 A first wiring layer formed on the substrate,
A second wiring layer formed on the first wiring layer via an insulating film;
A liquid ejection head substrate, comprising: a plug provided in a hole formed in the insulating film so as to reach the first wiring layer, the plug being capable of electrically connecting the first wiring layer and the second wiring layer. And
The second wiring layer is formed inside the hole and on the insulating film;
The substrate for a liquid ejection head, wherein the plug is formed on the second wiring layer in the hole.
前記第1配線層が形成された基板上に前記絶縁膜を成膜する工程と、
前記絶縁膜に前記第1配線層に達する穴部を形成する工程と、
前記穴部の内部および前記絶縁膜上に金属膜を成膜する工程と、
前記穴部内が埋まるように前記金属膜上にプラグ材料により成膜する工程と、
前記穴部の内部におけるプラグ材料を残しつつ、前記プラグ材料を除去する工程と、
前記金属膜をパターニングして第2配線層を形成する工程と
を有することを特徴とする液体吐出ヘッド用基板の製造方法。 A method for manufacturing a substrate for a liquid ejection head, wherein a first wiring layer and a second wiring layer formed via an insulating film can be electrically connected by a plug,
Forming the insulating film on the substrate on which the first wiring layer is formed;
Forming a hole reaching the first wiring layer in the insulating film;
Forming a metal film inside the hole and on the insulating film;
Forming a film with a plug material on the metal film so as to fill the inside of the hole,
Removing the plug material while leaving the plug material inside the hole;
Forming a second wiring layer by patterning the metal film.
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