JP6929150B2 - 半導体装置、その製造方法、液体吐出ヘッド及び液体吐出装置 - Google Patents

半導体装置、その製造方法、液体吐出ヘッド及び液体吐出装置 Download PDF

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Description

本発明は、半導体装置、その製造方法、液体吐出ヘッド及び液体吐出装置に関する。
液体吐出ヘッドとして代表的なインクジェットヘッドを用いた記録方式の1つに、発熱抵抗素子でインクを加熱することによって発泡させ、この気泡を利用してインクを吐出する方式がある。特許文献1には、半導体基板上に順次積層された材料の少なくともいずれかを平滑化することで、インクジェット用基板の上部保護膜を平滑化でき、ノズル構成部材の密着性を向上させることが記載されている。
特開2002−144571号公報
液体吐出装置に求められる技術の1つとして配線層の多層化がある。特許文献1では、発熱抵抗素子の下にすべての配線層が形成されているので、発熱抵抗素子を覆っている保護層の上面の平滑性を維持しつつ配線層の層数を増やすことが困難であった。本発明は、導電層の配線レイアウトの自由度を向上することを目的とする。
上記課題に鑑みて、液体吐出ヘッドに用いられる半導体装置であって、配線層及び前記配線層の上に形成された絶縁部材を含む多層配線層と、前記絶縁部材の上に且つ接して配されており、前記配線層と電気的に接続されている発熱抵抗素子と、前記絶縁部材の上に且つ接して配されている金属部材と、前記金属部材の上面を覆っており、前記金属部材を通じて前記配線層と電気的に接続されている導電部材と、を備え、前記導電部材の電気抵抗率は、前記金属部材の電気抵抗率及び前記発熱抵抗素子の電気抵抗率よりも低く、前記発熱抵抗素子と前記金属部材とは、互いに離間していることを特徴とする半導体装置が提供される。
上記手段により、導電層の配線レイアウトの自由度が向上する。
第1実施形態の半導体装置の構造例を説明する図。 第1実施形態の半導体装置の製造方法例を説明する図。 第1実施形態の半導体装置の製造方法例を説明する図。 第2実施形態の半導体装置の構造例を説明する図。 第2実施形態の半導体装置の製造方法例を説明する図。 その他の実施形態を説明する図。
添付の図面を参照しつつ本発明の実施形態について以下に説明する。様々な実施形態を通じて同様の要素には同一の参照符号を付し、重複する説明を省略する。また、各実施形態は適宜変更、組み合わせが可能である。以下に説明される半導体装置は、液体吐出ヘッドに基板として搭載され、複写機、ファクシミリ、ワードプロセッサ等の液体吐出装置に用いられる。
<第1実施形態>
図1の模式図を参照して、第1実施形態に係る半導体装置100の構成について説明する。図1(a)は半導体装置100の一部分に着目した断面模式図であり、図1(b)は発熱抵抗素子113及びその周辺に着目した平面模式図である。図1(b)では、耐キャビテーション層118、密着保護層119、ノズル部材120、インク吐出口121について輪郭を示す。
半導体装置100は、図1(a)に示す各構成要素を備える。半導体基板101に、発熱素子の駆動のためのMOSトランジスタを構成するゲート酸化膜103及びゲート電極104、ソース/ドレイン領域105が配されている。また、半導体基板101に、MOSトランジスタなどの素子を分離するための素子分離領域102(例えばLOCOS)が配されている。
半導体基板101の上に層間絶縁層106が配されている。層間絶縁層106の上に配線層107が配されている。ゲート電極104及びソース/ドレイン領域105と配線層107とは、導電プラグ108によって互いに接続されている。例えば、層間絶縁層106は、熱CVD法で成膜されたBPSG膜やプラズマCVD法で成膜されたSiO膜で形成される。配線層107は、Ti/TiNなどのバリアメタルを含むAlCu膜で形成される。導電プラグ108は、Ti/TiNなどのバリアメタルを含むW膜で形成される。
層間絶縁層106及び配線層107の上に層間絶縁層109が配されている。層間絶縁層109の上に配線層110が配されている。配線層107と配線層110とは、導電プラグ111によって互いに接続されている。例えば、層間絶縁層109は、プラズマCVD法で成膜されたSiO膜で形成される。配線層110は、Ti/TiNなどのバリアメタルを含むAlCu膜で形成される。導電プラグ111は、Ti/TiNなどのバリアメタルを含むW膜で形成される。
層間絶縁層109及び配線層110の上に層間絶縁層112が配されている。例えば、層間絶縁層112は、プラズマCVD法で成膜されたSiO膜で形成されている。SiHガスを用いたCVD法で形成されたSiO膜は膜中に含まれる水分が少ないので、インク吐出時の発熱抵抗素子113の酸化が抑制される。その結果、発熱抵抗素子113の抵抗変動を低減できる。
層間絶縁層112の上に、発熱抵抗素子113及び金属部材116が配されている。金属部材116の上に導電部材114が配されている。導電部材114は、金属部材116の上面を覆っており、金属部材116の上面に接している。導電部材114の側面と金属部材116の側面とは同一面を形成している。発熱抵抗素子113と配線層110とは、導電プラグ115aによって互いに接続されている。金属部材116と配線層110とは、導電プラグ115bによって互いに接続されている。
上述のように、半導体基板100は、配線層107、110と、その上に形成された絶縁部材である層間絶縁層109、112とを含む多層配線層を含む。発熱抵抗素子113及び金属部材116は、この多層配線層の上に配されており、多層配線層に含まれる配線層107、110と電気的に接続されている。導電部材114は、金属部材116を通じて、多層配線層に含まれる配線層107、110と電気的に接続されている。
発熱抵抗素子113及び金属部材116はそれぞれ、層間絶縁層112の上に且つ接して配されている。発熱抵抗素子113と金属部材116とは、互いに離間しており、同じ層に含まれる。具体的に、発熱抵抗素子113と金属部材116とは、層間絶縁層112の上面から等しい高さに位置する。発熱抵抗素子113と金属部材116とは、同じ材料、例えばTaSiNやWSiNなどで形成されている。導電部材114は、例えばAlCuで形成されている。したがって、導電部材114の電気抵抗率は、金属部材116の電気抵抗率及び発熱抵抗素子113の電気抵抗率よりも低い。そのため、導電部材114は配線層として機能できるので、配線層を更に多層化することが可能となり、導電層の配線レイアウトの自由度が向上する。
発熱抵抗素子113及び導電部材114の上に、保護層117、耐キャビテーション層118、密着保護層119、ノズル部材120が配されている。保護層117は、発熱抵抗素子113及び導電部材114をインクから保護するための層である。例えば、保護層117は、窒化シリコンで形成される。保護層117は、発熱抵抗素子113の上面及び側面と、導電部材114の上面及び側面と、金属部材116の側面と、層間絶縁層112のうち発熱抵抗素子113及び金属部材116で覆われていない部分とを覆っている。
耐キャビテーション層118は、インク吐出時の気泡が消泡する際に生じるキャビテーションから発熱抵抗素子113及び保護層117を保護するための層である。例えば、耐キャビテーション層118は、TaやIrなどの耐食性の高い遷移金属の単層又は積層膜で形成される。耐キャビテーション層118は、保護層117を介して発熱抵抗素子113を覆っている。
密着保護層119は、耐キャビテーション層118とノズル部材120との密着性を向上させるための層である。例えば、密着保護層119は、SiO膜、SiN膜などで形成されてもよいし、これよりもインク溶解耐性が高いSixCyNz膜で形成されてもよい。密着保護層119は、発熱抵抗素子113の上部に開口を有する。
ノズル部材120は、インク流路を構成する。例えば、ノズル部材120は、ポリエーテルアミド樹脂で形成される。ノズル部材120は、発熱抵抗素子113の上部にインク吐出口121を有する。発熱抵抗素子113は、インク吐出口121と層間絶縁層112との間に位置する。半導体装置100にインクが供給されている状態で、発熱抵抗素子113で発生した熱エネルギーがインクチャンバーに伝わると、インクが発泡し、この気泡によって押し出されたインクがインク吐出口121より吐出される。
続いて、図2及び図3を参照して、半導体装置100の製造方法について説明する。まず、図2(a)に示すように、半導体基板101の上に、複数の層間絶縁層106、109、112と、複数の配線層107、110と、導電プラグ108、111、115a、115bとを有する構造を形成する。以下、この構造を形成する具体的な方法について説明する。
まず、例えばLOCOS法により素子分離領域102を形成し、さらに各半導体領域を形成することなどによって、ゲート酸化膜103及びゲート電極104、ソース/ドレイン領域105を有する半導体基板101を形成する。
続いて、熱CVD法にてBPSG膜を成膜するか、プラズマCVD法にてSiO膜を成膜し、CMP法による平坦化を行うことによって層間絶縁層106を形成される。層間絶縁層106の形成後に、層間絶縁層106にコンタクトホールを開口し、スパッタ法によりバリアメタル膜であるTi/TiN膜を成膜し、CVD法によりW膜を成膜する。その後、CMP法やエッチバック法により、コンタクトホール内のW膜以外を除去することによって、導電プラグ108を形成する。
続いて、スパッタ法によりAlCu膜(Cuが0.5(atm%)添加されたAl膜)を成膜し、フォトリソグラフィ―工程及びドライエッチング工程によって配線層107を形成する。その後、層間絶縁層106、導電プラグ108及び配線層107と同様の手順で、層間絶縁層109、導電プラグ111、配線層110を形成する。
続いて、プラズマCVD法でSiO膜を成膜し、CMP法による平坦化を行うことにより、層間絶縁層112を形成する。層間絶縁層112にコンタクトホールを開口し、スパッタ法によりバリアメタル膜であるTi/TiN膜を成膜し、CVD法によりW膜を成膜する。その後、CMP法により、コンタクトホール内のタングステン以外を除去することによって、導電プラグ115a、115bを形成する。これら配線層形成を繰り返すことにより、さらに配線層を多層化することが可能である。AlCuのスパッタリングによる成膜及びドライエッチング工程により配線層を形成する代わりに、絶縁層に金属膜を埋め込みで形成するダマシン法を用いてCuで配線層を形成してもよい。以上によって、半導体基板101の上に、配線層107、110と、その上に形成された絶縁部材である層間絶縁層109、112とを含む多層配線層が形成される。
続いて、図2(b)に示すように、層間絶縁層112の上に発熱抵抗膜201を形成し、発熱抵抗膜201の上に導電膜202を形成する。例えば、発熱抵抗膜201は、TaSiNやWSiNをスパッタリング法により成膜することで形成される。導電膜202は、AlCuをスパッタリング法により成膜することで形成される。
続いて、図3(a)に示すように、発熱抵抗膜201及び導電膜202によって構成される積層膜をフォトリソグラフィ―工程及びドライエッチング工程によりパターニングすることによって、互いに離間した複数の積層体を形成する。1つの積層体に含まれる発熱抵抗膜201の一部は発熱抵抗素子113となり、別の積層体に含まれる発熱抵抗膜201の一部は金属部材116となる。パターニングされた導電膜202の一部は、導電部材114となる。
続いて、図3(b)に示すように、除去されなかった導電膜202のうち、半導体装置100で使用される部分をフォトレジスト203で覆う。その後、1つの積層体に含まれる導電膜202のうち、発熱抵抗素子113の上にある一部を除去することによって、発熱抵抗素子113を形成する。導電膜202がAlCu膜であるので、発熱抵抗素子113にプラズマダメージを与えないようにするために、この工程においてドライエッチ法ではなくウェットエッチ法を用いてもよい。この方法では、発熱抵抗素子113への物理的な損傷も軽減される。
その後、フォトレジスト203を除去し、保護層117、耐キャビテーション層118、密着保護層119及びノズル部材120を形成することによって、図1の半導体装置100が形成される。例えば、保護層117は、プラズマCVD法によりSiN膜を成膜することによって形成される。耐キャビテーション層118は、スパッタリング法によりTa、Irなどの耐キャビテーション膜材料を成膜した後、この膜をフォトリソグラフィ―工程及びドライエッチ工程によってパターニングすることで形成される。密着保護層119は、プラズマCVD法にてSiO膜、SiN膜、SixCyNz膜などからなる密着保護層材料を成膜した後、耐キャビテーション層118上の一部を開口することによって形成される。ノズル部材120は、ポリエーテルアミド樹脂でインク流路を形成し、インク吐出口121の開口を形成することによって形成される。
<第2実施形態>
図4の模式図を参照して、第2実施形態に係る半導体装置400の構成について説明する。図4は半導体装置400の一部分に着目した断面模式図である。以下では半導体装置100と半導体装置400との相違点について説明する。半導体装置400について説明を省略した構成は半導体装置100と同様であってもよい。
半導体装置400は、金属部材403及び導電部材402を更に備える。金属部材403と配線層110とは導電プラグ115cによって互いに接続されている。金属部材403の材料や構成は金属部材116のそれと同じであってもよい。導電部材402の材料や構成は導電部材114のそれと同じであってもよい。
保護層117及び密着保護層119は、導電部材402の上面の一部を露出するパッド開口部401を有する。すなわち、導電部材402の上面のうち露出した部分は外部接続用のパッドとして機能する。具体的に、このパッドは、半導体装置100の外部から電力の供給を受けるためのパッドであってもよい。
続いて、図5を参照して、半導体装置400の製造方法について説明する。第1実施形態と同様にして、図2(b)の構造を生成する。その後、図5(a)に示すように、発熱抵抗膜201及び導電膜202によって構成される積層膜をフォトリソグラフィ―工程及びドライエッチング工程によりパターニングすることによって、互いに離間した複数の積層体を形成する。1つの積層体に含まれる発熱抵抗膜201の一部は発熱抵抗素子113となり、別の積層体に含まれる発熱抵抗膜201の一部は金属部材116となり、さらに別の積層体に含まれる発熱抵抗体201の一部は金属部材403となる。1つの積層体に含まれる導電膜202の一部は導電部材114となり、別の積層体に含まれる導電膜202の一部は導電部材402となる。
続いて、図5(b)に示すように、除去されなかった導電膜202のうち、半導体装置400で使用される部分をフォトレジスト502で覆う。その後、1つの積層体に含まれる導電膜202のうち、発熱抵抗素子113の上にある一部を除去することによって、発熱抵抗素子113を形成する。その後、フォトレジスト203を除去し、保護層117、耐キャビテーション層118、密着保護層119及びノズル部材120を形成する。さらに、保護層117及び密着保護層119のうち導電部材402を覆う部分に開口を形成することによって、図4の半導体装置400が形成される。
<その他の実施形態>
図6(a)は、インクジェット方式のプリンタ、ファクシミリ、コピー機等に代表される液体吐出装置1600の内部構成を例示している。本例で液体吐出装置は記録装置と称されてもよい。液体吐出装置1600は、所定の媒体P(本例では紙等の記録媒体)に液体(本例ではインク、記録剤)を吐出する液体吐出ヘッド1510を備える。本例では液体吐出ヘッドは記録ヘッドと称されてもよい。液体吐出ヘッド1510はキャリッジ1620の上に搭載され、キャリッジ1620は、螺旋溝1604を有するリードスクリュー1621に取り付けられうる。リードスクリュー1621は、駆動力伝達ギア1602及び1603を介して、駆動モータ1601の回転に連動して回転しうる。これにより、液体吐出ヘッド1510は、キャリッジ1620と共にガイド1619に沿って矢印a又はb方向に移動しうる。
媒体Pは、紙押え板1605によってキャリッジ移動方向に沿って押さえられており、プラテン1606に対して固定される。液体吐出装置1600は、液体吐出ヘッド1510を往復移動させて、搬送部(不図示)によってプラテン1606上に搬送された媒体Pに対して液体吐出(本例では記録)を行う。
また、液体吐出装置1600は、フォトカプラ1607及び1608を介して、キャリッジ1620に設けられたレバー1609の位置を確認し、駆動モータ1601の回転方向の切換を行う。支持部材1610は、液体吐出ヘッド1510のノズル(液体吐出口、或いは単に吐出口)を覆うためのキャップ部材1611を支持している。吸引部1612は、キャップ内開口1613を介してキャップ部材1611の内部を吸引することによる液体吐出ヘッド1510の回復処理を行う。レバー1617は、吸引による回復処理を開始するために設けられ、キャリッジ1620と係合するカム1618の移動に伴って移動し、駆動モータ1601からの駆動力がクラッチ切換等の公知の伝達機構によって制御される。
また、本体支持板1616は、移動部材1615及びクリーニングブレード1614を支持しており、移動部材1615は、クリーニングブレード1614を移動させ、ワイピングによる液体吐出ヘッド1510の回復処理を行う。また、液体吐出装置1600には制御部(不図示)が設けられ、当該制御部は上述の各機構の駆動を制御する。
図6(b)は、液体吐出ヘッド1510の外観を例示している。液体吐出ヘッド1510は、複数のノズル1500を有するヘッド部1511と、ヘッド部1511に供給するための液体を保持するタンク(液体貯留部)1512とを備えうる。タンク1512とヘッド部1511とは、例えば破線Kで分離することができ、タンク1512を交換することができる。液体吐出ヘッド1510は、キャリッジ1620からの電気信号を受け取るための電気的コンタクト(不図示)を備えており、当該電気信号にしたがって液体を吐出する。タンク1512は、例えば繊維質状又は多孔質状の液体保持材(不図示)を有しており、当該液体保持材によって液体を保持しうる。
図6(c)は、液体吐出ヘッド1510の内部構成を例示している。液体吐出ヘッド1510は、基体1508と、基体1508の上に配され、流路1505を形成する流路壁部材1501と、液体供給路1503を有する天板1502とを備える。基体1508は、上述の半導体装置100、400の何れであってもよい。また、吐出素子ないし液体吐出素子として、ヒータ1506(電気熱変換素子)が、液体吐出ヘッド1510が備える基板(液体吐出ヘッド用基板)に各ノズル1500に対応して配列されている。各ヒータ1506は、当該ヒータ1506に対応して設けられた駆動素子(トランジスタ等のスイッチ素子)が導通状態になることによって駆動され、発熱する。
液体供給路1503からの液体は、共通液室1504に蓄えられ、各流路1505を介して各ノズル1500に供給される。各ノズル1500に供給された液体は、当該ノズル1500に対応するヒータ1506が駆動されたことに応答して、当該ノズル1500から吐出される。
図6(d)は、液体吐出装置1600のシステム構成を例示している。液体吐出装置1600は、インターフェース1700、MPU1701、ROM1702、RAM1703及びゲートアレイ(G.A.)1704を有する。インターフェース1700には外部から液体吐出を実行するための外部信号が入力される。ROM1702は、MPU1701が実行する制御プログラムを格納する。RAM1703は、前述の液体吐出用の外部信号や液体吐出ヘッド1708に供給されたデータ等、各種信号ないしデータを保存する。ゲートアレイ1704は、液体吐出ヘッド1708に対するデータの供給制御を行い、また、インターフェース1700、MPU1701、RAM1703の間のデータ転送の制御を行う。
液体吐出装置1600は、ヘッドドライバ1705、並びに、モータドライバ1706及び1707、搬送モータ1709、キャリアモータ1710を更に有する。キャリアモータ1710は液体吐出ヘッド1708を搬送する。搬送モータ1709は媒体Pを搬送する。ヘッドドライバ1705は液体吐出ヘッド1708を駆動する。モータドライバ1706及び1707は搬送モータ1709及びキャリアモータ1710をそれぞれ駆動する。
インターフェース1700に駆動信号が入力されると、この駆動信号は、ゲートアレイ1704とMPU1701の間で液体吐出用のデータに変換されうる。このデータにしたがって各機構が所望の動作を行い、このようにして液体吐出ヘッド1708が駆動される。
100 半導体装置、113 発熱抵抗素子、114 導電部材、116 金属部材

Claims (13)

  1. 液体吐出ヘッドに用いられる半導体装置であって、
    配線層及び前記配線層の上に形成された絶縁部材を含む多層配線層と、
    前記絶縁部材の上に且つ接して配されており、前記配線層と電気的に接続されている発熱抵抗素子と、
    前記絶縁部材の上に且つ接して配されている金属部材と、
    前記金属部材の上面を覆っており、前記金属部材を通じて前記配線層と電気的に接続されている導電部材と、を備え、
    前記導電部材の電気抵抗率は、前記金属部材の電気抵抗率及び前記発熱抵抗素子の電気抵抗率よりも低く、
    前記発熱抵抗素子と前記金属部材とは、互いに離間していることを特徴とする半導体装置。
  2. 前記発熱抵抗素子と前記金属部材とは、同じ材料で形成されていることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
  3. 前記導電部材は、前記金属部材の上面に接していることを特徴とする請求項1又は2に記載の半導体装置。
  4. 前記導電部材の側面と前記金属部材の側面とは同一面を形成していることを特徴とする請求項1乃至3の何れか1項に記載の半導体装置。
  5. 前記発熱抵抗素子と前記配線層とは、導電プラグによって互いに接続されていることを特徴とする請求項1乃至4の何れか1項に記載の半導体装置。
  6. 前記発熱抵抗素子の上面と前記導電部材の上面とを覆う保護層を更に備えることを特徴とする請求項1乃至5の何れか1項に記載の半導体装置。
  7. 前記導電部材の上面の一部は、外部接続用のパッドとして機能することを特徴とする請求項1乃至6の何れか1項に記載の半導体装置。
  8. 前記パッドは、前記半導体装置の外部から電力の供給を受けるためのパッドであることを特徴とする請求項7に記載の半導体装置。
  9. 吐出口を有するノズル部材を更に備え、
    前記発熱抵抗素子は、前記吐出口と前記絶縁部材との間に位置することを特徴とする請求項1乃至8の何れか1項に記載の半導体装置。
  10. 請求項1乃至9の何れか1項に記載の半導体装置と、前記半導体装置によって液体の吐出が制御される吐出口と、を備えることを特徴とする液体吐出ヘッド。
  11. 請求項10に記載の液体吐出ヘッドと、前記液体吐出ヘッドに液体を吐出させるための駆動信号を供給する供給手段と、を有することを特徴とする液体吐出装置。
  12. 液体吐出ヘッドに用いられる半導体装置の製造方法であって、
    配線層及び前記配線層の上に配される絶縁部材を有する多層配線層を形成する工程と、
    前記絶縁部材の上に発熱抵抗膜を形成する工程と、
    前記発熱抵抗膜の上に導電膜を形成する工程と、
    前記発熱抵抗膜と前記導電膜との積層膜をパターニングすることによって、互いに離間した第1積層体及び第2積層体を形成する工程と、
    前記第1積層体に含まれる導電膜の一部を除去することによって発熱抵抗素子を形成する工程と、
    を有することを特徴とする製造方法。
  13. 前記発熱抵抗素子を形成した後に、前記発熱抵抗素子と前記導電膜とを覆う保護膜を形成する工程と、
    前記保護膜のうち前記導電膜を覆う部分に開口を形成する工程と、
    を更に有することを特徴とする請求項12に記載の製造方法。
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