TWI729228B - 形成熱噴墨印刷頭的方法、熱噴墨印刷頭及半導體晶圓 - Google Patents

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Abstract

本發明提供一種形成一熱噴墨印刷頭的方法，該方法至少包含以下步驟：提供半導體晶圓，該半導體晶圓包括積體電路和用於形成熱致動器元件的部分，該積體電路至少包含：形成在基板上的絕熱層；及形成在該絕熱層上的第一金屬層；其中該第一金屬層延伸到用於形成該熱致動器元件的該部分中；以及將用於形成熱致動器元件的部分蝕刻到該第一金屬層，使得該第一金屬層充當蝕刻終止層。此外，提供了藉由本發明的方法形成的熱噴墨印刷頭及用於藉由本發明的方法形成熱噴墨印刷頭的半導體晶圓。

Description

形成熱噴墨印刷頭的方法、熱噴墨印刷頭及半導體晶圓
本發明係關於一種熱噴墨印刷頭。具體言之，本發明係關於一種形成熱噴墨印刷頭的方法，其中預先製造包括積體電路和用於形成熱致動器元件的部分的半導體晶圓，並於隨後形成該熱致動器元件，即整合在預製的半導體晶圓上。本發明還關於在形成熱噴墨印刷頭的方法中使用的半導體晶圓。
可以將熱噴墨印刷頭示意性地描述為包括電連接到流體熱致動器的邏輯和電源電路的電子電路。流體熱致動器可以形成或作為微機電系統（MEMS）的一部分，而且可能需要將標準積體電路通常不採用的特殊材料用於金屬層和介電質層。
然而，為了建造能夠進行用於高整合度印刷頭致動器的完整製造製程的矽代工廠，可能需要大筆的投資。然而，當涉及少量生產時，例如在工業印刷中，高等級的投資可能會阻止製造商仰賴於為了實現高水平的性能所需的最先進半導體技術，導致陳舊或過時的技術被持續使用。
第1圖圖示熱墨印刷頭之俯視圖。如第1圖所示，熱噴墨印刷頭包括基板1，在基板1的表面上將多個加熱器2設置在一個或更多個列3中，從而形成晶片。通常將該等列放在形成於晶片內部的饋通槽4附近，以允許重新填充墨水。
第2圖圖示其中製造熱印刷頭且隨後將被切成單一晶片的矽晶圓之頂視圖。
目前，如第2圖所示的熱印刷頭是被製造在專門設計的晶圓5（例如矽晶圓）中，隨後被使用半導體技術切成單一晶片，該半導體技術包括例如薄膜沉積、光微影術、濕和乾蝕刻技術、離子植入、氧化等。
加熱器2可以由電阻膜製成、與適當的導電跡線接觸；在晶片的外圍區域中可以設有一組接觸墊6，通常使用TAB（帶式自動接合）製程將接觸墊6接合到撓性印刷電路。
參照第3圖，撓性電路7可以被附接到印刷頭盒體8，並且可以包括接觸墊9來與印刷機交換電訊號。隨著加熱器的數量增加，電子佈局的複雜度也可能提高。因此，在基板1的主動部分10中可能存在MOS電晶體11的陣列，例如用於對電阻器、邏輯電路12、可編程記憶體13及其他元件尋址。
如第4圖和第5圖所示，在先前已經沉積並圖案化了電阻膜、導電膜及介電質膜的疊層的晶片表面（被示意性表示為區域14）上可以實現微流體迴路。結果，墨水可以通過適當的通道15流入沉積的微流體迴路中而到達噴射腔室16，噴射腔室16的壁可以被加熱電阻器2包圍，例如加熱電阻器2可以在噴射腔室的底板上。可以將微流體迴路圖案化在適當的聚合物層17中，可將聚合物層17稱為阻擋層。可以將可容納多個與下方加熱電阻器對齊的噴嘴19的噴嘴板18設置在阻擋層上方，可以從噴嘴19噴出墨滴20。實際上，短電流脈衝可以加熱電阻器2，進而可使正好在上方的薄墨水層蒸發並形成蒸氣泡21。蒸發層中的壓力可能突然增加，導致一部分上方液體從噴嘴噴出。墨滴可以朝向介質前進，而在介質表面上產生墨點。之後，可以將新的墨水重新裝入腔室中，以替換噴射的墨滴，直到例如達到穩定狀態。
為了最佳化從電阻器2到墨水的能量傳遞，例如藉由電流脈衝透過焦耳效應加熱，可能需要電阻器與基板熱絕緣，使得熱較佳地朝向上方墨水流動，進而可以藉由薄介電膜將上方墨水與電阻層分離，以避免漏電。
由於基板是由具有可觀導熱性的矽製成，所以可能需要在基板與電阻器之間插入厚度足夠的絕緣層。換句話說，可能必須將電阻器沉積在生長或沉積於基板上的適當絕緣層上。
例如用高溫製程製造的熱生長氧化矽和硼磷矽玻璃（BPSG）單獨或組合使用皆可以是電阻器的適當絕熱材料。
由於這些材料的生長或沉積及/或退火溫度可能高於印刷頭中加熱器的操作溫度，所以在元件的正常操作期間這些材料將保持穩定。
在工作過程中經歷快速和大的溫度變化的電阻膜可以具有穩定的特性和良好的抗熱機械應力特性。典型上，加熱器的電阻值可以是例如幾十歐姆。例如，即使可以使用不同的形狀和不同的電阻值，通常仍可採用電阻約30歐姆的方形加熱器，而由橫向導電金屬帶（即U形電阻器）連接的兩個縱向電阻條會產生約四倍電阻（例如約120歐姆）的相同足跡。
廣泛而長久的電阻器選擇可以是由鉭和鋁製成的複合膜：約900埃的膜厚可以給出30歐姆/平方的片電阻，即由此類薄膜製成的方形電阻器具有30歐姆的電阻。
在電阻器上方為墨水提供電絕緣的介電質層可以足夠薄，以允許強的熱流、但也可以承受在工作期間經歷的熱機械應力以及由於氣泡破裂所引起的衝擊。通常，氮化矽膜可單獨使用或與碳化矽組合使用於此目的。然而，薄介電質層通常可能不夠強，而可以在介電材料上方沉積由折射金屬（例如鉭）製成的其他保護膜（也稱為空化層）。
有一些解決和驅動多個加熱器的技術是先前技術中已知的。假使噴嘴的數量很少，僅多達幾十個，則每個電阻器可以經由電跡線直接連接到相應的接觸墊，而電流的返回通常可以藉由一個或幾個接地墊來收集。
隨著噴嘴的數量增加，由於電阻器尋址所需的接觸墊數量很多，所以直接個別驅動可能難以實現。事實上，這些墊可能沿著晶片的外緣分佈，而墊的數量不可沒有限制地增加。
更實際的解決方案是採用尋址矩陣，尋址矩陣允許使用減少數量的接觸墊來驅動大量的電阻器。尋址矩陣較佳可以使用多個金屬氧化物半導體（MOS）電晶體來實現，此等電晶體中的每個電晶體皆可與決定的電阻器電連通。以適當的方式連接電晶體矩陣的電極，可以視需要啟動個別的加熱器，從而使墨滴從印刷頭噴出。
較佳可以在矽基板中使用半導體技術中採用的標準製程製造電晶體矩陣，例如光微影技術、矽氧化、膜沉積、乾和濕化學蝕刻、以及所屬技術領域中具有通常知識者熟知的、可用於製造該元件的其他技術。
此外，可以在矽基板上實現邏輯電路，從而提高元件的複雜度和性能。邏輯電路較佳也可以藉由MOS電晶體來實現，像是尋址矩陣。然而，驅動MOS元件的特性通常與邏輯MOS元件的特性不同。驅動MOS元件在電流脈衝期間能夠維持高功率峰值，而邏輯MOS元件可能不需要承受高功率，而是這些元件能夠在不同狀態之間快速切換，並以高速率執行操作。
儘管僅可採用n型MOS（NMOS）電晶體，但較佳可以使用互補MOS（CMOS）技術來實現邏輯電路，例如，可以在同一基板中實現互補的n通道和p通道MOS電晶體，從而提供具有低功耗和快速交換速率的邏輯閘，特別是當需要高整合度時。
高整合度的條件可能需要高解析度的光微影術，以產生在次微米範圍內的閘極長度，次微米範圍可能是電路特徵的最小尺寸，也被稱為技術節點。高整合元件的複雜度通常可能涉及多個金屬化層次或層以及介電質和平坦化層。
在第6圖中圖示出經典的NMOS印刷頭之剖視圖。矽基板1的表面可以被熱氧化以生長場氧化物22（FOX）。場氧化物22用於使相鄰的元件絕緣並作為加熱器下方的絕熱層的一部分。
可以將場氧化物中的開口留下用於主動區的基板摻雜。可以在場氧化物自由區中生長薄閘氧化物23，並且可以將多晶矽閘極24置於MOS通道區中的閘氧化物上。適當的n+擴散25可以在基板中進行，從而提供MOS電晶體的源極或汲極區。可選地，可以製作p+擴散26以實現基板中的接地接觸（未圖示）。
隨後，可以用硼磷矽玻璃（BPSG）膜27覆蓋整個表面，BPSG膜27可以形成加熱器下方的絕熱層的第二部分，並且可以為覆蓋的鋁金屬跡線提供電絕緣。BPSG膜27也可以提供表面的局部平坦化和平滑化。可以在BPSG膜中打開觸點，其中金屬跡線可以電連接源極或汲極擴散或多晶矽。
金屬跡線可以用雙層實現。首先，可以在BPSG膜27上以及在擴散接觸區30中沉積Ta-Al薄膜28；Ta-Al膜可以保證與摻雜矽區域的良好界面，防止鋁刺入基板，鋁刺入基板會引起電性問題。
由於Ta-Al膜（例如Ta、TaAl或TaAl+Al）的固有電阻率和減小的厚度（例如約900埃），可以將Ta-Al膜用作印刷頭加熱器的電阻膜。因此，Ta-Al層可以具有電阻膜和阻擋層的雙重功能，避免了在Al金屬與摻雜矽之間需要另外的層。金屬跡線的第二層可以由鋁製成，其中的鋁可以包含少量的銅、矽、或銅與矽的組合。可以將鋁膜29沉積在具有較高厚度的Ta-Al膜的正上方。
在兩種膜都存在的情況下，鋁的電導率可能佔優勢，實現電流的導電（即低電阻）路徑。在加熱器2的區域中，可以將鋁層移除並且可以僅保留Ta-Al層，從而為電流提供電阻路徑，使液滴噴射進行所需的加熱。
鋁層可以覆蓋有適當的介電質膜31。此膜例如可以包括兩層：可以保證良好的電絕緣的氮化矽層，以及耐磨損和抗化學試劑的碳化矽層。由於在高溫下的高穩定性，此等材料可適用於熱噴墨印刷頭。另一方面，當下方的表面輪廓驟變（例如穿過金屬層）時，此等材料提供較差的階梯覆蓋。
可以將另外的鉭層32沉積在介電質膜31上方的加熱器區域中，以保護該等膜免受由於例如氣泡塌陷所引起的機械衝擊。此舉也可以提供與其中實現流體迴路的上覆阻擋層的良好黏合，從而防止墨水滲透到兩種材料之間的界面。
此外，鉭層對於改善最後的Au層33（用作一般電源和接地總線的第二金屬層）的附著性也是有效的。在這種情況下，可以沉積並圖案化雙層Ta + Au。第一層可以提供對下方介電質31的良好黏合性並且在接觸區34中與鋁進行適當的接觸，而第二層可以保證良好的導電性，良好的導電性是承載來自多個加熱器的高電流必須的。
由於需要減少的掩模數量的非常簡單NMOS製程，所述NMOS印刷頭的結構可能具有成本效益，從而允許在印刷頭的MOS和MEMS部分中使用具有不同用途的多個層（阻熱氧化物、金屬、介電質）。
第7圖中描繪出標準的先前技術CMOS積體電路之剖視圖。由於CMOS元件可以包括互補的p通道和n通道MOS電晶體，所以可以將至少一個摻雜的阱佈植在基板中。例如，可以在將要形成p通道MOS電晶體的區域中佈植n阱35。
如前所述，可以在基板1上生長場氧化物22（FOX）和薄閘氧化物23，並且可以在MOS通道區域中的閘氧化物上沉積多晶矽閘極24。為了分別實現n通道MOS電晶體（NMOS）和p通道MOS電晶體（PMOS），可以在基板中進行適當的n+擴散25，同時可以在先前佈植的n阱35中進行p+擴散26。可以進行許多其他的擴散，例如p和n擴散兩者，像是p阱、p或n通道止擋、p或n LDD、臨界電壓調整等，以最佳化元件性能或獲得特定行為。
可以沉積介電質和平坦化層36（也稱為層間介電質（ILD）層），以將多晶矽與第一金屬化層37（也稱為M1）分離。ILD層36可以是摻雜的矽玻璃層，像是PSG或BPSG。在沉積M1之前，可以在ILD層36中形成開口，以允許MOS電晶體的源極和汲極擴散與M1層37之間的接觸。可以沉積另一個介電質層40（也稱為金屬間介電質（IMD1）層），以將M1與上覆的第二金屬化層38（也稱為M2）分離。
IMD1層通常可以是多層膜，包括旋塗玻璃（SOG）或適合平坦化M1的表面形貌的其他層。在沉積M2之前，可以在必須實現M1與M2之間的接觸的IMD1層40中形成開口。可以沉積另外的介電質層41（也稱為金屬間介電質（IMD2）），以將M2與上方的第三金屬化層39（M3）分離。IMD2也可以是適合平坦化M2形態的多層膜。
在沉積M3之前，可以在必須實現M2與M3之間的接觸的IMD2層41中形成開口。最後，可以沉積第一鈍化層42（PAS1）和第二鈍化層43（PAS2）來保護整個電路免受外部因素的影響，像是機械括痕、污染物、濕氣等。通常第一鈍化層可以是氧化矽，而第二鈍化層可以是氮化矽。有時只使用一個鈍化層。
CMOS元件可成為積體電路。通常可以採用多個金屬層（三個或更多個），而且為了使不同層次的金屬跡線絕緣，可能需要許多居間的介電質層。主要是在必須獲得高解析度的電路特徵時，為了正確地進行不同層的沉積和蝕刻以及在膜圖案化中涉及的光微影術操作，在製程的所有階段中可能都需要表面具有良好的平坦性。
因此，所有介電質層都可以提供階梯覆蓋，以使由於膜圖案所產生的表面形貌平滑。在第7圖描繪的CMOS電路中，沉積在場氧化物22上的層間介電質膜36可以類似於第6圖中的BPSG層27，而且可以僅使用BPSG來實現CMOS元件中的ILD。
如上所述，在沉積任何金屬層之前，場氧化物和BPSG都可以在高溫下進行的製程中產生。因此，當元件在低於沉積或退火溫度的溫度下工作時，場氧化物和BPSG也可以保持良好的穩定性。
金屬間介電質膜IMD1和IMD2可能必須在低溫進行的製程中沉積，以防止損壞已經存在的金屬層。金屬間介電質膜IMD1和IMD2可以提供階梯覆蓋，但是當工作溫度升高超過沉積溫度時無法保持熱穩定。
儘管沉積溫度適中，但是在以上第6圖中描述的印刷頭元件中採用的介電質膜31中的氮化矽和碳化矽即使在與印刷頭中的工作加熱器溫度一樣高的溫度下也可以是穩定的。
儘管如此，由於上述的不良階梯覆蓋，這些介電質膜不能用作CMOS元件中的IMD膜。
類似地，由於在印刷頭加熱器的操作溫度下的不良熱穩定性，CMOS元件中提供優異階梯覆蓋的標準IMD層可能不適合用於印刷頭的MEMS部分。
標準印刷頭技術與CMOS技術之間的另一個重要區別在於各個應用中採用的金屬膜的性質。CMOS技術中通常不採用由鉭和鋁製成的複合電阻膜，該複合電阻膜可能適合為電流提供電阻路徑來引起液滴噴射所需的加熱。
在印刷頭中可能需要用來保護加熱器免受氣泡破裂引起的機械衝擊、而且可以改善與上覆膜的黏附的鉭空化層可能不被用在標準CMOS製程中。
最後，由於金在矽中的高擴散率，所以在使用CMOS製程的任何製造或設施中，金都可能是一種污染物。金可能表現為複合中心，並可能影響載子壽命和元件性能。
總之，由於特殊材料和專用生產線的要求，無法簡單地將CMOS製程延伸到印刷頭的熱致動器部分（也稱為微機電系統（MEMS）部分）的製造。
因此，需要提供一種用於形成熱噴墨印刷頭的方法、一種熱噴墨印刷頭、及一種相關的半導體晶圓，其中印刷頭的熱致動器部分（也稱為流體熱致動器或MEMS部分，例如微型加熱器）可以在特定設施中從半成品或預製晶圓開始實現，其中已經先按照標準半導體技術實現了邏輯和功率電路（即積體電路（IC）部分）。
本發明的另一個目的是提供一種半導體晶圓，其中熱噴墨印刷頭可以從該半導體晶圓容易地且具有成本效益地形成。
本發明的又一個目的是提供一種熱噴墨印刷頭和一種形成方法，其中例如為了工業應用而以相對較少的數量生產熱噴墨印刷頭是具有成本效益的。
上述目的和問題係藉由獨立請求項的標的物來解決。進一步較佳的實施例在附屬請求中界定。
依據本發明的一個態樣，提供了一種形成一熱噴墨印刷頭的方法，至少包含以下步驟：提供一半導體晶圓，該半導體晶圓包括一積體電路和用於形成一熱致動器元件的一部分（即必須形成該熱致動器元件之處，也可稱為加熱器部分），該積體電路至少包含：形成在一基板上的一絕熱層；及形成在該絕熱層上的一第一金屬層；其中該第一金屬層延伸到該加熱器部分中；以及將用於形成一熱致動器元件的一加熱器部分蝕刻到該第一金屬層，使得該第一金屬層充當一蝕刻終止層。
依據本發明的另一態樣，提供了一種熱噴墨印刷頭，該熱噴墨印刷頭包括一積體電路和用於形成一熱致動器元件的一部分，並且依據如本發明所述之任一方法形成。
依據本發明的另一態樣，提供了一種半導體晶圓，該半導體晶圓包括一積體電路和用於形成一熱致動器元件的一部分，該積體電路至少包含：形成在一基板上的一絕熱層；形成在該絕熱層上的一第一金屬層；該第一金屬層為該積體電路中使用的金屬層中之一者，其中該第一金屬層延伸到該加熱器部分中，使得該第一金屬層在形成該熱致動器元件時能夠充當一蝕刻終止層。
依據本發明的至少一個實施例，下面將描述在熱噴墨印刷頭中整合依據標準CMOS技術製造的積體電路（IC）的製程。
依據本發明的一個實施例，解決了由兩種製造技術的匹配所引起的問題，從而提供一種具有成本效益且有效的解決方案來以低投資成本生產或形成高性能的印刷頭。
依據一個實施例的發明允許利用技術商品來獲得配備有高性能電子電路的完整流體致動器，而不需要在全客製製程中進行大量投資。
依據本發明的一個實施例，一種用於形成熱噴墨印刷頭的方法可以至少包含以下步驟：提供半導體晶圓，該半導體晶圓包括積體電路和用於形成熱致動器元件的部分，該積體電路至少包含形成在基板上的絕熱層；以及形成在該絕熱層上的第一金屬層；其中該第一金屬層延伸到用於形成該熱致動器元件的該部分（即加熱器部分，也可稱為微機電系統、MEMS）中；以及將用於形成熱致動器元件的部分向下蝕刻到第一金屬層，使得該第一金屬層充當蝕刻終止層。
換句話說，依據本發明用於形成熱噴墨印刷頭的方法至少包含以下步驟：提供半導體晶圓，該半導體晶圓包括積體電路和將用於形成熱致動器元件（即加熱器部件）的部分，該積體電路至少包含形成在基板上的絕熱層；以及形成在該絕熱層上的第一金屬層；其中該第一金屬層延伸到該加熱器部分中；以及將用於形成熱致動器元件的加熱器部分向下蝕刻到第一金屬層，使得該第一金屬層充當蝕刻終止層。
依據一個實施例，可以在熱致動器元件（也稱為微機電系統（MEMS）、結構）中使用包括場氧化物層（FOX）和層間介電質（ILD）（例如摻雜硼及/或磷的矽玻璃（BPSG或PSG），兩種層皆屬於CMOS製程）的疊層作為加熱器下方的絕熱層。半製造層可以來自CMOS代工廠，被CMOS製程中使用的介電質層覆蓋，也在MEMS區域中。
由於矽玻璃（BPSG或PSG）與金屬間介電質層（IMD）之間的蝕刻選擇性可能非常差，因此在MEMS形成製程期間可以使用來自CMOS電路的金屬層的延伸作為BPSG層上的蝕刻終止層。隨後可以移除該蝕刻終止層，從而使絕熱層的厚度和均勻度都不受影響，這在從加熱器到流體的熱能傳遞中可能是重要的。
CMOS印刷頭的完整客製製程可以以任何方式設置，但是需要大量的投資，這只有在高產量的情況下才是合理的。相反地，通常打算用於工業應用的印刷頭的產量可能難以合理化此類投資。
假使追求印刷頭電路性能的改善，則依據本發明的實際解決方案可能依賴於在CMOS矽代工廠中製造的邏輯電路部分與在第二代工廠中形成的MEMS部分的整合，該第二代工廠可以提供與印刷頭中使用的特殊材料有關的製程能力，但不一定需要CMOS製程的高解析度設備。
整合製程（即在矽晶片或晶圓上的現有CMOS電路上建造MEMS）可遵循CMOS和MEMS結構的一些限制。CMOS的限制可能是層材料和厚度：兩者都是代工廠製程的具體情況，任何實質的變化都會改變元件的參數和性能；只有小的層厚度變化是可允許的。
另一方面，MEMS結構（簡稱為MEMS）可能需要不存在於CMOS結構中的特定層，CMOS元件的多晶矽和金屬膜可能也不適合用於熱致動器元件中的應用。因此，MEMS區域可以沒有屬於CMOS電路的任何導電層，除了為了接觸加熱器電路和蝕刻終止層所需的恰好延伸超出MEMS區域邊界的短跡線之外，如下所述使用相同的導電層。
依據本發明的一個實施例，提供了一種包括積體電路和用於形成熱致動器元件的部分的半導體晶圓，該積體電路至少包含形成在基板上的絕熱層；形成在絕熱層上的第一金屬層；該第一金屬層是在積體電路中使用的金屬層中的一個，其中該第一金屬層延伸到用於形成熱致動器元件的部分（即加熱器部分）中，使得該第一金屬層可用作蝕刻終止層同時形成熱致動器元件。
第8圖圖示示意性的晶片佈局，顯示出CMOS邏輯電路區域58與封裝在邊界輪廓48內的MEMS區域49之間的劃分；MEMS區域可以包含加熱器陣列2和供墨槽。注意，印刷頭晶片可以包含多個分離的MEMS區域，而不是如第8圖所示的單個MEMS區域。
由於這兩個部分可能必須在相同的矽晶片或晶圓上實現，所以可能需要匹配基礎層（即矽基板正上方的氧化矽）的厚度。印刷頭加熱器下面的阻熱層可以穩定於高達700-800 ℃。因此，只有熱生長的氧化物或像PSG或BPSG的回流矽玻璃、或者這兩種材料的組合才適合用於此功能。
由於所需的高溫，此類氧化物不能與已經實現的CMOS元件一起生長或沉積，此舉會損害金屬層的完整性。依據本發明的一個實施例的解決方案可以包括在印刷頭的MEMS部分中使用來自CMOS製程的場氧化物和BPSG/PSG的組合在加熱器下方實現阻熱層。
電阻器下方的隔絕阻熱層可以使熱量主要流向墨水，以對液體提供有效的能量轉移。儘管如此，為了控制和穩定整個系統的溫度，對基板進行適度的散熱可能是較佳的。
依據本發明的一個實施例，阻熱層厚度的適當值係在0.6 μm至2.0 μm的範圍內，較佳在0.8 μm至1.6 μm的範圍內，而且最佳在1.0 μm至1.2 μm的範圍內。
因此，CMOS製程的FOX及/或BPSG的總厚度可以符合此厚度值。由於這些層的厚度可能會隨著製程和技術節點而變化，因此可能需要小心選擇這些元素以獲得適當的阻熱層厚度。
第9圖中圖示出驅動印刷頭加熱器的電源MOS之示意性電路。電源MOS 44可以是n通道或p通道金屬氧化物半導體場效電晶體（MOSFET），並且可以充當電流開關，取決於發送到閘極45的訊號的電壓位準。對應於加熱器2的電阻器R連接到MOS汲極端子46，而MOS源極端子47則接地。加熱器2的另一個端子可以與電源跡線電連通。
假使閘極訊號處於低電壓位準，則NMOS開關可以打開，即電晶體可以不導通，並且沒有電流可以流過加熱器2。施加到閘極45的高電壓位準可以使NMOS導通，並且由於電流流動而在電阻器中散發的熱量可以使墨水泡生長並從印刷頭噴嘴進一步噴射墨滴。
由於在CMOS代工廠中製造的電晶體的源極和汲極觸點可以用第一金屬化層37（M1）來實現，所以第一金屬化層37可能必須被延長以使其到達MEMS區域的邊界。此舉可以允許來自電晶體的M1導電跡線隨後在MEMS代工廠製程內與加熱器電路進行電連通。
在第10圖中圖示出CMOS元件與MEMS電路之間的連接邊界之一部分，包括一對電源MOS電晶體50。MEMS代工廠的第一操作可以是MEMS窗48的開口，向下蝕刻在MEMS區域49上方的IMD和鈍化層直到BPSG表面，而且還露出從敷設在BPSG層上的M1金屬化層37延長的短金屬跡線51的一端，此舉對於使加熱器的一個端子與MOS電晶體進一步接觸可能是必須的。可能必須在一端露出在M1中製造的另一個M1金屬跡線52以使加熱器的另一個端子接觸到電源總線。電源總線可以在M2層38中實現，並且可以在金屬間介電質IMD1中實現適當的通孔53，以提供與下面的M1跡線52的接觸。
在CMOS製程期間的平坦性要求以及在兩個代工廠之間的矽晶片或晶圓轉移過程中對元件的必要保護可能需要保留金屬間介電質以及所有的頂部鈍化層。因此，當在MEMS代工廠接收半成品或預製元件以完成印刷頭製造製程時，MEMS區域也可能變成被此等層覆蓋。
依據本發明的一個實施例，在第一金屬層上形成的疊層可以具有小於3.5 μm的厚度，較佳介於2 μm和3 μm之間的厚度。
MEMS區域可以位於比相鄰CMOS元件區域的頂部低得多的水平，後者包含全部的金屬化層以及介電質層。因此，在兩個區域之間的過渡中出現了明顯的階梯。由於用於沉積MEMS電路的金屬層的PVD製程遭遇階梯遮蔽效應，所以後者與CMOS元件的M1金屬化層的連接可能距離階梯壁幾微米。
依據本發明的一個實施例，在整個用於形成熱致動器元件的部分（即加熱器部分）上形成第一金屬層。
依據本發明的一個實施例，該方法可以進一步包含在用於形成熱致動器元件的部分（即加熱器部分）中部分移除第一金屬層的步驟。也可將此步驟稱為蝕刻終止層移除處理步驟。
依據本發明的一個實施例，該方法可以進一步包含在用於形成熱致動器元件的部分（即加熱器部分）上形成介電質層的步驟，而且在用於形成熱致動器元件的部分（即加熱器部分）中該積體電路至少覆蓋金屬跡線層和電阻層。
依據本發明的一個實施例，該方法可以進一步包含在第一區域中在介電質層上方形成空化層的步驟。也可以將此步驟稱為電阻器打開處理步驟。
此外，在側壁附近的微影術可能需要滿足進一步的限制。依據先前技術，傾斜的側壁可以幫助MEMS電路的微影，並且可以完成調整阻劑厚度以進行錐形蝕刻，條件是階梯高度不是非常大。目前的情況阻止了這兩種技術之間的直接整合，因為上述的標準CMOS元件可能具有太高的層數以致無法達到可接受的階梯高度。
為了克服這個問題，依據本發明的一個態樣，可以引入儘可能減小階梯高度的製程流程，但無論如何仍在標準製程的限制內。因此，可以省略最上面的金屬層M3。隨後，在MEMS製程階段期間，可以用適當的金屬化層取代M3層，如下所示。
相反地，M2金屬化層對於完成邏輯電路中的互連可能是必要的，並且可以保持。邏輯互連模式可能需要高解析度的處理，而且可能無法在MEMS代工廠中毫無問題地進行。
依據本發明的一個實施例，熱致動器元件和積體電路可以形成熱噴墨印刷頭的一部分。
依據本發明的另一個實施例，熱致動器元件是流體熱致動器。
此外，假使由CMOS代工廠交付的半成品（即預製）印刷頭晶片提供有第二金屬化層M2，則可以在MEMS製程進行之前以任何方式相對於邏輯電路進行完全測試。此解決方案可以在元件的CMOS和MEMS部分之間建立淨邊界，並且可以便利可能的故障源的定位。相反地，由CMOS代工廠實現的單一M1層的替代解決方案將提供更低的階梯高度，但在功能故障的情況下會批評反向追蹤。因此，包含M1和M2的解決方案是較佳的。
IMD2層可以留在M2之上，以保證進一步製程的表面絕緣和平坦化，但是厚度可以儘可能地減小。而且，M2下方的IMD1介電質層的厚度可以減小到能夠保證足夠的絕緣和平坦化的水平。
為了進一步降低階梯高度，可以適當減小金屬層的厚度（假使滿足技術限制的話）。最後，可以移除兩個鈍化層中的一個鈍化層，而且可以將剩餘鈍化層的厚度減小到最小值，從而能夠保證充分保護元件。
在第11圖中描繪出依據本發明的這種客製或簡化CMOS結構之橫截面。作為單個鈍化層57，氮化矽層可以是較佳的，因為氮化矽層可以提供良好的電絕緣性和抵抗濕氣的保護。
依據本發明的一個實施例，由空化層和金屬跡線層組成的疊層的厚度可以比積體電路的第一金屬層更薄。
綜上所述，本發明的上述實施例可以產生僅具有兩個金屬層M1和M2、兩個薄金屬間介電質層及單一薄鈍化層的簡化CMOS結構，其中所述所有層的厚度已經減小到與標準製程限制和設備完整性相容的最小值。此解決方案允許獲得適合用於錐形蝕刻製程的中等階梯高度，較佳低於3.5 μm，並且更佳介於2 μm和3 μm之間，以從MEMS區域移除任何附加層，僅留下由BPSG製成的絕熱層和具有預定厚度的場氧化物，如印刷頭規格所要求的。
依據本發明的另一個實施例，可以提供在IMD和鈍化層與BPSG之間的可觀蝕刻選擇率。由於IMD層的不均勻性和蝕刻製程的不均勻性，BPSG可能不得不經歷過度蝕刻以保證熱不穩定的IMD層被全部移除。因此，無法控制隔熱層厚度的準確度，因為加熱器的性能必須穩定和正確。此舉可能會限制CMOS電路與MEMS部分的整合。
如第12圖所示，本發明的一個實施例可以包括超出邏輯電路的正常邊界的第一CMOS金屬化層M1的延伸部分54以及如上關於第9圖所述的延長跡線51和52，以便幾乎覆蓋MEMS區域的所有BPSG表面。由於對IMD和鈍化層的蝕刻製程具有高度的抵抗性，所以M1層的延伸部分可以充當真正的蝕刻終止層，保持BPSG膜厚度不受影響，同時在MEMS窗49（由邊界輪廓48標記）的內部部分可以完全移除ILD和鈍化層。
第13圖圖示在MEMS窗打開之後，即在區域49（由輪廓48界定）中蝕刻鈍化層和兩個IMD層之後，結構的對應橫截面。
CMOS元件層的金屬層可能不足以在MEMS電路中使用於實現加熱器電流流動的導電和電阻跡線。因此，除了在跡線51和52的端部的接觸區域之外，M1的延伸部分可能必須隨後被移除，使得MEMS窗48內的其餘表面沒有金屬層並且準備好進行隨後的適當MEMS膜沉積和圖案化。M1延伸部分54的移除可以依照適當的圖案輪廓55來進行，以將M1延伸部分保持在MEMS區域邊界處，使得可以實現與彼等M1延伸部分的接觸，如第14圖所描繪的。
在透過適當的蝕刻製程移除M1延伸部分54之後，所得到的佈局如第15圖及第16圖的對應橫截面所示。MEMS區域49可以沒有任何來自CMOS元件的金屬層，除了具有終端接觸區域56的跡線51和52之外。MEMS區域49可以具有作為最上層的BPSG膜，該BPSG膜的厚度可以不受隨後的蝕刻製程影響，從而為加熱器提供穩定和受控的絕熱層。在左側M1突起51和52的最末端，在區域56中，可能必須實現與MEMS電路的接觸，如下所示。
如第17圖所示，依據上述製程沉積和圖案化Ta-Al電阻複合層28和鋁層29可以獲得MEMS區域中的MEMS電路。如上所述，鋁層29可以含有少量的Cu或Si或兩者。鋁層29可以在接觸區域56中與CMOS元件M1的突起重疊。在該圖中，所示的電路佈局顯示了兩個不同的加熱器，該等加熱器可以在一側連接到彼等各自的電源MOS，並在另一側連接到公共電源總線。然而，其他適當的佈局配置也是可能的。
依據本發明的另一個實施例，為了保證CMOS與MEMS金屬化層之間的正確接觸面積，防止由於MEMS電路的不良對準精度所導致的可能問題，MEMS跡線可能比相應的M1跡線更寬，如第18圖所示。
第18圖中的剖視圖是沿著第17圖中的俯視圖的線A-A截取的，並顯示出在圖案化電阻Ta-Al層28和導電Al層29之後在MEMS邊界區域中的膜堆疊。矽基板1可以被FOX層22和BPSG層27覆蓋。這兩個層可以形成上面製造加熱器的絕熱層。
在MEMS邊界區域，第一CMOS金屬層37可以被包含Ta-Al層28和鋁層29兩者的MEMS金屬化層覆蓋並接觸。可以將MEMS金屬化圖案製成比CMOS跡線M1更寬，而後者可能會被MEMS金屬化層包裹起來。
然而，在本發明的另一個實施例中，可以將包含Ta-Al層28和鋁層29兩者的MEMS金屬化層製成比第一CMOS金屬層37更窄。
在第19圖中圖示出矩形剖視圖。第19圖是沿著第17圖的俯視圖的正交B-B線截取的。還圖示出加熱器結構、CMOS與MEMS區域之間的階梯、以及與MOS汲極擴散接觸的M1。
如以上關於第9圖所描述的，電源總線可以在M2層38中實現，並且可以在金屬間介電質IMD1中實現適當的通孔53，以提供與下面的M1跡線52的接觸。然而，沿著到外圍接觸墊的路徑，M2可能不承載印刷頭所需的高電流位準（current level）。另一方面，在NMOS印刷頭中，最上面的金屬化層可以包括可用於電源和接地跡線的雙層Ta + Au，因為該雙層Ta + Au可能能夠承載高電流位準。
依據本發明的又一個實施例，可以使用雙Ta + Au膜作為需要低電阻路徑的電源和接地跡線的最頂層。MEMS區域49中的加熱器可能需要被絕緣和保護膜堆疊覆蓋，如以上關於第6圖所述。將由第一氮化矽層和第二碳化矽層組成的介電質膜31沉積在加熱器金屬化層上方。
如第20圖所示，介電質膜31的沉積也可以在CMOS元件區域58中延伸，從而為上覆的最上面Ta + Au金屬化層提供改善的介電質絕緣。形成CMOS單鈍化層57的氮化矽可以與介電質膜31中的氮化矽層具有良好的相容性，使得在兩層之間的界面具有良好的黏附性。此外，碳化矽可以增強整個晶片表面的穩健性。
可以通過由IDM2、鈍化、氮化矽及碳化矽組成的整個介電質疊層蝕刻出適當的通孔，以在最上面的Ta + Au金屬化層和下面的M2金屬層之間實現屬於CMOS電路的接觸59，如第21圖所示。
沉積並圖案化到整個介電質膜堆疊上的該最終金屬化層可以包括第一Ta層32，該第一Ta層32既可以用作MEMS區域49中的加熱器上的空化層，又可以用作CMOS區域58中的緩衝黏附增強層，其中最上面的金屬化層可以由第二Au層33完成，第二Au層33與下面的Ta膜的黏附性良好。
依據本發明的另一個實施例，在最上面的金屬沉積發生之前，可以移除一些提到的膜來實現更薄的介電質疊層。最後，雙Ta + Au膜可以在CMOS元件區域的頂部上提供適當的導電跡線，從而足以承載在印刷頭的電源和總線跡線中流動的高電流。
所述的製程允許生產印刷頭矽晶片，將由第一矽代工廠製造的CMOS標準半成品元件與在第二矽代工廠中生產的MEMS致動器整合。該整合允許獲得具有成本效益的印刷頭元件，其中可確保在接收半成品元件之後CMOS電路的完全可測試性。
依據本發明的另一個實施例，提供了一種熱噴墨印刷頭，該熱噴墨印刷頭包括積體電路和用於形成熱致動器元件的部分，並按照本發明的一個實施例的方法形成。
依據本發明的一個實施例，整合在外部代工廠中生產的高解析度CMOS電路與採用特殊材料的流體MEMS致動器是可能的。選定的CMOS製程可以廣泛地測試CMOS邏輯元件而不需要高功率位準，同時在CMOS區域與MEMS區域之間的過渡邊界中保證適度的階梯高度，此舉可以有助於進行在印刷頭製造中涉及的光微影製程。
依據本發明的另一個實施例，可以藉由第一CMOS金屬層在整個MEMS區域和用於在由MEMS代工廠中沉積和圖案化的最上面金屬化層提供的電源和接地跡線中的高電流位準的導電跡線中的適當延伸來確保加熱器下方的絕熱層的受控厚度。
本發明提供一種在不涉及大量技術設備投資的情況下生產的高性能且具成本效益的元件。
儘管本文中已經描述了詳細的實施例，但此等實施例僅用於提供對獨立請求項界定的本發明更好的理解，並且不被視為限制本發明。
尤其，本發明的以上描述指出了要使用的具體材料，然而，除非另有說明，否則此等材料僅被視為具體實例，而且可以在由請求項界定的本發明範圍內使用其他適當的材料替換。
1‧‧‧基板2‧‧‧加熱器3‧‧‧加熱器陣列4‧‧‧饋通槽5‧‧‧晶圓6‧‧‧接觸墊7‧‧‧撓性電路8‧‧‧盒體9‧‧‧接觸墊10‧‧‧主動部分11‧‧‧電源電晶體12‧‧‧邏輯電路13‧‧‧可編程記憶體14‧‧‧印刷頭膜結構15‧‧‧供墨通道16‧‧‧噴射腔室17‧‧‧阻擋層18‧‧‧噴嘴板19‧‧‧噴嘴20‧‧‧墨滴21‧‧‧墨水蒸氣泡22‧‧‧熱生長場氧化物（FOX）23‧‧‧閘氧化物24‧‧‧多晶矽閘極25‧‧‧n+摻雜區域26‧‧‧p+摻雜區域27‧‧‧硼磷矽玻璃（BPSG）28‧‧‧Ta-Al電阻層29‧‧‧鋁金屬跡線30‧‧‧觸點31‧‧‧介電質層32‧‧‧鉭空化層33‧‧‧Au導電層34‧‧‧觸點35‧‧‧n井36‧‧‧層間介電質（ILD）37‧‧‧第一金屬化層次（M1）38‧‧‧第二金屬化層次（M2）39‧‧‧第三金屬化層次（M3）40‧‧‧第一金屬間介電質層（IMD1）41‧‧‧第二金屬間介電質層（IMD2）42‧‧‧第一頂部鈍化層（PAS1）43‧‧‧第二頂部鈍化層（PAS2）44‧‧‧電源NMOS電晶體45‧‧‧NMOS閘極端子46‧‧‧NMOS汲極端子47‧‧‧NMOS源極端子48‧‧‧MEMS窗輪廓49‧‧‧MEMS區域50‧‧‧電源MOS電晶體51‧‧‧延長的MOS汲極金屬化層52‧‧‧延長的Vcc金屬化層53‧‧‧通孔54‧‧‧第一CMOS金屬化層次M1的延伸部分55‧‧‧蝕刻掩模輪廓56‧‧‧接觸區域57‧‧‧鈍化層58‧‧‧CMOS電路區域59‧‧‧觸點
現在將參照圖式來描述本發明的實施例，本發明的實施例是為了更好地理解本發明概念而呈現，不應被視為限制本發明。
第1圖圖示熱墨印刷頭之俯視圖；
第2圖圖示所製造隨後將被切割成單一晶片的矽晶圓熱印刷頭之俯視圖；
第3圖圖示連接到撓性電路並包括接觸墊的印刷頭盒體之側視圖；
第4圖圖示流體迴路和加熱器元件之詳細視圖；
第5圖圖示印刷頭熱致動器元件之剖視圖；
第6圖圖示NMOS印刷頭之剖視圖；
第7圖圖示標準CMOS電路之剖視圖；
第8圖圖示顯示依據本發明一個實施例的CMOS邏輯電路區域與MEMS區域之間的劃分之示意性晶片佈局；
第9圖圖示依據本發明的一個實施例由NMOS電晶體驅動的加熱器元件之示意電路；
第10圖圖示依據本發明的一個實施例的CMOS電路與MEMS區域之間的邊界區域之頂視圖；
第11圖圖示依據本發明的一個實施例的CMOS結構之剖視圖；
第12圖圖示依據本發明的一個實施例在蝕刻之後CMOS電路與MEMS區域之間的邊界區域之俯視圖；
第13圖圖示依據本發明的一個實施例在蝕刻之後CMOS電路與MEMS區域之間的邊界區域之剖視圖；
第14圖圖示依據本發明的一個實施例的金屬化蝕刻掩模之圖案輪廓；
第15圖圖示依據本發明的一個實施例在移除M1金屬層之後的電路佈局之俯視圖；
第16圖圖示依據本發明的一個實施例在移除M1金屬層之後的電路佈局之剖視圖；
第17圖圖示熱致動器元件與CMOS電路之間的整合之俯視圖；
第18圖圖示熱致動器元件與CMOS金屬化之間的接觸區域沿著第17圖中的線A-A之剖視圖；
第19圖圖示熱致動器元件和MOS汲極觸點沿著第17圖中的線B-B之剖視圖；
第20圖圖示在沉積氮化矽和碳化矽介電質膜之後沿著第17圖中的線B-B之剖視圖；以及
第21圖圖示在沉積最上面的鉭和金層之後沿著第17圖中的線B-B之剖視圖。
國內寄存資訊 (請依寄存機構、日期、號碼順序註記) 無
國外寄存資訊 (請依寄存國家、機構、日期、號碼順序註記) 無
2‧‧‧加熱器
6‧‧‧接觸墊
48‧‧‧MEMS窗輪廓
49‧‧‧MEMS區域
58‧‧‧CMOS電路區域

Claims (14)

  1. 一種形成一熱噴墨印刷頭的方法，至少包含以下步驟：提供一半導體晶圓，該半導體晶圓包括一積體電路和用於形成一熱致動器元件的一部分，該積體電路至少包含：形成在一基板上的一絕熱層；及形成在該絕熱層上的一第一金屬層；其中該第一金屬層延伸到用於形成該熱致動器元件的該部分中；以及將用於形成該熱致動器元件的該部分蝕刻到該第一金屬層，使得該第一金屬層充當一蝕刻終止層，其中該積體電路是在互補金屬氧化物半導體(CMOS)代工廠中生產，並且用於形成該熱致動器元件的該部分是在微機電系統(MEMS)代工廠中生產。
  2. 如請求項1所述之方法，進一步包含以下步驟：部分移除在用於形成該熱致動器元件的該部分中的該第一金屬層。
  3. 如請求項1或2所述之方法，進一步包含以下步驟：至少部分地在用於形成該熱致動器元件的該部分中的該絕熱層上方並且至少部分地在該第一金屬層上方形成一電阻層，並且至少部分地在該電阻層上 方形成一金屬跡線層，以及使用光微影術和蝕刻技術移除在用於形成該熱致動器元件的該部分中的該金屬跡線層。
  4. 如請求項3所述之方法，進一步包含以下步驟：在用於形成該熱致動器元件的該部分上方形成一介電質層，並且在用於形成該熱致動器元件的該部分中該積體電路至少覆蓋該金屬跡線層和該電阻層。
  5. 如請求項4所述之方法，進一步包含以下步驟：在用於形成該熱致動器元件的該部分中的該介電質層上方形成一空化層。
  6. 一種熱噴墨印刷頭，包括一積體電路和用於形成一熱致動器元件的一部分，並且該熱噴墨印刷頭是根據請求項1至5中任一項所述之方法形成。
  7. 一種半導體晶圓，包括一積體電路和用於形成一熱致動器元件的一部分，該積體電路至少包含：形成在一基板上的一絕熱層；及形成在該絕熱層上的一第一金屬層，其中該第一金屬層為該積體電路中使用的金屬層中之一者，其中該第一金屬層延伸到用於形成該熱致動器元件的該部分中，使得該第一金屬層在形成該熱致動器元件時充當一蝕刻終止層，以及 其中該積體電路是在互補金屬氧化物半導體(CMOS)代工廠中生產，並且用於形成該熱致動器元件的該部分是在微機電系統(MEMS)代工廠中生產。
  8. 如請求項7所述之半導體晶圓，其中該絕熱層的厚度為0.6μm至2.0μm。
  9. 如請求項7所述之半導體晶圓，其中該絕熱層的厚度為0.8μm至1.6μm。
  10. 如請求項7所述之半導體晶圓，其中該絕熱層的厚度為1.0μm至1.2μm。
  11. 如請求項7至10中任一項所述之半導體晶圓，其中形成在該第一金屬層上的一疊層具有小於3.5μm的厚度。
  12. 如請求項7至10中任一項所述之半導體晶圓，其中橫跨用於形成該熱致動器元件的該部分整個形成該第一金屬層。
  13. 如請求項7至10中任一項所述之半導體晶圓，其中形成在該第一金屬層上的一疊層具有2μm至3μm的厚度。
  14. 如請求項7所述之半導體晶圓，其中該熱致動器元件為一流體熱致動器。
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