CN101098788A - 喷墨打印头 - Google Patents
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Abstract
一种喷墨打印头，包括打印头加热电路阵列，每一个所述打印头加热电路与各自的打印头喷嘴有关。每一个加热电路包括加热装置(28)和用于驱动电流通过加热装置(28)的驱动晶体管(16)。该驱动晶体管(16)包括顶部栅极多晶硅薄膜晶体管，其在栅极下方具有场释放掺杂区(20)，并且加热装置包括限定驱动晶体管沟道的多晶硅层的一部分。这使得能利用多晶Si TFT技术在大的矩形基板上制造加热电阻器和驱动薄膜晶体管(TFT)(以及控制逻辑)。
Description
本发明涉及一种热喷墨打印头，尤其涉及一种与单独的打印喷嘴有关的驱动电路。
热喷墨打印是一种广泛使用的打印技术。典型的喷墨打印机含有至少一个打印盒(print catridge)，其中形成小的墨滴并喷向纸张或任何其它打印介质以在介质上形成图像。打印盒最接近打印介质的部分通常被称作打印头。其含有将微小喷嘴阵列钻到其中的孔板。具有与每一个喷嘴相邻的墨室，其中在液滴形成之前存储墨水。每一个墨室装配有产生热量的欧姆电阻器。通过快速加热存储在该室中的墨水来完成喷墨。墨蒸汽的快速膨胀迫使该室中的一部分墨水以液滴的形式从喷嘴中喷出。破裂的气泡在该室中产生真空，这导致使墨水从盒内的储墨器中重新填充该室，所有室与其流体相通。所补充的墨水冷却电阻器、室壁和喷嘴，从而当下一次激活加热电阻器时重新填充和冷却使它们为下一次形成液滴作好准备。
以薄膜形式将电阻器沉积在硅基板上或任何其它的基板上，并且所使用的电阻材料通常是金属合金。为了避免电阻器和墨水(其在大部分应用中是基于水)之间的化学反应，电阻器及其金属端子由至少一种惰性和耐热钝化层所覆盖，其通常由氮化硅构成。可以将空化层(cavitation layer)沉积在钝化层的顶部上，以减小对钝化层和电阻器层的机械损伤，这可能是由于当喷射液滴之后墨水重新填充时进入该室所产生的影响而引起的。
电阻器连接到根据将被打印的数据以特定顺序将其接入和断开的驱动晶体管。该驱动晶体管与电阻器相邻并制造在与电阻器相同的基板上。可以使用多种不同的技术来形成驱动晶体管。晶体管的沟道必须足够宽以便其导通状态电阻与加热电阻器的电阻相比较小。
为了提供高的打印吞吐量和高的打印分辨率，现代打印头的喷嘴数量通常为几百，而喷嘴节距通常为20-100μm。高喷嘴数量和小节距的结合使用于单独利用外部逻辑电路来寻址开关晶体管变得不切实际，因为这要求对于每一个喷嘴都有一个接触垫。因此，现代打印头具有嵌在打印头基板上的逻辑电路，其在与开关晶体管相同的工艺中制造。集成逻辑电路具有单个、串行的打印数据输入，并由此显著降低了外部接触垫的数量。
关于喷墨打印头的制造存在很多困难和问题。
尽管墨盒(inkjet cartridge)的喷嘴数量在最近这几年已经显著增加，但是喷嘴阵列尺寸仍比典型的打印介质的尺寸小很多。例如，对于办公应用的标准打印盒中的喷嘴阵列尺寸大约比A4和B4纸的宽度小10-20倍。为了补偿尺寸的这种差异，喷墨打印器装备有计算机控制的传送机构，包括步进电动机，其通过使该盒以蛇形方式在打印介质上移动而实现对该打印介质的完全覆盖。由于可以得到喷嘴阵列尺寸与打印介质尺寸相等的打印头，所以将不需要盒传输机构。这将简化打印工艺，并且由于这种打印头的高喷嘴数量，也将增加打印吞吐量。
常规打印头制造在硅晶片上。市场上的硅晶片的最大直径为30cm。因此，在基于30cm晶片的制造工艺中，仅中央部分可以用于制造其喷嘴阵列尺寸与典型打印介质(A4或B4纸)的尺寸相等的打印头。大部分的有效晶片面积将不适合于页宽(page-wide)打印头。实质上，可以制造打印头的单独部分并随后将这些部分连接到页宽打印头，但是这在技术上是困难的、昂贵的，并且导致图像不自然，这与相邻的打印头部分之间的连接质量有关。
对于具有非常高喷嘴数量的改进打印头，已经提出了多晶硅(多晶Si)薄膜晶体管(TFT)技术。在多晶Si打印头中，多晶Si岛提供沟道、源极、漏极和场释放(field relief)区。它们通过经由化学汽相沉积(CVD)将非晶硅(a-Si)沉积在基板上、随后注入掺杂剂并利用激光或其它本领域中公知的结晶技术使a-Si结晶来形成。由于基板不是TFT的一部分而仅提供机械支撑，因此可以使用很宽范围的基板材料，例如玻璃、塑料薄片或钢箔。该处理可以使用较大的矩形基板，其更适合于打印头应用。
使用多晶Si技术的问题在于液滴喷射所需的高功率。启动晶体管(firing transistor)的沟道必须足够宽以便当栅极为高电平时电压VDD几乎全部落在加热器上。理想地，晶体管的导通电阻应该不大于加热器电阻的10％。对于一些打印应用，液滴形成所需的功率可以高达每喷嘴2瓦特。假设大部分应用中的喷嘴节距仅在20至200μm的数量级上，则每喷嘴的功率都很高。该功率需要使用非常宽的晶体管，并且热喷墨打印的关键问题之一是将这种晶体管安装到小的喷嘴节距中。对于其中使用多晶Si技术而不是常规的CMOS技术在硅晶片上制造驱动晶体管的打印头尤其是这种情况。这是因为多晶Si TFT具有较高的阈值电压和较低的迁移率，并因此提供比常规CMOS晶体管更低的每沟道宽度电流。
一种减小所需沟道宽度的方法是增加电压VDD。为了保持功率恒定，加热器的电阻必须也增加，并且这意味着具有较小宽度的晶体管足以保证其导通电阻与加热器电阻相比仍然较小。由于对于固定功率加热器的电阻与电压VDD的二次方成比例，所以所需的晶体管宽度随VDD平方的倒数而降低，因此，增加VDD是一种非常有效的确保晶体管与小的喷嘴节距相适应的方法。这对于使用多晶Si TFT来驱动喷嘴尤其重要。
然而，虽然增加VDD减小了晶体管的尺寸，但是由于沟道两端上的较高压降导致由雪崩、热载流子效应和自加热引起的晶体管退化，所以也降低了晶体管的寿命。用于有源矩阵液晶显示器或有机电致发光显示器的常规多晶Si TFT在其所需寿命期间能够在截止状态下耐受通常为10V的最大源漏电压，而不会电退化。用于上述显示器应用的TFT一般具有在栅极之外且与栅极自对准的低剂量场释放区，以减小寄生的栅源和栅漏电容。
另一问题涉及加热室的退化。一种升温室(firing chamber)设计非常有效地使用耗散的热量，在该设计中加热电阻器的整个有效面积完全位于该室内，由于这种设计避免了室壁和相邻升温室中的过度温度增加。在常规设计中，这是通过延伸超出升温室的电阻层和沉积在电阻层之上的导电金属迹线来完成的，所述导电金属迹线在接近升温壁的升温室内部终止。钝化和空化层沉积在电阻层和金属迹线之上。因此，常规设计在升温室层内在两个金属迹线终止的位置处具有两个突变台阶。在喷墨打印领域中公知的是，由于打印期间的恒定温度循环和由于由液滴喷射之后重新填充所述室的墨水所引起的冲力而导致这些台阶易于退化。
根据本发明，提供一种包括打印头加热电路阵列的喷墨打印头，每一个打印头加热电路与各自的打印头喷嘴有关，其中每一个加热电路包括加热装置和用于驱动电流通过加热装置的驱动晶体管，其中驱动晶体管包括顶部栅极多晶硅薄膜晶体管，其在栅极下方具有场释放掺杂区，并且其中加热装置包括限定晶体管沟道的多晶硅层的一部分。
该器件能利用多晶Si TFT技术在大的矩形基板上制造加热电阻器和驱动薄膜晶体管(TFT)(以及控制逻辑)以及其间的电连接。在当前的多晶Si批量生产设备中，所使用的基板通常是尺寸在0.5和2m2之间的范围内的玻璃片。这使得能制造页宽打印头，并且由于基板是矩形而不是如在常规硅晶片工艺中的圆形，因此对于打印头制造整个基板面积是可用的。
开关TFT基于具有注入的场释放区(优选为低剂量)的结构，所述场释放区位于栅极下方，优选与高剂量注入的漏极区相邻。该结构被称为栅极重叠轻掺杂漏极(GOLDD)结构。与常规场释放结构相比，使用GOLDD导致截止状态下的最大可容许源漏电压的显著增加。对于与常规结构可比的氧化物厚度、沟道长度和迁移率，GOLDD TFT在截止状态下能耐受大约30V的源漏电压。给定沟道宽度和电源电压VDD之间的二次方相关性，并且使用上述10V和30V的值，则使用GOLDD使沟道宽度减小大约9倍。这是将该GOLDD结构用于热喷墨打印的主要优点。
如上所述，每喷嘴的功率通常高达2瓦特。如果使用常规TFT，最大电压大约为10V，则假设典型TFT参数(沟道长度、迁移率等)的话，TFT沟道将需要为2-3cm宽。如当前打印应用所需要的那样使宽度为2-3cm的TFT适应20-200μm的节距是非常困难的。然而，使用GOLDD器件能将沟道宽度减小到大约2-3mm。优选地，晶体管的沟道宽度小于5mm。
通过使用晶体管的多晶硅层制造加热装置，由于在相同层中制造电阻器及其端子，因此可以消除升温室(firing chamber)内的突变台阶，导致共面结构。这提高了产量并允许使用较薄的钝化和空化层，这反过来降低了液滴形成所需的能量。在本发明的重要实施例中，对升温室内的多晶Si岛的区域进行轻掺杂以形成加热电阻器，并且对相邻的区域进行重掺杂以形成电阻器端子。
优选地，加热装置包括掺杂的端子部分和端子部分之间的加热部分，其由相同层形成。
于是，对于电阻器和其端子之间的结相对于加热室壁位置的位置没有限制，因为这些结可以简单地由多晶Si岛内的不同注入区确定。因此，电阻器边界可以尽可能地接近室壁。在常规的升温室设计中，最小间隔和其它设计规则应用在室壁和由与电阻层重叠的金属迹线引起的突变台阶之间。
这也能在升温室中避免任何台阶，因为端子部分可以从加热部分延伸到升温室覆盖区域之外的区域，于是与端子部分的连接在升温室覆盖区域之外。
在晶体管制造和加热装置制造之间可以共享很多掺杂操作。
例如，可以将相同的掺杂应用于多晶硅层，以限定场释放区和加热部分。也可以利用与加热部分不同的掺杂来掺杂端子部分。可将与驱动晶体管的源极和漏极接触部分相同的掺杂应用于端子部分。
金属接触层优选连接到源极和漏极接触部分以及加热装置。该层可以延伸到加热室下方的区域中，并且这能使加热装置包括具有均匀掺杂的多晶岛。
驱动晶体管可以具有多个场释放区，例如与源极和漏极中的每一个相邻的一个场释放区，或者与漏极相邻的具有不同掺杂的多个区域。后一种选择能使节距进一步降低。两种选择给出不同的可能处理步骤。
晶体管可以包括自对准或非自对准的薄膜晶体管。
本发明还提供一种制造用于喷墨打印头的打印头加热电路阵列的方法，所述电路设置在共同的基板上，该方法包括：
在共同的基板上设置电介质层；
在电介质层上沉积非晶硅层；
处理非晶硅层以形成多晶部分；
将栅极电介质层设置在掺杂的多晶硅层上；
将栅极导体层设置在栅极电介质层上，并由栅极导体层至少限定栅极端子；以及
提供另一电介质层，
其中进行多次掺杂操作，以在多晶硅部分中限定源极、栅极、漏极和场释放晶体管区，将场释放区设置在栅极下方至少与漏极晶体管区相邻，并且其中加热装置包括限定驱动晶体管沟道的多晶硅层的一部分。
现在将参考附图详细描述本发明的实例，在附图中：
图1至3示出用于制造本发明的打印头的第一实例的工艺；
图4至10示出本发明的打印头的其它实例。
本发明提供一种喷墨打印头加热电路，其使用具有栅极下方的场释放掺杂区的顶部栅极多晶硅薄膜晶体管。多晶硅晶体管层的一部分形成加热器。
这允许制造具有高喷嘴数量的热喷墨打印头以使得能进行页宽打印并具有用于高打印分辨率的小喷嘴节距。由于使用与大的矩形基板相兼容的多晶Si TFT工艺，因此使前者成为可能，并且由于使用具有提高的最大工作电压的特定晶体管结构，而使后者成为可能。这些可以提供与常规多晶Si TFT相同的功率，但是具有显著降低的沟道宽度。
由于通过具有不同注入剂量的区域在相同的多晶Si岛中限定电阻器及其端子，因此可以避免升温室内的层中的突变台阶。在该室内没有突变台阶提高了产量并允许使用较薄的钝化层。而且，对于电阻加热器、其金属连接、以及热绝缘、钝化和空化层的制造可以避免单独的工艺步骤。所有这些可以使用来自多晶Si TFT工艺流程的步骤。
用于喷墨打印头喷嘴的加热电路包括在电源线之间串联的薄膜晶体管和加热装置。图1至3示出用于本发明的一个优选实施例的工艺流程，并且将晶体管整体示为16，而将加热器整体示为28。该实施例基于非自对准n型TFT结构，其场释放区与栅极完全重叠。图1至3示出制造工艺中的渐进步骤，并且为了简单起见，在不同附图中出现的用于部件的参考标记一般不再重复。
在多晶Si工艺中，基板10仅提供对多晶Si电路的机械支撑。与常规Si晶片工艺不同，其不形成晶体管的任一部分，因此可以使用一定范围的基板，例如玻璃、塑料薄片或金属箔。在用于显示器应用的多晶Si批量生产工艺中，使用厚度通常为0.4mm且尺寸在0.5和2m2之间的玻璃片。
工艺从对基板10的最初清洗开始，随后在基板的背面沉积电介质层的叠层(未示出)，通常为SiNx和SiOx。在背面以及正面沉积电介质的主要原因在于，在工艺中用作蚀刻剂的HF也蚀刻玻璃，这导致点蚀。另一个原因在于基板内的杂质将污染蚀刻槽。对于非常薄的基板，在背面上沉积电介质叠层补偿了由于沉积在正面上的层而产生的机械应力。
在基板背面上进行沉积之后，将电介质层的叠层12沉积在正面上，通常是SiOx在SiNx之上，随后是厚度通常为20-100nm的a-Si层14。通过通常在450℃下的热退火将a-Si膜的氢含量通常减小到3％。氮化物层防止来自基板的组分(例如，B、P、Na)扩散到所沉积的层中，尤其是扩散到形成TFT的多晶Si岛中。TFT沟道中的杂质将影响TFT的电性能。尤其，B和P将改变阈值电压。SiNx和SiOx的双层减小了至基板的针孔密度。
将光刻胶旋涂在a-Si层之上，以光刻的方式将特征限定到其中，以形成岛，用于制造加热电阻器28和驱动TFT 16，以及为了将打印数据分配到启动TFT栅极而集成在相同基板上的逻辑电路所需的任何其它的n型或p型TFT、电阻器、电容器、MOS电容器或导电迹线。使用利用SF6/HCL/O2气体混合物的RIE来对a-Si特征进行干法蚀刻，但是本领域技术人员也可使用其它蚀刻技术。
在限定岛之后，TFT需要通常为1-3×1012cm-2的低剂量的硼注入，以调整其阈值电压。然而，对于低水平的污染，可以省略该步骤。优化n型和p型TFT的阈值电压所需的掺杂剂浓度可以不同。如果是这种情况的话，除了图形化注入之外，还采用无图形注入(blanketimplant)。
对于集成逻辑电路中的任何n和p沟道TFT以及启动TFT的源极22、漏极24和场释放区20、电阻器及其两个端子，以及对于由逻辑电路可以使用的掺杂多晶Si制成的任何电容器、MOS电容器或导电迹线，需要另外的掩模限定和离子注入。
TFT场释放区20需要处于3×1012cm-2和3×1013cm-2之间(通常为9×1012cm-2)的磷剂量，以防止TFT退化，并且源极和漏极剂量通常为1015cm-2。
P沟道器件的源极和漏极区需要相同的剂量，但是利用硼作为注入种类。
在本发明的优选实施例中，其减少了离子注入和光刻步骤的数量，在与p沟道或n沟道TFT的源极和漏极接触区(源极22和漏极24)相同的高剂量注入步骤中掺杂形成电阻器端子29的多晶Si区。其优点是对于热转换器不需要其它的工艺步骤，这极大地简化了工艺流程并增加了制造产量。
在其它因素中，加热电阻器的电阻由液滴形成所需的能量和将施加到电阻器的最大电压VDD所确定。所需值可以通过改变电阻器长度、宽度、厚度和片电阻来调整，后者可以通过改变该区域中的注入剂量来调整。本发明的优选实施例避免了对于电阻器使用单独的离子注入步骤。代替地，在与场释放区20相同的注入步骤或工艺中可利用的任何其它适当的注入步骤中对电阻器28进行掺杂。
电阻器具有下电阻端子29和中心加热部分。
在离子注入步骤、光刻胶去除和表面清洗之后，利用能量密度通常为300mJ/cm2的准分子激光束、或者任何其它的适合于激光结晶的激光束，将注入的a-Si岛转变成多晶Si岛。或者，可以使用本领域中公知的其它结晶技术，例如金属诱导激光结晶或连续横向固化。
图2示出栅极氧化物30。其厚度可以在20和150nm之间的范围内，并且其可以在结晶Si岛的全表面清洗之后通过CVD来沉积。该氧化物还用作升温室中的钝化层。
栅极金属32沉积在栅极氧化物之上。厚度通常为200至300nm的铝合金可以用作栅极金属，并且利用干法或湿法蚀刻来限定该金属。在随后的步骤中，层间电介质24通过CVD沉积在栅极金属之上。可以使用SiNx，并且对于200-300nm的栅极金属典型厚度应该为500nm。该层也用作升温室中的钝化层。
通过湿法或干法蚀刻技术打开至源极和漏极、电阻器端子以及至栅极金属的接触孔。这需要蚀刻穿过电介质层34，以连接到栅极金属，并且需要蚀刻穿过电介质34和栅极氧化物30以连接导源极、漏极和电阻器端子。至栅极金属的连接未在图中示出。
根据工艺细节，打开至栅极金属的接触可能需要与用于打开至注入多晶Si的接触窗不同的技术。沉积第二金属层36并经由光刻和湿法或干法蚀刻将其限定为导电迹线。
图3示出沉积在源/漏极金属36之上以允许另一(第三)金属层42用于布线的电介质层40。该介电层40还用作升温室44中的钝化和空化层。在该层中经由干法和湿法蚀刻打开终止在源/漏极金属之上的接触孔。沉积并以光刻的方式限定第三金属层42，以连接到启动TFT的源极22，并连接到加热电阻器的一个端子。该金属还用于集成逻辑电路内的较高层布线。
在图3所示的最终工艺步骤中，沉积用于升温室壁的材料50，并且限定该壁使得加热电阻器位于升温室内部。将孔板52结合到该室的顶部上。
本发明由此提供具有源极、漏极和栅极的薄膜晶体管(TFT)。通过经由化学汽相沉积(CVD)将非晶硅(a-Si)沉积在基板上并随后利用激光或本领域公知的其它结晶技术使a-Si结晶，来形成提供沟道、源极和漏极的多晶硅(多晶Si)岛。由于基板不是TFT的一部分而仅是提供机械支撑，因此可以使用很宽范围的基板材料，例如玻璃、塑料薄片或钢箔。将栅极氧化物和栅极金属制造在多晶Si岛之上。除了形成源极和漏极区的高剂量注入区之外，TFT还具有与漏极相邻并与栅极重叠的低剂量注入区。该区域降低了漏极电场并由此允许在沟道上施加较高的电压，而不会损害TFT稳定性和雪崩电流。TFT的源极连接到地，并且漏极通过金属互连连接到多晶Si电阻加热器的一个端子29，在与多晶Si岛形成TFT的相同工艺步骤中制造所述多晶Si电阻加热器。该电阻器的第二端子29经由金属互连连接到电源电压。钝化层覆盖TFT和电阻器，并且将墨室限定在电阻器之上。
如果TFT是如图3中的n型晶体管，则在栅极为高电平的情况下TFT处于导通状态。如果其导通电阻与加热器电阻相比较小，则外部电压VDD将几乎全部落在电阻器上，这将导致墨水蒸发和液滴喷射。如果栅极信号为低电平，则TFT处于非导通状态。在电阻器中没有热消散，并且外部电压VDD将几乎全部落在TFT沟道上。在使用p型晶体管的情况下，如果栅极电压为低电平则电阻器将消散热，而如果栅极电压为高电平则不存在热消散。
如果基板是良好的热导体，例如钢箔或Si晶片，则重要的是使加热器与基板热绝缘，以便使传递到基板中而不是传递到室中的墨水的能量最小化。电介质覆盖层还用作用于电阻器的热绝缘层，这对于绝缘层的制造而言消除了对单独的沉积和掩模的需要。
本发明的工艺还提供对用于电阻器制造的TFT结构的不同材料层的有效使用。尤其，在多晶Si TFT工艺中需要几个电介质层，这些包括栅极氧化物、栅极和源/漏极金属之间的电介质层、在源/漏极金属之上并用于最常用的基板如玻璃、塑料或钢箔的电介质层、在基板和多晶Si之间的覆盖层。需要后者以防止杂质从基板迁移到多晶Si中，其中所述杂质会使TFT的电特性退化，并且需要后者以在使用导电基板的情况下，使基板与多晶Si绝缘。通常，由于与多晶Si的高质量界面提供最好的TFT电特性，因此选择氧化硅作为覆盖层，或者在使用不止一层的情况下作为顶部覆盖层。
TFT所需的栅极氧化物和两个电介质层也可以用作用于多晶Si电阻器的钝化和空化层。因此，这些层的制造不需要单独的工艺步骤，例如沉积和光刻掩模步骤。
与常规Si工艺相比，在多晶Si TFT工艺中栅极氧化物较厚。这是因为氧化物必须是沉积的而不能是热生长的，由于这将熔化基板。而且，由不同尺寸的任意取向的Si晶体构成的多晶Si层的粗糙表面需要厚的氧化物，以防止栅极金属和多晶Si之间的短路。由于其增加的厚度，栅极氧化物对钝化层的整个厚度起很大的作用。在常规Si工艺中，氧化物厚度仅为几纳米，这太薄了以致不能保护电阻器，并因此需要沉积单独的厚钝化层。三层用作钝化层的优点在于这降低了有效针孔密度，导致了较高产量。然而，对于一些应用，使用顶部电介质层是足够的，在这种情况下，在栅极金属之上的栅极氧化物和电介质可以在与接触孔开口相同的工艺步骤中去除。
因此，不需要专门用于制造加热元件的工艺步骤，因为绝缘层、电阻器以及钝化层全部作为多晶Si TFT工艺的一部分形成。
在图4所示的本发明的另一实施例中，在多晶Si电阻器区28中去除栅极金属之上的栅极氧化物30和电介质34，仅留下顶部电介电层40，其可以由多层组成，以用作钝化和空化层。在与至掺杂多晶Si的接触窗开口相同的工艺中清除电阻器中的栅极氧化物30和电介电层。与图3所示的实施例的不同之处在于，需要在金属处于电介质之上的区域中和在其覆盖注入多晶Si的电阻器区域中去除源/漏极金属。蚀刻技术对于本领域技术人员而言是公知的，其允许利用相同的工艺步骤在这两个区域中去除金属。该实施例的优点在于，与图3所示的实施例相比，其提供了减小钝化和空化层整个厚度的机会。这使得能以较低的热能形成液滴。
在图5所示的本发明的另一实施例中，启动晶体管和电阻器使用相同的多晶Si岛80。尤其，经由光刻和离子注入将重掺杂的高导电区82制造在该岛内，其用作TFT源极区和电连接到TFT源极的电阻器端子。该实施例的优点在于，与图3中的实施例相比，由于不存在连接金属迹线，而使其减小了布图面积。减小的布图面积能实现用于高分辨率打印应用的较小喷嘴节距。
重掺杂多晶Si的片电阻通常为200欧姆/平方，该值比金属的片电阻高很多，对于铝或铝合金，片电阻约为0.1欧姆/平方。因此，与图3中的金属连接相比，图5中的多晶Si连接将增加很大的串联电阻。然而，由于使用高稳定的GOLDD TFT，因此可以利用高的VDD值实现所需的每喷嘴功率，从而可以使用具有高阻的加热电阻器。因此，与图3中的低电阻设置相比，由于将TFT源极和电阻器端子组合在一个多晶Si区中而导致的任何其它的串联电阻与加热器电阻相比可以保持得较小，这是由于使用了可以在高压下工作的GOLDD TFT。
图6和7示出本发明的另一实施例，其中加热电阻器经由限定在源/漏极金属36中的金属迹线90连接到启动TFT的源极和外部电源电压VDD，该金属迹线90达到升温室44中并接近于室壁而终止。在图6中，栅极氧化物和两个电介质层用作钝化和空化层，并且在图7中，以与图4中相同的方式去除栅极氧化物和第一电介质层。这两个实施例的优点在于它们稍微减小了布图面积。缺点是在升温室中存在突变台阶，这易于引起如上所述的退化。
图1至7中的实施例基于非自对准(NSA)GOLDD工艺。存在其它的GOLDD结构，并且在图8和9中示出了实例。其作为启动TFT以及在用于热喷墨应用的集成逻辑电路中的使用，也旨在处于本发明的范围内。由于结构的改变不影响加热电阻器和升温室，因此附图仅示出加热电路的TFT部分。
图8示出自对准(SA)GOLDD TFT，其中栅极用作掩模，以将多晶硅TFT岛的源极和漏极掺杂区对准栅极的边缘。在典型的SAGOLDD工艺中，首先注入用于阈值电压调整的低剂量区域和场释放区，之后使Si岛结晶。然后沉积栅极氧化物，随后进行栅极金属的沉积和限定。优选通过栅极氧化物，或者在去除栅极氧化物之后以较低的注入能量利用栅极作为掩模注入源极和漏极区。
在图中未示出从不同于栅极下方的区域中去除栅极氧化物的选择，但这是允许使用较低注入剂量的选择。然而，该剂量需要额外的工艺步骤。
由于源极和漏极注入损害了这些区域中的多晶结构，因此需要激光或热退火来使这些区域再结晶。
与上述的非自对准(NSA)工艺相比，SA工艺的优点在于，由于不存在源极和漏极重叠，而使其制造了较小的TFT，并减小了栅源和栅漏寄生电容。前者减小喷嘴节距，而后者提高逻辑电路的工作频率。缺点是由于SA GOLDD TFT的较低稳定性而使最大工作电压VDD减小。稳定性降低的原因在于，由于漏极和场释放区20之间的结处的掺杂分布的突变，而使SA GOLDD TFT在漏极处具有较高电场。上述NSA结构的特征在于，由于在激光结晶期间掺杂剂在熔化的Si中的扩散，导致沟道和场释放区之间以及场释放区和漏极之间的加宽结。加宽结降低了漏极处的场，并由此允许沟道上的较高电压而不会出现退化。在SA GOLDD结构中，如图8所示，在漏极和场释放区之间的结处没有掺杂剂扩散，因为该结被反射的栅极部分覆盖，并由此防止在再结晶期间熔化该结处的Si。
图9中的实施例基于完全SA GOLDD结构，其中使用导电间隔物限定场释放区100。在栅极限定之后，使用栅极作为掩模通过氧化物30注入场释放区。在制造导电间隔物102之后，注入源极和漏极区。热退火使硅再结晶。该结构的优点在于其甚至小于图8中的SAGOLDD结构，但是缺点在于，由于两个结都具有突变的掺杂分布，因此最大源漏电压甚至进一步降低。
图10示出另一实施例。与图1-7中一样，启动TFT基于NSAGOLDD结构。差别仅在于该结构在漏极处具有多个场释放区110，其中的每一个的特征在于一定的注入剂量和长度。场释放区中的至少一个在场释放区制造期间可以不接受注入。在这种情况下，其注入剂量要么与阈值电压调整所需的剂量相同或者为零，因为该剂量通常应用于形成TFT的整个多晶Si岛，要么在污染物水平足够低以至于不需要阈值电压调整的情况下为零。在优选实施例中，场释放区的注入剂量越高，该区域与漏极就越近。
多个场释放区的优点在于，其降低了漏极处的电场，导致扭结效应(kink effect)、雪崩电流和电场诱发的漏电流的减小。由此，具有多个场释放区的GOLDD器件能实现较高的工作电压VDD，而不损害稳定性。对于固定的每喷嘴功率，使用较高的VDD意味着电阻器的电阻也可以增加。因此，具有较小宽度的TFT将足以保证其导通电阻与加热器的电阻相比仍然较小。由于对于固定功率加热器电阻与电压VDD的二次方成比例，因此所需TFT宽度随电压VDD平方的倒数而降低。因此，引入多个场释放区是一种减小喷嘴节距的有效方法。
GOLDD尤其是具有多个场释放区的GOLDD具有用于宽或页宽喷嘴阵列的打印应用的关键优点。由分别将所有启动TFT源极和电阻器连接到公共地或VDD的金属迹线引入的串联电阻在具有大喷嘴数量的宽阵列中是大的。为了确保电压VDD几乎全部落在电阻器上，源极迹线的串联电阻与TFT导通电阻相比必须较小，并且电阻器迹线的串联电阻与加热器电阻相比必须较小，否则前者会降低栅源电压，这将增加TFT导通电阻，而后者会降低电阻器端子处的电压。对于基于GOLDD或具有多个场释放区的GOLDD的电路，与具有不能在高VDD下工作的常规TFT的电路相比，由于连接迹线而导致的串联电阻比TFT导通电阻和加热器电阻小得多。
具有多个场释放区的GOLDD TFT也可以在如图8和9分别所示的SA和完全自对准工艺中制造。
各种修改对于本领域技术人员而言是显而易见的。
Claims (29)
1、一种喷墨打印头，包括打印头加热电路阵列，每一个所述打印头加热电路与各自的打印头喷嘴相关联，其中每一个加热电路包括加热装置(28)和用于驱动电流通过所述加热装置(28)的驱动晶体管(16)，其中所述驱动晶体管(16)包括顶部栅极多晶硅薄膜晶体管，其在栅极下方具有场释放掺杂区(20)，并且其中所述加热装置包括限定所述驱动晶体管沟道的多晶硅层的一部分。
2、如权利要求1所述的打印头，其中所述场释放区(20)设置在漏极接触区(24)和所述驱动晶体管(16)的沟道之间。
3、如权利要求1或2所述的打印头，其中所述加热装置包括掺杂的端子部分(29)和所述端子部分(29)之间的加热部分，其由相同层形成。
4、如权利要求3所述的打印头，其中所述加热装置(28)和所述驱动晶体管(16)的多晶硅形成连续的岛。
5、如权利要求3或4所述的打印头，其中将相同的掺杂应用于所述多晶硅层，以限定出所述场释放区(20)和所述加热部分。
6、如权利要求3至5中任一项所述的打印头，其中还利用与所述加热部分不同的掺杂来掺杂所述端子部分(29)。
7、如权利要求3至6中任一项所述的打印头，其中将与所述驱动晶体管的源极和漏极接触部分(22、24)相同的掺杂应用于所述端子部分(29)。
8、如前述权利要求中任一项所述的打印头，其中提供连接到所述源极和漏极接触部分(22、24)和连接到所述加热装置(28)的金属接触层(36)。
9、如权利要求8所述的打印头，其中将加热室(44)设置在所述加热装置上方，并且其中所述金属接触层(90)延伸到所述加热室(44)下方的区域中，并且其中所述加热装置包括具有均匀掺杂的多晶硅岛。
10、如前述权利要求中任一项所述的打印头，其中所述驱动晶体管具有多个场释放区(100；110)。
11、如权利要求10所述的打印头，其中将场释放区(100)设置成与所述源极(22)和漏极(24)接触区中的每一个相邻。
12、如权利要求10所述的打印头，其中所述场释放区包括与所述漏极接触区(24)相邻的具有不同掺杂的多个区(110)。
13、如前述权利要求中任一项所述的打印头，其中所述驱动晶体管设置在共用基板(10)和电介质层叠层(12)的上方，并自所述基板按顺序包括：
多晶硅层(14)；
栅极电介质层(30)；
栅极导体层(32)；
层间电介质层(34)；以及
由第二金属层(36)限定的源极和漏极连接。
14、如权利要求13所述的打印头，其中每一个打印头加热电路包括在所述加热装置(28)上方的加热室(44)，所述加热室设置在所述多晶硅层(14)、所述栅极电介质层(30)、所述层间电介质层(34)和另一电介质层(40)的上方。
15、如权利要求13所述的打印头，其中每一个打印头加热电路包括在所述加热装置(28)上方的加热室(44)，所述加热室(44)设置在所述多晶硅层(14)和所述另一电介质层(40)的上方，从所述加热室(44)下方去除所述栅极电介质层(30)和所述层间电介质层(34)。
16、如权利要求14或15所述的打印头，其中所述室(44)由室壁(50)和上覆的孔板(52)限定。
17、如前述权利要求中任一项所述的打印头，其中所述驱动晶体管包括非自对准薄膜晶体管。
18、如权利要求1至16中任一项所述的打印头，其中所述驱动晶体管包括自对准薄膜晶体管。
19、一种制造用于喷墨打印头的打印头加热电路阵列的方法，所述电路设置在共用基板(30)的上方，该方法包括：
在所述共同基板(30)上设置电介质层(32)；
在所述电介质层(32)上沉积非晶硅层；
处理所述非晶硅层以形成多晶部分；
将栅极电介质层(50)设置在掺杂的多晶硅层上；
将栅极导体层(52)设置在所述栅极电介质层上，并由所述栅极导体层(52)至少限定栅极端子；以及
提供另一电介质层(54)，
其中进行多次掺杂操作，以在多晶硅部分中限定出源极、栅极、漏极和场释放晶体管区，将场释放区设置成在所述栅极下方至少与所述漏极晶体管区相邻，并且其中所述加热装置包括限定所述驱动晶体管沟道的多晶硅层的一部分。
20、如权利要求19所述的方法，还包括在所述另一电介质层(54)上方设置第二金属层(56)，以限定出源极和漏极连接以及与所述加热装置的连接。
21、如权利要求19或20所述的方法，其中所述掺杂操作进一步限定出掺杂的加热装置端子部分(29)和所述端子部分(29)之间的加热部分。
22、如权利要求21所述的方法，其中将所述加热装置(28)和所述晶体管(16)的多晶硅图形化为连续的岛。
23、如权利要求21或22所述的方法，其中将相同的掺杂应用于所述多晶硅层，以限定出所述场释放区(20)和所述加热部分。
24、如权利要求21至23中任一项所述的方法，其中所述掺杂操作利用不同于对所述加热部分的掺杂进一步掺杂所述端子部分(29)。
25、如权利要求21至24中任一项所述的方法，其中将与所述驱动晶体管的源极和漏极接触部分(22、24)相同的掺杂应用于所述端子部分(29)。
26、如权利要求19至25中任一项所述的方法，还包括在所述加热装置上方形成加热室(44)，其中金属接触层(90)延伸到所述加热室(44)下方的区域中，并且其中所述加热装置包括具有均匀掺杂的多晶硅岛。
27、如权利要求19至26中任一项所述的方法，其中所述掺杂操作限定出多个场释放区(100；110)。
28、如权利要求27所述的方法，其中所述掺杂操作限定出与所述源极(22)和漏极(24)中的每一个相邻的场释放区(100)。
29、如权利要求27所述的方法，其中所述掺杂操作限定出与所述漏极(24)相邻的具有不同掺杂的多个场释放区(110)。
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