CN1251872C - 喷墨记录头衬底、喷墨记录头及喷墨记录装置 - Google Patents

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Abstract

在设置第一布线(驱动电源(VH)用的布线)和第二布线(高电压接地用布线(GNDH))的情况下，其中第一布线共同连接到多个电热转换器24并连接到驱动电源上、为多个电热转换器24提供电力，第二布线用于将上述各个电热转换器30的源极区域接到接地电位上，将第二布线的电阻选择为比第一布线的电阻小。

Description

喷墨记录头衬底、喷墨记录头及 喷墨记录装置
技术领域
本发明涉及喷墨记录头衬底、具有这样的喷墨记录头衬底的喷墨记录头和使用该喷墨记录头的喷墨记录装置。上述喷墨记录头衬底，用在通过从排出口排出墨水液滴进行记录等的喷墨记录头中，包括产生排出能量的电热转换器和用于驱动该电热转换器的开关元件及控制这些开关元件的逻辑电路。
背景技术
根据利用热量从排出口排出墨水的喷墨记录方法，在作为各种输出用的终端等而使用的喷墨记录装置中，安装有喷墨记录头。该喷墨记录头包括喷墨记录头衬底，在该衬底上一起形成有电热转换元件(加热器)、开关该电热转换元件的元件(以下称为开关元件)、用于驱动该开关元件的逻辑电路。
图21是表示常规喷墨记录头的一部分的示意剖面图。由单晶硅构成的半导体衬底901中形成了p型阱区域912、高杂质浓度的n型漏极区域908、低杂质浓度的n型电场缓和漏极区域916、高杂质浓度的n型源极区域907以及栅极电极914，通过这些，形成使用MIS型电场效应晶体管的开关元件930。而且，半导体衬底901的表面上设置有作为蓄热层917及绝缘层的氧化硅膜、作为热电阻层918的氮化钽膜、作为布线919的铝合金膜以及作为保护层920的氮化硅膜，由以上这些形成了记录头的衬底940。在这里标号950为发热单元，从与发热单元950相对的墨水排出单元960排出墨水。另外，顶板970与衬底940配合形成液路980。在日本特开平10-71713中公开了采用上述开关元件的喷墨记录头。
但是，对于上述构造的记录头和开关元件，以前实施了多种改良，近年对于制品或产品，更加要求高速驱动(大量电热转换器的配置)、节能(在电热转换器上的电能消耗率的提高，高电压驱动)、高度集成(电热转换器、平行配置的开关元件的排列密度的提高)、低成本(由每一个电热转换器的开关元件等的尺寸小型化而引起的芯片尺寸的小型化，由芯片尺寸的小型化而引起每一个晶片实质上得到芯片数目的提高、主体的电机电源电压(例如20～30V)和电热转换元件驱动电压的同一电压)以及高性能化(由高速开关等引起的脉冲控制性提高)。
但是，在为了驱动电热转换元件这样的负载所必需的大电流下，如果使用常规的MIS型电场效应晶体管930，漏极阱的pn反偏置结部分耐不了高电场，而产生漏电流，就不能满足作为开关元件所要求的耐压能力。而且，有这样一个应该解决的课题：如果作为开关元件而使用的MIS型电场效应晶体管的导通电阻大，由于这里的电流的无用的消耗，就得不到为了驱动电热转换元件所必需的电流。
对此，近年提出了将可小型化的DMOS(双扩散MOS)晶体管作为驱动器来使用的方案。例如，在EP1221720A2中公开了采用这样的DMOS晶体管的喷墨记录头。但是，如后述那样，DMOS晶体管漏极耐压能力虽然高，但源极—衬底间的耐压能力却没有那么高。因此，如果将DMOS晶体管作为用于电热转换器的开关元件使用，由于流经电热转换器的电流和接地布线电阻之积引起的源极电压上升，在源极—衬底间可能发生击穿。
因此，本发明的目的在于：提供一种DMOS晶体管，它能够流经大电流、高耐压高速驱动、节能、可高度集成，因而即使是整个打印装置也可实现低成本，同时提供一种将该DMOS晶体管作为电热转换器的开关元件而使用时必须考虑的、用于防止源极—衬底击穿的装置。
发明内容
根据本发明的喷墨记录头衬底，在第一导电型半导体衬底上设置有：多个电热转换器，共同连接到上述多个电热转换器并连接到驱动电源、用于为上述多个电热转换器提供电力的第一布线，用于将上述多个电热转换器接到接地电位上的第二布线，以及设置在该第二布线和上述电热转换器之间、用于给上述多个电热转换器建立电连接的多个开关元件；并且上述开关元件是绝缘栅型电场效应晶体管，包括：第二导电型的第一半导体区域，设置在上述半导体衬底的一个主表面上；第一导电型的第二半导体区域，设置在上述半导体衬底的上述表面上，且与上述第一半导体区域邻接设置用于提供沟道区域，由与上述第一半导体区域相比杂质浓度更高的半导体构成；第二导电型的源极区域，部分地设置在上述第二半导体区域的与上述半导体衬底相反的表面上；第二导电型的漏极区域，部分地设置在上述第一半导体区域的与上述半导体衬底相反的表面上；栅极电极，中间隔着栅极绝缘膜设置在上述沟道区域上；连接在上述源极区域一侧的上述第二布线的布线电阻小于连接在上述漏极区域一侧的上述第一布线的布线电阻。
本发明的这种喷墨记录头衬底，作为半导体衬底，典型的是使用p型半导体区域做主体。例如，在根据本发明的喷墨记录头衬底中，在半导体衬底上集成了：多个电热转换器；为上述多个电热转换器提供电力的第一布线，共同连接到上述多个电热转换器，并连接到驱动电源上；用于将上述多个电热转换器接到接地电位上的第二布线；设置在该第二布线和上述电热转换器之间的、用于给上述多个电热转换器建立电连接的多个开关元件；上述半导体衬底是将p型区域作为主体的；以及上述开关元件是绝缘栅型电场效应晶体管，包括：一个n型半导体区域，设置在上述半导体衬底的p型区域表面上；一个p型半导体区域，贯通该n型半导体区域直至上述半导体衬底的p型区域表面用于提供沟道区域，且由比上述n型半导体区域杂质浓度更高的半导体构成；部分地设置在上述p型半导体区域的表面一侧的高浓度的n型源极区域；部分地设置在上述n型半导体区域的表面一侧的高浓度的n型漏极区域；以及中间隔着栅极绝缘膜设置在上述沟道区域上的栅极电极；并且连接在上述源极区域一侧的上述第二布线的布线电阻小于连接在上述漏极区域一侧的上述第一布线的布线电阻。通过这种结构，具有如下效果：作为开关元件，即使是使用DMOS晶体管那样的源极—衬底(阱)之间的耐压能力比较小的元件的情况，也能确实防止开关元件中的击穿。
在本发明中，上述第二半导体区域可与上述半导体衬底邻接地形成。
另外，使上述第二布线宽度比上述第一布线的布线宽度大较好。上述源极区域和上述漏极区域在横向上交替设置。设置有两个上述栅极电极，将上述源极区域夹在中间较好。上述多个电热转换器的排列方向与上述多个开关元件的排列方向平行较好。对一个上述电热转换器，至少连接有2个上述绝缘栅型电场效应晶体管的上述漏极区域，并且上述多个绝缘栅型电场效应晶体管的上述源极区域是共同连接着的较好。上述绝缘栅型电场效应晶体管的有效沟道长度，由上述第二半导体区域和上述源极区域的横向的杂质扩散量的差来决定较好。
另外，上述电热转换器具有串联电连接的多个发热元件，上述串联连接的多个发热元件是邻接配置着的较好。上述发热元件的串联连接个数是2个。最好是上述电热转换器由电阻率为450μΩ·cm或以上的钽氮化硅材料形成，表面电阻为70Ω/□或以上。
为上述电热转换器提供能量的电源和给使上述喷墨记录头移动的电机的电源的电压，最好采用相同的电压。
附图说明
图1是本发明的第一实施方式的喷墨记录头衬底的部分平面图。
图2是图1所示的喷墨记录头衬底的剖面图。
图3是表示图1所示的喷墨记录头衬底的工作电路图。
图4是表示图1所示的喷墨记录头衬底的等价电路图。
图5是第一实施方式的喷墨记录头的平面图。
图6A和图6B是说明DMOS晶体管中的源极—衬底间的耐压能力的图。
图7是图5的主要部分VII的放大图。
图8是图6A和图6B主要部分的另一放大图，显示电热转换器的另一构成举例。
图9是表示图8的结构的等价电路图。
图10是表示第二实施方式的喷墨记录头衬底的平面结构的平面图。
图11A、11B、11C、11D、11E是图10所示的喷墨记录头衬底的剖面图。
图12是表示喷墨记录头的一部分的剖面结构的剖面图。
图13是表示MIS电场效应晶体管阵列的平面图。
图14是图13所示的MIS型电场效应晶体管阵列的剖面图。
图15是另一MIS型电场效应晶体管阵列的平面图。
图16是图15所示的MIS型电场效应晶体管阵列的剖面图。
图17是表示设置在喷墨记录头衬底上的电路的方框图。
图18是使用图1表示的喷墨记录头衬底的喷墨记录头的示意结构图。
图19是图18所示的喷墨记录头的透视图。
图20是表示使用了图11及图19所示的喷墨记录头的喷墨记录装置的结构例的透视图。
图21是表示常规喷墨记录头一部分的示意剖面图。
具体实施方式
下面，参照附图说明本发明的优选实施方式。
第一实施方式
首先，参照图1～图4，就本发明的第一实施方式中的液体排出装置用的喷墨记录头衬底加以详细说明。
P型半导体衬底1上形成了n型的阱区域2(第一半导体区域)、栅极电极4、p型的基极区域6(第二半导体区域)、n型的源极区域7、n型的漏极区域8、9以及接触部件11、源极电极12、漏极电极13。用图示点划线包围的区域表示作为开关元件30的绝缘栅型电场效应晶体管。如图4的等价电路所示，作为负载的电热转换器31～33的一端，分别连接在作为源极接地的开关元件的绝缘栅型电场效应晶体管Tr1、Tr2、Tr3的漏极上。电热转换器31～33的其他端公共地连接在电热转换器的电源电压VH上。用于外加栅极电压VG的开关34～36，连接在绝缘栅型电场效应晶体管Tr1、Tr2、Tr3的栅极上。
电热转换器31～33通过薄膜工艺形成并集成在半导体衬底1的主表面上。同样地，开关元件Tr1～Tr3排列在半导体衬底1的主表面上。根据需要，如果电热转换器和开关元件的排列方向互相平行，更能提高集成度。而且，此时最好是像图1～图3所示那样排列开关元件。这里，连接在电热转换器上的晶体管的结构完全相同，而且采用晶体管阵列内的晶体管间无需专用元件分离区域的结构。
一个段采用配置2个栅极电极和2个源极区域，把漏极区域夹在中间的结构，其中，源极区域为邻接的段所共有。
在图3所示的例子中，把两个段的漏极接在电热转换器的第一端子上，把公共源极接在提供0V(接地电位)这样的相对较低的基准电压的低基准电压源(GNDH)上。电热转换器的其他端子接在提供例如+10～+30V程度的相对较高的基准电压(电源电压)的电源上。
现在简要说明喷墨记录头衬底的工作。给P型半导体衬底1及源极区域7提供例如接地电位这样的基准电压。并且，给电热转换器31～33中的第一端子提供高电源电压VH。其中，例如只给电热转换器31中通电流时，只导通开关34，从而给构成开关元件Tr1的2个段的晶体管的栅极4提供栅极电压VG，因而导通开关元件Tr1。于是，电流从电源端子通过电热转换器31、开关元件Tr1流到接地端子，在电热转换器31中产生热量。并且，如众所周知的那样，该热量被利用在液体排出上。
在本实施方式中，如图2所示，形成基极区域6，以横向分离以足够深度形成的阱区域2。在晶体管30中，该阱区域2和基极区域6分别起漏极和沟道的作用。因此，与普通的MOS晶体管中那样形成构成沟道的半导体区域之后形成漏极的情况相反，因为沟道是在形成漏极之后形成的，所以能够将漏极杂质浓度(这里为第一半导体区域2的施主浓度)设定为变得比沟道杂质浓度(这里为第二半导体区域6的受主浓度)低。晶体管的耐电压能力由该漏极的耐电压能力决定，通常是漏极的浓度越低且漏极的深度越深，则耐电压能力越高。因此，在本实施方式中，能较高地设置额定电压，能使用大电流，从而实现高速动作。
另外，本实施方式中的晶体管30的有效沟道长度，由基极区域6和源极区域7的杂质的横向扩散量的差来决定。该横向扩散量基于物理方面系数而决定，所以有效沟道长度能比常规情况更短地设定，能够使导通电阻降低。该导通电阻的降低，导致单位尺寸的电流通过量增大，从而允许高速动作、节能以及高度集成。
另外，配置有2个栅极电极4，把源极区域7夹在中间，如后述那样，该基极区域6和源极区域7，都通过把栅极电极4作为掩膜而自动对准地形成，所以不会产生由于对准而引起的尺寸差，能够阈值规则地制造出开关元件(晶体管)30，实现高成品率，获得高可靠性。
另外，为了把阱区域2完全分离，基极区域6达到其下的p型半导体衬底1，基极区域的底部形成具有与衬底1邻接的足够深度。因为这种构造，能够分别电性分离各段的各个漏极。所以，如图1～3那样，即使在不使用专用的元件分离区域的情况下将源极区域7和漏极区域8、9横向交替配置，也不会妨碍各开关元件的动作。
另外，在图1及图2没有表示，但是形成有用于取出p型半导体衬底1的电位的扩散层，通过该扩散层和p型半导体衬底1，能够把基极区域2保持为预定的电位。在图3中，电位取出用的扩散层连接到用于限定p型半导体衬底1电位的接地布线(GNDL)。
在图3、图4所示的实施方式中，表示并联连接的晶体管的2个漏极(2个段)，与可独立驱动的一个负载连接的例子。并且，在向栅极施加用于驱动负载的导通信号时，晶体管为导通状态，电流从一个漏极通过位于其两侧的沟道流入公用源极。按上述那样，在邻接的段间，能够公共地使用位于边界的源极。据此，把本实施方式中的晶体管配置成阵列状，作为液体排出装置使用时，各个晶体管间，没必要特别地形成由pn结分离用的半导体或LOCOS或沟槽分离用的介质体等组成的专用元件分离区域等，通过图2、3所示的简单的层结构，就能实现可流过大电流的、高度集成的喷墨记录头衬底，从而降低成本。
而且，能充分抑制从漏极流向p型半导体衬底1的漏电流。
这里，本发明人发现，通过构造绝缘栅型电场效应晶体管作为安装到喷墨记录头衬底的开关元件30，以具有上述的结构(DMOS晶体管)，产生一需要考虑的新问题。
即，源极区域和衬底间的耐压能力低下。认为这是喷墨记录头衬底固有的问题。
就这一点，下面详细说明。
图5是表示在喷墨记录头衬底上的各元件的配置的平面图。该喷墨记录头衬底21具有实质上为矩形的形状，在衬底的中央部分作为在长边方向延伸的通孔形成有墨水供给口20。沿着墨水供给口20的两侧，设置了多个电热转换器24(与图3、图4中的电热转换器31～33对应)。该电热转换器24，用于对通过墨水供给口20从喷墨记录头衬底21的后表面一侧供给的液体(墨水)进行加热变，产生气泡，从而在电热转换器24对面设置的排出口排出墨水液滴。在每个电热转换器24远离墨水供给口20的一侧，设置开关元件30。进而，在喷墨记录头衬底21上，设置有逻辑电路单元23、用于从记录装置主体部分一侧向该喷墨记录头衬底21提供电源和信号的多个焊盘22。逻辑电路单元23包括通过焊盘22从记录装置主体一侧提供信号时，基于该信号控制各个开关元件30的导通/切断的逻辑电路。
这里，关于图3，虽然对仅向p型半导体衬底1及源极区域7提供诸如接地电位这样的基准电压、对电热转换器31～33的第一端子提供高基准电压(电源电压)VH这样的例子进行了说明，但是在图5所示那样的实际的喷墨记录头衬底上，将对应于数百个喷嘴的多个电热转换器排成一列，并且选择布线电阻的组合，使得给所有电热转换器提供的能量一致。
如图5所示，从焊盘22到电热转换器24的布线长度，对于每个电热转换器24都是不同的，在此状态下，布线的电阻也变得不同。布线电阻如果不同，则在电热转换器24的发热量也会不同，这成为产生每个墨水排出口的墨水排出量不均一的原因。所以，在喷墨记录头衬底上，采用阶段性改变布线宽度等的方法，选择布线电阻的组合，使得即使是不同的布线长度，每个电热转换器的布线电阻尽量一致。并且，这样的布线电阻的组合，是以原来布线电阻相对较高的电热转换器为基准而进行的，其结果，作为整体，电热转换器的布线电阻也能比较高地设定。
在图3、图4中，从电源电压VH一例的焊盘22到电热转换器31～33的上述布线电阻用电阻RVH来表示。
电热转换器31～33和与它对应的开关元件30(晶体管Tr1～Tr3)邻接配置，其间的布线电阻可忽略。并且，从晶体管Tr1～Tr3的源极到接地(GND)用的焊盘22的布线电阻用电阻Rs表示。特别地、晶体管Tr1～Tr3一侧的布线电阻Rs对开关元件30作为源极电阻来发挥作用。其结果，用该电阻值和流经电热转换器的电流(即，开关元件30的漏极电流)之积来表示的电位差，产生在开关元件30的源极区域和电热转换器接地(GNDH)的端子之间。另一方面，确定上述的p型半导体衬底1的电位的接地布线(GNDL)为与电热转换器独立的布线，由流经电热转换器的电流而引起的电位变化在该布线中基本不发生。所以，在通常的喷墨记录头衬底的一个方面中，在驱动电热转换器时，在p型半导体衬底1即开关元件30的p型基极区域6(第二半导体区域)和开关元件30的源极区域7之间的pn结处，施加反偏置。另外，电热转换器接地(GNDH)和衬底电位限定接地布线(GNDL)如图示虚线那样所示电连接，但是该连接处不是在喷墨记录头衬底上，一般是在记录装置主体一侧。因此，由于电热转换器接地(GNDH)布线的路径而引起的布线电阻及由它引起的电位产生不可忽视。
这里，在本发明中，如上述那样采用DMOS晶体管结构，在开关元件30中为实现高耐压、节能、小型化，将p型基极区域(第二半导体区域)6中的杂质浓度设定为高于阱区域2的杂质浓度。尽管该结构导致高耐压、节能、小型化，但是，因为p型杂质浓度比较高，所以源极区域7和p型基极区域6之间的反偏置耐压能力与常规情况相比降低了。
现在参照图6A、6B，对将上述DMOS晶体管用作开关元件30的情况下考虑源极区域和衬底间耐压能力的必要性进行解释，与使用MIS型电场效应晶体管的常规情况进行比较。
图6A表示常规MIS型电场效应晶体管的剖面结构。该MIS型电场效应晶体管，与用图21所示的相同，但是在图6A中，清楚地展示了p+扩散层909形成在p型阱区域902的区域表面的一部分上。该p+扩散层909接在用于限定衬底电位的接地布线(GNDL)上。
另一方面，图6B是表示上述实施方式中的开关元件30的剖面结构的图，这里，示出了与使用图1～图3所示的相同的开关元件30。但是，清楚地表示出为了固定半导体衬底1的电位，设置一个与用于形成源极区域的基极区域不同的基极区域6，该基极区域6的区域表面一部分上设置了用于取出电位的p+扩散层19。
在图6A所示的常规MIS型电场效应晶体管(开关元件)中，即使由于源极区域907和电热转换器的接地布线(GNDH)之间的布线电阻而提高源极区域907的电位，使得对源极区域907和衬底901(p型阱区域902)之间的pn结区域施加反电热，也因为p型阱区域902侧的p型杂质浓度低，所以在该pn结区域中的耐压能力上不会产生问题。
另一方面，在图6B所示的本实施方式的开关元件30中，如果源极电位比衬底1高时，则在n型的源极区域7和p型的基极区域6之间的pn结处施加反偏压，使n型源极区域7从半导体衬底1电分离。在使用DMOS晶体管的该开关元件30中，形成沟道的p型基极区域6与p型半导体衬底1相连，p型基极区域中的p型杂质浓度比图6A所示的常规开关元件中的p型阱区域902中的杂质浓度高。因此，在本实施方式中的开关元件30中，源极区域7和基极区域6(半导体衬底1)之间的pn结处的反耐压能力，比图6A所示的常规开关元件中的源极区域907和p型阱区域902(半导体衬底901)之间的pn结处的反耐压能力小。因此，必须考虑抑制由GDNH布线的布线电阻Rs和流经电热转换器的电流之积所表示的电压(源极电位)。
为此目的，在本实施方式中，考虑到开关元件的反偏置耐压趋于下降的事实，如图7所示，是这样设计的，使得与给电热转换器24提供能量的电源电压(VH)侧布线即电热转换器用电源布线29A的布线电阻值RVH相比，接在开关元件30的源极区域并最终连接在记录装置主体的接地处的电热转换器用接地(GNDH)布线29B的布线电阻值Rs变小。
采用这种结构，在集成了衬底上的布线图案的有限区域内，设计布线时，能有效地减少与耐压有关的问题。
图7相当于显示了图5VII部分的放大图。为了设定这种布线电阻值，如图6A和图6B所示，将GNDH侧Al(铝)布线的宽度设定为比VH侧布线29A的宽度宽。电源电压(VH)侧布线29A，接在电源电压用的焊盘22A上，电热转换器用接地(GNDH)布线29B接在GNDH用的焊盘22B上。其结果，焊盘22A经由VH布线29A的布线电阻RVH，接在电热转换器24上，焊盘22B经由GNDH布线29B的布线电阻Rs接在开关元件30的源极上。进而，设置了用于把衬底电位固定为接地电位的GNDL布线29C，该布线29C接在GNDL用的焊盘22C上。此处，大电流流经GNDH布线29B，但是大电流不流经GNDL布线29C。
而且，在该实施方式中，不仅通过降低G1NDH布线29B的电阻值，而且有效利用本发明的特征，提高对电热转换器24提供的电源电压值，而且通过将电热转换器的电阻值设定为高值，不用实质上改变在电热转换器上消耗的能量，就能降低流经VH布线29A及GNDH布线29B的电流值。为了提高电热转换器24的电阻值，在本实施方式中，作为电热转换器的材料，采用钽氮化硅(Tantalum Nitride Silicon)等的电阻率高、电阻值相对于热稳定的材料来代替以往的氮化钽。与常规的不足450μΩ·cm的电阻率相比，这种材料的电阻率为450μΩ·cm或以上。在本实施方式中，使电热转换器24的形状与常规相同时，作为电热转换器材料，通过采用电阻率为800～1000μΩ·cm的材料，电热转换器的表面电阻值达到200Ω/□。
作为提高电阻值的其他技术，如图8所示，构成电热转换器24，使得对于单个开关元件30，设置2个或多个分离的发热元件，这些发热元件串联电连接并相互邻接设置。在图示的例子中，设置了2个发热元件24A、24B。这里，所谓发热元件，是具有与电热转换器一样的结构、对液体(墨水)提供排出能量并通过多个发热元件组合在一起而发挥与单个电热转换器一样功能的元件。形成在电热转换器24的前面的排出口，一般是正圆或接近正圆的椭圆形状，因此，作为电热转换器的发热面，过于细长的形状不是最佳的。为了提高电热转换器24的电阻值而同时满足作为对发热面的形状的制约，像这样使得多个发热元件24A、24B串联电连接并邻接设置，作为整体来看时，最好形成实质上为正方形的发热面。
通过这样地构成，有助于发泡的区域，具有与常规形状没有大的变化的实质正方形，但是，作为电热转换器的电阻值能够变为比常规电阻值高大约4倍。
图9是与图8的结构对应的等价电路图。图9表示：从焊盘22C经由电位固定用的接地(GNDL)布线29C给开关元件30提供衬底电位，焊盘22B经由电热转换器用接地(GNDL)布线29B的布线电阻Rs接在开关元件30的源极上，焊盘22A经由电热转换器用电源布线29A的布线电阻RVH接在电热转换器24上。如上述，Rs小于RVH。
接下来，通过与施加给常规电热转换器的电压和常规电阻值进行比较，具体说明采用上述实施方式所示的结构如何实现节能。
在常规喷墨记录装置中，对电热转换器使用16～19V的电源电压，但是，在本实施方式中，因为能使用上述的DMOS晶体管作为开关元件，所以作为给电热转换器的电源电压，可使用与打印装置(记录装置)主体的电机的电源电压相同或者近似的20～30V电源电压。这里，施加24V的电压。这时，如果不改变电热转换器的电阻值，伴随着电源电压的上升，流经的电流增加，不仅电热转换器上的消耗能量增大，而且由给电热转换器提供能量的布线上的电阻引起的开关元件的源极电位(对P型衬底)也上升，开关元件中的源极—阱(衬底)间的耐压能力也变得严峻。因此，在本实施方式中，作为构成电热转换器的电阻薄膜，采用表面电阻为200Ω/□而不是常规100Ω/□的薄膜。电热转换器的尺寸选择为37×37μm。而且，到电热转换器的布线电阻，在电源连接一侧设定为30Ω(这里，30Ω是从电热转换器附近的电源一侧的电极布线单元到喷墨记录头衬底的焊盘进行测定而获得的)，在开关元件的源极一侧设定为10Ω(这里，10Ω是从开关元件的源极附近的布线单元到喷墨记录头衬底的焊盘进行测定而获得的)。在该条件下，由于开关元件导通，流过电流约为100mA，在源极一侧的布线电阻10Ω上产生的电压约是1V。只要产生这种程度的源极电压，就可以没有问题地应付源极和衬底之间的耐压。
作为增大电热转换器的电阻的另一例子，电路上串联两个发热元件区域，每个发热元件区域具有12×27μm的尺寸，并且以大约3μm的间隔邻接设置这些发热元件，从而构成尺寸大约为27×27μm的电热转换器。这时，作为电热转换器，表面电阻使用大约80Ω/□的材料，其电阻值大约为360Ω(4.5倍)，能够实现比使用表面电阻200Ω/□更高的电阻值，能够使流经的电流变得更小。这样一来，在开关元件中的源极—衬底间的耐压范围内，能抑制源极电位，并能降低布线单元的电阻中的损耗，从而实现整体的节能。
第二实施方式
本发明的第二实施方式中的液体排出装置用的半导体装置(喷墨记录头衬底)的基本结构，与上述的第一实施方式相同。两者主要的不同点是漏极区域8、9的位置和形成工艺。
图10表示第二实施方式中的液体排出装置用的喷墨记录头衬底的平面结构，图11A、11B、11C、11D、11E表示喷墨记录头衬底的剖面结构。
在其中将多个电热转换器和用于使电流流入这些电热转换器的多个开关元件集成在第一导电型半导体衬底上的半导体器件的制造方法中，制造喷墨记录头衬底的方法包括：在上述第一导电型的半导体衬底1的一个主表面上形成第二导电型的半导体层2的步骤(图11A)；在上述半导体层上形成栅极绝缘膜203的步骤；在上述栅极膜上形成栅极电极4的步骤(图11B)；把上述栅极电极作为掩膜，掺杂第一导电型的杂质的步骤(图11C)；将上述第一导电型的杂质扩散使得它变得比上述第二导电型的半导体层更深，形成半导体区域6的步骤(图11D)；把上述栅极电极作为掩膜，在上述半导体区域6的表面一侧形成第二导电型的源极区域7，而且在上述第二导电型的半导体层2的表面一侧形成第二导电型的漏极区域8、9的步骤(图11E)。以下，进行详细说明。
首先，如图11A所示，准备p型半导体衬底1，在应该形成阱的区域，选择性地导入n型的杂质，在p型半导体衬底1的表面形成n型的阱区域2。该n型的阱区域2能够形成在p型半导体衬底1的整个表面上。
而且，把n型的阱区域2形成在p型半导体衬底1的整个表面上时，可以使用外延生成法。
下面，如图11B所示，在n型的阱区域2上，例如通过氢燃烧氧化，生成膜厚约50nm的栅极氧化膜(栅极绝缘膜)203，在栅极氧化膜203上，利用例如LPCVD(减压化学汽相淀积)法，淀积膜厚约300nm的多晶硅。用LPCVD法淀积该多晶硅的同时，掺杂例如磷，而且淀积后，利用如离子注入法和固相扩散法，掺杂例如磷，成为所希望的布线电阻值。之后，通过光刻进行图案形成，蚀刻多晶硅膜。据此，能够形成MIS型电场效应晶体管的栅极电极4。
下面，如图11C所示，通过光刻进行图案形成，形成由光刻胶组成的用于离子注入的掩膜(无图示)，利用这种掩膜并且利用栅极电极4作为掩膜，选择性地离子注入p型的杂质例如硼，形成杂质层205。
接着，如图11D所示，在电炉中例如以1100C进行60分钟的热处理，形成用于电性横向分离阱区域2的深度2.2μm左右的基极区域6。在该实施方式中，在该热处理中，基极区域6需要比阱区域2更深，以便完全分离阱区域2，热处理的条件根据阱区域2的深度、浓度、杂质的种类或者杂质层205的浓度以及杂质的种类来决定。本发明中所用的基极区域6的深度，可在例如大约1μm～3μm的范围内选择，基极区域6的浓度在最表面上可在1×1015/cm3～1×1019/cm3左右的范围内选择。
接下来，如图11E所示，把栅极电极4作为掩膜，离子注入例如砷，形成源极区域7、第一漏极区域8以及第二漏极区域9。按照这种方式，以略微重叠的方式形成源极区域7和漏极区域8、9，同时与栅极电极自动对准。
之后，例如在950C下进行30分钟的热处理，使源极区域7、第一漏极区域8、第二漏极区域9活化。
然后，尽管未示出，也通过CVD(化学气相淀积)法淀积氧化膜，形成层间绝缘膜，打开用于接触部件11(参照图10)的接触孔，并且淀积导电体并形成图案，形成布线。并且按照需要，进行多层布线，将喷墨记录头衬底完成为集成电路。
电热转换器是在该布线形成步骤中使用众所周知的薄膜工艺制作的，并集成在衬底1上。这时的电路结构与上述的实施方式相同。
在本实施方式中，因为使用栅极电极作为离子注入时的掩膜形成了基极区域6、源极区域7、漏极区域8、9，所以这些区域是与栅极电极对准的情况下形成的，从而实现了开关元件阵列的高度集成和各元件特性的统一。而且，源极区域7和漏极区域8、9用相同的步骤形成，所以有助于抑制制造成本。
图12是表示喷墨记录头的一部分的剖面结构的例子，图中，在喷墨记录头这样的液体排出装置中，装入了利用图1到图10和图11A到图11E所示制造方法制造的喷墨记录头衬底。这里，虽然图12示意地表示在由单晶硅组成的p型的半导体衬底1上，设置n型的阱区域2、栅极电极4、p型的基极区域6、n型的源极区域7、n型的漏极区域8，并由这些区域形成MIS(金属绝缘半导体)型电场效应晶体管30的情况，但是，像上述那样，最好将晶体管设置为阵列状而不在各个晶体管(或者段)间设置专用的元件分离区域。
另外，在半导体衬底1上，形成用作蓄热层及绝缘层的氧化硅等的绝缘层817，氮化钽膜或氮化硅钽(Silicon Nitride Tantalum)膜等的发热电阻层818，铝合金膜等的布线819，氮化硅膜等的保护层820。据此构成记录头的衬底940。这里，标号850为发热单元，从墨水排出单元860排出墨水。而且，顶板870与衬底940配合，形成液路880。
就以上说明的本发明的各实施方式的功能加以说明。
图13以及图14是某个MIS型电场效应晶体管阵列的平面图及剖面图。通过使安在半导体衬底1内的这些MIS型电场效应晶体管单独或者多个同时进行动作，能够保持矩阵形式接线的电热转换元件间的电分离性。这里，显示了在半导体衬底1上，设置有栅极电极4、n型的源极区域7、n型的漏极区域8、另一个n型的漏极区域9、接触部件11、源极电极12、漏极电极13以及n型电场缓和漏极区域15。
但是，在用于驱动电热转换器所必需的大电流方面，如果使用上述这样的常规MIS型电场效应晶体管，漏极—阱间(这里为漏极和半导体衬底间)的pn反偏置结，耐不了高电场，从而产生漏电流，不能满足用于驱动电热转换元件的喷墨记录头衬底所要求的耐电压能力。另外，因为使用大电流，所以如果MIS型电场效应晶体管的导通电阻较大，由于这里的电流无用的消耗，就得不到用于使电热转换元件发生作用所必需的电流。
另外，为了提高上述耐电压能力，考虑图15的平面图、图16的剖面图所示的MIS型电场效应晶体管阵列。这里，在p型半导体衬底1上，设置了n型的阱区域2、栅极电极4、p型的基极区域106、n型的源极区域7、n型的漏极区域8、另一个n型漏极区域9、基极电极取出用的扩散层10、接触部件11、源极电极12、漏极电极13。
该MIS型电场效应晶体管的结构与普通的结构不同，通过在漏极中制作沟道，可以把决定耐电压能力的漏极的深度做得深，而且可以低浓度制作沟道，从而提高耐电压能力。
但是，如果阵列状地配置该MIS型电场效应晶体管，因为各个晶体管的漏极单块共用半导体层形成，所有的漏极电位成为相同，所以只要在必须独立动作的开关元件之间设置专用的元件分离区域以把漏极分离，就不能保持电热转换元件间的电分离。而且，如果要重新形成这样的元件分离区域，工艺就会变得复杂，成本变高，而且，形成元件的面积也会变大。因此，图15、图16所示的MIS型电场效应晶体管的结构，不适合液体排出装置用的晶体管阵列。
另一方面，在以上说明的本发明的各个实施方式的喷墨记录头衬底上，因为能比沟道的浓度更低地设定漏极浓度，并且因为能够足够深地形成漏极，所以由于高耐电压而可以使用大电流化，并且由于低导通电阻而可以实现高速动作，进而能实现高度集成和节能性。而且，在需要多个晶体管的阵列状结构的喷墨记录头衬底上，不用提高成本，就能够容易地实现元件间的分离。
实际上，当通过设置元件分离区域以保证电分离并使用相同数量的掩膜和根据某相同的设计规则布置本发明以及具有与本发明类似的单体元件特性并具有图15、图16所示结构的MIS型电场效应晶体管时，根据图15、图16所示技术的MIS电场效应晶体管为了形成1个段在阵列排列方向上需要12.0μm；而在使用图1、图2所示的本发明的结构的MIS型电场效应晶体管的情况下，在阵列的排列方向的长度是6.0μm，即以1/2长度形成段。上述设计规则越精细，该尺寸比(图1、图2所示结构的阵列排列方向的长度与图15、图16所示结构的阵列排列方向的长度的比率)就变得越小。
<液体排出装置>
作为本发明的液体排出装置的一例，以喷墨打印机(喷墨记录装置)为例，进行说明。
图17是表示构成本发明中喷墨记录装置的记录头的半导体装置(喷墨记录头衬底)的电路结构的图。作为该半导体装置，可采用利用上述所有的实施方式所制造的装置。
在图17中，喷墨记录头衬底21上设置了多个电热转换器24，电热转换器24的一端公共地接在驱动电源VH上，另一端子分别经由对应每个电热转换器设置的开关元件30接地。喷墨记录头衬底21上，设置了锁存电路403、移位寄存器404。而且，为了通过减少同时驱动的电热转换器24的个数使瞬间流过的电流变小，而使记录装置主体电源装置更紧凑的目的，将电热转换器组分为具有预定数目电热转换器的块，并且在在喷墨记录头衬底21上形成用于对每块进行分块驱动的译码器等分时驱动块选择用逻辑电路405、具有滞后特性的逻辑系统缓冲器406等，形成。作为输入信号，有用于驱动移位寄存器的时钟、用于串行接收图像数据的图像数据输入、用于通过锁存电路保存数据的锁存时钟、用于块选择的块启动信号、用于从外部控制驱动功率晶体管的导通时间即驱动电热转换器的时间的加热脉冲、逻辑电路驱动电源(5V)、接地(GND)线、驱动电源VH，它们分别通过衬底上的焊盘407、408、409、410、411、412、413以及414输入。而且，对每个开关元件30设置了与(AND)电路420，该与电路对加热脉冲、锁存器403的输出以及译码器405的输出进行逻辑与(AND)，利用该结果，控制开关元件30，使得驱动脉冲流过电热转换器24。从焊盘408输入的数字图像信号通过移位寄存器404，重新编排成并行形式，锁存在锁存电路403中。如果逻辑门如果启动，根据锁存在锁存电路403中的信号，开关元件30为导通或者断开状态，使电流流经选择的电热转换器24。
上述的各个实施方式的晶体管，最好作为该开关元件使用。并且，开关元件阵列内的开关元件之间，如上述那样，不形成专用的元件分离区域，最好在开关元件阵列和电热转换器阵列之间、开关元件阵列和逻辑门(或锁存电路或移位寄存器)之间等的多个阵列之间设置场绝缘膜那样的元件分离区域。
图18是喷墨头的示意图。在其上形成了图17电路的喷墨记录头衬底21上，把多个电热转换器(加热器)24配置成多个列状，每个电热转换器用于通过电流流过产生热量，并用于通过该热量产生的气泡从排出口53排出墨水。每一个电热转换器都配有相应的布线电极54，布线电极的一端电连接在上述开关元件30上。用于向相应的电热转换器24相对的墨水排出口53提供墨水的流路55，与排出口53对应地设置。用于限定这些排出口53以及流路55的壁，设置在带槽部件56上，通过把这些带槽部件56连接在上述喷墨记录头衬底21上，限定用于给多个流路55提供墨水的公用液室57。
图19是表示装入了本发明喷墨记录头衬底21的喷墨记录头的结构的图，构架58上装入了喷墨记录头衬底21。该喷墨记录头衬底上，安装了限定上述那样的排出口53和流路55的部件56。并且，设置有用于接收从装置一侧来的电信号的接触焊盘59，通过柔性打印布线衬底60，从装置主体的控制器向喷墨记录头衬底21提供作为各种驱动信号的电信号。
图20是本发明喷墨记录头适用的喷墨记录装置IJRA的示意图。
滑架HC配合在与驱动电机5013正反旋转同步地，经由传动轮5011、5009的驱动力转动的螺旋导杆5005的螺旋槽5004中，该滑架可自由装卸地安装了喷墨记录头，具有销(无图示)，在箭头a、b方向往返移动。5002是压纸板，遍及滑架HC的移动方向，把典型的纸作为打印介质，压在做为打印介质传送装置的卷筒5000上。光耦合器5007、5008是原位检测装置，用于确定滑架控制杆5006的存在以切换电机5013的旋转方向。5016是一个支撑构件，它支撑覆盖喷墨记录头的前面的罩盖部件5022；5015是一个吸引盖子内部的吸引器，其经由盖子内开口5023进行喷墨记录头的吸引还原处理。5017是清洁刮片，5019是能使该刮片在前后方向上移动的构件，它们由主体支撑板5018支承。当然，刮片不局限于本例中使用的，一般的清洁刮片在本实施例中显然也适用。另外，5021是用于启动吸引处理的控制杆，与和滑架连接的凸轮5020的移动同步地移动，从驱动电机来的驱动力通过离合器切换等这样公知的传动机构来控制移动。
虽然进行这些覆盖、清洁、吸引还原处理，使得在在滑架进入原位置的区域时，能在螺旋导杆5005的作用下在那些对应位置进行所希望的处理，但是只要设定成在公知定时进行所希望的操作，任何技术都可适用于本例。上述中的各个结构，无论单独还是组合起来看都是出色的发明，是本发明的最佳结构例。
另外，本装置具备用于给喷墨记录头(喷墨记录头衬底)提供驱动发热装置的驱动信号和其他信号的信号供给装置。

Claims (24)

1.一种喷墨记录头衬底，在第一导电型半导体衬底上设置有：多个电热转换器，共同连接到上述多个电热转换器并连接到驱动电源、用于为上述多个电热转换器提供电力的第一布线，用于将上述多个电热转换器接到接地电位上的第二布线，以及设置在该第二布线和上述电热转换器之间、用于给上述多个电热转换器建立电连接的多个开关元件；
并且其中
上述开关元件是绝缘栅型电场效应晶体管，包括：
第二导电型的第一半导体区域，设置在上述半导体衬底的一个主表面上；
第一导电型的第二半导体区域，设置在上述半导体衬底的上述表面上，且与上述第一半导体区域邻接设置用于提供沟道区域，由与上述第一半导体区域相比杂质浓度更高的半导体构成；
第二导电型的源极区域，部分地设置在上述第二半导体区域的与上述半导体衬底相反的表面上；
第二导电型的漏极区域，部分地设置在上述第一半导体区域的与上述半导体衬底相反的表面上；
栅极电极，中间隔着栅极绝缘膜设置在上述沟道区域上；
上述喷墨记录头衬底的特征在于：
连接在上述源极区域一侧的上述第二布线的布线电阻小于连接在上述漏极区域一侧的上述第一布线的布线电阻。
2.一种喷墨记录头衬底，在半导体衬底上集成了：多个电热转换器；为上述多个电热转换器提供电力的第一布线，共同连接到上述多个电热转换器，并连接到驱动电源上；用于将上述多个电热转换器接到接地电位上的第二布线；设置在该第二布线和上述电热转换器之间的、用于给上述多个电热转换器建立电连接的多个开关元件；
并且其中
上述半导体衬底是将p型区域作为主体的；以及
上述开关元件是绝缘栅型电场效应晶体管，包括：
一个n型半导体区域，设置在上述半导体衬底的p型区域表面上；
一个p型半导体区域，贯通该n型半导体区域直至上述半导体衬底的p型区域表面用于提供沟道区域，且由比上述n型半导体区域杂质浓度更高的半导体构成；
部分地设置在上述p型半导体区域的表面一侧的高浓度的n型源极区域；
部分地设置在上述n型半导体区域的表面一侧的高浓度的n型漏极区域；以及
中间隔着栅极绝缘膜设置在上述沟道区域上的栅极电极；
上述喷墨记录头衬底的特征在于：
连接在上述源极区域一侧的上述第二布线的布线电阻小于连接在上述漏极区域一侧的上述第一布线的布线电阻。
3.根据权利要求1所述的喷墨记录头衬底，其特征在于：
上述第二半导体区域是与上述半导体衬底邻接形成的。
4.根据权利要求1所述的喷墨记录头衬底，其特征在于：
上述第二布线宽度比上述第一布线的布线宽度大。
5.根据权利要求1所述的喷墨记录头衬底，其特征在于：
上述源极区域和上述漏极区域在横向上交叠设置。
6.根据权利要求1所述的喷墨记录头衬底，其特征在于：
设置有两个上述栅极电极，将上述源极区域夹在中间。
7.根据权利要求1所述的喷墨记录头衬底，其特征在于：
上述多个电热转换器的排列方向与上述多个开关元件的排列方向平行。
8.根据权利要求1所述的喷墨记录头衬底，其特征在于：
对一个上述电热转换器，至少连接有2个上述绝缘栅型电场效应晶体管的上述漏极区域，同时上述多个绝缘栅型电场效应晶体管的上述源极区域是共同连接着的。
9.根据权利要求1所述的喷墨记录头衬底，其特征在于：
上述绝缘栅型电场效应晶体管的有效沟道长度，由上述第二半导体区域和上述源极区域的横向的杂质扩散量的差来决定。
10.根据权利要求1所述的喷墨记录头衬底，其特征在于：
上述电热转换器具有串联电连接的多个发热元件，上述串联连接的多个发热元件相互邻接设置。
11.根据权利要求10所述的喷墨记录头衬底，其特征在于：
上述发热元件的串联连接个数是2个。
12.根据权利要求1所述的喷墨记录头衬底，其特征在于：
上述电热转换器由电阻率为450μΩ·cm或以上的钽氮化硅材料形成，表面电阻为70Ω/□或以上。
13.根据权利要求2所述的喷墨记录头衬底，其特征在于：
上述第二布线宽度比上述第一布线的布线宽度大。
14.根据权利要求2所述的喷墨记录头衬底，其特征在于：
上述源极区域和上述漏极区域在横向上交替地设置。
15.根据权利要求2所述的喷墨记录头衬底，其特征在于：
配置有两个上述栅极电极，将上述源极区域夹在中间。
16.根据权利要求2所述的喷墨记录头衬底，其特征在于：
上述多个电热转换器的排列方向与上述多个开关元件的排列方向平行。
17.根据权利要求2所述的喷墨记录头衬底，其特征在于：
对一个上述电热转换元件，至少连接有2个上述绝缘栅型电场效应晶体管的上述漏极区域，同时上述多个绝缘栅型电场效应晶体管的上述源极区域是共同连接着的。
18.根据权利要求2所述的喷墨记录头衬底，其特征在于：
上述绝缘栅型电场效应晶体管的有效沟道长度，由上述第二半导体区域和上述源极区域的横向的杂质扩散量的差来决定。
19.根据权利要求2所述的喷墨记录头衬底，其特征在于：
上述电热转换器具有串联电连接的多个发热元件，上述串联连接的多个发热元件相互邻接设置。
20.根据权利要求19所述的喷墨记录头衬底，其特征在于：
上述发热元件的串联连接个数是2个。
21.根据权利要求2所述的喷墨记录头衬底，其特征在于：
上述电热转换器由电阻率为450μΩ·cm或以上的钽氮化硅材料形成，表面电阻为70Ω/□或以上。
22.一种喷墨记录头，包括：
权利要求1至21的任何一项中记述的喷墨记录头衬底，其中对应于上述电热转换器形成排出口；以及
收容通过上述电热转换器从上述排出口排出的液体的液体收容器。
23.一种喷墨记录装置，其特征在于包括：
权利要求22中记述的喷墨记录头；
为上述喷墨记录头的上述电热转换器提供能量和驱动控制信号的控制器。
24.根据权利要求23所述的喷墨记录装置，其特征在于：
为上述电热转换器提供能量的电源电压与用于驱动上述喷墨记录头的电机的电源电压相同。
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