CN1421316A

CN1421316A - 喷墨打印头晶片的驱动晶体管结构及其制造方法

Info

Publication number: CN1421316A
Application number: CN 01139987
Authority: CN
Inventors: 刘建宏; 刘健群; 张智超; 胡纪平; 陈俊融
Original assignee: Industrial Technology Research Institute ITRI
Current assignee: Institute for Information Industry
Priority date: 2001-11-22
Filing date: 2001-11-22
Publication date: 2003-06-04
Anticipated expiration: 2021-11-22
Also published as: CN1206104C

Abstract

一种喷墨打印头晶片的驱动晶体管的结构及其制造方法，将多个基极广布于一个大面积金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)活性区的源极中，使得MOSFET沟道到基极之间的等效电阻(R_B)随着距离的缩小而大幅度降低，因而可避免二次击穿的发生；另外，由于该基极是设置于该活性区内，而不需要在活性区外的场氧化层区预先界定出基极区以及制作基极，因此，此种驱动晶体管结构可省下约20％的占用面积，并降低每一晶片的平均生产成本。

Description

喷墨打印头晶片的驱动晶体管结构及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种喷墨打印头的驱动电路，特别是涉及一种集成的驱动电路的喷墨打印头晶片的驱动晶体管结构及其制造方法。

背景技术

喷墨打印机是一种常见的计算机周边设备，机内通常具有一个用以喷出墨滴的喷墨打印头，例如热气泡式喷墨打印头。一般的喷墨打印头的基本结构通常包含：墨水通道、供墨水喷出的喷孔与喷孔片、用于使墨水喷出的激发元件以及适当的驱动电路。当喷墨打印机在进行打印动作时，墨水被该激发元件(例如，加热体)所激发而由该喷孔片上的喷孔喷出，并可在纸张上产生墨点。一般而言，热气泡式喷墨打印头是采用电阻体作为墨水激发装置，用以加热墨水通道内的墨水而产生热气泡来激发墨水达到喷墨的目的。

为了同时提高喷墨打印头的解析度和打印速度，必须大幅度增加每一喷墨打印头的喷孔数。因此，目前热气泡式喷墨打印头都采用串接驱动晶体管与加热体的设计，将驱动电路设计成活性驱动器阵列并集成于喷墨打印头晶片，即成为所谓集成的驱动电路喷墨打印头(IDH)晶片。此种喷墨打印头晶片若与打印机间有N个电性接点，则可驱动该喷墨打印头晶片上(N/2)2个喷孔。上述的驱动晶体管为一电流驱动元件，必须采用梳状或栅状的金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)栅极结构，或双极晶体管基极结构，用以并联多组晶体管元件。如图1所示，即为一种以梳状结构栅极并联多组MOSFET元件的驱动晶体管结构的俯视示意图。该驱动晶体管结构在活性区20内具有并联的多个MOSFET元件21。每一MOSFET元件包括一源极区211、一漏极区212以及一栅极213。该多个MOSFET元件的栅极213彼此并联而形成一梳状栅极结构22。另外在该活性区20外，则具有一基极区20’。该基极区20’内形成有多个基极23，该基极23的位置与范围可由多晶硅层掺杂阻隔层24来加以界定。在现有技术中，将该基极23与MOSFET元件的源极电性连接，用以把MOSFET元件的衬底保持在最低电位端或接地端。该驱动晶体管结构上，通常以化学气相沉积法沉积四乙基硅甲烷的氧化硅或磷掺杂或硼磷掺杂氧化硅做为层际绝缘层，而在该层际绝缘层上则蚀刻出适当之栅极、漏极、源极以及基极的接触孔26。

为了提供足够的驱动电流，此种驱动晶体管结构采用大沟道宽长比的MOSFET设计。活性区20的宽度必须达400微米至900微米，以同时提供10伏特工作电压和200毫安以上的工作电流。然而如此的设计，会使活性区内部分的位置距离该基极过远(达400微米以上)，而无法保证整个活性区内的MOSFET元件所有沟道部分都能获得良好的接地，因而可能造成二次击穿而降低元件的耐压。另外，就现有的300dpi或600dpi IDH晶片的驱动晶体管的制作过程与结构而言，是将加热体、MOSFET元件、场氧化层基极集成而成，其主要特征为基极设置于厚场氧化层中(其厚度约在9000埃至17500埃)。目前一个基本的基极结构约为15微×15微米(不含间距)，而一个MOSFET驱动晶体管结构，不含基极的尺寸平均约为80微米×600微米。若采用18颗基极连同间距则将占用80×150(微米)2，平均每一驱动晶体管约以六分之一到三分之一的面积提供作场氧化层的基极区，基极占用了相当大比例的面积。

目前的产品通常以200至400个驱动晶体管制作在一喷墨头晶片上，这些驱动晶体管在晶片中占用很大比例的面积。随着喷墨打印头解析度的提高，单一喷墨晶片上的驱动晶体管数也势必随着加热体和喷孔数量需要更进一步增加。虽然将MOSFET元件缩小化便可提供单位面积中更多数量的驱动晶体管，但元件缩小化会使MOSFET元件及具它电路的寄生电阻增大，单位面积产生的热也增加，且需要付出更高的晶片制造成本。

因此，如何在不缩小MOSFET元件的工作尺寸，而能减小每一驱动晶体管结构所占用的面积，并同时提高元件的可靠性，就成为喷墨打印头晶片的驱动晶体管结构设计上值得开发探索的课题。

发明内容

本发明的目的在提供一种喷墨打印头晶片的驱动晶体管的结构及其制造方法，能够降低活性区的MOSFET沟道到基极之间的电阻(R_B)，以避免二次击穿，提高元件可靠性。

本发明的另一个目的在提供一种喷墨打印头晶片的驱动晶体管的结构及其制造方法，能够缩小喷墨打印头晶片上每一个驱动晶体管所占用的面积，并且不会增加寄生电阻或提高制造成本。

为实现上述目的，按照本发明的喷墨打印头晶片的驱动晶体管的结构及其制造方法，是将多个基极广布于一个大面积的MOSFET活性区中，使得MOSFET沟道到基极之间的等效电阻(R_B)随着距离的缩小而大幅度降低，因而可避免二次击穿的发生。另外，由于本发明的驱动晶体管结构，其基极是设置于该活性区内，例如将基极嵌入于源极，而不需要在活性区外的场氧化层区预先界定出基极区以及制作基极。因此，此种将基极嵌入于源极的MOSFET驱动晶体管结构可省下约20％的占用面积，而不会缩小活性区中MOSFET元件的工作尺寸。且如此亦可增加每一晶圆上所生产的喷墨打印头晶片的数量，并降低每一晶片的平均生产成本。

根据本发明的喷墨打印头晶片的驱动晶体管结构，具体作法是将至少一基极设置于该驱动晶体管的活性区内。该活性区内具有并联的多个金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)元件，该多个金属氧化物半导体场效应晶体管用以控制该喷墨打印头晶片中与该驱动晶体管相电性连接的墨水激发元件，例如加热体的电流供应。而该基极可嵌入于该MOSFET元件的源极或是置于与该MOSFET元件的源极相邻。其中该基极的掺杂范围与该源极区的另型掺杂范围的最小距离可在5微米以下。而该基极与该活性区内该MOSFET元件的源极以导体相连接，以保持同电位。

根据本发明的喷墨打印头晶片的驱动晶体管的制造方法，将至少一基极设置于该驱动晶体管的活性区中，该方法是在形成该活性区的金属氧化物半导体场效应晶体管元件的过程中，在该活性区中形成至少一掺杂阻隔层，以界定出一掺杂阻隔区。该掺杂阻隔层用以阻挡漏极源极掺杂(如N+掺杂)在扩散或离子注入的制作步骤时进入该掺杂阻隔区。然后，蚀刻该掺杂阻隔层以界定出基极掺杂区。接着，在该基极掺杂区以离子注入或扩散方式掺入与漏极源极另型的基极掺杂，即可获得该基极。

其中，该掺杂阻隔层可为多晶硅层或其它可供掺杂阻隔的材料。该掺杂阻隔层可与该金属氧化物半导体场效应晶体管元件的栅极多晶硅同一次沉积形成，或是在与该栅极多晶硅不同的另一次沉积或涂布步骤中形成。另外，该掺杂阻隔层可与该栅极多晶硅层利用同一次或不同次的蚀刻步骤，来界定其范围。

附图说明

图1为一种现有技术的喷墨打印头晶片的驱动晶体管结构的俯视示意图；

图2A为根据本发明一实施例的喷墨打印头晶片的驱动晶体管结构的俯视示意图；

图2B为图2A中的驱动晶体管结构的局部放大图；

图2C为基极结构的俯视放大图；

图3A～图3D为根据本发明的一个实施例的喷墨打印头晶片的驱动晶体管的制造方法的制作过程剖面流程图；

图3E～图3F为根据本发明另一实施例的喷墨打印头晶片的驱动晶体管的制造方法的制作过程剖面流程图；

图4A～图4D为根据本发明再一个实施例的喷墨打印头晶片的驱动晶体管的制造方法制程剖面流程图。

具体实施方式

参照图2A，该图为根据本发明一实施例的喷墨打印头晶片的驱动晶体管结构的俯视示意图，表示了一种将基极嵌入于源极(BES)的驱动晶体管结构布局。多个基极50被设置于该驱动晶体管结构的活性区20内，该活性区20内具有多个并联的MOSFET元件21。每一个MOSFET元件包括：源极区211、漏极区212以及栅极213。而该数个基极50则是以一适当的间隔距离排列于该源极区211内。源极区211、漏极区212、栅极213以及基极50上形成有适当的接触孔26。由于该MOSFET元件21采用大沟道宽长比的设计，即沟道宽远大于沟道长。通常该活性区20的宽度达400微米以上。栅极213可由多晶硅所构成，该活性区20内的多个长条形的栅极213的两端被并联起来。由于基极50广布于活性区20的源极区内，因此可大幅度降低基极50与MOSFET元件21沟道之间的距离以及内电阻，使该活性区20内的所有MOSFET元件的沟道皆能得到良好的接地，从而避免二次击穿的发生。并且由于基极50可不需要设置于该活性区20外的场氧化层区，因此可大幅度地结省驱动晶体管的整体占用的面积，因而有利于喷墨打印头晶片的小型化以及降低制造成本。

图2B为图2A中的将基极嵌入于源极(BES)的驱动晶体管结构的局部放大示意图。图中，基极50的位置与形状由形成于该源极区211的一掺杂阻隔层24来界定。该掺杂阻隔层24最好是与栅极213同一次沉积步骤形成的多晶硅层，亦可与该栅极213在同一次蚀刻步骤中界定出其范围。如图所示，漏极区212上的源极接触孔26a以及基极50上的基极接触孔26b可为彼此分离的独立设计。

图3A～图3D为根据本发明一个实施例的喷墨打印头晶片驱动晶体管的制造方法的流程图。首先如图3A所示，在衬底25表面上以氧化硅和氮化硅先界定出一活性区20，并以LOCOS工艺在该活性区20外氧化生长出厚场氧化层32。其中该衬底25例如为一p型硅衬底，而该LOCOS场氧化层的厚度可在8000埃至18000埃。接着除去该氧化硅和氮化硅，以乾氧化法生长一栅极绝缘层27。亦可直接以该氧化硅和氮化硅当作栅极绝缘层27，仅将在源极区33与漏极区34上的该氧化硅和氮化硅除去。然后在该栅极绝缘层27上以化学气相沉积形成一多晶硅层，最好以微影和多晶硅蚀刻工艺在该活性区内界定出栅极多晶硅层28以及基极的掺杂阻隔层28’。该掺杂阻隔层28’位于该源极区33内占用一部分面积，而在该源极区内形成一掺杂阻隔区35。该掺杂阻隔层28’用以在对该源极区33以及该漏极区34进行n+掺杂(如磷或砷)离子注入或扩散30的工艺中，作为屏蔽层面将该n+掺杂加以遮挡，确保位于该源极区33内的掺杂阻隔区35不受n+掺杂掺入。在本实施例中，该掺杂阻隔层28’虽由多晶硅层所构成，但本发明并不限定于此，该掺杂阻隔层可为其它可供掺杂阻隔的材料，并且该掺杂阻隔层可与该栅极多晶硅同一次沉种形成，或是在与该栅极多晶硅不同的另一次沉积或涂布步骤中形成。另外，该掺杂阻隔层可与该栅极多晶硅层28利用同一次或不同次的蚀刻步骤来界定其范围。

接着，参照图3B，再进行微影和蚀刻工序，利用光阻层60显影以及多晶硅蚀刻而界定出一基极掺杂区29的范围。再以离子注入或扩散31工艺在该基极掺杂区29掺入p+掺杂，例如硼掺杂。

接着，参照图3C，去除前述的光阻层60后，利用化学气相沉积四乙基硅甲烷的氧化硅以及磷掺杂或硼磷掺杂氧化硅，以作为驱动晶体管的层际绝缘层36，并以热回流方式改善表面的平整性。再次以微影和蚀刻工艺在该层际绝缘层36上开出适当的电极接触孔，包括栅极、源极的接触孔(本图未示出)以及漏极接触孔26c和基极的接触孔26b。如此并可在该源极区33得到基极50。其中该基极50的掺杂区范围与该源极区的另型掺杂范围的距离可在5微米以下。

然后，如图3D所示，以溅射或蒸镀法在该层际绝缘层36以及该基极接触孔26b、漏极接触孔26c上形成热阻层44以及导体层40。并且同样可利用微影与蚀到方式界定该热阻层44以及该导体层40。以界定出一加热体48，以及连接该漏极区34与该加热体48的导线。并同时界定出连接该基极50与该源极区33的金属导体。如此即完成本实施例的喷墨打印头晶片的驱动晶体管结构。

上述实施例中该基极接触孔26b的尺寸大于该基极掺杂区的范围，如图2C的基极俯视图所示，该基极接触孔26b在AA’方向的尺寸，大于该基极掺杂区29的范围，小于该掺杂阻隔层24的范围。

该基极接触孔26b的尺寸亦可小于该基极掺杂区29的范围，如图中所示，该基极接触孔26b的尺寸在BB’方向即不超过该基极掺杂区29的范围。而在做法上可参考“图3E-3F图”，在对应该基极掺杂区29的该层际绝缘层36上开出较小的接触孔26b。然后再形成该热阻层44与该导体层40。

该基极接触孔亦可与该源极接触孔采共用接触孔的设计，而该基极亦可延伸至与该源极相邻的场氧化层边界。图4A～图4D表示出根据本发明的喷墨打印头晶片的驱动晶体管制造方法另一个实施例。

首先如图4A所示，与前述实施例相同的方式在衬底25表面上界定出活性区20，并以LOCOS工艺在该活性区20外氧化生长出厚场氧化层32。其中该衬底25例如为一p型硅衬底，而该LOCOS场氧化层的厚度可在8000埃至18000埃。接着，形成栅极绝缘层27，以及利用气相沉积形成多晶硅层。最好以微影和多晶硅蚀刻工艺在该活性区内界定出栅极多晶硅层28以及基极的掺杂阻隔层28’。该掺杂阻隔层28’位于该源极区33内占用一部分面积，而在该源极区内形成掺杂阻隔区35，其中该掺杂阻隔层28’可延伸至与该源极区33相邻的场氧化层321。该掺杂阻隔层28’用以在对源极区33以及漏极区34进行n+掺杂(如磷或砷)离子注入或扩散30的工序中，作为屏蔽层而将该n+掺杂加以遮挡，确保位于该源极区33内的掺杂阻隔区35不受n+掺杂掺入。该掺杂阻隔层28’可由多晶硅层所构成，或者是由其它可供掺杂阻隔的材料所构成。该掺杂阻隔层可与该栅极多晶硅层28同一次沉积形成，或是在与该栅极多晶硅层28不同的另一次沉积或涂布步骤中形成。另外，该掺杂阻隔层28’可与该栅极多晶硅层28利用同一次或不同次的蚀刻步骤，来界定其范围。

接着，参照图4B，再进行微影和蚀刻工序，利用光阻层60显影以及多晶硅蚀刻而界定出基极掺杂区29的范围。再以离子注入或扩散31工艺在该基极掺杂区29掺入p+掺杂，例如硼掺杂。

接着，如图4C所示，去除前述的光阻层60后，并可利用化学气相沉积四乙基硅甲烷的氧化硅以及磷掺杂或硼磷掺杂氧化硅，以作为驱动晶体管的层际绝缘层36，并以热同流方式改善表面的平整性。再次以微影和蚀刻工艺，在该层际绝缘层36开出适当的电极接触孔，包括栅极的接触孔(本图未示出)、漏极接触孔26c以及源极和基极的并用接触孔26d。如此就可在该源极区33得到基极50。其中该基极50的掺杂区29范围与该源极区33的另型掺杂范围的距离可在5微米以下。

然后，如图3D所示，以溅射或蒸镀法在该层际绝缘层36以及该漏极接触孔26c、源极和基极并用接触孔26d上形成热阻层44以及导体层40。并且同样可利用微影与蚀刻方式界定该热阻层44以及该导体层40。以界定出加热体48，以及连接该漏极区34与该加热体48的导线，并同时界定出连接该基极50与该源极区33的金属导体。如此即完成本实施例的喷墨打印头晶片的驱动晶体管结构。

以上详细说明了本发明的优选实施例，并非用来限定本发明的实施范围，所属领域的普通技术人员在不脱离本发明的精神下，应能够作出适当的修改与变形；故凡依本发明权利要求书界定的范围所作的均等变化与修饰，皆为本发明专利保护范围所涵盖。

Claims

1.一种喷墨打印头晶片的驱动晶体管结构，该驱动晶体管的活性区内具有并联的多个金属氧化物半导体场效应晶体管，该多个金属氧化物半导体场效应晶体管用以控制该喷墨打印头晶片中与该驱动晶体管相电性连接的墨水激发元件的电流供应，其特征在于：至少一基极设置于所述活性区中，并与所述活性区内的所述金属氧化物半导体场效应晶体管的源极电性连接，以保持同电位。

2.如权利要求1所述的喷墨打印头晶片的驱动晶体管结构，其特征在于所述至少一基极设置于所述活性区中所述金属氧化物半导体场效应晶体管的源极区内。

3.如权利要求1所述的喷墨打印头晶片的驱动晶体管结构，其特征在于所述至少一基极设置于所述该活性区中所述金属氧化物半导体场效应晶体管的源极区附近。

4.如权利要求1所述的喷墨打印头晶片的驱动晶体管结构，其特征在于所述至少一基极延伸至所述活性区相邻的场氧化层边界。

5.如权利要求1所述的喷墨打印头晶片的驱动晶体管结构，其特征在于所述基极的掺杂区范围与所述源极区的另型掺杂范围的距离不超过5微米。

6.如权利要求1所述的喷墨打印头晶片的驱动晶体管结构，其特征在于所述激发元件为一热阻元件，以产生热气泡来激发墨水。

7.一种喷墨打印头晶片的驱动晶体管的制造方法，所述驱动晶体管的活性区内具有并联的多个金属氧化物半导体场效应晶体管，该多个金属氧化物半导体场效应晶体管用以控制该喷墨打印头晶片中与该驱动晶体管相电性连接的墨水激发元件的电流供应，该方法将至少一基极设置于所述活性区中，其特征在于：在形成所述金属氧化物半导体场效应晶体管元件的过程中，在所述活性区中形成至少一掺杂阻隔层，以界定出一掺杂阻隔区，该掺杂阻隔层用以遮挡漏极源极掺杂进入该掺杂阻隔区，然后蚀刻该掺杂阻隔层以界定出基极掺杂区，并于该基极掺杂区掺入适当的基极掺杂以获得该基极。

8.如权利要求7所述的喷墨打印头晶片的驱动晶体管的制造方法，其特征在于所述掺杂阻隔层形成于所述金属氧化物半导体场效应晶体管的源极区上。

9.如权利要求7所述的喷墨打印头晶片的驱动晶体管的制造方法，其特征在于所述掺杂阻隔层形成于所述金属氧化物半导体场效应晶体管的源极区附近。

10.如权利要求7所述的喷墨打印头晶片的驱动晶体管的制造方法，其特征在于所述掺杂阻隔层延伸至所述活性区相邻的场氧化层上。

11.如权利要求7所述的喷墨打印头晶片的驱动晶体管的制造方法，其特征在于所述掺杂阻隔层为多晶硅层。

12.如权利要求7所述的喷墨打印头晶片的驱动晶体管的制造方法，其特征在于所述掺杂阻隔层与所述金属氧化物半导体场效应晶体管栅极多晶硅在同一次沉积中形成。

13.如权利要求12所述的喷墨打印头晶片的驱动晶体管的制造方法，其特征在于所述掺杂阻隔层与所述金属氧化物半导体场效应晶体管元件栅极多晶硅利用同一次蚀刻步骤界定其范围。

14.如权利要求7所述的喷墨打印头晶片的驱动晶体管的制造方法，其特征在于，更包含下列步骤：

沉积一层际绝缘层，覆盖于所述金属氧化物半导体场效应晶体管上；

在所述层际绝缘层上蚀刻出适当的电极接触孔；及

形成连接所述基极与所述金属氧化物半导体场效应晶体管元件的源极区的导体，使其保持同一电位。

15.如权利要求14所述的喷墨打印头晶片的驱动晶体管的制造方法，其特征在于所述层际绝缘层由氧化硅与硼磷掺杂氧化硅所组成。