(57)【要約】  インクジェットプリントヘッドは、各々が各プリントヘッドノズルに対応した、プリントヘッドヒータ回路の配列を有する。各ヒータ回路は、ヒータ配置（28）と、該ヒータ配置（28）を通る電流を流すための駆動トランジスタ（16）とを有する。前記駆動トランジスタ（16）は、上部ゲートポリシリコン薄膜トランジスタを有し、該上部ゲートポリシリコン薄膜トランジスタは、前記ゲートの下側に、フィールド場緩和ドープ領域（20）を有し、前記ヒータ配置は、前記駆動トランジスタのチャネルを定形する前記ポリシリコン層の部分を有する。これにより、ポリシリコンTFT技術を用いて、大きな矩形状の基板に、加熱抵抗器および駆動薄膜トランジスタ（TFT）（および制御ロジック回路）を製作することが可能となる。
2008526561.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
各々が各プリントヘッドノズルに対応した、プリントヘッドヒータ回路の配列を有するインクジェットプリントヘッドであって、
各ヒータ回路は、ヒータ配置と、該ヒータ配置を通る電流を流すための駆動トランジスタとを有し、
前記駆動トランジスタは、上部ゲートポリシリコン薄膜トランジスタを有し、該上部ゲートポリシリコン薄膜トランジスタは、前記ゲートの下側に、フィールド場緩和ドープ領域を有し、
前記ヒータ配置は、前記駆動トランジスタのチャネルを定形する前記ポリシリコン層の部分を有することを特徴とするプリントヘッド。
【請求項２】
前記フィールド場緩和領域は、ドレイン接触領域と前記駆動トランジスタのチャネルの間に提供されることを特徴とする請求項1に記載のプリントヘッド。
【請求項３】
前記ヒータ配置は、同じ層から形成された、ドープされた端子部、および該端子部同士の間の加熱部分を有することを特徴とする請求項1または2に記載のプリントヘッド。
【請求項４】
前記駆動トランジスタとヒータ配置の前記ポリシリコンは、連続した島部を形成することを特徴とする請求項3に記載のプリントヘッド。
【請求項５】
前記ポリシリコン層に、同じドーピングが適用され、前記フィールド場緩和領域および前記加熱部分が定形されることを特徴とする請求項3または4に記載のプリントヘッド。
【請求項６】
前記端子部は、さらに、前記加熱部分とは異なるドーピングでドープされることを特徴とする請求項3乃至5のいずれか一つに記載のプリントヘッド。
【請求項７】
前記端子部には、前記駆動トランジスタの前記ソースおよびドレインの接触部分と同じドーピングが適用されることを特徴とする請求項3乃至6のいずれか一つに記載のプリントヘッド。
【請求項８】
前記ソースとドレインの接触部分、および前記加熱配置と接続された金属接触層が設置されることを特徴とする前記請求項のいずれか一つに記載のプリントヘッド。
【請求項９】
前記ヒータ配置の上部には、加熱チャンバ室が設けられ、
前記金属接触層は、前記加熱チャンバ室の下側の領域に延伸し、
前記加熱配置は、均一にドーピングされたポリシリコンの島部を有することを特徴とする請求項8に記載のプリントヘッド。
【請求項１０】
前記駆動トランジスタは、複数のフィールド場緩和領域を有することを特徴とする前記請求項のいずれか一つに記載のプリントヘッド。
【請求項１１】
前記ソースおよびドレインの接触領域の各々に隣接して、フィールド場緩和領域が設置されることを特徴とする請求項10に記載のプリントヘッド。
【請求項１２】
前記フィールド場緩和領域は、前記ドレイン接触領域に隣接した、異なるドーピングの複数の領域を有することを特徴とする請求項10に記載のプリントヘッド。
【請求項１３】
前記駆動トランジスタは、共通の基板および誘電体層スタックの上部に設置され、前記基板から順に、
ポリシリコン層と、
ゲート誘電体層と、
ゲート導電層と、
中間誘電体層と、
第2の金属層によって定形されたソースおよびドレインの接触部と、
を有することを特徴とする前記請求項のいずれか一つに記載のプリントヘッド。
【請求項１４】
各プリントヘッドヒータ回路は、前記ヒータ配置の上部のヒータチャンバ室を有し、
前記ヒータチャンバ室は、前記ポリシリコン層、前記ゲート誘電体層、前記中間誘電体層、および別の誘電体層の上部に設置されることを特徴とする請求項13に記載のプリントヘッド。
【請求項１５】
各プリントヘッドヒータ回路は、前記ヒータ配置の上部のヒータチャンバ室を有し、
前記ヒータチャンバ室は、前記ポリシリコン層および別の誘電体層の上部に設置され、
前記ゲート誘電体層および前記中間誘電体層は、前記ヒータチャンバ室の下側から排除されることを特徴とする請求項13に記載のプリントヘッド。
【請求項１６】
前記チャンバ室は、チャンバ壁および被覆オリフィス板によって定形されることを特徴とする請求項14または15に記載のプリントヘッド。
【請求項１７】
前記駆動トランジスタは、非自己整列薄膜トランジスタを有することを特徴とする前記請求項のいずれか一つに記載のプリントヘッド。
【請求項１８】
前記駆動トランジスタは、自己整列薄膜トランジスタを有することを特徴とする請求項1乃至16のいずれか一つに記載のプリントヘッド。
【請求項１９】
インクジェットプリントヘッド用のプリントヘッドヒータ回路の配列を製作する方法であって、
前記回路は、共通の基板上に設置され、
当該方法は、
前記共通の基板の上部に、誘電体層を設置するステップと、
前記誘電体層の上部に、アモルファスシリコン層を設置するステップと、
前記アモルファスシリコン層を処理して、多結晶質部分を形成するステップと、
前記ドープされたポリシリコン層の上部に、ゲート誘電体層を設置するステップと、
前記ゲート誘電体層の上部に、ゲート導体層を設置して、前記ゲート導体層から少なくともゲート端子部を定形するステップと、
別の誘電体層を設置するステップと、
を有し、
複数のドーピング操作が行われ、前記ポリシリコン部分に、ソース、ゲート、ドレインおよびフィールド場緩和トランジスタ領域が定形され、フィールド場緩和領域は、前記ゲートの下側の前記ドレイントランジスタ領域に少なくとも隣接して設置され、
前記ヒータ配置は、前記駆動トランジスタのチャネルを定形する、前記ポリシリコン層の部分を有することを特徴とする方法。
【請求項２０】
さらに、前記別の誘電体層の上部に、第2の金属層を設置して、ソースおよびドレインの接続部と、前記加熱配置への接続部とを定形するステップを有することを特徴とする請求項19に記載の方法。
【請求項２１】
さらに前記ドーピング操作によって、ドープされた加熱配置端子部と、前記端子部同士の間の加熱部分とが定形されることを特徴とする請求項19または20に記載の方法。
【請求項２２】
前記トランジスタおよびヒータ配置の前記ポリシリコンは、連続した島状にパターン化されることを特徴とする請求項21に記載の方法。
【請求項２３】
前記ポリシリコン層に、同じドーピングが適用され、前記フィールド場緩和領域および前記加熱部分が定形されることを特徴とする請求項21または22に記載の方法。
【請求項２４】
さらに前記ドーピング操作により、前記加熱部分とは異なるドーピングで前記端子部がドープされることを特徴とする請求項21乃至23のいずれか一つに記載の方法。
【請求項２５】
前記端子部には、前記トランジスタのソースおよびドレインの接触部分と同じドーピングが適用されることを特徴とする請求項21乃至24のいずれか一つに記載の方法。
【請求項２６】
さらに、前記ヒータ配置の上部に、加熱チャンバ室を形成するステップを有し、
前記金属接触層は、前記加熱チャンバ室の下側の領域に延伸し、
前記加熱配置は、均一にドープされたポリシリコンの島部を有することを特徴とする請求項19乃至25のいずれか一つに記載の方法。
【請求項２７】
前記ドーピング操作によって、複数のフィールド場緩和領域が定形されることを特徴とする請求項19乃至26のいずれか一つに記載の方法。
【請求項２８】
前記ドーピング操作によって、前記ソースおよびドレインの各々と隣接するフィールド場緩和領域が定形されることを特徴とする請求項27に記載の方法。
【請求項２９】
前記ドーピング操作によって、前記ドレインと隣接して、異なるドーピングの複数のフィールド場緩和領域が定形されることを特徴とする請求項27に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱インクジェットプリントヘッドに関し、特に個々のプリントノズルに対応した駆動回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
熱インクジェットプリント法は、広く利用されている印刷技術である。典型的なインクジェットプリンタは、少なくとも一つのプリントカートリッジを有し、この中で、微細なインク液滴が形成され、これが紙または他の印刷媒体に向かって放射され、媒体上に画像が形成される。印刷媒体と近接するカートリッジの一部は、しばしばプリントヘッドと呼ばれる。このプリントヘッドは、オリフィス板を有し、この板には、小さなノズル配列の孔が開けられる。各ノズルに近接してインクチャンバ室があり、液滴が形成されるまでは、インクは、この中に保管される。各インクチャンバ室には、熱を発生するオーム抵抗器が備えられている。インクの吐出は、チャンバ室内に保管されたインクの急速加熱によって行われる。インク蒸気の急激な膨脹によって、チャンバ室内のインクの一部が、液滴の状態でノズルから押し出される。気泡の破裂によって、チャンバ室内に真空が形成され、この結果、全てのチャンバ室が流体連通されているカートリッジ内において、インクリザーバからチャンバ室にインクが再充填される。再補充されたインクは、抵抗器、チャンバ壁およびノズルを冷却し、再充填と冷却によって、次の液滴用にインクが準備され、加熱抵抗器が再度活性になった際に、次の液滴が形成される。
【０００３】
抵抗器は、シリコン基板または他の任意の基板上に薄膜形態で設置され、通常、使用抵抗材料は、金属合金である。抵抗器とインク（ほとんどの場合、水溶液系）の間の化学反応を避けるための、抵抗器およびその金属端子部は、少なくとも一つの不活性耐熱不動態層で被覆され、この層は、しばしば窒化ケイ素で形成される。不動態層の上部には、キャビテーション層が設置されても良く、この場合、液滴吐出後にインクが再充填される際に、チャンバ室に流入するインクの衝突の結果として生じ得る、不動態層および抵抗器の層に対する機械的な損傷が抑制される。
【０００４】
抵抗器は、駆動トランジスタと接続され、このトランジスタによって、被印刷データに応じた特定の順番で、抵抗器のオンオフが切り替えられる。駆動トランジスタは、抵抗器と隣接しており、抵抗器と同じ基板上に製作される。多くの異なる技術を用いて、駆動トランジスタを形成することができる。トランジスタのチャネルは、十分に広くして、そのオン状態での抵抗が、加熱抵抗器の抵抗に比して小さくなるようにする必要がある。
【０００５】
高い印刷処理能力および高い印刷解像度を得るため、通常、近年のプリントヘッドは、数百のノズルを有し、ノズルピッチは、20〜100μｍである。多ノズル数と小さなピッチの組み合わせでは、外部ロジック回路を用いて、切り替え用トランジスタを個々にアドレス処理することは現実的ではない。これには、各ノズルに対して一つの接触パッドが必要となるからである。従って、最近のプリントヘッドは、プリントヘッド基板に埋設されたロジック回路を有し、この回路は、切り替え用トランジスタと同じ処理プロセスで製作される。集積されたロジック回路は、単一のシリアル印刷データ入力部を有し、これにより、外部接触パッドの数を激減させることができる。
【０００６】
インクジェットプリントヘッドの製作に関しては、多くの困難性および問題がある。
【０００７】
インクジェットカートリッジのノズル数は、ここ数年来、激増しているものの、ノズル配列の寸法は、未だなお、通常の印刷媒体の寸法に比べて小さくなっている。例えば、オフィス用の標準的なプリントカートリッジでは、ノズル配列の寸法は、A4およびB4紙の幅に比べて、約10〜20分の1である。この寸法上の差異を埋め合わせるため、インクジェットプリンタは、コンピュータ制御輸送機構を備え、この機構は、ステッピングモータを有し、このモータを用いて、カートリッジを媒体に蛇行状に移動させることにより、印刷媒体全体を網羅することが可能となる。ノズル配列寸法が印刷媒体と等しいプリントヘッドを適用した場合、カートリッジの輸送機構の必要性がなくなる。これにより、印刷処理プロセスが簡略化されるとともに、そのようなプリントヘッドの多ノズル数により、印刷処理能力が向上する。
【０００８】
従来のプリントヘッドは、シリコンウェハ上に製作される。従来のシリコンウェハの最大寸法は、30cmである。従って、30cmのウェハをベースとする製作プロセスでは、通常の印刷媒体（A4またはB4紙）と等しいノズル配列寸法のプリントヘッドの製作に、中央部分のみしか使用することができない。活性ウェハ領域の大部分は、広いページのプリントヘッドには適さない。原理的には、プリントヘッドの個々の区画を製作してから、これらを広いページのプリントヘッドに接続することは可能であるが、これは技術的には難しく、高コストとなり、隣接するプリントヘッド区画同士の間の接続の品質に関連した画像の偽像が生じるようになる。
【０００９】
極めて多くのノズルを備える改良型プリントヘッドの場合、多結晶質シリコン（ポリシリコン）薄膜トランジスタ（TFT）技術が提案されている。ポリシリコンプリントヘッドでは、ポリシリコンの島部がチャンネル、ソース、ドレインおよびフィールド場緩和領域を提供する。これらの領域は、化学気相成膜（CVD）法を用いて、基板上にアモルファスシリコン（a-Si）を成膜することにより製作され、その後、ドーパント注入、さらにはレーザまたはこの分野で公知の他の結晶化技術を用いて、a-Siの結晶化が行われる。基板は、TFTの一部ではなく、単に機械的な支持を提供するに過ぎないため、ガラス、プラスチック膜または鋼膜など、広範囲の基板材料を使用することができる。プリントヘッドの適用により適した大きな矩形状基板を使用して、処理プロセスを実施することもできる。
【００１０】
ポリシリコン技術を使用することに関する問題は、液滴の吐出に高電力が必要となることである。加熱トランジスタのチャネルは、ゲートが高になった際に、電圧VDDがヒータにわたってほぼ完全に低下するように、十分に広くする必要がある。理想的には、トランジスタのオン抵抗は、ヒータの抵抗の10％を超えないようにする必要がある。ある印刷用途では、液滴の形成に必要な電力は、単位ノズル当たり2ワットに達する。ほとんどの用途ではノズルピッチは、20乃至200μmのオーダーであるため、単位ノズル当たりの電力は、極めて大きくなる。この電力を極めて広いトランジスタに利用することが必要となる。また熱インクジェットプリントに関する一つの重要な問題は、そのようなトランジスタを小さなノズルピッチに収めることである。これは、プリントヘッド内の駆動トランジスタが、従来のシリコンウェハ上へのCMOS技術ではなく、ポリシリコン技術で製作されている場合、特に重要となる。これは、ポリシリコンTFTは、従来のCMOSトランジスタに比べて、高い閾値電圧および低い移動度を有し、単位チャネル幅当たりの供給電流が低くなるためである。
【００１１】
必要なチャネル幅を低減させる一つの方法は、電圧VDDを高めることである。電力を一定に維持するためには、ヒータの抵抗も同様に高める必要があるが、これは、そのオン抵抗がヒータの抵抗に比べて未だ小さいことが保証される場合には、幅の狭いトランジスタで十分であることを意味する。ヒータの抵抗は、一定電力の場合、電圧VDDの2乗に従って増大し、必要なトランジスタ幅は、VDDの2乗の逆数に従って減少する。従って、VDDの増大は、トランジスタを小さなノズルピッチに適合させるには、極めて有効な方法である。これは、ポリシリコンTFTを用いてノズルを駆動する場合、特に重要である。
【００１２】
しかしながら、VDDの増大はトランジスタの寸法を減少させるものの、この場合、チャネルにわたってより大きな電圧降下が生じ、崩壊現象、ホットキャリア効果、および自己加熱によるトランジスタの劣化が生じるため、トランジスタの寿命が低下してしまう。アクティブマトリクス液晶ディスプレイまたは有機エレクトロルミネッセントディスプレイに使用される従来のポリシリコンTFTは、通常10Vのオフ状態での最大ソース−ドレイン電圧に対して耐久性があり、必要な寿命までの間、電気的な劣化は生じない。通常、前述のディスプレイ向けに使用されるTFTは、ゲートの外側に、ゲートに対して自己整列された少量注入フィールド場緩和領域を有し、ゲート−ソースおよびゲート−ドレインの寄生容量が抑制される。
【００１３】
別の問題は、加熱チャンバ室の劣化に関する問題である。加熱チャンバ室は、最も効果的に熱が逸散されるように、加熱抵抗器の活性領域全体が完全にチャンバ室の内部に配置されるように設計され、そのような設計により、チャンバ壁および加熱チャンバ室の周囲での過度の温度上昇を回避することができる。従来の設計では、これは、抵抗層の上部に設置された、加熱チャンバ室および伝導性金属トレースを超えて延伸する抵抗層によってなされる。この伝導性金属トレースは、抵抗層の上部に設置され、加熱壁に近接する加熱チャンバ室の内部に末端を有する。不動態層およびキャビテーション層は、抵抗層および金属トレースの上部に設置される。従って、従来の設計は、加熱チャンバ層の、2つの金属トレースが終端する位置に、2つの急な階段部を有する。インクジェットプリントの分野では、印刷時の恒久的な温度サイクルによって、および液滴の吐出後にチャンバ室に再充填されるインクにより生じる衝突によって、これらの階段部が劣化し易いことは、よく知られている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
本発明では、ポリシリコンTFT技術を用いて、大きな矩形状の基板に、加熱抵抗器および駆動薄膜トランジスタ（TFT）（および制御ロジック回路）を製作することが可能となる。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明では、各々が各プリントヘッドノズルに対応した、プリントヘッドヒータ回路の配列を有するインクジェットプリントヘッドであって、
各ヒータ回路は、ヒータ配置と、該ヒータ配置を通る電流を流すための駆動トランジスタとを有し、
前記駆動トランジスタは、上部ゲートポリシリコン薄膜トランジスタを有し、該上部ゲートポリシリコン薄膜トランジスタは、前記ゲートの下側に、フィールド場緩和ドープ領域を有し、
前記ヒータ配置は、前記トランジスタのチャネルを定形する前記ポリシリコン層の部分を有することを特徴とするプリントヘッドが提供される。
【００１６】
この装置では、加熱抵抗器、駆動薄膜トランジスタ（TFT）（および制御ロジック）およびこれらの間の電気的接続部を、ポリシリコンTFT技術を用いて、大きな矩形状基板に製作することが可能となる。現在のポリシリコンの大量生産工場では、通常使用される基板は、ガラスシートであり、この寸法は、0.5から2ｍ2の範囲にある。これにより、広いページのプリントヘッドの製作が可能になり、基板は矩形状であり、従来のシリコンウェハプロセスのような円盤状ではないため、基板の全領域をプリントヘッドの製作に利用することができる。
【００１７】
切り替え用TFTは、ゲートの下側であって、好ましくは多量注入ドレイン領域と隣接する位置に、（好ましくは少量の）注入フィールド場緩和領域を有する構造をベースとしている。この構造は、ゲート被覆少量ドープドレイン（GOLDD）構造と呼ばれる。従来のフィールド場緩和構造に比べて、GOLDDの使用により、オフ状態での最大耐久ソース−ドレイン電圧が有意に改善される。従来の構造と同等の酸化物厚さ、チャネル長さおよび易動度の場合、GOLDDのTFTは、オフ状態で、約30Vのソース−ドレイン電圧に耐性を有する。チャネル幅と供給電圧VDDの間の二次関数的な依存性を考慮し、前述の10Vおよび30Vの値を用いた場合、GODLDDの使用により、チャネル幅が約9分の1に減少する。これは、このGOLDD構造を熱インクジェットプリント法に使用する上で、大きな利点となる。
【００１８】
前述のように、単位ノズル当たりの電力は、通常2W程度である。約10Vの最大電圧で従来のTFTを使用した場合、通常のTFTパラメータ（チャネル長さ、易動度等）を想定すると、TFTチャネルは、2~3cmの幅にする必要がある。幅が2〜3cmのTFTを、現在の印刷用途に要求される20〜200μmのピッチに適合させることは極めて難しい。しかしながら、GOLDD装置を使用した場合、チャネル幅を約2〜3mmに減少させることが可能となる。トランジスタのチャネル幅は、5mm未満とすることが好ましい。
【００１９】
トランジスタのポリシリコン層を用いた加熱配置を製作することにより、加熱チャンバ室内の急な階段部を排除することが可能となる。抵抗器およびその端子部が、同じ層内に製作され、同一平面構造が得られるからである。これにより、歩留まりが向上し、より薄い不動態層およびキャビテーション層を使用することが可能となり、液滴の形成に必要なエネルギーが低減される。本発明の重要な実施例では、加熱チャンバ室内のポリシリコンの島部の領域は、少量ドープされ、加熱抵抗器が形成され、隣接する領域は、多量ドープされ、抵抗器の端子部が形成される。
【００２０】
ヒータ配置は、同一層から形成された、ドープされた端子部と、該端子部同士の間の加熱部分とを有することが好ましい。
【００２１】
この場合、これらの接合は、単にポリシリコンの島部内の異なる注入領域によって定められているに過ぎないため、加熱チャンバ壁の位置に対する、抵抗器とその端子部の間の接合の位置は拘束されない。従って、抵抗器の境界を、チャンバ壁とできる限り近接させることができる。従来の加熱チャンバ室の設計では、チャンバ壁と、抵抗層を被覆する金属トレースによって生じる急な階段部の間が、最小の間隔となるようにされ、さらに他の設計指針が適用される。
【００２２】
またこの場合、端子部は、加熱部分から加熱チャンバ室の設置領域の外側の領域に延伸し、端子部との接続部は、加熱チャンバ室の設置領域の外側となるため、加熱チャンバ室内のいかなる階段部も排除することができる。
【００２３】
多くのドーピング操作は、トランジスタの製作と加熱配置の製作の両方に共用することができる。
【００２４】
例えば、ポリシリコン層に同じドーピングを適用して、フィールド場緩和領域および加熱部分を定形しても良い。また端子部は、加熱部分とは異なるドーピング操作でドープすることもできる。また、駆動トランジスタのソースおよびドレイン接触部分と同じドーピング操作を、端子部に適用しても良い。
【００２５】
ソースおよびドレインの接触部分、ならびに加熱配置には、金属接触層が接続されることが好ましい。この層は、加熱チャンバ室の下側の領域に延伸し、これにより、加熱配置は、均一なドーピングを有するポリシリコンの島部を有することができる。
【００２６】
駆動トランジスタは、複数のフィールド場緩和領域を有しても良く、例えば、ソースおよびドレインの各々に隣接する一つの領域、またはドレインと隣接する異なるドーピングの複数の領域を有する。後者の場合、ピッチがさらに減少する。両方の場合で、異なる処理ステップが提供されても良い。
【００２７】
トランジスタは、自己整列性または非自己整列性の薄膜トランジスタを有しても良い。
【００２８】
また本発明では、インクジェットプリントヘッド用のプリントヘッドヒータ回路の配列を製作する方法であって、
前記回路は、共通の基板上に設置され、
当該方法は、
前記共通の基板の上部に、誘電体層を設置するステップと、
前記誘電体層の上部に、アモルファスシリコン層を設置するステップと、
前記アモルファスシリコン層を処理して、多結晶質部分を形成するステップと、
前記ドープされたポリシリコン層の上部に、ゲート誘電体層を設置するステップと、
前記ゲート誘電体層の上部に、ゲート導体層を設置して、前記ゲート導体層から少なくともゲート端子部を定形するステップと、
別の誘電体層を設置するステップと、
を有し、
複数のドーピング操作が行われ、前記ポリシリコン部分に、ソース、ゲート、ドレインおよびフィールド場緩和トランジスタ領域が定形され、フィールド場緩和領域は、前記ゲートの下側の前記ドレイントランジスタ領域に少なくとも隣接して設置され、
前記ヒータ配置は、前記駆動トランジスタのチャネルを定形する、前記ポリシリコン層の部分を有することを特徴とする方法が提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
以下、添付図面を参照して、本発明の実施例を詳細に説明する。
【００３０】
本発明は、ゲートの下側にフィールド場緩和ドープ領域を有する上部ゲートポリシリコン薄膜トランジスタを用いた、インクジェットプリントヘッドヒータ回路を提供する。ポリシリコントランジスタ層の部分は、ヒータを形成する。
【００３１】
これにより、広いページの印刷が可能になる多ノズル数の熱インクジェットプリントヘッドであって、高印刷解像度用の小さなノズルピッチを有する熱インクジェットプリントヘッドの製作が可能となる。前者は、大きな矩形状の基板と両立し得るポリシリコンTFTプロセスの使用により可能となり、後者は、最大作動電圧が改善された特定のトランジスタ構造の使用により可能となる。これらは、従来のポリシリコンTFTと同じ電力を供給するが、チャネルの幅は、著しく減少する。
【００３２】
抵抗器およびその端子部は、異なる注入量の領域を介して、同じポリシリコンの島部に定形されるため、加熱チャンバ室内の層が急な階段状となることが回避される。チャンバ室に急な階段部がないため、歩留まりが向上し、薄い不動態層の使用が可能となる。また、抵抗ヒータ、その金属接続部および熱絶縁不動態キャビテーション層の製作のための、別のプロセスステップを回避することが可能となる。これらの全てに対して、ポリシリコンTFT処理フローからのステップが利用できる。
【００３３】
インクジェットプリントヘッドノズルのヒータ回路は、薄膜トランジスタと、電力供給配線間に直列配置された加熱配置とを有する。図1乃至3には、本発明のある好適実施例の処理フローを示す。全般にトランジスタは、16で示されており、全般にヒータは、28で示されている。この実施例は、非自己整列型のn型TFT構造を基本とするものであり、この構造のフィールド場緩和領域は、ゲートで完全に被覆される。図1乃至3には、製作プロセスの連続的な段階が示されており、簡単のため、通常の場合、異なる図に示される特徴物の参照符号は、繰り返し使用されていない。
【００３４】
ポリシリコン処理では、基板10は、単にポリシリコン回路に対する機械的な支持のみを提供する。従来のシリコンウェハプロセスとは異なり、基板は、トランジスタのいかなる部分も形成しない。従って、使用基板の範囲には、ガラス、プラスチック膜、または金属膜が含まれる。ディスプレイ向けのポリシリコンの大量生産処理では、通常、厚さが0.4mmで、寸法が0.5から2m2の間のガラスシートが使用される。
【００３５】
まず処理プロセスは、基板10の清浄化から始まり、その後、基板の背面に誘電体層（図示されていない）のスタックの成膜が行われる。通常、誘電体層は、SiNxおよびSiOxである。背面と前面の両方に誘電体を設置する主な理由は、処理プロセスにおいてエッチャントとして使用されるHFは、ガラスをエッチングし、ガラスにピットが生じさせるためである。別の理由は、基板内の不純物がエッチング浴を汚染する可能性があるためである。極めて薄い基板の場合、背面への誘電体スタックの設置によって、前面に設置された層による機械的応力が相殺される。
【００３６】
通常、基板の背面に、SiNxの上部にSiOxを有する誘電体層のスタック12が設置された後、これが前面にも設置され、さらに、通常20〜100nmの厚さのa-Si層14が設置される。a-Si膜の水素含有量は、通常の場合、450℃での熱処理によって、通常3％まで低減される。窒化物層は、基板から成膜層への成分（例えばB、P、Na）の拡散、特に、TFTを形成するポリシリコンの島部への拡散を防止する。TFTチャネル内の不純物は、TFTの電気的特性に影響を及ぼす。特に、BおよびPは、閾値電圧をシフトさせる。SiNxとSiOxの二重層により、基板に対するピンホール密度が抑制される。
【００３７】
a-Si層の上部には、フォトレジストがスピンコートされ、写真リソグラフィ法で、特徴物が定形され、加熱抵抗器28、駆動TFT16、および印刷データを加熱TFTゲートに分配するため、同じ基板に集積されるロジック回路に必要な、他のいかなるn型もしくはp型TFT、抵抗器、キャパシタ、MOSキャパシタまたは導電性トレースを製作するための島部が形成される。a-Siの特徴物は、SF6／HCl／O2混合ガスによるRIEを用いてドライエッチングされるが、この分野の当業者には、他のエッチング技術を利用しても良いことは明らかである。
【００３８】
島部の定形の後、TFTには、それらの閾値電圧を調製するため、通常1〜3×1012cm-2程度の少量のボロン注入が必要となる。しかしながら、コンタミネーションのレベルが低い場合、このステップは、省略しても良い。n型およびp型のTFTの閾値電圧の最適化に必要なドーパント濃度は、等しいとは限らない。そのような場合、パターン処理された注入に加えて、包囲注入が行われても良い。
【００３９】
ソース22、ドレイン24、加熱TFTおよび集積ロジック回路内のあらゆるn型およびp型チャネルTFTのフィールド場緩和領域20、抵抗器およびその2つの端子、ならびにロジック回路に使用される、あらゆるキャパシタ、MOSキャパシタ、またはドープされたポリシリコンで構成された導電性トレースには、別のマスク定形およびイオン注入が必要となる。
【００４０】
TFTの劣化を抑制するためには、TFTフィールド場緩和領域20に、3×1012から3×1013cm-2の間（通常、9×1012cm-2）のリン注入量が必要となり、ソースおよびドレインの注入量は、通常1015cm-2である。
【００４１】
ｐチャネル装置のソースおよびドレイン領域には、注入化学種として、同じ量のボロンが必要となる。
【００４２】
本発明の好適実施例では、注入ステップおよび写真リソグラフィステップの数が抑制され、抵抗器端子29を形成するポリシリコン領域は、pチャネルまたはnチャネルTFTのソースおよびドレイン接触領域と同じ多量注入ステップでドープされる（ソース22およびドレイン24）。この利点は、熱変換器用の追加の処理ステップが不要となることであり、これにより、処理フローが大きく簡略化され、生産歩留まりが向上する。
【００４３】
加熱抵抗器の抵抗は、他の因子の中でも、液滴形成に必要なエネルギー、および抵抗器に印加される最大電圧VDDによって定められる。必要な値は、抵抗器の長さ、幅、厚さおよびシート抵抗を変更することによって調整することができ、このうち後者は、この領域での注入量を変化させることにより、調整することができる。本発明の好適実施例では、抵抗器のために別のイオン注入ステップを利用することが回避される。その代わり、抵抗器28は、フィールド場緩和領域20、または処理プロセス内で利用可能な他のいかなる適当な注入ステップと同じ注入ステップでドープされても良い。
【００４４】
抵抗器は、抵抗の低い端子部29と中央加熱部分とを有する。
【００４５】
イオン注入ステップの後、レジストの除去および表面の清浄化が行われ、注入されたa-Si島部が、通常300mJ／cm2のエネルギー密度のエキシマレーザビームによって、またはレーザ結晶化に適した他のいずれかのレーザビームによって、ポリシリコン島部に変換される。あるいは、金属誘起レーザ結晶化法または連続側方凝固法のような、この分野で公知の他の結晶化技術を使用しても良い。
【００４６】
図2には、ゲート酸化物30を示す。この厚さは、20から150nmの間の範囲にあり、この層は、CVDを介して成膜されても良く、その後、結晶化されたSiの島部の表面全体が清浄化される。酸化物は、加熱チャンバ室の不動態層としても機能する。
【００４７】
ゲート酸化物の上部には、ゲート金属32が設置される。通常、ゲート材料として、厚さが200から300nmのアルミニウム合金が使用され、この金属は、乾式または湿式のエッチング処理を用いて定形される。後続のステップでは、CVDにより、ゲート金属の上部に中間誘電体層34が設置される。SiNxを用いても良く、通常、厚さが200〜300nmのゲート金属は、500nmとなる。また、この層は、加熱チャンバ室の不動態層としても機能する。
【００４８】
ソースおよびドレイン、抵抗器端子部、ならびにゲート金属との接触孔は、湿式または乾式のエッチング技術によって開口される。この場合、ゲート金属との接触のための誘電体層34を貫通するエッチング処理、ならびにソース、ドレインおよび抵抗器端子部との接続のための誘電体層34とゲート酸化物30を貫通するエッチング処理が必要となる。ゲート金属との接続は、図には示されていない。
【００４９】
処理プロセスの細部によっては、ゲート金属との接触部の開口のため、被注入ポリシリコンとの接触窓を開口するために使用される技術とは異なる技術が必要となる。写真リソグラフィ法と、湿式または乾式のエッチング法とにより、第2の金属層36が設置され、これが導電性トレースに定形される。
【００５０】
図3には、ソース／ドレイン金属36の上部に設置された誘電体層40が示されており、別の（第3の）金属層42を経路設定に用いることが可能となる。またこの誘電体層40は、加熱チャンバ室44の不動態キャビテーション層としても機能する。乾式または湿式エッチングによって、この層内に接触孔が開口され、これは、ソース／ドレイン金属の上部で終端化される。第3の金属層42は、写真リソグラフィ法で設置、定形され、加熱TFTのソース22、および加熱抵抗器の一つの端子部に接続される。また、この金属は、集積ロジック回路内の高位置レベルの経路としても利用される。
【００５１】
図3に示す最終処理ステップでは、加熱抵抗器が加熱チャンバ室の内部に配置されるように、加熱チャンバ壁の材料50が設置され、壁が定形される。チャンバ室の上部には、オリフィス板52が区画化される。
【００５２】
このように本発明では、ソース、ドレインおよびゲートを有する薄膜トランジスタ（TFT）が提供される。チャネル、ソースおよびドレインを提供する多結晶質シリコン（ポリシリコン）の島部は、化学気相成膜（CVD）法により、基板上にアモルファスシリコン（a-Si）を成膜した後、レーザまたはこの分野で公知な他の結晶化技術を用いて、このa-Siを結晶化させることにより形成される。基板は、TFTの一部ではなく、単に機械的な支持を提供するに過ぎないため、ガラス、プラスチック膜または鋼膜のような、広い範囲の基板材料を使用することができる。ゲート酸化物およびゲート金属は、ポリシリコンの島部の上に製作される。ソースおよびドレインの領域を形成する多量注入領域に加えて、TFTは、ドレインに隣接し、ゲートによって被覆された少量注入領域を有する。この領域は、ドレインの電界を抑制し、これにより、TFTの安定性および崩壊電流による制限を受けずに、チャネルにより高い電圧を印加することが可能となる。TFTのソースは、アースと接続され、ドレインは、金属相互接続を介して、TFTを形成するポリシリコンの島部と同じ処理プロセスで製作されたポリシリコン抵抗ヒータの一つの端子部29と接続される。抵抗器の第2の端子部29は、金属相互接続を介して、供給電源と接続される。不動態層が、TFTおよび抵抗器を被覆し、抵抗器の上部に、インクチャンバ室が定形される。
【００５３】
TFTが図3に示すようなn型トランジスタである場合、TFTは、ゲート信号が高のときにオン状態となる。オン抵抗がヒータ抵抗に比べて小さい場合、外部電圧VDDは、抵抗器を横断してほぼ完全に低下し、この結果、インクが蒸発し、液滴が吐出される。ゲート信号が低の場合、TFTは、非伝導性状態となる。抵抗器での熱の逸散は生じず、外部電圧VDDは、TFTチャネルを横断してほぼ完全に低下する。p型トランジスタを使用した場合、抵抗器は、ゲート電圧が低くなると熱を逸散するが、ゲート電圧が高い場合は、熱の逸散は生じない。
【００５４】
基板が、鋼膜またはSiウェハのような良好な熱伝導体である場合、ヒータの基板からの熱的な遮蔽が重要となり、チャンバ室内のインクに伝達されず、基板に伝達されるエネルギー量を最小限に抑制することが重要となる。また誘電体キャップ層は、抵抗器の熱遮蔽層としても機能し、熱遮蔽層の製作のため、別の成膜およびマスク処理を行う必要性がなくなる。
【００５５】
また、本発明の処理プロセスでは、TFT構造の異なる材料層が、抵抗器の製作に有効に使用される。特に、ポリシリコンTFT処理では、いくつかの誘電体層が必要となり、これらには、ゲート酸化物、ゲートとドレイン／ソース金属の間の誘電体層、ソース／ドレイン金属の上部の誘電体層であって、ガラス、プラスチック膜または鋼膜のような基板に広く使用される誘電体層、基板とポリシリコンの間のキャップ層が含まれる。後者は、不純物が基板からポリシリコンの方に泳動して、TFTの電気的特性が劣化することを防止し、伝導性基板が使用される場合、基板をポリシリコンから分離するために必要となる。しばしば、シリコン酸化物は、キャップ層、または2以上の層が使用されている場合、上部キャップ層として選定され、ポリシリコンに対するその高品質界面により、TFTに最適な電気的特性が得られる。
【００５６】
またTFTに必要なゲート酸化物および2つの誘電体層は、ポリシリコン抵抗器の不動態キャビテーション層としても機能する。従って、これらの層の製作の際に、成膜ステップおよび写真リソグラフィマスキングステップのような別の処理ステップが不要となる。
【００５７】
ゲート酸化物は、ポリシリコンTFT処理プロセスでは、従来のSi処理に比べて、より厚くなる。酸化物は、基板を溶融するため、これを熱的に成長しないように成膜する必要があるためである。また、異なる寸法の無秩序に配向されたSi結晶からなる、ポリシリコン層の粗い表面には、ゲート金属とポリシリコンの間の短絡を防止するため、厚い酸化物が必要となる。この厚さの増大のため、ゲート酸化物は、不動態層の全体の厚さに、大きな影響を及ぼす。従来のSi処理プロセスでは、酸化物の厚さは、せいぜい数ナノメートルで極めて薄く、これでは抵抗器を保護することはできないため、別の厚い不動態層の設置が必要となる。不動態層として機能する3層を設けることの利点は、これによって有効ピンホール密度が低減し、より良い歩留まりが得られることである。しかしながら、ある用途では、上部誘電体層を使用することで十分であり、この場合、ゲート酸化物およびゲート金属上の誘電体は、接触孔の開口処理と同じ処理ステップで除去されても良い。
【００５８】
このように、加熱素子の製作には、特殊な処理ステップが不要となり、絶縁層、抵抗器および不動態層は、全て、ポリシリコンTFTプロセスの一部として形成される。
【００５９】
図4には、本発明の別の実施例が示されており、ポリシリコン抵抗器領域28において、ゲート金属の上部のゲート酸化物30および誘電体34が除去され、上部誘電体層40のみが残る。この層は、複数の層で構成されても良く、不動態キャビテーション層として機能する。抵抗器内のゲート酸化物30および誘電体層は、ドープされたポリシリコンへの接触窓の開口処理と同じ処理プロセスで除去される。図3に示す実施例との差異は、ソース／ドレイン金属は、金属が誘電体の上部にある領域、および抵抗器が注入化ポリシリコンを覆う領域で、除去される必要があることである。当業者には既知のエッチング技術により、金属は、両方の領域で同じ処理ステップを用いて除去される。この実施例の利点は、図3に示す実施例に比べて、不動態キャビテーション層の全体厚さが減少する機会が提供されることである。これにより、より低い熱エネルギーでの液滴形成が可能となる。
【００６０】
本発明のさらに別の実施例は、図5に示されており、この場合、加熱トランジスタおよび抵抗器には、同じポリシリコンの島部80が使用される。特に、多量ドープされた高伝導性領域82は、写真リソグラフィ法およびイオン注入法により、その島部内に製作され、これは、TFTソース領域、およびTFTソースと電気的に接続された抵抗器端子部の両方として機能する。この実施例の利点は、図3の実施例に比べて、接続金属トレースが存在しないため、配置領域が減少することである。配置領域の減少によって、高解像度印刷用の小さなノズルピッチが得られる。
【００６１】
通常、多量ドープされたポリシリコンのシート抵抗は、200Ω／平方であり、この値は、金属のシート抵抗よりも十分に大きい。アルミニウムまたはアルミニウム合金の場合、シート抵抗は、約0.1Ω／平方である。従って、図5のポリシリコン接続では、図3の金属接続に比べて、より大きな直列抵抗が加わる。しかしながら、高い安定性を有するGOLDDのTFTを使用するため、VDDの値を大きくすることによって、単位ノズル当たりに必要な電力が得られ、抵抗の高い加熱抵抗器を使用することができる。従って、図3の低抵抗配列とは異なる、一つのポリシリコン領域内での抵抗器端子部とTFTソースとの組み合わせによって導入される、いかなる追加の直列抵抗も、高電圧で作動できるGOLDDのTFTの使用により、ヒータの抵抗に比べて小さく維持することができる。
【００６２】
図6および図7には、本発明の別の実施例を示す。この例では、加熱抵抗器は、加熱チャンバ室44内に達しチャンバ壁の近傍で終端化された、ソース／ドレイン金属36に定形された金属トレース90を介して、加熱TFTのソースおよび外部供給電圧VDDに接続される。図6では、ゲート酸化物および2つの誘電体層は、不動態キャビテーション層として機能し、図7では、ゲート酸化物および第1の誘電体層は、図4と同じ方法で除去される。これらの2つの実施例の利点は、これらの場合、僅かに配置面積が減少することである。問題は、加熱チャンバ室に、前述のように劣化が生じやすくなる、急な階段部が存在することである。
【００６３】
図1乃至7の実施例では、非自己整列（NSA）式GOLDD処理プロセスを基本としている。他のGOLDD構造も存在し、この一例は、図8および9に示されている。これらの熱インクジェット用の加熱TFTとしての使用、およびロジック回路での使用もまた、本発明の範囲に属するものである。構造上の変更は、加熱抵抗器および加熱チャンバ室に影響を及ぼさないため、図面には、ヒータ回路のTFT部分のみが示されている。
【００６４】
図8には、自己整列（SA）式GOLDDのTFTを示すが、この場合、ゲートは、マスクとして使用され、ポリシリコンTFTの島部のソースおよびドレインのドープ領域が、ゲートの端部に整列される。通常のSA-GOLDD処理プロセスでは、閾値電圧の調整のための低ドープ領域と、フィールド場緩和領域とが最初に注入され、次にSiの島部が結晶化される。次に、ゲート酸化物が設置され、さらにゲート金属の成膜および定形が行われる。ソースおよびドレインの領域は、ゲート酸化物を介して注入され、あるいはゲートをマスクとして使用し、低い注入エネルギーでゲート酸化物が除去されてから、注入されることが好ましい。
【００６５】
ゲートの下側以外の領域からゲート酸化物を除去する任意のステップは、図には示されていないが、この選択肢によって、少量の注入を使用することが可能となる。ただし、この注入には、追加の処理プロセスステップが必要となる。
【００６６】
ソースおよびドレインの注入は、これらの領域の多結晶構造に損傷を与えるため、これらの領域を再結晶化させるため、レーザ処理または熱処理が必要となる。
【００６７】
前述の非自己整列（NSA）処理プロセスに対するSA処理プロセスの利点は、この場合、より小型のTFTが製作され、ソースとドレインの重なりがないため、ゲート−ソースおよびゲート−ドレインの寄生容量が低下することである。前者は、ノズルピッチを減少させ、後者は、ロジック回路の作動周波数を改善する。この欠点は、SA-GOLDDのTFTの安定性が低いため、最大作動電圧VDDが低下することである。安定性が低下する理由は、ドレインとフィールド場緩和領域20の間の接合部で、ドーピングプロファイルが急激に変化するため、SA-GOLDDのTFTがドレインに大きな電場を有することによるものである。前述のNSA構造は、レーザ結晶化処理の際に、ドーパントが溶融Siに拡散する結果、チャネルとフィールド場緩和領域の間、およびフィールド場緩和領域とドレインの間の接合が広くなるという特徴を有する。広い接合は、ドレインでのフィールド場を抑制し、これにより、劣化を生じさせずに、チャネルに大きな電圧を印加することが可能になる。SA-GOLDD構造では、図8に示すように、ドレインとフィールド場緩和領域の間の接合部は、ゲートによって部分的に被覆されており、再結晶化処理の際に、接合部でのSiの溶融が防止されるため、この接合部では、ドーパントの拡散は生じない。
【００６８】
図9の実施例は、完全SA-GOLDD構造を基本とするものであり、この構造では、フィールド場緩和領域100は、伝導性スペーサを用いて定形される。ゲート定形の後、ゲートをマスクとして使用し、酸化物30を介してフィールド場緩和領域が注入される。伝導性スペーサ102の製作後、ソースおよびドレインの領域が注入される。熱処理によって、シリコンが再結晶化される。この構造の利点は、これが図8のSA-GOLDD構造よりも小さくなることである。ただし、両方の接合が急激なドーピングプロファイルを有するため、最大ソースドレイン電圧がさらに低下するという欠点がある。
【００６９】
図10には、さらに別の実施例を示す。図1乃至7に示すように、加熱TFTは、NSA-GOLDD構造をベースとしている。この構造は、ドレインに複数のフィールド場緩和領域110を有することだけが異なっている。各フィールド場緩和領域は、注入量および長さによって特徴付けられる。少なくとも一つのフィールド場緩和領域は、フィールド場緩和領域の製作の間に、注入処理を受けない。この場合、その注入量は、通常、この注入がTFTを形成するポリシリコンの島部全体に適用されるため、閾値電圧の調整に必要な注入量と等しくなり、あるいはコンタミネーションのレベルが十分に低く、閾値電圧の調整の必要性がない場合には、ゼロになる。好適実施例では、フィールド場緩和領域の注入量は、この領域がドレインに近づくほど高くなる。
【００７０】
複数のフィールド場緩和領域の利点は、これらがドレインでの電場を低下させ、キンク効果、崩壊電流、および電場誘起性のリーク電流が抑制されることである。従って、複数のフィールド場緩和領域を有するGOLDD装置では、安定性を犠牲にせずに、作動電圧VDDを高くすることが可能となる。単位ノズル当たりの電力が一定の場合、大きなVDDを使用することは、ヒータの抵抗が同様に増大することを意味する。従って、幅の狭いTFTでは、そのオン抵抗が、ヒータの抵抗に比べて未だ十分に小さくなることが保証される。ヒータの抵抗は、一定電力では、電圧VDDの2乗に比例するため、必要なTFT幅は、VDDの2乗の逆数に従って減少する。従って、複数のフィールド場緩和領域を導入することは、ノズルピッチを減少させる上で、極めて効果的な方法である。
【００７１】
GOLDD、特に複数のフィールド場緩和領域を有するGOLDDは、広いまたは広いページのノズル配列で印刷する場合に、重要な利点を有する。全ての加熱TFTソースおよび抵抗器を、それぞれ共通のアースまたはVDDに接続する金属トレースにより導入される直列抵抗は、多ノズル数の広い配列では大きくなる。抵抗器にわたって電圧VDDをほぼ完全に低下させるため、ソーストレースの直列抵抗は、オン抵抗のTFTに比べて小さくする必要があり、抵抗器トレースの直列抵抗は、ヒータ抵抗に比べて小さくする必要がある。前者が満たされないと、ゲートソース電圧が低下し、これにより、TFTのオン抵抗が増加する結果となり、後者が満たされないと、抵抗器端子部での電圧が低下する。高VDDでは作動させることのできない従来のTFTを有する回路とは異なり、GOLDDまたは複数のフィールド場緩和領域を有するGOLDDをベースとする回路では、接続トレースによる直列抵抗は、TFTのオン抵抗およびヒータ抵抗に比べて十分に小さい。
【００７２】
また、複数のフィールド場緩和領域を有するGOLDDのTFTは、それぞれ図8および9に示したように、SAおよび自己整列処理プロセスで製作することができる。
【００７３】
当業者には、各種変更が可能であることは明らかである。
【図面の簡単な説明】
【００７４】
【図１】本発明のプリントヘッドの第1の実施例に使用される処理プロセスを示した図である。
【図２】本発明のプリントヘッドの第1の実施例に使用される処理プロセスを示した図である。
【図３】本発明のプリントヘッドの第1の実施例に使用される処理プロセスを示した図である。
【図４】本発明のプリントヘッドの別の実施例を示した図である。
【図５】本発明のプリントヘッドの別の実施例を示した図である。
【図６】本発明のプリントヘッドの別の実施例を示した図である。
【図７】本発明のプリントヘッドの別の実施例を示した図である。
【図８】本発明のプリントヘッドの別の実施例を示した図である。
【図９】本発明のプリントヘッドの別の実施例を示した図である。
【図１０】本発明のプリントヘッドの別の実施例を示した図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【国際調査報告】
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