用于打印头的栅耦合电可编程只读存储器单元的制作方法

专利名称：用于打印头的栅耦合电可编程只读存储器单元的制作方法
用于打印头的栅耦合电可编程只读存储器单元
背景技术：
喷墨打印系统是一种流体喷射装置，其包括打印头，墨水供给，以 及控制打印头的电子控制器。打印头通过快速加热位于蒸发室内的少量
墨水使液体墨滴从配置于冲模(die)中的孔或喷嘴阵列中喷出。墨水 由例如薄膜电阻器或点火电阻器(firing resistor)的小型电热器加 热。加热墨水可以使一部分液体墨水蒸发以通过喷嘴向 一张打印介质， 例如一张纸喷射单个液滴，从而打印图像。墨喷嘴一般在打印头冲模中 设置为一个列或者多个阵列，从而当该打印头沿着打印介质扫描时，从 喷嘴喷出的墨水的恰当的按顺序的喷射决定待打印的字母或其它图像。
为喷射每一滴墨水，控制打印头的电子控制器激活打印头外部的电 源的电流。电流流经选定的点火电阻器以加热相应选定的蒸发室内的墨 水并通过相应喷嘴喷射墨水。已知的液滴产生器包括点火电阻器，相应 的蒸发室，和相应的喷嘴。
在喷墨打印系统中希望每一个打印墨盒都具有一些容易被控制器 识别的特征，并且希望这些识别信息都能直接由打印墨盒提供。这种"识 别信息"可以为控制器提供信息以调整打印机的操作并确保正确操作。 此外，当不同类型的流体喷射装置以及它们的操作参数增加时，有必要 提供更多数量的识别信息而不为提供这样的识别信息增加到柔性接头 电路(flex tab circuit)的附加互连或增大冲冲莫的尺寸。
为了这些以及其他原因，笔识别单元(pen identfication cell) 被开发出来并被集成到喷墨打印头沖模的电路中。在一种构造中，打印 头电路是负沟道金属氧化物半导体(丽0S)电路，并且识别单元被配置 为单独寻址。每 一 个识别单元包括储存 一 比特信息的识别位。
识别单元的识别位通常使用熔丝，并且尽管它们与标准的可编程只 读存储器(PROM)芯片不同，但这些位是可以编程的并且也是基于同一 方式使用。为了编程芯片，相对大的电流有选择性地路由到特定熔丝以 使其烧断。在电路的二进制逻辑中，熔丝仍然保持的位其值为1，而那 些熔丝已经烧断的位的值为0。
以这种方法编程和使用ROM芯片有一些缺点。如果芯片最初编程不
合适，就无法改正，而该芯片就必须丢弃。此外，熔丝相对專交大，并且 不太可靠。在喷墨打印头电路中，例如，在编程过程中熔丝可能损坏喷 孔层，并且在熔丝烧断后，其金属残骸可能进入墨水中并引发笔堵塞， 或者导致低质量的打印。
最近几年，还开发了电可编程只读存储器(EPROM)装置。不像PR0M 芯片，EPROM芯片不含熔丝。类似于典型的ROM芯片，EPR0M包括列和 行的传导栅格。在每一交点处的单元具有两个栅，它们由充当电介质的 薄氧化层彼此分开。其中一个栅称作浮栅而另一个称为控制栅或输入 栅。浮栅与行的唯一链接是通过控制栅。空白EPR0M的所有栅全开，使 每个单元的值为1。也就是，浮栅初始没有电荷，其使阈值电压为低。
为把位的值变成0,将编程电压(例如10至16伏)施加到控制栅 和漏极。这个编程电压提取受激电子至浮栅，因此增大阈值电压。推动 受激电子通过薄氧化层的另一面并在薄氧化层的该另一面被捕获，给其 负电荷。这些荷负电的电子在控制栅和浮栅间充当势垒(barrier)。 在EPROM单元的使用中，单元传感器监控单元的阈值电压。如果阈值电 压为低(低于阈值水平)，该单元值为1。如果阈值电压为高(高于阈 值水平)，该单元值为0。
因为EPR0M单元在每个交点具有两个栅，EPR0M芯片相比于标准 N0MS或PR0M芯片需要附加层，包括许多这种经常^f皮用于喷墨打印头电 ;洛中的芯片。因此，虽然在NM0S电3各中的熔丝的一些缺点可以因为应 用EPROM线路而消除，但是使用典型EPROM单元或者要求芯片提供有附 加层，这增加芯片的成本和复杂性，或者要求增加单独的EPR0M芯片。
附图简述
本发明的不同特性和优点将从以下结合相应附图的详细描述中变 得显而易见，以实施例的方式，共同阐明了本发明的特性，其中

图1是喷墨打印系统的一个实施例的框图； 图2示出了打印头冲模的一个实施例的一部分； 图3是示出了喷墨打印头点火单元阵列的一个实施例的示意图； 图4是打印头沖模的一个实施例中的识别单元的一个实施例的示意
图5是典型EPR0M晶体管的示意图6是显示典型EPROM芯片中电路层的截面图7是显示具有图3中所示电路的喷墨打印头冲模的一个实施例的 各层的截面图8是可以适合于用作图4的打印头电路中的识别位的栅耦合 (gate-coupled ) EPR0M单元的一个实施例的示意图9是具有栅耦合EPR0M识别位的识别单元的一个实施例的示意 图；以及
图10是用于打印头电路的栅耦合EPR0M单元的阵列的示意图。
具体实施例方式
以下将引用参考来说明附图中所示的实施例，此处使用特定术语来 描述相同的内容。然而应了解本发明的范围没有因此而限制。这里示出 的可由相关领域技术人员想到并具有本公开所属的本发明特性的变化 和进一步改进，以及本发明的原理的附加应用，都应视为在本发明的范 围内。
图1所示是喷墨打印系统20的一个实施例的框图。该喷墨打印系 统总体包括喷墨打印头组件22，和流体供给组件，例如墨水供应组件 24。该喷墨打印系统还包括安装组件26,介质传送组件28,以及电子 控制器30。电源32向该系统的各种不同电部件供电。
在图1所示的实施例中，喷墨打印头组件22包括至少一个打印头 或打印头沖冲莫(printhead die ) 40，其通过多个孔或喷嘴34向打印介 质36喷射墨滴，以在该打印介质上打印。打印介质可以是任何类型适 合的薄片材料，例如纸，卡片材料，幻灯片，Mylar"织物等。通常， 喷嘴34设置成一个或多个列或阵列，从而当喷墨打印头组件和打印介 质彼此相对移动时，从喷嘴喷出的适当排序的墨水喷射使字母、符号、 和/或其他图形或图像打印在打印介质上。打印头40是流体喷射装置的 一个实施例。尽管以下描述是关于墨水从打印头组件22喷射的，应理 解为，其他液体，流体或可流动材坤牛，包括纯流体，可以由打印头组件 喷射。
墨水供给组件24是流体供给组件的一个实施例，并向打印头组件 22供给墨水。该墨水供给组件包括用于储存墨水的容器38,墨水从该 容器流至喷墨打印头组件。墨水供给组件和喷墨打印头组件可以形成或 者单向墨水传送或者循环墨水传送。在单向墨水传送中，基本上所有供 给喷墨打印头组件的墨水都在打印期间消耗了。在循环墨水传送中，只
有 一部分供给喷墨打印头组件的墨水在打印期间消耗。在这样一个系统 中，打印期间未消耗的墨水重新回到墨水供给组件中。
在喷墨打印系统的一个实施例中，喷墨打印头组件22和墨水供给 组件24 —同容纳在喷墨盒或笔中。可替换地，墨水供给组件可与喷墨 打印头组件分离，并通过接口例如供给管(未示出)连接向喷墨打印头 组件供墨。在另一个实施例中，容器38可以被移除，替换，和/或再装 填。
安装组件26使喷墨打印头组件22相对于介质传送组件28定位， 这使打印介质36相对于喷墨打印头组件定位。因此可以在喷墨打印头 组件和打印介质之间的区域靠近喷嘴34限定打印区间37。喷墨打印头 组件可以为扫描式打印头组件，其中该安装组件包括用于相对于介质传 送组件移动喷墨打印头组件以扫描打印介质的载架(未示出)。可替换 地，喷墨打印头组件可以是非扫描式打印头组件，其中该安装组件在一 个相对介质传送组件2 8规定的位置固定喷墨打印头组件。
电子控制器或打印机控制器30 —般包括处理器、固件、和其他电 子器件，或它们的任意结合，以与喷墨打印头组件22连通并对其进行 控制，安装组件26,以及介质传送组件28。电子控制器从例如计算机 的主机系统接收数据39,并且通常包括用于临时存储数据的存储器(未 示出)。通常，这些数据沿电子、红外、光、或其他信息传输路径送往 喷墨打印系统20。这些数据表示，例如，待打印文件，并包括一个或更 多打印任务命令和/或命令参数，由此形成用于喷墨打印系统的打印任 务。喷射墨滴的图案由该打印任务命令和/或命令参数决定。
喷墨打印头组件22可以包括一个打印头40,或者它可以是宽阵列 或多头打印头组件。喷墨打印头组件可以包括载体，其承载打印头沖模， 提供打印头沖模和电子控制器30间的电连通，并提供打印头冲模和墨 水供给组件24间的流体连通。
图2示出了打印头沖模40的一个实施例的一部分的视图。打印头 沖模包括打印或流体喷射元件的阵列42。打印元件形成在衬底44上， 其具有形成于内部的供墨槽46。供墨槽向打印元件供墨，并是流体供给源的一个实施列. 流体供给源的其他实施例包括但不限于向对应的蒸发室供墨的对应的单独供墨孔以及多个分别向对应流体体喷射元件组供墨的供墨短沟。
薄膜结构48具有形成于其中的供墨通道54。该通道与形成于衬底 44中的供墨槽46连通。孔层50具有正面50a和形成在该正面中的喷嘴 开口 34。孔层内还具有形成于其中的喷嘴室或蒸发室56,其与喷嘴开 口和薄膜结构的供墨通道连通。点火电阻器52位于蒸发室内，导线58 电耦合该点火电阻器至控制施加电流通过选择的点火电阻的电路。在这 里使用的，术语"液滴产生器"60包括点火电阻器52,喷嘴室或蒸发 室56和喷嘴开口 34。
在打印期间，墨水经由供墨通道54从供墨槽46流向蒸发室56。喷 嘴开口 34可操作地与点火电阻器52相关联，以使在给点火电阻器通电 时蒸发室中的小液滴通过喷嘴开口 (例如，基本上垂直于点火电阻器平 面)并朝向打印介质36喷出。
存在很多种类型的打印头沖模。这些包括热打印头，压电打印头， 静电打印头，以及本领域已知的任何其他类型的可以集成为多层结构的 流体喷射装置。衬底44可以由，例如，硅、玻璃、陶瓷或者稳定聚合 体形成，并且薄膜结构48可被形成为包括一个或更多二氧化硅、碳化 硅、氮化硅、钽、多晶硅玻璃或其他适合材料的钝化层或绝缘层。薄膜 结构还包括至少一个传导层，其定义点火电阻器52和导线58。传导层 可以由例如，铝、银、金、钽、钽铝合金或其他金属或金属合金构成。 点火单元电路，例如将在下文详述的，可以实现在衬底和薄膜层中。
孔层50可以是光可成像(photoimageable)环氧树脂，例如一皮称 为SU8的J不氧才对月旨，由Massachusetts, Newton的Micro—Chem出售。利 用SU8或其他聚合体制作孔层的技术是所属领域的技术人员公知的。在 一个实施例中，孔层由两个分离的层形成，被称为阻挡层(例如，干膜 光阻阻挡层)以及形成在阻挡层上的金属孔层(例如，镍、铜、铁/镍 合金、把、金或铑层)。其他合适的材料同样可以用来形成该孔层。
如图3所示是喷墨打印头点火单元电路80的一个实施例的一部分 的示意图。点火单元电路包括多个点火组82 (例如六个点火组)，每一 个点火组包含预充电点火单元84的阵列。第一点火组82a和第二点火 组82b的一部分在图3中示出。在每一个点火组中的预充电点火单元图 示地布置为13行和八列。预充电点火单元的数量及其布局可以根据需 要而变化。
八列预充电点火单元84电耦合至八根数据线88,标以Dl - D8。预
充电点火单元的每一列中的每一个点火单元电耦合数据线中的一根，并
且这些数据线延伸至点火组82b以及后续点火组(未示出)中的预充电 点火单元的相应列。
预充电点火单元84的行电耦合到地址线86,标以Al - A7,其接收 地址信号。在预充电点火单元的行中的每一个预充电点火单元，这里^L 称为行子组或子组，电耦合到同一对地址线，该对对于每一行子组是唯 一的。在点火组82中示出的点火单元阵列包括13行子组，但显而易见， 该阵列可以包括任何合适的子组数目。地址线同样延伸以连接点火组 82b及后续点火组(未示出)的行子組。
预充电线90a (标以PRE 1)接收预充电信号，并提供预充电信号 至在第一点火组82a中的所有预充电点火单元84。其他点火组每一个都 具有一根单独的预充电线，例如用于点火组82b的预充电线90b (标以 PRE 2)。
选择线92a (标以SEL 1)接收选择信号并提供该选择信号至在相 应点火组82中的全部点火单元84,而点火线94a (标以FIRE 1 )提供 点火信号至相关点火组中的所有预充电点火单元。点火线电耦合到在一 个点火组中的所有预充电点火单元84的点火电阻器(图2中的52)。 其他点火组分别具有其自己单独的选择线和点火线。
另外，在阵列80中的所有预充电点火单元84电耦合到受参考电压 限制的参考线96,例如地。考虑该结构，在预充电点火单元的行子组中 的预充电点火单元电耦合到同一地址线86，预充电线90,选择线92, 点火线94,以及地线96。
点火单元84使墨喷嘴的单独点火电阻器(图2中的52)有选择的 工作，以需要的图案喷射墨水。点火组首先由相应的PRE线90预充电。 地址信号提供在地址线86上以寻址每一个点火组82的一个行子组，其 包括在预充电点火组中的一个行子组。数据信号提供在数据线88上以 提供数据到所有点火组，包括在预充电点火组中的已被寻址的行子组。 其次，选择信号提供在预充电点火组的选择线92上以选择预充电点火 组。选择信号定义用于对预充电点火单元中每一个驱动开关(未示出) 的节点电容放电的放电时间间隔，该预充电点火单元或者是不在选定的 点火组的已被寻址的行子组中或者定址在选定点火组中并接收高电平 的数据信号。节点电容不会在定址在选定点火组并接收低电平数据信号
的预充电点火单元中放电。在节点电容的高电压电平使驱动开关为接通 (导通)。
在选定点火组82的驱动开关设为导通或不导通之后，在选定点火 组的点火线94上供有能量脉冲或电压脉冲。已经导通驱动开关的预充 电点火单元84导通电流通过点火电阻器(图2中的52)以加热墨水并 从相应液滴产生器(图2中的60)喷射墨水。在操作中，多个点火组 82可以被选择以连续点火，或者以其他顺序点火，并且也可以采用无序 的选择方式。提供在地址线86上的地址信号可以在通过点火组的每一 个循环期间设置到一个行子组地址，因此在重复行子组地址之前循环通 过每一个点火组的13行子组地址。在最后一个行子组之后，地址信号 选择第 一行子组以再次开始地址循环。
借助点火组82的连续操作，用于一个点火组的选择信号被用作下 一点火组的预充电信号。用于一个点火组的预充电信号在该一个点火组 的选择信号和点火信号之前。在预充电信号之后，数据信号被选择信号 在时间上复用并储存在该一个点火组的被定址的行子组中。用于选定点 火组的选择信号也同样是下一点火组的预充电信号。在用于选定点火组 的选择信号完成后，提供用于下一点火组的选定信号。当包括能量脉冲 的点火信号被提供至选定点火组时，在选定子组中的预充电点火单元84 基于所存储的数据信号来点火或加热墨水。
在上文中提到，提供更多数量的识别信息而不为提供这样的识别信 息增加到柔性接头电路(flex tab circuit)的附加互连或增大冲才莫的 尺寸是所希望的。因此，已经开发出可被包括在打印头线路内的识别单 元，例如在图3中所示。图4所示为可以制造在打印头冲模(在图1和 2中的40)的一个实施例的电路中制造的识别单元100的一个实施例的 示意图。打印头沖模可以包括多个这样的电耦合至一个识别线102的识 别单元，该识别线接收识别信号并提供识别信号到识别单元。
识别单元100包括存储元件或识别位，表示为103。存储元件储存 一位信息。在一个实施例中，如图4所示，存4诸元件包含由熔丝元件104 和熔丝电阻器108表示的熔丝以及。识别单元包括电耦合至存储元件 103的驱动晶体管或驱动开关106。驱动开关可以是具有漏极-源极路 径的FET (场效应晶体管)，其在一端电耦合至存储元件的一个端子并 在另一端电耦合至参考110，例如地。存储元件的另一个端子电耦合至
识别线102。识别线接收识别信号并提供识别信号至存储元件。包括编 程信号和读信号的识别信号，可以在驱动开关106接通(导通)时导通 通过存储元件。这仅仅允许在单个识别线上特定的识别单元响应在识别 线上的读和编程信号，而在同一个识别线上的其他识别单元不响应读和 编程信号。
驱动开关106的栅极形成存储结点电容112，其用作存储器依据预 充电晶体管114和选择晶体管116的顺序激活储存电荷。预充电晶体管 的漏极源极路径和栅极电耦合至接收预充电信号的预充电线118。图3 中预充电线可以电连接至预充电线90。
驱动开关106的栅极是电耦合至预充电晶体管114的漏极源极路径 和选择晶体管116的漏极源极路径的控制输入。选择晶体管的栅极电耦 合至接收选择信号的选择线120。选择晶体管可被电连接至选择线(图 3中的92)。存储结点电容112为虚线所示，作为驱动开关106的一部 分。可替换地，可以釆用与驱动开关分离的电容器储存电荷。
体管122，'第二晶体管、124;和^三晶体管、126:这三^个晶体管的;联组 合电耦合在选择晶体管116的漏极源极路径和参考110之间。包括耦合 至第一、第二和第三晶体管的并联组合的选择晶体管的串联电路电耦合 在驱动开关106的结点电容112上。
笫一、第二、和第三晶体管，122, 124和126的栅极电耦合至相关 联的点火组(图3中的82)的数据线的三根上。这样连接的三根数据线 可以是与对应点火组相关联的八根数据线Dl-D8中三根的任意独特的 组合。如图4所示，数据线可以是图3中的点火组82中的被标以Dl -D3的线。
预充电信号可以是在预充电线90a (标以PRE 1)上提供至点火组 82的预充电信号，而选择信号可以是在选择线92a (标以SEL 1 )上提 供至图3的点火组82的选择信号。为编程存储元件103,识别单元IOO 接收包括预充电信号、选择信号和数据信号Dl-D3的使能信令，以接 通驱动开关106。识别线102提供识别信号中的编程信号至存储元件。 编程信号提供相对高的电压(例如16伏)经由存储元件至导通的驱动 开关和参考110。这个高电压通过烧断熔丝l(M使存储元件的状态从低 阻态变为高阻态。
为读取存储元件103的状态，识别单元IOO接收包括预充电信号、 选择信号和数据信号Dl-D3的使能信令以接通驱动开关106。识别线 102提供识别信号中的读信号至存储元件。读信号提供电流经由存储元 件至导通的驱动开关106和参考110。在识别线上的电压可以被检测以 决定存储元件的阻态。在一个实施例中，存储元件在电阻大于约1000 欧姆(即熔丝烧断)时被确定为高阻态而在电阻小于约400欧姆(即熔 丝为完整的)时被确定为低阻态。
采用图4的配置，每一个识别单元100可以单独地被使能，从而可 以单独地编程。并且，因为识别单元可以被单独地读取，存储数据所使 用的组合可以大大增加。例如，单个识别单元可以在分别代表不同的信 息的多重组合中使用。
用八个数据信号Dl-D8中的三个在多个识别单元中选择每一个识 别单元100,可以由八个数据信号中的三个的组合选择多达五十六个不 同的识别单元。因此，借助一根预充电线、 一根选择线、八根数据线， 和一根识别线，该电路可以控制五十六个识别位，或者每根控制线约5. 1 个识别单元位。可替换地，每个识别单元可#1配置为响应任何适当数量 的数据信号，例如两个或四个或更多数据信号。
应当注意到，虽然图4公开了利用耦合至每一个识别单元100的单 个识别线102,也可以使用超过一根的识别线，因此允许大量的识别单 元。并且，所提供的识别单元的数目可以比56多或少，这依赖于例如 冲模的尺寸，流体喷射装置的工作参数，或其他考虑等因素。同时，用 信息编码的识别单元数目可以小于沖;f莫上的识别单元的总数。
虽然如上所述的识别单元配置可以各种方式在打印头上储存识别 信息，但是熔丝存在一些之前提过的缺点。本发明人已认识到电可编程 只读存储器，或EPROM，可以希望消除在NMOS电路中的熔丝，例如在喷 墨打印头及其他应用中。EPROM单元不包括熔丝，并且与NMOS位相比提 供许多优点。
图5所示为典型的EPROM单元或位210的示意图。EPROM单元通常 包括输入栅212 (也称作控制栅)，浮栅214,和包括源极218和漏极 220的半导体衬底216。如图5所示，衬底分别具有邻近源极和漏极的 N+掺杂区，以及其间的p掺杂区222。控制栅和浮栅由它们之间的介电 材料224容性地耦合在一起，从而控制栅电压耦合至浮栅。介电材料226
的另 一层也布置在浮栅214和半导体衬底216之间。
偏置在漏极220上的高电压产生高能的"热"电子。在控制栅212和 漏极之间的正偏压牵引一些热电子到浮栅214上。因为电子被牵引到浮 栅上，单元的阈值电压，也就是使栅极/漏极导通电流所需的电压增大 了。如果足够的电子被牵引到浮栅上，那些电子将阻塞电流流动从而阈 值电压将最后增至超过所需阈值电压(例如电路的工作电压)的水平。 这将引起单元阻挡处于该电压水平的电流，这将单元的工作状态从l改
变至0。在单元编程之后，在正常工作期间使用单元传感器(未示出) 以检测EPROM单元的状态。
因为EPROM单元在每一个比特位置包括两个栅极，这些芯片需要有 比一般用于喷墨打印头电路的PROM或丽OS芯片更多的层。图6所示为 典型的EPROM芯片230中各层截面图。在半导电硅衬底232顶上的是栅 氧化层236。在栅氧化层顶上的是多晶硅材料层238，其中形成有浮栅 (图5的14)。当适当地掺杂时，该多晶硅材料用作导体。栅氧化层 236用作在浮栅和半导体衬底之间的介电层(图5中的26)。
布置在浮栅层顶上的是栅氧化材料的另一层240,其提供另一个介 电层，在其顶上是另一多晶硅层242,其中形成控制栅(图5中的12)。 布置在控制栅层顶上的是一个或更多个金属层244， 248，由另一个介电 层246分开。金属层提供用于EPROM电路的行和列线，还形成控制栅、 漏极、及电路的其他部件之间的各种电连接。
在一般的EPROM电路中的这些电路层与建立在一般的喷墨打印头电 路中的各层不同。在喷墨控制芯片250的各层的截面图，例如图3所示 的提供喷墨点火控制的电路，在图7中给出。该芯片包括半导体衬底 252,在其顶上是氧化层254 (例如二氧化硅，Si02),再上面是多晶硅 层256、介电层258,然后是金属1层260和金属2层264，这些金属层 由介电层262隔开。
两个金属层260， 264提供用于地址线、数据线、预充电、选择、 和点火线，及其他电路连接的导体。显而易见，该层配置缺乏附加的多 晶硅层和栅电介质，而这正是创造标准EPROM单元所需要的。之前的以 这种类型电路实现EPROM的尝试都集中在增加额外的工艺步骤以增加额 外的浮栅和栅电介质。另一个选择是增加分离的EPROM芯片。这两种选 择都增加了复杂性和成本。
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有优势的是，本发明人开发了在采用在PROM芯片中的各层而无需 增加工艺层和成本来提供该EPROM功能的栅耦合结构和方法。如图8所 示为可以采用图7所示的喷墨笔控制芯片的现有层创建的栅耦合EPR0M 位270的示意图。栅耦合EPROM位包含两个其浮栅缚在一起的晶体管。 第一晶体管272是控制晶体管，而第二晶体管是EPR0M晶体管274。控 制晶体管包括两个控制连接或控制端，第一端276标记为控制1,第二 端278标记为控制2。
控制晶体管272的浮栅280电耦合至EPR0M晶体管274的浮栅282。 EPR0M晶体管包括漏极284和源极286,其可被接地。浮栅电压取决于 控制晶体管272的源极和漏极的叠加电容(overlap capacitance), 以及控制晶体管的栅是否接通。该叠加和栅电容耦合控制1和控制2处 的电压至浮栅。该电容必须足够大以向浮栅提供足够的耦合电压。标准 EPR0M运用在控制栅和浮栅之间的介电层中的电容以将该电压耦合至浮 栅。在这里公开的栅耦合器件中，在控制1 276之间的栅至漏极的叠加 电容将控制1处的电压耦合至浮栅。在控制2 278处的栅至源极叠加电 容将控制2处的电压耦合至浮栅。目的就是发现一些电容结构以耦合至 浮栅。在该配置中，提供标准晶体管的栅电容的栅氧化层(图7中的254 ) 反向使用以提供该电容。
该栅耦合结构与图7所示的打印头层结构完全兼容的，并且只需要 改变各种不同的电路层的几何布局。控制和EPR0M晶体管的浮栅280, 282,以及它们之间的耦合连接，可以在打印头电路的多晶硅层256中 制造。进一步，这些在多晶硅层中的浮栅区可以由金属1层260电互连。 栅/漏极耦合从衬底252的n+漏极区至栅，穿过栅氧化层254。金属1 层260可被配置为连接控制晶体管272 (控制2, 278 )的源极与EPR0M 晶体管274的漏极(漏极284 )。该配置的一个有益特征是源极和漏极 两个都耦合至浮栅。这提供了从控制结点到浮栅的附加电容耦合。通常， 电容耦合越多越好。
再次参见图8，控制晶体管272的栅276, 278可以缚在一起，或控 制2可以縛接到EPR0M晶体管274的漏极。对于一些实施，控制l,控 制2和漏极可以相缚接以分离电压从而得到更有效的耦合。借助缚在一 起的控制2 278和漏极284,在漏极上的电压可以限定控制2上的电压， 以及耦合至浮栅280的电压量。
在一个实施例中，空间高效布局可以通过将EPR0M晶体管274的漏 极284绰接到控制晶体管272的源极(控制2 ) 278获得。如果不需电 阻器器限定漏极电流(例如，而是通过控制脉宽来限制过热，或依靠选 择晶体管(当以阵列方式实现时)的电阻限定电流)，控制1,控制2 以及漏极可以全部縛在一起。该配置提供小区域的高水平耦合，并且还 具有对于过大漏极电流和过热的更高的灵敏度。
可替换地，EPROM晶体管274的漏极284可以缚接到控制晶体管272 的源极(控制2 ) 278，借助在控制1 276和控制2 278之间的电阻器 277 (图8中虚线所示)以限制漏极电流。虽然在控制2-漏极节点的电 压会下降，该结构相对于漏电流问题更稳固，并且可以提供较小电压至 浮才册。
另一个方法是采用在控制晶体管272的端子278和276和EPR0M晶 体管274的漏极284之间的串联电阻器283 (图8虛线所示)来钩住 (hook)控制晶体管272的端子278和276。电阻器将限制流入漏极的 电流，但是为了更大的电压耦合至浮栅，在标记控制1和控制2的节点 处的电压将仍然处于最高电压。
该栅耦合EPROM单元270的编程，像典型的EPROM单元，是通过施 加电压脉冲到控制晶体管272的端子276, 278来实现的。这么做是为 了提供一定量的热电子至浮栅280。在漏极284上的电压接近于电路的 击穿电压是所希望的。击穿电压是EPROM晶体管274在低于阈值电压(栅 设为零伏)时开始与栅导通的电压。在一个实施例中，本发明人已以约 16 ± IV的电压编程EPR0M电路而电路击穿电压为15伏。
如上，控制2 278可以用电阻器283 (具有电阻，例如100欧姆) 与漏极284缚接以限制击穿电压。另外，沟道(栅)长度的物理尺寸-即，在EPROM晶体管274的栅之下的沟道的长度-可以被操控以修改击 穿电压。例如，栅长越窄，击穿电压越低。在一个实施例中，为了这个 目的，本发明人4吏用/人3. Ojum到3. 5 jum的栅长，而不是4jiim的栅长。
编程所需时间是浮栅电压，到达浮栅的热电子的量，希望的阈值电 压变化，总的栅极结构电容，和栅氧化层(图7中的层254 )的厚度的 函数。栅氧化层厚度决定能够到达浮栅280的高能热电子的百分比。在 一个实施例中，浮栅电压在5伏至12伏的范围之内，然而其他电压范 围也能使用。浮栅电压取决于控制晶体管272的控制端276， 278上的
电压，以及硅衬底和多晶硅层(分别为图7中的252, 256 )的耦合比。 虽然所希望的热电子可由任意的栅氧化层厚度提供，但是对于一给定的 芯片配置栅氧化层的厚度将时常是固定的。例如，在打印头控制芯片的 一个实施例中，栅氧化物的厚度固定在大约700A。
当在接近击穿电压进行编程时，编程期间供给的热电子量较高并伴 随更大的电流。在一个实施例中，本发明人以25 mA电流进行编程，然 而还可以使用其他电流。例如本发明人还设计一个20 mA的编程电流， 而且还可以使用其他电流。本发明人已使用的用于阈值电压的范围从3 伏到7伏，但是还可以使用其他阈值电压范围。在上述参数下，本发明 人发现可以使用10毫秒的编程时间。但是，也可以使用不同的编程时 间，尤其当上述各种参数改变时。例如，编程时间可以/人小于100ps到 差不多几秒(例如4秒)的范围。
EPR0M单元的读取是通过使用在电路的其他地方的单元传感器(未 示出)检测栅耦合EPROM单元270上的阈值电压实现的。阈值电压的检 测或者可以通过设置栅/漏电压并测量对应电流来完成，或者通过设置 电流并测量电压来完成。本发明人发现EPROM单元的通态电阻(R。n)在 编程前后变化大约二倍。
本发明人已经在实^r室环境创建并测试了这类EPROM单元。在该测 试装置中，创建修改的单元用以监一见浮栅电压。电压脉冲被施加在栅和 漏极上以编程EPROM单元达到所希望的阈值电压。为了测试该单元以感 测栅压，第二感测晶体管(未示出)的栅与EPROM单元的浮栅连接。这 使得感测晶体管的栅压与浮栅电压一样。第二晶体管的通态电阻(R。n) 与栅压成正比。通过监视第二晶体管的通态电阻，可以得到浮栅电压。
图8所示的栅耦合EPROM单元可以结合进电i 各中，该电路中每一个 EPROM识别单元与单独的控制电路相关联，如同图4所示，或者栅耦合 识别位可以结合进共享控制电路的识别单元的阵列中。图9所示的是与 单个控制电路相关联的栅耦合EPROM单元的一个实施例。该图示出图4 的识别单元的电路的一部分，其中栅耦合EPROM单元270插入替代识别 位(图4中的103)。这样的配置可以为每个单元提供一条控制线，同 时由单个的控制晶体管控制每一个EPROM单元的操作。这种类型的配置 比共享电路布置具有更大的物理尺寸，但是类似于一些目前使用熔丝的 控制方案。
如图9所示，识别线102与控制晶体管272的栅和EPR0M晶体管274 的漏极相连，EPR0M晶体管的源极286耦合于驱动开关106的漏极，其 源极耦合于地110。可以在EPR0M晶体管274上提供更窄的栅282a以提 供较低的击穿电压。这允许在不超过在电路上的其他晶体管的击穿电压 的情况下栅耦合EPROM单元在EPROM晶体管处获得足够量的热电子。正 如以上对图8的讨i仑，电阻器283(例如，约100欧姆)可以添加在EPROM 晶体管274的漏极284和控制晶体管272的源极278之间，或者电阻器 277可以放置在控制晶体管的源极和控制晶体管的漏极276之间。方法 的选择将取决于布局的考虑和用于控制漏极电流的技术。
回头参见图9，当晶体管106被接通时，EPROM晶体管274的源极 基本上认为是接地的，并且EPROM单元起图8中描述的单元的作用。在 ID线102上的电压耦合穿过控制晶体管272的栅氧化物至浮栅(图8中 的280 / 282)。以高压(16V)编程EPR0M。较低的电压将用于通过检 测阈值电压或者通态电阻进行读取。如果晶体管106截止，施加于ID 线的任何电压都不会具有到地的路径，并且EPROM单元不会受到影响。
图10所示的是可以使用本发明公开的栅耦合EPROM单元生产的 EPROM阵列300的局部示意图。在该配置中栅耦合EPROM识别位的阵列 共享控制线路。在该阵列中，多个栅耦合EPROM单元270成行和列设置。 每一个栅耦合EPROM单元的输入线经由输入线308缚接到输入电压Vin (由304表明)。每一个EPROM晶体管274的源极线286被绰接到行晶 体管310的漏极。行晶体管经由其源极312缚接到列晶体管314的漏极。 如果需要，可以给EPROM单元增加漏极电流限流电阻器(未示出)，如 上关于图9所述。单个电阻器322 (图10中虚线所示)可以以并联的方 式供给所有的晶体管，而不是每一个栅耦合单元使用 一单独的电阻器。 该电阻器可以连接在电压Vin和EPROM晶体管(图8中的284 )的漏极 之间，由单一线从Vin至电阻器，而分开的线324 (图10中虛线所示) 从电阻器延伸至在阵列里的每一个EPROM晶体管的漏极。接着可以除去 在EPROM控制晶体管272的源极和漏极之间的连接，并且EPROM单元270 的所有控制晶体管漏极连接将直接縛接到输入线308。
行线，标号316a用于行l， 316b用于行2,等等，连接到给定行的 所有行选择晶体管310的栅。在给定列中的所有行晶体管的源极312连 接到用于该列的列晶体管314的漏极。每一个列晶体管的栅318经由列
线(未示出)连接到电压源(未示出)。列晶体管的源极3M连接到一
共用电压，例如地。列晶体管标号314a用于列1, 314b用于列2,等等。
为了编程和读取，行晶体管310和列晶体管314允许选择特定的栅 耦合EPROM单元。列晶体管是普通晶体管，并且到这些晶体管的互连可 以在金属1层(图7中的260 )里制造。该电路的一些优点是它比采用 分离的控制线路的识别单元的实施方式更紧凑，并且它不需要金属2层 及其相关的布局规则。另外，栅耦合EPROM阵列300的尺寸不受打印头 点火单元控制线路(图3中的80)的配置所限制。该阵列可以根据需要 为大或小，与点火单元控制线路相关的数据线数目无关。
为编程阵列300的单元270，通过在一4亍线(例如316a)和一列线 (例如在列晶体管314a的栅)施加电压来选择单元，然后施加具有相 对高的电压Vin (例如16V)的脉沖。为感测单元的状态，以同样方式施 加较低的输入电压Vh的脉沖(例如5V),并且监视电流。在该阵列中， 只有在编程时才在EPROM晶体管的漏极至源极上有高电压。有优势地， 因为EPROM晶体管的漏极和栅共同开关，所以没有漏极至4册压耦合的问 题。另外，因为增大了耦合至栅的电压，栅至漏极耦合事实上是有益的。
本发明人发现行选择晶体管316的尺寸非常重要，因为它们必须处 理编程电流，例如20 mA, 25mA,或者更大。为了这个目的，本发明人 使用具有宽度为150pm的行选择晶体管。显然为了更小的编程电流可以 使用更小的尺寸，为了更大电流可以使用更大的尺寸。
操作中，行信号使在这一行上的所有行控制晶体管316导通。列信 号使选定的列控制晶体管314导通。然后施加输入电压Vi。，只有行和列 晶体管都导通的单元270将在其上具有全电压。所有其他的单元将使 EPROM晶体管的源极浮置(floating)。即，EPROM晶体管的源极不会 被驱动至任何固定电压，而是将浮置至其他端子上的电压。这将不会存 在在EPR0M晶体管上的电压。
EPR0M阵列可以设置为如上所述的形式以用于在喷墨打印头中提供 笔ID位。在此配置中，行和列信号可以由笔控制电路的移位寄存器提 供。也就是说，相应值可以移位入移位寄存器，并从移位寄存器输出被 驱动，而不是分别地驱动行和列线。移位寄存器寻址2 x 10阵列的行和
列选择。对半导体设计领域的技术人员显而易见的是线路的几何配置可 以以各种方式配置。
本发明人已经创建和编程一基于以上设计的4位阵列。经过编程， EPR0M单元保持它们的电荷超过一年。
在此描述的栅耦合EPROM单元的可靠性和寿命取决于许多因素。因 为该结构不同于一般的EPROM单元配置，所得到的设计的一些方面影响 了它的稳健性。例如，浮栅(图8中的280)的较大尺寸会导致更多的 区域产生漏泄电流。另外，为了绝对最小的漏泄电流，栅氧化层(图7 中的254 )未#_处理。
另外，层的平坦度会影响它们的性能。层表面的细微波动和不同层 的厚度变化可以影响在层之间的电荷浓度和泄漏。在用具有图7所示的 PROM芯片的层配置的笔控制电路中，例如，多晶硅层256和相邻的介电 层254的厚度和平坦度对PR0M电路的工作而言不是关键因素。该因素 影响用于形成这些层的质量控制水平。但是，在EPROM电路中，这些因 素具有更大的影响。
同时，存在其它影响熔丝但不影响EPR0M的因素，或者以同样的方 式或在相同的程度上对二者都不产生影响的因素。如上，熔丝具有许多 屡遭厌烦的缺点。在本申请的公开中，相信EPROM将最终比熔丝更可靠。 在可以容忍本申请公开的栅耦合EPR0M单元的可能的限制的用途中，该 配置非常有用且无需增加质量控制。这适用于喷墨笔。喷墨笔的设计寿 命通常约18个月，主要因为喷墨墨盒通常在生产不久就被卖掉，还因 为笔接着被用完了。因此，如果EPROM单元可以可靠地在一段时间保持 它们的电荷，那么装置几乎不可能不按照预想的工作。然而，相同结构 可以通过对层的平坦度和厚度施加更高的控制来有效地用于要求更高 可靠性的其它应用中。
在此公开的栅耦合EPR0M结构可以替换喷墨笔控制电路中的熔丝而 不增加工艺层和成本。该配置提供大于传统的EPROM单元但是小于熔丝 的单元。
栅耦合识别单元能用于存储表示打印头沖模的特征或打印同冲模 的其他信息的各种识别信息。例如，使用具有EPROM识别单元的打印头 的打印机可以使用用于各种目的的识别信息以最优化打印质量或者执 行其他功能。例如，选定的识别单元可以存储关于打印头沖模的识别信 息，或者关于插入了打印头冲模的喷墨墨盒或笔的识别信息，例如表示 墨水苷毛尽^r测液位(out of ink detection level)的信息。
识别单元还可以存储表示热敏电阻器(TSR)值的识别信息以确 定打印头的温度。选定的识别单元可以存储表示打印头唯一编号的识别 信息以识别和恰当地响应打印头。识别单元能被用于存储表示打印头的 墨水滴重的识别信息。打印机可以计算存储在选定的识别单元中的滴重 值以及存储在其他选定的识别单元的墨水耗尽纟企测液位以确定实际的 墨水耗尽检测液位。
打印机还可以使用用于销售目的的识别信息，例如区域性销售和初 始设备制造厂家(OEM)销售。例如，选定的识别单元存储表示流体喷 射装置的销售区域的识别信息。在一个实施例中，选定的识别单元可以 存储表示OEM流体喷射装置的卖方的识别信息。选定的识别单元还可以 存储表示OEM打印机是否解锁的识别信息。例如，OEM打印机可以响应 OEM解锁信息以解锁0EM打印机，从而OEM打印机可以接受由指定公司 或者公司集团出售的OEM打印头和由所指定公司或者公司集团以外的公 司，例如实际的原制造厂公司出售的打印头。
选定的识别单元存储表示流体喷射装置产品类型和产品修订的识 别信息。产品类型和产品修订可为打印机使用以确定关于打印头的物理 特性。产品修订的物理特性，例如喷嘴列之间的间隔，其可能在将来的 产品中改变，同样可以存进打印头的选定识别单元。在此实施例中，产 品修订的物理特性信息可为打印机使用以调整用于产品订间物理特 性的变化。
这样配置的栅耦合EPR0M单元还可以用于除上述目的之外的许多其 他目的。因为在EPR0M晶体管(图8中的282 )的浮栅上的电荷是累积 的，该配置能被用于存储累积数量。例如，在喷墨打印头中，栅耦合EPR0M 单元可以经连续地重新编程以跟踪打印输出页的数目，或者用于其他目 的。因为EPR0M单元的编程1奮改EPR0M单元270的阈值电压，所以这些 单元的恋雪编程能被用于控制模拟电路，例如用于生成一可变时限延 迟。其它应用也是可能的。
应当了解上述引用方案是本发明的原理的应用的示意说明。对所属 领域的技术人员显而易见的是，不脱离在权利要求中阐明的本发明的原 理和构思的情况下可以产生许多变型。
权利要求
1、一种用于喷墨打印机的打印头控制电路的EPROM单元，所述控制电路具有半导体衬底，一个且仅一个设置在所述半导体衬底上的多晶硅层，以及设置在所述多晶硅层上的导电层，所述EPROM单元包含控制晶体管，具有包含一部分所述多晶硅层的浮栅；EPROM晶体管，具有包含一部分所述多晶硅层的浮栅；以及包含一部分所述导电层的电互连，互连所述控制晶体管的浮栅和所述EPROM晶体管的浮栅。
2、 根据权利要求1所述的EPR0M单元，其中所述控制晶体管包含第 一控制端和第二控制端，并且还包含在所述第一控制端和第二控制端之 间的电互连。
3、 根据权利要求2所述的EPR0M单元，其中在所述第一控制端和第 二控制端之间的所述电互连包含电阻。
4、 根据权利要求1所述的EPR0M单元，其中所述控制晶体管包含第 一控制端和第二控制端，而所述EPROM晶体管包含漏极，所述的EPROM单 元还包含在所述控制晶体管的所述第二控制端和所述EPROM晶体管的所述漏极之间的电互连。
5、 根据权利要求4所述的EPROM单元，其中在所述控制晶体管的 所述第二控制端和所述EPROM晶体管的所述漏才及之间的所述电互连包含 电阻。
6、 根据权利要求1所述的EPROM单元，其中所述控制晶体管包含 第一控制端和笫二控制端，而所述EPROM晶体管包含漏极，所述EPROM 单元还包含在所述控制晶体管的所述第一控制端和第二控制端和所述 EPROM晶体管的所述漏极之间的电互连。
7、 根据权利要求6所述的EPROM单元，其中在所述控制晶体管的 所述第 一控制端和第二控制端和所述EPROM晶体管的所述漏极之间的所 述电互连包含电阻。
8、 才艮据4又利要求1所述的EPROM单元，其中施加到所述EPROM晶 体管的所述浮栅上的编程电荷是累积的，从而所述EPROM单元可以连续 充电以存储累积值。
9、 根据权利要求1所述的EPROM单元，其中所述控制晶体管包括 漏才及连接，所述EPROM晶体管包括源极连接，所述EPROM单元还包含连 接至所述控制晶体管的所述漏极连接的输入线，由此编程信号可以提供至所述EPR0M晶体管。
10、根据权利要求9所述的EPR0M单元，还包含驱动晶体管，具有 连接至所述EPROM晶体管的所述源极的漏极，所述驱动晶体管的栅与预 充电线、选择线、以及点火单元阵列的数据线相关联，由此所述EPROM 单元的编程和读取可以由发送通过所述输入线和通过所述预充电线、所 述选择线、以及所述数据线的信号控制。
全文摘要
一种用于喷墨打印机的打印头控制电路的EPROM单元(270)，具有设置在多晶硅层上的正好一个多晶硅层(256)以及导电层(260)，包括控制晶体管(272)和EPROM晶体管(274)。控制晶体管和EPROM晶体管每一个具有包含一部分多晶硅层(256)的浮栅(280，282)，以及包含一部分导电层(260)的电互连，其互连控制晶体管(272)的浮栅(280)和EPROM晶体管(274)的浮栅(282)。
文档编号B41J2/05GK101390196SQ200780006301
公开日2009年3月18日 申请日期2007年2月23日 优先权日2006年2月23日
发明者T·L·本杰明 申请人:惠普开发有限公司