CN108291818B

CN108291818B - 具有esd保护的指纹传感器

Info

Publication number: CN108291818B
Application number: CN201780003938.0A
Authority: CN
Inventors: 马夏斯·N·卓可利; 庞惠卿; 邝景宏; 杰米·林·雪佛
Original assignee: Next Biometrics Group ASA
Current assignee: Next Biometrics Group ASA
Priority date: 2016-10-14
Filing date: 2017-02-03
Publication date: 2020-04-03
Anticipated expiration: 2037-02-03
Also published as: WO2018069755A1; CN108291818A; EP3353498B1; CN111259867A; TW201814879A; US9946915B1; EP3353498A1; EP3353498A4; US20180107856A1; TWI622156B

Abstract

本发明涉及一种指纹感测装置，其包含：衬底；多个像素，其布置在行及列的栅格中，每一像素在其中具有主动式热感测元件；第一金属层，其形成用于寻址所述主动式热感测元件的第一寻址线；第二金属层，其在所述第一金属层上方且形成用于寻址所述主动式热感测元件的第二寻址线；导电ESD保护层；及绝缘层，其安置在所述ESD保护层与所述主动式热感测元件之间。所述ESD保护层电连接到偏压电势。所述ESD保护层经安置成图案，使得其与每一像素部分重叠，所述ESD保护层与每一像素的所述主动式热感测元件至少部分重叠。

Description

具有ESD保护的指纹传感器

相关申请案的交叉参考

本申请案要求2017年2月1日申请的序列号为15/422,070的美国非临时专利申请案及2016年10月14日申请的序列号为62/408,177的美国临时专利申请案的优先权，所述美国非临时专利申请案和所述美国临时专利申请案的全部内容以引用方式并入本文中。

技术领域

本发明涉及指纹传感器，且更特定来说涉及用于指纹传感器的静电放电(ESD)保护。

背景技术

在玉·名·丁(Ngoc Minh Dinh)的第6,091,837号美国专利及第7,910,902号美国专利两者中揭示采用所谓的“主动热原理”的指纹传感器。主动式热指纹传感器的基本原理是使用PIN二极管的阵列作为热传感器来区分人指纹的脊及谷，这是因为这两个区域中的热传导是不同的。(PIN二极管是具有p型半导体与n型半导体区域之间的宽的、未掺杂的本征半导体区的二极管。通常重度掺杂p型及n型区以形成欧姆接触件)。为最大化灵敏度，手指与主动式传感器阵列之间的间距必须尽可能小，通常小于3μm。此紧密接近度意味着指纹传感器易受各种电平的ESD电压的影响且ESD将在较小区域上方具有高浓度。此环境呈现对于优化ESD保护、机械应力耐受性及热信号灵敏度之间的独特挑战。

添加ESD二极管及添加ESD保护电路是用于解决ESD问题的常规方法。例如，如尼安(Nien)等人的第2013/0113711号美国专利申请公开案中所描述，触摸面板利用由经添加到对应行及/或列的二极管或晶体管或其组合组成的电路解决ESD。额外金属棒可放置于触摸面板周围，以提供低阻抗路径以将静电电荷重导引到ESD二极管，如林(Lin)等人的第2010/0290166号美国专利申请公开案所揭示。对于其它指纹感测应用，已经提出各种选项来解决此挑战。周(Chou)等人的第6,900,644号、勃兰特(Brandt)等人的第7,076,089号及卡里尼斯基(Kalnitsky)等人的第7,768,273号美国专利均展示了类似方法，其以电容式指纹传感器中的电极附近的个别导电板的形式来分布ESD保护层。然而，这些ESD减轻选项通常遇到电容式指纹传感器的基本限制：ESD保护有效性与感测分辨率之间的权衡。归因于电容式指纹传感器的作业机制，当在相同平面中时ESD单元与活性电极之间必须存在特定距离，且如果在不同平面中其不能重叠，否则可能劣化图像质量，且可能降低分辨率。因此，这些ESD单元的量通常限于小于10％的活性电极，这样限制了ESD保护有效性。在周等人的第7,397,096号美国专利中，外部ESD保护层沉积于外围电路的顶部上以将静电电荷重导引到接地。然而，此方案仅在手指触摸外围区域时有效。即，其不会在主要关注的作用区域上方提供ESD保护。

发明内容

在实施例中，一种指纹感测装置包含：衬底；多个像素，其布置在行及列的栅格中，每一像素在其中具有主动式热感测元件；第一金属层，其形成用于寻址所述主动式热感测元件的第一寻址线；第二金属层，其在所述第一金属层上方且形成用于寻址所述主动式热感测元件的第二寻址线；导电ESD保护层；及绝缘层，其安置在所述ESD保护层与所述主动式热感测元件之间。所述ESD保护层电连接到偏压电势。所述ESD保护层经安置成图案，使得其与每一像素部分重叠，所述ESD保护层与每一像素的所述主动式热感测元件至少部分重叠。

在指纹感测装置的实施例中，所述指纹感测装置包含：衬底；多个像素，其布置在行及列的栅格中，每一像素在其中具有主动式热感测元件；第一金属层，其形成用于寻址所述主动式热感测元件的第一寻址线；第二金属层，其形成用于寻址所述主动式热感测元件的第二寻址线；第一导电ESD保护层；第二导电ESD保护层，其安置在所述第一ESD保护层上方的层处；及绝缘层，其安置在所述第一ESD保护层与第二ESD保护层之间，其中所述第一ESD保护层及第二ESD保护层中的至少一者连接到偏压电势。

附图说明

附图说明本发明的优选实施例，以及与本发明相关的其它信息，其中：

图1展示在主动热原理下操作的传感器的现有技术布局的示意略图。

图2展示PIN二极管的阵列的主动式传感器区域的SEM图像，且图2A展示个别像素的放大图像。

图3是沿着图2A的线A-A'取得的像素结构的横截面图。

图4A及4B是由ESD电荷引起的损害的金属线及像素的显微镜图像。

图5展示在ESD冲击之前及之后使用指纹传感器捕获的图像的实例。

图6A、6B及7A、7B分别展示未经涂敷(无顶部硬涂层)传感器及经涂敷传感器的ESD损害的显微镜图像。

图8展示在可靠性测试之后的传感器的显微镜图像。

图9说明具有毯覆式形状的ESD保护层的像素结构的实施例。

图10说明具有条纹或网状形状的ESD保护层的像素结构的另一实施例。

图11说明具有与底层金属层间隔经增加距离的ESD保护层的像素结构的另一实施例。

图12说明具有通过平坦化绝缘层而与底层金属层间隔的ESD保护层的像素结构的另一实施例。

图13说明具有在硬涂层上方的ESD保护层的像素结构的另一实施例。

图14说明具有两个垂直地分离的ESD保护层的像素结构的实施例。

图15说明具有两个垂直地分离的ESD保护层的像素结构的替代实施例。

图16说明具有两个垂直地分离的ESD保护层的像素结构的另一替代实施例。

图17A及17B展示根据实施例的来自制造装置的ESD测试功能图像。

图18A及18B分别是在低及高放大率下来自制造装置的第一实施例的ESD轰击区域的显微镜图像。

图19是具有跨主动感测元件而形成的条纹ESD保护层的指纹传感器的SEM图像。

图20展示根据实施例的来自第二制造装置的ESD测试功能图像。

图21A及21B分别是在ESD轰击之后具有条纹ESD保护层的指纹传感器在较低及较高放大率下的显微镜图像。

图22A到22C是具有ESD保护的传感器装置的第三生产实例的设计布局。

图23是第三生产实例的像素区域的SEM图像，其中两个垂直分离的导电ESD保护层经由通孔而局部地连接。

图24展示根据实施例的来自第三制造装置的ESD测试功能图像。

图25展示具有导电第二ESD保护层的替代配置的感测装置的第三生产实例的设计布局。

图26A到26C说明具有用于ESD保护的每一像素区域中的掺杂多晶硅岛的实施例的设计布局。

图27说明具有三个垂直地分离的ESD保护层的像素结构的替代实施例。

图28说明具有ESD保护层的像素结构的替代实施例。

具体实施方式

示范性实施例的此描述希望结合附图阅读，所述附图将被视为整个书面描述的部分。在所述描述中，相对术语(例如“下”、“上”、“水平”、“垂直”、“上方”、“下方”、“向上”、“向下”、“顶部”及“底部”以及其衍生词(例如，“水平地”、“向下地”、“向上地”等))应被解释为意指如接着在以下论述的图中描述或展示那样的定向。这些相对术语是用于方便描述且不需要以特定定向构造或操作设备，除非指定也不彼此接触。例如“重叠”的术语指代以图形方式覆盖但不必彼此接触。除非另有明确描述，否则关于附接、耦合及类似物的术语(例如“连接”及“互连”)指代其中结构直接地或经由中介结构间接地彼此固定或附接的关系，以及可移动或刚性附接或关系两者。同样地，除非另外描述，否则关于电“连接”及“耦合”的术语指代其中组件直接地或经由中介结构间接地彼此电通信的关系。

在本文中揭示的实施例中，ESD保护方案经设计用于采用如(例如)玉·名·丁的第6,091,837号美国专利及第7,910,902号美国专利两者中所描述的主动热原理的指纹传感器，所述专利的全部内容是以引用的方式并入本文中。如上文所述，此类型的传感器是尤其易受每一手指触碰期间释放的静电电荷的影响。高能量ESD电荷可对物理结构及传感器电路的性能产生不可逆的损害。传感器设计呈现对于优化ESD保护、机械应力耐受性及热信号灵敏度之间的独特挑战。在本文中所描述的实施例中，提供这三个区域中优化的设计方案。

与添加ESD二极管或电路的其它相关技术的常规方法相比，以主动热原理操作的传感器的一个优点是ESD保护层可有策略地直接安置在主动感测元件上方。在ESD保护方案的揭示实施例中，一或多个导电ESD保护层直接安置在每一像素上方，尤其是主动式热感测元件上方，而不需要任何额外电路。就此来说，ESD保护层是被动的但有效的。保护层不仅最小化ESD损害，而且提供更加平坦化并增加机械应力公差，而几乎或不损失热信号及灵敏度。

在实施例中，ESD保护层可被接地或可连接到偏压电势。本文中的主动感测元件是PIN二极管，或更特定来说是检测热信号的PIN二极管的本征区。不同于电容式对应体，直接安置在感测元件上方的适当设计的导电ESD保护层可在感测元件与指纹之间具有极少或无损失的热信号强度。感测分辨率及ESD稳健性不受影响。在实施例中，可进一步图案化ESD保护层，其方式使得通过平坦化装置的表面轮廓而增加装置的机械稳健性。在其它实施例中，两个不同ESD保护层可在之间安置绝缘体。为了性能优化，这些ESD保护层可经由通孔而电连接。

在实施例中，离子植入区域有策略地放置于每一像素内或传感器的特定位置处，以用作用于ESD电荷的局部重组储存器。静电电荷是由高浓度电子(带负电荷)或空穴(带正电荷)组成。静电电荷对相反电荷的颗粒具有强烈吸引。当紧密接近时，如果对象以相反极性的电荷饱和，那么静电电荷将经由空气或其它电介质材料而冲向对象，导致局部电子-空穴重组。在实施例中，对象等于在每一像素内邻近PIN二极管的离子植入半导体区域。在实施例中，这些局部储存器短接到ESD接地但与PIN二极管电隔离，且其用于局部地吸引及耗散ESD电荷。ESD电荷可经由低阻抗ESD保护层而重新导引到系统接地，或经由植入区域中的相反电荷而局域地耗散。

在实施例中，ESD保护方案包含经电接地的第一ESD保护层，及经由通孔而电连接到第一ESD保护层的第二ESD保护层。特定来说，两个ESD保护层中的至少一者是沉积于提供基本指纹感测功能的主动感测元件上方。例如，在电容式指纹传感器中，主动感测元件指代用作电容式传感器的电极。但在本文中所揭示的实施例中，主动感测元件指代PIN二极管，或更优选地为PIN二极管的本征区，在其中检测到热信号。绝缘层沉积于两个ESD保护层之间。可在作用区域图案化期间，以相同沉积步骤沉积第一ESD保护层。两个ESD保护层可具有不同薄片电阻。替代地，两个ESD保护层可具有相同薄片电阻。为进一步机械保护，额外硬涂层可沉积于ESD保护层上方。ESD保护层可经图案化，使得可实现平坦化效应，且因此改进机械性能。在另一实施例中，仅一个ESD保护层经沉积并电连接到接地。可进一步设计ESD保护层的图案来增强热信号。应慎重选择ESD保护层的材料，以平衡导电性、导热性、硬度、设计兼容性及制造成本，以及美学效应。用于第一ESD保护层及第二ESD保护层的材料的实例包含(但不限于)氧化铟锡(ITO)、氧化铟锌(IZO)、钼、铝、氮化铝、Ti、Ag、Ag纳米线、Ag纳米颗粒、碳纳米管(CNT)，或其组合。在另一实施例中，额外离子植入区可为分布于每一感测像素的内部。这些区域用作额外电子-空穴重组储存器，以局部地中和ESD电荷并最小化总ESD损害。

图1对应于第6,091,837号美国专利的图4，其展示主动热原理传感器的电子电路的布局的示意略图。所述图展示传感器与指纹之间的接触表面的细节，其中传感器凭借均匀热供应来加热。热绝缘层2安置在热传导层3上方。指纹包括脊13及其之间的谷14。皮肤由其下具有血液循环(由圆形箭头指示)的区域11的外部皮肤10(表皮)组成。在脊13下方，除了别的以外，存在具有血液循环的小突起12。脊13与传感器接触并经加热，且手指中的血液循环将热量传送出去。在谷中，通过两个机制(包括于谷14中的空气中的辐射及热传导)而基本上冷却传感器的表面。这些冷却机制不如脊13中的热传导效率高，其导致在脊13中测量到的相对温度与不是在脊13中测量到的相对温度之间的差。可使用温度传感器15来测量这些温度。收集来自所有温度传感器15的测量，并使用关于经供应能量的信息来制作展示指纹的图案。

可在一或多个时间点或连续地测量温度传感器15的温度。使用多个或连续测量，除了导热性以外，可获得展示不同测量点处的有效热容量的图像。归因于水的高含量而具有高热容量的汗管及周围皮肤细胞位于指纹的脊中。因而，热容量中的差异增强传感器区分脊与谷的能力。

最接近指纹处是位于由例如铝或其它导电或半导体材料制成的导电接地层20，以避免来自周围环境的电干扰并防止放电伤害传感器。此层20还可包括由耐机械性材料25(例如，SiO₂、Si₃N₄或α-Al₂O₃)制成的层，以保护传感器免受机械应力及化学腐蚀。这些层20、25应优选足够薄，以免妨碍热量传送到指纹并影响测量。

在传感器元件15之间，存在限制元件之间的热传导的绝缘区域23。实际上，传感器元件15将由绝缘区域环绕，以便使其彼此热绝缘。绝缘区域23可(例如)由SiO₂或类似材料制成。绝缘材料可相同于、或兼容于并连接到热绝缘层2。

每一传感器元件15具有产生已知量的热量的对应加热元件21。在经展示实例中，通过V_k并通过使用电子接触开关24而中央控制加热元件21。然而，可能为电路提供每一加热元件的单独控制，以给出热供应的局部控制。使用电子接触开关22(例如，双闸MosFET晶体管)而寻址及控制来自温度传感器的信号。

如可从图1所见，接地层20跨整个传感器表面而沉积，其覆盖传感器元件15、绝缘区域23及加热元件21。尽管这对电干扰及放电提供保护，但其减少传感器的机械稳健性。本文中所描述的实施例解决了此挑战。

虽然结合现有技术图1而在上文描述主动热原理传感器的一个形式，但应理解，本文中所描述的ESD保护技术适用于其它形式的主动热原理传感器及布局。在示范性实施例中，主动式热指纹传感器包含PIN二极管的阵列。PIN二极管由行及列解码电路而寻址。图2展示主动式热指纹传感器的作用区域的SEM图像，其中PIN二极管的阵列连接到行及列寻址线，且图2A展示个别像素50的放大图像。每一PIN二极管56连接到阱60处的列金属线52及阱58处的行金属线54。当然，列及行线的定向可以相反。在图3中说明沿着线AA'的横截面图。

为形成此像素结构50，提供衬底62，且第一金属层52安置在衬底上方，以用作第一(例如，列)寻址线。接着，第一绝缘层64安置在第一金属层52上方，随后是第二金属层54以用作第二(例如，行)寻址线。最后，第二绝缘层66安置在第二金属层54上方。在第一金属层52之前可安置其它缓冲层以用于绝缘及平坦化的目的。在实施例中，低温多晶硅(LTPS)技术用于构造例如二极管及任何薄膜晶体管(TFT)的主动装置。所属领域的技术人员已知LTPS过程的细节，且不在本文中重复，以避免不必要地混淆本发明。在实施例中，衬底可为刚性材料(例如玻璃)，或柔性材料(例如但不限于聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚萘二甲酸乙二酯(PEN)、聚酰亚胺、金属箔及柔性玻璃等)。在实施例中，额外硬涂层(或数个层)68可沉积于第二绝缘层66上方以提供进一步机械保护。

当人手指靠近传感器的表面时，由人携带的静电电荷可能足够强以引起ESD事件。当此发生时，可产生穿过硬涂层68及/或绝缘层64、66到下方的导电层52、54的电路径。这通常引起对金属层52、54及像素感测电路(即，PIN二极管)的不可逆损害，如图4A及4B中所示，其展示由ESD电荷引起的被损害的金属线及像素的显微镜图像(分别参考元件符号70A、70B)。因此，在传感器中可能发生无效像素、无效线或灾难性故障。图5展示在15KV下进行ESD冲击多达15次之前及之后使用指纹传感器捕获的图像的实例。通过使用ESD枪轰击装置来模拟ESD冲击。传感器完全无法在15KV下进行15次轰击之后起作用。

除了ESD耐受性以外，指纹传感器必须呈现足够的机械强度，以对抗掉落测试、刮痕测试及磨损测试。实验确认，平坦化表面在大面积上均匀地分布机械应力，增加刮痕及磨损的总耐受性。此外，平坦化保护表面拓扑的尖锐边缘，其通常是机械上的弱点。因此，在实施例中，ESD保护层的布局经专门设计以优化ESD性能及平坦化效应两者。

为提供额外机械保护，通常将顶部硬涂层保护材料(层68)涂敷于第二绝缘层66(即，钝化层)的顶部上。硬涂层材料可为碳基硬涂层(例如类金刚石石碳(DLC)、氮化硅或任何其它合适的非导电材料或其组合)。图6A、6B及7A、7B分别展示在+15KV下进行ESD测试之后引起的对未经涂敷(无顶部硬涂敷)的传感器及对具有0.4μm厚DLC涂层的经涂敷传感器的ESD损害的显微镜图像。特定来说，图6A展示用面光检视的ESD冲击的未经涂敷的传感器的显微镜图像；图6B展示用背光检视的ESD冲击的未经涂敷的传感器的显微镜图像；图7A展示用面光检视的ESD冲击的DLC涂敷的传感器的显微镜图像；且图7B展示用背光检视的ESD冲击的DLC涂敷的传感器的显微镜图像。

在图像(图6A、6B、7A及7B)中展示的像素设计已经包含下文段落中详细描述的数个ESD保护方案。如图6A可见，未经涂敷的传感器遭受轻微的损害，主要是在到接地的低阻抗路径的通孔处。由于使用的金属材料是非半透明的，所以用相同区域的背光的评估显露被损害的通孔周围的部分金属被烧掉(参见图6B)。在涂覆非导电顶部硬涂层之后ESD性能被劣化。如图7A中所示，在PIN二极管中更深入地看到更大的ESD损害。在背光下的评估(图7B)显露包含多晶硅及金属结构的二极管材料的部分还被烧掉。证据使发明者相信非导电硬涂层膜是从ESD保护层有效地重导引ESD电荷的障碍。使用导电硬涂层材料是一个选择。替代地或另外地，可提供多个接地路径，使得ESD电荷可快速地耗散而不损害主动感测像素。

具有顶部硬涂层的装置的另一挑战是其趋于在层之间添加更多内部应力。在高温及高湿度下加速可靠性测试(适用于制造装置的一定百分比(例如，1％))期间，这可导致顶部硬涂层分层。当应用条纹图案(下文所论述)作为ESD保护层时，此分层问题尤其明显。例如，图8展示在室内70℃/90％相对湿度(RH)下达120小时的可靠性测试之后这些传感器的显微镜图像。归因于从细及长条纹图案引入的高应力，见到顶部硬涂层材料的薄片从传感器表面分层。因此，为最小化内部应力，必须精心设计ESD保护层的布局。

为保护装置免受ESD冲击，接地屏蔽或接地金属通常用于提供低阻抗电路径，以重导引ESD电荷远离敏感性主动热装置，尤其远离金属寻址线。一种方式是在第二绝缘体上安置接地ESD保护层80，如图9的像素结构50A中所示。在此情况中，静电电荷可在经添加导电ESD保护层80内行进并达到接地，使第二及第一金属层54、52保持完整。局部损害仍可归因于高功率而发生，这可导致局部膜分层。然而，这将仅引起非均匀图像，其可经由软件编程而恢复。ESD保护层80可使用任何导电材料而构造，其包含，但不限于铝、钼、氧化铟锡(ITO)、氧化铟锌(IZO)、氮化铝、钛、Ag、Ag纳米线、Ag纳米颗粒、碳纳米管(CNT)及其组合。优选地，导电层80可为硬层，以提供机械保护。即，在实施例中，材料经选择为提供优选的，且在实施例中，提供导电性及机械硬度的最优组合。假定两个材料并假设导电性及制造过程对两者来说均可接受，那么具有较高硬度的材料除了可选的硬涂层以外，优选提供额外保护。导电层80还可经选择用于美学的目的，例如呈现某些色彩。

可通过许多不同布置将ESD保护层安置在第二绝缘体上。这包含在整个区域上沉积ESD保护层(即，毯覆式沉积)，将其图案化成网状结构，将其以条纹图案布置，或将其图案化成个别的非连接的岛。如上文所述，ESD保护层可经图案化，其方式使得其提供平坦化效应，且因此对传感器装置进行进一步机械保护。例如，可以网、柱状或岛形式来图案化ESD保护层，使得其大体上仅沉积于存在于第二绝缘层66中的浅区域上。在图10的像素结构50B中描绘实例，除了硬涂层68A及导电ESD保护层80A以外，其与图9的像素结构50A相同。特定来说，ESD保护层80A部分安置在第二绝缘层66上，以最小化与第二金属层54的重叠。这导致顶部表面上的更平滑拓扑结构，特定来说，如由硬涂层68A所提供，其增强传感器的耐刮擦性。可微调ESD保护层的厚度，以使硬涂层68A的上表面大体上平坦。

结合图9及10所描述的ESD保护层的一个风险是在下方金属层(例如金属层52、54)的下方可能于外力(例如刮擦、坠落或经由持续磨损)下潜在地短接到此导电ESD保护层。如图9中所示，距离d1是第二金属层54的顶角与ESD保护层80的底角之间的最小间距。这可为弱点，当施加过度的外部机械应力时，可能发生电气短路。一个解决方案是增加第二绝缘层66A的厚度以延伸间距，如图11的像素结构50C中所说明，其中d2大于d1。距离d2可为基于绝缘层的厚度及硬度而选择，即，可选择层的厚度及硬度，以提供对抗非所要的电短路的所期望的保护。在实施例中，d2在约100nm到1000nm之间。在实施例中，第二绝缘层是使ESD保护层80B的拓扑及硬涂层68B平滑的厚平坦化层66B，如图12的像素结构50D中所示。

在替代实施例中，导电ESD保护层80C可安置在硬涂层68上方，如图13的像素结构50E中所示。在实施例中，绝缘层66可为(但不限于)氮化硅、丙烯酸基聚合物、氧化硅，及其组合。防止层间金属短路的手段不限于以上三个实例(图11到13)，且可在实施例中采用其它技术。

在图28中说明另一单层ESD保护层实施例。图28说明具有形成在相同于第二金属层54的平面中的导电ESD保护层90的像素结构50J。ESD保护层90电连接到偏压，最好是系统接地。可连同第二金属层54一起形成ESD保护层90，以减少制造成本及复杂度。

在另一实施例中，可使用两个ESD保护层。图14说明像素结构50F，其中第一导电ESD保护层90安置在相同于第二金属层54的层级或平面中，且第二导电ESD保护层80D安置在第一ESD保护层90上方。绝缘层66B安置在两个ESD保护层90、80D之间。第二ESD保护层80D可经由形成在绝缘层66B中的一或多个导电通孔85而在每一感测像素中局部地电连接到第一ESD保护层90。

第一ESD保护层90可与第二金属层54同时形成。第一ESD保护层90电连接到接地。此第一ESD保护层90可经图案化以帮助平坦化总装置拓扑。即，如果仅第二金属层54存在于此层/层级处，那么可沉积第一ESD保护层90以便填充于较低区域(谷)中，从而使整个第二绝缘层66B水平并因此在其上形成硬涂层68B。在实施例中，第一ESD保护层90可安置在主动感测元件上方，例如PIN二极管的本征区。在实施例中，第二ESD保护层80D可经安置为隔离岛，优选最后部分在每一主动感测元件(即，PIN二极管)上方。在此情况中，第二ESD保护层80D的目的是提供作为“避雷针”而吸引ESD电荷的较低阻抗路径，并经由通孔85而将电荷重导引到接地的第一ESD保护层90。替代地，第二ESD保护层80D可在每一感测像素中局部地与第一ESD保护层90电隔离，但在主动像素区域外部分别地电接地，如图15中的像素结构50G的实施例中所描绘。在此实施例中，第二ESD保护层80B用作双屏蔽以提供额外ESD保护。

在图16的像素结构50H中说明的另一实施例中，第二ESD保护层80E可在每一感测像素中局部地电连接到第一ESD保护层90，且两者都在主动像素区域外部接地。替代地，额外接地线可经埋入于相同于第一金属层52的平面上，且第二ESD保护层80E可经由一或多个通孔而连接到第一金属接地线，如例如结合图27所述。

如图4A及4B所示，多个PIN二极管可在ESD冲击期间被损害。尽管提供低阻抗接地路径，但ESD电荷仍经吸引到下方的二极管。此可归因于每一PIN二极管提供离子植入N+及P+多晶硅区域的情况，这些区域基本上作为与ESD电荷的相反电荷的颗粒饱和的储存器来与其重组。另一可能理由是重掺杂多晶硅区域具有更可能吸收外部能量的缺陷。因而，在实施例中，可在每一感测像素内添加额外的N+及/或P+区域，其在本发明中后面描述的图26A到26C中展示。然而，这些区域必须与感测PIN二极管电隔离以最小化ESD损害。N+及/或P+区域可经由通孔而电连接到第一ESD保护层，且第一ESD保护层可经电接地。

重要的是，ESD保护层电连接到偏压电势，优选系统接地。存在用于提供电接地的多种方式。例如，垫可形成在衬底上并经接合到随后过程中的外部接地，且ESD保护层可经图案化以与此接地垫接触。在实施例中，尤其在ESD保护层安置在硬涂层上方时，如(例如)图13中所示，可经由由导电材料制成的外部边框来产生接地，且边框可连接到外部电路板上的接地(或其它偏压电势)。

生产实例：

如下文所述，用所揭示的ESD保护方法制造指纹传感器。测试ESD性能、耐刮擦性及可靠性。

第一生产实例

指纹传感器的第一生产实例结合图9描述的结构而实施，其中ESD保护层80安置在整个第二绝缘层66(如毯覆层)上方，随后涂覆硬涂层68。ESD保护层80安置在连接到外部接地的接触垫上。第二绝缘层66是通过等离子体增强化学气相沉积(PECVD)而沉积的

厚氮化硅层。ESD保护层80是

厚钼(Mo)层，具有约0.6ohm/sq的薄片电阻。硬涂层是

厚氮化硅层，随后是PECVD沉积1.2μm厚类金刚石石碳(DLC)层。

在±15KV及±20KV下使用ESD模拟器(Schaffner NSG 438)来测试ESD性能。在图17A及17B中展示在ESD冲击之前及之后来自指纹传感器的功能性图像。特定来说，图17A展示(从左到右)由制造装置(无手指存在)在±15KV下具有多达20次轰击而捕获的图像，且图17B说明在±20KV下的相同情况。除了一些轻微损害以外，装置的功能性大体上保持不变。亮点对应于高功率ESD电荷损害的第二金属层上方的层，且因此热信号变得更强。受影响的图像区域可经由软件编程而大体上恢复。图18A及18B分别是低及高放大率下的这些轰击点的显微镜图像。尽管第二金属层上方的层的部分被ESD冲击损害，但底层主动装置保持完整。Mo屏蔽层的受影响区域通常较小，平均直径约50μm，其大约是像素的尺寸。更重要的是，第一金属层及第二金属层被保护，且未发现灾难性故障。相较于无ESD保护的类指纹装置(如图3中所说明)的性能，如图4及5中所示，差异是显著的。

第二生产实例

指纹传感器的第二生产实例结合图10描述的结构而实施。ESD保护层沉积于整个作用区域上方，且接着被图案化成安置在感测二极管的本征区域上方的条纹80A的阵列。ESD保护层仅在作用区域的边缘处电接地。像素区域的SEM图像展示于图19中，且ESD保护层(条纹)80A被标记。此设计的优点是ESD保护层80A不与第二金属层54重叠，因此在外力(在正常使用期间磨损或刮擦)下最小化ESD保护层80A与第二金属层54之间的短路的电势。相较于第一生产实例，由于使用有限量的ESD保护材料，所以此设计的ESD性能经预期略低。然而，通过减少ESD保护层80A的薄片电阻且使用较薄顶部硬涂层来使其对ESD电荷具有更强吸引力而可改进性能。此设计中使用的ESD保护层是

厚钼(Mo)层，具有大约0.3ohm/sq的薄片电阻。硬涂层包含

厚氮化硅及经减少厚度0.3μm厚PECVD沉积类金刚石石碳(DLC)涂层。

在图20中展示第二生产实例的ESD测试结果。经制造的指纹传感器使用用于测试第一生产实例的相同ESD枪轰击多达总数60次轰击(在+/-12KV下各自10次轰击，随后在+/-15KV下各自20次轰击)。许多像素及传感器行及列被损害，但绝大多数传感器像素阵列仍处于工作条件，其通过图20中说明的有效指纹图像而展示。由于ESD损害受限制，所以一些被损害的像素可经由软件技术而恢复，其进一步最小化总ESD事件影响并延长指纹传感器的寿命。

局部损害的显微镜图像在较低及较高放大率下分别展示于图21A及21B中。在较低ESD电压电平(例如2KV及4KV)下，损害通常位于Mo层(ESD保护层)上的小区域中，且通常移除顶部硬涂层的部分。在较高ESD电压电平下，顶部硬涂层的条纹及Mo层的部分通常被吹走而暴露较低层。如前所述，Mo ESD保护层提供接地的低阻抗路径，其允许由ESD枪产生的强电场来排斥相同极性的电荷，同时使表面上的相反极性的电荷饱和。ESD电荷冲向Mo的表面，产生等离子体的踪迹。Mo的有限电阻将ESD电荷能量转换成热量，其导致受影响区域中的温度的突然升高。Mo ESD保护层用作牺牲层(通过吸收热量及被融化)以防止ESD电荷攻击或向下穿透到主动热感测像素及电路。这经由以下事实而显而易见：在此生产实例中，所有损害都遵循对应于导电层(Mo)图案的条纹，而在导电层普遍覆盖作用区域的第一生产实例中，爆炸通常是各向同性圆。相较于图3中无ESD保护的指纹装置，这是显著增强。

应指出，归因于最小化ESD保护层与第二金属层之间的重叠(优选无重叠)，具有图案化ESD层(例如，第二生产实例)的传感器装置呈现相较于毯覆式ESD保护层(例如，第一生产实例)的更大机械稳健性。

第三生产实例

第三生产实例具有结合图14的如上文所描述的双层ESD保护结构而实现。图22A及22B中展示设计布局。第一ESD保护层90(图22A)部分地覆盖感测元件(即，每一PIN二极管的本征区)，且电连接到接地。特定来说，此层经图案化使得其为了平坦化的目的而尽可能地填充“谷”。为简化制造过程，用于此实施例中的第一ESD保护层90与用于行寻址线的第二金属层54一起被图案化。此允许第一ESD保护层90及第二金属层54共享相同屏蔽层及材料配方。替代地，如果使用不同配方(材料及/或沉积厚度)以实现更高导电性及/或更佳平坦化效应，那么第一ESD保护层90还可与第二金属层54分别地安置。

第二绝缘层66B安置在第一ESD保护层90及第二金属层54上方，随后是第二ESD保护层80D。第二ESD保护层80D(其经部分安置在PIN二极管的本征区上方)形成每一感测像素(图22B)内的隔离岛。接着，此第二ESD保护层80D经由通孔85(图22C中所示)而电连接到第一ESD保护层90。这些隔离ESD保护结构具有两个重要目的。首先，这些结构高于周围结构，其使得ESD电荷更容易获得。岛中的每一者用作“避雷针”以吸引及将ESD电荷重导引到接地。其次，这些岛可用作牺牲结构以吸收由ESD事件引起的热量，其保护下方的感测像素。在图22C中展示具有所有层的完整布局。

应策略性地放置连接第一ESD保护层及第二ESD保护层90、80D的通孔85。即，通孔85应提供用于ESD电荷的低阻抗路径，以快速地到达接地的第一ESD保护层90，同时避免与任何关键元件(例如行及列寻址线金属层54、52及主动热PIN二极管)重叠。在此实施例中，通孔85放置于主动热PIN二极管与金属寻址线之间，如图22C中所示。

制造并测试此指纹传感器。第一ESD保护层90是具有约0.1ohm/sq的薄片电阻的

层，且其与第二金属层54同时图案化。第二绝缘层66B是安置在第一ESD保护层90与第二金属层54两者上方的

厚氮化硅层。第二ESD保护层80D是图案化于第二绝缘层66B的顶部上的

厚Mo，其中薄片电阻约为0.6ohm/sq。最后，硬涂层68B经形成以囊封包含

厚氮化硅硬涂层及0.4μm厚DLC层的作用区域。在图23中展示无顶部DLC层的像素区域的SEM图像。评估ESD性能且在图24中展示结果。在+/-2KV、4KV、8KV、及15KV下各自测试传感器10次，总计80次。ESD损害足够小，使得传感器仍能够成功地注册新指纹并识别注册指纹。归因于ESD保护层80D及90与第二金属层之间的非重叠，此生产实例的耐刮擦性非常类似于第二生产实例。

最终，在70℃/90％RH的腔室中测试此第三生产实例的二十四个样品的加速可靠性达240小时。无样品经展示顶部DLC硬涂层分层的任何迹象。据信通过将第二ESD保护层80D的每一长条(例如用于第二生产实例中)分解成多个隔离岛，且通过更好平坦化，减小不同层之间的机械应力并大大改进层之间的粘合性。

在另一实施例中，第二ESD保护层80B可与第一ESD保护层90分别地接地，如结合图15而解释。第二ESD保护层80B可经图案化为感测元件上方的条纹，且经电接地于主动感测像素阵列的外部。第二ESD保护层可进一步包括分别地安置的两个区域。例如，在图25中，在实施例中，第二ESD保护层80B可包括区域A中的较厚

厚Mo层，及区域B中的较薄

厚Mo层。替代地，在实施例中，第二ESD保护层可包括区域A中的较厚

厚Mo层，及区域B中的较薄

厚ITO层。将第二ESD保护层80B分成多个区段的主要优点是可精心选择材料的组合以最小化机械应力，因此优化层之间的粘合性并改进长期可靠性。第二优点是材料的厚度可经细化以更好平坦化传感器表面的拓扑，且因此改进耐刮擦性。

第四生产实例

如上文所论述，发现ESD电荷被吸引到像素内部的离子植入区域，即，PIN二极管的N+或P+多晶硅区域。因此，在实施例中，虚设离子植入多晶硅区放置于每一像素内。在图26A及26B中展示实例布局。除了每一像素内的感测二极管及寻址线以外，虚设多晶硅岛形成在空区域(图26A)中，随后是N+离子植入(图26B)。N+多晶硅岛经由通孔(图26C)而连接到第一ESD保护层。如同具有多层ESD保护的实施例，第一ESD保护层经电接地，且第二ESD保护层可任选地添加以用于额外ESD保护。在此配置中，N+岛提供额外电子-空穴重组储存器以局部地中和ESD电荷，其帮助将ESD效应限制于更小区域，且因此减少总传感器损害。

图27说明包含三个ESD保护层而具有ESD保护结构的像素结构50I的实施例，其包含：第一ESD保护层90(上文描述)，其安置在第二金属层54的平面或电平中并且安置在第一绝缘层64A上方；第二ESD保护层80E，其安置在第二绝缘层66B上方；及第三ESD保护层95，其安置在第一金属层52A的平面或电平中。第二ESD保护层80E可经由通孔85及85A而在每一感测像素中局部地电连接到第一及第三ESD保护层。在实施例中，三个ESD层的所有或一些经接地于主动感测区域50I的外部。

虽然已就示范性实施例描述本发明，但本技术并不限于此。而是，所附权利要求书应被广义地解释为包含所属领域的技术人员可作出的本发明的其它变体及实施例，而不脱离本发明的同等物的范畴及范围。

Claims

1.一种指纹感测装置，其包括：

衬底；

多个像素，其布置在行及列的栅格中，每一像素在其中具有主动式热感测元件；

第一金属层，其形成用于寻址所述主动式热感测元件的第一寻址线；

第二金属层，其在所述第一金属层上方且形成用于寻址所述主动式热感测元件的第二寻址线；

第一导电ESD保护层；及

绝缘层，其安置在所述第一导电ESD保护层与所述主动式热感测元件之间，

其中所述第一导电ESD保护层电连接到偏压电势，

其中所述第一导电ESD保护层经安置成图案，使得其与每一像素部分重叠，所述第一导电ESD保护层与每一像素的所述主动式热感测元件至少部分重叠。

2.根据权利要求1所述的装置，其中所述主动式热感测元件是PIN二极管，且所述第一导电ESD保护层安置在所述PIN二极管的本征区上方。

3.根据权利要求1所述的装置，其中所述第一导电ESD保护层与所述第二金属层的所述第二寻址线横向地间隔。

4.根据权利要求1所述的装置，其中所述第一导电ESD保护层布置成网状图案。

5.根据权利要求1所述的装置，其中所述第一导电ESD保护层布置为导电条纹的阵列。

6.根据权利要求1所述的装置，其中所述绝缘层及所述第一导电ESD保护层经布置以提供在其上安置硬涂层的大体上平面的上表面。

7.根据权利要求1所述的装置，其进一步包括连接到外部偏压电势的垫，其中所述第一导电ESD保护层连接到所述垫。

8.根据权利要求1所述的装置，其进一步包括导电边框，其中所述第一导电ESD保护层连接到所述边框，且所述边框连接到所述偏压电势。

9.根据权利要求1所述的装置，其中每一像素包含与所述像素的所述主动式热感测元件电隔离且通过导电通孔而电连接到所述第一导电ESD保护层的离子植入重组储存器。

10.根据权利要求1所述的装置，其中所述衬底是柔性的。

11.根据权利要求1所述的装置，其中所述偏压电势是接地的。

12.根据权利要求1所述的装置，其进一步包括：第二导电ESD保护层，其与所述第一导电ESD保护层垂直地间隔；及绝缘层，其介于所述第一导电ESD保护层与所述第二导电ESD保护层之间。

13.根据权利要求12所述的装置，其中所述第一导电ESD保护层和所述第二导电ESD保护层中的一者与所述第二金属层安置在平面中。

14.根据权利要求12所述的装置，其中所述第一导电ESD保护层和所述第二导电ESD保护层通过导电通孔而彼此电连接。

15.根据权利要求12所述的装置，其中所述第二导电ESD保护层电连接到所述偏压电势。

16.根据权利要求1所述的装置，其进一步包括安置在所述第一导电ESD保护层上方的硬涂层。

17.一种指纹感测装置，其包括：

衬底；

第二金属层，其形成用于寻址所述主动式热感测元件的第二寻址线；

第一导电ESD保护层；

第二导电ESD保护层，其安置在所述第一导电ESD保护层上方的层处；及

绝缘层，其安置在所述第一导电ESD保护层与所述第二导电ESD保护层之间，

其中所述第一导电ESD保护层及所述第二导电ESD保护层中的至少一者连接到偏压电势。

18.根据权利要求17所述的装置，其中所述第一导电ESD保护层及所述第二导电ESD保护层中的至少一者经安置成图案，使得其与每一像素部分重叠，所述第一导电ESD保护层和所述第二导电ESD保护层中的至少一者与每一像素的所述主动式热感测元件至少部分重叠。

19.根据权利要求17所述的装置，其中所述主动式热感测元件是PIN二极管，且其中所述第一导电ESD保护层及所述第二导电ESD保护层中的至少一者安置在所述PIN二极管的本征区上方。

20.根据权利要求17所述的装置，其中所述第一导电ESD保护层与所述第二导电ESD保护层通过通孔而电连接。

21.根据权利要求20所述的装置，其中所述通孔不与所述第一金属层或所述第二金属层重叠。

22.根据权利要求20所述的装置，其中所述通孔提供从所述第一导电ESD保护层或所述第二导电ESD保护层到所述偏压电势的低阻抗路径。

23.根据权利要求17所述的装置，其中所述第一导电ESD保护层及所述第二导电ESD保护层中的至少一者布置为导电条纹的阵列。

24.根据权利要求17所述的装置，其中所述第二导电ESD保护层包括形成在各别主动式热感测元件上方的导电隔离岛。

25.根据权利要求17所述的装置，其中所述第一导电ESD保护层及所述第二导电ESD保护层中的至少一者布置成网状图案。

26.根据权利要求17所述的装置，其进一步包括安置在所述第二导电ESD保护层上方的硬涂层。

27.根据权利要求17所述的装置，其中所述第一导电ESD保护层形成在具有所述第二金属层的平面中。

28.根据权利要求17所述的装置，其中所述第一导电ESD保护层及所述第二导电ESD保护层中的至少一者经布置以使绝缘层具有其中安置硬涂层的大体上平面的上表面。

29.根据权利要求17所述的装置，其中每一像素包含与所述像素的所述主动式热感测元件电隔离且通过导电通孔而电连接到所述第一导电ESD保护层和所述第二导电ESD保护层中的至少一者的离子植入重组储存器。

30.根据权利要求17所述的装置，其进一步包括第三导电ESD保护层，其中所述第三导电ESD保护层安置在具有所述第一金属层的平面中，其中所述第一导电ESD保护层电连接到所述第三导电ESD保护层，且所述第三导电ESD保护层电连接到偏压电势。

31.根据权利要求17所述的装置，其中所述衬底是柔性的。

32.根据权利要求17所述的装置，其中所述偏压电势是接地的。