CN1310180C - 一种电容式指纹感测器及其制造方法 - Google Patents

Abstract

一种电容式指纹感测器，可抗静电破坏及防残污干扰，包含一基板、多个平板电极、一金属网、多个静电放电单元、多个焊垫及一保护层。平板电极、焊垫及金属网系位于基板上的同一高度，并由同一材料所形成。静电放电单元连接至金属网以及接地端，并通过多个第一开口而裸露，藉以使手指的静电得以流至接地端。金属网系由保护层覆盖住而不裸露，且静电放电单元的数目远小于平板电极的数目，并能减少残污干扰所撷取的指纹影像。

Description

一种电容式指纹感测器及其制造方法

技术领域

本发明系关于一种电容式指纹感测器及其制造方法，尤其关于一种可抗静电破坏及防残污干扰的电容式指纹感测器及其制造方法。

背景技术

现有的指纹读取方法，可以利用沾有墨水的手指按压在纸上，再利用光学扫描器来扫描该纸张以将指纹输入电脑中，然后与资料库中的指纹图形比对。然而，上述方法的最大缺点为无法达到即时处理的目的，因此无法满足越来越多即时认证的需求，例如：网路认证，电子商务，携带式电子产品保密，IC卡个人身份认证，保全系统等等。

即时的指纹读取方法便成为生物辨识市场中的关键技术。传统上，可使用光学式指纹感测器来即时读取指纹，然而其具有体积过于庞大的缺点。

为此，利用硅半导体的晶片式指纹感测器因应而生，克服了上述光学式感测器的缺点。基于硅集成电路制程的考虑，电容式指纹感测器成为最直接且简单的方法。

结构上，电容式指纹感测器包含多个电容式感测元以阵列方式布置，当手指接触暴露于外的感测元的表面时，便可以感测手指纹峰留下的电容值曲线。因为感测器大部分面积都需要暴露于外界，任何靠近的带电体都可能造成其中电路短路或永久损坏。为此，感测器表面的抗静电处理便显得格外重要。并且也要兼顾防止残污干扰影响影像品质。

指纹感测器的防止静电破坏的方法，请参见Tartagni等人的美国专利第6,114,862号公告及Thomas在美国专利第6,515,488号公告。

请参见图1至3，上述的静电破坏防止方法系利用包围每一电容式感测元且暴露于外的钨金属网113而连接至接地端，将靠近物体的静电导至接地端，此种设计可以有效解决静电破坏。然而这种钨金属网113的形成方法及设计却会衍生其他问题。平板电极112与钨金属网113都位于基板110之上方，但却位于不同的高度，且是由不同的材料在不同的制造步骤中形成。在钨金属的沉积及后续的回蚀步骤中，感测器表面的保护层111上形成许多小孔洞108而造成缺陷，并会导致应力集中等问题。当手指指甲不小心冲击感测器的外表面109时，会造成感测器的破坏。再者，微小孔洞108的结构会使保护层表面形成亲水性，因此当手指的水分接触外表面109时会扩散，进而使影像品质变差。为此，Thomas提出藉由氧化硅107的沉积及后续的化学机械研磨(CMP)制程而将氧化硅107填满前述的小孔洞108而达到平整的外表面109。然而，此举又使制造过程太过复杂，而不适合于一般商业晶圆加工厂的制造程序。

又，上述技术衍生出手指残污干扰影像品质的问题。如图2所示，当手指1(视为一虚拟接地端)接触到感测器的外表面109时，纹峰11与平板电极112所形成的感应电容值大于纹谷12与平板电极112所形成的感应电容值。手指1的静电可以通过钨金属网113而放电，此种完全裸露的钨金属网113将使来自手指的残污114接地，间接地形成残污电容115而干扰影像品质，如图3所示。

发明内容

本发明的一个目的系提供一种可抗静电破坏及防残污干扰的电容式指纹感测器及其制造方法。

为达成上述目的，本发明提供一种可抗静电破坏及防残污干扰的电容式指纹感测器，其包含一内含集成电路的硅基板、多个平板电极、一金属网、多个静电放电单元、多个焊垫及一保护层。所述的多个平板电极系以阵列排列的方式形成于该基板上。该金属网纵横地穿设于所述的多个平板电极之间并与所述的多个平板电极齐平，且包围各该平板电极，该金属网连接至一接地端。所述的多个静电放电单元系与该金属网连接，并形成于所述的多个平板电极中的预定数目的相邻的平板电极之间，所述的多个静电放电单元的数目小于所述的多个平板电极的数目。多个焊垫系作为该电容式指纹感测器的输入与输出部分。该保护层系完全覆盖于所述的多个平板电极及该金属网，并局部覆盖于所述的多个静电放电单元及所述的多个焊垫之上，藉以于所述的多个静电放电单元上形成多的第一开口，并于所述的多个焊垫之上形成多个第二开口，各该第一开口的尺寸小于各该第二开口的尺寸。

为达成上述目的，本发明亦提供一种可抗静电破坏及防残污干扰的电容式指纹感测器的制造方法，基本上其包含以下步骤：于一内含集成电路的硅基板上形成一金属叠层；移除部分的金属叠层，以形成上述的多个平板电极、金属网、多个静电放电单元及多个焊垫；于该金属叠层与该基板上沉积一保护层；于该保护层上形成一光阻层；于该光阻层形成多个第一窗口以及多个第二窗口，以使该保护层从所述的多个第一窗口与所述的多个第二窗口露出；对露出的该保护层进行干式蚀刻，以形成对应至所述的多个第一窗口的多个第一开口以及对应至所述的多个第二窗口的多个第二开口，而使所述的多个焊垫由所述的多个第二开口露出，使所述的多个静电放电单元由所述的多个第一开口露出，各该第一开口的尺寸小于各该第二开口的尺寸；以及移除该光阻层。

本发明的指纹感测器能抗静电破坏感测元及有效防止残污干扰而影响影像品质。

附图说明

图1显示一种现有的指纹感测器之上表面部分的示意图。

图2显示一种现有的指纹感测器与手指接触的示意图。

图3显示图2的指纹感测器上面残留有污点的示意图。

图4显示利用本发明的电容式指纹感测器来读取手指指纹的示意图。

图5显示依据本发明第一实施例的电容式指纹感测器的局部俯视示意图。

图6显示沿着图5的剖面线6-6的电容式指纹感测器的剖视示意图。

图7显示图6的焊垫的放大示意图。

图8显示图6的放电单元的放大示意图。

图9显示依据本发明第二实施例的电容式指纹感测器的俯视示意图。

图10显示依据本发明第三实施例的电容式指纹感测器的俯视示意图。

图11A与11B分别显示本发明的电容式指纹感测器在被施加静电前后的感测结果。

图12A至12E分别显示本发明的电容式指纹感测器的制造步骤。

元件符号说明：

1～手指                    2～电容式指纹感测器

11～纹峰                   11a～电容值曲线

12～纹谷                   20～电容式感测元

21～基板                   22～平板电极

22N～标准电极              225～牺牲电极

23～金属网                 24～静电放电单元

25～焊垫                   26～保护层

27～第一开口               28～第二开口

30～铝金属叠层             40～光阻层

41～第一窗口               42～第二窗口

50～金属叠层               51～钛层

52～铝合金层               53～氮化钛层

107～氧化硅                108～孔洞

109～外表面                110～基板

111～保护层                112～平板电极

113～钨金属网              114～残污

115～残污电容

具体实施方式

图4显示利用本发明的电容式指纹感测器来读取手指指纹的示意图。如图4所示，此指纹感测器2包含以二维(2D)阵列排列的多个电容感测元20。当手指1接触该感测器2时，手指1表面的不规则形状纹峰(Ridge)会与部分的电容感测元20接触，而在该感测器2上留下对应于该纹峰11的电容值曲线11a。通过读取电容值曲线11a的形状，便可以辨认原来纹峰11的形状。

图5显示依据本发明第一实施例的电容式指纹感测器的局部俯视示意图。图6显示沿着图5的线66的电容式指纹感测器的剖视示意图。如图5与6所示，本发明的电容式指纹感测器2基本上包含一内含集成电路的硅基板21、多个平板电极22、一金属网23、多个静电放电单元24、多个焊垫25、及一保护层26。所述的多个平板电极22系以阵列排列的方式形成于该基板21上。金属网23系形成于所述的多个平板电极22之间，并与所述的多个平板电极22齐平，且包围各该平板电极22。详言之，金属网23系纵横地穿设于所述的多个平板电极22之间隙中。所述的多个平板电极22与所述的多个金属网23隔开一预定之间距。所述的多个焊垫25系作为该电容式指纹感测器2的输入与输出部分。该金属网23连接至一接地端GND，主要是要将静电导引至接地端GND，避免感测器遭受到静电破坏。所述的多个静电放电单元24系与该金属网23连接，进而连接至接地端。相邻的静电放电单元24的距离D远大于相邻的平板电极22之间距，所以所述的多个静电放电单元24的数目远小于所述的多个平板电极22的数目。

保护层26系完全覆盖于所述的多个平板电极22及该金属网23，并局部覆盖于所述的多个静电放电单元24及所述的多个焊垫25之上。该保护层26系于所述的多个静电放电单元24上形成多个第一开口27，并于所述的多个焊垫25之上形成多个第二开口28。值得注意的是，各该第一开口27的尺寸远小于各该第二开口28的尺寸。

保护层26通常为CMOS制程的保护介电层。现有的材料可以是氧化硅及氮化硅的叠层，其厚度则视所选择的制程而有所不同，通常介于0.8至1.2微米间。然而，为了增加指纹感测器的使用寿命及抗静电破坏，亦可增加一高硬度层(在本实施例中，其为类钻碳膜(Diamond-like carbon film)及碳化硅膜，也可以是钛酸钡膜、钛酸锶膜及氧化钽膜等)于保护层26上，且其厚度可介于0.3至2微米之间。

从图5可以清楚看出，为了制作静电放电单元24，本发明在不影响感测效果的情况下牺牲掉某些平板电极的感测面积。所以，所述的多个平板电极22包含多个牺牲电极22S及多个标准电极22N，所述的多个牺牲电极22S系与所述的多个静电放电单元24相邻，且各该牺牲电极22S的尺寸小于各该标准电极22N的尺寸。于本实施例中，各该静电放电单元24系仅与一个牺牲电极22S相邻。所以在九个平板电极22中，只有一个牺牲电极22S。

平板电极22与金属网23可以是由相同的材料所制造成。举例而言，平板电极22与金属网23可以是铝金属叠层30或铜金属叠层。铝金属叠层30系为集成电路制程中的最顶层的金属薄膜。于本实施例中，平板电极22的面积约为40微米*40微米，电容式感测元20的面积为50微米*50微米，平板电极22与手指1间形成感测电容，而金属网23系作为静电防护用。

当手指靠近感测器时，静电可以从第一开口27经由金属网23而流向接地端GND。于本实施例中，二个相邻的静电放电单元24的最佳化间距D为500至1000微米。

图7显示图6的焊垫的放大示意图。图8显示图6的放电单元的放大示意图。如图7与8所示，铝金属叠层30包含位于该基板21上的一钛层51，位于该钛层51上的一铝合金层52，及位于该铝合金层52上的一氮化钛层53。铝合金层52系由各该第一开口27露出。各焊垫25包含位于该基板21上的一钛层51，位于该钛层51上且由各该第二开口28露出的一铝合金层52，及位于该铝合金层52上且围绕各该第二开口28之一氮化钛层53。值得注意的是，由于下述说明的蚀刻制程的特性，使得在各该第一开口27中的该氮化钛层53的一中间厚度T1小于该氮化钛层53的一周边厚度T2，而位于各该第二开口28中的氮化钛层53实质上完全会被移除。

图9显示依据本发明第二实施例的电容式指纹感测器的俯视示意图。图9的感测器系与图5类似，不同之处在于图9的各该静电放电单元24系仅与两个牺牲电极22S相邻。亦即，两个相邻的平板电极22各牺牲掉一个区域来供静电放电单元24使用。

图10显示依据本发明第三实施例的电容式指纹感测器的俯视示意图。图10的感测器系与图5类似，不同之处在于图10的各该静电放电单元24系仅与四个牺牲电极22S相邻。亦即，四个相邻的平板电极22各牺牲掉一个区域来供静电放电单元24使用。

图11A与11B分别显示本发明的电容式指纹感测器在被施加静电的前后的感测结果。本发明采用的测试条件为空气模式(air mode)下各施加10次的±20KV的静电，间隔频率为1秒。如图11A与11B所示，两图的感测结果比较下无明显的破坏，表示感测器仍能正常运作。因此，本发明的指纹感测器的静电放电(ESD)防护能力已经可以达20KV以上，且感测器的内部电路不会受到破坏。

图12A至12E分别显示本发明的电容式指纹感测器的制造步骤。

参见图12A，首先于一内含集成电路的硅基板21上形成一金属叠层50。

接着，请参见图12B，部分的金属叠层50被移除，以形成多个平板电极22、一金属网23、多个静电放电单元24、及多个焊垫25。上述元件的构造及相互的关系已经说明于上，于此不再详述。

然后，请参见图12C，于该金属叠层50与该基板21上沉积一保护层26。在本实施例中，保护层26结构包含了一氧化硅层与一氮化硅层的叠层。所以，可以于该金属叠层50与该基板21上沉积一氧化硅层，然后于该氧化硅层上沉积一氮化硅层。

接着，请参见图12D，于该保护层26上形成一光阻层40；之后，于该光阻层40形成多个第一窗口41以及多个第二窗口42，以使该保护层26从所述的多个第一窗口41与所述的多个第二窗口42露出。

然后，请参见图12E，对露出的该保护层26进行干式蚀刻，以形成对应至所述的多个第一窗口41的多个第一开口27以及对应至所述的多个第二窗口42的多个第二开口28，而使所述的多个焊垫25由所述的多个第二开口28露出，使所述的多个静电放电单元24由所述的多个第一开口27露出，各该第一开口27的尺寸远小于各该第二开口28的尺寸。于此干蚀刻制程中，在完全移除位于所述的多个第二开口28中的该氮化钛层53的同时，可以移除位于所述的多个第一开口27中的该氮化钛层53的一部份，以使在各该第一开口27中的该氮化钛层53的一中间厚度T1小于该氮化钛层53的一周边厚度T2，如图8所示。值得注意的是，该保护层26更可以包含上述的高硬度层，位于该氮化钛层53上。于此状况下，高硬度层可以视为是保护层26的一部分。

接着，该光阻层40被移除，以形成如图6所示的构造。

藉由上述构造及方法，因为金属网23系设计于保护层26下方，所以保护层26沉积完成后不会再暴露于蚀刻环境中。即使在形成开口27与28的过程，保护层26上面亦有光阻层40的保护，故不会有任何受损。藉此，保护层26的表面便不会有如习知技术的微小孔洞，容易造成应力集中、表面亲水性、ESD破坏、使用不当损坏、及残污干扰影像的情况。

另外，供静电放电单元24使用的第一开口27系与供焊垫25使用的第二开口28系设计于同一道光罩中，但其尺寸则有相当大差距。举例而言，第一开口27的尺寸通常为5至10微米，而第二开口28的尺寸通常为100至150微米。所以，故在开口形成的过程中，不仅可以完全去除保护层26而形成第二开口28，最上面的氮化钛层53亦可以完全被去除而使铝合金层52完全裸露出，以利后续的打线动作。熟习本项技艺者应可轻易理解到，形成开口所使用的干式蚀刻方式皆有负载效应(loading effect)，也就是说，开口较小者蚀刻速度较慢。本发明即是利用这一特性，藉由时间的控管，得以保留第一开口27中的部分的氮化钛层53(厚度约为0.1微米)。由于氮化钛层53不易氧化，耐腐蚀，适合长期使用，适合暴露于空气中。如此，靠近感测器的物体的静电便可以藉由第一开口27、氮化钛层53及铝合金层52连线导通至接地端，藉以避免静电破坏。

上述的制程设计完全不需要使用具有高复杂度的前述现有技术，而且可完全利用商业用集成电路工厂的标准流程及材料来制造本发明的感测器。

本发明优点不仅在于ESD防护能力，同时仅利用长间距的少数静电放电单元便可以完成ESD防护，即使使用后有残污，大部分残污也是独立的，并不与金属网23连接，减少了许多残污电容对影像所造成的干扰。

在较佳实施例的详细说明中所提出的具体实施例仅用以方便说明本发明的技术内容，而非将本发明狭义地限制于上述实施例，在不超出本发明的精神所做的种种变化实施，皆属于本发明的范围。

Claims (18)

1、一种电容式指纹感测器，包含：

一内含集成电路的硅基板；

多个平板电极，以阵列排列的方式形成于该基板上；

一金属网，纵横地穿设于所述的多个平板电极之间并与所述的多个平板电极齐平，且包围各该平板电极，该金属网连接至一接地端；

多个静电放电单元，与该金属网连接，并形成于所述的多个平板电极中的预定数目的相邻的平板电极之间，所述的多个静电放电单元的数目小于所述的多个平板电极的数目；

多个焊垫，其位于该硅基板上，用以作为该电容式指纹感测器的输入与输出部分；及

一保护层，完全覆盖于所述的多个平板电极及该金属网，并局部覆盖于所述的多个静电放电单元及所述的多个焊垫之上，藉以于所述的多个静电放电单元上形成多的第一开口，并于所述的多个焊垫之上形成多个第二开口，各该第一开口的尺寸小于各该第二开口的尺寸。

2、如权利要求1所述的电容式指纹感测器，其特征在于：所述平板电极与所述金属网包含相同的材料。

3、如权利要求2所述的电容式指纹感测器，其特征在于：所述各该平板电极包含一铝金属叠层。

4、如权利要求3所述的电容式指纹感测器，其特征在于：所述铝金属叠层包含：

一钛层，位于该基板上；

一铝合金层，位于该钛层上；及

一氮化钛层，位于该铝合金层上，并由各该第一开口露出。

5、如权利要求2所述的电容式指纹感测器，其特征在于：所述各该平板电极包含一铜金属叠层。

6、如权利要求1所述的电容式指纹感测器，其特征在于：所述平板电极包含多个牺牲电极及多个标准电极，所述的多个牺牲电极是与所述静电放电单元相邻，且各该牺牲电极的尺寸小于各该标准电极的尺寸。

7、如权利要求6所述的电容式指纹感测器，其特征在于：所述各该静电放电单元是仅与一个牺牲电极相邻。

8、如权利要求6所述的电容式指纹感测器，其特征在于：所述各该静电放电单元是仅与两个牺牲电极相邻。

9、如权利要求6所述的电容式指纹感测器，其特征在于：所述各该静电放电单元是仅与四个牺牲电极相邻。

10、如权利要求6所述的电容式指纹感测器，其特征在于：所述保护层是由一氧化硅层及一氮化硅层所堆叠组成。

11、如权利要求6所述的电容式指纹感测器，其特征在于：其中二个相邻的静电放电单元的间距实质上在500至1000微米之间。

12、如权利要求1所述的电容式指纹感测器，其特征在于：更包含

一高硬度层，位于该保护层上，该高硬度层包含选自于类钻碳膜、碳化硅膜、钛酸钡膜、钛酸锶膜及氧化钽膜之一。

13、一种电容式指纹感测器的制造方法，包含以下步骤：

于一内含集成电路的硅基板上形成一金属叠层；

移除部分的金属叠层，以形成：

多个平板电极，以阵列排列的方式形成于该基板上；

一金属网，纵横地穿设于所述的多个平板电极之间并与所述的多个平板电极齐平，用以包围各该平板电极；

多个静电放电单元，与该金属网连接，并形成于所述的多个平板电极的预定数目的相邻的平板电极之间，所述的多个静电放电单元的数目小于所述的多个平板电极的数目；及

多个焊垫，其位于该硅基板上，用以作为该电容式指纹感测器的输入与输出部分；

于该金属叠层与该基板上沉积一保护层；

于该保护层上形成一光阻层；

于该光阻层形成多个第一窗口以及多个第二窗口，以使该保护层从所述的多个第一窗口与所述的多个第二窗口露出；

对露出的该保护层进行干式蚀刻，以形成对应至所述的多个第一窗口的多个第一开口以及对应至所述的多个第二窗口的多个第二开口，而使所述的多个焊垫由所述的多个第二开口露出，使所述的多个静电放电单元由所述的多个第一开口露出，各该第一开口的尺寸小于各该第二开口的尺寸；以及

移除全部的光阻层。

14、如权利要求13所述的电容式指纹感测器的制造方法，其特征在于：所述于基板上形成金属叠层包含以下步骤：

于该基板上形成一钛层；

于该钛层上形成一铝合金层；及

于该铝合金层上形成一氮化钛层。

15、如权利要求14所述的电容式指纹感测器的制造方法，其特征在于：所述对露出的保护层进行干式蚀刻包含以下步骤：

完全移除位于所述的多个第二开口中的该氮化钛层；以及

移除位于所述的多个第一开口中的该氮化钛层的一部份，以使在各该第一开口中的该氮化钛层的一中间厚度小于该氮化钛层的一周边厚度。

16、如权利要求13所述的电容式指纹感测器的制造方法，其特征在于：所述于金属叠层与基板上沉积一保护层的步骤包含：

于该金属叠层与该基板上沉积一氧化硅层；及

于该氧化硅层上沉积一氮化硅层。

17、如权利要求16所述的电容式指纹感测器的制造方法，其特征在于：所述于金属叠层与基板上沉积一保护层的步骤更包含：于该氮化硅层上沉积一高硬度层。

18、如权利要求17所述的电容式指纹感测器的制造方法，其特征在于：所述高硬度层包含选自于类钻碳膜、碳化硅膜、钛酸钡膜、钛酸锶膜及氧化钽膜之一。

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