帶靜電放電功能的靜電電容檢測型指紋讀取傳感器的制造方法
【專利摘要】本實用新型涉及一種帶靜電放電功能的靜電電容檢測型指紋讀取傳感器，包括由金屬板陣列組成的多個傳感器電極，每個傳感器電極分別與各自下層的電容檢測電路相連接，在每個傳感器電極與手指間鋪有絕緣的鈍化膜層，在傳感器電極上表面和側(cè)面上用所述鈍化膜層包裹，然后用由金屬線構(gòu)成的放電層將各傳感器電極四周圍起來，所述的鈍化膜層是將氮氧化硅用PECVD法沉積而形成，同時在鈍化膜層上部設(shè)置金屬線，金屬線與傳感器電極上下分離且不重疊；并在所述金屬線上制作突起形狀，產(chǎn)生電場分布的集中部分。本實用新型的優(yōu)點是：本實用新型可以抑制靜電對裝置內(nèi)部的電容檢測電路等的影響，而且在提高本裝置的可靠性的同時，還可以穩(wěn)定的和高靈敏度的檢測到指紋。
【專利說明】帶靜電放電功能的靜電電容檢測型指紋讀取傳感器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種電容檢測型半導(dǎo)體指紋讀取傳感器，尤其是一種帶靜電放電保護功能的電容檢測型指紋讀取傳感器。
【背景技術(shù)】
[0002]近年，搭載集成電路的IC卡和磁條卡相比，信息容量大，安全性能高等特點而被迅速普及。特別是，通過電磁波接送數(shù)據(jù)信息的所謂非接觸型IC卡被引進到公共交通等系統(tǒng)，大大提高了便利性。
[0003]這樣的IC卡，盡可能的接近ISO國際規(guī)格的尺寸(長度85.6毫米，水平54毫米，厚0.76_)，是方便持有和攜帶所必須的先決條件。另一方面，作為針對盜竊，偽造等未經(jīng)授權(quán)擅自使用的防御方法，通過指紋認證進行本人確認的功能受到矚目。指紋認證傳感器大小在IC卡的尺寸范圍內(nèi)不僅便于攜帶，而且能防止未經(jīng)授權(quán)的擅自使用，將來搭載指紋認證傳感器的IC卡是個必然趨勢。作為能夠搭載于IC卡的指紋讀取傳感器，在半導(dǎo)體基板上裝置傳感器電極(金屬板)，再用鈍化膜包裹傳感器電極，通過鈍化膜檢測皮膚和傳感器間的電容來測出指紋的凹凸，稱為靜電電容檢測型的半導(dǎo)體指紋傳感器(以下稱FPIC)。使用由LSI制造技術(shù)開發(fā)出來的單片型的IC芯片的各種半導(dǎo)體指紋傳感器當中低耗電率，結(jié)構(gòu)緊湊及元件數(shù)量少，使用成本最便宜的方面考慮的話，靜電電容檢測型指紋傳感器是最好的選擇。
[0004]FPIC在指紋感測區(qū)域內(nèi)一般由金屬板的排列陣列組成的多個傳感器電極縱橫排列，每個傳感器電極對應(yīng)指紋圖像采取的最小單位像素。
[0005]每個傳感器電極分別與各自下層的電容感測電路相連接，當手指接觸到FPIC時為了檢測出指紋凹凸的電容量，在每個傳感器電極與手指間鋪了絕緣的鈍化膜層。
[0006]如上所述FPIC具有的優(yōu)異的特性，但是，在感測指紋的時候，指端直接接觸FPIC表面，積蓄在指端表面的靜電電容通過傳感器電極放電流向電容檢測電路，從而導(dǎo)致傳感器裝置本身被靜電擊穿(electrostatic damage,以下稱ESD)。
[0007]這樣的靜電放電可以達到約20kV的程度，通過空氣放電來進行ESD測試的電子設(shè)備已經(jīng)規(guī)范化。對于靜電電容檢測的FPIC來說，只種ESD保護是商業(yè)化必不可少的。
[0008]但是，如在IC表面層壓了很厚的介電質(zhì)層的話，介電質(zhì)層的殘留應(yīng)力會導(dǎo)致晶片扭曲，而無法進行之后的光刻工藝步驟的晶片生產(chǎn)。所以介電質(zhì)層的厚度，最大只能在3-5微米左右。作為鈍化膜層，是用眾所周知的聚酰亞胺(介電常數(shù)約4.0)層壓約3微米的厚度而成，靜電的發(fā)生源與裝置表面越接近，與ESD保護用的接地電極11的ESD保護能力相t匕，更依存于鈍化膜層的絕緣耐力特性，上述的鈍化膜層，作為檢測靜電電容裝置ESD的保護能力，可以說很難達到「IEC61000-4-2」的規(guī)格。
[0009]另一方面，在絕緣層上排列多個傳感器電極，其上部和側(cè)面用鈍化膜包裹，再在各個傳感器電極四周用由金屬模塊組成的放電壁包圍而成的FPIC曾經(jīng)被提出。這種FPIC，如圖1所示，在裝置表面圍繞傳感器電極I呈網(wǎng)格狀地設(shè)置接地電極11，帶有靜電的手指接觸裝置表面時所發(fā)生的電流不直接進入裝置內(nèi)部，而是通過柱狀的接地電極11從接地線13流入接地側(cè)，這樣可以抑制靜電對裝置內(nèi)部的靜電電容檢測電路2等的影響。
[0010]但是，這種FPIC在傳感器電極I和柱狀的接地電極11之間會產(chǎn)生寄生電容Cpxl2。這個寄生電容12和手指表面與傳感器電極間產(chǎn)生的電容Cs相并聯(lián)，寄生電容Cpx加算于Cs被傳感器電極檢測，其結(jié)果使測定電容值的偏移量增大的同時，也使傳感器裝置的動態(tài)范圍看上去縮小了，影響應(yīng)采取的指紋圖像底紋(灰度)的信息。
[0011]為了減少上述接地電極11的寄生電容，曾提出了用設(shè)定為零電位的網(wǎng)格狀金屬線(對應(yīng)接地電極11)包圍傳感器電極I的FPIC的方案。就是說，圖1的接地電極11是為了 ESD保護而只設(shè)置于傳感器電極I的上層(Cltl的區(qū)域)的金屬線。
[0012]然而，沒有人提及覆蓋元件的鈍化膜層和網(wǎng)格狀金屬線的厚度與材質(zhì)，而且如上所述，從厚度為Cltl的薄的介電層來看，由于兩個金屬層(傳感器電極和金屬網(wǎng))的高度的差異，不能得到預(yù)期的效果。
[0013]因此，為使感應(yīng)電極達到足夠的ESD保護效果，不得不選擇應(yīng)力小的介電質(zhì)的材料來形成非常厚的介電質(zhì)層。當然，殘留應(yīng)力小的材料，比如考慮到搭載在IC卡表面上的傳感器裝置時，就不得不考慮到它被劃痕，物理沖擊等抗外力的強度。
[0014]也有人提出，將百分之幾的正常的感應(yīng)像素作為犧牲器件，來接受靜電放電，與放置于傳感器板同一水平的金屬網(wǎng)格相連接再接地的放電通路。這種方法，必然有做出犧牲的ESD像素的存在，從而影響采取指紋圖像的質(zhì)量。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0015]本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種靜電電容檢測型指紋讀取傳感器，以很厚的介電質(zhì)層，并在減少接地電極與傳感器電極間的寄生電容的同時，使接地電極更易地進行靜電放電。
[0016]按照本發(fā)明提供的技術(shù)方案，所述帶靜電放電功能的靜電電容檢測型指紋讀取傳感器包括:由金屬板陣列組成的多個傳感器電極，每個傳感器電極分別與各自下層的電容檢測電路相連接，電容檢測電路下部配置硅基板，在每個傳感器電極與手指間鋪有絕緣的鈍化膜層，其特征是:在傳感器電極上表面和側(cè)面上用所述鈍化膜層包裹，然后用由金屬線構(gòu)成的放電層將各傳感器電極四周圍起來，所述的鈍化膜層是將氮氧化硅用PECVD法沉積而形成，同時在鈍化膜層上部設(shè)置金屬線，金屬線與傳感器電極上下分離且不重疊。在所述金屬線上制作面對面的突起形狀，產(chǎn)生電場分布的集中部分。
[0017]具體的，在橫向延伸的金屬線上設(shè)置凹部，凹部的形狀為:凹部左右兩邊的金屬線形成面對面的突起形狀，而左右兩邊金屬線之間以更細的金屬絲相連接。
[0018]進一步的，在豎向排列的金屬線上，鄰近傳感器電極的部位設(shè)置突起形狀，相鄰兩條豎向排列的金屬線上的突起形狀相對?；蛘?，在豎向排列的金屬線上設(shè)置與橫向的金屬線上相同的凹部。
[0019]所述金屬線構(gòu)成的放電層與設(shè)置傳感器電極的區(qū)域外的接地線相連接。
[0020]本發(fā)明的優(yōu)點是:本發(fā)明可以抑制靜電對裝置內(nèi)部的電容檢測電路等的影響，而且在提高本裝置的可靠性的同時，還可以穩(wěn)定的和高靈敏度的檢測到指紋。根據(jù)本發(fā)明，可以將低功耗低價格的靜電電容檢測型指紋傳感器裝載于IC卡等裝置上，實現(xiàn)信賴度高安定性高的本人身份認證。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0021]圖1是傳感器電極和接地電極間產(chǎn)生的寄生電容示意圖。
[0022]圖2是本發(fā)明的靜電電容檢測型指紋傳感器的表面放大圖。
[0023]圖3是圖2的A-A剖面圖。
[0024]圖4是本發(fā)明另一實施例的靜電電容檢測型指紋傳感器表面的放大圖。
[0025]圖5是模擬實驗的構(gòu)成圖。
[0026]圖6是假設(shè)靜電放電保護金屬線被簡單的排列設(shè)計成網(wǎng)格狀時，用等高線表示電場強度分布的模擬結(jié)果示意圖。
[0027]圖7是假設(shè)靜電放電保護金屬線被排列設(shè)計成形狀21，形狀30時，用等高線表示電場強度分布的模擬結(jié)果示意圖。
【具體實施方式】
[0028]本發(fā)明在絕緣層上陣列式排列多個傳感器電極，在每個傳感器電極上表面和側(cè)面上用鈍化膜包裹，然后用由金屬線構(gòu)成的放電層將各傳感器電極四周圍起來，上述的鈍化膜是將氮氧化硅用PECVD法沉積而形成的厚膜，同時在鈍化膜上設(shè)置上述放電層。金屬線包括一組橫向排列的金屬線和一組縱向排列的金屬線，交叉成網(wǎng)格狀。橫向和縱向是相對而言，不代表絕對位置。將傳感器電極四周圍起來的放電層中，在其中一組或兩組金屬線上制作面對面的突起形狀，以產(chǎn)生電場分布的集中部分。
[0029]根據(jù)本發(fā)明的研究，此氮氧化娃具有折射率1.65?1.75、介電常數(shù)6.4?6.8、相當于HS的硬度的特性，將氮氧化硅用PECVD法沉積形成厚的鈍化膜層，此鈍化膜層的ESD的保護能力，遠遠超過了通過空氣放電的電子裝置的ESD規(guī)格「IEC61000-4-2」的15KV的性能。
[0030]另外，通過在厚鈍化膜層上部設(shè)置放電層，增大放電層與傳感器電極的距離d(本實施例增大到3.75?4.15微米)，減少放電層與傳感器電極間的寄生電容。
[0031]將放電層與傳感電極上下分離而且不重疊的設(shè)置，從而減少放電層與傳感器電極間的寄生電容。
[0032]此外，在傳感器電極I的周圍區(qū)域中，通過構(gòu)成放電層中的電場分布的集中部分來實現(xiàn)最高的電場，以確保引起放電可能性最大的地方，從而在放電層的電場分布集中部誘導(dǎo)放電。在圍于傳感器電極四周的I或2組金屬線上設(shè)置凹部，凹部左右兩邊的金屬線形成面對面的突起形狀，而左右兩邊金屬線之間以更細的金屬絲相連接。在凹部周圍的突起由于電場失真，產(chǎn)生集中電場，結(jié)果是在每個傳感器電極的區(qū)域內(nèi)能帶來最高電場，從而確保弓I起靜電放電可能性最高的地方。
[0033]另外，對于放電層的電場分布集中部，還可以在圍繞傳感器電極四周的I組金屬線上設(shè)置所述凹部，另一組金屬線表面設(shè)置成突起。這樣的構(gòu)成，面對面排列的金屬線表面的突起部分的周圍，與以上相同使電場失真，產(chǎn)生集中電場，從而確保引起靜電放電可能性最高的地方。
[0034]ESD保護用的放電層的終端，包括指紋讀取傳感器裝置外部在內(nèi)，設(shè)置與上述傳感器電極的區(qū)域外接地相連接，靜電放電時，電流流入指紋轉(zhuǎn)感器裝置的接地線。
[0035]以下，就本發(fā)明的半導(dǎo)體指紋傳感器的實施方法進行說明。如圖2，3所示，鈍化膜層4(以下簡稱MD層)由氮氧化硅用PECVD法沉積而成的厚膜。在MD層4的表面上設(shè)置用金屬線20構(gòu)成的ESD保護用的網(wǎng)格狀放電層。平行的金屬線20之間的間距，和傳感器電極I相同，配置于接鄰的兩個傳感器電極I之間。金屬線20的寬度，必須考慮到使線和傳感器電極I之間的寄生電容最小，與傳感器電極I不重疊，并且不產(chǎn)生有損電容感度的偏移。
[0036]該指紋傳感器還具有與手指直接接觸的涂層22、層間絕緣膜23，電容檢測電路2下部配置硅基板24，所述涂層22 (氮氧化硅或氮化硅)覆蓋于鈍化膜層4表面與手指直接接觸，層間絕緣膜23位于硅基板24與鈍化膜層4之間。
[0037]ESD保護用的金屬線20，如圖2所示，在橫向方向上延伸的金屬線上設(shè)置凹部，凹部左右兩邊的金屬線20形成面對面的突起形狀21。就是說，形狀21是左右以釘子尖一樣的金屬相面對，其尖端以更細的金屬絲相連接的構(gòu)造。
[0038]此外，對于金屬線20的寬度，為了使線與傳感器電極I之間的寄生電容最小，被設(shè)置成與傳感器電極I不重疊，而且，金屬線20之間的間距，與傳感器電極I的間距相同。
[0039]形狀21的電場，如該凹部區(qū)域面對面的突起呈現(xiàn)的尖銳弧度，使電場分布集中在尖端并終止。結(jié)果就是，尖端產(chǎn)生了在其周邊中最高的電場。電場最高的地方，意味著它比周邊其他部分更易受到靜電氣放電的影響。換句話說，傳感器I及周邊如果產(chǎn)生放電，形狀21將被選擇為放電位置。
[0040]所有的ESD保護用的金屬線20的邊緣與指紋感測區(qū)域的邊緣(圖中未示出)共同的接地電極相連接，再連接到FPIC裝置的基板地面，從而繞過放電電流。
[0041]圖4是在金屬線20形成電場集中部的其他實施例的展示。橫方向排列的金屬線20上設(shè)置如上所述的形狀21，豎向排列的金屬線20上，鄰近傳感器電極I的部位的中心部設(shè)置突起的形狀30，相鄰兩條豎向排列的金屬線20上的突起形狀30相對。通過形狀30，與形狀21同樣原理，形狀30面對面突起的頂端的尖銳弧度，使電場在尖端集中并終止。結(jié)果，在周邊之中產(chǎn)生最高電場。更大地起到ESD保護的作用。
[0042]通過使用上述發(fā)明，在靜電電容檢測方式的指紋讀取傳感器FPIC上用包圍住傳感器電極I的形式，實現(xiàn)了放電時高密度的電場分布。
[0043]以下通過在ESD保護的金屬線20上設(shè)置上述形狀21、形狀30得到的效果，分析電場分布的模擬來進行解析。
[0044]此模擬是根據(jù)ESD保護實驗「IEC61000-4-2」，如圖5所示的構(gòu)成而實施的。先端半球狀半徑R4為4mm的探頭40，在離傳感器裝置表面5mm處對其加壓15KV，如圖7所示測算出傳感器裝置4個觀測層面(層)的電場強度(V/cm)，進行分析。通過模擬來觀測電場分布的第一觀測層為涂層22，第二觀測層為金屬線20放電層，第三觀測層為鈍化膜層4，第四觀測層為層間絕緣膜23層。省略對于構(gòu)成傳感器裝置各層要素的參數(shù)(厚度、介電常數(shù)、導(dǎo)電率等)的詳細說明。
[0045]假設(shè)沒有設(shè)置形狀21、形狀30的簡單的網(wǎng)格狀的ESD保護用金屬線排列，在第二觀測層的電場強度分布，用等高線表示的模擬結(jié)果如圖6所示。
[0046]同樣，假設(shè)設(shè)置形狀21、形狀30的ESD保護的金屬線排列，第二觀測層的電場強度分布，用等高線表示的結(jié)果如圖7所示。
[0047]圖6和圖7所示的數(shù)字，分別表示其周邊電場強度分布的最大值。
[0048]通過比較兩圖，可以看出設(shè)置傳感器電極I的格子中心的電場強度幾乎相同，靠近金屬線設(shè)置的形狀21、形狀30處，數(shù)值明顯增大。
[0049]各觀測層與ESD保護有關(guān)的位置的電場強度數(shù)據(jù)歸納于表1。從此表可以看出，相當于鈍化層膜4的表面的第二觀測層也一樣，傳感器表面，傳感器電極I表面，網(wǎng)格的中央(傳感器電極I的中心)的位置，幾乎看不到由于設(shè)置形狀21、形狀30產(chǎn)生的影響，而網(wǎng)格的金屬線上，電場強度增加約150%，可以看到電場變得致密。
[0050]換句話說，可以判斷，通過設(shè)置形狀21和形狀30的ESD保護的金屬線使ESD保護的效果增加了 1.5倍。
[0051]電場分布的模擬結(jié)構(gòu)比較(單位:V/cm)
[0052]
【權(quán)利要求】
1.帶靜電放電功能的靜電電容檢測型指紋讀取傳感器，包括由金屬板陣列組成的多個傳感器電極(I)，每個傳感器電極(I)分別與各自下層的電容檢測電路(2 )相連接，電容檢測電路(2)下部配置硅基板(24)，在每個傳感器電極(I)與手指間鋪有絕緣的鈍化膜層(4)，其特征是:在傳感器電極(I)上表面和側(cè)面上用所述鈍化膜層(4)包裹，然后用由金屬線(20)構(gòu)成的放電層將各傳感器電極四周圍起來，所述的鈍化膜層(4)是將氮氧化硅用PECVD法沉積而形成，同時在鈍化膜層(4)上部設(shè)置金屬線(20)，金屬線(20)與傳感器電極(I)上下分離且不重疊。
2.如權(quán)利要求1所述帶靜電放電功能的靜電電容檢測型指紋讀取傳感器，其特征是，在所述金屬線(20)上制作面對面的突起形狀，產(chǎn)生電場分布的集中部分。
3.如權(quán)利要求1、2任--項所述帶靜電放電功能的靜電電容檢測型指紋讀取傳感器，其特征是，在橫向延伸的金屬線(20)上設(shè)置凹部，凹部的形狀為:凹部左右兩邊的金屬線(20)形成面對面的突起形狀，而左右兩邊金屬線(20)之間以更細的金屬絲相連接。
4.如權(quán)利要求3所述帶靜電放電功能的靜電電容檢測型指紋讀取傳感器，其特征是，在豎向排列的金屬線(20)上，鄰近傳感器電極(I)的部位設(shè)置突起形狀，相鄰兩條豎向排列的金屬線(20)上的突起形狀相對。
5.如權(quán)利要求3所述帶靜電放電功能的靜電電容檢測型指紋讀取傳感器，其特征是，在豎向排列的金屬線(20)上設(shè)置與橫向的金屬線(20)上相同的凹部。
6.如權(quán)利要求1所述帶靜電放電功能的靜電電容檢測型指紋讀取傳感器，其特征是，所述金屬線(20)構(gòu)成的放電層與設(shè)置傳感器電極(I)的區(qū)域外的接地線相連接。
【文檔編號】G06K9/20GK203746092SQ201420077224
【公開日】2014年7月30日 申請日期:2014年2月21日 優(yōu)先權(quán)日:2014年2月21日
【發(fā)明者】楊林, 周進友 申請人:江蘇恒成高科信息科技有限公司