CN101482918A - 指纹检测装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及使用电容检测方法的指纹检测装置。本发明的指纹检测装置包括一传感器部分，在传感器部分中形成一绝缘保护膜，以覆盖如阵列般排列的检测电极，且该检测电极和位于该检测电极下的布线由难熔金属或该难熔金属的化合物构成。这种结构提高了检测电极和布线的维氏硬度。这使得有可能提供一种高可靠的指纹检测装置，其中在传感器部分中的绝缘保护膜的开裂裕度得到改善。

Description

指纹检测装置
本申请是第02803463.5号发明专利申请的分案申请，母案的内容在此全部引用作为参考。
技术领域
本发明涉及采用电容检测方法的指纹检测装置，具体涉及该装置的传感器部分中的检测电极和布线。
背景技术
图7显示现有的采用电容检测方法的指纹检测装置(例如，见美国专利No.5325442的公报)。该指纹检测装置包括一传感器部分，即所谓的指纹传感器芯片2，其中多个检测电极4间隔一绝缘膜5在半导体衬底3上如阵列般排列，且形成绝缘保护膜(表面保护膜)6使其覆盖这些检测电极4。在使用这个指纹检测装置的过程中，当手指1被放在指纹传感器芯片2的保护膜6上时，依赖于指纹的不平坦性，在检测电极4和手指1的表面之间形成电容Cs[Cs1，Cs2]，从而提取(lift)所谓的指纹图案。
在指纹的突出部，由于该突出部与检测电极4之间的距离更短，形成于检测电极4和手指1的表面之间的电容Cs的容值变大；而在指纹的凹陷部，由于该凹陷部与检测电极4之间的距离更长，该电容Cs的容值变小。因此，通过检测电容Cs，指纹检测装置可提取该指纹图案7。
由于在指纹传感器芯片2的结构中该芯片的表面被手指接触，上述的指纹传感器芯片2的表面被暴露。因此，圆珠笔、硬币等可碰撞该芯片的表面。由于这个原因，保护膜6需要具备足够的机械强度。另外，需要保护膜6具有高的介电常数，同时具有对移动离子的密闭性，以阻止这些离子的入侵。移动离子的一个例子是包含在手指表面上的汗水中的Na离子。
目前，在半导体工艺中通常使用氮化硅、聚酰亚胺等的保护膜。然而，当这些薄膜被用作上述指纹传感器芯片2的保护膜6时，产生一个问题，例如，由于用笔尖刺向该薄膜的表面的行为，将出现裂缝。如果在保护膜6中出现裂缝，不能防止移动离子的入侵，因此与每个检测电极4连接的半导体器件，即，形成于半导体衬底3上的开关器件(如MOS晶体管)的性能会改变。
由于保护膜6自身的机械强度不足，在保护膜6中产生裂缝，但是其主要原因是检测电极4的维氏硬度不足。
目前，在半导体工艺中通常使用铝或铜的布线材料，但是与氮化硅等的保护膜相比，它们的维氏硬度很小。如果铝或铜被用在检测电极中，当外部压力F被加在其上时，如图5所示，于是检测电极4会首先弯曲。取决于检测电极4的弯曲量，保护膜6也弯曲，且裂缝8将在保护膜6中出现，进而在其下的绝缘膜5中出现。
换句话说，保护膜6的开裂裕度取决于检测电极4的维氏硬度，而不是取决于保护膜6自身的机械强度，因此该裕度比保护膜6的能力更小。这引起另一问题。
这同样也适用于检测电极下面的布线9。如图6所示，即使在检测电极4中采用高维氏硬度的材料，当布线9的维氏硬度小时，如果施加外力F，布线9会首先弯曲。取决于布线9的弯曲量，检测电极4以及保护膜6也将弯曲，从而在保护膜6和绝缘膜5中出现裂缝8。
发明内容
本发明提供一种指纹检测装置，其中在传感器部分中的检测电极的维氏硬度以及在检测电极下面的布线的维氏硬度增加，因此抑制了在保护膜等中出现裂缝。
根据本发明的指纹检测装置具有电容检测型的结构，其包括传感器部分，该传感器部分具有被形成用来覆盖如阵列般排列的多个检测电极的绝缘膜，该检测电极由难熔金属或难熔金属的化合物构成。更优选地，该检测电极和位于检测电极下面的布线由难熔金属或难熔金属的化合物构成。难熔金属包括Ti、Ta、W和Mo，其中任意一个可被同样采用。难熔金属的化合物包括Ti、Ta、W和Mo的化合物，其中任意一个可被同样采用。
在根据本发明的指纹检测装置中，由于传感器部分中的检测电极或检测电极和正好在其下的的布线由难熔金属或难熔金属的化合物构成，检测电极和布线的维氏硬度增加。由于这个原因，改善了绝缘保护膜的机械强度，并且即使从外部施加应力，也抑制了在绝缘保护膜中出现裂缝。
根据本发明的指纹检测装置，通过用高维氏硬度的难熔金属(具体的是Ti、Ta、W和Mo中的任意一种)或该难熔金属的化合物(具体的是Ti、Ta、W和Mo的化合物中的任意一种)形成检测电极，更优选地是形成检测电极和正好在其下的布线，可改善绝缘保护膜的开裂裕度。因此，有可能提供一种高可靠指纹检测装置，能够抑制由于诸如无意的外界应力引起在绝缘膜中出现裂缝，并且防止单元选择开关元件的性能改变。
附图说明
图1是一结构示意图，显示根据本发明的指纹检测装置的实施例；
图2是图1中指纹检测装置的单一单元的平面图；
图3是图1中指纹检测装置的单一单元的垂直剖面图；
图4是一垂直剖面图，显示外部应力对根据本发明的指纹检测装置的传感器部分的影响；
图5是一垂直剖面图，显示外部应力对现有的指纹检测装置的传感器部分的影响的例子；
图6是一垂直剖面图，显示外部应力对现有的指纹检测装置的传感器部分的影响的另一例子；
图7是一能够读出电容的指纹检测装置的原理图。
具体实施方式
下面将参考附图描述本发明的实施例。
图1显示根据本发明的、使用电容检测方法的指纹检测装置的整体示意结构。根据本实施例的指纹检测装置21包括一传感器部分(所谓的指纹传感器芯片)25，其中单一单元24如阵列般排列，该单元24由一检测电极22和一连接至检测电极22的单元选择开关器件(如，MOS晶体管)23组成。连接至这些单一单元24的是以矩阵方式排列的布线行选择线26[26n-1，26n，26n+1..]和列读出线27[27m-1，27m，27m+1..]。每个单元选择开关器件23的栅极与各行选择线26[26n-1，26n，26n+1..]连接。每个单元选择开关器件23的漏极与各列读出线27[27m-1，27m，27m+1..]连接。每个单元选择开关器件23的源极与每个检测电极22连接。行选择线26[26n-1，26n，26n+1..]的每一个终端与行驱动电路28连接。列读出线27[27m-1，27m，27m+1..]的每一个终端通过包含输出线的电容检测工具(未显示)等与列驱动电路29连接，依赖于电容检测方法的种类(电流充电方法，电压充电方法)。
图2和图3分别是平面图和剖面图，显示由检测电极22和单元选择开关器件23组成的单一单元24的结构。
单一单元24被形成在第一导电类型的半导体衬底31上且组成传感器部分25。在本实施例中，在第一导电类型半导体衬底(如硅衬底)31上形成一第二导电类型的半导体阱区32。在这个半导体阱区32中形成第一导电类型的源极区33S和漏极区33D。在半导体阱区32上形成由诸如多晶硅构成的栅极电极35，它们中间有一栅极绝缘膜34。然后，形成分别连接源极区33S和漏极区33D的源极电极36S和漏极电极36D，从而形成了作为单元选择开关器件的MOS晶体管(如n-沟道MOS晶体管)23。MOS晶体管23的漏极电极36D被形成为与列读出线27结合。另外，在本实施例中，部分列读出线27由多晶硅38构成。形成作为隔层膜的绝缘膜41，以覆盖MOS晶体管23。在绝缘膜41上形成检测电极22，其通过一接触孔与源极电极36S连接。而且，在传感器部分25的整个表面上形成一绝缘保护膜42，以覆盖检测电极22。绝缘保护膜42由氮化硅、氧化硅等构成。在本实施例中，它由氮化硅薄膜构成。通过这种方式，构造出单一单元24。
在本实施例中，具体地，检测电极22由具有大维氏硬度的难熔金属或该难熔金属的化合物构成。更优选地，检测电极22和正好在其下的布线，即，包括行选择线26、列读出线27(在本实施例中，多晶硅部分38被排除在外)的布线，以及源极电极36S和漏极电极36D由具有大维氏硬度的难熔金属或该难熔金属的化合物构成。
该难熔金属可采用Ti、Ta、W、Mo中的任意一种。给出维氏硬度的例子，Ti的维氏硬度是260kg/mm2；W的维氏硬度是430kg/mm2；Mo的维氏硬度是290kg/mm2。顺便提一下，Al的维氏硬度是35kg/mm2；Co的维氏硬度是85kg/mm2。
难熔金属的化合物可采用Ti、Ta、W、Mo的化合物中的任意一种。例如，可采用TiC、TiN、WC、W2C、MoC、Mo2C等。
在这些难熔金属或它们的化合物中，最优选的材料是W。原因是它具有最高的熔点、低阻值和最大的硬度。
下面描述指纹检测装置21的工作原理。
当手指放在传感器部分25的绝缘保护膜42上时，依赖于电容的电荷聚集在对应于指纹的突出部和凹陷部的检测电极22中。通过沿列方向扫描，行驱动电路28按照行选择线26[26n-1，26n，26n+1..]的顺序给出行驱动信号，因此使每行中的单元选择开关器件23逐行接通且相关检测电极22被选择。这使得聚集在被选行的每个检测电极22中的电荷通过每个单元选择开关器件23和列读出线27[27m-1，27m，27m+1..]被提供给电容检测工具。另一方面，通过沿行方向扫描，列驱动电路29顺序输出列驱动信号，并且通过输出线从电容检测工具顺序输出电压，在该电压中检测电极22的电荷被翻转。这使得有可能检测指纹图案。
根据上述实施例的指纹检测装置21，通过形成其传感器部分25的检测电极22，更优选地形成由难熔金属Ti、Ta、W、Mo或这些金属的化合物构成的检测电极22和位于其下的布线43(行选择线26、列读出线27、电极36S和36D等，见图4)，使检测电极22和位于检测电极22下面的布线具有更大的维氏硬度。因此，即使在传感器部分25的表面(即，从外侧的绝缘保护膜42)施加一应力F，检测电极22和其下的布线的弯曲量显著减少，绝缘保护膜42的弯曲量依次显著减少。
在这种方式中，通过减少绝缘保护膜42的弯曲量，可改善绝缘保护膜42的开裂裕度。换句话说，在施加外部应力F的情况下，在绝缘保护膜42中很难出现裂缝，而且在隔层绝缘膜41中很难出现裂缝。因此，有可能提供一种高可靠的指纹检测装置21，能够抑制由于诸如无意的外部应力引起裂缝出现，且防止单元选择开关器件23的性能改变。
附图标记说明
1          手指
2          手指传感器芯片(传感器部分)
3          半导体衬底
4          检测电极
5          绝缘膜
6          保护膜
7          指纹图案
8          裂缝
9          布线
F          应力
21         指纹检测装置
22         检测电极
23         单元选择开关器件
24         单一单元
25         传感器部分
26[26n-1，26n，26n+1..]      行选择线
27[27m-1，27m，27m+1..]     列读出线
28         行驱动电路
29         列驱动电路
31         半导体衬底
32         半导体阱区
33S        源极区
33D        漏极区
34         栅极绝缘膜
35         栅极电极
41         绝缘膜
42             绝缘保护膜
43             布线
Cs1、Cs2       电容

Claims (1)

1.一种使用电容检测方法的指纹检测装置，包括一传感器部分，在该传感器部分中形成一绝缘保护膜，以覆盖阵列状排列的检测电极，其特征在于
该检测电极和在该检测电极下面的布线由难熔金属或该难熔金属的化合物构成，该难熔金属选择有Ti，Ta，W和Mo构成的组。
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