CN105138969B - 电容式指纹辨识的结构及其制造方法 - Google Patents

电容式指纹辨识的结构及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种电容式指纹辨识的结构，包括：多个感测电极、一第一保护层以及一介电材料层。并且，本发明还包括一电容式指纹辨识的结构制造方法。其中，该第一保护层设置有至少一沟槽，该至少一沟槽对应设置于该多个感测电极位置处之上，该介电材料层填充于该至少一沟槽，其中该介电材料层的介电系数为4‑20之间。本发明藉由高介电(high‑k dielectric)材料填充于该至少一沟槽，可有效增加电容式指纹辨识的灵敏度。

Description

电容式指纹辨识的结构及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种电容式指纹辨识技术，尤其涉及一种藉由高介电(high-kdielectric)材料以增加灵敏度的电容式指纹辨识的结构及其制造方法。
背景技术
指纹(fingerprint)是灵长类动物指腹末端皮肤的纹路，一般也指这些纹路在物体上所留下的印痕。古今中外所有人的指纹都是独一无二的，指纹纹路的形状与DNA有关，但却无法藉由解析DNA来重建指纹的纹路形状。
藉由指纹具有差异性以及稳定性的特性，早在中国古代便用于身份确认，当时的人们主要用指纹来画押，直到西方近代，1980以后警察逐渐将指纹作为辨识罪犯的方法之一。随着科技的进步，利用各式各样电子装置来实现即时的身分认证需求已成为目前重要的课题，例如：网络认证、门禁认证、智慧型手机保全认证等等。
为了要能够辨别指纹上的纹路，目前技术上主要可以分为光学式以及电容式的两种方式。其中，光学式的设计早于电容式，1970年代的光学式的指纹辨识架构是利用三棱镜、光源以及感光元件来记录指纹，当进行指纹辨识时，是将手指按压于三棱镜上，并藉由光源反射让手指指纹的脊部显示出来，最后，再通过感光元件来截取影像。由于光学式的指纹采集方式并非接触芯片本身，其主要利用玻璃或是亚克力等光学元件所构成，因此，相较于电容式其结构简单且硬体价格低廉。然而，光学式指纹辨识技术体积较大，无法应用在手持式电子装置上。
而电容式即利用半导体芯片式感测器(Semiconductor Sensor)来感测指纹，其原理是将高密度的电极阵列整合于一芯片中，当使用者进行指纹辨识时，是将手指按压在该芯片表面，利用辨识指纹脊部、谷部与芯片上相对电极阵列之间的电容差异，以完成指纹纹路影像的撷取。电容式指纹辨识技术的优点为小型化以及薄型化，可被大量应用在手持式电子装置上，然而其却有成本高以及灵敏度不佳的问题。
请参阅中国台湾专利第I475573号，专利名称为高感度电容式触控元件的工艺，其揭露一种高感度电容式触控元件及其工艺，该触控元件包含垂直堆叠的感应层、保护层以及高介电材料膜。该高介电材料膜是以镀膜方式形成在该感应层或该保护层的表面，使物件碰触该触控元件时所引起的电容值变化量增大，因而提高感度。
于该专利现有技术中即提及，欲增加C Press的大小，可以减小感应层与手指之间的距离、增加感应层的面积、或选择高介电常数的保护层。然而，虽然该专利藉由高介电常数的保护膜企图增加电容式触控元件的感度，但却也因此造成保护膜厚度过厚的问题。
所以，要如何解决上述现有的问题与缺失，即为本发明的发明人与从事此行业的相关厂商所亟欲研究改善的路径所在。
发明内容
本发明的目的在于提供一种藉由高介电(high-k dielectric)材料以增加灵敏度的电容式指纹辨识的结构及其制造方法。
为了前述或其他目的，本发明一种电容式指纹辨识的结构，包括：多个感测电极，形成为阵列排列，用以作为指纹辨识区域；一第一保护层，设置于该多个感测电极之上，该第一保护层设置有至少一沟槽，该至少一沟槽对应设置于该多个感测电极位置处之上；以及一介电材料层，设置于该第一保护层之上，并且该介电材料层填充于该至少一沟槽，其中该介电材料层的介电系数为4-20之间。
在一较佳实施例中，更包括多个静电损害防护层，设置于该第一保护层之上。
在一较佳实施例中，其中该介电材料层包括一第一介电材料层以及一第二介电材料层。
在一较佳实施例中，其中该第一保护层包括氧化硅以及氮化硅交替堆叠所制造而成。
在一较佳实施例中，其中该介电材料层为钛酸钡(BaTiO3)、氧化铁(Fe2O3)、钛酸锶(SrTiO3)或氮化硅(Si3N4)。
在一较佳实施例中，其中该至少一沟槽深度设置为0.5μm至20μm之间。
在一较佳实施例中，其中该介电材料层的介电系数为8-15之间。
以及，为了前述或其他目的，本发明一种电容式指纹辨识的结构制造方法，包括以下步骤：(a)提供多个感测电极，形成为阵列排列；(b)形成一第一保护层设置于该多个感测电极之上；(c)蚀刻该第一保护层以形成至少一沟槽，该至少一沟槽对应形成于该多个感测电极位置处之上；以及(d)形成一介电材料层于该第一保护层之上，并且该介电材料层填充于该至少一沟槽，其中该介电材料层的介电系数为4-20之间。
在一较佳实施例中，其中该步骤(b)中的该第一保护层包括以下步骤所形成：(b1)形成一氧化硅层；以及(b2)形成一氮化硅层设置于该氧化硅层之上。
在一较佳实施例中，其中该介电材料层为钛酸钡(BaTiO3)、氧化铁(Fe2O3)、钛酸锶(SrTiO3)或氮化硅(Si3N4)。
再者，为了前述或其他目的，本发明一种电容式指纹辨识的结构制造方法，包括以下步骤：(01)提供多个感测电极，形成为阵列排列；(02)形成一第一保护层设置于该多个感测电极之上；(03)形成多个静电损害防护层设置于该第一保护层之上；(04)蚀刻该第一保护层以形成至少一沟槽，该至少一沟槽对应形成于该多个感测电极位置处之上；(05)形成一第二保护层设置于该多个感测电极、该第一保护层以及该多个静电损害防护层之上；以及(06)形成一介电材料层于该第二保护层之上，并且该介电材料层填充于该至少一沟槽，其中该介电材料层的介电系数为4-20之间。
其中，由于本发明的该第一保护层设置有至少一沟槽，该至少一沟槽对应设置于该多个感测电极位置处之上，且该介电材料层填充于该至少一沟槽。藉此高介电(high-kdielectric)材料，可有效提升本发明电容式指纹辨识的灵敏度。
以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。
附图说明
图1为依据本发明电容式指纹辨识的结构第一较佳实施例的实施示意图；
图2为依据本发明电容式指纹辨识的结构第二较佳实施例的实施示意图；
图3为依据本发明电容式指纹辨识的结构第三较佳实施例的实施示意图；
图4为依据本发明电容式指纹辨识的结构第四较佳实施例的实施示意图；
图5为依据本发明电容式指纹辨识的结构第五较佳实施例的实施示意图；
图6为依据本发明电容式指纹辨识的结构制造方法第一较佳实施例的流程图；
图7为依据本发明电容式指纹辨识的结构制造方法第二较佳实施例的实施示意图一；
图8为依据本发明电容式指纹辨识的结构制造方法第二较佳实施例的实施示意图二；
图9为依据本发明电容式指纹辨识的结构制造方法第二较佳实施例的实施示意图三；
图10为依据本发明电容式指纹辨识的结构制造方法第二较佳实施例的实施示意图四；
图11为依据本发明电容式指纹辨识的结构制造方法第二较佳实施例的实施示意图五；以及
图12为依据本发明电容式指纹辨识的结构制造方法第二较佳实施例的实施示意图六。
其中，附图标记
1 感测电极
11 静电损害防护层
2 第一保护层
21 沟槽
22 第二保护层
3 介电材料层
31 第一介电材料层
32 第二介电材料层
a～d 步骤
具体实施方式
为达成上述目的及功效，本发明所采用的技术手段及构造，兹绘图就本发明较佳实施例详加说明其特征与功能如下，以利完全了解。
请参阅图1所示，图1为依据本发明电容式指纹辨识的结构第一较佳实施例的实施示意图，由图中可清楚看出，本发明一种电容式指纹辨识的结构，为一种半导体芯片式感测器(Semiconductor Sensor)，用以撷取人体指纹纹路影像，该电容式指纹辨识的结构包括：多个感测电极1、一第一保护层2以及一介电材料层3。
该多个感测电极1形成为阵列排列，用以作为指纹辨识区域。较佳地，其中该多个感测电极1可以N*N的方形矩阵形状排列，为了确保辨识人体指纹的准确率，在每英寸(inch)的面积当中的多个感测电极1数量可超过300个，但不限于此。而该多个感测电极1采用高导电率金属材料，例如银或铜等材料，为了成本与实用性考量，采用铜作为该多个感应电极的材料，但不限于此。藉此结构，该多个感测电极1可用以辨识人体手指指纹脊部、谷部与半导体芯片式感测器上相对电极阵列之间的电容差异，所谓「脊部」指人体手指指纹的凸出部分，而所谓「谷部」指人体手指指纹的凹入部分。
该第一保护层2设置于该多个感测电极1之上，该第一保护层2可采用硅氧氮化物所沉积制造而成，或者也可以由氧化硅以及氮化硅交替堆叠沉积所制造而成，该第一保护层2的厚度可根据实际情况来进行设置。该第一保护层2的功用为保护该多个感测电极1，防止外界的损伤。该第一保护层2设置有至少一沟槽21，该至少一沟槽21对应设置于该多个感测电极1位置处之上。于本实施例中，该沟槽21设置为一个，但为两个以上也为可行的方案。而该至少一沟槽21深度设置为0.5μm至20μm之间，但不限于此。
该介电材料层3设置于该第一保护层2之上，并且该介电材料层3填充于该至少一沟槽21，其中该介电材料层3的介电系数为4-20之间。于本实施例中，该介电材料层3采用高介电(high-k dielectric)材料，此高介电材料可有效提升本发明电容式指纹辨识的灵敏度。其中高介电为了符合现今电子装置轻、薄、短、小的趋势，电容值无法在面积扩增以及厚度缩减下提升，因此寻找高介电常数的新材料以满足电容值的需求，进一步提高本发明电容式指纹辨识的灵敏度。
所谓「介电材料层3」可采用的材料相当多，可根据不同的应用来选用不同的材料，例如可选用高硬度材料以达耐刮需求、可选用疏水性材料以达自洁，可选用物理以及化学性质稳定、可选用无毒等等优良特性材料，具体可为钛酸钡(BaTiO3)、氧化铁(Fe2O3)、钛酸锶(SrTiO3)或氮化硅(Si3N4)等等，但不限于此。而制造方法可包括以物理性沉积、化学性沉积、涂布、浸泡、化学置换或是喷洒等等方式设置于该第一保护层2之上。而其介电系数例如可为4-20之间，较佳地，可为8-15之间或是9-14、10-13、11-12之间。
再者，本发明电容式指纹辨识的结构更包括多个静电损害(electrostaticdamage)防护层11，设置于该第一保护层2之上，且与该多个感测电极1为交错设置静电对电子装置的伤害一直是不易解决的问题，当正常的电子装置操作时，一旦收到静电放电的作用时，常常会出现一些不稳定的操作现象，例如功能突然失效等等，轻则重新开机可以排除，重则可能造成电子装置的损害，因此，本发明电容式指纹辨识的结构利用多个静电损害防护层11来避免静电损害。该多个静电损害防护层11可电性连接至外部接地，用以将多余的电荷或是累积的电荷导出，避免对本发明电容式指纹辨识的结构产生伤害。而该多个静电损害防护层11采用高导电率金属材料，例如银或铜等材料，为了成本与实用性考量，采用铜作为该多个静电损害防护层11的材料，但不限于此。需要特别说明的是，该多个静电损害防护层11并非本发明的必要元件，若不设置该多个静电损害防护层11同样可达到本发明的功效。
请参阅图2以及3，为依据本发明电容式指纹辨识的结构第二以及第三较佳实施例的实施示意图，由图中可清楚看出，本发明一种电容式指纹辨识的结构其大约相同于前一实施例，于本段说明中不再赘述，将只说明不同处。该介电材料层3包括一第一介电材料层31以及一第二介电材料层32，其中该第一介电材料层31可为钛酸钡(BaTiO3)、氧化铁(Fe2O3)、钛酸锶(SrTiO3)或氮化硅(Si3N4)，但不限于此；以及该第二介电材料层32可为钛酸钡(BaTiO3)、氧化铁(Fe2O3)、钛酸锶(SrTiO3)或氮化硅(Si3N4)，但不限于此；介电系数可分别为8-15之间或是9-14、10-13、11-12之间，但不限于此。
请参阅图4以及5，为依据本发明电容式指纹辨识的结构第四以及第五较佳实施例的实施示意图，由图中可清楚看出，本发明一种电容式指纹辨识的结构其大约相同于前一实施例，于本段说明中不再赘述，将只说明不同处。本发明该第一保护层2的该沟槽21深度设置为0.5μm至20μm之间，而该沟槽21深度可如第一较佳实施例中连接于该多个感测电极1、深度可如第四较佳实施例中为该第一保护层2的一半、或者深度可如第五较佳实施例中为该第一保护层2的四分之三。
请同时参阅图6，为依据本发明电容式指纹辨识的结构制造方法第一较佳实施例的流程图，请同时配合参考图1的电容式指纹辨识的结构，由图中可清楚看出，本发明电容式指纹辨识的结构制造方法包括以下步骤：
(a)提供多个感测电极1，形成为阵列排列；
(b)形成一第一保护层2设置于该多个感测电极1之上；
(c)蚀刻该第一保护层2以形成至少一沟槽21，该至少一沟槽21对应形成于该多个感测电极1位置处之上；以及
(d)形成一介电材料层3于该第一保护层2之上，并且该介电材料层3填充于该至少一沟槽21，其中该介电材料层3的介电系数为4-20之间。
于该步骤(a)中，提供多个感测电极1，形成为阵列排列，用以作为指纹辨识区域。其中该多个感测电极1可以N*N的方形矩阵形状排列，为了确保辨识人体指纹的准确率，在每英寸(inch)的面积当中的多个感测电极1数量可超过300个，但不限于此。而该多个感测电极1采用高导电率金属材料，例如银或铜等材料，为了成本与实用性考量，采用铜作为该多个感应电极的材料，但不限于此。
于该步骤(b)中，形成一第一保护层2设置于该多个感测电极1之上，该第一保护层2可采用硅氧氮化物所沉积制造而成，或者也可以由氧化硅以及氮化硅交替堆叠沉积所制造而成。该第一保护层2的厚度可根据实际情况来进行设置。第一保护层2的功用为保护该多个感测电极1，防止外界的损伤。
于该步骤(c)中，蚀刻该第一保护层2以形成至少一沟槽21，该至少一沟槽21对应形成于该多个感测电极1位置处之上。于本实施例中，该沟槽21设置为一个，但为两个以上也为可行的方案。而该至少一沟槽21深度设置为0.5μm至20μm之间，但不限于此。
于该步骤(d)中，形成一介电材料层3于该第一保护层2之上，并且该介电材料层3填充于该至少一沟槽21，其中该介电材料层3的介电系数为4-20之间。该介电材料可为钛酸钡(BaTiO3)、氧化铁(Fe2O3)、钛酸锶(SrTiO3)或氮化硅(Si3N4)等等，但不限于此。而制造方法可包括以物理性沉积、化学性沉积、涂布、浸泡、化学置换或是喷洒等等方式设置于该第一保护层2之上。而其介电系数例如可为4-20之间，较佳地，可为8-15之间或是9-14、10-13、11-12之间。
请同时参阅图7至12，为依据本发明电容式指纹辨识的结构制造方法第二较佳实施例的实施示意图一至六，由图中可清楚看出，本发明一种电容式指纹辨识的结构制造方法更包括步骤：
(01)提供多个感测电极1，形成为阵列排列；
(02)形成一第一保护层2设置于该多个感测电极1之上；
(03)形成多个静电损害防护层11设置于该第一保护层2之上；
(04)蚀刻该第一保护层2以形成至少一沟槽21，该至少一沟槽21对应形成于该多个感测电极1位置处之上；
(05)形成一第二保护层22设置于该多个感测电极1、该第一保护层2以及该多个静电损害防护层11之上；以及
(06)形成一介电材料层3于该第二保护层22之上，并且该介电材料层3填充于该至少一沟槽21，其中该介电材料层3的介电系数为4-20之间。
于本实施例中，其大约相同于前一实施例，不再赘述，于本段说明中将只说明不同处。当形成该第一保护层2设置于该多个感测电极1之上后，更形成多个静电损害防护层11设置于该第一保护层2之上，并且，蚀刻该第一保护层2以形成至少一沟槽21之后，更形成一第二保护层22设置于该多个感测电极1、该第一保护层2以及该多个静电损害防护层11之上。其中，该第二保护层22可采用硅氧氮化物所沉积制造而成，或者也可以由氧化硅以及氮化硅交替堆叠沉积所制造而成。
与前一实施例相较之下，本实施例中增加形成该多个静电损害防护层11以及该第二保护层22。但需要特别说明的是，该多个静电损害防护层11以及该第二保护层22并非本发明的必要元件，若不设置该多个静电损害防护层11以及该第二保护层22同样可达到本发明的功效。
故，请参阅全部附图所示，本发明使用时，与现有技术相较，着实存在下列优点：本发明藉由高介电(high-k dielectric)材料填充于该至少一沟槽21，可有效增加电容式指纹辨识的灵敏度。
当然，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种电容式指纹辨识的结构，其特征在于，包括：
多个感测电极，形成为阵列排列，用以作为指纹辨识区域；
一第一保护层，设置于该多个感测电极之上，该第一保护层设置有至少一沟槽，该至少一沟槽对应设置于该多个感测电极位置处之上；以及
一介电材料层，设置于该第一保护层之上，并且该介电材料层填充于该至少一沟槽，其中该介电材料层的介电系数为4-20之间。
2.根据权利要求1所述的电容式指纹辨识的结构，其特征在于，更包括多个静电损害防护层，设置于该第一保护层之上。
3.根据权利要求1所述的电容式指纹辨识的结构，其特征在于，该介电材料层包括一第一介电材料层以及一第二介电材料层。
4.根据权利要求1所述的电容式指纹辨识的结构，其特征在于，该第一保护层包括氧化硅以及氮化硅交替堆叠所制造而成。
5.根据权利要求1所述的电容式指纹辨识的结构，其特征在于，该介电材料层为钛酸钡、氧化铁、钛酸锶或氮化硅。
6.根据权利要求1所述的电容式指纹辨识的结构，其特征在于，该至少一沟槽深度设置为0.5μm至20μm之间。
7.根据权利要求1所述的电容式指纹辨识的结构，其特征在于，该介电材料层的介电系数为8-15之间。
8.一种电容式指纹辨识的结构制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
(a)提供多个感测电极，形成为阵列排列；
(b)形成一第一保护层设置于该多个感测电极之上；
(c)蚀刻该第一保护层以形成至少一沟槽，该至少一沟槽对应形成于该多个感测电极位置处之上；以及
(d)形成一介电材料层于该第一保护层之上，并且该介电材料层填充于该至少一沟槽，其中该介电材料层的介电系数为4-20之间。
9.根据权利要求8所述的电容式指纹辨识的结构制造方法，其特征在于，该介电材料层为钛酸钡、氧化铁、钛酸锶或氮化硅。
10.一种电容式指纹辨识的结构制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
(01)提供多个感测电极，形成为阵列排列；
(02)形成一第一保护层设置于该多个感测电极之上；
(03)形成多个静电损害防护层设置于该第一保护层之上；
(04)蚀刻该第一保护层以形成至少一沟槽，该至少一沟槽对应形成于该多个感测电极位置处之上；
(05)形成一第二保护层设置于该多个感测电极、该第一保护层以及该多个静电损害防护层之上；以及
(06)形成一介电材料层于该第二保护层之上，并且该介电材料层填充于该至少一沟槽，其中该介电材料层的介电系数为4-20之间。
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