CN113837165B - 电容式指纹传感器及电路 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种电容式指纹传感器及电路，电容式指纹传感器包括：从上至下依次设置的顶层金属层和次顶层金属层，所述顶层金属层与手指之间形成指纹电容，所述顶层金属层和次顶层金属层之间存在寄生电容；位于所述顶层金属层和次顶层金属层之间的介质层；设置在所述顶层金属层和次顶层金属层外围的寄生消除电容，所述寄生消除电容用于消除寄生电容。在本发明提供的电容式指纹传感器及电路中，寄生消除电容可以消除用于获取指纹信号的顶层金属层和次顶层金属层之间的寄生电容，从而提高指纹信号的精度。

Description

电容式指纹传感器及电路

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，尤其是涉及一种电容式指纹传感器及电路。

背景技术

电容指纹识别电路，是通过采集指纹电容信号，并将其转化成数字信号，然后通过逻辑电路进行数字信号处理，从而实现指纹信息的储存和识别功能。

但是，在实际的晶圆厂工艺中，由于上下金属层（主要是顶层金属层和次顶层金属层）以及IMD (上下两层金属之间的氧化层) 会形成寄生电容，会对指纹电容信号造成噪声干扰，在实际的芯片中就需要采用某种手段消除该寄生电容。目前比较传统的解决方案有两种：一是在测试算法端，通过特别的算法消除该噪声，比如利用不同电压下两次测试，通过对两次测试输出求差，将噪声消除。此方案并不是从根源上消除寄生电容，不能够将寄生电容完全消除，而且还需要较为复杂的测试手段。二是在设计端通过引入另一种MIM电容作为寄生消除电容，来和寄生电容作减法。但是由于实际工艺中IMD (上下两层金属之间的氧化层)在晶圆边缘和中间厚度的差，导致MIM电容很难同时消除晶圆边缘和中间芯片的寄生电容。

发明内容

本发明的目的在于提供一种电容式指纹传感器及电路，可以消除用于获取指纹信号的顶层金属层和次顶层金属层之间的寄生电容，从而提高指纹信号的精度。

为了达到上述目的，本发明提供了一种电容式指纹传感器，包括：

从上至下依次设置的顶层金属层和次顶层金属层，所述顶层金属层与手指之间形成指纹电容，所述顶层金属层和次顶层金属层之间存在寄生电容；

位于所述顶层金属层和次顶层金属层之间的介质层；以及

设置在所述顶层金属层和次顶层金属层外围的寄生消除电容，所述寄生消除电容用于消除寄生电容。

可选的，在所述的电容式指纹传感器中，所述寄生消除电容包括：从上至下依次设置的第一极板和第二极板以及位于所述第一极板和第二极板之间的介质层，所述第一极板与顶层金属层齐平，所述第二极板和所述次顶层金属层齐平。

可选的，在所述的电容式指纹传感器中，所述介质层为氧化物。

可选的，在所述的电容式指纹传感器中，所述第一极板和所述顶层金属层之间具有一定的距离，所述第一极板为矩形框的形状，矩形框的中心为所述顶层金属层。

可选的，在所述的电容式指纹传感器中，所述第二极板和所述次顶层金属层之间具有一定的距离，所述第二极板为矩形框的形状，矩形框的中心为所述次顶层金属层。

可选的，在所述的电容式指纹传感器中，所述第一极板与所述顶层金属层的面积、厚度和材料均相同。

可选的，在所述的电容式指纹传感器中，所述第二极板与所述次顶层金属层的面积、厚度和材料均相同。

相应地，本发明还提供了一种电容式指纹电路，包括：

指纹电容，所述指纹电容的第一端连接指纹信号；

寄生电容，第一端连接到共模电压；

寄生消除电容，用于消除寄生电容，所述寄生消除电容的第一端与配置电压连接；

放大器，对所述信号进行放大处理，所述放大器的正向输入端连接参考电压，所述放大器的反向输入端连接寄生消除电容的第二端、指纹电容的第二端和寄生电容的第二端，其中：所述配置电压、参考电压和共模电压之间满足一定的条件；以及

积分电容，连接在所述放大器的输出端和异向输入端之间。

可选的，在所述的电容式指纹电路中，所述配置电压、参考电压和共模电压满足的条件为：

Vx = 2 * Vref – Vm；

其中：Vx为配置电压；Vref为参考电压；Vm为共模电压。

可选的，在所述的电容式指纹电路中，还包括位于所述寄生消除电容的第一端与配置电压之间的开关。

在本发明提供的电容式指纹传感器及电路中，寄生消除电容可以消除用于获取指纹信号的顶层金属层和次顶层金属层之间的寄生电容，从而提高指纹信号的精度。

附图说明

图1是本发明实施例电容式指纹传感器的纵截面图；

图2是本发明实施例电容式指纹传感器的顶层金属层的横截面图；

图3是本发明实施例电容式指纹传感器的次顶层金属层的横截面图；

图4是本发明实施例电容式指纹电路的横截面图；

图中：110-顶层金属层、120-次顶层金属层、130-介质层、210-第一极板、220-第二极板、230-介质层、300-放大器、Cp-寄生电容、Cfinger-指纹电容、Cf-积分电容、Cx-寄生消除电容。

具体实施方式

下面将结合示意图对本发明的具体实施方式进行更详细的描述。根据下列描述，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

在下文中，术语“第一”“第二”等用于在类似要素之间进行区分，且未必是用于描述特定次序或时间顺序。要理解，在适当情况下，如此使用的这些术语可替换。类似的，如果本文所述的方法包括一系列步骤，且本文所呈现的这些步骤的顺序并非必须是可执行这些步骤的唯一顺序，且一些所述的步骤可被省略和/或一些本文未描述的其他步骤可被添加到该方法。

请参照图1至图3，本发明提供了一种电容式指纹传感器，包括：

从上至下依次设置的顶层金属层110和次顶层金属层120，顶层金属层110与手指之间形成指纹电容，顶层金属层110和次顶层金属层120之间存在寄生电容；

位于顶层金属层110和次顶层金属层120之间的介质层130；以及

设置在顶层金属层110和次顶层金属层120外围的寄生消除电容，寄生消除电容用于消除寄生电容。寄生电容设置在周围，第一极板210和顶层金属层110的走向相同，因此，如果有波动，波动走势相同，可以忽略不计。制作版图时可以将顶层金属层110、次顶层金属层120、第一极板210和第二极板220一同制作。本发明实施例，如果将顶层金属层110设为第N金属层，次顶层金属层120设为第N-1金属层，则还可能有更多的金属层，例如第N-2金属层，假如，N为6，则包括第一金属层、第二金属层、第三金属层、第四金属层、第五金属层和第六金属层，第六金属层为顶层金属层110，第五金属层为次顶层金属层120。但是寄生电容一般存在顶层金属层110和次顶层金属层120，所以本发明实施例不对其他金属层做赘述。

进一步的，寄生消除电容为MIM电容，寄生消除电容包括：从上至下依次设置的第一极板210和第二极板220以及位于第一极板210和第二极板220之间的介质层230，第一极板210与顶层金属层110齐平，第二极板220和次顶层金属层120齐平。具体的，第一极板210和顶层金属层110的边缘部分在同一水平面上，即第一极板210在与最近的部分顶层金属层110在同一水平面上，第二极板220和次顶层金属层120的边缘部分在同一水平面上，即第二极板220在与最近的部分次顶层金属层120在同一水平面上。

本发明实施例中，介质层130和介质层230均为氧化物，例如，可以是二氧化硅。

优选的，第一极板210和顶层金属层110之间具有一定的距离，第一极板210为矩形框的形状，矩形框的中心为顶层金属层110。第二极板220和次顶层金属层120之间具有一定的距离，第二极板220为矩形框的形状，矩形框的中心为次顶层金属层120。第一极板210的矩形框的四个边可以是均匀的，也就是说四个边的宽度可以相同，第一极板210的矩形框的形状根据顶层金属层110的形状而确定，一般是正方形的矩形框或者长方形的矩形框。同样的，第二极板220的矩形框的四个边可以是均匀的，也就是说四个边的宽度可以相同，第二极板220的矩形框的形状根据顶层金属层110的形状而确定，一般是正方形的矩形框或者长方形的矩形框。

进一步的，第一极板210与顶层金属层110的面积、厚度和材料均相同，第二极板220与次顶层金属层120的面积、厚度和材料均相同。这样可以使得顶层金属层110和次顶层金属层120之间的寄生电容Cp和第一极板210和第二极板220之间的电容相同。

相应地，请参照图4，本发明还提供了一种电容式指纹电路，包括：

指纹电容Cfinger，用于获取指纹与顶层金属层110的信号test，指纹电容Cfinger的第一端连接顶层金属层110；

寄生电容Cp，第一端连接到共模电压Vm；

寄生消除电容Cx，用于消除寄生电容Cp，寄生消除电容Cx的第一端与配置电压Vx连接；

放大器300，对信号进行放大处理，放大器300的正向输入端连接参考电压，放大器300的反向输入端连接寄生消除电容Cx的第二端、指纹电容Cfinger的第二端和寄生电容Cp的第二端，其中：配置电压Vx、参考电压和共模电压Vm之间满足一定的条件；以及

积分电容Cf，连接在放大器300的输出端和异向输入端之间。

本发明实施例中，配置电压Vx、参考电压Vref和共模电压Vm满足的条件为：

Vx = 2 * Vref – Vm；

其中：Vx为配置电压Vx；Vref为参考电压；Vm为共模电压Vm，均是可以设置的。寄生消除电容Cx两端的电压为Vref和Vx，配置Vx = 2 * Vref – Vm；根据电容/电压公式：Q = V* C，则Q端电荷Q = (Vref – Vtest) * Cfinger + (Vref -Vm) * Cp + (Vref – Vx) *Cx；由于Cp = Cx (电容极板面积相等，介质层130厚度材质也一样)，Vx = 2 * Vref - Vm，因此(Vref - Vm) * Cp + (Vref – Vx) * Cx = 0，那么Q = (Vref – Vtest) * Cfinger，Vout = Vref + (Vref – Vtest) * Cfinger / Cf，从而实现了完全消除寄生电容Cp。

优选的，还包括位于寄生消除电容Cx的第一端与配置电压Vx之间的开关。开关可以用于开启和关断寄生消除电容Cx的第一端与配置电压Vx的连接。

并且，寄生消除电容Cx设置在顶层金属层110和次顶层金属层120的周围，由于顶层金属层110和次顶层金属层120以及中间的介质层130都是在晶圆上形成的，由于晶圆的弧度，所以顶层金属层110和次顶层金属层120之间的介质层130理论上是不一样的，从中间向外围逐渐减小，虽然对于器件来说影响较小可以忽略不计，但是在产生寄生电容Cp时，每个地方产生的可能不一样，所以只在一个侧边设置寄生电容Cp，可能存在寄生电容Cp无法消除完的情况，本发明实施例在顶层金属层110和次顶层金属层120周围设置寄生消除电容Cx，第一极板210和第二极板220之间的介质层130的高度走向也是从矩形框中间向两边降低，其走向和顶层金属层110与次顶层金属层120之间的介质层130的走向是一样的，因此，而由于第一极板210又在顶层金属层110附近且可以在同一面上，第二极板220在次顶层金属层120附近且可以在同一面上，所以第一极板210和第二极板220之间的介质层130和顶层金属层110和次顶层金属层120边缘之间的介质层130的厚度相同，介质层130厚度的走向相同，所以再加上通过外部给寄生消除电容Cx施加的电压，就可以消除寄生电容Cp。

综上，在本发明实施例提供的电容式指纹传感器及电路中，寄生消除电容可以消除用于获取指纹信号的顶层金属层和次顶层金属层之间的寄生电容，从而提高指纹信号的精度。

上述仅为本发明的优选实施例而已，并不对本发明起到任何限制作用。任何所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明的技术方案的范围内，对本发明揭露的技术方案和技术内容做任何形式的等同替换或修改等变动，均属未脱离本发明的技术方案的内容，仍属于本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种电容式指纹电路，其特征在于，包括：

指纹电容，所述指纹电容的第一端连接指纹信号；

寄生电容，第一端连接到共模电压；

寄生消除电容，用于消除寄生电容，所述寄生消除电容的第一端与配置电压连接；

放大器，对所述信号进行放大处理，所述放大器的正向输入端连接参考电压，所述放大器的反向输入端连接寄生消除电容的第二端、指纹电容的第二端和寄生电容的第二端，其中：所述配置电压、参考电压和共模电压之间满足一定的条件；以及

积分电容，连接在所述放大器的输出端和异向输入端之间；

所述指纹电容、寄生电容和寄生消除电容由电容式指纹传感器产生，所述电容式指纹传感器包括：从上至下依次设置的顶层金属层和次顶层金属层，所述顶层金属层与手指之间形成指纹电容，所述顶层金属层和次顶层金属层之间存在寄生电容；位于所述顶层金属层和次顶层金属层之间的介质层；设置在所述顶层金属层和次顶层金属层外围的寄生消除电容，所述寄生消除电容用于消除寄生电容。

2.如权利要求1所述的电容式指纹电路，其特征在于，所述配置电压、参考电压和共模电压满足的条件为：

Vx = 2 * Vref – Vm；

其中：Vx为配置电压；Vref为参考电压；Vm为共模电压。

3.如权利要求1所述的电容式指纹电路，其特征在于，还包括位于所述寄生消除电容的第一端与配置电压之间的开关。

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