CN1619816A - 指纹传感器及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
提供一种指纹传感器及其制作方法,利用微电子机械系统(MEMS)工艺将各元件同时制作成薄膜形状,以便提高指纹鉴定速度。指纹传感器包括:形成在第一类型掺杂剂掺杂的衬底上的互补型金属氧化物半导体结构;形成在互补型金属氧化物半导体结构上的绝缘层;形成在绝缘层中心部分的下电极;形成在下电极上的压电区域;形成在压电层上的上电极;和形成为覆盖其上没有形成下电极的绝缘层的上表面部分、下电极、压电区域和上电极的指纹接触层。
Description
技术领域
本发明涉及一种指纹传感器及其制作方法,尤其是,涉及一种采用互补型金属氧化物半导体(complementary metal-oxide semiconductor,CMOS)结构的指纹传感器,在互补型金属氧化物半导体结构上形成用于产生超声波的压电区域,以便其利用简单的工艺制作并高速鉴别指纹。
背景技术
过去,经由离线直接贸易通过现金付款来购买商品。然而,经济和社会的进步将这种贸易方式改变成今天通过信用卡、离线电子货币等等的交易。这引起了个人信息安全管理的社会问题。因而,输入身份证(ID)和密码的过程不足以保护个人信息。
因此,必须可靠地保护个人信息。而且,为了能够在任一地方提供便携式或个人信息,特定信号必须被读取和译解以在原地确定用户身份。安全系统通常采用一种使用生物测量技术(即指纹读取技术)的个人鉴定方法。指纹读取系统包括指纹扫描器(即指纹传感器)和信号处理运算法则。指纹读取系统必须具备高传感速率和低错误率以得到高质量的指纹图像。为了得到这种高质量的指纹图像,高性能的指纹传感器是必须的。
指纹传感器通常分为光学类传感器、电容类传感器、超声波类传感器、及诸如此类。光学类指纹传感器便于使用但是价格相对高,其对于手指指纹部分的干燥或潮湿状态敏感从而导致不准确的指纹读取,可能将假指纹读取为正确指纹。电容类指纹传感器比光学类指纹传感器价格低,并且紧凑,稳定性高,但是对于手指指纹部分的干燥或潮湿状态敏感。相比较,超声波类指纹传感器能够得到可靠的读取结果,与手指指纹部分的状态无关。
超声波类指纹读取系统通常采用如图1A所示的指纹鉴定步骤。首先,超声波类指纹读取系统使用指纹传感器读取指纹,从读取的指纹中提取特征部分,并在数据库(DB)中存储该特征部分以用来从不同类型的指纹中识别该指纹。然后,在指纹鉴定期间,超声波类指纹读取系统比较取得指纹的特征部分与在DB中存储的指纹的特征部分,以鉴定取得的指纹。
图1B是在美国专利No.5,587,533中公开的超声波类指纹传感器的截面图。在图1B的超声波类指纹传感器中,超声波换能器140、反射镜156、马达160、致动器154、和信号处理器(未示出)分别制作然后放置在一起。因此,超声波类指纹传感器采用了用于扫描指纹的、单独制作的探针102,因此价格昂贵并且不易用于便携式终端。而且,这种超声波类指纹传感器用扫描方式得到指纹图像,导致指纹鉴定慢。
发明内容
本发明提供一种超声波类指纹传感器,其中可以利用微电子机械系统(micro-electric mechanical system,MEMS)工艺将各元件同时制作成薄膜形状,以便提高指纹鉴定速度,并且提供了超声波类指纹传感器的制作方法。
根据本发明的一个方面,提供一种使用超声波的指纹传感器。所述指纹传感器包括:形成在第一类型掺杂剂掺杂的衬底上的一个互补型金属氧化物半导体结构;形成在所述互补型金属氧化物半导体结构上的一个绝缘层;形成在所述绝缘层中心部分的一个下电极;形成在所述下电极上的压电区域;形成在所述压电层上的一个上电极;和形成为覆盖其上没有形成下电极的所述绝缘层的上表面部分、所述下电极、所述压电区域、以及所述上电极的一个指纹接触层。
所述互补型金属氧化物半导体结构包括:形成在第二类型掺杂剂掺杂的所述衬底表面的一部分内的一个区域;通过第一类型掺杂剂掺杂形成在所述第二类型掺杂剂掺杂的区域表面内的源极和漏极;和通过第二类型掺杂剂掺杂形成在所述衬底表面一部分内的源极和漏极以便与所述第一类型掺杂剂掺杂的源极和漏极相对。
所述下电极与所述第一类型掺杂剂掺杂的漏极及第二类型掺杂剂掺杂的源极电气连接。
所述下电极通过穿过绝缘层并填充有导电材料的通孔与所述第一类型掺杂剂掺杂的漏极和第二类型掺杂剂掺杂的源极电气连接。
所述压电区域包括PZT、PST、石英、(Pb,Sm)TiO3、PMN(Pb(MgNb)O3)-PT(PbTiO3)、PVDF和PVDF-TrFe中的至少一种。
所述指纹接触层包括与人手指的皮肤组织具有类似声阻抗的材料。
所述指纹接触层包括至少一种包括聚亚安酯、聚苯乙烯和橡胶的聚合物材料。
作为本发明的一个方面,指纹传感器可以具有单元排列的矩阵结构。
根据本发明的另一方面,提供一种制作利用超声波的指纹传感器的方法,该方法包括:在掺杂第一类型掺杂剂的衬底上形成互补型金属氧化物半导体结构;在所述互补型金属氧化物半导体结构上形成绝缘层,并在所述绝缘层上依序形成下电极,压电区域和上电极;除去所述下电极、所述压电区域以及所述上电极的侧部分;以及形成覆盖所述绝缘层上表面的一部分、所述下电极、所述压电区域、以及所述上电极的指纹接触层。
形成所述绝缘层包括:在所述互补型金属氧化物半导体结构上形成所述绝缘层;在所述绝缘层中形成第一和第二通孔以分别面对所述互补型金属氧化物半导体结构具有第一极性的漏极和所述互补型金属氧化物半导体结构具有第二极性的源极,然后用导电材料填充所述第一和第二通孔;和在所述绝缘层和所述第一和第二通孔上顺序形成所述下电极、所述压电区域和所述上电极。
所述压电区域包括PZT,PST,石英,(Pb,Sm)TiO3),PMN(Pb(MgNb)O3-PT(PbTiO3),PVDF,和PVDF-TrFe中的至少一种。
所述指纹接触层包括至少一种与人手指的皮肤组织具有类似声阻抗的聚合物材料,包括聚亚安酯、聚苯乙烯、和橡胶。
附图说明
通过结合附图详细描述示范性实施例,本发明的上述及其它特点和优点将变得更加明显,其中:
图1A是表示根据现有技术的指纹鉴定程序流程图;
图1B是传统指纹传感器的截面图;
图2是根据本发明实施例的指纹传感器的截面图;
图3A到3E是说明根据本发明的指纹传感器的操作原理的示意图和电路图;以及
图4A到4G是说明根据本发明实施例指纹传感器的制作方法的截面图。
具体实施方式
下面,结合附图详细描述根据本发明实施例的指纹传感器。
图2是根据本发明实施例的指纹传感器的截面图。根据本发明,一个CMOS结构形成为指纹传感器的下部结构,在CMOS结构中,一个负沟道金属氧化物半导体(NMOS)结构和一个正沟道金属氧化物半导体(PMOS)结构形成在n型或p型衬底上。下面简要解释。这里,对使用n型衬底的情况进行说明。用p型掺杂剂掺杂n型衬底21表面的一部分以形成p型掺杂层23。n型源极22a和n型漏极22b形成在其中形成有p型掺杂层23的n型衬底21表面部分中。p型源极24a和p型漏极24b形成在与n型源极22a和n型漏极22b相对的n型衬底21表面部分中。薄的第一绝缘层25a形成在n型衬底21上。
第一栅极27a形成在第一绝缘层25a上以面对n型源极22a和n型漏极22b。第二栅极27b形成在第一绝缘层25a上以面对p型源极24a和p型漏极24b。第一电极26a形成在第一绝缘层25a上与n型源极22a电气连接。为了电气连接第一电极26a和n型源极22a,除去其下形成有n型源极22a的第一绝缘层25a的一部分。第二电极26b形成在第一绝缘层25a上与p型漏极24b电气连接。为了电气连接第二电极26b和p型漏极24b,除去其下形成有p型漏极24b的第一绝缘层25a的一部分。
第二绝缘层25b形成在上述CMOS结构上面,即,形成在第一绝缘层25a、第一和第二栅极27a和27b、以及第一和第二电极26a和26b上面。穿通其下形成有n型漏极22b和p型源极24a的第一和第二绝缘层25a和25b部分,以形成第一和第二通孔28a和28b。用导电材料填充第一和第二通孔28a和28b。
这样得到的结构称为根据本发明指纹传感器的下部结构。换句话说,根据本发明指纹传感器的下部结构具有下述结构:第一和第二通孔28a和28b被形成为穿通在下面形成有CMOS结构的n型漏极22b和p型源极24a的第一和第二绝缘层25a和25b部分,然后用导电材料填充。
现在说明根据本发明的指纹传感器的上部结构。下电极31形成在第二绝缘层25b的中央部分上,但是没有形成在第二绝缘层25b的侧部分上,并与第一通孔28a和28b的导电材料电气连接。压电区域32形成在下电极31上,然后上电极33形成在压电区域32上。形成指纹接触层34以覆盖第二绝缘层25b上表面的一部分、下电极31、压电区域32、和上电极33。这里,压电区域32通常由诸如PZT等的压电材料形成。指纹接触层34形成为包括具有与人手指的皮肤组织类似声阻抗的材料。例如,指纹接触层34可以由诸如聚亚安酯、聚苯乙烯、橡胶等的聚合物材料形成。
作为本发明的一个方面,根据本发明的指纹传感器包括如上所述的下部和上部结构。下部和上部结构是指纹传感器的单元。根据本发明的指纹传感器可以具有排列这种单元的M×N矩阵结构。
根据本发明的指纹传感器具有下述结构,其中各一单元包括排列在下部结构上的下电极31、压电区域32和上电极33。根据本发明的指纹传感器的单元的尺寸(即指纹传感器单元的宽度)是大约50mm或更小。为了得到500dpi或更大的指纹图像,指纹传感器单元的谐振频率必须是30MHz或更大。因此,单元尺寸必须是50mm或更小。
根据本发明指纹传感器的操作原理将参照图3A到3E更详细地描述。
图3A是示出接触根据本发明指纹传感器表面的手指末端的指纹部分的截面图。通过下电极31和上电极33施加的能量使压电区域32产生超声波。
根据本发明,压电区域32产生的超声波的垂直前进超声波
用在指纹鉴定过程中。当人手指的指纹部分没有接触指纹接触层34时,超声波的大部分被指纹接触层34表面反射。超声波反射的原因是指纹接触层34和空气的表面声阻抗之间的巨大差异。
当人手指的指纹部分接触指纹接触层34时,超声波如图3A所示前进。参照图3A,参考标记A表示人手指没有接触面对根据本发明指纹传感器中的单元的指纹接触层34表面的指纹部分的一部分。换句话说,参考标记A表示人手指指纹部分的凸纹之间的凹处。如图3A和3B所示,根据本发明,压电区域32产生的超声波大部分从指纹接触层34的表面反射,然后返回指纹传感器内部。参考标记B表示人手指接触根据本发明指纹传感器的单元表面的指纹部分的一部分。在这种情况下,人手指指纹部分的凸纹具有与指纹接触层34类似的声阻抗,因此从那里通过一些超声波。然而,既然指纹接触层34的一部分没有接触人手指指纹部分的凸纹,一些超声波从指纹接触层34的该部分反射。这如图3C所示。当根据本发明指纹传感器的单元的指纹接触层34的整个表面接触人手指指纹部分的凸纹时,超声波大部分吸收到人手指的皮肤组织内。因此,超声波很难反射。图3A所示的参考标记C表示超声波被吸收的人手指指纹部分的凸纹。图3D表示没有被反射而是通过指纹接触层34表面的超声波。
图3E是表示根据本发明指纹传感器的操作原理的电路图。参考图3E,当用CMOS结构施加电势以产生超声波和应用单元关闭时,测量被反射超声波的电势值。因此,接触人手指指纹部分的指纹传感器接收由被反射超声波产生的信号并传输该信号到控制器(未示出)。从而,分析具有阵列结构的指纹传感器各单元产生的信号,并计算接触人手指指纹部分的凸纹的指纹传感器部分的位置值以探测指纹。所探测指纹经历图1A的指纹鉴定程序。
根据本发明指纹传感器制作方法的实施例将参照图4A到4G进行说明。
图4A到4G是说明根据本发明实施例指纹传感器的制作方法的截面图。
图4A表示一个常规CMOS结构。这样的CMOS结构可以利用在这里没有描述的传统方法制作。衬底21用掺杂剂掺杂。换句话说,n型或p型衬底可以通过n型或p型掺杂剂掺杂而形成。本发明中,衬底21是n型。
参照图4A对CMOS结构进行说明。n型衬底21表面的一部分用与n型衬底21具有相反极性(即第二极性)的材料掺杂。换句话说,n型衬底21表面的一部分用p型掺杂剂掺杂以形成p型掺杂层23。n型源极22a和n型漏极22b形成在其中形成有p型掺杂层23的n型衬底21表面中。p型源极24a和p型漏极24b形成在与n型源极22a和n型漏极22b相对的n型衬底21表面部分中。薄的第一绝缘层25a形成在n型衬底21上。
第一栅极27a形成在第一绝缘层25a上以面向n型源极22a和n型漏极22b。第二栅极27b形成在第一绝缘层25a上以面对p型源极24a和p型漏极24b。第一电极26a形成在第一绝缘层25a上以电气连接n型源极22a。为了电气连接第一电极26a和n型源极22a,第一绝缘层25a的其下形成有n型源极22a的一部分被除去。第二电极26b形成在第一绝缘层25a上以电气连接p型漏极24b。为了电气连接第二电极26b和p型漏极24b,第一绝缘层25a的其下形成有p型漏极24b的一部分被除去。
如图4B所示,第二绝缘层25b形成在第一绝缘层25a上达到0.01-1μm厚并作为钝化层。第二绝缘层25b通过等离子增强化学汽相沉积(PECVD)由氧化硅膜形成。结果,第二绝缘层25b覆盖第一和第二电极26a和26b、第一和第二栅极27a和27b、以及第一绝缘层25a。
如图4C所示,利用湿蚀刻或反应离子蚀刻法除去第二绝缘层25b的一部分达到n型漏极22b和p型源极24a。除去第二绝缘层25b的一部分导致形成第一和第二通孔28a和28b。如图4D所示,利用CVD或溅射法,在第一和第二通孔28a和28b中填充导电材料,例如,诸如钨等的金属。结果,完成了参考图2A描述的根据本发明指纹传感器的下部结构。
下面形成根据本发明指纹传感器的上部结构。如图4E所示,利用溅射法或CVD,在第二绝缘层25b上形成由诸如Pt、Ti、Pd、Al或Cu等金属制成的下电极31,达到大约0.01-1μm厚。利用溶胶凝胶工艺或溅射法,在下电极31上覆盖压电材料如PZT,以形成大约0.5-20μm厚的压电区域32。利用溅射法或CVD法,在压电区域32上形成由诸如Pt、Ti、Pd、Al或Cu等材料制成的上电极33,至大约0.01-1μm厚。
如图4F所示,利用光刻或蚀刻,即,湿蚀刻或反应离子蚀刻法,除去下电极31、压电区域32和上电极33的侧部分。这里,下电极31与填充第一和第二通孔28a和28b的导电材料电气连接。在制作具有阵列结构的指纹传感器时,压电区域32形成宽度和长度大约为50mm的方形。换句话说,光刻或蚀刻使压电区域32得到一个预定尺寸并且上电极33为条形以便连接指纹传感器其他元件的上电极。
压电区域32可以由常用的压电材料或氧化物族或聚合物族压电材料形成。这样的压电材料可以是:PZT,PST,石英,(Pb,Sm)TiO3,PMN(Pb(MgNb)O3)-PT(PbTiO3),PVDF,或PVDF-TrFe。
如图4G所示,利用旋涂或电子束形成大约10μm或更厚的指纹接触层34以覆盖第二绝缘层25b上表面的一部分、下电极31、压电区域32和上电极33。指纹接触层34导引由压电区域32产生的超声波的通路,其由具有与人手指皮肤组织类似声阻抗的材料形成。例如,指纹接触层34可以由诸如聚亚安酯、聚苯乙烯、橡胶等的聚合物材料形成。从而,制作完成了根据本发明指纹传感器单元或具有M×N矩阵结构的阵列型指纹传感器。
如上所述,在根据本发明的超声波类指纹传感器及其制作方法中,CMOS结构可以用于处理信号。而且,可以在CMOS结构上形成压电区域以产生超声波。其结果是,可以简单地制作指纹传感器。并且,指纹传感器可以高速读取和鉴定指纹。
虽然已参照示范性实施例对本发明作了详细的说明和描述,本领域普通技术人员可以理解可以进行形式和细节上的各种变化而不脱离由所附权利要求所确定的本发明的精神和范围。
Claims (12)
1、一种使用超声波的指纹传感器,包括:
形成在第一类型掺杂剂掺杂的衬底上的互补型金属氧化物半导体结构;
形成在所述互补型金属氧化物半导体结构上的绝缘层;
形成在所述绝缘层的中心部分的下电极;
形成在所述下电极上的压电区域;以及
形成在所述压电层上的上电极;
形成为覆盖其上没有形成所述下电极的所述绝缘层的上表面部分、所述下电极、所述压电区域和所述上电极的指纹接触层。
2、如权利要求1所述的指纹传感器,其中所述互补型金属氧化物半导体结构包括:
通过第二类型掺杂剂掺杂形成在所述衬底表面的一部分内的区域;
通过所述第一类型掺杂剂掺杂形成在所述第二类型掺杂剂掺杂的所述区域的表面内的源极和漏极;
通过所述第二类型掺杂剂掺杂形成在所述衬底表面的一部分内以便与所述第一类型掺杂剂掺杂的所述源极和所述漏极相对的源极和漏极。
3、如权利要求2所述的指纹传感器,其中所述下电极与所述第一类型掺杂剂掺杂的所述漏极和所述第二类型掺杂剂掺杂的所述源极电气连接。
4、如权利要求3所述的指纹传感器,其中所述下电极通过穿通所述绝缘层并填充有导电材料的通孔与所述第一类型掺杂剂掺杂的所述漏极和所述第二类型掺杂剂掺杂的所述源极电气连接。
5、如权利要求1所述的指纹传感器,其中所述压电区域包括PZT、PST、石英、(Pb,Sm)TiO3、PMN(Pb(MgNb)O3)-PT(PbTiO3)、PVDF和PVDF-TrFe中的至少一种。
6、如权利要求1所述的指纹传感器,其中所述指纹接触层包括具有与人手指的皮肤组织类似声阻抗的材料。
7、如权利要求6所述的指纹传感器,其中所述指纹接触层包括至少一种包括聚亚安酯、聚苯乙烯和橡胶的聚合物材料。
8、如权利要求1所述的指纹传感器,其中所述指纹传感器具有单元排列的矩阵结构。
9、一种制造使用超声波的指纹传感器的方法,包括:
在第一类型掺杂剂掺杂的衬底上形成一互补型金属氧化物半导体结构;
在所述互补型金属氧化物半导体结构上形成一绝缘层,并在所述绝缘层上依序形成一下电极、一压电区域和一上电极;
除去所述下电极、所述压电区域、和所述上电极的侧部分;以及
形成一指纹接触层以覆盖所述绝缘层的上表面的一部分、所述下电极、所述压电区域、和所述上电极。
10、如权利要求9所述的方法,其中形成绝缘层包括:
在所述互补型金属氧化物半导体结构上形成所述绝缘层;
在所述绝缘层中形成第一和第二通孔以分别面对所述互补型金属氧化物半导体结构具有第一极性的漏极和所述互补型金属氧化物半导体结构具有第二极性的源极,然后用导电材料填充所述第一和第二通孔;以及
在所述绝缘层和所述第一和第二通孔上依序形成所述下电极、所述压电区域、和所述上电极。
11、如权利要求9所述的方法,其中所述压电区域包括PZT、PST、石英、(Pb,Sm)TiO3、PMN(Pb(MgNb)O3)-PT(PbTiO3)、PVDF和PVDF-TrFe中的至少一种。
12、如权利要求9所述的方法,其中所述指纹接触层包括至少一种与人手指的皮肤组织具有类似声阻抗的包括聚亚安酯、聚苯乙烯和橡胶的聚合物材料。
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