JP3866642B2

JP3866642B2 - 表面形状認識センサ装置

Info

Publication number: JP3866642B2
Application number: JP2002279076A
Authority: JP
Inventors: 浩季森村; 智志重松; 俊重島村; 昇男佐藤; 幸夫岡崎; 克之町田; 億久良木
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2002-09-25
Filing date: 2002-09-25
Publication date: 2007-01-10
Anticipated expiration: 2022-09-25
Also published as: JP2004117104A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、表面形状認識センサ装置に関し、特に人間の指紋や動物の鼻紋などの微細な凹凸を感知する表面形状認識センサ装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
表面形状認識センサ装置の応用例として、指紋のパターンを検出する指紋センサが多数提案されている（例えば、非特許文献１など参照）。これは、ＬＳＩチップの上に２次元に配列されたセンサ素子の内部に設けられたセンサ電極とパッシベーション膜を介して触れた指の皮膚との間に形成される静電容量を検出して、指紋の凹凸パターンを感知するものである。指紋の凹凸により形成される容量の値が異なるため、この容量差を検出することで指紋の凹凸を感知することができる。
【０００３】
図６に指紋センサ（表面形状認識センサ装置）の外観図を示す。この指紋センサ１０は、互いに隣接した多数のセンサ素子によって構成され、代表的には、２次元（アレイ状や格子状）に配置された多数のセンサ素子１１から構成されている。この指紋センサ１０のセンサ面１２に指１３など認識対象を接触させることにより、その認識対象表面（ここでは指紋１４の凹凸形状）がそれぞれのセンサ素子１１で個別に検出され、認識対象の表面形状を示す２次元データが出力される。
【０００４】
このような指紋センサでは、一般的に指の静電気により、指をＬＳＩチップ上に置いたときに壊れやすいという問題があった。これを解決するためのセンサ素子構造とセンサ回路が考案されている（例えば、非特許文献２など参照）。
図７に一般的な指紋センサにおけるセンサ素子構造を示す。このセンサ素子構造では、センサ電極１６の周囲に接地電位（または電源電位）に接続された壁状の固定電極（ＧＮＤ壁）１５を設け、その表面がパッシベーション膜１７から露出するような構成となっている。このようなセンサ素子構造（以下、ＧＮＤ壁センサ構造という）を用いると、固定電極１５が指の指紋１４に接触することにより、指からの静電気が低インピーダンスの接地電位（または電源電位）へ放電され、ＬＳＩの破壊を防ぐことができる。
【０００５】
また、図８に一般的な静電耐圧を向上させたセンサ回路の構成を示す。このセンサ回路２０では、指紋１４とセンサ電極１６との間に発生してセンサ素子１１により検出される検出容量Ｃ_fに対応した電圧信号を信号発生回路３０により発生させ、その電圧信号を基準信号発生回路４０からの基準信号とを、差動増幅回路５０のトランジスタＱ_2a，Ｑ_2bにより差動増幅し、出力ＯＵＴとして出力する。基準信号発生回路４０のＣ_rは基準容量である。Ｃ_p1a，Ｃ_p1b，Ｃ_p2a，Ｃ_p2bはそれぞれ配線の寄生容量である。
【０００６】
検出動作の開始時には、まずセンサ回路制御信号／ＰＲＥ（ＰＲＥバー）が電源電位ＶＤＤに制御されてトランジスタＱ_1a，Ｑ_1bがオフするとともに、センサ回路制御信号ＲＥが接地電位（０Ｖ）に制御されてＱ_3a，Ｑ_3bがオフし、節点Ｎ_1a，Ｎ_1bの電位は接地電位となる。
その後、信号／ＰＲＥが接地電位に制御されてＱ_1a，Ｑ_1bがオンし、節点Ｎ₁はＶＤＤまで上昇する。そして信号／ＰＲＥおよび信号ＲＥがＶＤＤへ制御されてＱ_1a，Ｑ_1bがオフするとともにＱ_3a，Ｑ_3bがオンする。これにより、Ｃ_f，Ｃ_rに蓄積された電荷が放電される。
【０００７】
したがって、容量Ｃ_f，Ｃ_rに依存した速度で節点Ｎ_1a，Ｎ_1bの電位はそれぞれ徐々に低下することになり、Ｑ_3a，Ｑ_3bのオンから所定時間経過した後に信号ＲＥを接地電位に制御してＱ_3a，Ｑ_3bをオフすると、節点Ｎ_1a，Ｎ_1bでは容量Ｃ_f，Ｃ_rに応じた電位がそれぞれ維持され、これら電位がＱ_2a，Ｑ_2bにより差動増幅されて、出力ＯＵＴとなる。
ここでは、検出容量Ｃ_fはセンサ回路のＱ_2aのソース端子に接続されているため、ソース端子の寄生ＰＮダイオードが保護ダイオードとして機能し静電耐圧が高くなる。
【０００８】
以上のようなＧＮＤ壁センサ構造とセンサ回路を用いることにより、静電耐圧の高い指紋センサが実現できる。図９にセンサ回路の入出力特性を示す。横軸は基準容量Ｃ_rに対する検出容量Ｃ_fの比である。縦軸は、センサ回路の出力節点ＯＵＴのセンシング時の電位変化△Ｖ_oである。
この入出力特性によれば、Ｃ_fが小さいと△Ｖ_oは小さく、Ｃ_fが大きくなる程、△Ｖ_oは大きくなる。この△Ｖ_oを測定することにより指の凹凸に対応したＣ_fを測定することができる。
【０００９】
なお、出願人は、本明細書に記載した先行技術文献情報で特定される先行技術文献以外には、本発明に関連する先行技術文献を出願時までに発見するには至らなかった。
【非特許文献１】
アイエスエスシーシー・ダイジェスト・オブ・テクニカル・ペーパーズ（ISSCC DIGEST OF TECHNICAL PAPERS），１９８８年２月，p.284〜285
【非特許文献２】
アイイーイーイー・トランス・エレクトロン・デバイスズ（IEEE Trans. Electron Devices），第４８巻（vol.48），第１０号（No10），２００１年１０月，p.2273-2278
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
このような従来の表面形状認識センサ装置（指紋センサ）では、実際には、前述した図７に示すように、センサ電極１６に、寄生容量Ｃ_psやＣ_pおよびＣ_Lが発生する。Ｃ_psは固定電極１５との間の寄生容量であり、Ｃ_pは下層の配線１９との間の寄生容量である。また、Ｃ_Lはセンサ回路２０の入力配線等の寄生容量である。
このため、センサ素子１１からセンサ回路２０への入力容量としては、最小値Ｃ_sens＿_min（＝Ｃ_ps＋ΣＣ_p＋Ｃ_L）と最大値Ｃ_sens＿_max（＝Ｃ_ps＋ΣＣ_p＋Ｃ_L＋Ｃ_f＿_max）が存在する。Ｃ_f＿_maxはＣ_fの最大値である。これにより、センサ回路２０の最小出力信号△Ｖ_o＿_minと最大出力信号△Ｖ_o＿_maxも図９に示すように限定される。したがって、より高感度で指紋パターンを検出するためには、ダイナミックレンジ（△Ｖ_o＿_max−△Ｖ_o＿_min）を大きくすることが望ましい。
【００１１】
しかしながら、従来の指紋センサでは、静電耐圧を高めるためのセンサ素子構造として前述したようなＧＮＤ壁センサ構造を用いているものの、ダイナミックレンジを大きくするための構成を有していない。したがって、ダイナミックレンジが小さいと、指紋センサによる取得画像のＳ／Ｎ比が小さくなり、画像の品質が劣化し、指紋センサを指紋認証システムに適用すると認証率の低下をもたらしてしまうという問題があった。
本発明はこのような課題を解決するためのものであり、センサ回路出力のダイナミックレンジを大きくすることができ、Ｓ／Ｎ比の良好な画像出力が得られる表面形状認識センサ装置を提供することを目的としている。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
このような目的を達成するために、本発明にかかる表面形状認識センサ装置は、半導体基板上に形成された層間絶縁膜の同一平面上に互いに絶縁分離されて配置されたセンサ電極と、層間絶縁膜上にセンサ電極の近傍であってかつセンサ電極と絶縁分離されて配置された固定電極と、層間絶縁膜上にセンサ電極を覆うように形成されかつ絶縁性の部材からなるパッシベーション膜と、センサ電極と認識対象物の表面との間の容量に応じた信号を出力するセンサ回路とを有する複数のセンサ素子を備え、固定電極は、パッシベーション膜表面に一部が接触した対向電極となる表面形状の認識対象物の表面と接触するように、その一部がパッシベーション膜表面で露出して層間絶縁膜上に形成され、各センサ素子の容量検出手段からの信号に基づき認識対象物の表面形状を検出する表面形状認識センサ装置であって、センサ電極と固定電極との距離を５μｍ以上とし、センサ素子の配置ピッチからセンサ電極の一辺の長さの下限値２０μｍおよび固定電極の幅を差し引いた値を２で割った値以下としたものである。
【００１３】
また、センサ回路の構成として、認識対象物とセンサ電極と間の容量に応じた信号を発生する信号発生手段と、基準信号を発生する基準信号発生手段と、これら信号発生手段および基準信号発生手段から出力された信号を差動増幅して出力する差動増幅手段とを備えてもよい。
【００１４】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
図１は本発明の一実施の形態にかかる表面形状認識センサ装置のセンサ素子構造を示す説明図であり、図１（ａ）は平面図、図１（ｂ）はＡＡ断面図である。表面形状認識センサ装置の概略構成、および各センサ素子１１ごとに設けられたセンサ回路２０は、それぞれ前述の図６および図８と同様であり、ここでの説明は省略する。
【００１５】
本発明では、センサ回路２０からの検出出力のダイナミックレンジに影響するセンサ回路２０への入力容量が、センサ電極１６に発生する寄生容量によって変化することに着目するとともに、特に、センサ電極１６が格子形状の固定電極１５に囲まれているＧＮＤ壁センサ構造のセンサ素子１１では、センサ電極１６と固定電極１５との間の寄生容量Ｃ_psが、センサ回路２０への入力容量を大きく左右する要因の１つであることに着目し、センサ素子構造のサイズを選択することにより、大きなダイナミックレンジを得るようにしたものである。
【００１６】
図１のセンサ素子構造におけるサイズパラメータのうち、Ｗ_pはセンサ素子１１が配置されるピッチであり、Ｗはセンサ電極１６の一辺の長さである。Ｗ_Gは固定電極１５の幅であり、Ｌはセンサ電極１６と固定電極１５との距離である。Ｔはセンサ電極１６の膜厚、ｄ₁はセンサ電極１６上のパッシベーション膜厚、ｄ₂はセンサ電極１６下の配線１９までの距離である。また、ε_r1はパッシベーション膜１７の比誘電率、ε_r2は層間絶縁膜１８の比誘電率である。
【００１７】
前述した図９のような入出力特性を持つセンサ回路２０では、ダイナミックレンジを大きくする場合、センサ回路２０の最大出力信号△Ｖ_o＿_maxを大きくする必要があるが、そのためにセンサ電極１６の一辺の長さＷを大きくしてＣ_fを大きくする必要がある。
しかしながら、単にＷを大きくすると、センサ電極１６と固定電極１５との距離が近づいてＬが小さくなり、センサ電極１６と固定電極１５との間の寄生容量Ｃ_psが増大してしまう。したがって、ダイナミックレンジが最も大きくなるＷあるいはＬを選択する必要がある。
【００１８】
図２にセンサ回路２０の動作のＷに対する依存特性を示す。図２（ａ）はＷを変化させた場合のセンサ回路２０の最大出力信号△Ｖ_o＿_maxと最小出力信号△Ｖ_o＿_minの依存特性であり、図２（ｂ）はＷを変化させた場合のダイナミックレンジ（△Ｖ_o＿_max−△Ｖ_o＿_min）の依存特性と各Ｗにおける取得指紋画像である。なお、他のサイズパラメータは、Ｗ_p＝５０μｍ，Ｗ_G＝８μｍ，Ｔ＝１μｍ，ｄ₁＝２μｍ，ｄ₂＝０．５μｍ、ε_r1＝５、ε_r2＝４とした。
図２（ａ）に示すように、Ｗを大きくするとセンサ回路２０への最大入力容量Ｃ_sens＿_maxが大きくなるため△Ｖ_o＿_maxは増大するが、前述した図９の入出力特性により、飽和傾向となる。これに対し、△Ｖ_o＿_minは、はじめは緩やかに増大するが、Ｗが大きくなるとＣ_psが急激に増加し、それにより△Ｖ_o＿_minも急激に増大する。
【００１９】
一方、図２（ｂ）からは、ダイナミックレンジが最大になるセンサ電極１６の一辺の長さＷが存在することがわかる。Ｗが小さすぎる場合には、検出容量Ｃ_fが小さくなって指紋から得られる所望の信号成分（Ｓ／Ｎ比のＳ側）が小さくなるため、例えばＷ＝１０μｍ付近で得られた画像６０のようにコントラストが低くなりノイズと区別しにくくなる。
逆に、Ｗが大きすぎてセンサ電極１６と固定電極１５との間の距離Ｌが小さい場合、センサ電極１６と固定電極１５との間の寄生容量Ｃ_psが大きくなり、例えばＷ＝４０μｍ付近で得られた画像６２のようにノイズ成分（Ｓ／Ｎ比のＮ側）の多い画像となってしまう。
【００２０】
これに対して、例えばＷ＝２５μｍ付近では、画像６１のように、コントラストが低すぎず、またノイズ成分も少ない良好な画像が得られる。したがって、Ｓ／Ｎ比の高い良好な画像が得られる条件として、Ｗの最小値とＬの最小値が存在することがわかる。以下、これら条件について説明する。
【００２１】
まず、図３を参照して、センサ電極１６と固定電極１５との間の距離Ｌの最小値について説明する。図３は、Ｌを変化させた場合のダイナミックレンジ（△Ｖ_o＿_max−△Ｖ_o＿_min）の依存特性である。ここでは、センサ素子の配置ピッチＷ_pが５０μｍと８０μｍの場合が示されているが、いずれの場合もダイナミックレンジが最大となるＬの領域が存在している。なお、Ｌが同じ場合でもＷ_pが違えばＷも異なるため、Ｗ_p＝５０μｍに比較してＷ_p＝８０μｍの方がＷも大きく、ダイナミックレンジも大きい。
【００２２】
ここで、図１に示したＧＮＤ壁センサ構造のセンサ素子１１では、ＬとＷに、次のような関係がある。
Ｗ＝Ｗ_p−Ｗ_G−２Ｌ
Ｌ＝（Ｗ_p−Ｗ−Ｗ_G）／２
したがって、Ｌが大きくなると、結果としてＷが小さくなるため、ダイナミックレンジは減少に転じる。Ｗ_p＝８０μｍに比較して、Ｗ_p＝５０μｍのほうが早く減少に転じるのは、Ｗが小さいからである。
一方、Ｌが小さくなると、Ｃ_psが増加してダイナミックレンジは減少に転じる。この場合、Ｗ_pの長さに依存せず、Ｗ_p＝５０μｍおよびＷ_p＝８０μｍとも、５μｍよりＬが小さくなるとダイナミックレンジの減少が急峻となっている。
【００２３】
ここで、製造上のばらつきや変動を考慮すると、Ｌに対するダイナミックレンジの依存特性が小さく、かつダイナミックレンジの値が大きい範囲からＬを選択することが望ましい。前述した図３ではＷ_pに左右されることなく、少なくともＬ＝５μｍ以上に、ダイナミックレンジがＬにあまり依存せずほぼ一定の範囲内にあり、ダイナミックレンジの値がそれぞれのＷ_pにおいて最大値に近い値を示すＬの望ましい範囲が存在している。したがって、Ｌの最小値を５μｍとし、少なくともＬは５μｍ以上の範囲で選択すれば、所定のセンサ素子設計条件下において、指紋検出感度を最大にすることができる。
【００２４】
次に、図４および図５を参照して、センサ電極１６の一辺の長さＷの最小値について説明する。図４はセンサ電極１６の一辺の長さＷに対するダイナミックレンジの依存特性（Ｗ_p＝５０μｍ）である。図５はセンサ電極１６の一辺の長さＷに対するダイナミックレンジの依存特性（Ｗ_p＝８０μｍ）である。これら図４，５では、パッシベーション膜１７の比誘電率ε_r1を３，５，９と変化させた場合が示されている。
【００２５】
まず、図４では、いずれのε_r1でもＷが２０μｍ以下で、ダイナミックレンジの減少が急峻となっており、少なくともＷ＝２０μｍ以上に、ダイナミックレンジがＷにあまり依存せずほぼ一定の範囲内にあり、ダイナミックレンジの値がそれぞれのε_r1において最大値に近い値を示すＷの望ましい範囲が存在している。また、図５でも同様に、いずれのε_r1でもＷが２０μｍ以下で、ダイナミックレンジの減少が急峻となっており、少なくともＷ＝２０μｍ以上に、ダイナミックレンジがＷにあまり依存せずほぼ一定の範囲内にあり、ダイナミックレンジの値がそれぞれのε_r1において最大値に近い値を示すＷの望ましい範囲が存在している。
【００２６】
一方、Ｗが大きくなると、図４，図５とも、結果としてＬが小さくなるため、Ｃ_psが増加してダイナミックレンジは減少に転じる。Ｗ_p＝８０μｍに比較して、Ｗ_p＝５０μｍのほうが早く減少に転じるのは、Ｌが小さいからである。
前述のＬと同様に、製造上のばらつきや変動を考慮すると、Ｗに対するダイナミックレンジの依存特性が小さく、かつダイナミックレンジの値が大きい範囲からＷを選択することが望ましい。
したがって、Ｗ_pに左右されず、Ｗの最小値を２０μｍとし、少なくともＷは２０μｍ以上の範囲で選択すれば、所定のセンサ素子設計条件下において、指紋検出感度を最大にすることができる。
【００２７】
以上では、センサ素子１１の配置ピッチＷ_pを、実験で得られた好適な大きさ、すなわち５０μｍまたは８０μｍとした場合について説明したが、これに限定されるものではない。一般に指紋の凹凸の間隔は２００μｍ〜３００μｍなので、センサ素子サイズすなわちセンサ素子１１の配置ピッチＷ_pは、指紋の量子化誤差を考慮して１００μｍ以下とするのが望ましい。また、前述の図３〜５から、センサ電極１６と固定電極１５との距離Ｌを５μｍ以上とし、センサ電極１６の一辺の長さＷを２０μｍ以上とした場合、Ｗ_pは３０μｍ以上が望ましいことになる。
【００２８】
なお、Ｗ_pが３０〜１００μｍの範囲では、前述したＷ_pが５０μｍや８０μｍの場合と同傾向の依存特性が得られることから、Ｌを５μｍ以上の範囲で選択し、さらにはＷを２０μｍ以上の範囲で選択することにより、前述と同様の作用効果が得られる。
また、以上では、格子形状の固定電極１６がセンサ電極１５を囲うように形成されているセンサ素子構造を例として説明したが、これに限定されるものではなく、センサ電極１５の近傍に固定電極１６が設けられているセンサ素子構造であれば、これらセンサ電極１５と固定電極１６との間に寄生容量Ｃｐｓが生じることから、前述と同様にして本発明を適用でき、同様の作用効果が得られる。
【００２９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明は、半導体基板上に形成された層間絶縁膜の同一平面上に互いに絶縁分離されて配置されたセンサ電極と、層間絶縁膜上にセンサ電極の近傍であってかつセンサ電極と絶縁分離されて配置された固定電極と、層間絶縁膜上にセンサ電極を覆うように形成されかつ絶縁性の部材からなるパッシベーション膜と、センサ電極と認識対象物の表面との間の容量に応じた信号を出力するセンサ回路とを有する複数のセンサ素子を備え、固定電極は、パッシベーション膜表面に一部が接触した対向電極となる表面形状の認識対象物の表面と接触するように、その一部がパッシベーション膜表面で露出して層間絶縁膜上に形成され、各センサ素子の容量検出手段からの信号に基づき認識対象物の表面形状を検出する表面形状認識センサ装置であって、センサ電極と固定電極との距離を５μｍ以上とし、センサ素子の配置ピッチからセンサ電極の一辺の長さの下限値２０μｍおよび固定電極の幅を差し引いた値を２で割った値以下とするようにしたので、センサ回路出力のダイナミックレンジをほぼ最大まで大きくすることができ、Ｓ／Ｎ比の良好な画像出力が得られる。また、製造ばらつきに対してもセンサ電極と固定電極との距離に対するダイナミックレンジの依存特性を小さくでき、ダイナミックレンジの変動を抑制できる。
したがって、表面形状認識センサ装置に本発明のセンサ装置を適用すれば、指紋センサによる取得画像のＳ／Ｎ比が大きく、画像の品質が改善する効果がある。このことは、表面形状認識センサ装置を指紋認証システムに適用すると認証率の改善が図れ、効果大である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態にかかる表面形状認識センサ装置のセンサ素子構造を示す説明図である。
【図２】センサ電極の一辺の長さＷに対するセンサ回路動作の依存特性である。
【図３】センサ電極−固定電極間距離Ｌに対するセンサ回路出力のダイナミックレンジの依存特性である。
【図４】センサ電極の一辺の長さＷに対するセンサ回路出力のダイナミックレンジの依存特性（Ｗ_p＝５０μｍ）である。
【図５】センサ電極の一辺の長さＷに対するセンサ回路出力のダイナミックレンジの依存特性（Ｗ_p＝８０μｍ）である。
【図６】一般的な表面形状認識センサ装置の外観図である。
【図７】一般的なセンサ素子構造を示す断面図である。
【図８】一般的なセンサ回路例である。
【図９】図８のセンサ回路の入出力特性である。
【符号の説明】
１０…指紋センサ（表面形状認識センサ装置）、１１…センサ素子、１２…センサ面、１３…指、１４…指紋、１５…固定電極、１６…センサ電極、１７…パッシベーション膜、１８…層間絶縁膜、１９…配線、２０…センサ回路、３０…信号発生回路、４０…基準信号発生回路、５０…差動増幅回路、６０〜６２…指紋画像、Ｌ…センサ電極−固定電極間距離、Ｗ…センサ電極の一辺の長さ、Ｗ_p…センサ素子の配置ピッチ、Ｗ_G…固定電極の幅、ε_r1…パッシベーション膜の比誘電率、Ｃ_ps…センサ電極−固定電極間の寄生容量、Ｃ_f…検出容量。

Claims

半導体基板上に形成された層間絶縁膜の同一平面上に互いに絶縁分離されて配置されたセンサ電極と、前記層間絶縁膜上に前記センサ電極の近傍であってかつ前記センサ電極と絶縁分離されて配置された固定電極と、前記層間絶縁膜上に前記センサ電極を覆うように形成されかつ絶縁性の部材からなるパッシベーション膜と、前記センサ電極と認識対象物の表面との間の容量に応じた信号を出力するセンサ回路とを有する複数のセンサ素子を備え、
前記固定電極は、前記パッシベーション膜表面に一部が接触した対向電極となる表面形状の認識対象物の表面と接触するように、その一部が前記パッシベーション膜表面で露出して前記層間絶縁膜上に形成され、
前記各センサ素子の容量検出手段からの信号に基づき前記認識対象物の表面形状を検出する表面形状認識センサ装置であって、
前記センサ電極と前記固定電極との距離を５μｍ以上とし、前記センサ素子の配置ピッチから前記センサ電極の一辺の長さの下限値２０μｍおよび前記固定電極の幅を差し引いた値を２で割った値以下とすることを特徴とする表面形状認識センサ装置。
請求項１記載の表面形状認識センサ装置において、
前記センサ回路は、前記認識対象物と前記センサ電極と間の容量に応じた信号を発生する信号発生手段と、基準信号を発生する基準信号発生手段と、これら信号発生手段および基準信号発生手段から出力された信号を差動増幅して出力する差動増幅手段とを備えることを特徴とする表面形状認識センサ装置。