TWI233981B - Electrostatic capacitance detection device - Google Patents

Description

1233981 (1) 玖、發明說明 【發明所屬之技術領域】 本發明是有關靜電電容檢測裝置’其係藉由 電容（該靜電電容會按照與對象物表面的距離而 讀取具有指紋等微細的凹凸之對象物的表面形狀 【先前技術】 以往，使用於指紋感應器等的靜電電容檢測 單晶矽基板上形成感應器電極及設置於該感應器 介電質膜（日本特開平11_118415，特開 2000· 特開 2001-56204，特開 2001-133213 等）。圖 1 明以往靜電電容檢測裝置的動作原理。感應器電 質膜會形成電容器的一方電極及介電質膜，形成 地的另一方電極。此電容器的靜電電容CF會按 介電質膜表面的指紋凹凸而變化。另一方面，對 板準備一形成靜電電容Cs的電容器，且串聯此 容器來施加規定的電壓。藉此，在兩個電容器之 對應於指紋凹凸的電荷Q。利用通常的半導體技 此電荷Q，讀取對象物的表面形狀。 〔專利文獻1〕特開平1 1 -1 1 8 4 1 5 〔專利文獻2〕特開2000-346608 〔專利文獻3〕特開200 1 -56204 〔專利文獻4〕特開2001-133213 檢測靜電 變化）來 裝置是在 電極上的 346608 ， 是用以說 極及介電 人體被接 照接觸於 半導體基 等二個電 間會產生 術來檢測 (2) _ 1233981 【發明內容】 (發明所欲解決的課題） 但，由於此等以往的靜電電容檢測裝置是形成於單晶 矽基板上，因此若作爲指紋感應器使用，則於強力按下手 指時，該裝置會有可能破裂。 * 並且，指紋感應器由其用途來看必然需要 、 2 0mm X 2 Omm程度的大小，靜電電容檢測裝置面積的大部 份爲感應器電極所佔據。而且，感應器電極當然是被製作 於單晶矽基板上，但此花費龐大的能量及勞力所作成的單 鲁 晶矽基板的大部份（感應器電極下部）只不過扮演著支持 體的角色。亦即，以往的靜電電容檢測裝置不僅高價，而 且有莫大無謂的浪費等課題。 近年來，在信用卡或提款卡等的卡上設置個人認証機 能來提高卡的安全性之要求非常強強烈。然而以往因爲製 作於單晶矽基板上的靜電電容檢測裝置欠缺柔軟性，所以 會有無法將該裝置製作於塑膠基板上的課題。 因此，本發明是有鑑於上述情事而硏發者，其目的是 @ 在於提供一種可安定動作，製造時可減少不必要的能量及 勞力，且可製作於單晶矽基板以外之優良的靜電電容檢測 士 pf3 * 裝置。 (用以解決課題的手段） 本發明之靜電電容檢測裝置，係檢測出對應於與對象 物的距離而變化的靜電電容，而來讀取該對象物的表面形 -6 - (3) ^ 1233981 狀之靜電電容檢測裝置，其特徵爲： 該靜電電容檢測裝置具備：配置成Μ行Ν列的行列 狀之Μ條的個別電源線，及Ν條的個別輸出線，以及設 置於該個別電源線與該個別輸出線的交點之靜電電容檢測 元件， 該靜電電容檢測元件包含訊號檢測元件及訊號放大元 ， 件， 該訊號檢測元件包含電容檢測電極，電容檢測介電質 膜及基準電容器， φ 該基準電容器係由：基準電容器第一電極，基準電容 器介電質膜及基準電容器第二電極所構成， 該訊號放大元件係由訊號放大用MIS型薄膜半導體 裝置所構成，該訊號放大用MIS型薄膜半導體裝置係由 閘極電極，聞極絕緣膜及半導體膜所構成。 又，訊號放大用MIS型薄膜半導體裝置的汲極領域 會被電性連接至個別電源線與基準電容器第一電極，訊號 放大用MIS型薄膜半導體裝置閘極電極會被連接至電容 鲁 檢測電極與基準電容器第二電極。訊號放大用 MIS型薄 膜半導體裝置的源極領域會直接乃至經由開關元件來間接 連接至個別輸出線。本發明係基準電容器的介電質膜與訊 - 號放大用MIS型薄膜半導體裝置的閘極絕緣膜係以同一 素材來形成於同一層上。又，基準電容器第一電極與半導 體膜汲極領域係以同一素材來形成於同一層上。又，基準 電容器第二電極與閘極電極係以同一素材來形成於同一層 (4) 1233981 上。 本發明之靜電電容檢測裝置中，基準電容器的電極面 積爲SR(gm2)，訊號放大用MIS型薄膜半導體裝置的閘 極面積爲ST(pm2)，基準電容器介電質膜的厚度爲iR( μιη ) ’基準電容器介電質膜的比介電係數爲sR，閘極絕 緣膜的厚度爲( μπι )，閘極絕緣膜的比介電係數爲ε()χ ，而將基準電容器的電容（基準電容器電容）Cr與訊號 放大用MIS型薄膜半導體裝置的電晶體電容Ct定義爲： CR = s〇 · · SR/tR CT=^G · ε£)χ · sT/tc>x 時（爲真空的介 電係數）， 電容檢測電極的面積爲SD ( μηι2 )，電容檢測介電質 膜的厚度爲tD ( μιη )，電容檢測介電質膜的比介電係數 爲，而將訊號檢測元件的元件電容cD定義爲：CD = s〇 • · SD/tD時（ε〇爲真空的介電係數）時， 該元件電容CD係比該基準電容器電容Cr與該電晶體 電容CT的和之CR + CT還要更大。 所謂的「更大」，一般是意指10倍程度的差異。換 言之，元件電容CD與基準電容器電容cR及電晶體電容 CT 的和（CR + CT)符合 CD>l〇x ( CR + CT)的關係。 在本發明的靜電電容檢測裝置中，電容檢測介電質膜 最好位於靜電電容檢測裝置的最表面。又，對象物爲不接 觸於電容檢測介電質膜，離電容檢測介電質膜一對象物距 離tA，而利用真空的介電係數以，空氣的比介電係數εΑ 及電容檢測電極的面積SD來將對象物電容CA定義爲： -8- (5) 1233981 C Α = ε〇 · εΑ · S〇/tA 時， 基準電容器電容CR與電晶體電容Ct的和之cr + Ct 係比該對象物電容C a還要更大。 如上述，所謂的「更大」是意指1 0倍程度的差異， 因此基準電容器電容CR與電晶體電容cT的和（CR + CT) · 與對象電容CA會符合（CR + CT)>l〇xCA的關係。 . 更理想是電容檢測介電質膜位於靜電電容檢測裝置的 最表面’基準電容器的電極面積爲SR(pm2)，訊號放大 用MIS型薄膜半導體裝置的閘極面積爲St ( μ^)，基準 鲁 電容器介電質膜的厚度爲tR(pm)，基準電容器介電質 膜的比介電係數爲，閘極絕緣膜的厚度爲t()x ( μπι )， 閘極絕緣膜的比介電係數爲ε〇χ，而將基準電容器的電容 (基準電容器電容）CR與訊號放大用MIS型薄膜半導體 衣置的電晶體電谷C τ疋義爲· Cr = S〇· Sr· SR/tR Ct = S〇· ε〇χ· ST/t〇x時（ε〇爲真空的介電係數）， 電容檢測電極的面積爲S D ( μιη2 )，電容檢測介電質 膜的厚度爲tD ( μπι )，電容檢測介電質膜的比介電係數 · 爲，而將訊號檢測元件的元件電容CD定義爲：CD = s〇 • ε〇· SD/tD時（ε〇爲真空的介電係數）， 該元件電容CD係比該基準電容器電容CR與該電晶體 ， 電容CT的和之CR + CT還要更大， k 且對象物爲不接觸於電容檢測介電質膜，離對象物距 離tA，而利用真空的介電係數ε()，空氣的比介電係數 及電容檢測電極的面積SD來將對象物電容CA定義爲： -9 - (6) 1233981 εΑ = ε〇 · εΑ · S〇/tA 時， 基準電容器電容CR與電晶體電容CT的和之CR + CT 係比該對象物電容CA還要更大。 更具體而言，元件電容CD，及基準電容器電容CR與 電晶體電容CT的和（CR + CT)，以及對象物電容CA爲符 合CD>l〇x(CR + CT) >l〇〇xCA的關係之靜電電容檢測裝置 〇 本發明之靜電電容檢測裝置，係檢測出對應於與對象 物的距離而變化的靜電電容，而來讀取該對象物的表面形 狀之靜電電容檢測裝置，其特徵爲： 該靜電電容檢測裝置具備：配置成Μ行N列的行列 狀之Μ條的個別電源線，及Ν條的個別輸出線，以及設 置於該個別電源線與該個別輸出線的交點之靜電電容檢測 元件， 該靜電電容檢測元件包含訊號檢測元件及訊號放大元 件， 該訊號檢測元件包含電容檢測電極，電容檢測介電質 膜及基準電容器， 該基準電容器係由：基準電容器第一電極，基準電容 器介電質膜及基準電容器第二電極所構成， 該訊號放大元件係由訊號放大用MIS型薄膜半導體 裝置所構成，該訊號放大用MIS型薄膜半導體裝置係由 閘極電極，閘極絕緣膜及半導體膜所構成’ 該訊號放大用MIS型薄膜半導體裝置的汲極領域的 (7) 1233981 一部份與該閘極電極的一部份會隔著該閘極絕緣膜來形成 重疊部，該重疊部會構成該基準電容器。 具體而言，在構成訊號放大用MIS型薄膜半導體裝 置的半導體膜内含施主（donor)型或受主（acceptor)型 雜質之半導體膜的汲極領域側會形成基準電容器第一電極 ，且會直接乃至間接連接至個別電源線。訊號放大用M 1 s 型薄膜半導體裝置閘極電極會形成基準電容器第二電極與 共通電極，且會被連接至電容檢測電極。訊號放大用MIS 型薄膜半導體裝置的源極領域會被直接乃至間接連接至個 別輸出線。 本發明之靜電電容檢測裝置中，訊號放大用MIS型 薄膜半導體裝置的閘極電極與半導體膜汲極領域的重疊部 之閘極電極長爲L! (μηι)，訊號放大用MIS型薄膜半導 體裝置的閘極電極與半導體膜通道形成領域的重疊部之閘 極電極長爲L2 ( μιη )，閘極電極寬爲 W ( μιη )，閘極絕 緣膜的厚度爲Ux ( μπι )，閘極絕緣膜的比介電係數爲 ’而將基準電容器的電容（基準電容器電容）CR與訊號 放大用MIS型薄膜半導體裝置的電晶體電容Ct定義爲： Cr-s〇 · ε〇X · L 1 · W/10x Cτ = ε〇 · ε〇x · L2 · W/1〇x 時（ ε〇爲真空的介電係數）， 電容檢測電極的面積爲SD( μπι2 )，電容檢測介電質 膜的厚度爲tD ( μιη )，電容檢測介電質膜的比介電係數 爲ε D，而將訊號檢測元件的元件電容C 〇定義爲： CD = s〇 · · SD/tD時（ε〇爲真空的介電係數）， -11 - (8) 1233981 β兀件電容Cd係比該基準電容器電容與該電晶體 電容 Ct 的和；r , 」川< L R + C Τ還要更大。 ± $ ’所謂的「更大」是意指1 〇倍程度的差異， 換曰之’兀件電容cD與基準電容器電容cR及電晶體電容 C丁的和（Cr + Ct)爲符合CD>l〇x ( CR + CT)的關係。 & #胃B月的靜電電容檢測裝置中，最好電容檢測介電 質膜位於靜電電容檢測裝置的最表面。又，對象物爲不接 ® & ± @ m容檢測介電質膜，離電容檢測介電質膜一對象 tA’而利用真空的介電係數以，空氣的比介電係 數εΑ及電容檢測電極的面積sD來將對象物電容cA定義 爲：

CaIo · εΑ · sD/tA 時， S準電容器電容CR與電晶體電容cT的和之cR + cT 係比該對象物電容CA還要更大。 如上述，所謂的「更大」是意指1 0倍程度的差異， 因此基準電容器電容cR與電晶體電容CT的和（CR + CT) 及對象物電容cA會符合（CR + CT) >l〇xCA的關係。 更理想是電容檢測介電質膜位於靜電電容檢測裝置的 最表面，且訊號放大用MIS型薄膜半導體裝置的閘極電 極與半導體膜汲極領域的重疊部之閘極電極長爲 )，訊號放大用mis型薄膜半導體裝置的閘極電極與半 導體膜通道形成領域的重疊部之閘極電極長爲L2 ( μιΏ ) ，閘極電極寬爲w ( μ111) ’閘極絕緣膜的厚度爲“χ ( μηι )，閘極絕緣膜的比介電係數爲ε ex ’而將訊號放大用 -12 - (9) 1233981 MIS型薄膜半導體裝置的基準電容器電容CR與電晶體電 容CT定義爲： CR = e〇 · ε〇χ· L】· W/t〇x (：τ = ε〇· ε〇χ· L2· w/t0x 時（ ε 〇爲真空的介電係數）， 電容檢測電極的面積爲SD ( μιη2 )，電容檢測介電質 膜的厚度爲tD ( μιη )，電容檢測介電質膜的比介電係數 爲ε D，而將訊號檢測元件的元件電容C D定義爲：

Cd = s〇· ε〇· S/t〇時（ε〇爲真空的介電係數）， 該元件電容CD係比該基準電容器電容Cr與該電晶體 電容CT的和之CR + CT還要更大， 且對象物爲不接觸於電容檢測介電質膜，離對象物距 離tA，而利用真空的介電係數以，空氣的比介電係數εΑ 及電容檢測電極的面積SD來將對象物電容CA定義爲： CA = s〇 · εΑ · SD/tA 時， 該基準電容器電容CR與該電晶體電容CT的和之 CR + CT係比該對象物電容CA還要更大。 更具體而言，元件電容CD，基準電容器電容CR與電 晶體電容CT的和（CR + CT)，以及對象物電容CA爲符合 CD>l〇x (CR + CT) >10〇xCA的關係之靜電電容檢測裝置。 本發明之靜電電容檢測裝置，係檢測出對應於與對象 物的距離而變化的靜電電容，而來讀取該對象物的表面形 狀之靜電電容檢測裝置，其特徵爲： 該靜電電容檢測裝置具備：配置成Μ行N列的行列 狀之Μ條的個別電源線，及Ν條的個別輸出線，以及設 -13- (10) 1233981 置於個別電源線與個別輸出線的交點之靜電電容檢測元件 ，以及連接至Μ條的個別電源線之電源選擇電路， 該靜電電容檢測元件包含電容檢測電極，電容檢測介 電質膜，基準電容器及訊號放大元件， 基準電容器係由：基準電容器第一電極，基準電容器 * 介電質膜及基準電容器第二電極所構成， . 訊號放大元件係由訊號放大用MIS型薄膜半導體裝 置所構成，該訊號放大用MIS型薄膜半導體裝置係由閘 極電極，閘極絕緣膜及半導體膜所構成。 鲁 此刻，訊號放大元件用MIS型薄膜半導體裝置的源 極領域會直接乃至間接連接至個別輸出線，訊號放大元件 用MIS型薄膜半導體裝置的汲極領域會連接至個別電源 線及基準電容器第一電極，訊號放大元件用MIS型薄膜 半導體裝置的閘極電極會連接至電容檢測電極及基準電容 器第二電極。 在本發明的靜電電容檢測裝置中，個別輸出線會被配 線於第一配線，個別電源線會被配線於第二配線，電容檢 β 測電極會被配線於第三配線，該等的第一配線，第二配線 及第三配線會隔著來電性分離。 本發明之靜電電容檢測裝置，係檢測出對應於與對象 ‘ 物的距離而變化的靜電電容，而來讀取該對象物的表面形 . 狀之靜電電容檢測裝置，其特徵爲： 該靜電電容檢測裝置具備：配置成Μ行Ν列的行列 狀之Μ條的個別電源線，及Ν條的個別輸出線，以及設 -14- (11) 1233981 置於個別電源線與個別輸出線的交點之靜電電容檢測元件 ，以及連接至N條的個別輸出線之輸出訊號選擇電路’ 靜電電容檢測元件包含電容檢測電極，電容檢測介電 質膜，基準電容器及訊號放大元件’ 輸出訊號選擇電路包含共通輸出線及輸出訊號用通路 閘極， 基準電容器是由：基準電容器第一電極，基準電容器 介電質膜及基準電容器第二電極所構成， 訊號放大元件是由訊號放大用MIS型薄膜半導體裝 置所構成，該訊號放大用MIS型薄膜半導體裝置是由閘 極電極，閘極絕緣膜及半導體膜所構成， 輸出訊號用通路閘極是由輸出訊號通路閘極用MIS 型薄膜半導體裝置所構成，該輸出訊號通路閘極用MIS 型薄膜半導體裝置是由閘極電極，閘極絕緣膜及半導體膜 所構成。 此刻，訊號放大元件用MI S型薄膜半導體裝置的源 極領域會直接乃至間接連接至個別輸出線，訊號放大元件 用MIS型薄膜半導體裝置的汲極領域會連接至個別電源 線及基準電容器第一電極，訊號放大元件用MIS型薄膜 半導體裝置的閘極電極會連接至電容檢測電極及基準電容 器第二電極，輸出訊號通路閘極用MIS型薄膜半導體裝 置的源極領域會連接至共通輸出線，輸出訊號通路閘極用 MIS型薄膜半導體裝置的汲極領域會連接至上述個別輸出 線。又，輸出訊號通路閘極用MIS型薄膜半導體裝置的 (12) 1233981 閘極電極會連接至輸出選擇用輸出線，該輸出選擇用輸出 線會供給到底從N條的個別輸出線中選擇哪條的個別輸 出線之訊號。在本發明的靜電電容檢測裝置中，個別輸出 線及共通輸出線會被配線於第一配線，個別電源線及輸出 選擇用輸出線會被配線於第二配線，電容檢測電極會被配 線於第三配線，該等的第一配線，第二配線及第三配線會 - 隔著絕緣膜來電性分離。 本發明之靜電電容檢測裝置，係檢測出對應於與對象 物的距離而變化的靜電電容，而來讀取該對象物的表面形 β 狀之靜電電容檢測裝置，其特徵爲： 該靜電電容檢測裝置具備：配置成Μ行Ν列的行列 狀之Μ條的個別電源線，及Ν條的個別輸出線，以及設 置於個別電源線與個別輸出線的交點之靜電電容檢測元件 ，以及連接至Μ條的個別電源線之電源選擇電路，及連 接至Ν條的個別輸出線之輸出訊號選擇電路， 靜電電容檢測元件包含電容檢測電極，電容檢測介電 質膜，基準電容器及訊號放大元件， ® 輸出訊號選擇電路包含共通輸出線及輸出訊號用通路 閘極， 基準電容器是由：基準電容器第一電極，基準電容器 - 介電質膜及基準電容器第二電極所構成， 訊號放大元件是由訊號放大用MIS型薄膜半導體裝 置所構成，該訊號放大用MIS型薄膜半導體裝置是由閘 極電極，閘極絕緣膜及半導體膜所構成， -16- (13) 1233981 輸出訊號用通路閘極是由輸出訊號通路閘極用MIS 型薄膜半導體裝置所構成，該輸出訊號通路閘極用MIS 型薄膜半導體裝置是由閘極電極，閘極絕緣膜及半導體膜 所構成。 此刻，訊號放大元件用MIS型薄膜半導體裝置的源 極領域會直接乃至間接連接至個別輸出線，訊號放大元件 用MIS型薄膜半導體裝置的汲極領域會連接至個別電源 線及基準電容器第一電極，訊號放大元件用MIS型薄膜 半導體裝置的閘極電極會連接至電容檢測電極及基準電容 器第二電極，輸出訊號通路閘極用MIS型薄膜半導體裝 置的源極領域會連接至共通輸出線，輸出訊號通路閘極用 MIS型薄膜半導體裝置的汲極領域會連接至個別輸出線。 又，輸出訊號通路閘極用MIS型薄膜半導體裝置的閘極 電極會連接至輸出選擇用輸出線，該輸出選擇用輸出線會 供給到底從N條的個別輸出線中選擇哪條的個別輸出線 之訊號。在本發明的靜電電容檢測裝置中，個別輸出線及 共通輸出線會被配線於第一配線，個別電源線及輸出選擇 用輸出線會被配線於第二配線，電容檢測電極會被配線於 第三配線，該等的第一配線，第二配線及第三配線會隔著 絕緣膜來電性分離。 〔發明的效果〕 就以往利用單晶矽基板的技術（單晶矽感應器）而言 ，只有數mm X數mm程度的較小靜電電容檢測裝置能夠形 -17- (14) 1233981 成於塑膠基板上，但若利用本發明，則可使用薄膜半導體 ^ ®來實現具有與以往的單晶矽感應器同等性能的靜電電 容檢測裝置。又，靜電電容檢測裝置的感應器面積亦可容 易增大至1 00倍程度以上，更能使如此良好的靜電電容檢 '測裝置製作於塑膠基板上。又，可極高精度來檢測出對象 物的凹凸資訊。其結果，若例如將本靜電電容檢測裝置搭 載於智慧卡，則可使卡的保密水準顯著提升。又，利用單 晶矽基板的以往靜電電容檢測裝置只有裝置面積的些微部 份能利用單晶矽半導體，無謂浪費莫大的能量及勞力。相 對的，本發明則能夠排除如此的浪費，有助於環保。 【實施方式】 本發明是在於檢測出隨著與對象物的距離而變化的靜 電電容，使用由金屬-絕緣膜-半導體膜所構成的Mis型薄 膜半導體裝置來作成讀取對象物的表面形狀之靜電電容檢 測裝置。薄膜半導體裝置通常製作於玻璃基板上，價格便 宜製造需要大面積的半導體集積電路，具體而言例如應用 於液晶表示裝置等。因此，若以薄膜半導體裝置來作成適 合於指紋感應器等的靜電電容檢測裝置，則不必使用單晶 砂基板等消耗莫大的能量來作成的高價基板，不會浪費貴 重的地球資源’就能便宜地作成該裝置。又，薄膜半導鹘 裝置可適用所謂SUFTLA (日本特開平njuwi或s· Utsunomiya et. al. Society for Information Display p. 916 (2 0 0 0 ))的轉寫技術來將半導體集積電路製作於塑膠基板 -18- (15) 1233981 上，因此靜電電容檢測裝置可屏除單晶矽基板，而形成塑 膠基板上。 又，如圖1所示，以薄膜半導體裝置來作成應用以往 的動作原理之靜電電容檢測裝置是不可能使用現在的薄膜 半導體裝置之技術。由於被誘起於兩個串聯的電容器之間 的電荷Q非常小，因此雖可利用高精度感測的單晶矽L S I 技術來正確讀取電荷Q，但在薄膜半導體裝置中電晶體特 性不佳，且薄膜半導體裝置間的特性偏差亦大，因此無法 正確讀取電荷Q。因應於此，本發明的靜電電容檢測裝置 是使具備：配置成Μ行N列的行列狀之Μ條（Μ爲1以 上的整數）的個別電源線，及Ν條（Ν爲1以上的整數） 的個別輸出線，及設置於個別電源線與個別輸出線的交點 之靜電電容檢測元件，此靜電電容檢測元件包含訊號檢測 元件及訊號放大元件。訊號檢測元件是包含電容檢測電極 ，電容檢測介電質膜及基準電容器，在電容檢測電極會對 應於靜電電容來產生電荷Q。在本發明中會使該電荷Q放 大於設置於各靜電電容檢測元件的訊號放大元件，變換成 電流。具體而言，訊號放大元件是由訊號放大用MIS型 薄膜半導體裝置所構成，該訊號放大用MIS型薄膜半導 體裝置是由閘極電極，閘極絕緣膜及半導體膜所構成，且 訊號放大用MIS型薄膜半導體裝置的閘極電極會被連接 至電容檢測電極及基準電容器的一方電極（例如第二電極 )。圖2是表示本發明的動作原理圖。在具有靜電電容 Cs的電容器與具有隨著對象物的表面形狀而變化的靜電 -19- (16) 1233981 電容CF的電容器之間所產生的電荷會使訊號放大用MIS 型薄膜半導體裝置的閘極電位變化。如此一來，若在此薄 膜半導體裝置的汲極領域施加規定的電壓，則按照被誘起 的電荷Q來流動於薄膜半導體裝置的源極汲極間的電流I 會被顯著地放大。因爲被誘起的電荷Q本身不會流至任 何地方而被保存，所以會在增大汲極電壓或拉長測定時間 等之下使電流I的測定也會形成容易，因此即使利用薄膜 半導體裝置，照樣能夠充分地正確計測出對象物的表面形 狀。 如上述，本發明中是使用訊號放大用MIS型薄膜半 導體裝置來作爲訊號放大元件。此情況是以訊號放大用 MIS型薄膜半導體裝置本身來兼作具有靜電電容Cs的電 容器使用，且爲了增加靜電電容來提高檢測感度，而設置 基準電容器。亦即，以取代靜電電容Cs2新的靜電電容 來作爲訊號放大用MIS型薄膜半導體裝置的電晶體電容 CT與用以使靜電電容増加的基準電容器電容CR的和。如 此一來，可調整靜電電容，且構造也會簡素化，同時製造 過程容易。又，可藉由縮短訊號放大用MIS型薄膜半導 體裝置的半導體通道形成領域長來實現高速檢測動作。又 ，由省略靜電電容檢測裝置内的多餘配線之觀點來看，以 描繪於圖2的兩個電源作爲共通電源Vdd亦可達到效果。 圖3是表示有關如此狀態的動作原理之等價電路圖。具有 對應於對象物的表面形狀而變化的靜電電容CF之電容器 及具有電晶體電容CT之電容器會串聯，同時具有靜電電 -20- (17) 1233981 容CF的電容器及具有基準電容器電容Cr的電容器 聯。嚴格來講，電晶體電容CT爲形成於訊號放大 型薄膜半導體裝置的汲極電極與閘極電極之間的靜 。爲了實現圖3的構成，只要將訊號放大用μ IS 半導體裝置的源極領域連接至個別輸出線，以及將 大用MIS型薄膜半導體裝置的汲極領域連接至個 線及基準電容器第一電極，且在連接訊號放大用 薄膜半導體裝置的閘極電極及基準電容器第二電極 對個別電源線施加電壓Vdd，藉由個別輸出線來取 對象物的表面形狀而變化的電流I即可。 利用圖4來說明靜電電容檢測元件的構造。形 電容檢測元件的訊號放大元件之訊號放大用MI S 半導體裝置所不可欠缺的構成要件爲：包含源極領 道形成領域及汲極領域的半導體膜，閘極絕緣膜及 極。並且，在源極領域及汲極領域的半導體膜中會 施主型或受主型雜質，形成N型或P型的半導體 導體膜汲極領域上，閘極電極會隔著閘極絕緣膜來 此重疊部會形成基準電容器。基準電容器是由基準 第一電極，基準電容器介電質膜及基準電容器第二 構成。在圖4(A)中，第一電極會作爲下部電極 汲極領域及共通電極，第二電極會作爲上部電極來 閘極電極的共通電極，但第一電極及第二電極無論 形成上部電極皆可。在利用閘極電極爲位於半導體 的底閘極型（bottom gate )薄膜電晶體來作爲訊號 也會串 用MIS 電電容 型薄膜 訊號放 別電源 MIS型 之下， 出按照 成靜電 型薄膜 域，通 閘極電 被導入 。在半 重疊， 電容器 電極所 來形成 形成與 是哪方 膜下側 放大用 (18) 1233981 MIS薄膜半導體裝置時，以基準電容器下部電極作爲閘極 電極及共通電極，以汲極領域及基準電容器上部電極作爲 共通電極，構造上較爲簡便。基準電容器第一電極與半導 體膜汲極領域爲相同的膜（被導入雜質的半導體膜），且 形成於同一層（底層保護膜）上’基準電容器第二電極與 閘極電極爲相同的膜（金屬膜），且形成於同一層（閘極 絕緣膜）上。訊號放大用MIS型薄膜半導體裝置的閘極 電極會連接至電容檢測電極，電容檢測電極會被電容檢測 介電質膜所覆蓋。如此一來，半導體膜汲極領域與基準電 容器第一電極會形成同電位，且訊號放大用MIS型薄膜 半導體裝置的閘極電極與基準電容器第二電極會形成同電 位，連接至電容檢測電極，實現圖3所示的等價電路。就 圖4(A)的構成例而言，由於是連接配置基準電容器及 訊號放大元件，因此空間使用效率會提高，且可實現高感 度的靜電電容檢測裝置。並且，在閘極電極形成前，形成 基準電容器下部電極與汲極領域，在閘極電極形成後，以 自調整方式形成源極領域（以閘極電極作爲光罩，以離子 注入來形成源極領域）’因此可使通道形成領域形成比曝 光器所具有的解像度還要更小。一般，曝光器的解像度是 劣於曝光器的調整精度。在本案構成中，通道形成領域長 並非是利用曝光器的解像度，而是利用曝光器的調整精度 來形成’因此可使其大小微細化至調整精度，所以可實現 靜電電容檢測電路的高速動作。 在圖4(A)中，訊號放大用MIS型薄膜半導體裝置 (19) 1233981 會被第一層間絕緣膜所覆蓋。在訊號放大用MIS型薄膜 半導體裝置的源極領域連接第一配線，在汲極領域連接第 二配線。於第一配線形成個別輸出線，於第二配線形成個 別電源線。並且，在第一配線與第二配線之間設有第二層 間絕緣膜，用以電性分離第一配線與第二配線。形成靜電 電容檢測元件的訊號檢測元件之電容檢測電極會被連接至 訊號放大用 MIS型薄膜半導體裝置的閘極電極，形成於 第三層間絕緣膜上。電容檢測電極會被配線於第三配線。 在第二配線與第三配線之間設有第三層間絕緣膜，用以電 性分離第二配線與第三配線。使電容檢測電極配線於第三 配線，藉此可使產生於第一配線與電容檢測電極之間的寄 生電容形成最小，儘可能縮小第二層間絕緣膜的介電係數 與第三層間絕緣膜的介電係數，藉此可以高感度來檢測出 微少的靜電電容。在電容檢測電極上覆蓋有電容檢測介電 質膜，電容檢測介電質膜會位於靜電電容檢測裝置的最表 面。電容檢測介電質膜亦可同時扮演靜電電容檢測裝置的 保護膜之角色。 在圖4 ( A )的例子是以訊號放大元件的閘極電極與 汲極電極的重疊部作爲基準電容器，但亦可爲如圖4(B )所示分離基準電容器與訊號放大用MIS型薄膜電晶體 。基準電容器與訊號放大用薄膜電晶體之間會以摻雜半導 體膜等的電傳導性物質來連結。由使高速動作的觀點來看 ，訊號放大用電晶體最好是儘可能小。另一方面，在基準 電容器電容C R與電晶體電容C τ的和會對應於檢測對象物 -23- (20) 1233981 而存在最適電容値。在圖4 B的構成中，由於縮小電晶體 ’且同時取得Cr + Ct的最適値，因此可提高本發明之靜電 電容檢測裝置的感度。此外，使個別電源線（第二配線） 與汲極領域導通的接觸孔最好是設置於基準電容器與訊號 放大用MIS型薄膜電晶體之間。 爲了在上述構成中使本發明的訊號放大用MIS型薄 膜半導體裝置能夠有效地發揮訊號放大的機能，而必須適 當地決定訊號放大用MIS型薄膜半導體裝置的電晶體電 容CT，基準電容器電容CR，及訊號檢測元件的元件電容 CD。以下利用圖5來說明此等的關係。

首先，可想像成測定對象物的凸部會接觸於電容檢測 介電質膜，對象物會電性接地。具體而言，以靜電電容檢 測裝置來作爲指紋感應器使用，指紋的山部會接觸於此靜 電電容檢測裝置表面。若基準電容器的電極面積爲SR( μηι2)，電極長爲LR(pm)，電極寬爲WR(gm)，訊號 放大用MIS型薄膜半導體裝置的閘極電極面積爲ST ( μπι2 )，閘極電極長爲ίτ(μηι)，閘極電極寬爲λντ(μπι) ，基準電容器介電質膜的厚度爲tR(pm)，基準電容器 介電質膜的比介電係數爲εκ，閘極絕緣膜的厚度爲t〇x( μηι )，閘極絕緣膜的比介電係數爲，則訊號放大用 MIS型薄膜半導體裝置的基準電容器電容CR與電晶體電 容 CT 可定義爲·· CR = s〇 · sr · SR/tR = sG · · LR · WR/tR CT = sG · ε〇χ · St/U^so · ε〇χ · LT · WT/tGX ( ε〇 爲真空的介 電係數）。當圖4(A)所示的基準電容器與訊號放大元 -24- (21) 1233981 件一體形成時，若訊號放大用MIS型薄膜半導體裝置的 閘極電極與半導體膜汲極領域之重疊部的閘極電極長爲 Li ( μπι )，訊號放大用 MIS型薄膜半導體裝置的閘極電 極與半導體膜通道形成領域之重疊部的閘極電極長爲L2 (μπι )，閘極電極寬爲 W ( μιη )，閘極絕緣膜的厚度爲 ι〇χ ( μπι )，閘極絕緣膜的比介電係數爲，則基準電容 器電容CR與訊號放大用MIS型薄膜半導體裝置的電晶體 電谷 Ct 可定義爲：Cr = S〇· Sr· SR/tR = SG· ε〇χ· Li· W/tox cT = s〇· ε〇χ· ST/t〇x = sG· Sgx· L2· W/tGX(S()爲真空的介電 係數）。又，若電容檢測電極的面積爲SD ( μιη2 )，電容 檢測介電質膜的厚度爲tD ( μπι )，電容檢測介電質膜的 比介電係數爲，則訊號檢測元件的元件電容Cd可定義 爲：CD = sG · · SD/tD ( ε〇爲真空的介電係數）。對象物 表面會形成元件電容C D的接地電極，電容檢測電極會夾 持電容檢測介電質膜，相當於另一方的電極。由於電容檢 測電極會被連接至訊號放大用MIS型薄膜半導體裝置的 閘極電極與基準電容器第二電極，因此具有元件電容cD 的電容器與具有電晶體電容CT的電容器會被串聯，同時 具有元件電容CD的電容器與具有基準電容器電容cR的電 容器會被串聯。在該等的兩個直列電容器會被施加電壓 vdd (圖5A )。由於施加電壓會按照靜電電容而分割，因 此在此狀態下施加於訊號放大用ΜI S型薄膜半導體裝置 的閘極電極之電壓VGT會形成： -25- (22)1233981 V〇r- vdd

Cd/cr^ct) 因此，當元件電容cD比基準電容器電容Cr及電晶體 電容Ct的和（Cr + Ct)還要更大時Cd>>(Cr + Ct)，聞 極電壓會接近零，在閘極電極幾乎不會施加電壓。 FG7 » 0 其結果，訊號放大用MIS型薄膜半導體裝置會形成 關閉狀態，電流I會形成極小。結果，相當於指紋的山部 之對象物的凸部接觸於靜電電容檢測裝置時，訊號放大元 件會幾乎不流動電流，因此必須將構成靜電電容檢測元件 的閘極電極面積，閘極電極長，閘極電極寬，閘極絕緣膜 材質，閘極絕緣膜厚，基準電容器電極面積，基準電容器 電極長，基準電容器電極寬，基準電容器介電質膜材質， 基準電容器介電質膜厚，電容檢測電極面積，電容檢測介 電質膜材質，及電容檢測介電質膜厚等設定成元件電容 CD比基準電容器電容cR及電晶體電容cT的和（CR + CT) 還要更大。一般所謂的「更大」是意指1 0倍程度的差異 。換言之，只要元件電容CD與基準電容器電容CR及電晶 體電容CT的和（CR + CT)符合CD>l〇x(CR + CT)的關係 即可。此情況，vGT/vdd會形成0.1程度以下，薄膜半導 體裝置無法形成開啓狀態。爲了確實檢測對象物的凸部， 當對象物的凸部接觸於靜電電容檢測裝置時，訊號放大用 MIS型薄膜半導體裝置形成關閉狀態是件極爲重要的事。 因此在電源電壓Vdd使用正電源時，訊號放大用MIS型薄 -26- 1233981 膜半導體裝置最好是使用閘極電壓接近零時汲極電流不會 流動的增強型（enhancement type) =( normally off type )N型電晶體。更理想是使用傳達特性的汲極電流形成最 小値的閘極電壓（最小閘極電壓）爲 Vmin時，該最小閘 極電壓爲符合： 0 < 0 · 1 X V dd < V nin 〇< -<V^ 1+%+cr) 的關係之訊號放大用N型MIS薄膜半導體裝置。相 反的，在電源電壓Vdd使用負電源時，訊號放大用MIS型 薄膜半導體裝置爲使用閘極電壓接近零時汲極電流不會流 動的增強型（enhancement type) =( normally 0ff type) p 型電晶體。更理想是使用訊號放大用P型MIS薄膜半導 體裝置的最小閘極電壓Vmin爲符合： VBin<0. lxvdd<0

的關係之訊號放大用P型MIS薄膜半導體裝置。藉 此，可在電流値Ϊ非常小的形態下確實地檢測對象物的凸 部。 其次’相像成ϊϊί象物不會接觸於電容檢測介電質膜， 亦即離電容檢測介電質膜一對象物距離tA。亦即，測定對 象物的凹部位於電容檢測介電質膜上，且對象物電性接地 的狀況。具體而S ’可想像成在以靜電電容檢測裝置來作 爲指紋感應器使用時，檢測指紋的谷部到達靜電電容檢測 (24) 1233981

裝置表面的狀態。如先前所述，在本發明的靜電電容檢測 裝置中最好電容檢測介電質膜位於靜電電容檢測裝置的最 表面。圖5 B是表示此刻的等價電路圖。由於對象物表面 未接觸於電容檢測介電質膜，因此在電容檢測介電質膜與 對象物表面之間會形成以空氣作爲介電質的新電容器。若 將此命名爲對象物電容CA，則可利用真空的介電係數ε〇 ，空氣的比介電係數εΑ及電容檢測電極的面積SD來定義 爲（：Α = ε〇 · εΑ · SD/tA。如此一來，在對象物離開電容檢測 介電質膜的狀態下，電晶體電容CT與基準電容器電容CR 會並聯，該等具有（CR + CT )，元件電容CD及對象物電 容CA的電容器會被串聯，且在該等的電容器施加電壓 Vdd (圖5B)。由於施加電壓是按照靜電電容來分割於該 等電容器間，因此在此狀態下施加於訊號放大用MIS型 薄膜半導體裝置的閘極電極之電壓Vcv會形成：

1+(^〇)·[χ^Ι 另一方面，在本發明中當對象物接觸於靜電電容檢測 裝置時會以汲極電流能夠形成非常小的方式來作成應符合 CD » (C^CT) 的條件之靜電電容檢測元件，因此可作成vGV更應符 合： -28- (25) 1233981 V〇v- η1/ —— 的條件之靜電電容檢測元件，所以VGV會更與Vdd近似。 結果，只要基準電容器電容CR與電晶體電容CT的和（ cR + cT)比對象物電容CA還要更大，（c：i?+<：7)>>c^，則閘 極電壓vGV便會大致相等於vdd ( )。其結果，可 使訊號放大用MI S型薄膜半導體裝置形成開啓狀態，電 流I會形成極大。在相當於指紋的谷部之對象物的凹部來 到靜電電容檢測裝置上時，訊號放大元件爲了通過大電流 ，必須將構成訊號放大元件的閘極電極面積，閘極電極長 ，閘極電極寬，閘極絕緣膜材質，閘極絕緣膜厚，基準電 容器電極面積，基準電容器電極長，基準電容器電極寬， 基準電容器介電質膜材質，基準電容器介電質膜厚，電容 檢測電極面積，電容檢測介電質膜材質，及電容檢測介電 質膜厚等設定成基準電容器電容CR與電晶體電容CT的和 (cR + cT)比對象物電容cA還要更大。如先前所述，一 般所謂的「更大」是意指10倍程度的差異，因此只要基 準電容器電容CR與電晶體電容CT的和（CR + CT)與對象 物電容CA爲符合（CR + CT ) >1 〇xcA的關係即可。此情況 ，VGT/Vdd會形成0.91程度以上，薄膜半導體裝置會容易 形成開啓狀態。爲了確實地檢測對象物的凹部，當對象物 的凹部接近靜電電容檢測裝置時，訊號放大用MIS型薄 膜半導體裝置形成開啓狀態是件極爲重要的事。在電源電 壓vdd使用正電源時，訊號放大用Mis型薄膜半導體裝置 (26) 1233981 最好爲使用增強型(enhancement type ) =( normally off type ) N型電晶體，此電晶體的臨界値電壓比VGV還 要更小。 0<vih<- 1 + iCR^CT) νάΑ___

更理想是使用符合0的關係之訊號放大用Ν 型MIS薄膜半導體裝置。相反的’在電源電壓vdd使用負 電源時’訊號放大用MIS型薄膜半導體裝置最好爲使用 增強型(enhancement type) = ( normally off type) P 型 電晶體，訊號放大用P型MIS薄膜半導體裝置的臨界値 電壓Vth比VGV還要更大。更理想是符合： ——-——^->：<^<〇

的關係之訊號放大用N型MIS薄膜半導體裝置。相反的 ，在電源電壓Vdd使用負電源時，訊號放大用MIS型薄膜 半導體裝置最好爲使用增強型（enhancement type )=( normally off type) P型電晶體，訊號放大用P型MIS薄 膜半導體裝置的臨界値電壓Vth比VGV還要更大。更理想 是使用符合： -30- (27) 1233981 ^άά __

A (Q ^Ct) 0· 9 1 xVdd<V让<0 的關係之訊號放大用P型MIS薄膜半導體裝置。藉此’ 對象物的凹部會在電流値I非常大的形態下確實地被檢測 結果，相當於指紋的山部之對象物的凸部在接觸於靜 電電容檢測裝置時，訊號放大元件會幾乎不通過電流，同 時相當於指紋的谷部之對象物的凹部在接近靜電電容檢測 裝置時，訊號放大元件會通過較大的電流，爲了正確地辨 識對象物的凹凸，在靜電電容檢測元件，電容檢測介電質 膜會位於靜電電容檢測裝置的最表面，或者在電容檢測介 電質膜上具有分離於每個靜電電容檢測元件的導電膜，且 必須將訊號放大用MIS型薄膜半導體裝置的閘極電極面 積ST ( μηι2 )，閘極電極長LT ( μιη )，閘極電極寬WT ( μ m )，閘極絕緣膜的厚度t。x ( μ m )，閘極絕緣膜的比介 電係數，基準電容器電極面積SR(pm2)，基準電容 器電極長LR(pm)，基準電容器電極寬WR(pm)，基 準電容器介電質膜的厚度tR (μιη)，基準電容器介電質 膜的比介電係數，電容檢測電極面積Sd ( μιη2 )，電容 檢測介電質膜的厚度tD ( μιη )，電容檢測介電質膜的比 介電係數sD等設定成元件電容Cd比基準電容器電容Cr 與電晶體電容CT的和（Cr + Ct)還要更大，且更理想爲 對象物不會接觸於電容檢測介電質膜，離開一對象物距離 -31 - (28) 1233981 U時，以基準電容器電容Cr與電晶體電容CT的和（ CR + CT )比對象物電容CA還要更大之方式來構成靜電電 容檢測裝置。更具體而言，以元件電容CD及基準電容器 電容Cr與電晶體電容CT的和（CR + CT)以及對象物電容 CA能夠符合CD>l〇x ( CR + CT ) >l〇〇xCA的關係之方式來 構成靜電電容檢測裝置。又，在電源電壓Vdd使用正電源 時，訊號放大用 MIS型薄膜半導體裝置最好爲使用增強 型(enhancement type )=( normally off type ) N 型電晶 體，此N型電晶體的最小閘極電壓Vmin爲符合： 0<0.1 X Vdd<Vmi 或，

Vdd 1^Cd/c^ct) 的關係，更理想爲使用臨界値電壓vth比vGV還要小，具 體而言，符合0<Vth<0.91xVdd

或 〇<匕 ]+ \cR^cT) 的關係之增強型N型電晶體。 相反的，在電源電壓Vdd使用負電源時，訊號放大用 MIS型薄膜半導體裝置最好爲使用增強型（enhancement type )=( normally off type ) P型電晶體，此P型電晶體 的最小閛極電壓Vmin爲符合：

Vmin<0.1 xVdd<〇 -32- <0 (29)1233981 或，

Vdd 1 + (CR + Cr) 的關係’更理想爲使用臨界値電壓Vth比vGV還要大，具 體而言，符合0.91xVdd<Vth<0 或， 1 +

Vdd <^<〇 \CR^CT)

的關係之增強型P型電晶體。

其次’利用圖6來說明本發明之靜電電容檢測裝置的 全體構成。讀取對象物的表面形狀之靜電電容檢測裝置的 最小限度構成要件爲：配置成Μ行N列的行列狀之Μ條 (Μ爲1以上的整數）的個別電源線，及Ν條（Ν爲1以 上的整數）的個別輸出線，及設置於個別電源線與個別輸 出線的交點之靜電電容檢測元件。靜電電容檢測元件包含 電容檢測電極，電容檢測介電質膜，基準電容器及訊號放 大元件，用以檢測按照與對象物的距離而變化的靜電電容 。由於靜電電容檢測元件會被配置成Μ行Ν列的行列狀 ，因此爲了讀取對象物的表面形狀，而必須分別依次掃描 行與列，適當地依次選擇Μ χΝ個的靜電電容檢測元件。 決定以如何的順序來從各靜電電容檢測元件讀出所被檢測 的訊號者爲輸出訊號選擇電路。輸出訊號選擇電路至少包 含共通輸出線及輸出訊號用通路閘極，可選擇到底要從Ν 條中的哪條個別輸出線來取出輸出訊號。輸出訊號選擇電 -33- (30) 1233981 路的動作是按照由 X側時脈產生器所供給的時脈訊號。 時脈產生器的電路圖如圖7所示者。輸出訊號選擇電路爲 了選擇輸出訊號的取出，輸出訊號選擇電路最好包含位移 暫存器，NAND閘極及緩衝器（圖9 )。位移暫存器是以 觸發電路（由時脈控制式·反相器及反相器所構成）與時 脈控制式•反相器的串聯爲基本段，複數串聯該基本段而 構成。來自相鄰的基本段的輸出會形成N AND閛極的輸入 ，使NAND閘極輸出反轉放大於緩衝器而形成輸出選擇訊 號。輸出選擇訊號會被輸出至輸出選擇用輸出線，控制輸 出訊號用通路閘極的動作（圖10)。 靜電電容檢測元件内的訊號放大元件是由訊號放大用 MIS型薄膜半導體裝置來構成，該訊號放大用MIS型薄 膜半導體裝置是由閘極電極，閘極絕緣膜及半導體膜所構 成。輸出訊號用通路閘極是由輸出訊號通路閘極用 MIS 型薄膜半導體裝置所構成，該輸出訊號通路閘極用MIS 型薄膜半導體裝置是由閘極電極，閘極絕緣膜及半導體膜 所構成。在本發明中，訊號放大元件用 MIS型薄膜半導 體裝置的源極領域會被連接至個別輸出線，訊號放大元件 用MIS型薄膜半導體裝置的汲極領域會被連接至個別電 源線與基準電容器第一電極，訊號放大元件用MIS型薄 膜半導體裝置的閘極電極會被連接至電容檢測電極與基準 電容器第二電極。（在圖10中MIS型薄膜半導體裝置的 源極領域爲S，汲極領域爲D，閘極電極爲G )。如此一 來，個別電源線與個別輸出線會經由感應於電容檢測電極 -34- (31) 1233981 所被檢測的電荷Q之通道形成領域來互相連接。 在本發明中，輸出訊號通路閘極用MIS型薄膜半導 體裝置的源極領域會被連接至共通輸出線，輸出訊號通路 閘極用MIS型薄膜半導體裝置的汲極領域會被連接至個 別輸出線’輸出訊號通路閘極用MIS型薄膜半導體裝置 的閘極電極會被連接至輸出選擇用輸出線（該輸出選擇用 輸出線會供給到底從N條個別輸出線内選擇哪條個別輸 出線之訊號）（圖10)。如上述，輸出選擇用輸出線會 形成輸出訊號用位移暫存器的各輸出段（接受來自相隣的 基本段的輸出之NAND閘極的反轉放大輸出）（圖10的 情況），或形成取代輸出訊號用位移暫存器之輸出訊號用 解碼器的各輸出段。輸出訊號用位移暫存器會依次供給由 N個輸出段所轉送來的選擇訊號。又，輸出訊號用解碼器 會按照往解碼器的輸入訊號來從N個輸出段選擇特定的 輸出段。如此一來，在N個輸出訊號用通路閘極會被依 次適時輸入選擇訊號，其結果，N條的個別輸出線會依次 與共通輸出線取得電性導通。 電源選擇電路是由Μ條的個別電源線來選擇特定一 條的個別電源線，而將電源供給至該個別電源線。有無供 給電願是對應於是否選擇個別電源線（圖6 )。電源選擇 電路會按照藉由Υ側時脈產生器所供給的時脈訊號。時 脈產生器的電路圖爲圖7所示者。電源選擇電路爲了選擇 特定的個別電源線，最好電源選擇電路包含位移暫存器’ NAND閘極，反相器（圖8 )。位移暫存器是以串聯觸發 (32) 1233981 電路（由時脈控制式•反相器及反相器所構成）與時脈控 制式•反相器爲基本段，而複數串聯該基本段來構成。來 自相隣基本段的輸出會形成NAND閘極的輸入，使NAN D 閘極輸出反轉放大於反相器，而成爲電源選擇訊號。電源 選擇訊號會被輸出至各個別電源線。如此一來，當個別電 源線被選擇時，該個別電源線會導通至電源Vdd。相反的 ，未被選擇的個別電源線會形成接地電位（Vss )。電源 選擇電路會形成位移暫存器的各輸出段（接受來自相鄰的 基本段的輸出之NAND閘極的反轉放大輸出），或者形成 取代圖8所示的位移暫存器之電源選擇用解碼器的各輸出 段。電源選擇用位移暫存器會依次供給由Μ個輸出段所 轉送而來的選擇訊號。又，電源選擇用解碼器會按照往解 碼器的輸入訊號來從Μ個輸出段選擇特定的輸出段。如 此一來，Μ個的個別電源線會依次或適時地取得與電源（ Vdd )的導通。 爲了使如此構成的靜電電容檢測裝置作用，個別輸出 線與共通輸出線會被配線於第一配線，個別電源線與輸出 選擇用輸出線會被配線於第二配線，電容檢測電極會被配 線於第三配線，該等第一配線，第二配線及第三配線必須 隔著絕緣膜而電性分離。在形成如此的構成之下去除多餘 的配線，以使產生於各配線間的寄生電容最小化，因此可 高感度檢測微少的靜電電容。 如此的靜電電容檢測元件可利用上述SUFTLA技術來 形成於塑膠基板上。根據單晶矽技術的指紋感應器會在塑 -36- (33) 1233981 膠上馬上破裂，或者雖不大但卻缺乏實用性。相對的，本 發明之塑膠基板上的靜電電容檢測元件’即使在塑膠基板 上爲了涵蓋手指而爲充分大的面積，該靜電電容檢測兀件 還是不會有破裂之虞，可作爲塑膠基板上的指紋感應器用 。具體而言，利用本發明可實現兼具個人認証機能的智慧 卡。具備個人認証機能的智慧卡可使用於提款卡（ bankcard )，信用卡 （credit card)，及身分證明（ Identity card)等，可明顯提高該等的保密水準，不會使 個人指紋資訊流至卡外，具有良好的保護機能。 〔實施例1〕 在玻璃基板上製造由薄膜半導體裝置所構成的靜電電 容檢測裝置，利用SUFTLA技術來將此靜電電容檢測裝置 轉寫於塑膠基板上，在塑膠基板上作成靜電電容檢測裝置 。靜電電容檢測裝置是由排列成3 0 0行3 0 0列的行列狀靜 電電容檢測元件所構成。行列部的大小爲四邊20.3 2mm 的正方形。 基板爲厚度400μχη的聚醚颯樹脂（PES)。訊號放大 用MIS型薄膜半導體裝置，輸出訊號通路閘極用MIS型 薄膜半導體裝置，構成輸出訊號用選擇電路的MIS型薄 膜半導體裝置，構成電源選擇電路的MIS型薄膜半導體 裝置皆爲薄膜電晶體所作成。除了訊號放大用MIS型薄 膜半導體裝置以外，該等的薄膜電晶體皆具有相同的剖面 構造，NMOS是由所謂輕摻雜汲極（LDD )構造薄膜電晶 (34) 1233981 體所構成’ PMOS爲自調整構造的薄膜電晶體。形成訊號 放大用MIS型薄膜半導體裝置的薄膜電晶體爲圖4所示 的頂（top )閘極型，源極電極側會形成自調整構造（閘 極電極端與源極領域端約一致），汲極電極側會形成非自 調整構造（閘極電極與汲極領域具有重疊部）。汲極電極 側會形成非自調整構造，因此該部位會形成基準電容器。 亦即’訊號放大元件基準電容器會一體形成。薄膜半導 體裝置是在過程最高温度42 5 □的低温過程作成。半導體 膜爲雷射結晶化取得的多晶砂薄膜，其厚度爲59nm。又 ，閘極絕緣膜爲化學氣相堆積法（CVD法）所形成之厚 度4 5nm的氧化矽膜，閘極電極是由厚度400 nm的鉅薄膜 所形成。形成閘極絕緣膜的氧化矽膜的比介電係數是藉由 CV測定來求得，約3.9。第一層間絕緣膜與第二層間絕緣 膜是使用正矽酸乙酯（TEOS: Si(OCH2CH3)4)及氧來作 爲原料物質，而利用CVD法來形成的氧化矽膜。最好第 一層間絕緣膜比閘極電極（本實施例爲400nm )還要厚約 2 0%程度以上，比第二層間絕緣膜還要薄。如此一來，可 確實覆蓋閘極電極，防止閘極電極與第一配線乃至第二配 線的短路，同時增厚第二層間絕緣膜。在本實施例中，第 一層間絕緣膜爲5 00nm。第三層間絕緣膜爲分離第二配線 及電容檢測電極，防止短路。第一配線與電容檢測電極是 藉由第二層間絕緣膜及第三層間絕緣膜來分離。因此，爲 了使產生於第一配線與電容檢測電極之間的寄生電容形成 最小，實現感度佳的靜電電容檢測裝置，最好儘可能縮小 -38- (35) 1233981 第二層間絕緣膜的介電係數與第三層間絕緣膜的介電係數 ，且其厚度最好儘可能厚。然而若使用CVD法來積層的 氧化矽膜的總厚度超過2 μπι程度，則會有可能在氧化膜 發生龜裂，導致良品率降低。因此，第一層間絕緣膜，第 二層間絕緣膜及第三層間絕緣膜的和爲2 μιη程度以下。 如此一來，可提高靜電電容檢測裝置的生產性。如先前所 述，最好第二層間絕緣膜與第三層間絕緣膜較厚，因此形 成比第一層間絕緣膜更厚。第一層間絕緣膜是比閘極電極 還要厚20%程度以上，第二層間絕緣膜與第三層間絕緣膜 是比第一層間絕緣膜更厚，第一層間絕緣膜，第二層間絕 緣膜及第三層間絕緣膜的和較理想爲2μιη程度以下。在 本實施例中，第二層間絕緣膜的厚度爲I μπι。第一配線與 第二配線皆由5 00nm厚的鋁所構成，配線寬爲5μηι。藉 由第一配線來形成共通輸出線及個別輸出線，以第二配線 來形成個別電源線，輸出選擇用輸出線，及電容檢測電極 。個別電源線與電容檢測電極的間隔爲5 μπι，個別輸出線 與電容檢測電極的間隔亦爲5 μπι。在本實施例中，形成靜 電電容檢測裝置的行列間距爲 66.7 μπι，解像度爲381dpi (dots per inch )。因此，電容檢測電極會形成 5 5.0μιηχ55.0μιη的大小。電容檢測介電質膜是以厚度 3 5 Onm的氮化矽膜來形成。由CV測定，該氮化矽膜的比 介電係數約爲7.5，因此元件電容CD大槪會形成5 74fF ( 毫微微法拉）。若以本實施例的靜電電容檢測裝置作爲指 紋感應器，則可計算出指紋的凹凸爲50μηι程度’指紋的 (36) 1233981 谷部來到靜電電容檢測裝置表面時的對象物電容CA爲 0.54 fF。另一方面，訊號放大用MIS薄膜半導體裝置的閘 極電極長L爲7μιη。此内基準電容器部（L!)爲4·5μηι， 電晶體部（通道形成領域長L2 )爲2.5 μπι。由於閘極電極 寬W爲ΙΟμηι，因此電晶體電容CT與基準電容器電容CR 的和大槪會形成5 3 · 7 fF。如此一來，本實施例所示的靜電 電容檢測元件會符合CD〉l〇x (CR + CT) >l〇〇xCA的關係。 若電源電壓vdd爲3 .3V，則當指紋的山部接觸於靜電電容 檢測裝置表面時施加於訊號放大用MIS薄膜半導體裝置 的閘極電極的電壓VGT會形成0· 1 6V，當指紋的谷部來到 時施加於此閘極電極的電壓VGV會形成3.22V。 圖11是表示本實施例中所使用之MIS型薄膜半導體 裝置的傳達特性。輸出訊號用位移暫存器爲CMOS構成， 訊號放大用MIS型薄膜半導體裝置與輸出訊號通路閘極 用MIS型薄膜半導體裝置是以NMOS電晶體來形成。訊 號放大用N型MIS薄膜半導體裝置的最小閘極電壓Vmin 爲 0.1V，雖未符合 〇<〇.lxVdd<Vmin 的關係，但Vgt = 0.16會使汲極電流成爲ΙρΑ ( 10·12Α )以下較小的値，容易檢測出指紋的山部。另一方面，臨 界値電壓 Vth 爲 1.47V，符合 0<Vth<0.91xVdd = 3.00V 的關 係。其結果，在指紋的山部接觸於靜電電容檢測裝置表面 時從訊號放大元件所輸出的電流値會形成極微弱的 5·6χΐ(Γΐ3Α，。相反的，在指紋的谷部來時從訊號放大元 件所輸出的電流値會形成較大電流的2.4 X 1 (Γ5 A，可精度 -40- (37) 1233981 佳地檢測出指紋等的凹凸資訊。 【圖式簡單說明】 圖1是用以說明以往技術的動作原理。 圖2是用以說明本發明的動作原理。 圖3是用以說明本發明的動作原理。 | 圖4A是用以說明本發明的元件構造。 圖4B是用以說明本發明的元件構造。

圖5是用以說明本發明的原理。 I 圖6是用以說明本發明的全體構成。 圖7用以說明本發明的時脈產生器電路構成。 圖8用以說明本發明的電源選擇電路構成。 圖9用以說明本發明的輸出訊號選擇電路構成。 圖1 〇用以說明本發明的資訊採取部電路構成。 圖11是表示利用本實施例之薄膜半導體裝置的傳達 特性。 【主要元件符號說明】 Q :電荷 C F :靜電電容 C s :靜電電容 . CT :電晶體電容 CR:基準電容器電容 V d d :電源電壓 -41 - (38) (38)1233981 I :電流 C D :元件電容 V m , n :最小閘極電壓 CA :對照物電容 v t h .臨界値電壓

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Claims (1)

1233981 ⑴ 拾、申請專利範圍 1 · 一種靜電電容檢測裝置，係檢測出對應於與對象物 的距離而變化的靜電電容，而來讀取該對象物的表面形狀 之靜電電容檢測裝置，其特徵爲： 該靜電電容檢測裝置具備：配置成Μ行N列的行列 狀之Μ條的個別電源線，及Ν條的個別輸出線，以及設 置於該個別電源線與該個別輸出線的交點之靜電電容檢測 元件， 該靜電電容檢測元件包含訊號檢測元件及訊號放大元 件， 該訊號檢測元件包含電容檢測電極，電容檢測介電質 膜及基準電容器， 該基準電容器係由：基準電容器第一電極，基準電容 器介電質膜及基準電容器第二電極所構成， 該訊號放大元件係由訊號放大用MIS型薄膜半導體 裝置所構成，該訊號放大用MIS型薄膜半導體裝置係由 閘極電極，閘極絕緣膜及半導體膜所構成。 2 .如申請專利範圍第1項之靜電電容檢測裝置，其中 上述訊號放大用MIS型薄膜半導體裝置的汲極領域係電 性連接至上述個別電源線與基準電容器第一電極， 上述訊號放大用閘極電極係連接至上述電容檢測電極 與基準電容器第二電極。 3 .如申請專利範圍第1或2項之靜電電容檢測裝置， 其中上述基準電容器的介電質膜與上述訊號放大用MIS (2) 1233981 型薄膜半導體裝置的閘極絕緣膜係以同一素材來形成於同 一層上。 4 .如申請專利範圍第！或2項之靜電電容檢測裝置， 其中上述基準電容器第一電極與半導體膜汲極領域係以同 一素材來形成於同一層上。 ' 5 ·如申請專利範圍第1或2項之靜電電容檢測裝置， . 其中上述基準電谷:弟一電極與上述閘極電極係以同一^奉 材來形成於同一層上。 6 ·如申請專利範圍第1或2項之靜電電容檢測裝置， 鲁 其中上述基準電容器的電極面積爲SR (μηι2)，上述訊號 放大用MIS型薄膜半導體裝置的閘極面積爲， 上述基準電容器介電質膜的厚度爲tR ( μιη )，上述基準 電容器介電質膜的比介電係數爲εκ，上述閘極絕緣膜的 厚度爲ϊ〇χ(μιη)，上述閘極絕緣膜的比介電係數爲ε μ， 而將上述基準電容器的電容（基準電容器電容）Cr與上 述訊號放大用MIS型薄膜半導體裝置的電晶體電容cT定 義爲：CR = s〇 · sR · SR/tR CT = s〇 · ε〇χ · ST/tcx 時（ε〇 爲真 _ 空的介電係數）， 上述電容檢測電極的面積爲SD(pm2)，上述電容檢 測介電質膜的厚度爲tD(pm)，上述電容檢測介電暫膜 · 的比介電係數爲’而將上述訊號檢測元件的元件電容 Cd定義爲·· CD = s〇· ε〇· SD/tD時（ε〇爲真空的介電係數 )時， 該元件電容CD係比該基準電容器電容cR與該電晶體 -44- (3) 1233981 電容Ct的和之CR + CT還要更大。 7 ·如申請專利範圍第2項之靜電電容檢測裝置，其中 上述電容檢測介電質膜係位於上述靜電電容檢測裝置的最 表面ϋ 8 .如申請專利範圍第7項之靜電電容檢測裝置，其中 上述對象物爲不接觸於上述電容檢測介電質膜，離對象物 距離tA ’而利用真空的介電係數ε()，空氣的比介電係數 εΑ及上述電容檢測電極的面積SD來將對象物電容定 義爲： Ca = ε〇 * Sa · Sd/ϊα 時， 上述基準電容器電容CR與上述電晶體電容cT的和之 CR + CT係比該對象物電容CA還要更大。 9 ·如申請專利範圍第1或2項之靜電電容檢測裝置， 其中上述基準電容器的電極面積爲SR(pm2)，上述訊號 放大用MIS型薄膜半導體裝置的閘極面積爲sT(pm2)， 上述基準電谷益介電質膜的厚度爲tR(pm)，上述基準 電容器介電質膜的比介電係數爲εκ，上述閘極絕緣膜的 厚度爲t〇x ( μπι )，上述閘極絕緣膜的比介電係數爲ε〇)Χ， 而將上述基準電容器的電容（基準電容器電容）CR與上 述訊號放大用MIS型薄膜半導體裝置的電晶體電容Ct定 義爲：CR = s〇 · · SR/tR (：τ = ε〇 · ε〇χ · St/Ux 時（ε〇 爲真 空的介電係數）， 上述電容檢測電極的面積爲SD(Mm2)，上述電容檢 測介電質膜的厚度爲tD ( μηι )，上述電容檢測介電質膜 -45· (4) 1233981 的比介電係數爲ε D，而將上述訊號檢測元件的元件電容 疋義爲.Cd = s〇· ε〇· So/to時（ε〇爲真空的介電係數 )， 該元件電容CD係比該基準電容器電容cR與該電晶體 電容Ct的和之Cr + Ct還要更大， 且上述對象物爲不接觸於上述電容檢測介電質膜，離 對象物距離tA，而利用真空的介電係數ε〇，空氣的比介 電係數Sa及上述電容檢測電極的面積SD來將對象物電容 CA定義爲： Ca = S〇 · · Sd/^A 時’ 上述基準電容器電容cR與上述電晶體電容cT的和之 Cr + Ct係比該對象物電容CA還要更大。 1 0. —種靜電電容檢測裝置，係檢測出對應於與對象 物的距離而變化的靜電電容，而來讀取該對象物的表面形 狀之靜電電容檢測裝置，其特徵爲： 該靜電電容檢測裝置具備：配置成Μ行N列的行列 狀之Μ條的個別電源線，及Ν條的個別輸出線，以及設 置於該個別電源線與該個別輸出線的交點之靜電電容檢測 元件， 該靜電電容檢測元件包含訊號檢測元件及訊號放大元 件， 該訊號檢測元件包含電容檢測電極，電容檢測介電質 膜及基準電容器， 該基準電容器係由：基準電容器第一電極’基準電容 -46 - (5) 1233981 器介電質膜及基準電容器第二電極所構成’ 該訊號放大元件係由訊號放大用MIS型薄膜半導體 裝置所構成，該訊號放大用MIS型薄膜半導體裝置係由 閘極電極，閘極絕緣膜及半導體膜所構成， 該訊號放大用MIS型薄膜半導體裝置的汲極領域的 一部份與該閘極電極的一部份會隔著該閘極絕緣膜來形成 重疊部，該重疊部會構成該基準電容器。 1 1 .如申請專利範圍第1 〇項之靜電電容檢測裝置，其 中上述訊號放大用 MIS型薄膜半導體裝置的閘極電極與 半導體膜汲極領域的重疊部之閘極電極長爲Ll(gm)， 上述訊號放大用MIS型薄膜半導體裝置的閘極電極與半 導體膜通道形成領域的重疊部之閘極電極長爲L2 ( μπι ) ’上述閘極電極寬爲W ( μιη )，上述閘極絕緣膜的厚度 爲Ux ( μπι ) ’閘極絕緣膜的比介電係數爲ε()χ，而將上述 基準電容器的電容（基準電容器電容）CR與上述訊號放 大用MIS型薄膜半導體裝置的電晶體電容Ct定義爲： C r — ε 〇 ε。X · L 1 · W /1。x C 丁 = ε 〇 · ε。X · L 2 · W /1。X 時（ 爲真空的介電係數）， 上述電容檢測電極的面積爲3ϋ(μηι2),上述電容檢 測介電質膜的厚度爲tD ( μπι )，上述電容檢測介電質膜 的比介電係數爲sD，而將上述訊號檢測元件的元件電容 C D定義爲： CD = sG · ε〇 · SD/tD時（ε〇爲真空的介電係數）， 該元件電容CD係比該基準電容器電容Cr與該電晶體 -47- (6) 1233981 電容Ct的和之CR + Ct還要更大。 1 2 ·如申請專利範圍第1 〇項之靜電電容檢測裝置，其 中上述對象物爲不接觸於上述電容檢測介電質膜，離對象 物距離tA，而利用真空的介電係數ε〇，空氣的比介電係 數εΑ及上述電容檢測電極的面積SD來將對象物電容CA 定義爲 ： CΑ = ε〇 · εΑ · S〇/tA 時， 上述基準電容器電容CR與上述電晶體電容Ct的和之 CR + CT係比該對象物電容CA還要更大。 1 3 ·如申請專利範圍第1 0項之靜電電容檢測裝置，其 中上述電容檢測介電質膜係位於上述靜電電容檢測裝置的 最表面， 上述訊號放大用MIS型薄膜半導體裝置的閘極電極 與半導體膜汲極領域的重疊部之閘極電極長爲Ll(!Lim) ，上述訊號放大用MIS型薄膜半導體裝置的閘極電極與 半導體膜通道形成領域的重疊部之閘極電極長爲L2 ( μηι )，上述閘極電極寬爲W ( μηι )，上述閘極絕緣膜的厚 度爲Ux ( μπι )，上述閘極絕緣膜的比介電係數爲ε()χ，而 將上述訊號放大用MIS型薄膜半導體裝置的基準電容器 電容CR與電晶體電容Ct定義爲： Cr = s〇 · εοχ · Li · W/tox CT = s0 · εοχ · L2 · W/tox 時（ 爲真空的介電係數）， 上述電容檢測電極的面積爲SD( μηι2 )，上述電容檢 測介電質膜的厚度爲tD ( μιΏ )，上述電容檢測介電質膜 -48- (7) 1233981 的比介電係數爲sD ’而將上述訊號檢測元件的元件電容 Cd定義爲： CD = SG · · S/tD時（ε〇爲真空的介電係數）， 該元件電容CD係比該基準電容器電容Cr與該電晶體 電容Ct的和之CR + CT還要更大， 且上述對象物爲不接觸於上述電容檢測介電質膜，離 — 對象物距離tA，而利用真空的介電係數ε()，空氣的比介 電係數ε a及上述電容檢測電極的面積s D來將對象物電容 CA定義爲： 鲁 C Α = ε 0 · 8a · Si)/tA 時， 該基準電容器電容CR與該電晶體電容Ct的和之 CR + CT係比該對象物電容CA還要更大。 -49-