TWI557625B - 電容式指紋辨識之結構及其製造方法 - Google Patents

Description

電容式指紋辨識之結構及其製造方法

本發明為一種電容式指紋辨識技術，尤指一種藉由高介電（high-k dielectric）材料以增加靈敏度之電容式指紋辨識之結構及其製造方法。

按， 指紋（fingerprint）是靈長類動物指腹末端皮膚的紋路，一般也指這些紋路在物體上所留下的印痕。古今中外所有人的指紋都是獨一無二的，指紋紋路的形狀與DNA有關，但卻無法藉由解析DNA來重建指紋的紋路形狀。

藉由指紋具有差異性以及穩定性的特性，早在中國古代便用於身份確認，當時的人們主要用指紋來畫押，直到西方近代，1980以後警察逐漸將指紋作為辨識罪犯的方法之一。隨著科技的進步，利用各式各樣電子裝置來實現即時的身分認證需求已成為目前重要的課題，例如：網路認證、門禁認證、智慧型手機保全認證等等。

為了要能夠辨別指紋上的紋路，目前技術上主要可以分為光學式以及電容式之兩種方式。其中，光學式的設計早於電容式，1970年代的光學式的指紋辨識架構係利用三稜鏡、光源以及感光元件來記錄指紋，當進行指紋辨識時，係將手指按壓於三稜鏡上，並藉由光源反射讓手指指紋的脊部顯示出來，最後，再透過感光元件來截取影像。由於光學式的指紋採集方式並非接觸晶片本身，其主要利用玻璃或是壓克力等光學元件所構成，因此，相較於電容式其結構簡單且硬體價格低廉。然而，光學式指紋辨識技術體積較大，無法應用在手持式電子裝置上。

而電容式即利用半導體晶片式感測器（Semiconductor Sensor）來感測指紋，其原理係將高密度的電極陣列整合於一晶片中，當使用者進行指紋辨識時，係將手指按壓在該晶片表面，利用辨識指紋脊部、谷部與晶片上相對電極陣列之間的電容差異，以完成指紋紋路影像的擷取。電容式指紋辨識技術的優點為小型化以及薄型化，可被大量應用在手持式電子裝置上，然而其卻有成本高以及靈敏度不佳的問題。

請參閱中華民國專利第I475573號，專利名稱為高感度電容式觸控元件的製程，其揭露一種高感度電容式觸控元件及其製程，該觸控元件包含垂直堆疊的感應層、保護層以及高介電材料膜。該高介電材料膜係以鍍膜方式形成在該感應層或該保護層之表面，使物件碰觸該觸控元件時所引起的電容值變化量增大，因而提高感度。

於該專利先前技術中即提及，欲增加C Press 的大小，可以減小感應層與手指之間的距離、增加感應層的面積、或選擇高介電常數的保護層。然而，雖然該專利藉由高介電常數的保護膜企圖增加電容式觸控元件的感度，但卻也因此造成保護膜厚度過厚的問題。

是以，要如何解決上述習用之問題與缺失，即為本發明之發明人與從事此行業之相關廠商所亟欲研究改善之路徑所在者。

故，本發明之發明人有鑑於上述缺失，乃搜集相關資料，經由多方評估及考量，並以從事於此行業累積之多年經驗，經由不斷試作及修改，始設計出此種發明專利者。

本發明之目的在於提供一種藉由高介電（high-k dielectric）材料以增加靈敏度之電容式指紋辨識之結構及其製造方法。

為了前述或其他目的，本發明一種電容式指紋辨識之結構，包括：複數感測電極，係形成為陣列排列，用以作為指紋辨識區域；一第一保護層，係設置於該複數感測電極之上，該第一保護層設置有至少一溝槽，該至少一溝槽係對應設置於該複數感測電極位置處之上；以及一介電材料層，係設置於該第一保護層之上，並且該介電材料層係填充於該至少一溝槽，其中該介電材料層之介電係數為4-20之間。

在一較佳實施例中，更包括複數靜電損害防護層，係設置於該第一保護層之上。

在一較佳實施例中，其中該介電材料層包括一第一介電材料層以及一第二介電材料層。

在一較佳實施例中，其中該第一保護層包括氧化矽以及氮化矽交替堆疊所製造而成。

在一較佳實施例中，其中該介電材料層係為鈦酸鋇（BaTiO ₃）、氧化鐵（Fe ₂O ₃）、鈦酸鍶（SrTiO ₃）或氮化矽（Si ₃N ₄）。

在一較佳實施例中，其中該至少一溝槽深度係設置為0.5μm至20μm之間。

在一較佳實施例中，其中該介電材料層之介電係數為8-15之間。

以及，為了前述或其他目的，本發明一種電容式指紋辨識之結構製造方法，包括以下步驟：（a）提供複數感測電極，係形成為陣列排列；（b）形成一第一保護層設置於該複數感測電極之上；（c）蝕刻該第一保護層以形成至少一溝槽，該至少一溝槽係對應形成於該複數感測電極位置處之上；以及（d）形成一介電材料層於該第一保護層之上，並且該介電材料層係填充於該至少一溝槽，其中該介電材料層之介電係數為4-20之間。

在一較佳實施例中，其中該步驟（b）中之該第一保護層包括以下步驟所形成：（b1）形成一氧化矽層；以及（b2）形成一氮化矽層設置於該氧化矽層之上。

在一較佳實施例中，其中該介電材料層係為鈦酸鋇（BaTiO ₃）、氧化鐵（Fe ₂O ₃）、鈦酸鍶（SrTiO ₃）或氮化矽（Si ₃N ₄）。

再者，為了前述或其他目的，本發明一種電容式指紋辨識之結構製造方法，包括以下步驟：（01）提供複數感測電極，係形成為陣列排列；（02）形成一第一保護層設置於該複數感測電極之上；（03）形成複數靜電損害防護層設置於該第一保護層之上；（04）蝕刻該第一保護層以形成至少一溝槽，該至少一溝槽係對應形成於該複數感測電極位置處之上；（05）形成一第二保護層設置於該複數感測電極、該第一保護層以及該複數靜電損害防護層之上；以及（06）形成一介電材料層於該第二保護層之上，並且該介電材料層係填充於該至少一溝槽，其中該介電材料層之介電係數為4-20之間。

其中，由於本發明之該第一保護層設置有至少一溝槽，該至少一溝槽係對應設置於該複數感測電極位置處之上，且該介電材料層係填充於該至少一溝槽。藉此高介電（high-k dielectric）材料，可有效提升本發明電容式指紋辨識之靈敏度。

為達成上述目的及功效，本發明所採用之技術手段及構造，茲繪圖就本發明較佳實施例詳加說明其特徵與功能如下，俾利完全了解。

請參閱圖1所示，圖1係為依據本發明電容式指紋辨識之結構第一較佳實施例之實施示意圖，由圖中可清楚看出， 本發明一種電容式指紋辨識之結構，為一種半導體晶片式感測器（Semiconductor Sensor），用以擷取人體指紋紋路影像，該電容式指紋辨識之結構包括：複數感測電極1、一第一保護層2以及一介電材料層3。

該複數感測電極1係形成為陣列排列，用以作為指紋辨識區域。較佳地，其中該複數感測電極1係可以N*N的方形矩陣形狀排列，為了確保辨識人體指紋的準確率，在每英吋（inch）的面積當中的複數感測電極1數量可超過300個，但不限於此。而該複數感測電極1採用高導電率金屬材料，例如銀或銅等材料，為了成本與實用性考量，採用銅作為該複數感應電極的材料，但不限於此。藉此結構，該複數感測電極1可用以辨識人體手指指紋脊部、谷部與半導體晶片式感測器上相對電極陣列之間的電容差異，所謂「脊部」指人體手指指紋的凸出部分，而所謂「谷部」指人體手指指紋的凹入部分。

該第一保護層2係設置於該複數感測電極1之上，該第一保護層2可採用矽氧氮化物所沉積製造而成，或者也可以由氧化矽以及氮化矽交替堆疊沉積所製造而成，該第一保護層2的厚度可根據實際情況來進行設置。該第一保護層2的功用為保護該複數感測電極1，防止外界的損傷。該第一保護層2設置有至少一溝槽21，該至少一溝槽21係對應設置於該複數感測電極1位置處之上。於本實施例中，該溝槽21係設置為一個，但為兩個以上也為可行的方案。而該至少一溝槽21深度係設置為0.5μm至20μm之間，但不限於此。

該介電材料層3係設置於該第一保護層2之上，並且該介電材料層3係填充於該至少一溝槽21，其中該介電材料層3之介電係數為4-20之間。於本實施例中，該介電材料層3採用高介電（high-k dielectric）材料，此高介電材料可有效提升本發明電容式指紋辨識之靈敏度。其中高介電係為了符合現今電子裝置輕、薄、短、小的趨勢，電容值無法在面積擴增以及厚度縮減下提升，因此尋找高介電常數的新材料以滿足電容值的需求，進一步提高本發明電容式指紋辨識之靈敏度。

所謂「介電材料層3」可採用的材料相當多，可根據不同的應用來選用不同的材料，例如可選用高硬度材料以達耐刮需求、可選用疏水性材料以達自潔，可選用物理以及化學性質穩定、可選用無毒等等優良特性材料，具體可為鈦酸鋇（BaTiO ₃）、氧化鐵（Fe ₂O ₃）、鈦酸鍶（SrTiO ₃）或氮化矽（Si ₃N ₄）等等，但不限於此。而製造方法可包括以物理性沉積、化學性沉積、塗佈、浸泡、化學置換或是噴灑等等方式設置於該第一保護層2之上。而其介電係數例如可為4-20之間，較佳地，可為8-15之間或是9-14、10-13、11-12之間。

再者，本發明電容式指紋辨識之結構更包括複數靜電損害（electrostatic damage）防護層11，係設置於該第一保護層2之上，且與該複數感測電極1為交錯設置靜電對電子裝置的傷害一直是不易解決的問題，當正常的電子裝置操作時，一旦收到靜電放電的作用時，常常會出現一些不穩定的操作現象，例如功能突然失效等等，輕則重新開機可以排除，重則可能造成電子裝置的損害，因此，本發明電容式指紋辨識之結構利用複數靜電損害防護層11來避免靜電損害。該複數靜電損害防護層11係可電性連接至外部接地，用以將多餘的電荷或是累積的電荷導出，避免對本發明電容式指紋辨識之結構產生傷害。而該複數靜電損害防護層11採用高導電率金屬材料，例如銀或銅等材料，為了成本與實用性考量，採用銅作為該複數靜電損害防護層11的材料，但不限於此。需要特別說明的是，該複數靜電損害防護層11並非本發明的必要元件，若不設置該複數靜電損害防護層11同樣可達到本發明之功效。

請參閱圖2以及3，係為依據本發明電容式指紋辨識之結構第二以及第三較佳實施例之實施示意圖，由圖中可清楚看出，本發明一種電容式指紋辨識之結構其大約相同於前一實施例，於本段說明中不再贅述，將只說明不同處。該介電材料層3包括一第一介電材料層31以及一第二介電材料層32，其中該第一介電材料層31可為鈦酸鋇（BaTiO ₃）、氧化鐵（Fe ₂O ₃）、鈦酸鍶（SrTiO ₃）或氮化矽（Si ₃N ₄），但不限於此；以及該第二介電材料層32可為鈦酸鋇（BaTiO ₃）、氧化鐵（Fe ₂O ₃）、鈦酸鍶（SrTiO ₃）或氮化矽（Si ₃N ₄），但不限於此；介電係數可分別為8-15之間或是9-14、10-13、11-12之間，但不限於此。

請參閱圖4以及5，係為依據本發明電容式指紋辨識之結構第四以及第五較佳實施例之實施示意圖，由圖中可清楚看出，本發明一種電容式指紋辨識之結構其大約相同於前一實施例，於本段說明中不再贅述，將只說明不同處。本發明該第一保護層2之該溝槽21深度係設置為0.5μm至20μm之間，而該溝槽21深度可如第一較佳實施例中連接於該複數感測電極1、深度可如第四較佳實施例中為該第一保護層2的一半、或者深度可如第五較佳實施例中為該第一保護層2的四分之三。

請同時參閱圖6，係為依據本發明電容式指紋辨識之結構製造方法第一較佳實施例之流程圖，請同時配合參考圖1之電容式指紋辨識之結構，由圖中可清楚看出，本發明電容式指紋辨識之結構製造方法包括以下步驟： （a）提供複數感測電極1，係形成為陣列排列； （b）形成一第一保護層2設置於該複數感測電極1之上； （c）蝕刻該第一保護層2以形成至少一溝槽21，該至少一溝槽21係對應形成於該複數感測電極1位置處之上；以及 （d）形成一介電材料層3於該第一保護層2之上，並且該介電材料層3係填充於該至少一溝槽21，其中該介電材料層3之介電係數為4-20之間。

於該步驟（a）中，提供複數感測電極1，係形成為陣列排列，用以作為指紋辨識區域。其中該複數感測電極1係可以N*N的方形矩陣形狀排列，為了確保辨識人體指紋的準確率，在每英吋（inch）的面積當中的複數感測電極1數量可超過300個，但不限於此。而該複數感測電極1採用高導電率金屬材料，例如銀或銅等材料，為了成本與實用性考量，採用銅作為該複數感應電極的材料，但不限於此。

於該步驟（b）中，形成一第一保護層2設置於該複數感測電極1之上，該第一保護層2可採用矽氧氮化物所沉積製造而成，或者也可以由氧化矽以及氮化矽交替堆疊沉積所製造而成。該第一保護層2的厚度可根據實際情況來進行設置。第一保護層2的功用為保護該複數感測電極1，防止外界的損傷。

於該步驟（c）中，蝕刻該第一保護層2以形成至少一溝槽21，該至少一溝槽21係對應形成於該複數感測電極1位置處之上。於本實施例中，該溝槽21係設置為一個，但為兩個以上也為可行的方案。而該至少一溝槽21深度係設置為0.5μm至20μm之間，但不限於此。

於該步驟（d）中，形成一介電材料層3於該第一保護層2之上，並且該介電材料層3係填充於該至少一溝槽21，其中該介電材料層3之介電係數為4-20之間。該介電材料可為鈦酸鋇（BaTiO ₃）、氧化鐵（Fe ₂O ₃）、鈦酸鍶（SrTiO ₃）或氮化矽（Si ₃N ₄）等等，但不限於此。而製造方法可包括以物理性沉積、化學性沉積、塗佈、浸泡、化學置換或是噴灑等等方式設置於該第一保護層2之上。而其介電係數例如可為4-20之間，較佳地，可為8-15之間或是9-14、10-13、11-12之間。

請同時參閱圖7至12，係為依據本發明電容式指紋辨識之結構製造方法第二較佳實施例之實施示意圖一至六，由圖中可清楚看出，本發明一種電容式指紋辨識之結構製造方法更包括步驟： （01）提供複數感測電極1，係形成為陣列排列； （02）形成一第一保護層2設置於該複數感測電極1之上； （03）形成複數靜電損害防護層11設置於該第一保護層2之上； （04）蝕刻該第一保護層2以形成至少一溝槽21，該至少一溝槽21係對應形成於該複數感測電極1位置處之上； （05）形成一第二保護層22設置於該複數感測電極1、該第一保護層2以及該複數靜電損害防護層11之上；以及 （06）形成一介電材料層3於該第二保護層22之上，並且該介電材料層3係填充於該至少一溝槽21，其中該介電材料層3之介電係數為4-20之間。

於本實施例中，其大約相同於前一實施例，不再贅述，於本段說明中將只說明不同處。當形成該第一保護層2設置於該複數感測電極1之上後，更形成複數靜電損害防護層11設置於該第一保護層2之上，並且，蝕刻該第一保護層2以形成至少一溝槽21之後，更形成一第二保護層22設置於該複數感測電極1、該第一保護層2以及該複數靜電損害防護層11之上。其中，該第二保護層22可採用矽氧氮化物所沉積製造而成，或者也可以由氧化矽以及氮化矽交替堆疊沉積所製造而成。

與前一實施例相較之下，本實施例中增加形成該複數靜電損害防護層11以及該第二保護層22。但需要特別說明的是，該複數靜電損害防護層11以及該第二保護層22並非本發明的必要元件，若不設置該複數靜電損害防護層11以及該第二保護層22同樣可達到本發明之功效。

故，請參閱全部附圖所示，本發明使用時，與習用技術相較，著實存在下列優點：本發明藉由高介電（high-k dielectric）材料填充於該至少一溝槽21，可有效增加電容式指紋辨識之靈敏度。

惟，以上所述僅為本發明之較佳實施例而已，非因此即拘限本發明之專利範圍，故舉凡運用本發明說明書及圖式內容所為之簡易修飾及等效結構變化，均應同理包含於本發明之專利範圍內，合予陳明。

1‧‧‧感測電極
11‧‧‧靜電損害防護層
2‧‧‧第一保護層
21‧‧‧溝槽
22‧‧‧第二保護層
3‧‧‧介電材料層
31‧‧‧第一介電材料層
32‧‧‧第二介電材料層
a~d‧‧‧步驟

〔圖1〕係為依據本發明電容式指紋辨識之結構第一較佳實施例之實施示意圖； 〔圖2〕係為依據本發明電容式指紋辨識之結構第二較佳實施例之實施示意圖； 〔圖3〕係為依據本發明電容式指紋辨識之結構第三較佳實施例之實施示意圖； 〔圖4〕係為依據本發明電容式指紋辨識之結構第四較佳實施例之實施示意圖； 〔圖5〕係為依據本發明電容式指紋辨識之結構第五較佳實施例之實施示意圖； 〔圖6〕係為依據本發明電容式指紋辨識之結構製造方法第一較佳實施例之流程圖； 〔圖7〕係為依據本發明電容式指紋辨識之結構製造方法第二較佳實施例之實施示意圖一； 〔圖8〕係為依據本發明電容式指紋辨識之結構製造方法第二較佳實施例之實施示意圖二； 〔圖9〕係為依據本發明電容式指紋辨識之結構製造方法第二較佳實施例之實施示意圖三； 〔圖10〕係為依據本發明電容式指紋辨識之結構製造方法第二較佳實施例之實施示意圖四； 〔圖11〕係為依據本發明電容式指紋辨識之結構製造方法第二較佳實施例之實施示意圖五；以及 〔圖12〕係為依據本發明電容式指紋辨識之結構製造方法第二較佳實施例之實施示意圖六。

1‧‧‧感測電極

11‧‧‧靜電損害防護層

2‧‧‧第一保護層

21‧‧‧溝槽

3‧‧‧介電材料層

Claims (9)

1. 一種電容式指紋辨識之結構，包括：複數感測電極，係形成為陣列排列，用以作為指紋辨識區域；一第一保護層，係設置於該複數感測電極之上，該第一保護層設置有至少一溝槽，該至少一溝槽係對應設置於該複數感測電極位置處之上；以及一介電材料層，係設置於該第一保護層之上，並且該介電材料層係填充於該至少一溝槽，其中該介電材料層之介電係數為4-20之間；其中該第一保護層包括氧化矽以及氮化矽交替堆疊所製造而成。
2. 如申請專利範圍第1項所述之電容式指紋辨識之結構，更包括複數靜電損害防護層，係設置於該第一保護層之上。
3. 如申請專利範圍第1項所述之電容式指紋辨識之結構，其中該介電材料層包括一第一介電材料層以及一第二介電材料層。
4. 如申請專利範圍第1項所述之電容式指紋辨識之結構，其中該介電材料層係為鈦酸鋇(BaTiO₃)、氧化鐵(Fe₂O₃)、鈦酸鍶(SrTiO₃)或氮化矽(Si₃N₄)。
5. 如申請專利範圍第1項所述之電容式指紋辨識之結構，其中該至少一溝槽深度係設置為0.5μm至20μm之間。
6. 如申請專利範圍第1項所述之電容式指紋辨識之結構，其中該介電材料層之介電係數為8-15之間。
7. 一種電容式指紋辨識之結構製造方法，包括以下步驟：(a)提供複數感測電極，係形成為陣列排列；(b)形成一第一保護層設置於該複數感測電極之上； (c)蝕刻該第一保護層以形成至少一溝槽，該至少一溝槽係對應形成於該複數感測電極位置處之上；以及(d)形成一介電材料層於該第一保護層之上，並且該介電材料層係填充於該至少一溝槽，其中該介電材料層之介電係數為4-20之間。
8. 如申請專利範圍第7項所述之電容式指紋辨識之結構製造方法，其中該介電材料層係為鈦酸鋇(BaTiO₃)、氧化鐵(Fe₂O₃)、鈦酸鍶(SrTiO₃)或氮化矽(Si₃N₄)。
9. 一種電容式指紋辨識之結構製造方法，包括以下步驟：(01)提供複數感測電極，係形成為陣列排列；(02)形成一第一保護層設置於該複數感測電極之上；(03)形成複數靜電損害防護層設置於該第一保護層之上；(04)蝕刻該第一保護層以形成至少一溝槽，該至少一溝槽係對應形成於該複數感測電極位置處之上；(05)形成一第二保護層設置於該複數感測電極、該第一保護層以及該複數靜電損害防護層之上；以及(06)形成一介電材料層於該第二保護層之上，並且該介電材料層係填充於該至少一溝槽，其中該介電材料層之介電係數為4-20之間。