一种半导体指纹传感器及电路的制作方法

本发明涉及半导体芯片领域，尤其涉及一种成本优化的半导体指纹传感器及电路。

背景技术：

近些年来，半导体指纹传感器已经广泛应用手机、智能锁、箱包、金融、公安等身份识别与验证领域。伴随着半导体指纹传感器的普及应用，指纹模组和终端设备价格竞争日渐加剧，从而也对传感器的成本提出了更严苛的要求。

目前惯用的方法是通过缩减芯片面积来降低成本，以智能锁中大量采用的指纹传感器为例，传感器的手指采集区域为192*192个采集点，按照标准的图像分辨率508dpi计算，每个采集点的尺寸为50um*50um，指纹采集区的整体尺寸为9.6mm*9.6mm。该尺寸由采集区的采集点数量决定，不能随意对其进行优化。信号处理与采集控制电路的尺寸按9.6mm*0.5mm进行估算，如果对电路的面积优化了20％，电路尺寸变为9.6mm*0.4mm，电路尺寸虽然缩小了20％，但整体芯片面积也只缩小了1％。

因此，本领域的技术人员致力于开发一种半导体指纹传感器，在不影响芯片功能和缩减芯片面积的情况下达到了降低生产成本的目的。

技术实现要素：

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是生产一种半导体指纹传感器，在不影响芯片功能和缩减芯片面积的情况下降低生产成本。

为实现上述目的，发明人经研究发现，通过优化传统半导体指纹传感器电路设计来减小芯片面积的方法，对于降低指纹传感器芯片成本的效果并不明显。掩膜版(mask)的层次对于芯片的生产成本影响比较大，所以通过优化半导体指纹传感器的结构，减少芯片制造掩膜版层次来降低芯片生产成本可能是一个可行的降成本思路。因为这个办法只需在芯片设计阶段修改传感器芯片的版图设计，无需芯片制造工厂增加工艺步骤和更改生产条件，就可以减少掩膜版层次，可实现性强。

在本发明的一个实施例中，设计了一种半导体指纹传感器，包括m层多晶硅层和n层金属层，相邻金属层之间设置介质层(imd)，除第n金属层和第n-1金属层之间以外，其他相邻金属层之间设有通孔层，m为大于0的整数，n为大于1的整数。相对于传统半导体指纹传感器，本实施例的半导体指纹传感器去除了第n金属层和第n-1金属层之间通孔层，所以在生产时，掩膜版就减少了一层。

可选地，在上述实施例中的半导体指纹传感器中，该半导体指纹传感器包括指纹采集区，电路区和pad区，指纹采集区布有多个指纹采集点，指纹采集点表面为第n-1金属层，每个指纹采集点之间采用第n层金属形成静电防护(esd)网，电路区布有电路，控制指纹的采集和处理指纹信号，将每个指纹采集点与被测手指之间的电容量转化成模拟电压量，再通过模数转换器(adc)转化成数字信号；电路区表面为第n金属层覆盖，pad区由静电防护(esd)pad和功能性pad(generalpad)组成，静电防护(esd)pad表面为第n层金属，功能性pad(generalpad)表面为第n-1层金属，静电防护(esd)pad用于将表面的第n金属层形成的esd防护层与外部的连接，功能性pad(generalpad)用于半导体指纹传感器内部电路与外部的信号传输，上述静电防护(esd)网通过第n层金属与静电防护(esd)pad相连，可以对指纹采集区进行静电防护；第n金属层与半导体指纹传感器内部电路之间有imd层进行隔离，无电气连接，用于防止来自外部的静电释放对芯片造成损伤。

所谓pad是指裸芯片(未封装芯片)的管脚，每一个pad用于传导一个输入或输出信号，pad对内与半导体指纹传感器内部电路的输入或输出信号相连(如spi接口的mosi信号)，对外通过封装绑线一端打在pad上，另一端打在半导体指纹传感器封装管壳上的金属引脚，引脚最终与外部电路相连，实现半导体指纹传感器内部信号线与外部的连接。

进一步地，在上述实施例中的半导体指纹传感器中，封装绑线一般为金线，也可以使用铜线和铝线。

进一步地，在上述实施例中的半导体指纹传感器中，第n金属层和上述指纹采集区的表面覆盖钝化层(passivation)，用于半导体指纹传感器的物理保护，每一个钝化层打开(passivationopen)的地方就对应一个pad。

可选地，在上述任一实施例中的半导体指纹传感器中，pad的数量由半导体指纹传感器与外界交互的信号数量决定，一般在10～40个左右。

可选地，在上述任一实施例中的半导体指纹传感器中，pad一般分布在半导体指纹传感器的同一侧，也可以分布在半导体指纹传感器的两侧，pad之间的间距由芯片制造厂和封装厂的加工技术水平决定，一般不小于50um。

可选地，在上述任一实施例中的半导体指纹传感器中，静电防护(esd)pad和功能性pad(generalpad)的表面覆盖的钝化层(passivation)通过加工工艺被去除。

进一步地，在上述实施例中的半导体指纹传感器中，上述加工工艺为pad打开掩膜版(padopenmask)定位蚀刻。

可选地，在上述任一实施例中的半导体指纹传感器中，通孔层(via)用于连接相邻金属层，每一层通孔层(via)带有形状信息的层次，由该层对应的掩膜版(mask)来定义层次的信息，通过光刻显影等工艺步骤来生产实现。

可选地，在上述任一实施例中的半导体指纹传感器中，静电防护(esd)pad的数量为大于2的偶数，对称布置在所述功能性pad(generalpad)的两侧，目的是为了增强静电防护(esd)pad的电流传导能力和电流密度均匀性，静电防护(esd)pad的数量优选为4个。

可选地，在上述任一实施例中的半导体指纹传感器中，功能性pad(generalpad)包括处理模拟信号的pad和处理数字信号的pad，处理模拟信号的pad和处理数字信号的pad分开布置，不能交叉混合，避免相互干扰。

可选地，在上述任一实施例中的半导体指纹传感器中，介质层(imd)和钝化层由绝缘材料构成。

进一步地，在上述实施例中的半导体指纹传感器中，绝缘材料为sio2或si3n4。

在本发明的另一个实施例中，提供了一种电路，使用上述任一实施例中的半导体指纹传感器。

本发明通过优化半导体指纹传感器的结构，去除了第n金属层和第n-1金属层之间通孔层，减少了芯片制造掩膜版层次，只需在芯片设计阶段修改传感器芯片的版图设计，无需芯片制造工厂增加工艺步骤和更改生产条件，降低了半导体指纹传感器生产成本。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1是图示根据示例性实施例的常规半导体指纹传感器的俯视图；

图2是图示根据示例性实施例的常规半导体指纹传感器蚀刻前后pad区的剖面图；

图3是图示根据示例性实施例的本发明的半导体指纹传感器的俯视图；

图4是图示根据示例性实施例的本发明的半导体指纹传感器蚀刻前后pad区的剖面图；

图5是图示根据示例性实施例的电路图。

具体实施方式

以下参考说明书附图介绍本发明的多个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。

在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方示意性地适当夸大了部件的厚度。

以智能锁中采用的常规半导体指纹传感器为例，图1为常规半导体指纹传感器101的俯视图，图2为常规半导体指纹传感器101的pad区剖面图。

常规半导体指纹传感器101为1p3m结构，即包括1层多晶硅层和3层金属层，相邻金属层之间设置一层介质层(imd)，即imd1306和imd2307，imd1306位于第1金属层301和第2金属层302之间，imd2307位于第2金属层302和第3金属层303之间，第1金属层301和第2金属层302之间设有通孔层1(via1)304，第2金属层302和第3金属层303之间设有通孔层2(via2)305。为了对半导体指纹传感器101进行物理保护，在第3金属层303和指纹采集区104的表面覆盖钝化层(passivation)308，从图1可以看到，每一个钝化层308打开(passivationopen)的地方对应一个pad，使用pad开孔掩膜版309，沿紫外线照射方向310进行蚀刻加工，加工后得到图2中右边的剖面图形。

该常规半导体指纹传感器101包括指纹采集区104，电路区103和pad区102，指纹采集区104布有多个指纹采集点105，指纹采集点105表面采用第2金属层302，电路区103布有电路，负责指纹的采集控制和指纹信号的处理，电路将每个指纹采集点105与被测手指之间的电容量转化成模拟电压量，再通过模数转换器(adc)转化成数字信号；电路区103和pad区102被第3金属层303覆盖；pad区102由静电防护(esd)pad311和功能性pad(generalpad)312组成，静电防护(esd)pad311用于其表面的第3金属层形成的esd防护层与外部的连接，功能性pad(generalpad)312用于半导体指纹传感器101内部电路与外部的信号传输；第3金属层303与半导体指纹传感器101内部电路无电气连接，其间设置imd2307进行隔离，用于防止来自外部的静电释放对芯片造成损伤。通过padopenmask(pad打开掩膜版)进行定位蚀刻，去掉pad区102上方的钝化层(passivation)308，这样第3金属层303直接暴露。

常规半导体指纹传感器101的指纹采集区104为192*192个指纹采集点105，按照标准的图像分辨率508dpi计算，每个指纹采集点105的尺寸为50um*50um，指纹采集区104的整体尺寸为9.6mm*9.6mm。电路区103的尺寸按9.6mm*0.5mm进行估算，可见电路区103占常规半导体指纹传感器101总面积的比例很小。目前一般的做法是对电路区103的面积进行优化，可以计算，即使电路区103的面积优化了20％，电路尺寸变为9.6mm*0.4mm，但整体常规半导体指纹传感器101的面积也只缩小了1％。所以通过优化电路区104面积来降低芯片的成本收效甚微。

发明人经分析发现，掩膜版(mask)的层次对于芯片的生产成本影响比较大，通过优化半导体指纹传感器的结构，减少芯片制造掩膜版层次来降低芯片生产成本是一个可行的降成本思路。这个办法只需在芯片设计阶段修改传感器芯片的版图设计，无需芯片制造工厂增加工艺步骤和更改生产条件，就可以减少掩膜版层次，可实现性强。

发明人设计了一种半导体指纹传感器，如图3和图4所示，图3为本发明实施例半导体指纹传感器601的俯视图，图4为本发明实施例半导体指纹传感器601的pad区剖面图，该半导体指纹传感器601为1p3m结构，即包括1层多晶硅层和3层金属层，相邻金属层之间设置一层介质层(imd)，即imd1306和imd2307，imd1306位于第1金属层301和第2金属层302之间，imd2307位于第2金属层302和第3金属层303之间，第1金属层301和第2金属层302之间设有通孔层1(via1)304。相对于传统半导体指纹传感器101，本实施例的半导体指纹传感器601去除了第3金属层和第2金属层之间通孔层2(via2)305，所以在生产时，掩膜版就减少了一层。

由图3可以看出，半导体指纹传感器601功能区分布和常规半导体指纹传感器101相同，包括指纹采集区104，电路区103和pad区102，指纹采集区104布有多个指纹采集点105，指纹采集点105表面采用第2金属层302，电路区103布有电路，负责指纹的采集控制和指纹信号的处理，电路将每个指纹采集点105与被测手指之间上的电容量转化成模拟电压量，再通过模数转换器(adc)转化成数字信号；电路区103被第3金属层303覆盖；pad区102由静电防护(esd)pad401和功能性pad(generalpad)402组成，静电防护(esd)pad401表面为第3金属层303，用于其表面的第3金属层形成的esd防护层与外部的连接，功能性pad(generalpad)402表面为第2金属层302，用于半导体指纹传感器601内部电路与外部的信号传输；第3金属层303与半导体指纹传感器601内部电路无电气连接，其间设置imd2307进行隔离，用于防止来自外部的静电释放对芯片造成损伤。

考虑到对半导体指纹传感器601进行物理保护，可以在第3金属层303和指纹采集区104的表面覆盖钝化层(passivation)308，从图3可以看到，每一个钝化层(passivation)308打开(passivationopen)的地方就对应一个pad，使用pad开孔掩膜版309，沿紫外线照射方向310进行蚀刻加工，加工后得到图4中右边的剖面图形。

通过加工工艺，去掉通孔层2(via2)305，同时去掉功能性pad(generalpad)402上的第3金属层303，此时第2金属层302作为顶层金属。静电防护(esd)pad401仅由第3金属层303组成，和传统半导体指纹传感器101中相比，缺少了通孔层2(via2)305，放置于其下面的第1金属层301和第2金属层302以及通孔层1(via1)304与静电防护(esd)pad401(第3金属层303)不构成连接；功能性pad(generalpad)402由第1金属层301、第2金属层302和通孔层1(via1)304组成。通过加工工艺，去掉静电防护(esd)pad401和功能性pad(generalpad)402表面覆盖的钝化层(passivation)308，静电防护(esd)pad401将第3金属层303暴露出来，通过绑线，实现半导体指纹传感器601顶层的esd防护层(第3金属层)与外部的连接，功能性pad(generalpad)402将第2金属层302暴露出来，通过绑线，实现半导体指纹传感器601内部电路与外部的信号传输。

在上述实施例中，pad打开掩膜版(padopenmask)定位蚀刻是上述加工工艺一种方式。

在上述实施例中，pad的数量由芯片与外界交互的信号数量决定。指纹传感器的pad个数一般在10～40个，分布在半导体指纹传感器601的同一侧，在某些场景下也可以分布在半导体指纹传感器601的两侧。pad之间的间距由制造厂和封装厂的加工技术水平决定，优选不小于50um。

在上述实施例中，静电防护(esd)pad401的数量为偶数，优选为4个，采用增强静电防护(esd)pad401的电流传导能力和电流密度均匀性的设置方式，优选对称设置在功能性pad(generalpad)402的两侧。

在上述实施例中，对于功能性pad(generalpad)402，包括处理模拟信号的pad和处理数字信号的pad，采用避免处理模拟信号的pad和处理数字信号的pad之间的相互干扰的设置方式，优选处理模拟信号的pad和处理数字信号的pad分开设置，不能交叉混合。

在上述实施例中，介质层imd1306和imd2307和钝化层(passivation)308由绝缘材料构成，优选绝缘材料为sio2或si3n4。

基于以上实施例的半导体指纹传感器，发明人设计了一种电路，使用上述任一实施例中的半导体指纹传感器。如图5所示，指纹采集芯片和微控制单元(microcontrollerunit，mcu)等连接，实现指纹识别功能。其中mcu可以替换为具有计算和处理功能的单片机单元或芯片。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。