(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
指紋検知器装置において、
半導体基板、
前記半導体基板上に形成されている容量性センサーセルからなるアレイ、
各センサーセルを取囲んでいるグリッドラインを具備しており且つ周辺接地ラインを具備しているタングステングリッド、
前記センサーセル上に配設されており、前記タングステングリッドが埋め込まれており前記検知器装置に押圧された指紋と接触するために露出された表面部分を具備しており、前記露出された表面部部分が凹所を有している炭化珪素層、
前記炭化珪素層の前記上表面内の前記凹所内を充填するシリコン酸化物充填物、
を有しており、前記凹所内に充填されている前記シリコン酸化物充填物の表面及び前記炭化珪素層の前記凹所以外の表面が前記装置に対する滑らかな上表面を提供していることを特徴とする指紋検知器装置。
【請求項２】
請求項１において、前記炭化珪素層が前記半導体基板によって支持されている誘電体層の積層した構造の一部であり、且つ前記容量センサーセルが前記積層された構造の中間誘電体層内に埋め込まれている金属コンデンサプレートを有していることを特徴とする指紋検知器装置。
【請求項３】
請求項２において、各容量性センサーセルの金属コンデンサプレートの数が２であり且つ同一面状であることを特徴とする指紋検知器装置。
【請求項４】
請求項３において、各センサーセルの２個の金属コンデンサプレートのうちの一方がほぼＣ形状であり、且つ前記２個の金属コンデンサプレートのうちの他方が前記Ｃ形状プレートの中及び外側の部分を有していることを特徴とする指紋検知器装置。
【請求項５】
請求項４において、前記金属コンデンサプレートの各々が基本的にアルミニウムから構成されていることを特徴とする指紋検知器装置。
【請求項６】
指紋検知器の製造方法において、
その中にトランジスタ領域が画定されている半導体基板を用意し、
前記基板上に前記トランジスタを相互接続する導電層を形成し、
前記導電層の上に平坦化させた絶縁層を形成し、
前記導電層の一部へ前記平坦化させた絶縁層を貫通するビアと共に前記平坦化させた絶縁層の上に同一面状のコンデンサプレートを画定し、
前記コンデンサプレートから絶縁し且つその上方に炭化珪素層を付着させ、
前記炭化珪素層内に開口を画定し、
前記炭化珪素層上で且つその中の開口内に窒化チタン膜を付着させ、
前記窒化チタン層上にタングステン層を付着させ、
前記タングステン層を選択的にエッチバックして前記開口内を除いて前記タングステンを除去し、
前記炭化珪素層の表面上の窒化チタンを除去し前記炭化珪素層の上表面に凹所を残存させ、
前記炭化珪素層上及び前記凹所内に薄い酸化物層を付着させ、
前記炭化珪素層の高い点に到達するまで化学的機械的研磨によって前記薄い酸化物層の一部を除去し且つ前記凹所内に酸化物を残存させ、従って残存する酸化物及び前記炭化珪素層の高い点が指の指紋によって接触するための滑らかな表面を画定する、
ことを特徴とする方法。
【請求項７】
請求項６において、前記薄い酸化物層が約３６０℃乃至約４００℃の間の温度においてＣＶＤによって付着されることを特徴とする方法。
【請求項８】
請求項７において、前記薄い酸化物層が、前記炭化珪素層の上に少なくとも約２５０Åの厚さに付着されることを特徴とする方法。
【請求項９】
請求項６において、前記開口内において前記タングステン層の下側にタングステンプラグを形成してその下側の金属接地ラインへの接続を与えることを特徴とする方法。
【請求項１０】
請求項９において、前記コンデンサプレートが、金属層を付着させ且つ前記金属層の一部を選択的に除去して同一のシーケンス期間中にコンデンサプレート及び金属接地ラインを画定することを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、大略、半導体指紋検知器に関するものであって、更に詳細には、指紋検知器装置上で使用される指紋検知表面の構造における改良及びその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
容量性距離センサーは本願出願人に譲渡されている米国特許第６，１１４，８６２号において開示されており、その開示内容を引用によって本明細書に取込む。この特許に開示されている容量性距離センサーは、特に、半導体指紋検知器において有用なものである。本発明はユーザの指紋と接触するために設けられている表面の構造における改良を提供している。本願の図１及び２は米国特許第６，１１４，８６２号の図１及び４に対応しており、本発明の理解を容易とするためにそれについて以下に簡単に説明する。
【０００３】
図１はセンサー装置と指等の物体との間の距離を検知するためのセンサー装置１を示している。センサー装置１は各々が基本的なセンサーを構成しており且つアレイ３を形成するために配列されている多数のセル２を有している。個々のセル２の簡潔性は、センサー装置１を単一半導体チップ上に集積化した形態で実現することを可能としている。
【０００４】
センサー装置１は、又、所定のスキャニングパターンに従って一度にセル２のうちの１つをイネーブルさせるための水平スキャニングステージ５及び垂直スキャニングステージ６を有している。ステージ５及び６はシフトレジスタ、アドレスデコーダ、又はその他の適宜の回路を使用してセルの出力を読取ることを可能とする。
【０００５】
センサー装置１は、又、供給及び論理ユニット７を有しており、それは該装置の回路要素にパワーを供給し（セル２を含む）、必要な基準電圧を供給し、且つ装置動作のタイミングを制御する。図１は、供給及び論理ユニット７が電圧供給源１２を有していることを示している。バッファ８が全てのセル２の出力端と相互接続されており、且つステージ５，６をスキャニングすることによってそれらがイネーブルされるシーケンスに従ってセル２の出力に対応する信号を逐次的に発生するための出力端１０を有している。
【０００６】
図２は２個の隣接するセル２Ａ及び２Ｂとその上に位置されている人間の指の皮膚表面部分１８の詳細を示している。これら２個のセルの各々の要素はＡ又はＢの参照符号で示してあるが、以下に説明するように、基本的には同じものである。各セル２は、好適には、低パワー反転増幅器１３を有しており、それは入力端１６を具備すると共に個別的なセル２の出力端を定義する出力端１７を具備している。各セル２は、又、好適には、第一及び第二同一面状コンデンサプレート２３及び２４を有しており、それらは検知される指の皮膚表面１８に対面して位置されている。プレート２３，２４は誘電体層２５で被覆されており、それはセル２からなるアレイ３全体を包含して集積化されたセンサー装置１の面を被覆している。リセットスイッチ１９が反転増幅器１３の入力端１６と出力端１７との間に接続されている。入力コンデンサ２０がセル２の入力端２１と反転増幅器１３の入力端１６との間に接続されている。反転増幅器１３の入力端１６は、又、コンデンサ３０によって示される等価入力容量を有している。同様に、出力端１７はコンデンサ３１によって示される等価出力容量を有している。
【０００７】
皮膚表面１８は第一セル２Ａに隣接した山部９及び第二セル２Ｂに隣接した谷部３８を有している。その結果、第一及び第二セル２Ａ，２Ｂは各々センサー装置１において異なる容量結合応答を発生する。従って、第一セル２Ａは、谷部３８に対するより大きな距離ｄ２を検知する第二セル２Ｂよりも山部３９に対するより小さな距離ｄ１を検知する。第二セル２Ｂによって検知される距離ｄ２は、第一コンデンサプレート２３Ｂと、第一コンデンサプレート２３Ｂの直上の皮膚表面１８の部分との間の距離ｄ２ａ及び第二コンデンサプレート２４Ｂと第二コンデンサプレート２４Ｂの直上の皮膚表面１８の部分との間の距離ｄ２ｂの平均である。集中化モデルの観点からは、この構成は接触部分である山部と非接触部分である谷部との間の差を検知することが可能な３コンデンサ手法を実現している。
【０００８】
理解されるように、誘電体層２５の上表面の耐久性は重要な懸念事項である。上述した従来装置は該上表面上に薄い炭化珪素層が設けられていた。処理ステップのシーケンスにおける最終ステップを図３乃至８に示してあり、本明細書に開示する本発明によってなされる改良を強調するためにそれらについて以下に簡単に説明する。
【０００９】
図３は１容量性センサーセル及びその装置内のその他の一般的な構成を概略的に示している。この装置は従来の単結晶シリコン基板５０上に製造され、その上側の層はエピタキシャル的に形成することが可能である。比較的厚いフィールド酸化物層５２及び５４がそれらの間に活性区域５６を画定している。活性区域５６は該装値全体にわたって繰返されるこのような多数の活性区域の典型的なものであり、それは従来のトランジスタ要素のＮ型又はＰ型領域（不図示）を有することが可能である。
【００１０】
典型的なトランジスタのゲート構造が活性区域５６の直上に示されており、且つポリシコンゲート５８、薄いゲート酸化物層６０、側壁酸化物スペーサ６２を有している。フィールド酸化物層５２及び５４の上に示されているポリシコン相互接続体６４は該装置のその他のトランジスタ要素（不図示）を相互接続するために使用されている。
【００１１】
ポリシコンゲート５８及びポリシリコン相互接続体６４の上側に比較的厚い誘電体層６６が設けられており、それは、好適には、ホウリンケイ酸ガラス（ＢＰＳＧ）のようなドープした酸化物である。第一メタリゼーション層が、金属相互接続体６８及びポリシリコンゲート５８及びポリシリコン相互接続体６４と接触するためにＢＰＳＧ層６６を介して下方へ延在しているビア７０を画定している。好適には、相互接続体６８及びビア７０を画定するために使用される金属は、僅かなシリコン（約１．０％）及び銅（約０．５％）を含有する主にアルミニウムである。チタン及び窒化チタンからなる非常に薄い複合層（不図示）が各ビア７０とその下側のポリシコン物質との間の各界面に介在されている。
【００１２】
平坦化された誘電体層７２が金属相互接続体６８及びＢＰＳＧ層６６を被覆している。好適には、誘電体層７２は下側のドープしていない酸化物と、中間のスピン・オン・ガラス（ＳＯＧ）と、上側のドープしていない酸化物とからなる複合体である。下側のドープしていない酸化物を最初に約５５００Åの厚さに付着させ、次いでＳＯＧを約６０００Åの厚さに付着させ且つエッチバックして平坦化した表面を与え、次いで上側のドープしていない酸化物を約５０００Åの厚さに付着させる。次いで、誘電体層７２を貫通してビア開口をエッチング形成し且つ第二メタリゼーションステップを実施する。次いで、該金属をパターン形成してコンデンサプレート７６及び７８、接地ライン８０、相互接続体６８へ向かって下方へ延在するビア８２を画定する。好適には水素シルセスキオキサン（ＨＳＱ）の更なる誘電体層７４を金属プレート７６及び７８と接地ライン８０との間においてＳＯＧ層７２の上に付着させる。
【００１３】
第二メタリゼーション層は、好適には、相互接続体６８を画定する第一メタリゼーションと同一の主にアルミニウムの組成のものである。接地ライン８０は半導体チップの周辺部において接地パッド（不図示）へ接続している。金属接地ライン８０を包含するチップの部分は破断して示してある。何故ならば、それは実際には、容量性センサーセルからなるアレイの周辺部を超えて位置されているからである。ＨＳＱ層７４の上に２つの付加的な誘電体層が付着されており、その中に第二メタリゼーション層の一部が埋め込まれている。これら２つの付加的な誘電体層は、好適には、リンケイ酸ガラス（ＰＳＧ）層８４及び窒化シリコン（ＳｉxＮy）層８６を有している。
【００１４】
次に、図４を参照すると、製造プロセスは第三メタリゼーション層の形成で継続して行われる。アルミニウム接地ライン８０に到達するまで誘電体層８４及び８６を介して下方へプラグ開口をエッチング形成する。窒化チタン（ＴｉＮ）の非常に薄い膜（不図示）を窒化シリコン層８６の上、層８４及び８６を介してプラグ開口内の壁の上、及び該プラグ開口内において露出されているアルミニウム接地ライン８０の表面上にコンフォーマルに付着させる。次に、窒化シリコン層８６の上方で且つ接地ライン８０上方のプラグ開口内において非常に薄い窒化チタン膜の上にタングステン（Ｗ）層８８をコンフォーマルに付着させる。
【００１５】
次に、図５を参照すると、窒化シリコン層８６の表面に到達するまで下方へタングステン層８８及びその下側に存在する窒化チタンをエッチバックした後の構成が示されている。これはタングステンプラグ９０を所定の位置に残存させ、該プラグは非常に薄い窒化チタン膜を介してアルミニウム層８０へ電気的に接続されている。窒化シリコン層８６の表面は比較的粗い状態で残される。何故ならば、タングステン層８８（図４）は強い柱状構造を有しており且つ不均一にエッチバックされるからであり、最も速いエッチングは粒子境界に沿って発生する。この粗雑性は下側に存在する窒化チタン膜（不図示）へ移され、次いで、窒化チタンのドライエッチ除去の後に窒化シリコン層８６へ移される。
【００１６】
前述したように、アルミニウム層８０は装置の周辺部に位置されている接地パッド（不図示）へ接続している。タングステンプラグ９０の目的は、例えば人間の指等の物体によって接触された場合に、装置の上表面からセットへの静電放電（ＥＳＤ）経路を与えることである。アルミニウム層８０が、好適には、センサーセルからなるアレイの２つ又は３つの側部に沿って、周辺パターン内に設けられており、数千個のタングステンプラグ９０がその上に並置されている。
【００１７】
図６は幾つかの付加的なステップを実施した後の構造を示している。炭化珪素層９２が窒化シリコン層８６の上で且つタングステンプラグ９０の上に付着されている。窒化シリコン層８６の粗雑性の幾等かが炭化珪素層９２の上表面において表われている。次いで、従来のフォトリソグラフィ技術を使用して炭化珪素をパターン形成して各センサーセルの周りで且つタングステンプラグ９０の上方に空間を開放させる。窒化チタンの別の薄膜（不図示）が炭化珪素層９２の上で且つそれを貫通して開放された空間内にコンフォーマルに付着される。次いで、付加的なタングステンメタリゼーションステップを実施して図示した如くタングステン層９４を与える。
【００１８】
次に、図７を参照すると、タングステン層９４をエッチバックしてタングステンでグリッドライン９６及びタングステン周辺ライン９８を所定の位置に残存させる。次いで、炭化珪素層９２から窒化チタン膜（不図示）を除去する。ドライエッチングによってタングステン層９４とその下側に存在する窒化チタン膜を除去すると、タングステン層９４の内在的な粗雑性が炭化珪素層９２へ転写される。その結果、粗い上表面１００を具備する炭化珪素層９２が残される。
【００１９】
図８はタングステンライン９８及び中間導電構成体を介してのそのアルミニウム接地ライン８への接続を示した図７の一部の拡大図である。厚さを著しく誇張して示してあるものは、窒化チタン膜１０２及び１０４であって、それらについては上に言及されているがこれまでの図には示されていない。
【００２０】
図９は別個のコンデンサプレート７６及び７８を包含する１個の容量性センサーセル２の好適なレイアウトを示している。第一コンデンサプレート７６はＣ形状をしており且つ第二コンデンサプレート７８はＣ形状をした第一プレート７６の内側及び外側の部分を有している。タングステングリッドライン９６がセンサーセル２を取囲んで示されている。このパターンは図１を参照して上述したセルからなるアレイ３全体にわたって繰返されている。説明の便宜上、グリッドライン９６は図９のセンサーセル２の周りに正方形を形成する単一のラインとして示されている。然しながら、好適には、グリッドライン９６は、実際には、以下に説明するように、そのレイアウトはより複雑なものである。
【００２１】
図１０はグリッドライン９６の一部及び周辺ライン９８の一部の拡大平面図を示しており、各ラインは対角線方向に交差するマイクロライン１０６の格子又はネットワークとしてレイアウトされている。各マイクロライン１０６は約１ミクロンの幅である。周辺ライン９８の格子内において且つその下側には前述したタングステンプラグ９０が設けられており、該プラグは選択したマイクロライン１０６の離隔されている交差点における円として模式的に図示してある。タングステンプラグ９０の複数個の並列な行が使用されており、その２つが示されているが、実際には、互い違いにさせたプラグの５つの行程度の数が使用される。
【００２２】
上述した処理ステップは半導体製造技術において公知である。上述した結果的に得られる構造も従来技術であり且つ本願の出願の１年以上前において市販されている製品において使用されている。
【００２３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、以上の点に鑑みなされたものであって、上述した如き従来技術の欠点を解消し、指紋検知器の製造及び指紋検知器の信頼性及び性能を改善することを目的とする。
【００２４】
【課題を解決するための手段】
従来の指紋検知器において使用されている炭化珪素層の粗雑な表面は、指の爪又はその他の比較的硬い物体で引っ掻かれることにより損傷をされる場合があることが判明した。このような引っ掻きに対して耐久性を有する滑らかな表面を提供する方法を提供している。この方法は、炭化珪素層の粗い表面における凹所を充填させるために装置の表面上に酸化物層を付着させ、次いで化学的機械的研磨によってその付着させた酸化物の殆どを除去することを包含している。これによって、炭化珪素表面の高い点の間の凹所を充填する酸化物を具備する滑らかな表面が提供される。
【００２５】
【発明の実施の形態】
本発明によれば、上述した指紋検知器の耐久性及び信頼性が以下に説明するような付加的な処理によって改善される。図１１は、前述した図７の炭化珪素層９２と類似した炭化珪素層９２′の一部の著しく拡大した図である。前述した構造に加えてシリコン酸化物の充填物１０８が存在しており、それは炭化珪素層９２′の粗い上表面内の凹所を充填している。これらの凹所は非常に小さく、典型的に約１５０Åの最大横方向寸法と約１００Åの最大深さとを有している。その結果得られる構成は、ランダムな高い点１１０における炭化珪素とそれらの間の凹所内におけるシリコン酸化物の充填物１０８からなる滑らかな上表面１０９を有している。
【００２６】
滑らかな上表面１０９を生成する好適な方法は、図３乃至８に関連して上述した方法ステップ及びそれに続く付加的なステップを包含している。炭化珪素層９２′の粗い上表面１００′上にシリコン酸化物層１１２を付着させて図１２の拡大した部分図に示した構成を発生させる。好適には、酸化物層１１２は少なくとも約２５０Åであって、それは炭化珪素層９２′の上表面内の凹所を充填するのに充分過ぎるものである。従来の化学的蒸着（ＣＶＤ）プロセスを使用して酸化物層１１２を付着させる。これは３６０℃と４００℃との間の比較的低い温度であって、好適には約３８０℃において実施される。
【００２７】
次いで、化学的機械的研磨（ＣＭＰ）を使用して、シリコン酸化物層１１２の殆どを除去して図１１の著しく拡大した図に部分的に示した構成とさせる。実際には、酸化物層１１２の厚さは、一貫性のある結果を得るために最小時間の間動作させることが必要である場合があるＣＭＰ手順の条件によって決定される。このＣＭＰステップにおいて使用される好適なスラリーはアリゾナ州フェニックスのローデル（Ｒｏｄｅｌ）インコーポレイテッドから購入することが可能なＫｌｅｂｏｓｏｌ（商標）である。
【００２８】
前述した説明から理解されるように、凹所内に酸化物の充填物１０８を付加させることは装置がスクラッチング即ち引っ掻きからの損傷に対する耐久性を著しく改善させる。凹所それ自身は、指の爪又は典型的にセンサー表面１０９と接触することのあるその他の物体の端部の寸法よりも著しく小さい。従って、該酸化物は該凹所内に充填されたままとなり且つユーザに対して滑らかで耐引っ掻き性の表面を提供する。
【００２９】
更に、理解されるように、コンデンサの誘電組成における変化に起因して炭化珪素層９２′の上表面における凹所内の酸化物充填物１０８の存在によって容量差測定の感度が改善される。即ち、センサー表面とユーザの指紋の谷部及び山部との間の該凹所の空気体積を除去することは容量値を増加させ且つ容量測定における小さな差を検知する能力を増加させる。
【００３０】
以上、本発明の具体的実施の態様について詳細に説明したが、本発明は、これら具体例にのみ制限されるべきものではなく、本発明の技術的範囲を逸脱することなしに種々の変形が可能であることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明によって改善される従来のセンサー装置の概略ブロック図。
【図２】  図１の装置の２つの隣接するセンサーセル上方に位置されている指の小さな部分の概略拡大側面図。
【図３】  図１のセンサー装置を製造する１つの処理ステップにおける構成を示した概略断面図。
【図４】  図１のセンサー装置を製造する１つの処理ステップにおける構成を示した概略断面図。
【図５】  図１のセンサー装置を製造する１つの処理ステップにおける構成を示した概略断面図。
【図６】  図１のセンサー装置を製造する１つの処理ステップにおける構成を示した概略断面図。
【図７】  図１のセンサー装置を製造する１つの処理ステップにおける構成を示した概略断面図。
【図８】  付加的な構造上の詳細を示した図７の一部の拡大図。
【図９】  １個のセンサーセル（不図示の絶縁層の上側に存在している）のコンデンサプレートのレイアウトを示した概略平面図。
【図１０】  図１の装置において使用されているタングステン格子の一部の拡大平面図。
【図１１】  本発明に基づく改良したセンサー装置の上表面の一部の拡大断面図。
【図１２】  本発明の改良したプロセスの最終的なステップの直前における上側の層を示した改善したセンサー装置の拡大断面図。
【符号の説明】
９２′  炭化珪素層
１０８  シリコン酸化物充填物
１０９  滑らかな上表面
１１０  高い点
１１２  シリコン酸化物層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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