一种半导体指纹传感器及其制作方法、电子装置与流程

本发明涉及半导体技术领域，具体而言涉及一种半导体指纹传感器及其制作方法、电子装置。

背景技术：

近年来随着智能手机技术的发展，指纹识别技术得到了更广泛的应用和普及，目前主流的指纹识别技术为电容式指纹识别技术，电容式指纹识别芯片是由电容阵列构成的，内部大约包含例如1万只微型化的电容器，当用户将手指放在正面时，皮肤就组成了电容阵列的一个极板，电容阵列的背面是绝缘极板。由于不同区域指纹的脊和谷之间的距离也不相等，使每个单元的电容量随之而变，由此可获得指纹图像。图1a示出了目前一种半导体指纹传感器的示意性剖面图，该半导体指纹传感器包括形成在半导体衬底100上的逻辑区100a和像素区100b，在逻辑区(logic)100a形成逻辑电路，在像素区(pixel)100b形成指纹图形采集电路，其中每个像素区100b的顶部金属层(即m6)用作顶部极板，在顶部金属层上形成有钝化层，其包括氧化层101和氮化层102，并且一般地如图1b所示在钝化层上形成有聚酰亚胺层103(polyimide)，如图1b所示，当手指104放置在指纹传感器上时，手指104与指纹传感器的顶部极板tm构成电容器(手指相当于上极板，顶部极板相当于下极板)，并且不同区域指纹的脊和谷之间的距离也不相等，使每个电容器(图中以两个顶部极板作为示例，因此构成两个电容器)的电容量随之而变，由此便可获得指纹图像。

图1a和图1b所示的这种半导体指纹传感器，手指和传感器形成的电容器包括三种电介质：钝化层、聚酰亚胺层和空气，我们在此将该三种电介质对应的电容表示为c钝化层、c聚酰亚胺层和c手指，即我们测得实际电容c＝c钝化层+c聚酰亚胺层+c手指，而对于指纹检测而言真正起作用的是c手指，c钝化层、c聚酰亚胺层均为噪声，会对指纹检测造成影响，如何改进c手指的检测成为改善指纹传感器性能的重要方向。

技术实现要素：

在发明内容部分中引入了一系列简化形式的概念，这将在具体实施方式部分中进一步详细说明。本发明的发明内容部分并不意味着要试图限定出所要求保护的技术方案的关键特征和必要技术特征，更不意味着试图确定所要求保护的技术方案的保护范围。

针对现有技术的不足，本发明提出一种半导体指纹传感器的制作方法，可以降低噪声对指纹检测的影响，提高指纹检测性能。

为了克服目前存在的问题，本发明一方面提供一种半导体指纹传感器的制作方法，包括：

提供半导体衬底，所述半导体衬底包括逻辑区和像素区；

在所述逻辑区形成顶部互连线，在所述像素区形成顶部极板，所述顶部互连线和所述顶部极板位于同一层；

对所述像素区的顶部极板进行表面处理，以使所述顶部极板表面因产生空洞而形成粗糙表面。

可选地，所述顶部极板包括铝金属层，对所述像素区的顶部极板进行表面处理包括：

用sif4处理所述铝金属层的表面，以在所述顶部极板的表面形成多个alf晶体；

使所述顶部极板的表面处于水环境下，以使所述alf晶体转化为aloh晶体；

使用ekc溶液去除所述aloh晶体，以使所述顶部极板表面产生所述空洞。

可选地，所述在所述逻辑区形成顶部互连线，在所述像素区形成顶部极板包括：

形成覆盖所述像素区和逻辑区的顶部金属层；

图形化所述顶部金属层，以在所述逻辑区形成顶部互连线，在所述像素区形成顶部极板。

可选地，在图形化所述顶部金属层之后，对所述像素区的顶部极板进行表面处理之前，还包括：

形成覆盖所述顶部金属层的第一钝化层；

去除所述第一钝化层位于所述像素区的部分。

可选地，所述顶部金属层包括依次堆叠设置的底部保护层、铝金属层和顶部保护层。

可选地，在去除所述第一钝化层位于所述像素区的部分之后，对所述像素区的顶部极板进行表面处理之前还包括：

去除所述顶部极板表面的所述顶部保护层。

可选地，在对所述像素区的顶部极板进行表面处理之后，还包括：

形成覆盖所述顶部极板和所述第一钝化层的第二钝化层。

可选地，还包括：形成覆盖所述第二钝化层的聚酰亚胺层。

根据本发明的半导体指纹传感器的制作方法，通过使顶部极板的表面产生空洞而形成粗糙表面，从而增加了顶部极板的表面积，相应了增加了指纹识别时所形成的电容器的电容值，提高了半导体指纹传感器的性能，并且由于电容器的电容值增加，使得噪声电容(即前述c钝化层、c聚酰亚胺层)在所测得的电容中占比减小，因而降低了噪声对指纹识别的影响。

本发明另一方面提供一种半导体指纹传感器，包括：半导体衬底，所述半导体衬底包括逻辑区和像素区，在所述逻辑区形成有顶部互连线，在所述像素区形成有顶部极板，所述顶部极板和所述顶部互连线位于同一层，其中所述顶部极板表面因形成有空洞而为粗糙表面。

可选地，还形成有覆盖所述逻辑区中的顶部互连线以及相邻像素区之间的区域的第一钝化层。

可选地，还包括：覆盖所述顶部极板和所述第一钝化层的第二钝化层。

可选地，还包括：覆盖所述第二钝化层的聚酰亚胺层。

可选地，所述顶部极板、顶部互连线至少其中之一包括铝金属层。

可选地，所述粗糙表面通过对所述顶部极板进行表面处理而形成；

所述表面处理包括：用sif4处理所述顶部极板的表面，以在所述顶部极板的表面形成多个alf晶体；使所述顶部极板的表面处于水环境下，以使所述alf晶体转化为aloh晶体；使用ekc溶液去除所述aloh晶体，以使所述顶部极板表面产生所述空洞；或者，

所述表面处理包括：使用ekc溶液清洗所述顶部极板，以使所述顶部极板表面呈碱性；使用水溶液在有co2或无co2的氛围下清洗所述顶部极板，以使所述顶部极板表面产生空洞。

根据本发明的半导体指纹传感器，由于顶部极板的表面产生空洞而形成粗糙表面，从而增加了顶部极板的表面积，相应了增加了指纹识别时所形成的电容器的电容，提高了该半导体指纹传感器的性能，并且由于电容器的电容值增加，使得噪声电容(即前述c钝化层、c聚酰亚胺层)在所测得的电容中占比减小，因而降低了噪声对指纹识别的影响。

本发明再一方面提供一种电子装置，其包括如上所述的半导体指纹传感器以及与所述半导体指纹传感器相连接的电子组件。

本发明提出的电子装置，由于具有上述半导体指纹传感器，因而具有类似的优点。

附图说明

本发明的下列附图在此作为本发明的一部分用于理解本发明。附图中示出了本发明的实施例及其描述，用来解释本发明的原理。

附图中：

图1a示出目前一种半导体指纹传感器的示意性剖面图；

图1b示出图1a所示半导体指纹传感器的顶部金属极板上的钝化层堆叠以及指纹识别原理的示意图；

图2示出根据本发明一实施方式的半导体指纹传感器的剖面示意图；

图3a～图3d示出根据本发明一实施方式的半导体指纹传感器的制作方法的原理示意图；

图4示出根据本发明一实施方式的半导体器件的制作方法的步骤流程图；

图5a～图5i示出了根据本发明一实施方式的半导体器件的制作方法依次实施各步骤所获得半导体器件的剖面示意图；

图6示出了根据本发明一实施方式的电子装置的示意图。

具体实施方式

在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本发明发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。

应当理解的是，本发明能够以不同形式实施，而不应当解释为局限于这里提出的实施例。相反地，提供这些实施例将使公开彻底和完全，并且将本发明的范围完全地传递给本领域技术人员。在附图中，为了清楚，层和区的尺寸以及相对尺寸可能被夸大自始至终相同附图标记表示相同的元件。

应当明白，当元件或层被称为“在…上”、“与…相邻”、“连接到”或“耦合到”其它元件或层时，其可以直接地在其它元件或层上、与之相邻、连接或耦合到其它元件或层，或者可以存在居间的元件或层。相反，当元件被称为“直接在…上”、“与…直接相邻”、“直接连接到”或“直接耦合到”其它元件或层时，则不存在居间的元件或层。应当明白，尽管可使用术语第一、第二、第三等描述各种元件、部件、区、层和/或部分，这些元件、部件、区、层和/或部分不应当被这些术语限制。这些术语仅仅用来区分一个元件、部件、区、层或部分与另一个元件、部件、区、层或部分。因此，在不脱离本发明教导之下，下面讨论的第一元件、部件、区、层或部分可表示为第二元件、部件、区、层或部分。

空间关系术语例如“在…下”、“在…下面”、“下面的”、“在…之下”、“在…之上”、“上面的”等，在这里可为了方便描述而被使用从而描述图中所示的一个元件或特征与其它元件或特征的关系。应当明白，除了图中所示的取向以外，空间关系术语意图还包括使用和操作中的器件的不同取向。例如，如果附图中的器件翻转，然后，描述为“在其它元件下面”或“在其之下”或“在其下”元件或特征将取向为在其它元件或特征“上”。因此，示例性术语“在…下面”和“在…下”可包括上和下两个取向。器件可以另外地取向(旋转90度或其它取向)并且在此使用的空间描述语相应地被解释。

在此使用的术语的目的仅在于描述具体实施例并且不作为本发明的限制。在此使用时，单数形式的“一”、“一个”和“所述/该”也意图包括复数形式，除非上下文清楚指出另外的方式。还应明白术语“组成”和/或“包括”，当在该说明书中使用时，确定所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但不排除一个或更多其它的特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或组的存在或添加。在此使用时，术语“和/或”包括相关所列项目的任何及所有组合。

为了彻底理解本发明，将在下列的描述中提出详细的结构及步骤，以便阐释本发明提出的技术方案。本发明的较佳实施例详细描述如下，然而除了这些详细描述外，本发明还可以具有其他实施方式。

实施例一

本实施例提出一种半导体指纹传感器，如图2所示，该半导体指纹传感器包括：半导体衬底200，该半导体衬底200包括逻辑区(logic)200a和像素区(pixel)200b，逻辑区200a用于形成逻辑电路，像素区200b用于形成指纹检测电路。逻辑区200a和像素区200b均包括形成在半导体衬底200中的器件，例如nmos和/或pmos等，以及形成在半导体衬底200之上的互连结构，示例性地，在本实施例中，互连结构包括六层金属层m1～m6各层金属层之间通过金属间介质层(imd1～imd6)隔离，并通过填充有导电材料(例如钨w)的通孔201电连接。其中金属层m1～m5均形成连接上下层的互连线，逻辑区的顶部金属层m6形成顶部互连线，像素区的顶部金属层m6形成顶部极板202，顶部极板表面形成有空洞203，从而使顶部极板呈粗糙表面。此外，该半导体器件还包括第一钝化层204和位于第一钝化层204之上的第二钝化层205。

其中，半导体衬底200可以是以下所提到的材料中的至少一种：si、ge、sige、sic、sigec、inas、gaas、inp或者其它iii/v化合物半导体，还包括这些半导体构成的多层结构等或者为绝缘体上硅(soi)、绝缘体上层叠硅(ssoi)、绝缘体上层叠锗化硅(s-sigeoi)、绝缘体上锗化硅(sigeoi)以及绝缘体上锗(geoi)等。在半导体衬底中可以形成有隔离结构，例如sti(浅沟槽隔离)、局部场氧等，以及在半导体衬底的中的有源区中形成阱区，例如nwell和pwell。在本实施例中，半导体衬底的构成材料选用单晶硅。

金属层m1～m6采用铝金属材料，通过铝的沉积、刻蚀可以形成互连线以及顶部极板202。

顶部极板202为与每个像素区大小对应的一整块金属板，每个像素区形成一个顶部极板，当手机放置在该半导体指纹传感器上时，每个像素区所在位置即形成一个由顶部极板和手指对应位置构成的微小电容器。顶部极板202由于表面形成空洞203，使得顶部极板202表面粗糙，表面积增大，当与手指形成电容时，电容增大利于指纹检测。应当明白，空洞203即是形成在顶部极板202表面的小坑或小槽，在每个顶部极板202的表面均形成有许多的空洞203，从而使得顶部极板202表面粗擦，表面积增大。

第一钝化层204覆盖逻辑区以及相邻像素区之间的区域，第一钝化层204可以采用各种合适的材料，示例性地例如为等密度等离子体形成的氧化物。第二钝化层205覆盖像素区和第一钝化层204，第二钝化层205可以采用各种合适的材料，示例性地例如为氮化硅。

进一步地，根据本实施例的半导体指纹传感器还可以包括覆盖第二钝化层205的聚酰亚胺层(polyimide，未示出)，以在使用中更好地保护半导体指纹传感器。

根据本实施例的半导体器件，由于顶部极板的表面产生空洞而形成粗糙表面，从而增加了顶部极板的表面积，相应了增加了指纹识别时所形成的电容器的电容，提高了该半导体指纹传感器的性能，并且由于电容器的电容值增加，使得噪声电容(即前述c钝化层、c聚酰亚胺层)在所测得的电容中占比减小，因而降低了噪声对指纹识别的影响。

实施例二

下面结合图3a～图3d、图4以及图5a～图5i对根据本发明一实施方式的半导体指纹传感器的制作方法进行详细描述。

首先，结合图3a～图3d对本实施例的半导体指纹传感器的制作方法的原理进行描述。

目前的互连结构一般不仅形成铝金属层还需要形成保护层，以防止铝的电迁移，如图3a所示，互连结构的金属层一般包括底部保护层301、铝金属层302和顶部保护层303。为了在顶部极板表面形成空洞，本发明利用下述原理，首先，如图3b所示，利用sif4(四氟化硅)气体对铝金属层进行处理，可以使暴露的铝金属层表面会充满f离子，并与al反应形成alf晶体304；然后如图3c所示，在水氛围中处理暴露的铝金属层，可以使alf晶体304转为aloh晶体305，最后，如图3d所示，通过ekc清洗液(即had混合溶液)可以去除aloh晶体305，从而在铝金属层表面形成空洞306，从而使铝金属层表面粗糙，表面积增大。

上述处理过程的反应式如下：

al+f→alf

alf+h2o→aloh+hf↑

hf+al→alf

接下来结合图4以及图5a～图5i对根据本发明一实施方式的半导体指纹传感器的制作方法进行详细描述。

根据本实施例的半导体器件的制作方法包括：

步骤401，提供半导体衬底，所述半导体衬底包括逻辑区和像素区，在所述逻辑区和像素区的半导体衬底上形成顶部金属层m6，并图形化所述顶部金属层m6，以在所述逻辑区形成顶部互连线502，在所述像素区形成顶部极板503，所形成的结构如图5a所示。

其中，半导体衬底可以是以下所提到的材料中的至少一种：si、ge、sige、sic、sigec、inas、gaas、inp或者其它iii/v化合物半导体，还包括这些半导体构成的多层结构等或者为绝缘体上硅(soi)、绝缘体上层叠硅(ssoi)、绝缘体上层叠锗化硅(s-sigeoi)、绝缘体上锗化硅(sigeoi)以及绝缘体上锗(geoi)等。半导体衬底上可以形成有器件，例如nmos和/或pmos等。同样，半导体衬底中还可以形成有导电构件，导电构件可以是晶体管的栅极、源极或漏极，也可以是与晶体管电连接的金属互连结构，等等。

需要说明的是，在本实施例中，图5a～图5i出于简洁目的，仅示出互连结构中的imd3、m4、imd4、m5、imd5和m6，以及连接上下金属层的填充有导电材料的通孔501，而如图2中所示的半导体衬底，以及形成在半导体衬底上的器件和下部的互连结构被省略。此外，通孔501可以填充有诸如金属钨的导电材料，并且在填充金属钨之前可以在通孔501的表面形成诸如tin的粘附层，以便于钨的沉积并防止钨向金属间介质层imd扩散。imd可以采用常用的介电层材料，例如氧化物、低k介电层或超低k介电层，示例性地为未掺杂硅玻璃、掺氟硅玻璃等。金属层m1～m6采用铝沉积工艺形成，其结构如图3a所示包括底部保护层、铝金属层和顶部保护层，底部保护层例如为tin，顶部保护层例如为ti或tin。

顶部金属层m6的图形化可以通过本领域的常用的光刻、刻蚀工艺完成，例如在顶部金属层m6形成图形化的光刻胶层，该图形化的光刻胶层的定义了顶部互连线502以及顶部极板503的形状和位置，然后以该图形化的光刻胶层为掩膜，通过合适的湿法或干法刻蚀，例如以cl2为刻蚀气体通过等离子刻蚀图形化顶部金属层m6，从而形成顶部互连线502以及顶部极板503。其中顶部极板503如前所述，每个像素区形成一个顶部极板，其为一整块金属板，大小与每个像素区的大小一致。

步骤402，形成覆盖所述顶部金属层的第一钝化层504，所形成的结构如图5b所示。

示例性地，第一钝化层504采用氧化物，例如二氧化硅，其通过高密度等离子体化学气相沉积工艺(hdp-cvd)形成，以便填充小尺寸间隙。

步骤403，在所述第一钝化层504之上形成图形化的光刻胶层505，光刻胶层505暴露像素区而遮蔽其它区域，所形成的结构如图5c所示。

图形化的光刻胶层505通过本领域常用的光刻工艺形成，例如涂覆、曝光、显影、烘干等操作。图形化的光刻胶层505暴露像素区，而遮蔽其它区域，其它区域例如包括逻辑区，逻辑区和像素区之间的间隔区域，以及相邻像素区之间的间隔区域。

步骤404，去除第一钝化层504位于像素区的部分以及顶部极板503表面的顶部保护层，所形成的结构如图5d所示。

具体地，以图形化的光刻胶层505为掩膜，通过合适的湿法或干法刻蚀刻蚀工艺执行回蚀刻以，去除第一钝化层504位于像素区的部分以及顶部极板503表面的顶部保护层，从而使像素区顶部极板中的铝金属层暴露，并通过剩余的第一钝化层504a来在后续工艺中保护其它区域免收损伤。

步骤405，对所述像素区的顶部极板503进行表面处理，以使所述顶部极板503表面因产生空洞508而形成粗糙表面，所形成的结构如图5g所示。

具体地，首先，如图5e所示，用sif4处理像素区顶部极板503的表面以在顶部极板503的表面形成alf晶体506。如前所述，通过sif4等离子气体处理像素区顶部极板503的表面，铝金属层表面充满f离子，与al反应而形成alf晶体506。

接着，如图5f所示，在水氛围下处理顶部极板503的表面使alf晶体转化成aloh晶体507。示例性地，在scrubber槽中通过水对晶圆进行处理，由于其它区域被第一钝化层遮蔽，像素区的铝金属层暴露在水氛围中，从而使得极板503的表面使alf晶体转化成aloh晶体507。

最后，如图5g所示，用于ekc溶液处理顶部极板503表面，去除aioh晶体，而形成空洞508，使顶部极板503表面变粗糙，表面积增大。示例性地，例如将晶圆放入ekc槽中进行处理来去除顶部极板503表面的aioh晶体，而形成空洞508。示例性地，ekc清洗时间为30分钟至120分钟。

应当明白，在上述过程中，其它区域由于被第一钝化层504a覆盖而不会在顶部金属层表面形成空洞。

步骤406，形成覆盖第一钝化层504a和顶部极板503的第二钝化层509，所形成的结构如图5h。

第二钝化层509示例性地采用氮化硅，其可以通过pvd(物理气相沉积)、cvd(化学气相沉积)、ald(原子层沉积)等工艺形成。

可以理解的是，由于空洞508较小，第二钝化层509一般不会填充到空洞508内。

步骤407，形成覆盖第二钝化层509的聚酰亚胺层510，所形成的结构如图5i所示。

聚酰亚胺层510可以通过常规的形成工艺制作，通过聚酰亚胺层510可以使形成的半导体指纹传感器得到更好地保护。

至此，完成了根据本发明实施例的制作方法实施的工艺步骤，可以理解的是，本实施例半导体器件制作方法不仅包括上述步骤，在上述步骤之前、之中或之后还可包括其他需要的步骤，其都包括在本实施制作方法的范围内。此外，根据本发明实施例的制作方法还可以省略部分步骤，例如在其它实施例中可以不形成聚酰亚胺层510，当形成第二钝化层509即完成制作。

根据本实施例的半导体指纹传感器的制作方法，由于顶部极板的表面产生空洞而形成粗糙表面，从而增加了顶部极板的表面积，相应了增加了指纹识别时所形成的电容器的电容，提高了该半导体指纹传感器的性能，并且由于电容器的电容值增加，使得噪声电容(即前述c钝化层、c聚酰亚胺层)在所测得的电容中占比减小，因而，降低了噪声对指纹识别的影响。

实施例三

本发明的再一个实施例提供一种电子装置，包括半导体指纹传感器以及与所述半导体指纹传感器相连的电子组件。其中，该半导体指纹传感器包括：半导体衬底，所述半导体衬底包括逻辑区和像素区，在所述逻辑区形成有顶部互连线，在所述像素区形成有顶部极板，所述顶部极板和所述顶部互连线位于同一层，其中所述顶部极板表面形成有空洞而为粗糙表面。

其中，半导体衬底可以是以下所提到的材料中的至少一种：si、ge、sige、sic、sigec、inas、gaas、inp或者其它iii/v化合物半导体，还包括这些半导体构成的多层结构等或者为绝缘体上硅(soi)、绝缘体上层叠硅(ssoi)、绝缘体上层叠锗化硅(s-sigeoi)、绝缘体上锗化硅(sigeoi)以及绝缘体上锗(geoi)等。半导体衬底上可以形成有器件，例如nmos和/或pmos等。同样，半导体衬底中还可以形成有导电构件，导电构件可以是晶体管的栅极、源极或漏极，也可以是与晶体管电连接的金属互连结构，等等。在本实施例中，半导体衬底的构成材料选用单晶硅。

可选地，还形成有覆盖所述逻辑区中的顶部互连线以及相邻像素区之间的区域的第一钝化层。

可选地，该半导体指纹传感器还包括：覆盖所述顶部极板和所述第一钝化层的第二钝化层。

可选地，该半导体指纹传感器还包括：覆盖所述第二钝化层的聚酰亚胺层。

可选地，所述顶部极板、顶部互连线至少其中之一包括铝金属层。

可选地，所述粗糙表面通过对所述顶部极板进行表面处理而形成；

所述表面处理包括：用sif4处理所述顶部极板的表面，以在所述顶部极板的表面形成多个alf晶体；使所述顶部极板的表面处于水环境下，以使所述alf晶体转化为aloh晶体；使用ekc溶液去除所述aloh晶体，以使所述顶部极板表面产生所述空洞；或者，

所述表面处理包括：使用ekc溶液清洗所述顶部极板，以使所述顶部极板表面呈碱性；使用水溶液在有co2或无co2的氛围下清洗所述顶部极板，以使所述顶部极板表面产生空洞。

其中，该电子组件，可以为分立器件、集成电路等任何电子组件。

本实施例的电子装置，可以是手机、平板电脑、笔记本电脑、上网本、游戏机、电视机、vcd、dvd、导航仪、照相机、摄像机、录音笔、mp3、mp4、psp等任何电子产品或设备，也可为任何包括该半导体器件的中间产品。

其中，图6示出手机的示例。手机600的外部设置有包括在外壳601中的显示部分602、操作按钮603、外部连接端口604、扬声器605、话筒606等。

本发明实施例的电子装置，由于所包含的半导体指纹传感器顶部极板表面积增大，而降低了噪声对指纹检测的影响，提高了指纹检测性能。因此该电子装置同样具有类似的优点。

本发明已经通过上述实施例进行了说明，但应当理解的是，上述实施例只是用于举例和说明的目的，而非意在将本发明限制于所描述的实施例范围内。此外本领域技术人员可以理解的是，本发明并不局限于上述实施例，根据本发明的教导还可以做出更多种的变型和修改，这些变型和修改均落在本发明所要求保护的范围以内。本发明的保护范围由附属的权利要求书及其等效范围所界定。