用于制造生物傳感器的微阱的方法
【專利摘要】本發(fā)明實施例提供了一種生物感測半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。晶體管包括溝道區(qū)和位于溝道區(qū)下面的柵極。第一介電層位于晶體管上面。第一開口延伸穿過第一介電層以暴露溝道區(qū)。生物感測層作為第一開口的襯墊并且覆蓋溝道區(qū)的上表面。第二介電層作為第一開口的襯墊并且位于感測層上方。位于第一開口內(nèi)的第二開口穿過第二介電層的位于溝道區(qū)上面的區(qū)域而延伸至生物感測層。本發(fā)明實施例也提供了一種用于制造生物感測半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的方法。本發(fā)明實施例涉及用于制造生物傳感器的微阱的方法。
【專利說明】
用于制造生物傳感器的微阱的方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明實施例設(shè)及用于制造生物傳感器的微阱的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 生物傳感器是用于感測和檢測分析物的器件，并且通常在一個或多個電子、化學(xué)、 光學(xué)和機械檢測原理的基礎(chǔ)上操作?？蒞通過檢測分析物本身或通過反應(yīng)物和分析物之間 的相互作用和反應(yīng)來實施檢測。生物傳感器廣泛用于不同的生命科學(xué)應(yīng)用中，包括從環(huán)境 監(jiān)測和基礎(chǔ)生命科學(xué)研究到床旁檢測（PoC)體外分子診斷。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0003] 根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，提供了一種生物感測半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，包括：晶體管，包括 溝道區(qū)和位于所述溝道區(qū)下面的柵極；第一介電層，位于所述晶體管上面；第一開口，延伸 穿過所述第一介電層W暴露所述溝道區(qū)；生物感測層，作為所述第一開口的襯墊并且覆蓋 所述溝道區(qū)的上表面；第二介電層，作為所述第一開口的襯墊并且位于所述生物感測層上 方；W及第二開口，位于所述第一開口內(nèi)并且穿過所述第二介電層的位于所述溝道區(qū)上面 的區(qū)域而延伸至所述生物感測層。
[0004] 根據(jù)本發(fā)明的另一實施例，還提供了一種用于制造生物感測半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的方法， 所述方法包括：提供半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其中，第一介電層位于晶體管上面，所述晶體管包括位于 柵極上面的溝道區(qū)；實施至所述第一介電層內(nèi)的第一蝕刻W在所述溝道區(qū)上面形成第一開 口；實施至所述第一介電層的沿著所述第一開口延伸的區(qū)域內(nèi)的第二蝕刻W擴展所述第一 開口并且暴露所述溝道區(qū)；形成作為擴展的所述第一開口的襯墊的生物感測層；在所述生 物感測層上方形成作為擴展的所述第一開口的襯墊的第二介電層；W及穿過所述第二介電 層的位于所述溝道區(qū)上面的區(qū)域，實施至所述生物感測層的第=蝕刻W形成第二開口。 陽〇化]根據(jù)本發(fā)明的又一實施例，還提供了一種生物感測半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，包括：襯底；后段 制程度E0L)金屬化堆疊件，位于所述襯底上方并且包括柵電極，所述柵電極靠近所述BE化 金屬化堆疊件的上表面；半導(dǎo)體層，位于所述BE化金屬化堆疊件上面并且包括第一源極/ 漏極區(qū)和第二源極/漏極區(qū)，所述第一源極/漏極區(qū)和所述第二源極/漏極區(qū)通過溝道區(qū) 彼此間隔開，其中，所述溝道區(qū)位于所述柵電極上面并且通過柵極電介質(zhì)與所述柵電極分 隔開；第一介電層，位于所述半導(dǎo)體層上面并且在所述第一介電層中包括阱凹槽，其中，所 述阱凹槽配置為保持用于生物感測分析的液體測試樣品并且所述阱凹槽直接設(shè)置在所述 溝道區(qū)上方；生物感測層，作為所述阱凹槽的襯墊，覆蓋所述第一介電層的鄰近所述溝道區(qū) 的內(nèi)側(cè)壁，并且覆蓋所述溝道區(qū)的上表面；W及第二介電層，位于所述生物感測層上面并且 具有第二開口，所述第二開口暴露出的所述生物感測層的在所述阱凹槽內(nèi)的上表面小于所 述生物感測層的在所述阱凹槽內(nèi)的整個上表面。
【附圖說明】
[0006] 當(dāng)結(jié)合附圖進行閱讀時，從W下詳細描述可最佳理解本發(fā)明的各方面。應(yīng)該注意， 根據(jù)工業(yè)中的標(biāo)準(zhǔn)實踐，各個部件未按比例繪制。實際上，為了清楚的討論，各個部件的尺 寸可W任意地增大或減小。
[0007] 圖1示出了具有生物傳感器微阱的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的一些實施例的截面圖。
[0008] 圖2示出了具有微阱的生物傳感器的一些實施例的截面圖。
[0009] 圖3示出了用于制造具有微阱的生物傳感器的方法的一些實施例的流程圖。
[0010] 圖4至圖12示出了生物傳感器在各個制造階段的一些實施例的一系列截面圖，生 物傳感器具有微阱。
【具體實施方式】
[0011] W下公開內(nèi)容提供了許多用于實現(xiàn)本發(fā)明的不同特征的不同實施例或?qū)嵗?。下?描述了組件和布置的具體實例W簡化本發(fā)明。當(dāng)然，運些僅僅是實例，而不旨在限制本發(fā) 明。例如，在W下描述中，在第二部件上方或者上形成第一部件可W包括第一部件和第二部 件形成為直接接觸的實施例，并且也可W包括在第一部件和第二部件之間可W形成額外的 部件，從而使得第一部件和第二部件可W不直接接觸的實施例。此外，本發(fā)明可在各個實例 中重復(fù)參考標(biāo)號和/或字符。該重復(fù)是為了簡單和清楚的目的，并且其本身不指示所討論 的各個實施例和/或配置之間的關(guān)系。
[0012] 而且，為便于描述，可W使用諸如"在…之下"、"在…下方"、"下部"、"在…之上"、 "上部"等的空間相對術(shù)語，W描述如圖所示的一個元件或部件與另一個（或另一些）元件 或部件的關(guān)系。除了圖中所示的方位外，空間相對術(shù)語旨在包括器件在使用或操作中的不 同方位。裝置可WW其他方式定向（旋轉(zhuǎn)90度或在其他方位上），而在此使用的空間相對 描述符可W同樣地作相應(yīng)的解釋。
[001引此外，為了更方便地區(qū)別開一個圖或一系列的圖的不同元件，本文中可W使用"第 一"、"第二"、"第等。"第一"、"第二"、"第等不旨在描述相應(yīng)的元件。因此，結(jié)合第 一圖描述的"第一介電層"不必對應(yīng)于結(jié)合另一圖描述的"第一介電層"。
[0014] -些生物傳感器將微電子機械系統(tǒng)（MEM巧技術(shù)和互補金屬氧化物半導(dǎo)體（CM0巧 技術(shù)結(jié)合起來。運些生物傳感器可W包括通過CMOS器件的正側(cè)接合至載體襯底的CMOS器 件。微阱可W布置在介電層內(nèi)的CMOS器件的晶體管上方，介電層布置在CMOS器件的背側(cè) 上。此外，MEMS器件可W布置在介電層上方并且通過CMOS器件的背側(cè)接合至CMOS器件。
[0015] 在上述生物傳感器的制造期間，直接位于晶體管的溝道區(qū)之上的微阱的寬度W及 溝道區(qū)的完整性對于器件性能是至關(guān)重要的。根據(jù)一些方法，實施至介電層內(nèi)的單個干蝕 刻W形成微阱，并且W暴露溝道區(qū)。然而，運些方法可能會損壞溝道區(qū)的表面并且引起電故 障。根據(jù)其他方法，實施至介電層內(nèi)的干蝕刻W形成開口。之后，實施濕蝕刻W擴展開口， 從而形成微阱和暴露溝道區(qū)。有利的是，運些其他的方法可W不損壞溝道區(qū)。然而，雖然運 些其他的方法可W不損壞溝道區(qū)，但是運些其他方法可能使微阱擴大為超出期望的寬度并 且降低微阱捕獲期望的分析物或分析物的載體的能力。
[0016] 綜上所述，本申請設(shè)及一種用于制造具有對微阱形成具有改進的控制的生物傳感 器的方法。此外，本申請設(shè)及由該方法的性能導(dǎo)致的生物傳感器和半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。根據(jù)該方 法，使用第一干蝕刻，之后通過使用第二濕蝕刻形成第一開口，從而暴露晶體管的溝道區(qū)。 之后，生物感測層和位于生物感測層上面的介電層內(nèi)襯于第一開口。生物感測層通常是具 有超過約3. 9的介電常數(shù)的高K電介質(zhì)。當(dāng)形成生物感測層和介電層之后，實施穿過介電 層至生物感測層的第=蝕刻W形成位于源極/漏極區(qū)上面的第二開口，第二開口具有臨界 寬度。
[0017] 有利地，通過根據(jù)上述方法形成微阱，可W防止對溝道區(qū)的損壞并且改進了對微 阱寬度的控制。例如，直接位于溝道區(qū)之上的微阱的寬度可W從約0.4微米（ym)降低至 約0.2 ym。作為另一實例，無法滿足晶圓內(nèi)（WiW)和/或晶圓至晶圓（WtW)均勻性度量的 微阱可W從約59 %降低至小于約10%。小于約10%，氧化物厚度變化和濕蝕刻劑壽命可能 造成不合格的微阱。此外，因為同一光掩?？蒞用于第一、第二和第=蝕刻，所W成本最小 地受到額外的第S蝕刻的影響。甚至，相對于生物感測層對介電層具有約20的選擇性的蝕 刻劑是已知的，其可W減少過蝕刻。
[0018] 參考圖1，提供了具有生物傳感器微阱102的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的一些實施例的截面圖 100。生物傳感器微阱102布置在第一介電層106的第一開口 104內(nèi)，第一介電層106在生 物感測層108和第二介電層110的側(cè)壁之間。生物感測層108沿著第一介電層106的上表 面延伸并且作為第一開口 104的襯墊。第二介電層110沿著上表面延伸并且作為第一開口 104的襯墊，并且第二介電層110位于生物感測層108上方。例如，第一和第二介電層106、 110可W是諸如二氧化娃的氧化物。此外，例如，第一介電層106可W具有約1 ym的厚度， 并且例如，第二介電層110可W具有約1000埃的厚度。例如，生物感測層108可W是高K 電介質(zhì)和/或例如，可W具有例如約100埃的厚度。高K電介質(zhì)是具有超過約3. 9的介電 常數(shù)的電介質(zhì)，諸如氧化給（例如，Hf〇2)。
[0019] 比第一開口 104具有更小覆蓋區(qū)的第二開口 112延伸穿過第二介電層110至生物 感測層108。在一些實施例中，第二開口具有約0.2ym到約0.4ym的寬度W。如后文中可 見，在形成第二開口 112期間，生物感測層108作為蝕刻停止層。運可W防止對生物感測層 108下面的表面的損壞，并且允許對第二開口 112的寬度W的更大的控制。如上所述，寬度 W和下面的表面完整性是器件性能的關(guān)鍵。
[0020] 晶體管114布置在生物傳感器微阱102下方并且位于半導(dǎo)體層116和第=層間介 電層118內(nèi)。層間介電層118布置在第一介電層106下方，并且半導(dǎo)體層116布置在層間 介電層118上方并且布置在第一介電層106和層間介電層118之間。在一些實施例中，半 導(dǎo)體層116鄰接第一介電層106和/或生物感測層108,和/或?qū)娱g介電層118鄰接半導(dǎo)體 層116。例如，層間介電層118可W是氧化物或低K電介質(zhì)。低K電介質(zhì)是具有小于約 3. 9的介電常數(shù)的電介質(zhì)。例如，半導(dǎo)體層116可W是娃或一些其他半導(dǎo)體。
[0021] 晶體管114包括一對源極/漏極區(qū)120、在源極/漏極區(qū)120之間延伸的溝道區(qū) 122 W及布置在源極/漏極區(qū)120之間的柵極124。源極/漏極區(qū)120嵌入在半導(dǎo)體層116 內(nèi)并且布置在柵極124的相對兩側(cè)上。柵極124布置在層間介電層118內(nèi)并且通過晶體管 114的柵極介電層126與半導(dǎo)體層116間隔開。柵極介電層126從大約與層間介電層118 的上表面平齊處延伸至層間介電層118內(nèi)，并且鄰接層間介電層118內(nèi)的柵極124。柵極 124通過接觸件128與位于晶體管114下面的BE化金屬化堆疊件電連接，接觸件128布置 在層間介電層118內(nèi)并且通常鄰接?xùn)艠O124。例如，柵極124和接觸件128可W是滲雜的多 晶娃或諸如鶴或銅的金屬。例如，柵極介電層126可W是氧化物。
[0022] 在使用微阱102期間，通常通過微流體將測試樣品應(yīng)用到微阱102。測試樣品可W 包括懸浮在流體中的分析物，在一些實施例中，分析物固定至化Oimd to)載體。在一定程 度上，測試樣品包括分析物，分析物接合于生物感測層108的暴露區(qū)域上。當(dāng)分析物接合于 生物感測層108上時，位于溝道區(qū)122上面的電荷量改變。例如，在一些實施例中，當(dāng)分析 物接合于生物感測層108上時，在生物感測層108和分析物之間發(fā)生生物反應(yīng)W釋放離子 并且增加在微阱102中的抑。升高的抑然后誘導(dǎo)溝道區(qū)122上面的電荷量的變化。
[0023] 溝道區(qū)122上面的電荷量的變化引起晶體管114的電特性的變化。通過觀察電荷 變化之前和之后的電特性的變化，可W檢測分析物的存在。例如，當(dāng)在微阱102中存在分析 物時，晶體管114的闊值電壓Vt可W增加 AVt的量。通過對柵極124應(yīng)用大于V準(zhǔn)是小 于Vt+A Vt的電壓V，電流將流過源極/漏極區(qū)120之間的溝道區(qū)122,取決于在微阱102中 是否存在分析物。
[0024] 參考圖2,提供了具有圖1的微阱102的生物傳感器的一些實施例的截面圖200。 微阱102布置在集成電路202的背側(cè)上的第一開口 104內(nèi)并且布置在生物感測層108和第 二介電層110的側(cè)壁之間。生物感測層108沿著第一開口 104的背側(cè)延伸并且作為第一開 口 104的襯墊。第二介電層110沿著第一開口 104的背側(cè)延伸并且作為第一開口 104的襯 墊，并且第二介電層110位于生物感測層108上方。比第一開口 104具有更小的覆蓋區(qū)的 第二開口 112延伸穿過第二介電層110至生物感測層108。例如，第二介電層110可W是氧 化物。例如，生物感測層108可W是高K電介質(zhì)。在一些實施例中，MEMS結(jié)構(gòu)204布置在 集成電路202和微阱102上方W通過微流體將測試樣品引導(dǎo)至微阱102。
[0025] 集成電路202包括第一介電層106、位于第一介電層106下面的半導(dǎo)體層116、位 于半導(dǎo)體層116下面的BE化金屬化堆疊件206 W及布置在半導(dǎo)體層116和BE化金屬化堆 疊件206之間的器件層208。如后文中可見的，第一介電層106和半導(dǎo)體層116可W是絕緣 體上娃（SOI)襯底的殘余。第一介電層106布置在微阱102周圍，并且器件層208的晶體 管114布置在微阱102下方。
[0026] 晶體管114包括一對源極/漏極區(qū)120、在源極/漏極區(qū)120之間延伸的溝道區(qū) 122 W及布置在該對源極/漏極區(qū)120之間的柵極124。源極/漏極區(qū)120嵌入在半導(dǎo)體 層116內(nèi)并且布置在柵極124的相對兩側(cè)上。柵極124布置在BE化金屬化堆疊件206的第 S層間介電層118中并且通過晶體管114的第四柵極介電層126與半導(dǎo)體層116間隔開。 柵極介電層126延伸至層間介電層118內(nèi)，并且鄰接層間介電層118內(nèi)的柵極124。例如， 柵極124可W是滲雜的多晶娃或金屬。例如，柵極介電層126可W是氧化物。
[0027] 邸化金屬化堆疊件206包括堆疊在層間介電層118內(nèi)的多個金屬化層210。邸化 金屬化堆疊件206的一個或多個接觸件128從上部金屬化層延伸至器件層208,器件層208 包括柵極124和/或源極/漏極區(qū)120。此外，BE化金屬化堆疊件206的一個或多個第一 通孔212在金屬化層210之間延伸W互連金屬化層210。例如，層間介電層118可W是低 K電介質(zhì)或氧化物。例如，金屬化層210、接觸件128和第一通孔212可W是金屬，諸如銅 或侶。
[0028] 載體襯底214位于集成電路202下方并且在集成電路202和球柵陣列度GA) 216 之間。BGA 216包括重分布層（畑L) 218,重分布層（畑L) 218布置在載體襯底214的背側(cè)上 并且通過一個或多個第二襯底通孔220電連接至BE化金屬化堆疊件206的金屬化層210， 第二襯底通孔220延伸穿過載體襯底214。畑L 218被第五BGA介電層222覆蓋，并且凸塊 下金屬化扣BM)層224延伸穿過BGA介電層222 W將UBM層224下面的焊球226電連接至 畑L 218。例如，BGA介電層222可W是環(huán)氧樹脂或單模光纖（SMF)。例如，畑L 218、UBM層 224、襯底通孔220和焊球226可W是諸如銅、侶和鶴的金屬。
[0029] 參考圖3,提供了用于制造具有微阱的生物傳感器的方法的一些實施例的流程圖 300。
[0030] 在步驟302中，提供具有布置在第一 SOI襯底的第一側(cè)上的器件層的集成電路。器 件層包括位于一對源極/漏極區(qū)之間的溝道區(qū)上面的晶體管的柵極。
[0031] 在步驟304中，通過第二襯底的第一上側(cè)將第一襯底的第一側(cè)上的集成電路接合 至第二襯底。
[0032] 在步驟306中，實施至第一襯底的第二側(cè)內(nèi)的平坦化W去除第一襯底的第一半導(dǎo) 體層和暴露第一襯底的第一介電層，第一襯底的第二側(cè)與第一襯底的第一側(cè)相對。
[0033] 在步驟308中，實施至溝道區(qū)上方的第一介電層內(nèi)的第一干蝕刻W形成第一開 P。
[0034] 在步驟310中，實施至第一介電層的圍繞第一開口的區(qū)域內(nèi)的第二濕蝕刻W擴展 第一開口并且W暴露溝道區(qū)。
[0035] 在步驟312中，在第一介電層上方形成生物感測層并且生物感測層作為擴展的第 一開口的襯墊。生物感測層具有超過約3. 9的介電常數(shù)。
[0036] 在步驟314中，在生物感測層上形成第二介電層并且第二介電層作為生物感測層 的襯墊。
[0037] 在步驟316中，穿過第二介電層的在溝道區(qū)上面的區(qū)域，實施至生物感測層的第 =干蝕刻，W形成第二開口。
[0038] 在步驟318中，通過第一襯底，將MEMS結(jié)構(gòu)接合至第一襯底的第二側(cè)上的第二襯 底。
[0039] 在步驟320中，在第二襯底的第二下側(cè)上形成BGA，其中，第二襯底的第二側(cè)與第 二襯底的第一側(cè)相對。
[0040] 有利地，通過利用額外的第=蝕刻形成微阱，防止了對溝道區(qū)的損壞并且改進了 對直接位于溝道區(qū)之上的微阱寬度的控制。此外，對于第一、第二和第=蝕刻，可W使用同 一光掩模，所W成本最小地受到額外的第立蝕刻的影響。甚至，相對于生物感測層對第二介 電層具有約20的蝕刻選擇性的蝕刻劑是已知的，其可W減少過蝕刻。
[0041] 雖然本文中通過流程圖300所描述的方法被示出和描述為一系列的步驟或事件， 但是應(yīng)當(dāng)理解，所示出的運些步驟或事件的順序不應(yīng)解釋為限制意義。例如，一些步驟可W W不同的順序發(fā)生和/或與除了本文中示出和/或描述的步驟或事件的其他步驟或事件同 時發(fā)生。此外，并非所有示出的步驟都是實施本發(fā)明的一個或多個方面或本發(fā)明的實施例 所必須的，并且可WW-個或多個單獨的步驟和/或階段來執(zhí)行本文中示出的一個或多個 步驟。
[0042] 參考圖4至圖12,提供了生物傳感器在各個制造階段的一些實施例的截面圖W示 出圖3的方法。雖然結(jié)合該方法來描述圖4至圖12,但是應(yīng)當(dāng)理解，在圖4至圖12中公開 的結(jié)構(gòu)不限制于該方法，相反，可W代表獨立于該方法的結(jié)構(gòu)。類似地，雖然結(jié)合圖4至圖 12來描述該方法，但是應(yīng)當(dāng)理解，該方法不限制于在圖4至圖12所公開的結(jié)構(gòu)，相反，可W 代表獨立于圖4至圖12中所公開的結(jié)構(gòu)的方法。
[0043] 圖4示出了對應(yīng)于步驟302的一些實施例的截面圖400。如圖所示，提供了集成電 路202'。集成電路202'包括第一襯底402,第一襯底402包括載體層404、半導(dǎo)體層116 W 及布置在半導(dǎo)體層116和載體層404之間的第一介電層106'。通常，第一襯底402是SOI 襯底，但其他類型的襯底是可W接受的。例如，半導(dǎo)體層116和載體層404可W是娃。例如， 第一介電層106'可W是氧化物。此外，例如，第一介電層106'可W具有例如約1 ym的厚 度。
[0044] 具有晶體管114的器件層208布置在第二半導(dǎo)體層116上方和第二半導(dǎo)體層116 內(nèi)。晶體管114包括一對源極/漏極區(qū)120、溝道區(qū)122、柵極124和第二柵極介電層126。 源極/漏極區(qū)120嵌入在第二半導(dǎo)體層116內(nèi)，并且溝道區(qū)122布置在源極/漏極區(qū)120之 間的第二半導(dǎo)體層116中。通常，源極/漏極區(qū)120具有與第二半導(dǎo)體層116大約相同的 厚度。柵極124布置在第二半導(dǎo)體層116和溝道區(qū)122上方，溝道區(qū)122位于源極/漏極 區(qū)120之間。此外，柵極124通過第二柵極介電層126與第二半導(dǎo)體層116和溝道區(qū)122間 隔開。例如，柵極124可W是滲雜的多晶娃或金屬。例如，柵極介電層126可W是氧化物。
[0045] 邸化金屬化堆疊件206'布置在器件層208和第一襯底402上方。邸化金屬化堆 疊件206'包括堆疊在第S層間介電層118'內(nèi)的多個金屬化層210。BE化金屬化堆疊件 206'的一個或多個接觸件128從下部金屬化層延伸至器件層208,器件層208包括柵極124 和/或源極/漏極區(qū)120。此外，BE化金屬化堆疊件206'的一個或多個第一通孔212在金 屬化層210之間延伸W互連金屬化層210。例如，層間介電層118'可W是低K電介質(zhì)或氧 化物。例如，金屬化層210、接觸件128和第一通孔212可W是金屬。
[0046] 圖5示出了對應(yīng)于步驟304的一些實施例的截面圖500。如圖所示，集成電路202' 繞水平軸旋轉(zhuǎn)約180度，并且通過集成電路202'的第一正側(cè)接合至第二載體襯底214'。例 如，集成電路202'可W通過烙融接合或通過使用粘合劑接合至載體襯底214'。例如，載體 襯底214'可W是塊狀娃襯底或SOI襯底。 陽047] 圖6示出了對應(yīng)于步驟306的一些實施例的截面圖600。如圖所示，實施至集成 電路202"的第二背側(cè)內(nèi)的平坦化W去除載體層404和W暴露的第一介電層106'，集成電 路202"的第二背側(cè)與集成電路202"的正側(cè)相對。例如，用于實施平坦化的工藝可W包括 化學(xué)機械拋光（CMP)。
[0048] 圖4至圖6設(shè)及其中第一襯底402包括堆疊在介電層106'的相對兩側(cè)上的載體 層404和半導(dǎo)體層116的實施例。應(yīng)當(dāng)理解，在其他實施例中，第一襯底402可W是塊狀半 導(dǎo)體襯底。在運樣的實施例中，步驟306的平坦化可W是不必要的。此外，在進一步進行圖 3的方法之前，可W在塊狀半導(dǎo)體襯底上方形成介電層W獲得類似于圖6中示出的半導(dǎo)體 結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。
[0049] 圖7示出了對應(yīng)于步驟308的一些實施例的截面圖700的一些實施例。如圖所示， 實施至剩余的集成電路202"'和剩余的第一襯底402"的背側(cè)內(nèi)的第一干蝕刻，W在溝道區(qū) 122上方形成第一開口 104'。換句話說，實施至第一介電層106'內(nèi)的第一蝕刻W在溝道區(qū) 122上方形成第一開口 104'。第一蝕刻通常是各向異性的并且不完全地延伸穿過第一介電 層106'。在一些實施例中，用實施第一蝕刻的工藝包括形成第一光刻膠層702，從而掩蔽第 一介電層106'的環(huán)繞第一開口 104'的區(qū)域。之后，根據(jù)第一光刻膠層702將干蝕刻劑704 應(yīng)用于第一介電層106'。干蝕刻劑可W具有基礎(chǔ)氣體，例如，氣（Ar)、四氣甲燒（CF4)、=氣 甲燒（CHFs)或六氣化硫（SFe)。在其他實施例中，實施濕蝕刻或其他蝕刻W代替干蝕刻。
[0050] 圖8示出了對應(yīng)于步驟310的一些實施例的截面圖800。如圖所示，實施至剩余的 第一襯底402"'、剩余的集成電路202""和剩余的第一介電層106的沿著第一開口 104延 伸的區(qū)域的背側(cè)內(nèi)的第二濕蝕刻。第二蝕刻通常是各向同性的并且擴展第一開口 104 W暴 露溝道區(qū)122。盡管示出了垂直側(cè)壁106a、106b，但是第二蝕刻可W導(dǎo)致圓形和/或傾斜的 側(cè)壁。在一些實施例中，用于實施第二蝕刻的工藝包括在第一光刻膠層702位于合適的位 置的情況下，將濕蝕刻劑802應(yīng)用于剩余的第一介電層106。然后，去除第一光刻膠層702。 例如，濕蝕刻劑802可W是緩沖氧化物蝕刻劑度OE)。在其他實施例中，實施干蝕刻或其他 蝕刻W代替濕蝕刻。
[0051] 圖9示出了對應(yīng)于步驟312和314的一些實施例的截面圖900。如圖所示，共形地 形成沿著剩余的第一襯底402"'，剩余的集成電路202""和剩余的第一介電層106的背側(cè)延 伸的生物感測層108,并且生物感測層108作為擴展的第一開口 104的襯墊。生物感測層 108形成為具有超過約3. 9的介電常數(shù)的高K電介質(zhì)。例如，生物感測層108可W形成為 氧化給。此外，在一些實施例中，生物感測層108形成為具有約100埃的厚度。例如，用于 形成生物感測層108的工藝可W包括化學(xué)汽相沉積（CVD)、物理汽相沉積（PVD)、原子層沉 積（ALD)或一些其他的沉積技術(shù)。
[0052] 也如圖9所示，共形地形成沿著剩余的第一介電層106的背側(cè)延伸的第=介電層 110'，并且第S介電層110'位于生物感測層108上方并且作為擴展的開口 104的襯墊。例 如，第=介電層110'可W形成為氧化物。此外，例如，第=介電層110'可W形成為具有約 1000埃的厚度。例如，用于形成第S介電層110'的工藝可W包括CVD、PVD或ALD。因此， 在一些實施例中，生物感測層108和第=介電層110'可W呈現(xiàn)V形或U形截面輪廓。
[0053] 圖10示出了對應(yīng)于步驟316的一些實施例的截面圖1000。如圖所示，穿過第S 介電層110的位于溝道區(qū)122上面的區(qū)域，實施至生物感測層108的第=干蝕刻W形成第 二開口 112。在一些實施例中，第二開口 112形成為具有約0. 2具有至約0. 4具有的寬度。 第=蝕刻通常為各向異性的并且暴露生物感測層108的直接位于溝道區(qū)122之上的區(qū)域。 有利地，在第=蝕刻期間，生物感測108層作為蝕刻停止層W防止對溝道區(qū)122的表面損壞 并且W允許對第二開口 112的寬度的增加的控制。如上所述，通過防止表面損壞并且增大 對第二開口寬度的控制，提高了器件性能。
[0054] 在一些實施例中，用于實施第=蝕刻的工藝包括形成第二光刻膠層1002,從而掩 蔽第立介電層110的圍繞第二開口 112的區(qū)域。有利地，用于形成第一光刻膠層702的相 同的光掩模可W用于形成第二光刻膠層1002,從而降低了成本。之后，根據(jù)第二光刻膠層 1002,將干蝕刻劑1004應(yīng)用于第=介電層110。干蝕刻劑1004可W具有基礎(chǔ)氣體，例如， Ar、化、CHFs或SF e。在一些實施例中，干蝕刻劑1004相對于生物感測層108對第S介電 層110具有約20的選擇性。例如，運樣的選擇性可W通過如下方式獲得：通過在壓力為約 80毫托并且功率為約80瓦的情況下，在從第=介電層110之上約60英寸處應(yīng)用干蝕刻劑 1004,其中，干蝕刻劑1004包括約100標(biāo)準(zhǔn)立方厘米每分鐘（seem)的Ar,約350sccm的氮 化e)，約SOsccm的CF"約30sccm的CHFs W及約20sccm的氮氣（N 2)。隨著干蝕刻劑1004 的應(yīng)用，去除第二光刻膠層1002。在其他實施例中，實施濕蝕刻或一些其他蝕刻W代替干蝕 刻。 陽化5] 圖11示出了對應(yīng)于步驟318的一些實施例的截面圖1100。如圖所示，MEMS結(jié)構(gòu) 204通過剩余的集成電路202""接合至第二襯底214'。MEMS結(jié)構(gòu)204使用微流體W將測試 樣品導(dǎo)向擴展的第一開口 104和第二開口 112。在其他實施例中，MEMS結(jié)構(gòu)204可W布置 在第二襯底214'的背側(cè)上。
[0056] 圖12示出了對應(yīng)于步驟320的一些實施例的截面圖1200。如圖所示，形成延伸 穿過第二襯底214至金屬化層210的一個或多個第二襯底通孔220。也如圖所示，BGA 216 形成在第二襯底214的背側(cè)上。BGA 216包括通過第二通孔220電連接至金屬化層210的 畑L 218。畑L 218被第四BGA介電層222覆蓋，并且UBM層224延伸穿過BGA介電層222 W將位于UBM層224下面的焊球226電連接至RDL 218。在其他實施例中，可W使用除了 BGA 216 W外的方案W封裝半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。
[0057] 因此，由上文可W理解，本發(fā)明提供了一種生物感測半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。晶體管包括溝道 區(qū)和位于溝道區(qū)下面的柵極。第一介電層位于晶體管上面。第一開口延伸穿過第一介電層 W暴露溝道區(qū)。生物感測層作為第一開口的襯墊并且覆蓋溝道區(qū)的上表面。第二介電層作 為第一開口的襯墊并且位于感測層上方。位于第一開口內(nèi)的第二開口穿過第二介電層的位 于溝道區(qū)上面的區(qū)域而延伸至生物感測層。
[0058] 在其他實施例中，本發(fā)明提供了一種用于制造生物感測半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的方法。提供 半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其中，第一介電層位于晶體管上面。晶體管包括位于柵極上面的溝道區(qū)。實施 至第一介電層內(nèi)的第一蝕刻W形成位于溝道區(qū)上面的第一開口。實施至第一介電層的沿著 第一開口延伸的區(qū)域內(nèi)的第二蝕刻W擴展第一開口并且W暴露溝道區(qū)。形成作為擴展的第 一開口的襯墊的生物感測層。在生物感測層上方形成作為擴展的第一開口的襯墊的第二介 電層。穿過第二介電層的位于溝道區(qū)上面的區(qū)域，實施至生物感測層的第=蝕刻W形成第 二開口。
[0059] 在又一些其他實施例中，本發(fā)明提供了一種生物感測半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。BE化金屬化堆 疊件位于襯底上方并且包括位于靠近BE化金屬化堆疊件的上表面處的柵電極。半導(dǎo)體層 位于BE化金屬化堆疊件上面并且包括第一源極/漏極區(qū)和第二源極/漏極區(qū)，第一源極/ 漏極區(qū)和第二源極/漏極區(qū)通過溝道區(qū)彼此間隔開。溝道區(qū)位于柵電極上面并且通過柵極 電介質(zhì)與柵電極分隔開。第一介電層位于半導(dǎo)體層上面并且在第一介電層中包括阱凹槽。 阱凹槽配置為保持用于生物感測分析的液體測試樣品并且阱凹槽直接設(shè)置在溝道區(qū)上方。 生物感測層作為阱凹槽的襯墊、覆蓋第一介電層的鄰近溝道區(qū)的內(nèi)側(cè)壁并且覆蓋溝道區(qū)的 上表面。第二介電層位于生物感測層上面并且具有第二開口，第二開口暴露出的生物感測 層的在阱凹槽內(nèi)的上表面小于生物感測層的在阱凹槽內(nèi)的整個上表面。
[0060] 根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，提供了一種生物感測半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，包括：晶體管，包括 溝道區(qū)和位于所述溝道區(qū)下面的柵極；第一介電層，位于所述晶體管上面；第一開口，延伸 穿過所述第一介電層W暴露所述溝道區(qū)；生物感測層，作為所述第一開口的襯墊并且覆蓋 所述溝道區(qū)的上表面；第二介電層，作為所述第一開口的襯墊并且位于所述生物感測層上 方；W及第二開口，位于所述第一開口內(nèi)并且穿過所述第二介電層的位于所述溝道區(qū)上面 的區(qū)域而延伸至所述生物感測層。
[0061] 在上述生物感測半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)中，所述生物感測層具有超過約3. 9的介電常數(shù)。
[0062] 在上述生物感測半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)中，所述生物感測層包括氧化給。
[0063] 在上述生物感測半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)中，所述生物感測層和所述第二介電層分別具有約 100埃（違.）和約1000 A的厚度。
[0064] 在上述生物感測半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)中，所述第二開口具有約0. 2微米（y m)至約0. 4 y m 的寬度。 陽〇化]在上述生物感測半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)中，還包括：半導(dǎo)體層，位于所述第一介電層下面，其 中，所述溝道區(qū)布置在所述晶體管的一對源極/漏極區(qū)之間的所述半導(dǎo)體層內(nèi)；W及第= 介電層，位于所述半導(dǎo)體層下面，其中，所述柵極布置在所述第=介電層內(nèi)并且通過所述晶 體管的第四介電層與所述溝道區(qū)間隔開。
[0066] 在上述生物感測半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)中，所述生物感測層和所述第二介電層均具有U形或 V形截面輪廓。
[0067] 在上述生物感測半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)中，還包括：微電子機械系統(tǒng)（MEM巧結(jié)構(gòu)，布置在所 述第一介電層上方并且配置為使用微流體將測試樣品引導(dǎo)至所述第二開口。
[0068] 在上述生物感測半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)中，還包括：后段制程度E0L)金屬化堆疊件，位于所 述晶體管下面，其中，所述BE化金屬化堆疊件包括堆疊在第=介電層內(nèi)的多個金屬化層， 并且所述多個金屬化層通過接觸件電連接至所述柵極。
[0069] 根據(jù)本發(fā)明的另一實施例，還提供了一種用于制造生物感測半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的方法， 所述方法包括：提供半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其中，第一介電層位于晶體管上面，所述晶體管包括位于 柵極上面的溝道區(qū)；實施至所述第一介電層內(nèi)的第一蝕刻W在所述溝道區(qū)上面形成第一開 口；實施至所述第一介電層的沿著所述第一開口延伸的區(qū)域內(nèi)的第二蝕刻W擴展所述第一 開口并且暴露所述溝道區(qū)；形成作為擴展的所述第一開口的襯墊的生物感測層；在所述生 物感測層上方形成作為擴展的所述第一開口的襯墊的第二介電層；W及穿過所述第二介電 層的位于所述溝道區(qū)上面的區(qū)域，實施至所述生物感測層的第=蝕刻W形成第二開口。
[0070] 在上述方法中，還包括：形成具有超過約3. 9的介電常數(shù)的電介質(zhì)的所述生物感 測層。
[0071] 在上述方法中，還包括：用氧化給形成所述生物感測層。
[0072] 在上述方法中，還包括：將所述生物感測層和所述第二介電層形成為分別具有約 100埃（裘）和1000 A的厚度。
[0073] 在上述方法中，還包括：將所述第二開口形成為具有約0.2微米（ym)至約 0. 4 ym的寬度。
[0074] 在上述方法中，實施所述第=蝕刻包括：相對于所述生物感測層，對所述第二介電 層應(yīng)用具有約20的選擇性的蝕刻劑。
[00巧]在上述方法中，還包括：使用光掩模在所述第一介電層上方形成第一光刻膠層； 根據(jù)所述第一光刻膠層，實施所述第一蝕刻和所述第二蝕刻；去除所述第一光刻膠層并且 隨后形成所述生物感測層和所述第二介電層；使用所述光掩模在所述第一介電層上方形成 第二光刻膠層；根據(jù)所述第二光刻膠層實施所述第=蝕刻；W及去除所述第二光刻膠層。
[0076] 在上述方法中，提供所述半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)包括：提供具有布置在襯底的第一側(cè)上的所 述晶體管的集成電路，其中，所述襯底包括堆疊在所述第一介電層的相對兩側(cè)上的第一半 導(dǎo)體層和第二半導(dǎo)體層，并且其中，所述溝道區(qū)布置在所述第二半導(dǎo)體層中；穿過所述第一 半導(dǎo)體層對所述襯底的第二側(cè)實施平坦化W暴露所述第一介電層，所述襯底的第二側(cè)與所 述襯底的第一側(cè)相對。
[0077] 在上述方法中，還包括：在所述第一介電層上方接合或者形成微電子機械系統(tǒng) (MBl巧結(jié)構(gòu)。
[0078] 在上述方法中，還包括：在所述半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)下面形成球柵陣列度GA)。
[0079] 根據(jù)本發(fā)明的又一實施例，還提供了一種生物感測半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，包括：襯底；后段 制程度E0L)金屬化堆疊件，位于所述襯底上方并且包括柵電極，所述柵電極靠近所述BE化 金屬化堆疊件的上表面；半導(dǎo)體層，位于所述BE化金屬化堆疊件上面并且包括第一源極/ 漏極區(qū)和第二源極/漏極區(qū)，所述第一源極/漏極區(qū)和所述第二源極/漏極區(qū)通過溝道區(qū) 彼此間隔開，其中，所述溝道區(qū)位于所述柵電極上面并且通過柵極電介質(zhì)與所述柵電極分 隔開；第一介電層，位于所述半導(dǎo)體層上面并且在所述第一介電層中包括阱凹槽，其中，所 述阱凹槽配置為保持用于生物感測分析的液體測試樣品并且所述阱凹槽直接設(shè)置在所述 溝道區(qū)上方；生物感測層，作為所述阱凹槽的襯墊，覆蓋所述第一介電層的鄰近所述溝道區(qū) 的內(nèi)側(cè)壁，并且覆蓋所述溝道區(qū)的上表面；W及第二介電層，位于所述生物感測層上面并且 具有第二開口，所述第二開口暴露出的所述生物感測層的在所述阱凹槽內(nèi)的上表面小于所 述生物感測層的在所述阱凹槽內(nèi)的整個上表面。
[0080] 上面概述了若干實施例的特征，使得本領(lǐng)域技術(shù)人員可W更好地理解本發(fā)明的方 面。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該理解，他們可W容易地使用本發(fā)明作為基礎(chǔ)來設(shè)計或修改用于實 現(xiàn)與本文所介紹實施例相同的目的和/或?qū)崿F(xiàn)相同優(yōu)勢的其他工藝和結(jié)構(gòu)。本領(lǐng)域技術(shù)人 員也應(yīng)該意識到，運種等同構(gòu)造并不背離本發(fā)明的精神和范圍，并且在不背離本發(fā)明的精 神和范圍的情況下，在此他們可W做出多種變化、替換W及改變。
【主權(quán)項】
1. 一種生物感測半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，包括： 晶體管，包括溝道區(qū)和位于所述溝道區(qū)下面的柵極； 第一介電層，位于所述晶體管上面； 第一開口，延伸穿過所述第一介電層W暴露所述溝道區(qū)； 生物感測層，作為所述第一開口的襯墊并且覆蓋所述溝道區(qū)的上表面； 第二介電層，作為所述第一開口的襯墊并且位于所述生物感測層上方；W及 第二開口，位于所述第一開口內(nèi)并且穿過所述第二介電層的位于所述溝道區(qū)上面的區(qū) 域而延伸至所述生物感測層。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的生物感測半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其中，所述生物感測層具有超過約3. 9 的介電常數(shù)。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的生物感測半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其中，所述生物感測層包括氧化給。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的生物感測半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其中，所述生物感測層和所述第二介 電層分別具有約100埃（A )和約ΙΟ(激A的厚度。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的生物感測半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其中，所述第二開口具有約0. 2微米 (μηι)至約0. 4 μηι的寬度。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的生物感測半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，還包括： 半導(dǎo)體層，位于所述第一介電層下面，其中，所述溝道區(qū)布置在所述晶體管的一對源極 /漏極區(qū)之間的所述半導(dǎo)體層內(nèi)；W及 第Ξ介電層，位于所述半導(dǎo)體層下面，其中，所述柵極布置在所述第Ξ介電層內(nèi)并且通 過所述晶體管的第四介電層與所述溝道區(qū)間隔開。7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的生物感測半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其中，所述生物感測層和所述第二介 電層均具有U形或V形截面輪廓。8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的生物感測半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，還包括： 微電子機械系統(tǒng)（MEM巧結(jié)構(gòu)，布置在所述第一介電層上方并且配置為使用微流體將 測試樣品引導(dǎo)至所述第二開口。9. 一種用于制造生物感測半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的方法，所述方法包括： 提供半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其中，第一介電層位于晶體管上面，所述晶體管包括位于柵極上面的 溝道區(qū)； 實施至所述第一介電層內(nèi)的第一蝕刻W在所述溝道區(qū)上面形成第一開口； 實施至所述第一介電層的沿著所述第一開口延伸的區(qū)域內(nèi)的第二蝕刻W擴展所述第 一開口并且暴露所述溝道區(qū)； 形成作為擴展的所述第一開口的襯墊的生物感測層； 在所述生物感測層上方形成作為擴展的所述第一開口的襯墊的第二介電層；W及 穿過所述第二介電層的位于所述溝道區(qū)上面的區(qū)域，實施至所述生物感測層的第Ξ蝕 刻W形成第二開口。10. -種生物感測半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，包括： 襯底； 后段制程度EOL)金屬化堆疊件，位于所述襯底上方并且包括柵電極，所述柵電極靠近 所述BE化金屬化堆疊件的上表面； 半導(dǎo)體層，位于所述BE化金屬化堆疊件上面并且包括第一源極/漏極區(qū)和第二源極/ 漏極區(qū)，所述第一源極/漏極區(qū)和所述第二源極/漏極區(qū)通過溝道區(qū)彼此間隔開，其中，所 述溝道區(qū)位于所述柵電極上面并且通過柵極電介質(zhì)與所述柵電極分隔開； 第一介電層，位于所述半導(dǎo)體層上面并且在所述第一介電層中包括阱凹槽，其中，所述 阱凹槽配置為保持用于生物感測分析的液體測試樣品并且所述阱凹槽直接設(shè)置在所述溝 道區(qū)上方； 生物感測層，作為所述阱凹槽的襯墊，覆蓋所述第一介電層的鄰近所述溝道區(qū)的內(nèi)側(cè) 壁，并且覆蓋所述溝道區(qū)的上表面；W及 第二介電層，位于所述生物感測層上面并且具有第二開口，所述第二開口暴露出的所 述生物感測層的在所述阱凹槽內(nèi)的上表面小于所述生物感測層的在所述阱凹槽內(nèi)的整個 上表面。
【文檔編號】B81B7/02GK105977282SQ201510495959
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2015年8月13日
【發(fā)明人】張哲銘, 詹志仁, 周仲彥, 曾李全, 林詩瑋, 謝元智
【申請人】臺灣積體電路制造股份有限公司