用于制造生物传感器的微阱的方法

用于制造生物传感器的微阱的方法
【专利摘要】本发明实施例提供了一种生物感测半导体结构。晶体管包括沟道区和位于沟道区下面的栅极。第一介电层位于晶体管上面。第一开口延伸穿过第一介电层以暴露沟道区。生物感测层作为第一开口的衬垫并且覆盖沟道区的上表面。第二介电层作为第一开口的衬垫并且位于感测层上方。位于第一开口内的第二开口穿过第二介电层的位于沟道区上面的区域而延伸至生物感测层。本发明实施例也提供了一种用于制造生物感测半导体结构的方法。本发明实施例涉及用于制造生物传感器的微阱的方法。
【专利说明】
用于制造生物传感器的微阱的方法
技术领域
[0001] 本发明实施例设及用于制造生物传感器的微阱的方法。
【背景技术】
[0002] 生物传感器是用于感测和检测分析物的器件，并且通常在一个或多个电子、化学、 光学和机械检测原理的基础上操作。可W通过检测分析物本身或通过反应物和分析物之间 的相互作用和反应来实施检测。生物传感器广泛用于不同的生命科学应用中，包括从环境 监测和基础生命科学研究到床旁检测（PoC)体外分子诊断。

【发明内容】

[0003] 根据本发明的一个实施例，提供了一种生物感测半导体结构，包括：晶体管，包括 沟道区和位于所述沟道区下面的栅极；第一介电层，位于所述晶体管上面；第一开口，延伸 穿过所述第一介电层W暴露所述沟道区；生物感测层，作为所述第一开口的衬垫并且覆盖 所述沟道区的上表面；第二介电层，作为所述第一开口的衬垫并且位于所述生物感测层上 方；W及第二开口，位于所述第一开口内并且穿过所述第二介电层的位于所述沟道区上面 的区域而延伸至所述生物感测层。
[0004] 根据本发明的另一实施例，还提供了一种用于制造生物感测半导体结构的方法， 所述方法包括：提供半导体结构，其中，第一介电层位于晶体管上面，所述晶体管包括位于 栅极上面的沟道区；实施至所述第一介电层内的第一蚀刻W在所述沟道区上面形成第一开 口；实施至所述第一介电层的沿着所述第一开口延伸的区域内的第二蚀刻W扩展所述第一 开口并且暴露所述沟道区；形成作为扩展的所述第一开口的衬垫的生物感测层；在所述生 物感测层上方形成作为扩展的所述第一开口的衬垫的第二介电层；W及穿过所述第二介电 层的位于所述沟道区上面的区域，实施至所述生物感测层的第=蚀刻W形成第二开口。 阳〇化]根据本发明的又一实施例，还提供了一种生物感测半导体结构，包括：衬底；后段 制程度E0L)金属化堆叠件，位于所述衬底上方并且包括栅电极，所述栅电极靠近所述BE化 金属化堆叠件的上表面；半导体层，位于所述BE化金属化堆叠件上面并且包括第一源极/ 漏极区和第二源极/漏极区，所述第一源极/漏极区和所述第二源极/漏极区通过沟道区 彼此间隔开，其中，所述沟道区位于所述栅电极上面并且通过栅极电介质与所述栅电极分 隔开；第一介电层，位于所述半导体层上面并且在所述第一介电层中包括阱凹槽，其中，所 述阱凹槽配置为保持用于生物感测分析的液体测试样品并且所述阱凹槽直接设置在所述 沟道区上方；生物感测层，作为所述阱凹槽的衬垫，覆盖所述第一介电层的邻近所述沟道区 的内侧壁，并且覆盖所述沟道区的上表面；W及第二介电层，位于所述生物感测层上面并且 具有第二开口，所述第二开口暴露出的所述生物感测层的在所述阱凹槽内的上表面小于所 述生物感测层的在所述阱凹槽内的整个上表面。
【附图说明】
[0006] 当结合附图进行阅读时，从W下详细描述可最佳理解本发明的各方面。应该注意， 根据工业中的标准实践，各个部件未按比例绘制。实际上，为了清楚的讨论，各个部件的尺 寸可W任意地增大或减小。
[0007] 图1示出了具有生物传感器微阱的半导体结构的一些实施例的截面图。
[0008] 图2示出了具有微阱的生物传感器的一些实施例的截面图。
[0009] 图3示出了用于制造具有微阱的生物传感器的方法的一些实施例的流程图。
[0010] 图4至图12示出了生物传感器在各个制造阶段的一些实施例的一系列截面图，生 物传感器具有微阱。
【具体实施方式】
[0011] W下公开内容提供了许多用于实现本发明的不同特征的不同实施例或实例。下面 描述了组件和布置的具体实例W简化本发明。当然，运些仅仅是实例，而不旨在限制本发 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 件形成为直接接触的实施例，并且也可W包括在第一部件和第二部件之间可W形成额外的 部件，从而使得第一部件和第二部件可W不直接接触的实施例。此外，本发明可在各个实例 中重复参考标号和/或字符。该重复是为了简单和清楚的目的，并且其本身不指示所讨论 的各个实施例和/或配置之间的关系。
[0012] 而且，为便于描述，可W使用诸如"在…之下"、"在…下方"、"下部"、"在…之上"、 "上部"等的空间相对术语，W描述如图所示的一个元件或部件与另一个（或另一些）元件 或部件的关系。除了图中所示的方位外，空间相对术语旨在包括器件在使用或操作中的不 同方位。装置可WW其他方式定向（旋转90度或在其他方位上），而在此使用的空间相对 描述符可W同样地作相应的解释。
[001引此外，为了更方便地区别开一个图或一系列的图的不同元件，本文中可W使用"第 一"、"第二"、"第等。"第一"、"第二"、"第等不旨在描述相应的元件。因此，结合第 一图描述的"第一介电层"不必对应于结合另一图描述的"第一介电层"。
[0014] -些生物传感器将微电子机械系统（MEM巧技术和互补金属氧化物半导体（CM0巧 技术结合起来。运些生物传感器可W包括通过CMOS器件的正侧接合至载体衬底的CMOS器 件。微阱可W布置在介电层内的CMOS器件的晶体管上方，介电层布置在CMOS器件的背侧 上。此外，MEMS器件可W布置在介电层上方并且通过CMOS器件的背侧接合至CMOS器件。
[0015] 在上述生物传感器的制造期间，直接位于晶体管的沟道区之上的微阱的宽度W及 沟道区的完整性对于器件性能是至关重要的。根据一些方法，实施至介电层内的单个干蚀 刻W形成微阱，并且W暴露沟道区。然而，运些方法可能会损坏沟道区的表面并且引起电故 障。根据其他方法，实施至介电层内的干蚀刻W形成开口。之后，实施湿蚀刻W扩展开口， 从而形成微阱和暴露沟道区。有利的是，运些其他的方法可W不损坏沟道区。然而，虽然运 些其他的方法可W不损坏沟道区，但是运些其他方法可能使微阱扩大为超出期望的宽度并 且降低微阱捕获期望的分析物或分析物的载体的能力。
[0016] 综上所述，本申请设及一种用于制造具有对微阱形成具有改进的控制的生物传感 器的方法。此外，本申请设及由该方法的性能导致的生物传感器和半导体结构。根据该方 法，使用第一干蚀刻，之后通过使用第二湿蚀刻形成第一开口，从而暴露晶体管的沟道区。 之后，生物感测层和位于生物感测层上面的介电层内衬于第一开口。生物感测层通常是具 有超过约3. 9的介电常数的高K电介质。当形成生物感测层和介电层之后，实施穿过介电 层至生物感测层的第=蚀刻W形成位于源极/漏极区上面的第二开口，第二开口具有临界 宽度。
[0017] 有利地，通过根据上述方法形成微阱，可W防止对沟道区的损坏并且改进了对微 阱宽度的控制。例如，直接位于沟道区之上的微阱的宽度可W从约0.4微米（ym)降低至 约0.2 ym。作为另一实例，无法满足晶圆内（WiW)和/或晶圆至晶圆（WtW)均匀性度量的 微阱可W从约59 %降低至小于约10%。小于约10%，氧化物厚度变化和湿蚀刻剂寿命可能 造成不合格的微阱。此外，因为同一光掩模可W用于第一、第二和第=蚀刻，所W成本最小 地受到额外的第S蚀刻的影响。甚至，相对于生物感测层对介电层具有约20的选择性的蚀 刻剂是已知的，其可W减少过蚀刻。
[0018] 参考图1，提供了具有生物传感器微阱102的半导体结构的一些实施例的截面图 100。生物传感器微阱102布置在第一介电层106的第一开口 104内，第一介电层106在生 物感测层108和第二介电层110的侧壁之间。生物感测层108沿着第一介电层106的上表 面延伸并且作为第一开口 104的衬垫。第二介电层110沿着上表面延伸并且作为第一开口 104的衬垫，并且第二介电层110位于生物感测层108上方。例如，第一和第二介电层106、 110可W是诸如二氧化娃的氧化物。此外，例如，第一介电层106可W具有约1 ym的厚度， 并且例如，第二介电层110可W具有约1000埃的厚度。例如，生物感测层108可W是高K 电介质和/或例如，可W具有例如约100埃的厚度。高K电介质是具有超过约3. 9的介电 常数的电介质，诸如氧化给（例如，Hf〇2)。
[0019] 比第一开口 104具有更小覆盖区的第二开口 112延伸穿过第二介电层110至生物 感测层108。在一些实施例中，第二开口具有约0.2ym到约0.4ym的宽度W。如后文中可 见，在形成第二开口 112期间，生物感测层108作为蚀刻停止层。运可W防止对生物感测层 108下面的表面的损坏，并且允许对第二开口 112的宽度W的更大的控制。如上所述，宽度 W和下面的表面完整性是器件性能的关键。
[0020] 晶体管114布置在生物传感器微阱102下方并且位于半导体层116和第=层间介 电层118内。层间介电层118布置在第一介电层106下方，并且半导体层116布置在层间 介电层118上方并且布置在第一介电层106和层间介电层118之间。在一些实施例中，半 导体层116邻接第一介电层106和/或生物感测层108,和/或层间介电层118邻接半导体 层116。例如，层间介电层118可W是氧化物或低K电介质。低K电介质是具有小于约 3. 9的介电常数的电介质。例如，半导体层116可W是娃或一些其他半导体。
[0021] 晶体管114包括一对源极/漏极区120、在源极/漏极区120之间延伸的沟道区 122 W及布置在源极/漏极区120之间的栅极124。源极/漏极区120嵌入在半导体层116 内并且布置在栅极124的相对两侧上。栅极124布置在层间介电层118内并且通过晶体管 114的栅极介电层126与半导体层116间隔开。栅极介电层126从大约与层间介电层118 的上表面平齐处延伸至层间介电层118内，并且邻接层间介电层118内的栅极124。栅极 124通过接触件128与位于晶体管114下面的BE化金属化堆叠件电连接，接触件128布置 在层间介电层118内并且通常邻接栅极124。例如，栅极124和接触件128可W是渗杂的多 晶娃或诸如鹤或铜的金属。例如，栅极介电层126可W是氧化物。
[0022] 在使用微阱102期间，通常通过微流体将测试样品应用到微阱102。测试样品可W 包括悬浮在流体中的分析物，在一些实施例中，分析物固定至化Oimd to)载体。在一定程 度上，测试样品包括分析物，分析物接合于生物感测层108的暴露区域上。当分析物接合于 生物感测层108上时，位于沟道区122上面的电荷量改变。例如，在一些实施例中，当分析 物接合于生物感测层108上时，在生物感测层108和分析物之间发生生物反应W释放离子 并且增加在微阱102中的抑。升高的抑然后诱导沟道区122上面的电荷量的变化。
[0023] 沟道区122上面的电荷量的变化引起晶体管114的电特性的变化。通过观察电荷 变化之前和之后的电特性的变化，可W检测分析物的存在。例如，当在微阱102中存在分析 物时，晶体管114的阔值电压Vt可W增加 AVt的量。通过对栅极124应用大于V准是小 于Vt+A Vt的电压V，电流将流过源极/漏极区120之间的沟道区122,取决于在微阱102中 是否存在分析物。
[0024] 参考图2,提供了具有图1的微阱102的生物传感器的一些实施例的截面图200。 微阱102布置在集成电路202的背侧上的第一开口 104内并且布置在生物感测层108和第 二介电层110的侧壁之间。生物感测层108沿着第一开口 104的背侧延伸并且作为第一开 口 104的衬垫。第二介电层110沿着第一开口 104的背侧延伸并且作为第一开口 104的衬 垫，并且第二介电层110位于生物感测层108上方。比第一开口 104具有更小的覆盖区的 第二开口 112延伸穿过第二介电层110至生物感测层108。例如，第二介电层110可W是氧 化物。例如，生物感测层108可W是高K电介质。在一些实施例中，MEMS结构204布置在 集成电路202和微阱102上方W通过微流体将测试样品引导至微阱102。
[0025] 集成电路202包括第一介电层106、位于第一介电层106下面的半导体层116、位 于半导体层116下面的BE化金属化堆叠件206 W及布置在半导体层116和BE化金属化堆 叠件206之间的器件层208。如后文中可见的，第一介电层106和半导体层116可W是绝缘 体上娃（SOI)衬底的残余。第一介电层106布置在微阱102周围，并且器件层208的晶体 管114布置在微阱102下方。
[0026] 晶体管114包括一对源极/漏极区120、在源极/漏极区120之间延伸的沟道区 122 W及布置在该对源极/漏极区120之间的栅极124。源极/漏极区120嵌入在半导体 层116内并且布置在栅极124的相对两侧上。栅极124布置在BE化金属化堆叠件206的第 S层间介电层118中并且通过晶体管114的第四栅极介电层126与半导体层116间隔开。 栅极介电层126延伸至层间介电层118内，并且邻接层间介电层118内的栅极124。例如， 栅极124可W是渗杂的多晶娃或金属。例如，栅极介电层126可W是氧化物。
[0027] 邸化金属化堆叠件206包括堆叠在层间介电层118内的多个金属化层210。邸化 金属化堆叠件206的一个或多个接触件128从上部金属化层延伸至器件层208,器件层208 包括栅极124和/或源极/漏极区120。此外，BE化金属化堆叠件206的一个或多个第一 通孔212在金属化层210之间延伸W互连金属化层210。例如，层间介电层118可W是低 K电介质或氧化物。例如，金属化层210、接触件128和第一通孔212可W是金属，诸如铜 或侣。
[0028] 载体衬底214位于集成电路202下方并且在集成电路202和球栅阵列度GA) 216 之间。BGA 216包括重分布层（畑L) 218,重分布层（畑L) 218布置在载体衬底214的背侧上 并且通过一个或多个第二衬底通孔220电连接至BE化金属化堆叠件206的金属化层210， 第二衬底通孔220延伸穿过载体衬底214。畑L 218被第五BGA介电层222覆盖，并且凸块 下金属化扣BM)层224延伸穿过BGA介电层222 W将UBM层224下面的焊球226电连接至 畑L 218。例如，BGA介电层222可W是环氧树脂或单模光纤（SMF)。例如，畑L 218、UBM层 224、衬底通孔220和焊球226可W是诸如铜、侣和鹤的金属。
[0029] 参考图3,提供了用于制造具有微阱的生物传感器的方法的一些实施例的流程图 300。
[0030] 在步骤302中，提供具有布置在第一 SOI衬底的第一侧上的器件层的集成电路。器 件层包括位于一对源极/漏极区之间的沟道区上面的晶体管的栅极。
[0031] 在步骤304中，通过第二衬底的第一上侧将第一衬底的第一侧上的集成电路接合 至第二衬底。
[0032] 在步骤306中，实施至第一衬底的第二侧内的平坦化W去除第一衬底的第一半导 体层和暴露第一衬底的第一介电层，第一衬底的第二侧与第一衬底的第一侧相对。
[0033] 在步骤308中，实施至沟道区上方的第一介电层内的第一干蚀刻W形成第一开 P。
[0034] 在步骤310中，实施至第一介电层的围绕第一开口的区域内的第二湿蚀刻W扩展 第一开口并且W暴露沟道区。
[0035] 在步骤312中，在第一介电层上方形成生物感测层并且生物感测层作为扩展的第 一开口的衬垫。生物感测层具有超过约3. 9的介电常数。
[0036] 在步骤314中，在生物感测层上形成第二介电层并且第二介电层作为生物感测层 的衬垫。
[0037] 在步骤316中，穿过第二介电层的在沟道区上面的区域，实施至生物感测层的第 =干蚀刻，W形成第二开口。
[0038] 在步骤318中，通过第一衬底，将MEMS结构接合至第一衬底的第二侧上的第二衬 底。
[0039] 在步骤320中，在第二衬底的第二下侧上形成BGA，其中，第二衬底的第二侧与第 二衬底的第一侧相对。
[0040] 有利地，通过利用额外的第=蚀刻形成微阱，防止了对沟道区的损坏并且改进了 对直接位于沟道区之上的微阱宽度的控制。此外，对于第一、第二和第=蚀刻，可W使用同 一光掩模，所W成本最小地受到额外的第立蚀刻的影响。甚至，相对于生物感测层对第二介 电层具有约20的蚀刻选择性的蚀刻剂是已知的，其可W减少过蚀刻。
[0041] 虽然本文中通过流程图300所描述的方法被示出和描述为一系列的步骤或事件， 但是应当理解，所示出的运些步骤或事件的顺序不应解释为限制意义。例如，一些步骤可W W不同的顺序发生和/或与除了本文中示出和/或描述的步骤或事件的其他步骤或事件同 时发生。此外，并非所有示出的步骤都是实施本发明的一个或多个方面或本发明的实施例 所必须的，并且可WW-个或多个单独的步骤和/或阶段来执行本文中示出的一个或多个 步骤。
[0042] 参考图4至图12,提供了生物传感器在各个制造阶段的一些实施例的截面图W示 出图3的方法。虽然结合该方法来描述图4至图12,但是应当理解，在图4至图12中公开 的结构不限制于该方法，相反，可W代表独立于该方法的结构。类似地，虽然结合图4至图 12来描述该方法，但是应当理解，该方法不限制于在图4至图12所公开的结构，相反，可W 代表独立于图4至图12中所公开的结构的方法。
[0043] 图4示出了对应于步骤302的一些实施例的截面图400。如图所示，提供了集成电 路202'。集成电路202'包括第一衬底402,第一衬底402包括载体层404、半导体层116 W 及布置在半导体层116和载体层404之间的第一介电层106'。通常，第一衬底402是SOI 衬底，但其他类型的衬底是可W接受的。例如，半导体层116和载体层404可W是娃。例如， 第一介电层106'可W是氧化物。此外，例如，第一介电层106'可W具有例如约1 ym的厚 度。
[0044] 具有晶体管114的器件层208布置在第二半导体层116上方和第二半导体层116 内。晶体管114包括一对源极/漏极区120、沟道区122、栅极124和第二栅极介电层126。 源极/漏极区120嵌入在第二半导体层116内，并且沟道区122布置在源极/漏极区120之 间的第二半导体层116中。通常，源极/漏极区120具有与第二半导体层116大约相同的 厚度。栅极124布置在第二半导体层116和沟道区122上方，沟道区122位于源极/漏极 区120之间。此外，栅极124通过第二栅极介电层126与第二半导体层116和沟道区122间 隔开。例如，栅极124可W是渗杂的多晶娃或金属。例如，栅极介电层126可W是氧化物。
[0045] 邸化金属化堆叠件206'布置在器件层208和第一衬底402上方。邸化金属化堆 叠件206'包括堆叠在第S层间介电层118'内的多个金属化层210。BE化金属化堆叠件 206'的一个或多个接触件128从下部金属化层延伸至器件层208,器件层208包括栅极124 和/或源极/漏极区120。此外，BE化金属化堆叠件206'的一个或多个第一通孔212在金 属化层210之间延伸W互连金属化层210。例如，层间介电层118'可W是低K电介质或氧 化物。例如，金属化层210、接触件128和第一通孔212可W是金属。
[0046] 图5示出了对应于步骤304的一些实施例的截面图500。如图所示，集成电路202' 绕水平轴旋转约180度，并且通过集成电路202'的第一正侧接合至第二载体衬底214'。例 如，集成电路202'可W通过烙融接合或通过使用粘合剂接合至载体衬底214'。例如，载体 衬底214'可W是块状娃衬底或SOI衬底。 阳047] 图6示出了对应于步骤306的一些实施例的截面图600。如图所示，实施至集成 电路202"的第二背侧内的平坦化W去除载体层404和W暴露的第一介电层106'，集成电 路202"的第二背侧与集成电路202"的正侧相对。例如，用于实施平坦化的工艺可W包括 化学机械抛光（CMP)。
[0048] 图4至图6设及其中第一衬底402包括堆叠在介电层106'的相对两侧上的载体 层404和半导体层116的实施例。应当理解，在其他实施例中，第一衬底402可W是块状半 导体衬底。在运样的实施例中，步骤306的平坦化可W是不必要的。此外，在进一步进行图 3的方法之前，可W在块状半导体衬底上方形成介电层W获得类似于图6中示出的半导体 结构的半导体结构。
[0049] 图7示出了对应于步骤308的一些实施例的截面图700的一些实施例。如图所示， 实施至剩余的集成电路202"'和剩余的第一衬底402"的背侧内的第一干蚀刻，W在沟道区 122上方形成第一开口 104'。换句话说，实施至第一介电层106'内的第一蚀刻W在沟道区 122上方形成第一开口 104'。第一蚀刻通常是各向异性的并且不完全地延伸穿过第一介电 层106'。在一些实施例中，用实施第一蚀刻的工艺包括形成第一光刻胶层702，从而掩蔽第 一介电层106'的环绕第一开口 104'的区域。之后，根据第一光刻胶层702将干蚀刻剂704 应用于第一介电层106'。干蚀刻剂可W具有基础气体，例如，氣（Ar)、四氣甲烧（CF4)、=氣 甲烧（CHFs)或六氣化硫（SFe)。在其他实施例中，实施湿蚀刻或其他蚀刻W代替干蚀刻。
[0050] 图8示出了对应于步骤310的一些实施例的截面图800。如图所示，实施至剩余的 第一衬底402"'、剩余的集成电路202""和剩余的第一介电层106的沿着第一开口 104延 伸的区域的背侧内的第二湿蚀刻。第二蚀刻通常是各向同性的并且扩展第一开口 104 W暴 露沟道区122。尽管示出了垂直侧壁106a、106b，但是第二蚀刻可W导致圆形和/或倾斜的 侧壁。在一些实施例中，用于实施第二蚀刻的工艺包括在第一光刻胶层702位于合适的位 置的情况下，将湿蚀刻剂802应用于剩余的第一介电层106。然后，去除第一光刻胶层702。 例如，湿蚀刻剂802可W是缓冲氧化物蚀刻剂度OE)。在其他实施例中，实施干蚀刻或其他 蚀刻W代替湿蚀刻。
[0051] 图9示出了对应于步骤312和314的一些实施例的截面图900。如图所示，共形地 形成沿着剩余的第一衬底402"'，剩余的集成电路202""和剩余的第一介电层106的背侧延 伸的生物感测层108,并且生物感测层108作为扩展的第一开口 104的衬垫。生物感测层 108形成为具有超过约3. 9的介电常数的高K电介质。例如，生物感测层108可W形成为 氧化给。此外，在一些实施例中，生物感测层108形成为具有约100埃的厚度。例如，用于 形成生物感测层108的工艺可W包括化学汽相沉积（CVD)、物理汽相沉积（PVD)、原子层沉 积（ALD)或一些其他的沉积技术。
[0052] 也如图9所示，共形地形成沿着剩余的第一介电层106的背侧延伸的第=介电层 110'，并且第S介电层110'位于生物感测层108上方并且作为扩展的开口 104的衬垫。例 如，第=介电层110'可W形成为氧化物。此外，例如，第=介电层110'可W形成为具有约 1000埃的厚度。例如，用于形成第S介电层110'的工艺可W包括CVD、PVD或ALD。因此， 在一些实施例中，生物感测层108和第=介电层110'可W呈现V形或U形截面轮廓。
[0053] 图10示出了对应于步骤316的一些实施例的截面图1000。如图所示，穿过第S 介电层110的位于沟道区122上面的区域，实施至生物感测层108的第=干蚀刻W形成第 二开口 112。在一些实施例中，第二开口 112形成为具有约0. 2具有至约0. 4具有的宽度。 第=蚀刻通常为各向异性的并且暴露生物感测层108的直接位于沟道区122之上的区域。 有利地，在第=蚀刻期间，生物感测108层作为蚀刻停止层W防止对沟道区122的表面损坏 并且W允许对第二开口 112的宽度的增加的控制。如上所述，通过防止表面损坏并且增大 对第二开口宽度的控制，提高了器件性能。
[0054] 在一些实施例中，用于实施第=蚀刻的工艺包括形成第二光刻胶层1002,从而掩 蔽第立介电层110的围绕第二开口 112的区域。有利地，用于形成第一光刻胶层702的相 同的光掩模可W用于形成第二光刻胶层1002,从而降低了成本。之后，根据第二光刻胶层 1002,将干蚀刻剂1004应用于第=介电层110。干蚀刻剂1004可W具有基础气体，例如， Ar、化、CHFs或SF e。在一些实施例中，干蚀刻剂1004相对于生物感测层108对第S介电 层110具有约20的选择性。例如，运样的选择性可W通过如下方式获得：通过在压力为约 80毫托并且功率为约80瓦的情况下，在从第=介电层110之上约60英寸处应用干蚀刻剂 1004,其中，干蚀刻剂1004包括约100标准立方厘米每分钟（seem)的Ar,约350sccm的氮 化e)，约SOsccm的CF"约30sccm的CHFs W及约20sccm的氮气（N 2)。随着干蚀刻剂1004 的应用，去除第二光刻胶层1002。在其他实施例中，实施湿蚀刻或一些其他蚀刻W代替干蚀 刻。 阳化5] 图11示出了对应于步骤318的一些实施例的截面图1100。如图所示，MEMS结构 204通过剩余的集成电路202""接合至第二衬底214'。MEMS结构204使用微流体W将测试 样品导向扩展的第一开口 104和第二开口 112。在其他实施例中，MEMS结构204可W布置 在第二衬底214'的背侧上。
[0056] 图12示出了对应于步骤320的一些实施例的截面图1200。如图所示，形成延伸 穿过第二衬底214至金属化层210的一个或多个第二衬底通孔220。也如图所示，BGA 216 形成在第二衬底214的背侧上。BGA 216包括通过第二通孔220电连接至金属化层210的 畑L 218。畑L 218被第四BGA介电层222覆盖，并且UBM层224延伸穿过BGA介电层222 W将位于UBM层224下面的焊球226电连接至RDL 218。在其他实施例中，可W使用除了 BGA 216 W外的方案W封装半导体结构。
[0057] 因此，由上文可W理解，本发明提供了一种生物感测半导体结构。晶体管包括沟道 区和位于沟道区下面的栅极。第一介电层位于晶体管上面。第一开口延伸穿过第一介电层 W暴露沟道区。生物感测层作为第一开口的衬垫并且覆盖沟道区的上表面。第二介电层作 为第一开口的衬垫并且位于感测层上方。位于第一开口内的第二开口穿过第二介电层的位 于沟道区上面的区域而延伸至生物感测层。
[0058] 在其他实施例中，本发明提供了一种用于制造生物感测半导体结构的方法。提供 半导体结构，其中，第一介电层位于晶体管上面。晶体管包括位于栅极上面的沟道区。实施 至第一介电层内的第一蚀刻W形成位于沟道区上面的第一开口。实施至第一介电层的沿着 第一开口延伸的区域内的第二蚀刻W扩展第一开口并且W暴露沟道区。形成作为扩展的第 一开口的衬垫的生物感测层。在生物感测层上方形成作为扩展的第一开口的衬垫的第二介 电层。穿过第二介电层的位于沟道区上面的区域，实施至生物感测层的第=蚀刻W形成第 二开口。
[0059] 在又一些其他实施例中，本发明提供了一种生物感测半导体结构。BE化金属化堆 叠件位于衬底上方并且包括位于靠近BE化金属化堆叠件的上表面处的栅电极。半导体层 位于BE化金属化堆叠件上面并且包括第一源极/漏极区和第二源极/漏极区，第一源极/ 漏极区和第二源极/漏极区通过沟道区彼此间隔开。沟道区位于栅电极上面并且通过栅极 电介质与栅电极分隔开。第一介电层位于半导体层上面并且在第一介电层中包括阱凹槽。 阱凹槽配置为保持用于生物感测分析的液体测试样品并且阱凹槽直接设置在沟道区上方。 生物感测层作为阱凹槽的衬垫、覆盖第一介电层的邻近沟道区的内侧壁并且覆盖沟道区的 上表面。第二介电层位于生物感测层上面并且具有第二开口，第二开口暴露出的生物感测 层的在阱凹槽内的上表面小于生物感测层的在阱凹槽内的整个上表面。
[0060] 根据本发明的一个实施例，提供了一种生物感测半导体结构，包括：晶体管，包括 沟道区和位于所述沟道区下面的栅极；第一介电层，位于所述晶体管上面；第一开口，延伸 穿过所述第一介电层W暴露所述沟道区；生物感测层，作为所述第一开口的衬垫并且覆盖 所述沟道区的上表面；第二介电层，作为所述第一开口的衬垫并且位于所述生物感测层上 方；W及第二开口，位于所述第一开口内并且穿过所述第二介电层的位于所述沟道区上面 的区域而延伸至所述生物感测层。
[0061] 在上述生物感测半导体结构中，所述生物感测层具有超过约3. 9的介电常数。
[0062] 在上述生物感测半导体结构中，所述生物感测层包括氧化给。
[0063] 在上述生物感测半导体结构中，所述生物感测层和所述第二介电层分别具有约 100埃（違.）和约1000 A的厚度。
[0064] 在上述生物感测半导体结构中，所述第二开口具有约0. 2微米（y m)至约0. 4 y m 的宽度。 阳〇化]在上述生物感测半导体结构中，还包括：半导体层，位于所述第一介电层下面，其 中，所述沟道区布置在所述晶体管的一对源极/漏极区之间的所述半导体层内；W及第= 介电层，位于所述半导体层下面，其中，所述栅极布置在所述第=介电层内并且通过所述晶 体管的第四介电层与所述沟道区间隔开。
[0066] 在上述生物感测半导体结构中，所述生物感测层和所述第二介电层均具有U形或 V形截面轮廓。
[0067] 在上述生物感测半导体结构中，还包括：微电子机械系统（MEM巧结构，布置在所 述第一介电层上方并且配置为使用微流体将测试样品引导至所述第二开口。
[0068] 在上述生物感测半导体结构中，还包括：后段制程度E0L)金属化堆叠件，位于所 述晶体管下面，其中，所述BE化金属化堆叠件包括堆叠在第=介电层内的多个金属化层， 并且所述多个金属化层通过接触件电连接至所述栅极。
[0069] 根据本发明的另一实施例，还提供了一种用于制造生物感测半导体结构的方法， 所述方法包括：提供半导体结构，其中，第一介电层位于晶体管上面，所述晶体管包括位于 栅极上面的沟道区；实施至所述第一介电层内的第一蚀刻W在所述沟道区上面形成第一开 口；实施至所述第一介电层的沿着所述第一开口延伸的区域内的第二蚀刻W扩展所述第一 开口并且暴露所述沟道区；形成作为扩展的所述第一开口的衬垫的生物感测层；在所述生 物感测层上方形成作为扩展的所述第一开口的衬垫的第二介电层；W及穿过所述第二介电 层的位于所述沟道区上面的区域，实施至所述生物感测层的第=蚀刻W形成第二开口。
[0070] 在上述方法中，还包括：形成具有超过约3. 9的介电常数的电介质的所述生物感 测层。
[0071] 在上述方法中，还包括：用氧化给形成所述生物感测层。
[0072] 在上述方法中，还包括：将所述生物感测层和所述第二介电层形成为分别具有约 100埃（裘）和1000 A的厚度。
[0073] 在上述方法中，还包括：将所述第二开口形成为具有约0.2微米（ym)至约 0. 4 ym的宽度。
[0074] 在上述方法中，实施所述第=蚀刻包括：相对于所述生物感测层，对所述第二介电 层应用具有约20的选择性的蚀刻剂。
[00巧]在上述方法中，还包括：使用光掩模在所述第一介电层上方形成第一光刻胶层； 根据所述第一光刻胶层，实施所述第一蚀刻和所述第二蚀刻；去除所述第一光刻胶层并且 随后形成所述生物感测层和所述第二介电层；使用所述光掩模在所述第一介电层上方形成 第二光刻胶层；根据所述第二光刻胶层实施所述第=蚀刻；W及去除所述第二光刻胶层。
[0076] 在上述方法中，提供所述半导体结构包括：提供具有布置在衬底的第一侧上的所 述晶体管的集成电路，其中，所述衬底包括堆叠在所述第一介电层的相对两侧上的第一半 导体层和第二半导体层，并且其中，所述沟道区布置在所述第二半导体层中；穿过所述第一 半导体层对所述衬底的第二侧实施平坦化W暴露所述第一介电层，所述衬底的第二侧与所 述衬底的第一侧相对。
[0077] 在上述方法中，还包括：在所述第一介电层上方接合或者形成微电子机械系统 (MBl巧结构。
[0078] 在上述方法中，还包括：在所述半导体结构下面形成球栅阵列度GA)。
[0079] 根据本发明的又一实施例，还提供了一种生物感测半导体结构，包括：衬底；后段 制程度E0L)金属化堆叠件，位于所述衬底上方并且包括栅电极，所述栅电极靠近所述BE化 金属化堆叠件的上表面；半导体层，位于所述BE化金属化堆叠件上面并且包括第一源极/ 漏极区和第二源极/漏极区，所述第一源极/漏极区和所述第二源极/漏极区通过沟道区 彼此间隔开，其中，所述沟道区位于所述栅电极上面并且通过栅极电介质与所述栅电极分 隔开；第一介电层，位于所述半导体层上面并且在所述第一介电层中包括阱凹槽，其中，所 述阱凹槽配置为保持用于生物感测分析的液体测试样品并且所述阱凹槽直接设置在所述 沟道区上方；生物感测层，作为所述阱凹槽的衬垫，覆盖所述第一介电层的邻近所述沟道区 的内侧壁，并且覆盖所述沟道区的上表面；W及第二介电层，位于所述生物感测层上面并且 具有第二开口，所述第二开口暴露出的所述生物感测层的在所述阱凹槽内的上表面小于所 述生物感测层的在所述阱凹槽内的整个上表面。
[0080] 上面概述了若干实施例的特征，使得本领域技术人员可W更好地理解本发明的方 面。本领域技术人员应该理解，他们可W容易地使用本发明作为基础来设计或修改用于实 现与本文所介绍实施例相同的目的和/或实现相同优势的其他工艺和结构。本领域技术人 员也应该意识到，运种等同构造并不背离本发明的精神和范围，并且在不背离本发明的精 神和范围的情况下，在此他们可W做出多种变化、替换W及改变。
【主权项】
1. 一种生物感测半导体结构，包括： 晶体管，包括沟道区和位于所述沟道区下面的栅极； 第一介电层，位于所述晶体管上面； 第一开口，延伸穿过所述第一介电层W暴露所述沟道区； 生物感测层，作为所述第一开口的衬垫并且覆盖所述沟道区的上表面； 第二介电层，作为所述第一开口的衬垫并且位于所述生物感测层上方；W及 第二开口，位于所述第一开口内并且穿过所述第二介电层的位于所述沟道区上面的区 域而延伸至所述生物感测层。2. 根据权利要求1所述的生物感测半导体结构，其中，所述生物感测层具有超过约3. 9 的介电常数。3. 根据权利要求1所述的生物感测半导体结构，其中，所述生物感测层包括氧化给。4. 根据权利要求1所述的生物感测半导体结构，其中，所述生物感测层和所述第二介 电层分别具有约100埃（A )和约ΙΟ(激A的厚度。5. 根据权利要求1所述的生物感测半导体结构，其中，所述第二开口具有约0. 2微米 (μηι)至约0. 4 μηι的宽度。6. 根据权利要求1所述的生物感测半导体结构，还包括： 半导体层，位于所述第一介电层下面，其中，所述沟道区布置在所述晶体管的一对源极 /漏极区之间的所述半导体层内；W及 第Ξ介电层，位于所述半导体层下面，其中，所述栅极布置在所述第Ξ介电层内并且通 过所述晶体管的第四介电层与所述沟道区间隔开。7. 根据权利要求6所述的生物感测半导体结构，其中，所述生物感测层和所述第二介 电层均具有U形或V形截面轮廓。8. 根据权利要求1所述的生物感测半导体结构，还包括： 微电子机械系统（MEM巧结构，布置在所述第一介电层上方并且配置为使用微流体将 测试样品引导至所述第二开口。9. 一种用于制造生物感测半导体结构的方法，所述方法包括： 提供半导体结构，其中，第一介电层位于晶体管上面，所述晶体管包括位于栅极上面的 沟道区； 实施至所述第一介电层内的第一蚀刻W在所述沟道区上面形成第一开口； 实施至所述第一介电层的沿着所述第一开口延伸的区域内的第二蚀刻W扩展所述第 一开口并且暴露所述沟道区； 形成作为扩展的所述第一开口的衬垫的生物感测层； 在所述生物感测层上方形成作为扩展的所述第一开口的衬垫的第二介电层；W及 穿过所述第二介电层的位于所述沟道区上面的区域，实施至所述生物感测层的第Ξ蚀 刻W形成第二开口。10. -种生物感测半导体结构，包括： 衬底； 后段制程度EOL)金属化堆叠件，位于所述衬底上方并且包括栅电极，所述栅电极靠近 所述BE化金属化堆叠件的上表面； 半导体层，位于所述BE化金属化堆叠件上面并且包括第一源极/漏极区和第二源极/ 漏极区，所述第一源极/漏极区和所述第二源极/漏极区通过沟道区彼此间隔开，其中，所 述沟道区位于所述栅电极上面并且通过栅极电介质与所述栅电极分隔开； 第一介电层，位于所述半导体层上面并且在所述第一介电层中包括阱凹槽，其中，所述 阱凹槽配置为保持用于生物感测分析的液体测试样品并且所述阱凹槽直接设置在所述沟 道区上方； 生物感测层，作为所述阱凹槽的衬垫，覆盖所述第一介电层的邻近所述沟道区的内侧 壁，并且覆盖所述沟道区的上表面；W及 第二介电层，位于所述生物感测层上面并且具有第二开口，所述第二开口暴露出的所 述生物感测层的在所述阱凹槽内的上表面小于所述生物感测层的在所述阱凹槽内的整个 上表面。
【文档编号】B81B7/02GK105977282SQ201510495959
【公开日】2016年9月28日
【申请日】2015年8月13日
【发明人】张哲铭, 詹志仁, 周仲彥, 曾李全, 林诗玮, 谢元智
【申请人】台湾积体电路制造股份有限公司