CN106353285A - 具有纳米腔的集成生物感测器及其制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种具有纳米腔的集成生物感测器及其制作方法，该生物感测器包含有一基底，其上设有一光感测区。在基底上设有一第一介电层、一扩散阻挡层、一第二介电层。第二介电层中设有一沟槽凹陷结构，其内设有一滤光材料层，被一上盖层封盖住。上盖层上设有一第一钝化层以及一纳米腔结构层，其中于纳米腔结构层中，设有一纳米腔。在纳米腔的侧壁及底部设有一第二钝化层。

Description

具有纳米腔的集成生物感测器 及其制作方法
技术领域
本发明涉及生物检测技术领域，特别是涉及一种具有纳米腔(nanocavity)的集成生物感测器及其制作方法。
背景技术
近年来，由于生物科技的进步，不断地研发出各种生物检测方法，其中用来检验特定基因中去氧核醣核酸(DNA)序列的技术更是蓬勃发展。所谓基因就是一段特定序列的DNA，以去氧核醣与磷酸酯为主要骨干，并含有四种碱基：腺嘌呤(A)、鸟粪嘌呤(G)、胸腺嘧啶(T)与胞嘧啶(C)。在两条单股DNA之间，由于化学结构的相互吻合，可通过A与T，G与C之间形成特定的氢键而相互吸引，构成双股螺旋状的DNA构造。
已知，DNA定序可以通过基因工程的方法，将待定序的基因序列切成小片段，并接上转接序列(adaptor)，可选择加入微磁珠(micro-bead)并配合聚合酶链锁反应(polymerase chain reaction,PCR)，以快速增幅待测基因片段，而后结合微制作工艺、光学侦测与自动控制技术以不同定序原理的方法，迅速解读大量的DNA序列。
除了DNA定序，生物感应器还可被应用在各式生物检测中，诸如细菌、病毒的检测、基因突变、遗传筛检、防疫、环境检测、污染控制、食品安全等等，也可用于基因缺陷的快速检测，甚至能借着检测的数据提供许多目前尚属未知的解答，例如，核酸多型性差异与各种疾病、并发症间的关系，进而研发出诊断与预防的方法。
然而，目前该技术领域仍需要一种改良的生物感应器，其需具备快速、准确、灵敏度高等优点，并具有耐酸碱、抗腐蚀的结构，其制作工艺还要能够与CMOS影像感测器(CIS)工艺相容，用于将信号处理电路单片集成，而达到降低成本、降低功耗、提高集成度的目的。
发明内容
为达上述目的，本发明特别提出了一种具有纳米腔的集成生物感测器及其制作方法，以解决现有技术的不足与缺点。
本发明一实施例提供一种具有纳米腔的集成生物感测器，包含有一基底，其上设有多个隔离结构，区隔出多个像素区域；一光感测区，设于各该像素区域中；一第一介电层，设于该基底上；一扩散阻挡层，设于该第一介电层上；一第二介电层，设于该扩散阻挡层上；一沟槽凹陷结构，设于该第二介电层中；一衬层，顺形地设于该沟槽凹陷结构内壁上；一滤光材料层，设于该沟槽凹陷结构内的该衬层上；一上盖层，直接接触到该滤光材料层的上表面，并封盖住该滤光材料层；一第一钝化层，设于该上盖层上；一纳米腔结构层，设于该第一钝化层上，其中于该滤光材料层正上方的该纳米腔结构层中，设有一纳米腔；以及一第二钝化层，设于该纳米腔的侧壁及底部。该滤光材料层阻挡特定波长的光源并能过滤掉噪声光线，仅让特定波长的光线通过，而到达该光感测区。
本发明一实施例提供一种制作具有纳米腔的集成生物感测器的方法，包含有提供一基底，其上设有多个隔离结构，区隔出多个像素区域；在各该像素区域中形成一光感测区；在该基底上沉积一第一介电层；在该第一介电层上沉积一扩散阻挡层；在该扩散阻挡层上沉积一第二介电层；在该第二介电层中形成一沟槽凹陷结构；顺形地在该沟槽凹陷结构内壁上沉积一衬层；在该衬层上形成一滤光材料层，填满该沟槽凹陷结构；沉积一上盖层，使该上盖层直接接触到该滤光材料层的上表面，并封盖住该滤光材料层；在该上盖层上形成一第一钝化层；在该第一钝化层上沉积一纳米腔结构层；在该滤光材料层正上方的该纳米腔结构层中，形成一纳米腔；以及在该纳米腔的侧壁及底部形成一第二钝化层。
根据本发明一实施例，形成该滤光材料层之后，另包含有：进行一固化制作工艺，以固化该滤光材料层；以及进行一研磨或者回蚀刻步骤，将该沟槽凹陷结构外的该滤光材料层去除。
根据本发明一实施例，该第一钝化层以及该第二钝化层是利用物理气相沉积法沉积而成。
本发明另一实施例提供一种具有纳米腔的集成生物感测器，包含有一基底，其上设有多个隔离结构，区隔出多个像素区域；一光感测区，设于各该像素区域中；一第一介电层，设于该基底上；一扩散阻挡层，设于该第一介电层上；一第二介电层，设于该扩散阻挡层上；一沟槽凹陷结构，设于该第二介电层中；一衬层，顺形地设于该沟槽凹陷结构内壁上；一滤光材料层，设于该沟槽凹陷结构内的该衬层上，该滤光材料层具有一上表面，低于该第二介电层介电层的上表面一预定深度，如此形成一凹陷部；一上盖层，顺形地设于该滤光材料层以及该衬层上，该上盖层直接接触到该滤光材料层的该上表面，并封盖住该滤光材料层；以及一钝化层，顺形地设于该上盖层上，其中该钝化层表面自动对准该滤光材料层于该凹陷部上方构成一纳米腔。
本发明另一实施例提供一种制作具有纳米腔的集成生物感测器的方法，包含有提供一基底，其上设有多个隔离结构，区隔出多个像素区域；在各该像素区域中形成一光感测区；在该基底上沉积一第一介电层；在该第一介电层上沉积一扩散阻挡层；在该扩散阻挡层上沉积一第二介电层；在该第二介电层中形成一沟槽凹陷结构；顺形地在该沟槽凹陷结构内壁上沉积一衬层；在该衬层上形成一滤光材料层，填满该沟槽凹陷结构；进行一固化制作工艺，以固化该滤光材料层；进行一研磨或者回蚀刻步骤，将该沟槽凹陷结构外的该滤光材料层去除；进行一回蚀刻步骤，使该滤光材料层的一上表面，低于该第二介电层介电层的上表面一预定深度，如此形成一凹陷部；在该凹陷部顺形地沉积一上盖层，该上盖层直接接触到该滤光材料层的上表面，并封盖住该滤光材料层；在该上盖层上顺形地形成一钝化层，其中该钝化层表面自动对准该滤光材料层于该凹陷部上方形成一纳米腔。该钝化层包含金属氧化物，例如，氧化钽。
无疑地，本发明的这类目的与其他目的在阅者读过下文以多种图示与绘图来描述的优选实施例细节说明后将变得更为显见。
附图说明
图1为本发明一实施例所绘示的具有纳米腔的集成生物感测器的剖面示意图；
图2至图6为图1中具有纳米腔的集成生物感测器的方法的示意图；
图7为本发明另一实施例所绘示的具有自动对准纳米腔的集成生物感测器的剖面示意图；
图8至图12为图7中具有自动对准纳米腔的集成生物感测器的方法的示意图。
符号说明
1、1a 集成生物感测器
10 像素区域
100 基底
104 光感测区
106 浮置漏极区
112 隔离结构
142 第一导电型掺杂区
144 第二导电型掺杂区
160 栅极结构
200 沟槽凹陷结构
202、204、206、208 介电层
212、214、216、218 金属层
217、219 金属通孔
220 衬层
300、400 纳米腔
310 滤光材料层
310a 上表面
320 上盖层
330 第一钝化层
340 纳米腔结构层
350 第二钝化层
420 上盖层
430 钝化层
θ 夹角
具体实施方式
接下来的详细叙述需参照相关附图所示内容，用来说明可依据本发明具体实行的实施例。这些实施例提供足够的细节，可使此领域中的技术人员充分了解并具体实行本发明。在不悖离本发明的范围内，可做结构、逻辑和电性上的修改应用在其他实施例上。
因此，接下来的详细描述并非用来对本发明加以限制。本发明涵盖的范围由其权利要求界定。与本发明权利要求具同等意义者，也应属本发明涵盖的范围。本发实施例所参照的附图为示意图，并未按比例绘制，且相同或类似的特征通常以相同的附图标记描述。
文中使用的「基底」一词，其代表且包含了那些让半导体元件等组成物形成在其上的基材或构体。此基底可为一种半导体基底、一种形成在支撑结构上的半导体基材、或是形成有一或多个材料、结构、区域的半导体基底。此基底可为传统的硅基底或是含有半导体材料的块材。「基底」一词不只代表传统硅晶片，其可包含绝缘层覆硅基底(silicon-on-insulator,SOI)，如硅蓝宝石基底(silicon-on-sapphire,SOS)、硅玻璃基底(silicon-on-glass,SOG)、硅底材上的硅外延层，或是其他的半导体或光电材质，如硅锗(SiGe)、锗(Ge)、砷化镓(GaAs)、氮化镓(GaN)、磷化铟(InP)等材料。
当文中指出某元件位于另一元件「上」或「上方」时，其代表且包含了该元件直接位于该另一元件正上方、相邻、之下、或是与该另一元件直接接触等含意，其也包含了该元件并非直接位于该另一元件正上方、相邻、之下、或是与该另一元件直接接触等含意。相反地，当某元件被描述成直接位于该另一元件上时，不会有任何其他元件介于其间。
除非文中有特别加以指出，不然文中所描述的材料都可以任何合适的技术来形成，如旋涂法、刮涂法、浸涂法、毯覆式刮涂法、化学气相沉积(CVD)、原子层沉积法(ALD)、以及物理气相沉积法(PVD)等，但不限于此。或者，材料可以在当前制作工艺中(in-situ)直接生长。视所欲形成的特定材料而定，本领域的一般技术人士可以选择要用来沉积或成长这些材料的技术。
除非文中有特别加以指出，不然文中所述关于材料的移除动作都可以任何合适的技术来达成，如蚀刻或磨平等作法，但不限于此。
本发明提供一种集成生物感应器，其上具有可以直接进行生化反应的纳米腔(nanocavity)，具备快速、准确、灵敏度高等优点，具有耐酸碱、抗腐蚀的结构，且制作工艺能够与CMOS影像感测器(CIS)工艺相容，可以将信号处理电路单片集成，因此能具有降低成本、降低功耗、提高集成度。
请参阅图1，其为依据本发明一实施例所绘示的具有纳米腔的集成生物感测器的剖面示意图。如图1所示，集成生物感测器1包含一基底100，其中形成有多个像素区域10，以阵列排列。为方便说明，图中仅显示出像素阵列中的两个像素区域。根据本发明实施例，基底100可以是硅基底，但不限于此。在基底100设有多个隔离结构112，区隔出各个像素区10。
各个像素区的基底100上可以形成有栅极结构160。然后，于栅极结构160两侧的基底100中形成光感测区104与浮置漏极区106。栅极结构160可以包括一介电层与一导体层，其中介电层可以是氧化硅，导体层可以是单晶硅、未掺杂多晶硅、掺杂多晶硅、非晶硅、金属硅化物或其组合。栅极结构160的侧壁上可以形成有间隙壁，例如是氧化硅或氮化硅或两者的组合。
光感测区104可以是一光二极管(photodiode)，包括第一导电型(firstconductivity type)掺杂区142与第二导电型(second conductivity type)掺杂区144，其中第一导电型与第二导电型为相反导电型。以基底100为p型为例，第一导电型掺杂区142例如是n型掺杂区，第二导电型掺杂区144例如是p型掺杂区，浮置漏极区106例如是n型掺杂区，反之亦然。其中，第一导电型掺杂区142例如是浅掺杂区(lightly doped region)，第二导电型掺杂区144、浮置漏极区106例如是重掺杂区(heavily doped region)。
依据本发明实施例，在基底100上可以形成有多层介电层202、204、206、208。例如，介电层202及介电层206可以包含二氧化硅，但不限于此。介于介电层202及介电层206中间的介电层204可以包含氮化硅，但不限于此。依据本发明实施例，介电层204做为一扩散阻挡(diffusion barrier)层。介电层208，做为一钝化层或保护层，其可以包含氮化硅、氮氧化硅、氧化硅，但不限于此。依据本发明实施例，在介电层202内可以形成有一金属层212，在介电层206内可以形成有金属层214、216、218以及金属通孔217。需注意图中介电层内的金属层结构仅为例示说明。在其它实施例中，在介电层内也可以形成更多层的金属层。
依据本发明实施例，在相对应于各个像素区域10的光感测区104上的介电层206、208中，形成有一沟槽凹陷结构200。依据本发明实施例，沟槽凹陷结构200的底部为介电层204的一上表面，换言之，沟槽凹陷结构200的深度即约略等同于介电层206、208的厚度总和。依据本发明实施例，在沟槽凹陷结构200的底部及侧壁上，顺形地形成有至少一衬层(liner layer)220，例如，氮化硅层，但不限于此。依据本发明实施例，衬层220还可以形成在介电层208的上表面，构成一连续的衬层。
依据本发明实施例，在沟槽凹陷结构200内可以填入有至少一滤光(lightfilter)材料层310。依据本发明实施例，滤光材料层310能够阻挡特定波长的光源(例如，绿光激光)并能过滤掉噪声光线，仅仅让特定波长的光线(例如，特定生化反应产生的荧光)通过，而到达下方的像素区域10，并通过在像素区域10内的光电反应，产生相应的电流信号，再被光感测区104接收。
依据本发明实施例，滤光材料层310可以含有高浓度的金属离子，例如钠离子(Na+)。为了避免金属离子向外扩散至介电层，进而造成金属层腐蚀或变质，本发明于是将滤光材料层310的周围及底部以衬层220包覆住，避免其与周围的介电层直接接触。此外，介电层204可做为扩散阻挡层，确保滤光材料层310不会向下扩散至基底100表面，影响到元件的特性及效能。
依据本发明实施例，在滤光材料层310上以及衬层220上，叠设有一上盖层320，例如，氮化硅层，但不限于此。依据本发明实施例，上盖层320直接接触到滤光材料层310的上表面，并封盖住滤光材料层310。依据本发明实施例，通过上盖层320、衬层220以及介电层204，可以完整阻隔滤光材料层310中的金属离子外扩。
依据本发明实施例，在上盖层320上形成有一第一钝化层330。第一钝化层330可以是金属氧化物，例如，氧化钽(TaO)，但不限于此。依据本发明实施例，第一钝化层330必须透光、抗酸碱、并且相对于纳米腔结构层340，例如氮化硅层，具有高蚀刻选择比。依据本发明实施例，第一钝化层330可以做为一蚀刻停止层。依据本发明实施例，第一钝化层330可以是以物理气相沉积(physical vapor deposition,PVD)法形成，但不限于此。
依据本发明实施例，在第一钝化层330上形成有一纳米腔结构层340，例如，氮化硅层，但不限于此。在相对于各滤光材料层310正上方的纳米腔结构层340中，形成有一纳米腔300，其深度约略等于纳米腔结构层340的厚度。且具有倾斜的(bevel)侧壁，其与水平面的夹角为θ，例如，夹角θ可介于60°至80°，但不限于此。
依据本发明实施例，在纳米腔300的侧壁及底部，以及纳米腔结构层340上形成有一顺形地第二钝化层350。第二钝化层350可以是金属氧化物，例如，氧化钽(TaO)，但不限于此。依据本发明实施例，第二钝化层350必须透光、抗酸碱，能够避免受到生化反应的腐蚀。依据本发明实施例，第二钝化层350可以是以物理气相沉积(PVD)法形成，但不限于此。前述的纳米腔300具有倾斜的侧壁，故在沉积第二钝化层350时能够具有优选的阶梯覆盖特性(step coverage)。
依据本发明实施例，例如，可以在纳米腔300中设置一参考样品(reference sample)，再于各个纳米腔300中注予以一目标样品(targetsample)，经特定激光光源照射后，目标样品与参考样品发生生化反应，产生特定波长的荧光，上述特定波长的荧光可以通过滤光材料层310，到达光感测区104而被侦测。上述激光光源的激光光线则会被滤光材料层310滤掉。
请参阅图2至图6，其例示制作图1中具有纳米腔的集成生物感测器的方法。首先，如图2所示，提供一基底100，其中形成有多个像素区域10，以阵列排列。为方便说明，图中仅显示出像素阵列中的两个像素区域。根据本发明实施例，基底100可以是硅基底，但不限于此。在基底100设有多个隔离结构112，区隔出各个像素区10。
在各个像素区的基底100上形成有栅极结构160。然后，在栅极结构160两侧的基底100中形成光感测区104与浮置漏极区106。栅极结构160可以包括一介电层与一导体层，其中介电层可以是氧化硅，导体层可以是单晶硅、未掺杂多晶硅、掺杂多晶硅、非晶硅、金属硅化物或其组合。栅极结构160的侧壁上可以形成有间隙壁，例如是氧化硅或氮化硅或两者的组合。
光感测区104可以是一光二极管，包括第一导电型掺杂区142与第二导电型掺杂区144，其中第一导电型与第二导电型为相反导电型。以基底100为p型为例，第一导电型掺杂区142例如是n型掺杂区，第二导电型掺杂区144例如是p型掺杂区，浮置漏极区106例如是n型掺杂区，反之也然。其中，第一导电型掺杂区142例如是浅掺杂区，第二导电型掺杂区144、浮置漏极区106例如是重掺杂区。
如图3所示，接着在基底100上沉积多层介电层202、204、206、208以及金属层212、214、216、218。例如，介电层202及介电层206可以包含二氧化硅，但不限于此。介电层202及介电层206可以是由多层介电层所构成。介于介电层202及介电层206中间的介电层204可以包含氮化硅，但不限于此。依据本发明实施例，介电层204做为一扩散阻挡层。介电层208，做为一钝化层或保护层，其可以包含氮化硅、氮氧化硅、氧化硅，但不限于此。依据本发明实施例，金属层212可以形成在介电层202内，金属层214、216、218以及金属通孔217可以形成在介电层206内。需注意图中介电层内的金属层结构仅为例示说明。在其它实施例中，在介电层内也可以形成更多层的金属层。
如图4所示，接着进行一光刻制作工艺以及一蚀刻制作工艺，在相对应于各个像素区域10的光感测区104上的介电层206、208中，形成一沟槽凹陷结构200。在上述形成沟槽凹陷结构200的蚀刻制作工艺中，可以利用介电层204作为蚀刻停止层。依据本发明实施例，沟槽凹陷结构200的底部为介电层204的一上表面，换言之，沟槽凹陷结构200的深度即约略等同于介电层206、208的厚度总和。随后，在沟槽凹陷结构200的底部及侧壁上，顺形地沉积至少一衬层220，例如，氮化硅层，但不限于此。依据本发明实施例，衬层220还可以形成在介电层208的上表面，构成一连续的衬层。
如图5所示，接着在沟槽凹陷结构200内填入至少一滤光材料层310。依据本发明实施例，形成滤光材料层310之后，可以再进行一固化制作工艺，以固化滤光材料层310。依据本发明实施例，可以再进行一研磨或者回蚀刻步骤，将沟槽凹陷结构200外的滤光材料层310去除。依据本发明实施例，滤光材料层310能够阻挡特定波长的光源并能过滤掉噪声光线，仅仅让特定波长的光线通过，而到达下方的像素区域10。
接着，在滤光材料层310上以及衬层220上，沉积一上盖层320，例如，氮化硅层，但不限于此。依据本发明实施例，上盖层320直接接触到滤光材料层310的上表面，并封盖住滤光材料层310。依据本发明实施例，通过上盖层320、衬层220以及介电层204，可以完整阻隔滤光材料层310中的金属离子外扩。接着，在上盖层320上以物理气相沉积(PVD)法沉积一第一钝化层330。第一钝化层330可以是金属氧化物，例如，氧化钽(TaO)，但不限于此。然后，在第一钝化层330上沉积一纳米腔结构层340，例如，氮化硅层，但不限于此。
如图6所示，接着进行一光刻制作工艺以及一蚀刻制作工艺，在相对于各滤光材料层310正上方的纳米腔结构层340中，形成一纳米腔300，其深度约略等于纳米腔结构层340的厚度。且具有倾斜的侧壁，其与水平面的夹角为θ，例如，夹角θ可介于60°至80°，但不限于此。最后，在纳米腔300的侧壁及底部，以及纳米腔结构层340上，顺形地以物理气相沉积(PVD)法沉积一第二钝化层350。第二钝化层350可以是金属氧化物，例如，氧化钽(TaO)，但不限于此。如此即完成本发明具有纳米腔的集成生物感测器的制作。
请参阅图7。图7为依据本发明另一实施例所绘示的具有自动对准(self-aligned)纳米腔的集成生物感测器的剖面示意图。如图7所示，集成生物感测器1a同样包含一基底100，其中形成有多个像素区域10，以阵列排列。为方便说明，图中仅显示出像素阵列中的两个像素区域。根据本发明实施例，基底100可以是硅基底，但不限于此。在基底100设有多个隔离结构112，区隔出各个像素区10。
各个像素区的基底100上可以形成有栅极结构160。然后，在栅极结构160两侧的基底100中形成光感测区104与浮置漏极区106。栅极结构160可以包括一介电层与一导体层，其中介电层可以是氧化硅，导体层可以是单晶硅、未掺杂多晶硅、掺杂多晶硅、非晶硅、金属硅化物或其组合。栅极结构160的侧壁上可以形成有间隙壁，例如是氧化硅或氮化硅或两者的组合。
光感测区104可以是一光二极管，包括第一导电型掺杂区142与第二导电型掺杂区144，其中第一导电型与第二导电型为相反导电型。以基底100为p型为例，第一导电型掺杂区142例如是n型掺杂区，第二导电型掺杂区144例如是p型掺杂区，浮置漏极区106例如是n型掺杂区，反之也然。其中，第一导电型掺杂区142例如是浅掺杂区，第二导电型掺杂区144、浮置漏极区106例如是重掺杂区。
依据本发明实施例，在基底100上形成有多层介电层202、204、206、208。例如，介电层202及介电层206可以包含二氧化硅，但不限于此。介于介电层202及介电层206中间的介电层204可以包含氮化硅，但不限于此。依据本发明实施例，介电层204做为一扩散阻挡层。介电层208，做为一钝化层或保护层，其可以包含氮化硅、氮氧化硅、氧化硅，但不限于此。依据本发明实施例，在介电层202内可以形成有一金属层212，在介电层206内可以形成有金属层214、215、216、218以及金属通孔217、219。需注意图中介电层内的金属层结构仅为例示说明。
依据本发明实施例，在相对应于各个像素区域10的光感测区104上的介电层206、208中，形成有一沟槽凹陷结构200。依据本发明实施例，沟槽凹陷结构200的底部为介电层204的一上表面，换言之，沟槽凹陷结构200的深度即约略等同于介电层206、208的厚度总和。依据本发明实施例，在沟槽凹陷结构200的底部及侧壁上，顺形地形成有至少一衬层220，例如，氮化硅层，但不限于此。依据本发明实施例，衬层220还可以形成在介电层208的上表面，构成一连续的衬层。
依据本发明实施例，在沟槽凹陷结构200内可以填入有至少一滤光材料层310。依据本发明实施例，滤光材料层310能够阻挡特定波长的光源(例如，绿光激光)并能过滤掉噪声光线，仅仅让特定波长的光线(例如，特定生化反应产生的荧光)通过，而到达下方的像素区域10，并通过在像素区域10内的光电反应，产生相应的电流信号，再被光感测区104接收。
依据本发明实施例，滤光材料层310可以含有高浓度的金属离子，例如钠离子。为了避免金属离子向外扩散至介电层，进而造成金属层腐蚀或变质，本发明于是将滤光材料层310的周围及底部以衬层220包覆住，避免其与周围的介电层直接接触。此外，介电层204可做为扩散阻挡层，确保滤光材料层310不会向下扩散至基底100表面，影响到元件的特性及效能。
依据本发明实施例，滤光材料层310具有一上表面310a，其低于介电层208的上表面一预定深度，如此在形成滤光材料层310之后，仍会在沟槽凹陷结构200上端形成一凹陷部。依据本发明实施例，在滤光材料层310上以及衬层220上，顺形地形成有一上盖层420，例如，氮化硅层，但不限于此。依据本发明实施例，上盖层420直接接触到滤光材料层310的上表面，并封盖住滤光材料层310。
依据本发明实施例，在上盖层320上顺形地形成有一钝化层430。钝化层430可以是金属氧化物，例如，氧化钽，但不限于此。依据本发明实施例，钝化层430必须透光、抗酸碱。依据本发明实施例，钝化层430可以是以物理气相沉积法形成，但不限于此。由于滤光材料层310上表面310a低于介电层208的上表面一预定深度，形成凹陷部的缘故，上盖层320与钝化层430会自动对准滤光材料层310形成纳米腔400。
此外，依据本发明实施例，金属层214、216、218以及金属通孔217、219可以环绕在纳米腔400周围，除了能够将生化反应所产生特定波长的荧光反射至光感测区104，还能够避免邻近的纳米腔400产生的光线干扰。
请参阅图8至图12，其例示制作图7中具有自动对准纳米腔的集成生物感测器的方法。首先，如图8所示，同样提供一基底100，其中形成有多个像素区域10，以阵列排列。为方便说明，图中仅显示出像素阵列中的两个像素区域。根据本发明实施例，基底100可以是硅基底，但不限于此。在基底100设有多个隔离结构112，区隔出各个像素区10。
在各个像素区的基底100上形成有栅极结构160。然后，在栅极结构160两侧的基底100中形成光感测区104与浮置漏极区106。栅极结构160可以包括一介电层与一导体层，其中介电层可以是氧化硅，导体层可以是单晶硅、未掺杂多晶硅、掺杂多晶硅、非晶硅、金属硅化物或其组合。栅极结构160的侧壁上可以形成有间隙壁，例如是氧化硅或氮化硅或两者的组合。
光感测区104可以是一光二极管，包括第一导电型掺杂区142与第二导电型掺杂区144，其中第一导电型与第二导电型为相反导电型。以基底100为p型为例，第一导电型掺杂区142例如是n型掺杂区，第二导电型掺杂区144例如是p型掺杂区，浮置漏极区106例如是n型掺杂区，反之也然。其中，第一导电型掺杂区142例如是浅掺杂区，第二导电型掺杂区144、浮置漏极区106例如是重掺杂区。
如图9所示，接着在基底100上沉积多层介电层202、204、206、208、金属层212、214、216、218，以及金属通孔217、219。例如，介电层202及介电层206可以包含二氧化硅，但不限于此。介电层202及介电层206可以是由多层介电层所构成。介于介电层202及介电层206中间的介电层204可以包含氮化硅，但不限于此。依据本发明实施例，介电层204做为一扩散阻挡层。介电层208，做为一钝化层或保护层，其可以包含氮化硅、氮氧化硅、氧化硅，但不限于此。依据本发明实施例，金属层212可以形成在介电层202内，金属层214、216、218以及金属通孔217、219可以形成在介电层206、208内。
如图10所示，接着进行一光刻制作工艺以及一蚀刻制作工艺，在相对应于各个像素区域10的光感测区104上的介电层206、208中，形成一沟槽凹陷结构200。在上述形成沟槽凹陷结构200的蚀刻制作工艺中，可以利用介电层204作为蚀刻停止层。依据本发明实施例，沟槽凹陷结构200的底部为介电层204的一上表面，换言之，沟槽凹陷结构200的深度即约略等同于介电层206、208的厚度总和。随后，在沟槽凹陷结构200的底部及侧壁上，顺形地沉积至少一衬层220，例如，氮化硅层，但不限于此。依据本发明实施例，衬层220还可以形成在介电层208的上表面，构成一连续的衬层。
如图11所示，接着在沟槽凹陷结构200内填入至少一滤光材料层310。依据本发明实施例，形成滤光材料层310之后，可以再进行一固化制作工艺，以固化滤光材料层310。依据本发明实施例，可以再进行一研磨制作工艺，将沟槽凹陷结构200外的滤光材料层310去除，再进行一回蚀刻步骤，使滤光材料层310的上表面310a，低于介电层208的上表面一预定深度，如此在沟槽凹陷结构200上端形成一凹陷部。依据本发明实施例，滤光材料层310能够阻挡特定波长的光源并能过滤掉噪声光线，仅仅让特定波长的光线通过，而到达下方的像素区域10。
如图12所示，继续在滤光材料层310上以及衬层220上，顺形地形成一上盖层420，例如，氮化硅层，但不限于此。依据本发明实施例，上盖层420直接接触到滤光材料层310的上表面，并封盖住滤光材料层310。然后在上盖层420上顺形地形成一钝化层430。钝化层430可以是金属氧化物，例如，氧化钽，但不限于此。依据本发明实施例，钝化层430必须透光、抗酸碱。依据本发明实施例，钝化层430可以是以物理气相沉积法形成，但不限于此。由于凹陷部的缘故，上盖层420与钝化层430会自动对准滤光材料层310形成纳米腔400。
本发明利用CMOS影像感测器相容制作工艺制作出具有纳米腔的集成生物感测器，可以直接在相对应于各个像素区域10的光感测区104上方形成滤光材料层310以及对准的纳米腔300/400。本发明集成生物感测器具有耐酸碱、抗腐蚀的结构，且能够防止滤光材料层310中的金属离子向外扩散。各纳米腔300/400的体积能获得精确控制。由此可知，本发明改良的生物感应器，具备了快速、准确、灵敏度高等优点，实已具备非常高的产业利用性。
以上所述仅为本发明的优选实施例，凡依本发明权利要求所做的均等变化与修饰，都应属本发明的涵盖范围。

Claims (52)

1.一种具有纳米腔的集成生物感测器，包含有：
基底，其上设有多个隔离结构，区隔出多个像素区域；
光感测区，设于各该像素区域中；
第一介电层，设于该基底上；
沟槽凹陷结构，设于该第一介电层中并且对应该光感测区；
衬层，顺形地设于该沟槽凹陷结构内壁上；
滤光材料层，设于该沟槽凹陷结构内的该衬层上；
上盖层，设于该沟槽凹陷结构上并直接接触到该滤光材料层的上表面；
第一钝化层，设于该上盖层上；
纳米腔结构层，设于该第一钝化层上，其中在该滤光材料层正上方的该纳米腔结构层中，设有一纳米腔；以及
第二钝化层，设于该纳米腔的侧壁及底部。
2.如权利要求1所述的具有纳米腔的集成生物感测器，其中该基底包含硅基底。
3.如权利要求1所述的具有纳米腔的集成生物感测器，其中该光感测区包含光二极管。
4.如权利要求1所述的具有纳米腔的集成生物感测器，还包含第二介电层，设于该基底与该第一介电层之间，并且该沟槽凹陷结构的底部为该第二介电层的一上表面。
5.如权利要求1所述的具有纳米腔的集成生物感测器，其中该滤光材料层包含金属离子。
6.如权利要求5所述的具有纳米腔的集成生物感测器，其中该金属离子包含钠离子。
7.如权利要求1所述的具有纳米腔的集成生物感测器，其中该衬层包含氮化硅层。
8.如权利要求1所述的具有纳米腔的集成生物感测器，其中该第一介电层包含氧化硅层。
9.如权利要求1所述的具有纳米腔的集成生物感测器，其中该第二介电层包含氮化硅层。
10.如权利要求1所述的具有纳米腔的集成生物感测器，其中该第一钝化层以及该第二钝化层包含金属氧化物。
11.如权利要求1所述的具有纳米腔的集成生物感测器，其中该金属氧化物包含氧化钽。
12.如权利要求1所述的具有纳米腔的集成生物感测器，其中该纳米腔的深度约略等于该纳米腔结构层的厚度。
13.如权利要求1所述的具有纳米腔的集成生物感测器，其中该纳米腔的侧壁为一倾斜的侧壁，与水平面的夹角介于60°至80°。
14.一种制作具有纳米腔的集成生物感测器的方法，包含有：
提供一基底，其上设有多个隔离结构，区隔出多个像素区域；
在各该像素区域中形成一光感测区；
在该基底上沉积一第一介电层；
在对应该光感测区的该第一介电层中形成一沟槽凹陷结构；
顺形地在该沟槽凹陷结构内壁上沉积一衬层；
在该衬层上形成一滤光材料层，填满该沟槽凹陷结构；
沉积一上盖层，使该上盖层直接接触到该滤光材料层的上表面；
在该上盖层上形成一第一钝化层；
在该第一钝化层上沉积一纳米腔结构层；
在该滤光材料层正上方的该纳米腔结构层中，形成一纳米腔；以及
在该纳米腔的侧壁及底部形成一第二钝化层。
15.如权利要求14所述的制作具有纳米腔的集成生物感测器的方法，其中形成该滤光材料层之后，还包含有：
进行一固化制作工艺，以固化该滤光材料层；以及
进行一研磨或者回蚀刻步骤，将该沟槽凹陷结构外的该滤光材料层去除。
16.如权利要求14所述的制作具有纳米腔的集成生物感测器的方法，其中该第一钝化层以及该第二钝化层是利用物理气相沉积法沉积而成。
17.如权利要求14所述的制作具有纳米腔的集成生物感测器的方法，其中该基底包含硅基底。
18.如权利要求14所述的制作具有纳米腔的集成生物感测器的方法，其中该光感测区包含光二极管。
19.如权利要求14所述的制作具有纳米腔的集成生物感测器的方法，其中形成该沟槽凹陷结构的步骤包含：
该基底上依序形成一第二介电层以及该第一介电层；以及
进行一蚀刻制作工艺以移除部分该第一介电层，并且利用该第二介电层作为蚀刻停止层。
20.如权利要求14所述的制作具有纳米腔的集成生物感测器的方法，其中该滤光材料层包含金属离子。
21.如权利要求20所述的制作具有纳米腔的集成生物感测器的方法，其中该金属离子包含钠离子。
22.如权利要求14所述的制作具有纳米腔的集成生物感测器的方法，其中该衬层包含氮化硅层。
23.如权利要求14所述的制作具有纳米腔的集成生物感测器的方法，其中该第一介电层包含氧化硅层。
24.如权利要求14所述的制作具有纳米腔的集成生物感测器的方法，其中该第二介电层包含氮化硅层。
25.如权利要求14所述的制作具有纳米腔的集成生物感测器的方法，其中该第一钝化层以及该第二钝化层包含金属氧化物。
26.如权利要求14所述的制作具有纳米腔的集成生物感测器的方法，其中该金属氧化物包含氧化钽。
27.如权利要求14所述的制作具有纳米腔的集成生物感测器的方法，其中该纳米腔的深度约略等于该纳米腔结构层的厚度。
28.如权利要求14所述的制作具有纳米腔的集成生物感测器的方法，其中该纳米腔的侧壁为一倾斜的侧壁，与水平面的夹角介于60°至80°。
29.一种具有纳米腔的集成生物感测器，包含有：
基底，其上设有多个隔离结构，区隔出多个像素区域；
光感测区，设于各该像素区域中；
第一介电层，设于该基底上；
沟槽凹陷结构，设于该第一介电层中并且对应该光感测区；
衬层，顺形地设于该沟槽凹陷结构内壁上；
滤光材料层，设于该沟槽凹陷结构内的该衬层上，该滤光材料层具有一上表面，低于该第一介电层的上表面一预定深度，如此形成一凹陷部；
上盖层，顺形地设于该沟槽凹陷结构上，该上盖层直接接触到该滤光材料层的该上表面；以及
钝化层，顺形地设于该上盖层上，其中该上盖层以及该钝化层共同于该凹陷部上方构成一纳米腔。
30.如权利要求29所述的具有纳米腔的集成生物感测器，其中该基底包含硅基底。
31.如权利要求29所述的具有纳米腔的集成生物感测器，其中该光感测区包含光二极管。
32.如权利要求29所述的具有纳米腔的集成生物感测器，还包含第二介电层，设于该基底与该第一介电层之间，并且该沟槽凹陷结构的底部为该第二介电层的一上表面。
33.如权利要求29所述的具有纳米腔的集成生物感测器，其中该滤光材料层包含金属离子。
34.如权利要求33所述的具有纳米腔的集成生物感测器，其中该金属离子包含钠离子。
35.如权利要求29所述的具有纳米腔的集成生物感测器，其中该衬层包含氮化硅层。
36.如权利要求29所述的具有纳米腔的集成生物感测器，其中该第一介电层包含氧化硅层。
37.如权利要求29所述的具有纳米腔的集成生物感测器，其中该第二介电层包含氮化硅层。
38.如权利要求29所述的具有纳米腔的集成生物感测器，其中该钝化层包含金属氧化物。
39.如权利要求38所述的具有纳米腔的集成生物感测器，其中该金属氧化物包含氧化钽。
40.一种制作具有纳米腔的集成生物感测器的方法，包含有：
提供一基底，其上设有多个隔离结构，区隔出多个像素区域；
在各该像素区域中形成一光感测区；
在该基底上沉积一第一介电层；
在对应该光感测区的该第一介电层中形成一沟槽凹陷结构；
顺形地在该沟槽凹陷结构内壁上沉积一衬层；
在该衬层上形成一滤光材料层，填满该沟槽凹陷结构；
进行一回蚀刻步骤，使该滤光材料层的一上表面，低于该第一介电层介电层的上表面一预定深度，如此形成一凹陷部；
在该沟槽凹陷结构上顺形地沉积一上盖层，该上盖层直接接触到该滤光材料层的上表面；
在该上盖层上顺形地形成一钝化层，其中该该上盖层以及该钝化层共同于该凹陷部上方形成一纳米腔。
41.如权利要求40所述的制作具有纳米腔的集成生物感测器的方法，其中该钝化层是利用物理气相沉积法沉积而成。
42.如权利要求40所述的制作具有纳米腔的集成生物感测器的方法，其中该钝化层包含金属氧化物。
43.如权利要求40所述的制作具有纳米腔的集成生物感测器的方法，其中该金属氧化物包含氧化钽。
44.如权利要求40所述的制作具有纳米腔的集成生物感测器的方法，其中形成该滤光材料层之后，还包含有：
进行一固化制作工艺，以固化该滤光材料层；以及
进行一研磨或者回蚀刻步骤，将该沟槽凹陷结构外的该滤光材料层去除。
45.如权利要求40所述的制作具有纳米腔的集成生物感测器的方法，其中该基底包含硅基底。
46.如权利要求40所述的制作具有纳米腔的集成生物感测器的方法，其中该光感测区包含光二极管。
47.如权利要求40所述的制作具有纳米腔的集成生物感测器的方法，其中形成该沟槽凹陷结构的步骤包含：
该基底上依序形成一第二介电层以及该第一介电层；以及
进行一蚀刻制作工艺以移除部分该第一介电层，并且利用该第二介电层作为蚀刻停止层。
48.如权利要求40所述的制作具有纳米腔的集成生物感测器的方法，其中该滤光材料层包含金属离子。
49.如权利要求48所述的制作具有纳米腔的集成生物感测器的方法，其中该金属离子包含钠离子。
50.如权利要求40所述的制作具有纳米腔的集成生物感测器的方法，其中该衬层包含氮化硅层。
51.如权利要求40所述的制作具有纳米腔的集成生物感测器的方法，其中该第一介电层包含氧化硅层。
52.如权利要求40所述的制作具有纳米腔的集成生物感测器的方法，其中该第二介电层包含氮化硅层。
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