CN110967379A - 压电式生物传感器及相关的形成方法 - Google Patents

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Abstract

在一些实施例中，提供一种压电式生物传感器。所述压电式生物传感器包括半导体衬底。第一电极设置在半导体衬底之上。压电结构设置在第一电极上。第二电极设置在压电结构上。感测储库设置在压电结构之上且暴露到周围环境，其中感测储库被配置成收集包括多个生物实体的流体。

Description

压电式生物传感器及相关的形成方法
技术领域
本发明的实施例是有关于一种压电式生物传感器及相关的形成方法。
背景技术
生物传感器是用于感测及检测生物实体的装置，且通常根据电子检测原理、化学检测原理、光学检测原理或机械检测原理进行操作。检测可通过对生物实体本身进行检测、或者通过规定反应物与生物实体之间的相互作用及反应来执行。生物传感器正广泛用于从环境监测及基础生命科学研究到即时检验(Point-of-Care，PoC)体外分子诊断(in-vitromolecular diagnostic)的不同的生命科学应用中。
发明内容
本发明实施例提供一种压电式生物传感器。所述压电式生物传感器包括半导体衬底。第一电极设置在所述半导体衬底之上。压电结构设置在所述第一电极上。第二电极设置在所述压电结构上。感测储库设置在所述压电结构之上且暴露到周围环境，其中所述感测储库被配置成收集包括多个生物实体的流体。
本发明实施例提供一种压电式生物传感器。所述压电式生物传感器包括设置在半导体衬底的第一侧之上的结构支撑层。第一电极设置在所述结构支撑层之上。压电结构设置在所述第一电极上。第二电极设置在所述压电结构上。钝化层设置在所述压电结构之上且具有相对的侧壁，所述相对的侧壁界定感测储库的侧，其中所述感测储库被配置成接收包括多个生物实体的流体。所述半导体衬底的在所述半导体衬底的所述第一侧与所述半导体衬底的相对的第二侧之间延伸的侧壁界定开口，所述开口设置在所述压电结构的正下方。此外，所述开口由所述结构支撑层的第一底表面界定。
本发明实施例提供一种形成压电式生物传感器的方法。所述方法包括在半导体衬底的第一侧之上形成第一电极。在所述第一电极上形成压电结构。在所述压电结构上形成第二电极。在所述第二电极、所述压电结构及所述第一电极上形成钝化层。在所述压电结构之上形成感测储库，其中形成所述感测储库包括移除所述钝化层的位于所述第二电极的最外侧壁之间的一部分。在所述压电结构正下方形成开口，其中所述开口从所述半导体衬底的与所述第一侧相对的第二侧延伸到所述半导体衬底中。
附图说明
结合附图阅读以下详细说明，会最好地理解本公开的各个方面。应注意，根据本行业中的标准惯例，各种特征并非按比例绘制。事实上，为使论述清晰起见，可任意增大或减小各种特征的尺寸。
图1示出压电式生物传感器的一些实施例的剖视图。
图2示出图1的压电式生物传感器的一些其他实施例。
图3示出图1的压电式生物传感器的一些其他实施例。
图4到图14示出一种形成图3的压电式生物传感器的方法的一些实施例的一系列剖视图。
图15示出一种形成压电式生物传感器的方法的一些实施例的流程图。
附图标号说明：
100：压电式生物传感器；
102：半导体衬底；
102f：前侧；
102b：后侧；
104：第一电极；
106：压电结构；
108：第二电极；
110：钝化层；
112：第一输入/输出结构；
114：第二输入/输出结构；
116：感测储库；
118：流体；
120：生物实体；
122：流体通道；
202：第一介电层；
204：第二介电层；
206：结构支撑层；
208：开口；
210：第三介电层；
302：第一粘合结构；
304：第一金属结构；
306：第二粘合结构；
308：第二金属结构；
310：第四介电层；
312：第五介电层；
314：第一导电结构；
316：第二导电结构；
318：第三导电结构；
320：第四导电结构；
602：第一粘合层；
604：第一金属层；
606：压电层；
608：第二粘合层；
610：第二金属层；
1002：第一输入/输出结构开口；
1004：第二输入/输出结构开口；
1202：保护层；
1500：流程图；
1502、1504、1506、1508、1510、1512、1514、1516：动作。
具体实施方式
现将参照图式阐述本公开，其中通篇中使用相同的参考编号来指代相同的元件，且其中所示的结构未必按比例绘制。应理解，此详细说明及对应的图并不以任何方式限制本公开的范围，且本详细说明及图仅提供几个实例来例示一些使本发明概念可显而易见的方式。
本公开提供用于实施本公开的不同特征的许多不同实施例或实例。以下阐述组件及布置的具体实例以简化本公开。当然，这些仅为实例且不旨在进行限制。举例来说，以下说明中将第一特征形成在第二特征之上或第二特征上可包括其中第一特征与第二特征被形成为直接接触的实施例，且也可包括其中第一特征与第二特征之间可形成有附加特征从而使得所述第一特征与所述第二特征可不直接接触的实施例。另外，本公开可能在各种实例中重复使用参考编号和/或字母。这种重复使用是出于简洁及清晰的目的，而不是自身指示所论述的各种实施例和/或配置之间的关系。
此外，为易于说明，本文中可能使用例如“在...之下(beneath)”、“在...下方(below)”、“下部的(lower)”、“在...上方(above)”、“上部的(upper)”等空间相对性用语来阐述图中所示的一个元件或特征与另一(其他)元件或特征的关系。所述空间相对性用语旨在除图中所绘示的取向外还囊括装置在使用或操作中的不同取向。设备可具有其他取向(旋转90度或处于其他取向)，且本文中所使用的空间相对性描述语可同样相应地进行解释。
一些生物传感器通过使辐射穿过样品并测量样品所吸收的辐射量来分析样品。此种生物传感器的一个实例为分光光度计(spectrophotometer)。一些分光光度计通过对包括生物实体的空白样品(blank sample)(例如，不包含着色剂的样品)的光透射率(lighttransmittance)与包括生物实体的有色样品(例如，包含着色剂的样品)的光透射率进行比较来分析样品。通过对空白样品的光透射率与有色样品的光透射率进行比较，可确定有色/空白样品的某些特性。
以上生物传感器所面临的一项挑战是制造/操作成本。以上生物传感器要求使用造价高昂的组件(例如，发光装置、分束器、光检测器等)。此外，由于需要通过时间密集型生物测试程序来运行多个样品(例如，空白样品及有色样品)，因此，使用以上生物传感器对样品进行分析是时间密集型的，从而增加了分析样品的成本。另外，以上生物传感器通常被封闭在大的壳体(housing)中，所述大的壳体妨碍了以上生物传感器在即时检验(PoC)应用中的使用，从而进一步增加了分析样品的成本。
在各种实施例中，本申请涉及一种压电式生物传感器。所述压电式生物传感器包括设置在第一电极与第二电极之间的压电结构，其中所述第一电极设置在半导体衬底之上。感测储库设置在所述压电结构之上，所述感测储库被配置成收集包括多个生物实体的流体。所述压电式生物传感器被配置成分析感测储库中的生物实体的特定特性(例如，检测流体中的生物实体生长、检测流体中的生物实体之间的神经传递活动等)。在一些实施例中，压电式生物传感器的电特性(例如，电容、电压等)随着感测储库中的生物实体的数目变化而变化。因此，压电式生物传感器可分析生物实体的特定特性。
由于压电式生物传感器设置在半导体衬底上，因此压电式生物传感器的制造成本可能比其他类型的生物传感器(例如，分光光度计、读板器(plate reader)等)低。另外，由于压电式生物传感器设置在半导体衬底上，因此压电式生物传感器的形状因子可能比其他类型的生物传感器小。因此，压电式生物传感器可通过提供廉价的PoC生物传感器应用来降低样品分析成本。此外，由于压电式生物传感器具有简化的生物测试程序(例如，测试一个样品来确定生物实体的特定特性)，因此使用压电式生物传感器测试样品(例如，包括多个生物实体的流体)可能比其他类型的生物传感器花费的时间少。因此，压电式生物传感器可进一步降低样品分析成本。
图1示出压电式生物传感器100的一些实施例的剖视图。
如图1中所示，压电式生物传感器100包括半导体衬底102。半导体衬底102具有前侧102f及与前侧102f相对的后侧102b。在一些实施例中，半导体衬底102包括任何类型的半导体本体(例如，单晶硅/互补金属氧化物半导体(Complementary Metal-OxideSemiconductor，CMOS)块、硅-锗(silicon-germanium，SiGe)、绝缘体上硅(silicon oninsulator，SOI)等)。在又一些实施例中，半导体衬底102的厚度(例如，前侧102f与后侧102b之间的距离)可为约750微米(μm)。
在半导体衬底102之上设置有第一电极104。在一些实施例中，第一电极104设置在半导体衬底102的前侧102f之上。在又一些实施例中，第一电极104可包含例如钛(Ti)、铂(Pt)、铜(Cu)、金(Au)、铝(Al)、锌(Zn)、锡(Sn)、钌(Ru)、一些其他导电材料、或前述材料的组合。在其他实施例中，第一电极104可包含例如二氧化钛(TiO2)、氧化钌(RuOX)、氧化铟锡(ITO)、一些其他金属系氧化物、或前述材料的组合。
在第一电极104之上设置有压电结构106。在一些实施例中，压电结构106可包含例如氧化锌(ZnO)、氮化镓(GaN)、锆钛酸铅(PZT)、一些其他压电材料、或前述材料的组合。
在压电结构106上设置有第二电极108。在一些实施例中，第二电极108包含例如Ti、Pt、Cu、Au、Al、Zn、Sn、Ru、一些其他导电材料、或前述材料的组合。在其他实施例中，第二电极108可包含例如TiO2、RuOX、ITO、一些其他金属系氧化物、或前述材料的组合。在又一些实施例中，第二电极108与第一电极104包含相同的导电材料。
在一些实施例中，在第二电极108之上设置有钝化层110。在又一些实施例中，钝化层110穿过第二电极108及压电结构106延伸到第一电极104。在又一些实施例中，钝化层110可包含例如氧化物(例如，二氧化硅(SiO2))、氮化物(例如，氮化硅(SiN))、氮氧化物(例如，氮氧化硅(SiOXNY))等。在再一些实施例中，钝化层110可包含金属系氧化物(例如，氧化铝(Al2O3))。
第一输入/输出(input/output，I/O)结构112(例如，焊盘、焊料球等)电耦合到第一电极104。在一些实施例中，第一输入/输出结构112设置在第一电极104之上且延伸穿过第二电极108及压电结构106以接触第一电极104。在又一些实施例中，钝化层110将第一输入/输出结构112与压电结构106及第二电极108隔开。
第二输入/输出结构114(例如，焊盘、焊料球等)电耦合到第二电极108。在一些实施例中，第二输入/输出结构114设置在第二电极108之上且延伸穿过钝化层110以接触第二电极108。在又一些实施例中，第一输入/输出结构112及第二输入/输出结构114可包含例如Ti、Au、Cu、Al、一些其他导电材料、或前述材料的组合。在又一些实施例中，第一输入/输出结构112及第二输入/输出结构114被配置成提供分别从第一电极104及第二电极108到处理电路系统(未示出)(例如，外部微处理器、测量电路系统、偏置电路等)的电连接。在再一些实施例中，处理电路系统可设置在半导体衬底(未示出)上，所述半导体衬底与之上设置有压电结构106的半导体衬底102是分开的(discrete)。在其他实施例中，处理电路系统可与压电结构106设置在同一半导体衬底102上。
在压电结构106之上设置有感测储库116。感测储库116被配置成收集包括多个生物实体120(例如，细胞、神经元等)的流体118。在一些实施例中，在钝化层110上设置有流体通道122。流体通道122是被配置成改善/引导流体118流到感测储库116中的结构。在又一些实施例中，流体通道122可与第一输入/输出结构112及第二输入/输出结构114二者间隔开。在再一些实施例中，流体通道122可包含例如多晶硅、氧化物(例如，SiO2)、氮化物(例如，SiN)、氮氧化物(例如，SiOXNY)等。
在一些实施例中，感测储库116由压电结构106的顶表面、第二电极108的相对的侧壁、钝化层110的相对的侧壁及流体通道122的相对的侧壁界定。举例来说，感测储库116的底部由压电结构106的顶表面界定，且感测储库116的侧分别由第二电极108的相对的侧壁、钝化层110的相对的侧壁及流体通道122的相对的侧壁界定。在又一些实施例中，第二电极108的相对的侧壁、钝化层110的相对的侧壁及流体通道122的相对的侧壁可分别实质上对齐。在再一些实施例中，感测储库116的侧可是实质上垂直的。
压电式生物传感器100被配置成分析感测储库116中的生物实体120的特定特性(例如，检测流体中的生物实体生长、检测流体中的生物实体之间的神经传递活动等)。举例来说，压电式生物传感器100被配置成检测感测储库116中的生物实体120的数目。在一些实施例中，当感测储库116中的生物实体120的数目发生改变时，施加到压电结构106的机械应力将发生改变，从而导致压电结构106两端的电位发生改变。由于压电式生物传感器100的电特性(例如，电容、电压等)随着感测储库116中的生物实体120的数目变化而变化，因此电位的变化使压电式生物传感器100能够检测感测储库116中的生物实体120的数目。
举例来说，在一些实施例中，压电结构106被配置成基于感测储库116中的生物实体120的数目而改变其形状。举例来说，当在感测储库116中具有零个生物实体120时，压电结构106可具有第一形状，当在感测储库116中设置有一个生物实体120时，压电结构106可具有不同于第一形状的第二形状，且当在感测储库116中设置有多个生物实体120时，压电结构106可具有不同于第一形状及第二形状的第三形状。在一些实施例中，由于压电结构106上施加的机械应力随着流体118中的生物实体120的数目变化而变化，因此压电结构106可基于感测储库116中的生物实体120的数目而改变其形状。在又一些实施例中，压电结构106的形状的改变可采取压电结构106朝(或远离)第一电极104偏转的形式。
随着压电结构106的形状发生改变，压电式生物传感器100的电特性的值发生变化。举例来说，当压电结构106的形状为第一形状时，压电式生物传感器100可在第一电极104与第二电极108之间具有第一电位；当压电结构106的形状为第二形状时，压电式生物传感器100可在第一电极104与第二电极108之间具有不同于第一电位的第二电位；且当压电结构106的形状为第三形状时，压电式生物传感器100可在第一电极104与第二电极108之间具有不同于第一电位及第二电位的第三电位。
因此，压电式生物传感器100可基于压电结构106的形状的改变来分析感测储库116中的生物实体120的特定特性。举例来说，当流体118位于感测储库116中时，处理电路系统(未示出)可以预定时间间隔测量/检测压电式生物传感器100的电位的改变。在一些实施例中，处理电路系统可通过向第一输入/输出结构112提供偏置电压并以预定时间间隔经由第二输入/输出结构114测量/检测压电式生物传感器100的电容的改变来测量/检测压电式生物传感器100的电位随着电容而发生的改变。在又一些实施例中，偏置电压可处于约2伏特(V)与约10伏特之间。基于以预定时间间隔测量/检测的电容，处理电路系统可确定感测储库116中的生物实体120的特定特性。
由于压电式生物传感器100设置在半导体衬底102上，因此压电式生物传感器100的形状因子可比其他类型的生物传感器(例如，分光光度计、读板器等)小。因此，压电式生物传感器100可通过提供廉价的即时检验(PoC)生物传感器应用来降低样品分析成本。此外，由于压电式生物传感器100具有简化的生物测试程序(例如，测试一个样品来确定生物实体120的特定特性)，因此使用压电式生物传感器100测试样品(例如，包括多个生物实体120的流体118)可比其他类型的生物传感器花费的时间少。因此，压电式生物传感器100可进一步降低样品分析成本。
图2示出图1的压电式生物传感器100的一些其他实施例。
如图2中所示，在半导体衬底102的后侧102b上设置有第一介电层202。在一些实施例中，第一介电层202可包含例如氧化物(例如，SiO2)、氮化物(例如，SiN)、氮氧化物(例如，SiOXNY)等。在又一些实施例中，在半导体衬底102的前侧102f上设置有第二介电层204。在又一些实施例中，第二介电层204可包含例如氧化物(例如，SiO2)、氮化物(例如，SiN)、氮氧化物(例如，SiOXNY)等。在再一些实施例中，第一介电层202与第二介电层204可包含相同的材料。
在半导体衬底102的前侧102f之上可设置有结构支撑层206。在一些实施例中，结构支撑层206设置在第二介电层204上。在又一些实施例中，结构支撑层206为压电式生物传感器100的上覆元件(例如，第一电极104、压电结构106、第二电极108等)提供结构支撑。在再一些实施例中，结构支撑层206可包含例如多晶硅。
在一些实施例中，在压电结构106的正下方设置有开口208。开口208被配置成降低压电式生物传感器100的位于压电结构106正下方的一部分的刚度(stiffness)，从而使得压电结构106可基于感测储库116中的生物实体120的数目而改变其形状。在又一些实施例中，开口208的侧从半导体衬底102的后侧102b延伸到半导体衬底102中。
在一些实施例中，开口208由结构支撑层206的底表面、第二介电层204的相对的侧壁、半导体衬底102的相对的侧壁及第一介电层202的相对的侧壁界定。举例来说，开口208的顶部可由结构支撑层206的底表面界定，且开口208的侧可分别由第一介电层202的相对的侧壁、半导体衬底102的相对的侧壁及第二介电层204的相对的侧壁界定。在又一些实施例中，第一介电层202的相对的侧壁、半导体衬底102的相对的侧壁及第二介电层204的相对的侧壁分别实质上对齐。
在一些实施例中，开口208的侧是倾斜的。举例来说，开口208的相对的侧可从第一介电层202的底表面向结构支撑层206的底表面朝彼此倾斜。在又一些实施例中，第一介电层202的相对的侧壁可比半导体衬底102的相对的侧壁间隔得远。在再一些实施例中，半导体衬底102的相对的侧壁可比第二介电层204的相对的侧壁间隔得远。
在结构支撑层206与第一电极104之间可设置有第三介电层210。在一些实施例中，第三介电层210接触第一电极104及结构支撑层206二者。在又一些实施例中，第三介电层210可包含例如氧化物(例如，SiO2)、氮化物(例如，SiN)、氮氧化物(例如，SiOXNY)等。在再一些实施例中，第三介电层210可包含与第一介电层202和/或第二介电层204相同的材料。
在一些实施例中，第二电极108的最外侧壁设置在压电结构106的最外侧壁之间。在又一些实施例中，压电结构106的最外侧壁设置在第一电极104的最外侧壁之间。在又一些实施例中，钝化层110可接触第二电极108、压电结构106、第一电极104及第三介电层210。
在一些实施例中，第一输入/输出结构112可设置在感测储库116的第一侧上，且第二输入/输出结构114可设置在感测储库116的与感测储库116的第一侧相对的第二侧上。在其他实施例中，第一输入/输出结构112与第二输入/输出结构114可设置在感测储库116的同一侧上。在又一些实施例中，第二输入/输出结构114可具有设置在第一输入/输出结构112的上表面之上的上表面。在其他实施例中，第一输入/输出结构112的上表面可大约与第二输入/输出结构114的上表面共面。
图3示出图1的压电式生物传感器100的一些其他实施例。
如图3中所示，开口208从第一介电层202的底表面延伸到结构支撑层206中，从而使得结构支撑层206的第一底表面界定开口208的顶部。在此种实施例中，结构支撑层206的相对的侧壁可分别与第一介电层202的相对的侧壁、半导体衬底102的相对的侧壁及第二介电层204的相对的侧壁实质上对齐。在又一些实施例中，结构支撑层206可具有设置在结构支撑层206的第一底表面与半导体衬底102的前侧102f之间的第二底表面。在再一些实施例中，第二底表面可设置在开口208的相对的侧上。
在一些实施例中，第一电极104包括设置在第一粘合结构302上的第一金属结构304。在又一些实施例中，第一粘合结构302设置在第三介电层210上。在又一些实施例中，第一粘合结构302被配置成改善第一电极104与第三介电层210的粘合。在又一些实施例中，第一粘合结构302包含金属系氧化物，例如二氧化钛(TiO2)、氧化钌(RuOX)、氧化铟锡(ITO)、一些其他金属系氧化物、或前述材料的组合。在再一些实施例中，第一金属结构304包含例如Ti、Pt、Cu、Au、Al、Zn、Sn、Ru、一些其他金属、或前述材料的组合。
在一些实施例中，第二电极108包括设置在第二粘合结构306上的第二金属结构308。在又一些实施例中，第二粘合结构306设置在压电结构106上。在又一些实施例中，第二粘合结构306被配置成改善第二电极108与压电结构106的粘合。在又一些实施例中，第二粘合结构306包含金属系氧化物，例如TiO2、RuOX、ITO、一些其他金属系氧化物、或前述材料的组合。在又一些实施例中，第二金属结构308包含例如Ti、Pt、Cu、Au、Al、Zn、Sn、Ru、一些其他金属、或前述材料的组合。
在一些实施例中，钝化层110包括设置在第四介电层310上的第五介电层312。在又一些实施例中，第四介电层310设置在第三介电层210、第一电极104、压电结构106及第二电极108上。在又一些实施例中，第四介电层310可具有比第五介电层312高的介电常数。举例来说，第四介电层310可具有大于3.9的介电常数(例如，高介电常数(high dielectricconstant，high-k)电介质)，且第五介电层312可具有小于或等于3.9的介电常数(例如，SiO2和/或低介电常数电介质)。在又一些实施例中，第四介电层310可包含金属系氧化物，例如Al2O3。在再一些实施例中，第五介电层312可包含例如氧化物(例如，SiO2)、氮化物(例如，SiN)、氮氧化物(例如，氮氧化硅(SiOXNY)等。
在一些实施例中，第一输入/输出结构112包括设置在第一导电结构314上的第二导电结构316。在又一些实施例中，第一导电结构314设置在钝化层110及第一电极104上。在又一些实施例中，第一导电结构314包含例如Ti、Au、Pt、Al、一些其他导电材料、或前述材料的组合。在又一些实施例中，第二导电结构316包含例如Au、Ti、Pt、Al、一些其他导电材料、或前述材料的组合。在再一些实施例中，第一导电结构314与第二导电结构316包含不同的材料。
在一些实施例中，第二输入/输出结构114包括设置在第三导电结构318上的第四导电结构320。在又一些实施例中，第三导电结构318设置在钝化层110及第二电极108上。在又一些实施例中，第三导电结构318包含例如Ti、Au、Pt、Al、一些其他导电材料、或前述材料的组合。在又一些实施例中，第四导电结构320包含例如Au、Ti、Pt、Al、一些其他导电材料、或前述材料的组合。在又一些实施例中，第三导电结构318与第四导电结构320包含不同的材料。在又一些实施例中，第一导电结构314与第三导电结构318包含相同的材料(例如，Ti)。在再一些实施例中，第二导电结构316与第四导电结构320包含相同的材料(例如，Pt)。
图4到图14示出一种形成图3的压电式生物传感器100的方法的一些实施例的一系列剖视图。
如图4中所示，在半导体衬底102的后侧102b上形成第一介电层202。在一些实施例中，形成第一介电层202的工艺包括在半导体衬底102的后侧102b上沉积或生长第一介电层202。在又一些实施例中，可通过例如热氧化、化学气相沉积(chemical vapor deposition，CVD)、物理气相沉积(physical vapor deposition，PVD)、原子层沉积(atomic layerdeposition，ALD)、溅镀、一些其它沉积或生长工艺、或前述工艺的组合来沉积或生长第一介电层202。
在图4中还示出，在半导体衬底102的前侧102f上形成第二介电层204。在一些实施例中，形成第二介电层204的工艺包括在半导体衬底102的前侧102f上沉积或生长第二介电层204。在又一些实施例中，可通过例如热氧化、CVD、PVD、ALD、溅镀、一些其他沉积或生长工艺、或前述工艺的组合来沉积或生长第二介电层204。
在一些实施例中，第一介电层202与第二介电层204可通过单个生长工艺同时形成。在又一些实施例中，在形成第一介电层202和/或第二介电层204之前，可对半导体衬底102的前侧102f和/或后侧102b执行平坦化工艺(例如，机械研磨或化学机械平坦化(chemical-mechanical planarization，CMP))以减小半导体衬底102的厚度(例如，前侧102f与后侧102b之间的距离)。在再一些实施例中，可将半导体衬底102的厚度减小到低于约750μm(例如，减小到约725μm)。
如图5中所示，在第二介电层204之上形成结构支撑层206。在一些实施例中，形成结构支撑层206的工艺包括在第二介电层204上沉积结构支撑层206。在一些实施例中，可通过例如CVD、PVD、ALD、溅镀、分子束外延、一些其它沉积工艺、或前述工艺的组合来沉积或生长结构支撑层206。在又一些实施例中，可向第一介电层202中执行平坦化工艺(例如，CMP)以移除在形成结构支撑层206期间可沉积在第一介电层202上的过量材料。
在图5中还示出，在结构支撑层206之上形成第三介电层210。在一些实施例中，形成第三介电层210的工艺包括在结构支撑层206上沉积或生长第三介电层210。在又一些实施例中，可通过例如CVD、PVD、ALD、热氧化、溅镀、一些其他沉积或生长工艺、或前述工艺的组合来沉积或生长第三介电层210。更具体来说，在一些实施例中，可通过等离子体增强型化学气相沉积(plasma-enhanced chemical vapor deposition，PECVD)来沉积第三介电层210。
如图6中所示，在第三介电层210之上形成第一粘合层602。在一些实施例中，形成第一粘合层602的工艺包括在第三介电层210上沉积第一粘合层602。在又一些实施例中，可通过例如CVD、PVD、ALD、溅镀、电化学镀覆、无电镀覆、一些其它沉积工艺、或前述工艺的组合来沉积第一粘合层602。在再一些实施例中，第一粘合层602包含金属系氧化物，例如TiO2、RuOX、ITO、一些其他金属系氧化物、或前述材料的组合。在再一些实施例中，第一粘合层602被配置成改善随后形成的层与第三介电层210之间的粘合。
在图6中还示出，在第一粘合层602之上形成第一金属层604。在一些实施例中，形成第一金属层604的工艺包括在第一粘合层602上沉积第一金属层604。在又一些实施例中，可通过例如CVD、PVD、ALD、溅镀、电化学镀覆、无电镀覆、一些其他沉积工艺、或前述工艺的组合来沉积第一金属层604。在再一些实施例中，第一金属层604包含例如Ti、Pt、Cu、Au、Al、Zn、Sn、Ru、一些其他金属、或前述材料的组合。
在图6中还示出，在第一金属层604之上形成压电层606。在一些实施例中，形成压电层606的工艺包括在第一金属层604上沉积或生长压电层606。在又一些实施例中，可通过例如溅镀、旋涂(spin-on)工艺、CVD、PVD、ALD、分子束外延、一些其它沉积或生长工艺、或前述工艺的组合来沉积或生长压电层606。在再一些实施例中，压电层606可包含例如ZnO、GaN、PZT、一些其他压电材料、或前述材料的组合。
在图6中还示出，在压电层606之上形成第二粘合层608。在一些实施例中，形成第二粘合层608的工艺包括在压电层606上沉积第二粘合层608。在又一些实施例中，可通过例如CVD、PVD、ALD、溅镀、电化学镀覆、无电镀覆、一些其它沉积工艺、或前述工艺的组合来沉积第二粘合层608。在再一些实施例中，第二粘合层608包含金属系氧化物，例如TiO2、RuOX、ITO、一些其他金属系氧化物、或前述材料的组合。在又一些实施例中，第二粘合层608被配置成改善随后形成的层与压电层606之间的粘合。
在图6中还示出，在第二粘合层608之上形成第二金属层610。在一些实施例中，形成第二金属层610的工艺包括在第二粘合层608上沉积第二金属层610。在又一些实施例中，可通过例如CVD、PVD、ALD、溅镀、电化学镀覆、无电镀覆、一些其他沉积工艺、或前述工艺的组合来沉积第二金属层610。在再一些实施例中，第二金属层610包含例如Ti、Pt、Cu、Au、Al、Zn、Sn、Ru、一些其他金属、或前述材料的组合。
如图7中所示，在压电层606之上形成第二电极108。在一些实施例中，形成第二电极108的工艺包括在第二金属层610(参见，例如图6)上形成遮蔽层(masking layer)(未示出)(例如，正型光刻胶/负型光刻胶)。之后，将第二金属层610及第二粘合层608(参见，例如图6)暴露到刻蚀剂(例如，湿刻蚀剂/干刻蚀剂)。所述刻蚀剂移除第二金属层610的未被遮蔽的部分及第二粘合层608的未被遮蔽的部分以分别形成第二金属结构308及第二粘合结构306，从而形成第二电极108。随后，在一些实施例中，将遮蔽层剥离。
如图8中所示，在第一金属层604之上形成压电结构106。在一些实施例中，形成压电结构106的工艺包括在压电层606(参见，例如图6)及第二电极108上形成遮蔽层(未示出)。之后，将压电层606暴露到刻蚀剂(例如湿刻蚀剂/干刻蚀剂)，所述刻蚀剂移除压电层606的未被遮蔽的部分，从而形成压电结构106。随后，在一些实施例中，将遮蔽层剥离。
如图9中所示，在第三介电层210之上形成第一电极104。在一些实施例中，形成第一电极104的工艺包括在第一金属层604(参见，例如图6)、压电结构106及第二电极108上形成遮蔽层(未示出)。之后，将第一金属层604及第一粘合层602(参见，例如图6)暴露到刻蚀剂(例如，湿刻蚀剂/干刻蚀剂)。所述刻蚀剂移除第一金属层604的未被遮蔽的部分及第一粘合层602的未被遮蔽的部分以分别形成第一金属结构304及第一粘合结构302，从而形成第一电极104。随后，在一些实施例中，将遮蔽层剥离。
如图10中所示，在第三介电层210、第一电极104、压电结构106及第二电极108之上形成钝化层110。在一些实施例中，形成钝化层110的工艺包括沉积第四介电层310以覆盖第三介电层210、第一电极104、压电结构106及第二电极108。接着沉积第五介电层312以覆盖第四介电层310。
之后，在第五介电层312上形成遮蔽层(未示出)。随后，将第五介电层312及第四介电层310暴露到刻蚀剂(例如，湿刻蚀剂/干刻蚀剂)。所述刻蚀剂移除第五介电层312的未被遮蔽的部分及第四介电层310的未被遮蔽的部分以在第二电极108之上形成感测储库116；在第一电极104之上形成第一输入/输出结构开口1002；以及在第二电极108之上形成第二输入/输出结构开口1004，从而形成钝化层110。随后，在一些实施例中，将遮蔽层剥离。应理解，在一些实施例中，可使用多种刻蚀剂来形成钝化层110。举例来说，第一刻蚀剂可移除第五介电层312的未被遮蔽的部分，且不同于第一刻蚀剂的第二刻蚀剂可移除第四介电层310的未被遮蔽的部分。
在一些实施例中，感测储库116形成在第二电极108的最外侧壁之间。在又一些实施例中，第一输入/输出结构开口1002形成在感测储库116的第一侧上。在又一些实施例中，第一输入/输出结构开口1002被形成为穿过钝化层110从第五介电层312的上表面延伸到第一电极104。在又一些实施例中，第二输入/输出结构开口1004形成在感测储库116的与第一侧相对的第二侧上。在又一些实施例中，第二输入/输出结构开口1004被形成为穿过钝化层110从第五介电层312的上表面延伸到第二电极108。在再一些实施例中，第一输入/输出结构开口1002可设置在压电结构106的最外侧壁之外，而第二输入/输出结构开口1004可设置在压电结构106的最外侧壁之间。
如图11中所示，在第一电极104之上形成第一输入/输出结构112且第一输入/输出结构112电耦合到第一电极104。另外，在第二电极108之上形成第二输入/输出结构114且第二输入/输出结构114电耦合到第二电极108。在一些实施例中，形成第一输入/输出结构112及第二输入/输出结构114的工艺包括在钝化层110、第一电极104及第二电极108上沉积第一导电层(未示出)。在一些实施例中，第一导电层对第一输入/输出结构开口1002、第二输入/输出结构开口1004及感测储库116进行内衬(line)。在又一些实施例中，可通过例如CVD、PVD、ALD、溅镀、电化学镀覆、无电镀覆、一些其它沉积工艺、或前述工艺的组合来沉积第一导电层。在再一些实施例中，第一导电层可包含例如Ti、Au、Pt、Al、一些其他导电材料、或前述材料的组合。
接着在第一导电层上沉积第二导电层(未示出)。在一些实施例中，第二导电层填充第一输入/输出结构开口1002、第二输入/输出结构开口1004及感测储库116。在又一些实施例中，可通过例如CVD、PVD、ALD、溅镀、电化学镀覆、无电镀覆、一些其它沉积工艺、或前述工艺的组合来沉积第二导电层。在又一些实施例中，第二导电层可包含例如Ti、Au、Pt、Al、一些其他导电材料、或前述材料的组合。在再一些实施例中，第二导电层可包含与第一导电层不同的材料。应理解，在一些实施例中，在感测储库116中可不形成第一导电层和/或第二导电层。举例来说，可在沉积第一导电层和/或第二导电层之前沉积保护层(未示出)(例如，正型光刻胶/负型光刻胶)以覆盖感测储库116。
之后，在第一导电层上形成遮蔽层(未示出)。随后，将第一导电层暴露到刻蚀剂(例如，湿刻蚀剂/干刻蚀剂)。所述刻蚀剂移除第二导电层的未被遮蔽的部分以形成第二导电结构316及第四导电结构320，且移除第一导电层的未被遮蔽的部分以形成第一导电结构314及第三导电结构318，从而形成第一输入/输出结构112及第二输入/输出结构114。随后，在一些实施例中，将遮蔽层剥离。应理解，在一些实施例中，可使用多种刻蚀剂来形成第一输入/输出结构112及第二输入/输出结构114。举例来说，第一刻蚀剂可移除第一导电层的未被遮蔽的部分，且不同于第一刻蚀剂的第二刻蚀剂可移除第二导电层的未被遮蔽的部分。
在一些实施例中，第一输入/输出结构112形成在感测储库116的第一侧上。在又一些实施例中，第一输入/输出结构112被形成为穿过钝化层110从第五介电层312的上表面延伸到第一电极104。在又一些实施例中，第二输入/输出结构114形成在感测储库116的与第一侧相对的第二侧上。在又一些实施例中，第二输入/输出结构114被形成为穿过钝化层110从第五介电层312的上表面延伸到第二电极108。在再一些实施例中，第一输入/输出结构112可设置在压电结构106的最外侧壁之外，而第二输入/输出结构114设置在压电结构106的最外侧壁之间。
如图12中所示，形成保护层1202以覆盖钝化层110、第一输入/输出结构112、第二电极108及第二输入/输出结构114。保护层1202被配置成在随后的制作工艺期间保护钝化层110、第一输入/输出结构112、第二电极108及第二输入/输出结构114。在一些实施例中，形成保护层1202的工艺包括在钝化层110、第一输入/输出结构112、第二电极108及第二输入/输出结构114上沉积保护层1202。在又一些实施例中，可通过例如旋涂工艺、CVD、PVD、ALD、溅镀、一些其他沉积或生长工艺、或前述工艺的组合来沉积保护层1202。在再一些实施例中，保护层1202可包含例如光刻胶(例如，负型光刻胶/正型光刻胶)、电介质(例如，SiO2)、聚合物等。
如图13中所示，形成开口208，开口208穿过半导体衬底102从第一介电层202延伸到结构支撑层206。在一些实施例中，形成开口208的工艺包括将半导体衬底102翻转(例如，旋转180度)，从而使得半导体衬底102的后侧102b面对与形成保护层1202期间半导体衬底102的后侧102b所面对的方向(参见，例如图12)相反的方向。
之后，在第一介电层202上形成遮蔽层(未示出)。随后，将第一介电层202、半导体衬底102、第二介电层204及结构支撑层206暴露到刻蚀剂(例如湿刻蚀剂/干刻蚀剂)。在一些实施例中，所述刻蚀剂是用于反应性离子刻蚀(reactive-ion etching，RIE)系统中的干刻蚀剂。所述刻蚀剂移除第一介电层202的未被遮蔽的部分；半导体衬底102的未被遮蔽的部分；第二介电层204的未被遮蔽的部分；以及结构支撑层206的未被遮蔽的部分，从而形成开口208。随后，在一些实施例中，将遮蔽层剥离。
在一些实施例中，开口208形成有倾斜的侧。在又一些实施例中，开口208的倾斜的侧被形成为使得开口208的相对的倾斜的侧朝彼此倾斜。在又一些实施例中，开口208的侧被形成为使得开口208的侧延伸到结构支撑层206中达非零距离。在其他实施例中，开口208的侧可被形成为使得开口208的侧不延伸到结构支撑层206中。
如图14中所示，移除保护层1202。在一些实施例中，移除保护层1202的工艺包括将半导体衬底102翻转(例如，旋转180度)，从而使得半导体衬底102的后侧102b面对与形成开口208期间半导体衬底102的后侧102b所面对的方向(参见，例如图13)相反的方向。之后，可移除保护层1202。在一些实施例中，可通过例如等离子体灰化、暴露到剥离剂(例如，光刻胶剥离溶剂)等来移除保护层1202。在一些实施例中，在移除保护层1202之后，压电式生物传感器100的形成便已完成。由于压电式生物传感器100形成在半导体衬底102上，因此制造压电式生物传感器100的成本可比其他类型的生物传感器(例如，分光光度计、读板器等)低。
如图15中所示，提供一种形成压电式生物传感器的方法的一些实施例的流程图1500。尽管图15的流程图1500在本文中被示出及阐述为一系列动作或事件，然而应理解，这些动作或事件的示出顺序不应被解释为具有限制性意义。举例来说，某些动作可以与除本文中所示和/或所阐述的动作或事件之外的其他动作或事件不同的顺序发生，和/或可与除本文中所示和/或所阐述的动作或事件之外的其他动作或事件同时发生。此外，在实施本文说明的一个或多个方面或实施例时可能并非需要所有所示动作，且本文中所绘示的动作中的一个或多个动作可在一个或多个单独的动作和/或阶段中施行。
在1502处，在半导体衬底的第一侧上形成第一介电层，且在半导体衬底的与第一侧相对的第二侧上形成第二介电层。图4示出对应于动作1502的一些实施例的剖视图。
在1504处，在第二介电层之上形成结构支撑层，且在结构支撑层之上形成第三介电层。图5示出对应于动作1504的一些实施例的剖视图。
在1506处，在第三介电层之上形成第一电极，在第一电极之上形成压电结构，且在压电结构之上形成第二电极。图6到图9示出对应于动作1506的一些实施例的一系列剖视图。
在1508处，在第三介电层、第一电极、压电结构及第二电极之上形成钝化层，其中钝化层的侧壁界定设置在压电结构之上的感测储库的侧。图10示出对应于动作1508的一些实施例的剖视图。
在1510处，形成电耦合到第一电极的第一输入/输出(I/O)结构以及电耦合到第二电极的第二输入/输出结构。图11示出对应于动作1510的一些实施例的剖视图。
在1512处，在钝化层、第一输入/输出结构、第一电极及第二输入/输出结构之上形成保护层。图12示出对应于动作1512的一些实施例的剖视图。
在1514处，在压电结构的正下方形成开口，其中开口从半导体衬底的第一侧延伸到半导体衬底中。图13示出对应于动作1514的一些实施例的剖视图。
在1516处，移除保护层。图14示出对应于动作1516的一些实施例的剖视图。
在一些实施例中，本申请提供一种压电式生物传感器。所述压电式生物传感器包括半导体衬底。第一电极设置在所述半导体衬底之上。压电结构设置在所述第一电极上。第二电极设置在所述压电结构上。感测储库设置在所述压电结构之上且暴露到周围环境，其中所述感测储库被配置成收集包括多个生物实体的流体。
在其他实施例中，本申请提供一种压电式生物传感器。所述压电式生物传感器包括设置在半导体衬底的第一侧之上的结构支撑层。第一电极设置在所述结构支撑层之上。压电结构设置在所述第一电极上。第二电极设置在所述压电结构上。钝化层设置在所述压电结构之上且具有相对的侧壁，所述相对的侧壁界定感测储库的侧，其中所述感测储库被配置成接收包括多个生物实体的流体。所述半导体衬底的在所述半导体衬底的所述第一侧与所述半导体衬底的相对的第二侧之间延伸的侧壁界定开口，所述开口设置在所述压电结构的正下方。此外，所述开口由所述结构支撑层的第一底表面界定。
在再一些实施例中，本申请提供一种形成压电式生物传感器的方法。所述方法包括在半导体衬底的第一侧之上形成第一电极。在所述第一电极上形成压电结构。在所述压电结构上形成第二电极。在所述第二电极、所述压电结构及所述第一电极上形成钝化层。在所述压电结构之上形成感测储库，其中形成所述感测储库包括移除所述钝化层的位于所述第二电极的最外侧壁之间的一部分。在所述压电结构正下方形成开口，其中所述开口从所述半导体衬底的与所述第一侧相对的第二侧延伸到所述半导体衬底中。
在一些实施例中，本申请的压电式生物传感器还包括钝化层，设置在所述第二电极上，其中所述钝化层的相对的侧壁界定所述感测储库的侧。在一些实施例中，所述感测储库的所述侧另外由所述第二电极的相对的侧壁界定。在一些实施例中，所述钝化层的所述相对的侧壁分别与所述第二电极的所述相对的侧壁实质上对齐。在一些实施例中，所述感测储库的所述侧是实质上垂直的。在一些实施例中，本申请的压电式生物传感器还包括流体通道，设置在所述钝化层上，其中所述流体通道的相对的侧壁另外界定所述感测储库的所述侧。在一些实施例中，所述钝化层的所述相对的侧壁分别与所述流体通道的所述相对的侧壁实质上对齐。在一些实施例中，所述感测储库的所述侧是实质上垂直的。
在一些实施例中，所述第二电极的顶表面界定所述感测储库的底部。在一些实施例中，所述压电结构的顶表面界定所述感测储库的底部。在一些实施例中，所述第二电极的最外侧壁设置在所述压电结构的最外侧壁之间，且其中所述压电结构的所述最外侧壁设置在所述第一电极的最外侧壁之间。在一些实施例中，所述开口的侧是倾斜的，所述开口的所述侧从所述半导体衬底的所述第二侧延伸到所述结构支撑层的所述第一底表面。在一些实施例中，所述结构支撑层具有设置在所述结构支撑层的所述第一底表面与所述半导体衬底的所述第一侧之间的第二底表面，且其中所述结构支撑层的相对的侧壁另外界定所述开口的侧。在一些实施例中，本申请的压电式生物传感器还包括第一介电层，设置在所述结构支撑层与所述半导体衬底之间，其中所述第一介电层的相对的侧壁另外界定所述开口的所述侧。在一些实施例中，本申请的压电式生物传感器还包括第二介电层，设置在所述半导体衬底的所述第二侧上，其中所述第二介电层的相对的侧壁另外界定所述开口的所述侧。在一些实施例中，所述第二介电层的所述相对的侧壁比所述结构支撑层的所述相对的侧壁间隔得远。
以上概述了若干实施例的特征，以使所属领域中的技术人员可更好地理解本公开的各个方面。所属领域中的技术人员应理解，他们可容易地使用本公开作为设计或修改其他工艺及结构的基础来施行与本文中所介绍的实施例相同的目的和/或实现与本文中所介绍的实施例相同的优点。所属领域中的技术人员还应认识到，这些等效构造并不背离本公开的精神及范围，而且他们可在不背离本公开的精神及范围的条件下在本文中作出各种改变、代替及变更。

Claims (1)

1.一种压电式生物传感器，其特征在于，包括：
半导体衬底；
第一电极，设置在所述半导体衬底之上；
压电结构，设置在所述第一电极上；
第二电极，设置在所述压电结构上；以及
感测储库，设置在所述压电结构之上且暴露到周围环境，所述感测储库被配置成收集包括多个生物实体的流体。
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