CN111051856A - 使用传感器的有源表面的方法和结构 - Google Patents

使用传感器的有源表面的方法和结构 Download PDF

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Abstract

公开了一种装置和形成方法，该装置包括支撑结构、支撑结构上的传感器、传感器的相对侧处的支撑结构上的一对柱，该一对柱具有相对于支撑结构的顶面的柱高度，该柱高度高于传感器有源表面相对于支撑结构顶面的高度，以及在该一对柱上和有源表面之上的盖层，该盖层在其相对端处由该一对柱支撑。传感器的有源表面、盖层和该一对柱在至少大于传感器的有源表面的一半的上方形成开口，并且支撑结构、传感器、盖层和该一对柱共同形成流通池。

Description

使用传感器的有源表面的方法和结构
相关申请的交叉引用
本申请要求于2018年2月3日提交的美国临时专利申请号62/626,021的优先权，其内容以整体通过引用并入本文。
背景技术
目前，与用于片上检测的传感器一起使用的流通池的盖在传感器的有源表面上方由位于有源表面上的柱支撑。将盖放置在传感器之上的原因是有效区域的平整度和平滑度(亚微米粗糙度)经常需要使流体交换干净地进行，而不夹带或捕获试剂。当前的结构导致可用于感测的有源表面的面积的减少。在某些情况下，仅有传感器的有源表面的三分之一(或更少)能够被使用。
因此，需要一种方式，来使用传感器的有源表面中的更多有源表面。
发明内容
通过在一个方面中的装置的提供可以克服现有方法的缺点并且来提供附加的优点。装置包括支撑结构、支撑结构上的传感器，该传感器包括有源表面、一对柱，每个柱位于传感器的相对侧处的支撑结构上，一对柱中的每个柱包括相对于支撑结构的顶面的柱高度，该柱高度高于传感器有源表面相对于支撑结构的顶面的高度。该装置还包括在该一对柱上和在传感器有源表面之上的盖层，该盖层在其相对端处由该一对柱支撑。传感器的有源表面、盖层和该一对柱在至少大于传感器的有源表面的一半的上方形成开口，并且支撑结构、传感器、盖层和该一对柱共同形成流通池。
根据另一个方面，提供了一种方法。该方法包括形成流通池，该形成包括将传感器放置在支撑结构上，该传感器包括有源表面，形成一对柱，每个柱在传感器的相对侧处，一对柱中的每个柱包括相对于支撑结构的顶面的柱高度，该柱高度高于传感器有源表面相对于支撑结构的顶面的高度，以及将盖层放置在该一对柱的顶面上，使得盖层和该一对柱在传感器的有源表面的至少大约一半的上方形成空间。
附图说明
通过以下各个方面结合附图的详细的描述，本公开的这些和其他目标、特征和优点将变得明显，其中：
图1-图5是制造本公开中公开的装置的各个阶段的一个示例的截面图。
图1是根据本公开的一个或多个方面的芯片的示例的截面图，该芯片包括在其上具有传感器的裸片。该传感器包括例如有源表面。
图2是根据本公开的一个或多个方面的将图1的传感器和裸片准备并放置在支撑结构上的一个示例的截面图。
图3是根据本公开的一个或多个方面的在图2的裸片的任一侧附近形成底柱部分的一个示例的截面图。
图4是根据本公开的一个或多个方面的在图3的底柱部分之上形成顶柱部分的一个示例的截面图。
图5是根据本公开的一个或多个方面的将盖层放置在顶柱部分上之后，使得在传感器的有源表面的至少一半(在这种情况下，全部或几乎全部)的上方形成空间的端部结构的一个示例的截面图。
图6是根据本公开的一个或多个方面的制造本文公开的装置的一个示例的流程图。
具体实施方式
本公开的各个方面和某些特征、优点和细节将会在下文参考附图中所示的非限制性示例更全面地解释。省略众所周知的材料、制造工具、处理技术等描述以免不必要地混淆相关细节。然而，应当理解具体实施方式和具体示例虽然指示本公开的各个方面，但仅以说明的方式给出，而不是以限制的方式给出。根据本公开，在基本发明概念的精神和/或范围内的各种替换、修改、添加和/或布置对本领域的技术人员将变得明显。
如贯穿说明书和权利要求书中在本文中使用的近似的语言，可以应用于修改可以允许变化的任何定量表示，而不会导致与其相关的基本功能的变化。因此通过诸如“大约”或“大体”的一个或多个术语修改的数值，不限制于具体的精确数值。在一些实例中，近似语言可以对应于用于测量数值的仪器的精度。
本文所使用的术语是仅出于描述特定示例的目的而不旨在限制。如本文所使用的，单数形式“一”、“一个”和“该”还旨在包括复数形式，除非上下文中明确指出。还将理解的是，术语“包括”(以及任何形式的包括，诸如“包括了(comprises)”和“包括着(comprising)”)、“具有”(以及任何形式的具有，比如“有(has)”和“拥有(having)”)、“包含”(以及任何形式的包含，比如“包含了(includes)”和“包含着(including)”)和“含有”(以及任何形式的含有，比如“含有了(contains)”和“含有着(containing)”)都是开放式连接动词。因此，“包括”“具有”“包含”或“含有”一个或多个步骤或元件的方法或设备拥有那些一个或多个步骤或元件，但不限于仅拥有那些一个或多个步骤或元件。同样地，“包括”“具有”“包含”或“含有”一个或多个特征的方法的步骤或设备的元件拥有那些一个或多个特征，但不限于仅拥有那些一个或多个特征。此外，以某种方式配置的设备或结构是至少以这样的方式配置的，并且还可以以未列出的方式配置。
如本文所使用的，术语“连接”，当其用于表示两个物理元件时，意为两个物理元件之间的直接连接。然而，术语“耦合”可以意为直接连接或通过一个或多个中间元件的连接。
如本文所使用的，术语“可以(may)”和“可能(may be)”是指在一组情况下发生的可能性；特定属性、特征或功能的拥有；和/或通过表达与另一个限定动词相关联的一个或多个能力、性能或可能性来限定该动词。因此，“可以”和“可能”的用法指示修改的术语显然合适、能够或适合于所示的容量、功能或用法，然而考虑到在某些情况下，修改后的术语有时可能不合适、能够或适合。例如，在某些情况下，事件或能力可以被预期，然而在其他情况下，事件或能力不能发生——该区别可以用“可以”和“可能”来表示。
如本文所使用的，除非明确强调，与诸如测量值、大小等的数值一起使用的近似术语“大约”、“大体”等意为数值的正负百分之十的可能变化。
如本文所使用的，术语“结合(bond)”、“被结合(bonded)”和“结合了(bonding)”是指使用粘合剂或结合剂利用热处理或压力将两个事物牢固地结合在一起。如本文所使用的，术语“附接”是指利用或不利用紧固件(例如，螺丝、粘合剂或结合剂)的使用来将两个事物结合在一起。因此，术语“结合”是术语“附接”的子集。
对下文这些图进行参考，这些图不是按比例绘制的以便于理解，其中在不同的图中使用相同的参考标号来表示相同或类似的部件。
本公开提供了涉及允许使用传感器的整个有源表面的设备和制造该设备的方法的示例。
图1-5是制造本公开中公开的装置的各个阶段的示例的截面图。虽然本示例包括平面传感器设备，但是要理解非平面设备或它们的组合可以代替使用。
图1是根据本公开的一个或多个方面的芯片100的一个示例的截面图，该芯片100包括其上具有传感器104的裸片102。该传感器包括例如有源表面105。如本文所使用的，术语“有源表面”指的是其中感测有效地发生的传感器的表面或表面部分。例如，数字图像传感器的有源表面是包括用于感测光的光点或像素的表面。传感器(多个)功能的非限制性示例包括例如光感测(例如，具有感测波长的预定范围)、检测一种或多种物质的存在(例如，生物或化学物质)以及检测某些事物浓度的变化(例如，离子浓度)。传感器可以包括例如一个或多个半导体材料并且可以采取以下形式，例如，互补金属氧化物半导体(CMOS)传感器(例如，CMOS图像传感器)或电荷耦合器件(CCD)，图像传感器的另一类型。在本示例中，使用了CMOS图像传感器，但是也可以使用其他类型的传感器。如本领域的技术人员所知，CMOS图像传感器的电路包括诸如时钟和定时生成电路、模数转换器等的无源电子元件，以及将光子(光)转换成电子的光电探测器的阵列，该电子然后被转换成电压。在基于半导体的情况下，传感器可以在硅衬底(例如，硅晶片)上制造，当该传感器从硅晶片切下时成为裸片。裸片的厚度可以取决于硅晶片的大小(直径)。例如，具有51mm直径的标准硅晶片具有大约275微米的厚度，而具有300mm直径的标准硅晶片具有大约775微米的厚度。如本文所使用的，(多个)传感器的有效区域是指将与用于感测的试剂接触的传感器表面。在裸片上存在一个以上的传感器，并且不同的传感器可以被包括在相同的裸片上。
如本领域的技术人员所理解的，“CMOS”是指用于制造集成电路的技术。如本文所使用的，“CMOS传感器”和“CMOS图像传感器”是指使用CMOS技术制造的传感器。该名称的“互补”方面是指使用CMOS技术制造的集成电路(IC)中包含N型和P型金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)两者。每个MOSFET具有带有诸如比如氧化物(因此，名称的“金属氧化物”的部分)的栅极电介质的金属栅极和栅极下方的半导体材料(对应于名称中的“半导体”)。集成电路是在裸片上制造的，该裸片是在制造后被切断的半导体衬底或晶片的一部分，并且使用CMOS技术制造的集成电路具有例如高抗噪性和低静态功耗(其中总有一个晶体管关闭)的特点。
在一个示例中，CMOS图像传感器可以包括例如数以百万的光电探测器，也称为像素。每个像素包括从光中积累电荷的光电探测器、将积累的电荷转换成电压的放大器和像素选择开关。每个像素还可以包括例如单个微透镜以捕获更多的光，或者具有诸如噪声降低的其他增强以改善图像。
将提供使用CMOS技术制造的半导体器件的制造的一个示例。例如，从P型半导体衬底开始，NMOS区域可以在PMOS区域中创建N型阱时受到保护。这可以使用例如一个或多个光刻过程来完成。薄的栅极氧化物和栅极(例如，多晶硅)然后可以被形成在NMOS和PMOS区域两者中。N+型掺杂区域可以在虚拟栅极的任一侧(即，形成源极和漏极)上的NMOS区域的P型衬底中形成，并且N+型掺杂的一个区域作为主体(这里是阱)在PMOS区域中接触。这可以使用例如掩模来完成。掩模和掺杂的相同的过程然后可以用于在PMOS区域中形成源极和漏极，并且在NMOS区域中形成主体接触。然后，可以执行金属化以形成到NMOS和PMOS晶体管的各个区域(即，主体、源极、漏极和栅极)的端子。与CCD不同，CMOS图像处理器在相同芯片上可以以很少甚至没有额外的成本包括其他电路，其提供诸如片上图像稳定和图像压缩的功能。
图2是根据本公开的一个或多个方面的将图1的传感器104和裸片102准备并放置在支撑结构200上的一个示例的截面图。在一个示例中，支撑结构200可以采用电介质层的形式，该电介质层具有穿过其中的一个或多个导电路径202。在另一示例中，支撑结构200可以替代地只采用电介质层的形式。可以在电介质层中使用的电介质材料的非限制性示例包括诸如掺氟二氧化硅、掺碳二氧化硅和多孔二氧化硅的低k电介质材料(电介质常数小于二氧化硅的电介质常数，大约3.9)以及诸如氮化硅(SiNx)和二氧化铪的高k电介质常数材料(电介质常数在大约3.9以上)。裸片可以使用例如裸片附接粘合剂被附接在支撑结构上，该裸片附接粘合剂在传感器上提供例如低或超低应力和高温稳定性。
图3是根据本公开的一个或多个方面的在图2的裸片102的任一侧附近形成底柱部分300和302的一个示例的截面图。底部柱部分的材料的非限制性示例包括例如填充材料，诸如环氧树脂或塑料模塑化合物(例如，酚醛硬化剂、二氧化硅、催化剂、颜料和脱模剂)。在底部柱部分形成期间，传感器可以利用例如可移除的薄膜(例如，二氧化硅)而被保护。备选地，底部柱部分的材料可以被共形地沉积，然后向下平面化到(多个)传感器，或者底柱部分可以例如使用直接沉积过程而被形成。在共形沉积和平面化的示例中，环氧树脂可以在结构之上完全沉积，然后进行平面化处理(例如，化学机械抛光(CMP))。
图4是根据本公开的一个或多个方面的在图3的底柱部分300和302之上形成顶柱部分400和402的一个示例的截面图。顶柱部分的非限制性示例包括例如填充材料，诸如如上关于底柱部分所描述的环氧树脂或塑料模塑化合物。在顶柱部分的形成期间，传感器和裸片可以利用易于移除的薄膜(例如，二氧化硅)而被保护，而不会损坏传感器。备选地，顶柱部分的材料可以被共形沉积，然后向下平面化到(多个)传感器。此外，虽然该示例中柱各自具有两个部分，将理解的是，柱可以替代地是一个连续的柱，或者该柱可以替代地有两个以上的部分。
图5是根据本公开的一个或多个方面的将盖层502放置在顶柱部分400和402上之后的端部结构500(在这种情况下，为流通池)的一个示例的截面图。如本文所使用的，术语“流通池”是指具有(多个)入口和(多个)出口的小腔室，以用于在衬底(例如，玻璃)上测试流体，该小腔室可以包括在固定位置以多个(可能由数十亿)纳米孔为图案的通道。可以使用例如半导体制造技术，例如可以将纳米孔蚀刻到衬底上，来制造衬底上的通道和纳米孔。传感器可以位于小腔室附近，例如，在衬底下方，以用于各种类型反应的局部感测,这些反应也利用被测流体(例如，使用图像传感器的荧光)可观察。
继续参考图5，可以使用例如相对精密的机器人机器(也被称为取放机器)来完成盖层的布置，使得在传感器104的至少大于大约一半(在图5的示例中，该空间覆盖了全部或几乎全部)的有源表面105之上形成空间504。柱在传感器的相对侧上的布置，而不是柱在传感器的有源表面上，这可以称为扇出包装过程。盖层可以包括对入射光或可能从传感器104触发感测动作的波无反应且透明的材料。具有低自发荧光或无荧光的盖层的材料的非限制性实施例包括玻璃，例如铝硅酸盐玻璃或平板显示玻璃(例如，可从纽约康宁康宁公司获得的“鹰”玻璃)。低自发荧光或无荧光的材料确保能够观察例如流通池中的任何荧光反应。(多个)物质，例如，(多个)生物或化学物质，可以被引入到由传感器的有源表面进行片上感测的空间。
在一个示例中，传感器的有源表面具有均匀的低粗糙度，即，有源表面尽可能光滑。可选地，用于(多个)液体的多通道506可以位于空间中的传感器之上的第二层中。可选的第二层可以包括例如，在传感器表面上的如上所述的玻璃。这样的第二层可以具有与传感器的有源表面的粗糙度和与有源表面的无缝接口的粗糙度大约相等的粗糙度，以使能流体交换，而不夹杂或携带(多个)流体。
现在将关于图6的流程图描述制造本公开的装置的过程600的一个示例。关于图1在上文描述了传感器602的制造的一个示例。虽然该示例涉及CMOS图像传感器，但是也可以使用其他类型的有源像素传感器，例如，电荷耦合器件(CCD)和其他技术，比如，NMOS图像传感器技术(也称为实时MOS传感器)和带有各种滤色器的图像传感器，例如，微滤色器，其与拜耳滤色器阵列(微型滤色器的阵列)的不同之处在于它们对光进行衍射，使得波长(颜色)的各种组合照射到不同的感光点。实时MOS传感器利用CMOS传感器的低功率需求来提供与全帧传输(FFT)CCD传感器相当的图像质量，并且值得注意的是其在长时间内的高质量成像能力。简化电路减少了每个光电二极管与其片上微透镜的距离(使传感器更密集、分辨率更高)，甚至当光线以高入射角照射时能够确保出色的灵敏度和图像质量。备选地，可以使用预先存在的或“现成的”传感器而不是制造一个传感器。
裸片和传感器的布置604可以包括准备，其可以包括例如光刻和电镀过程，并且可以使用例如精密的机器人机器(也称为取放机器)来完成布置。然后执行拼版(panelization)606以连接传感器芯片和支撑层。拼版可以包括例如载体叠层，将传感器附接在裸片上，将裸片定位在支撑层上并用模塑化合物固定，模塑化合物的平面化(或“顶部研磨”)和背面膜叠层。拼版之后，执行扇出过程608以最大化传感器有源表面的使用。换言之，如上文所更详细描述的，使用例如光刻和电镀过程，利用位于传感器的相对侧上的在传感器上相对的柱形成开放空间，然后可以使用例如表面安装过程610将盖层放置在柱上。在表面安装过程中，盖层位于使用例如上述的精密机器人机器的柱上，以某种方式附在其上(例如，使用环氧树脂)。这样的机器可以用于将表面安装器件安装到印刷电路板或类似的设备上。这样的机器可以使用例如三维操作的气动吸盘来影响盖层的布置。
最大化传感器有源表面的使用的其他方法包括例如设计和使用具有在盖的区域之外的有源表面的传感器。增加传感器的有源表面的可用区域的另一示例包括使用例如二次成型或浇口成型过程，将传感器重构成成本较低的复合晶片，例如塑料。
在第一方面，上文公开了一种装置。该装置包括支撑结构、在支撑结构上的传感器，该传感器包括有源表面。该装置进一步包括一对柱，每个柱位于传感器的相对侧的支撑结构上，该一对柱中的每个柱包括相对于支撑结构的顶面的柱高度，该柱高度高于传感器有源表面相对于支撑结构顶面的高度，以及在该一对柱上和传感器有源表面之上的盖层，该盖层在其相对端处由该一对柱支撑。传感器的有源表面、盖层和该一对柱在至少大于传感器的有源表面的一半的上方形成开口，并且支撑结构、传感器、盖层和该一对柱共同形成流通池。
在一个示例中，一对柱中的每个柱可以包括例如在传感器的相对侧处的底柱部分和顶柱部分，顶柱部分可以与顶柱部分的材料相同或不同，在底柱部分之上。在一个示例中，该一对柱中的每个柱都可以包括例如(多种)填充材料。(多种)填充材料可以包括例如环氧树脂或塑料模塑化合物中的一项。
在一个示例中，第一方面的装置中的盖层可以包括例如玻璃，例如，铝硅酸盐玻璃和平板显示玻璃中的至少一项。
在一个示例中，第一方面的装置中的支撑结构可以包括例如(多个)电介质层，并且(多个)电介质层可以包括其中的一个或多个导电通路。
在一个示例中，第一方面的装置中的传感器可以包括例如一个或多个半导体材料，比如，使用CMOS技术制造的传感器(例如，如上所述的CMOS图像传感器)。
在一个示例中，第一方面的装置中的传感器的有源表面上的第二层可以包括例如通道。
在一个示例中，第一方面的装置例如可以是用于生物分析和化学分析中的至少一项的盒的一部分。这样的盒可以用于测序，例如，DNA测序，例如，合成测序或下一代测序(也称作高通量测序)。这样的盒可以代替用于基因分型，其涉及通过使用生物检测来检测个体的DNA序列并将其与另一个体的序列或参考序列进行比较，来确定个体的基因组成(基因型)的差异。
在第二方面，本文公开了一种方法。该方法包括形成流通池，该形成包括将传感器放置在支撑结构上，该传感器包括有源表面，形成一对柱，每个柱在传感器的相对侧，一对柱中的每个柱包括相对于支撑结构的顶面的柱高度，该柱高度高于传感器有源表面相对于支撑结构的顶面的高度，以及将盖层放置在该一对柱的顶面上，使得盖层和该一对柱在传感器的有源表面的至少大约一半的上方形成空间。
在一个示例中，放置传感器可以包括例如放置使用CMOS技术制造的传感器(例如，如上所述的CMOS图像传感器)。
在一个示例中，第二方面的方法中的形成一对柱可以包括例如在传感器的相对侧形成底部柱部分，并在每个底柱部分之上形成顶部柱部分。
在一个示例中，第二方面的方法中的支撑结构可以包括例如(多个)电介质层，并且(多个)电介质层在其中可以包括的一个或多个导电通路。
在一个示例中，第二方面的方法可以进一步包括例如将流通池和用于生物分析和化学分析中的至少一项的盒耦合。
在一个示例中，第二方面的方法可以进一步包括例如使用流通池以用于测序。
在一个示例中，第二方面的方法可以进一步包括例如使用流通池以用于基因分型。
在一个示例中，第二方面的方法中的一对柱可以包括例如(多种)填充材料。
在一个示例中，第二方面的方法中的填充材料可以包括例如环氧树脂或塑料模塑化合物中的一项。
尽管本文描述和描绘了本公开的一些方面，但是本领域的技术人员可以采用备选方面来完成相同的目标。因此，所附权利要求书旨在覆盖所有这些备选方面。
应当理解，前述概念的所有组合(假设这样的概念并不相互矛盾)被认为是本文公开的发明的技术方案的一部分。特别地，出现在本公开的结尾处的要求保护的技术方案的所有组合被认为是本文公开的发明的技术方案的一部分。

Claims (20)

1.一种装置，包括：
支撑结构；
在所述支撑结构上的传感器，所述传感器包括有源表面；
一对柱，每个柱位于所述传感器的相对侧处的所述支撑结构上，所述一对柱中的每个柱包括相对于所述支撑结构的顶面的柱高度，所述柱高度高于所述传感器的所述有源表面相对于所述支撑结构的所述顶面的高度；以及
盖层，在所述一对柱上并且在所述有源表面之上，所述盖层在其相对端处由所述一对柱支撑；
其中所述传感器的所述有源表面、所述盖层和所述一对柱在至少大于所述传感器的所述有源表面的大约一半的上方形成开口，并且其中所述支撑结构、所述传感器、所述盖层和所述一对柱共同形成流通池。
2.根据权利要求1所述的装置，其中所述一对柱中的每个柱包括：
底柱部分，在所述传感器的所述相对侧处；以及
顶柱部分，在每个底柱部分之上。
3.根据权利要求2所述的装置，其中所述一对柱包括至少一种填充材料。
4.根据权利要求1所述的装置，其中所述至少一种填充材料包括环氧树脂和塑料模塑化合物中的至少一项。
5.根据权利要求1所述的装置，其中所述盖层包括玻璃。
6.根据权利要求5所述的装置，其中所述盖层包括铝硅酸盐玻璃和平板显示玻璃中的至少一项。
7.根据权利要求1所述的装置，其中所述支撑结构包括一个或多个电介质层，所述一个或多个电介质层中的每个电介质层在其中包括一个或多个导电通路。
8.根据权利要求1所述的装置，其中所述传感器包括一种或多种半导体材料。
9.根据权利要求7所述的装置，其中所述传感器包括使用互补金属氧化物半导体(CMOS)技术制造的图像传感器。
10.根据权利要求1所述的装置，其中在所述传感器的所述有源表面上的保护层包括多个通道。
11.根据权利要求1所述的装置，其中所述装置是用于生物分析和化学分析中的至少一项的盒的一部分。
12.一种方法，包括：
形成流通池，所述形成包括：
将传感器放置在支撑结构上，所述传感器包括有源表面；
形成一对柱，每个柱在所述传感器的相对侧处，所述一对柱中的每个柱包括相对于所述支撑结构的顶面的柱高度，所述柱高度高于所述传感器的所述有源表面相对于所述支撑结构的所述顶面的高度；以及
将盖层放置在所述一对柱的所述顶面上，使得所述盖层和所述一对柱在至少大于所述传感器的所述有源表面的大约一半的上方形成流通池。
13.根据权利要求12所述的方法，其中放置所述传感器包括放置使用CMOS技术制造的传感器。
14.根据权利要求12所述的方法，其中形成所述一对柱包括：
在所述传感器的所述相对侧处形成底柱部分；以及
在每个底柱部分之上形成顶柱部分。
15.根据权利要求12所述的方法，其中所述支撑结构包括一个或多个电介质层，所述一个或多个电介质层中的每个电介质层在其中包括一个或多个导电通路。
16.根据权利要求12所述的方法，所述方法进一步包括将所述流通池和用于生物分析和化学分析中的至少一项的盒耦合。
17.根据权利要求12所述的方法，所述方法进一步包括使用所述流通池以用于测序。
18.根据权利要求12所述的方法，所述方法进一步包括使用所述流通池以用于基因分型。
19.根据权利要求12所述的方法，其中所述一对柱包括至少一种填充材料。
20.根据权利要求12所述的方法，其中所述至少一种填充材料包括环氧树脂和塑料模塑化合物中的至少一项。
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