CN113711368A - 用于分子检测和感测的高通量分析系统 - Google Patents

用于分子检测和感测的高通量分析系统 Download PDF

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Abstract

本公开描述了提供一种用于分析生物或化学样本的通量可缩放图像感测系统。所述系统包括多个图像传感器，所述多个图像传感器被配置成检测由于分析所述生物或化学样本而发射的光的至少一部分。所述多个图像传感器布置在单个半导体晶圆的多个晶圆级封装半导体管芯上。所述多个图像传感器中的每个图像传感器设置在所述多个封装半导体管芯中的单独的封装半导体管芯上。相邻的封装半导体管芯被切割道分开；并且所述多个封装半导体管芯和多个切割道被布置成使得所述多个封装半导体管芯可以作为一组从所述单个半导体晶圆进行切割。

Description

用于分子检测和感测的高通量分析系统
技术领域
本公开总体上涉及生物医学样本分析系统，并且更具体地，涉及用于提供可缩放、高速且高通量的分子检测和分析的高通量系统。
背景技术
生物样本分析系统用于如核酸测序应用等各种应用。这些应用中的一些应用可能需要高通量和通量可缩放性，因此需要增加在这种应用中使用的传感器(例如，图像传感器)的像素阵列大小。在现有分析系统中，获得图像传感器的大像素阵列大小的传统方式是根据通量要求定制图像传感器的设计。例如，对于要求CMOS(互补金属氧化物半导体)图像传感器具有特定像素阵列大小的应用，设计者将会需要定制或完全重新设计具有较小像素阵列大小的现有图像传感器。对于大像素阵列大小的图像传感器，图像传感器的重新设计可能不仅要求在图像传感器中结合更多光电二极管，而且要求重新设计如处理光电二极管生成的电信号所必需的驱动器和读出电路等信号处理电路。
发明内容
针对特定应用重新设计图像传感器可能涉及有挑战性的设计任务、由于制造工作的半导体传感器芯片所需的设计测试周期而延长的上市时间以及因此更高的重新设计成本。此外，如果许多特定系统通量要求针对不同的应用需要不同的像素阵列大小，则重新设计的成本可能迅速上升到不切实际或过高的水平。进一步地，重新设计图像传感器的传统方法可能与较差的系统可缩放性相关联。例如，如果图像传感器制造商具有针对几十个不同市场或应用的不同分析产品，则可能需要单独设计具有不同像素阵列大小的图像传感器。但是较小像素阵列大小的图像传感器的设计可能不容易适配或缩放以获得较大像素阵列大小的图像传感器的设计。因此，将较小像素阵列大小的图像传感器的设计缩放到较大像素阵列大小的图像传感器的设计的传统方式通常不灵活、效率低且成本高。因此，期望具有通量可缩放感测系统，所述通量可缩放感测系统具有更快的设计周转时间、高可缩放性、更高的设计效率和更高的成本效率。
以下呈现了一个或多个示例的简化概要，以提供对本公开的基本理解。此概要不是对所有设想示例的广泛概述，并且不旨在标识所有示例的关键或重要要素或描绘任何或所有示例的范围。此概要的目的是以简化的形式呈现一个或多个示例的一些概念作为对下面所呈现的更详细的描述的序言。
根据一些实施例，提供了一种用于分析生物或化学样本的通量可缩放图像感测系统。所述系统包括多个图像传感器，所述多个图像传感器被配置成检测由于分析所述生物或化学样本而发射的光的至少一部分。所述多个图像传感器布置在单个半导体晶圆的多个晶圆级封装半导体管芯上。所述多个图像传感器中的每个图像传感器设置在所述多个晶圆级封装半导体管芯中的单独晶圆级封装半导体管芯上。相邻的晶圆级封装半导体管芯被切割道分开；并且所述多个晶圆级封装半导体管芯和多个切割道被布置成使得所述多个晶圆级封装半导体管芯可以作为一组从所述单个半导体晶圆进行切割。
根据一些实施例，提供了一种用于分析生物或化学样本的通量可缩放化学感测系统。所述系统包括多个化学敏感传感器，所述多个化学敏感传感器被配置成检测离子浓度。所述多个化学敏感传感器布置在单个半导体晶圆的多个晶圆级封装半导体管芯上。所述多个化学敏感传感器中的每个化学敏感传感器设置在所述多个晶圆级封装半导体管芯中的单独晶圆级封装半导体管芯上。相邻的晶圆级封装半导体管芯被切割道分开；并且所述多个晶圆级封装半导体管芯和多个切割道被布置成使得所述多个晶圆级封装半导体管芯可以作为一组从所述单个半导体晶圆进行切割。所述多个化学敏感传感器中的至少一个化学敏感传感器包括多个离子敏感场效应晶体管(ISFET)。所述多个ISFET中的至少一个ISFET包括半导体衬底、设置在所述半导体衬底上方的浮栅结构和设置在所述浮栅结构上方的介电层。一个或多个阱设置在所述介电层上方或至少部分地设置在所述介电层内部。所述生物或化学样本的至少一部分可设置在所述一个或多个阱内部。
根据一些实施例，提供了一种用于分析生物或化学样本的通量可缩放感测系统。所述系统包括多个基于跨膜孔的传感器，所述多个基于跨膜孔的传感器被配置成检测由于分析所述生物或化学样本而致的电流变化。所述多个基于跨膜孔的传感器布置在单个半导体晶圆的多个晶圆级封装半导体管芯上。所述多个基于跨膜孔的传感器中的每个基于跨膜孔的传感器设置在所述多个晶圆级封装半导体管芯中的单独晶圆级封装半导体管芯上。相邻的晶圆级封装半导体管芯被切割道分开；并且所述多个晶圆级封装半导体管芯和多个切割道被布置成使得所述多个晶圆级封装半导体管芯可以作为一组从所述单个半导体晶圆进行切割。所述一组基于跨膜孔的传感器中的至少一个基于跨膜孔的传感器包括半导体衬底和设置在所述半导体衬底上方的一个或多个检测电极。所述一个或多个检测电极能够检测所述电流变化。所述至少一个基于跨膜孔的传感器进一步包括设置在所述一个或多个检测电极上方的脂质双层。所述脂质双层包括被定位成与所述一个或多个检测电极的位置相对应的一个或多个跨膜孔。
根据一些实施例，提供了一种用于分析生物或化学样本的通量可缩放光子感测系统。所述系统包括多个光子检测传感器，所述多个光子检测传感器被配置成基于所述生物或化学样本执行单分子分析。所述多个光子检测传感器布置在单个半导体晶圆的多个晶圆级封装半导体管芯上。所述多个光子检测传感器中的每个光子检测传感器设置在所述多个晶圆级封装半导体管芯中的单独晶圆级封装半导体管芯上。相邻的晶圆级封装半导体管芯被切割道分开；并且所述多个晶圆级封装半导体管芯和多个切割道被布置成使得所述多个晶圆级封装半导体管芯可以作为一组从所述单个半导体晶圆进行切割。所述系统进一步包括第一光学波导，所述第一光学波导被配置成沿所述第一光学波导的纵向方向输送激发光。所述系统进一步包括设置在所述第一光学波导上方的一个或多个第二光学波导和设置在所述一个或多个第二光学波导中的一个或多个阱。被配置成接收所述生物或化学样本的所述一个或多个阱。所述系统进一步包括一个或多个导光通道，所述一个或多个导光通道被配置成将由于所述单分子分析而发射的光子引导到所述多个光子检测传感器中的一个或多个对应光子检测传感器。
根据一些实施例，提供了一种用于分析生物或化学样本的通量可缩放光子感测系统。所述系统包括多个光子检测传感器，所述多个光子检测传感器被配置成基于所述生物或化学样本执行单分子或簇测序分析。所述多个光电子计数传感器布置在单个半导体晶圆的多个晶圆级封装半导体管芯上。所述多个光子检测传感器中的每个光子检测传感器设置在所述多个晶圆级封装半导体管芯中的单独晶圆级封装半导体管芯上。相邻的晶圆级封装半导体管芯被切割道分开；并且所述多个晶圆级封装半导体管芯和多个切割道被布置成使得所述多个晶圆级封装半导体管芯可以作为一组从所述单个半导体晶圆进行切割。所述多个光子检测传感器中的至少一个光子检测传感器包括多个亚衍射极限(SDL)光敏元件。每个SDL光敏元件对单个光电子敏感。单个图像像素是基于由SDL光敏元件生成的一个或多个二维或三维输出阵列生成的。
根据一些实施例，提供了一种用于制作通量可缩放感测系统的方法。所述方法包括接收第一半导体晶圆和第二半导体晶圆。所述第一半导体晶圆包括半导体衬底和设置在所述半导体衬底中的多个传感器。所述多个传感器中的每个传感器设置在所述第一半导体晶圆的单独晶圆级封装半导体管芯中。所述方法进一步包括将所述第一半导体晶圆键合到所述第二半导体晶圆；以及制备键合的第一半导体晶圆和所述第二半导体晶圆以用于导电路径重新分布。所述方法进一步包括形成从设置在制备的第一半导体晶圆的第一表面处的多个导电焊盘到设置在制备的第二半导体晶圆的第一表面处的多个导电球体的一个或多个重新分布路径。所述一个或多个重新分布路径被一个或多个贯穿通孔部分地包围。所述方法进一步包括将晶圆级封装半导体管芯阵列作为一组从所述多个晶圆级封装半导体管芯进行切割。所述晶圆级封装半导体管芯阵列包括与所述通量可缩放感测系统相关联的一组传感器。
附图说明
为了更好地理解各个描述的方面，应结合以下附图参考下文的描述，其中在全部附图中，相似的附图标记指代对应的部分。
图1是图示了俯视图和截面视图现有技术图像感测系统的框图。
图2A图示了示例性半导体晶圆图。
图2B图示了用于将多个晶圆级封装半导体管芯作为一组从半导体晶圆进行切割的示例性组切割计划。
图2C图示了基于从半导体晶圆对晶圆级封装半导体管芯进行组切割而获得的通量可缩放的图像感测系统。
图3是图示了示例性通量可缩放的感测系统的框图。
图4A是图示了跨通量可缩放图像感测系统中的多个传感器设置的示例性流体反应通道和基于波导的光学系统的截面视图。
图4B是图示了跨通量可缩放图像感测系统中的多个传感器具有直接照射的示例性流体反应通道的截面视图。
图5A利用TSV封装的基于背侧照射(BSI)的图像传感器的实施例的截面视图图示了示例性图像感测系统。
图5B利用TSV封装的基于BSI的图像传感器的另一个实施例的截面视图图示了示例性图像感测系统。
图5C利用TSV封装的基于前侧照射(FSI)的图像传感器的实施例的截面视图图示了示例性图像感测系统。
图5D利用TSV封装的基于离子敏感场效应晶体管(ISFET)的传感器的实施例的截面视图图示了示例性化学感测系统。
图5E利用TSV封装的基于跨膜孔的传感器的实施例的截面视图图示了示例性感测系统。
图5F利用能够执行单分子分析的TSV封装的光子检测传感器的实施例的截面视图图示了示例性光子感测系统。
图6是图示了示例性事件触发型快门的操作的框图。
图7A利用TSV封装的量子CMOS图像传感器(QIS)传感器的实施例的截面视图图示了基于QIS的示例性感测系统。
图7B图示了示例性QIS光敏元件。
图7C图示了另一个示例性QIS光敏元件。
图7D图示了用于处理QIS的输出的示例性信号处理电路。
图7E图示了基于QIS的示例性感测系统的实施例的晶圆级预期图和对应的框图。
图8A至图8G图示了与用于制造通量可缩放感测系统的处理步骤相关联的截面视图。
图9是图示了用于制作通量可缩放感测系统的方法的流程图。
具体实施方式
下文结合附图阐述的详细描述旨在作为对各种配置的描述，而并非旨在表示可以实践本文描述的概念的唯一配置。详细描述包括具体细节，以提供对各种概念的透彻理解。然而，对于本领域技术人员而言将显而易见的是，可以在没有这些具体细节的情况下实践这些概念。在某些情况下，众所周知的结构和部件以框图形式示出，以避免模糊这样的概念。
现在将参考装置和方法的各种要素来呈现示例性样本通量可缩放感测系统。这些装置和方法将在以下详细描述中进行描述，并在附图中由各种框、部件、电路、步骤、过程、算法等(统称为“要素”)进行图示。这些要素可以使用机械部件、光学部件、电子硬件、计算机软件或其任何组合来实施。将这样的要素实施为硬件还是软件取决于在整体系统上施加的特定应用和设计约束。进一步地，附图中图示的相同或类似的要素用相同的附图标记来标记。不同的要素可以用不同的附图标记来标记。
尽管以下描述使用术语“第一”、“第二”等来描述各种要素，但是这些要素不应受术语的限制。这些术语仅仅是用来将一个要素与另一个要素进行区分。例如，在不脱离各种描述的示例的范围的情况下，第一半导体晶圆可以被称为第二半导体晶圆，并且类似地，第二半导体晶圆可以被称为第一半导体晶圆。第一半导体晶圆和第二半导体晶圆均可以是半导体晶圆，并且在一些情况下，可以是单独且不同的半导体晶圆。
传统图像感测系统的通量通常不可缩放或不可容易地缩放。对这种传统系统的通量进行缩放通常需要复杂且昂贵的重新设计，尤其是在针对不同感测系统或应用要满足多个通量要求的情况下。进一步地，用于封装这种感测系统的传统接线键合技术也可能对感测系统的通量的缩放施加障碍或困难。例如，如下文更详细地描述的，传统接线键合技术可能不适合于具有大像素阵列大小的大规模图像感测系统，并且可能进一步使用于跨多个图像传感器设置样本通道和/或光学系统的系统的设计复杂化。
在本公开中，提供了通量可缩放感测系统的各种实施例。这些系统实施了设置在多个半导体管芯上的多个传感器的晶圆级封装。所述多个半导体管芯和多个切割道被布置成使得所述多个晶圆级封装半导体管芯可以作为一组从单个半导体晶圆进行切割。基于感测系统的通量缩放要求并且基于每个传感器的通量容量，可以容易地确定感测系统中的传感器的数量。因此，可以基于感测系统的特定的应用相关通量要求来容易地缩放感测系统的通量容量。这种通量可缩放感测系统不需要对传感器本身进行复杂且昂贵的重新设计(例如，重新设计以在单个半导体管芯中添加更多光敏元件)。这种通量可缩放感测系统也不需要与传感器相关联的设备或子系统的复杂的重新设计或重新配置。
此外，如下文更详细地描述的，因为将通量规模感测系统中的多个封装半导体管芯作为一组从半导体晶圆进行切割，所以管芯的表面可以是跨感测系统中的多个管芯近似或基本上平坦的。这是因为半导体晶圆的表面通常是平坦的或基本上平坦的并且因为所述多个管芯作为一组从晶圆进行切割。跨多个晶圆级封装半导体管芯的近似或基本上平坦的表面使得能够容易地跨多个管芯设置光学系统和/或样本通道。这显著减少了设计工作并且解决了在传统的基于接线键合的感测系统中设置光学系统和/或样本通道的问题或困难。如下文更详细地描述的，本公开中描述的组切割技术可以进一步与硅通孔(TSV)和重新分布层(RDL)技术组合以提供信号重新分布，以用于减少、避免或替代对接线键合的需要。TSV封装半导体管芯可以维持跨多个半导体管芯基本上平坦的表面，以用于使得能够容易地跨通量可缩放感测系统的多个传感器共享单个光学波导和单个样本通道。
此外，使用本公开中描述的通量可缩放感测系统的各种实施例，可以并行或并发地处理或分析许多生物或化学样本。相对于传统分析系统，这提高了分析通量和速度，所述传统分析系统通常由于通量容量限制而因此顺序地处理样本。进一步地，组切割技术使得感测系统能够容易地缩放或堆叠起来，以在大规模感测应用中提供并行信号和数据处理。硅通孔(TSV)和重新分布层(RDL)技术进一步消除了对用于信号路由的传统接线键合技术的需要；并且进一步使得能够实施高通量或通量可缩放感测系统。在一些实施例中，通量可缩放感测系统可以使得能够以例如数百万、数十亿或数万亿个数据单元(例如，表示感测到的光子的数据位)的量级进行并发数据处理。通量可缩放感测系统的各种实施例可以在用于分析生物或化学样本的不同应用(包括例如核苷酸测序应用和聚合酶链反应(PCR)应用)中使用或与其一起使用。
图1是图示了俯视图和截面视图传统图像传感器系统100的框图。系统100包括安装在图像传感器封装的框架110上的图像传感器102。图像传感器封装可以包括例如用于向图像传感器102提供保护的散热器、管脚和环氧树脂塑料。图像传感器102使用传统的基于接线键合的方法封装。例如，传统上，多个键合焊盘104设置在图像传感器102的边缘处。相应地，多个键合焊盘108设置在图像传感器封装的框架110处。多个键合接线106将焊盘104电耦接到对应的焊盘108，由此在图像传感器102与外部设备(未示出)之间传送电信号。
传统图像感测系统100具有许多限制。如上文所描述的，这种系统的通量通常不可容易地缩放。对这种系统的通量进行缩放通常需要重新设计图像传感器102以结合更多光敏元件以用于满足通量要求。结合更多光敏元件不可避免地需要增加图像传感器102的物理芯片面积、重新设计信号处理电路、重新设计键合焊盘104和108的数量和位置以及许多设计测试周期。因此，这种传统图像感测系统100的缩放需要大量的重新设计工作、延长的上市时间周期和增加的成本。如果针对用于不同应用的不同感测系统要满足多个通量要求，则这种传统系统的缩放会变得甚至更加复杂且昂贵。
传统图像感测系统100的另一个限制是特定于将系统100用于生物或化学样本分析应用。此限制与图像感测系统100的表面的平整度有关。在这种应用中，样本通道或样本容器常常设置在图像感测系统100上方，使得由样本发射的光可以直接向下行进到图像传感器而无需额外的光学信号路由。如图1中的图像感测系统100的截面视图所示，键合接线106传统上由环氧树脂材料112保护。因此，由于使用了键合接线106和环氧树脂112，图像感测系统100的表面可能不是平坦的或基本上平坦的。将样本通道或容器设置在这种不平的表面上方可能需要附加工程工作并且可能不容易实现。如果要跨多个图像传感器102共享样本通道或容器，则任务进一步复杂化。例如，可能需要将附加环氧树脂材料设置到图像传感器102的表面以使系统100的表面平坦。或者可能需要重新设计/重新配置样本通道/容器以适应一个或多个图像传感器102的不平表面。两种方法施加了有挑战性的设计任务。例如，附加环氧树脂材料可以通过吸收、衍射和/或反射发射光来干扰从设置在图像传感器102上方的样本发射的光。因此，附加环氧树脂材料可以使光检测不可能或不切实际或至少使图像感测系统100的性能退化。重新设计样本通道/容器以适应传感器102的不平表面有时可能不切实际或至少增加系统100的成本。
本公开中描述了与传统图像传感器系统100不同的通量可缩放感测系统的各种实施例。这些通量可缩放感测系统是基于组切割并且基于对设置在多个半导体管芯上的多个传感器的晶圆级封装。所述多个半导体管芯和多个切割道被布置成使得所述多个半导体管芯可以作为一组从单个半导体晶圆进行切割。图2A图示了这种半导体晶圆的示例性晶圆图200。半导体晶圆是用于制作集成电路和/或其他半导体设备(如传感器)的半导体薄切片(例如，硅)。本公开中描述了各种类型的传感器，包括图像传感器、化学敏感传感器、基于跨膜孔的传感器、光子计数传感器和量子CMOS图像传感器(QIS)。下文更详细地描述了这些传感器。
图像传感器是检测光子、基于检测到的光子生成电信号(也被称为光电子)并且传输电信号以用于进一步信号处理的传感器。在图像感测系统中，由于从被分析的生物或化学样本的荧光或化学发光发射，可以生成光子。然后收集光子并由包括在图像传感器中的光敏元件(例如，像素)检测。光敏元件可以包括例如用于检测光子并且基于检测到的光子生成电信号的光电二极管(例如，基于硅的光电二极管)。在一些实施例中，光敏元件还可以包括放大器(例如，雪崩放大)。由图像传感器生成的电信号可以表示各种光子信息，包括收集的光子数量、光子位置和/或光子强度。如下文更详细地描述的，本公开中描述的图像传感器不限于传输用于生成图像的电信号或信息的传感器。用于分析生物或化学样本(例如，核苷酸测序应用、聚合酶链反应应用)的图像传感器可以包括检测光子并传输电信号以用于在生成或不生成图像的情况下进行任何类型的信号处理的传感器，。
参考图2A，晶圆图200表示晶圆级封装半导体管芯和其在单个半导体晶圆上的布置。在一些实施例中，如下文更详细地描述的，对半导体管芯的晶圆级封装可以包括形成硅通孔(TSV)、沉积重新分布层、沉积钝化层、形成导电球体和设置焊料掩模层中的一种或多种。在本公开中，晶圆级封装半导体管芯有时也被称为封装半导体管芯或TSV封装半导体管芯。在图2A中，晶圆图200上所示的每个单独的块(例如，块202)可以表示半导体晶圆的封装半导体管芯。半导体管芯是在其上制作集成电路或其他设备(例如，传感器)的半导体材料的单元或单个块。例如，具有多个光敏元件(例如，像素)的图像传感器可以在由晶圆图200上所示的单独的块(例如，块202)表示的每个半导体管芯上制作。下文更详细地描述了这种图像传感器的示例性实施例。
在一些实施例中，每个图像传感器可以在单独的半导体管芯上制作。图像传感器可以具有由像素阵列大小表示的预配置或预定通量容量。例如，图像传感器的像素阵列大小可以为8兆像素、16兆像素、32兆像素等。通常，对于给定的半导体工艺(例如，45nm CMOS图像传感器工艺)，较大的像素阵列大小需要更多光敏元件，如更多光电二极管。因此，具有更高通量容量的图像传感器可能需要半导体管芯有更大的物理面积。在一些实施例中，还可以基于对多个封装半导体管芯的组切割(而不是增加单个半导体管芯的面积)来获得高通量感测系统或通量可缩放感测系统。
图2B图示了用于将封装半导体管芯作为一组从半导体晶圆进行切割的示例性组切割计划。如图2B所示，多个封装半导体管芯可以作为一组从由晶圆图200表示的半导体晶圆进行切割，而不是单独地进行切割。切割(有时也被称为晶圆切割)是将封装半导体管芯从半导体晶圆或晶圆级封装半导体晶圆分离的工艺。切割工艺可以包括划线、断裂、机械锯切和/或激光割切。切割通常在封装半导体管芯之间的切割道处或附近执行。切割道可以是例如80微米(um)宽。
在图2B中，示例性切割组由晶圆图200上所图示的块210表示。由块210表示的示例性切割组可以包括多个单独的封装半导体管芯(例如，8、16、32、64等)。可以在组中的每个封装半导体管芯上制作具有特定通量容量的图像传感器。因此，晶圆图200上的块210也可以表示设置在对应封装半导体管芯上的一组图像传感器。图2C图示了基于将多个封装半导体管芯作为一组从半导体晶圆或晶圆级封装半导体晶圆进行切割而获得的通量可缩放图像感测系统。在图2C中，在每个封装半导体管芯上预制作或设置图像传感器。例如，可以在封装半导体管芯222A上制作或设置一个图像传感器。设置在封装半导体管芯222A上的图像传感器可以包括例如多个光敏元件224、多个导电层(图2C中未示出)、多个导电焊盘226和半导体(例如，硅)衬底228。下文更详细地描述了示例性图像传感器的部件和结构。
如图2C所示，基于组切割计划，可以将半导体晶圆的封装半导体管芯成组进行切割。图2C中所图示的示例示出了一组六个封装半导体管芯222A-F通过例如沿切割道230A-D进行激光割切来从半导体晶圆分离，而不将封装半导体管芯222A-F彼此分离。切割道230A-D表示所述一组管芯222A-F的周长。而且因此，在组切割中，激光割切是沿所述一组管芯222A-F的周长执行的，而不是在管芯之间执行的。封装半导体管芯222A-F中的每一个可以预制作或设置有具有特定通量容量(例如，像素阵列大小)的图像传感器。预制作或设置在封装半导体管芯222A-F上的六个图像传感器因此可以形成通量容量是每个单独图像传感器的六倍的图像感测系统220。通常，如果图像感测系统(例如，系统220)中的每个图像传感器的像素阵列大小为M兆像素，并且图像感测系统中存在N个图像感测器，则图像感测系统的总像素阵列大小为M×N。在图2C所图示的示例中，如果设置在半导体管芯220A-F上的每个图像传感器的像素阵列大小为64兆像素，并且一组六个封装半导体管芯220A-F形成图像感测系统220，则图像感测系统220可以缩放到像素阵列大小为384兆像素。
尽管图2C图示了图像感测系统220包括设置在六个封装半导体管芯220A-F上的六个图像传感器，但应当理解的是，特定图像感测系统中的图像传感器的数量可以被确定或预配置成满足通量缩放要求的任何期望数量。例如，如果用于核苷酸测序应用的特定图像感测系统需要1000兆像素(或1千兆像素)的总像素阵列大小，并且如果每个图像传感器的像素阵列大小为64兆像素，则这种图像感测系统所需的图像传感器的数量将会是约16个(例如，1000/64)。相应地，16个封装半导体管芯可以作为一组(即，这16个管芯彼此不分离)从半导体晶圆进行切割。因此，基于图像感测系统的通量缩放要求并且基于每个图像传感器的通量容量，可以容易地确定图像感测系统中的图像传感器的数量。因此，基于图像感测系统的特定应用(例如，DNA测序应用、PCR应用)的要求，图像感测系统的通量容量可以是容易地可缩放的。这种通量可缩放系统不需要对图像传感器本身进行复杂且昂贵的重新设计(例如，重新设计以在单个半导体管芯中添加更多光敏元件)。
进一步地，本公开中描述的通量可缩放图像感测系统也不需要对与图像传感器一起操作的设备或子系统进行复杂的重新设计或重新配置。图3是图示了通量可缩放感测系统300的框图。感测系统300包括多个传感器320A-N。如下文更详细地描述的，传感器320A-N可以是图像传感器、光子检测传感器、化学敏感传感器、跨膜传感器、量子CMOS图像传感器(QIS)和/或用于执行生物或化学分析的其他类型的传感器。传感器320A-N可以以与上文所描述的类似的方式预制作或设置在作为一组从半导体晶圆或晶圆级封装半导体晶圆切割的封装半导体管芯上。在一些实施例中，感测系统300可以进一步包括流体反应通道302、光学系统304以及信号和数据处理系统330。在一些实施例中，流体反应通道302(有时也被称为样本通道302)被配置成交换用于分析生物或化学样本的液体试剂。例如，在DNA测序分析中，测序样本可以设置在流动通过流体反应通道302的测序试剂中。在一些实施例中，光学系统304可以被配置成执行各种功能，包括提供激发光(例如，激光)、将激发光指导或引导到所分析的样本和/或将从样本发射的光指导或引导到传感器320A-N(例如，荧光或化学发光光)。取决于传感器和/或应用的特定类型，光学系统304可以是任选的。在一些实施例中，流体反应通道302和光学系统304可以跨通量可缩放感测系统中的多个图像传感器320A-N设置。
图4A是图示了跨通量可缩放图像感测系统400A中的多个传感器320A-N设置的示例性流体反应通道302和光学波导404的截面视图。在图4A中，多个传感器320A-N被预制作或设置在多个封装半导体管芯422上。封装半导体管芯422以与上文所描述的类似的方式作为一组从单个半导体晶圆或晶圆级封装半导体晶圆进行切割。如图4A所示，因为封装管芯422A-N是作为一组从半导体晶圆或封装晶圆切割的，所以封装管芯422A-N的上表面可以是跨封装管芯422A-N近似或基本上平坦的。这是因为半导体晶圆或晶圆级封装晶圆的表面通常是平坦的或基本上平坦的。跨多个封装半导体管芯422的近似或基本上平坦的表面使得能够容易地跨多个管芯设置光学波导404和/或流体反应通道302。光学系统404可以是图3所示的光学系统304的一部分。在一些实施例中，如图4A所图示的，光学波导404可以跨多个封装半导体管芯422A-N设置。光学波导404可以包括与图像传感器320A-N所布置或设置于的多个封装半导体管芯422A-N的上表面接触的近似或基本上平坦的表面。进而，流体反应通道302可以设置在光学波导404上方。流体反应通道302可以包括与光学波导404接触的近似或基本上平坦的表面。如图4A所示，在一些实施例中，流体反应通道302可以包括流体入口408和流体出口410。液体试剂414可以被引导以从流体入口408流入到通道302中并且从流体出口410流出通道302。
在一些实施例中，光学波导404被配置成沿其纵向方向输送激发光406。例如，光学波导404可以包括一个或多个导光层(例如，两个包覆层和一个光学芯层)，所述一个或多个导光层引导激发光406以照射设置在流体反应通道302内部的生物或化学样本412。在一些实施例中，流体反应通道302可以作为光学波导404的一部分操作(例如，作为光学波导404的光学芯层操作)。因此，在一些实施例中，流体反应通道302和一个或多个导光层可以统称为光学波导404。激发光406可以由光源生成，所述光源可以包括生成并发射激发光406的基于激光器或发光二极管(LED)的光源。激发光406可以是例如绿光(例如，波长在约520-560nm范围内的光)或具有期望的波长或波长范围的任何其他期望的光。生成激发光406的光源可以是例如二极管激光器或LED。于2019年5月17日提交的题为“ANALYTICAL SYSTEMFOR MOLECULE DETECTION AND SENSING(用于分子检测和感测的分析系统)”的国际申请号PCT/CN 2019/087455中进一步描述了光学波导404、流体反应通道302和激发光406的细节，所述国际申请的内容出于所有目的通过援引以其全文并入。
如图4A所图示的，因为封装半导体管芯422A-N(其上布置有图像传感器320A-N)作为一组从同一晶圆级封装半导体晶圆进行切割，所以封装半导体管芯422A-N的表面近似或基本上平坦。跨作为一组从同一半导体晶圆切割的封装半导体管芯的表面的平整度使得能够跨通量可缩放感测系统的多个传感器320A-N容易地共享或设置单个光学波导(例如，波导404)和单个流体反应通道(例如，通道302)。这种共享在传统感测系统中可能不切实际或不可能。如上文所描述的，传统图像传感器(例如，图1中所示的图像传感器102)使用基于接线键合的方法进行封装。因此，键合接线和用于保护键合接线的环氧树脂可以使图像传感器的表面不平。不平的表面使得跨多个图像传感器共享光学波导和流体反应通道变得困难、不切实际或不可能。图像传感器的不平表面也可能对流体反应通道的性能产生负面影响，因为由于图像传感器的不平表面，通道的一些部分可能需要弯曲/成形。弯曲的流体反应通道制约或限制通道内部的流体流动。如下文更详细地描述的，本公开中描述的组切割技术可以进一步与硅通孔(TSV)和重新分布层(RDL)技术组合以提供信号重新分布，以用于减少、避免或替代对接线键合的需要。如下文更详细地描述的，TSV封装半导体管芯可以跨多个半导体管芯维持近似或基本上平坦的表面，以用于使得能够跨通量可缩放感测系统的多个传感器320A-N共享或设置单个光学波导(例如，波导404)和单个流体反应通道(例如，通道302)。
参考图4A，在一些实施例中，样本412A-N(例如，生物或化学样本的簇)可以分别设置在对应于传感器320A-N的位置处。例如，样本412A设置在传感器320A上方并且与传感器320A物理对齐；样本412B设置在传感器320B上方并且与传感器320B物理对齐；等等。从设置在流体反应通道302中的样本412A-N发射的光可以由对应的传感器320A-N检测。因为样本412A-N和对应的传感器320A-N分别彼此对齐，所以可以提高或最大化传感器320A-N的光收集效率。基于上文所描述的组切割技术，多个传感器320A-N可以形成通量可缩放感测系统，从而有效地提高了感测系统的通量容量。尽管图4A图示了传感器320A-N被布置为一维阵列，但应当理解的是，所述传感器可以被布置为任何大小(例如，3×3、6×6、10×10等)的二维阵列。
在一些实施例中，可以不使用输送光学波导404来激发光406，如图4A所图示。而是，可以指导激发光406直接照射样本412A-N，如图4B所图示。图4B是图示了跨通量可缩放图像感测系统400B中的多个传感器320A-N具有直接照射的示例性流体反应通道302的截面视图。系统400B可以被配置成与系统400A基本上相同，除了系统400B不包括用于引导激发光406的光学波导。例如，为了在不使用光学波导的情况下照射系统400B中的样本412A-N，可以指导激发光406从流体反应通道302上方向样本412A-N提供照射，如图4B所示。可以使用例如聚焦透镜、过滤器和/或任何其他期望的光学元件来指导激发光406。
返回参考图3，基于对从设置在流体反应通道302中的样本发射的光的检测，多个传感器320A-N可以生成电信号并且将电信号传输到信号和数据处理系统330以用于进一步的信号和数据处理。因此，可以大规模并行地处理针对设置在流体反应通道302中的样本生成的数据。可以并发地、在基本上同一时间或在短时间段内处理针对许多样本生成的数据。与传统分析系统相比，并发或并行处理数据的能力提高了测试通量和速度。进一步地，如上文所讨论的，组切割技术使得图像感测系统能够容易地缩放或堆叠起来，以在大规模图像感测应用(例如，100兆-1千兆成像应用)中提供并行信号和数据处理。例如，由于包括在20个图像传感器中的光敏元件(例如，像素)的数量增加，20个图像传感器可以提供20倍以上的图像感测面积。如果每个图像传感器具有100兆像素阵列大小，则20个图像传感器将会具有2000兆或2千兆像素，由此大大提高了通量容量和分析速度。进一步地，对感测系统的这种缩放不需要与用于提供高通量感测系统的传统方法相关联的复杂系统重新设计。例如，在一些实施例中，每个传感器320A-N可以具有其自己的放大器、过滤器和/或关联快门和读出电路，并且可以与其他传感器电隔离。因此，可以显著减少或最小化用于传感器320A-N和其关联信号处理电路的重新设计工作。
基于本公开中描述的组切割技术获得的通量可缩放图像感测系统可以对于涉及光子计数的许多应用特别有用。这种应用包括例如使用从样本发射的光对生物或化学样本进行分析。例如，基于由高通量图像感测系统中的多个图像传感器收集和检测到的光子，可以并发地执行多个核苷酸测序过程。进一步地，对于如核苷酸测序应用等样本分析应用，需要图像感测系统(例如，系统300)来执行光子计数并且基于光子计数的结果生成图像。因此生成的图像可以表示与样本分析相关联的某些信息(例如，光子强度)。但是，这种图像可能不需要是连续的图像或者可以被允许在图像的不同部分之间具有间隙。基于对多个管芯的组切割获得的感测系统可以生成具有间隙的图像。
返回参考图2C，多个图像传感器设置在封装半导体管芯222A-F上。如图2C所图示的，所述多个图像传感器的光敏元件物理上不连续或彼此不连接。例如，图像传感器的设置在管芯222A上的光敏元件224与图像传感器的设置在管芯222B上的光敏元件234物理上分离。在不同图像传感器的光敏元件之间，可以存在其他设备结构或部件(例如，焊盘226)和切割道(例如，管芯222A与222B之间的切割道235)。因此，由设置在单独的封装半导体管芯222A-F上的多个图像传感器生成的图像可以不连续或者可以在图像的不同部分之间具有一个或多个图像间隙。由于光敏元件之间缺乏光子感测，图像间隙可以是图像的不同部分之间的空白区域或黑暗区域。对于需要提供连续图像的某些成像应用，这种图像间隙可能不可接受。这种应用可以包括例如传统照片捕获应用(例如，拍摄肖像照片、图片显示真实世界对象等)、监控相机应用或安全监视应用。
进一步地，对于其中图像间隙不可接受或不可容忍的那些应用，如果由多个图像传感器生成的原始图像不继续或具有图像间隙，则可能需要大量的图像处理工作来去除或减轻图像间隙。例如，可以应用捕获后图像处理来将图像的各部分缝合在一起以提供没有图像间隙的可接受图像。因此，对于某些成像应用，可能不容易设计或实施具有多个图像传感器的图像感测系统，所述多个图像传感器具有分立定位的光敏元件(例如，物理上不连续或彼此不连接的元件)。相比之下，这种成像系统可能不会对生物或化学样本分析应用(如核苷酸测序应用)的性能有影响或可能对其有最小影响。对于许多生物或化学样本分析应用，图像传感器用于对从样本发射的光子进行计数并且基于光子生成图像。可以允许图像具有图像间隙，因为可以基于与光子检测有关的信息(例如，光子强度、光子位置、光子图案等)得到分析结果。分析结果的得出不需要图像是连续的或没有图像间隙。因此，包括基于组切割技术获得的多个图像传感器的高通量图像感测系统可以容易地用于许多生物或化学样本分析应用或任何其他基于光子计数的应用，而无需任何减轻工作来去除由分立定位的光敏元件引起的图像间隙。
返回参考图3，传感器320A-N可以是不同类型的图像传感器，如基于背侧照射的图像传感器或基于前侧照射的传感器。如上文所描述的，因为图像传感器必须检测光子，所以所述图像传感器有时也被称为或用作光子检测传感器、光子计数传感器或光电子计数传感器。另外，尽管上文关于图3的描述使用图像传感器作为示例，但传感器320A-N也可以是其他类型的传感器，如化学敏感传感器、基于跨膜孔的传感器、光子检测传感器、光子计数传感器和/或量子CMOS图像传感器(QIS)。这些类型的传感器各自在下文更详细地描述。进一步地，应当理解的是，图3中的块是出于说明目的，而不是用于限定设备的边界。例如，信号和数据处理系统330的一个或多个部件、设备或子系统可以与传感器320A-N集成或组合，并且反之亦然。
图5A利用TSV封装的基于BSI的图像传感器520A的实施例的截面视图图示了图像感测系统500A的实施例。图像传感器520A可以是如图3所示的传感器320A-N中的一个或多个传感器的一个实施例。如图5A所示，图像传感器520A包括半导体衬底502，在所述半导体衬底上可以制作或设置集成电路或设备。半导体衬底502可以是例如用于使得集成电路或设备能够使用互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺制作的基于硅的衬底。图像传感器520A可以进一步包括光子检测层504、一个或多个导电层506、一个或多个介电层507以及过滤器508。在一些实施例中，光子检测层504包括多个光敏元件505A-N(统称为光敏元件505)。每个光敏元件505也可以被称为像素。并且所述多个光敏元件505可以形成像素阵列。在一些实施例中，光敏元件505可以包括例如用于检测光子并且基于检测到的光子生成电信号(例如，光电子)的光电二极管(例如，基于硅的光电二极管)和放大器。类似于上文关于图3和图4A所描述的那些，流体反应通道(例如，通道302)和光学系统(例如，系统304)可以设置在图像传感器520A上方。例如，为了获得荧光光，光学系统可以是将激发光输送到设置在流体反应通道中的样本的光学波导。在一些实施例中，光学系统不包括光学波导。而是，光学系统可以包括聚焦透镜、滤光器和/或用于从流体反应通道302上方提供照射(类似于图4B中所示的照射)的任何其他期望的光学元件。由于分析设置在流体反应通道中的生物或化学样本而发射的光可以由光子检测层504的光敏元件505检测。基于检测到的光子，光子检测层504的光敏元件505生成电信号(光电子)。尽管图5A图示了一个图像传感器520A，但是应当理解的是，图像感测系统500A中可以包括多个图像传感器。所述多个图像传感器的配置可以类似于图4A或图4B中所示的配置。
参考图5A，图像传感器520A图示了基于背侧照射(BSI)的图像传感器结构的实施例。在基于BSI的图像传感器中，光子检测层504被设置成比导电层506更靠近所分析的样本。如图5A所示，流体反应通道302或其一部分可以设置在光子检测层504上方(以及过滤器508、任选的钝化层510和/或光学系统304上方)。因此，设置在流体反应通道302内部的生物或化学样本被定位成在竖直方向上比光子检测层504距导电层506更远。因此，在基于BSI的图像传感器中，从样本发射的光行进到光子检测层504，而不必行进通过多个导电层506。因此，与基于FSI的图像传感器相比，光在基于BSI的图像传感器中行进的距离更短。由于从样本发射的光必须行进的距离更短，因此基于BSI的图像传感器可以大大减少信号损失和串扰。光在基于BSI的图像传感器中行进的距离更短还消除或减少了对附加荧光或化学发光光收集光学器件的需要。进一步地，通过消除光路中的所述多个导电层，光子检测层504的光敏元件505的实质或整个区域可以接近从样本发射的光或对其敏感。因此，与基于FSI的图像传感器相比，基于BSI的图像传感器可以减少光吸收。在一些实施例中，与基于FSI的图像传感器相比，可以提高基于BSI的图像传感器的量子效率(例如，提高80％-90％)。减少信号损失并且具有更高的量子效率进而提高了图像质量和分辨率，并且减少了对高度灵敏图像传感器的需要。
如图5A所图示的，由光子检测层504生成的电信号或光电子可以由所述多个导电层506收集和传导。导电层506可以包括一层或多层金属层和互连金属层的通孔。导电层506被配置成将光敏元件505电耦接到一个或多个导电焊盘514。例如，导电层506可以将由光子检测层504的光敏元件505生成的电信号传输到一个或多个导电焊盘514。在一些实施例中，由光敏元件505生成的电信号在被传输到导电焊盘514之前可以被进一步处理。例如，导电层506可以是信号放大、读出和/或转换电路(未示出)的一部分。这些信号放大、读出和/或转换电路统称为信号处理电路，所述信号处理电路可以是图3所示的信号和数据处理系统330的一部分。在一些实施例中，信号处理电路可以包括例如雪崩放大电路、像素内读出电路、相关双采样(CDS)电路、感测放大器和/或模数(ADC)转换电路。在一些实施例中，针对每个光敏元件505(例如，每个像素)实施或跨光子检测层504的多个光敏元件505共享(例如，由每个读出簇共享)信号放大、读出和/或转换电路中的一个或多个。例如，在半导体管芯上制作或设置的每个图像传感器可以具有其自己的信号处理电路，所述信号处理电路独立于其他图像传感器处理由特定图像传感器生成的电信号。这使得能够并行或并发处理多个图像传感器的电信号，由此提高图像感测系统的整体通量。
在一些实施例中，信号放大、读出和/或转换电路中的一个或多个可以在与光敏元件505相同的半导体管芯或晶圆中实施。在一些实施例中，信号放大、读出和/或转换电路中的一个或多个可以在与光敏元件505的半导体管芯或晶圆不同的半导体管芯或晶圆中实施。例如，如下文更详细地描述的，第一半导体晶圆(也被称为检测晶圆)可以被配置成实施的光敏元件505(例如，光电二极管)，并且第二半导体晶圆(也被称为ASIC晶圆)可以被配置成实施包括读出电路的信号处理系统。两个半导体晶圆之间的电耦接可以使用例如晶圆级封装技术，如晶圆键合和TSV技术。因此，由于通过在另一个晶圆中设置信号处理电路使额外的晶圆区域可用，检测晶圆可以包括更多光敏元件，由此进一步提高图像感测系统的通量。
参考图5A，图像传感器520A可以进一步包括过滤器508和任选的钝化层510。过滤器508可以设置在光学系统304(例如，光学波导)与光子检测层504之间。在一些实施例中，过滤器508可以被配置成去除具有第一波长范围的实质部分的光。第一波长范围不同于与由于分析设置在流体反应通道302中的生物或化学样本而发射的光相关联的一个或多个波长范围。例如，过滤器508可以包括沉积在光子检测层504上的涂层，所述涂层用于在允许从样本发射的光(例如，黄光和/或红光)的实质部分通过的同时去除激发光(例如，绿光)的波长范围内的实质部分的散射或泄漏光。因此，过滤器508可以通过在阻挡不期望的光信号(例如，背景噪声和/或激发光泄漏)的同时允许期望的光信号到达光子检测层504来提高信噪比。在一些实施例中，过滤器508可以是沉积在光子检测层504上的不同类型的涂层，使得过滤器508的多个过滤器胞元交错(例如，从而形成通过网格结构将不同类型的胞元分离的棋盘图案)以减少光子检测层504的相邻光敏元件505(例如，相邻像素)之间的串扰。串扰通常是不期望的，因为从一个样本发射的光会受到从另一个样本发射的光的影响，从而导致图像传感器的一些光敏元件505(例如，像素)的信号失真。过滤器508可以去除例如所有光中的实质部分的光(例如，吸收所有波长范围或任何期望的波长范围内的光)。因此，通过将过滤器508的过滤器胞元进行交错，可以减少或消除串扰。
在一些实施例中，图像传感器520A可以包括钝化层510。在一些实施例中，钝化层510可以是具有低折射率的聚合物涂层或二氧化硅层。钝化层510可以有效地将流体反应通道302与图像传感器500的其他层或设备分离，使得保护其他层或设备被保护免于液体和/或机械损伤。例如，钝化层510可以保护光子检测层504的光敏元件505、导电层506和/或信号处理电路(未示出)免于液体和/或机械损伤。
如上文所描述的，通过包括设置在基于组切割技术获得的封装半导体管芯上的多个图像传感器，可以提供通量可缩放图像感测系统。这种系统可以缩放为具有高通量(例如，数百万或数十亿的图像像素)。这种高通量系统也不需要传统的接线键合技术来将电信号从图像传感器传输到外部电路。接线键合技术可能与如上文所描述的许多缺点或弊端相关联，并且特别是可能给具有大或高密度像素阵列的高通量图像感测系统施加困难。在一些实施例中，硅通孔(TSV)和重新分布层(RDL)布线技术可以与组切割技术组合地使用以获得高通量图像感测系统。在图5A中，所述多个导电层506将光子检测层504的光敏元件505电耦接到一个或多个导电焊盘514。例如，顶部金属层(例如，金属层4)可以物理布线到焊盘514。因此，由光子检测层504的光敏元件505生成的电信号或经处理的信号(例如，经放大的、感测到的、经转换的信号)可以传输到焊盘514。
如图5A所示，焊盘514可以设置在图像传感器520A所制作或设置于的半导体管芯的表面524处。表面524可以是具有或不具有钝化层510的半导体管芯的表面。在一些实施例中，表面524可以是管芯的背表面(例如，在其处或附近没有设置用于信号路由的导电层的表面)或者具有减小的厚度的管芯的背表面(例如，半导体管芯的减薄的背表面)。如所图示的，流体反应通道302(或其一部分)和光学系统304(或其一部分)可以设置在图像传感器520A上方并且具体地在表面524上(或钝化层510上)。如上文所描述的，流体反应通道302和光学系统304可以跨图像传感器所制作或设置于的多个半导体管芯设置。因此，使用键合接线将导电焊盘514耦接到外部电路可能是困难的或不切实际的，因为键合接线将会干扰流体反应通道302和/或光学系统304的设置。
在一些实施例中，图像传感器520A可以包括一个或多个贯穿通孔512。贯穿通孔512可以是通过对焊盘514的各区域附近的半导体衬底502进行各向异性或定向蚀刻(例如，干法蚀刻)形成的硅通孔。贯穿通孔512可以形成在焊盘514的各区域处或附近切割通过半导体衬底502的一部分或整个厚度的通道或管道。随后，可以沉积重新分布层(RDL)516以用于信号重新路由。RDL是使集成电路或设备的输入/输出焊盘(例如，焊盘514)在其他定位可用的额外的导电层(例如，金属层)。在如图5A所示的一些实施例中，RDL 516可以包括至少部分地被贯穿通孔512包围的导体。RDL 516的导体进一步从焊盘514延伸到一个或多个导电球体518。球体518可以是例如焊料球。RDL 516将焊盘514电耦接到球体518，由此将电信号从焊盘514重新路由到球体518。球体518可以设置在表面526处。在一些实施例中，表面526可以是另一个半导体管芯或晶圆的经处理的衬底表面(例如，减薄的表面)。例如，如下文更详细地描述的，载体晶圆可以键合到图像传感器所设置或制作于的晶圆。载体晶圆的衬底可以减薄。图5A所示的衬底501图示了载体晶圆的这种减薄部分。并且因此，表面526是载体晶圆的衬底501的减薄表面。在一些实施例中，不使用载体晶圆，并且因此，表面526可以是例如半导体管芯的前表面(例如，在其处或附近设置有用于对信号进行路由的导电层506的表面)。
如图5A所图示的，使用贯穿通孔512和RDL 516，电信号可以从半导体管芯的第一表面524重新路由到第二表面526。因此，可以使用导电球体518在第二表面526处呈献进一步的信号路由或耦接。例如，可以执行晶圆级封装或键合，使得包括多个图像传感器的第一晶圆(例如，检测晶圆)可以使用导电球体518电耦接到第二晶圆(例如，信号处理晶圆或ASIC晶圆)。因此，TSV和RDL技术消除了对用于对信号进行路由的传统接线键合技术的需要，并且可以进一步使得能够实施高通量或通量可缩放图像感测系统。
参考图5A，在一些实施例中，焊料掩模层522可以设置在两个相邻的球体518之间。焊料掩模层522可以被设置成与半导体衬底501的至少一部分接触并且与RDL 516的至少一部分接触。焊料掩模层522可以是例如施加到表面以保护下层导电层(例如，RDL 516)的再次氧化或防止在紧密间隔的导电球体(例如，两个相邻球体518)之间形成焊料桥的聚合物或环氧树脂层。
图5B利用TSV封装的基于BSI的图像传感器520B的另一个实施例的截面视图图示了示例性图像感测系统500B。参考图5B，类似于图5A所示的图像传感器520A，图像传感器520B是基于BSI的图像传感器，包括半导体衬底532、包括多个光敏元件535的光子检测层534、一个或多个导电层536、过滤器538和两个钝化层539A-B。图像传感器520B的这些部件或层可以分别与图像传感器520A的半导体衬底502、光子检测层504、导电层506、过滤器508和钝化层510相同或基本上相同，并且因此不重复描述。
在一些实施例中，除了图像传感器520B之外，图5B中所图示的图像感测系统500B可以进一步包括第一导电层542、第二导电层544、多个微透镜540以及平坦化层546。第一导电层542、微透镜540和第二导电层544可以实施图3中的光学系统304。第一导电层542和第二导电层544可以包括金属层。微透镜540可以包括一个或多个光学元件，如透镜、反射镜、透镜状结构等。微透镜540可以由玻璃、聚合物、塑料等制成。如图5B所图示的，钝化层539A设置在过滤器538上方并且与所述过滤器接触。第一导电层542设置在钝化层539A上方并且与所述钝化层接触。第一导电层542可以是基本上平坦的。第二导电层544可以设置在第一导电层544和所述多个微透镜540上方。在一些实施例中，第二导电层544可以具有如图5B所图示的弯曲形状。在一些实施例中，图像传感器520B可以包括蚀刻通过第一导电层542、第二导电层544、所述多个微透镜540以及平坦化层546的一个或多个开口548。因此，所述多个微透镜540中的相邻微透镜被开口548之一隔开。开口548可以被配置成接收生物或化学样本412和液体试剂。因此，开口548可以实施图3的流体反应通道302的至少一部分、与其相关联。
在一些实施例中，激发光406可以被指导或引导到设置在开口548中的样本。因此，可以生成并从样本412发射荧光光。在一些实施例中，不使用激发光。设置在开口548中的样本可以在没有外部激发光的情况下发射化学发光光。荧光光和化学发光光统称为从样本412发射的光。在一些实施例中，第一导电层542、微透镜540和第二导电层544可以将从样本412发射的光聚焦或引导到过滤器538和光子检测层534中的下方光敏元件535。例如，从样本412发射的光可以穿过微透镜540并且由微透镜540聚焦/收集。穿过微透镜540的光可以被第二导电层544反射，因为层544具有被配置成对光进行反射的弯曲形状。第二导电层544还可以阻挡或部分地阻挡激发光546，由此减少行进到过滤器538的不期望光的量。
在一些实施例中，从样本412发射的光也可以穿过微透镜540并且被第一导电层542反射，并且随后朝向过滤器508和光子检测层504的下方光敏元件535(例如，由第二导电层544)重新聚焦或反射。因此，使用第一导电层542、微透镜540和第二导电层544，可以提高从样本412发射的光的收集效率。因此可以减少或缓解对高性能过滤器538和高效率光子检测层534的要求。例如，一些生物或化学分析应用中的化学发光光强度可以较低，并且因此，可能需要提高光收集效率以提供良好的分析结果。在一些实施例中，如图5B中所图示的，过滤器538可以具有设置在对应于开口548的位置处的多个过滤器胞元538A；并且光子检测层534的下方光敏元件535可以进一步设置在对应于过滤器胞元538A的区域处。因此，相应的开口548、过滤器胞元538A和光子检测层534的光敏元件535可以以几何方式对齐以改进或最大化对来自样本412的发射光的检测。在一些实施例中，在过滤器538中，过滤器胞元538A与金属538B交错以进一步朝向光子检测层534的下方光敏元件535反射或聚焦发射光。在一些实施例中，可以去除一个或多个光学元件或微透镜540的各部分以将样本412设置在开口548中。微透镜540的其余光学元件可以收集、重新聚焦和/或反射发射的信号以提高收集效率。图像传感器520B的结构、操作和制作步骤的更多细节可以在于2017年11月3日提交的题为“BIOSENSORS FOR BIOLOGICAL OR CHEMICAL ANALYSIS AND METHODS OFMANUFACTURING THE SAME(用于生物或化学分析的生物传感器和其制造方法)”的国际申请号PCT/US 2017/059908中找到，所述国际申请的内容通过援引以其全文并入。
类似于图5A中描述的那些，TSV封装和RDL技术可以应用于图像传感器520B以提供高通量或通量可缩放图像感测系统。例如，如图5B所示，RDL 516可以被设置成将焊盘514和球体518电耦接，由此将信号从焊盘514重新路由到球体518。球体518可以进一步电耦接到外部信号处理电路。进一步地，还可以基于图像传感器520B应用组切割技术来获得通量可缩放图像感测系统，使得多个图像传感器520B设置在作为一组从晶圆切割的封装半导体管芯上。TSV封装、RDL布线和组切割技术的细节可以以与上文所描述的类似的方式应用，并且因此这里不重复描述。尽管图5B图示了一个图像传感器520B，但是应当理解的是，图像感测系统500B中可以包括多个图像传感器。所述多个图像传感器的配置可以类似于图4A或图4B中所示的配置。
图5C利用具有TSV封装的基于前侧照射(FSI)的图像传感器520C的实施例的截面视图图示了示例性图像感测系统500C。如上文所描述的，在基于BSI的图像传感器中，从样本发射的光行进到光子检测层，而不必行进通过多个导电层的距离。相比之下，在基于FSI的图像传感器中，从设置在流体反应通道中的样本发射的光通常在到达光子检测层之前行进通过多个导电层的距离。因此，可能需要某些结构配置来减少发射光在到达光子检测层之前的损失。如图5C所图示，类似于图5A所示的图像传感器520A，图像传感器520C包括半导体衬底552、光子检测层554、一个或多个导电层556以及钝化层559。图像传感器520C的这些部件或层可以分别与图像传感器520A的半导体衬底502、光子检测层504、所述多个导电层506和钝化层510相同或基本上相同，并且因此不重复描述。
参考图5C，在一些实施例中，激发光406可以从顶部(例如，垂直于流体反应通道302的纵向方向)引导或指导到设置在流体反应通道302中的样本，如图5C中所示。由于激发，从设置在流体反应通道302中的样本发射荧光光。在一些实施例中，图像传感器520C进一步包括如图5C所示的过滤器558。过滤器558可以包括用于去除具有第一波长范围的实质部分的光的材料。第一波长范围不同于与由于分析设置在流体反应通道302中的生物或化学样本的结果而发射的光相关联的一个或多个波长范围。例如，过滤器558可以包括用于在允许从样本发射的光(例如，黄光和/或红光)的实质部分通过的同时去除激发光406(例如，绿光)的波长范围内的实质部分的散射或泄漏光的吸光材料。
在一些实施例中，除了防止激发光406或其实质部分到达光子检测层554的光敏元件555A-N(统称为光敏元件555)之外，过滤器558还可以被配置成将从设置在流体反应通道302中的样本发射的光引导或指导到光子检测层554的光敏元件555。如上文所描述的，对于基于FSI的图像传感器，由于导电层556(以及与导电层556相关联的一个或多个介电层557)的厚度，发射光行进的距离通常比基于BSI的图像传感器中的距离更长。过滤器558因此可以被配置成减少或最小化沿到光子检测层554的光敏元件555的路径的发射光的损失。作为一个示例，过滤器558可以包括平坦部分558A和一个或多个过滤器突起558B。过滤器突起558B被配置成提供过滤器通道，所述过滤器通道将由于分析生物或化学样本而发射的光的至少一部分引导到光子检测层554的所述多个光敏元件555。在图5C中，过滤器突起558B被配置成使得其顶部部分(例如，更靠近流体反应通道302的部分)比底部部分(例如，更远离流体反应通道302的部分)更宽。因此，过滤器突起558B的较宽顶部部分可以提高或最大化用于收集从设置在流体反应通道302中的样本发射的光的收集效率。并且过滤器突起558B的较窄底部部分可以被定位成对应于光子检测层554的光敏元件555的位置，由此提高或最大化光敏元件555的检测效率。
在一些实施例中，过滤器突起558B可以包括与半导体衬底552、导电层556和/或介电层557接触的壁558C。过滤器突起558B的壁558C可以包括例如用于朝向光子检测层554的光敏元件555反射或引导发射光的反射涂层。反射涂层可以包括例如金属涂层或光学涂层。在一些实施例中，一个或多个导电层556可以设置或分布在过滤器突起558B周围以减少或最小化由于发射光在基于FSI的图像传感器520C中必须行进的距离而引起的串扰。串扰可能发生在光子检测层554的相邻光敏元件555(例如，相邻像素)之间。串扰通常是不期望的，因为从一个样本发射的光会受到从另一个样本发射的光的影响，从而导致图像传感器的一些光敏元件555(例如，像素)的信号失真。在一些实施例中，分布在过滤器突起558B附近或周围的导电层556的各部分可以去除例如所有光中的实质部分的光(例如，吸收所有波长范围或任何期望的波长范围内的光)。因此，可以减少或消除串扰。基于FSI的图像传感器的结构、操作和制作步骤的更多细节可以在于2016年6月7日提交的题为“BIOSENSORS FORBIOLOGICAL OR CHEMICAL ANALYSIS AND METHODS OF MANUFACTURING THE SAME(用于生物或化学分析的生物传感器和其制造方法)”的美国专利申请公开号US 2016/0356715中找到，所述美国专利申请公开的内容出于所有目的通过援引以其全文并入。
类似于图5A中描述的那些，TSV封装和RDL技术可以应用于图像传感器520C以提供高通量或通量可缩放图像感测系统。例如，如图5C所示，RDL 516可以被设置成将焊盘514和球体518电耦接，由此将信号从焊盘514重新路由到球体518。球体518可以进一步电耦接到外部信号处理电路。因为图5C图示了基于FSI的图像传感器520C，所以焊盘514设置在封装半导体管芯的前表面(例如，在其处或附近设置有用于对信号进行路由的导电金属层的表面)处或附近。并且球体518设置在封装半导体管芯的背表面(例如，在其处或附近没有设置用于对信号进行路由的导电层的表面或表面)处或附近。因此，基于FSI的图像传感器中用于设置焊盘516和球体518的表面与基于BSI的图像传感器中的那些表面相反。进一步地，还可以基于图像传感器520C应用组切割技术来获得通量可缩放图像感测系统，使得多个图像传感器520C设置在作为一组从晶圆切割的封装半导体管芯上。TSV封装、RDL布线和组切割技术的细节可以以与上文所描述的类似的方式应用，并且因此这里不重复描述。尽管图5C图示了一个图像传感器520C，但是应当理解的是，图像感测系统500C中可以包括多个图像传感器。所述多个图像传感器的配置可以类似于图4A或图4B中所示的配置。
返回参考图3，在上文描述中，尽管传感器320A-N可以被实施为图像传感器(例如，图像传感器520A-C)，但是所述传感器也可以被实施为其他类型的传感器，如化学敏感传感器。因此，系统300可以被适配成化学感测系统而不是图像感测系统。应当理解的是，图3中所示的一个或多个块/部件可以不包括在化学感测系统中；并且附加的块/部件可以添加到化学感测系统。图5D利用TSV封装的化学敏感传感器520D的实施例的截面视图图示了示例性化学感测系统500D。
化学敏感传感器可以测量生物或化学样本的化学成分的某些浓度或其他化学性质。化学敏感传感器520D可以包括例如基于离子敏感场效应晶体管(ISFET)的传感器。基于ISFET的传感器可以测量设置在液体试剂中的样本(例如，样本412，如珠)的离子协同。当离子浓度(例如，氢离子浓度)改变时，流动通过ISFET的电流相应地改变。因此，基于对电流的变化的测量，可以确定生物或化学样本的离子浓度。例如，使用基于ISFET的化学传感器的化学感测系统可以用于如RNA/DNA测序应用等核酸测序应用中。
如图5D所示，类似于图像传感器520A，化学敏感传感器520D包括半导体衬底562，所述半导体衬底分别与图像传感器520A的半导体衬底502相同或基本上相同，并且因此不重复描述。化学敏感传感器520D可以进一步包括设置在ISFET敏感区域561内的多个ISFET。ISFET包括设置在半导体衬底562(例如，硅衬底)上方的浮栅结构564。在一些实施例中，浮栅结构564未电耦接到电极并且因此电“浮置”。相比之下，ISFET的源极区和漏极区分别电耦接到相应的源极电极和漏极电极(未示出)，并且因此不电“浮置”。在一些实施例中，浮栅结构564包括第一导电层566A、一个或多个中间导电层566B-N以及多晶硅栅极568。第一导电层566A可以是最上面的金属层，并且所述一个或多个中间导电层566B-N设置在第一导电层566A与多晶硅栅极568之间，如图5D所图示的。
在一些实施例中，化学敏感传感器500D进一步包括设置在浮栅结构564上方的介电层569。介电层569可以包括氮化硅(Si3N4)、氮氧化硅(Si2N2O)、氧化硅(SiO2)、氧化铝(Al2O3)、五氧化二钽(Ta2O5)、氧化锡或二氧化锡(SnO2)中的至少一种。在一些实施例中，介电层569可以包括电荷敏感层和粘附层。五氧化二钽(Ta2O5)是电荷敏感层的示例，并且铝是粘附层的示例。在一些实施例中，介电层569还可以如上文所描述的用作用于保护化学敏感传感器520D免于液体或机械损伤的钝化层。介电层569可以通过CVD、PVD、原子层沉积等制作或设置。
在一些实施例中，一个或多个开口或阱565可以被制作或设置在介电层569上方。如图5D所图示的，可以通过对绝缘层567(例如，另一个介电层、聚合物层等)进行蚀刻来形成阱565。在一些实施例中，阱565可以至少部分地形成在介电层569内部。阱565可以是具有微米量级宽度的微阱。在一些实施例中，第一导电层566A包括具有与一个或多个阱565的尺寸基本上相同的尺寸的各部分。例如，如图5D所示，阱565的宽度可以与第一导电层566A基本上相同(或比所述第一导电层略小/略大)，所述第一导电层的各部分定位于阱565下方并且与对应的孔565对齐。
在一些实施例中，生物或化学样本的至少一部分设置在一个或多个阱565内部。生物或化学样本565的离子浓度可以基于浮栅结构564和介电层569来测量。在化学感测系统500D中，不需要激发光，因为测量是关于离子浓度的。因此，可能不需要光学系统(例如，图3中的系统304)并且未在图5D中示出。在化学敏感传感器520D中，阱565之一对应于浮栅结构564之一。一个阱和一个浮置结构564的组合可以形成传感器520D的单个像素。类似于关于图像传感器所描述的那些，化学敏感传感器中的像素越多，传感器的通量容量就越高。
如上文所描述的，浮栅结构563不电耦接到电极。因此，因为样本设置在定位于浮栅结构564上方的阱565内部，所以设置在阱565内部的样本中的离子浓度导致在介电层569上方有电荷累积。电荷累积进而改变流动通过ISFET的源极区域和漏极区域的晶体管电流。因此，基于晶体管电流变化，可以测量离子浓度。化学敏感传感器的结构、操作和制作步骤的更多细节可以在于2011年6月1日提交的题为“INTEGRATED SENSOR ARRAYS FORBIOLOGICAL AND CHEMICAL ANALYSIS(用于生物和化学分析的集成传感器阵列)”的美国专利号US 8,936,763中找到，所述美国专利的内容出于所有目的通过援引以其全文并入。
类似于图5A中描述的那些，TSV封装和RDL技术可以应用于化学敏感传感器520D以提供高通量或通量可缩放化学感测系统。例如，如图5D所示，RDL 516可以被设置成将焊盘514和球体518电耦接，由此将信号从焊盘514重新路由到球体518。球体518可以进一步电耦接到外部信号处理电路。类似于图5C中的基于FSI的图像传感器520C，图5D图示了对于化学敏感传感器520D，焊盘514设置在封装半导体管芯的前表面(例如，在其处或附近设置有用于对信号进行路由的导电金属层的表面)处或附近。并且球体518设置在半导体管芯的背表面(例如，在其处或附近没有设置用于对信号进行路由的导电层的表面或表面)处或附近。进一步地，还可以基于化学敏感传感器520D应用组切割技术来获得通量可缩放化学感测系统，使得多个化学敏感传感器520D设置在作为一组从晶圆切割的封装半导体管芯上。TSV封装、RDL布线和组切割技术的细节可以以与上文所描述的类似的方式应用，并且因此这里不重复描述。尽管图5D图示了一个化学敏感传感器520D，但是应当理解的是，化学感测系统500D中可以包括多个化学敏感传感器。所述多个化学敏感传感器的配置可以类似于图4A或图4B中所示的配置。
返回参考图3，在上文描述中，尽管传感器320A-N可以被实施为图像传感器(例如，图像传感器520A-C)或化学敏感传感器(例如，化学敏感传感器520D)，但是所述传感器也可以被实施为其他类型的传感器，如基于跨膜孔的传感器(有时也被称为基于纳米孔的传感器)。因此，系统300可以被适配成使用基于跨膜孔的传感器的感测系统。应当理解的是，图3中所示的一个或多个块/部件可以不包括在基于跨膜孔的感测系统中；并且附加的块/部件可以添加到这种感测系统。图5E利用TSV封装的基于跨膜孔的传感器520E的实施例的截面视图图示了基于跨膜孔的示例性感测系统500E。
基于跨膜孔的传感器是可以检测穿过跨膜孔的各种小分子或离子的类型的生物传感器。基于跨膜孔的传感器可以用于例如如RNA/DNA测序应用等核酸测序应用中。例如，在DNA测序应用中，可以检测单独的核苷酸掺入事件。这种事件可以包括将核苷酸掺入到与模板互补的生长链中。酶(例如，DNA聚合酶)可以将核苷酸掺入到生长的多核苷酸链。掺入的核苷酸与对应的模板核酸链互补，所述对应的模板核酸链与生长链杂交(例如，聚合酶链反应或PCR)。核苷酸掺入事件从核苷酸释放标签，所述标签穿过跨膜孔并且可以被检测到。
如图5E所图示的，在一些实施例中，基于跨膜孔的传感器520E包括半导体衬底572、设置在半导体衬底572上方的一个或多个导电层576、设置在半导体衬底572和导电层576上方的一个或多个检测电极578以及设置在检测电极578上方的脂质双层575。半导体衬底572和一个或多个导电层576可以实施集成电路以用于基于跨膜孔的传感器520E的操作。这种集成电路可以包括例如放大器、积分器、过滤器、控制逻辑和/或其他电路。
在一些实施例中，脂质双层575可以是由两层脂质分子制成的极性薄膜。例如，脂质双层575可以包括平面脂质双层、支撑双层或脂质体中的至少一种。脂质双层575可以是将离子、蛋白质和其他分子保持在其应该在的位置并且防止其扩散到其不应该在的区域中的屏障。脂质双层575可以包括或设置有一个或多个跨膜孔574。跨膜孔574可以包括蛋白质孔、多核苷酸孔和固态孔中的至少一种。跨膜孔574可以具有足够大的尺寸以供分子(例如，标签分子)和/或小离子(例如，Na+、K+、Ca2+、Cl-)在脂质双层575的两侧之间通过。在一些实施例中，流体反应通道302(图5E中未示出)可以设置在脂质双层575附近或上方以将样本(例如，液体试剂中的核酸分子和带标签核苷酸)提供到跨膜孔574。
在一些实施例中，跨膜孔574可以被定位成对应于一个或多个检测电极578的位置。检测电极578可以耦接到电源并且跨脂质双层575的两侧提供电偏压或电压，使得分子或离子可以穿过跨膜孔574。在一些实施例中，检测电极578可以进一步检测脂质双层575的电特性，如离子电流、电阻、电容等)的变化。基于对电特性的检测，可以得到DNA序列信息。尽管图5E图示了检测电极578用于跨脂质双层575的两侧施加电偏压或电压并且检测脂质双层575的电特性两者，但应当理解的是，在一些实施例中，另一对电极(未示出)可以用来施加电偏压或电压，其中检测电极578仅用于检测电特性。在一些实施例中，如图5E所图示的，基于跨膜孔的传感器520E进一步包括钝化层579。钝化层579可以包括一个或多个开口，并且检测电极578可以设置在钝化层579的所述一个或多个开口内。类似于上文所描述的，钝化层579可以保护基于跨膜孔的传感器520E免于液体损伤和/或机械损伤。
在基于跨膜孔的传感器520E中，跨膜孔574之一、脂质双层575的其周围部分、设置在特定跨膜孔574下方的对应检测电极578以及对应的一个或多个导电层576可以形成传感器520E的单个像素或感测单元。类似于关于图像传感器所描述的那些，基于跨膜孔的传感器中包括的像素或感测单元越多，传感器的通量容量就越高。基于跨膜孔的传感器的结构、操作和制作步骤的更多细节可以在于2014年10月8日提交的题为“NUCLEIC ACIDSEQUENCING BY NANOPRE DETECTION OF TAG MOLECULES(通过对标签分子的纳米孔检测进行的核酸测序)”的美国专利申请公开号US2015/0119259中找到，所述美国专利申请公开的内容通过援引以其全文并入。
类似于图5A中描述的那些，TSV封装和RDL技术可以应用于基于跨膜孔的传感器520E以提供基于跨膜孔的高通量或通量可缩放感测系统。例如，如图5E所示，RDL 516可以被设置成将焊盘514和球体518电耦接，由此将信号从焊盘514重新路由到球体518。球体518可以进一步电耦接到外部信号处理电路。类似于图5C中的基于FSI的图像传感器520C，图5E图示了对于基于跨膜孔的传感器520E，焊盘514设置在封装半导体管芯的前表面(例如，在其处或附近设置有用于对信号进行路由的导电金属层的表面)处或附近。并且球体518设置在封装半导体管芯的背表面(例如，在其处或附近没有设置用于对信号进行路由的导电层的表面或表面)处或附近。进一步地，还可以基于基于跨膜孔的传感器520E应用组切割技术来获得通量可缩放感测系统，使得多个基于跨膜孔的传感器520E设置在作为一组从晶圆切割的半导体管芯上。TSV封装、RDL布线和组切割技术的细节可以以与上文所描述的类似的方式应用，并且因此这里不重复描述。尽管图5E图示了一个基于跨膜孔的传感器520E，但是应当理解的是，基于跨膜孔的感测系统500E中可以包括多个基于跨膜孔的传感器。所述多个基于跨膜孔的传感器的配置可以类似于图4A或图4B中所示的配置。
返回参考图3，传感器320A-N可以是图像传感器。如上文所描述的，因为图像传感器必须检测光子，所以所述图像传感器在本公开中有时也被称为或用作光子检测传感器、光子计数传感器或光电子计数传感器。一些光子检测传感器可以被配置成对光子更敏感或在收集光子方面是高效的。例如，图5F利用能够执行对生物或化学样本的单分子分析的TSV封装的光子检测传感器520F的实施例的截面视图图示了示例性光子感测系统500F。单分子分析的一个示例是单分子核酸测序分析。在这种分析中，使用单个固定化核酸合成复合物。合成复合物可以包括聚合酶、模板核酸和与模板核酸的一部分互补的引物序列。将合成复合物作为样本设置并且进行分析以在单独的核苷酸掺入到延伸的引物序列时识别所述单独的核苷酸。可以通过检测与掺入事件相关联的核苷酸上的光学可检测标记来监测单独的核苷酸的掺入。可以从合成复合物中去除未掺入的核苷酸，并且检测标记的掺入的核苷酸(例如，荧光标记的)作为固定化复合物的一部分。在一些实施例中，可以实时监测单分子引物延伸反应以识别在延伸的引物序列中继续掺入核苷酸。在这种实时测序(SMRT)分析中，在延伸的引物序列中掺入核苷酸的反应过程在发生时受到监测。
对生物或化学样本的单分子分析需要检测和/或收集所发射的光子，其中光子发射(例如，荧光发射)的强度或体积可以非常低。因此，光子检测和/或收集效率要求在这种单分子分析中可能非常重要。光子感测系统500F图示了具有满足这种单分子分析的光子检测和/或收集效率要求的能力的系统。如图5F所示，光子检测传感器520F包括半导体衬底582、设置在半导体衬底582中的光子检测层584以及过滤器588。光子感测系统500F进一步包括设置在导光通道585中的一个或多个光学元件589、第一光学波导581、设置在第一光学波导581上方的第二光学波导583以及设置在第二光学波导583中的一个或多个开口或阱587。
在一些实施例中，多个阱587之一被配置成接收生物或化学样本(例如，单个固定化核酸合成复合物)。阱587可以形成为设置在第二光学波导583中的纳米级阱。第二光学波导583可以是例如零模波导。零模波导是将光能指导到与光的波长相比在所有维度上都较小的样本体积中的光学波导。因此，第二光学波导583可以在光学上限制或基本上限制被引导到设置在阱587中的生物或化学样本的光。因此，第二光学波导583可以形成用于更高效地照射样本的光学限制区域。例如，小体积的单固定化核酸合成复合物可以设置在孔587内部。因为合成复合物处于由第二光学波导583(例如，零模波导)提供的光学限制区域内，所以激发光406可以被限制到合成复合物。因此，可以提高照射效率，并且可以对小样本体积执行单分子分析。在一些实施例中，可以从流体反应通道(如图3中所示的通道302)接收设置在阱587处的样本。并且如上文所描述的，可以跨多个传感器(如图5F中所示的光子检测传感器520F)设置或由其共享单个流体反应通道302。
如图5F所示，用于照射设置在阱587中的样本的激发光406可以由第一光学波导581引导或指导以照射设置在一个或多个阱587中的样本。第一光学波导581类似于图4中所示的光学波导404，并且因此不重复描述。类似于上文描述的那些，基于TSV技术和组切割技术，第一光学波导581可以是跨类似于光子检测传感器520F的多个光子检测传感器设置的单个光学波导，使得多个传感器可以共享单个光学波导581。
参考图5F，在一些实施例中，为了最小化或减少来自设置在阱587中的样本的发射光的损失，光子感测系统500F包括导光通道585，所述导光通道被配置成将由于单分子分析而发射的光子引导到光子检测传感器520F。在一些实施例中，导光通道585设置在第一光学波导581与传感器520F的过滤器588之间。导光通道585可以包括光学元件589，如反射锥、反射光学透镜和/或衍射光学透镜。在一些实施例中，光学元件589可以提供用于通过执行例如光反射、衍射或通道输送将从样本发射的光子(例如，荧光光的光子)引导到过滤器588和光子检测传感器520F的下方光子检测层584的光路。在一些实施例中，每个生物或化学样本设置在阱587中，所述阱可以与导光通道585中的对应光学元件589对齐。对应的光学元件589可以进一步与对应的光敏元件584在光学上对齐。阱587、光学元件589和光敏元件584的对齐可以提高发射光收集效率。
在一些实施例中，一个或多个光学元件589可以进一步提供光束分裂。可以将发射光分裂成多个束(例如，2个、3个、4个束)的光学元件589反射和/或衍射透镜。由光学元件589提供的束的数量可以被配置成对应于光子检测层520F中的光敏元件的数量。例如，分裂的束可以基于光子检测传感器520F的光敏元件的配置被以线性方式配置或被配置成阵列(例如，2×2或3×3阵列)。通过将发射光分裂成多个束，可能需要较少数量的光学元件589(例如，一个而不是四个)。
参考图5F，在一些实施例中，光子检测传感器520F包括设置在导光通道585与光子检测层584的多个光敏元件之间的过滤器588。过滤器588可以包括一个或多个部分(例如，部分588A和588B)，所述一个或多个部分被配置成允许具有不同波长范围的光到达光子检测层584的不同光敏元件。例如，过滤器部分588A可以被配置成允许具有第一波长范围的发射光行进到光子检测层584的光敏元件584A和584B。过滤器部分588B可以被配置成允许具有第二波长范围的发射光行进到光子检测层584的光敏元件584C和584D。第一波长范围可以不同于第二波长范围。
过滤器588的不同部分使得能够检测不同的标记的掺入核苷酸(例如，荧光标记的核苷酸)。例如，基于四种核苷酸中的两种核苷酸的掺入的发射荧光光可以穿过过滤器部分588A到达光敏元件584A和584B(例如，像素584A和584B)；并且基于四种核苷酸中的其他两种核苷酸的掺入的发射荧光光可以穿过过滤器部分588B到达光敏元件584C和584D(例如，像素584C和584D)。进一步地，对于穿过同一过滤器部分的发射荧光光，光的强度或幅度可以因核苷酸不同而不同。因此，基于不同的强度或幅度，可以确定四种标记的掺入核苷酸(例如，荧光标记的核苷酸)中的一种。光子检测层584的光敏元件584A-D可以与上文所描述的那些相同或基本上相同，并且因此不重复描述。
如图5F所图示的，光子感测系统500F的光学波导581和583、导光通道585、过滤器588和光子检测层584可以使得能够使用小体积样本进行单分子分析。用于单分子分析的这种光子感测系统的结构、操作和制作步骤的更多细节可以在于2016年5月19日提交的题为“ARRAYS OF INTEGRATED ANALYTICAL DEVICES AND METHODS FOR PRODUCTION(集成分析设备阵列和生产方法)”的美国专利号9,658,161中找到，所述美国专利的内容出于所有目的通过援引以其全文并入。
类似于图5A中描述的那些，TSV封装和RDL技术可以应用于光子感测系统500F或光子检测传感器520F以提供高通量或通量可缩放图像感测系统。例如，如图5F所示，RDL 516可以被设置成将焊盘514和球体518电耦接，由此将信号从焊盘514重新路由到球体518。球体518可以进一步电耦接到外部信号处理电路。在一些实施例中，光子检测传感器520F是基于BSI的传感器(例如，光敏元件584A-D被设置成比用于传输电信号并实施信号处理电路的一个或多个导电层586更靠近设置在阱587中的样本)。因此，类似于图5A中所示的那些，焊盘514可以设置在封装半导体管芯的背表面(例如，在其处或附近没有设置用于对信号进行路由的导电层的表面或表面)或处理背表面(例如，减薄的管芯的背表面)处或附近。并且球体518设置在封装半导体管芯的前表面(例如，在其处或附近设置有用于对信号进行路由的导电层的表面)处或附近。进一步地，还可以基于光子检测传感器520F应用组切割技术来获得通量可缩放图像感测系统，使得多个光子检测传感器520F设置在作为一组从单个晶圆切割的封装半导体管芯上。TSV封装、RDL布线和组切割技术的细节可以以与上文所描述的类似的方式应用，并且因此这里不重复描述。尽管图5E图示了一个光子检测传感器520F，但是应当理解的是，光子感测系统500F中可以包括多个光子检测传感器。所述多个光子检测传感器的配置可以类似于图4A或图4B中所示的配置。
返回参考图3，通量可缩放感测系统300包括信号和数据处理系统330。在一些实施例中，信号和数据处理系统330的信号处理电路可以电耦接到一个或多个传感器320A-N以接收由传感器320A-N生成的电信号(例如，光电子)。在一些实施例中，信号和数据处理系统330的信号处理电路可以包括一个或多个电荷存储/转移元件、模拟信号读出电路和数字控制电路。在一些实施例中，电荷存储/转移元件(例如，电荷转移放大器)可以接收、放大、存储和/或读出由传感器320的光敏元件按顺序或并行生成的电信号(例如，使用滚动快门或全局快门)；并且将接收到的电信号传输到模拟信号读出电路。模拟信号读出电路可以包括例如模数转换器(ADC)，所述ADC将模拟电信号转换为数字信号。
在一些实施例中，信号和数据处理系统330的信号处理电路可以包括滚动快门，所述滚动快门使得能够顺序地读出由传感器320的光敏元件生成的电信号。滚动快门在不同时间曝光传感器的光敏元件阵列(例如，像素阵列)的不同行并且按选定的顺序读出。在滚动快门中，虽然传感器的光敏元件阵列的每行可以经受相同的曝光时间，但传感器光敏元件阵列的顶部处的行可以在传感器的光敏元件阵列的底部处的行之前结束曝光。这可能会导致空间失真，尤其是对于大规模图像感测系统。然而，因为感测系统300中的每个传感器320A-N使用组切割技术设置在单独的半导体管芯上，所以图3中所示的这些传感器320可以是独立于其他传感器的小到中等规模传感器。如上文所描述的，组切割技术减少或避免了大规模图像感测系统要求使用大的单个像素阵列用于传感器。而是，感测系统300可以包括多个小-中等大小的像素阵列。因此，滚动快门可以用于本公开中描述的通量可缩放感测系统(例如，系统300)中而没有空间失真或具有减少的空间失真。
在一些实施例中，信号和数据处理系统330的信号处理电路可以包括全局快门，所述全局快门使得能够基本上并发地读出由传感器320的光敏元件生成的电信号。使用全局快门可以相对于滚动快门提高信号读出速度。全局快门可以同时或并发地曝光所有光敏元件(例如，像素)。在曝光结束时，收集的电荷或电信号可以同时或在基本上同一时间传输到模拟信号读出电路的读出节点。因此，全局快门消除或减少了空间失真，特别是对于大规模感测系统。在一些实施例中，消除或减少空间失真可以对高通量核苷酸测序具有显著积极影响，这常常依赖于以高密度对大量精细靶标进行高分辨率检测。全局快门技术可以提高在不同测试时间重复记录的许多(例如，数千个)测序图像上对大量(例如，数百万个)DNA图像斑点进行共同配准的准确性。
上文所描述的滚动快门或全局快门在曝光光敏元件并且将收集的电荷或电信号转移到读出节点方面通常以固定速率操作。在一些实施例中，信号和数据处理系统330的信号处理电路可以包括事件触发型快门。事件触发型快门不以固定速率操作。而是，所述事件触发型快门能够选择性地读出由传感器320的光敏元件生成的电信号。图6是图示了示例性事件触发型快门的框图600。如图6所示，可以控制光子收集单元602以在一定积分时间收集来自正在分析的样本的光的光子。光子的收集有时也被称为光敏元件曝光。在预定积分时间内收集的光子可以通过光敏元件转换为光电子或电信号。事件触发型快门可以包括采样和孔电路604以及检测电路606。采样和保持电路604可以以输出电压的形式提供电信号。此输出电压可以提供到事件触发型快门的检测电路606。在一些实施例中，检测电路606可以包括将输出电压与阈值电压进行比较的电压比较器。如果输出电压大于阈值电压，则收集的电荷或电信号(例如，输出电压)可以转移到模拟信号读出电路的读出节点。因此，事件触发型快门的检测电路606可以基于输出电压与阈值电压的比较结果选择性地读出由光敏元件生成的电信号。
事件触发型快门提供了几个优点。例如，可以仅针对有效事件选择性地读出信号，而不是盲目地读出由光敏元件生成的所有电信号。这对于化学发光光检测特别有利，因为基于化学发光光检测生成的电信号可能不是以固定速率产生的。因此，以固定速率读出这种电信号将会不必要地增加数据流并且对信号和数据处理电路施加额外的处理负担。进一步地，事件触发型快门可以通过调整积分时间和/或阈值电压来实现灵活的信号读出。例如，通过增加积分时间和/或降低阈值电压，可以检测低强度光发射(例如，以用于对具有小体积的样本进行分析(如单分子分析)或如下文更详细描述的单光子检测)。因此，事件触发型快门可以使得能够读出强电信号和弱电信号两者(对应于高光强度光发射和低光强度光发射)。进一步地，在一些实施例中，每个光敏元件(例如，每个像素)可以被配置成使用事件触发型快门具有一个积分时间。因此，每个光敏元件可以具有独立于其他光敏元件的曝光，由此提高针对传感器的像素阵列中的不同像素读出电信号的灵活性。
除了信号处理电路之外，图3中所示的信号和数据处理系统330还可以包括数据处理系统。在信号处理电路将模拟电信号转换为数字信号(例如，使用ADC)之后，所述信号处理电路可以将数字信号传输到数据处理系统进行进一步处理。例如，数据处理系统可以执行各种数字信号处理(DSP)算法(例如，压缩)以用于高速数据处理。在一些实施例中，数据处理系统的至少一部分可以与信号处理电路集成在同一半导体管芯或芯片上。在一些实施例中，数据处理系统的至少一部分可以与系统330的信号处理电路分开实施(例如，使用单独的DSP芯片或云计算资源)。因此，可以高效地处理和共享数据以提高样本分析系统的性能。应当理解的是，信号和数据处理系统330的信号处理电路和数据处理系统的至少一部分可以使用例如基于CMOS的专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)、分立IC技术和/或任何其他期望的电路技术实施。
参考图3，在一些实施例中，一个或多个传感器320可以是光子计数图像传感器，如量子CMOS图像传感器(QIS)。QIS具有全阱容量较小(例如，1-200个载流子)的非常小的光敏元件(例如，100-1000nm间距)。QIS光敏元件也称为亚衍射极限(SDL)光敏元件。SDL光敏元件可以对单一光电子敏感，使得一个光电子的存在或不存在导致读出时的逻辑二进制输出为0或1。SDL光敏元件也常常被称为“丁点(jot)”设备(希腊语为“最小的东西”)。并且QIS可以包括许多光敏元件以生成数百个、数千个或数百万个输出(例如，二进制位0和1)。来自光敏元件的输出可以形成二维或三维阵列。例如，在任何给定时间，多个QIS光敏元件可以提供16×16的输出阵列(或取决于QIS光敏元件的两个空间维度的任何大小的阵列)。这种输出阵列可以形成位平面，每个输出对应于字段。所述多个QIS光敏元件在不同时间生成的多个位平面可以形成具有三维阵列(例如，16×16×16)的数据立方体，其中第三维度为时间维度。
在一些实施例中，可以基于由所述多个QIS光敏元件生成的一个或多个这种二维或三维输出阵列生成单个图像像素。例如，信号和数据处理系统300可以处理16×16×16数据立方体并且生成单个图像像素，所述单个图像像素表示由QIS光敏元件接收的局部光强度。相应地，通过调整或配置二维阵列或三维阵列的大小，QIS的输出图像像素大小是可编程的，以用于将分辨率与灵敏度交换。例如，如果包括更多QIS光敏元件输出(例如，大数据立方体)用于生成单个图像像素，则光强度增加并且QIS的灵敏度可以增强。并且如果包括较少QIS光敏元件输出(例如，大数据立方体)用于生成单个图像像素，则输出图像的分辨率可以在灵敏度降低的情况下增加。还应当理解的是，可以基于不同大小的数据立方体生成不同的图像像素，并且所述多个数据立方体可以重叠。
QIS是能够检测单个光子的一种类型的光子计数传感器或光电子计数传感器。其他类型的光子计数传感器(例如，sCMOS、EMCCD或SPAD)通常需要雪崩倍增来实现高转换增益。因此，制作这些类型的光子计数传感器可能需要复杂且昂贵的特殊工艺。QIS与标准CMOS图像传感器制造工艺兼容。进一步地，如上文所描述的，QIS具有全阱容量(FWC)较小的非常小的光敏元件(例如，100-1000nm间距)。因此，QIS光敏元件可以具有高转换增益、低读出噪声和低暗电流。因此，QIS不需要在其他类型的光子计数传感器中使用的那些复杂、特殊且昂贵的工艺。
图7A利用TSV封装的QIS 720的实施例的截面视图图示了基于QIS的示例性感测系统700。类似于图5A，基于QIS的感测系统700可以是包括QIS 720、流体反应通道302和光学系统304(图7A中未示出)的基于BSI的感测系统。流体反应通道302和光学系统304可以与上文所描述的那些基本上相同，并且因此不重复描述。类似于上文所描述的基于BSI的图像传感器，QIS 720可以包括多个QIS光敏元件704(例如，SDL光敏元件)。在一些实施例中，如图7A所示，流体反应通道302可以提供设置在开口或阱774中的样本。阱774可以定位于用于执行核苷酸测序分析的对应的QIS光敏元件704上方。例如，样本可以是用于单分子测序分析的单个固定化核酸合成复合物。应当理解的是，流体反应通道302还可以提供用于其他类型的测序分析(如簇测序分析)的样本。在一些实施例中，类似于上文所描述的那些，流体反应通道302可以跨多个QIS设置，其中每个QIS设置在单个半导体晶圆的半导体管芯上。在一些实施例中，流体反应通道302可以单独设置以将样本(例如，合成复合物)提供到定位于多个QIS上方的阱774。
如上文所描述的，基于QIS的感测系统700包括多个QIS，如QIS 720。QIS 720可以包括许多(例如，数千个或数百万个)QIS光敏元件704(例如，SDL光敏元件)。示例性QIS光敏元件704A图示于图7B中。在一些实施例中，QIS光敏元件704A可以是基于钉扎光电二极管的光敏元件。如图7D所图示的，QIS光敏元件704A可以包括设置在半导体管芯的半导体衬底702上方的电荷转移栅极722。QIS光敏元件704A可以进一步包括在半导体衬底702中设置在电荷转移栅极722的第一侧(例如，如图7B所示的左侧)的钉扎光电二极管724。QIS光敏元件704A可以进一步包括在半导体衬底702中设置在电荷转移栅极704的第二侧(例如，如图7B所示的右侧)的浮置扩散节点726。钉扎光电二极管724可以检测光子并且基于检测到的光子生成光电子。在电荷转移栅极704上施加适当的电位后，光电子的电荷可以转移到浮置扩散节点726。因此，电荷转移栅极722、钉扎光电二极管724和浮置扩散节点726的组合可以检测光子并且转移要随后读出的光电子电荷。在一些实施例中，QIS光敏元件704A可以进一步包括读出电路(例如，源极跟随器)和其他逻辑(例如，复位逻辑)，所述其他逻辑中的一些逻辑在图7B中示出。
在图7B中，电荷转移栅极722和浮置扩散节点726可以在空间上重叠。浮置扩散节点726的电容可以包括浮置扩散节点726与半导体衬底702之间的耗尽电容、浮置扩散节点726与电荷转移栅极722之间的重叠电容、浮置扩散节点726与复位栅极727之间的重叠电容以及其他电容(例如，源极跟随器栅电容、金属间电容等)。为了提高QIS光敏元件的转换增益，需要减小浮置扩散节点726与电荷转移栅极722之间的重叠电容，因为转换增益与浮置扩散节点726的电容成反比。
图7C图示了具有减小的重叠电容的另一个QIS光敏元件704B。如图7C所示，QIS光敏元件704B包括电荷转移栅极742和浮置扩散节点746。电荷转移栅极742和浮置扩散节点746在空间上不重叠，使得重叠电容减小。在QIS光敏元件704B中，半导体衬底702中的具有适当注入或载流子浓度的不同扩散区域(例如，区域743和745)被配置成具有不同的掺杂浓度。可以在半导体衬底702的一个区域(例如，与光电二极管相关联的区域743)中检测和累积光电子。当在电荷转移栅极742上施加适当的电位并且因此打开电荷转移栅极742时，累积的光电子的电荷可以从半导体衬底702的区域743转移到另一个区域745。区域745可以直接在电荷转移栅极742之下。当电荷转移栅极742关闭时，电荷然后可以以泵送动作转移到浮置扩散节点746。应当理解的是，QIS光敏元件不限于上文所描述的元件704A和704B。其他类型的QIS光敏元件(例如，基于元件的结型FET)也可以用于QIS中。
返回参考图7A，类似于图5A中描述的那些，TSV封装和RDL技术可以应用于基于QIS的感测系统700或QIS 720以提供高通量或通量可缩放图像感测系统。例如，如图7A所示，RDL 716可以被设置成将焊盘714和球体718电耦接，由此将信号从焊盘714重新路由到球体718。RDL 716被贯穿通孔712部分地包围。球体718可以进一步电耦接到外部信号处理电路，如下文更详细地描述的读出电路。在一些实施例中，如上文所描述的，QIS 720是基于BSI的传感器(例如，基于QIS的光敏元件704被设置成比用于传输电信号并实施信号处理电路的导电层706更靠近设置在阱774中的样本)。因此，类似于图5A中所示的那些，焊盘714可以设置在半导体管芯的背表面(例如，在其处或附近没有设置用于对信号进行路由的导电层的表面或表面)或减薄的管芯的表面处或附近。并且球体718设置在半导体管芯的前表面(例如，在其处或附近设置有用于对信号进行路由的导电金属层的表面)或载体晶圆701的表面处或附近。进一步地，还可以基于QIS 720应用组切割技术来获得通量可缩放的基于QIS的光子感测系统，使得多个QIS 720设置在作为一组从单个晶圆切割的半导体管芯上。TSV封装、RDL布线和组切割技术的细节可以以与上文所描述的类似的方式应用，并且因此这里不重复描述。
如上文所描述的，基于QIS的光敏元件704可以包括用于读出传递到浮置扩散节点的电荷的读出电路(例如，源极跟随器)。在一些实施例中，可以将来自基于QIS的光敏元件的输出传输到外部信号处理电路进行进一步处理。图7D图示了这种信号处理电路760。在一些实施例中，信号处理电路760可以包括被配置成对更多个基于QIS的光敏元件之一的输出电压信号进行采样的相关双采样(CDS)电路762。经采样的输出电压信号可以传输到电耦接到相关双采样电路762的感测放大器764。感测放大器764可以将小信号(例如，具有小幅度的信号)放大为逻辑上可区分的信号。来自感测放大器764的输出信号可以传输到模数转换器766以用于将模拟信号转换为数字信号。信号处理电路760可以包括其他电路(如数字内核767和存储器768)以用于对数据进行进一步数字信号处理、缓冲和存储。
在一些实施例中，组切割和晶圆级键合技术可以与基于QIS的感测系统一起使用。图7E图示了基于QIS的示例性感测系统780的实施例的晶圆级预期图和对应的框图。如图7E所示，使用上文所描述的组切割技术，系统780可以包括与第一半导体晶圆781分离的多个半导体管芯和与第二半导体晶圆783分离的多个半导体管芯。可以使用组切割技术如上文所描述的将管芯分成组。在一些实施例中，QIS光敏元件(例如，SDL光敏元件或“丁点”)可以制作或设置在第一半导体晶圆781的管芯上，并且因此，晶圆781也可以被称为检测晶圆。在一些实施例中，如读出电路等信号处理电路可以制作或设置在第二半导体晶圆783的管芯上，并且因此，晶圆783也可以被称为信号处理晶圆或ASIC晶圆。在一些实施例中，晶圆781的QIS光敏元件可以使用如上文所描述的TSV和RDL技术等晶圆级封装技术电耦接到晶圆783的信号处理电路。例如，可以将TSV和RDL技术应用于检测晶圆781，使得使用球体(例如，焊球)而不是接线键合来将晶圆781上的设备电耦接到晶圆783上的设备。因此，晶圆级封装技术可以实现高密度且大规模的基于QIS的感测系统。
如图7E所图示，在一些实施例中，晶圆781的每个半导体管芯可以包括具有许多基于QIS的光敏元件的QIS。QIS组或阵列可以形成QIS簇784，并且检测晶圆781可以包括许多QIS簇。类似地，晶圆783的每个半导体管芯可以包括一个或多个对应QIS的信号处理电路760，如读出电路。如上文所描述的，信号处理电路760可以包括例如CDS 762、感测放大器764、ADC 766以及其他电路767和768。QIS的结构、操作和制作步骤的更多细节可以在于2016年8月10号由MDPI Sensors杂志出版的Eric R.Fossum等人的“The Quanta ImageSensor:Every Photon Counts[量子图像传感器：每个光子都很重要]”中找到，所述文献的内容出于所有目的通过援引以其全文并入。
如上文所描述的，基于组切割获得的感测系统可能导致图像由于切割道(以及其他结构)对传感器的物理分离而具有图像间隙。因此，由图7A中所示的基于QIS的照片感测系统700生成的图像可以具有图像间隙，因为使用了组切割用于制作这种系统。尽管图像间隙在一些应用中可能是不可接受的，但其对用于生物或化学样本分析应用(例如，核苷酸测序应用)的感测系统的性能没有影响或影响最小。对于许多生物或化学样本分析应用，基于QIS的感测系统780可以用于对从样本发射的光子进行计数。并且分析结果通常是基于与光子计数有关的信息(例如，光子强度、光子位置、光子图案等)。因此，包括多个组切割的QIS的高通量可缩放感测系统可以很容易地用于许多生物或化学样本分析应用或任何其他基于光子计数的应用，而无需进行减轻工作以消除图像的间隙或将图像的各部分缝合在一起。
图8A至图8G图示了与用于制作通量可缩放感测系统(如系统300、500A-F和700)的处理步骤相关联的截面视图。应当理解的是，图8A至图8G中所示的处理步骤可以不包括所有步骤并且可以有变化。截面视图可能未图示通量可缩放感测系统的所有元件并且可能未按比例绘制。出于说明目的，图8A至图8G中所示的制作工艺使用基于BSI的图像感测系统作为示例。应当理解的是，图8A至图8G中所示的制作工艺或其变体可以应用于上文所描述的任何感测系统，如基于FSI的图像感测系统、基于化学敏感传感器的感测系统、基于跨膜孔传感器的感测系统、基于光子检测传感器的感测系统和基于QIS的感测系统。
参考图8A，在一些实施例中，接收两个晶圆802和804用于制作通量可缩放感测系统。晶圆802可以包括半导体衬底806(例如，硅衬底)和多个传感器。图8A图示了两个这种传感器810A和810B。出于说明目的，传感器810A和810B在图8A至图8G中被图示为基于BSI的图像传感器。应当理解的是，传感器810A和810B可以是上文所描述的传感器中的任何传感器。如图8A所示，传感器810A和810B可以包括光子检测层，所述光子检测层包括多个光敏元件、过滤器、用于实施读出电路和如上文所描述的其他电路的导电层、介电层(例如，用于将导电层彼此隔离的SiO2)和/或钝化层。在一些实施例中，传感器810A和810B被制作或设置在晶圆802的两个单独的半导体管芯中，并且彼此电隔离(例如，通过场氧化物)。这些传感器的制作可以使用例如标准CMOS图像传感器(CIS)工艺或用于如上文所描述的不同类型的传感器的任何合适的工艺。
如图8A所图示的，在一些实施例中，在接收晶圆802之前，可以从晶圆802的背表面减薄晶圆802的半导体衬底806。基于BSI的图像传感器可能需要减薄背表面，但基于FSI的图像传感器或其他类型的传感器可能不需要。如上文所描述并且图3、图4和图5A所示出的，光学系统(例如，波导)可以设置在背表面上以将激发光引导到样本；并且样本可以设置在光学系统上。从样本发射的光行进到半导体衬底中的光敏元件。因此，从晶圆802的背表面减薄半导体衬底806可以减少从样本发射的光必须行进的距离。因此，可以提高传感器810A-B的光收集和检测效率。如在本公开中所使用的，晶圆的前表面是在其处或附近设置有一个或多个导电层和一个或多个介电层的表面；并且晶圆的背表面是与前表面相反的表面。背表面通常是半导体衬底表面。在一些实施例中，钝化层812可以沉积在晶圆802的减薄的背表面816上。晶圆802的减薄可以使用例如化学机械抛光或平坦化(CMP)、机械减薄和/或湿法或干法蚀刻(各向同性蚀刻或各向异性蚀刻)来执行。类似于上文所描述的那些，钝化层812可以提供对晶圆802的保护以免于液体损伤和/或机械损伤。钝化层812可以使用CVD、PVD或任何其他沉积工艺沉积。
在一些实施例中，如图8A所示，晶圆802可以与晶圆804键合。如上文所描述的，在一些实施例中，晶圆802被减薄(例如，以用于制作基于BSI的图像感测系统)并且因此可能在后续处理步骤期间破裂或受损。晶圆804可以是用于为晶圆802提供支撑以减少或消除晶圆802在后续处理步骤期间受损的可能性的载体晶圆。如图8A所示，可以在晶圆802的前表面818(例如，设置有导电层和介电层的表面)处和载体晶圆804的表面820处执行晶圆802和晶圆804的键合。应当理解的是，对于不需要减薄晶圆802的某些类型的传感器(例如，基于FSI的图像传感器)，晶圆804可以是任选的。如果晶圆802没有减薄，则其可能不需要额外的支撑，并且因此，可能不需要载体晶圆。晶圆802和804可以使用任何合适的晶圆键合技术(包括直接键合、表面活化键合、粘合剂键合、热压键合等)进行键合。
在一些实施例中，晶圆802可以与第三晶圆(未示出)堆叠。如上文所描述的，本公开中所描述的组切割技术使得感测系统能够容易地缩放或堆叠起来，以在大规模感测应用(例如，100兆-1千兆图像感测应用)中提供并行信号和数据处理。因此，两个或更多个晶圆可以堆叠成使得感测系统更加紧凑。堆叠晶圆的一个示例图示在图7E中并且在上文进行描述。例如，晶圆781(例如，检测晶圆)和晶圆783(信号处理晶圆)可以彼此堆叠以用于提供基于QIS的大规模感测系统。
在将晶圆802和804键合之后，制备所述晶圆以用于导电路径重新分布。图8A至图8C图示了用于制备用于导电路径重新分布的键合的晶圆802和804的工艺。如上文所描述的，导电路径重新分布使集成电路或设备(例如，传感器810A-B)的输入/输出焊盘(例如，焊盘814)在其他定位中可用。如图8A和图8B所示，可拆卸玻璃衬底822可以粘合地键合到晶圆802。玻璃衬底822的键合可以使用键合粘合剂823来将玻璃衬底822机械地附接到晶圆802。在一些实施例中，键合粘合剂可以是可溶的，使得在形成导电重新分布路径之后，可以将玻璃衬底822从晶圆802拆卸。
除了键合玻璃衬底822之外，制备用于导电路径重新分布的晶圆802和804还可以包括将晶圆802的一部分和晶圆804的一部分减薄。图8B-8C图示了减薄工艺之前和之后的晶圆的截面视图。在一些实施例中，如图8B所示，晶圆804可以从表面824减薄。表面824同晶圆802与晶片804之间的键合界面相反。减薄可以使用化学机械抛光或平坦化(CMP)、机械减薄和/或湿法或干法蚀刻(各向同性蚀刻或各向异性蚀刻)来执行。在一些实施例中，可以执行晶圆802的减薄以去除一定厚度或厚度范围的半导体衬底。跨晶圆802的减薄可以是各向同性的或基本上相同的。
在一些实施例中，在晶圆802的各向同性减薄之后，可以执行定向或各向异性蚀刻。例如，可以沉积第一掩模层(未示出)以限定用于各向异性蚀刻的区域826。然后可以执行各向异性蚀刻以去除限定区域826中的材料。例如，如图8C所示，各向异性蚀刻可以进一步去除晶圆804的半导体衬底的一部分、晶圆802的介电层和晶圆802的半导体衬底的一部分。各向异性蚀刻可以通过湿法蚀刻工艺或干法蚀刻工艺执行。在各向异性蚀刻工艺之后，可以去除第一掩模层(例如，光刻胶层)。
在制备用于导电路径重新分布的晶圆802和晶圆804之后，可以形成一个或多个重新分布路径。在图8C中，贯穿通孔828形成在减薄晶圆802的半导体衬底806中。形成贯穿通孔828可以通过例如对半导体衬底806的各向异性蚀刻(例如，干法蚀刻)来执行。例如，可以沉积第二掩模层以限定要从晶圆的半导体衬底806蚀刻的区域。限定的区域可以对应于导电焊盘814上方的区域。基于限定的区域，可以蚀刻晶圆802的半导体衬底806的一部分以形成贯穿通孔(例如，硅通孔)。贯穿通孔暴露导电焊盘814的至少一部分，使得焊盘814可以电耦接到重新分布层。在形成贯穿通孔之后，可以去除第二掩模层(例如，光刻胶层)。
图8D图示了沉积重新分布层830。重新分布层830包括被贯穿通孔828至少部分地包围的导体(例如，金属)。在一些实施例中，在沉积导体之前，可以沉积第三掩模层(未示出)以限定对应于一个或多个重新分布路径的预定区域。基于限定的预定区域，可以沉积一个或多个导体。导体可以是使用PVD(例如，溅射)、CVD、PECVD等沉积的基于金属的导体。重新分布层830的导体的各部分可以沉积在贯穿通孔828内部并且因此被对应的贯穿通孔828部分地包围。导体可以与设置在晶圆802的表面816处的对应导电焊盘814接触。导体可以从焊盘814延伸以将电信号重新路由到期望的区域。在重新分布层830已经沉积之后，可以去除第三掩模层。
图8E图示了形成多个导电球体818。如图8E所示，在设置球体818(例如，焊料球)之前，焊料掩模层832可以被沉积成与重新分布层830以及晶圆802和804的其他区域(例如，没有沉积重新分布层830的背表面834)接触。焊料掩模层可以是例如聚合物薄层，以用于保护重新分布层830免于氧化并且用于防止在紧密间隔的导体或球体之间形成焊料桥。接下来，可以沉积第四掩模层以限定与用于附接导电球体818的区域相对应的区域。基于限定的区域，可以蚀刻焊料掩模层以去除焊料掩模层的各部分，使得暴露重新分布层830的下方导体。重新分布层830的暴露的导体可以与球体818接触以进行电耦接。在蚀刻之后，可以去除第四掩模层。导电球体818可以设置在被限定用于附接导电球体818的区域(例如，重新分布层830的暴露的导体上方的区域)处。因此，重新分布层830将所述多个导电焊盘814电耦接到所述多个导电球体818。因此，电信号可以从焊盘814重新分布或重新路由到球体818，所述球体然后可以电耦接到外部信号处理电路。如上文所描述的，信号重新分布或重新路由使得能够对大规模感测系统进行更紧凑、有效或高效的封装，而无需使用接线键合。
图8F图示了去除可拆卸玻璃衬底822的工艺，所述可拆卸玻璃衬底粘合地键合到晶圆802。如上文所描述的，玻璃衬底822用于向键合的晶圆802和804提供支撑，使得晶圆在处理步骤期间不会破裂或受损。在完成上文所描述的工艺之后，可以通过例如溶解用于将晶圆802键合到玻璃衬底822的粘合剂来去除玻璃衬底822。
在去除玻璃衬底822之后，半导体管芯阵列可以作为一组从与经处理的晶圆804键合的经处理的晶圆802的所述多个半导体管芯进行切割。半导体管芯阵列包括与通量可缩放感测系统相关联的一组传感器。图8G图示了这种切割工艺。图8G与图2C相同或基本上相同，并且因此不重复描述。
图9是图示了用于制作通量可缩放感测系统的示例性方法900的流程图。在方法900的步骤902中，接收第一半导体晶圆(例如，图8A的晶圆802)和第二半导体晶圆(例如，图8A的晶圆804)。所述第一半导体晶圆包括半导体衬底和设置在所述半导体衬底中的多个传感器。所述多个传感器中的每个传感器设置在第一半导体晶圆的单独的半导体管芯中。
在步骤904处，将第一半导体晶圆与第二半导体晶圆键合到一起。图8B图示了这种键合工艺。
在步骤906处，制备键合的第一半导体晶圆和第二半导体晶圆以用于导电路径重新分布。图8C图示了用于制备用于导电路径重新分布的键合的晶圆的工艺。
在步骤908处，从设置在制备的第一半导体晶圆的第一表面处的多个导电焊盘到设置在制备的第二半导体晶圆的第一表面处的多个导电球体形成一个或多个重新分布路径。所述一个或多个重新分布路径被一个或多个贯穿通孔部分地包围。图8D-8E图示了重新分布路径的形成。
在步骤910处，将半导体管芯阵列作为一组从多个半导体管芯进行切割。半导体管芯阵列包括与通量可缩放感测系统相关联的一组传感器。图8F和图2C图示了组切割工艺。
应当理解，所公开的过程和/或流程图中的框的具体顺序或层次是对示例性办法的说明。基于设计偏好，应当理解的是，可以重新布置框图、过程和/或流程图中的框的具体顺序或层次。进一步地，可以组合或省略一些框。所附的方法权利要求以示例顺序呈现了各个框的要素，但是并不意味着限于所呈现的具体顺序或层次。
提供先前的描述是为了使本领域任何技术人员能够实践本文所描述的各个方面。对这些方面的各种修改对本领域技术人员而言将是显而易见的，并且本文所限定的一般原理也可以应用于其他方面。因此，权利要求不旨在限于本文所示的方面，而旨在符合与语言权利要求一致的全部范围，其中，以单数形式提及要素并不旨在意指“有且仅有一个”，而是指“一个或多个”，除非特别如此声明。词语“示例性”在本文中用来意指“用作示例、实例或说明”。本文中描述为“示例性”的任何方面不一定被解释为优于或胜过其他方面。除非特别另外声明，否则术语“一些”指的是一个或多个。如“A、B或C中的至少一个”、“A、B或C中的一个或多个”、“A、B和C中的至少一个”、“A、B和C中的一个或多个”以及“A、B、C或其任何组合”等组合包括A、B和/或C的任何组合，并且可以包括多个A、多个B或多个C。具体地，如“A、B或C中的至少一个”“A、B或C中的一个或多个”“A、B和C中的至少一个”“A、B和C中的一个或多个”以及“A、B、C或其任何组合”等组合可以是仅A、仅B、仅C、A和B、A和C、B和C或A和B和C，其中任何这种组合都可以包含A、B或C中的一个或多个成员。本领域技术人员已知或之后知道的贯穿本公开所描述的各个方面的要素的所有结构和功能等效物都通过援引明确地并入本文，并且旨在被权利要求涵盖。此外，本文中所公开的任何内容都不旨在贡献给公众，无论这样的公开是否在权利要求中被明确地叙述。词语“模块”、“机构”、“元件”、“设备”等可能无法替代词语“装置(means)”。这样，除非使用短语“用于……的装置”来明确叙述所要求保护的要素，否则不应按照35 U.S.C.§112(f)来解释所述要素。

Claims (66)

1.一种用于分析生物或化学样本的通量可缩放图像感测系统，包括：
多个图像传感器，所述多个图像传感器被配置成检测由于分析所述生物或化学样本而发射的光的至少一部分，
其中，所述多个图像传感器布置在单个半导体晶圆的多个晶圆级封装半导体管芯上；并且
其中，所述多个图像传感器中的每个图像传感器设置在所述多个晶圆级封装半导体管芯中的单独半导体管芯上，其中，相邻的晶圆级封装半导体管芯被切割道分开，并且其中，所述多个晶圆级封装半导体管芯和多个切割道被布置成使得所述多个晶圆级封装半导体管芯能够作为一组从所述单个半导体晶圆进行切割。
2.如权利要求1所述的系统，其中，所述多个图像传感器中的图像传感器的数量是基于所述通量可缩放图像感测系统的通量缩放要求并且基于所述多个图像传感器中的每个图像传感器的通量容量来确定的。
3.如权利要求1和2中任一项所述的系统，其中，所述多个图像传感器中的图像传感器彼此电隔离。
4.如权利要求1至3中任一项所述的系统，其中，所述多个图像传感器中的至少一个图像传感器包括至少部分地包围重新分布层的导体的贯穿通孔，所述导体电耦接导电焊盘和对应的导电球体，其中，所述导电焊盘设置在所述单个半导体晶圆的第一表面处，并且所述导电球体设置在所述单个半导体晶圆的第二表面处。
5.如权利要求4所述的系统，其中，所述多个图像传感器包括基于硅的CMOS图像传感器，其中，所述贯穿通孔是一个或多个硅通孔，并且其中，所述导电焊盘和所述导电球体仅通过所述重新分布层的对应导体电耦接。
6.如权利要求1至5中任一项所述的系统，其中，所述多个图像传感器中的每个图像传感器包括：
光子检测层，所述光子检测层包括多个光敏元件；以及
多个导电层，其中，所述多个导电层被设置成比所述多个光敏元件距所述生物或化学样本更远。
7.如权利要求6所述的系统，其中，所述光子检测层被配置成：
检测由于分析所述生物或化学样本而发射的光的所述至少一部分中的光子；以及
基于检测到的光子生成电信号，其中，所述多个导电层被配置成将所述光敏元件电耦接到导电焊盘。
8.如权利要求1至7中任一项所述的系统，进一步包括信号处理电路，所述信号处理电路电耦接到所述多个图像传感器中的每个图像传感器，所述信号处理电路被配置成独立于其他图像传感器处理由所述图像传感器的多个光敏元件生成的电子信号。
9.如权利要求8所述的系统，其中，所述信号处理电路包括滚动快门，其中，所述滚动快门使得能够顺序地读出由所述图像传感器的所述多个光敏元件生成的电信号。
10.如权利要求8所述的系统，其中，所述信号处理电路包括全局快门，其中，所述全局快门使得能够基本上并发地读出由所述图像传感器的所述多个光敏元件生成的电信号。
11.如权利要求8所述的系统，其中，所述信号处理电路包括事件触发型快门，所述事件触发型快门包括检测电路，所述检测电路被配置成：
将所述图像传感器的所述多个光敏元件的一个或多个电压输出与阈值电压进行比较；以及
基于所述比较的结果选择性地读出由所述多个光敏元件生成的电信号。
12.如权利要求1至11中任一项所述的系统，进一步包括单个光学波导，所述单个光学波导跨所述图像传感器所布置于的所述多个晶圆级封装半导体管芯设置，其中，所述单个光学波导被配置成沿所述单个光学波导的纵向方向输送激发光，并且其中，所述单个光学波导包括与所述图像传感器所布置于的所述多个晶圆级封装半导体管芯接触的基本上平坦的表面。
13.如权利要求12所述的系统，进一步包括：
过滤器，所述过滤器设置在所述单个光学波导与所述多个图像传感器中的至少一个图像传感器之间，其中，所述过滤器被配置成去除具有第一波长范围的实质部分的光，其中，所述第一波长范围不同于与由于分析所述生物或化学样本而发射的所述光相关联的一个或多个波长范围。
14.如权利要求12和13中任一项所述的系统，进一步包括：
流体反应通道，所述流体反应通道部分地由所述单个光学波导界定，其中，所述流体反应通道被配置成交换用于分析所述生物或化学样本的液体试剂，并且其中，所述流体反应通道包括与所述单个光学波导接触的基本上平坦的表面。
15.如权利要求1至5中任一项所述的系统，进一步包括：
光学元件，所述光学元件与多个微透镜相关联，其中，所述多个微透镜中的至少一些相邻微透镜被一个或多个开口分开，所述一个或多个开口被配置成接收所述生物或化学样本；
其中，所述多个图像传感器中的每个图像传感器包括：
光子检测层，所述光子检测层包括多个光敏元件；
多个导电层，其中，所述多个导电层被设置成比所述多个光敏元件距所述生物或化学样本更远；以及
过滤器，所述过滤器设置在所述多个光敏元件与同所述多个微透镜相关联的所述光学元件之间。
16.如权利要求15所述的系统，其中，由于分析所述生物或化学样本而发射的光包括化学发光光。
17.如权利要求15和16中任一项所述的系统，进一步包括：
钝化层，所述钝化层被设置成与所述过滤器接触；
第一导电层，所述第一导电层被设置成与所述钝化层接触，所述第一导电层是基本上平坦的；以及
第二导电层，所述第二导电层设置在所述第一导电层和所述多个微透镜上方，其中，所述第二导电层弯曲以将由于分析所述生物或化学样本而发射的光的所述至少一部分引导到所述过滤器，并且其中，所述第一金属层和所述第二金属层在所述一个或多个开口处中断。
18.如权利要求1至5中任一项所述的系统，其中，所述多个图像传感器中的每个图像传感器包括：
光子检测层，所述光子检测层包括多个光敏元件；
过滤器，所述过滤器包括平坦部分和过滤器突起，其中，所述过滤器突起被配置成提供将由于分析所述生物或化学样本而发射的所述光的至少一部分引导到所述多个光敏元件的过滤器通道；以及
多个导电层，所述多个导电层设置在所述多个光敏元件与所述过滤器层的所述平坦部分之间。
19.如权利要求18所述的系统，进一步包括：
钝化层，所述钝化层被设置成与所述过滤器层的所述平坦部分接触；以及
流体反应通道，所述流体反应通道被设置成跨所述多个图像传感器与钝化层接触，其中，所述流体反应通道被配置成交换用于分析所述生物或化学样本的液体试剂，并且其中，由于分析所述生物或化学样本而发射的光的所述至少一部分是由于激光激发所述生物或化学样本而发射的荧光光。
20.一种用于分析生物或化学样本的通量可缩放化学感测系统，包括：
多个化学敏感传感器，所述多个化学敏感传感器被配置成检测离子浓度，
其中，所述多个化学敏感传感器布置在单个半导体晶圆的多个晶圆级封装半导体管芯上，并且
其中，所述多个化学敏感传感器中的每个化学敏感传感器设置在所述多个晶圆级封装半导体管芯中的单独晶圆级封装半导体管芯上，其中，相邻的晶圆级封装半导体管芯被切割道分开，并且其中，所述多个晶圆级封装半导体管芯和多个切割道被布置成使得所述多个晶圆级封装半导体管芯能够作为一组从所述单个半导体晶圆进行切割，并且
其中，所述多个化学敏感传感器中的至少一个化学敏感传感器包括：
多个离子敏感场效应晶体管(ISFET)，所述多个ISFET中的至少一个ISFET包括半导体衬底、设置在所述半导体衬底上方的浮栅结构和设置在所述浮栅结构上方的介电层，其中，一个或多个阱设置在所述介电层上方或至少部分地设置在所述介电层内部，其中，所述生物或化学样本的至少一部分能够设置在所述一个或多个阱内部。
21.如权利要求20所述的系统，其中，所述多个化学敏感传感器中的化学敏感传感器的数量是基于所述通量可缩放系统的通量缩放要求并且基于所述多个化学敏感传感器中的每个化学敏感传感器的通量容量来确定的。
22.如权利要求20和21中任一项所述的系统，其中，所述多个化学敏感传感器中的所述化学敏感传感器彼此电隔离。
23.如权利要求20至22中任一项所述的系统，其中，所述多个化学敏感传感器中的所述至少一个化学敏感传感器进一步包括至少部分地包围重新分布层的导体的贯穿通孔，所述导体电耦接导电焊盘和对应的导电球体，其中，所述导电焊盘设置在所述单个半导体晶圆的第一表面处，并且所述导电球体设置在所述单个半导体晶圆的第二表面处。
24.如权利要求23所述的系统，其中，所述多个化学敏感传感器包括硅基底传感器，其中，所述贯穿通孔是一个或多个硅通孔，并且其中，所述导电焊盘和所述导电球体仅通过所述重新分布层的对应导体电耦接。
25.如权利要求20至24中任一项所述的系统，其中，所述浮栅结构包括：
第一导电层，所述第一导电层被设置成与所述介电层接触；
多晶硅栅极；以及
一个或多个中间导电层，所述一个或多个中间导电层设置在所述第一导电层与所述多晶硅栅极之间。
26.如权利要求25所述的系统，其中，所述第一导电层包括尺寸与一个或多个阱的尺寸基本上相同的各部分。
27.如权利要求25和26中任一项所述的系统，其中，所述介电层包括氮化硅(Si3N4)、氮氧化硅(Si2N2O)、氧化硅(SiO2)、氧化铝(Al2O3)、五氧化二钽(Ta2O5)、氧化锡或二氧化锡(SnO2)中的至少一种。
28.一种用于分析生物或化学样本的通量可缩放感测系统，包括：
多个基于跨膜孔的传感器，所述多个基于跨膜孔的传感器被配置成检测由于分析所述生物或化学样本而致的电流变化，
其中，所述多个基于跨膜孔的传感器布置在单个半导体晶圆的多个晶圆级封装半导体管芯上，并且
其中，所述多个基于跨膜孔的传感器中的每个基于跨膜孔的传感器设置在所述多个晶圆级封装半导体管芯中的单独晶圆级封装半导体管芯上，其中，相邻的晶圆级封装半导体管芯被切割道分开，并且其中，所述多个晶圆级封装半导体管芯和多个切割道被布置成使得所述多个晶圆级封装半导体管芯能够作为一组从所述单个半导体晶圆进行切割，并且
其中，所述一组基于跨膜孔的传感器中的至少一个基于跨膜孔的传感器包括：
半导体衬底，
一个或多个检测电极，所述一个或多个检测电极设置在所述半导体衬底上方，所述一个或多个检测电极能够检测所述电流变化，
脂质双层，所述脂质双层设置在所述一个或多个检测电极上方，所述脂质双层包括被定位成与所述一个或多个检测电极的位置相对应的一个或多个跨膜孔。
29.如权利要求28所述的系统，其中，所述多个基于跨膜孔的传感器中的基于跨膜孔的传感器的数量是基于所述通量可缩放系统的通量缩放要求并且基于所述多个基于跨膜孔的传感器中的每个基于跨膜孔的传感器的通量容量来确定的。
30.如权利要求28和29中任一项所述的系统，其中，所述多个基于跨膜孔的传感器中的所述基于跨膜孔的传感器彼此电隔离。
31.如权利要求28至30中任一项所述的系统，其中，所述一组基于跨膜孔的传感器中的所述至少一个基于跨膜孔的传感器进一步包括至少部分地包围重新分布层的导体的贯穿通孔，所述导体电耦接导电焊盘和对应的导电球体，其中，所述导电焊盘设置在所述单个半导体晶圆的第一表面处，并且所述导电球体设置在所述单个半导体晶圆的第二表面处。
32.如权利要求31所述的系统，其中，所述多个基于跨膜孔的传感器是硅基底传感器，其中，所述贯穿通孔是一个或多个硅通孔，并且其中，所述导电焊盘和所述导电球体仅通过所述重新分布层的对应导体电耦接。
33.如权利要求28至32中任一项所述的系统，其中，所述一个或多个跨膜孔包括蛋白质孔、多核苷酸孔和固态孔中的至少一种。
34.如权利要求28至33中任一项所述的系统，其中，所述脂质双层包括平面脂质双层、支撑双层或脂质体中的至少一种。
35.如权利要求28至34中任一项所述的系统，其中，所述多个基于跨膜孔的传感器中的所述至少一个基于跨膜孔的传感器进一步包括钝化层，所述钝化层包括一个或多个开口，其中，所述一个或多个检测电极设置在所述钝化层的所述一个或多个开口内。
36.一种用于分析生物或化学样本的通量可缩放光子感测系统，包括：
多个光子检测传感器，所述多个光子检测传感器被配置成基于所述生物或化学样本执行单分子分析，
其中，所述多个光子检测传感器布置在单个半导体晶圆的多个晶圆级封装半导体管芯上，
其中，所述多个光子检测传感器中的每个光子检测传感器设置在所述多个晶圆级封装半导体管芯中的单独晶圆级封装半导体管芯上，其中，相邻的晶圆级封装半导体管芯被切割道分开，并且其中，所述多个晶圆级封装半导体管芯和多个切割道被布置成使得所述多个晶圆级封装半导体管芯能够作为一组从所述单个半导体晶圆进行切割；以及
第一光学波导，所述第一光学波导被配置成沿所述第一光学波导的纵向方向输送激发光，
一个或多个第二光学波导，所述一个或多个第二光学波导设置在所述第一光学波导上方，
一个或多个阱，所述一个或多个阱设置在所述一个或多个第二光学波导中，所述一个或多个阱被配置成接收所述生物或化学样本，以及
一个或多个导光通道，所述一个或多个导光通道被配置成将由于所述单分子分析而发射的光子引导到所述多个光子检测传感器中的一个或多个对应光子检测传感器。
37.如权利要求36所述的系统，其中，所述多个光子检测传感器中的光子检测传感器的数量是基于所述通量可缩放系统的通量缩放要求并且基于所述多个光子检测传感器中的每个光子检测传感器的通量容量来确定的。
38.如权利要求36和37中任一项所述的系统，其中，所述多个光子检测传感器彼此电隔离。
39.如权利要求36至38中任一项所述的系统，其中，所述多个光子检测传感器中的所述至少一个光子检测传感器进一步包括至少部分地包围重新分布层的导体的贯穿通孔，所述导体电耦接导电焊盘和对应的导电球体，其中，所述导电焊盘设置在所述单个半导体晶圆的第一表面处，并且所述导电球体设置在所述单个半导体晶圆的第二表面处。
40.如权利要求39所述的系统，其中，所述多个光子检测传感器是硅基底传感器，其中，所述贯穿通孔是一个或多个硅通孔，并且其中，所述导电焊盘和所述导电球体仅通过所述重新分布层的对应导体电耦接。
41.如权利要求36至40中任一项所述的系统，其中，所述一个或多个导光通道包括反射锥、反射光学透镜或衍射光学透镜中的至少一种。
42.如权利要求36至41中任一项所述的系统，其中，所述第一光学波导是跨所述多个光子检测传感器设置的单个光学波导，并且其中，所述第一光学波导包括与所述导光通道接触的基本上平坦的表面；并且其中，所述一个或多个第二光学波导是零模波导。
43.如权利要求36至42中任一项所述的系统，其中，所述多个光子检测传感器中的至少一个光子检测传感器包括：
多个光敏元件；
过滤器，所述过滤器设置在所述导光通道与所述至少一个光子检测传感器的多个光敏元件之间，其中，所述过滤器包括允许具有不同波长范围的光行进到所述多个光敏元件中的不同对应光敏元件的多个部分。
44.一种用于分析生物或化学样本的通量可缩放光子感测系统，包括：
多个光子检测传感器，所述多个光子检测传感器被配置成基于所述生物或化学样本执行单分子或簇测序分析，
其中，所述多个光电子计数传感器布置在单个半导体晶圆的多个晶圆级封装半导体管芯上，
其中，所述多个光子检测传感器中的每个光子检测传感器设置在所述多个晶圆级封装半导体管芯中的单独晶圆级封装半导体管芯上，其中，相邻的晶圆级封装半导体管芯被切割道分开，并且其中，所述多个晶圆级封装半导体管芯和多个切割道被布置成使得所述多个晶圆级封装半导体管芯能够作为一组从所述单个半导体晶圆进行切割，并且
其中，所述多个光子检测传感器中的至少一个光子检测传感器包括：
多个亚衍射极限(SDL)光敏元件，每个SDL光敏元件对单个光电子敏感，并且其中，单个图像像素是基于由SDL光敏元件生成的一个或多个二维或三维输出阵列生成的。
45.如权利要求44所述的系统，其中，所述多个光子检测传感器中的光子检测传感器的数量是基于所述通量可缩放系统的通量缩放要求并且基于所述多个光子检测传感器中的每个光子检测传感器的通量容量来确定的。
46.如权利要求44和45中任一项所述的系统，其中，所述至少一个光子检测传感器的输出图像像素大小是能够编程的。
47.如权利要求44至46中任一项所述的系统，其中，所述多个光子检测传感器中的所述至少一个光子检测传感器进一步包括至少部分地包围重新分布层的导体的贯穿通孔，所述导体电耦接导电焊盘和对应的导电球体，其中，所述导电焊盘设置在所述单个半导体晶圆的第一表面处，并且所述导电球体设置在所述单个半导体晶圆的第二表面处。
48.如权利要求47所述的系统，其中，所述多个光子检测传感器是硅基底传感器，其中，所述贯穿通孔是一个或多个硅通孔，并且其中，所述导电焊盘和所述导电球体仅通过所述重新分布层的对应导体电耦接。
49.如权利要求44至48中任一项所述的系统，其中，所述多个SDL光敏元件中的SDL光敏元件包括：
电荷转移栅极，所述电荷转移栅极设置在所述多个晶圆级封装半导体管芯中的晶圆级封装半导体管芯的半导体衬底上方；
钉扎光电二极管，所述钉扎光电二极管设置在所述半导体衬底中处于所述电荷转移栅极的第一侧；以及
一个或多个浮置扩散节点，所述一个或多个浮置扩散节点设置在所述半导体衬底中处于所述电荷转移栅极的第二侧，其中，所述一个或多个电荷转移栅极、所述一个或多个钉扎光电二极管和所述一个或多个浮置扩散节点的组合使得电荷能够从所述第一侧转移到所述第二侧。
50.如权利要求49所述的系统，其中，所述电荷转移栅极和所述浮置扩散节点在空间上不重叠。
51.如权利要求49和50中任一项所述的系统，其中，所述多个SDL光敏元件中的所述SDL光敏元件进一步包括源极跟随器电路。
52.如权利要求44至51中任一项所述的系统，进一步包括信号处理电路，所述信号处理电路包括：
相关双采样电路，所述相关双采样电路被配置成对更多个SDL光敏元件之一的输出电压信号进行采样；
感测放大器，所述感测放大器电耦接到所述相关双采样电路；以及
模数转换器，所述模数转换器被配置成接收所述感测放大器的输出信号。
53.如权利要求44至52中任一项所述的系统，其中，所述单个半导体晶圆是第一半导体衬底，所述系统进一步包括：多个读出电路，所述多个读出电路设置在第二半导体晶圆的多个晶圆级封装半导体管芯上，所述第二半导体晶圆电耦接到所述第一半导体晶圆。
54.一种用于制作通量可缩放感测系统的方法，包括：
接收第一半导体晶圆和第二半导体晶圆，其中，所述第一半导体晶圆包括半导体衬底和设置在所述半导体衬底中的多个传感器，其中，所述多个传感器中的每个传感器设置在所述第一半导体晶圆的单独晶圆级封装半导体管芯中；
将所述第一半导体晶圆键合到所述第二半导体晶圆；
制备键合的第一半导体晶圆和所述第二半导体晶圆以用于导电路径重新分布；
形成从设置在制备的第一半导体晶圆的第一表面处的多个导电焊盘到设置在制备的第二半导体晶圆的第一表面处的多个导电球体的一个或多个重新分布路径，所述一个或多个重新分布路径被一个或多个贯穿通孔部分地包围；以及
将晶圆级封装半导体管芯阵列作为一组从所述多个晶圆级封装半导体管芯进行切割，其中，所述晶圆级封装半导体管芯阵列包括与所述通量可缩放感测系统相关联的一组传感器。
55.如权利要求54所述的方法，进一步包括：在接收所述第一半导体晶圆和所述第二半导体晶圆之前：
从所述第一半导体晶圆的背表面减薄所述第一半导体晶圆的所述半导体衬底，其中，所述第一半导体晶圆的所述背表面是与所述第一半导体晶圆的前表面相反的表面，其中，所述第一半导体晶圆的所述前表面设置有一个或多个导电层和一个或多个介电层；以及
在所述第一半导体晶圆的减薄的背表面上沉积钝化层。
56.如权利要求54和55中任一项所述的方法，进一步包括：第三半导体晶圆，所述第三半导体晶圆与所述第一半导体晶圆堆叠，其中，所述第三半导体晶圆包括信号处理电路。
57.如权利要求54至56中任一项所述的方法，其中，将所述第一半导体晶圆键合到所述第二半导体晶圆包括：在所述第一半导体晶圆的第二表面和所述第二半导体晶圆的第二表面处执行晶圆键合，其中，所述第一半导体晶圆的所述第二表面设置有一个或多个导电层和一个或多个介电层。
58.如权利要求54至57中任一项所述的方法，其中，制备所述键合的第一半导体晶圆和所述第二半导体晶圆以用于导电路径重新分布包括：
将可拆卸玻璃衬底粘合地键合到所述第一半导体晶圆；以及
减薄所述第一半导体晶圆的一部分和所述第二半导体晶圆的一部分。
59.如权利要求54至58中任一项所述的方法，其中，减薄所述第一半导体晶圆的一部分和所述第二半导体晶圆的一部分包括：
从与所述第一半导体晶圆与所述第二半导体晶圆之间的键合界面相反的表面减薄所述第二半导体晶圆；
沉积限定所述第一半导体晶圆的第一预定区域的第一掩模层；
基于限定的第一预定区域对所述第一半导体晶圆的一部分和减薄的第二半导体晶圆的一部分进行蚀刻，其中，所述第一半导体晶圆的被蚀刻的所述一部分包括相邻晶圆级封装半导体管芯之间的区域；以及
去除所述第一掩模层。
60.如权利要求54至59中任一项所述的方法，其中，形成从设置在所述制备的第一半导体晶圆的所述第一表面处的所述多个导电焊盘到设置在所述制备的第二半导体晶圆的所述第一表面处的所述多个导电球体的所述一个或多个重新分布路径包括：
在所述制备的第一半导体晶圆的所述半导体衬底中形成贯穿通孔；
沉积重新分布层，其中，所述重新分布层包括至少部分地被所述贯穿通孔包围的导体；以及
在所述制备的第二半导体晶圆的所述第一表面处形成多个导电球体，其中，所述重新分布层将所述多个导电焊盘电耦接到所述多个导电球体。
61.如权利要求60所述的方法，其中，在所述制备的第一半导体晶圆的所述半导体衬底中形成贯穿通孔包括：
沉积限定所述第一半导体晶圆的第二预定区域的第二掩模层；
基于限定的第二预定区域对所述第一半导体晶圆的所述半导体衬底的一部分进行蚀刻，其中，所述第一半导体晶圆的所述半导体衬底的被蚀刻的所述一部分包括与所述导电焊盘相对应的区域；以及
去除所述第二掩模层。
62.如权利要求60和61中任一项所述的方法，其中，沉积所述重新分布层包括：
沉积限定与所述一个或多个重新分布路径相对应的第三预定区域的第三掩模层；
基于限定的第三预定区域沉积一个或多个导体，其中，所述一个或多个导体被对应贯穿通孔部分地包围，并且其中，所述一个或多个导体与设置在所述制备的第一半导体晶圆的所述第一表面处的对应导电焊盘接触；以及
去除所述第三掩模层。
63.如权利要求60至62中任一项所述的方法，其中，在所述制备的第二半导体晶圆的所述第一表面处形成多个导电球体包括：
沉积与所述一个或多个重新分布层接触的焊料掩模层；
沉积限定与用于附接所述导电球体的区域相对应的第四预定区域的第四掩模层；
基于所述第四预定区域对所述焊料掩模层进行蚀刻；
去除所述第四掩模层；以及
将所述导电球体设置在被限定用于附接所述导电球体的区域处。
64.如权利要求54至63中任一项所述的方法，其中，将所述晶圆级封装半导体管芯阵列作为一组从所述多个晶圆级封装半导体管芯进行切割包括：
去除粘合地键合到所述第一半导体晶圆的可拆卸玻璃衬底；以及
基于所述通量可缩放感测系统所需的预定传感器数量将所述晶圆级封装半导体管芯阵列作为一组进行切割。
65.如权利要求64所述的方法，其中，基于所述通量可缩放感测系统所需的所述预定传感器数量将所述晶圆级封装半导体管芯阵列作为一组进行切割包括：
基于所述单个半导体晶圆的晶圆级封装半导体管芯的总数量并且基于所述通量可缩放感测系统所需的所述预定传感器数量来确定组切割计划；以及
基于所述组切割计划将所述晶圆级封装半导体管芯阵列作为一组从所述多个晶圆级封装半导体管芯进行切割。
66.如权利要求54至65中任一项所述的方法，进一步包括：在将所述晶圆级封装半导体管芯阵列作为一组从所述多个晶圆级封装半导体管芯进行切割之前：
确定所述通量可缩放感测系统的通量缩放要求；
确定所述多个传感器中的每个传感器的通量容量；以及
基于所述通量缩放要求和所述通量容量确定所述通量可缩放感测系统所需的所述预定传感器数量，其中，所述通量可缩放感测系统所需的所述预定传感器数量对应于所述一组中的晶圆级封装半导体管芯的数量。
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