CN214122090U - 生物传感器芯片的针尖结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种生物传感器芯片的针尖结构，包括多个检测部件，每个所述检测部件包括探针信号传导层以及位于所述探针信号传导层上方的探针，每个所述检测部件还包括位于所述探针信号传导层与所述探针之间的探针应力缓冲导电层。通过在探针与探针信号传导层之间增加探针应力缓冲导电层用于改善应力匹配问题，从而使探针在水平面上不会出现高低不平的现象，保证探针能够同时检测信号。探针应力缓冲导电层选用与探针以及探针信号传导层导电性能近似的金属，不会影响到信号的传递。

Description

生物传感器芯片的针尖结构

技术领域

本实用新型涉及集成电路制造技术领域，特别涉及一种生物传感器芯片的针尖结构。

背景技术

生物传感器芯片，可应用于血液检测或环境检测。当被检测物质如血液等与生物传感器芯片的针尖结构的探针上的受体物质接触时，会产生电化学反应。生物传感器芯片的探针具有高度的灵敏性，微弱的电信号被检测到后通过探针传递到分析模块进行分析，从而达到疾病检测或者环境监测的目的。相较于传统工艺，采用集成电路制造技术制造生物传感器芯片的针尖结构能够极大地降低制造成本，以及增大单位面积内的探针数量，有利于提高检测的灵敏性和准确性。在制造生物传感器芯片的针尖结构的过程中，一般采用探针与探针传导金属直连的结构，用于传导信号。然而，探针与探针传导金属的物理接触所产生的应力会导致探针传导金属产生形变，影响片内厚度均一性。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种生物传感器芯片的针尖结构，以解决探针与探针传导金属的物理接触所产生的应力导致探针传导金属产生形变的问题。

为解决上述技术问题，本实用新型提供一种生物传感器芯片的针尖结构，包括多个检测部件，每个所述检测部件包括探针信号传导层以及位于所述探针信号传导层上方的探针，每个所述检测部件还包括位于所述探针信号传导层与所述探针之间的探针应力缓冲导电层。

可选的，多个检测部件阵列排布形成检测部件组，多个检测部件组呈阵列分布。

可选的，所述探针为TiN层。

可选的，所述探针应力缓冲导电层为Ti层、Ag层、Au层或者Pt层。

可选的，所述探针应力缓冲导电层的厚度包括100埃～300埃。

可选的，所述探针信号传导层为AlCu层、AlSi层或者AlSiCu层。

可选的，还包括若干个信号导出部件，每个所述检测部件组与一个所述信号导出部件电连接或者多个所述检测部件组与一个所述信号导出部件电连接。

可选的，每个所述信号导出部件包括焊盘信号传导层、位于所述焊盘信号传导层上方的焊盘以及位于所述焊盘信号传导层与所述焊盘之间的焊盘应力缓冲导电层。

可选的，所述检测部件和信号导出部件均位于一衬底上，所述检测部件通过所述探针信号传导层与对应的所述信号导出部件的所述焊盘信号传导层电连接。

可选的，所述检测部件与所述信号导出部件之间设置有绝缘层，所述绝缘层覆盖所述衬底、所述探针信号传导层、所述焊盘信号传导层、所述探针应力缓冲导电层、所述焊盘应力缓冲导电层以及部分所述探针和部分所述焊盘。

可选的，所述探针的顶面以及所述焊盘的顶面高于所述绝缘层。

可选的，所述绝缘层包括第一绝缘层和第二绝缘层。

可选的，所述第一绝缘层为氮化硅层，所述第二绝缘层为氧化硅层。

可选的，所述焊盘为TiN层。

可选的，所述焊盘应力缓冲导电层为Ti层、Ag层、Au层或者Pt层。

可选的，所述焊盘信号传导层为AlCu层、AlSi层或者AlSiCu层。

可选的，所述检测部件、所述信号导出部件与所述衬底之间设置有隔离层。

可选的，所述焊盘、所述焊盘应力缓冲导电层以及所述焊盘信号传导层的横截面形状和尺寸相同。

可选的，所述探针横截面形状是方形或圆形，所述焊盘的横截面形状是方形，且所述探针的横截面尺寸小于所述焊盘的横截面尺寸。

可选的，所述探针应力缓冲导电层与所述探针的横截面形状和尺寸相同，且所述探针应力缓冲导电层与所述探针的横截面尺寸均小于所述探针信号传导层的横截面尺寸。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果如下：

本实用新型提供的生物传感器芯片的针尖结构，在探针与探针信号传导层之间增加探针应力缓冲导电层，用于改善应力匹配问题，从而使探针在水平面上不会出现高低不平的现象，保证探针能够同时检测信号。进一步的，探针应力缓冲导电层选用与探针以及探针信号传导层导电性能近似的金属，不会影响到信号的传递。

附图说明

图1是本实用新型实施例的生物传感器芯片的针尖结构剖面示意图；

图2至图7是本实用新型实施例的生物传感器芯片的针尖结构形成过程中的剖面结构示意图；

图中，

11-检测部件；

12-信号导出部件；

100-衬底；

101-隔离层；

102-第一金属层；102a-探针信号传导层；102b-焊盘信号传导层；

103-应力缓冲导电层；103a-探针应力缓冲导电层；103b-焊盘应力缓冲导电层；

104-第二金属层；104a-探针；104b-焊盘；

105-绝缘层；105a-第一绝缘层；105b-第二绝缘层；

106-第一硬掩膜层；106’-图形化的第一硬掩膜层；

107-第二硬掩模层；107’-图形化的第二硬掩模层。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本实用新型提出的生物传感器芯片的针尖结构作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本实用新型的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本实用新型实施例的目的。

图1是本实用新型实施例的生物传感器芯片的针尖结构剖面示意图。如图1所示，本实施例提供一种生物传感器芯片的针尖结构，包括多个检测部件11，多个所述检测部件11阵列排布形成检测部件组，多个所述检测部件组呈阵列分布。所述检测部件组例如为128*128的检测部件的阵列，本实施对此不予限制，检测部件数量越多，灵敏度越高；每个所述检测部件11包括探针信号传导层102a以及位于所述探针信号传导层上方的探针104a，每个所述检测部件11还包括位于所述探针信号传导层102a与所述探针104b之间的探针应力缓冲导电层103a。所述探针信号传导层102a例如是AlCu(铝铜合金)层、AlSi(铝硅合金)层或者AlSiCu(铝硅铜合金)层。所述探针信号传导层102a的厚度例如包括3000埃～5000埃。

所述探针应力缓冲导电层103a位于所述探针信号传导层102a和探针104a之间，避免所述探针信号传导层102a与探针104a直接接触，缓解了应力导致的形变问题，进而改善探针阵列的厚度均一性，从而使探针阵列在水平面上不会出现高低不平的现象，有利于确保探针阵列能够同时检测信号。较佳的，所述探针应力缓冲导电层103a选用与所述探针104a以及所述探针信号传导层102a的导电性能相近的材料，由此有利于确保信号的传递性能。所述探针应力缓冲导电层103a例如是Ti层、Ag层、Au层或者Pt层。所述探针应力缓冲导电层103a的厚度例如包括100埃～300埃。

所述探针104a的顶面形状例如是正方形或圆形，所述正方形的边长例如包括0.15μm～0.25μm，所述圆形的直径例如包括0.15μm～0.25μm。所述探针104a的针尖用于检测电磁信号，所述探针104a携带受体物质，当被检测的抗原与抗体结合，或者水质检测中发生电化学反应时，探针104a上的受体物质会产生电化学反应生成电信号。所述探针104a例如是TiN层。所述探针104a的厚度例如包括1500埃～2500埃。

所述生物传感器芯片的针尖结构还包括若干个信号导出部件12，每个所述检测部件组与一个所述信号导出部件12电连接，或者多个所述检测部件组与一个所述信号导出部件12电连接。在本实施例中，生物传感器芯片的针尖结构包括多个检测部件组，即多个探针104a呈阵列排布形成探针组，可以一个探针组连接到一个焊盘(所述信号导出部件12的焊盘104b)，形成一个单元，也可以多个探针组连接到一个焊盘，形成一个单元，所述生物传感器芯片的针尖结构中包含多个单元。每个所述信号导出部件12包括焊盘信号传导层102b、位于所述焊盘信号传导层上方的焊盘104b以及位于所述焊盘信号传导层102b与所述焊盘104b之间的焊盘应力缓冲导电层103b。由于在焊盘104b与焊盘信号传导层102b之间增加了探针焊盘应力缓冲导电层103b，可以缓解焊盘104b与焊盘信号传导层102b之间的应力，进而改善焊盘的厚度均一性，从而使焊盘在水平面上不会出现高低不平的现象。焊盘应力缓冲导电层103b优选采用与焊盘104b以及焊盘信号传导层102b导电性能近似的金属，不会影响到信号的传递。

所述焊盘104b用于将电信号传出，所述焊盘104b例如是TiN层，所述焊盘的厚度例如包括1500埃～2500埃。

所述焊盘应力缓冲导电层103b例如为Ti层、Ag层、Au层或者Pt层；所述焊盘应力缓冲导电层103b厚度例如包括100埃～300埃。

所述焊盘信号传导层102b例如为AlCu层、AlSi层或者AlSiCu层；所述焊盘信号传导层102b的厚度例如包括3000埃～5000埃。

所述检测部件11和信号导出部件12均形成于衬底100上，所述检测部件11通过所述探针信号传导层102a与对应的所述信号导出部件12的所述焊盘信号传导层102b电连接。

所述探针信号传导层102a和焊盘信号传导层102b的沿衬底厚度方向的截面形状例如是长方形或梯形，即所述探针信号传导层102a和焊盘信号传导层102b的立体形状例如是长方体、圆柱、棱台或者棱柱。所述探针104a的横截面形状例如是圆形或方形，所述焊盘104b的横截面形状例如是方形，且所述探针104a的横截面尺寸小于所述焊盘104b的横截面尺寸。所述探针应力缓冲导电层103a与所述探针104a的横截面形状和尺寸相同，且小于所述探针信号传导层102a的横截面尺寸。所述焊盘104b、所述焊盘应力缓冲导电层103b以及焊盘信号传导层102b的横截面形状和尺寸相同。

所述检测部件11与所述信号导出部件12之间设置有绝缘层105，所述绝缘层105覆盖所述衬底100、所述探针信号传导层102a、所述焊盘信号传导层102b、所述探针应力缓冲导电层103a、所述焊盘应力缓冲导电层103b以及部分所述探针104a和部分所述焊盘104b；所述绝缘层105将所述探针104a与所述探针104a之间以及所述探针104a与所述焊盘104b之间分隔、绝缘，防止互相干扰。所述探针104a的顶面以及所述焊盘104b的顶面高于所述绝缘层105，即，所述探针104a以及所述焊盘104b凸出于所述绝缘层105，所述探针104a的顶面凸出于所述绝缘层105的部分可称为针尖。

所述绝缘层105可是单层结构，也可以是多层堆叠结构。本实施例中，所述绝缘层105包括第一绝缘层105a和第二绝缘层105b。所述第一绝缘层105a例如是氮化硅层，所述第一绝缘层105a的厚度例如包括1500埃～3500埃，所述第一绝缘层105a可以通过化学气相沉积的方式沉积。所述第二绝缘层105b例如是氧化硅层，所述第二绝缘层105b例如包括3000埃～6000埃，所述第二绝缘层105b可以通过化学气相沉积的方式沉积。

所述检测部件11和所述信号导出部件12与所述衬底100中间还可以设置有隔离层101，所述隔离层101例如是氧化硅，所述隔离层101厚度例如包括2500埃～3500埃，所述隔离层101可以通过等离子体增强化学气相沉积(PECVD)的方式沉积。

本实施例中，所述生物传感器芯片的工作原理为：所述检测部件11的探针104a上的受体物质与生物或化学物质产生电化学反应生成电信号，经所述探针应力缓冲导电层103a进入所述探针信号传导层102a，再由所述探针信号传导层102a传输至所述信号导出部件12的所述焊盘信号传导层102b，所述电信号依次经所述焊盘信号传导层102b、所述焊盘应力缓冲导电层103b传输至所述焊盘104b，最后将电信号传输至信号输出端口。在此基础上分析模块对传递过来的信号进行接收、分析等，以达到分析检测信号的目的。由于在探针104a与探针信号传导层102a之间增加了探针应力缓冲导电层103a，可以缓解探针104a与探针信号传导层102a之间的应力，进而改善探针阵列的厚度均一性，从而使探针阵列在水平面上不会出现高低不平的现象，有利于确保探针阵列能够同时检测信号。探针应力缓冲导电层103a优选采用与探针104a以及探针信号传导层102a导电性能近似的金属，不会影响到信号的传递。

图2至图7是本实用新型实施例的生物传感器芯片的针尖结构形成过程中的结构示意图。以下结合图1～7详细介绍本实施例的生物传感器芯片的针尖结构的形成过程。

请参考图2，提供一衬底100，所述衬底100例如是P型衬底，在所述衬底100上依次沉积隔离层101、第一金属层102、应力缓冲导电层103、第二金属层104和第一硬掩模层106。

所述衬底100可以为硅衬底、硅锗衬底、碳化硅衬底、绝缘体上硅(SOI)衬底、绝缘体上锗(GOI)衬底、玻璃衬底或其他III-V族化合物衬底，本实施例对所述衬底100的材料以及结构不做限制。

所述隔离层101例如是氧化硅，所述隔离层101厚度例如包括2500埃～3500埃，所述隔离层101可以通过等离子体增强化学气相沉积(PECVD)的方式沉积。

所述第一金属层102为传导金属层，用于后续形成探针信号传导层102a和焊盘信号传导层102b。所述第一金属层102例如是AlCu层、AlSi层或者AlSiCu层。所述第一金属层102的厚度例如包括3000埃～5000埃，可以采用物理气相沉积(例如蒸发或溅射)方式沉积。

所述应力缓冲导电层103位于所述第一金属层102和第二金属层104之间，用于后续形成探针应力缓冲导电层103a和焊盘应力缓冲导电层103b。后续可避免所述探针信号传导层102a与探针104a直接接触，还可避免焊盘信号传导层102b与焊盘104b直接接触，缓解应力导致的形变问题。并且所述应力缓冲导电层103的导电性能与所述第二金属层104以及所述第一金属层102的导电性能相近，保证了信号的传递性能。所述应力缓冲导电层103例如是Ti层、Ag层、Au层或者Pt层。在本实施例中，所述应力缓冲导电层103优选为钛层，使用钛层作为应力缓冲导电层103主要是为了便于在刻蚀过程中可以一步刻蚀，即在刻蚀第二金属层104(本实施例中是TiN层)的时候可以同时将所述应力缓冲导电层103(本实施例中是Ti层)也刻蚀完毕。所述应力缓冲导电层103的厚度例如包括100埃～300埃，所述应力缓冲导电层103可以采用物理气相沉积(例如蒸发或溅射)方式沉积。

所述第二金属层104例如是TiN层，用于后续形成探针104a和焊盘104b。所述第二金属层104的厚度例如包括1500埃～2500埃。所述第二金属层104可以采用物理气相沉积(例如蒸发或溅射)方式沉积。

所述第一硬掩模层106例如是氮化硅，所述第一硬掩模层106的厚度例如包括100埃～300埃，所述第一硬掩模层106可以通过等离子体增强化学气相沉积(PECVD)方式沉积。

请参考图3，执行第一次光刻工艺，在所述第一硬掩模层106上形成图案化的光刻胶层，以所述图案化的光刻胶层为掩膜刻蚀所述第一硬掩模层106形成图案化的第一硬掩模层106’，再以图案化的第一硬掩模层106’为掩膜刻蚀所述第二金属层104和所述应力缓冲导电层103，形成探针104a和焊盘104b以及探针应力缓冲导电层103a和焊盘应力缓冲导电层103b，所述探针104a形成为阵列结构。

请参考图4，沉积第二硬掩模层107，第二硬掩模层107覆盖所述图案化的第一硬掩模层106’以及第一金属层102。所述第二硬掩模层107例如是氮化硅。所述第二硬掩模层107厚度例如包括100埃～300埃。所述第二硬掩模层107可以采用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)的方式沉积。

请参考图5，执行第二次光刻工艺，在所述第二硬掩模层107上形成图案化的光刻胶层，以所述图案化的光刻胶层为掩膜刻蚀所述第二硬掩模层107形成图案化的第二硬掩模层107’，再以图案化的第二硬掩模层107’为掩膜刻蚀第一金属层102，形成探针信号传导层102a和焊盘信号传导层102b。

请参考图6，沉积绝缘层105，本实施例中依次沉积第一绝缘层105a和第二绝缘层105b，所述第一绝缘层105a例如是氮化硅层。所述第一绝缘层105a的厚度例如包括1500埃～3500埃，所述第一绝缘层105a可以通过等离子体增强化学气相沉积(PECVD)的方式沉积。所述第二绝缘层105b例如是氧化硅层，所述第二绝缘层105b例如包括3000埃～6000埃，所述第二绝缘层105b可以通过等离子体增强化学气相沉积(PECVD)的方式沉积，所述工艺气体例如包括TEOS(正硅酸乙酯)和O₂(氧气)。

请参考图7，使用CMP(化学机械研磨工艺)进行平坦化，研磨掉所述探针104a的针尖上方所有的第二绝缘层105b后，继续研磨第一绝缘层105a，直至探针104a上方的第一绝缘层105a的剩余厚度为500埃～2000埃。

最后，请参考图1，执行第三次光刻工艺，在所述第二绝缘层105b上形成图案化的光刻胶层，以所述图案化的光刻胶层为掩膜刻蚀绝缘层105，以及探针104a和焊盘104b上方的图案化的第二硬掩模层107’和图案化的第一硬掩模层106’，暴露出所述探针104a和焊盘104b的顶面。本次刻蚀过程中，优选采用较低的功率(例如是200W～600W)，如此有利于避免发生“打火”现象(带电离子聚集速率过快，导致电荷无法及时释放，离子聚集引发放电，导致光刻胶爆裂的现象)。优选的，露出所述探针104a以及焊盘104b后，清洗去除刻蚀过程中产生的聚合物。接着，还可以回刻第一绝缘层105a和第二绝缘层105b，通过调整刻蚀量，使所述探针104a和焊盘104b的顶面露出(暴露出探针104a的部分侧面和焊盘104b的部分侧面)。所述探针104a和焊盘104b露出部分的高度包括400埃～1000埃。此时，所述探针104a和焊盘104b的未暴露部分中间仍然被绝缘层105覆盖，所述绝缘层105将探针阵列分隔、绝缘，防止互相干扰。

综上可见，在本实用新型实施例提供的生物传感器芯片的针尖结构中，通过在探针与探针信号传导层之间增加一层探针应力缓冲导电层用于改善应力匹配问题，从而使探针在水平面上不会出现高低不平的现象，保证探针能够同时检测信号。探针应力缓冲导电层采用与探针以及探针信号传导层导电性能近似的金属，不会影响到信号的传递。

上述描述仅是对本实用新型较佳实施例的描述，并非对本实用新型范围的任何限定，本实用新型领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。

Claims (20)

1.一种生物传感器芯片的针尖结构，其特征在于，包括多个检测部件，每个所述检测部件包括探针信号传导层以及位于所述探针信号传导层上方的探针，每个所述检测部件还包括位于所述探针信号传导层与所述探针之间的探针应力缓冲导电层。

2.如权利要求1所述的生物传感器芯片的针尖结构，其特征在于，多个检测部件阵列排布形成检测部件组，多个检测部件组呈阵列分布。

3.如权利要求1所述的生物传感器芯片的针尖结构，其特征在于，所述探针为TiN层。

4.如权利要求1所述的生物传感器芯片的针尖结构，其特征在于，所述探针应力缓冲导电层为Ti层、Ag层、Au层或者Pt层。

5.如权利要求1所述的生物传感器芯片的针尖结构，其特征在于，所述探针应力缓冲导电层的厚度包括100埃～300埃。

6.如权利要求1所述的生物传感器芯片的针尖结构，其特征在于，所述探针信号传导层为AlCu层、AlSi层或者AlSiCu层。

7.如权利要求1所述的生物传感器芯片的针尖结构，其特征在于，还包括多个信号导出部件，每个所述检测部件组与一个所述信号导出部件电连接或者多个所述检测部件组与一个所述信号导出部件电连接。

8.如权利要求7所述的生物传感器芯片的针尖结构，其特征在于，每个所述信号导出部件包括焊盘信号传导层、位于所述焊盘信号传导层上方的焊盘以及位于所述焊盘信号传导层与所述焊盘之间的焊盘应力缓冲导电层。

9.如权利要求8所述的生物传感器芯片的针尖结构，其特征在于，所述检测部件和信号导出部件均位于一衬底上，所述检测部件通过所述探针信号传导层与对应的所述信号导出部件的所述焊盘信号传导层电连接。

10.如权利要求9所述的生物传感器芯片的针尖结构，其特征在于，所述检测部件与所述信号导出部件之间设置有绝缘层，所述绝缘层覆盖所述衬底、所述探针信号传导层、所述焊盘信号传导层、所述探针应力缓冲导电层、所述焊盘应力缓冲导电层以及部分所述探针和部分所述焊盘。

11.如权利要求10所述的生物传感器芯片的针尖结构，其特征在于，所述探针的顶面以及所述焊盘的顶面高于所述绝缘层。

12.如权利要求10所述的生物传感器芯片的针尖结构，其特征在于，所述绝缘层包括第一绝缘层和第二绝缘层。

13.如权利要求12所述的生物传感器芯片的针尖结构，其特征在于，所述第一绝缘层为氮化硅层，所述第二绝缘层为氧化硅层。

14.如权利要求8所述的生物传感器芯片的针尖结构，其特征在于，所述焊盘为TiN层。

15.如权利要求8所述的生物传感器芯片的针尖结构，其特征在于，所述焊盘应力缓冲导电层为Ti层、Ag层、Au层或者Pt层。

16.如权利要求8所述的生物传感器芯片的针尖结构，其特征在于，所述焊盘信号传导层为AlCu层、AlSi层或者AlSiCu层。

17.如权利要求9所述的生物传感器芯片的针尖结构，其特征在于，所述检测部件、所述信号导出部件与所述衬底之间设置有隔离层。

18.如权利要求8所述的生物传感器芯片的针尖结构，其特征在于，所述焊盘、所述焊盘应力缓冲导电层以及所述焊盘信号传导层的横截面形状和尺寸相同。

19.如权利要求8所述的生物传感器芯片的针尖结构，其特征在于，所述探针横截面形状是方形或圆形，所述焊盘的横截面形状是方形，且所述探针的横截面尺寸小于所述焊盘的横截面尺寸。

20.如权利要求1所述的生物传感器芯片的针尖结构，其特征在于，所述探针应力缓冲导电层与所述探针的横截面形状和尺寸相同，且所述探针应力缓冲导电层与所述探针的横截面尺寸均小于所述探针信号传导层的横截面尺寸。

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