KR20110083271A - 배면광 포토다이오드 구조를 갖는 이미지 센서를 구비한 바이오칩 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 배면광 포토 다이오드 구조를 갖는 이미지 센서를 구비하는 바이오칩은, 바이오칩층(200a) 및 상기 바이오칩층(200a)의 일측면에 부착되어 상기 바이오칩층(200a)의 생화학적 반응 정보를 담고 있는 광을 감지하는 이미지센서층(200b)을 구비하되, 상기 이미지센서층(200b)은 웨이퍼의 배면(backside)을 향해 지향된 상기 광을 수신하는 복수의 광감지부를 갖는 기술을 제공한다.
본 발명의 배면광 포토 다이오드 구조를 갖는 이미지 센서를 구비하는 바이오칩은 바이오칩층에서 방출한 생화학적 반응 정보를 담고 있는 광(light) 을 배면광 (backside illumination) 포토 다이오드의 밑부분 즉 웨이퍼(Wafer)의 밑면으로부터 직접 수집함으로써 광 감도를 향상 시킬 수 있는 장점이 있다.
본 발명의 배면광 포토 다이오드 구조를 갖는 이미지 센서를 구비하는 바이오칩은 바이오칩층에서 방출한 생화학적 반응 정보를 담고 있는 광(light) 을 배면광 (backside illumination) 포토 다이오드의 밑부분 즉 웨이퍼(Wafer)의 밑면으로부터 직접 수집함으로써 광 감도를 향상 시킬 수 있는 장점이 있다.
Description
본 발명은 바이오칩에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 바이오칩의 반응영역에서 방출되는 빛의 검출 능력을 향상시키기 위해 웨이퍼의 배면으로부터 광 수집을 하는 배면광 포토다이오드 구조를 갖는 이미지 센서를 구비한 바이오칩에 관한 것이다.
일반적으로 바이오칩(Bio chip)은 유리, 실리콘, 혹은 나일론 등의 재질을 갖는 기판 위에 DNA, 단백질 등의 생물학적 분자들로 구성되는 기준시료가 규칙적으로 배열된 형태로 형성된다.
바이오칩(Bio chip)은 배열되는 기준시료의 종류에 따라 DNA 칩이나 단백질 칩 등으로 분류된다. 바이오칩은 기판에 고정된 기준시료와 표적시료의 생화학적인 반응을 기본적으로 이용하는데, 기준시료와 표적시료의 생화학적인 반응의 대표적인 예로 DNA 염기간의 상보적인 결합이나 항원-항체 반응을 들 수 있다.
바이오칩에 의한 진단은 대부분 광학적인 과정을 통하여 생화학적 반응이 일어나는 정도를 이미지센서를 이용하여 검출함으로 이루어진다. 일반적으로 이용되는 광학적인 과정은 형광(fluorescence) 또는 발광(luminescence) 현상을 이용한다.
도 1은 종래의 전면광 포토다이오드 구조를 갖는 이미지 센서를 구비한 바이오칩의 구성을 도시한 것이다.
도 1을 참조하면, 종래의 전면광 포토 다이오드 구조를 갖는 이미지 센서를 구비한 바이오칩(100)은 바이오칩 층(100a) 및 이미지 센서층(100b)을 포함한다.
바이오칩층(100a)은 홈의 형태를 갖는 복수의 제1 반응영역(110a), 제2 반응영역(110b) 및 제 3 반응영역(110c)을 구비하며, 상기 제1, 제2, 제3 반응영역(110a, 110b, 110c)은 상부층에 표적시료(111a, 111b, 111c) 및 하부층에 기준시료(112a, 112b, 112c)를 각각 구비한다.
이미지 센서층(100b)은 웨이퍼의 에피텍셜층(150)에 형성된 복수의 제1 전면광 포토다이오드(151a), 제2 전면광 포토다이오드(PD2, 251b) 및 제3 전면광 포토다이오드(151c)를 구비한다.
상기 에피텍셜층(150)의 상부면에 위치한 층간절연막(230)에는 복수의 적층된 금속배선 층(131, 133)을 구비한다.
하지만, 종래의 일반적인 전면광 포토다이오드 구조를 갖는 이미지 센서를 구비한 바이오칩(100)은 복수의 제1, 제2, 제3 반응 영역(110a, 110b, 110c) 각각의 표적시료(111a, 111b, 111c)와 기준시료(112a, 112b,112c)의 생화학 반응의 정도에 따라 방출되는 광(light, 120)이 복수의 전면광 포토다이오드(151a, 151b, 151c)의 상부 층에 형성된 금속배선 층(131, 133)에 흡수되어 결국 복수의 전면광 포토다이오드(151a, 151b, 151c)의 광 감도(light sensitivity)가 저하되는 문제점이 있었다.
한편 바이오 칩 층의 제작에서는 바이오 물질의 부착을 위하여 표면 처리 기술이 중요한 요인이다. 즉, 부착하고자 하는 바이오 물질이 기판에 잘 부착되기 위하여 표면을 처리하여 친수성이나 소수성을 갖게 하는 처리를 하며, 이런 처리는 주로 플라즈마(plasma)를 사용하게 된다.
종래의 전면광(FSI)을 사용하는 구조는 상기 과정에서 플라즈마가 포토다이오드의 상부로 입사하게 됨으로써 포토다이오드의 암 전류를 높일 수 있으며, 또한 층간 절연막 상부에 바이오칩 층이 형성됨으로써 바이오 칩 층의 제작과 반응 과정에서 사용되는 용액들이 층간 절연막을 통과하여 하부의 회로에 침투할 수 있으므로, 층간 절연막 층의 제작이 어려우며, 바이오 칩 층의 표면 처리나 반응 용액 등의 사용에 제한을 줄 수 있는 문제점이 있었다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 바이오칩층에서 방출한 생화학적 반응 정보를 담고 있는 광(light)을 직접 수집함으로써 광 감도를 향상 시킬 수 있고, 바이오칩 층의 제작과정에서의 표면 처리 및 생화학 반응 과정 등에서 용액의 침투에 의한 회로 특성의 열화가 없는 배면광 포토 다이오드 구조를 갖는 이미지 센서를 구비한 바이오칩을 제공하는데 있다.
상기 기술적 과제를 이루기 위한 본 발명에 따른 배면광 포토 다이오드 구조를 갖는 이미지 센서를 구비한 바이오칩은, 바이오칩층(200a); 및 상기 바이오칩층(200a)의 일측면에 부착되어 상기 바이오칩층(200a)의 생화학적 반응 정보를 담고 있는 광을 감지하는 이미지센서층(200b)을 구비하되, 상기 이미지센서층(200b)은 웨이퍼의 배면(backside)을 향해 지향된 상기 광을 수신하는 복수의 광 감지부를 제공한다.
본 발명은 바이오칩층에서 방출한 생화학적 반응 정보를 담고 있는 광(light) 을 배면광 포토 다이오드의 밑부분 즉 웨이퍼(Wafer)의 밑면으로부터 직접 수집함으로써 광 감도를 향상 시킬 수 있는 장점이 있다.
또한 본 발명은 바이오칩 층의 제작과정에서의 표면 처리 및 생화학 반응 과정 등에서 용액의 침투에 의한 회로 특성의 열화가 발생하지 않는 장점이 있다.
도 1은 종래의 전면광 포토다이오드 구조를 갖는 이미지 센서를 포함하는 바이오칩의 구성을 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 배면광 포토 다이오드 구조를 갖는 이미지 센서를 구비하는 바이오칩의 구성을 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 배면광 포토 다이오드 구조를 갖는 이미지 센서를 구비하는 바이오칩의 구성을 도시한 것이다.
이하에서는 본 발명의 구체적인 실시 예를 도면을 참조하여 상세히 설명하도록 한다.
도 2는 본 발명의 배면광 포토 다이오드 구조를 갖는 이미지 센서를 구비한 바이오칩의 구성을 도시한 것이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 배면광 포토 다이오드 구조를 갖는 이미지 센서를 구비한 바이오칩(200)은 바이오칩 층(200a) 및 이미지 센서층(200b)을 포함한다.
바이오칩층(200a)은 홈의 형태를 갖는 복수의 제1 반응영역(210a), 제2 반응영역(210b) 및 제 3 반응영역(210c)을 구비한다.
제1 반응영역(210a)은 상부층에 표적시료(211a), 하부층에 기준시료(212a)를 구비한다. 마찬가지로 제2 반응영역(210b)은 상부층에 표적시료(211b), 하부층에 기준시료(212b)를 구비하며, 제3 반응영역(210c)은 상부층에 표적시료(211c), 하부층에 기준시료(212c)를 구비한다.
이하 제1 반응영역(210a)을 중심으로 표적시료(211a)와 기준시료(212a)의 기능에 대해 상세히 설명한다.
표적시료(211a)는 외부광이 차단되었을 때 스스로 광을 발생하는 발광(luminescence) 물질을 포함하여 사용할 수 있다. 발광물질의 대표적인 예로 루시페린(Luciferin)을 들 수 있으며, 루시페린이 ATP(Adenosine Tri-Phosphate)에 의해 활성화되면 활성 루시페린이 되고, 이 활성 루시페린이 루시페라아제의 작용에 의해 산화되어 산화 루시페린이 되면서 화학에너지가 광 에너지로 변하면서 광을 발생시키게 된다.
또한 표적시료(211a)는 외부의 조광(미도시)에 의해 특정 파장대의 광을 발생시킬 수 있는 형광(fluorescence) 물질을 포함하여 사용할 수 있다. 형광물질은 기준시료(212a)와 표적시료(211a)의 반응의 결과로서 제1 반응영역(210a) 내에서 생성되거나, GFP(Green Fluorescence Protein) 등과 같은 임의의 형광물질을 표적시료(211a)에 결합시켜 기준시료(212a)와 표적시료(211a) 간에 특정한 생화학적인 반응 후에 제1 반응영역(210a) 내에 형광물질이 잔류하게 할 수 있다.
기준시료(212a)는 어떠한 생화학적인 반응을 목표로 하느냐에 따라 사용하는 물질에 차이가 있다. 이를테면, 생화학적인 반응이 항원-항체 반응이라면 기준시료(212a)는 항원이 될 수 있고, 생화학적인 반응이 DNA 염기간의 상보적인 결합이라면 기준시료(212a)는 상보적인 결합이 가능하게 조작된 유전자가 될 수 있다.
한편, 표적시료(211a)는 생화학적인 반응의 종류에 따라 이미 결정되는 기준시료(212a)에 의존하여 선택된다. 이를테면, 기준시료(212a)가 항원이라면 표적시료(211a)는 혈액 등이 될 수 있고, 기준시료(212a)가 조작된 유전자라면 표적시료(211a)는 사용자의 유전자 등이 될 수 있다.
이미지 센서층(200b)은 바이오칩 층(200a)의 하부면에 위치하여 배면광(Back Side Illumination, 이하 'BSI' 이라 함) 이미지 센서를 형성하는 구성을 갖는다.
배면광(BSI) 이미지 센서는 종래의 전면광(FSI) 이미지 센서와 동일 공정을 거친 후, 마지막에 공정 진행된 웨이퍼(Wafer)를 반대로 뒤집은 뒤 광(light) 수집을 하는 특징을 갖는다.
즉 본 발명의 배면광(BSI) 이미지 센서는 종래의 전면광(FSI) 이미지 센서 측면에서 볼 경우 광(light) 수집을 포토 다이오드(PD)의 밑부분, 즉 웨이퍼(Wafer)의 밑면으로부터 수집하는 결과가 된다.
이미지 센서층(200b)은 웨이퍼의 에피텍셜층(250)에 형성된 복수의 제1 배면광 포토다이오드(PD1, 251a), 제2 배면광 포토다이오드(PD2, 251b) 및 제3 배면광 포토다이오드(PD3, 251c)를 구비한다.
제1 배면광 포토다이오드(PD1, 251a)는 제1 반응영역(210a)의 표적시료(211a)와 기준시료(212a)의 생화학 반응의 정도에 따라 제1 반응영역(210a)에서 방출하는 광(light,220)을 감지한다. 마찬가지로 제2 배면광 포토다이오드(PD2, 251b)는 제2 반응영역(210b)의 표적시료(211b)와 기준시료(212b)의 생화학 반응의 정도에 따라 제2 반응영역(210b)에서 방출하는 광(light,220)을 감지하며, 제3 배면광 포토다이오드(PD3, 251c)는 제3 반응영역(210c)의 표적시료(211c)와 기준시료(212c)의 생화학 반응의 정도에 따라 제3 반응영역(210c)에서 방출되는 광(light,220)을 감지한다.
제1 반응영역(210a), 제2 반응영역(210b) 및 제3 반응영역(210c)에서 각각 방출되는 빛(220)은 통상의 전면광(FSI) 이미지 센서를 형성할 때 포토다이오드 상층부에 적층된 금속배선층을 거치지 않고, 직접 상기 제1 배면광 포토다이오드(PD1, 251a), 제2 배면광 포토다이오드(PD2, 251b) 및 제3 배면광 포토다이오드(PD3, 251c)에 도달되어 흡수됨으로 본 발명의 광 감지율은 크게 향상된다.
상기 제1 배면광 포토다이오드(PD1, 251a), 제2 배면광 포토다이오드(PD2, 251b) 및 제3 배면광 포토다이오드(PD3, 251c)에서 감지된 빛은 전기적인 신호로 출력되며, 상기 전기적인 신호는 이미지센서층(200b) 내부에 구비된 ISP(Image Signal Processor, 255) 등의 신호처리부에 의해 처리된다.
바람직하게는 상기 에피텍셜층(250)의 상부 영역은 선택된 밴드(band)가 빛을 투과하는 광학 필터(미도시) 및 상기 광학 필터 위에 빛을 집속하기 위한 마이크로 렌즈(미도시)를 포함할 수 있다.
상기 에피텍셜층(250)의 하부 영역은 층간절연막(230) 및 복수의 적층된 금속배선 층(231, 233)을 구비하는데, 이는 종래의 전면광(FSI) 이미지 센서 형성 시 층간절연막(230) 및 금속배선 층(131, 133)이 에피텍셜층(150)의 상부 영역에 배치되는 구조와 구별된다.
종래의 전면광(FSI)을 사용하는 구조에서 층간 절연막 상부에 바이오칩 층이 형성됨으로써 바이오 칩 층의 제작 과정에서 사용되는 표면 처리에 의하여 포토다이오드의 특성이 변할 수 있고, 반응 용액들이 층간 절연막을 통과하여 하부의 회로에 영향을 줄 수 있었다.
하지만, 본 발명에 따른 배면광(BSI)을 사용하는 구조는 회로가 형성된 지역의 배면에 바이오 칩 층이 형성되므로 바이오칩 층의 제작과정에서의 표면 처리 등에 의하여 포토다이오드의 특성이 영향을 받지 않으며, 반응 과정에서 사용되는 용액들의 침투에 의한 회로의 오동작이 발생하지 않는다.
이상에서는 본 발명에 대한 기술사상을 첨부 도면과 함께 서술하였지만 이는 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 또한 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 이라면 누구나 본 발명의 기술적 사상의 범주를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.
200 : 배면광 포토 다이오드 구조를 갖는 이미지 센서를 구비한 바이오칩
200a : 바이오칩 층 200b : 이미지 센서층
230 : 층간절연막 250 : 에피텍셜층
210a, 210b, 210c : 제1, 제2, 제3 반응영역
211a, 211b, 211c : 제1, 제2, 제3 표적시료
212a, 212b, 212c : 제1, 제2, 제3 기준시료
251a, 251b, 251c : 제1, 제2, 제3 배면 광 포토다이오드
255 : ISP(Image Signal Processor) 231, 233 : 제1, 제2 금속배선 층
200a : 바이오칩 층 200b : 이미지 센서층
230 : 층간절연막 250 : 에피텍셜층
210a, 210b, 210c : 제1, 제2, 제3 반응영역
211a, 211b, 211c : 제1, 제2, 제3 표적시료
212a, 212b, 212c : 제1, 제2, 제3 기준시료
251a, 251b, 251c : 제1, 제2, 제3 배면 광 포토다이오드
255 : ISP(Image Signal Processor) 231, 233 : 제1, 제2 금속배선 층
Claims (9)
- 바이오칩층; 및
상기 바이오칩층의 일측면에 부착되어 상기 바이오칩층에서 방출한 생화학적 반응 정보를 담고 있는 광(light)을 감지하는 이미지센서층을 구비하되,
상기 이미지센서층은 웨이퍼의 배면(backside)을 향해 지향된 상기 광(light)을 수신하는 복수의 광감지부를 구비하는 것을 특징으로 하는 배면광 포토 다이오드 구조를 갖는 이미지 센서를 구비하는 바이오칩. - 제 1항에 있어서, 상기 바이오칩층은,
홈의 형태를 갖는 복수의 반응영역을 구비하며,
상기 반응영역은 상부층에 표적시료 및 하부층에 기준시료를 각각 구비하는 것을 특징으로 하는 배면광 포토 다이오드 구조를 갖는 이미지 센서를 구비하는 바이오칩. - 제 2항에 있어서, 상기 표적시료는,
발광(luminescence) 물질 또는 형광(fluorescence) 물질을 더 포함하여 사용하는 것을 특징으로 하는 배면광 포토 다이오드 구조를 갖는 이미지 센서를 구비하는 바이오칩.
- 제 2항에 있어서, 상기 기준시료는,
생화학적인 반응이 항원-항체 반응일 경우 항원 물질을 사용하며, 생화학적인 반응이 DNA 염기간의 상보적인 결합일 경우 상보적인 결합이 가능하게 조작된 유전자를 사용하는 것을 특징으로 하는 배면광 포토 다이오드 구조를 갖는 이미지 센서를 구비하는 바이오칩. - 제 1항에 있어서, 상기 광 감지부는,
상기 웨이퍼의 에피텍셜층에 형성된 복수의 배면광 포토다이오드를 구비하는 것을 특징으로 하는 배면광 포토 다이오드 구조를 갖는 이미지 센서를 구비하는 바이오칩. - 제 5항에 있어서, 상기 배면광 포토다이오드에서 감지된 빛은 전기적인 신호로 출력되고, 상기 전기적인 신호는 신호처리부에 의해 처리되는 것을 특징으로 하는 배면광 포토 다이오드 구조를 갖는 이미지 센서를 구비하는 바이오칩.
- 제 6항에 있어서, 상기 신호처리부는,
상기 이미지센서층의 내부에 구비된 ISP(Image Signal Processor)를 사용하는 것을 특징으로 하는 배면광 포토 다이오드 구조를 갖는 이미지 센서를 구비하는 바이오칩. - 제 5항에 있어서, 상기 에피텍셜층의 하부 영역은,
층간절연막 및 적층된 복수 개의 금속배선 층을 구비하는 것을 특징으로 하는 배면광 포토 다이오드 구조를 갖는 이미지 센서를 구비하는 바이오칩. - 제 5항에 있어서, 상기 에피텍셜층의 상부 영역은,
광학 필터 및 상기 광학 필터 위에 형성된 마이크로 렌즈를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배면광 포토 다이오드 구조를 갖는 이미지 센서를 구비하는 바이오칩.
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