TW202347746A - 積體晶片及其形成方法 - Google Patents

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Abstract

本揭露涉及包括半導體層及沿半導體層設置的光檢測器的積體晶片。濾色器位在光檢測器之上。微透鏡位在濾色器之上。介電結構包括一個或多個介電層且位在微透鏡之上。受體層位在介電結構之上。光學信號增強結構沿介電結構設置在受體層與微透鏡之間。

Description

積體晶片及其形成方法
本揭露實施例是有關於積體晶片及積體晶片的形成方法。
近年來，半導體工業已經開發了具有生物感測器的積體晶片（integrated chip；IC），該生物感測器被配置為用於檢測樣品溶液（例如，患者血液）中某些生物標誌物的存在。生物感測器是將生物反應轉化為電信號的分析裝置。舉例來說，生物感測器可在分子診斷、病原體檢測及環境監測等各種應用中產生識別及檢測不同的分析物（如毒素、激素、DNA鏈、蛋白質、細菌等）的電信號。生物感測器在系統晶片（system-on-chip；SOC）中的積體為開發傳染病及癌症診斷工具提供了有希望的途徑。
本揭露實施例的一種積體晶片，所述積體晶片包括半導體層、沿所述半導體層設置的光檢測器、位在所述光檢測器之上的濾色器、位在所述濾色器之上的微透鏡、包括一個或多個介電層且位在所述微透鏡之上的介電結構、位在所述介電結構之上的受體層以及沿所述介電結構設置在所述受體層與所述微透鏡之間的光學信號增強結構。
本揭露實施例的一種積體晶片，所述積體晶片包括：半導體層；沿所述半導體層設置的多個光檢測器；位在所述多個光檢測器之上的多個濾色器；位在所述多個濾色器之上的多個微透鏡；包括一個或多個介電層且位在所述多個微透鏡之上的介電結構；位在所述介電結構之上的第一包覆層，其中所述第一包覆層界定沿所述第一包覆層的頂表面間隔開的多個生物反應腔室；位在所述第一包覆層之上並在所述多個生物反應腔室處襯於所述第一包覆層的受體層；位在所述第一包覆層之上且位在所述受體層之上的頂蓋層，其中微流體通道沿所述受體層的頂表面並沿所述多個生物反應腔室延伸穿過所述頂蓋層；以及設置在所述多個生物反應腔室與所述多個光檢測器之間且被配置為增強從沿所述多個生物反應腔室發生的生物反應發射的光學信號的光學信號增強結構。
本揭露實施例的一種形成積體晶片的方法，所述方法包括：沿半導體層形成多個光檢測器；分別在所述多個光檢測器之上形成多個濾色器；分別在所述多個濾色器之上形成多個微透鏡；在所述多個微透鏡之上沉積膠層；沿介電結構形成光學信號增強結構；在所述介電結構之上及在所述光學信號增強結構之上形成多個生物反應腔室；沿所述多個生物反應腔室沉積受體層；將其中具有微流體通道的頂蓋層接合到所述受體層之上及所述多個生物反應腔室之上；以及將所述介電結構接合到所述多個光檢測器之上並沿所述膠層接合，使得所述多個生物反應腔室設置在所述多個光檢測器之上。
以下揭露提供用於實施所提供標的的不同特徵的許多不同實施例或實例。以下闡述組件及排列的具體實例以簡化本發明。當然，該些僅為實例且不旨在進行限制。舉例而言，以下說明中將第一特徵形成於第二特徵之上或第二特徵上可包括其中第一特徵與第二特徵被形成為直接接觸的實施例，且亦可包括其中第一特徵與第二特徵之間可形成有附加特徵進而使得所述第一特徵與所述第二特徵可不直接接觸的實施例。另外，本發明可能在各種實例中重複使用參考編號及/或字母。此種重複使用是出於簡潔及清晰的目的，而不是自身指示所論述的各種實施例及/或配置之間的關係。
此外，為易於說明，本文中可能使用例如「位於…之下（beneath）」、「位於…下方（below）」、「下部的（lower）」、「位於…上方（above）」、「上部的（upper）」等空間相對性用語來闡述圖中所示的一個元件或特徵與另一（其他）元件或特徵的關係。除圖中所繪示的取向之外，所述空間相對性用語還旨在囊括器件在使用或操作中的不同取向。裝置可具有其他取向（旋轉90度或處於其他取向），且本文中所使用的空間相對性闡述語可同樣相應地進行解釋。
光學生物感測器裝置包括用於使用光輻射檢測分析物的裝置。舉例來說，一些光學生物感測器包括光輻射源（例如，雷射光源）、光學裝置（例如，包括透鏡、鏡子、光學棱鏡等）、生物反應裝置（例如，其上設置有生物受體的生物感測介面）及圖像感測器（例如，光檢測器等）。在一些光學生物感測器中，光輻射源、光學裝置、生物反應裝置及圖像感測器中的每一個都是組裝在一起作為更大裝置的一部分的個別裝置。這些光學生物感測器裝置的一個挑戰是它們通常很大、笨重及/或不便攜帶。
本揭露的各種實施例涉及一種光學生物感測器裝置，該光學生物感測器裝置包括與圖像感測器積體的生物反應裝置，用於提高光學生物感測器裝置的便攜性。舉例來說，光學生物感測器裝置包括沿半導體層設置的光檢測器。在光檢測器之上設置濾色器。在濾色器之上設置微透鏡。在微透鏡之上設置介電結構。在介電結構之上設置受體層。受體層被配置為接收生物受體。沿著介電結構並在受體層與微透鏡之間設置光學信號增強結構。在操作期間，將包括分析物的樣品溶液提供給沿受體層固定的生物受體。生物受體被配置為固定分析物。此外，光輻射源被配置成用入射光輻射激發生物受體與分析物之間的生物反應。光檢測器被配置為檢測響應刺激從生物反應發射的感測器光輻射信號。
通過將生物反應裝置及圖像感測器積體到具有小尺寸的積體晶片中，可減小光學生物感測器裝置的尺寸且可提高光學生物感測器裝置的便攜性。此外，通過在受體層與微透鏡之間包括光學信號增強結構，可提高光學生物感測器裝置的性能。舉例來說，光學信號增強器結構被配置為在感測器光輻射信號到達光檢測器之前增強感測器光輻射信號。因此，可以提高光學生物感測器裝置的性能（例如，靈敏度、準確度等）。
圖1示出了光學生物感測器積體晶片的一些實施例的橫截面圖100，光學生物感測器積體晶片包括直接設置在光檢測器104之上的受體層118以及設置在受體層118與光檢測器104之間的光學信號增強結構126。
在半導體層102內設置光檢測器104。半導體層102具有前側102a及與前側102a相對的背側102b。在半導體層102的背側102b上設置包括一個或多個層間電介質（interlayer dielectric；ILD）層的層間電介質（ILD）結構108。在ILD結構108內設置包括一個或多個導電特徵（例如，金屬線、通孔、接觸件、接合墊等）的內連線結構110。在一些實施例中，一個或多個導電特徵耦合到光檢測器104。
在半導體層102的前側102a上設置濾色器106。在濾色器106之上設置微透鏡112。在微透鏡112之上設置膠層114。在膠層114之上設置介電結構116。在一些實施例中，膠層114直接位在微透鏡112之上並直接位在微透鏡112與介電結構116之間。在一些其他實施例中，膠層114設置在濾色器106及微透鏡112的相對側上並直接設置在半導體層102與介電結構116之間，但不直接設置在微透鏡112之上。在一些實施例中，包括空氣等的空腔（未示出）直接存在於微透鏡112之上並直接存在於微透鏡112與介電結構116之間。在一些實施例中，一些其他合適的最佳材料可直接設置在微透鏡112之上並直接設置在微透鏡112與介電結構116之間。在介電結構116之上設置受體層118及頂蓋層122。微流體通道124存在於頂蓋層122內。微流體通道124由頂蓋層122的側壁及下表面界定。頂蓋層122具有通向微流體通道124的入口122a及出口122b。受體層118沿著微流體通道124設置在頂蓋層122的側壁之間並設置在界定微流體通道124的頂蓋層122的下表面之下。在一些實施例中，受體層118的上表面進一步界定微流體通道124。
在一些實施例中，受體層118被配置為接收生物受體120（例如，抗體、酶、核酸、DNA等）。舉例來說，在一些實施例中，受體層118被配置為固定生物受體120。在一些實施例中，生物受體120沿受體層118的頂部設置（例如，固定）。生物受體120被配置為接收分析物132。舉例來說，生物受體120被配置為固定分析物132。在某些情況下，當分析物132固定在生物受體120上時會發生生物反應。
在一些實施例中，在光學生物感測器積體晶片的操作期間，包括一種或多種分析物132的樣品溶液130經由入口122a提供給微流體通道124。光輻射源134（例如，雷射光源或一些其他光輻射源）向光學生物感測器積體晶片發射入射光輻射136。在一些情況下，當分析物132固定在生物受體120上且入射光輻射136撞擊分析物132及/或生物受體120時，分析物132與生物受體120之間的生物反應發射感測器光輻射信號138。感測器光輻射信號138穿過介電結構116、膠層114、微透鏡112及濾色器106並撞擊在光檢測器104上。光檢測器104被配置為檢測感測器光輻射信號138。分析物132可基於檢測到的感測器光輻射信號138來確定。舉例來說，信號處理器（未示出）可耦合到光檢測器104並可基於光檢測器104的輸出確定分析物132。
因為光學生物感測器包括在具有小尺寸的積體晶片中實現的生物反應裝置（例如，受體層118及/或生物受體120）及圖像感測器（例如，光檢測器104），所以可改善生物感測器的便攜性。
此外，生物感測器積體晶片包括設置在受體層118與光檢測器104之間的光學信號增強結構126。光學信號增強結構126沿介電結構116設置在受體層118與微透鏡112之間。光學信號增強結構126包括一個或多個元件，其被配置為在感測器光輻射信號138到達光檢測器104之前增強感測器光輻射信號138。舉例來說，在一些實施例中，光學信號增強器結構126被配置為增加感測器光輻射信號138的強度及/或降低感測器光輻射信號138的噪聲，從而提高感測器光輻射信號138的信噪比（signal-to-noise ratio；SNR）。因此，可提高光學生物感測器的性能。
在一些實施例中，光學信號增強器結構126包括設置在介電結構116與膠層114之間的介電結構116的底表面上的入射輻射濾波器層128。入射輻射濾波器層128直接設置在微透鏡112之上並直接設置在微透鏡112與受體層118之間。在一些實施例中，入射輻射濾波器層128被配置為阻擋入射光輻射136撞擊光檢測器104。舉例來說，在一些實施例中，入射輻射濾波器層128被配置為過濾（例如，衰減（attenuate））入射光輻射136及/或一些噪聲輻射（例如，環境光輻射、一些其他光學背景噪聲等）。因此，可減少由光檢測器104檢測到的噪聲（例如，入射光輻射136、環境光輻射、一些其他光學背景噪聲等），從而可提高光學生物感測器積體晶片的性能。
在一些實施例中，半導體層102可例如包括矽或一些其他合適的材料。在一些實施例中，光檢測器104可例如為或可例如包括光電二極管、互補金屬氧化物半導體（complementary metal-oxide-semiconductor；CMOS）圖像感測器、雪崩光電二極管（avalanche photodiode；APD）、單光子雪崩二極管（single photon avalanche diode；SPAD）、電荷耦合元件（charge coupled device；CCD）、離子敏感（ion-sensitive）場效應晶體管、紅外光檢測器等。在一些實施例中，膠層114可例如包括具有高光傳輸率的材料。在一些實施例中，膠層114可例如包括環氧樹脂或一些其他合適的材料。在一些實施例中，入射輻射濾波器層128可例如包括具有不同折射率的各種薄膜或一些其他合適材料的疊層。在一些實施例中，入射輻射濾波器層128可為或可包括紅外（infrared；IR）輻射濾波器層、近紅外（near infrared；NIR）輻射濾波器層等。在一些實施例中，介電結構116包括對在光學生物感測器的操作期間由生物反應發射的光輻射（例如，感測器光輻射信號138）實質上光學透明的電介質。在一些實施例中，介電結構116可例如包括玻璃、石英、一些塑料材料或一些其他合適的材料。在一些實施例中，受體層118可例如包括自組裝單層（self-assembled monolayer；SAM）、水凝膠層、親水層或一些其他合適的材料。在一些實施例中，頂蓋層122可例如包括玻璃、石英、聚二甲基矽氧烷（polydimethylsiloxane；PDMS）、聚甲基丙烯酸甲酯（polymethyl methacrylate；PMMA）、一些塑料材料或一些其他合適的材料。在一些實施例中，頂蓋層122可為或可包括電介質上電潤濕（electrowetting-on-dielectric；EWOD）微流體元件、介電泳微流體元件或一些其他合適的微流體元件。在一些實施例中，頂蓋層122可包括微流體泵（例如，用於將樣品溶液130泵送到微流體通道124中）、閥（例如，用於控制樣品溶液130的流動）、微流體混合器或一些其他的合適的微流體元件組件。
圖2示出了圖1的光學生物感測器積體晶片的一些實施例的橫截面圖200，其中光學信號增強結構126附加地或替代地包括孔層202。
在一些實施例中，孔層202沿著介電結構116的底表面及膠層114的頂表面設置。舉例來說，在一些實施例中，孔層202設置在入射輻射濾波器層128的底表面上且直接位於膠層114的部分與入射輻射濾波器層128的部分之間。孔層202中的一個或多個側壁界定了孔層202的孔204。舉例來說，在一些實施例中（例如，當從上方觀察時，孔204是圓形的），孔204由以圓形延伸的孔層202的彎曲側壁界定。在一些實施例中（例如，當從上方觀察時，孔204為正方形或具有一些其他形狀），孔204由孔層202的多個側壁（例如，在孔204為正方形的實施例中的四個側壁）界定。在一些實施例中（例如，當以橫截面觀察孔層202時），孔204由孔層202的一對側壁界定。
在一些實施例中，膠層114的部分直接在界定孔204的孔層202的一個或多個側壁之間延伸。膠層114的部分填充孔204。膠層的部分直接位在微透鏡112之上並直接位在微透鏡112與受體層118之間。在一些實施例中，膠層114的部分直接位在微透鏡112與生物受體120之間。
在一些實施例中，孔層202被配置為限制可穿過到光檢測器104的光輻射。舉例來說，一些光輻射可能能夠穿過孔層202中的孔204，但不能穿過孔層202本身。在一些實施例中，孔層202可減少光檢測器104與相鄰光檢測器（未示出）之間的串擾。舉例來說，孔層202可阻擋來自光檢測器104與相鄰光檢測器接壤的光檢測器104周邊的光輻射，從而降低光檢測器104與相鄰光檢測器之間發生串擾的可能性。因此，可提高光學生物感測器的性能。此外，在一些實施例中，孔層202可阻擋一些不期望的光輻射（例如，入射光輻射136、一些環境光輻射、一些其他光學背景噪聲等）到達光檢測器104，這可減少光檢測器104檢測到的輻射信號（例如，感測器光輻射信號138）中的噪聲，從而提高檢測到的輻射信號的SNR。
在一些實施例中，孔層202可例如包括鋁、鈦、氮化鈦或一些其他合適的材料。在一些實施例中，孔層202的厚度介於約100埃至5000埃的範圍內或一些其他合適的範圍。
圖3示出了圖2的光學生物感測器積體晶片的一些實施例的橫截面圖300，其中光學信號增強結構126附加地或替代地包括聚焦層302。
聚焦層302設置在直接位在微透鏡112之上的介電結構116內。舉例來說，在一些實施例中，介電結構116包括第一介電層304及第一介電層304之上的第二介電層306。此外，聚焦層302設置在第一介電層304之上，且第二介電層306設置在聚焦層302之上。在一些實施例中，聚焦層302包括具有合適折射率（n）及合適消光係數（k）的材料。在一些實施例中，聚焦層302可例如包括非晶矽、氮化矽或一些其他合適的材料。
在一些實施例中，聚焦層302具有沿著聚焦層302的頂表面的多個環形突起（例如，如圖8A所示的俯視圖800a及如圖3的虛線302a所示）。舉例來說，在一些實施例中，聚焦層302的突起類似於菲涅耳透鏡（Fresnel lens）、光柵透鏡（grating lens）等的突起。聚焦層302被配置為聚焦感測器光輻射信號（例如，圖1的光輻射信號138）以增強感測器光輻射信號。舉例來說，在一些實施例中，聚焦層302被配置為在感測器光輻射信號到達光檢測器104並被光檢測器104檢測之前增加感測器光輻射信號的強度。因此，聚焦層302可提高感測器光輻射信號的SNR，從而可提高光學生物感測器的性能。在一些實施例中，環形突起的形狀及間距（例如，由虛線302a所示）可被調整以調整聚焦層302的焦點。
在一些其他實施例中，聚焦層302的側壁被配置為將輻射（例如，圖1的感測器光輻射信號138）朝向光檢測器104反射以增加輻射的強度。舉例來說，聚焦層302可為或可用作光管（light pipe）或光通道。因此，聚焦層302可提高光檢測器104接收到的信號（例如，圖1的感測器光輻射信號138）的SNR，從而可提高光檢測器104的性能。此外，在一些實施例中，聚焦層302的側壁可將輻射反射向直接位於聚焦層302之下的光檢測器104並遠離不直接位於聚焦層302之下的相鄰光檢測器（未示出），以減少下伏的光檢測器104與相鄰的光檢測器之間的串擾。在一些實施例中，聚焦層302的側壁是傾斜的（例如，如虛線302b所示），使得沿著側壁頂部的側壁之間的距離大於沿著側壁底部的側壁之間的距離。可控制側壁的傾斜以調整輻射的反射角，以進一步增加向光檢測器104反射的輻射的強度。
圖4示出了圖3的光學生物感測器積體晶片的一些實施例的橫截面圖400，其中光學信號增強結構126附加地或替代地包括反射體層402。
反射體層402沿介電結構116的頂表面設置。反射體層402中的一個或多個側壁界定反射體層402中的孔406。在一些實施例中（例如，當以橫截面觀察反射體層402時），孔406由反射體層402的一對側壁界定。第一包覆層404設置在反射體層402之上。在一些實施例中，第一包覆層404的部分直接在界定孔406的反射體層402的側壁之間延伸。第一包覆層404的部分填充孔406。第一包覆層404的部分直接位在微透鏡112之上且直接位在微透鏡112與受體層118之間。在一些實施例中，第一包覆層404的部分位在介電結構116的頂表面上。在一些實施例中，第一包覆層404的部分直接位在微透鏡112與生物受體120之間。
在一些實施例中，反射體層402被配置為反射噪聲輻射（例如，入射光輻射136、一些環境光輻射、一些其他光學背景噪聲等），同時允許感測器光輻射信號138在孔406處穿過。結果，可提高感測器光輻射信號138的SNR，從而可提高光學生物感測器的性能。在一些實施例中，通過在聚焦點層302之上包括反射體層402使得孔406直接在聚焦點層302之上，可阻擋來自聚焦點層302的噪聲輻射而不阻擋感測器光輻射信號138，從而降低噪聲輻射將被聚焦層302增強並聚焦在光檢測器104上的可能性。
在一些實施例中，反射體層402可例如包括鋁、鈦、氮化鈦、鉻或一些其他合適的材料。在一些實施例中，反射體層402包括與孔層202不同的材料。在一些實施例中，反射體層402的厚度介於約100埃至2000埃的範圍內或一些其他合適的範圍。在一些實施例中，反射體層402的厚度小於孔層202的厚度。在一些實施例中，反射體層402中的孔406小於孔層202中的孔204。舉例來說，當在橫截面中觀察時，界定孔406的反射體層402的側壁之間的距離小於界定孔204的孔層202的側壁之間的距離。在一些實施例中，第一包覆層404可例如包括低k電介質（例如，二氧化矽等）或一些其他合適的材料。
圖5示出了圖4的光學生物感測器積體晶片的一些實施例的橫截面圖500，其中波導通道核心層502設置在光學信號增強結構126與受體層118之間。
波導通道核心層502設置在第一包覆層404之上且第二包覆層504設置在波導通道核心層502之上。第二包覆層504的側壁及波導通道核心層502的上表面界定生物反應腔室506。生物反應腔室506直接位在光檢測器104之上。在一些實施例中，受體層118襯在第二包覆層504的側壁及波導通道核心層502的上表面，且受體層118進一步界定了生物反應腔室506。在一些實施例中，生物受體120沿著受體層118直接設置在第二包覆層504的側壁之間並直接設置在波導通道核心層502的上表面之上。
在一些實施例中，入射光輻射136通過全內反射沿著波導通道核心層502行進到生物反應腔室506。入射光輻射撞擊生物反應腔室506處的生物受體120以激發生物受體120處的生物反應。生物反應接著可發射感測器光輻射信號138，光檢測器104被配置為檢測該感測器光輻射信號138。
在一些實施例中，溫度感測器508及/或加熱器510設置在介電結構116內。舉例來說，在一些實施例中，介電結構116包括第一介電層304、第一介電層304之上的第二介電層306及第二介電層306之上的第三介電層512。此外，溫度感測器508及加熱器510設置在第二介電層306之上，且第三介電層512設置在溫度感測器508及加熱器510之上。溫度感測器508及加熱器510分別被配置為檢測及控制注入到微流體通道124中的積體晶片及/或樣品溶液（例如圖1的樣品溶液130）的溫度。通過檢測及控制積體晶片及/或注入積體晶片的樣品溶液的溫度，可提高光學生物感測器積體晶片的性能。
在一些實施例中，溝渠隔離結構514設置在光檢測器104的相對側上且將光檢測器104與相鄰的光檢測器（未示出）隔開。在一些實施例中，溝渠隔離結構514可例如包括電介質、金屬或一些其他合適的材料。在一些實施例中，複合金屬網格（composite metal grid；CMG）結構516設置在濾色器106的相對側上且將濾色器106與相鄰的濾色器（未示出）隔開。在一些實施例中，CMG結構516直接設置在溝渠隔離結構514之上。在一些實施例中，CMG結構516可例如包括金屬及電介質或一些其他合適的材料。
在一些實施例中，波導通道核心層502可例如包括高k電介質（例如，鈦酸鍶鋇（barium strontium titanate；BST）、鋯鈦酸鉛（lead zirconate titanate；PZT）、氧化鉭、氧化鉿、氮化矽、氧化鋁）或一些其他合適的材料。在一些實施例中，第二包覆層504可例如包括與第一包覆層404相同的材料。在一些其他實施例中，第二包覆層504可包括與第一包覆層404不同的低k電介質。在一些實施例中，溫度感測器508及/或加熱器510可例如包括鉑、多晶矽或一些其他合適的材料。
圖6示出了光學生物感測器積體晶片的一些實施例的橫截面圖600，光學生物感測器積體晶片包括直接設置在多個光檢測器104之上的受體層118以及設置在受體層118與多個光檢測器104之間的光學信號增強結構126。
多個濾色器106分別設置在多個光檢測器104之上，且多個微透鏡112分別設置在多個濾色器106之上。在一些實施例中，當在橫截面中觀察時，孔層202包括多個孔段（未標示）。孔層202的側壁界定孔層202中的多個孔204。在一些實施例中，聚焦層302包括多個聚焦層段（未標示）。在一些實施例中，聚焦層段中的每一個具有沿著段的頂表面的多個環形突起。在一些其他實施例中，聚焦層段具有傾斜的側壁。在一些實施例中，多個溫度感測器508及多個加熱器510設置在第二介電層306之上並且彼此橫向地間隔開。在一些實施例中，當在橫截面中觀察時，反射體層402包括多個反射器段（未標示）。反射體層402的側壁界定反射體層402中的多個孔406。
在一些實施例中，波導通道核心層502包括光耦合器結構602。光耦合器結構602由波導通道核心層502的多個段形成。在一些實施例中，波導通道核心層502還包括分光器結構（未示出），其被配置為將光輻射從輸入波導通道核心層傳輸（例如，分光）到多個輸出波導通道核心層。
多個生物反應腔室506沿第二包覆層504及波導通道核心層502設置。生物反應腔室506直接位在反射體層402中的孔406、聚焦層302的聚焦段、入射輻射濾波器層128及孔層202中的孔204之上。此外，生物反應腔室506直接位在微透鏡112中的一個或多個、濾色器106中的一個或多個以及光檢測器104中的一個或多個之上。在一些實施例中，其上設置有生物受體120的多個微珠（microbead）604分別沿著多個生物反應腔室506中的受體層118設置。在一些其他實施例中，生物感測器沒有微珠604且生物受體120設置在受體層118上。
在一些實施例中，在ILD結構108之下設置載體晶圓606。沿著載體晶圓606的底表面及側壁設置隔離層608。沿著隔離層608的側壁及底表面設置包括多個個別的基底穿孔（through-substrate via；TSV）段（未標示）的基底穿孔（TSV）層610。TSV段耦合到內連線結構110的導電特徵。隔離層608將TSV層610與載體晶圓606隔離開。在TSV層610的側壁及底表面上設置鈍化層612。鈍化層612在TSV層610的TSV段之間延伸並隔離。鈍化層612中的開口暴露TSV層610的TSV段的部分。
在一些實施例中，生物受體120與分析物132之間的生物反應由第一入射輻射136a激發，該第一入射輻射136a直接在生物反應腔室506之上發射並穿過頂蓋層122到達生物反應腔室506以在每個生物反應腔室506處激發生物反應。在一些其他實施例中，生物受體120與分析物132之間的生物反應由穿過頂蓋層122及第二包覆層504並撞擊光耦合器結構602的第二入射輻射136b激發。接著第二入射輻射136b沿著波導通道核心層502從光耦合器結構602行進到每個生物反應腔室506。舉例來說，在撞擊光耦合器結構602之後，第二入射輻射136b在波導通道核心層502內經歷全內反射，使得來自第二入射輻射136b的光子沿著波導通道核心層502行進並撞擊每個生物反應腔室506處的生物受體120及分析物132。第二入射輻射136b在每個生物反應腔室506處激發生物反應。
在一些實施例中，微珠604可例如包括矽、二氧化矽、聚苯乙烯、銅、磁性材料或一些其他合適的材料。在一些實施例中，載體晶圓606可例如包括矽或一些其他合適的材料。在一些實施例中，隔離層608可例如包括二氧化矽、氮化矽或一些其他合適的材料。在一些實施例中，TSV層610可例如包括銅、鎢、鋁或一些其他合適的材料。在一些實施例中，鈍化層612可例如包括氮化矽或一些其他合適的材料。
圖7、圖8A、圖8B、圖9及圖10示出了圖6的光學生物感測器積體晶片的一些實施例的俯視圖700、俯視圖800a、俯視圖800b、俯視圖900、俯視圖1000。
在一些實施例中，圖7中所示的俯視圖700是沿圖6的線A-A'截取的。在一些實施例中，當從上方觀察時，孔層202中的孔204是圓形的，如圖7所示。在一些其他實施例（未示出）中，當從上方觀察時，孔層202中的孔204為正方形的或具有一些其他形狀。
在一些實施例中，圖8A及圖8B中所示的俯視圖800a、俯視圖800b是沿圖6的線B-B'截取的。在一些實施例中（例如，如圖8A的俯視圖800a所示），聚焦層302的聚焦段具有沿著段的頂表面的多個環形突起。在一些實施例中，當從上方觀察時，聚焦層302的聚焦段為方形、圓形或具有一些其他形狀。在一些其他實施例中（例如，如圖8B的俯視圖800b所示），聚焦層302的聚焦段具有實質上平坦的頂表面且為正方形的、矩形的或具有一些其他形狀。
在一些實施例中，圖9中所示的俯視圖900是沿圖6的線C-C'截取的。在一些實施例中，當從上方觀察時，反射體層402中的孔406是圓形的，如圖9所示。在一些其他實施例（未示出）中，當從上方觀察時，反射體層402中的孔406為正方形的或具有一些其他形狀。
在一些實施例中，圖10中所示的俯視圖1000是沿圖6的線D-D'截取的。光耦合器結構602由波導通道核心層502的多個相鄰段形成。在一些實施例中，形成光耦合器結構602的波導通道核心層502的段具有不同的長度。
圖11至圖39示出了用於形成光學生物感測器積體晶片的方法的一些實施例的橫截面圖1100至橫截面圖3900，光學生物感測器積體晶片包括直接設置在光檢測器104之上的受體層118以及設置在受體層118與光檢測器104之間的光學信號增強結構126。儘管圖11至圖39涉及方法描述，但應當理解，圖11至圖39中揭露的結構不限於此種方法，而是可作為獨立於該方法的結構獨立而存在。
圖11至圖16示出了用於形成圖像感測器晶圓的方法的一些實施例的橫截面圖1100至橫截面圖1600。
如圖11的橫截面圖1100所示，沿半導體層102的前側102a在半導體層102內形成多個光檢測器104。在一些實施例中，在光檢測器104形成在半導體層102內之前，半導體層102形成在基底1102上。
在一些實施例中，形成多個光檢測器104包括沿著半導體層102執行一個或多個植入製程（implantation process）、擴散製程或一些其他合適的製程。在一些實施例中，半導體層102包括矽或一些其他合適的材料並且在基底1102上通過化學氣相沉積（chemical vapor deposition；CVD）製程、物理氣相沉積（physical vapor deposition；PVD）製程、原子層沉積（atomic layer deposition；ALD）製程、外延生長製程或其他一些合適的製程來形成。在一些實施例中，基底1102包括矽、絕緣體上半導體（semiconductor-on-insulator；SOI）疊層或一些其他合適的材料。
如圖12的橫截面圖1200所示，在與前側102a相對的半導體層102的背側102b之上形成ILD結構108。此外，在ILD結構108內形成內連線結構110。內連線結構110包括設置在ILD結構108內的多個導電特徵。
在一些實施例中，ILD結構108包括氧化矽、氮化矽或一些其他合適的材料並通過CVD製程、PVD製程、ALD製程或一些其他合適的製程來形成。在一些實施例中，內連線結構110的導電特徵包括銅、鎢、鋁或一些其他合適的材料並且在ILD結構108內通過CVD製程、PVD製程、ALD製程、濺射製程、化學鍍沉積（electroless deposition；ELD）、電化學沉積（electrochemical deposition；ECD）製程或一些其他合適的製程來形成。
如圖13的橫截面圖1300所示，將載體晶圓606接合在ILD結構108之上。舉例來說，在一些實施例中，載體晶圓606沿載體晶圓606的第一側接合到ILD結構108。在一些其他實施例中，載體晶圓606沿載體晶圓606的第一側接合到位在ILD結構108之上的接合層（未示出）。在一些實施例中，載體晶圓606包括矽或一些其他合適的材料。在一些實施例中，接合包括熔融接合製程、黏合劑接合製程或一些其他合適的製程。
如圖14的橫截面圖1400所示，從半導體層102的背側102b移除基底1102。在一些實施例中，半導體層102沿半導體層102的背側102b減薄。在一些實施例中，從半導體層102的背側102b移除基底1102及/或減薄半導體層102包括化學機械平坦化（chemical mechanical planarization；CMP）製程、研磨製程、毯式回蝕刻製程或一些其他合適的製程。
如圖15的橫截面圖1500所示，在多個光檢測器104之上分別沿著半導體層102的背側102b形成多個濾色器106。在一些實施例中，形成濾色器106包括在光檢測器104之上沉積及圖案化多個彩色光阻（color resist）層。此外，直接在多個濾色器106之上分別形成多個微透鏡112。在一些實施例中，形成微透鏡112包括將微透鏡模板設置在微透鏡材料之上並根據微透鏡模板使微透鏡材料成形。
如圖16的橫截面圖1600所示，在微透鏡112上沉積膠層114。此外，在微透鏡112及濾色器106的相對側上沉積膠層114。在一些實施例中，膠層114包括環氧樹脂或一些其他合適的材料並通過塗佈（spread coating）製程、CVD製程、PVD製程、ALD製程或一些其他合適的製程來沉積。在一些其他實施例中，膠層114可圍繞濾色器106及微透鏡112的周邊沉積，但不直接沉積在微透鏡112之上。
圖17至圖34示出了用於形成生物反應晶圓的方法的一些實施例的橫截面圖1700至橫截面圖3400。
如圖17的橫截面圖1700所示，在第一介電層304的第一側之上沉積入射輻射濾波器層128。在一些實施例中，第一介電層304包括玻璃、石英、一些塑料材料或一些其他合適的材料。在一些實施例中，入射輻射濾波器層128包括具有不同折射率的各種薄膜或一些其他合適材料的堆疊並通過CVD製程、PVD製程、ALD製程或一些其他合適的製程來沉積。
如圖18的橫截面圖1800所示，在入射輻射濾波器層128之上沉積孔層202。在一些實施例中，孔層202包括鋁、鈦、氮化鈦或一些其他合適的材料並通過CVD製程、PVD製程、ALD製程、濺射製程、ELD製程、ECD製程或一些其他合適的製程來沉積。
如圖19的橫截面圖1900所示，孔層202被圖案化以在孔層202中形成多個孔204。多個孔204由孔層202的側壁界定。在一些實施例中，圖案化包括在孔層202之上形成罩幕層（未示出）並根據罩幕層蝕刻孔層202以在孔層202中形成孔204。在一些實施例中，蝕刻包括乾式蝕刻製程（例如，電漿蝕刻製程、反應離子蝕刻製程、離子束蝕刻製程等）或一些其他合適的製程。在一些實施例中，可在蝕刻期間及/或之後移除罩幕層。
如圖20的橫截面圖2000所示，在第一介電層304的與第一側相對的第二側之上沉積聚焦層302。在一些實施例中，聚焦層302包括非晶矽、氮化矽或一些其他合適的材料並通過CVD製程、PVD製程、ALD製程或一些其他合適的製程來沉積。
如圖21的橫截面圖2100所示，聚焦層302被圖案化以形成多個聚焦層段（未標示）。在一些實施例中，圖案化包括根據一個或多個罩幕層執行一個或多個蝕刻製程。在一些實施例中，圖案化沿聚焦層段的頂表面形成多個突起（例如，如圖8A及圖3的虛線302a所示）。在一些其他實施例中，圖案化可導致聚焦層段具有傾斜的側壁（例如，如圖3的虛線302b所示）及/或實質上平坦的頂表面（例如，如圖8B所示）。
如圖22的橫截面圖2200所示，在聚焦層302之上以及在聚焦層段（未標示）之間沉積第二介電層306。在一些實施例中，第二介電層306包括玻璃、石英、一些塑料材料或一些其他合適的材料並通過CVD製程、PVD製程、ALD製程或一些其他合適的製程來沉積。
如圖23的橫截面圖2300所示，在第二介電層306之上沉積熱控制器層2302。在一些實施例中，熱控制器層2302包括鉑、多晶矽或一些其他合適的材料並通過CVD製程、PVD製程、ALD製程、濺射製程、ELD製程、ECD製程或一些其他合適的製程來沉積。
如圖24的橫截面圖2400所示，熱控制器層（例如，圖23的熱控制器層2302）被圖案化以從熱控制器層形成多個溫度感測器508及多個加熱器510。在一些實施例中，圖案化包括在熱控制器層之上形成罩幕層（未示出）並根據罩幕層蝕刻熱控制器層以從熱控制器層形成溫度感測器508及加熱器510。在一些實施例中，蝕刻包括乾式蝕刻製程或一些其他合適的製程。在一些實施例中，可在蝕刻期間及/或之後移除罩幕層。
如圖25的橫截面圖2500所示，在溫度感測器508之上、加熱器510之上以及在溫度感測器508與加熱器510之間沉積第三介電層512。在一些實施例中，第三介電層512包括玻璃、石英、一些塑料材料或一些其他合適的材料並通過CVD製程、PVD製程、ALD製程或一些其他合適的製程來沉積。
如圖26的橫截面圖2600所示，在第三介電層512之上沉積反射體層402。在一些實施例中，反射體層402包括鋁、鈦、氮化鈦、鉻或一些其他合適的材料並通過CVD製程、PVD製程、ALD製程、濺射製程、ELD製程、ECD製程或其他一些合適的製程程來沉積。
如圖27的橫截面圖2700所示，反射體層402被圖案化以在反射體層402中形成多個孔406。多個孔406由反射體層402的側壁界定。在一些實施例中，圖案化包括在反射體層402之上形成罩幕層（未示出）並根據罩幕層蝕刻反射體層402以在反射體層402中形成孔406。在一些實施例中，蝕刻包括乾式蝕刻製程或一些其他合適的製程。在一些實施例中，可在蝕刻期間及/或之後移除罩幕層。
如圖28的橫截面圖2800所示，在反射體層402之上以及反射體層402的側壁之間沉積第一包覆層404，所述側壁界定反射體層402中的孔406。在一些實施例中，第一包覆層404包括二氧化矽或一些其他合適的材料並通過CVD製程、PVD製程、ALD製程或一些其他合適的製程來沉積。
如圖29的橫截面圖2900所示，在第一包覆層404之上沉積波導通道核心層502。在一些實施例中，波導通道核心層502包括BST、PZT、氧化鉭、氧化鉿、氮化矽、氧化鋁或一些其他合適的材料並通過CVD製程、PVD製程、ALD製程或一些其他合適的製程來沉積。
如圖30的橫截面圖3000所示，波導通道核心層502被圖案化以形成沿波導通道核心層502的光耦合器結構602。在一些實施例中，波導通道核心層502也被圖案化以形成沿波導通道核心層502的分光器（未示出）。在一些實施例中，圖案化包括在波導通道核心層502之上形成罩幕層（未示出）並根據罩幕層蝕刻波導通道核心層502以形成沿波導通道核心層502的光耦合器結構602及/或分光器（未示出）。在一些實施例中，蝕刻包括乾式蝕刻製程或一些其他合適的製程。在一些實施例中，可在蝕刻期間及/或之後移除罩幕層。
如圖31的橫截面圖3100所示，在波導通道核心層502之上以及在光耦合器結構602處的波導通道核心層502的部分之間沉積第二包覆層504。在一些實施例中，第二包覆層504包括二氧化矽或一些其他合適的材料並通過CVD製程、PVD製程、ALD製程或一些其他合適的製程來沉積。在一些實施例中，在沉積第二包覆層504之後將第二包覆層504的頂表面平坦化（例如，通過CMP製程或一些其他合適的製程）。
如圖32的橫截面圖3200所示，第二包覆層504被圖案化以沿第二包覆層504以及直接位在孔406、聚焦層302的聚焦層段及孔204之上形成多個生物反應腔室506。圖案化暴露波導通道核心層502的上表面的部分。生物反應腔室506由第二包覆層504的側壁及波導通道核心層502的未被圖案化覆蓋的上表面的部分界定。在一些實施例中，圖案化包括在第二包覆層504之上形成罩幕層（未示出）並根據罩幕層蝕刻第二包覆層504以形成沿第二包覆層504的生物反應腔室506。在一些實施例中，蝕刻包括乾式蝕刻製程或一些其他合適的製程。在一些實施例中，可在蝕刻期間及/或之後移除罩幕層。
如圖33的橫截面圖3300所示，在第二包覆層504上及在生物反應腔室506處的波導通道核心層502上形成受體層118。舉例來說，在第二包覆層504的側壁上及界定生物反應腔室506的波導通道核心層502的上表面的部分上形成受體層118。在一些實施例中，在第二包覆層504的頂表面上進一步形成受體層118。
在一些實施例中，受體層118包括水凝膠、親水塗層或一些其他合適的材料並沉積在第二包覆層504上及在生物反應腔室506處的波導通道核心層502上。在一些其他實施例中，受體層118包括通過自組裝單層（self-assembled monolayer；SAM）形成製程在第二包覆層504上及在生物反應腔室506處的波導通道核心層502上形成的自組裝單層（SAM）等。
在一些實施例中，生物受體120隨後被固定在生物反應腔室506處的受體層118上。在一些其他實施例中，當樣品溶液（例如，圖39的樣品溶液130）被提供給生物反應腔室506（參見例如圖39）時，生物受體120可固定在生物反應腔室506處。
如圖34的橫截面圖3400所示，頂蓋層122接合在第二包覆層504之上以在生物反應腔室506之上形成微流體通道124。在一些實施例中，頂蓋層122被接合到第二包覆層504。在一些實施例（未示出）中，第二包覆層504被接合到設置在第二包覆層504的頂表面上的黏合劑接合層（未示出）。在一些實施例（未示出）中，受體層118沿接合界面直接設置在頂蓋層122與第二包覆層504之間。
在一些實施例中，接合包括熔融接合製程、電漿活化接合製程、表面活化接合製程、陽極接合製程、黏合劑接合製程或一些其他合適的製程。在一些實施例中，頂蓋層122包括玻璃、石英、聚二甲基矽氧烷（PDMS）、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、一些塑料材料或一些其他合適的材料。在一些實施例中，在接合之前，圖案化頂蓋層122以在頂蓋層中形成頂蓋凹槽（未標示）、入口122a及出口122b。
如圖35的橫截面圖3500所示，生物感測器晶圓（未標示）接合在圖像感測器晶圓（未標示）之上。舉例來說，生物感測器晶圓沿著膠層114、孔層202及入射輻射濾波器層128接合到圖像感測器晶圓。在一些實施例中，膠層114包括被配置為黏附到孔層202及入射輻射濾波器層128的環氧樹脂。在一些實施例中，接合包括黏合劑接合製程、熔融接合製程或一些其他合適的製程。在一些實施例中（例如，其中膠層114圍繞濾色器106及微透鏡112的周邊設置而不直接在微透鏡112之上），膠層114、孔層202及入射輻射濾波器層128沿著濾色器106及微透鏡112的周邊接合。在一些實施例中，包括空氣等的空腔（未示出）直接存在於微透鏡112之上並直接存在於微透鏡112與孔202之間。
如圖36的橫截面圖3600所示，載體晶圓606沿載體晶圓606的與第一側相對的第二側減薄。在一些實施例中，減薄包括研磨製程、回蝕刻製程、CMP製程或一些其他合適的製程。
如圖37的橫截面圖3700所示，在載體晶圓606的第二側之上形成包括基底穿孔（TSV）層610的TSV結構，使得TSV層610耦合到內連線結構110的導電特徵。在一些實施例中，形成TSV結構包括蝕刻載體晶圓606及ILD結構108以在載體晶圓606及ILD結構108中形成TSV開口（未示出）。TSV開口暴露內連線結構110的導電特徵。在載體晶圓606的第二側之上並沿著TSV開口沉積隔離層608。蝕刻隔離層608以從內連線結構110的導電特徵中移除隔離層608。在載體晶圓606的第二側之上、沿著TSV開口以及在內連線結構110的導電特徵上沉積TSV層610。蝕刻TSV層610以將TSV層610分離為個別的TSV段。在TSV層610之上及TSV開口的剩餘部分中沉積鈍化層612以填充TSV開口。蝕刻鈍化層612以在鈍化層612中形成鈍化開口（未標示）。鈍化開口暴露出TSV層610的TSV段的部分。
如圖38的橫截面圖3800所示，沿切割道3802執行切割製程以將接合的晶圓切割成個別的晶粒。在一些實施例中，切割製程包括使切割刀片沿切割道3802與晶圓接觸以切割晶圓。
如圖39的橫截面圖3900所示，在一些實施例中，攜帶其上固定有生物受體120的微珠604的樣品溶液130經由入口122a注入到微流體通道124中。在一些實施例中，樣品溶液130還可攜帶分析物（例如，圖6的分析物132）。在一些其他實施例中，隨後攜帶分析物的個別樣品溶液經由入口122a注入微流體通道124中。
圖40示出了用於形成光學生物感測器積體晶片的方法4000的一些實施例的流程圖。儘管方法4000在下文中被示出及描述為一系列動作或事件，但應理解，這些動作或事件的圖示順序不應被解釋為限制性的。舉例來說，一些動作可以不同的順序發生及/或與除了本文所示及/或描述的那些之外的其他動作或事件同時發生。此外，實施本文描述的一個或多個方面或實施例可能並非需要所有圖示的動作。此外，本文描述的一個或多個動作可在一個或多個個別的動作及/或階段中執行。
在方塊4002處，形成圖像感測器晶圓。在一些實施方案中，方塊4002包括方塊4002a、方塊4002b、方塊4002c及方塊4002d。圖11至圖16示出了對應於方塊4002的一些實施例的橫截面圖1100至橫截面圖1600。
在方塊4002a處，沿半導體層形成多個光檢測器。圖11示出了對應於方塊4002a的一些實施例的橫截面圖1100。
在方塊4002b處，在多個光檢測器之上形成多個濾色器。圖15示出了對應於方塊4002b的一些實施例的橫截面圖1500。
在方塊4002c處，在多個濾色器之上形成多個微透鏡。圖15示出了對應於方塊4002c的一些實施例的橫截面圖1500。
在方塊4002d處，在多個微透鏡之上沉積膠層。圖16示出了對應於方塊4002d的一些實施例的橫截面圖1600。
在方塊4004處，形成生物反應晶圓。在一些實施方案中，方塊4004包括方塊4004a、方塊4004b、方塊4004c、方塊4004d及方塊4004e。圖17至圖34示出了對應於方塊4004的一些實施例的橫截面圖1700至橫截面圖3400。
在方塊4004a處，沿介電結構形成光學信號增強結構。圖17至圖27示出了對應於方塊4004a的一些實施例的橫截面圖1700至橫截面圖2700。
在方塊4004b處，在介電結構之上及光學信號增強結構之上形成波導通道結構。在一些實施例中，形成波導通道結構包括在介電結構之上沉積第一包覆層，在第一包覆層之上沉積波導通道核心層，圖案化波導通道核心層（例如，以沿波導通道核心層形成光耦合器、分光器等），以及圖案化的波導通道核心層之上沉積第二包覆層。圖28至圖31示出了對應於方塊4004b的一些實施例的橫截面圖2800至橫截面圖3100。
在方塊4004c處，在波導通道結構之上形成多個生物反應腔室。圖32示出了對應於方塊4004c的一些實施例的橫截面圖3200。
在方塊4004d處，沿多個生物反應腔室沉積受體層。圖33示出了對應於方塊4004d的一些實施例的橫截面圖3300。在一些實施例中，方法4000包括在受體層的沉積期間或之後將生物受體固定在生物反應腔室的受體層上。在一些實施例中，方法4000可替代地包括在接合生物反應晶圓及圖像感測器晶圓之後，將攜帶其上固定有生物受體的微珠的樣品溶液注射到微流體通道中。
在方塊4004e處，將頂蓋層接合到介電結構上，以在受體層之上並沿著多個生物反應腔室形成微流體通道。在一些實施例中，微流體通道可在頂蓋層接合到介電結構之上之前在頂蓋層中形成。圖34示出了對應於方塊4004e的一些實施例的橫截面圖3400。
在方塊4006處，沿膠層將生物反應晶圓接合到圖像感測器晶圓之上。圖35示出了對應於方塊4006的一些實施例的橫截面圖3500。
在一些實施例中，方法4000更包括在ILD結構內沿半導體層形成ILD結構及內連線結構。在一些實施例中，方法4000更包括在介電結構內形成溫度感測器及/或加熱器。在一些實施例中，方法4000更包括沿ILD層形成TSV層並接觸內連線結構。在一些實施例中，方法4000更包括切割接合晶圓以將接合的晶圓分離成個別的晶粒。
因此，本揭露涉及一種光學生物感測器裝置，其包括與圖像感測器積體的生物反應裝置，用於提高光學生物感測器裝置的便攜性。
因此，在一些實施例中，本揭露涉及包括半導體層及沿半導體層設置的光檢測器的積體晶片。濾色器位在光檢測器之上。微透鏡位在濾色器之上。介電結構包括一個或多個介電層且位在微透鏡之上。受體層位在介電結構之上。光學信號增強結構沿介電結構設置在受體層與微透鏡之間。在一些實施例中，所述光學信號增強器結構包括入射輻射濾波器層，其中所述入射輻射濾波器層設置在所述介電結構的底表面上且直接設置在所述受體層與所述微透鏡之間。在一些實施例中，所述光學信號增強結構包括設置在所述介電結構內並直接設置在所述受體層與所述微透鏡之間的聚焦層，其中所述聚焦層具有沿所述聚焦層的頂表面的多個環形突起。在一些實施例中，所述光學信號增強結構包括設置在所述介電結構內並直接設置在所述受體層與所述微透鏡之間的聚焦層，其中所述聚焦層的側壁的頂部之間的距離大於所述聚焦層的所述側壁的底部之間的距離。在一些實施例中，積體晶片更包括位在所述介電結構與所述微透鏡之間的膠層，其中所述光學信號增強結構包括沿所述介電結構的底表面及所述膠層的頂表面設置的孔層，其中所述孔層的側壁界定所述孔層中的孔，且其中所述膠層直接在所述孔層的所述側壁之間橫向延伸並直接設置在所述受體層與所述微透鏡之間。在一些實施例中，積體晶片更包括位在所述介電結構與所述微透鏡之間的包覆層，其中所述光學信號增強結構包括沿所述介電結構的頂表面及所述包覆層的底表面設置的反射體層，其中所述反射體層的側壁界定所述反射體層中的孔，且其中所述包覆層直接在所述反射體層的所述側壁之間延伸並直接設置在所述受體層與所述微透鏡之間。在一些實施例中，積體晶片更包括位在所述介電結構之上的第一包覆層、位在所述第一包覆層之上的波導通道核心層以及位在所述波導通道核心層之上的第二包覆層，其中所述第二包覆層的側壁及所述波導通道核心層的上表面界定生物反應腔室，且其中所述受體層襯在所述波導通道核心層的所述上表面及所述第二包覆層的所述側壁。在一些實施例中，積體晶片更包括位在所述介電結構之上的頂蓋層，其中所述頂蓋層的側壁及所述頂蓋層的下表面界定所述頂蓋層內的微流體通道，其中所述受體層直接設置在所述下表面下方及所述頂蓋層的所述側壁之間，且其中所述受體層進一步界定所述微流體通道。在一些實施例中，積體晶片更包括位在所述介電結構內的溫度感測器以及位在所述介電結構內且橫向與所述溫度感測器相鄰的加熱器。
在其他實施例中，本揭露涉及包括半導體層的積體晶片。多個光檢測器沿半導體層設置。多個濾色器位在多個光檢測器之上。多個微透鏡位在多個濾色器之上。介電結構包括一個或多個介電層且位在多個微透鏡之上。第一包覆層位在介電結構之上。第一包覆層界定沿第一包覆層的頂表面間隔開的多個生物反應腔室。受體層位在第一包覆層之上並在多個生物反應腔室處襯於第一包覆層。頂蓋層位在第一包覆層之上且位在受體層之上。微流體通道沿受體層的頂表面並沿多個生物反應腔室延伸穿過頂蓋層。光學信號增強結構設置在多個生物反應腔室與多個光檢測器之間且被配置為增強從沿多個生物反應腔室發生的生物反應發射的光學信號。在一些實施例中，所述光學信號增強結構包括設置在所述介電結構與所述微透鏡之間的所述介電結構的底表面上的入射輻射濾波器層。在一些實施例中，所述光學信號增強結構更包括其中有多個第一孔的孔層以及設置在所述孔層與所述多個微透鏡之間的膠層，孔層沿所述入射輻射濾波器層的底部設置，且其中所述膠層的部分填充所述多個第一孔且所述膠層的所述部分直接位在所述多個生物反應腔室之下。在一些實施例中，所述光學信號增強結構更包括設置在所述介電結構內的聚焦層，其中所述聚焦層包括分別直接設置在所述多個生物反應腔室下方的多個聚焦段。在一些實施例中，所述光學信號增強結構更包括位在所述第一包覆層與所述介電結構之間的第二包覆層以及設置在所述第一包覆層與所述第二包覆層之間的波導通道核心層，其中所述多個生物反應腔室直接設置在所述波導通道核心層的頂表面之上。在一些實施例中，積體晶片更包括沿所述介電結構的頂表面及所述第二包覆層的底表面設置的反射體層，所述反射體層中具有多個第二孔，其中所述第二包覆層設置在所述反射體層之上，其中所述第二包覆層的部分填充所述多個第二孔且所述第二包覆層的所述部分直接設置在所述多個生物反應腔室之下。
在又一些實施例中，本揭露涉及用於形成積體晶片的方法。方法包括沿半導體層形成多個光檢測器。分別在多個光檢測器之上形成多個濾色器。分別在多個濾色器之上形成多個微透鏡。在多個微透鏡之上沉積膠層。沿介電結構形成光學信號增強結構。在介電結構之上及在光學信號增強結構之上形成多個生物反應腔室。沿多個生物反應腔室沉積受體層。將其中具有微流體通道的頂蓋層接合到受體層之上及多個生物反應腔室之上。將介電結構接合到多個光檢測器之上並沿膠層接合，使得多個生物反應腔室設置在多個光檢測器之上。在一些實施例中，形成所述光學信號增強結構包括在所述介電結構的背側上沉積入射輻射濾波器層；在所述入射輻射濾波器層上沉積孔層；圖案化所述孔層以在所述孔層中形成多個第一孔；在所述介電結構內形成包括多個聚焦段的聚焦層；在所述介電結構之上沉積反射體層；以及圖案化所述反射體層以在所述反射體層中形成多個第二孔。在一些實施例中，方法更包括在所述電介質結構內形成溫度感測器及加熱器。在一些實施例中，方法更包括在所述介電結構之上沉積第一包覆層；在所述第一包覆層之上沉積波導通道核心層；圖案化所述波導通道核心層以形成沿所述波導通道核心層的光耦合器結構；以及在所述波導通道核心層之上沉積第二包覆層。在一些實施例中，所述多個生物反應腔室通過圖案化所述第二包覆層形成，且其中所述多個生物反應腔室由所述第二包覆層的側壁及所述波導通道核心層的上表面界定。
以上概述了若干實施例的特徵，以使本領域中的技術人員可更好地理解本揭露的各個方面。本領域中的技術人員應理解，其可容易地使用本揭露作為設計或修改其他製程及結構的基礎來施行與本文中所介紹的實施例相同的目的及/或實現與本文中所介紹的實施例相同的優點。本領域中的技術人員還應認識到，這些等效構造並不背離本揭露的精神及範圍，而且他們可在不背離本揭露的精神及範圍的條件下在本文中作出各種改變、代替及變更。
100、200、300、400、500、600、1100、1200、1300、1400、1500、1600、1700、1800、1900、2000、2100、2200、2300、2400、2500、2600、2700、2800、2900、3000、3100、3200、3300、3400、3500、3600、3700、3800、3900:橫截面圖 102:半導體層 102a:前側 102b:背側 104:光檢測器 106:濾色器 108:層間電介質（ILD）結構 110:內連線結構 112:微透鏡 114:膠層 116:介電結構 118:受體層 120:生物受體 122:頂蓋層 122a:入口 122b:出口 124:微流體通道 126:光學信號增強結構 128:入射輻射濾波器層 130:樣品溶液 132:分析物 134:光輻射源 136:入射光輻射 136a:第一入射輻射 136b:第二入射輻射 138:光輻射信號 202:孔層 204、406:孔 302:聚焦層 302a、302b:虛線 304:第一介電層 306:第二介電層 402:反射體層 404:第一包覆層 502:波導通道核心層 504:第二包覆層 506:生物反應腔室 508:溫度感測器 510:加熱器 512:第三介電層 514:溝渠隔離結構 516:複合金屬網格（CMG）結構 602:光耦合器結構 604:微珠 606:載體晶圓 608:隔離層 610:基底穿孔（TSV）層 612:鈍化層 700、800a、800b、900、1000:俯視圖 1102:基底 2302:熱控制器層 3802:切割道 4000:方法 4002、4002a、4002b、4002c、4002d、4004、4004a、4004b、4004c、4004d、4004e、4006:方塊 A-A'、B-B’、C-C’、D-D’:線
結合附圖閱讀以下詳細說明，會最佳地理解本揭露的各個態樣。應注意，根據本行業中的標準慣例，圖式中的各種特徵並非按比例繪製。事實上，為使論述清晰起見，可任意增大或減小各種特徵的尺寸。 圖1至圖5示出了光學生物感測器積體晶片的一些實施例的橫截面圖，光學生物感測器積體晶片包括直接設置在光檢測器之上的受體層以及設置在受體層與光檢測器之間的光學信號增強結構。 圖6示出了光學生物感測器積體晶片的一些實施例的橫截面圖，光學生物感測器積體晶片包括直接設置在多個光檢測器之上的受體層以及設置在受體層與多個光檢測器之間的光學信號增強結構。 圖7、圖8A、圖8B、圖9及圖10示出了圖6的光學生物感測器積體晶片的一些實施例的俯視圖。 圖11至圖39示出了用於形成光學生物感測器積體晶片的方法的一些實施例的橫截面圖，光學生物感測器積體晶片包括直接設置在光檢測器之上的受體層以及設置在受體層與光檢測器之間的光學信號增強結構。 圖40示出了用於形成光學生物感測器積體晶片的方法的一些實施例的流程圖。
102:半導體層
104:光檢測器
106:濾色器
108:層間電介質(ILD)結構
110:內連線結構
112:微透鏡
114:膠層
118:受體層
120:生物受體
122:頂蓋層
122a:入口
122b:出口
124:微流體通道
126:光學信號增強結構
128:入射輻射濾波器層
130:樣品溶液
132:分析物
136a:第一入射輻射
136b:第二入射輻射
138:光輻射信號
202:孔層
204、406:孔
302:聚焦層
304:第一介電層
306:第二介電層
402:反射體層
404:第一包覆層
502:波導通道核心層
504:第二包覆層
506:生物反應腔室
508:溫度感測器
510:加熱器
512:第三介電層
600:橫截面圖
602:光耦合器結構
604:微珠
606:載體晶圓
608:隔離層
610:基底穿孔(TSV)層
612:鈍化層
A-A'、B-B’、C-C’、D-D’:線

Claims (1)

  1. 一種積體晶片，包括： 半導體層； 光檢測器，沿所述半導體層設置； 濾色器，位在所述光檢測器之上； 微透鏡，位在所述濾色器之上； 介電結構，包括一個或多個介電層且位在所述微透鏡之上； 受體層，位在所述介電結構之上；以及 光學信號增強結構，沿所述介電結構設置在所述受體層與所述微透鏡之間。
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