TWI571626B - 具有奈米腔的集成生物感測器及其製作方法 - Google Patents

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Description

具有奈米腔的集成生物感測器及其製作方法
本發明係關於生物檢測技術領域，特別是有關於一種具有奈米腔（nanocavity）的集成生物感測器及其製作方法。
近年來，由於生物科技的進步，不斷地研發出各種生物檢測方法，其中用來檢驗特定基因中去氧核醣核酸（DNA）序列的技術更是蓬勃發展。所謂基因就是一段特定序列的DNA，以去氧核醣與磷酸酯為主要骨幹，並含有四種鹼基：腺嘌呤（A）、鳥糞嘌呤（G）、胸腺嘧啶（T）與胞嘧啶（C）。在兩條單股DNA之間，由於化學結構的相互吻合，可藉由A與T，G與C之間形成特定的氫鍵而相互吸引，構成雙股螺旋狀的DNA構造。
已知，DNA定序可以透過基因工程的方法，將待定序的基因序列切成小片段，並接上轉接序列（adaptor），可選擇加入微磁珠（micro-bead）並配合聚合□鏈鎖反應（polymerase chain reaction, PCR），以快速增幅待測基因片段，爾後結合微製程、光學偵測與自動控制技術以不同定序原理的方法，迅速解讀大量的DNA序列。
除了DNA定序，生物感應器還可被應用在各式生物檢測中，諸如細菌、病毒的檢測、基因突變、遺傳篩檢、防疫、環境檢測、污染控制、食品安全等等，也可用於基因缺陷的快速檢測，甚至能藉著檢測的數據提供許多目前尚屬未知的解答，例如，核酸多型性差異與各種疾病、併發症間的關係，進而研發出診斷與預防的方法。
然而，目前該技術領域仍需要一種改良的生物感應器，其需具備快速、準確、靈敏度高等優點，並具有耐酸鹼、抗腐蝕的結構，其製程還要能夠與CMOS影像感測器（CIS）工藝相容，藉以將訊號處理電路單片集成，而達到降低成本、降低功耗、提高集成度之目的。
為達上述目的，本發明特別提出了一種具有奈米腔的集成生物感測器及其製作方法，以解決先前技藝的不足與缺點。
本發明一實施例提供一種具有奈米腔的集成生物感測器，包含有一基底，其上設有複數個隔離結構，區隔出複數個像素區域；一光感測區，設於各該像素區域中；一第一介電層，設於該基底上；一擴散阻擋層，設於該第一介電層上；一第二介電層，設於該擴散阻擋層上；一溝槽凹陷結構，設於該第二介電層中；一襯層，順形的設於該溝槽凹陷結構內壁上；一濾光材料層，設於該溝槽凹陷結構內的該襯層上；一上蓋層，直接接觸到該濾光材料層的上表面，並封蓋住該濾光材料層；一第一鈍化層，設於該上蓋層上；一奈米腔結構層，設於該第一鈍化層上，其中於該濾光材料層正上方的該奈米腔結構層中，設有一奈米腔；以及一第二鈍化層，設於該奈米腔的側壁及底部。該濾光材料層阻擋特定波長的光源並能過濾掉雜訊光線，僅讓特定波長的光線通過，而到達該光感測區。
本發明一實施例提供一種製作具有奈米腔的集成生物感測器的方法，包含有提供一基底，其上設有複數個隔離結構，區隔出複數個像素區域；於各該像素區域中形成一光感測區；於該基底上沉積一第一介電層；於該第一介電層上沉積一擴散阻擋層；於該擴散阻擋層上沉積一第二介電層；於該第二介電層中形成一溝槽凹陷結構；順形的於該溝槽凹陷結構內壁上沉積一襯層；於該襯層上形成一濾光材料層，填滿該溝槽凹陷結構；沉積一上蓋層，使該上蓋層直接接觸到該濾光材料層的上表面，並封蓋住該濾光材料層；於該上蓋層上形成一第一鈍化層；於該第一鈍化層上沉積一奈米腔結構層；於該濾光材料層正上方的該奈米腔結構層中，形成一奈米腔；以及於該奈米腔的側壁及底部形成一第二鈍化層。
根據本發明一實施例，形成該濾光材料層之後，另包含有：進行一固化製程，以固化該濾光材料層；以及進行一研磨或者回蝕刻步驟，將該溝槽凹陷結構外的該濾光材料層去除。
根據本發明一實施例，該第一鈍化層以及該第二鈍化層係利用物理氣相沉積法沉積而成。
本發明另一實施例提供一種具有奈米腔的集成生物感測器，包含有一基底，其上設有複數個隔離結構，區隔出複數個像素區域；一光感測區，設於各該像素區域中；一第一介電層，設於該基底上；一擴散阻擋層，設於該第一介電層上；一第二介電層，設於該擴散阻擋層上；一溝槽凹陷結構，設於該第二介電層中；一襯層，順形的設於該溝槽凹陷結構內壁上；一濾光材料層，設於該溝槽凹陷結構內的該襯層上，該濾光材料層具有一上表面，低於該第二介電層介電層的上表面一預定深度，如此形成一凹陷部；一上蓋層，順形的設於該濾光材料層以及該襯層上，該上蓋層直接接觸到該濾光材料層的該上表面，並封蓋住該濾光材料層；以及一鈍化層，順形的設於該上蓋層上，其中該鈍化層表面自動對準該濾光材料層於該凹陷部上方構成一奈米腔。
本發明另一實施例提供一種製作具有奈米腔的集成生物感測器的方法，包含有提供一基底，其上設有複數個隔離結構，區隔出複數個像素區域；於各該像素區域中形成一光感測區；於該基底上沉積一第一介電層；於該第一介電層上沉積一擴散阻擋層；於該擴散阻擋層上沉積一第二介電層；於該第二介電層中形成一溝槽凹陷結構；順形的於該溝槽凹陷結構內壁上沉積一襯層；於該襯層上形成一濾光材料層，填滿該溝槽凹陷結構；進行一固化製程，以固化該濾光材料層； 進行一研磨或者回蝕刻步驟，將該溝槽凹陷結構外的該濾光材料層去除；進行一回蝕刻步驟，使該濾光材料層的一上表面，低於該第二介電層介電層的上表面一預定深度，如此形成一凹陷部；於該凹陷部順形的沉積一上蓋層，該上蓋層直接接觸到該濾光材料層的上表面，並封蓋住該濾光材料層；於該上蓋層上順形的形成一鈍化層，其中該鈍化層表面自動對準該濾光材料層於該凹陷部上方形成一奈米腔。該鈍化層包含金屬氧化物，例如，氧化鉭。
無疑地，本發明的這類目的與其他目的在閱者讀過下文以多種圖示與繪圖來描述的較佳實施例細節說明後將變得更為顯見。
接下來的詳細敘述須參照相關圖式所示內容，用來說明可依據本發明具體實行的實施例。這些實施例提供足夠的細節，可使此領域中的技術人員充分了解並具體實行本發明。在不悖離本發明的範圍內，可做結構、邏輯和電性上的修改應用在其他實施例上。
因此，接下來的詳細描述並非用來對本發明加以限制。本發明涵蓋的範圍由其權利要求界定。與本發明權利要求具同等意義者，也應屬本發明涵蓋的範圍。本發實施例所參照的附圖為示意圖，並未按比例繪製，且相同或類似的特徵通常以相同的附圖標記描述。
文中使用的「基底」一詞，其代表且包含了那些讓半導體元件等組成物形成在其上的基材或構體。此基底可為一種半導體基底、一種形成在支撐結構上的半導體基材、或是形成有一或多個材料、結構、區域的半導體基底。此基底可為傳統的矽基底或是含有半導體材料的塊材。「基底」一詞不只代表傳統矽晶圓，其可包含絕緣層覆矽基底（silicon-on-insulator, SOI），如矽藍寶石基底（silicon- on-sapphire, SOS）、矽玻璃基底（silicon-on-glass, SOG）、矽底材上的矽磊晶層，或是其他的半導體或光電材質，如矽鍺（SiGe）、鍺（Ge）、砷化鎵（GaAs）、氮化鎵（GaN）、磷化銦（InP）等材料。
當文中指出某元件位在另一元件「上」或「上方」時，其係代表且包含了該元件直接位在該另一元件正上方、相鄰、之下、或是與該另一元件直接接觸等含意，其亦包含了該元件並非直接位在該另一元件正上方、相鄰、之下、或是與該另一元件直接接觸等含意。相反地，當某元件被描述成直接位在該另一元件上時，不會有任何其他元件介於其間。
除非文中有特別加以指出，不然文中所描述的材料都可以任何合適的技術來形成，如旋塗法、刮塗法、浸塗法、毯覆式刮塗法、化學氣相沉積（CVD）、原子層沉積法（ALD）、以及物理氣相沉積法（PVD）等，但不限於此。或者，材料可以在當前製程中（in-situ）直接生長。視所欲形成的特定材料而定，本領域的一般技藝人士可以選擇要用來沉積或成長這些材料的技術。
除非文中有特別加以指出，不然文中所述關於材料的移除動作都可以任何合適的技術來達成，如蝕刻或磨平等作法，但不限於此。
本發明係提供一種集成生物感應器，其上具有可以直接進行生化反應的奈米腔（nanocavity），具備快速、準確、靈敏度高等優點，具有耐酸鹼、抗腐蝕的結構，且製程能夠與CMOS影像感測器（CIS）工藝相容，可以將訊號處理電路單片集成，因此能具有降低成本、降低功耗、提高集成度。
請參閱第1圖，其為依據本發明一實施例所繪示的具有奈米腔的集成生物感測器的剖面示意圖。如第1圖所示，集成生物感測器1包含一基底100，其中形成有複數個像素區域10，以陣列排列。為方便說明，圖中僅顯示出像素陣列中的兩個像素區域。根據本發明實施例，基底100可以是矽基底，但不限於此。在基底100設有多個隔離結構112，區隔出各個像素區10。
各個像素區的基底100上可以形成有閘極結構160。然後，於閘極結構160兩側的基底100中形成光感測區104與浮置汲極區106。閘極結構160可以包括一介電層與一導體層，其中介電層可以是氧化矽，導體層可以是單晶矽、未摻雜多晶矽、摻雜多晶矽、非晶矽、金屬矽化物或其組合。閘極結構160的側壁上可以形成有間隙壁，例如是氧化矽或氮化矽或兩者的組合。
光感測區104可以是一光二極體（photodiode），包括第一導電型（first conductivity type）摻雜區142與第二導電型（second conductivity type）摻雜區144，其中第一導電型與第二導電型為相反導電型。以基底100為p型為例，第一導電型摻雜區142例如是n型摻雜區，第二導電型摻雜區144例如是p型摻雜區，浮置汲極區106例如是n型摻雜區，反之亦然。其中，第一導電型摻雜區142例如是淺摻雜區（lightly doped region），第二導電型摻雜區144、浮置汲極區106例如是重摻雜區（heavily doped region）。
依據本發明實施例，在基底100上可以形成有複數層介電層202、204、206、208。例如，介電層202及介電層206可以包含二氧化矽，但不限於此。介於介電層202及介電層206中間的介電層204可以包含氮化矽，但不限於此。依據本發明實施例，介電層204係做為一擴散阻擋（diffusion barrier）層。介電層208，係做為一鈍化層或保護層，其可以包含氮化矽、氮氧化矽、氧化矽，但不限於此。依據本發明實施例，在介電層202內可以形成有一金屬層212，在介電層206內可以形成有金屬層214、216、218以及金屬通孔217。需注意圖中介電層內的金屬層結構僅為例示說明。在其它實施例中，在介電層內亦可以形成更多層的金屬層。
依據本發明實施例，在相對應於各個像素區域10之光感測區104上的介電層206、208中，形成有一溝槽凹陷結構200。依據本發明實施例，溝槽凹陷結構200的底部為介電層204的一上表面，換言之，溝槽凹陷結構200的深度即約略等同於介電層206、208的厚度總和。依據本發明實施例，在溝槽凹陷結構200的底部及側壁上，順形的形成有至少一襯層（liner layer）220，例如，氮化矽層，但不限於此。依據本發明實施例，襯層220還可以形成在介電層208的上表面，構成一連續的襯層。
依據本發明實施例，在溝槽凹陷結構200內可以填入有至少一濾光（light filter）材料層310。依據本發明實施例，濾光材料層310能夠阻擋特定波長的光源（例如，綠光雷射）並能過濾掉雜訊光線，僅僅讓特定波長的光線（例如，特定生化反應產生的螢光）通過，而到達下方的像素區域10，並藉由在像素區域10內的光電反應，產生相應的電流訊號，再被光感測區104接收。
依據本發明實施例，濾光材料層310可以含有高濃度的金屬離子，例如鈉離子（Na +）。為了避免金屬離子向外擴散至介電層，進而造成金屬層腐蝕或變質，本發明於是將濾光材料層310的周圍及底部以襯層220包覆住，避免其與周圍的介電層直接接觸。此外，介電層204可做為擴散阻擋層，確保濾光材料層310不會向下擴散至基底100表面，影響到元件的特性及效能。
依據本發明實施例，在濾光材料層310上以及襯層220上，疊設有一上蓋層320，例如，氮化矽層，但不限於此。依據本發明實施例，上蓋層320直接接觸到濾光材料層310的上表面，並封蓋住濾光材料層310。依據本發明實施例，透過上蓋層320、襯層220以及介電層204，可以完整阻隔濾光材料層310中的金屬離子外擴。
依據本發明實施例，在上蓋層320上形成有一第一鈍化層330。第一鈍化層330可以是金屬氧化物，例如，氧化鉭（TaO），但不限於此。依據本發明實施例，第一鈍化層330必須透光、抗酸鹼、並且相對於奈米腔結構層340，例如氮化矽層，具有高蝕刻選擇比。依據本發明實施例，第一鈍化層330可以做為一蝕刻停止層。依據本發明實施例，第一鈍化層330可以是以物理氣相沉積（physical vapor deposition, PVD）法形成，但不限於此。
依據本發明實施例，在第一鈍化層330上形成有一奈米腔結構層340，例如，氮化矽層，但不限於此。在相對於各濾光材料層310正上方的奈米腔結構層340中，形成有一奈米腔300，其深度約略等於奈米腔結構層340的厚度。且具有傾斜的（bevel）側壁，其與水平面的夾角為θ，例如，夾角θ可介於60∘至80∘，但不限於此。
依據本發明實施例，在奈米腔300的側壁及底部，以及奈米腔結構層340上形成有一順形的第二鈍化層350。第二鈍化層350可以是金屬氧化物，例如，氧化鉭（TaO），但不限於此。依據本發明實施例，第二鈍化層350必須透光、抗酸鹼，能夠避免受到生化反應的腐蝕。依據本發明實施例，第二鈍化層350可以是以物理氣相沉積（PVD）法形成，但不限於此。前述的奈米腔300具有傾斜的側壁，故在沉積第二鈍化層350時能夠具有較佳的階梯覆蓋特性（step coverage）。
依據本發明實施例，例如，可以在奈米腔300中設置一參考樣品（reference sample），再於各個奈米腔300中注予以一目標樣品（target sample），經特定雷射光源照射後，目標樣品與參考樣品發生生化反應，產生特定波長的螢光，上述特定波長的螢光可以通過濾光材料層310，到達光感測區104而被偵測。上述雷射光源的雷射光線則會被濾光材料層310濾掉。
請參閱第2圖至第6圖，其例示製作第1圖中具有奈米腔的集成生物感測器的方法。首先，如第2圖所示，提供一基底100，其中形成有複數個像素區域10，以陣列排列。為方便說明，圖中僅顯示出像素陣列中的兩個像素區域。根據本發明實施例，基底100可以是矽基底，但不限於此。在基底100設有多個隔離結構112，區隔出各個像素區10。
在各個像素區的基底100上形成有閘極結構160。然後，於閘極結構160兩側的基底100中形成光感測區104與浮置汲極區106。閘極結構160可以包括一介電層與一導體層，其中介電層可以是氧化矽，導體層可以是單晶矽、未摻雜多晶矽、摻雜多晶矽、非晶矽、金屬矽化物或其組合。閘極結構160的側壁上可以形成有間隙壁，例如是氧化矽或氮化矽或兩者的組合。
光感測區104可以是一光二極體，包括第一導電型摻雜區142與第二導電型摻雜區144，其中第一導電型與第二導電型為相反導電型。以基底100為p型為例，第一導電型摻雜區142例如是n型摻雜區，第二導電型摻雜區144例如是p型摻雜區，浮置汲極區106例如是n型摻雜區，反之亦然。其中，第一導電型摻雜區142例如是淺摻雜區，第二導電型摻雜區144、浮置汲極區106例如是重摻雜區。
如第3圖所示，接著在基底100上沉積複數層介電層202、204、206、208以及金屬層212、214、216、218。例如，介電層202及介電層206可以包含二氧化矽，但不限於此。介電層202及介電層206可以是由多層介電層所構成。介於介電層202及介電層206中間的介電層204可以包含氮化矽，但不限於此。依據本發明實施例，介電層204係做為一擴散阻擋層。介電層208，係做為一鈍化層或保護層，其可以包含氮化矽、氮氧化矽、氧化矽，但不限於此。依據本發明實施例，金屬層212可以形成在介電層202內，金屬層214、216、218以及金屬通孔217可以形成在介電層206內。需注意圖中介電層內的金屬層結構僅為例示說明。在其它實施例中，在介電層內亦可以形成更多層的金屬層。
如第4圖所示，接著進行一微影製程以及一蝕刻製程，在相對應於各個像素區域10之光感測區104上的介電層206、208中，形成一溝槽凹陷結構200。在上述形成溝槽凹陷結構200的蝕刻製程中，可以利用介電層204作為蝕刻停止層。依據本發明實施例，溝槽凹陷結構200的底部為介電層204的一上表面，換言之，溝槽凹陷結構200的深度即約略等同於介電層206、208的厚度總和。隨後，在溝槽凹陷結構200的底部及側壁上，順形的沉積至少一襯層220，例如，氮化矽層，但不限於此。依據本發明實施例，襯層220還可以形成在介電層208的上表面，構成一連續的襯層。
如第5圖所示，接著在溝槽凹陷結構200內填入至少一濾光材料層310。依據本發明實施例，形成濾光材料層310之後，可以再進行一固化製程，以固化濾光材料層310。依據本發明實施例，可以再進行一研磨或者回蝕刻步驟，將溝槽凹陷結構200外的濾光材料層310去除。依據本發明實施例，濾光材料層310能夠阻擋特定波長的光源並能過濾掉雜訊光線，僅僅讓特定波長的光線通過，而到達下方的像素區域10。
接著，在濾光材料層310上以及襯層220上，沉積一上蓋層320，例如，氮化矽層，但不限於此。依據本發明實施例，上蓋層320直接接觸到濾光材料層310的上表面，並封蓋住濾光材料層310。依據本發明實施例，透過上蓋層320、襯層220以及介電層204，可以完整阻隔濾光材料層310中的金屬離子外擴。接著，在上蓋層320上以物理氣相沉積（PVD）法沉積一第一鈍化層330。第一鈍化層330可以是金屬氧化物，例如，氧化鉭（TaO），但不限於此。然後，在第一鈍化層330上沉積一奈米腔結構層340，例如，氮化矽層，但不限於此。
如第6圖所示，接著進行一微影製程以及一蝕刻製程，在相對於各濾光材料層310正上方的奈米腔結構層340中，形成一奈米腔300，其深度約略等於奈米腔結構層340的厚度。且具有傾斜的側壁，其與水平面的夾角為θ，例如，夾角θ可介於60∘至80∘，但不限於此。最後，在奈米腔300的側壁及底部，以及奈米腔結構層340上，順形的以物理氣相沉積（PVD）法沉積一第二鈍化層350。第二鈍化層350可以是金屬氧化物，例如，氧化鉭（TaO），但不限於此。如此即完成本發明具有奈米腔的集成生物感測器的製作。
請參閱第7圖。第7圖為依據本發明另一實施例所繪示的具有自動對準（self-aligned）奈米腔的集成生物感測器的剖面示意圖。如第7圖所示，集成生物感測器1a同樣包含一基底100，其中形成有複數個像素區域10，以陣列排列。為方便說明，圖中僅顯示出像素陣列中的兩個像素區域。根據本發明實施例，基底100可以是矽基底，但不限於此。在基底100設有多個隔離結構112，區隔出各個像素區10。
各個像素區的基底100上可以形成有閘極結構160。然後，於閘極結構160兩側的基底100中形成光感測區104與浮置汲極區106。閘極結構160可以包括一介電層與一導體層，其中介電層可以是氧化矽，導體層可以是單晶矽、未摻雜多晶矽、摻雜多晶矽、非晶矽、金屬矽化物或其組合。閘極結構160的側壁上可以形成有間隙壁，例如是氧化矽或氮化矽或兩者的組合。
光感測區104可以是一光二極體，包括第一導電型摻雜區142與第二導電型摻雜區144，其中第一導電型與第二導電型為相反導電型。以基底100為p型為例，第一導電型摻雜區142例如是n型摻雜區，第二導電型摻雜區144例如是p型摻雜區，浮置汲極區106例如是n型摻雜區，反之亦然。其中，第一導電型摻雜區142例如是淺摻雜區，第二導電型摻雜區144、浮置汲極區106例如是重摻雜區。
依據本發明實施例，在基底100上形成有複數層介電層202、204、206、208。例如，介電層202及介電層206可以包含二氧化矽，但不限於此。介於介電層202及介電層206中間的介電層204可以包含氮化矽，但不限於此。依據本發明實施例，介電層204係做為一擴散阻擋層。介電層208，係做為一鈍化層或保護層，其可以包含氮化矽、氮氧化矽、氧化矽，但不限於此。依據本發明實施例，在介電層202內可以形成有一金屬層212，在介電層206內可以形成有金屬層214、215、216、218以及金屬通孔217、219。需注意圖中介電層內的金屬層結構僅為例示說明。
依據本發明實施例，在相對應於各個像素區域10之光感測區104上的介電層206、208中，形成有一溝槽凹陷結構200。依據本發明實施例，溝槽凹陷結構200的底部為介電層204的一上表面，換言之，溝槽凹陷結構200的深度即約略等同於介電層206、208的厚度總和。依據本發明實施例，在溝槽凹陷結構200的底部及側壁上，順形的形成有至少一襯層220，例如，氮化矽層，但不限於此。依據本發明實施例，襯層220還可以形成在介電層208的上表面，構成一連續的襯層。
依據本發明實施例，在溝槽凹陷結構200內可以填入有至少一濾光材料層310。依據本發明實施例，濾光材料層310能夠阻擋特定波長的光源（例如，綠光雷射）並能過濾掉雜訊光線，僅僅讓特定波長的光線（例如，特定生化反應產生的螢光）通過，而到達下方的像素區域10，並藉由在像素區域10內的光電反應，產生相應的電流訊號，再被光感測區104接收。
依據本發明實施例，濾光材料層310可以含有高濃度的金屬離子，例如鈉離子。為了避免金屬離子向外擴散至介電層，進而造成金屬層腐蝕或變質，本發明於是將濾光材料層310的周圍及底部以襯層220包覆住，避免其與周圍的介電層直接接觸。此外，介電層204可做為擴散阻擋層，確保濾光材料層310不會向下擴散至基底100表面，影響到元件的特性及效能。
依據本發明實施例，濾光材料層310具有一上表面310a，其低於介電層208的上表面一預定深度，如此在形成濾光材料層310之後，仍會在溝槽凹陷結構200上端形成一凹陷部。依據本發明實施例，在濾光材料層310上以及襯層220上，順形的形成有一上蓋層420，例如，氮化矽層，但不限於此。依據本發明實施例，上蓋層420直接接觸到濾光材料層310的上表面，並封蓋住濾光材料層310。
依據本發明實施例，在上蓋層320上順形的形成有一鈍化層430。鈍化層430可以是金屬氧化物，例如，氧化鉭，但不限於此。依據本發明實施例，鈍化層430必須透光、抗酸鹼。依據本發明實施例，鈍化層430可以是以物理氣相沉積法形成，但不限於此。由於濾光材料層310上表面310a低於介電層208的上表面一預定深度，形成凹陷部的緣故，上蓋層320與鈍化層430會自動對準濾光材料層310形成奈米腔400。
此外，依據本發明實施例，金屬層214、216、218以及金屬通孔217、219可以環繞在奈米腔400周圍，除了能夠將生化反應所產生特定波長的螢光反射至光感測區104，還能夠避免鄰近的奈米腔400產生的光線干擾。
請參閱第8圖至第12圖，其例示製作第7圖中具有自動對準奈米腔的集成生物感測器的方法。首先，如第8圖所示，同樣提供一基底100，其中形成有複數個像素區域10，以陣列排列。為方便說明，圖中僅顯示出像素陣列中的兩個像素區域。根據本發明實施例，基底100可以是矽基底，但不限於此。在基底100設有多個隔離結構112，區隔出各個像素區10。
在各個像素區的基底100上形成有閘極結構160。然後，於閘極結構160兩側的基底100中形成光感測區104與浮置汲極區106。閘極結構160可以包括一介電層與一導體層，其中介電層可以是氧化矽，導體層可以是單晶矽、未摻雜多晶矽、摻雜多晶矽、非晶矽、金屬矽化物或其組合。閘極結構160的側壁上可以形成有間隙壁，例如是氧化矽或氮化矽或兩者的組合。
光感測區104可以是一光二極體，包括第一導電型摻雜區142與第二導電型摻雜區144，其中第一導電型與第二導電型為相反導電型。以基底100為p型為例，第一導電型摻雜區142例如是n型摻雜區，第二導電型摻雜區144例如是p型摻雜區，浮置汲極區106例如是n型摻雜區，反之亦然。其中，第一導電型摻雜區142例如是淺摻雜區，第二導電型摻雜區144、浮置汲極區106例如是重摻雜區。
如第9圖所示，接著在基底100上沉積複數層介電層202、204、206、208、金屬層212、214、216、218，以及金屬通孔217、219。例如，介電層202及介電層206可以包含二氧化矽，但不限於此。介電層202及介電層206可以是由多層介電層所構成。介於介電層202及介電層206中間的介電層204可以包含氮化矽，但不限於此。依據本發明實施例，介電層204係做為一擴散阻擋層。介電層208，係做為一鈍化層或保護層，其可以包含氮化矽、氮氧化矽、氧化矽，但不限於此。依據本發明實施例，金屬層212可以形成在介電層202內，金屬層214、216、218以及金屬通孔217、219可以形成在介電層206、208內。
如第10圖所示，接著進行一微影製程以及一蝕刻製程，在相對應於各個像素區域10之光感測區104上的介電層206、208中，形成一溝槽凹陷結構200。在上述形成溝槽凹陷結構200的蝕刻製程中，可以利用介電層204作為蝕刻停止層。依據本發明實施例，溝槽凹陷結構200的底部為介電層204的一上表面，換言之，溝槽凹陷結構200的深度即約略等同於介電層206、208的厚度總和。隨後，在溝槽凹陷結構200的底部及側壁上，順形的沉積至少一襯層220，例如，氮化矽層，但不限於此。依據本發明實施例，襯層220還可以形成在介電層208的上表面，構成一連續的襯層。
如第11圖所示，接著在溝槽凹陷結構200內填入至少一濾光材料層310。依據本發明實施例，形成濾光材料層310之後，可以再進行一固化製程，以固化濾光材料層310。依據本發明實施例，可以再進行一研磨製程，將溝槽凹陷結構200外的濾光材料層310去除，再進行一回蝕刻步驟，使濾光材料層310的上表面310a，低於介電層208的上表面一預定深度，如此在溝槽凹陷結構200上端形成一凹陷部。依據本發明實施例，濾光材料層310能夠阻擋特定波長的光源並能過濾掉雜訊光線，僅僅讓特定波長的光線通過，而到達下方的像素區域10。
如第12圖所示，繼續在濾光材料層310上以及襯層220上，順形的形成一上蓋層420，例如，氮化矽層，但不限於此。依據本發明實施例，上蓋層420直接接觸到濾光材料層310的上表面，並封蓋住濾光材料層310。然後在上蓋層420上順形的形成一鈍化層430。鈍化層430可以是金屬氧化物，例如，氧化鉭，但不限於此。依據本發明實施例，鈍化層430必須透光、抗酸鹼。依據本發明實施例，鈍化層430可以是以物理氣相沉積法形成，但不限於此。由於凹陷部的緣故，上蓋層420與鈍化層430會自動對準濾光材料層310形成奈米腔400。
本發明係利用CMOS影像感測器相容製程製作出具有奈米腔的集成生物感測器，可以直接在相對應於各個像素區域10之光感測區104上方形成濾光材料層310以及對準的奈米腔300/400。本發明集成生物感測器具有耐酸鹼、抗腐蝕的結構，且能夠防止濾光材料層310中的金屬離子向外擴散。各奈米腔300/400的體積能獲得精確控制。由此可知，本發明改良的生物感應器，具備了快速、準確、靈敏度高等優點，實已具備非常高的產業利用性。 以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。
1、1a 集成生物感測器 10 像素區域 100 基底 104 光感測區 106 浮置汲極區 112 隔離結構 142 第一導電型摻雜區 144 第二導電型摻雜區 160 閘極結構 200 溝槽凹陷結構 202、204、206、208 介電層 212、214、216、218 金屬層 217、219 金屬通孔 220 襯層 300、400 奈米腔 310 濾光材料層 310a 上表面 320 上蓋層 330 第一鈍化層 340 奈米腔結構層 350第二鈍化層 420 上蓋層 430 鈍化層 θ 夾角
本說明書含有附圖併於文中構成了本說明書之一部分，俾使閱者對本發明實施例有進一步的瞭解。該些圖示係描繪了本發明一些實施例並連同本文描述一起說明了其原理。 第1圖為依據本發明一實施例所繪示的具有奈米腔的集成生物感測器的剖面示意圖。 第2圖至第6圖例示製作第1圖中具有奈米腔的集成生物感測器的方法。 第7圖為依據本發明另一實施例所繪示的具有自動對準奈米腔的集成生物感測器的剖面示意圖。 第8圖至第12圖例示製作第7圖中具有自動對準奈米腔的集成生物感測器的方法。 須注意本說明書中的所有圖示皆為圖例性質，為了清楚與方便圖示說明之故，圖示中的各部件在尺寸與比例上可能會被誇大或縮小地呈現，一般而言，圖中相同的參考符號會用來標示修改後或不同實施例中對應或類似的元件特徵。
1 集成生物感測器 10 像素區域 100 基底 104 光感測區 106 浮置汲極區 112 隔離結構 142 第一導電型摻雜區 144 第二導電型摻雜區 160 閘極結構 200 溝槽凹陷結構 202、204、206、208 介電層 212、214、216、218 金屬層 217 金屬通孔 220 襯層 300 奈米腔 310 濾光材料層 320 上蓋層 330 第一鈍化層 340 奈米腔結構層 350第二鈍化層 θ 夾角

Claims (52)

  1. 一種具有奈米腔的集成生物感測器，包含有：        一基底，其上設有複數個隔離結構，區隔出複數個像素區域； 一光感測區，設於各該像素區域中；        一第一介電層，設於該基底上；        一溝槽凹陷結構，設於該第一介電層中並且對應該光感測區；       一襯層，順形的設於該溝槽凹陷結構內壁上；       一濾光材料層，設於該溝槽凹陷結構內的該襯層上；       一上蓋層，設於該溝槽凹陷結構上並直接接觸到該濾光材料層的上表面；       一第一鈍化層，設於該上蓋層上；       一奈米腔結構層，設於該第一鈍化層上，其中於該濾光材料層正上方的該奈米腔結構層中，設有一奈米腔；以及       一第二鈍化層，設於該奈米腔的側壁及底部。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的具有奈米腔的集成生物感測器，其中該基底包含矽基底。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的具有奈米腔的集成生物感測器，其中該光感測區包含光二極體。
  4. 如申請專利範圍第1項所述的具有奈米腔的集成生物感測器，另包含一第二介電層設於該基底與該第一介電層之間，並且該溝槽凹陷結構的底部係為該第二介電層的一上表面。
  5. 如申請專利範圍第1項所述的具有奈米腔的集成生物感測器，其中該濾光材料層包含金屬離子。
  6. 如申請專利範圍第5項所述的具有奈米腔的集成生物感測器，其中該金屬離子包含鈉離子。
  7. 如申請專利範圍第1項所述的具有奈米腔的集成生物感測器，其中該襯層包含氮化矽層。
  8. 如申請專利範圍第1項所述的具有奈米腔的集成生物感測器，其中該第一介電層包含氧化矽層。
  9. 如申請專利範圍第1項所述的具有奈米腔的集成生物感測器，其中該第二介電層包含氮化矽層。
  10. 如申請專利範圍第1項所述的具有奈米腔的集成生物感測器，其中該第一鈍化層以及該第二鈍化層包含金屬氧化物。
  11. 如申請專利範圍第1項所述的具有奈米腔的集成生物感測器，其中該金屬氧化物包含氧化鉭。
  12. 如申請專利範圍第1項所述的具有奈米腔的集成生物感測器，其中該奈米腔的深度約略等於該奈米腔結構層的厚度。
  13. 如申請專利範圍第1項所述的具有奈米腔的集成生物感測器，其中該奈米腔的側壁為一傾斜的側壁，與水平面的夾角介於60∘至80∘。
  14. 一種製作具有奈米腔的集成生物感測器的方法，包含有：        提供一基底，其上設有複數個隔離結構，區隔出複數個像素區域； 於各該像素區域中形成一光感測區；        於該基底上沉積一第一介電層；        於對應該光感測區之該第一介電層中形成一溝槽凹陷結構；       順形的於該溝槽凹陷結構內壁上沉積一襯層；       於該襯層上形成一濾光材料層，填滿該溝槽凹陷結構；       沉積一上蓋層，使該上蓋層直接接觸到該濾光材料層的上表面；       於該上蓋層上形成一第一鈍化層；       於該第一鈍化層上沉積一奈米腔結構層； 於該濾光材料層正上方的該奈米腔結構層中，形成一奈米腔；以及       於該奈米腔的側壁及底部形成一第二鈍化層。
  15. 如申請專利範圍第14項所述的製作具有奈米腔的集成生物感測器的方法，其中形成該濾光材料層之後，另包含有： 進行一固化製程，以固化該濾光材料層；以及 進行一研磨或者回蝕刻步驟，將該溝槽凹陷結構外的該濾光材料層去除。
  16. 如申請專利範圍第14項所述的製作具有奈米腔的集成生物感測器的方法，其中該第一鈍化層以及該第二鈍化層係利用物理氣相沉積法沉積而成。
  17. 如申請專利範圍第14項所述的製作具有奈米腔的集成生物感測器的方法，其中該基底包含矽基底。
  18. 如申請專利範圍第14項所述的製作具有奈米腔的集成生物感測器的方法，其中該光感測區包含光二極體。
  19. 如申請專利範圍第14項所述的製作具有奈米腔的集成生物感測器的方法，其中形成該溝槽凹陷結構的步驟包含： 該基底上依序形成一第二介電層以及該第一介電層；以及 進行一蝕刻製程以移除部分該第一介電層，並且利用該第二介電層作為蝕刻停止層。
  20. 如申請專利範圍第14項所述的製作具有奈米腔的集成生物感測器的方法，其中該濾光材料層包含金屬離子。
  21. 如申請專利範圍第20項所述的製作具有奈米腔的集成生物感測器的方法，其中該金屬離子包含鈉離子。
  22. 如申請專利範圍第14項所述的製作具有奈米腔的集成生物感測器的方法，其中該襯層包含氮化矽層。
  23. 如申請專利範圍第14項所述的製作具有奈米腔的集成生物感測器的方法，其中該第一介電層包含氧化矽層。
  24. 如申請專利範圍第14項所述的製作具有奈米腔的集成生物感測器的方法，其中該第二介電層包含氮化矽層。
  25. 如申請專利範圍第14項所述的製作具有奈米腔的集成生物感測器的方法，其中該第一鈍化層以及該第二鈍化層包含金屬氧化物。
  26. 如申請專利範圍第14項所述的製作具有奈米腔的集成生物感測器的方法，其中該金屬氧化物包含氧化鉭。
  27. 如申請專利範圍第14項所述的製作具有奈米腔的集成生物感測器的方法，其中該奈米腔的深度約略等於該奈米腔結構層的厚度。
  28. 如申請專利範圍第14項所述的製作具有奈米腔的集成生物感測器的方法，其中該奈米腔的側壁為一傾斜的側壁，與水平面的夾角介於60∘至80∘。
  29. 一種具有奈米腔的集成生物感測器，包含有：        一基底，其上設有複數個隔離結構，區隔出複數個像素區域； 一光感測區，設於各該像素區域中；        一第一介電層，設於該基底上；        一溝槽凹陷結構，設於該第一介電層中並且對應該光感測區；       一襯層，順形的設於該溝槽凹陷結構內壁上；       一濾光材料層，設於該溝槽凹陷結構內的該襯層上，該濾光材料層具有一上表面，低於該第一介電層的上表面一預定深度，如此形成一凹陷部；       一上蓋層，順形的設於該溝槽凹陷結構上，該上蓋層直接接觸到該濾光材料層的該上表面；以及       一鈍化層，順形的設於該上蓋層上，其中該上蓋層以及該鈍化層共同於該凹陷部上方構成一奈米腔。
  30. 如申請專利範圍第29項所述的具有奈米腔的集成生物感測器，其中該基底包含矽基底。
  31. 如申請專利範圍第29項所述的具有奈米腔的集成生物感測器，其中該光感測區包含光二極體。
  32. 如申請專利範圍第29項所述的具有奈米腔的集成生物感測器，另包含一第二介電層設於該基底與該第一介電層之間，並且該溝槽凹陷結構的底部係為該第二介電層的一上表面。
  33. 如申請專利範圍第29項所述的具有奈米腔的集成生物感測器，其中該濾光材料層包含金屬離子。
  34. 如申請專利範圍第33項所述的具有奈米腔的集成生物感測器，其中該金屬離子包含鈉離子。
  35. 如申請專利範圍第29項所述的具有奈米腔的集成生物感測器，其中該襯層包含氮化矽層。
  36. 如申請專利範圍第29項所述的具有奈米腔的集成生物感測器，其中該第一介電層包含氧化矽層。
  37. 如申請專利範圍第29項所述的具有奈米腔的集成生物感測器，其中該第二介電層包含氮化矽層。
  38. 如申請專利範圍第29項所述的具有奈米腔的集成生物感測器，其中該鈍化層包含金屬氧化物。
  39. 如申請專利範圍第38項所述的具有奈米腔的集成生物感測器，其中該金屬氧化物包含氧化鉭。
  40. 一種製作具有奈米腔的集成生物感測器的方法，包含有：        提供一基底，其上設有複數個隔離結構，區隔出複數個像素區域； 於各該像素區域中形成一光感測區；        於該基底上沉積一第一介電層；        於對應該光感測區之該第一介電層中形成一溝槽凹陷結構；       順形的於該溝槽凹陷結構內壁上沉積一襯層；       於該襯層上形成一濾光材料層，填滿該溝槽凹陷結構； 進行一回蝕刻步驟，使該濾光材料層的一上表面，低於該第一介電層介電層的上表面一預定深度，如此形成一凹陷部；       於該溝槽凹陷結構上順形的沉積一上蓋層，該上蓋層直接接觸到該濾光材料層的上表面；       於該上蓋層上順形的形成一鈍化層，其中該該上蓋層以及該鈍化層共同於該凹陷部上方形成一奈米腔。
  41. 如申請專利範圍第40項所述的製作具有奈米腔的集成生物感測器的方法，其中該鈍化層係利用物理氣相沉積法沉積而成。
  42. 如申請專利範圍第40項所述的製作具有奈米腔的集成生物感測器的方法，其中該鈍化層包含金屬氧化物。
  43. 如申請專利範圍第40項所述的製作具有奈米腔的集成生物感測器的方法，其中該金屬氧化物包含氧化鉭。
  44. 如申請專利範圍第40項所述的製作具有奈米腔的集成生物感測器的方法，其中形成該濾光材料層之後，另包含有： 進行一固化製程，以固化該濾光材料層；以及 進行一研磨或者回蝕刻步驟，將該溝槽凹陷結構外的該濾光材料層去除。
  45. 如申請專利範圍第40項所述的製作具有奈米腔的集成生物感測器的方法，其中該基底包含矽基底。
  46. 如申請專利範圍第40項所述的製作具有奈米腔的集成生物感測器的方法，其中該光感測區包含光二極體。
  47. 如申請專利範圍第40項所述的製作具有奈米腔的集成生物感測器的方法，其中形成該溝槽凹陷結構的步驟包含： 該基底上依序形成一第二介電層以及該第一介電層；以及 進行一蝕刻製程以移除部份該第一介電層，並且利用該第二介電層作為蝕刻停止層。
  48. 如申請專利範圍第40項所述的製作具有奈米腔的集成生物感測器的方法，其中該濾光材料層包含金屬離子。
  49. 如申請專利範圍第48項所述的製作具有奈米腔的集成生物感測器的方法，其中該金屬離子包含鈉離子。
  50. 如申請專利範圍第40項所述的製作具有奈米腔的集成生物感測器的方法，其中該襯層包含氮化矽層。
  51. 如申請專利範圍第40項所述的製作具有奈米腔的集成生物感測器的方法，其中該第一介電層包含氧化矽層。
  52. 如申請專利範圍第40項所述的製作具有奈米腔的集成生物感測器的方法，其中該第二介電層包含氮化矽層。
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