TWI787726B - 生物感測器系統封裝及其製造方法 - Google Patents

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TWI787726B
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華倫 張
黃毓傑
黃睿政
戴文川
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Abstract

本發明提供一種生物感測器系統封裝，包含電晶體結構、 內埋氧化物(BOX)層、多層內連線結構以及頂蓋結構。電晶體結構位於具有前側及後側的半導體層中，電晶體結構包括通道區。內埋氧化物(BOX)層位於半導體層的後側上，其中內埋氧化物層在通道區的後側上具有開口，且界面層覆蓋通道區上方的後側。多層內連線結構位於半導體層的前側上，電晶體結構電連接至多層內連線結構。頂蓋結構附接至內埋氧化物層，頂蓋結構包括微針。

Description

生物感測器系統封裝及其製造方法
本發明實施例是有關於一種生物感測器系統封裝以及製造生物感測器系統封裝的方法。
生物感測器為用於感測及偵測生物分子的元件且基於電子、電化學、光學及機械偵測原理操作。包含電晶體的生物感測器為電感測生物實體或生物分子的電荷、光子及機械特性的感測器。偵測可藉由偵測生物實體或生物分子本身，或經由特定反應物與生物實體/生物分子之間的相互作用及反應來進行。此類生物感測器可使用半導體製程製造，可快速轉換電訊號，且可容易地應用於積體電路(integrated circuit；IC)及微機電系統(microelectromechanical system；MEMS)。
本發明實施例所提供的一種生物感測器系統封裝以及製造生物感測器系統封裝的方法可將微針及感測晶片製造在一起，故不需要手動地組裝微針及感測晶片，因而可降低製造成本。
本發明實施例的一種生物感測器系統封裝包含：電晶體 結構，其位於具有前側及後側的半導體層中，電晶體結構包括通道區；內埋氧化物(BOX)層，其位於半導體層的後側上，其中內埋氧化物層在通道區的後側上具有開口，且界面層覆蓋通道區上方的後側；多層內連線(MLI)結構，其位於半導體層的前側上，電晶體結構電連接至MLI結構；以及頂蓋結構，其附接至內埋氧化物層，頂蓋結構包括微針。
本發明實施例的一種生物感測器系統封裝包含：生物感測器結構，其位於具有前側及後側的半導體層中，生物感測器結構包括通道區及覆蓋通道區上方的後側的界面層；內埋氧化物(BOX)層，其位於半導體層的後側上，其中內埋氧化物層在通道區的後側上具有開口，且界面層在開口中暴露；多層內連線(MLI)結構，其位於半導體層的前側上，生物感測器結構電連接至MLI結構；參考電極，其連接至MLI結構且經配置以提供參考電位；以及頂蓋結構，其附接至內埋氧化物層，頂蓋結構包括微針。
本發明實施例的一種製造生物感測器系統封裝的方法。方法包含：提供基板，基板包括：具有前側及後側的半導體層，在後側處的內埋氧化物(BOX)層，以及在後側處的塊狀矽層；在基板上形成電晶體結構，其中電晶體結構的通道區在半導體層中；在半導體層的前側上形成多層內連線(MLI)結構，其中MLI結構電連接至電晶體結構；將載體基板附接至MLI結構；移除塊狀矽層；蝕刻內埋氧化物層以在通道區上方的後側處形成開口；將界面層沉積在通道區上方的後側上；使用互補金屬氧化物半導體(CMOS)相容的製程流程製造頂蓋結構；將頂蓋結構接合至BOX層；以及在頂蓋結構上產生微針。
100:生物感測器系統
102、302、402、502:生物感測器陣列
103:生物感測器
104、304、404、504:控制感測器陣列
106:溫度感測器
108:參考電極
112:流體閘極
114:源極區
116:汲極區
118:感測膜
120:通道區
122:流體
126:電流Ids
130:感測器介面
132:放大器
134:功率調節器
136:類比對數位轉換器
138:數位控制模組
140:無線收發器
142:加熱器
144、344、544:接合墊
200、200a、200b:生物感測器系統封裝
202:絕緣層上半導體基板
204:塊狀矽層
206:內埋氧化物層
208:半導體層/主動層
210:電晶體結構
211:溫度感測器
212:多層級內連線結構
214、214a、214b:導電線
216:導通孔或插塞
218:插入介電層
218-1:第一插入介電層
219:主動區
220:載體基板
222:溝渠
224:界面層
225、225a、225b:開口
226:接合位點
227:參考電極
228:頂蓋結構
228':第二頂蓋結構
230、230':頂蓋結構基板
232:全域空腔區
234:接合區域
236:硬式罩幕
238:光阻圖案
239、239':深區
241、350、450、550:微針
242、242':高k介電材料層
244:腔室
246:基板穿孔結構
246a:襯墊
246b:擴散障壁層
246c:導電材料
248:焊料凸塊
250:單獨晶片/晶粒、第一單獨晶粒、第二單獨晶粒
251:金屬線
274、578:入口
300、500:積體連續生物指標監測及治療晶片
348、448、548:CMOS ASIC
352、552:微針通道
354、454、554:流體腔室
358、458a、458b、558:氣液分離膜
360、560:生物指標分子
362、462、562:頂蓋結構
364、564:晶圓接合結構
366、566:身體
368、568:皮膚
370、570:血管
390、490、580、590、600:方法
391、392、393、491、492、493、494、495、496、497、581、582、583、584、591、592、593、594、595、596、597、598、599、602、604、606、608、610、612、614、616、618、620、622、624、626、628、630、632、634、636、638、640、652、654、656、658、660、662、664、666、672、674、676、678、680、682、684、691、692、693、694、695、696、697、698:步驟
400:同步生物指標監測及藥物釋放治療晶片
455:藥物通道
472、572:泵
474、574:藥物溶液
476、576、576a、576b:流體閥
575:緩衝溶液
A-A'、B-B'、C-C':線
B:後側
ED:預定義蝕刻深度
F:前側
當結合隨附圖式閱讀以下詳細描述時，將最佳地理解本揭露內容的態樣。應注意，根據業界中的標準慣例，各種特徵未按比例繪製。事實上，出於論述清楚起見，可任意地增大或減小各種特徵的尺寸。
圖1A為根據一些實施例之實例生物感測器系統的方塊圖。
圖1B為根據一些實施例的用於圖1A的生物感測器系統中的實例生物感測器的示意圖。
圖2A為示出根據一些實施例的生物感測器系統封裝的橫截面圖。
圖2B為示出根據一些實施例的另一生物感測器系統封裝200b的橫截面圖。
圖3A為根據一些實施例的積體連續生物指標監測及治療晶片的俯視圖。
圖3B為示出根據一些實施例的沿圖3A的線A-A'的積體連續生物指標監測及治療晶片的橫截面的橫截面圖。
圖3C為示出根據一些實施例的沿圖3A的線B-B'的積體連續生物指標監測及治療晶片的橫截面的橫截面圖。
圖3D為示出根據一些實施例的沿圖3A的線C-C'的積體連續生物指標監測及治療晶片的橫截面的橫截面圖。
圖3E為示出根據一些實施例的圖3A的積體連續生物指標監測及治療晶片的使用的圖式。
圖3F為示出根據一些實施例的操作圖3A的積體連續生物指 標監測及治療晶片的方法的流程圖。
圖4A為根據一些實施例的同步生物指標監測及藥物釋放治療晶片及其應用的俯視圖。
圖4B為示出根據一些實施例的用於圖4A的同步生物指標監測及藥物釋放治療晶片的方法的流程圖。
圖5A為根據一些實施例的另一積體連續生物指標監測及治療晶片的俯視圖。
圖5B為示出根據一些實施例的沿圖5A的線A-A'的積體連續生物指標監測及治療晶片的橫截面的橫截面圖。
圖5C為示出根據一些實施例的沿圖5A的線B-B'的積體連續生物指標監測及治療晶片的橫截面的橫截面圖。
圖5D為示出根據一些實施例的沿圖5A的線C-C'的積體連續生物指標監測及治療晶片的橫截面的橫截面圖。
圖5E為示出根據一些實施例的圖5A的積體連續生物指標監測及治療晶片的使用的圖式。
圖5F為示出根據一些實施例的用於連續生物指標監測的方法的流程圖。
圖5G為示出根據一些實施例的圖5A的積體連續生物指標監測及治療晶片的使用的圖式。
圖5H為示出根據一些實施例的用於連續生物指標監測以及閉環藥物釋放治療的方法的流程圖。
圖6A及圖6B為分別示出根據一些實施例的製造圖2A及圖2B的生物感測器系統封裝的方法的流程圖。
圖6C為示出根據一些實施例的圖6A及圖6B的方法的步驟 624的流程圖。
圖6D為示出根據一些實施例的圖6A及圖6B的方法的步驟636的流程圖。
圖6E為示出根據一些實施例的圖6A及圖6B的方法的步驟636的另一流程圖。
圖7至圖38為示出根據一些實施例的根據圖6A及圖6B的方法的一或多個步驟建構的生物感測器系統封裝的橫截面圖。
以下揭露內容提供用以實施所提供主題的不同特徵的許多不同實施例或實例。以下描述組件及配置的特定實例以簡化本揭露。當然，這些僅為實例且不意欲為限制性的。舉例而言，在以下描述中，第一特徵在第二特徵上方或上的形成可包含第一特徵及第二特徵直接接觸地形成的實施例，且亦可包含額外特徵可在第一特徵與第二特徵之間形成使得第一特徵與第二特徵可不直接接觸的實施例。另外，本揭露可在各種實例中重複附圖標記及/或字母。此重複是出於簡單及清晰的目的，且本身並不指示所論述的各種實施例及/或組態之間的關係。
另外，為易於描述，諸如「在......下方」、「在......之下」、「下部」、「在......上方」、「上部」及類似術語等空間相對術語在本文中可用於描述如圖式中所示的一個元件或特徵與另一元件或特性的關係。除圖式中所描繪的定向之外，空間相對術語亦意欲涵蓋元件在使用或操作中的不同定向。設備可以其他方式定向(旋轉90度或處於其他定向)且本文中所使用的空間相對描述詞可同樣相 應地進行解譯。
一般而言，如本文中所使用的術語「bioFET」是指包含一層固定捕捉試劑(immobilized capture reagents)的場效電晶體(FET)，所述固定捕捉試劑充當表面受體以偵測生物來源的目標分析物的存在。根據一些實施例，bioFET為具有半導體換能器(transducer)的場效感測器。bioFET的一個優點為具有無標記操作(label-free operation)的可能性。具體而言，bioFET能夠避免成本高且耗時的標記操作，諸如用例如螢光或放射性探針標記分析物。藉由bioFET偵測的分析物通常具有生物來源，諸如但不限於蛋白質、碳水化合物、脂質、組織片段或其部分。BioFET可為FET感測器的較廣泛屬(genus)的部分，其亦可偵測任何化學化合物(在所屬技術中被稱為「ChemFET」)或任何其他元件，包含離子，諸如質子或金屬離子(在所屬技術中被稱為「ISFET」)。本揭露適用於所有類型的基於FET的感測器(「FET感測器」)。
如本文中所使用的「捕捉試劑」為能夠結合目標分析物或目標試劑的分子或化合物，其可直接地或間接地附著至實質上固體的材料。捕捉試劑可為化學物質，且具體而言，其中存在天然產生的目標分析物(例如抗體、多肽、DNA、RNA、細胞、病毒等)或可製備目標分析物的任何物質，且捕捉試劑可在分析法中結合至一或多種目標分析物。
如本文中所使用的「目標分析物」為在測試樣本中使用本揭露所偵測到的物質。目標分析物可為化學物質，且具體而言，其中存在天然產生的捕捉試劑(例如抗體、多肽、DNA、RNA、細胞、病毒等)或可製備捕捉試劑的任何物質，且目標分析物可在分 析法中結合至一或多種捕捉試劑。「目標分析物」亦包含任何抗原物質、抗體或其組合。目標分析物可包含蛋白質、肽、胺基酸、碳水化合物、激素、類固醇、維生素、藥物(包含出於治療目的投與的藥物)以及出於違禁目的投與的藥物、細菌、病毒及上述物質中的任一者的代謝物或抗體。
如本文中所使用的「生物指標」意謂某一疾病病況的嚴重性或存在的可量測的跡象(indicator)。更一般而言，生物指標為可用作生物體(organism)的特定疾病病況或某一其他生理狀態的跡象的任何內容。生物指標可為引入至生物體中作為檢驗器官功能或其他健康態樣的方式的物質。舉例而言，氯化銣在同位素標記中使用以評估心肌的灌注(perfusion)。其亦可為其偵測指示特定疾病病況的物質，例如，抗體的存在可表示感染。更特定言之，生物指標表示與疾病的風險或進展相關或與疾病對給定治療的易感性相關的蛋白質的表現或狀態的變化。生物指標可為可在類似於血液或組織的身體的部分中偵測及量測的特徵性生物特性或分子。其可表示身體中的正常或病變過程。生物指標可為特定細胞、分子，或基因、基因產物、酶或激素。生物結構中的複雜器官功能或一般特徵性改變亦可充當生物指標。
如本文中所使用之「測試樣本」意謂含有使用本揭露所偵測且分析之目標分析物之組成物、溶液、物質、氣體或液體。測試樣本可含有除目標分析物以外之其他組分，可具有液體或氣體之物理屬性，且可具有任何大小或體積，包含例如液體或氣體之移動流(moving stream)。測試樣本可含有除目標分析物以外的任何物質，只要其他物質不干擾目標分析物與捕捉試劑之結合或第一結 合成員與第二結合成員之特異性結合即可。測試樣本之實例包含但不限於天然產生及非天然產生之樣本或其組合。天然產生之測試樣本可為合成或可經合成。天然產生之測試樣本包含自個體體內或身體上的任何地方分離之體液(body/bodily fluid)，包含但不限於血液、血漿、血清、尿液、唾液或痰液、脊髓液、腦脊髓液、胸膜液、乳頭抽出物、淋巴液、呼吸道、腸道及泌尿生殖道之流體、淚液、唾液、母乳、來自淋巴系統之流體、精液、腦脊髓液、器官內系統流體、腹水、腫瘤囊內液、羊膜液及其組合，以及環境樣本，諸如地下水或廢水、土壤提取物、空氣以及農藥殘留或食物相關樣本。
偵測到的物質可包含例如核酸(包含DNA及RNA)、激素、不同病原體(包含引起其宿主的疾病或病情的生物劑，諸如病毒(例如H7N9或HIV))、原蟲(例如引起瘧疾之瘧原蟲(Plasmodium))或細菌(例如大腸桿菌(E.coli)或結核分支桿菌(Mycobacterium tuberculosis))、蛋白質、抗體、各種藥物或治療劑、或其他化學物質或生物物質，包含氫或其他離子、非離子型分子或化合物、多糖、小型化合物，諸如化學組合庫成員(chemical combinatorial library members)，以及類似者。偵測或測定之參數可包含但不限於pH變化、乳糖變化、變化濃度、每單位時間之粒子(其中流體在元件上方流動一段時間以偵測粒子(例如，稀疏粒子))及其他參數。
如本文所使用，當相對於例如捕捉試劑使用時，術語「固定」包含在分子層級下將捕捉試劑實質上附著至表面。舉例而言，捕捉試劑可使用吸附技術固定至基板材料之表面，所述吸附技術 包含非共價相互作用(例如，靜電力、凡得瓦爾力(van der Waals)及疏水性界面的脫水)及共價結合技術，其中官能基或連接子促進捕捉試劑附著至表面。將捕捉試劑固定至基板材料表面可基於基板表面之特性、攜載捕捉試劑之媒介以及捕捉試劑之特性。在一些情況下，基板表面可首先經修飾以具有結合至表面之官能基。該等官能基接著可結合至生物分子或生物物質或化學物質以將官能基固定在其上。
除其他以外，生物感測器系統包含感測晶片及微針。微針及感測晶片通常分開地製造且稍後手動地組裝，其並非可擴展的(scalable)製造方案。
根據一些實施例，提供一種將感測晶片及具有微針的頂蓋結構製造在一起的晶圓級封裝方案。所述方案可用於生物指標監測及/或藥物遞送。由於微針及感測晶片製造在一起，故不需要手動地組裝微針及感測晶片。其為更具擴展性的製造方案且可降低製造成本。提高的整合度進一步使得有可能建構生物指標監測及藥物遞送回饋系統。當向患者提供治療時，此回饋系統可防止遞送對於患者而言可能變得有毒的過多藥物。回饋系統為閉環回饋系統，其中藥物遞送取決於生物指標水平。大量生物感測器可用作用於由微針伺服的頂蓋結構的每一微流體腔室的陣列。此提供感測結果的更佳統計分析且降低結果的訊雜比(signal to noise ratio；SNR)。根據一些實施例，生物感測器系統封裝可經由打線接合連接至單獨的晶片/晶粒。根據一些實施例，生物感測器系統封裝可經由基板穿孔(TSV)結構連接至單獨的晶片/晶粒。
圖1A為根據一些實施例之實例生物感測器系統100的 方塊圖。圖1B為根據一些實施例的用於圖1A的生物感測器系統100中的實例生物感測器103的示意圖。如圖1A中所示，除其他以外，實例生物感測器系統100可包含生物感測器陣列102、控制感測器陣列104、溫度感測器106、參考電極108、感測器介面130、放大器132、功率調節器134、類比對數位轉換器(ADC)136、數位控制模組138、無線收發器(TRX)140、加熱器142以及接合墊144。
生物感測器陣列102可具有用於偵測生物分析物或化學分析物的至少一個感測元件。感測器陣列102可包含生物感測器之陣列(例如，圖1B中所示之生物感測器103)，其中所述陣列中的一或多個生物感測器經功能化以偵測特定目標分析物。不同的生物感測器可使用不同捕捉試劑功能化以用於偵測不同目標分析物。生物感測器可按多個列及行配置，從而形成生物感測器之2維陣列。在一些實施例中，使用不同捕捉試劑來功能化生物感測器的每一列。在一些實施例中，使用不同捕捉試劑來功能化生物感測器的每一行。在一些實施例中，使用不同捕捉試劑來功能化生物感測器的特定範圍的列及行。下文參考圖1B提供關於實例生物感測器103之其他細節。
控制感測器陣列104具有與生物感測器陣列102類似的結構。控制感測器陣列104提供參考訊號以與在生物感測器陣列102處產生的訊號相比較，以產生差分訊號。感測器介面130與生物感測器陣列102及控制感測器陣列104介接。所得差分訊號進一步由放大器132放大。參考電極108提供參考電位。參考電極108可由以下材料中的一者製成：Ag/AgCl、Cu/CuSO4、AgCl、Au 以及P。對於Ag/AgCl，在沉積及圖案化的Ag層上可能需要化學處理以產生AgCl。對於Cu/CuSO4，在沉積及圖案化的Cu層上可能需要化學處理以產生CuSO4。對於其中必須在特定溫度下進行感測的應用，加熱器142可基於由溫度感測器106偵測到的回饋訊號調整生物感測器陣列102及控制感測器陣列104的溫度。ADC 136可將由放大器放大的類比訊號轉換成數位訊號。數位控制模組138可充當用於生物感測器系統100的控制器。接合墊144用於將生物感測器系統接合至其他晶片或印刷電路板(PCB)。替代地，無線收發器140可經由無線通訊傳輸及接收資料。
如圖1B中所示，除其他以外，實例生物感測器103可包含流體閘極112、源極區114、汲極區116、感測膜118、通道區120。流體122在感測膜118上方。流體122可含有未繪示之分析物。感測膜118可為將流體122與通道區120分離之電絕緣及化學絕緣層。除其他以外，感測膜118可包含一層捕捉試劑。捕捉試劑對分析物具有特異性且能夠結合目標分析物或目標試劑。在結合分析物時，在感測膜118之表面處發生靜電電位之變化，其又導致生物感測器103之靜電閘控效應以及源電極與汲電極之間的電流Ids 126之可量測變化。施加至流體閘極112之電壓亦可改變電流Ids 126。
圖2A為示出根據一些實施例的生物感測器系統封裝200a的橫截面圖。圖2B為示出根據一些實施例的另一生物感測器系統封裝200b的橫截面圖。圖6A及圖6B為分別示出根據一些實施例的製造圖2A及圖2B的生物感測器系統封裝200a及生物感測器系統封裝200b(統稱為生物感測器系統封裝200)的方 法的流程圖。圖6C為示出根據一些實施例的方法600的步驟624的流程圖。圖6D為示出根據一些實施例的方法600的步驟636的流程圖。圖6E為示出根據一些實施例的方法600的步驟636的另一流程圖。應注意，可在方法600之前、期間及之後提供額外步驟，且對於方法之額外實施例，可替換或消除下文所描述之一些步驟。另外，應注意，方法600為與互補金屬氧化物半導體(CMOS)相容之製程流程。圖7至圖38為示出根據一些實施例的根據圖6A及圖6B的方法的一或多個步驟建構的生物感測器系統封裝的橫截面圖。應注意，圖2A至圖2B及圖7至圖38為示意性的且未按比例繪製。
如圖2A及圖2B中所示，生物感測器系統封裝200a及生物感測器系統封裝200b(統稱為生物感測器系統封裝200)中之每一者具有前側(F)及後側(B)。在圖2A及圖2B中所示的實例中，除其他以外，生物感測器系統封裝200a及生物感測器系統封裝200b中的每一者包含內埋氧化物(buried oxide；BOX)層206及半導體層208、電晶體結構(亦即FET)210、溫度感測器211、多層內連線(multilayer-interconnect；MLI)結構212、載體基板220、單獨晶片/晶粒(例如RAM及資料處理晶片)250、溝渠222、界面層(例如高k材料層)224、參考電極227以及頂蓋結構228。(第二)單獨晶粒250藉由打線接合連接至圖2A的生物感測器系統封裝200a，而(第一)單獨晶粒250藉由基板穿孔(TSV)結構246及焊料凸塊248連接至圖2B的生物感測器系統封裝200b。TSV結構246在前側(F)處。頂蓋結構228附接至後側(B)。除其他以外，頂蓋結構228包含頂蓋結構基板230、腔室 244、微針241、入口274，以及視情況存在的高k介電材料層242。腔室244可容納待測試之流體樣本。下文將參考圖6A至圖6E及圖7至圖38描述生物感測器系統封裝200的組件的細節。
圖3A為根據一些實施例的積體連續生物指標監測及治療晶片300的俯視圖。圖3B為示出根據一些實施例的沿圖3A的線A-A'的積體連續生物指標監測及治療晶片300的橫截面的橫截面圖。圖3C為示出根據一些實施例的沿圖3A的線B-B'的積體連續生物指標監測及治療晶片300的橫截面的橫截面圖。圖3D為示出根據一些實施例的沿圖3A的線C-C'的積體連續生物指標監測及治療晶片300的橫截面的橫截面圖。圖3E為示出根據一些實施例的圖3A的積體連續生物指標監測及治療晶片300的使用的圖式。圖3F為示出根據一些實施例的操作圖3A的積體連續生物指標監測及治療晶片300的方法390的流程圖。
如圖3A至圖3D中所示，除其他以外，積體連續生物指標監測及治療晶片300可包含互補金屬氧化物半導體(complementary metal-oxide-semiconductor；CMOS)特殊應用積體電路(ASIC)348、附接至CMOS ASIC 348的背面的頂蓋結構362，以及氣液分離膜358。在圖3A至圖3D中所示的實施例中，頂蓋結構362經由晶圓接合結構364附接至CMOS ASIC 348，但亦可使用其他接合方式。除其他以外，實例CMOS ASIC 348具有在CMOS ASIC 348的背面處的生物感測器陣列302及控制感測器陣列304。除其他以外，實例頂蓋結構362具有流體腔室354及多個微針350。流體腔室354可容納可含有生物指標分子(例如葡萄糖分子)360的流體。生物感測器陣列302及控制感測器陣列304可 偵測生物指標分子360的存在及密度，如上文所解釋。流體經由多個微針350進入流體腔室354。微針350的數目可視需要改變。對於每一微針350，存在使流體腔室354與外部連接的(矽)微針通道352。氣液分離膜358經配置以消除流體腔室354中的氣泡，此是因為僅氣體可通過氣液分離膜358。
參考圖3E及圖3F，積體連續生物指標監測及治療晶片300用於連續生物指標監測，且操作積體連續生物指標監測及治療晶片300的方法390在步驟391處開始。在步驟391處，將微針350插入皮膚368中。具體而言，微針350穿透身體(例如人體)366的皮膚368。生物指標分子(例如葡萄糖分子)360可存在於身體366中(在皮膚368之下，在血管370內部及周圍)。在步驟392處，間質液(interstitial fluid)可因壓力而經由微針350的微針通道352自然地流入流體腔室354中。因此，生物指標分子360亦進入流體腔室354。在步驟393處，具有生物感測器陣列302及控制感測器陣列304的CMOS ASIC 348連續感測生物指標分子360且傳輸資料。具體而言，生物感測器陣列302以及控制感測器陣列304可偵測生物指標分子360的存在及密度。藉由CMOS ASIC 348進一步處理(例如放大、轉換等)所偵測到的訊號。所得資料可經由圖3A中所示的接合墊344或替代地圖1A中所示的無線收發器模組140傳輸。由此，積體連續生物指標監測及治療晶片300可連續感測生物指標分子360，其繼而可用於與生物指標分子360有關的特定疾病(例如糖尿病)的診斷或治療。
圖4A為根據一些實施例的同步生物指標監測及藥物釋放治療晶片400及其應用的俯視圖。圖4B為示出根據一些實施例 的用於圖4A的同步生物指標監測及藥物釋放治療晶片400的方法490的流程圖。
如圖4A中所示，除其他以外，同步生物指標監測及藥物釋放治療晶片400可包含CMOS ASIC 448、附接至CMOS ASIC 448的背面的頂蓋結構462，以及兩個氣液分離膜458a及458b。在圖4A中所示的實施例中，頂蓋結構462經由未繪示的晶圓接合結構附接至CMOS ASIC 448，但亦可使用其他接合方式。除其他以外，實例CMOS ASIC 448具有在CMOS ASIC 448的背面的生物感測器陣列402及控制感測器陣列404。除其他以外，實例頂蓋結構462具有流體腔室454、藥物通道455以及多個微針450。流體腔室454可容納可含有未繪示的生物指標分子(例如葡萄糖分子)的流體。生物感測器陣列402及控制感測器陣列404可偵測生物指標分子的存在及密度，如上文所解釋。流體經由多個微針450進入流體腔室454。微針450的數目可視需要改變。另一方面，藥物通道可容納藥物溶液474，所述藥物溶液474最初在同步生物指標監測及藥物釋放治療晶片400外部。在同步生物指標監測及藥物釋放治療晶片400外部的藥物溶液474經由流體閥476及泵472連接至藥物通道455。流體閥476可基於控制訊號打開或關閉。當流體閥476打開時，藥物溶液474可泵送至藥物通道455中以供經由微針450遞送。氣液分離膜458a及氣液分離膜458b經配置以分別消除流體腔室454及藥物通道455中的氣泡。
參考圖4B及圖4A，同步生物指標監測及藥物釋放治療晶片400用於同步生物指標監測及藥物釋放治療，且用於同步生物指標監測及藥物釋放治療晶片的方法490於步驟491開始。在 步驟491中，將微針450插入未繪示的皮膚中。具體而言，微針450穿透未繪示的身體(例如人體)的皮膚。未繪示的生物指標分子(例如葡萄糖分子)可存在於身體中。未繪示的間質液可因壓力而經由微針450自然地流入流體腔室454中。因此，未繪示的生物指標分子可亦進入流體腔室454。在步驟492中，關閉流體閥476。由此，藥物溶液474無法流入藥物通道455中。在步驟493中，具有生物感測器陣列402及控制感測器陣列404的CMOS ASIC 448連續感測生物指標分子且傳輸資料。具體而言，生物感測器陣列402以及控制感測器陣列404可偵測生物指標分子的存在及密度。藉由CMOS ASIC 448進一步處理(例如放大、轉換等)所偵測到的訊號。在步驟494中，CMOS ASIC 448判定生物指標濃度達至異常值(例如高於臨限濃度)。接著在步驟495中，打開流體閥476。因此，在步驟496中，藥物溶液474流入藥物通道455中(例如藉由泵472泵送)且隨後經由微針450流入皮膚/身體中。由此，藥物溶液474被遞送且藥物釋放治療開始。另一方面，CMOS ASIC 448仍如在步驟493中連續感測生物指標分子且傳輸資料。歸因於藥物釋放治療，生物指標濃度隨時間推移變低。在步驟497中，CMOS ASIC 448判定生物指標濃度再次變正常(例如低於臨限濃度)。因此，流體閥476再次關閉，以使得藥物溶液474無法流入藥物通道455中。相應地，方法490可運用一個積體晶片實現同步生物指標監測及藥物釋放治療。換言之，生物指標濃度不斷受到監測且藥物釋放治療基於即時生物指標濃度自動地觸發。
圖5A為根據一些實施例的另一積體連續生物指標監測 及治療晶片500的俯視圖。圖5B為示出根據一些實施例的沿圖5A的線A-A'的積體連續生物指標監測及治療晶片500的橫截面的橫截面圖。圖5C為示出根據一些實施例的沿圖5A的線B-B'的積體連續生物指標監測及治療晶片500的橫截面的橫截面圖。圖5D為示出根據一些實施例的沿圖5A的線C-C'的積體連續生物指標監測及治療晶片500的橫截面的橫截面圖。圖5E為示出根據一些實施例的圖5A的積體連續生物指標監測及治療晶片500的使用的圖式。圖5F為示出根據一些實施例的用於連續生物指標監測的方法580的流程圖。圖5G為示出根據一些實施例的圖5A的積體連續生物指標監測及治療晶片500的使用的圖式。圖5H為示出根據一些實施例的用於連續生物指標監測以及閉環藥物釋放治療的方法590的流程圖。
如圖5A至圖5D中所示，除其他以外，積體連續生物指標監測及治療晶片500可包含CMOS ASIC 548、附接至CMOS ASIC 548的背面的頂蓋結構562、入口578以及氣液分離膜558。在圖5A至圖5D所示的實施例中，頂蓋結構562經由晶圓接合結構564附接至CMOS ASIC 548，但亦可使用其他接合方式。除其他以外，實例CMOS ASIC 548具有在CMOS ASIC 548的背面處的生物感測器陣列502及控制感測器陣列504。除其他以外，實例頂蓋結構562具有流體腔室554及多個微針550。流體腔室554可容納可含有生物指標分子(例如葡萄糖分子)560的流體。生物感測器陣列502及控制感測器陣列504可偵測生物指標分子560的存在及密度，如上文所解釋。流體可經由入口578及/或多個微針550進入流體腔室554。微針550的數目可視需要改變。對於每一 微針550，存在使流體腔室554與外部連接的(矽)微針通道552。氣液分離膜558經配置以消除流體腔室554中的氣泡，此是因為僅氣體可通過氣液分離膜558。
參考圖5E及圖5F，積體連續生物指標監測及治療晶片500用於連續生物指標監測。如圖5E中所示，流體腔室554經由流體閥576及泵572連接至緩衝溶液575。緩衝溶液是由弱酸及其共軛鹼的混合物組成的水溶液，或反之亦然。在一個實例中，緩衝溶液575為1XPBS(1X生理鹽水溶液(Physiological Saline Solution))或具有諸如0.1XPBS或0.01XPBS的較低濃度的PBS。在另一實例中，緩衝溶液575為HEPES[(4-(2-羥基乙基)-1-哌嗪乙磺酸)]([(4-(2-hydroxyethyl)-1-piperazineethanesulfonic acid)])。在又一實例中，緩衝溶液575為三[三(羥甲基)胺基甲烷](TRIS[tris(hydroxymethyl)aminomethane])。在步驟581中，打開流體閥576且將緩衝溶液575填充在流體腔室554中。在步驟582，微針550插入皮膚568中。具體而言，微針550穿透身體(例如人體)566的皮膚568。生物指標分子(例如葡萄糖分子)560可存在於身體566中(在皮膚568之下，在血管570內部及周圍)。間質液可歸因於壓力經由微針550的微針通道552自然地流入流體腔室554中。因此，生物指標分子560亦進入流體腔室554。在步驟583處，關閉流體閥576。在步驟584中，具有生物感測器陣列502及控制感測器陣列504的CMOS ASIC 548連續感測生物指標分子560且傳輸資料。具體而言，生物感測器陣列502以及控制感測器陣列504可偵測生物指標分子560的存在及密度。藉由CMOS ASIC 548進一步處理(例如放大、轉換等)所偵測到的訊號。所 得資料可經由圖5A中所示的接合墊544或替代地圖1A中所示的無線收發器模組140傳輸。由此，積體連續生物指標監測及治療晶片500可連續感測生物指標分子560，其繼而可用於與生物指標分子560有關的特定疾病(例如糖尿病)的診斷或治療。
另一方面，參考圖5G及圖5H，積體連續生物指標監測及治療晶片500用於連續生物指標監測以及閉環(closed-loop)藥物釋放治療。如圖5G中所示，流體腔室554經由入口578連接至泵572，其分別經由流體閥576a(「V1」)及另一流體閥576b(「V2」)進一步連接至緩衝溶液575及藥物溶液574兩者。在步驟591中，打開流體閥576a且關閉流體閥576b。因此，緩衝溶液575填充至流體腔室554中。在步驟592中，微針550插入皮膚568中。具體而言，微針550穿透身體(例如人體)566的皮膚568。生物指標分子(例如葡萄糖分子)560可存在於身體566中(在皮膚568之下，在血管570內部及周圍)。間質液可因壓力而經由微針550的微針通道552自然地流入流體腔室554中。因此，生物指標分子560亦進入流體腔室554。在步驟593中，關閉流體閥576a及流體閥576b兩者。在步驟594中，具有生物感測器陣列502及控制感測器陣列504的CMOS ASIC 548連續感測生物指標分子560且傳輸資料。具體而言，生物感測器陣列502以及控制感測器陣列504可偵測生物指標分子560的存在及密度。藉由CMOS ASIC 548進一步處理(例如放大、轉換等)所偵測到的訊號。所得資料可經由圖5A中所示的接合墊544或替代地圖1A中所示的無線收發器模組140傳輸。在步驟595中，CMOS ASIC 548判定生物指標濃度達至異常值(例如高於臨限濃度)。接著在步驟596中，打 開流體閥576b，且流體閥576a在一段時間內保持關閉。因此，在步驟597中，藥物溶液574流入藥物通道流體腔室554中(例如藉由泵572泵送)且隨後經由微針550流入皮膚/身體中。由此，藥物溶液574被遞送且藥物釋放治療開始。另一方面，CMOS ASIC 548仍如在步驟594中連續感測生物指標分子且傳輸資料。歸因於藥物釋放治療，生物指標濃度隨時間推移而變低。在一段時間之後，在步驟598中，流體閥576b關閉，而流體閥576a打開。因此，緩衝溶液575可流入流體腔室554中。接著在步驟599中，關閉流體閥576a及流體閥576b兩者。方法590接著循環回至步驟594。相應地，方法590可實現同步生物指標監測以及閉環藥物釋放治療。換言之，生物指標濃度不斷受到監測且藥物釋放治療基於即時生物指標濃度自動地觸發。每當遞送藥物溶液574時將緩衝溶液575添加至流體腔室554。
如上文所提及，藉由圖6A至圖6B的方法600製造圖2A的生物感測器系統封裝200a及圖2B的生物感測器系統封裝200b。
方法600在步驟602開始，其中提供基板。基板可為半導體基板(例如，晶圓)。半導體基板可為矽基板。替代地，基板可包括另一元素半導體，諸如鍺；化合物半導體，包含碳化矽、砷化鎵、磷化鎵、磷化銦、砷化銦及/或銻化銦；合金半導體，包含SiGe、GaAsP、AlInAs、AlGaAs、GaInAs、GaInP及/或GaInAsP；或其組合。在圖6A至圖6E及圖7至圖38中所示的實施例中，基板為絕緣層上半導體(semiconductor on insulator；SOI)基板202。圖7中所示的SOI基板202包含塊狀矽層204、內埋氧化物(BOX)層206及半導體層208(亦即，主動層208)。內埋氧化物層206可 藉由諸如氧植入隔離(separation by implanted oxygen；SIMOX)之製程及/或其他適合製程形成。半導體層208可包含摻雜區，諸如p井及n井。
方法接著進行至步驟604，其中在基板上形成電晶體結構及溫度感測器。電晶體結構(亦即FET)可包含閘極結構、源極區、汲極區以及插入源極區及汲極區的通道區。應注意，在一些實施例中，電晶體結構(亦即，FET)可為電晶體結構的陣列。為簡單起見，在下文描述中，使用僅一個電晶體結構作為實例。如圖7中的實例中所示，FET 210的源極、汲極及/或通道區可形成於半導體層208中的主動區上。FET 210可為n型FET(nFET)或p型FET(pFET)。舉例而言，源極區/汲極區可包括n型摻雜劑或p型摻雜劑，視FET組態而定。閘極結構可包含閘極介電層、閘極電極層及/或其他適合之層。在實施例中，閘極電極為多晶矽。其他例示性閘極電極包含：金屬閘極電極，其包含諸如Cu、W、Ti、Ta、Cr、Pt、Ag、Au等材料；適合的金屬化合物，如TiN、TaN、NiSi、CoSi；其組合；及/或其他適合的導電材料。在實施例中，閘極介電質為氧化矽。其他例示性閘極介電質包含氮化矽、氮氧化矽、具有高介電常數(高k)之介電質及/或其組合。高k材料之實例包含矽酸鉿、氧化鉿、氧化鋯、氧化鋁、五氧化鉭、二氧化鉿-三氧化二鋁(HfO2-Al2O3)合金或其組合。FET 210可使用典型CMOS製程形成，諸如微影；離子植入；擴散；沉積，包含物理氣相沉積(physical vapor deposition；PVD)、金屬蒸發或濺鍍、化學氣相沉積(chemical vapor deposition；CVD)、電漿增強型化學氣相沉積(plasma-enhanced chemical vapor deposition；PECVD)、大 氣壓化學氣相沉積(atmospheric pressure chemical vapor deposition；APCVD)、低壓CVD(low-pressure CVD；LPCVD)、高密度電漿CVD(high density plasma CVD；HDPCVD)、原子層沉積(atomic layer deposition；ALD)、旋轉塗佈；蝕刻，包含濕式蝕刻、乾式蝕刻以及電漿蝕刻；及/或其他適合的CMOS製程。
溫度感測器可偵測圖2A及圖2B中的腔室244的溫度。如圖7中的實例中所示，在半導體層208中形成溫度感測器211。在一些實施例中，溫度感測器211可包含熱耦合元件(例如鉑熱電偶)。
方法600接著進行至步驟606，其中在電晶體結構上方形成多層內連線(MLI)結構。MLI結構可包含導電線、導電垂直內連線存取件(通孔)及/或插入介電層(例如層間介電(interlayer dielectric；ILD)層)。MLI結構可提供至電晶體(亦即，FET)之實體及電連接，上文參考步驟604所描述。導電線可包括銅、鋁、鎢、鉭、鈦、鎳、鈷、金屬矽化物、金屬氮化物、多晶矽、其組合及/或可能包含一或多個層或襯裡(linings)的其他材料。插入介電層(例如ILD層)可包括二氧化矽、氟化矽玻璃(fluorinated silicon glass；FGS)、SILK(密西根州陶氏化學(Dow Chemical)的產品)、BLACK DIAMOND(加利福尼亞州聖克拉拉應用材料公司(Applied Materials)的產品)及/或其他適合的絕緣材料。MLI結構可藉由CMOS製造中典型的適合製程形成，諸如CVD、PVD、ALD、電鍍、旋轉塗佈及/或其他製程。
如圖7中的實例中所示，MLI結構212設置在基板202上以及FET 210及溫度感測器211上方。MLI結構212包含藉由 導通孔或插塞216連接的多個導電線214。在一個實施例中，導電線214包含鋁及/或銅。在一個實施例中，通孔或插塞216包含鎢。在另一實施例中，通孔或插塞216包含銅。在一個實施例中，插入介電層218設置於基板202上，包含插入MLI結構212之導電特徵。插入介電層218可為ILD層。在另一實施例中，介電層218為單個ILD層。在一個實施例中，插入介電層218中的每一者均包含氧化矽。MLI結構212可提供至FET 210的閘極及/或源極/汲極的電連接。如圖7中的實例中所示，MLI結構212處於前側(F)，而基板202處於後側(B)。
另外，第一金屬層(「M1層」)中的導電線可以用作如圖1A中所示的加熱器142。換言之，導電線可為用於產生熱量的嵌入式(電阻)加熱器。在一些實施例中，加熱器可具有可個別控制的多個區域，及/或由諸如Al、Cu、TiAlN的材料製成，但亦可使用其他材料。替代地，加熱器可配置在半導體基板下方且由矽或多晶矽製成。藉由使用嵌入式加熱器，可改良溫度控制及均一性。
方法600接著進行至步驟608，其中將載體基板附接至前側(F)。換言之，載體基板附接至MLI結構。載體基板可在後續步驟期間保護前側(F)。在一個實施例中，載體基板接合至MLI結構。在另一實施例中，載體基板接合至形成於MLI結構上的鈍化層。載體基板可使用融合、擴散、共晶及/或其他適合之接合方法附接。用於載體基板之例示性組成物包含矽、玻璃以及石英。應注意，其他組成物為可能的且在本揭露之範疇內。如圖8中的實例中所示，載體基板220附接至MLI結構212。在一些實施例中，載體基板220可包含諸如內連線特徵、晶圓接合位點、經限定空 腔及/或其他適合特徵之功能性。
方法600接著進行至步驟610，其中翻轉晶圓。如圖9中所示，後側(B)在上方。換言之，塊狀矽層204在上方。方法600接著進行至步驟612，其中移除塊狀矽層204。移除可藉由機械或化學手段實現。舉例而言，機械手段包含研磨或研磨(grinding)，諸如化學機械拋研磨(chemical mechanical polishing；CMP)。化學手段包含濕式蝕刻，諸如HF/硝酸/乙酸(HF/nitric/acetic acid；HNA)或四甲基銨氫氧化物(tetramethylammonium hydroxide；TMAH)，或乾式蝕刻，包含電漿及非電漿蝕刻。如圖10中的實例中所示，移除圖9中的塊狀矽層204。內埋氧化物層206在後側(B)處位於上方。
方法600接著進行至步驟614，其中對內埋氧化物層進行圖案化以在後側(B)處形成開口。光阻圖案形成於內埋氧化物層上。在一些實施例中，光阻圖案保護一些內埋氧化物層免受後續非電漿蝕刻影響，以暴露生物感測器系統封裝之後側(B)。具體而言，光阻圖案保護一些內埋氧化物層免受後續非電漿蝕刻影響，以暴露在步驟604中形成之電晶體結構的主動區。非電漿蝕刻可為不涉及電漿之濕式蝕刻或乾式蝕刻。在一些實施例中，可採用兩步蝕刻製程在後側(B)處形成開口。第一蝕刻步驟含有電漿且第二蝕刻步驟為非電漿蝕刻。如圖11中的實例中所示，非電漿蝕刻形成具有暴露FET 210的通道區的底部的溝渠222。非電漿蝕刻用於避免通道區219的暴露表面處的電漿誘發損傷(plasma-induced damage,PID)。在非限制性實例中，溝渠222之高度可在0.3微米至1微米之間的範圍內，而溝渠222之寬度可在0.5微米至200微 米之間的範圍內(在一些極端情況下)。在一些實施例中，溝渠222之側壁輪廓是實質上筆直的。在非電漿蝕刻之後，移除光阻圖案。可使用少PID之光阻移除製程，諸如剝離及臭氧灰化。由於溝渠222的暴露表面及FET 210的通道區的暴露表面易受電漿誘發損傷(PID)影響，因此一些電漿灰化製程可不用於移除光阻圖案。
方法600接著進行至步驟616。在步驟616中，沉積界面層。在一個實施例中，界面層為高k材料層。界面層對於生物分子或生物實體結合為相容的(例如，友好的)。舉例而言，界面層可包含捕捉試劑層，其為一層能夠結合流體樣本中的目標分析物的捕捉試劑。在一些實施例中，界面層包含多個層。舉例而言，界面層可包含介電材料(例如，高k材料)、導電材料及/或用於固持受體之其他適合材料。例示性界面材料包含高k介電膜、金屬、金屬氧化物、介電質及/或其他適合材料。作為另一實例，例示性界面層材料包含HfO2、Ta2O5、Pt、Au、W、Ti、Al、Cu、此類金屬之氧化物、SiO2、Si3N4、Al2O3、TiO2、TiN、ZrO2、SnO、SnO2；及/或其他適合材料。界面層可使用CMOS製程形成，諸如物理氣相沉積(PVD)(濺鍍)、化學氣相沉積(CVD)、電漿增強型化學氣相沉積(PECVD)、大氣壓化學氣相沉積(APCVD)、低壓CVD(LPCVD)、高密度電漿CVD(HDPCVD)或原子層CVD(ALCVD)。光阻圖案形成於界面層上方以保護界面層之一部分。保護FET之通道區上方的部分。在後續蝕刻製程中移除界面層之未受保護部分。蝕刻製程可涉及包含電漿蝕刻之任何已知蝕刻製程，因為易受PID影響之部分受到保護。界面層完全覆蓋通道區且可部分地覆蓋源極區及汲極區。源極區及汲極區的部分覆蓋可基於FET設計 及對界面層的面積要求而進行調整。在一些實施例中，界面層可未經圖案化及蝕刻，並且保留在FET之各別表面上方。
如圖11中的實例中所示，界面層224(例如，高k材料層)形成於溝渠222的暴露表面及FET 210之主動區219的暴露表面上。另外，界面層224沉積於內埋氧化物層206之整個表面的上方。
替代地，在步驟618中，沉積界面層，同時暴露一些接合位點(bonding sites)。接合位點用於將微流體通道頂蓋結構接合至後側(B)，且將在下文在步驟626中詳細描述。應注意，是否需要接合位點取決於特定接合要求。類似於步驟616，可使用CMOS製程(諸如，PVD(濺鍍)、CVD、PECVD、APCVD、LPCVD、HDPCVD或ALCVD)形成界面層。光阻圖案形成於界面層上方以保護界面層之一部分，且接合位點未受到保護。在後續蝕刻製程中移除界面層之未受保護部分。蝕刻製程可涉及包含電漿蝕刻之任何已知蝕刻製程，因為易受PID影響之部分受到保護。在蝕刻及視情況添加鈍化劑或封端劑之後，以無PID之光阻移除製程移除光阻。
如圖12中的實例中所示，界面層224(例如，高k材料層)形成於溝渠222的暴露表面及FET 210之主動區219的暴露表面上，而兩個接合位點226被暴露。換言之，除兩個接合位點226以外，內埋氧化物層206由界面層224覆蓋。應注意，接合位點之形狀可視微流體通道頂蓋結構之形狀而變化。
方法600接著進行至步驟620。在步驟620中，圖案化並蝕刻內埋氧化物層、半導體層以及第一插入介電層以在後側(B) 處形成開口，以在第一金屬層(「M1層」)處暴露導電線。在於步驟616或步驟618中沉積的內埋氧化物層及界面層上形成光阻圖案。在一些實施例中，類似於步驟614，光阻圖案保護界面層及一些內埋氧化物層免受後續蝕刻影響，以暴露生物感測器系統封裝的後側(B)。如圖13中的實例中所示，在後側(B)處形成兩個開口225a及225b(統稱為開口225)。開口225的數目可視需要改變。在圖13中所示的實施例中，開口225a用於沉積參考電極，而開口225b用於後續打線接合。在另一實例中，存在用於沉積參考電極的僅一個開口225。換言之，未形成用於打線接合的開口225。如圖13中所示，開口225a及開口225b形成於內埋氧化物層206、半導體層208以及第一插入介電層218-1中，且具有在M1層處分別暴露導電線214a及導電線214b的底部。在一些實施例中，溝渠222之側壁輪廓是實質上筆直的。在蝕刻製程之後，移除光阻圖案。
方法600接著進行至步驟622。在步驟622中，將參考電極沉積在開口中的一者中。因此，參考電極連接至在步驟620處在開口中暴露的一個導電線。如上文所提及，參考電極可由以下材料中的一者製成：Ag/AgCl、Cu/CuSO4、AgCl、Au以及P。對於Ag/AgCl，在沉積及圖案化的Ag層上可能需要化學處理以產生AgCl。對於Cu/CuSO4，在沉積及圖案化的Cu層上可能需要化學處理以產生CuSO4。如圖14中所示，參考電極227沉積於在步驟620中形成的開口225a中。電極227連接至在開口225a中暴露的導電線214a。
方法600接著進行至步驟624。在步驟624中，製造頂蓋 結構。圖6C為示出根據一些實施例的圖6B的方法600的步驟624的流程圖。步驟624為CMOS相容之製作流程。在步驟652中，提供頂蓋結構基板。頂蓋結構基板可為矽基板，但可採用其他適合之材料。如圖15中的實例中所示，提供矽基板230。
在步驟654中，圖案化並蝕刻頂蓋結構基板以預定義全域(global)空腔區。全域空腔區對應於微流體通道。光阻圖案形成於頂蓋結構基板上。光阻圖案保護一些頂蓋結構基板免受後續蝕刻影響以預定義全域空腔區。在圖案化頂蓋結構基板之後，藉由蝕刻頂蓋結構基板來預定義全域空腔區。蝕刻製程可為濕式蝕刻，諸如HF/硝酸/乙酸(HNA)或四甲基銨氫氧化物(TMAH)；或乾式蝕刻，包含電漿及非電漿蝕刻。然後，移除光阻。如圖16中的實例中所示，兩個全域空腔區232預定義在頂蓋結構基板230的頂部表面處，且在此實例中，頂蓋結構基板230已從0.1微米蝕刻至0.5微米。
在步驟656處，將硬式罩幕沉積於頂蓋結構基板的接合區域上。在一些實施例中，在步驟618處，頂蓋結構基板之接合區域對應於內埋氧化物層上之接合位點。具體而言，頂蓋結構基板之接合區域與內埋氧化物層上之接合位點界面連接，且頂蓋結構接合至內埋氧化物層(或在內埋氧化物層上沉積且圖案化之任何適當的中間接合層)，其將在下文在步驟626中詳細描述。硬式罩幕可保護接合區域免受後續蝕刻製程影響。在一些實施例中，硬式罩幕可由氧化物形成。在一些實施例中，硬式罩幕可由多晶矽形成。使用諸如CVD及/或類似者之適合製程形成硬式罩幕。在非限制性實例中，硬式罩幕之厚度在0.3微米至1微米範圍內。如圖17 中的實例中所示，硬式罩幕236(例如氧化物硬式罩幕)沉積在頂蓋結構基板230的接合區域234上。硬式罩幕236可保護接合區域234免受後續蝕刻製程影響。
在步驟658處，圖案化並蝕刻全域空腔區的某些區。在硬式罩幕以及全域空腔區的部分上形成光阻圖案。光阻圖案保護硬式罩幕以及全域空腔區的部分免受後續蝕刻影響。隨後，蝕刻頂蓋結構基板。蝕刻製程可為濕式蝕刻，諸如HF/硝酸/乙酸(HNA)或四甲基銨氫氧化物(TMAH)；或乾式蝕刻，包含電漿及非電漿蝕刻。然後，移除光阻。如圖18中的實例中所示，光阻圖案238在硬式罩幕236以及全域空腔區232的部分上。蝕刻全域空腔區232的暴露部分以形成深區239。接著移除光阻圖案238，且結構是如圖19中的實例中所示。暴露包含深區239的整個全域空腔區232，而接合區域234由硬式罩幕236覆蓋。
在步驟660中，毯覆式蝕刻(blanket etched)整個全域空腔區。具體而言，將包含深區的整個全域空腔區均勻地回蝕某一深度，以形成頂蓋結構的腔室。頂蓋結構的腔室可以用作流體腔室(例如，如圖4A中所示的流體腔室454)或藥物通道(例如，如圖4A中所示的藥物通道455)。另一方面，在毯覆式蝕刻期間保護由硬式罩幕覆蓋之接合區域。毯覆式蝕刻製程可為任何適合之蝕刻製程，諸如濕式蝕刻或乾式蝕刻，包含電漿及非電漿蝕刻。如圖20中的實例中所示，將頂蓋結構基板230的整個全域空腔區232(包含深區239)蝕刻預定義蝕刻深度ED。預定義蝕刻深度ED對應於頂蓋結構228之腔室244之所需高度。
視情況，在步驟662中，將高k介電材料層沉積在全域 空腔區及硬式罩幕上。視應用而定，步驟662為視情況選用的。可使用CMOS製程(諸如，PVD(濺鍍)、CVD、PECVD、APCVD、LPCVD、HDPCVD或ALCVD)形成高k介電材料層。在一個非限制性實例中，高k介電材料層具有2奈米至3奈米的厚度。如圖21中的實例中所示，將高k介電材料層242沉積在全域空腔區232(因此腔室244)及硬式罩幕236上。高k介電材料層242覆蓋腔室244的底部及側壁、深區239的底部及側壁以及硬式罩幕236。
視情況，在步驟664中，移除硬式罩幕之上方的界面層。在一個實施例中，可藉由噴塗製程噴覆光阻噴塗層以覆蓋全域空腔區。在移除硬式罩幕上之高k介電材料層時，光阻噴塗層保護高k介電材料層。藉由諸如電漿蝕刻之適合製程移除硬式罩幕之上方的界面層。在實例電漿蝕刻製程中，提供包括氧氣、含氟材料以及惰性氣體的氣體混合物，且在高k介電材料層(以脈衝方式)射注氣體混合物之高速輝光放電(glow discharge)串流(電漿)。噴塗製程用於在具有深特徵之區上方塗佈光阻。在噴塗製程中，將光阻的精細飛沫沉積至結構上。噴覆光阻飛沫的角度准許光阻進入深溝渠及側壁中。
在步驟666中，移除硬式罩幕。藉由任何適合之製程移除硬式罩幕。在一個實施例中，藉由濕式蝕刻移除硬式罩幕。在一些實施例中，濕式蝕刻為含氟蝕刻，諸如稀氫氟酸(hydrofluoric acid；HF)。在一些實施例中，濕式蝕刻為氫氧化氨/過氧化氫蝕刻。濕式蝕刻移除硬式罩幕而不實質上移除或傷害高k介電材料層。如圖22中的實例中所示，分別在步驟664及步驟666中移除硬式 罩幕236上的視情況選用的高k介電材料層242及硬式罩幕236。暴露接合區域234。全域空腔區232及深區239的底部及側壁覆蓋有高k介電材料層242。由此，製造頂蓋結構228。
返回參考圖6B，方法600進行至步驟626，其中將頂蓋結構接合至生物感測器系統封裝的後側。具體而言，頂蓋結構接合至內埋氧化物層。在一些實施例中，內埋氧化物層之接合位點與頂蓋結構基板之接合區域界面連接。在其他實施例中，在內埋氧化物層上沉積及圖案化的中間接合層與頂蓋結構基板之接合區域界面連接。頂蓋結構可使用融合(fusion)接合、共晶接合、陽極接合及/或其他適合之接合方法接合至生物感測器系統封裝的後側。融合接合利用溫度及壓力來結合半導體材料。在一個非限制性實例中，在室溫融合接合製程中，接合裝置迫使頂蓋結構及生物感測器系統封裝的後側在一起。在此之後為用以增加接合強度之退火製程。在共晶接合中，利用可產生共晶系統之中間金屬層。共晶金屬為在沒有達到兩相平衡的情況下在特定組成及溫度下自固態直接變換至液態，或反之自液態變換至固態之合金。由於共晶溫度可比兩個或多於兩個純元件之熔融溫度低得多，因此共晶接合可具有以下益處：低處理溫度、最終總成中所誘發之低合成應力、高接合強度、高製造良率以及良好可靠性。在陽極接合中，在不引入中間層的情況下將玻璃密封至矽或金屬。
如圖23中的實例中所示，頂蓋結構228接合至生物感測器系統封裝200的後側(B)。具體而言，頂蓋結構228接合至內埋氧化物層206。內埋氧化物層206之接合位點226與頂蓋結構基板230之接合區域234界面連接。在圖23中所示的實例中，如上 文參考圖14所提及，導電線214b稍後可用於打線接合。
替代地，如圖24中的實例中所示，頂蓋結構228接合至生物感測器系統封裝200的後側(B)。不同於圖23中所示的實例，稍後將基板穿孔(TSV)結構而非打線接合用於連接生物感測器系統封裝200與單獨晶片。下文將詳細描述TSV結構。
對於具有如上文所提及的TSV結構的實施例，方法600接著視情況進行至步驟628，其中翻轉晶圓。隨後，在生物感測器系統封裝的前側(F)處的載體基板現在在頂部上。方法600接著進行至步驟630，其中對載體基板進行薄化。在一個實例中，藉由研磨來薄化載體基板。研磨製程可包含旋轉用以固持生物感測器系統封裝之圓盤，其內襯有適當研磨材料。應注意，亦可採用諸如CMP之其他製程。如圖25中所示，載體基板220已經薄化。根據將在下文論述之步驟632選擇載體基板之厚度。
方法600接著視情況進行至步驟632，其中產生穿過載體基板且連接至MLI結構的基板穿孔(TSV)結構。TSV用於提供電連接且用於生物感測器系統封裝200之散熱。如圖26中的實例中所示，TSV結構246穿過載體基板220產生且連接至MLI結構212。儘管在圖26中的實例中僅示出一個TSV結構246，但可形成超過一個TSV結構以穿過載體基板220。TSV結構246包含襯墊(liner)246a、擴散障壁層246b以及導電材料246c。在一個實施例中，TSV結構246藉由以下操作形成。首先，藉由一或多個蝕刻製程形成延伸至MLI結構212之導電線214的TSV開口。在形成TSV開口之後，襯墊246a形成於TSV開口之側壁上以充當隔離層，使得TSV結構246之導電材料246c與載體基板220彼 此不直接接觸。然後，擴散障壁層246b保形地形成於襯墊246a上及TSV開口之底部上。擴散障壁層246b用以防止稍後將形成之導電材料246c遷移至非期望區。在形成擴散障壁層246b之後，使用導電材料246c填充至TSV開口中。然後，藉由平坦化製程(諸如化學機械研磨(CMP)製程)移除位於TSV開口外部的多餘襯墊246a、擴散障壁層246b以及導電材料246c，但可使用任何適合之移除製程。
襯墊246a由諸如氧化物或氮化物之絕緣材料製成。可藉由使用PECVD製程或其他適用製程來形成襯墊246a。襯墊246a可為單層或多層。在一些非限制性實例中，襯墊246a的厚度在約100Å至約5000Å範圍內。擴散障壁層246b由Ta、TaN、Ti、TiN或CoW製成。在一些實施例中，擴散障壁層246b藉由PVD製程形成。在一些實施例中，擴散障壁層246b藉由電鍍形成。在一些實施例中，導電材料246c由銅、銅合金、鋁、鋁合金或其組合製成。替代地，可使用其他可適用材料。可在不同情形下選擇TSV結構246之寬度、深度以及縱橫比。由於在步驟630中對載體基板220進行薄化，因此TSV結構246具有相對較小的縱橫比。因此，解決了或極大地減少了由TSV結構之高縱橫比導致之空隙問題及擠壓或擴散問題。另外，降低生物感測器系統封裝200之總封裝高度以符合先進封裝要求。因此，生物感測器系統封裝200可達成小外觀尺寸。
方法600接著進行至視情況選用之步驟634，其中對於產生TSV結構的情況，翻轉晶圓。隨後，頂蓋結構在頂部上，而TSV結構在底部。方法600接著進行至步驟636，其中在生物感測器系 統封裝的後側(B)處產生微針。圖6D為示出根據一些實施例的圖6B的方法600的步驟636的流程圖。圖6E為示出根據一些實施例的圖6B的方法600的步驟636的另一流程圖。步驟636為CMOS相容之製程流程。
參考圖6D，方法636視情況在步驟672處開始，其中對頂蓋結構基板進行薄化。步驟672為視情況選用的且視微針高度而定。藉由諸如研磨及CMP之任何適合的製程來薄化頂蓋結構基板。在圖27中所示的實例中，藉由研磨頂蓋結構228的頂部部分來薄化頂蓋結構基板230。
方法636接著進行至步驟674。在步驟674中，在微針位置處沉積硬式罩幕。為簡單起見，在下文描述一個微針的情形。微針位置處的硬式罩幕可保護微針位置免受後續蝕刻製程影響。在一些實施例中，硬式罩幕可由氧化物形成。在一些實施例中，硬式罩幕可由多晶矽形成。使用諸如CVD及/或類似者之適合製程形成硬式罩幕。如圖28中的實例中所示，硬式罩幕237(例如氧化物硬式罩幕)在微針位置處沉積在頂蓋結構基板230上。硬式罩幕237可保護微針位置免受後續蝕刻製程影響。
在一個實施例中，方法636接著進行至步驟676及步驟678。在步驟676中，以交替方式(亦即，多路復用(multiplexing))使用等向性蝕刻及非等向性蝕刻來蝕刻頂蓋結構基板。換言之，蝕刻製程在等向性蝕刻與非等向性蝕刻之間切換。等向性蝕刻為沿多個方向移除材料的蝕刻製程，且因此蝕刻方向的任何水平分量可導致圖案化區域的底切(undercutting)。另一方面，非等向性蝕刻為旨在較佳地移除特定方向上的材料以獲得錯綜複雜且通常平 坦的形狀的蝕刻製程。在一個實施例中，本文使用的非等向性蝕刻為非等向性深反應性離子蝕刻(deep reactive ion etching；DRIE)，而本文使用的等向性蝕刻為六氟化硫(SF6)電漿蝕刻。具體而言，使用波希(Bosch)法(亦即，脈衝式或時間多工蝕刻)。在一些實施例中，在蝕刻製程之後，微針的頂端藉由最終濕式氧化，跟隨著連續氧化物剝離(consecutive oxide strip)而尖銳化。對仍在微針上的硬式罩幕進行氧化，其可導致尖銳頂端。在圖29中所示的實例中，在步驟676之後，打開深區239，且腔室244因此可外部連接。在微針位置處形成微針241。
方法636接著進行至步驟678，其中移除硬式罩幕。藉由任何適合之製程移除硬式罩幕。在一個實施例中，藉由濕式蝕刻移除硬式罩幕。在一些實施例中，濕式蝕刻為含氟蝕刻，諸如稀氫氟酸(HF)。在一些實施例中，濕式蝕刻為氫氧化氨/過氧化氫蝕刻。如圖30中的實例中所示，在步驟678中移除圖29中所示的硬式罩幕237。因此暴露微針241的頂端。由此，製造微針241。
替代地，在另一實施例中，方法636可進行至步驟680、步驟682以及步驟684。在步驟680中，使用非等向性蝕刻將頂蓋結構基板蝕刻預定深度。預定深度近似於微針的高度。在一個實施例中，本文使用的非等向性蝕刻為非等向性深反應性離子蝕刻(DRIE)。在步驟682中，移除硬式罩幕。藉由任何適合之製程移除硬式罩幕。在一個實施例中，藉由濕式蝕刻移除硬式罩幕。在一些實施例中，濕式蝕刻為含氟蝕刻，諸如稀氫氟酸(HF)。在一些實施例中，濕式蝕刻為氫氧化氨/過氧化氫蝕刻。接著在步驟684中，使用等向性蝕刻來蝕刻頂蓋結構基板以形成微針的頂端。在一 些實施例中，本文使用的等向性蝕刻為六氟化硫(SF6)電漿蝕刻。頂蓋結構基板230的水平移除有助於形成微針的頂端。
在圖31中所示的實例中，在步驟680之後，打開除對應於微針位置的深區239以外的深區239，且腔室244因此可外部連接。在圖32中所示的實例中，在步驟682及步驟684之後，在步驟682中移除圖31中所示的硬式罩幕237。因此暴露微針241的頂部。在步驟684之後，微針241的頂部進一步尖銳化以形成頂端。由此，製造微針241。
參考圖6E，圖6E中所示的方法636適用於相對長的微針。相對長的微針在某些應用中可為合乎需要的。如圖6E中所示，方法636在步驟691中開始，其中對頂蓋結構基板進行薄化以打開深區。藉由諸如研磨及CMP之任何適合的製程來薄化頂蓋結構基板。在圖33中所示的實例中，藉由研磨頂蓋結構228的頂部部分來薄化頂蓋結構基板230。在步驟691之後，打開深區239，且腔室244因此可外部連接。
方法636接著進行至步驟692，其中製造第二頂蓋結構並將其接合至頂蓋結構。在圖34中所示的實例中，製造第二頂蓋結構228'。第二頂蓋結構228'的製造流程類似於如圖6C中所示的方法624，且因此並不詳細描述。第二頂蓋結構228'具有在頂蓋結構基板230'中形成的深區239'。高k介電材料242'覆蓋深區239'的頂部表面及側壁。在圖35中所示的實例中，第二頂蓋結構228'接合至頂蓋結構228。如上文所提及，第二頂蓋結構228'可使用融合接合、共晶接合、陽極接合及/或其他合適的接合方法接合至頂蓋結構228。在接合處理期間可使用對準標記以用於對準。如圖35 中所示，深區239及深區239'對準且形成相對長的針。
方法636接著進行至步驟693，其中在微針位置處沉積硬式罩幕。在一個實施例中，方法636接著進行至步驟694及步驟695。替代地，在另一實施例中，方法636可進行至步驟696、步驟697以及步驟698。步驟693至步驟698分別類似於圖6D的步驟674至步驟684，因此不再詳細描述。在實施方法636之後，製造相對長的微針。
返回參考圖6B，在步驟636中在生物感測器系統封裝的後側產生微針之後，方法600接著進行至步驟638。在步驟638中，切割生物感測器系統封裝200。在圖36中所示的實例中，在圖36中所示的虛線處，藉由切割工具或鋸將生物感測器系統封裝200切割成與其他鄰近組件分開。在切割製程中可使用對準標記。
方法600接著進行至步驟640，其中經由打線接合或TSV結構將單獨晶片連接至生物感測器系統封裝。單獨晶片可為充當生物感測器系統之一部分之任何晶片。在一個實施例中，單獨晶片為RAM晶片。在一個實施例中，單獨晶片為資料處理晶片。在一個實施例中，單獨晶片為RAM及資料處理晶片。
如圖37中所示，生物感測器系統封裝200經由打線接合連接至(第二)單獨晶粒250。打線接合為進行內連線的方法並且為具成本效益且靈活的。在此實例中，金屬(例如Al、Cu、Ag或Au)線251連接(第二)單獨晶粒250及導電線214b。由此，使用方法600製造生物感測器系統封裝200。
替代地，如圖38中所示，生物感測器系統封裝200經由在上文步驟632處形成的TSV結構連接至(第一)單獨晶粒250。 單獨晶片可藉由任何適合的製程接合至TSV結構。與上文提到的打線接合相比較，經由TSV結構的連接為更緊湊方案且具有較小電阻、電容以及電感，其可以較少雜訊、失真以及功耗實現較快的晶片對晶片資料傳輸。在一個實施例中，單獨晶片藉由焊料凸塊接合而接合至TSV結構。焊料凸塊為接合至半導體元件之接觸區域或接墊之焊料(焊料球)之小球體。在一個實例中，焊料凸塊接合包含以下操作：將焊料凸塊置放於TSV結構上；翻轉晶圓；將焊料凸塊與單獨晶片之接觸墊對準；以及在鍋爐中回焊焊料凸塊以建立TSV結構與單獨晶片之間的接合。在其他實施例中，單獨晶片可藉由打線接合而接合至TSV結構。如圖38中的實例中所示，(第一)單獨晶粒250藉由焊料凸塊接合(使用焊料凸塊248)接合至TSV結構246。由此，使用方法600製造生物感測器系統封裝200。
根據本揭露之實施例包含生物感測器系統封裝。生物感測器系統封裝，包含：電晶體結構，其位於具有前側及後側的半導體層中，電晶體結構包括通道區；內埋氧化物(BOX)層，其位於半導體層的後側上，其中內埋氧化物層在通道區的後側上具有開口，且界面層覆蓋通道區上方的後側；多層內連線(MLI)結構，其位於半導體層的前側上，電晶體結構電連接至MLI結構；以及頂蓋結構，其附接至內埋氧化物層，頂蓋結構包括微針。
根據本發明的一些實施例，所述頂蓋結構更包括：頂蓋結構基板，其具有經配置以容納待測試的流體樣本的腔室，且其中所述微針與所述腔室連接以供所述流體樣本流入及流出。
根據本發明的一些實施例，所述頂蓋結構更包括：高k介 電材料層，其覆蓋所述腔室的底部及側壁。
根據本發明的一些實施例，所述頂蓋結構基板具有與所述內埋氧化物層的接合位點界面連接的接合區域。
根據本發明的一些實施例，所述的生物感測器系統封裝更包括：溫度感測器，其形成於所述半導體層中。
根據本發明的一些實施例，所述的生物感測器系統封裝更包括：參考電極，其連接至所述多層內連線結構且經配置以提供參考電位。
根據本發明的一些實施例，所述多層內連線結構包括：多個插入介電層；多個導電線，多述多個導電線中的每一個設置於所述多個插入介電層中的一者中；以及連接所述多個導電線的多個導電垂直內連線存取(vertical interconnect accesses,VIAs)結構。
根據本發明的一些實施例，所述的生物感測器系統封裝更包括：載體基板，其位於所述多層內連線結構上；以及基板穿孔結構，其延伸穿過所述載體基板且經配置以提供所述多層內連線結構與第一單獨晶粒之間的電連接。
根據本發明的一些實施例，所述基板穿孔結構包括：導電材料；襯墊，其將所述導電材料與所述載體基板隔離；以及擴散障壁層，其位於所述導電材料與所述襯墊之間。
根據本發明的一些實施例，所述的生物感測器系統封裝更包括：第一單獨晶粒，其中所述第一單獨晶粒電連接至所述基板穿孔結構且經配置以處理由所述電晶體結構收集的資料。
根據本發明的一些實施例，所述的生物感測器系統封裝，更包括：穿過所述內埋氧化物層、所述半導體層以及所述多層內連 線結構的打線接合開口，且其中所述多層內連線結構的第一金屬層中的第一導電線在所述打線接合開口中被暴露。
根據本發明的一些實施例，所述第一導電線藉由打線接合電連接至第二單獨晶粒。
根據本發明的一些實施例，所述界面層為高k材料層。
根據本發明的一些實施例，所述界面層包括一層能夠結合所述流體樣本中的目標分析物的捕捉試劑。
根據本發明的一些實施例，所述的生物感測器系統封裝更包括：電阻加熱器，其包括在所述多層內連線結構的第一金屬層中的第二導電線。
其他實施例包含生物感測器系統封裝。生物感測器系統封裝包含：生物感測器結構，其位於具有前側及後側的半導體層中，生物感測器結構包括通道區及覆蓋通道區上方的後側的界面層；內埋氧化物(BOX)層，其位於半導體層的後側上，其中內埋氧化物層在通道區的後側上具有開口，且界面層在開口中暴露；多層內連線(MLI)結構，其位於半導體層的前側上，生物感測器結構電連接至MLI結構；參考電極，其連接至MLI結構且經配置以提供參考電位；以及頂蓋結構，其附接至內埋氧化物層，頂蓋結構包括微針。
根據本發明的一些實施例，所述的生物感測器系統封裝更包括：溫度感測器，其形成於所述半導體層中；以及電阻加熱器，其包括在所述多層內連線結構的第一金屬層中的導電線。
其他實施例包含製造生物感測器系統封裝的方法。方法包含：提供基板，基板包括：具有前側及後側的半導體層，在後側 處的內埋氧化物(BOX)層，以及在後側處的塊狀矽層；在基板上形成電晶體結構，其中電晶體結構的通道區在半導體層中；在半導體層的前側上形成多層內連線(MLI)結構，其中MLI結構電連接至電晶體結構；將載體基板附接至MLI結構；移除塊狀矽層；蝕刻內埋氧化物層以在通道區上方的後側處形成開口；將界面層沉積在通道區上方的後側上；使用互補金屬氧化物半導體(CMOS)相容的製程流程製造頂蓋結構；將頂蓋結構接合至BOX層；以及在頂蓋結構上產生微針。
根據本發明的一些實施例，在所述頂蓋結構上產生所述微針包括：多路復用(multiplexing)等向性蝕刻製程及非等向性蝕刻製程。
根據本發明的一些實施例，在所述頂蓋結構上產生所述微針包括：沉積硬式罩幕；使用非等向性蝕刻製程將所述頂蓋結構蝕刻預定深度；移除所述硬式罩幕；以及使用等向性蝕刻製程蝕刻所述頂蓋結構。
前文概述若干實施例的特徵，以使得所屬領域中具通常知識者可更好地理解本揭露內容的態樣。所屬領域中具通常知識者應瞭解，其可容易地使用本揭露作為設計或修改用於進行本文中所引入的實施例的相同目的及/或實現相同優點的其他製程及結構的基礎。所屬領域中具通常知識者亦應認識到，此類等效構造並不脫離本揭露內容的精神及範疇，且所屬領域中具通常知識者可在不脫離本揭露內容的精神及範疇的情況下在本文中作出各種改變、替代以及更改。
200a:生物感測器系統封裝
206:內埋氧化物層
208:半導體層/主動層
210:電晶體結構
211:溫度感測器
212:多層級內連線結構
214b:導電線
220:載體基板
222:溝渠
224:界面層
225a、225b:開口
227:參考電極
228:頂蓋結構
230:頂蓋結構基板
239:深區
241:微針
242:高k介電材料層
244:腔室
250:單獨晶片/晶粒
251:金屬線
274:入口
B:後側
F:前側

Claims (10)

  1. 一種生物感測器系統封裝，其包括：電晶體結構，其位於具有前側及後側的半導體層中，所述電晶體結構包括通道區；內埋氧化物層，其位於所述半導體層的所述後側上，其中所述內埋氧化物層在所述通道區的所述後側上具有開口，且界面層覆蓋在所述通道區上方的所述後側；多層內連線結構，其位於所述半導體層的所述前側上，所述電晶體結構電連接至所述多層內連線結構；以及頂蓋結構，其附接至所述內埋氧化物層，所述頂蓋結構包括微針。
  2. 如請求項1所述的生物感測器系統封裝，其中所述頂蓋結構更包括：頂蓋結構基板，其具有經配置以容納待測試的流體樣本的腔室，且其中所述微針與所述腔室連接以供所述流體樣本流入及流出，其中所述頂蓋結構基板具有與所述內埋氧化物層的接合位點界面連接的接合區域；以及高k介電材料層，其覆蓋所述腔室的底部及側壁。
  3. 如請求項1所述的生物感測器系統封裝，更包括：溫度感測器，其形成於所述半導體層中；以及參考電極，其連接至所述多層內連線結構且經配置以提供參考電位。
  4. 如請求項1所述的生物感測器系統封裝，其中所述多層內連線結構包括： 多個插入介電層；多個導電線，所述多個導電線中的每一個設置於所述多個插入介電層中的一者中；以及連接所述多個導電線的多個導電垂直內連線存取(vertical interconnect accesses,VIAs)結構。
  5. 如請求項4所述的生物感測器系統封裝，更包括：載體基板，其位於所述多層內連線結構上；以及基板穿孔結構，其延伸穿過所述載體基板且經配置以提供所述多層內連線結構與第一單獨晶粒之間的電連接，其中所述基板穿孔結構包括：導電材料；襯墊，其將所述導電材料與所述載體基板隔離；以及擴散障壁層，其位於所述導電材料與所述襯墊之間。
  6. 如請求項5所述的生物感測器系統封裝，更包括：所述第一單獨晶粒，其中所述第一單獨晶粒電連接至所述基板穿孔結構且經配置以處理由所述電晶體結構收集的資料。
  7. 如請求項4所述的生物感測器系統封裝，更包括：穿過所述內埋氧化物層、所述半導體層以及所述多層內連線結構的打線接合開口，其中所述多層內連線結構的第一金屬層中的第一導電線在所述打線接合開口中被暴露，且所述第一導電線藉由打線接合電連接至第二單獨晶粒。
  8. 一種生物感測器系統封裝，其包括：生物感測器結構，其位於具有前側及後側的半導體層中，所述生物感測器結構包括通道區及覆蓋所述通道區上方的所述後側 的界面層；內埋氧化物(BOX)層，其位於所述半導體層的所述後側上，其中所述內埋氧化物層具有在所述通道區的所述後側上的開口，且所述界面層在所述開口中被暴露；多層內連線結構，其位於所述半導體層的所述前側上，所述生物感測器結構電連接至所述多層內連線結構；參考電極，其連接至所述多層內連線結構且經配置以提供參考電位；以及頂蓋結構，其附接至所述內埋氧化物層，所述頂蓋結構包括微針。
  9. 一種製造生物感測器系統封裝的方法，包括：提供基板，所述基板包括具有前側及後側之半導體層、在所述後側的內埋氧化物層以及在所述後側的塊狀矽層；在所述基板上形成電晶體結構，其中所述電晶體結構的通道區在所述半導體層中；在所述半導體層的所述前側上形成多層內連線結構，其中所述多層內連線結構電連接至所述電晶體結構；將載體基板附接至所述多層內連線結構；移除所述塊狀矽層；蝕刻所述內埋氧化物層以在所述通道區上方的所述後側形成開口；在所述通道區上方的所述後側上沉積界面層；使用與互補金屬氧化物半導體(CMOS)相容的製程流程製造頂蓋結構； 將所述頂蓋結構接合至所述內埋氧化物層；以及在所述頂蓋結構上產生微針。
  10. 如請求項9所述的製造生物感測器系統封裝的方法，其中在所述頂蓋結構上產生所述微針包括：沉積硬式罩幕；使用非等向性蝕刻製程將所述頂蓋結構蝕刻預定深度；移除所述硬式罩幕；以及使用等向性蝕刻製程蝕刻所述頂蓋結構。
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