TWI790564B - 積體電路及其形成方法 - Google Patents

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TWI790564B
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陳東村
蕭怡馨
黃睿政
黃毓傑
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台灣積體電路製造股份有限公司
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Abstract

一種IC包括一半導體層中之一源極區及一汲極區。一通道區介於該源極區與該汲極區之間。一感測井在該半導體層之一後表面上且在該通道區上方。一互連結構在與該半導體層之該後表面相反的該半導體層之一前表面上。一生物感測膜對該感測井裹襯且接觸該感測井之一底部表面，該底部表面藉由該半導體層定義。一選擇性黏結劑之塗層在該生物感測膜上方且用以與一心臟單元黏結。

Description

積體電路及其形成方法
本揭露係關於積體電路，特別係關於具有生物場效電晶體的積體電路。
生物感測器為用於感測且偵測生物實體之元件，且通常基於電子、化學、光學、或機械偵測原理操作。偵測可藉由偵測生物實體自身，或藉由指定反應物與生物實體之間的相互作用及反應加以執行。生物感測器廣泛地使用在不同生命科學應用中，該等生命科學應用範圍自環境監測及基本生命科學研究至定點照護(Point-of-Care；PoC)試管內分子診斷學。
在一些實施方式中，一種積體電路包含：一源極區及一汲極區在一半導體層中；一通道區側向地介於該源極區與該汲極區之間；一感測井在該半導體層之一後表面上且在該通道區上方，其中該感測井之一底部表面係藉由該 半導體層定義；一互連結構在與該半導體層之該後表面相反的該半導體層之一前表面上；一生物感測膜對該感測井裹襯且接觸該感測井之該底部表面；以及一該選擇性黏結劑之塗層在該生物感測膜上方且用以與一心臟單元黏結。
在一些實施方式中，一種積體電路包含一半導體基板具有一源極區及一汲極區；一感測井，在該半導體基板之一後表面上；一生物感測膜，對該感測井裹襯且接觸該半導體基板之該後表面；一生物材料塗層，在該生物感測膜上；以及一第一加熱器，在該半導體基板中且與該源極區及該汲極區側向地間隔，該第一加熱器與該生物材料塗層垂直地重疊。
在一些實施方式中，一種積體電路的形成方法包含形成一絕緣體上半導體(SOI)基板，該絕緣體上半導體基板包含一半導體基板、一犧牲性基板及介於該半導體基板與該犧牲性基板之間的一介電層；形成源極/汲極區於該半導體基板中；形成一後段製程(BEOL)互連結構於該半導體基板之一第一側上；藉由該BEOL互連結構將一載體基板黏接至該半導體基板；在將該載體基板黏接至該半導體基板之後，薄化該SOI基板以移除該犧牲性基板且暴露該介電層；蝕刻該介電層直至該半導體基板之一第二側暴露，從而形成延伸穿過該介電層且側向地介於該等源極/汲極區之間的一感測井；形成對該感測井裹襯的一生物感測膜；以及一第一加熱器，該第一加熱器在該半導體基板中且與該源極區及該汲極區側向地間隔，該第一加熱器與該生物 材料塗層垂直地重疊。
A-A’:線
B-B’:線
CL1-CLM:行接線
CCL1-CCLP:行單元點接線
CPL1-CPLM:行像素接線
DL:虛線
RL1-RLN:列接線
RCL1-RCLq:列單元點接線
RPL1-RPLN:列像素接線
O:感測井
10:積體電路
50:積體電路
60:積體電路
80:積體電路
100:BioFET
102:半導體層
102f:前表面
102b:後表面
104:源極/汲極區
106:閘極電極
108:通道區
110:BEOL互連結構
112:載體基板
114:閘極介電質層
116:隔離介電層
118:感測井
120:生物感測膜
122:選擇性黏結劑
124:金屬接線
126:金屬通孔
128:多層介電結構
190:流體
192:心臟單元
194:參考電極
202:跨阻抗放大器
204:電氣訊號
300:存取電晶體
304:源極/汲極區
306:閘極電極
308:通道區
314:閘極介電層
502:感測像素
504:行解碼器
506:行像素選擇器
508:列解碼器
510:列像素選擇器
512:跨阻抗放大器
514:電訊號
602:感測像素
604:行解碼器
606:行單元點選擇器
608:行像素選擇器
610:列解碼器
612:列單元點選擇器
614:列像素選擇器
702:流體通道壁
704:流體圍阻區域
802:加熱器
902:感測像素
904:第一切換元件
906:溫度感測元件
908:第二切換元件
1000:佈局
1002:第一狹長加熱器
1004:第二狹長加熱器
1006:介電層
1042:井區
1300:積體電路
1400:積體電路
1402:井區
1404:第一加熱器
1406:溫度感測元件
1408:第二加熱器
1410:襯墊開口
1412:襯墊結構
1414:流體通道壁
1416:流體圍阻區
1500:SOI基板
1502:體半導體基板
1504:隔離區
2500:時域訊號
2502:搏動脈衝
2601、2602、2603、2604:感測像素
當與伴隨圖式一起閱讀時，自以下詳細描述更好地理解本揭示案之態樣。應注意，根據工業中之標準實習，未按比例繪製各種特徵。實際上，可出於所述之清晰性而任意地增加或減少各種特徵之尺寸。
第1圖例示根據本揭示案之一些實施例之包括生物場效電晶體(Bio Field Effect Transistor；BioFET)之陣列的示例性積體電路的剖面圖。
第2圖例示根據本揭示案之一些實施例之對應於BioFET的等效電路。
第3圖例示根據本揭示案之一些實施例之BioFET及用於BioFET之存取電晶體的剖面圖。
第4圖例示對應於如第3圖中所示之BioFET與存取電晶體之間的關係的等效電路。
第5圖為根據本揭示案之一些實施例之積體電路的功能方塊圖。
第6圖為根據本揭示案之一些實施例之示例性積體電路的功能方塊圖，該示例性積體電路經設計以偵測/監視多個心臟單元。
第7圖例示第6圖之積體電路之局部區域的示例性剖面圖。
第8圖例示根據本揭示案之一些實施例之包括 BioFET之陣列的示例性積體電路的剖面圖。
第9圖為根據一些實施例之積體電路之BioFET及該BioFET之包圍加熱器的電路圖。
第10圖為例示根據本揭示案之一些實施例之感測像素及加熱器之組態的佈局圖。
第11圖為沿著第10圖之線A-A’截取的具有第10圖之佈局之示例性積體電路的剖面圖。
第12圖為沿著第10圖之線B-B’截取的具有第10圖之佈局之示例性積體電路的剖面圖。
第13圖例示根據一些實施例之具有第10圖之佈局之另一示例性積體電路的剖面圖。
第14圖例示根據本揭示案之一些實施例之示例性積體電路的剖面圖。
第15圖至第22圖例示用於形成如第14圖中所例示之積體電路之方法之各種中間級段的剖面圖。
第23圖為例示使用具有本揭示案之一些實施例中之BioFET之積體電路量測的心臟單元之實驗結果的圖表。
第24圖為使用具有本揭示案之一些實施例中之BioFET之陣列之積體電路獲得的心臟單元的2D電氣影像。
以下揭示內容提供用於實行所提供主題之不同特徵的許多不同實施例或實例。以下描述組件及配置之特定 實例以簡化本揭示案。當然，此等僅為實例且不欲為限制。例如，以下描述中的第二特徵上方或上的第一特徵之形成可包括其中第一特徵及第二特徵直接接觸地形成的實施例，且可亦包括其中額外特徵可形成在第一特徵與第二特徵之間，使得第一特徵及第二特徵可不直接接觸的實施例。另外，本揭示案可在各種實例中重複元件符號及/或字母。此重複係出於簡單性及清晰性之目的，且實質上並不規定所所述的各種實施例及/或組態之間的關係。
此外，為便於描述，本文可使用諸如「下方」、「之下」、「下」、「上方」及「上」等等之空間相對術語來描述一個元件或特徵與另一元件(多個)或特徵(多個)之關係，如圖中所例示。除圖中所描繪的定向之外，空間相對術語意欲涵蓋元件在使用或操作中的不同定向。可以其他方式來定向設備(旋轉90度或以其他定向)，並且相應地解釋本文所使用的空間相對描述詞。
一個類型的生物感測器包括半導體基板，該半導體基板由隔離介電層覆蓋且該半導體基板容納生物敏感場效電晶體(BioFET)。BioFET之一個優點為無標記操作之展望。特定而言，BioFET致能避免昂貴的且耗時的標記操作，諸如以例如螢光或放射性探針標記分析物(例如，心臟單元)。BioFET包括源極區及汲極區，該源極區及該汲極區佈置在半導體基板內且該源極區及該汲極區定義其間之通道區。此外，BioFET包括閘極，該閘極佈置在半導體基板下方，側向地介於源極區與汲極區之間。隔離介電 層包括感測井，該感測井暴露半導體基板，側向地介於源極區與汲極區之間，且該感測井藉由生物感測膜裹襯。生物感測膜用以偵測由生物實體(例如，心臟單元)產生的阻抗變化、分子電荷及/或離子釋放，使得生物實體(例如，心臟單元)之2D電氣影像輪廓可經獲得且/或生物實體可經監視。
第1圖例示根據本揭示案之一些實施例之包括BioFET 100之陣列的示例性積體電路10的剖面圖。BioFET 100各自包括一對源極/汲極區104及，在一些實施例中，閘極電極106。源極/汲極區104具有第一傳導類型(亦即，摻雜類型)且分別在BioFET 100之通道區108之相對側上佈置在主動半導體層102內。通道區108具有與第一傳導類型相反的第二傳導類型，且佈置於主動半導體層102中，側向地介於源極/汲極區104之間。第一摻雜類型及第二摻雜類型可例如分別為n型及p型，或反之亦然。在一些實施例中，源極/汲極區104及通道區108佈置在具有第二傳導類型的主動半導體層102之摻雜井區內，且/或電氣地耦接至佈置在載體基板112上方的後段製程(back-end-of-line；BEOL)互連結構110。
此外，在一些實施例中，源極/汲極區104及通道區108自主動半導體層102之前表面102f延伸至主動半導體層102之後表面102b。換言之，源極/汲極區104及通道區108可延伸穿過主動半導體層102之完全厚度以促進生物感測之功能。閘極電極106佈置在主動半導體層 102之前表面102f上，側向地介於源極/汲極區104之間，且藉由閘極介電層114與主動半導體層102之前表面102f間隔。在一些實施例中，閘極電極106電氣地耦接至BEOL互連結構110，為金屬、摻雜多晶矽，或前述之組合。在一些實施例中，BioFET 100可使用側向地包圍BioFET 100中之每一個的淺溝槽隔離區(未示出)彼此分離。
閘極介電層114包括例如二氧化矽及/或具有高於二氧化矽之彼介電常數的介電常數之高k閘極介電材料。示範性高k閘極介電材料包括但不限於氮化矽、氮氧化矽、氧化鉿(HfO2)、氧化鉿矽(HfSiO)、氮氧化鉿矽(HfSiON)、氧化鉿鉭(HfTaO)、氧化鉿鈦(HfTiO)、氧化鉿鋯(HfZrO)、金屬氧化物、金屬氮化物、金屬矽酸鹽、過渡金屬氧化物、過渡金屬氮化物、過渡金屬矽酸鹽、金屬之氮氧化物、金屬鋁酸鹽、矽酸鋯、鋁酸鋯、氧化鋯、氧化鈦、氧化鋁、二氧化鉿-氧化鋁(HfO2-Al2O3)合金、其他合適的高k介電材料，及/或其組合。在一些實施例中，閘極介電質包括介面介電材料及高k介電材料之堆疊。
在一些實施例中，主動半導體層102可為矽基板或晶圓。替代地，半導體層102可包括另一元素半導體，諸如鍺(Ge)；化合物半導體包括碳化矽(SiC)、砷化鎵(GaAs)、磷化鎵(GaP)、磷化銦(InP)、砷化銦(InAs)，及/或銻化銦(InSb)；合金半導體包括SiGe、GaAsP、AlInAs、AlGaAs、GaInAs、GaInP，及/或GaInAsP； 或其組合。在所描繪實施例中，主動半導體層102為絕緣體上半導體(semiconductor-on-insulator；SOI)基板(例如，矽層)之半導體層。在一些實施例中，載體基板(亦可互換地稱為處理基板)112可為例如體半導體基板，諸如單晶矽之體基板。
隔離介電層116佈置在主動半導體層102之後表面102b上，且包括BioFET 100之對應通道區108上方的複數個感測井118。感測井118延伸至隔離介電層116中以靠近BioFET 100之通道區108且至少部分地藉由生物感測膜120裹襯。此外，在一些實施例中，感測井118延伸穿過隔離介電層116以暴露BioFET 100之各別通道區108。隔離介電層116可為例如二氧化矽、SOI基板之埋入式氧化物(buried oxide；BOX)層、一些其他介電質，或前述之組合。在一些特定實施例中，主動半導體層102為SOI基板之矽層，且隔離介電層116為SOI基板之BOX層。
生物感測膜120對感測井118裹襯，且在一些實施例中覆蓋整個隔離介電層116。生物感測膜120當由流體190接觸時操作來調變每個BioFET 100之源極至汲極傳導率，該流體具有合適的組成或攜帶特定分析物。例如，流體190為含有心臟單元192的水溶液。提供生物感測功能的用於生物感測膜120之材料之實例包括HfO2、SiO2、Si3N4、Al2O3，及Ta2O5。生物感測膜120之上表面包括選擇性黏結劑122之塗層。選擇性黏結劑122 包括具有與心臟單元192之選擇性黏結性質的一或多個生物材料。若心臟單元192穩定地黏結在生物感測膜120之上表面上，則生物感測膜120處的總電荷濃度可變得足以調變BioFET 100之源極至汲極傳導率，因而改良生物感測效能。因為選擇性黏結劑122具有相較於生物感測膜120之彼黏結能力的至心臟單元192之較大黏結能力(亦即，較大黏附)，所以只要選擇性黏結劑122經塗佈在生物感測膜120上，生物感測效能可經改良。在一些實施例中，用於與心臟單元192選擇性地黏結的選擇性黏結劑122包括例如膠原蛋白、層連結蛋白、纖網蛋白，及黏多糖，硫酸肝素、透明質酸鹽、硫酸軟骨素、類似物，或其組合。選擇性黏結劑122之塗層僅出於清晰之目的而例示為覆蓋整個生物感測膜120的毯覆層，但是在實踐中，選擇性黏結劑122之塗層為多孔的且因而不覆蓋整個生物感測膜120，此狀況允許生物感測膜120與含心臟單元的流體190接觸。
BioFET 100之感測器陣列可使用生物感測膜120來監視心臟單元192之搏動且/或藉由偵測阻抗變化、模組電荷及/或離子釋放來產生心臟單元192之2D影像輪廓。以離子釋放偵測為例，在操作中，參考電極194將電壓電勢給予含心臟單元的溶液190，然後當使生物感測膜120與具有合適的離子濃度之含心臟單元的流體190接觸時，該生物感測膜變得帶電。此外，該等生物感測膜可變得充分地帶電，以切換BioFET 100之源極/汲極傳導性。 以此方式，BioFET 100之感測器陣列具有生物感測膜120，該生物感測膜作用來偵測自心臟單元192釋放或捕獲在該心臟單元上的離子及/或自選擇性黏結劑122釋放或捕獲在該選擇性黏結劑上的離子。以類似方式，BioFET 100之感測器陣列可偵測自心臟單元192釋放或捕獲在該心臟單元上的分子電荷及/或自選擇性黏結劑122釋放或捕獲在該選擇性黏結劑上的電荷。
在實例中，源極/汲極區104之間的電流經量測，且量測電流(或藉由流體190及/或心臟單元192引起的量測電流之變化)指示由流體190及/或心臟單元192引起的阻抗變化、分子電荷及/或離子釋放。因而，在此類實例中，偵測機制為歸因於生物感測膜120上方的心臟單元192之黏結的轉換器之傳導調變。在其他實例中，一或多個組件(例如，跨阻抗放大器)用來將藉由流體190及/或心臟單元192誘發的電流或電流變化轉換成另一電氣訊號，諸如可量測電壓。為例示此，參考第2圖，第2圖描繪根據本揭示案之一些實施例的使用在產生電氣訊號204中的跨阻抗放大器202。第2圖例示對應於BioFET(例如，如第1圖中所例示之BioFET 100)的等效電路且示出由生物感測膜120之上表面上的流體190及/或心臟單元192誘發的汲極電流藉由跨阻抗放大器202轉換成電氣訊號204。電氣訊號204可包括例如可經量測的電壓(例如，電壓訊號)。
在一些實施例中，BioFET 100中之每一個可藉 由存取電晶體控制(亦即，打開及關閉)。例如，如第3圖中所例示，提供根據一些實施例之BioFET 100及存取電晶體300之剖面。BioFET 100包括源極/汲極區104、側向地介於源極/汲極區104之間的通道區108、通道區108上方的閘極介電層114及閘極介電層114上方的閘極電極106，其中全部先前關於第1圖進行所述且因而出於簡潔之目的未重複。
存取電晶體300耦接至BioFET 100，如第4圖之電路圖所例示。存取電晶體300類似地包括形成於半導體基板102中的源極/汲極區304、側向地介於源極/汲極區304之間的通道區308、通道區308上方的閘極介電層314及閘極介電層314上方的閘極電極306。源極/汲極區304為具有與通道區308之傳導類型相反的傳導類型之摻雜區。例如，源極/汲極區304具有n型傳導性且通道區308具有P型傳導性，或反之亦然。在一些實施例中，存取電晶體300之閘極電極306具有與BioFET 100之閘極電極106相同的材料組成且係與閘極電極106同時地形成。例如，閘極電極306可為金屬、摻雜多晶矽、或先前之組合。在一些實施例中，閘極介電層314具有與閘極介電層114相同的材料組成且係與閘極介電層114同時地形成，且因而閘極介電層314之示例性材料出於簡潔之目的而未重複。
除存取電晶體300之通道區308及/或源極/汲極區藉由隔離介電層116與生物感測膜120分離之外，存取 電晶體300與BioFET 100類似。以此方式，存取電晶體300之操作不受流體190及/或心臟單元192影響。
第4圖例示對應於如第3圖中所示之BioFET 100與存取電晶體300之間的關係的等效電路。如第4圖中所例示，存取電晶體300做為耦接至BioFET 100之源極/汲極端的切換元件，且因而存取電晶體300可打開BioFET 100以引發偵測及/或監視心臟單元，且亦可關閉BioFET 100以停止偵測及/或監視心臟單元。
第5圖為根據本揭示案之一些實施例之積體電路50的功能方塊圖。積體電路50包括感測像素陣列SA，該感測像素陣列佈置成M行及N列的感測像素502。M及N為正整數。在一些實施例中，M範圍自1至256。在一些實施例中，N範圍自1至256。M及N之數目基於心臟單元192之正常大小進行選擇，此舉繼而允許使用單個感測像素陣列SA偵測/監視單個心臟單元192。陣列SA之每個感測像素502至少包括BioFET(例如，如第3圖及第4圖中所例示之BioFET 100)及耦接至BioFET的存取電晶體(例如，如第3圖及第4圖中所例示之存取電晶體300)。
積體電路50亦包括行解碼器504，該行解碼器經由行接線CL1-CLM耦接至感測像素陣列SA。行解碼器504解碼經選擇以在心臟單元偵測/監視操作中存取的感測像素502之行位址。行解碼器504然後藉由行像素選擇器506致能對應於解碼後行位址的行接線以允許存取至選 定的感測像素502。積體電路50亦包括列解碼器508，該列解碼器經由列接線RL1-RLN耦接至感測像素陣列SA。列解碼器解碼經選擇以在心臟單元偵測/監視操作中存取的感測像素502之行位址。列解碼器508然後經由列像素選擇器510致能對應於解碼後行位址的列接線以允許自選定的感測像素502讀出生物感測量測。在一些實施例中，積體電路50進一步包括一或多個跨阻抗放大器512，該一或多個跨阻抗放大器用以自列解碼器508之輸出接收讀出生物感測量測且基於選定的感測像素502之讀出生物感測量測來產生電氣訊號。藉由實例且非限制之方式，選定的感測像素502之讀出生物感測量測包括選定的感測像素502之BioFET之汲極電流，且可藉由跨阻抗放大器512轉換成電訊號514。電訊號514可包括例如電壓(例如，電壓訊號)。
積體電路50允許偵測/監視單個心臟單元。然而，在一些實施例中，多個心臟單元可使用積體電路加以偵測/監視。第6圖為根據本揭示案之一些實施例之示例性積體電路60的功能方塊圖，該示例性積體電路經設計以偵測/監視多個心臟單元192。積體電路60包括多個感測像素陣列SA。每個感測像素陣列SA包括感測像素602，每個感測像素包括BioFET(例如，如第3圖及第4圖中所例示之BioFET 100)及耦接至BioFET的存取電晶體(例如，如所例示之存取電晶體300)。
每個感測像素陣列SA中之感測像素602佈置成 M行及N列。M及N為正整數。在一些實施例中，M及N兩者範圍自1至256。M及N之數目基於心臟單元192之正常大小進行選擇，此舉繼而允許使用單個感測像素陣列SA偵測/監視單個心臟單元192。因此，具有多個感測像素陣列SA的積體電路60可偵測及/或監視多個心臟單元192。感測像素陣列SA佈置成P行及Q列。P及Q為正整數。在一些實施例中，P小於M，且Q小於N。在一些其他實施例中，P大於M，且Q大於N。P及Q之數目取決於將要偵測及/或監視的心臟單元之所要的數目而選擇。
積體電路60包括行解碼器604，該行解碼器經由行單元點接線CCL1-CCLP耦接至感測像素陣列SA且經由行像素接線CPL1-CPLM耦接至感測像素602。行解碼器604解碼感測像素陣列SA之行單元點位址及選定的感測像素陣列SA之感測像素602之行像素位址。行解碼器604然後經由行單元點選擇器606致能對應於解碼後行單元點位址的行單元點接線，以允許存取至選定的感測像素陣列SA。行解碼器604然後經由行像素選擇器608致能對應於解碼後行像素位址的行像素接線，以便允許存取至選定的感測像素陣列SA之選定的感測像素602。
積體電路60包括列解碼器610，該列解碼器經由列單元點接線RCL1-RCLq耦接至感測像素陣列SA且經由列像素接線RPL1-RPLN耦接至感測像素602。列解碼器610解碼感測像素陣列SA之列單元點位址及選定的感 測像素陣列SA之感測像素602之列像素地址。列解碼器610然後經由列單元點選擇器612致能對應於解碼後列單元點位址的列單元點接線。列解碼器610然後經由列像素選擇器614致能對應於解碼後列像素位址的列像素接線，以便允許讀出來自選定的感測像素陣列SA之選定的感測像素602的生物感測量測。
第7圖例示第6圖之積體電路60之局部區域的示例性剖面圖。第7圖例示藉由一或多個流體通道壁702間隔開的兩個相鄰感測像素陣列SA。流體通道壁702側向地定義各別感測像素陣列SA上方的流體圍阻區704。每個感測像素陣列SA包括感測像素之BioFET 100。流體圍阻區704可為藉由流體通道壁702限界的井或一段通道。流體通道壁702可由防水材料(多個)形成。在一些實施例中，流體通道壁702為彈性體。在此等實施例中之一些中，聚二甲基矽氧烷(polydimethylsiloxane；PDMS)之彈性體。在一些實施例中，流體圍阻區704經加蓋以提供閉合通道或儲器。流體通道壁702之間的間距經選擇，使得單個流體圍阻區704之大小與心臟單元192之正常大小匹配。藉由實例之方式，流體圍阻區704具有在自約10um至約300um之範圍內的寬度。若流體圍阻區704之寬度小於約10um，則流體圍阻區704可過窄而不能適應單個心臟單元192。若流體圍阻區704之寬度大於約300um，則流體圍阻區704可適應多個心臟單元193。BioFET 100先前關於第1圖進行所述且因而出於簡潔之目的而未 重複。
第8圖例示根據本揭示案之一些實施例之包括BioFET 800之陣列的示例性積體電路80的剖面圖。除積體電路80包括額外加熱器802之外，積體電路80類似於第1圖之積體電路10。在一些實施例中，加熱器802為主動半導體層102中之摻雜區。在一些實施例中，加熱器802與源極/汲極區104一起(亦即，與源極/汲極區104同時)形成，且因而具有與源極/汲極區104相同的摻雜劑類型及摻雜劑濃度分佈。不同於源極/汲極區104，主動半導體層102中之加熱器802藉由例如淺溝槽隔離(shallow trench isolation；STI)與通道區104分離，且因而施加至加熱器802的電壓不影響BioFET 100之功能。使用加熱器802，流體190及/或心臟單元192可經加熱以增強心臟單元192之偵測及/或監視。在一些實施例中，加熱器802回應於來自溫度感測元件(在第8圖中未示出)的溫度量測而操作，如以下所所述。
第9圖為根據一些實施例之BioFET 100及其積體電路80之周圍加熱器802的電路圖。積體電路80包括具有BioFET 100的感測像素902、第一切換元件904、溫度感測元件906、及第二切換元件908。第一切換元件904耦接在BioFET 100之第一末端與對應列接線(例如，如第5圖中所例示之列接線RL1-RLN中之一個)之間。第二切換元件908耦接在溫度感測元件906之第一末端與用於讀出溫度感測元件906之溫度量測的對應訊號路徑之間。 第一切換元件904及第二切換元件908為N型電晶體，該等N型電晶體具有與對應行接線(例如，如第5圖中所例示之行接線CL1-CLM中之一個)耦接的閘極。BioFET 100之第二末端及溫度感測元件906之第二末端耦接在一起且用以接收參考電壓。在一些實施例中，溫度感測元件906包括形成在主動半導體層102中的p-n二極體(如第8圖中所示)。在一些實施例中，第一切換元件904或第二切換元件908藉由其他類型的切換元件實行，該等其他類型的切換元件諸如傳輸閘極或P型電晶體。
溫度感測元件906用以量測BioFET 100之生物感測膜之溫度且然後產生回應於生物感測膜之量測溫度的溫度感測訊號。加熱器802用以調整BioFET 100之生物感測膜之溫度，此舉繼而調整含心肝單元的流體及BioFET 100上方的心臟單元之溫度。自溫度感測元件906產生的溫度感測訊號可做為回饋以控制加熱器802，此舉繼而促進良好溫度控制及均勻性。藉由實例且非限制之方式，當來自溫度感測元件906之量測溫度高於適合於偵測及/或監視心臟單元192的預期溫度範圍時，加熱器802經關閉；當來自溫度感測元件906之量測溫度低於預期溫度範圍時，加熱器802經關閉。
在一些實施例中，如第9圖中所例示，分離加熱器802一起包圍感測像素902之四個側。然而，在一些其他實施例中，積體電路具有不同的加熱器組態，如第10圖之佈局圖中所例示。如第10圖中所示，佈局1000包括在 第一方向上延伸的複數個第一狹長加熱器1002、在垂直於第一方向的第二方向上跨於第一狹長加熱器1002延伸的複數個第二狹長加熱器1004，及藉由第一狹長加熱器1002及第二狹長加熱器1004限界的複數個感測像素902。感測像素902各自包括BioFET 100、溫度感測元件906，及第一切換元件904及第二切換元件908，如先前關於第9圖所所述。
第11圖及第12圖例示根據一些實施例之具有第10圖之俯視圖佈局1000的示例性積體電路1100的剖面圖，其中第11圖為沿著第10圖之線A-A’截取的剖面圖，且第12圖為沿著第10圖之線B-B’截取的剖面圖。如第11圖及第12圖中所例示，第一狹長加熱器1002為形成在主動半導體層102中的摻雜區，且第二狹長加熱器1004為形成在主動半導體層102之前表面102f上的摻雜多晶矽結構。在閘極電極106為多晶矽的一些實施例中，第二狹長加熱器1004係與多晶矽閘極106一起形成，且因而具有與多晶矽閘極106相同的厚度及材料組成。第一狹長加熱器1002因而可互換地稱為摻雜矽加熱器，且第二狹長加熱器1004因而可互換地稱為多晶矽加熱器。
多晶矽加熱器1004藉由介電層1006與摻雜矽加熱器1002垂直間隔開，如第12圖中所例示。在一些實施例中，介電層1006係與BioFET 100之閘極介電層114一起形成，且因而介電層1006具有與閘極電層114相同的厚度及材料組成。藉由實例且非限制之方式，介電層 1006包括二氧化矽、具有高於二氧化矽之介電常數的介電常數之高k介電材料或其組合。在一些實施例中，摻雜矽加熱器1002及多晶矽加熱器1004自如第10圖中所例示之俯視圖看來與所有感測像素902之BioFET 100不重疊，且因而摻雜矽加熱器1002及多晶矽加熱器1004不影響BioFET 100之功能。
第13圖例示根據一些實施例之具有第10圖之佈局1000的另一示例性積體電路1300的剖面圖，其中第13圖為沿著第10圖之線B-B’截取的剖面圖。積體電路1300中之第二狹長加熱器1004形成於BEOL互連結構110中，而非主動半導體層102中。在一些實施例中，第二狹長加熱器1004包括氮化鈦鋁、鉑、氧化銦錫、氮化鈦，或前述之組合。在一些實施例中，第二狹長加熱器1004具有在自約5600埃至約6600埃之範圍內之厚度及在自約4ohm/sq至約6ohm/sq之範圍內之薄片電阻。在一些實施例中，第二狹長加熱器1004形成於互連結構110之金屬化層中且藉由多層介電結構128之金屬間介電質(inter-metal dielectric；IMD)層側向地包圍。此外，包括金屬接線124及金屬通孔126的其他金屬化層係由相較於第二狹長加熱器1004之彼金屬組成的不同金屬組成(例如，銅)形成，因為包括金屬接線124及金屬通孔126的此等金屬化層未經設計來用於加熱。
第14圖例示根據本揭示案之一些實施例之示例性積體電路1400的剖面圖。積體電路1400包括形成在主 動半導體層102上的BioFET 100。除源極/汲極區104係形成在主動半導體層102之井區1042中之外，BioFET 100類似於先前關於第1圖所描述之彼BioFET。井區1042具有與源極/汲極區104相反的傳導類型。此外，積體電路1400包括一或多個第一加熱器1404及一或多個溫度感測元件1406，該一或多個溫度感測元件形成在主動半導體層102中。第一加熱器1404為主動半導體層102中之摻雜區。在一些實施例中，第一加熱器1404係與源極/汲極區104一起(亦即，與源極/汲極區104同時)形成，且因而具有與源極/汲極區104相同的摻雜劑類型及摻雜劑濃度分佈。在一些其他實施例中，第一加熱器1404係與井區1402一起(亦即，與井區1402同時)形成，且因而具有與井區1402相同的摻雜劑類型及摻雜劑濃度分佈。
溫度感測元件1406為形成在主動半導體層102中的二極體，且因而溫度感測元件1046包括在主動半導體層102內形成二極體的至少一個P-N接面(如藉由虛線DL所指示)。在一些實施例中，溫度感測元件1046具有p型摻雜區及n型摻雜區以形成P-N接面。在BioFET 100為PFET的一些實施例中，溫度感測元件1406之p型摻雜區係與BioFET 100之源極/汲極區104一起形成，且溫度感測元件1406之n型摻雜區係與井區1402一起形成。在BioFET 100為NFET的一些實施例中，溫度感測元件1406之n型摻雜區係與BioFET 100之源極/ 汲極區104一起形成，且溫度感測元件1406之p型摻雜區係與井區1402一起形成。
積體電路1400進一步包括形成於主動半導體層102下方的互連結構110中的一或多個第二加熱器1408。在一些實施例中，第二加熱器1408包括氮化鈦鋁、鉑、氧化銦錫、氮化鈦，或前述之組合。在一些實施例中，第二加熱器1408具有在自約5600埃至約6600埃之範圍內之厚度及在自約4ohm/sq至約6ohm/sq之範圍內之薄片電阻。在一些實施例中，第二加熱器1408形成於互連結構110之金屬化層中且藉由多層介電結構128之金屬間介電質(IMD)層側向地包圍。此外，包括金屬接線124及金屬通孔126的其他金屬化層係由相較於第二狹長加熱器1004之彼金屬組成的不同金屬組成(例如，銅)形成，因為包括金屬接線124及金屬通孔126的此等金屬化層未經設計來用於加熱。
積體電路1400具有襯墊開口1410，該襯墊開口延伸穿過選擇性黏結劑122之塗層、生物感測膜120、隔離介電層160及主動半導體層102，以暴露形成在互連結構110內的襯墊結構1412。在一些實施例中，襯墊結構1412形成在互連結構110之金屬化層中且藉由多層介電結構128之金屬間介電質(IMD)層側向地包圍。在一些實施例中，自襯墊結構1412至主動半導體層102之垂直距離小於自第二加熱器1408至主動半導體層102之垂直距離。
此外，積體電路1400進一步包括流體通道壁1414。流體通道壁1414側向地定義BioFET 100上方的流體圍阻區1416。流體圍阻區1416可為藉由流體通道壁1414限界的井或一段通道。流體通道壁1414可由防水材料(多個)形成。在一些實施例中，流體通道壁1414為彈性體。在此等實施例中之一些中，聚二甲基矽氧烷(PDMS)之彈性體。
第15圖至第22圖例示用於形成如第14圖中所例示之積體電路1400之方法之各種中間級段的剖面圖。貫穿各種視圖及例示性實施例，相同元件符號用來指定相同元件。應理解，可在由第15圖至第22圖所示之製程之前、期間，及之後推薦額外操作，且對於方法之額外實施例，以下所描述之操作中之一些可經替換或消除。操作/製程之順序可為可互換的。
如第15圖中所例示，SOI基板1500經形成。SOI基板1500包含體半導體基板1502，隔離介電層116及主動半導體層102堆疊在該體半導體基板上方。如下文所見，體半導體基板1502為犧牲性的。體半導體基板1502及主動半導體層102可為例如單晶矽，且/或隔離介電層116可為例如二氧化矽。SOI基板1500可藉由任何合適的製程形成。在一些實施例中，SOI基板1500係藉由分離植入氧氣(separation by implanted oxygen；SIMOX)形成。
在SOI基板1500經準備之後，一或多個隔離區 1504任擇地形成在SOI基板1500之主動半導體層102中。在所描繪實施例中，隔離區1504經形成穿過主動半導體層102之完全厚度。在一些其他實施例中，隔離區1504為未延伸穿過主動半導體層102之完全厚度的STI區。隔離區1504側向地延伸以包圍隨後形成的BioFET 100、第一加熱器1404及溫度感測元件1406，以便向此等元件提供電氣隔離。
用於形成隔離區1504之製程可包含例如圖案化主動半導體層102以定義對應於隔離區1504的一或多個溝槽，隨後沉積或生長填充一或多個溝槽的一或多個介電材料，接著為對介電材料執行平面化製程(例如，化學機械研磨(chemical mechanical polish；CMP))，直至主動半導體層102經暴露。主動半導體層102係使用合適的光微影及蝕刻技術加以圖案化。例如，光阻劑(未示出)可使用旋壓塗佈製程形成在主動半導體層102上方，接著使用合適的光微影技術圖案化光阻劑以形成複數個溝槽，且然後主動半導體層102使用圖案化光阻劑作為光阻劑蝕刻遮罩加以蝕刻，直至隔離介電層116經暴露。主動半導體層可使用例如反應性離子蝕刻(reactive ion etching；RIE)製程或其他合適的蝕刻製程加以蝕刻。一或多個介電材料(例如，二氧化矽)可使用高密度電漿化學氣相沈積(high density plasma chemical vapor deposition；HDP-CVD)、低壓CVD(low-pressure CVD；LPCVD)、次大氣壓CVD(sub-atmospheric CVD； SACVD)、可流動CVD(flowable CVD；FCVD)、旋壓，及/或類似物，或其組合沉積在溝槽中。
第15圖亦例示形成在主動半導體層102中的各種摻雜區。主動半導體層102可在隔離區1504經形成之前或之後摻雜。多個離子植入製程經執行來形成摻雜區。更詳細地，井區1402係藉由第一離子植入製程形成在主動半導體層102中，且然後源極/汲極區104藉由第二離子植入製程形成在井區1402中。源極/汲極區104係以第一摻雜類型(例如，n型)形成且井區1402係以與第一摻雜類型相反的第二摻雜類型(例如，p型)形成，使得通道區108在源極/汲極區104之間以第二摻雜類型形成在主動半導體層102中。
在第一加熱器1404具有與源極/汲極區104相同的摻雜類型的一些實施例中，第一加熱器1404可使用相同離子植入製程與源極/汲極區104同時形成在主動半導體層102中。在第一加熱器1404具有與井區1402相同的摻雜類型的一些實施例中，第一加熱器1404可使用相同離子植入製程與井區1402同時形成在主動半導體層102中。在溫度感測元件1406為二極體的一些實施例中，具有與源極/汲極區104相同的摻雜類型之二極體1406之第一摻雜區可使用相同離子植入製程與源極/汲極區104同時形成在主動半導體層102中，且具有與井區1402相同的摻雜類型之二極體1406之第二摻雜區可使用相同離子植入製程與井區1402同時形成在主動半導體層102 中。在一些實施例中，在每個離子植入製程中，光阻劑經塗佈在主動半導體層102上且圖案化以做為植入遮罩，一旦對應離子植入製程完成，該植入遮罩藉由灰化移除。
閘極介電層114及閘極電極106形成為堆疊在通道區108上方，側向地介於源極/汲極區104之間。在一些實施例中，用於形成閘極介電層114及閘極電極106之製程包含順序地沉積或生長堆疊在主動半導體層102上方的介電層及傳導層。例如，介電層及傳導層可藉由例如熱氧化、電化學電鍍(electro chemical plating；ECP)、氣相沉積、濺鍍，或前述之組合加以沉積或生長。此外，在一些實施例中，製程包含使用例如光微影來圖案化介電層及傳導層以選擇性地分別將介電層及傳導層蝕刻至閘極介電層114及閘極電極106中。在一些實施例中，閘極介電層114包括二氧化矽，且閘極電極106包括摻雜多晶矽。
在一些實施例中，用於形成源極/汲極區104之離子植入係在形成閘極介電層114及閘極電極106之後執行，使得閘極介電層114及閘極電極106之閘極堆疊可做為植入遮罩，該植入遮罩允許源極/汲極區104自我對準至閘極堆疊。
如第16圖中所例示，BEOL互連結構110部分地形成在SOI基板1500上方。BEOL互連結構110經形成為金屬接線124及金屬通孔126交替地堆疊在多層介電結構128內。BEOL互連結構110進一步包括多層介 電結構128內的第二加熱器1408及襯墊結構1412。在一些實施例中，第二加熱器1408係由不同於金屬接線124、金屬通孔126及襯墊結構1412的材料形成。藉由實例且非限制之方式，金屬接線124、金屬通孔126及襯墊結構1412包括銅，但第二加熱器1408無銅。相反，第二加熱器1408包括具有低於銅之熱傳導性之金屬組成。例如，第二加熱器1408可包括氮化鈦鋁、鉑、氧化銦錫、氮化鈦、或前述之組合。第二加熱器1408之降低的熱傳導性在較短時間內對於溫度增加有幫助。在一些實施例中，襯墊結構1412具有相較於金屬接線124及通孔126的較大平面圖區域(或較大俯視圖區域)，此狀況繼而幫助導線黏接在襯墊結構1412上。
第二加熱器1408、金屬接線124、金屬通孔126及襯墊結構1412可例如藉由類似單鑲嵌的製程或類似雙鑲嵌的製程形成。類似單鑲嵌的製程或類似雙鑲嵌的製程為不局限於銅的單鑲嵌製程或雙鑲嵌製程。藉由實例之方式，第一金屬間介電質(IMD)層形成在閘極電極106上方且然後經圖案化以將開口形成在第一IMD層中，一或多個金屬(例如，銅)然後經沉積以超填第一IMD層中之開口，接著對一或多個金屬執行CMP製程，直至第一IMD層經暴露，從而導致嵌入第一IMD層中的襯墊結構1412。此後，第二IMD層經形成在第一IMD層上方且圖案化以在第二IMD層中形成通孔開口，一或多個金屬(例如，銅)然後經沉積以超填第二IMD層中之通孔開口，接著對一或 多個金屬執行CMP製程，直至第二IMD層經暴露，從而導致嵌入第二IMD層中的金屬通孔126。然後，第三IMD層經形成在第二IMD層上方且圖案化以形成在第三IMD層中側向地延伸的溝槽，一或多個金屬(例如，銅)然後經沉積以超填第三IMD層中之溝槽，接著對一或多個金屬執行CMP製程，直至第三IMD層經暴露，從而導致嵌入第三IMD層中的金屬接線124。
第二加熱器1408係以類似於金屬接線124之彼方式的方式形成。藉由實例且非限制之方式，上IMD層形成在具有金屬通孔126之下IMD層上方(上IMD層及下IMD層兩者高於如以上所描述之第三IMD層)，上IMD層然後經圖案化以形成在上IMD層中側向地延伸的溝槽，一或多個非銅金屬(例如，氮化鈦鋁)然後經沉積以超填上IMD層中之溝槽，接著對一或多個金屬執行CMP製程，直至上IMD層經暴露，從而導致嵌入上IMD層中的第二加熱器1408。另一IMD層然後形成在第二加熱器1408上方，且此等IMD層組合地稱為多層介電結構。在一些實施例中，第二加熱器1408包括在多層介電結構128內側向地延伸的金屬接線，且第二加熱器1408之金屬接線可具有小於金屬接線124之接線寬度的接線寬度，此狀況繼而導致用於第二加熱器1408之增加的熱阻，因而在較短時間內促進溫度增加。
如第17圖之剖面圖中所例示，載體基板112藉由BEOL互連結構110黏接至SOI基板1500。例如， 載體基板112可藉由諸如親水融合黏接製程的融合黏接製程黏接至BEOL互連結構110。
如第18圖之剖面圖中所例示，第17圖之結構經垂直地翻轉且SOI基板1500經薄化以移除體半導體基板1502(參見，例如，第17圖)。在一些實施例中，體半導體基板1502係藉由研磨、CMP、回蝕，或前述之組合移除。隔離介電層(例如，BOX層)116在移除體半導體基板1502之後留存下來。
如第19圖之剖面圖中所例示，隔離介電層116經圖案化以形成通道區108上方且側向地介於源極/汲極區104之間的感測井O。隔離介電層116係使用合適的光微影及蝕刻技術圖案化。例如，光阻劑(未示出)可使用旋壓塗佈製程形成在隔離介電層116上方，接著使用合適的光微影技術來圖案化光阻劑以形成開口，且然後隔離介電層116使用圖案化光阻劑作為蝕刻遮罩加以蝕刻，直至通道區108經暴露。若隔離介電層116為二氧化矽，則用於蝕刻隔離介電層116之示例性蝕刻劑包括氫氟酸。
一旦感測井O經形成，形成對感測井O裹襯的生物感測膜120。在一些實施例中，亦形成覆蓋隔離介電層116的生物感測膜120。生物感測膜120可使用例如氣相沉積、濺鍍、原子層沈積(atomic layer deposition；ALD)，或前述之組合加以沉積。此外，生物感測膜120包括例如包括HfO2、SiO2、Si3N4、Al2O3、Ta2O5或其組合。
如第20圖之剖面圖中所例示，生物感測膜120以選擇性黏結劑122塗佈。以選擇性黏結劑122塗佈生物感測膜120包括但不限於在合適的溫度(例如，自約攝氏25度至約攝氏300度)處將具有第19圖之結構的晶圓浸入選擇性黏結劑浴中持續足以允許選擇性黏結劑122附接至生物感測膜120的合適的持續時間(例如，自約5mins至約10hrs)，因而導致與選擇性黏結劑122接觸的選擇性黏結劑122之薄膜塗層。在一些實施例中，選擇性黏結劑122之薄膜塗層為多孔的，此允許生物感測膜120與含心臟單元的流體接觸。在一些實施例中，黏結劑122包括矽烷偶合劑，該等矽烷偶合劑為分子含有與有機材料及無機材料兩者鍵接的官能基的化合物。矽烷劑做為將有機材料鍵接至無機材料的一類中介物。藉由實例且非限制之方式，矽烷偶合劑可包括具有乙烯基官能基之矽烷(例如，乙烯基三甲氧基矽烷((CH3O)3SiCH=CH2)、乙烯基三乙氧基矽烷((C2H5O)3SiCH=CH2)或類似物)、具有環氧基官能基之矽烷(例如，2-(3,4環氧基環己基)乙基三甲氧基矽烷、3-環氧丙氧基丙基甲基二甲氧基矽烷、3-環氧丙氧基丙基三甲氧基矽烷、3-環氧丙氧基丙基甲基二乙氧基矽烷、3-環氧丙氧基丙基三乙氧基矽烷或類似物)、具有苯乙烯基官能基之矽烷(例如，對-苯乙烯基三甲氧基矽烷或類似物)、具有甲基丙烯醯氧基官能基之矽烷(例如，3-甲基丙烯醯氧基丙基甲基二甲氧基矽烷、3-甲基丙烯醯氧基丙基三甲氧基矽烷、3-甲基丙烯醯氧基丙基甲基苯基二乙氧 基矽烷、3-甲基丙烯醯氧基丙基三乙氧基矽烷或類似物)、具有丙烯醯氧基官能基之矽烷(例如，3-丙烯醯氧基丙基三甲氧基甲矽烷或類似物)、具有胺基官能基之矽烷(例如，N-2-(胺乙基)-3-胺丙基甲基二甲氧基矽烷、N-2-(胺乙基)-3-胺丙基三甲氧基甲矽烷、3-胺丙基三甲氧基甲矽烷、3-胺丙基三乙氧基矽烷、3-三乙氧基矽基-N-(1,3二甲基-丁烯基)丙胺、N-苯基-3-胺丙基三甲氧基矽烷、N-(乙烯苄基)-2-胺乙基-3-胺丙基三甲氧基矽烷氫氯化物或類似物)、具有醯基尿素官能基之矽烷(例如，3-脲基丙基三烷氧基矽烷或類似物)、具有異氰酸酯官能基之矽烷(例如，3-異氰酸酯丙基三乙氧基矽烷或類似物)、具有異氰脲酸酯官能基之矽烷(例如，三-(三甲氧基甲矽烷基丙基)異氰脲酸酯或類似物)、具有巰基官能基之矽烷(例如，3-巰丙基甲基二甲氧基矽烷、3-巰丙基三甲氧基矽烷或類似物)，或具有其他合適的官能基之矽烷。在一些實施例中，用於與心臟單元192選擇性地黏結之選擇性黏結劑122包括例如膠原蛋白、層連結蛋白、纖網蛋白，及黏多糖、硫酸肝素、透明質酸鹽、硫酸軟骨素、類似物，或其組合。
在一些實施例中，在形成選擇性黏結劑122之塗層之前，在生物感測膜120上執行額外表面處理。表面處理包括例如能夠改良生物感測膜120之親水性的電漿處理及/或液相化學處理。例如，生物感測膜120可在形成選擇性黏結劑122之塗層之前經歷O2或O3電漿處理，以便改良生物感測膜120之親水性。具有改良之親水性之生物感 測膜120將有助於附接至心臟單元，因而改良心臟單元上的偵測及/或監視。
如第21圖之剖面圖中所例示，在一些實施例中，蝕刻製程經執行至選擇性黏結劑122之塗層、生物感測膜120、隔離介電層116、主動半導體層102、多層介電結構128中，以形成暴露BEOL互連結構110之襯墊結構1412的襯墊開口1410。用於執行蝕刻之製程可包含例如將光阻劑塗佈在選擇性黏結劑122之塗層上方及使用光微影圖案化光阻劑，使得圖案化的光阻劑具有對應於襯墊開口1410的開口。在圖案化的光阻劑適當的情況下，蝕刻製程可包含例如將一或多個蝕刻劑施加至選擇性黏結劑122之塗層、生物感測膜120、隔離介電層116、主動半導體層102、多層介電結構128，及隨後藉由灰化剝離圖案化的光阻劑。
如藉由第22圖之剖面圖所例示，流體通道壁1414經形成在選擇性黏結劑122之塗層上方以定義感測井O上方的流體圍阻區1416。在一些實施例中，流體通道壁1414包括彈性體。在一些實施例中，彈性體為聚二甲基矽氧烷(PDMS)。在一些實施例中，彈性體之層經圖案化且然後附接至第21圖之結構以形成流體通道壁1414。在一些實施例中，流體通道壁1414之材料首先經沉積且然後圖案化於第21圖之結構上。
第23圖為例示使用如以上所所述之具有BioFET 100之積體電路量測的心臟單元之實驗結果的圖表。實驗 結果包括使用BioFET 100自心臟單元量測的時域訊號2500。時域訊號2500指示搏動脈衝2502大於約4μA。藉由BioFET 100偵測的時域訊號2500類似於正常心搏週期，且因而實驗結果表明具有BioFET 100之積體電路可做為用於監視心臟單元之搏動的有希望候選者。
第24圖為使用如以上所所述之具有BioFET 100之陣列之積體電路獲得的心臟單元之2D電氣影像。BioFET 100之陣列包括感測像素2601、2602、2603及2604。在實驗中，心臟單元經置放在感測像素2601上，且無心臟單元經置放在感測像素2602-2604上，且2D電氣影像清楚地指示心臟單元在感測像素2601上且無心臟單元置放在感測像素2602-2604上。此外，2D電氣影像適當地反映心臟單元之2D影像輪廓。此實驗結果表明具有BioFET 100之積體電路可做為用於產生一或多個心臟單元之2D影像的有希望候選者。
基於以上所述，可看出本揭示案提供優點。然而，應理解，其他實施例可提供額外優點，且並非所有優點必須在本文中進行揭示，且無特定優點為所有實施例所必需。一個優點在於可使用具有BioFET之IC偵測、量測且/或監視心臟單元。另一優點在於生物感測膜上的選擇性黏結劑之塗層輔助將心臟單元黏結至生物感測膜，因而改良心臟單元之量測結果之準確性。
在一些實施例中，IC包括半導體層中之源極區及汲極區。通道區側向地介於源極區與汲極區之間。感測井 在半導體層之後表面上且在通道區上方。互連結構在與半導體層之後表面相反的半導體層之前表面上。生物感測膜對感測井裹襯且接觸感測井之底部表面，該底部表面藉由半導體層定義。選擇性黏結劑之塗層在生物感測膜上方且用以與心臟單元黏結。在一些實施例中，該選擇性黏結劑之塗層包含膠原蛋白、層連結蛋白、纖網蛋白，及黏多糖、硫酸肝素、透明質酸鹽、硫酸軟骨素。在一些實施例中，該選擇性黏結劑之塗層為多孔的。在一些實施例中，積體電路還包含至少一個第一加熱器，該至少一個第一加熱器在該互連結構內。在一些實施例中，該第一加熱器的材料係不同於該互連結構之金屬接線及金屬通孔之材料。在一些實施例中，該第一加熱器無銅。在一些實施例中，複數個該等第一加熱器自一俯視圖看來形成平行狹長圖案。在一些實施例中，積體電路還包含複數個第二加熱器，該些第二加熱器在該半導體層內延伸，其中該等第二加熱器形成複數狹長圖案，該等狹長圖案跨越自該俯視圖看來由該等第一加熱器形成的該等狹長圖案的。在一些實施例中，積體電路還包含一溫度感測元件，該溫度感測元件在該半導體層中。在一些實施例中，該溫度感測元件為一二極體。
在一些實施例中，IC包括半導體基板，該半導體基板具有源極區及汲極區。感測井在半導體基板之後表面上。生物感測膜對感測井裹襯且接觸半導體基板之後表面。生物材料塗層在生物感測膜上。第一加熱器在半導體基板中且與源極區及汲極區側向地間隔。第一加熱器與生物材 料塗層垂直地重疊。在一些實施例中，積體電路還包含複數個流體通道壁，該些流體通道壁在該生物材料塗層上且在該感測井上方定義一流體圍阻區。在一些實施例中，積體電路還包含一溫度感測元件，該溫度感測元件在該半導體基板中且與該生物材料塗層垂直地重疊。在一些實施例中，積體電路還包含一隔離介電區，該隔離介電區在該半導體基板中且側向地介於該第一加熱器與該溫度感測元件之間。在一些實施例中，積體電路還包含一閘極電極，該閘極電極在該半導體基板之一前表面上且側向地介於該源極區與該汲極區之間；以及一第二加熱器，該第二加熱器在該半導體基板之該前表面上，其中該第二加熱器係由與該閘極電極相同的一材料形成。在一些實施例中，該第一加熱器為該半導體基板中之一摻雜矽區，且該第二加熱器為多晶矽。
在一些實施例中，積體電路的形成方法包括形成絕緣體上半導體(SOI)基板，該絕緣體上半導體基板包含半導體基板、犧牲性基板及介於半導體基板與犧牲性基板之間的介電層；形成半導體基板中之源極/汲極區；形成半導體基板之第一側上的後段製程(BEOL)互連結構；藉由BEOL互連結構將載體基板黏接至半導體基板；在將載體基板黏接至半導體基板之後；薄化SOI基板以移除犧牲性基板且以暴露介電層；蝕刻介電層直至半導體基板之第二側暴露，從而導致延伸穿過介電層且側向地介於源極/汲極區之間的感測井；形成對感測井裹襯的生物感測膜；以及 將生物感測膜浸入生物材料浴中直至生物感測膜塗佈生物材料層。在一些實施例中，積體電路的形成方法還包含對該生物感測膜執行一表面處理以增加該生物感測膜之親水性。在一些實施例中，對該生物感測膜執行該表面處理是在將該生物感測膜浸入該生物材料浴中之前進行的。在一些實施例中，積體電路的形成方法還包含與形成該半導體基板中之該等源極/汲極區同時地形成該半導體基板中之一加熱器。
前述內容概述若干實施例之特徵，使得熟習此項技術者可更好地理解本揭示案之態樣。熟習此項技術者應瞭解，他們可容易地使用本揭示案作為設計或修改用於實行本文介紹的實施例之相同目的及/或達成相同優點的其他處理及結構之基礎。熟習此項技術者亦應認識到，此類等效構造不脫離本揭示案之精神及範疇，且他們可在不脫離本揭示案之精神及範疇的情況下在本文中做出各種變化、置換，及變更。
10:積體電路
100:BioFET
102:半導體層
102f:前表面
102b:後表面
104:源極/汲極區
106:閘極電極
108:通道區
110:BEOL互連結構
112:載體基板
114:閘極介電質層
116:隔離介電層
120:生物感測膜
122:選擇性黏結劑
124:金屬接線
126:金屬通孔
128:多層介電結構
190:流體
192:心臟單元
194:參考電極

Claims (10)

  1. 一種積體電路，包含：一源極區及一汲極區，該源極區及該汲極區在一半導體層中；一通道區，該通道區側向地介於該源極區與該汲極區之間；一隔離介電層，位於該半導體層之一後表面上，且具有暴露該通道區的一第一開口，該第一開口定義一感測井，其中該感測井之一底部表面係藉由該半導體層的該後表面定義；一互連結構，該互連結構在與該半導體層之該後表面相反的該半導體層之一前表面上；一生物感測膜，該生物感測膜對該感測井裹襯且接觸該通道區，且延伸至該隔離介電層的該第一開口的一側壁上以及該隔離介電層相對該半導體層的一頂表面；以及一選擇性黏結劑之塗層，該選擇性黏結劑之塗層在該生物感測膜上方且用以與一心臟單元黏結。
  2. 如請求項1所述之積體電路，其中該隔離介電層更具有一第二開口，該第二開口暴露位於該互連結構中之一襯墊結構，該生物感測膜進一步延伸至該襯墊結構的該第二開口而不延伸覆蓋位於該互連結構中之該襯墊結構。
  3. 如請求項1所述之積體電路，更包含：至少一個第一加熱器，該至少一個第一加熱器在該互連結構內，其中該隔離介電層更具有一第二開口，而該互連結構包含：暴露於該第二開口的一襯墊結構、複數個金屬接線以及複數個金屬通孔，該些金屬接線以及金屬通孔連接於該襯墊結構與該至少一個第一加熱器之間，且該至少一個第一加熱器的材質不同於該些金屬接線以及金屬通孔的材質，且包括具有低於銅之熱傳導性之金屬。
  4. 一種積體電路，包含：一半導體基板，該半導體基板具有一源極區、一汲極區以及位於該源極區與該汲極區之間的一通道區；一隔離介電層，位於該半導體基板之一後表面上，且具有暴露該通道區的一第一開口，該第一開口定義一感測井，其中該感測井之一底部表面係藉由該半導體基板之該後表面定義；一生物感測膜，該生物感測膜對該感測井裹襯且接觸該通道區，並延伸至該隔離介電層的該第一開口的一側壁上以及該隔離介電層相對該半導體基板的一頂表面；一生物材料塗層，該生物材料塗層在該生物感測膜上，其中該生物材料塗層包含膠原蛋白、層連結蛋白、纖網蛋白、黏多糖、硫酸肝素、透明質酸鹽、硫酸軟骨素或其組合；以及一第一加熱器，該第一加熱器在該半導體基板中且與該 源極區及該汲極區側向地間隔，該第一加熱器與該生物材料塗層垂直地重疊。
  5. 如請求項4所述之積體電路，更包含：複數個流體通道壁，該些流體通道壁在該生物材料塗層上且在該感測井上方定義一流體圍阻區。
  6. 如請求項4所述之積體電路，更包含：一互連結構，位於該半導體基板之該後表面相反的該半導體基板之一前表面上，其中該隔離介電層更具一第二開口，該第二開口暴露位於該互連結構中之一襯墊結構，該生物感測膜進一步延伸至該襯墊結構的該第二開口而不延伸覆蓋位於該互連結構中之該襯墊結構。
  7. 如請求項4所述之積體電路，更包含：一閘極電極，該閘極電極在該半導體基板之一前表面上且側向地介於該源極區與該汲極區之間；一閘極介電層，位於該閘極電極與該半導體基板之間；一第二加熱器，該第二加熱器在該半導體基板之該前表面上，其中該第二加熱器係由與該閘極電極相同的一材料形成，且具有與該閘極電極相同的一厚度；以及一介電層，位於該第二加熱器與該半導體基板之間，係由與該閘極介電層相同的一材料形成，且具有與該閘極介電層相同的一厚度。
  8. 一種積體電路的形成方法，包含：形成一絕緣體上半導體(SOI)基板，該絕緣體上半導體基板包含一半導體基板、一犧牲性基板及介於該半導體基板與該犧牲性基板之間的一介電層；形成一通道區於該半導體基板中；形成複數個源極/汲極區於該半導體基板中，其中該通道區位於該些源極/汲極區之間；形成一後段製程(BEOL)互連結構於該半導體基板之一第一側上；藉由該BEOL互連結構將一載體基板黏接至該半導體基板；在將該載體基板黏接至該半導體基板之後，薄化該SOI基板以移除該犧牲性基板且暴露該介電層；蝕刻該介電層以形成暴露該半導體基板之一第二側以及該通道區的一開口，從而定義出延伸穿過該介電層且側向地介於該等源極/汲極區之間的一感測井；形成對該感測井裹襯的一生物感測膜，其中該生物感測膜接觸該通道區，且延伸至該介電層的該開口的一側壁上以及該介電層相對該半導體基板的一頂表面；對該生物感測膜執行一表面處理以增加該生物感測膜之親水性；以及將該生物感測膜浸入一生物材料浴中，直至該生物感測膜塗佈一生物材料層，其中對該生物感測膜執行該表面處 理是在將該生物感測膜浸入該生物材料浴中之前進行的。
  9. 如請求項8所述之積體電路的形成方法，其中該表面處理包括O2或O3電漿處理。
  10. 如請求項8所述之積體電路的形成方法，更包含：與形成該半導體基板中之該等源極/汲極區同時地形成該半導體基板中之一加熱器，其中該加熱器具有與該等源極/汲極區相同的摻雜劑類型。
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