CN103245612A - 生物传感结构及其形成方法 - Google Patents

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Abstract

一种形成生物传感结构的方法，包括开槽部分衬底，从而在衬底中形成多个平台。多个平台中的每个均具有顶面和与该顶面相邻的侧壁面。第一反光层沉积在每个平台的顶面和侧壁面上方。填充材料形成在第一反光层的第一部分上方。停止层沉积在填充材料和第一反光层的第二部分上方。牺牲层形成在停止层上方并且被平坦化，暴露出停止层。第一开口形成在停止层和第一反光层中。第二反光层沉积在第一开口上方。第二开口形成在第二反光层中。本发明还提供一种生物传感结构。

Description

生物传感结构及其形成方法
技术领域
本公开涉及了生物传感结构以及形成生物传感结构的方法。
背景技术
生物传感结构或生物传感器是用于传感和探测生物分子并且在电子或光学探测原理的基础上进行操作的器件。生物传感结构的优势在于免标记操作的前景。尤其是生物传感结构能够避免标记操作（诸如，对带有，例如，荧光剂或放射性药剂的分析物进行标记）的高昂费用以及所耗费的时间。
可以使用半导体工艺制造生物传感结构或生物传感器。生物传感结构可以迅速探测到电信号或光信号并且可以轻易地将其应用于集成电路（IC）和微机电***（MEM）。忽略上述引人瞩目的性质，对生物传感器的发展而言仍存在大量挑战。针对形成这些生物传感器的配置方式和方法的各种技术已经被实施用于进行尝试和进一步改善器件的性能。
发明内容
为了解决现有技术中存在的问题，根据本发明的一个方面，提供了一种形成多个生物传感结构的方法，所述方法包括：开槽部分衬底，从而在所述衬底中形成多个平台，其中，所述多个平台中的每个均具有顶面和与所述顶面相邻的侧壁面；在所述衬底上方沉积第一反光层，由此覆盖了每个平台的所述顶面和所述侧壁面；在所述第一反光层的第一部分上方形成填充材料，从而暴露出所述第一反光层的第二部分；在所述填充材料和所述第一反光层的所述第二部分上方沉积停止层；在所述停止层上方形成牺牲层；平坦化所述牺牲层，从而部分地暴露出所述停止层；在所述停止层和所述第一反光层中形成第一开口，从而暴露出每个平台的所述顶面的第一部分；在所述第一开口和每个平台的部分暴露的顶面上方沉积第二反光层；在所述第二反光层中形成第二开口，从而暴露出每个平台的所述顶面的第二部分。
在上述方法中，其中，每个第二开口具有小于每个第一开口的宽度W1的宽度W2。
在上述方法中，其中，所述第一开口具有位于每个平台的所述顶面和所述第一开口的侧壁之间的内角，所述内角大于90°。
在上述方法中，其中，所述第二开口具有位于每个平台的所述顶面和所述第二开口的侧壁之间的内角，所述内角在大约90°至大约145°的范围内。
在上述方法中，其中，所述第二开口具有仅能容纳分析物的一个分子的宽度W2。
在上述方法中，其中，所述第二开口具有在大约120nm至大约160nm的范围内的宽度W2。
在上述方法中，其中，所述牺牲层与所述停止层的去除率的比值大于约100。
在上述方法中，其中，所述牺牲层与所述停止层的去除率的比值大于约100，其中，所述牺牲层与所述停止层的去除率的比值大于约400。
在上述方法中，其中，所述牺牲层包括多晶硅或非晶硅。
在上述方法中，其中，所述停止层包括氧化硅、氮化硅或氮氧化硅。
根据本发明的另一方面，还提供了一种形成多个生物传感结构的方法，所述方法包括：蚀刻部分衬底，从而在所述衬底中形成多个平台，其中，所述多个平台中的每个均具有顶面和与所述顶面相邻的侧壁面；在所述衬底上方沉积第一反光层，从而覆盖每个平台的所述顶面和所述侧壁面；围绕着每个平台形成填充材料，从而暴露出部分所述第一反光层，其中，每个平台以阶梯高度W从所述填充材料的顶面伸出；在所述填充材料和部分所述第一反光层上方沉积停止层，其中，所述停止层具有小于所述阶梯高度W的厚度T；在所述停止层上方形成牺牲层；平坦化所述牺牲层，从而部分地暴露所述停止层；在所述停止层和所述第一反光层中形成具有宽度W1的第一开口，从而部分地暴露出每个平台的所述顶面；至少在所述第一开口和每个平台的部分暴露的顶面上方形成第二反光层；以及在所述第二反光层中形成具有宽度W2的第二开口，从而部分地暴露出每个平台的所述顶面，其中，所述宽度W2小于所述宽度W1。
在上述方法中，其中，所述第一反光层和所述第二反光层包括铝、铜、钛、银、金或铂。
在上述方法中，其中，所述第二反光层具有在大约
Figure BDA00001761235100031
至大约
Figure BDA00001761235100032
的范围内的厚度。
在上述方法中，其中，所述阶梯高度W与所述厚度T的比值大于约5。
在上述方法中，其中，所述牺牲层与所述停止层的去除率的比值大于约100。
在上述方法中，其中，所述牺牲层包括多晶硅或非晶硅。
在上述方法中，其中，所述第二开口具有位于所述顶面和所述第二开口的侧壁之间的内角，所述内角在大约90°至大约145°的范围内。
在上述方法中，其中，所述宽度W2在大约120nm至大约160nm的范围内。
在上述方法中，其中，所述宽度W2仅能容纳分析物的一个分子。
根据本发明的又一方面，还提供了一种生物传感结构，包括：平台，与部分衬底整体相连，其中，所述平台具有顶面和与所述顶面相邻的侧壁面；第一反光层，设置在所述平台的所述顶面和所述侧壁面上方；填充材料，围绕着所述平台，其中，所述平台从所述填充材料的顶面伸出；停止层，形成在所述填充材料和部分所述第一反光层上方；牺牲层，设置在所述停止层的第一部分上方并且暴露出所述停止层的第二部分；第二反光层，设置在所述停止层的所述第二部分和每个平台的部分所述顶面上方；开口，设置在所述第二反光层中，从而部分地暴露出每个平台的所述顶面。
附图说明
当结合附图进行阅读时，根据下面详细的描述可以更好地理解本发明。应该强调的是，根据工业中的标准实践，各种部件没有被按比例绘制并且仅仅用于说明的目的。实际上，为了清楚的讨论，各种部件的尺寸可以被任意增大或减小。
图1A是根据本公开的一个或多个实施例包括了多个位于衬底上的生物芯片的晶圆的俯视图；
图1B是根据本公开的一个或多个实施例的图1A的单个生物芯片的放大图；
图2是根据本公开的一个或多个实施例形成具有生物传感结构的生物芯片结构的方法的流程图；
图3A是根据本公开的一个或多个实施例的图1B的单个生物芯片结构的俯视图；
图3B是根据本公开的一个或多个实施例沿着图3A中的线A-A’的单个生物芯片的透视图；
图4至图11B是根据图2的方法的各个实施例在制造的各个阶段中具有生物传感结构的生物芯片结构的截面图；
图12是图1B中的具有多个形成在阵列布置中的生物传感结构的单个生物芯片的俯视图；
图13示出了在探测生物分子的操作中生物传感结构的放大的截面图。
具体实施方式
以下公开提供了多种不同实施例或实例，用于实现本发明的不同特征。以下将描述组件和布置的特定实例以简化本发明。当然，这些仅是实例并且不旨在限制本发明。例如，在以下描述中，在第二部件上方或上形成第一部件可以包括第一部件和第二部件直接接触的实施例，也可以包括其他部件可以形成在第一部件和第二部件之间使得第一部件和第二部件不直接接触的实施例。此外，相关术语（诸如，“顶部”、“前面”“底部”以及“后面”）的参考均被用于提供元件间的相对关系并且不代表任何绝对的方向。为了简单和清楚，可以不同比例任意绘制各个部件。
图1A是包括有标记在衬底102上的多个生物芯片103的晶圆100的俯视图。位于生物芯片103之间的划线106将多个生物芯片103分开。图1B是图1A所描述的一个生物芯片103的放大图。衬底102将经历多种清洁、分层、图案化、蚀刻或掺杂步骤来在生物芯片104中形成生物传感结构。术语“衬底”在此大体上涉及的是适用于传送分析物的电信号或光信号的体衬底。在至少一个实例中，该衬底包括透明材料，诸如，石英、蓝宝石、熔融石英或其他适合的玻璃。在另一个实例中，该衬底是在观察过程中将被观察的分析物保持在固定位置中的刚性材料。在又一个实例中，该衬底是透明的有机材料，例如，甲基丙烯酸酯聚合物，诸如，PMMA、聚碳酸酯、环烯烃聚合物、苯乙烯聚合物、含氟的聚合物、聚酯、聚醚酮、聚醚砜、聚酰亚胺或其混合物。在一些实施例中，各个层和器件结构均形成在衬底上。这些层的实例包括介电层、掺杂层、多晶硅层或导电层。器件结构的实例包括晶体管、电阻器和/或电容器，这些器件结构可以通过互连层与额外的器件互连。
图2是根据本公开的一个或多个实施例形成具有生物传感结构的生物芯片结构的方法200的流程图。方法200可以包括使用一个或多个与互补金属氧化物半导体（CMOS）工艺相配的工艺步骤形成生物传感结构。可以理解，方法200包括具有典型CMOS技术工艺流程的特征的步骤并且由此在此仅简要描述。另外，可以理解，可以在方法200之前、期间和之后提供额外的步骤。对于方法200的其他实施例而言，可以对下面描述的一些步骤进行替换或删除。图4至图11是根据图2的方法200的各个实施例在制造的各个阶段中具有生物传感结构的生物芯片的结构104的截面图。为了更好地理解本公开的发明理念已经对各个附图进行了简化。
参考图2和图4，方法200以步骤201为开始，其中，对部分衬底进行开槽从而形成多个平台。可以使用适合的光刻工艺形成该开槽操作，从而在衬底上提供图案。然后，执行蚀刻工艺来去除部分衬底，从而限定出多个平台。相邻的平台被凹槽分开。蚀刻工艺可以包括湿式蚀刻、干式蚀刻、等离子体蚀刻和/或其他适当的工艺。
参考图4的实例，对部分衬底102进行开槽，从而形成多个平台108。衬底102的凹陷部分形成了包围着每个平台108的多个凹槽110。相邻的平台108被凹槽110分开。在一个实施例中，如生物芯片结构104的俯视图图3A所示，平台108位于阵列布置中。图3B是沿着图3A中的线A-A’的平台108的透视图。图4是沿着图3A中的线A-A’的平台108的截面图。衬底102具有顶面102A和底面102B。凹槽110从顶面102A延伸到底面102B中但并未穿透底面102B，其深度D约为6μm至7μm。凹槽110具有内侧面110A和底面110B。平台108具有顶面和与顶面相邻的侧壁面。平台108的顶面与衬底102的顶面102A相同。平台108的侧壁面与凹槽110的内侧面110A相同。在一个实例中，平台108具有内角，角1，在平行于底面110B的平面和内侧面110A之间，在大约60°至大约85°的范围内。在另一个实例中，平台108具有内角，角1，在大约75°至大约85°的范围内。
参考图2和图5，方法200继续进行操作202，其中，将第一反光层沉积在衬底上方来覆盖每个平台。第一反光层包括金属材料，诸如，铝、铜、金、银、铬或其混合物。可以通过适当的工艺（诸如，物理汽相沉积（PVD）、化学汽相沉积（CVD）或原子层沉积（ALD））形成该第一反光层。第一反光层还可以包括反射性的有机聚合物，诸如，包括有分散在聚合材料中的反射性颗粒的复合材料。
参考图5的实例，将第一反光层112沉积在衬底102上来覆盖每个凹槽110的顶面102A和内侧面110A以及凹槽110的底面110B。在一个实例中，第一反光层112具有在大约
Figure BDA00001761235100061
至大约
Figure BDA00001761235100062
的范围内的厚度。设置在平台108的外侧面（102A和110A）上的平台108和第一反光层112被配置成微型镜片。第一反射层112可以增强平台108的外侧面（102A和110A）的反射性。如图13所示将在下一部分中进一步解释微型镜片的操作。
参考图2和图6，方法200继续进行操作203，其中，在第一反光层的第一部分上方形成填充材料，从而暴露出第一反光层的第二部分。在一些实施例中，填充材料包括氧化硅、低k介电材料或其他适当的介电材料。通过低温化学汽相沉积（LTCVD）在低于300°C的操作温度下形成填充材料来保护衬底不受到电信号或光信号探测的损害。在至少另一个实施例中，填充材料可以包括通过旋涂进行沉积的PMMA、聚碳酸酯、环烯烃聚合物、苯乙烯聚合物、含氟的聚合物、聚酯、聚醚酮、聚醚砜、聚酰亚胺或其混合物。
在至少一个实施例中，在衬底上形成填充材料直至达到平台顶面和第一反光层上面的平面。对填充材料应用平坦化工艺（诸如，化学机械抛光（CMP）工艺和/或蚀刻工艺）来减小填充材料的厚度，从而暴露出第一反光层的第二部分。在一个实施例中，被平坦化的填充材料部分地填充了每个位于相邻的平台之间的凹槽并且留出剩余的凹槽。平坦化的填充材料具有低于每个平台的顶面的顶面。位于每个平台上的第一反光层的第二部分从环绕的填充材料的顶面中伸出。每个剩余的凹槽具有深度W，该部分在每个平台的顶面和平坦化的填充材料的顶面之间。
参考图6的实例，填充材料114部分地填充包围着每个平台108的凹槽110并且留出剩余的凹槽110C。填充材料114具有低于每个平台108的顶面102A的顶面114A。第一反光层112的第一部分112A嵌在填充材料114中。位于平台108的顶面102A上的第一反光层112的第二部分112B和平台108的侧壁面110A的顶部从填充材料114中暴露出来。剩余的凹槽110C的深度W小于大约
Figure BDA00001761235100071
参考图2和图7，方法200继续进行操作204，其中，在填充材料和第一反光层的第二部分上方沉积停止层。在一些实施例中，停止层包括氧化硅、氮化硅、氮氧化硅或其他与随后形成的牺牲层相比具有更高蚀刻或抛光阻抗的适当的材料。在一些实例中，停止层是沿着填充层的顶面和第一反光层的第二部分的共形的衬垫。该停止层具有小于剩余的凹槽的深度W的厚度T。可以通过等离子体增强的化学汽相沉积（PECVD）、高纵横比工艺（HARP）、ALD或电介质旋涂（SOD）来形成该停止层。
参考图7的实例，停止层116沉积在填充材料114和第一反光层112的第二部分112B上方。在一些实施例中，停止层116是沿着填充材料114的顶面114A和第一反光层112的第二部分112B的共形的衬垫，并且不溢满剩余的凹槽110C。停止层116具有小于剩余的凹槽110C的深度W的厚度T。厚度T在大约
Figure BDA00001761235100072
至大约
Figure BDA00001761235100073
的范围内。深度W与厚度T的比值大于大约5。停止层116可以包括氧化硅、氮化硅、氮氧化硅或其他与随后形成的牺牲层118相比具有更高蚀刻或抛光阻抗的适当的材料。
再参考图2，方法200继续进行操作205，其中，在停止层上方形成牺牲层直至达到平台上方的停止层的顶面上的平面。即，牺牲层溢满了剩余的凹槽。在一个实施例中，牺牲层包括多晶硅、非晶硅或其他与操作204中所形成的停止层相比具有较小蚀刻或抛光阻抗的适当的材料。可以通过CVD、PECVD或低压化学汽相沉积（LPCVD）来形成该牺牲层。
参考图2和图8，方法200继续进行操作206，其中，平坦化牺牲层来暴露出部分停止层。对牺牲层实施平坦化操作（诸如，化学机械抛光（CMP）工艺和/或蚀刻工艺）来减小牺牲层的厚度，从而暴露出部分停止层。在一些实施例中，对CMP工艺的工艺条件和参数进行调节（包括浆料化学和抛光压力）来平坦化牺牲层。与操作206中的牺牲层相比，停止层具有更高的蚀刻或抛光阻抗。当停止层的顶面被暴露出来的时候可以停止平坦化操作206。在至少一个实例中，牺牲层和停止层的去除率比值大于大约100。在至少另一个实例中，牺牲层和停止层的去除率比值大于大约400。在一些实施例中，平坦化的牺牲层的顶面和位于平台上方的停止层的顶面具有小于
Figure BDA00001761235100081
的阶梯高度。在至少另一个实施例中，平坦化的牺牲层的顶面基本上比平台上方的停止层的顶面更平坦。优选地，停止层的使用改善了牺牲层的平坦化表面的均匀性。平台上方的平坦化的牺牲层和停止层的顶面得到了平滑的新的表面。该平滑的新表面能够为随后在该新表面上进行的光刻工艺提供更好的分辨率。由此明显地提高了完整的产品的器件性能和产量。
参考图8的实例，生物芯片的结构104示出了执行完操作205和206之后的截面图。牺牲层118形成在停止层116上方并且被平坦化。暴露出位于每个平台108上方的部分停止层116。在一些实施例中，牺牲层的顶面和位于平台上方的停止层的顶面具有小于
Figure BDA00001761235100082
的阶梯高度（未示出）。在另一个实施例中，平坦化的牺牲层118的顶面基本上与位于平台108上方的停止层116的顶面共平面。
参考图2和图9A，方法200继续进行操作207，其中，在停止层和第一反光层的第二部分中形成第一开口，从而部分地暴露出每个平台的顶面。可以通过使用适当的光刻工艺在停止层上提供图案实施形成第一开口的操作。然后，使图案化的停止层经历蚀刻工艺来去除部分停止层和第一反光层，从而限定出第一开口。
参考图9A的实例，在停止层116和第一反光层112的第二部分112B中形成第一开口120，从而暴露出每个平台108的顶面102A的一部分。图9B示出了图9A中的生物芯片的结构104的一部分的放大截面图。在至少一个实例中，第一开口120具有宽度W1以及位于顶面102A和锥形的侧壁120A之间的内角，角2，该角大于90°。在至少另一个实例中，内角，角2大于大约100°。在一些实施例中，第一反光层112是铝。利用等离子体工艺在BCl3/CL2环境中蚀刻该铝层。BCl3/CL2的气体比值在大约0.5至大约1.3的范围内。在该气体比值内，第一开口120具有带有大于90°的内角，角2的锥形侧壁120A。
参考图2和图10A，方法200继续进行操作208，其中，在第一开口和每个平台的部分地暴露的顶面上方沉积第二反光层。该第二反光层是不透明的或反射性的材料。第二反光层可以适用于（例如，良好地）生物实体接合。在一些实施例中，第二反光层包括金属材料，诸如，铝、铜、金、银、铬、钛或其混合物。可以通过适当的工艺（诸如，物理汽相沉积（PVD）、CVD或原子层沉积（ALD））来形成该第二反射层。
参考图10A的实例，第二反光层122沉积在图9A中的生物芯片的结构104上方。第二反光层122共形地覆盖着平坦化的牺牲层118,、第一开口120的锥形侧壁120A以及每个平台108的顶面102A的暴露部分。图10B示出了图10A中的生物芯片的结构104的一部分的放大截面图。在至少一个实例中，第二反光层122具有从大约
Figure BDA00001761235100091
至大约的厚度。优选地，第一开口120的锥形侧壁120A改善了随后的第二反光层122沉积的阶梯覆盖率，防止第二反光层122易于悬在第一开口120的顶角处并且降低了过早地利用形成在悬空处下面的空间密封第一开口120的风险。
参考图2和图11A，方法200继续进行操作209，其中，第二开口形成在第二反光层中，从而部分地暴露出每个平台的顶面。可以使用适当的光刻工艺和蚀刻工艺形成第二开口来去除部分第二反光层，从而限定出第二开口。
参考图11A的实例，第二开口124形成在第二反光层122中，从而部分地暴露出每个平台108的顶面102A。图11B示出了图11A中的生物芯片的结构104的一部分的放大截面图。如图11B所示，第二开口124具有锥形侧壁124A，该侧壁带有位于顶面120A和锥形侧壁124A之间的，在大约90°至大约145°范围内的内角，角3。在一些实施例中，第二反光层122是铝。利用等离子体工艺在BCl3/Cl2环境中蚀刻该铝层。用于锥形的侧壁124A的BCl3/Cl2的气体比值在大约0.5至大约1.3的范围内。第二开口124能够包括被观察的分析物。该分析物可以包括酶、抗体、配体、肽、寡核苷酸、器官的细胞、有机体或一段组织。在至少一个实例中，第二开口124具有小于第一开口120的宽度W1的宽度W2。在至少另一个实例中，第二开口124的宽度W2大于第一开口120的宽度W1。在至少另一个实例中，第二开口124的宽度W2在大约120nm至大约160nm范围内。在至少另一个实例中，第二开口124的宽度W2能够仅包括分析物的一个分子。宽度W2包括位于第二开口124内部的单个DNA（脱氧核糖核酸）聚合酶。在操作209之后，具有微型镜片的生物传感结构125形成在生物芯片的结构104中。在一个实施例中，多个生物传感结构125形成在如图12中所示的生物芯片的结构104上的阵列布置中。每个平台108的顶面102的一部分被第二开口124暴露出来，而生物芯片的结构104的其他部分被第二反光层122覆盖。
在一些实施例中，在操作209之后任选地包括了其他工艺步骤。在一些实施例中，沿着晶圆100的划线106执行机械切割或激光切割并且衬底102被切割成各个生物芯片103。
图13示出了在探测生物分子的操作中的生物传感结构125的放大的截面图。生物传感结构125包括与部分衬底102整体相连的平台108。平台108具有顶面102A以及与顶面102A相邻的侧壁面110A。第一反光层112设置在平台108的顶面102A和侧壁面110A上方。设置在平台108的外侧面（102A和110A）上的平台108和第一反光层112被配置成微型镜片。填充材料114包围着平台108。平台108从填充材料114的顶面114A伸出。停止层116设置在填充材料114和第一反光层112的第二部分上方。牺牲层118设置在停止层116的第一部分上方并且暴露出停止层116的第二部分。第二反光层122设置在停止层116的第二部分和平台108的部分顶面102A上方。开口124设置在第二反光层122中，从而部分地暴露出平台108的顶面102。在探测操作过程中，分析物126设置在生物传感结构125的第二开口124中。分析物126可以包括酶、抗体、配体、肽、寡核苷酸、器官的细胞、有机体或一段组织。激发辐射源（未示出）产生出射向分析物126的辐射。分析物126可以向下面的微型镜片发射出光输出128。微型镜片反射光输出128并且将光输出128传送给衬底102的底面102B下面的探测器127。探测器127收集光输出128并且将光输出128存储在用于分析的存储装置中。第一反光层112可以增强平台108的外侧面（102A和110A）的反射性。第二反光层122中的第二开口124将分析物126限制在开口124内。平台108的顶面102A上的第二反光层122还将光输出128反射给探测器127。
可以使用本公开的各个实施例来改善具有生物传感结构的生物芯片的性能。例如，停止层116改善了牺牲层118的平坦化表面的均匀性。平坦化的牺牲层118和位于平台108上方的停止层116的顶面形成了平滑的新表面。该平滑的新表面增强了随后在该新表面上进行的光刻工艺获得更好分辨率的能力。第一开口120的锥形侧壁120A改善了随后的第二反光层层122沉积的阶梯覆盖率并且防止第二反光层122悬在第一开口120的顶角处。由于光刻工艺在限定第二开口124的图案方面的更好的分辨率，在蚀刻工艺过程中可以精确地控制位于相同的晶圆100上的生物芯片104的第二开口124的尺寸。可以将相同的生物芯片104或相同晶圆100中的每个生物传感结构125的电性能或光性能紧密结合。
本公开的一个方面描述了一种形成多个生物传感结构的方法。部分衬底被开槽，从而在衬底中形成多个平台。多个平台中的每个均具有顶面和与该顶面相邻的侧壁面。第一反光层沉积在衬底上方，由此覆盖着每个平台的顶面和侧壁面。填充材料形成在第一反光层的第一部分上方，从而暴露出第一反光层的第二部分。停止层沉积在填充材料和第一反光层的第二部分上方。牺牲层形成在停止层上方。该牺牲层被平坦化，从而部分地暴露出停止层。第一开口形成在停止层和第一反光层中，从而暴露出每个平台的顶面的第一部分。第二反光层沉积在第一开口和每个平台的部分地暴露的顶面上方。第二开口形成在第二反光层中，从而暴露出每个平台的顶面的第二部分。
本公开的另一个部分描述了一种形成多个生物传感结构的方法。蚀刻部分衬底从而在衬底中形成多个平台。多个平台中的每个均具有顶面和与该顶面相邻的侧壁面。第一反光层沉积在衬底上方，从而覆盖了每个平台的顶面和侧壁面。填充材料围绕着每个平台形成，从而暴露出部分第一反光层。每个平台以阶梯高度W从填充材料的顶面伸出。停止层沉积在填充材料和部分第一反光层上方。停止层具有小于阶梯高度W的厚度T。牺牲层形成在停止层上方。牺牲层被平坦化从而部分地暴露出停止层。带有宽度W1的第一开口形成在停止层和第一反光层中，从而部分地暴露出每个平台的顶面。第二反光层至少形成在第一开口和每个平台的部分地暴露的顶面上方。具有宽度W2的第二开口形成在第二反光层中，从而部分地暴露出每个平台的顶面。宽度W2小于宽度W1。
本公开还描述了生物传感结构的一个方面。该生物传感结构包括与部分衬底整体相连的平台。该平台具有顶面和与该顶面相邻的侧壁面。第一反光层设置在平台的顶面和侧壁面上方。填充材料围绕着平台。该平台从填充材料的顶面伸出。停止层形成在填充材料和部分第一反光层上方。牺牲层设置在停止层的第一部分上方并且暴露出停止层的第二部分。第二反光层设置在停止层的第二部分和平台的部分顶面上方。开口设置在第二反光层中，从而部分地暴露出平台的该部分顶面。
尽管已经详细地描述了本发明及其优势，但应该理解，可以在不背离所附权利要求限定的本发明主旨和范围的情况下，做各种不同的改变，替换和更改。而且，本申请的范围并不仅限于本说明书中描述的工艺、机器、制造、材料组分、装置、方法和步骤的特定实施例。作为本领域普通技术人员应理解，通过本发明，现有的或今后开发的用于执行与根据本发明所采用的所述相应实施例基本相同的功能或获得基本相同结果的工艺、机器、制造，材料组分、装置、方法或步骤根据本发明可以被使用。因此，所附权利要求应该包括在这样的工艺、机器、制造、材料组分、装置、方法或步骤的范围内。

Claims (10)

1.一种形成多个生物传感结构的方法，所述方法包括：
开槽部分衬底，从而在所述衬底中形成多个平台，其中，所述多个平台中的每个均具有顶面和与所述顶面相邻的侧壁面；
在所述衬底上方沉积第一反光层，由此覆盖了每个平台的所述顶面和所述侧壁面；
在所述第一反光层的第一部分上方形成填充材料，从而暴露出所述第一反光层的第二部分；
在所述填充材料和所述第一反光层的所述第二部分上方沉积停止层；
在所述停止层上方形成牺牲层；
平坦化所述牺牲层，从而部分地暴露出所述停止层；
在所述停止层和所述第一反光层中形成第一开口，从而暴露出每个平台的所述顶面的第一部分；
在所述第一开口和每个平台的部分暴露的顶面上方沉积第二反光层；
在所述第二反光层中形成第二开口，从而暴露出每个平台的所述顶面的第二部分。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，每个第二开口具有小于每个第一开口的宽度W1的宽度W2。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第二开口具有位于每个平台的所述顶面和所述第二开口的侧壁之间的内角，所述内角在大约90°至大约145°的范围内。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第二开口具有仅能容纳分析物的一个分子的宽度W2。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第二开口具有在大约120nm至大约160nm的范围内的宽度W2。
6.一种形成多个生物传感结构的方法，所述方法包括：
蚀刻部分衬底，从而在所述衬底中形成多个平台，其中，所述多个平台中的每个均具有顶面和与所述顶面相邻的侧壁面；
在所述衬底上方沉积第一反光层，从而覆盖每个平台的所述顶面和所述侧壁面；
围绕着每个平台形成填充材料，从而暴露出部分所述第一反光层，其中，每个平台以阶梯高度W从所述填充材料的顶面伸出；
在所述填充材料和部分所述第一反光层上方沉积停止层，其中，所述停止层具有小于所述阶梯高度W的厚度T；
在所述停止层上方形成牺牲层；
平坦化所述牺牲层，从而部分地暴露所述停止层；
在所述停止层和所述第一反光层中形成具有宽度W1的第一开口，从而部分地暴露出每个平台的所述顶面；
至少在所述第一开口和每个平台的部分暴露的顶面上方形成第二反光层；以及
在所述第二反光层中形成具有宽度W2的第二开口，从而部分地暴露出每个平台的所述顶面，其中，所述宽度W2小于所述宽度W1。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述第一反光层和所述第二反光层包括铝、铜、钛、银、金或铂。
8.根据权利要求6所述的方法，其中，所述阶梯高度W与所述厚度T的比值大于约5。
9.根据权利要求6所述的方法，其中，所述牺牲层与所述停止层的去除率的比值大于约100。
10.一种生物传感结构，包括：
平台，与部分衬底整体相连，其中，所述平台具有顶面和与所述顶面相邻的侧壁面；
第一反光层，设置在所述平台的所述顶面和所述侧壁面上方；
填充材料，围绕着所述平台，其中，所述平台从所述填充材料的顶面伸出；
停止层，形成在所述填充材料和部分所述第一反光层上方；
牺牲层，设置在所述停止层的第一部分上方并且暴露出所述停止层的第二部分；
第二反光层，设置在所述停止层的所述第二部分和每个平台的部分所述顶面上方；
开口，设置在所述第二反光层中，从而部分地暴露出每个平台的所述顶面。
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112415075A (zh) * 2019-08-21 2021-02-26 生命技术公司 包含多通道流动池的装置
WO2021212429A1 (zh) * 2020-04-23 2021-10-28 深圳华大生命科学研究院 测序芯片及其制备方法

Families Citing this family (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9599611B2 (en) 2005-04-25 2017-03-21 Trustees Of Boston University Structured substrates for optical surface profiling
US8846129B2 (en) 2012-02-13 2014-09-30 Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, Ltd. Biological sensing structures and methods of forming the same
US9354390B2 (en) 2013-12-11 2016-05-31 Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, Ltd. Semiconductor device and method of manufacturing
EP3353528B1 (en) 2015-09-22 2023-11-29 Trustees of Boston University Multiplexed phenotyping of nanovesicles
US11262359B2 (en) 2016-02-05 2022-03-01 NanoView Biosciences, Inc. Detection of exosomes having surface markers
US11105745B2 (en) * 2019-10-10 2021-08-31 Visera Technologies Company Limited Biosensor

Citations (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US1932226A (en) * 1932-03-12 1933-10-24 Spalding & Bros Ag Inflatable ball
US4186408A (en) * 1975-05-20 1980-01-29 International Business Machines Corporation IGFET with partial planar oxide
JPS5588371A (en) * 1978-12-26 1980-07-04 Sanyo Electric Co Ltd Preparation of schottky barrier diode using gallium arsenide
US5516625A (en) * 1993-09-08 1996-05-14 Harris Corporation Fill and etchback process using dual photoresist sacrificial layer and two-step etching process for planarizing oxide-filled shallow trench structure
US20050287687A1 (en) * 2004-06-28 2005-12-29 Tien-Fu Liao Method of fabricating algainp light-emitting diode and structure thereof
EP1763117A1 (en) * 2005-09-12 2007-03-14 Agilent Technologies, Inc. Method for making reproducible buried heterostructure semiconductor devices
CN101341590A (zh) * 2005-12-22 2009-01-07 Nxp股份有限公司 制造半导体器件的方法
US20090017570A1 (en) * 2005-12-28 2009-01-15 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. Semiconductor laser device and method for fabricating the same
CN101399222A (zh) * 2007-09-24 2009-04-01 台湾积体电路制造股份有限公司 具有空气间隙的半导体元件的制造方法
CN101445215A (zh) * 2008-10-16 2009-06-03 上海集成电路研发中心有限公司 红外探测器及其制造方法
CN101927976A (zh) * 2009-09-30 2010-12-29 浙江大立科技股份有限公司 微桥结构红外探测器以及制造方法
CN102227659A (zh) * 2008-09-30 2011-10-26 加利福尼亚太平洋生物科学股份有限公司 超高多路分析***和方法
CN102257609A (zh) * 2008-12-19 2011-11-23 飞思卡尔半导体公司 具有隔离的微结构的微机电器件及其生产方法

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7309620B2 (en) * 2002-01-11 2007-12-18 The Penn State Research Foundation Use of sacrificial layers in the manufacture of high performance systems on tailored substrates
US6962822B2 (en) * 2002-08-07 2005-11-08 International Business Machines Corporation Discrete nano-textured structures in biomolecular arrays, and method of use
US8335029B2 (en) * 2010-03-11 2012-12-18 Pacific Biosciences Of California, Inc. Micromirror arrays having self aligned features
US8846129B2 (en) 2012-02-13 2014-09-30 Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, Ltd. Biological sensing structures and methods of forming the same

Patent Citations (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US1932226A (en) * 1932-03-12 1933-10-24 Spalding & Bros Ag Inflatable ball
US4186408A (en) * 1975-05-20 1980-01-29 International Business Machines Corporation IGFET with partial planar oxide
JPS5588371A (en) * 1978-12-26 1980-07-04 Sanyo Electric Co Ltd Preparation of schottky barrier diode using gallium arsenide
US5516625A (en) * 1993-09-08 1996-05-14 Harris Corporation Fill and etchback process using dual photoresist sacrificial layer and two-step etching process for planarizing oxide-filled shallow trench structure
US20050287687A1 (en) * 2004-06-28 2005-12-29 Tien-Fu Liao Method of fabricating algainp light-emitting diode and structure thereof
EP1763117A1 (en) * 2005-09-12 2007-03-14 Agilent Technologies, Inc. Method for making reproducible buried heterostructure semiconductor devices
CN101341590A (zh) * 2005-12-22 2009-01-07 Nxp股份有限公司 制造半导体器件的方法
US20090017570A1 (en) * 2005-12-28 2009-01-15 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. Semiconductor laser device and method for fabricating the same
CN101399222A (zh) * 2007-09-24 2009-04-01 台湾积体电路制造股份有限公司 具有空气间隙的半导体元件的制造方法
CN102227659A (zh) * 2008-09-30 2011-10-26 加利福尼亚太平洋生物科学股份有限公司 超高多路分析***和方法
CN101445215A (zh) * 2008-10-16 2009-06-03 上海集成电路研发中心有限公司 红外探测器及其制造方法
CN102257609A (zh) * 2008-12-19 2011-11-23 飞思卡尔半导体公司 具有隔离的微结构的微机电器件及其生产方法
CN101927976A (zh) * 2009-09-30 2010-12-29 浙江大立科技股份有限公司 微桥结构红外探测器以及制造方法

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112415075A (zh) * 2019-08-21 2021-02-26 生命技术公司 包含多通道流动池的装置
WO2021212429A1 (zh) * 2020-04-23 2021-10-28 深圳华大生命科学研究院 测序芯片及其制备方法

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Publication number Publication date
US20160299068A1 (en) 2016-10-13
US20150044759A1 (en) 2015-02-12
US20130208371A1 (en) 2013-08-15
CN103245612B (zh) 2015-07-22
US9377401B2 (en) 2016-06-28
US10119909B2 (en) 2018-11-06
US8846129B2 (en) 2014-09-30

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