CN111001084A - 可实施半导体器件及用于制造该可实施半导体器件的方法 - Google Patents

可实施半导体器件及用于制造该可实施半导体器件的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种可实施半导体器件及用于制造该可实施半导体器件的方法，该可实施半导体器件包括：电极(209)，其被配置成与生物组织接触；以及至少一个电容器(200)，其中，电容器包括具有第一表面的电容器电极(201)，该第一表面面向并且接触被配置成与生物组织接触的电极。

Description

可实施半导体器件及用于制造该可实施半导体器件的方法
技术领域
本发明涉及集成领域，更具体地，涉及可植入半导体器件。
本发明更精确地涉及具有被配置成与生物组织接触的电极的可植入电子器件。
背景技术
可以将可实施半导体器件***人体或动物体内以使其与生物组织(人体或动物的一部分)接触。通常，这些器件包括提供器件与生物组织之间的电接触的电极。可以选择电极的尺寸和几何形状，以便当感测到信号时优化感测到的信号的质量。
电极然后可以用于感测生物组织中的电信号或还用于刺激生物组织。通常，电极接收由电子电路处理的信号，或者发射由电子电路生成的信号。这些电子电路可以包括例如处理器。
对于本领域技术人员可以想到，这些可植入电子器件必须是生物相容的，并且该要求扩展到电子电路和电极。这意味着对可能使用的材料以及器件的电功能都有限制。通常需要用于防止在实施可实施半导体器件的身体中出现连续电压的方式。
例如，已经提出使用连接在电极与电子电路之间的DC块。该DC块通常使用电容器来实施。为了执行预期的功能，要求电容器具有大的电容值。即使出现电故障，电容器也必须能够确保电隔离。通常，这些电容器的电容值为约几十纳法拉，这导致难以集成体积庞大的电容器。
为了容纳大体积，通过将电容器以及电极和电子电路一起放置在印刷电路板上来解决。在该印刷电路板上，诸如电容器和电极的部件使用金属线连接并且彼此相邻放置。
该解决方案并不令人满意，因为仍然存在来自器件外部环境且以电容器的电平出现的连续电压的风险。
鉴于以上问题而完成了本发明。
发明内容
本发明提供了一种可实施半导体器件，其包括被配置成与生物组织接触的电极和至少一个电容器，
其中，电容器包括具有第一表面的电容器电极，该第一表面面向并且(电)接触被配置成与生物组织接触的电极。
因此，被配置成与生物组织接触的电极与电容器电极接触，并且在不使用在印刷电路板上延伸的金属线的情况下被连接。被配置成与生物组织接触的电极形成在电容器电极的第一表面上。
被配置成与生物组织接触的电极被布置成面向电容器电极的第一表面，因此两者之间的距离被最小化。这减少了在外部环境中产生的连续电压与被配置成接触生物组织的电极接触的可能性。
应当注意，“面向”指的是：被配置成与生物组织接触的电极包括面向且接触电容器电极的第一表面的表面。然后，电容器电极与被配置成与生物组织接触的电极之间的接触可以是直接的或间接的(例如，如果在两者之间存在材料层)。
电容器电极的第一表面基本上也是被配置成与生物组织接触的电极的形状。
上面定义的器件特别适合于深部脑刺激、心脏刺激和脊髓刺激。对于深部脑部刺激，需要小型化和高密度以在神经元刺激中在较小的不必要副作用下获得更高的准确性。对于心脏刺激，需要大面积和定制形状。对于脊髓刺激，需要小型化以避免敏感区域。
根据特定实施方式，被配置成与生物组织接触的电极包括面向电容器电极的所述第一表面的生物相容性导电材料层。
该生物相容性导电材料层可以沉积在电容器电极的第一表面上。
根据特定实施方式，所述电容器电极包括半导体区域。
例如，电容器电极可以是硅基板，优选地是掺杂的硅基板。电容器的其余元件、绝缘层和第二电极可以形成在该基板上与具有第一表面的侧相反的侧上，该第一表面面向并且接触被配置成与生物组织接触的电极。
根据特定实施方式，电容器是三维电容器，并且电容器电极在与具有第一表面的侧相反的侧上包括柱、沟槽或孔中至少之一，第一表面面向并且接触被配置成与生物组织接触的电极。
例如，如果电容器电极包括半导体区域或者是硅基板的形式，则电容器电极可以被蚀刻以限定柱、沟槽或孔。这些蚀刻结构可以填充有绝缘层和形成电容器的第二电极的导电材料。这种类型的结构增加了电容器的表面积，从而增加了电容。
例如，在文献US 8283750中描述了三维电容器的制造。
应当注意，上述三维结构(柱、沟槽、孔)可以排列成阵列。该阵列可以基本上具有被配置成与生物组织接触的电极的形状。
根据特定实施方式，该器件包括两个串联或并联连接的堆叠电容器，所述电容器电极是两个堆叠电容器的电极。
举例来说，两个堆叠电容器可以是使用首字母缩略词MIMIM(“Metal InsulatorMetal Insulator Metal，金属绝缘体金属绝缘体金属”)指定的布置。
例如，可以使用并联连接的电容器来增加器件中的电容密度。
串联连接的电容器提供更高的安全性，因为在电容器发生故障的情况下，由于仍然存在正常工作的电容器，因此可以保持开路。另外，如果电容器短路，则被配置成与生物组织接触的电极仍可以工作，但是电容增加。这种增加的电容是可检测的。
根据特定实施方式，被配置成与生物组织接触的电极包括选自包含金、镍、钨、铂、钯、钴的组的导电材料或该组导电材料中的至少两种材料的合金。
根据特定实施方式，该器件包括封装层，该封装层包括选自包含氧化铝、聚对二甲苯((聚)对二甲苯)的组的绝缘材料或该组绝缘材料中的至少两种材料的组合，
封装层被布置成至少部分地(或完全地)封装电容器并且至少使被配置成与生物组织接触的电极不被覆盖。
该封装层确保了器件的仅可以与生物组织接触的导电区域是被配置成与生物组织接触的电极。
根据特定实施方式，该器件包括被配置成与生物组织接触的多个电极，
被配置成与生物组织接触的每个电极与至少一个电容器相关联，所述至少一个电容器包括具有第一表面的电容器电极，该第一表面面向并且接触被配置成与生物组织接触的电极。
举例来说，被配置成与生物组织接触的多个电极可以排列成阵列。
根据特定实施方式，该器件包括沟槽，所述沟槽围绕被配置成与生物组织相关联的每个电极及其相关联的至少一个相关联的电容器。
应当注意，如果具有与被配置成接触生物组织的电极接触的第一表面的电容器电极包括半导体基板，则沟槽可以在该半导体基板的整个厚度上延伸。
根据特定实施方式，沟槽是空的或包括绝缘材料。
本发明还提供一种用于制造可实施半导体器件的方法，包括：
形成至少一个电容器，所述至少一个电容器包括具有第一表面的电容器电极，
形成被配置成与生物组织接触的电极，该电极面向并且接触电容器电极的第一表面。
该方法可以用于制造如上所述的可实施半导体器件的所有实施方式。
根据特定实施方式，该方法包括在电容器电极的所述第一表面上沉积生物相容性导电材料层。
根据特定实施方式，电容器电极包括半导体区域。
根据特定实施方式，电容器是三维电容器，并且形成电容器包括：在与具有第一表面的侧相反的侧上形成柱、沟槽或孔中至少之一，该第一表面面向并且接触被配置成与生物组织接触的电极。
根据特定实施方式，该方法包括形成串联或并联连接的两个堆叠电容器，所述电容器电极是两个堆叠电容器的电极。
根据特定实施方式，形成被配置成与生物组织接触的电极包括沉积选自包含金、镍、钨、铂、钯、钴的组的导电材料或该组导电材料中的至少两种材料的合金的层。
根据特定实施方式，该方法包括形成包含绝缘材料的封装层，该绝缘材料包括选自包含氧化铝、聚对二甲苯的组的绝缘材料或该组绝缘材料中的至少两种材料的组合，
封装层被布置成至少部分地封装电容器并且至少使被配置成与生物组织接触的电极不被覆盖。
根据特定实施方式，该方法包括形成被配置成与生物组织接触的多个电极，
被配置成与生物组织接触的每个电极与至少一个电容器相关联，所述至少一个电容器包括具有第一表面的电容器电极，该第一表面面向并且接触被配置成与生物组织接触的电极。
根据特定实施方式，该方法包括形成沟槽，所述沟槽围绕被配置成与生物组织接触的每个电极及其相关联的至少一个相关联的电容器。
根据特定实施方式，沟槽包括绝缘材料或为空的。
附图说明
根据以下参照附图以仅示例性而非限制性的方式给出的对本发明的某些实施方式的描述中，本发明的另外的特征和优点将变得明显，在附图中：
图1是根据示例的器件的透视图，
图2是根据本发明的电极将形成在其上的两个电容器的侧视图，
图3是形成有电极的两个电容器的侧视图，
图4是电容器和电极的阵列的侧视图，
图5是电容器和电极的替选阵列的侧视图，
图6是电容器和电极的示例的透视图，
图7示出了电容器和电极的另一阵列，以及
图8是电容器和电极的阵列的透视图。
具体实施方式
现在将描述可实施半导体器件及其相关的制造方法的不同示例。
图1是可实施半导体器件的透视图。该器件可以是适合于深部脑刺激、心脏刺激和脊髓刺激的器件。
在该附图上，已经示出了电容器100。该电容器包括底部电极101，该底部电极101在该示例中包括掺杂的硅基板。在底部电极101的顶部上，已经形成了介电层102。该介电层102可以包括二氧化硅。
电容器100还配备有顶部电极103，并且该顶部电极103可以是例如沉积在介电层102上的导电材料层。在该示例中，电容器100是二维平面电容器。
为了执行上述功能，电容器100配备有电极104，电极104被配置成与生物组织接触。该电极104包括导电材料层，该导电材料层被选择为能够导电并且是生物相容的。举例来说，电极104包括选自包含金、镍、钨、铂、钯、钴的组的导电材料或该组导电材料中的至少两种材料的合金。
电极104沉积在底部电极101的底表面上。因此，这两个电极电接触，并且在该示例中该电接触是直接的。此外，由该沉积导致底部电极101的底表面面对被配置成与生物组织接触的电极104。另外，两个电极(或电极101和电极104的至少底表面)具有基本相同的形状(在所示示例中为圆形)。
因此，由于使电极104与电极101之间的距离最小化，因此提高了可实施器件的安全性。
为了控制电极104或为了接收由电极104感测到的信号，电容器100的顶部电极103使用有线连接部105连接至电子电路106，该电子电路106被配置成执行对由电极104感测或发射的信号的处理。
应当注意，在现有技术的可实施器件中，被配置成与生物组织接触的电极使用印刷电路板上的有线连接部而被连接至相关联的电容器。在上述示例中避免了这种情况。
图2是两个堆叠电容器200的侧视图。电容器200是三维电容器。实际上，电容器200使用半导体基板(例如，包括半导体材料的基板，优选地包括掺杂的硅的基板)而形成，并且该基板还是该堆叠电容器200的底部电极201。
已经例如使用本领域技术人员公知的技术即深反应离子蚀刻(或DRIE)对底部电极201进行蚀刻以形成柱202。该方法特别适合于形成高的高宽比结构诸如柱202。该蚀刻步骤形成底部电极201。
然后，在柱202上方和之间以共形方式沉积介电层203。
还通过在被介电层203覆盖的柱202上方和之间以共形方式沉积导电材料而形成中间电极204。获得第一电容器。
为了形成第二电容器，以共形的方式在被中间电极204覆盖的柱202上方和之间沉积第二介电层205。
然后，该第二介电层205被顶部电极206覆盖，该顶部电极206通过沉积导电材料形成以填充形成在柱202之间的沟槽。然后，获得两个串联连接的堆叠电容器。
顶部电极206可以连接至与参照图1描述的电子电路106类似的电子电路。实际上，图1的实施方式和图2的实施方式是相似的，不同之处在于图1的平面电容器被图2上的两个电容器的三维堆叠体代替。
另外，应当注意，钝化层207沉积在器件的顶部上，同时使顶部电极206至少部分地未被覆盖。
为了形成可植入半导体器件，将在底部电极201的第一表面F1上形成被配置成与生物材料接触的电极。
图3示出了在形成进一步界定底部电极201的沟槽208的步骤之后的图2的堆叠电容器200。在该示例中，沟槽208形成在底部电极201的整个厚度中，并且这些沟槽可以使用绝缘材料例如二氧化硅填充。
在底部电极201上，被配置成与生物组织接触的电极通过沉积生物相容性导电材料层来在第一表面F1上形成，形成电极209。
电极209的厚度为几微米的量级，并且电极209可以包括选自包含金、镍、钨、铂、钯、钴的组的导电材料或该组导电材料中的至少两种材料的合金。
除了钝化层207和沟槽208之外，还形成了附加的封装层210，以封装电容器，并且至少使被配置成与生物组织接触的电极209不被覆盖。
应该注意，如果该器件包括诸如电子电路的单独的部件，则封装可以仅涉及电容器。
封装层210的厚度例如可以为10微米的量级。
另外，封装层包括选自包含氧化铝、聚对二甲苯的组的绝缘材料或该组绝缘材料中的至少两种材料的组合。
从附图中可以看出，电容器和被配置成与生物组织接触的电极直接接触，这提高了器件的安全性。
在图4上，示出了电容器和电极的阵列的侧视图。电容器是与参照图2和图3描述的堆叠电容器200类似的堆叠电容器400。
另外，电容器400被与参照图2和图3描述的沟槽208类似的沟槽408分隔。
在附图中示出了被配置成与生物组织接触的三个电极即电极409a、409b和409c(类似于图3的电极209)。应当注意，阵列可以包括更多数量的电极409i(其中i是区分电极的索引)。例如，该阵列可以是N×M个电极的矩阵。因此，该阵列在垂直于视图的方向上延伸。
电极409i之间的间距(例如，连续的沟槽之间的距离)可以为至少500微米的量级，以获得具有足够大的电容值(为约纳法拉的量级)的电容器。
在图5上示出了替选阵列。在该示例中，在堆叠电容器之间形成沟槽508，并且这些沟槽保持用空隙填充、空的。
在仍使沟槽508中处于空区域的同时，还在沟槽的底部和壁上沉积封装层510(类似于图3的封装层210)。实际上，封装层的厚度可以在沟槽508的壁上较低，以保持空隙的存在。
沟槽的宽度可以是10微米的量级。
图5的实施方式使得能够获得可以布置在非平面表面上的柔性阵列。
图6是电容器和电极的示例的透视图。更精确地，在该附图上，示出了三维电容器的柱阵列600。被配置成与生物组织接触的电极位于下方，在附图中看不到。
在电容器和电极周围形成有圆形绝缘沟槽601，但是应当注意，当在相邻电容器与电极之间也使用空隙/空沟槽时，这种额外的绝缘不是必需的。
图7示出了与参照图6所描述的电容器和电极阵列类似的电容器和电极阵列700的示例。如在该附图上可以看到的，电容器和电极是分开的：空隙用于将电容器和电极分开。
在该附图中，示出了用于控制电容器和电极或用于接收由电极感测的信号的金属线701。
可以使用各种形状，例如，在图8上，示出了电容器和电极的矩形矩阵布置800。
尽管上面已经参考某些特定实施方式描述了本发明，但是应当理解，本发明不受特定实施方式的特殊性的限制。在所附权利要求的范围内，可以在上述实施方式中做出许多变化、修改和发展。

Claims (18)

1.一种可实施半导体器件，包括：电极(104，209)，所述电极被配置成与生物组织接触；以及至少一个电容器(100)，
其中，所述电容器包括具有第一表面(F1)的电容器电极(101，201)，所述第一表面面向并且接触被配置成与生物组织接触的所述电极。
2.根据权利要求1所述的可实施半导体器件，其中，被配置成与生物组织接触的所述电极包括面向所述电容器电极的所述第一表面的生物相容性导电材料层。
3.根据权利要求1或2所述的可实施半导体器件，其中，所述电容器电极包括半导体区域。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的可实施半导体器件，其中，所述电容器是三维电容器，并且所述电容器电极在与具有所述第一表面的侧相反的侧上包括柱(202)、沟槽或孔中至少之一，所述第一表面面向并且接触被配置成与生物组织接触的所述电极。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的可实施半导体器件，其中，被配置成与生物组织接触的所述电极包括选自包含金、镍、钨、铂、钯、钴的组的导电材料或该组导电材料中的至少两种材料的合金。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的可实施半导体器件，包括封装层(210)，所述封装层包括选自包含氧化铝、聚对二甲苯的组的绝缘材料或该组绝缘材料中的至少两种材料的组合，
所述封装层被布置成至少部分地封装所述电容器并且至少使被配置成与生物组织接触的所述电极不被覆盖。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的可实施半导体器件，包括被配置成与生物组织接触的多个电极(409i)；
被配置成与生物组织接触的每个电极与至少一个电容器相关联，所述至少一个电容器包括具有第一表面的电容器电极，所述第一表面面向并且接触被配置成与生物组织接触的所述电极。
8.根据权利要求7所述的可实施半导体器件，包括沟槽(208，408，508)，所述沟槽围绕被配置成与生物组织接触的每个电极以及与所述电极相关联的至少一个相关联的电容器。
9.根据权利要求8所述的可实施半导体器件，其中，所述沟槽是空的或包括绝缘材料。
10.一种用于制造可实施半导体器件的方法，包括：
形成至少一个电容器(100)，所述电容器包括具有第一表面(F1)的电容器电极(101，201)，
形成被配置成与生物组织接触的电极(104，209)，所述被配置成与生物组织接触的电极面向并且接触所述电容器电极的所述第一表面。
11.根据权利要求10所述的方法，包括在所述电容器电极的所述第一表面上沉积生物相容性导电材料层。
12.根据权利要求10或11所述的方法，其中，所述电容器电极包括半导体区域。
13.根据权利要求10至12中任一项所述的方法，其中，所述电容器是三维电容器，并且形成所述电容器包括：在与具有所述第一表面的侧相反的侧上形成柱(202)、沟槽或孔中至少之一，所述第一表面面向并且接触被配置成与生物组织接触的所述电极。
14.根据权利要求10至13中任一项所述的方法，其中，形成被配置成与生物组织接触的所述电极包括沉积选自包含金、镍、钨、铂、钯、钴的组的导电材料或该组导电材料中的至少两种材料的合金的层。
15.根据权利要求10至14中任一项所述的方法，包括形成封装层(210)，所述封装层包括选自包含氧化铝、聚对二甲苯的组的绝缘材料或该组绝缘材料中的至少两种材料的组合，
所述封装层被布置成至少部分地封装所述电容器，并且至少使被配置成与生物组织接触的所述电极不被覆盖。
16.根据权利要求10至15中任一项所述的方法，包括形成被配置成与生物组织接触的多个电极(409i)，
被配置成与生物组织接触的每个电极与至少一个电容器相关联，所述至少一个电容器包括具有第一表面的电容器电极，所述第一表面面向并且接触被配置成与生物组织接触的所述电极。
17.根据权利要求16所述的方法，包括形成沟槽，所述沟槽围绕被配置成与生物组织接触的每个电极以及与所述电极相关联的至少一个相关联的电容器。
18.根据权利要求17所述的方法，其中，所述沟槽包括绝缘材料或者是空的。
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