具有改進的熒光信號傳感特性的生物芯片制造方法以及使用此方法制造的生物芯片的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明的示例性實施例涉及一種生物芯片制造方法以及使用此方法制造的生物芯片，尤其是涉及一種能夠提供基于位置的多傳感特性并能夠應用到實時定量PCR(聚合物鏈反應)的具有改進的熒光信號傳感特性的生物芯片制造方法，以及使用此方法制造的生物芯片。
【背景技術】
[0002]通常，生物芯片通過對參考樣品進行有規律的排列形成，參考樣品包括由玻璃、黃金等金屬嘔吐尼龍等材料在基板上制成的如DNA或蛋白質等的生物材料。
[0003]生物芯片基本上使用固定在基板上的參考樣品和目標樣品之間的生化反應。參考樣品和目標樣品之間的生化反應的典型實例包括DNA堿基的互補結合、抗原-抗體免疫反應等。
[0004]使用生物芯片的基于光學的定量和定性診斷通常通過檢測參考樣品和目標樣品之間的生化反應的程度來執行，其中，生化反應的最終產品被轉換為可檢測的光。通常使用的光學轉換媒介基于化合作用產生的色彩構成、化學發光、熒光等。
[0005]圖1是對傳統的熒光反應檢測系統進行說明的視圖。
[0006]根據圖1，傳統的熒光反應檢測系統包括彼此互相分離的光源10、帶通濾波器20、生化反應裝置30、熒光帶通濾波器40和光傳感裝置50。
[0007]當在其中發生生化反應的生化反應裝置30和光傳感裝置50之間的距離以R表示且光傳感裝置50中的光傳感器的開口的半徑以r表示時，入射到光傳感器上的熒光的數量與生化反應的結果生成的熒光的總量(I)相比，降至1(^!^)/(4 311?2)，同時損失許多光信號。
[0008]因此，如果r/R的比值降低，則入射到光傳感器上的光的數量減少，據此靈敏度減小。當r/R的比值接近1時，靈敏度增大。為使靈敏度最大，有必要將系統具體化以使光傳感器和生物反應區域盡量彼此靠近。
[0009]圖2是提供有光傳感器以解決上述傳統問題的生物芯片的截面圖。
[0010]根據圖2，提供有光傳感器的傳統的生物芯片100包括生物層110和光傳感器層120(light sensor layer)。
[0011]生物層110包括在其中發生參考樣品111a和目標樣品111b之間的反應的反應區域111。進一步，為了能夠確定生化反應的結果，生物層110體現為使得冷光或熒光材料基于反應的程度而保留在反應區域111中。
[0012]在冷光材料保留的情況下，由于形成的外部環境冷光材料本身發光，因此單獨的光源沒有必要。然而，在熒光材料保留的情況下，需要外部光源以激發熒光材料。
[0013]為此，傳統技術使用的方法為:在光學傳感器的上端設置單獨的外部光源和熒光帶通濾波器，或者在其下部將具有反射板113的發光裝置112安裝在生物層110中，從而發光裝置發出的光被用于激發生物層中的熒光材料。
[0014]然而，在傳統的生物層中，當作為生化反應的結果依靠外部光源和內部發光裝置發出的光制造熒光信號時，也產生達到熒光信號的數千數萬倍的激發光的噪音信號。這種噪音信號進入光傳感器層，導致難于正確檢測生化反應產生的熒光信號。
【發明內容】
[0015]各種實施例涉及一種用于制造具有改進的熒光信號傳感特性的生物芯片的方法，以及使用該方法制造的生物芯片，其中在其下部之下提供有金屬布線層的發光裝置形成在生物芯片中以激發熒光材料；用于阻擋熒光所需的激發光的熒光激發光帶阻濾波器層分離地形成在生物層和光面元件層之間的邊界中；顏色過濾層形成在光傳感器層的上表面以根據熒光材料的波長的帶阻擋激發光并允許熒光信號借此穿過，據此盡可能阻擋從生物層產生的激發光噪音入射到光傳感器層，如此使探測更多的微小的熒光信號成為可能。
[0016]在一個實施例中，一種用于制造具有改進的熒光信號傳感特性的生物芯片的方法包括:在半導體基板上形成包括多個光感單元的光傳感器層；整平所述光傳感器層的表面；在所述整平的光傳感器層之上形成過濾層；在所述過濾層之上形成生物層，所述生物層具有多個反應區域，在各反應區域中發生參考樣品和目標樣品之間的生化反應，在所述生物層中嵌有發光裝置，其中阻擋從各發光裝置發出的光入射到對應的光感單元上。
[0017]在另一個實施例中，一種具有改進的熒光信號傳感特性的生物芯片，包括:嵌有下方具有金屬布線層的發光裝置的生物層，并且形成有多個反應區域，在各反應區域中發生參考樣品和目標樣品之間的生化反應；形成在所述生物層之下的過濾層；以及形成在所述過濾層之下的光傳感器層，并且在各光傳感器層中形成多個光感單元，其中所述過濾層經整平所述光傳感器層的上部和通過原子層沉積過程(ALD)堆疊氮化硅薄膜形成，并且阻擋從各發光裝置發出的光入射到對應的光感單元上。
【附圖說明】
[0018]圖1是對傳統的熒光反應檢測系統進行說明的視圖。
[0019]圖2是提供有光傳感器以解決上述傳統問題的生物芯片的截面圖。
[0020]圖3是根據本發明的具有改進的傳感特性的生物芯片制造方法的流程圖。
[0021]圖4A至圖4D是與根據本發明與制造方法的流程圖相對應的截面圖。
[0022]圖5是根據本發明對生物芯片制造方法的過濾層形成步驟的詳細過程進行說明的流程圖。
[0023]圖6是對應于根據本發明對生物芯片制造方法的過濾層形成步驟的詳細過程的流程圖的截面圖。
[0024]圖7是根據本發明對生物芯片制造方法的生物層形成步驟的實施例的詳細過程進行展示的流程圖。
[0025]圖8是根據本發明對生物芯片制造方法的生物層形成步驟的另一實施例的詳細過程進行展示的流程圖。
[0026]圖9是根據本發明對生物芯片制造方法的生物層形成步驟的另一實施例的詳細過程進行展示的流程圖。
[0027]圖10是根據本發明對以使用生物芯片制造方法制造的生物芯片的實施例的配置進行說明的視圖。
[0028]圖11是根據本發明對適用生物芯片制造方法制造的生物芯片的另一實施例的配置進行說明的視圖。
[0029]圖12是根據本發明對使用該生物芯片制造方法制造的生物芯片的另一實施例的配置進行說明的視圖。
[0030]圖13是根據本發明對具有改進的熒光信號傳感特性的生物芯片的發光裝置和金屬布線層(metal wiring layer)的厚度和寬度的關系進行說明的視圖。
[0031]圖14是根據本發明對生物芯片的光感單元(light sensing unit)的配置進行說明的視圖。
[0032]圖15是根據本發明對使用生物芯片的系統進行說明的視圖。
[0033]圖16是根據本發明對使用含生物芯片的系統進行實時定量PCR(聚合物鏈反應)的方法進行展示的視圖。
[0034]圖17A和圖17B是根據本發明對使用生物芯片以微陣列方式進行基于位置的多路復用診斷方法進行說明的視圖。
【具體實施方式】
[0035]以下參照附圖對實施例的不同實施例進行說明。然而，本發明可以不同的方式實現，不應當解釋為僅限于在此提出的實施例。相反，提供這些實施例是為了本公開更加清楚和完整，并向本領域的技術人員全面地傳達本公開的范圍。貫穿本公開，在附圖和實施例中，相同的附圖標記表示相同的部件。
[0036]以下參照附圖對本發明的示例性實施例進行詳細說明。
[0037]圖3是根據本發明的具有改進的傳感特性的生物芯片制造方法的流程圖。圖4A至圖4D是與根據本發明與制造方法的流程圖相對應的截面圖。
[0038]參照圖3和圖4，根據本發明的生物芯片制造方法包括光傳感器層形成步驟S100、整平(planarizat1n)步驟S200、過濾層形成步驟S300和生物層形成步驟S400。
[0039]在光傳感器層形成步驟S100中，將多個光感單元提供在半導體基板上，從而形成光傳感器層430(參照圖4A)。
[0040]優選地，使用光電二極管作為各光感單元431。進一步，為保證本發明的熒光傳感系統的可靠運行以及增大檢測范圍，具有不同大小的光電二極管被組合在光電二極管陣列中。
[0041]同時，考慮到光源的光透射深度，對各個光電二極管的放置深度進行調整。用這種方法，過濾功能能夠得以補足。
[0042]也就是說，在光傳感器層形成步驟中，考慮到光源的光透射深度光感單元嵌入的深度能夠調整，這樣從熒光激發源即發光裝置發出的光能被阻擋并且生物反應產生的大部分熒光能被吸收。從而使過濾功能得以補足。
[0043]典型地，基于藍色的光源作為用于生物反應的發光裝置使用。同樣地，在使用藍色光源的情況下，各光感單元優選地自基板表面嵌入半導體基板0.2 μ m至0.4 μ m的深度，從而能提高光感單元的靈敏度。
[0044]在光傳感器層形成步驟S100中，可進一步提供圖像信號處理器(以下簡稱ISP)，其對光傳感器層中熒光反應之前和之后產生的信號進行處理，從而能夠獲得來源于熒光反應的信號。ISP的詳細作用將在下文描述。
[0045]在整平步驟S200中，光傳感器層430的上部被整平(參照圖4B)。
[0046]剛剛形成的光傳感器層430的上表面通常是不平的相反還有劃痕。其原因在于半導體制造過程中雜質的滲透或者化學反應引入了雜質。在本發明中，當在所需的表面上形成一層或多層納米薄膜時，如果表面不平或者有劃痕，在不平或有劃痕的表面上難于正確地沉積薄膜。從而，過濾層的幾何結構會變得不規則，據此過濾層的過濾性能會下降。另夕卜，即使通過沉積形成了幾十層過濾層，如薄膜有十六至四十層，此問題也未解決反而是累積到各過濾層。
[0047]因此，在光傳感器層430的上表面形成過濾層420之前，必然需要對目標表面進行整平以便覆蓋過濾層420。
[0048]盡管用于典型的半導體制造過程的整平操作是為了上部結構的可靠形成，本發明中的整平操作還能夠防止到達光傳感器層的光的質量的下降。進一步，