半導體微量分析芯片和制造它的方法
【專利說明】
[0001]關聯申請的交叉引用
[0002] 本申請基于2013年11月18日提交的日本專利申請No . 2013-237768并且要求其優 先權，該日本專利申請的全部內容通過引用被并入本文中。
技術領域
[0003] 本文說明的實施例通常涉及能夠檢測顆粒樣品的半導體微量分析芯片和制造該 半導體微量分析芯片的方法。
【背景技術】
[0004] 近來，在生物工藝學、衛生保健等技術領域中，已經使用具有例如精細流動溝槽和 檢測系統的元件的微量分析芯片。這些微量分析芯片通常具有通過在玻璃基底或者樹脂基 底上形成的精細凹槽上設置蓋形成的隧道流動溝槽。作為一種感應方法，已知除了激光散 射和熒光檢測之外，還使用精細孔計數精細顆粒。
【附圖說明】
[0005] 圖1是示出了根據第一實施例的半導體微量分析芯片的示意性結構的平面圖；
[0006] 圖2是示出了根據第一實施例的半導體微量分析芯片的示意性結構的截面圖；
[0007] 圖3A和3B是示出了第一半導體微量分析芯片的一部分的放大圖；
[0008] 圖4A至4D是示出了是示出了根據第一實施例的半導體微量分析芯片的制造過程 的截面圖；
[0009] 圖5是示出了根據第二實施例的半導體微量分析芯片的示意性結構的平面圖；
[0010] 圖6是圖5的半導體微量分析芯片的流動溝槽的一部分的放大圖；
[0011] 圖7是示出了根據第三實施例的半導體微量分析芯片的示意性結構的平面圖；
[0012] 圖8是示出了根據第三實施例的半導體微量分析芯片的過程的示意性結構的透視 圖；
[0013] 圖9A至9G是示出了根據第三實施例的半導體微量分析芯片的制造步驟的截面圖；
[0014] 圖10是示出了根據第四實施例的半導體微量分析芯片的示意性結構的平面圖；
[0015] 圖11是示出了根據第四實施例的半導體微量分析芯片的示意性結構的透視圖；
[0016] 圖12是示出了根據第四實施例的半導體微量分析芯片的示意性結構的截面圖；
[0017] 圖13A和13B是示出了當犧牲層被過度蝕刻時的流動溝槽的截面圖；
[0018] 圖14是示出了根據第四實施例的半導體微量分析芯片的功能操作的截面圖；
[0019]圖15A和15B是示出了第四實施例的柱陣列的配置的一個示例的說明；
[0020] 圖16是示出了根據第五實施例的半導體微量分析芯片的示意性結構的透視圖；
[0021] 圖17A至17F是示出了根據第五實施例的半導體微量分析芯片的制造步驟的截面 圖；
[0022] 圖18是示出了根據第六實施例的半導體微量分析芯片的示意性結構的平面圖；
[0023]圖19是示出了根據第六實施例的半導體微量分析芯片的示意性結構的透視圖； [0024]圖20A至20C是示出了根據第六實施例的半導體微量分析芯片的示意性結構的截 面圖；
[0025]圖21是示出了第六實施例的改進示例的平面圖；
[0026] 圖22是示出了第六實施例的改進示例的透視圖；
[0027] 圖23A至23D是示出了第六實施例的柱陣列的配置的示例的說明；
[0028]圖24是用于說明第六實施例的精細顆粒檢測機理的截面圖；
[0029] 圖25是示出了根據第七實施例的半導體微量分析芯片的示意性結構的透視圖；
[0030] 圖26是示出了根據第八實施例的半導體微量分析芯片的示意性結構的透視圖；
[0031] 圖27A和27B是示出了根據第八實施例的半導體微量分析芯片的示意性結構的截 面圖；
[0032] 圖28是用于說明第八實施例的曲線圖并且示出了在第一疊層的灰化率和第二疊 層的灰化率之間的差；
[0033] 圖29是示出了根據第九實施例的半導體微量分析芯片的示意性結構的透視圖；
[0034] 圖30是示出了根據第十實施例的半導體微量分析芯片的示意性結構的平面圖；
[0035] 圖31是示出了根據第十一實施例的半導體微量分析芯片的示意性結構的平面圖； 以及
[0036] 圖32是示出了根據第十一實施例的半導體微量分析芯片的示意性結構的透視圖。
【具體實施方式】
[0037]總之，根據一個實施例，用于檢測樣品液體中的顆粒的半導體微量分析芯片包括： 半導體基底;設置在所述半導體基底的表面部分上的流動溝槽，所述流動溝槽允許所述樣 品液體在其中流動，并且至少其上部被帽層覆蓋;微孔，設置在所述流動溝槽的一部分處， 以允許樣品液體中的顆粒從其通過;和設置在所述帽層上的多個孔。
[0038] 下文參照【附圖說明】實施例。在下面例舉了一些特定材料和結構，但是與所說明的 那些具有相同功能的材料和結構同樣可以使用并且不局限于下面說明的那些實施例。
[0039] (第一實施例）
[0040] 圖1和2是說明第一實施例的半導體微量分析芯片的示意性結構的圖。圖1是平面 圖，并且圖2是沿著圖1的線A-A'截取的截面圖。
[0041] 在附圖中，參考數字10表示半導體基底。可以使用各種半導體材料，如硅(Si)，鍺 (Ge)，碳化硅(SiC)，砷化鎵(GaAs)，磷化銦（InP)和氮化鎵(GaN)用于基底10。下面，將說明 其中硅(Si)被用于半導體基底10的一個示例。
[0042]在Si基底10的表面部分上，流動溝槽20形成為線性凹槽形。流動溝槽20用于使得 包括待檢測的精細顆粒的樣品液體運行，并且通過蝕刻Si基底10的表面形成，尺寸例如為 寬度50μπι并且深度為2μπι。在流動溝槽20的兩端上，設置用于引入和排放樣品液體的開口部 分41和開口部分42,并且電極可分別被插入開口部分41和42內。在不包括流動溝槽20的兩 端的區域處，設置柱陣列50。柱陣列50由從流動溝槽20的底部延伸到S i基底的表面的桿柱 結構(柱)50a構成，并且柱50a作為陣列以規則間隔配置。柱50a的直徑例如為Ιμπι，并且相鄰 的柱之間的間隙例如為0.5μπι。
[0043]在這里，流動溝槽20的底部由Si02膜11覆蓋，并且柱陣列50也由Si02形成。另外，流 動溝槽20的上部由Si02形成的帽層15覆蓋，并且灰化孔16形成在帽層15的多個位置處。 [0044] 在開口部分42中，開口部分17設置在流動溝槽20的背側處，微孔30設置在流動溝 槽20的底部處。流動溝槽20和Si基底10的背開口 17通過微孔30彼此空間連接。
[0045] 在本實施例的半導體微量分析芯片中，當樣品液體被注入到引入開口 41 ( 即，入 口）中時，樣品液體通過毛細管作用流動通過流動溝槽20,然后到達排放開口42, 即，出口。 背開口 17充滿不包含微粒樣品的導電液體。電極(金屬絲等)分別被插入出口 42和背開口 17 中，并且在這些電極之間施加電壓。這些電極感應通過微孔30在電極之間流動的離子電流。 當顆粒通過微孔30時，顆粒占據了微孔30的一部分，因此微孔30的該部分的電阻改變。離子 電流根據在電阻上的改變而改變。如上所述，當顆粒通過微孔30時，通過觀察離子電流上的 變化，能檢測已經通過微孔30的顆粒。
[0046] 在這里，如果每個灰化孔16的直徑太大，那么樣品液體可能從孔16流出。因此，每 個灰化孔16的直徑R需要小到樣品液體不會流出。圖3A是流動溝槽20的一部分的俯視圖，圖 3B是流動溝槽20沿著流動溝槽的方向的截面圖。如圖3B所示，當樣品液體26流動通過流動 溝槽20時，液體進入灰化孔16中。如果灰化孔16的直徑大，那么樣品液體根據灰化孔16的內 壁和帽層15的頂表面的可濕度流出流動溝槽20。相反，如果灰化孔16的直徑小，例如，當灰 化孔16的直徑R小于帽層15的厚度D時，表面張力作用在灰化孔16和帽層15的頂表面之間的 接界處。因此，通過使得灰化孔16的直徑R小于帽層15的厚度D，樣品液體26將由于帽層表面 的表面張力而不會流出流動溝槽20。
[0047]接下來，將參照圖4A至4D說明制造本實施例的半導體微量分析芯片的方法。
[0048] 首先，如圖4A所示，在Si基底10上形成入口 41、出口 42、流動溝槽20和柱陣列50。這 里，Si基底10的表面和柱陣列50由Si氧化物膜形成。為了形成這些，在形成對應于在Si基底 10上的入口41、出口42、流動溝槽20和柱陣列50的掩膜之后，Si基底10通過RIE等選擇地被 蝕刻。可以隨后進行氧化處理。
[0049]接下來，如圖4B所示，犧牲層12被填充進流動溝槽部分中，以支持在流動溝槽上形 成帽膜。聚酰亞胺樹脂等的有機材料可用于犧牲層12。例如，聚酰亞胺樹脂的前體被旋轉噴 涂并且熱固化。此后，通過聚酰亞胺樹脂等的化學機械拋光(CMP)、整體蝕刻使得固化部分 平面化。任何材料可用于犧牲層12,只要它允許二氧化硅（Si0 2)，氮化硅（SiNx)，氧化鋁 (Al2〇3)等的絕緣膜在其上堆疊即可。即，犧牲層12的材料不局限于有機材料，可以是其它材 料。
[0050] 接下來，如圖4C所示，Si02等的帽層15形成在Si基底10的表面上，覆蓋在犧牲層12 上。然后，用于入口 41和出口 42的開口部分和灰化孔16形成在帽層15上。雖然灰化孔16的配 置不被具體地限制，但是最好使得它們在一定程度上均勻配置，以采用相同的灰化去除犧 牲層12。如果灰化孔16的直徑R大于柱50a之間的間隔，那么灰化孔16的一部分可能與柱50a 疊置。
[0051] 接下來，如圖4D所示，犧牲層12通過氧等離子體灰化等選擇性地被去除。此時，灰 化氣體通過灰化孔16以及入口 41和出口 42進入流動溝槽20內，致使能夠快速地去除犧牲層 12。即，利用灰化孔16,用于灰化處理所需的時間減少，并且犧牲層12能均勻地被去除。
[0052] 因此，在本實施例中，僅通過引入樣品液體和有關電的觀察就能檢測精細顆粒。另 外，通過半導體加工技術能實現超小型化和量產，并且顆粒檢測電路、顆粒辨別電路等也能 集成。因此，能大量地且低成本地制造超小型的并且高靈敏度的半導體微量分析芯片。
[0053] 此外，由于灰化孔16形成在覆蓋流動溝槽20的帽層15中，所以能夠快速且均勻地 進行用于流動溝槽形成的犧牲層的去除，由此減少了用于灰化處理所