(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ベース基板上に配置された画像層、
前記画像層の上に配置されたデバイススタック、
前記デバイススタックに配置されたボンドパッド、
前記デバイススタックおよび前記ボンドパッドの上に配置されたパッシベーションスタック、
前記パッシベーションスタックの最上層に配列されたナノウェルのアレイ、
前記ベース基板を貫通して前記ボンドパッドと電気的に接触するシリコン貫通ビア（ＴＳＶ）、および
前記ベース基板の底面に配置され且つ前記ＴＳＶと電気的に接触する再配線層（ＲＤＬ）を備える、イメージセンサ構造と、
前記パッシベーションスタックの前記最上層の上に配置され、それらの間にフローチャネルを形成するフローセルと、
を備え、
前記フローチャネルが前記ナノウェルのアレイおよび前記ボンドパッドの上に配置されている、
システム。
【請求項２】
前記ＲＤＬの第１部分の上に配置された第１の環境保護層と、
前記第１の環境保護層の上に配置された機械的支持構造と、
前記ＲＤＬの第２の部分に電気接触接合されたワイヤと、
を備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記ＲＤＬの前記第２の部分の上に配置された第２の環境保護層を備え、
前記第１および第２の環境保護層が前記ＲＤＬの全体を覆う、請求項２に記載のシステム。
【請求項４】
前記ボンドパッドは複数のボンドパッドであり、それらの上に前記フローチャネルが配置される、請求項１に記載のシステム。
【請求項５】
前記パッシベーションスタックは、
前記デバイススタックと前記ボンドパッドの上に配置された第１のパッシベーション層と、
前記第１のパッシベーション層の上に配置された第１の化学保護層と、
を備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項６】
前記第１の化学保護層の上に配置された第２のパッシベーション層と、
前記第２パッシベーション層の上に配置された第２化学保護層と、
を備える、請求項５に記載のシステム。
【請求項７】
前記画像層内に配置された光検出器のアレイと、
前記デバイススタック内に配列された光ガイドのアレイと、
を備え、各光ガイドが前記光検出器のアレイの少なくとも１つの光検出器に関連付けられている、請求項１に記載のシステム。
【請求項８】
前記パッシベーションスタックは、前記光ガイドの上面と直接接触する底面を備える、請求項７に記載のシステム。
【請求項９】
前記フローセルは、
前記フローセルの側壁に取り付けられたフローセルリッドを備え、前記フローセルの側壁は前記パッシベーションスタックの最上層に接合され、
前記フローチャネルは、前記フローセルリッドと前記フローセルの側壁と前記パッシベーションスタックの最上層とによって形成される、請求項１に記載のシステム。
【請求項１０】
前記デバイススタックと前記パッシベーションスタックとの間に配置された遮光層を備え、
前記ボンドパッドが前記遮光層を貫通するボンドパッド開口部に配置されている、請求項１に記載のシステム。
【請求項１１】
前記ボンドパッドの上面は、前記パッシベーションスタックの底面より下に配置されている、請求項１に記載のシステム。
【請求項１２】
ベース基板上に配置された画像層であり、その中に光検出器のアレイが配列されている画像層、
前記画像層の上に配置されたデバイススタック、
前記デバイススタック内に配置された複数のボンドパッド、
前記デバイススタックに配列された光ガイドのアレイ、
前記デバイススタックおよび前記ボンドパッドの上に配置されたパッシベーションスタック、
前記パッシベーションスタックの最上層に配列されたナノウェルのアレイ、前記ベース基板を貫通して前記複数のボンドパッドのボンドパッドと電気的に接触するシリコン貫通ビア（ＴＳＶ）、および
前記ベース基板の底面に配置され且つ前記ＴＳＶと電気的に接触する再配線層（ＲＤＬ）を備える、イメージセンサ構造と、
前記パッシベーションスタックの前記最上層の上に配置され、それらの間にフローチャネルを形成するフローセルと、
を備え、
前記フローチャネルが前記ナノウェルのアレイおよび前記ボンドパッドの上に配置されている、
システム。
【請求項１３】
前記ＲＤＬの第１部分の上に配置された第１の環境保護層と、
前記第１の環境保護層の上に配置された機械的支持構造と、
前記ＲＤＬの第２の部分に電気的接触接合されたワイヤと、
前記ＲＤＬの前記第２の部分の上に配置された第２の環境保護層と、
を備え、
前記第１および第２の環境保護層が前記ＲＤＬの全体を覆う、請求項１２に記載のシステム。
【請求項１４】
前記パッシベーションスタックは、
前記デバイススタックおよび前記ボンドパッドの上に配置された第１のパッシベーション層と、
前記第１のパッシベーション層の上に配置された第１の化学保護層と、
を備える、請求項１２に記載のシステム。
【請求項１５】
前記第１の化学保護層の上に配置された第２のパッシベーション層と、
前記第２パッシベーション層の上に配置された第２化学保護層と、
を備える、請求項１４に記載のシステム。
【請求項１６】
デバイススタックと画像層をベース基板層上にそれぞれ配置するステップと、
前記デバイススタックにボンドパッドを配置するステップと、
前記デバイススタックと前記ボンドパッドの上にパッシベーションスタックの少なくとも一部を配置するステップと、
前記パッシベーションスタックの最上層にナノウェルのアレイを形成するステップと、
前記ベース基板層の底面を通して前記ボンドパッドまで延びるＴＳＶをエッチングするステップと、
前記ＴＳＶをボンドパッドと電気的に接触させるためにめっきするステップと、
ＲＤＬを前記ベース基板層の底面に、前記ＴＳＶと電気的に接触させて配置するステップと、
前記パッシベーションスタックの最上層の上にフローセルを配置して、それらの間にフローチャネルを形成するステップと、
を備え、
前記フローチャネルが前記ナノウェルのアレイおよび前記ボンドパッド上に配置される、
方法。
【請求項１７】
前記ＲＤＬの第１部分の上に第１の環境保護層を配置するステップと、
前記第１の環境保護層の上に機械的支持構造を接合するステップと、
前記ＲＤＬの第２の部分にワイヤをボンディングし、ボンディングされたワイヤを前記ＲＤＬと電気的に接触させるステップと、
を備える、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記ＲＤＬの第２の部分の上に第２の環境保護層を配置するステップと、
前記ＲＤＬを前記第１および第２の環境保護層で完全に覆うステップと、
を備える、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記パッシベーションスタックの少なくとも一部を配置するステップは、
前記デバイススタックと前記ボンドパッドの上に第１パッシベーション層を配置するステップと、
前記第１パッシベーション層の上に第１の化学保護層を配置するステップと、
前記第１の化学保護層の上に第２のパッシベーション層を配置するステップと、
を備える、請求項１６に記載の方法。
【請求項２０】
前記ナノウェルのアレイを形成するステップは、前記第２のパッシベーション層に前記ナノウェルのアレイをエッチングするステップと、前記第２のパッシベーション層の上に第２の化学保護層を配置するステップとを備える、請求項１９に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
背景
センサシステム、例えばバイオセンサシステムは、イメージセンサ構造のパッシベーション積層体（ここでは「パッシベーションスタック」という）の最上層に配置されたフローセルを含むことができ、フローセルとパッシベーションスタックはそれらの間にフローチャネルを形成する。このようなセンサシステムは、多くの場合、フローセルのフローチャネル内でパッシベーションスタックの最上層に配列されたナノウェルの高密度アレイを利用して、ナノウェル内に配列される検体の制御反応プロトコルを実行する。
【０００２】
そのような反応プロトコルの一例では、イメージセンサ構造のナノウェルアレイに配列される検体（ＤＮＡセグメントのクラスター、核酸分子鎖など）は、フローチャネルを流れる流体により検体に送達される識別可能なラベル（蛍光標識分子など）でタグ付けすることができる。次に、１つ以上の励起光をナノウェル内の標識された検体に向けることができる。次に、検体は発光光子を放出することができ、その発光光子はパッシベーションスタックを通って各ナノウェルに関連付けられた（例えば、直下に位置する）イメージセンサ構造の光ガイドに透過することができる。
【０００３】
各光ガイドの上面は、パッシベーションスタックの底面と直接接触しており、各光ガイドの上面は、関連するナノウェルから伝搬される発光光子のかなりの部分を受け取る。光ガイドは、発光光子をイメージセンサ構造内に配列され且つ光ガイドに関連付けられた（例えば、真下に位置する）光検出器に向ける。光検出器は発光光子を検出する。次に、イメージセンサ構造内のデバイス回路が、検出された光子を使用してデータ信号を処理および送信する。その後、データ信号は分析されて検体の特性を明らかにすることができる。そのような反応プロトコルの例には、健康および製薬産業などのためのハイスループットＤＮＡシーケンスが含まれる。
【０００４】
そのような反応プロトコルから生成されるデータスループットを増加させる必要性が高まり続けているので、イメージセンサ構造のナノウェルアレイ内のナノウェルのサイズを減少させてナノウェルアレイ内のナノウェルの数を増加させる必要性が高まり続けている。さらに、サイズを小さくしてナノウェルの数を増加する必要性が高まるにつれて、そのような化学反応を準備し実行するのに必要な表面化学がセンサシステム内の電子部品（ボンドパッドなど）とコンパチブルであることがますます重要になる。
【発明の概要】
【０００５】
本開示は、イメージセンサシステムのパッシベーションスタックの下に配置されたボンドパッドを含む、例えばバイオセンサシステムなどのセンサシステムを提供することによって、従来技術より多くの利点及び選択肢を提供する。ボンドパッドはパッシベーションスタックによって保護されるため、センサシステムのフローチャネル領域はもはやボンドパッドによって制限されず、ボンドパッドの上にもナノウェルが配置されるように拡大することができる。したがって、一定のフットプリントを有するイメージセンサ構造のフローチャネルの下に収めることができるナノウェルの数を増やすことができる。
【０００６】
本開示の１つまたは複数の態様によるシステムは、イメージセンサ構造とフローセルを含む。イメージセンサ構造は、ベース基板の上に配置された画像層を含む。デバイススタックが画像層の上に配置される。ボンドパッドがデバイススタックに配置される。パッシベーションスタックがデバイススタックとボンドパッドの上に配置される。ナノウェルのアレイがパッシベーションスタックの最上層に配列される。シリコン貫通ビア（ＴＳＶ）がボンドパッドと電気的に接触する。ＴＳＶはベース基板を貫通する。再配線層（ＲＤＬ）がベース基板の底面に配置される。ＲＤＬはＴＳＶと電気的に接触する。フローセルがパッシベーションスタックの最上層の上に配置され、それらの間にフローチャネルを形成する。フローチャネルはナノウェルのアレイとボンドパッドの上に配置される。
【０００７】
本開示の１つまたは複数の態様による別のシステムは、フローセルとイメージセンサ構造を含む。イメージセンサ構造は、ベース基板の上に配置された画像層を含む。画像層は、その中に配列された光検出器のアレイを含む。デバイススタックが画像層の上に配置される。複数のボンドパッドがデバイススタック内に配置される。光ガイドのアレイがデバイススタック内に配列される。パッシベーションスタックが、デバイススタックと複数のボンドパッドの上に配置される。ナノウェルのアレイがパッシベーションスタックの最上層に配列される。シリコン貫通ビア（ＴＳＶ）が複数のボンドパッドのボンドパッドと電気的に接触する。ＴＳＶはベース基板を貫通する。再配線層（ＲＤＬ）がベース基板の底面に配置される。ＲＤＬはＴＳＶと電気的に接触する。フローセルがパッシベーションスタックの最上層の上に配置され、それらの間にフローチャネルを形成する。フローチャネルはナノウェルのアレイと複数のボンドパッドの上に配置される。
【０００８】
本開示の１つまたは複数の態様による方法は、ベース基板層の上にデバイススタックおよび画像層を配置する。ボンドパッドをデバイススタックに配置する。パッシベーションスタックをデバイススタックとボンドパッドの上に配置する。ナノウェルのアレイをパッシベーションスタックの最上層に形成する。ＴＳＶをベース基板層の底面を通してエッチングする。ＴＳＶはボンドパッドまで延ばす。ＴＳＶはボンドパッドと電気的に接触するようにメッキする。ＲＤＬをベース基板層の底面に配置する。ＲＤＬはＴＳＶと電気的に接触する。フローセルをパッシベーションスタックの最上層の上に配置し、それらの間にフローチャネルを形成する。フローチャネルは、ナノウェルのアレイとボンドパッドの上に位置する。
【０００９】
本開示は、添付の図面と関連する以下の詳細な説明からより完全に理解されよう。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】イメージセンサ構造の上に配置され、それとの間にフローチャネルを形成するフローセルを有する一つのタイプのセンサシステムの一例の簡略断面側面図であり、そのイメージセンサ構造は、フローチャネル内に配列されたナノウェルのアレイを有するとともに、フローチャネル外に配置されたボンドパッドも有する。
【図２】イメージセンサ構造の上に配置され、それとの間にフローチャネルを形成するフローセルを有するセンサシステムの簡略断面側面図であり、そのイメージセンサ構造は、フローチャネル内に配列されたナノウェルのアレイを有するとともに、本明細書に開示される一例に従ってフローチャネル内に配置されたボンドパッドも有する。
【図３】図２のセンサシステムの製造の中間段階における簡略断面図であり、この段階では、イメージセンサ構造は、本明細書に開示される一例に従って、デバイススタックに配置された光ガイドおよびベース基板上に配置されたデバイススタックを含む。
【図４】図３のセンサシステムの簡略断面図であり、この段階では、イメージセンサ構造は、本明細書に開示される一例に従って、デバイススタックに配置されたボンドパッドを含む。
【図５】図４のセンサシステムの簡略断面図であり、この段階では、イメージセンサ構造は、本明細書に開示される一例に従って、デバイススタックおよびボンドパッド上に配置されたパッシベーションスタックを含む。
【図６】図５のセンサシステムの簡略断面図であり、この段階では、イメージセンサ構造は、本明細書に開示される一例に従って、パッシベーションスタックの最上層に配列されたナノウェルを含む。
【図７】図６のセンサシステムの簡略断面図であり、この段階では、イメージセンサ構造は、本明細書に開示される一例に従ってベース基板の底面からボンドパッドまで延びる貫通シリコンビア（ＴＳＶ）を含む。
【図８】図７のセンサシステムの簡略断面図であり、この段階では、イメージセンサ構造は、本明細書に開示される一例に従って、ベース基板の底面に配置され、ＴＳＶと電気的に接触する再配線層（ＲＤＬ）を含む。
【図９】図８のセンサシステムの簡略化された断面図であり、この段階では、イメージセンサ構造は、本明細書に開示される一例に従って、ＲＤＬの第１部分の上に配置された第１の環境保護層を含む。
【図１０】図９のセンサシステムの簡略断面図であり、この段階では、イメージセンサ構造は、本明細書に開示される一例に従って、第１環境保護層およびＲＤＬの第２の部分を覆う一時的保護層に結合された機械的支持構造を含む。
【図１１】図１０のセンサシステムの簡略断面図であり、この段階では、イメージセンサ構造は、本明細書に開示される一例に従って、ナノウェル内に配置されたヒドロゲル層を含む。
【図１２】図１１のセンサシステムの簡略断面図であり、この段階では、本明細書に開示される一例に従って、フローセルがイメージセンサ構造に接合される。
【図１３】図１２のセンサシステムの簡略断面図であり、この段階では、本明細書に開示される一例に従って、ワイヤがＲＤＬの第２の部分に結合される。
【図１４】図１３のセンサシステムの簡略断面図であり、この段階では、本明細書に開示される一例によるセンサシステムの形成を完了するために、第２の環境保護層がＲＤＬの第２の部分およびボンディングワイヤの上に配置される。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本明細書に開示される方法、システム、およびデバイスの構造、機能、製造、および使用の原理の全体的な理解を提供するために、いくつかの例をこれから説明する。添付の図面に１つ以上の例が示されている。本明細書に具体的に記載され、添付の図面に示される方法、システム、およびデバイスは非限定的な例であり、本開示の範囲は特許請求の範囲によってのみ特定されることは当業者に明らかであろう。一つの例に関連して図解されまたは説明される特徴は、他の例の特徴と組み合わせることができる。そのような修正および変形は、本開示の範囲内に含まれることが意図されている。
【００１２】
請求項を含む本開示全体に亘って使用される「実質的に」、「およそ」、「約」、「比較的」、または他の同様の用語は、処理のばらつき等に起因する小さな変動を表現および考慮するために使用している。たとえば、それらは、±１０％より小さいか等しい、例えば±５％より小さいか等しい、例えば±２％より小さいか等しい、例えば±１％より小さいか等しい、例えば±０．５％より小さいか等しい、例えば±０．２％より小さいか等しい、例えば±０．１％より小さいか等しい以下、例えば±０．０５％より小さいか等しい、などを表わし得る。
【００１３】
本明細書で提供される例は、センサシステムおよびその製造方法に関する。より具体的には、本明細書で提供される例は、ナノウェルとボンドパッドの上に配置されたフローチャネルを有するセンサシステムに関する。
【００１４】
図１は、フローチャネル内に配置されたナノウェルとフローチャネル外に配置されたボンドパッドを有する従来技術のセンサシステムを示す。図２は、本開示による、ナノウェルとボンドパッドの上に配置されたフローチャネルを有するセンサシステムの一例を示す。図３〜図１４は、本開示による図２のセンサシステムを製造する方法の様々な例を示す。
【００１５】
図１を参照するに、一つのタイプのセンサシステム１０（この例ではバイオセンサシステム１０である）の一例は、イメージセンサ構造１４に接合されたフローセル１２を含む。センサシステム１０のフローセル１２はフローセル側壁１８に固着されたフローセルカバー１６を含む。フローセル側壁１８は、イメージセンサ構造１４のパッシベーションスタック２４の最上層２２に接合されて、それらの間にフローチャネル２０を形成する。
【００１６】
パッシベーションスタック２４の最上層２２は、その中に配列されたナノウェル２６の大きなアレイを含む。ナノウェル２６は、ナノウェル２６の内面にコンフォーマルであるヒドロゲル２７の薄層を含む。ヒドロゲル層２７は、検体２８（例えば、ＤＮＡセグメント、オリゴヌクレオチド、他の核酸鎖など）の固定および機能化を支援するために使用され、ナノウェル２６内に配置することができる。
【００１７】
フローセルカバーは、流体フロー３４がフローチャネル２０に流入し、通過し、流出することができる大きさの入口ポート３０と出口ポート３２を含む。流体フロー３４は、ナノウェル２６内に配列される検体２８に多数の様々な制御反応プロトコルを実行するために使用することができる。流体フロー３４はまた、検体２８にタグ付けするために使用できる識別可能な標識３６（蛍光標識ヌクレオチド分子など）を送達することもできる。
【００１８】
センサシステム１０のイメージセンサ構造１４は、ベース基板３８上に配置された画像層４０を含む。画像層４０は、窒化ケイ素（ＳｉｘＮｘ）などの誘電体層としてもよく、その中に配列された光検出器４２のアレイを含んでもよい。本明細書で使用される光検出器４２は、例えばフォトダイオードなどの半導体検出器、相補型金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）検出器、またはその両方としてよい。光検出器４２は、ナノウェル２６内の検体２８に付着した蛍光標識３６から放出される放射光４４の光子を検出する。ベース基板３８は、ガラス、シリコン、または他の同様の材料としてよい。
【００１９】
デバイススタック４６は、画像層４０の上に配置される。デバイススタック４４は、光検出器４２とインターフェースし、検出した放射光４４の光子を使ってデータ信号を処理する様々なデバイス回路４８を含む複数の誘電体層（図示せず）を含むことができる。
【００２０】
また、デバイススタック４６には、光ガイド５０のアレイも配列される。各光ガイド５０は、光検出器のアレイのうちの少なくとも１つの光検出器４２と関連付けられている。例えば、光ガイド５０は、その関連する光検出器４２の真上に配置することができる。光ガイド５０は、ナノウェル２６内に配列される検体２８の蛍光標識３６からの放射光４４の光子を関連する光検出器４２に向ける。
【００２１】
また、デバイススタック４６内には、遮光層５２、反射防止層５４および保護ライナー層５６も配置される。保護ライナー層５６は、窒化ケイ素（ＳｉＮ）または二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）で構成してよい。遮光層５２は、タングステン（Ｗ）またはアルミニウム（Ａｌ）で構成してよく、デバイススタック４６内を伝わる放射光４４および励起光５８を減衰させる。反射防止層５４は、その下の金属層のフォトリソグラフィパターニングのために、窒化タングステン（ＷＮ）または酸窒化ケイ素（ＳｉＯＮ）で構成してよい。
【００２２】
パッシベーションスタック２４は、デバイススタック４６の上に配置される。パッシベーションスタック２４は、光ガイド５０の上面６２と直接接触する底面６０を含む。パッシベーションスタック２４は、パッシベーション層６４および化学保護層６６（本例では、パッシベーションスタック２４の最上層２２）を含むことができる。パッシベーション層６４はＳｉＮで構成してよく、パッシベーションスタック２４の底面６０を含んでもよい。化学保護層６６は五酸化タンタル（Ｔａ２Ｏ５）で構成してよく、パッシベーションスタック２４の最上層２２としてもよい。
【００２３】
パッシベーションスタック２４の最上層２２にはナノウェル２６のアレイも配列され、各ナノウェル２６は、光ガイドのアレイの光ガイド５０に関連付けられる。例えば、各ナノウェル２６は関連する光ガイド５０の真上に配置して、各光ガイド５０の上面６２に入射する放射光４４の光子のほとんどがその光ガイドの関連するナノウェル２６内から発生されるようにすることができる。さらに、ナノウェル２６のアレイはフローチャネル２０内に配置される。
【００２４】
複数のボンドパッド７０もデバイススタック４６内に配置される。ボンドパッド７０は、パッド金属（図示せず）の１つ以上の層で構成してよい。ボンドパッドはデバイス回路４８とインターフェースして、検出した光子を使って処理されたデータ信号をボンドパッド７０にボンディングされたワイヤ７２に伝える。
【００２５】
動作中、様々なタイプの励起光５８がナノウェル２６内の検体２８に照射され、標識された分子３６が放射光４４の発光を生じる。放射光４４の光子の大部分は、パッシベーションスタック２４を透過し、その関連する光ガイド５０の最上面６２に入射し得る。光ガイド５０は、励起光５８の大部分を除波し、放射光４４を光ガイド５０の真下に位置する関連する光検出器４２に向けることができる。
【００２６】
光検出器４２が放射光光子を検出する。次いで、デバイススタック４６内のデバイス回路４８が、それらの検出光子を使用してデータ信号を処理し、送信する。その後、データ信号はボンドパッド７０を通して送信され、分析されて、検体の特性を明らかにすることができる。
【００２７】
ボンドパッド７０は、データ信号の外部への送信を可能にするためにパッシベーションスタック２４の最上層２２に配置されたワイヤボンド７４によりワイヤ７２に接合することができる。これは、ワイヤボンディングまたははんだバンプボンディングにより共晶金属ボンドを形成することで実行することができる。さらに、ナノウェル２６の表面は、ナノウェル２６内に配列され得る検体２８を受け取ることができるように、例えばヒドロゲル層２７を堆積して化学的に機能化してもよい。
【００２８】
しかし、このようなワイヤボンディング技術のためにパッシベーションスタック２４の最上層２２上にボンドパッド７０を作成するプロセスは、ナノウェルの表面機能化を汚染する可能性がある。さらに、ナノウェルの化学的機能化は、露出したボンドパッド上に残留物を堆積する可能性および/または露出したボンドパッドを潜在的に腐食する可能性がある。また、様々な制御反応プロトコル中に使用されるフローチャネル２０を通る流体フロー３４は、そのような流体フロー３４にさらされるボンドパッド７０を損傷および/または腐食する可能性がある。さらに、ワイヤ７２をフローチャネル２０内に延ばさなければならない場合には、ワイヤ７２をパッシベーションスタック２４の最上層２２のボンドパッド７０に電気的に接続することが難しくなり得る。
【００２９】
少なくとも上記の理由により、ボンドパッド７０は、フローセル１２のフローチャネル２０の外のパッシベーションスタック２４の最上層２２に配置される。したがって、ボンドパッド７０へのボンディングワイヤまたははんだバンプはフローチャネル２０のサイズを制限し、これにより一定のフットプリント（設置面積）を有するセンサシステム１０のフローチャネル２０内に配置できるナノウェル２６の総量も制限される。
【００３０】
本明細書に記載される例示的なセンサシステムは、いくつかの既存のセンサシステムとはいくつかの側面で異なる。例えば、本明細書のいくつかの例のボンドパッド７０はフローチャネル２０内に配置される。さらに、本明細書のいくつかの例は、同じバイオセンサフットプリント内でより大きな表面積を覆うようにフローチャネル２０をボンドパッド７０の上まで広げることを提供する。さらに、本明細書のいくつかの例は、フローチャネル２０を通る流体フロー３４にさらされることによりボンドパッド７０が損傷および/または腐食されることがないメカニズムを提供する。
【００３１】
図２を参照するに、ナノウェル１０８のアレイと複数のボンドパッド１１０にわたって広がるフローチャネル１０６を形成するようにイメージセンサ構造１０４の上に配置されたフローセル１０２を有するセンサシステム１００の一例の断面側面図が示されている。ナノウェルのアレイ１０８は、イメージセンサ構造１０４のパッシベーションスタック１１４の最上層１１２に配置される。複数のボンドパッド１１０は、パッシベーションスタック１１４の底面１１６の下に配置される。より具体的には、ボンドパッド１１０はデバイススタック１１８に配置され、ボンドパッド１１０の上面１２０は、パッシベーションスタックの底面１１６の下に位置する。
【００３２】
センサシステム１００のフローセル１０２は、フローセル側壁１２４に固着されたフローセルカバー１２２を含む。フローセル側壁１２４は、イメージセンサ構造１０４のパッシベーションスタック１１４の最上層１１２に接合されてそれらの間にフローチャネル１０６を形成する。
【００３３】
パッシベーションスタック１１４の最上層１１２は、その層に配列されたナノウェル１０８の大きなアレイを含む。ナノウェル１０８は、ナノウェル１０８内にヒドロゲルの薄層１２６を含む。ヒドロゲル層１２６は、ナノウェル１０８内に配列され得る検体１２８（ＤＮＡセグメント、オリゴヌクレオチド、他の核酸鎖など）を固定および機能化するために使用される。
【００３４】
フローセルカバー１２２は、フローチャネル１０６への流体フロー１３４の流入、通過、および流出を可能にする大きさの入口ポート１３０および出口ポート１３２を含む。流体フロー１３４はナノウェル１０６内に配列される検体１２８に多数の様々な制御反応プロトコルを実行するために使用することができる。流体フロー１３４はまた、検体１２８にタグ付けするために使用できる識別可能な標識１３６（蛍光標識ヌクレオチド分子など）を送達することもできる。様々な制御反応プロトコル中に、励起光１３８を蛍光標識１３６に向け、それにより標識１３６を励起して放射光１４０を発光させることができる。
【００３５】
センサシステム１００のイメージセンサ構造１０４は、ベース基板１４４上に配置された画像層１４２を含む。画像層１４２はＳｉＮなどの誘電体層であり、その層内に配列された光検出器１４６のアレイを含み得る。本明細書で使用される光検出器１４６は、例えばフォトダイオードなどの半導体検出器、相補型金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）検出器、またはその両方としてよい。光検出器１４６は、ナノウェル１０８内の検体１２８に付着した蛍光ラベル１３６から放出される放射光１４０の光子を検出する。ベース基板１４４は、ガラス、シリコン、または他の同様の材料であってよい。
【００３６】
デバイススタック１１８は、画像層１４２の上に配置される。デバイススタック１１８は、光検出器１４６とインターフェースし、放射光１４０の検出された光子信号を使用してデータ信号を処理する様々なデバイス回路１４８を含む複数の誘電体層（図示せず）を含むことができる。
【００３７】
デバイススタック１１８には、光ガイド１５０のアレイも配列される。各光ガイド１５０は、光検出器のアレイのうちの少なくとも１つの光検出器１４６に関連付けられる。例えば、各光ガイド１５０はその関連する光検出器１４６の真上に配置することができる。光ガイド１５０は、ナノウェル１０８内に配列される検体１２８上の蛍光標識１３６からの放射光１４０の光子をそれらの関連する光検出器１４６に向ける。
【００３８】
光ガイド１５０は、励起光１３８の既知の波長を除波し、放射光１４０の既知の波長を透過することができる有機フィルタ材料としてよい。光ガイド材料は高屈折率ポリマーマトリックス内に特製の色素分子が配列されたものとしてよい。
【００３９】
デバイススタック１１８には、遮光層１５２、反射防止層１５４、および保護ライナー層１５６も配置される。保護ライナー層１５６は、窒化ケイ素（ＳｉＮ）または他の同様の材料で構成することができ、光ガイド１５０の内壁を裏打ちする。遮光層１５２は、タングステン（Ｗ）または他の同様の材料などの遷移金属で構成することができ、デバイススタック１１８に透過してくる放射光１４０および励起光１３８を減衰させる。反射防止層１５４は、窒化タングステン（ＷＮ）または酸窒化ケイ素（ＳｉＯＮ）などの反射防止化合物、または他の同様の材料で構成することができ、下側金属層のフォトリソグラフィパターニングに使用することができる。
【００４０】
パッシベーションスタック１１４は、デバイススタック１１８の上に配置される。パッシベーションスタック１１４は、光ガイド１５０の上面１５８と直接接触するとともにボンドパッド１１０の上面１２０上にある底面１１６を含む。パッシベーションスタックは、ナノウェル１０８が配列される最上層１１２も含む。
【００４１】
パッシベーションスタック１１４は、任意の数の層を含むことができる。例えば、パッシベーションスタック１１４は、デバイススタック１１８上に配置された第１のパッシベーション層１６０と、第１のパッシベーション層１６０上に配置された第１の化学保護層１６２とを含み得る。この例では、パッシベーションスタック１１４の最上層１１２は、その中に配列されたナノウェル１０８を含む第１の化学保護層１６２である。
【００４２】
しかし、図２に示す特定の例では、パッシベーションスタック１１４は、第１の化学層１６２上に配置された追加の第２のパッシベーション層１６４と、第２のパッシベーション層１６４上に配置された追加の第２化学保護層１６６とを含む。図２の例では、パッシベーションスタック１１４の最上層１１２は第２の化学保護層１６６であり、ナノウェル１０８は第２の化学保護層１６６に配列されている。
【００４３】
パッシベーション層１６０、１６４は、ＳｉＮで構成してよい。化学保護層１６２、１６６は、五酸化タンタル（Ｔａ2Ｏ5）などの遷移金属酸化物または他の同様の材料で構成してよい。
【００４４】
ナノウェルのアレイの各ナノウェル１０８は、光ガイドのアレイの１つの光ガイド１５０に関連付けられている。例えば、各ナノウェル１０８は関連する光ガイド１５０の真上に位置させて、各光ガイド１５０の上面１５８に入射する放射光１４０の光子の殆どがその光ガイドと関連するナノウェル１０８内から発生されるものとなるようにすることができる。さらに、ナノウェルのアレイ１０８は、フローチャネル１０６内に配置される。
【００４５】
複数のボンドパッド１１０もデバイススタック１１８に配置される。図２には２つのボンドパッド１１０のみが示されているが、１つのボンドパッドから数百のボンドパッドまで、任意の数のボンドパッド１１０が存在し得る。ボンドパッド１１０は、任意の適切な金属、例えばタングステン、銅、または他の同様の材料などのパッド金属の１つまたは複数の層（図示せず）で構成してよい。
【００４６】
シリコン貫通ビア（ＴＳＶ）１６８がボンドパッド１１０と電気的に接触配置される。ＴＳＶ１６８は、ボンドパッド１１０からベース基板１４４を通ってベース基板１４４の底面１７０まで延びる。ＴＳＶはタングステンまたは他の同様の材料などの遷移金属で構成してよい。
【００４７】
最配線層（ＲＤＬ）１７２は、ベース基板１４４の底面１７０上に配置される。ＲＤＬ１７２はＴＳＶ１６８と電気的に接触する。ＲＤＬは、タングステン、銅、金、ニッケル、または他の同様の材料などの遷移金属で構成してよい。
【００４８】
第１の環境保護層１７４がＲＤＬ１７２の第１の部分１７６の上に配置される。第１の環境保護層は、ポリイミドで構成してよい。
【００４９】
機械的支持構造１７８が第１の環境保護層１７４上に配置される。機械的支持層１７８は、シリコンウェハ、ガラスウェハ、または他の同様の材料などのウェハで構成してよい。
【００５０】
ワイヤ１８０は、ＲＤＬ１７２の第２の部分１８２に電気接点接合されてワイヤボンド１８４を形成する。これは、ワイヤボンディング、はんだバンプボンディングによって、または他の周知のワイヤ接続技術を用いて共晶金属ボンドを形成することにより行うことができる。ワイヤ１８０は、銅などの導電性材料、または他の同様の材料からなるものとしてよい。
【００５１】
第２の環境保護層１８６がＲＤＬ１７２の第２の部分１８２の上に配置され、第１および第２の環境保護層１７４、１８６はＲＤＬ１７２全体を覆う。第２の環境保護層１８６は、ポリマー、例えばエポキシ、ＵＶ硬化性ポリマー、または他の同様の材料で構成してよい。
【００５２】
制御反応プロトコルの動作中、ナノウェル１０８は蛍光分子標識１３６でタグ付けされた検体１２８を受け取る。蛍光標識１３６はフローチャネル１０６を流れる流体フロー１３４により検体に送達される。蛍光標識１３６が放射光１３８に応答して放射光１４０を発生する。放射光１４０の光子は、ナノウェル１０８からパッシベーションスタック１１４を通って、真下に位置し得る光ガイド１５０の上面１５８に伝達される。放射光の光子１４０はその後、関連する光ガイド１５０によって、光ガイド１５０の真下に位置する関連する光検出器１４６に導かれる。関連する光検出器１４６は、放射光１４０の光子を検出する。さらに、デバイス回路１４８は光検出器１４６と統合され、検出された放射光の光子を処理し、検出した放射光の光子を用いてデータ信号を提供する。デバイス回路１４８はボンドパッド１１０とも統合され、データ信号をボンドパッド１１０、ＴＳＶ１６８を通してベース基板１１４の底面１７０に位置するワイヤ１８０から送信し、それらのデータ信号はその後分析することができる。
【００５３】
多くのそのような制御反応プロトコル中に、流体フロー１３４はボンドパッド１１０の露出領域を損傷および／または腐食する可能性がある。しかし、図２のこの例では、ボンドパッド１１０は、ボンドパッド１１０の上に配置されたパッシベーションスタック１１４により保護される。すなわち、パッシベーションスタック１１４がフローチャネル１０６とボンドパッド１１０との間に配置されるので、フローチャネル１０６はボンドパッド１１０の上に配置することができる。さらに、フローセル１０２の面積をボンドパッド１１０の上まで拡大して、センサシステム１００の設置面積を増大することなくフローチャネル１０６内に配置されるナノウェル１０８の数を増大し、センサシステム１００のスループットを高めることができる。
【００５４】
図３を参照すると、製造の中間段階におけるセンサシステム１００の一例の断面側面図が示されている。プロセスフローのこの段階において、デバイススタック１１８および画像層１４２がそれぞれベース基板層１４４の上に配置される。
【００５５】
画像層は、その中に配列された光検出器１４６のアレイを含む。画像層１４２は、化学堆積（ＣＶＤ）または物理堆積（ＰＶＤ）などのいくつかの堆積技術のいずれかを使用してベース基板１４４上に配置することができる。
【００５６】
デバイススタック１１８の複数の誘電体層（図示せず）も、関連するデバイス回路１４８とともに、堆積技術を使用して画像層１４２上に配置することができる。その後、遮光層１５２および反射防止層１５４を、ＣＶＤ、ＰＶＤ、原子層堆積（ＡＬＤ）または電気めっきなどの任意の適切な堆積技術を使用してデバイススタック１１８上に配置することができる。
【００５７】
その後のプロセスフローにおいて、光ガイド開口部１８８のアレイがデバイススタック１１８にエッチングされる。これは、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）などの異方性エッチングプロセスなどの任意の適切なエッチングプロセスを使用して行うことができる。本開示におけるエッチングプロセスは、リソグラフィパターニングなどのパターニングを含んでよい。
【００５８】
次に、保護ライナー層１５６を、開口部１８８の内面を含む部分的に形成された画像センサ構造１０４の上に配置することができる。これは、ＣＶＤ、ＰＶＤ、またはＡＬＤなどの任意の適切な堆積技術を使用して行うことができる。
【００５９】
その後のプロセスフローにおいて、光ガイド層（図示せず）が、開口部１８８を埋めるように構造１００全体の上に配置される。光ガイド層は、励起光１３８の既知の波長を除波し放射光１４０の既知の波長を透過する有機フィルタ材料により構成することができる。
【００６０】
その後、光ガイド層は平坦化されて光ガイド開口部１８８内の光ガイド１５０のアレイの形成を完了する。各光ガイド１５０は、光検出器のアレイの少なくとも１つの光検出器１４６と関連する。これは、化学機械研磨プロセスなどの任意の適切な研磨技術を使用して行うことができる。
【００６１】
図４を参照すると、ボンドパッド１１０がデバイススタック１１８に配置される。これは、最初にデバイススタック１１８をリソグラフィでパターン化しエッチングして、デバイススタック１１８にボンドパッド開口部１９０を形成することにより行うことができる。その後、ボンドパッド１１０を形成するために、ＡＬＤプロセスなどの任意の適切な堆積技術を使用して、ボンドパッド金属の様々な層（図示せず）をボンドパッド開口部１９０に配置することができる。
【００６２】
ボンドパッド１１０が形成されたら、その上面１２０を電気プロービングのために露出させて電気プロービングのためにアクセス可能にするができる。電気プロービングによってセンサシステム１００に一連の承認試験（導通試験など）を行うことができる。
【００６３】
図５を参照すると、その後のプロセスフローにおいて、パッシベーションスタック１１４の少なくとも一部が、デバイススタック１１８およびボンドパッド１１０の上に配置される。図５に示す特定の実施形態では、第１パッシベーション層１６０が、第１パッシベーション層１６０の底面１１６が光ガイド１５０の上面１５８と直接接触するように、光ガイド１５０のアレイの上に配置される。次に、第１のパッシベーション層１６０の上に第１の化学保護層１６２を配置することができる。次に、第１の化学保護層１６２の上に第２のパッシベーション層１６４を配置することができる。これらのプロセスのそれぞれは、ＣＶＤまたはＰＶＤなどの任意の適切な堆積プロセスによって行うことができる。第１の化学保護層１６２ならびに第１および第２のパッシベーション層１６０、１６４は、パッシベーションスタック１１４の少なくとも一部を形成する。このときパッシベーションスタック１１４の一部はボンドパッド１１０を覆うことができる。
【００６４】
図６を参照すると、その後のプロセスフローにおいて、ナノウェルのアレイ１０８がパッシベーションスタック１１４の最上層１１２に形成される。各ナノウェル１０８は、光ガイドのアレイ内の１つの光ガイド１５０に関連付けられる。
【００６５】
図６に示す特定の例では、これは、その後、第２のパッシベーション層１６４にナノウェル１０８のアレイをリソグラフィでパターン化しエッチングすることにより行われる。次に、第２のパッシベーション層１６４の上に第２の化学保護層１６６を配置する。第２の化学保護層１６６は、ＣＶＤ、ＰＶＤ、ＡＬＤなどの任意の適切な堆積プロセスを用いて堆積することができる。
【００６６】
第２の化学保護層１６６はパッシベーションスタック１１４の最上層１１２である。第２の化学保護層１６６は、パッシベーションスタック１１４の最上層にナノウェル１０８を形成するためにパッシベーション層１６４にエッチングされたナノウェル１０８にコンフォーマルである。
【００６７】
図７を参照すると、その後のプロセスフローにおいて、ベース基板１４４は所定の厚さまで薄くされる。これは、化学機械研磨（ＣＭＰ）プロセスまたは研削プロセスなどの任意の適切な研磨プロセスによって行うことができる。
【００６８】
薄くされると、ＴＳＶ１６８がベース基板１４４の底面１７０からエッチングされる。ＴＳＶ１６８はベース基板１４４の底面１７０からボンドパッド１１０まで延びるようにエッチングされる。これは、ＲＩＥプロセスなどの任意の適切なエッチングプロセスによって行うことができる。
【００６９】
次に、ＴＳＶ１６８はボンドパッド１１０と電気的に接触させるためにめっきされる。これは、電気めっきプロセスなどの任意の適切なめっきプロセスによって行うことができる。
【００７０】
図８を参照すると、その後のプロセスフローにおいて、ＲＤＬ１７２がベース基板１４４の底面１７０に配置される。これは、最初に底面１７０全体にＲＤＬ１７２を配置し、次にＲＤＬを所定の形状にリソグラフィでパターン化しエッチングすることにより行うことができる。
【００７１】
図９を参照すると、その後のプロセスフローにおいて、ＲＤＬ１７２の第１の部分１７６の上に第１の環境保護層１７４が配置される。これは、ＣＶＤまたはＰＶＤなどの任意の適切な堆積プロセスによって行うことができる。ＲＤＬ１７２の第２の部分１８２は、ワイヤ１８０のための１つ以上のボンディング部位として露出されたままである（図１３に最もよく示されている）。
【００７２】
図１０を参照すると、その後のプロセスフローにおいて、機械的支持構造１７８が第１環境保護層１７４上に接合される。これは、接着剤によるなどの物理的接合または他の機械的接合プロセスによって行うことができる。
【００７３】
その後、ＲＤＬ１７２の露出した第２の部分１８２をセンサシステム１００のその後の処理中保護するために、これらの第２の部分１８２の上に一時的な保護層１９４が配置される。一時的な保護層１９４はレジスト材料で構成してよい。一時的保護層１９４は、テープ、ガラスまたはシリコンウェハを取り外し可能な感圧接着剤の層で接合するなどのいくつかの一時的プロセスによって配置してもよいが、これらに限定されない。一時的保護層１９４はまた、溶媒可溶性ワックスのコーティングの形態にしてもよい。
【００７４】
図１１を参照すると、その後のプロセスフローにおいて、ヒドロゲル層１２６がナノウェル１０８に配置される。ヒドロゲル層は、シランフリーアクリルアミド（ＳＦＡ）ポリマー、メタクリルアミド、ヒドロキシエチルメタクリレートまたはＮ-ビニルピロリジノンなどの任意の適切なポリマーから構成され得る。この全面堆積プロセスにはいくつかのプロセス、例えば、
・パッシベーションスタック１１４の最上層１１２をヒドロゲル１２６でスピンコーティングするプロセス；
・ヒドロゲル１２６を硬化するプロセス；および
・ヒドロゲル１２６が少なくとも実質的にナノウェル１０８の内面に配置されるようにヒドロゲル１２６をＣＭＰするプロセス；
などを利用することができるが、これに限定されない。
【００７５】
図１２を参照すると、その後のプロセスフローにおいて、フローセル１０２がパッシベーションスタック１１４の最上層１１２の上に配置され、それらの間にフローチャネル１０６が形成され、そのフローチャネルがナノウェル１０８およびボンドパッド１１０のアレイの上に配置されるようにする。これは、接着剤接合または他の接合プロセスなど、任意の適切な接合プロセスによって実行することができる。
【００７６】
図１３を参照すると、その後のプロセスフローにおいて、一時的な保護層１９４を除去して、ＲＤＬ１７２の第２部分１８２を露出させることができる。これは、レジスト剥離またはウェットまたはドライエッチングなどの任意の適切な除去プロセスによって行うことができる。
【００７７】
その後、ワイヤ１８０をＲＤＬ１７２の第２の部分１８２にボンディングし、ボンディングされたワイヤ１８０をワイヤボンド１８４によりＲＤＬ１７２と電気的に接触させることができる。これは、ワイヤボンディングにより、はんだバンプワイヤボンド１８４を形成するはんだバンプボンディングにより、または他のワイヤボンディングプロセスを使用して、共晶金属接合を形成することによって行うことができる。
【００７８】
図１４を参照すると、その後のプロセスフローにおいて、第２環境保護層１８６がＲＤＬ１７２の第２の部分１８２の上に配置される。第２の環境保護層１８６および第１の環境保護層１７４はＲＤＬ１７２を完全に覆う。これは、ＣＶＤやＰＶＤなどの任意の適切な堆積プロセスにより行うことができる。
【００７９】
第１および第２の環境保護層１７４、１８６は、ＲＤＬ１７２に取り付けられたワイヤ１８０およびワイヤボンド１８４も安定化し保護する。さらに、第２の環境保護層の堆積によりセンサシステム１００の形成は完了する。
【００８０】
前述のコンセプトのすべての組み合わせは（それらのコンセプトが互に矛盾しなければ）本明細書に開示される発明の主題の一部とみなせることを理解されたい。特に、本開示の最後に記載の請求の範囲に記載された主題のすべての組み合わせは、本明細書に開示された発明の主題の一部であるとみなせる。
【００８１】
前述の例は特定の例を参照して記載したが、記載した発明の概念の精神および範囲内において多くの変更をなし得ることは理解されよう。したがって、本発明の実施例は記載した実施例に限定されず、特許請求の範囲の文言によって特定される全範囲を含むことが意図されている。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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