用于生物或化学分析的生物传感器及其制造方法技术

本发明专利技术的实施方案提供用于生物或化学分析的改进的生物传感器。根据本发明专利技术的实施方案，背面照射(BSI)互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器可用于有效分析和测量样品的荧光或化学发光。该测量值可用于帮助识别样品。本发明专利技术的实施方案还提供制备用于生物或化学分析的改进的生物传感器的方法以及DNA测序的系统和方法。

Biosensors for biological or chemical analysis and their manufacturing methods

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于生物或化学分析的生物传感器及其制造方法相关申请的交叉引用本申请要求2016年11月3日提交的美国临时专利申请No.62/416,813的优先权，其内容通过引用整体并入。
本专利技术总体上涉及用于生物或化学分析的生物传感器，并且更具体地，涉及包括背面照射(BSI)互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器的生物传感器及其制造方法。
技术介绍
发现CMOS图像传感器可用于电子成像装置，包括用于数码相机、医学成像设备、雷达装置等。CMOS图像传感器使用集成电路和一系列光电二极管，可以捕获光并将其转换为电信号。CMOS图像传感器通常在芯片上实现。芯片可以具有用于每个像素的放大器。虽然在芯片中包含许多放大器可能导致用于捕获光的较少区域，但是可以将其他部件集成到芯片上以将更多光引导到光电二极管中。例如，可以将微透镜放置在光电二极管的前面以将光引导到光电二极管中。为了进一步增加撞击光电二极管的光量，可以使用背面照射(BSI)。BSI有效地将光电二极管放置在更靠近光源的位置，而不是在集成电路布线之下和之间，从而减少了破坏性干扰。BSICMOS传感器还具有其他优点。例如，BSICMOS传感器可具有低工作电压、低功耗、高效率和低噪声。BSICMOS图像传感器通常具有两个功能区域：光感测区域和电子电路区域。光感测区域包括以阵列布置的光电二极管，其耦合到检测光强度的金属氧化物半导体(MOS)晶体管。电子电路区域在MOS晶体管和外部连接之间提供连接，例如与用于处理来自MOS晶体管的数据的其他器件的连接。在实践中，BSICMOS图像传感器采用将入射光分成不同波长的光带的滤光器。光被基底上的光电二极管接收并转换成不同强度的电信号。例如，入射光束可以被分成红色、绿色和蓝色光，并且由每个颜色的相应光电二极管接收。每个光电二极管将检测到的光强度转换成电信号。这是通过光电二极管累积电荷来实现的。例如，光的强度越高，光电二极管中累积的电荷越多。然后可以将累积的电荷与颜色和亮度相关联。除了上述用途之外，CMOS图像传感器还可以用于生物或化学分析。对于这样的分析，可以将生物或化学样品放置在光电二极管上方，并且可以将生物或化学样品发射的光引导到光电二极管。可以通过光电二极管检测样品的荧光或化学发光，并且可以确定颜色和亮度。该颜色和亮度可用于识别生物或化学样品。
技术实现思路
本专利技术的实施方案通过提供用于生物或化学分析的改进的生物传感器解决了与先前方法相关的缺点。根据本专利技术的实施方案，BSICMOS图像传感器可用于有效分析和测量样品的荧光或化学发光。该测量值可用于帮助识别样品。本专利技术的实施方案还提供制备用于生物或化学分析的改进的生物传感器的方法。如本文所用，术语“生物传感器”可用于指用于确定生物分子(特别是以DNA和支链的或其他衍生化核酸为例的核酸大分子)内或附着于其上的发光物质的装置。如本文所使用的，术语“核酸大分子”可以指例如DNB或单链实施方案。根据本专利技术的一些实施方案，提供了一种生物传感器。生物传感器包括背面照射互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器。背面照射CMOS图像传感器包括电子电路层和电子电路层上的光敏层。光敏层包括基底层和与电子电路层接触的光电二极管。光接收表面由光电二极管的与电子电路层相对的表面限定。生物传感器还包括在光电二极管上方的滤色材料。生物传感器还包括在滤色材料上方的斑点或孔，其大小和功能被设定以接收核酸大分子，并吸收来自核酸大分子的光或使光从核酸大分子传递到光接收表面。根据一些实施方案的制造方法包括提供背面照射互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器。提供背面照射CMOS图像传感器包括提供电子电路层并在电子电路层上提供光敏层。光敏层包括基底层和与电子电路层接触的光电二极管。光接收表面由光电二极管的与电子电路层相对的表面限定。该方法还包括在光电二极管上沉积滤色材料。该方法还包括在滤色材料上方提供斑点或孔，其大小和功能被设定以接收核酸大分子，并吸收来自核酸大分子的光或将光从核酸大分子传递到光接收表面。根据一些实施方案的DNA测序方法包括迭代地执行过程，该过程可以包括用荧光标记来标记核酸大分子，所述荧光标记识别核酸大分子中特定位置的核苷酸碱基。该过程还包括检测与核酸大分子相关的荧光标记。检测荧光标记包括用激发光照射核酸大分子。核酸大分子吸收激发光并使发射的光传输穿过滤色器并且到达背面照射互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器的光电二极管上。检测荧光标记还包括测量在光电二极管处接收的发射光的至少一个参数。检测荧光或化学发光标记还包括将发射的光的至少一个参数与荧光标记相关联。该过程还包括从核酸大分子中除去荧光标记。本专利技术实施方案的生物传感器可以但不限于用于进行合成测序(SBS)、连接测序、cPAL测序、焦磷酸测序和前述的组合。通过参考以下说明书、权利要求和附图，前述以及其他特征和实施方案将变得更加明显。附图说明下面参考以下附图详细描述本专利技术的说明性实施方案：图1是根据一些实施方案的背面照射CMOS图像传感器的横截面图。图2是根据一些实施方案的具有第一钝化层的背面照射CMOS图像传感器的横截面图。图3是根据一些实施方案的具有第一金属层的背面照射CMOS图像传感器的横截面图。图4是根据一些实施方案的具有经蚀刻的第一金属层的背面照射CMOS图像传感器的横截面图。图5是根据一些实施方案的具有介电层的背面照射CMOS图像传感器的横截面图。图6是根据一些实施方案的具有滤色层的背面照射CMOS图像传感器的横截面图。图7是根据一些实施方案的具有平坦化的滤色层的背面照射CMOS图像传感器的横截面图。图8A是根据一些实施方案的具有第二钝化层、第一材料层和第二金属层的背面照射CMOS图像传感器的横截面图。图8B是根据一些实施方案的具有第二钝化层和第二金属层的背面照射CMOS图像传感器的横截面图。图9是根据一些实施方案的使用背面照射CMOS图像传感器的生物传感器的横截面图。图10是根据一些实施方案的使用背面照射CMOS图像传感器和微透镜的生物传感器的横截面图。图11是根据一些实施方案的使用背面照射CMOS图像传感器、微透镜和第三金属层的生物传感器的横截面图。图12是根据一些实施方案的使用背面照射CMOS图像传感器、微透镜、第三金属层和平坦化层的生物传感器的横截面图。图13是根据一些实施方案的使用背面照射CMOS图像传感器的生物传感器的横截面图。图14A是根据一些实施方案的可用于生物传感器的双通道滤色器的俯视图。图14B是根据一些实施方案的可以用于生物传感器中的四通道滤色器的俯视图。图15A-15C是根据一些实施方案的在多步骤测序的各个阶段示出来自BSICMOS芯片中的阵列上的多个斑点处的DNB的信号的摄影图像。具体实施方式图1-13描述了根据本专利技术的实施方案的生物传感器的各个制造阶段。根据本说明书，本领域技术人员将清楚制造和配置的其他实施方案。因此，以下描述意指是描述性的而非限制性的。为了便于阅读，以下文本被组织成章节。然而，应当理解，一个章节中的主题的描述(例如，大分子、过滤器、测序方法等的描述)也可以应用于其他章节中的主题。根据本专利技术的实施方案的生物传感器不限于特定用途。在一个方面，发现本专利技术的实施方案的生物传感器特别适用于大规本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种生物传感器，其包括：背面照射互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器，其包括：电子电路层；和所述电子电路层上的光敏层，其中所述光敏层包括：基底层，和覆盖在所述电子电路层上的多个光电二极管，并且其中光接收表面由所述多个光电二极管的与所述电子电路层相对的表面限定；在所述光接收表面上方的多个斑点，其中每个斑点的大小和功能被设定以包含核酸大分子，并且其中每个斑点覆盖单个光电二极管或覆盖包含多个光电二极管的单位单元。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.11.03 US 62/416,8131.一种生物传感器，其包括：背面照射互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器，其包括：电子电路层；和所述电子电路层上的光敏层，其中所述光敏层包括：基底层，和覆盖在所述电子电路层上的多个光电二极管，并且其中光接收表面由所述多个光电二极管的与所述电子电路层相对的表面限定；在所述光接收表面上方的多个斑点，其中每个斑点的大小和功能被设定以包含核酸大分子，并且其中每个斑点覆盖单个光电二极管或覆盖包含多个光电二极管的单位单元。2.根据权利要求1所述的生物传感器，其中所述电子电路层包括：介电层；和形成在所述第一介电层中的金属布线，其中所述金属布线被配置为将所述多个光电二极管耦合到外部装置。3.根据权利要求1所述的生物传感器，其还包括：在所述背面照射CMOS图像传感器上的钝化层。4.根据权利要求1所述的生物传感器，其还包括插入在每个光电二极管和每个斑点之间的滤色材料。5.根据权利要求4所述的生物传感器，其还包括：所述基底层上方的第一金属层，其中所述第一金属层包括在所述多个光电二极管上方的多个第一开口，并且其中所述多个滤色材料位于所述多个第一开口中。6.根据权利要求5所述的生物传感器，其还包括：在所述第一金属层上方以及在所述多个第一开口中介于每个滤色材料与所述第一金属层之间的介电层。7.根据权利要求5所述的生物传感器，其还包括：在所述第一金属层和所述多个滤色材料上方的钝化层。8.根据权利要求7所述的生物传感器，其还包括：在所述钝化层上方的第二金属层，其中所述第二金属层包括在所述多个滤色材料上的多个第二开口。9.根据权利要求8所述的生物传感器，其还包括：在所述第二金属层上方的多个微透镜。10.根据权利要求9所述的生物传感器，其还包括：在所述多个微透镜上方的第三金属层，其中所述多个微透镜和所述第三金属层包括与所述多个第二开口重叠的多个第三开口。11.根据权利要求10所述的生物传感器，其还包括：在所述第三金属层上方的平坦化层，其中所述平坦化层包括与所述多个第三开口以及所述多个第二开口重叠的多个第四开口。12.根据权利要求4所述的生物传感器，其还包括：在所述第一金属层和所述多个滤色材料上的第一材料层，其中所述第一材料层的特征在于第一折射率；和在所述第一材料层上的第二材料层，其中所述第二材料层的特征在于第二折射率，并且其中所述第一折射率高于所述第二折射率。13.根据权利要求1所述的生物传感器，其还包括：每个核酸大分子都位于所述多个斑点的斑点中的所述多个核酸大分子。14.根据权利要求13所述的生物传感器，其中所述多个光电二极管中的每个光电二极管被配置为检测从所述多个核酸大分子中的核酸大分子上的荧光或化学发光标记发射的光。15.根据权利要求14所述的生物传感器，其中所述光从荧光标记的寡核苷酸探针发射，所述荧光标记的寡核苷酸探针与固定在所述斑点上的核酸扩增子杂交。16.根据权利要求14所述的生物传感器，其中所述光从与固定在所述斑点上的核酸扩增子杂交的荧光标记的引物延伸产物发射。17.根据权利要求15或16所述的生物传感器，其中所述核酸扩增子来自基因组DNA片段或cDNA文库。18.根据权利要求15-17中任一项所述的生物传感器，其中所述扩增子通过滚环扩增或桥聚合酶链式反应(PCR)形成。19.根据权利要求1所述的生物传感器，其中所述多个斑点是多个孔。20.根据权利要求1-19中任一项所述的生物传感器，其还包括激发光源。21.根据权利要求1所述的生物传感器，其中每个斑点覆盖单个光电二极管，并且单个滤色材料插入在所述光电二极管和所述斑点之间。22.根据权利要求1所述的生物传感器，其中每个斑点覆盖在光电二极管的单位单元上，并且滤色材料插入在所述斑点和所述单位单元的每个光电二极管之间。23.根据权利要求22所述的生物传感器，其中每个单位单元包括2个光电二极管、3个光电二极管或4个光电二极管。24.根据权利要求23所述的生物传感器，其中与单位单元的每个光电二极管相关联的所述滤色材料各自过滤不同颜色的光。25.一种方法，其包括：提供背面照射互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器，其中提供所述背面照射CMOS图像传感器包括：提供电子电路层；以及在所述电子电路层上提供光敏层，其中所述光敏层包括：基底层，和与所述电子电路层接触的多个光电二极管，其中光接收表面由所述多个光电二极管的与所述电子电路层相对的表面限定；在所述多个光电二极管上沉积多个滤色材料；以及在所述光接收表面上方提供多个斑点，其中每个斑点的大小和功能被设定以包含核酸大分子，其中每个斑点覆盖单个光电二极管或覆盖包含多个光电二极管的单位单元，并且其中所述多个滤色材料中的滤色材料插入在每个光电二极管和每个斑点之间。26.根据权利要求25所述的方法，其中从所述斑点中包含的所述核酸大分子发射的所述光被一个光电二极管的所述光接收表面接收。27.根据权利要求25所述的方法，其中从所述斑点中包含的所述核酸大分子发射的光从多于一个的光电二极管的所述光接收表面接收。28.根据权利要求26或27所述的方法，其中所述光电二极管中的每一个接收来自单个斑点的光。29.根据权利要求25所述的方法，其中提供所述电子电路层包括：沉积介电层；以及在所述介电层中形成金属布线，其中所述金属布线被配置为将所述多个光电二极管耦合到外部装置。30....

【专利技术属性】
技术研发人员：钟诚，
申请(专利权)人：考利达基因组股份有限公司，
类型：发明
国别省市：美国,US