阅读说明：本技术 感测元件 (Sensing element ) 是由 游腾健 于 2018-11-26 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种感测元件,包括半导体基板、过滤结构以及感测结构。半导体基板具有样品激发区以及光学感测区。光学感测区侧向包围样品激发区于其中。过滤结构嵌设于半导体基板中,其中过滤结构配置于样品激发区中且具有样品容纳部。样品容纳部适于容纳样品且接纳激发光束。感测结构嵌设于半导体基板中,其中感测结构的至少一部分配置于光学感测区中,且感测结构至少侧向包围过滤结构。在激发光束沿着垂直于半导体基板的表面的方向传递至样品容纳部并激发样品后,样品适于发射信号光束,且感测结构适于感测信号光束。(The invention provides a sensing element, which comprises a semiconductor substrate, a filtering structure and a sensing structure. The semiconductor substrate has a sample excitation region and an optical sensing region. The optical sensing region laterally surrounds the sample excitation region therein. The filter structure is embedded in the semiconductor substrate, wherein the filter structure is configured in the sample excitation region and has a sample holding part. The sample-receiving portion is adapted to receive a sample and to receive an excitation light beam. The sensing structure is embedded in the semiconductor substrate, wherein at least a part of the sensing structure is arranged in the optical sensing region, and the sensing structure at least laterally surrounds the filtering structure. The sample is adapted to emit a signal beam after the excitation beam is transmitted to the sample-receiving portion in a direction perpendicular to the surface of the semiconductor substrate and excites the sample, and the sensing structure is adapted to sense the signal beam.)

感测元件

技术领域

本发明涉及一种感测元件。

背景技术

在一般的荧光检测系统中，样品被激发光束激发以发射荧光。来自样品的荧光透射到光传感器，且光传感器将荧光转换为电信号。荧光检测系统中的处理器分析电信号以得知样品的信息。然而，由于荧光信号的光强度远低于激发光束的光强度，当有不想要的杂散光产生时，可能会干扰荧光信号的感测结果。

发明内容

本发明提供一种具有高信噪比(signal-noise ratio，SNR)的感测元件。

本发明的实施例的一种感测元件，包括半导体基板、过滤结构以及感测结构。半导体基板具有样品激发区以及光学感测区。光学感测区侧向包围样品激发区于其中。过滤结构嵌设于半导体基板中，其中过滤结构配置于样品激发区中且具有样品容纳部。样品容纳部适于容纳样品且接纳激发光束。感测结构嵌设于半导体基板中，其中感测结构的至少一部分配置于光学感测区中，且感测结构至少侧向包围过滤结构。在激发光束沿着垂直于半导体基板的表面的方向传递至样品容纳部并激发样品后，样品适于发射信号光束，且感测结构适于感测信号光束。

在本发明的一实施例中，上述的感测结构包括第一掺杂半导体区以及至少两个第二掺杂半导体区。第一掺杂半导体区至少侧向包围过滤结构。至少两个第二掺杂半导体区嵌设于第一掺杂半导体区中，其中至少两个第二掺杂半导体区的其中第一个位于过滤结构与至少两个第二掺杂半导体区的其中第二个之间。

在本发明的一实施例中，上述的至少两个第二掺杂半导体区的第一个环绕过滤结构，至少两个第二掺杂半导体区的第二个环绕过滤结构与至少两个第二掺杂半导体区的第一个。

在本发明的一实施例中，上述的第一掺杂半导体区与至少两个第二掺杂半导体区形成至少两个光传感器的部分，且至少两个光传感器适于分别感测信号光束中具有不同波长的部分。

在本发明的一实施例中，上述的感测结构还包括至少两个栅极以及至少两个浮置扩散区，各个第二掺杂半导体区与各个浮置扩散区分别位于一个栅极的两侧。

在本发明的一实施例中，上述的至少两个第二掺杂半导体区的第一个包括彼此分离的第一子区与第二子区，至少两个第二掺杂半导体区的第二个包括彼此分离的第三子区与第四子区。

在本发明的一实施例中，上述的第一掺杂半导体区包覆过滤结构的侧壁。

在本发明的一实施例中，上述的第一掺杂半导体区包覆过滤结构的底部表面。

在本发明的一实施例中，上述的感测元件还包括隔离结构，隔离结构侧向包围感测结构。

在本发明的一实施例中，上述的感测元件还包括信号干涉过滤器，信号干涉过滤器设置于过滤结构与半导体基板之间。

基于上述，在本发明的实施例的感测元件中，由于激发光束是沿着垂直于半导体基板的方向传递至样品激发区来激发样品，而光学感测区是侧向包围样品激发区。换言之，光学感测区并不在激发光束的传递路径上，因此位于光学感测区中的感测结构较不易受到激发光束的影响。如此一来，本发明的实施例中的感测元件可具有较高的信噪比。

为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合所附附图作详细说明如下。

附图说明

图1为根据本发明的一实施例的感测元件的上视示意图。

图2是图1中沿着线段A-A’的剖面示意图。

图3为根据本发明的另一实施例的感测元件的上视示意图。

图4为根据本发明的另一实施例的感测元件的上视示意图。

图5为根据本发明的另一实施例的感测元件的上视示意图。

图6是图5中沿着线段B-B’的剖面示意图。

图7为根据本发明的另一实施例的感测元件的上视示意图。

【符号说明】

100、200、300、400、500：感测元件

110：半导体基板

120：过滤结构

120a：侧壁

120b：底部表面

130、230、330、430：感测结构

132、432：第一掺杂半导体区

134、136、234、236、334、336、434、436：第二掺杂半导体区

140：隔离结构

234a、334a：第一子区

234b、334b：第二子区

236a、336a：第三子区

236b、336b：第四子区

50：样品

550：信号干涉过滤器

A-A’、B-B’：线段

C：样品容纳部

D1：方向

EB：激发光束

ER：样品激发区

FD1、FD2、FD3、FD4：浮置扩散区

SR：光学感测区

SB：信号光束

G1、G2、G3、G4：栅极

具体实施方式

图1为根据本发明的一实施例的感测元件的上视示意图。图2是图1中沿着线段A-A’的剖面示意图。在本发明的实施例中，感测元件100例如是一种互补金属氧化物半导体(Complementary Metal Oxide Semiconductor，CMOS)传感器的一个像素单元(pixelcell)。图1、图2以及后续附图仅示出一个感测元件100来代表。在本实施例中，CMOS传感器可包含多个感测元件100，其中多个感测元件100例如是以阵列形式排列。

请参照图1与图2，在本发明的实施例中，感测元件100包括半导体基板110、过滤结构120以及感测结构130。半导体基板110具有样品激发区ER以及光学感测区SR。光学感测区SR侧向包围样品激发区ER于其中。过滤结构120嵌设于半导体基板110中，其中过滤结构120配置于样品激发区ER中且具有样品容纳部C。样品容纳部C适于容纳样品50(标示于图2)且接纳激发光束EB(标示于图2)。样品容纳部C例如是凹孔。感测结构130嵌设于半导体基板110中，其中感测结构130的至少一部分配置于光学感测区SR中，且感测结构130至少侧向包围过滤结构120。

在本实施例中，感测结构130包括第一掺杂半导体区132以及至少两个第二掺杂半导体区(例如是第二掺杂半导体区134与第二掺杂半导体区136)。第一掺杂半导体区132至少侧向包围过滤结构120。第二掺杂半导体区134与第二掺杂半导体区136嵌设于第一掺杂半导体区132中。在本实施例中，第一掺杂半导体区132包覆过滤结构120的侧壁120a(标示于图2)。第二掺杂半导体区134位于过滤结构120与第二掺杂半导体区136之间，其中第二掺杂半导体区134环绕过滤结构120，第二掺杂半导体区136环绕过滤结构120与第二掺杂半导体区134。在其他实施例中，感测结构130还可以再包括另一个(或更多个)第二掺杂半导体区，且另一个第二掺杂半导体区环绕过滤结构120、第二掺杂半导体区134与第二掺杂半导体区136，本发明不以此为限。此外，在本实施例中，第二掺杂半导体区134与第二掺杂半导体区136的上视图形大致上呈矩形框的形状，在其他实施例中，第二掺杂半导体区134与第二掺杂半导体区136的上视图形也可以大致上呈圆形框的形状或其他形状。

具体来说，在本实施例中，半导体基板110例如是硅基板，第一掺杂半导体区132、第二掺杂半导体区134与第二掺杂半导体区136例如是对半导体基板110进行离子植入(ionimplantation)所形成的区域，其中第一掺杂半导体区132的掺杂类型不同于第二掺杂半导体区134与第二掺杂半导体区136的掺杂类型。举例来说，第一掺杂半导体区132可以是半导体基板110的P型掺杂区，第二掺杂半导体区134与第二掺杂半导体区136可以是半导体基板110的N型掺杂区，而半导体基板110的主体可为P型掺杂。或者，第一掺杂半导体区132可以是半导体基板110的N型掺杂区，第二掺杂半导体区134与第二掺杂半导体区136可以是半导体基板110的P型掺杂区，而半导体基板110的主体可为N型掺杂。第一掺杂半导体区132的掺杂浓度高于半导体基板110的掺杂浓度，其中第一掺杂半导体区132的掺杂浓度例如是约在10¹⁶cm^-3和10²¹cm^-3之间，或者是约在10²⁰cm^-3和10²¹cm^-3之间，而半导体基板110的掺杂浓度例如是约10¹⁵cm^-3。在其他实施例中，第一掺杂半导体区132、第二掺杂半导体区134与第二掺杂半导体区136也可以是通过磊晶成长(epitaxial growth)来形成，本发明不以此为限。

在本实施例中，第一掺杂半导体区132与至少两个第二掺杂半导体区(第二掺杂半导体区134与第二掺杂半导体区136)形成至少两个光传感器(photo detector)的部分。详细来说，第一掺杂半导体区132与第二掺杂半导体区134(或第二掺杂半导体区136)两者之间的PN接面可形成一个光二极管(photodiode)，其可用以将光信号转换为电信号，因此可用来做为光传感器。在本实施例中，由于感测结构130包括嵌入第一掺杂半导体区132中的至少两个第二掺杂半导体区(第二掺杂半导体区134与第二掺杂半导体区136)，因此感测结构130可视为包括至少两个光传感器。

在本实施例中，感测结构130还包括至少两个栅极(例如是栅极G1与栅极G2)以及至少两个浮置扩散(floating diffusion)区(例如是浮置扩散区FD1与浮置扩散区FD2)，各个第二掺杂半导体区与各个浮置扩散区分别位于一个栅极的两侧。浮置扩散区通过栅极而耦合至第二掺杂半导体区。浮置扩散区与第二掺杂半导体区为半导体基板110中具有相同掺杂类型的掺杂区。举例来说，若第二掺杂半导体区为N型掺杂，则浮置扩散区也为N型掺杂，反之亦然。如图2所示，在本实施例中，栅极G1位于第二掺杂半导体区134的其中一端，而栅极G2位于第二掺杂半导体区136的其中一端。第二掺杂半导体区134与浮置扩散区FD1分别位于栅极G1的两侧，而第二掺杂半导体区136与浮置扩散区FD2分别位于栅极G2的两侧。在一些实施例中，感测结构130还可包括源极随耦器(source follower)(未示出)，电性耦接于浮置扩散区，且用以放大感测信号。

在本实施例中，在激发光束EB沿着垂直于半导体基板110的表面的方向D1传递至样品容纳部C并激发样品50后，样品50适于发射信号光束SB，且感测结构130适于感测信号光束SB。详细来说，方向D1例如是图2中沿着图面由上往下的方向。样品50例如是带有至少一种荧光标记的生物分子。在样品50被激发光束EB激发后，样品50可向周围发出信号光束SB，并将信号光束SB传递至感测结构130。在一些实施例中，激发光束EB可以具有单一波长。在一些实施例中，激发光束EB也可以具有多种波长。

由于激发光束EB是沿着垂直于半导体基板110的方向D1传递至样品激发区ER来激发样品50，并且沿着方向D1离开样品激发区ER，而光学感测区SR是侧向包围样品激发区ER。换言之，光学感测区SR并不在激发光束EB的传递路径上，因此位于光学感测区SR中的感测结构130较不易受到激发光束EB的影响。如此一来，本发明的实施例中的感测元件100可具有较高的信噪比。

一般来说，激发光束EB的波长会小于信号光束SB的波长，若激发光束EB在样品激发区ER产生杂散光，设置于样品激发区ER的过滤结构120可用以过滤(例如吸收)波长较短的杂散光，且过滤结构120可不过滤(或仅过滤少部分)波长较长的信号光束SB。在本实施例中，过滤结构120的材质例如是氮氧化硅(SiON)、任何可用以过滤杂散光的适当材质或其组合，本发明不以此为限。

值得一提的是，若样品50带有多种不同的荧光标记，则信号光束SB可能为具有多种不同波长的光。由于不同波长的光在感测结构130中可传递的路径长度不同，因此感测结构130的至少两个光传感器可分别感测信号光束SB中具有不同波长的部分。举例来说，短波长的光可传递的路径较短，长波长的光可传递的路径较长，因此离样品50较近的第二掺杂半导体区134与邻近的第一掺杂半导体区132所形成的光传感器例如是感测信号光束SB中短波长的部分，而离样品50较远的第二掺杂半导体区136与邻近的第一掺杂半导体区132所形成的光传感器例如是感测信号光束SB中长波长的部分。也就是说，通过至少两个光传感器的设置，使信号光束SB中具有不同波长的部分都能被有效地检测到，可增加感测元件100的灵敏度。

在本实施例中，感测元件100还包括隔离结构140，隔离结构140侧向包围感测结构130。隔离结构140例如是浅沟槽隔离(shallow trench isolation，STI)氧化层。

图3为根据本发明的另一实施例的感测元件的上视示意图。参照图3，本实施例的感测元件200与图1的感测元件100大致上相似。感测元件200的构件以及相关叙述可以参考图1的感测元件100，在此便不再赘述，其主要差异在于本实施例的感测结构230的第二掺杂半导体区234包括彼此分离的第一子区234a与第二子区234b，第二掺杂半导体区236包括彼此分离的第三子区236a与第四子区236b，且感测结构230包括四个栅极(例如是栅极G1、栅极G2、栅极G3与栅极G4)以及四个浮置扩散区(例如是浮置扩散区FD1、浮置扩散区FD2、浮置扩散区FD3与浮置扩散区FD4)。

如图3所示，在本实施例中，栅极G1位于第二掺杂半导体区234的第一子区234a的其中一端，栅极G2位于第二掺杂半导体区234的第二子区234b的其中一端，栅极G3位于第二掺杂半导体区236的第三子区236a的其中一端，栅极G4位于第二掺杂半导体区236的第四子区236b的其中一端。第二掺杂半导体区234的第一子区234a与浮置扩散区FD1分别位于栅极G1的两侧，第二掺杂半导体区234的第二子区234b与浮置扩散区FD2分别位于栅极G2的两侧，第二掺杂半导体区236的第三子区236a与浮置扩散区FD3分别位于栅极G3的两侧，而第二掺杂半导体区236的第四子区236b与浮置扩散区FD4分别位于栅极G4的两侧。

由于光子在PN接面所产生的电子和/或空穴在传递过程中可能因缺陷(defect)等因素而导致电子空穴复合，因此通过增设的栅极以及浮置扩散区，可缩短电子和/或空穴的传递距离，以减少电子空穴复合的机率，进而提升光感测的效率。

图4为根据本发明的另一实施例的感测元件的上视示意图。参照图4，本实施例的感测元件300与图1的感测元件100大致上相似。感测元件300的构件以及相关叙述可以参考图1的感测元件100，在此便不再赘述，其主要差异在于本实施例的感测结构330的第二掺杂半导体区334包括彼此分离的第一子区334a与第二子区334b，第二掺杂半导体区336包括彼此分离的第三子区336a与第四子区336b，且感测结构330包括四个栅极(例如是栅极G1、栅极G2、栅极G3与栅极G4)以及两个浮置扩散区(例如是浮置扩散区FD1与浮置扩散区FD2)，其中第二掺杂半导体区334的第一子区334a与第二子区334b共用一个浮置扩散区FD1，且第二掺杂半导体区336的第三子区336a与第四子区336b共用一个浮置扩散区FD2。

如图4所示，在本实施例中，栅极G1位于第二掺杂半导体区334的第一子区334a的其中一端，栅极G2位于第二掺杂半导体区334的第二子区334b的其中一端，栅极G3位于第二掺杂半导体区336的第三子区336a的其中一端，栅极G4位于第二掺杂半导体区336的第四子区336b的其中一端。第二掺杂半导体区334的第一子区334a与浮置扩散区FD1分别位于栅极G1的两侧，第二掺杂半导体区334的第二子区334b与浮置扩散区FD1分别位于栅极G2的两侧，第二掺杂半导体区336的第三子区336a与浮置扩散区FD2分别位于栅极G3的两侧，而第二掺杂半导体区336的第四子区336b与浮置扩散区FD2分别位于栅极G4的两侧，其中栅极G1与栅极G2分别位于浮置扩散区FD1的两侧，且栅极G3与栅极G4分别位于浮置扩散区FD2的两侧。

图5为根据本发明的另一实施例的感测元件的上视示意图。图6是图5中沿着线段B-B’的剖面示意图。参照图5与图6，本实施例的感测元件400与图1的感测元件100大致上相似。感测元件400的构件以及相关叙述可以参考图1的感测元件100，在此便不再赘述，其主要差异在于本实施例的感测结构430的第一掺杂半导体区432在光学感测区SR可具有较小的占据面积。举例来说，第二掺杂半导体区436与隔离结构140之间可不具有第一掺杂半导体区432的部分，或是第二掺杂半导体区434与过滤结构120之间也可不具有第一掺杂半导体区432的部分。再者，第一掺杂半导体区432的一部分可延伸至样品激发区ER内，且包覆过滤结构120的底部表面120b，以防止第二掺杂半导体区434与半导体基板110之间产生漏电流(leakage current)。此外，第二掺杂半导体区434的上视图形可以是呈现完整的矩形框形状。

图7为根据本发明的另一实施例的感测元件的上视示意图。参照图7，本实施例的感测元件500与图1的感测元件100大致上相似。感测元件500的构件以及相关叙述可以参考图1的感测元件100，在此便不再赘述，其主要差异在于本实施例的感测元件500还包括信号干涉过滤器(signal interference filter)550。信号干涉过滤器550设置于过滤结构120与半导体基板110之间。在本实施例中，信号干涉过滤器550为多层薄膜叠加所形成的多层结构。信号干涉过滤器550可对具有不同波长的光束提供不同的光学作用。举例来说，本实施例的信号干涉过滤器550可经设计而例如是用以阻挡激发光束EB通过，且允许信号光束SB通过。也就是说，激发光束EB不会穿透信号干涉过滤器550，而信号光束SB可穿透信号干涉过滤器550。因此，可避免激发光束EB在通过半导体基板110时产生不必要的杂散光，且不影响信号光束SB传递至样品激发区ER。

综上所述，在本发明的实施例的感测元件中，由于激发光束是沿着垂直于半导体基板的方向传递至样品激发区来激发样品，而光学感测区是侧向包围样品激发区。换言之，光学感测区并不在激发光束的传递路径上，因此位于光学感测区中的感测结构较不易受到激发光束的影响。如此一来，本发明的实施例中的感测元件可具有较高的信噪比。

虽然本发明已以实施例揭示如上，然其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更改与润饰，故本发明的保护范围当视权利要求所界定的为准。