DE102004058064A1

DE102004058064A1 - Biochemisches Halbleiterchiplabor mit angekoppeltem Adressier- und Steuerchip und Verfahren zur Herstellung desselben

Info

Publication number: DE102004058064A1
Application number: DE102004058064A
Authority: DE
Inventors: Ralf Dr. Brederlow; Werner Dr. Simbürger; Roland Dr. Thewes; Heinrich Dr. Heiss; Hans-Jörg Dr. Timme; Robert Dr. Aigner; Stephan Dr. Marksteiner; Lüder Dr. Elbrecht
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2004-12-01
Filing date: 2004-12-01
Publication date: 2006-06-08
Also published as: US20080197430A1; WO2006058882A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein biochemisches Halbleiterchiplabor (1) mit angekoppeltem Adressier- und Steuerchip (2) für biochemische Analysen und ein Verfahren zur Herstellung desselben. Das Halbleiterchiplabor (1) weist einen Halbleitersensorchip (3) auf, der eine Vielzahl von Analysepositionen für biochemische Proben (5) in einer Matrix zur Verfügung stellt. Der Halbleitersensorchip (3) ist auf dem Adressier- und Steuerchip (2) angeordnet, wobei die Analysepositionen (4) über niederohmige Durchkontakte (7) durch das Halbleitersubstrat (6) des Halbleitersensorchips (3) mit einer Leiterbahnstruktur (8) auf der Oberseite (9) des Adressier- und Steuerchips (2) elektrisch in Verbindung stehen.

Description

Biochemisches Halbleiterchiplabor mit angekoppeltem Adressier- und Steuerchip und Verfahren zur Herstellung desselben
Die Erfindung betrifft ein biochemisches Halbleiterchiplabor mit angekoppeltem Adressier- und Steuerchip vorzugsweise für pharmazeutische Analysen und Verfahren zur Herstellung derselben Durchführung der Analysen.

Aus der Druckschrift DE 199 44 452 ist ein Positionsdetektor mit akustischen Oberflächenwellen bekannt, wobei die Position einer Probe auf einer Oberfläche mit Hilfe des Oberflächenwellendetektors und eines in der Frequenz variablen Oberflächenwellenübertragers ermittelt wird.

Darüber hinaus sind aus der Druckschrift DE 10 2004 025 269 Biozellen auf einem Biosubstrat bekannt, wobei das Chipsubstrat eine Glasplatte aufweist, die eine Vielzahl von Analysepositionen besitzt, an denen biochemische Proben abgelegt werden, welche mit einer Analyseflüssigkeit untersucht werden, wobei optische Fluoreszenzerscheinungen ein Andocken von Kettenmolekülen in der Analyselösung die Moleküle auf den Analysepositionen anzeigen. Ein derartiges "Labor in Miniaturformat" weist Analyseinseln auf, die mit unterschiedlichen genetischen Substanzen beschichtet werden, und anschließend werden die Reaktionen dieser bis zu 400 unterschiedlichen Genproben in dem Labor in Miniaturformat und ihre Reaktionen auf einen Wirkstoff bzw. einen Analysestoff überprüft.

Mit derartigen Laboren in Miniaturformat können Untersuchungen von Entzündungen, von verschiedenen Krebsarten, von neurologischen Erkrankungen, von multipler Sklerose im Rahmen von pharmazeutischen oder diagnostischen Untersuchungen eingesetzt werden. Außerdem können derartige Labore in Miniaturformat in der Lebensmittelforschung, der Vaterschaftsanalyse, der Phorensik, der Prädispositions-Diagnostik oder auch für höhere Resistenzuntersuchungen eingesetzt werden. Dazu werden heutzutage optische Erfassungsmechanismen, wie die Fluoreszenz, eingesetzt. Für weitere Anwendungen im Bereich der Molekularuntersuchungen von DNA-Hybriden oder Proteinen mit Antikörperreaktionen sind optische Erfassungsmechanismen sowohl in ihrer Auflösung als auch in Bezug auf ihre Analyseparameter oft nicht ausreichend. Darüber hinaus ist ein Nachteil dieser Labore in Miniaturformat, dass sie mit herkömmlichen Halbleiterfertigungstechniken nicht kompatibel sind.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein biochemisches Halbleiterchiplabor mit angekoppeltem Adressier- und Steuerchip vorzugsweise für pharmazeutische Analysen und Verfahren zur Herstellung derselben anzugeben, bei dem Halbleiterfertigungstechniken zum Einsatz kommen und eine Vielzahl unterschiedlicher biochemischer Proben positioniert, erfasst und entsprechende elektronisch erfasste Signale charakterisiert und ausgewertet werden können. Insbesondere sollen diese Halbleiterchiplabors mit angekoppeltem Adressier- und Steuerchip für DNA-Analysen (Desoxyribonukleinsäure-Analysen) oder RNA-Analysen (Ribonukleinsäure-Analysen) einsetzbar sein.

Diese Aufgabe wird mit dem Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

Erfindungsgemäß wird ein biochemisches Halbleiterchiplabor mit angekoppeltem Adressier- und Steuerchip für biochemische, insbesondere pharmazeutische Analysen geschaffen. Dabei weist ein Halbleitersensorchip eine Vielzahl von Analysepositionen für biochemische Proben auf, die in einer Matrix angeordnet sind. Dieser Halbleiterchipsensor ist auf dem Adressier- und Steuerchip angeordnet, wobei die Analysepositionen über niederohmige Durchkontakte durch das Halbleiterchipsubstrat des Halbleitersensorchips mit einer Leiterbahnstruktur auf der Oberseite des Adressier- und Steuerchips elektrisch in Verbindung stehen.

Dieses Halbleiterchiplabor hat den Vorteil, dass sowohl der Halbleitersensorchip als auch der Adressier- und Steuerchip mit halbleitertechnischen Fertigungsschritten herstellbar sind. Jedoch wurde der Halbleitersensorchip dahingehend modifiziert, dass er über seine Rückseite an den Adressier- und Steuerchip angeschlossen ist. Dazu erfolgt die Kontaktierung auf der Rückseite dieses Halbleitersensorchips und wird über einen niederohmigen Durchkontakt mit der Oberseite, welche die Analysepositionen trägt, elektrisch verbunden.

Diese Durchkontakte können vorteilhafter Weise bereits auf der Halbleiterwaferebene hergestellt werden, indem entweder Durchgänge in den Halbleiterwafer geätzt werden, die anschließend mit Metall wie Kupfer aufgefüllt werden, oder durch eine hohe Dotierung des Halbleitersubstrats in den für den Durchkontakt vorgesehenen Gebieten des Siliziumwafers vorgenommen wird. Dabei kann eine komplementäre Dotierung in der Nachbarschaft des Durchkontaktes zur Isolation der Durchkontakte von dem Siliziumsubstrat zusätzlich erfolgen. Auch ein Dünnschleifen des Wafers von der Rückseite her kann sich anschließen, um einerseits die Durchkontakte freizulegen und andererseits den Halbleiterwafer zu dünnen.

Dabei basiert das biochemische Sensorprinzip auf einem FBAR-Resonator (film bulk acoustic wave resonator), der Massenunterschiede, Dichteänderungen und Viskositätsveränderungen auf einer biochemisch präparierten Oberfläche erfassen kann. Das Prinzip dieser biochemischen Sensoranalyse wird in den nachfolgenden Figuren näher erläutert. Im Prinzip werden zu analysierende Moleküle auf der Oberfläche des Halbleitersensors des Halbleiterchiplabors in den Analysepositionen fixiert und einer Flüssigkeit ausgesetzt, die Analysemoleküle aufweist. Abhängig von der chemischen Struktur der Analysemoleküle werden diese chemisch an die Probenmoleküle angedockt oder nicht. Daraus ergibt sich eine Änderung der Masse, der Dichte und/oder der Viskosität auf der Sensoroberfläche und kann als Änderung der Oszillationsfrequenz des FBAR-Resonators erfasst werden.

Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Halbleiterchiplabors besteht darin, dass es mit Resonanzschwingungsfrequenzen der Größenordnung von Gigahertz arbeitet, im Gegensatz zu den auf Glasplatten basierenden oben erwähnten Laboren in Miniaturformat, die im Megahertzbereich arbeiten. Mit der erhöhten Resonanzfrequenz ist eine deutlich erhöhte Auflösung verbunden. Darüber hinaus ist es leicht möglich, eine Sensormatrix aus FBAR-Resonatoren herzustellen, da diese Resonatoren mit Standard Siliziumtechniken gefertigt werden können. Mit einem derartigen Halbleiterchiplabor wird auch ein höherer Durchsatz für pharmazeutische Experimente erreicht, und vor allem wird durch die Kombination mit einem Adressier- und Steuerchip ein vollständig automatisiertes Halbleiterchiplabor verwirklicht. Vorzugsweise wandelt der Halbleitersensorchip Masse- und Dichteänderungen biochemischer Proben in Resonanzfrequenzänderungen um, so dass diese als elektrische Signale von dem zugeordneten Adressier- und Steuerchip erfasst werden können.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weisen die FBAR-Resonatorstrukturen piezoelektrische Elemente mit FBAR-Resonanzfrequenzen im Gigahertzbereich auf. Da wie oben erwähnt die Auflösung der Sensoren mit der Schwingungsfrequenz quadratisch ansteigt, ist eine Erhöhung der Frequenz, insbesondere für hochauflösende Systeme, von großem Vorteil. Die piezoelektrischen Elemente weisen eine Schicht aus Aluminiumnitrid, die sandwichartig zwischen zwei Metallelektroden angeordnet ist, auf. Die obere Elektrode ist dabei mit einer biochemischen Kopplungsschicht aus Siliziumnitrid bedeckt. Dabei wird die Resonanzfrequenz des Resonators durch die Dicke der piezoelektrischen Schicht aus Siliziumnitrid bestimmt und zusätzlich von der Masse der Elektrode.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind unter den piezoelektrischen Elementen mehrere akustische Reflektorschichten für BAW-Wellen (bulk acoustic waves) angeordnet. Diese akustischen Reflektorschichten weisen im Wechsel Schichten von hoher Impedanz und Schichten von niedriger Impedanz auf, wobei die Schichten aus niedriger Impedanz als akustische Spiegel aus Wolfram vorzugsweise aufgebaut sind. Die Schichten aus niedriger Impedanz bestehen vorzugsweise aus Siliziumdioxid, wenn die Analysepositionen auf einem Silizium-Halbleitersubstrat angeordnet sind. Diese akustischen Reflektorschichten sollen das Substrat von den Vibrationen der piezoelektrischen Elemente entkoppeln.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist zwischen den piezoelektrischen Elementen und dem Halbleitersubstrat ein Hohlraum zur Entkopplung von BRW-Wellen ange ordnet. Durch einen Hohlraum kann ebenfalls die Vibration der FBAR-Resonatoren von dem Substrat entkoppelt werden.

Weiterhin ist es vorgesehen, dass der Adressier- und Steuerchip zur Aufnahme und zur Auswertung von Resonanzfrequenzänderungen im Gigahertzbereich Schaltungen aufweist, die auf komplementären MOS-Transistoren basieren. Derartige CMOS-Halbleiterchips können als Basischips für das Halbleiterchiplabor dienen, wobei durch das Aufsetzen des Halbleitersensorchips auf die Oberseite des CMOS-Halbleiterchips eine deutliche Verringerung des Abstandes zwischen aktiven Bauelementen und Sensoren bzw. Aktoren des Halbleitersensorchips mit der damit verbundenen verbesserten Auflösung vorteilhaft ist. Außerdem besteht die Möglichkeit, eine große Matrix mit einer Vielzahl von Analysepositionen des Halbleitersensorchips durch Oberflächenmontage mit dem Adressier- und Steuerchip niederohmig zu verbinden.

Entscheidend für die enge Kopplung von CMOS-Halbleiterchip mit dem Sensorchip sind die niederohmigen Durchkontakte jeder der Analysepositionen von der Oberseite des Halbleitersensorchips durch das Substrat des Halbleitersensorchips hindurch bis zur Oberseite des Adressier- und Steuerchips mit seiner Leiterbahnstruktur. Dazu weisen die niedrigen Durchkontakte nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung hochdotierte Durchgangsbereiche durch die Dicke des Halbleitersubstrats von der Oberseite zu der Rückseite des Halbleitersensorchips auf.

Diese Durchgangsbereiche können bereits auf dem Halbleiterwafer durch entsprechend hohe Dotierungen an den besonderen Durchgangsstellen für die Durchkontakte eindiffundiert oder ionenimplantiert werden. Diese hochdotierten Durchgangsberei che können von komplementär dotierten Bereichen des Halbleitersubstrats umgeben sein. Wenn der Leitungstyp des hochdotierten Durchkontaktes der gleiche Leitungstyp wie der Leitungstyp des niedrigdotierten Halbleitersubstrats ist, so kann ein Bereich mit komplementärer Dotierung vorgesehen werden, der den Bereich des Durchkontaktes umgibt, um sicherzustellen, dass es keine Rückkopplungen über das schwach dotierte Halbleitersubstrat gibt.

Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weisen die niederohmigen Durchkontakte ein metallisch leitendes Material auf, das in Durchgängen von der Oberseite zu der Unterseite des Halbleitersubstrats in den Analysepositionen angeordnet ist. Dazu können entsprechende Durchgänge in den Halbleiterwafer eingebracht werden, deren Wände zunächst mit einer Isolationsschicht, vorzugsweise aus SiO₂, beschichtet werden. Anschließend werden die Durchgänge mit Kupfer oder anderen Metallen galvanisch aufgefüllt.

Ein Verfahren zur Herstellung eines biochemischen Halbleiterchiplabors aus einem Halbleitersensorchip und einem Adressier- und Steuerchip weist die nachfolgenden Verfahrensschritte auf. Zunächst werden niederohmige Durchkontakte von der Oberseite eines Halbleitersubstrats zu der Unterseite des Halbleitersubstrats in entsprechend vorgesehenen Analysepositionen eines Halbleitersensorchips oder eines Halbleiterwafers vorgesehen. Anschließend wird eine Vielzahl von Analysepositionen für biochemische Proben in einer Matrix auf dem Halbleitersubstrat unter Ausbilden eines Halbleitersensorchips aufgebracht.

Unabhängig von der Herstellung des Halbleitersensorchips wird ein Adressier- und Steuerchip mit Leiterbahnstruktur und mit Kontaktanschlussflächen für den Anschluss der Durchkontakte eines Halbleitersensorchips auf der Oberfläche des Adressier- und Steuerchips hergestellt. Sobald die beiden Halbleiterchipkomponenten des Halbleiterchiplabors in entsprechenden halbleitertechnischen Fertigungsanlagen hergestellt sind, wird der Halbleitersensorchip mit seinen oberflächenmontierbaren niederohmigen Durchkontakten auf die Kontaktanschlussflächen der Leiterbahnstruktur des Adressier- und Steuerchips aufgebracht. Anschließend wird das hergestellte Halbleiterchiplabor in eine Kunststoffgehäusemasse unter Freilassen der Analysepositionen des Halbleitersensorchips eingebettet.

Dieses Verfahren hat den Vorteil, dass ein Halbleiterchiplabor entsteht, bei dem sich die integrierten Schaltungen zur Adressierung und Steuerung in unmittelbarer Nähe der Sensoren und Aktoren befinden. Ferner ermöglicht das Verfahren eine einfache und in der Ausbeute optimierte Realisierung derartiger Halbleiterchiplabors.

Ein Verfahren zur biochemischen Analyse unter Verwendung des Halbleiterchiplabors gemäß den vorhergehenden Ausführungen, weist die nachfolgenden Verfahrensschritte auf. Zunächst werden biochemische Proben auf die Analysepositionen des Halbleiterchiplabors aufgebracht. Anschließend wird eine erste Resonanzfrequenz in den Analysepositionen ermittelt, und diese erste Resonanzfrequenz wird unter den Adressen des Adressier- und Steuerchips gespeichert.

Anschließend wird eine Analyselösung auf die biochemischen Proben, die auf den Analysepositionen fixiert sind, aufgebracht. Bei der chemischen Reaktion in Form von Andocken von Molekülen aus der Analyselösung an die biochemischen Proben verändern sich die Dichte und die Masse und eventuell auch die Viskositäten in den einzelnen Analysepositionen, nachdem die Analyselösung unter Zurücklassung dieser Reaktionsprodukte entfernt ist. Danach wird eine zweite Resonanzfrequenz in den Analysepositionen ermittelt und diese zweite Resonanzfrequenz wird wieder unter den Adressen des Adressier- und Steuerchips gespeichert. Schließlich werden die Differenzen der ermittelten ersten und zweiten Resonanzfrequenz in der Adressier- und Steuerchipeinheit gebildet und die Differenz der Resonanzfrequenzen wird ausgewertet, um die Änderungen in der Masse- und/oder der Dichte und/oder der Viskosität der biochemischen Proben zu bestimmen.

Mit diesem Verfahren können in vorteilhafter Weise die bisher üblichen optischen DNA-Untersuchungen durch automatisierte elektronische Halbleiterchiplabore ausgeführt werden, so dass eine optimierte und objektive Aussage über das Andocken unterschiedlicher Analysemoleküle an die entsprechenden DNA-Proben ohne die aufwändigen optischen Untersuchungen erfolgen kann. Dieses gewährleistet auch, dass die Analysegeschwindigkeit um ein Vielfaches gegenüber den herkömmlichen DNA-Analysen erhöht werden kann, womit ebenfalls ein größerer Durchsatz in den Labors möglich wird. In einer weiteren bevorzugten Durchführung des Verfahrens werden auf den Analysepositionen Vergleichs- und/oder Eichproben hinterlegt, um eine Standardisierung zu ermöglichen.

Die Erfindung wird nun anhand der beigefügten Figuren näher erläutert.
1 zeigt einen schematischen Querschnitt durch ein Halbleitersensorchip gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung im Bereich einer Analyseposition;
2 zeigt eine zweite Ausführungsform der Erfindung durch ein Halbleitersensorchip gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung im Bereich einer Analyseposition;
3 zeigt einen schematischen Querschnitt durch ein Halbleitersensorchip gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung im Bereich einer Analyseposition;
4 zeigt eine schematische Draufsicht auf ein Halbleitersensorchip im Bereich einer Analyseposition;
5 zeigt einen schematischen Querschnitt des Halbleitersensorchips gemäß 1 im Bereich des piezoelektrischen Elements;
6 zeigt einen schematischen Querschnitt des Halbleitersensorchips einer vierten Ausführungsform der Erfindung im Bereich einer Analyseposition;
7 zeigt einen schematischen Querschnitt des Halbleitersensorchips einer fünften Ausführungsform der Erfindung im Bereich einer Analyseposition;
8 zeigt einen schematischen Querschnitt durch ein Halbleitersensorchip vor einem Verbinden mit einem Adressier- und Steuerchip zu einem Halbleiterchiplabor;
9 zeigt eine perspektivische Prinzipskizze eines Halbleiterchiplabors einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
10 zeigt einen schematischen Querschnitt durch eine Analyseposition mit aufgebrachter Analyselösung;
11 zeigt eine Prinzipskizze mit Andocken eines DNA-Indikators an eine DNA-Probe;
12 zeigt eine Prinzipskizze eines Bereitstellens einer zu analysierenden DNA-Probe;
13 zeigt eine Prinzipskizze eines Andockens eines DNA-Indikators auf einer Analyseposition an eine DNA-Probe;
14 zeigt eine Prinzipskizze von DNA-Indikatoren angedockt an DNA-Proben auf einer Analyseposition;
15 zeigt eine Prinzipskizze eines Bereitstellens von zu analysierenden DNA-Proben;
16 zeigt eine Prinzipskizze eines Abweisens von DNA-Indikatoren auf einer Analyseposition;
17 zeigt eine Prinzipskizze einer nicht-markierten DNA-Probe auf einer Analyseposition;
18 zeigt eine Prinzipskizze eines Halbleiterchiplabors nach Aufnahme einer biochemischen Probe mit Schaltungen des Adressier- und Steuerchips;
19 zeigt eine Prinzipskizze eines Halbleiterchiplabors nach Andocken von Analysemolekülen an biochemische Moleküle der Probe;
20 zeigt eine Prinzipskizze eines Aufbringens einer Analyselösung auf eine Analyseposition;
21 zeigt eine Prinzipskizze des Aufbringens einer Analyselösung auf mehrere Analysepositionen;
22 zeigt eine Prinzipskizze eines Umschaltens von einer Analyseposition zu der nächsten Analyseposition.
1 zeigt einen schematischen Querschnitt durch ein Halbleitersensorchip 3 gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung im Bereich einer Analyseposition 4. In der Analyseposition 4 weist der Halbleitersensorchip 3 auf seinem Halbleitersubstrat 6 ein piezoelektrisches Element 28 in Form einer aus Aluminiumnitrid bestehenden Schicht auf, die von einer oberen Elektrode 29 und einer unteren Elektrode 30 sandwichartig eingeschlossen ist. Auf der oberen Elektrode 29 befindet sich eine biochemische Probe 5. Die Elektroden 29 und 30 sind über niederohmige Durchkontakte 7 mit der Rückseite 22 des Halbleitersubstrats 6 verbunden. In dieser ersten Ausführungsform des Halbleitersensorchips 3 weist der Halbleitersensorchip 3 zwei Reflektorschichten 11 und 12 aus Wolfram auf, die voneinander durch Siliziumdioxidschichten isoliert sind und als akustische Reflektoren dienen, um die Oberseite 21 des Halbleitersubstrats 6 von den Vibrationen des Halbleitersensorchips 3 im Gigahertzbereich zu entkoppeln.
2 zeigt einen schematischen Querschnitt durch ein Halbleiterchip 13 gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung im Bereich einer Analyseposition 4. Komponenten mit gleichen Funktionen wie in 1 werden mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet und nicht extra erörtert. Die zweite Version weist Durchkontakte 7 zur Rückseite 22 des Halbleitersubstrats 6 auf, um die Möglichkeit zu eröffnen, den Halbleitersensorchip 13 durch Oberflächenmontage auf einen hier nicht gezeigten Adressier- und Steuerchip anzubringen und über die Durchkontakte 7 elektrisch mit einer Leiterbahnstruktur dieses Adressier- und Steuerchips zu verbinden. Die mechanische Entkopplung zwischen dem piezoelektrischen Element 28 und dem darunter angeordneten Halbleitersubstrat 6 wird in dieser zweiten Ausführungsform der Erfindung nicht durch Reflektorschichten erreicht, sondern durch einen Hohlraum 14, der zwischen dem Halbleitersubstrat 6 und dem piezoelektrischen Element 28 angeordnet ist.
3 zeigt einen schematischen Querschnitt durch ein Halbleitersensorchip 23 gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung im Bereich einer Analyseposition 4. Komponenten mit gleichen Funktionen wie in den vorhergehenden Figuren werden mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet und nicht extra erörtert. Auch in der dritten Ausführungsform ist kennzeichnend, dass Durchkontakte 7 die oberen und unteren Elektroden 29 und 30 des piezoelektrischen Elements 28 über Durchkontakte 7 mit der Rückseite 22 des Halbleitersubstrats 6 verbinden, so dass von der Rückseite 22 aus die Elektroden 29 und 30 des piezoelektrischen Elements 28 gesteuert werden können und Signale auf der Rückseite 22 des Halbleitersubstrats 6 an die Schaltungen des nicht gezeigten Adressier- und Steuerchips geleitet werden können. Die Entkopplung des Halbleiter substrats 6 von dem piezoelektrischen Element 28 wird durch eine Aussparung 48 im Halbleitersubstrat 6 erreicht.
4 zeigt eine schematische Draufsicht auf ein Halbleitersensorchip 3 im Bereich einer Analyseposition 4. Die Analyseposition 4 weist eine größere Fläche auf als die biochemische Probe 5, da Kompartierungselemente 35 in Form eines Kunststoffrahmens die biochemische Probe 5 begrenzen. Das Halbleitersubstrat 6 mit seinen Durchkontakten 7 kann auch mehrlagig ausgebildet sein und Verdrahtungslagen aufweisen.
Das piezoelektrische Element besteht weitestgehend aus der oben erwähnten Aluminiumnitridschicht. Die obere Elektrode des piezoelektrischen Elementes und die untere Elektrode des piezoelektrischen Elements weisen Metalle, vorzugsweise Kupfer, auf, wobei die obere Metallelektrode mit einer Siliziumnitridschicht versehen ist, um sie vor Korrosion durch die zu untersuchende biochemische Probe 5 zu schützen und ein fixieren von Makromolekülen auf der oberen Metallelektrode zu ermöglichen. Die Reflektorschichten 11 und 12 der ersten Ausführungsform der Erfindung gemäß 1 sind in einem Abstand von annähernd λ/4 angeordnet und bilden einen Wechsel aus Schichten mit niedriger Impedanz und mit hoher Impedanz aus. Die Durchkontaktierung ist in den drei Ausführungsformen der 1 bis 3 zweigeteilt und weist in einem oberen Bereich Durchkontaktierungen durch aktive Schichten und in einem unteren Bereich Durchkontaktierungen durch das Halbleitersubstrat 6 auf.
5 zeigt einen schematischen Querschnitt des Halbleitersensorchips 3 gemäß 1 im Bereich des piezoelektrischen Elements 28. Dieses piezoelektrische Element 28 aus Aluminiumnitrid ist als Schicht sandwichartig zwischen zwei Metall elektroden 29 und 30 angeordnet und weist in dieser Ausführungsform der Erfindung einen Durchmesser d von etwa 150 μm auf. Die obere Elektrode 29 ist in dieser Ausführungsform der Erfindung mit einer die biochemische Probe 5 koppelnden Schicht aus Siliziumnitrid beschichtet. Die Resonanzfrequenz des Resonators wird durch die Dicke der piezoelektrischen Schicht und der Masse der Elektrode 29 sowie die Masse der biochemischen Probe 5 beeinflusst.
Um zu vermeiden, dass Energie in das Substrat fließt, sind akustische Spiegel, die mit einem optischen Bragg-Reflektor vergleichbar sind, aus mehreren Schichten mit alternierender niedriger und hoher akustischer Impedanz unter der unteren Elektrode 30 des piezoelektrischen Elements 28 angeordnet. Mit dieser Anordnung wird ein Gütefaktor Q von mehr als 500 gegenüber Luft für diese Struktur erreicht. Die Änderung der Oszillatorfrequenz ist in einer ersten Näherung proportional zu der Änderung der gesamten Masse des Sensors. Da diese Oszillatorfrequenz umgekehrt proportional zu der Gesamtmasse steigt, ergibt sich eine höhere Empfindlichkeit für eine höhere Resonanzfrequenz.
Doch auch Dichteänderungen und/oder Viskositätsänderungen beeinflussen die Auflösung des Halbleiterchipsensors 3 aufgrund der gleichen Verschiebungsrichtung für die sich ergebenden Resonatorfrequenzen. Andere Einflüsse wie die Temperatur und die Fehlanpassung vermindern die Auflösung und müssen deshalb minimiert werden. Derartige Einflüsse können im Prinzip unter Verwendung von weiteren Referenzanalysepositionen vermindert werden, die keine biochemischen Proben 5 aufweisen. Somit kann die Fehlanpassung abgezogen werden, während die Temperatur für die Referenzposition und damit der Einfluss der Temperatur kompensiert wird. Es verbleibt dann als Hauptbe schränkung für die Auflösung das thermische Rauschen des Sensors, das hauptsächlich von dem Gütefaktor Q, wie oben erwähnt, abhängt.
Der Sensor hat den Vorteil, dass er relativ unempfindlich gegen Lösungsmittel zur Oberflächenpräparation vor einem Aufgeben der biochemischen Proben 5 ist. Die dadurch verursachte Frequenzverschiebung geht gegen Null. Die Übertragung der Messwerte über einen niederohmigen Durchkontakt 7 wird dadurch gewährleistet, dass einmal der Durchkontakt 7 in seinem oberen Bereich durch aktive Schichten hindurchgeführt wird, und im Bereich des Halbleitersubstrats 6 wird der niederohmige Durchkontakt 7 aus einem metallisch leitenden Material 19 von einer Isolationsschicht 27 umgeben, um Kurzschlüsse und Kopplungen mit benachbarten Analysepositionen 4 über das Halbleitersubstrat 6 zu vermeiden.
6 zeigt einen schematischen Querschnitt des Halbleitersensorchips 43 einer fünften Ausführungsform der Erfindung im Bereich einer Analysenposition 4. Komponenten mit gleichen Funktionen wie in den vorhergehenden Figuren werden mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet und nicht extra erörtert. Die Elektroden 29 und 30 des piezoelektrischen Elementes 28 werden durch das Halbleitersubstrat 6 über niederohmige Durchkontakte 7 geführt, die in Durchgänge 20 eingebracht wurden. Die Wandungen dieser Durchgänge 20 sind mit einer Isolationsschicht 27 versehen, welche den elektrisch leitenden Bereich aus einem elektrisch leitenden Metall wie Kupfer umgeben und somit eine elektrische Verbindung zu dem Halbleitersubstrat 6 unterbinden.
Mit diesem Querschnitt wird weiterhin die Struktur des Halbleitersensorchips 33 im Bereich einer Analyseposition 4 auf der Unterseite 22 des Halbleitersubstrats 6 im Detail dargestellt. Der Durchkontakt 7 geht über in eine Leiterbahnstruktur, die mit mehreren Kontaktflächen 37 auf der Unterseite des Halbleiterchipsensors 33 in Verbindung steht. Die Kontaktflächen 37 können eine metallische Legierung oder eine leitende Klebstoffschicht aufweisen. Somit kann der Halbleitersensorchip 33 mit seinen auf der Rückseite 22 des Halbleitersubstrats 6 angeordneten Kontaktflächen 37 auf einem hier nicht gezeigten Adressier- und Steuerchip oberflächenmontiert werden. Der zusätzliche Prozessaufwand für die Herstellung der niederohmigen Durchkontakte 7 in einem Halbleiterwafer umfasst die nachfolgenden Verfahrensschritte:

1. Definition und Ätzen des Durchgangs 20, der auch die Form eines Grabens aufweisen kann;
2. Oxidation der Seitenwände des Durchgangs 20 unter Bildung einer SiO₂-Schicht als Isolationsschicht 27;
3. Auffüllen des Durchgangs 20 mit metallisch leitendem Material 19 und Entfernen des Metalls außerhalb des Durchgangs 20;
4. Herstellen von Verbindungen zwischen Durchkontakt 7 und Elektroden 29 und 30 des BAW-Sensors und/oder BAW-Aktors;
5. Dünnschleifen des Halbleiterwafers.

7 zeigt einen schematischen Querschnitt des Halbleitersensorchips 43 einer fünften Ausführungsform der Erfindung im Bereich einer Analysenposition 4. Komponenten mit gleichen Funktionen wie in 6 werden mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet und nicht extra erörtert. Der Unterschied zwischen der vierten Ausführungsform gemäß 6 und der fünften Ausführungsform gemäß 7 besteht darin, dass kein metallischer Durchkontakt 7 in dem Halbleitersubstrat 6 vor gesehen ist, sondern ein hochdotierter Durchgangsbereich 15 mit einer Dotierung, die komplementär zu der Dotierung des Halbleitersubstrats 6 sein kann. Weist der Durchgangsbereich 15 den gleichen Leitungstyp wie das Halbleitersubstrat 6 auf, dann wird zusätzlich ein komplementär dotierter Bereich 18 vorgesehen, der den hochdotierten Durchgangsbereich 15 umgibt.
Eine derartige Dotierung des Halbleitersubstrats 6 kann durch Diffusion von Akzeptoren oder von Donatoren durch einen Halbleiterwafer hindurch erzeugt werden. Der hochdotierte Durchgangsbereich 15 weist danach eine Störstellenkonzentration von 10²⁰ cm^–3 bis 10²² cm^–3 auf. Der zusätzliche Prozessaufwand für die Herstellung eines derartigen niederohmigen Durchgangsbereichs 15 in einem Halbleiterwafer umfasst die nachfolgenden Verfahrensschritte:

1. Definition und Dotierung des Durchgangsbereichs 15;
2. Optimale komplementäre Dotierung um den Durchgangsbereich 15 herum;
3. Herstellen von Verbindungen zwischen Durchgangsbereichen 15 und Elektroden 29 und 30 des BAW-Sensors und/oder BAW-Aktors;
4. Dünnschleifen des Halbleiterwafers.

8 zeigt einen schematischen Querschnitt durch ein Halbleitersensorchip 3 vor einem Verbinden mit einem Adressier- und Steuerchip 2 zu einem Halbleiterchiplabor 1. Der Adressier- und Steuerchip 2 weist CMOS-Schaltungen auf. Sobald der Halbleitersensorchip 3 mit seinen Kontaktflächen 37 auf der Rückseite 22 des Halbleitersubstrats 6 des Sensorchips 3 auf die Kontaktanschlussflächen 24 des Adressier- und Steuerchips 2 aufgesetzt und mit diesen über die elektrisch leitende Klebstoffschicht 38 verbunden ist, stehen die beiden Halbleiterchips elektrisch miteinander in Verbindung. Dazu werden die Schaltungselemente des Adressier- und Steuerchips 2 über die Leiterbahnstruktur 8 mit den Kontaktflächen 37 des Halbleitersensorchips 3 elektrisch verbunden. Zur Präparation der Rückseite 17 des Halbleitersensorchips 3 und der Oberseite 9 des Adressier- und Steuerchips 2 sowie für die Oberflächenmontage werden nachfolgende Prozessschritte zusätzlich durchgeführt:

1. Aufbringen einer Isolationsschicht aus SiO₂ und/oder Si₃N₄ und Ätzen der Kontaktbereiche auf der Rückseite 22 des Halbleitersubstrats 6 bzw. Halbleiterwafers;
2. Aufbringen von Kontaktflächen 37 auf der Rückseite 22 des Halbleitersubstrats 6 bzw. Halbleiterwafers und Kontaktdefinition;
3. Präparation der Kontaktflächen 37 des Halbleitersensorchips 3 und der Kontaktanschlussflächen 24 des Adressier- und Steuerchips 2 mit leitfähigem Klebstoff oder mit Metallschichten zur späteren Bildung einer Legierung nach Formation der Verbindungen und anschließendes Entfernen unnötiger Bereiche außerhalb der Kontaktflächen 37 bzw. der Kontaktanschlussflächen 24;
4. Plazieren des Halbleitersensorchips 3 mit FBAR-Struktur 10 auf dem Adressier- und Steuerchip 2 mit CMOS-Schaltungen;
5. Erhitzen der platzierten Halbleiterchips 2 und 3 in einem Ofen zur Formung einer leitfähigen mechanisch stabilen Verbindung zwischen den Kontaktflächen 37 und den Kontaktanschlussflächen 24.

Die Oberseite 9 des Adressier- und Steuerchips 2 hat eine größere flächige Erstreckung als die Oberseite 16 des Halb leitersensorchips, so dass der Adressier- und Steuerchip 2 gleichzeitig den Schaltungsträger für das Halbleitersensorchip bildet. In dieser Darstellung der 8 ist zwar nur eine einzelne Analyseposition 4 symbolisch gezeigt, in Wirklichkeit jedoch weist die Oberseite 16 des Halbleitersensorchips 3 eine Vielzahl derartiger Analysepositionen 4 auf, die mit dem Adressier- und Steuerchip 2 in Verbindung stehen. Das Adressier- und Steuerchip 2 dient dabei der Erfassung der Differenzen in der Resonanzfrequenz der piezoelektrischen Elemente in den Analysepositionen 4. Dabei wird erfasst, ob biochemische Proben mit Indikatormolekülen von entsprechenden Analysenlösungen reagiert haben und somit ihre Viskosität, ihre Masse und/oder ihre Dichte verändert oder nicht verändert haben.
9 zeigt eine perspektivische Prinzipskizze eines Halbleiterchiplabors 1 einer ersten Ausführungsform der Erfindung. Auf dem Halbleitersensorchip 3 wird durch Punkte angedeutet, dass auf der Oberseite 16 des Halbleitersensorchips 3 eine beliebig hohe Anzahl an Analysepositionen 4 angeordnet werden können. Mit einer Pipette 39 werden zunächst biochemische Proben 5 auf die Analysepositionen 4 aufgebracht. Nach Verdampfen des Lösungsmittels haften die Moleküle der biochemischen Proben 5, wie beispielsweise DNA-Sequenzen auf den Analysepositionen. Mit einer weiteren Pipette 39 wird anschließend entweder auf einzelne oder auf alle biochemischen Proben 5 eine Analyselösung 26 aufgebracht, die Indikatormoleküle aufweist, welche an die Moleküle der biochemischen Proben 5 andocken können.
Ob die biochemischen Proben 5 mit den Indikatormolekülen der Analyselösung 26 reagiert haben, kann durch die Änderung der Resonanzfrequenz der piezoelektrischen Elemente 28 in den A nalysepositionen 4 festgestellt werden. Dazu werden die Signale über hier nicht gezeigte niederohmige Durchkontakte durch das Halbleitersubstrat 6 des Halbleitersensorchips 3 an entsprechende CMOS-Schaltungen des Adressier- und Steuerchips 2 geleitet. Da die Anschlüsse für die einzelnen Analysepositionen 4 über die Rückseite 17 des Halbleitersensorchips 3 erfolgen, kann auf die Analysepositionen 4 der Oberseite 16 des Halbleitersensorchips 3 frei zugegriffen werden. Der in 9 gezeigte Aufbau eines Halbleiterchiplabor 1 kann zum Schutz der CMOS-Schaltungen in eine Kunststoffgehäusemasse 25 unter Freilassung der Analysepositionen 4 eingegossen werden. Um die Analysepositionen 4 gegenüber Nachbarn abzugrenzen, weist das Halbleiterchiplabor 1 Kompartierungselemente 35 in Form eines gitterförmigen Rahmens aus einer Kunststoffgehäusemasse 25 auf.
10 zeigt einen schematischen Querschnitt durch eine Analyseposition 4 mit aufgebrachter Analyselösung 26. Diese Analyselösung 26 füllt die Analyseposition 4 voll auf und bedeckt die obere Elektrode 29 des piezoelektrischen Elements 28 aus einer Aluminiumnickelschicht. Diese obere Elektrode 29 weist eine Beschichtung 40 aus Siliziumnitrid auf, die ein Verankern der biochemischen Proben 5 auf der Elektrode 29 bewirken. Die biochemische Probe 5 besteht in dieser Ausführungsform der Erfindung aus DNA-Sequenzen, die als Moleküle an die Beschichtung 40 angelagert sind.
In der Analyselösung 26 sind Indikatormoleküle 42, die an die DNA-Sequenz 41 andocken können, wenn sie zu dieser Sequenz 41 passen, wie es im rechten Beispiel der 10 gezeigt wird. Die Indikatormoleküle 42 docken nicht an, wenn die Indikatormoleküle 42 eine Sequenz aufweisen, die nicht zu der DNA-Sequenz 41 passt. Anschließend wird die Analyselösung 26 ent fernt, und es bleiben auf dem piezoelektrischen Element 28 bzw. auf der Beschichtung 40 die Moleküle der biochemischen Probe 5 und die angedockten Moleküle zurück, was zu einer Änderung der Resonanzfrequenz führt. Werden hingegen keine Moleküle angedockt, so bleibt praktisch die Resonatorfrequenz, wie sie vorher gemessen wurde, unverändert. Haben entsprechend viele Indikatormoleküle 42 an die Probenmoleküle 41 angedockt, so ändert sich die Masse auf der oberen Elektrode 29 und damit verschiebt sich die Resonatorfrequenz, was durch die angekoppelten CMOS-Schaltungen des Adressier- und Steuerchips 2 erfasst werden kann. Die Kompartierungselemente 35 umgeben jede der Analysepositionen 4 und sorgen dafür, dass die Analyselösung 26 gezielt auf eine der Analysepositionen 4 abgegeben werden kann.
Die 11 bis 17 zeigen Einzelbeispiele für das Andocken und Nicht-Andocken von Indikatormolekülen an Probemoleküle.
11 zeigt eine Prinzipskizze mit Andocken eines Indikatormoleküls 42 an eine DNA-Sequenz 41. Das Indikatormolekül 42 kann zusätzliche Indikatorsequenzen 43 aufweisen, die den Masseanteil erhöhen, so dass mit derartigen Indikatormolekülen 42 aufgrund der erhöhten Masse eine höhere Selektivität erreicht werden kann. Andererseits können die zusätzlichen Indikatorsequenzen 43 besondere optische Eigenschaften aufweisen, die genutzt werden, um die Messergebnisse weiter zu stützen.
12 zeigt eine Prinzipskizze eines Bereitstellens einer zu analysierenden DNA-Probe 5. Hier sind lediglich zwei Moleküle einer DNA-Sequenz 41 gezeigt, die auf der oberen Elektrode 29 des piezoelektrischen Elements 28 verankert sind. Jedoch können eine Vielzahl derartiger Moleküle gleicher DNA- Sequenzen 41 als biochemische Probe 5 auf der oberen Elektro de 29 des piezoelektrischen Elementes 28 angeordnet sein. Die Zusammensetzung der Analyselösung 26 wird nun in den folgenden Beispielen variiert.
13 zeigt eine Prinzipskizze eines Andockens eines DNA-Indikators auf einer Analyseposition 4 an eine DNA-Sequenz 41. In dem linken Fall werden die in der Analyselösung 26 angeordneten Indikatormoleküle 42 an die DNA-Sequenz 41 angedockt, während in dem rechts gezeigten Fall die in der Analyselösung 26 enthaltenen zweiten Indikatormoleküle 42 nicht zu der DNA-Sequenz 41 passen und folglich in der Lösung 26 verbleiben und beim anschließenden Spülgang mit der Lösung 26 weggespült werden, so dass nur eine der beiden Indikatormolekülarten 42 akzeptiert wird.
14 zeigt eine Prinzipskizze eines Andockens eines DNA-Indikators auf einer Analyseposition 4 an DNA-Proben. In diesem Fall werden gleich mehrere gleichartige DNA-Sequenzen 41 mit entsprechenden Indikatormolekülen 42 versehen, so dass sich die Masse, die Viskosität und/oder die Dichte der biochemischen Probe 5 auf der oberen Elektrode 29 des piezoelektrischen Elements 28 derart erhöht, dass sich eine messbare Resonanzfrequenzdifferenz Δf ergibt.
15 zeigt eine Prinzipskizze eines Bereitstellens von zu analysierenden DNA-Proben 5 auf einer Analysenposition 4. Dieses Bereitstellen wird durch Beaufschlagen der Analysenposition 4 mit einer biochemischen Probe 5 durchgeführt, wobei diese Probe 5 in Form von DNA-Sequenzen 41 auf der beschichteten Oberseite der oberen Elektrode 29 haften bleibt.
Solange als Analyselösung 26 lediglich Spüllösungen aufgebracht werden, oder Lösungen, die exakt diese DNA-Sequenzen 41 aufweisen, setzen sich diese DNA-Sequenzen 41 auf den Elektroden 29 fort und das Lösungsmittel der Analyselösung 26 kann eingedampft oder abgespült werden, um eine zähviskose oder feste biochemische Probe 5 auf der Oberseite 16 der Analysenposition 4 zu hinterlassen. Anschließend wird eine weitere Analyselösung 26 mit entsprechenden Indikatormolekülen auf die Oberseite 16 des Halbleitersensorchips aufgebracht und je nach Art der darin angeordneten Indikatormoleküle deren Andockmöglichkeiten analysiert.
Im Fall der 16 ergibt es sich, dass keines der Indikatormoleküle 42 zu der DNA-Sequenz 41 passt. Die Indikatormoleküle 42 werden somit mit dem Lösungsmittel der Analyselösung 16 weggespült.
Als Ergebnis zeigt 17 eine Prinzipskizze einer nicht-markierten DNA-Probe 5 auf einer Analyseposition 4. In diesem Fall haben die Indikatormoleküle in der Analyselösung 26 die DNA-Sequenzen 41 nicht markiert, so dass sich nach Entfernen der Analyselösung 26 die gleiche Resonatorfrequenz ergibt wie mit der ursprünglichen biochemischen Probe 5.
18 zeigt eine Prinzipskizze eines Halbleiterchiplabors 1 nach Aufnahme einer biochemischen Probe 5 mit Schaltungen des Adressier- und Steuerungschips 2. Dabei entspricht das biochemische Halbleiterchiplabor 1 den oben erörterten Beispielen. In den Analysenpositionen 4 sind auf der Oberseite 16 des Halbleitersensorchips 3 biochemische Moleküle 32 angeordnet, wobei die Schaltungen des unter dem Sensorchip 3 angeordneten Adressier- und Steuerchip 2 schematisch durch eine strichpunktierte Linie markiert werden, und die CMOS-Schaltungen in Blöcke 46 und 47 aufgegliedert sind.
Der Block 47 stellt einen Frequenzgenerator dar, der parallel zum Ausgang eine Induktivität 45 aufweist, und der über Leiterbahnen 44 einerseits mit dem Halbleitersensorchip 3 und andererseits mit einer Detektorschaltung 47 für Amplitude und Phase der Ausgangssignale verbunden ist, die in Pfeilrichtung A von dem Adressier- und Steuerchip 2 weitergegeben werden.
19 zeigt eine Prinzipskizze eines Halbleiterchiplabors 1 nach Andocken von Analysemolekülen 31 an die biochemischen Moleküle 32. Nach dem Andocken der Analysemoleküle 31 an die biochemischen Moleküle 32 verändert sich die Masse, und/oder die Viskosität und/oder die Dichte des biochemischen Probenmaterials auf der Oberseite 16 des Halbleitersensorchips 3 in den einzelnen Analysepositionen 4, was wiederum eine Resonatorfrequenzänderung zur Folge hat, die von der Detektorschaltung 47 in Pfeilrichtung A ausgegeben wird.
20 zeigt eine Prinzipskizze des Aufbringens einer Analyselösung 26 auf eine Analyseposition 4 eines Halbleitersensorchips 3. Die Ausbreitung der Analyselösung 26 wird durch Kompartierungselemente 35 begrenzt, so dass einzelne Analysenpositionen 4 mit der Analyselösung 26 versorgt werden können.
21 zeigt eine Prinzipskizze des Aufbringens einer Analyselösung 26 auf mehrere Analysepositionen 4. Bei dieser Ausführungsform der Erfindung sind die einzelnen Analysepositionen 4 des biochemischen Halbleiterchiplabors 1 nicht durch Kompartierungselemente begrenzt, so dass sich die Analyselösung 26 über sämtliche Analysepositionen 4 des Halbleitersen sorchips 3 ausbreiten kann. Jede der Analysepositionen 4 steht über Durchkontakte 7 mit dem Adressier- und Steuerchip 2 in Verbindung, das CMOS-Schaltungen aufweist, um Resonatorfrequenzdifferenzen zu erfassen. Dabei kann der Adressier- und Steuerchip 2 Schieberegister aufweisen, die in Zeit- und Längenabständen von Δ1 die Erfassung der Messwerte von einer Analyseposition 4 zur nächsten Analyseposition durchschalten, wie es 22 zeigt.

1: biochemisches Halbleiterchiplabor
2: Adressier- und Steuerchip
3: Halbleitersensorchip (1. Ausführungsform)
4: Analyseposition
5: biochemische Probe
6: Halbleitersubstrat
7: niederohmiger Durchkontakt
8: Leiterbahnstruktur
9: Oberseite des Adress- und Steuerchips
10: BAW-Filterstruktur bzw. FBAR-Resonator
11: Reflektorschicht
12: Reflektorschicht
13: Halbleitersensorchip (2. Ausführungsform)
14: Hohlraum
15: hochdotierter Durchgangsbereich
16: Oberseite des Halbleitersensorchips
17: Rückseite des Halbleitersensorchips
18: komplementär dotierter Bereich
19: Metallisch leitendes Material
20: Durchgang
21: Oberseite des Halbleitersubstrats
22: Rückseite des Halbleitersubstrats
23: Halbleitersensorchip (3. Ausführungsform)
24: Kontaktanschlussflächen des Adressier- und Steuerchips
25: Kunststoffgehäusemasse
26: Analyselösung
27: Isolationsschicht
28: piezoelektrisches Element
29: obere Elektrode des piezoelektrischen Elementes
30: untere Elektrode des piezoelektrischen Elementes
31: Analyse- bzw. Indikatormoleküle
32: biochemische Moleküle
33: Halbleitersensorchip (4. Ausführungsform)
35: Kompartierungselement
37: Kontaktfläche
38: elektrisch leitende Klebstoffschicht
39: Pipette
40: Beschichtung der Elektrode 29
41: DNA-Sequenz
42: Indikatormolekül
43: Halbleitersensorchip (5. Ausführungsform)
44: elektrische Leiterbahn
45: Induktivität
46: Block mit Frequenzgenerator
47: Block mit Detektor für Amplitude und Phase
48: Aussparung im Halbleitersubstrat
d: Durchmesser der piezoelektrischen Elemente
Δf: Resonanzfrequenzdifferenz

Claims

Biochemisches Halbleiterchiplabor mit angekoppeltem Adressier- und Steuerchip (2) für biochemische Analysen, wobei ein Halbleitersensorchip (3), der eine Vielzahl von Analysepositionen (4) für biochemische Proben (5) in einer Matrix auf einem Halbleitersubstrat (6) aufweist, auf dem Adressier- und Steuerchip (2) angeordnet ist und wobei die Analysepositionen (4) über niederohmige Durchkontakte (7) durch das Halbleitersubstrat (6) mit einer Leiterbahnstruktur (8) auf der Oberseite (9) des Adressier- und Steuerchips (2) elektrisch in Verbindung stehen.
Halbleiterchiplabor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Halbleitersensorchip (3) Masse-, Viskositäts- und Dichteänderungen biochemischer Proben (5) in Resonanzfrequenzänderungen wandelt.
Halbleiterchiplabor nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Halbleitersensorchip (3) in den Analysepositionen (4) auf dem Halbleitersubstrat (6) FBAR-Resonatoren (10) (film bulk acoustic resonators) aufweist, die über die niederohmigen Durchkontakte (7) in dem Halbleitersensorchip (3) Resonanzfrequenzänderungen im Gigahertzbereich an den Adressier- und Steuerchip (2) übertragen.
Halbleiterchiplabor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die FBAR-Resonatoren (10) piezoelektrische Elemente(28) mit BAW-Resonanzfrequenzen im Gigahertzbereich aufweisen.
Halbleiterchiplabor nach Anspruch 3 oder Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass unter den piezoelektrischen Elementen (28) mehrere Reflektorschichten (11, 12) für BAW-Wellen angeordnet sind, die im Wechsel Schichten hoher Impedanz und Schichten niedriger Impedanz aufweisen.
Halbleiterchiplabor nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den piezoelektrischen Elementen (28) und dem Halbleitersubstrat (6) ein Hohlraum (14) zur Entkopplung von BAW-Wellen angeordnet ist.
Halbleiterchiplabor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Adressier- und Steuerchip (2) zur Aufnahme, Zuordnung und Auswertung von Resonanzfrequenzänderungen im Gigahertzbereich auf komplementären MOS-Transistoren basierende Schaltungen aufweist.
Halbleiterchiplabor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die niederohmigen Durchkontakte (7) hochdotierte Durchgangsbereiche (15) durch die Dicke des Halbleitersubstrats (6) von der Oberseite (16) zu der Rückseite (17) des Halbleitersensorchips (3) in den Analysepositionen (4) aufweisen.
Halbleiterchiplabor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die hochdotierten Durchgangsbereiche (15) von komplementär dotierten Bereichen (18) des Halbleitersubstrats (6) umgeben sind.
Halbleiterchiplabor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die niederohmigen Durchkontakte (7) ein metallisch leitendes Material (19) aufweisen, das in Durchgängen (20) von der Oberseite (16) zu der Rückseite (22) des Halbleitersubstrats (6) in den Analysepositionen (4) angeordnet ist.
Verfahren zur Herstellung eines biochemischen Halbleiterchiplabors (1) aus einem Halbleitersensorchip (3) und einem Adressier- und Steuerchip (2), das folgende Verfahrenschritte aufweist: – Herstellen von niederohmigen Durchkontakten (7) von der Oberseite (21) eines Halbleitersubstrats (6) zu der Rückseite (22) des Halbleitersubstrats (6) in vorgesehenen Analysepositionen (4) eines Halbleitersensorchips (3); – Aufbringen einer Vielzahl von Analysepositionen (4) für biochemische Proben (5) in einer Matrix auf dem Halbleitersubstrat (6) unter Ausbilden eines Halbleitersensorchips (3); – Herstellen eines Adressier- und Steuerchips (2) mit einer Leiterbahnstruktur (8) auf seiner Oberseite (9) mit Kontaktanschlussflächen (24) für niederohmige Durchkontakte (7) eines Halbleitersensorchips (3); – Aufbringen des Halbleitersensorchips (3) mit seinen oberflächenmontierbaren niederohmigen Durchkontakten (7) auf die Kontaktanschlussflächen (24) der Leiterbahnstruktur (8) des Adressier- und Steuerchips (2); – Einbetten des Halbleiterchiplabors (1) in eine Kunststoffgehäusemasse (25) unter Freilassen der Analysepositionen (4) des Halbleitersensorchips (3).
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass zur Herstellung von niederohmigen Durchkontakten (7) in vorgesehenen Analysepositionen (4) eines Halbleitersensorchips (3) durch die Dicke (D) des Halbleitersubstrats (6) von der Oberseite (21) eines Halbleitersubstrats (6) zu der Rückseite (22) des Halbleitersubstrats (6) komplementär zum Leitungstyp des Halbleitersubstrats (6) hochdotiert wird.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass zur Herstellung von niederohmigen Durchkontakten (7) in vorgesehenen Analysepositionen (4) eines Halbleitersensorchips (3) durch die Dicke (D) des Halbleitersubstrats (6) von der Oberseite (21) zu der Rückseite (22) des Halbleitersubstrats (6) ein Durchgang (20) mit metallisch leitendem Material (19) aufgefüllt wird.
Verfahren zur biochemischen Analyse unter Verwendung des Halbleiterchiplabors (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei das Verfahren folgende Verfahrensschritte aufweist: – Aufbringen von biochemischen Proben (5) auf den Analysepositionen (4); – Ermitteln einer ersten Resonanzfrequenz f₁ in den Analysepositionen (4) und Speichern der ersten Reso nanzfrequenz f₁ unter den Adressen des Adressier- und Steuerchips (2); – Aufbringen einer Analyselösung (26) auf die biochemischen Proben (5) in den Analysepositionen (4); – Entfernen der Analyselösung (26) unter Zurücklassung von Reaktionsprodukten; – Ermitteln einer zweiten Resonanzfrequenz f₂ in den Analysepositionen (4) und Speichern der zweiten Resonanzfrequenz f₂ unter den Adressen des Adressier- und Steuerchips (2); – Ermitteln der Differenzen (Δf) der ersten und zweiten Resonanzfrequenzen f₁ und f₂ und Auswerten der Resonanzfrequenzdifferenzen (Δf) zur Bestimmung von Masse- und/oder Dichteänderungen der biochemischen Proben (5).
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass Analysepositionen (4) mit Vergleichs- und/oder Eichproben belegt werden.